一种最高效率工作点定位控制器及方法

摘要

一种最高效率工作点定位控制器，所述最高效率工作点定位控制器#J从直流母线处获得通道电路#J的输入信号aj，从负载#J处获得通道电路#J的输出信号bj，根据获得的输入信号aj和输出信号bj分别给出通道电路#J中开关电感支路#J和单管储能支路#J的控制信号，即占空比Dj(k)和占空比Daj(m)。本发明提供了一种在全负载范围内对所有负载组合都能大概率地获得最高或次高效率的最高效率工作点定位控制器以及所述最高效率工作点定位控制器实现的控制方法。

说明书

技术领域

本发明涉及单输入多输出能馈式接口电路，尤其是提高单输入多输出能馈式接口电路效率性能的控制器及方法，可应用于不规则的LED阵列照明系统和直流微电网的分布式负载系统。

背景技术

单输入多输出能馈式接口电路适用于复杂负载系统的应用场合。典型的复杂负载系统包括不规则的LED阵列照明系统和直流微电网的分布式负载系统。单输入多输出能馈式接口电路可以很好地包容负载间的不一致性。

典型的单输入多输出能馈式接口电路由N个相同的通道电路组成，而每个通道电路的功率部分又由1个开关电感支路和1个单管储能支路组成。当某个通道电路的输入电压与输出电压不存在电压差时，仅它的开关电感支路参与工作，将电能直接地输送给相应的负载；而当该通道电路的输入电压与输出电压存在电压差时，它的开关电感支路仍然为相应的负载提供电能，但同时因电压差造成的多余电能也会通过单管储能支路返回至输入端。发明专利ZL 201310382254.X和ZL201310381708.1中提出的电路都是单输入多输出能馈式接口电路“家族中的成员”。

除了功率部分，通道电路还包括控制部分。但是，无论发明专利ZL 201310382254.X和ZL 201310381708.1还是科技论文“高效的插入式LED阵列驱动接口电路”(2016年7月15日在线发表于《电源学报》)提出的控制方法都没有涉及“单输入多输出能馈式接口电路如何在全负载范围内对所有负载组合都能大概率地获得最高或次高效率”的问题。

发明内容

为了克服现有的控制方法无法令单输入多输出能馈式接口电路在全负载范围内对所有负载组合都能大概率地获得最高或次高效率的不足，本发明提供了一种在全负载范围内对所有负载组合都能大概率地获得最高或次高效率的最高效率工作点定位控制器及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种最高效率工作点定位控制器，所述最高效率工作点定位控制器#J从直流母线处获得通道电路#J的输入信号aj，从负载#J处获得通道电路#J的输出信号bj，根据获得的输入信号aj和输出信号bj分别给出通道电路#J中开关电感支路#J和单管储能支路#J的控制信号，即占空比Dj(k)和占空比Daj(m)，J的取值为1至N，j的取值为1至n；

所述最高效率工作点定位控制器#J由工作点定位子控制器#J和单环子控制器#J组成，由工作点定位子控制器#J产生单管储能支路#J的占空比Daj(m)，作用在于保证输入信号aj的离散平均值Aj(m)处于最小值，m的取值为1至∞；由单环子控制器#J产生开关电感支路#J的占空比Dj(k)，作用在于保证输出信号bj的离散平均值Bj(k)等于参考信号Bref，k的取值为1至∞。

进一步，所述工作点定位子控制器#J由采样器#J、平均器#J、最小值判断器#J、数据锁存器#J、数据堆栈#J1、数据堆栈#J2组成，所述工作点定位子控制器#J在最高效率工作点定位控制器#J启动或重启后先进行扫描定位操作，再进行回归定位操作，设定工作点定位子控制器#J的扫描定位工作周期为Tb＝yTs以及工作点定位子控制器#J的回归定位工作周期为Tc＝zTs，Ts为开关电感支路#J和单管储能支路#J的工作周期，y为大于零的整数，z为大于零的整数。

再进一步，所述单环子控制器#J采用PWM控制器(如各种PID控制器)，设定单环子控制器#J的工作周期为Ta＝xTs，Ts为开关电感支路#J和单管储能支路#J的工作周期，x为大于零的整数，当前单环控制工作周期Ta(k)输出占空比Dj(k)至开关电感支路#J，控制开关电感支路#J中的开关管Mj，使输出信号bj的离散平均值Bj(k)等于参考信号Bref。

为了更好地协调开关电感支路#J和单管储能支路#J的工作，可设定x<y以及x<z。

更进一步，所述最高效率工作点定位控制器#J采用数字信号处理器。

所述控制器还包括中央处理器和信息总线，由中央处理器统一管理最高效率工作点定位控制器#1至最高效率工作点定位控制器#N的工作状态，中央处理器通过信息总线向最高效率工作点定位控制器#1至最高效率工作点定位控制器#N传递启动或重启指令，最高效率工作点定位控制器#1至最高效率工作点定位控制器#N也通过信息总线向中央处理器传递输入信号的离散平均值集合A(m)的突变信号，A(m)＝{A1(m),A2(m),…,An(m)}。

所述输入信号aj包括输入电压、输入电流和输入功率，所述输出信号bj包括输出电压、输出电流和输出功率。

一种最高效率工作点定位控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

(1)最高效率工作点定位控制器#J启动或重启后，工作点定位子控制器#J先进入扫描定位操作状态，设定扫描定位操作的工作周期Tb＝yTs，Ts为开关电感支路#J和单管储能支路#J的工作周期，y为大于零的整数；

(2)再根据设定的直流母线电压和负载范围配置工作点定位子控制器#J中的数据堆栈#J1，将一组以ΔDa为间隔的占空比数据，即Daj_max，…，Daj_min+ΔDa，Daj_min均载入数据堆栈#J1中；

(3)运行当前扫描定位工作周期Tb(m)，按顺序从数据堆栈#J1中获取当前扫描定位工作周期Tb(m)的占空比Daj(m)并输出至单管储能支路#J，控制单管储能支路#J中的开关管Maj，m的取值为1至Y；

(4)待通道电路#J工作稳定后，输入信号aj经工作点定位子控制器#J中的采样器#J处理后获得输入信号的离散值aj(m)；

(5)输入信号的离散值aj(m)经工作点定位子控制器#J中的平均器#J处理后获得输入信号的离散平均值Aj(m)；

(6)输入信号的离散平均值Aj(m)经工作点定位子控制器#J中的最小值判断器#J判断，若判断Aj(m)为当前最小值，则最小值判断器#J触发工作点定位子控制器#J中的数据锁存器#J更新最优占空比Daj_opt为当前的Daj(m)，即Daj_opt＝Daj(m)；若判断Aj(m)不为当前最小值，则数据锁存器#J保留原最优占空比数据；

(7)若m＝Y，表明整个扫描定位操作完成，所述工作点定位子控制器#J将进入回归定位操作状态；否则，运行下一个扫描定位工作周期Tb(m+1)，令m＝m+1，重复步骤(3)至(7)；

(8)所述工作点定位子控制器#J进入回归定位操作状态，设定回归定位操作的工作周期Tc＝zTs，Ts为开关电感支路#J和单管储能支路#J的工作周期，z为大于零的整数；

(9)根据数据锁存器#J中的最优占空比Daj_opt配置工作点定位子控制器#J中的数据堆栈#J2，将一组以ΔDb为间隔的占空比数据，即Daj_opt，…，Daj_max-ΔDb，Daj_max均载入数据堆栈#J2中；

(10)运行当前回归定位工作周期Tc(m)，按顺序从数据堆栈#J2中获取当前回归定位周期Tc(m)的占空比Daj(m)并输出至单管储能支路#J，控制单管储能支路#J中的开关管Maj，m的取值为Y+1至∞；

(11)运行下一个回归定位工作周期Tc(m+1)，令m＝m+1，重复步骤(10)至(11)直至最高效率工作点定位控制器#J重启或通道电路#J停止工作。

进一步，所述步骤(2)中，以ΔDa为间隔的最大占空比Daj_max至最小占空比Daj_min的占空比数据即{Daj_max，…，Daj_min+ΔDa，Daj_min}载入数据堆栈#J1中；所述步骤(3)中，占空比Daj(m)的取值顺序如下：Daj(1)＝Daj_min，Daj(2)＝Daj_min+ΔDa，…，Daj(Y)＝Daj_max，Y＝1+(Daj_max-Daj_min)/ΔDa；所述步骤(9)中，将一组以ΔDb为间隔的最优占空比Daj_opt至最大占空比Daj_max的占空比数据，即{Daj_opt，…，Daj_max-ΔDb，Daj_max}载入数据堆栈#J2中；所述步骤(10)中，占空比Daj(m)的取值顺序如下：Daj(Y+1)＝Daj_max，Daj(Y+2)＝Daj_max-ΔDb，…，Daj(Y+Z)＝Daj_opt，…，Daj(∞)＝Daj_opt，Z＝1+(Daj_max-Daj_opt)/ΔDb。

或者是：所述步骤(2)中，载入占空比数据的顺序为{Daj_min，Daj_min+ΔDa，…，Daj_max}；所述步骤(3)中，占空比Daj(m)的取值顺序为：Daj(1)＝Daj_max，Daj(2)＝Daj_max-ΔDa，…，Daj(Y)＝Daj_min，Y＝1+(Daj_max-Daj_min)/ΔDa；所述步骤(9)中，载入占空比数据的内容及顺序为{Daj_opt，…，Daj_min+ΔDb，Daj_min}；所述步骤(10)中，占空比Daj(m)的取值顺序为：Daj(Y+1)＝Daj_min，Daj(Y+2)＝Daj_min+ΔDb，…，Daj(Y+Z)＝Daj_opt，…，Daj(∞)＝Daj_opt，Z＝1+(Daj_opt-Daj_min)/ΔDb。

再进一步，在最高效率工作点定位控制器#1至最高效率工作点定位控制器#N的基础上，再添加中央处理器和信息总线，由中央处理器统一管理最高效率工作点定位控制器#1至最高效率工作点定位控制器#N的工作状态，中央处理器通过信息总线向最高效率工作点定位控制器#1至最高效率工作点定位控制器#N传递启动或重启指令，最高效率工作点定位控制器#1至最高效率工作点定位控制器#N也通过信息总线向中央处理器传递输入信号的离散平均值集合A(m)的突变信号，A(m)＝{A1(m),A2(m),…,An(m)}。

所述中央处理器的工作流程如下：

(i)单输入多输出能馈式接口电路开机后，中央处理器依次启动最高效率工作点定位控制器#1至最高效率工作点定位控制器#N，完成通道电路#1至通道电路#N的第1次定位工作；

(ii)中央处理器进入等待状态直至输入信号的离散平均值集合A(m)发生突变。

(iii)当A(m)发生突变时，中央处理器依次判断An(m),…,A1(m)是否发生突变；若An(m)不发生突变，则直接继续判断An-1(m)是否发生突变的进程；若An(m)发生突变，则先重启最高效率工作点定位控制器#N，再继续判断An-1(m)是否发生突变的进程；以此类推直至判断A1(m)是否发生突变；若A1(m)不发生突变，则直接进入等待状态；若A1(m)发生突变，则先重启最高效率工作点定位控制器#1，再进入等待状态；

(iv)重复(ii)至(iii)。

进一步，所述步骤(iii)中，依次判断突变的顺序为An(m)至A1(m)；

或者是：所述步骤(iii)中，依次判断突变的顺序为A1(m)至An(m)。

本发明的技术构思为：为确保单输入多输出能馈式接口电路在全负载范围内对所有负载组合都能大概率地获得最高或次高效率，提出在其通道电路中采用最高效率工作点定位控制器。为了与通道电路中的开关电感支路和单管储能支路匹配，最高效率工作点定位控制器由工作点定位子控制器和单环子控制器组成。根据通道电路的输入和输出信号，工作点定位子控制器调整单管储能支路的占空比，单环子控制器调整开关电感支路的占空比，通过令通道电路大概率地运行于最高或次高效率工作点的方式，最终实现整个单输入多输出能馈式接口电路的高效率。在最高效率工作点定位控制器的基础上，引入中央处理器和信息总线，还可衍生出一种最高效率工作点跟踪方法。

本发明的有益效果主要表现在：最高效率工作点定位控制器及方法可进一步提高单输入多输出能馈式接口电路的效率，尤其在复杂负载系统的应用中可确保单输入多输出能馈式接口电路在全负载范围内对所有负载组合都能大概率地获得最高或次高效率。

附图说明

图1是采用本发明的单输入多输出能馈式接口电路框图。

图2是本发明的内部组成框图。

图3是采用本发明的单输入多输出能馈式接口电路实施例1的局部电路图。

图4是七种不同负载情况下本发明实施例1关于通道电路#1效率的20次实验结果。

图5是采用本发明的单输入多输出能馈式接口电路实施例2的电路框图。

图6是本发明实施例2的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1、图2和图3，本发明实施例1的通道电路#J采用的开关电感支路#J(J的取值1至N)由输入电容Cij、电感Lj、输出电容Coj、N-MOS管Mj组成，单管储能支路#J由二极管Dcj、电容Caj、耦合电感Laj和Lbj、N-MOS管Maj、二极管Dacj组成。电容Cij的一端同时与直流母线的正端、耦合电感Lbj的一端以及电感Lj的一端相连，电感Lj的另一端同时与输出电容Coj的一端以及负载#J的一端相连，输出电容Coj的另一端同时与负载#J的另一端、N-MOS管Mj的漏极以及二极管Dcj的阳极相连，二极管Dcj的阴极同时与电容Caj的一端以及耦合电感Laj的一端相连，所述耦合电感Laj的一端与耦合电感Lbj的另一端为同名端关系，耦合电感Laj的另一端与N-MOS管Maj的漏极相连，所述耦合电感Laj的另一端与耦合电感Lbj的另一端为异名端关系，所述耦合电感Lbj的另一端与二极管Dacj的阴极相连，二极管Dacj的阳极同时与直流母线的负端、电容Cij的另一端、N-MOS管Maj的源极、电容Caj的另一端、N-MOS管的源极相连，j的取值1至n。

本发明实施例1的最高效率工作点定位控制器#J由工作点定位子控制器#J和单环子控制器#J组成。工作点定位子控制器#J由采样器#J、平均器#J、最小值判断器#J、数据锁存器#J、数据堆栈#J1、数据堆栈#J2组成。单环子控制器#J则采用增量PID控制器。工作点定位子控制器#J和单环子控制器#J的工作流程相对独立。

本发明实施例1的工作点定位子控制器#J将通道电路#J的输入电流作为输入信号aj，并给出单管储能支路#J的控制信号，即N-MOS管Maj的占空比Daj(m)。在最高效率工作点定位控制器#J启动或重启后，工作点定位子控制器#J先进行扫描定位操作，再进行回归定位操作，具体的工作流程如步骤(1)至(11)所示，其中(1)至(7)属于扫描定位操作，(8)至(11)属于回归定位操作。

(1)最高效率工作点定位控制器#J启动或重启后，工作点定位子控制器#J先进入扫描定位操作状态，设定扫描定位操作的工作周期Tb＝yTs，Ts为开关电感支路#J和单管储能支路#J的工作周期，y为大于零的整数。

(2)再根据设定的直流母线电压和负载范围配置数据堆栈#J1，将一组以ΔDa为间隔的最大占空比Daj_max至最小占空比Daj_min的占空比数据，即{Daj_max，…，Daj_min+ΔDa，Daj_min}载入数据堆栈#J1中。

(3)运行当前扫描定位工作周期Tb(m)，按顺序从数据堆栈#J1中获取当前扫描定位工作周期Tb(m)的占空比Daj(m)并输出至单管储能支路#J，控制单管储能支路#J中的N-MOS管Maj；占空比Daj(m)的取值顺序如下：Daj(1)＝Daj_min，Daj(2)＝Daj_min+ΔDa，…，Daj(Y)＝Daj_max，Y＝1+(Daj_max-Daj_min)/ΔDa，m的取值为1至Y。

(4)待通道电路#J工作稳定后，输入信号aj经采样器#J处理后获得输入信号的离散值aj(m)。

(5)输入信号的离散值aj(m)经平均器#J处理后获得输入信号的离散平均值Aj(m)。

(6)输入信号的离散平均值Aj(m)经最小值判断器#J判断，若判断Aj(m)为当前最小值，则最小值判断器#J触发数据锁存器#J更新最优占空比Daj_opt为当前的Daj(m)，即Daj_opt＝Daj(m)；若判断Aj(m)不为当前最小值，则数据锁存器#J保留原最优占空比数据。

(7)若m＝Y，表明整个扫描定位操作完成，将进入回归定位操作状态；否则，运行下一个扫描定位工作周期Tb(m+1)，令m＝m+1，重复(3)至(7)。

(8)进入回归定位操作状态，设定回归定位操作的工作周期Tc＝zTs，Ts为开关电感支路#J和单管储能支路#J的工作周期，z为大于零的整数。

(9)根据数据锁存器#J中的最优占空比Daj_opt配置数据堆栈#J2，将一组以ΔDb为间隔的最优占空比Daj_opt至最大占空比Daj_max的占空比数据，即{Daj_opt，…，Daj_max-ΔDb，Daj_max}载入数据堆栈#J2中。

(10)运行当前回归定位工作周期Tc(m)，按顺序从数据堆栈#J2中获取当前回归定位工作周期Tc(m)的占空比Daj(m)并输出至单管储能支路#J，控制单管储能支路#J中的N-MOS管Maj；占空比Daj(m)的取值顺序如下：Daj(Y+1)＝Daj_max，Daj(Y+2)＝Daj_max-ΔDb，…，Daj(Y+Z)＝Daj_opt，…，Daj(∞)＝Daj_opt，Z＝1+(Daj_max-Daj_opt)/ΔDb，m的取值为Y+1至∞。

(11)运行下一个回归定位工作周期Tc(m+1)，令m＝m+1，重复(10)至(11)直至最高效率工作点定位控制器#J重启或通道电路#J停止工作。

本发明实施例1的单环子控制器#J将通道电路#J的输出电流作为输出信号bj，设定单环子控制器#J的工作周期为Ta＝xTs，Ts为开关电感支路#J和单管储能支路#J的工作周期，x为大于零的整数，当前单环控制工作周期Ta(k)输出占空比Dj(k)至开关电感支路#J，控制开关电感支路#J中的N-MOS管Mj，k的取值为1至∞。

当直流母线电压恒定时，在工作点定位子控制器#J和单环子控制器#J的共同作用下，本发明实施例1的通道电路#J既可以实现输出信号bj的离散平均值Bj(k)等于参考信号Bref，又可以大概率地实现最高或次高效率。图4为七种不同负载情况下本发明实施例1关于通道电路#1效率的20次实验结果，具体的测试条件如下：直流母线电压为24V，输出电流100mA，负载为1至7个白光LED。从图4可知，在全负载范围内最高效率工作点定位控制器#1的确能令通道电路#1大概率地获得最高或次高效率，在效率方面其性能优于固定占空比Da1(m)的常规控制器。(关于固定占空比Da1(m)的常规控制器的内容可详见2016年7月15日在线发表于《电源学报》的科技论文“高效的插入式LED阵列驱动接口电路”。)

实施例2

参照图1、图2、图3、图5和图6，本发明实施例2在本发明实施例1的基础上，再添加中央处理器和信息总线，由中央处理器统一管理最高效率工作点定位控制器#1至最高效率工作点定位控制器#N的工作状态，中央处理器通过信息总线向最高效率工作点定位控制器#1至最高效率工作点定位控制器#N传递启动或重启指令，最高效率工作点定位控制器#1至最高效率工作点定位控制器#N也通过信息总线向中央处理器传递输入信号的离散平均值集合A(m)的突变信号，A(m)＝{A1(m),A2(m),…,An(m)}。中央处理器的工作流程如步骤(i)至(iv)所示。

(i)单输入多输出能馈式接口电路开机后，中央处理器依次启动最高效率工作点定位控制器#1至最高效率工作点定位控制器#N，完成通道电路#1至通道电路#N的第1次定位工作；

(ii)中央处理器进入等待状态直至输入信号的离散平均值集合A(m)发生突变。

(iii)当A(m)发生突变时，中央处理器依次判断An(m)至A1(m)是否发生突变。若An(m)不发生突变，则直接继续判断An-1(m)是否发生突变的进程；若An(m)发生突变，则先重启最高效率工作点定位控制器#N，再继续判断An-1(m)是否发生突变的进程。以此类推直至判断A1(m)是否发生突变。若A1(m)不发生突变，则直接进入等待状态；若A1(m)发生突变，则先重启最高效率工作点定位控制器#1，再进入等待状态。

(iv)重复(ii)至(iii)。

本发明实施例2具有最高效率工作点跟踪的能力。当负载#1至负载#N中的部分负载发生突变时，相应的最高效率工作点定位控制器将通过信息总线向中央处理器发送相应的突变信息，在接收并确认突变信息之后中央处理器仍通过信息总线向相应的最高效率工作点定位控制器发送重启命令，使相应的通道电路重获最高或次高效率。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。