技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种
开关电源电源，特别是涉及一种能有效压制纹波电压的前馈采样电路及其开关电源。
背景技术
[0002] 目前，在现有的开关电源设计实践中，为实现
输出电压闭环需要经过输出采样、AD转换、数字处理、环路比较、计算结果赋值、驱动调整，输出电压变化等一系列环节，以使稳定后输出电压保持在期望值。
[0003] 但是，当前的开关电源技术中存在有关电源输出纹波受工作可调
频率范围，
母线电容大小，输出电容大小及输入电源的频率高低影响很大，如果单纯依靠
软件滤波及调节控制环路增益来压制工频纹波的方法，会对电源输出
相位及
稳定性带来影响的问题及弊端，为此
发明人进行了进一步研究。实用新型内容
[0004] 为了解决当前的技术存在的关电源输出纹波受工作可调
频率范围，母线电容大小，输出电容大小及输入电源的频率高低影响很大，如果单纯依靠软件滤波及调节控制环路增益来压制工频纹波的方法，会对电源输出相位及稳定性带来影响，针对该些问题及弊端，本实用新型要解决的主要技术问题是提供一种结构简单、成本低的,能有效压制纹波电压的前馈采样电路及其开关电源。
[0005] 为了实现上述效果及其优越性，本实用新型提供了一种能有效压制纹波电压的前馈采样电路，该前馈采样电路包含：
[0006] 作为目标值
直流分量电压采样用与输出电压稳压控制的Vz端，其是由
电阻加电阻分压值(Vz)，电阻R1与电阻R2
串联在输出电压的正极VO+与接地端之间构成，Vz端为电阻R1与电阻R2的串联连结点；
[0007] 作为目标值附近小范围
波动的前馈采样参与纹波压制的Vw端，其是电容C1与电阻R3串联在输出电压的正极VO+与接地端之间构成，Vw端为电容C1与电阻R3的串联连结点；
[0008] 其中，该前馈采样电路采集数据
叠加于所述控制环路的给定输入端。
[0009] 还提供了以一种应用上述前馈采样电路的一种能有效压制纹波电压的开关电源，包含控制环路，所述控制环路包括输出采样模
块、数字控制单元及驱动调整模块，所述输出采样模块包含能有效压制纹波电压的前馈采样电路。
[0010] 其中较佳的是：所述驱动调整模块为DC/DC变换单元。
[0011] 其中较佳的是：所述数字控制单元包含AD转换模块、数字处理模块、环路比较模块及计算结果赋值模块。
[0012] 其中较佳的是：所述数字控制单元将前馈采样采集的数值与给定值进行叠加运算后与直流分量电压采样采集的数值进行逻辑运算，并经PI调节后去控制DC/DC变换单元以调整输出电压。
[0013] 本实用新型一种能有效压制纹波电压的开关电源与
现有技术不同之处在于本实用新型还包含一种能有效压制纹波电压的前馈采样电路，其实现了如下控制方法：
[0014] 1.电阻加电阻分压值(Vz)作为目标值直流分量电压采样用与输出电压稳压控制[0015] 2.电容加电阻分压值(Vw)作为目标值附近小范围波动的前馈采样参与纹波压制[0016] 3.前馈采样叠加于控制环路给定。
[0017] 其中较佳的上述电路中，所述前馈采样电路与所述控制环路的给定输入端之间设有AD转换。
[0018] 借此，本实用新型中的一种能有效压制纹波电压的前馈采样电路可让数字控
制芯片精准的知道输出电压的实际波动，并且尽可能有效利用AD可用范围，再加上合理可靠的控制方法，最终达成了压制输出纹波为原来20％甚至10％的目的。本实用新型借此实现了在成本几乎没有明显变化的情况下将电源模块输出纹波压制到未进行处理的五分之一甚至更小的效果及其突出的优越性。
[0019] 下面结合
附图对本实用新型作进一步说明。
附图说明
[0020] 图1为本实用新型一种能有效压制纹波电压的前馈采样电路示意图；
[0021] 图2为本实用新型一种能有效压制纹波电压的前馈采样电路及其开关电源中电源的原理
框图；
[0022] 图3为本实用新型一种能有效压制纹波电压的前馈采样电路及其开关电源的一具体
实施例的电路图；
[0023] 图4为一现有仅由直流分量电压采样参与反馈控制的电源3相380VAC交流输入直流220VDC直流输出的纹波电
压实际测量值；
[0024] 图5为本发明一具体实施例的3相380VAC交流输入直流220VDC直流输出的纹波电压实际测量值。
具体实施方式
[0025] 为实现输出电压闭环，我们需要经过输出采样、AD转换、数字处理、环路比较、计算结果赋值、驱动调整，输出电压变化等一系列环节，以使稳定后输出电压能保持在期望值。这个闭环控制过程中，主要需要关注的是两个点，一个是采样必需准确，也就是处理器要知道实际输出电压或者
电流此时是什么样子，以便与给定值去比较，而比较的结果就是我们需要调整的误差。另一个点是数字处理过程必须合理，利用采样值与给定值比较所得出的差额做为控制量，经PI调节后去控制实际输出电压。
[0026] 在本实用新型中，我们关注的输出纹波电压是指在直流电压中叠加的
交流分量，在采用频率为50Hz市电供应的ACDC电源模块中，其输出电压纹波除了由于开关频率的高频充放电导致的电压波动外，还有频率为100Hz(单相供电)或者300Hz(三相)的低频纹波电压，两者相互叠加，一般来说低频纹波要比高频纹波要大。而压低此纹波的方法，其一是增加输入母线电容容量，当初级侧母线电容上的电压波动足够小时反应到输出的低频纹波就体现不出来了，而另一种方法增加输出滤波电容的容量及滤波电感的感量，第三种方法则是加快环路PI的调整速度，使开关频率的调整跟上母线电容电压的波动，输出电容的电压就表现的相对平滑。前两种方法不可避免的带来产品体积和成本的增加，而第三种方式则不能无限制加快调整速度，最终必将妥协或稳态或动态的稳定性，而且实践中发现当输出电压为220VDC实际波动电压约在1％左右时，以12位AD采样为例，其所采到的可用于体现输出纹
波数字变化量仅为30左右，这样一个扰动就有可能造成过调，另受制于数字控制芯片的PWM输出
精度，这么小的
数字量变化不能完全反应到驱动电路，所以以普通电阻分压采样来去做纹波调整控制，就算计算速度再快计算方法再复杂实际效果也很难达到理想效果。
[0027] 基于以上考虑及实验结果验证，我们有必要想办法让数字控制芯片精准的知道输出电压的实际波动，并且尽可能有效利用AD可用范围，再加上合理可靠的控制方法，最终达成压制输出纹波为原来20％甚至10％的目的。
[0028] 为了实现上述目的，本实用新型主要是采用下技术思路进行：
[0029] 1、将电阻加电阻分压值(Vz)作为目标值直流分量电压采样用于输出电压稳压控制；
[0030] 2、将电容加电阻分压值(Vw)作为目标值附近小范围波动的前馈采样参与纹波压制；
[0031] 3、使前馈采样叠加于控制环路给定。
[0032] 如图1所示，为本实用新型一种能有效压制纹波电压的前馈采样电路示意图，本实用新型的一种能有效压制纹波电压的前馈采样电路包括：
[0033] 1、作为目标值直流分量电压采样用与输出电压稳压控制的Vz端，其是由电阻加电阻分压值(Vz)，电阻R1与电阻R2串联在输出电压的正极VO+与接地端之间构成，Vz端为电阻R1与电阻R2的串联连结点；
[0034] 2、作为目标值附近小范围波动的前馈采样参与纹波压制的Vw端，其是电容C1与电阻R3串联在输出电压的正极VO+与接地端之间构成，Vw端为电容C1与电阻R3的串联连结点；
[0035] 其中，该前馈采样电路采集数据叠加于控制环路给定输入端。
[0036] 本实用新型采用了一种直接采样方式：电阻加电阻分压值，本实用新型使用这种方式的优点在于，在稳定情况下的所检测的数字量仅在目标值附近波动，基波动范围只有几十，再经过滤波后几乎可以认为是不变的，所以我们将其做为直流
信号去处理，做为输出电压的直流量用于反馈。
[0037] 同时，为达到我们想要的压制纹波的目的，我们还需要将纹波信号在全部范围内利用数字芯片本身的采样精度，如图1中的Vw点，当输出电压完美平滑时，此点电位为0，另外，由于电容两端电压不能突变，当输出电压某一时刻突然高于目标值时，Vw点电位也会随输出电压做相同变化，当然因为电容容量的和波动频率的关系，VO+与Vw的变化量不一定完全相等，但时间轴必定重合，其在做适当的上拉以后就为实时控制纹波提供了前提。
[0038] 由于在
闭环系统中，经过
硬件滤波及数字滤波后的目标值直流分量电压采样值近似成不变，与给定值比较的误差经PI输出调整后输出，做为调整开关管开通时长的依据，此时的给定值是一个固定的值。当仅以此做为控制输出电压的手段时，其结果就是我们看到的，输出电压纹波大。
[0039] 在本实用新型的技术方案中，为了不增加成本和体积，我们把波动采样利用起来，增加了电阻加电阻分压值的直接采样方式作为前馈采样电路，经过一定的变比后Vw变成了一组随时间变化的与输出电压波实时相关的数字量，然后把这个值与给定值做负相关，也就是说当输出电压高于目标控制值时把给定值适当的调低一点，当输出电压低于目标控制值时把给定值适当的调高一点点，经过实验确定适合需求条件的PI参数后，再看输出电压已经非常平滑了。其具体控制方法参见图2及3。如图2所示，为本实用新型一种能有效压制纹波电压的前馈采样电路及其开关电源中电源的原理框图；如图3所示，为本实用新型一种能有效压制纹波电压的前馈采样电路及其开关电源的该具体实施例的电路图；
[0040] 参见图3，为本实用新型的开关电源的原理框图；由图可知，电源主要包括，输入端(可包含输入保护、输入EMI、整流滤波等)、DC/DC变换、输出端以及主要由采样单元、数字控制单元构成的控制环路(闭环控制)，所述闭环控制中设有数字控制单元将前馈采样采集的数值与给定值进行叠加运算后与直流分量电压采样采集的数值进行逻辑运算，并经PI调节后去控制DC/DC变换单元以调整输出电压。
[0041] 其中，采样单元主要包含直流分量电压采样及前馈采样，将其采集的电压信号转换为数字量，将经过一定的变比后Vw变成了一组随时间变化的与输出电压波实时相关的数字量(此步骤可由采样与控制之间的AD转换完成)，然后把这个值与给定值相加后用于控制环路。
[0042] 经过以上方法的处理的开关电源的输入输出滤波电路可以使用较小的容量和感量即可将纹波有效压制在目标范围内，而成本和体积几乎不增加，同时使用同一PI可以在较宽的范围内适用，动态及稳态都能达到标准要求。
[0043] 经实际测试，仅由直流分量电压采样参与反馈控制的电源与既有直流分量电压采样又有前馈采样参与反馈控制的本实用新型的电源相比，其输出纹波电压的别还是非常大的。本测试是采用TDS 1002C-SC数字示波器进行的，请参见图4,为仅由直流分量电压采样参与反馈控制的一现有电源3相380VAC交流输入直流220VDC直流输出的纹波电压实际测量值，该电源输入电压为380VAC，输出电压220VDC10A,波纹如图所示。示波器显示200mV/格，实测纹波电压1.03V；及图5为本发明一具体实施例的3相380VAC交流输入直流220VDC直流输出的纹波电压实际测量值，该电源输入电压为380VAC，输出电压220VDC10A,波纹如图所示。示波器显示50mV/格，实测纹波电压22mV。因此，从图4及图5的对比中明显可以出所述3相380VAC交流输入直流220VDC直流输出的纹波电压实际测量值的差别，证实了使用本实用新型中的采样及控制方法可以纹波减小到原来10％以下。
[0044] 以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种
变形和改进，均应落入本实用新型
权利要求书确定的保护范围内。
