CN103973114A - 一种恒功率控制的直流电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种恒功率控制的直流电源，主要由前级稳定电源、BUCK电路、采样电路、CPU控制电路、PWM驱动电路、保护电路和下编程电路等组成。电路采用双闭环控制方式，电流环作为内环，对输出电流信号进行采集。电压环作为外环，对输出电压信号进行反馈。并增加功率控制环，即增加电压、电流乘法器并经过运算放大器产生误差信号，所有信号最终送给CPU控制电路处理。在额定输出功率下，可实现电压、电流任意组合输出，这样的一台电源相当于多台传统电源组合使用。

Description

一种恒功率控制的直流电源
技术领域
本发明涉及直流电源领域，具体是一种恒功率控制的直流电源。
背景技术
宽范围恒功率直流电源是指输出电压及电流都可在较宽的范围内连续调节，且在工作区内电源可工作在恒功率模式，即负载电流小时输出电压高，负载电流大时输出电压低。许多电子设备的开发研制过程中，都需要各种各样的实验与测试用的通用稳压电源，这类电源一般都要求有较宽的电压调节范围和一定的输出功率能力。例如对于通信行业中用到的低压大电流DC/DC模块的研发及测试，需要能够提供较低电压和较大电流的测试电源。
目前，宽范围恒功率电源的实现方法也有采用线性电源及线性电源与开关电源组合的方式。传统的线性稳压电源虽有调压范围宽、稳定性好、控制线路简单等特点，但受调整管功耗等因素的限制，难以做到大电流宽范围电压输出。要使输出电压能够宽范围调节，必须使用多档开关或转换变压器抽头的方式，导致其体积较大、效率偏低。而线性电源与开关电源相组合的方式，虽然保证了稳压的精度，一定程度上提高了***的效率，但输出电压在较宽范围内变化时，依然不能保证***在全输出电压范围内的高效率。
发明内容 本发明的目的是提供一种恒功率控制的直流电源，以解决现有技术存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种恒功率控制的直流电源，其特征在于：包括有前级稳定电源、两相交错并联拓扑结构的BUCK电路、电流采样电路、电压采样电路、PWM驱动电路、CPU控制电路、下编程电路，所述BUCK电路接入前级稳定电源两输出端之间，BUCK电路由开关管Q1和Q2、二极管D1和D2、储能电感L1和L2构成，其中开关管Q1的漏极与前级稳定电源第一个输出端连接，开关管Q1的源极连接至储能电感L1的一端，储能电感L1的另一端与一个储能电容Co一端连接，储能电容Co另一端与前级稳定电源第二个输出端连接，储能电容Co两端还并联有由电阻RL、电流检测电阻Rs串联构成的串联支路，所述二极管D1的阴极连接至开关管Q1的源极与储能电感L1之间，二极管D1的阳极与前级稳定电源第二个输出端连接，所述开关管Q2的漏极与前级稳定电源第一个输出端连接，开关管Q2的源极连接至储能电感L2的一端，储能电感L2的另一端连接至储能电感L1与储能电容Co之间，所述二极管D2的阴极连接至开关管Q2的源极与储能电感L2之间，二极管D2的阳极与前级稳定电源第二个输出端连接，所述电流采样电路输入连接至电流检测电阻Rs两端，电流采样电路输出连接至CPU控制电路输入，所述电压采样电路输入连接至储能电容Co与电阻RL之间，电压采样电路输出连接至CPU控制电路输入，所述CPU控制电路输出分别连接至PWM驱动电路输入、下编程电路输入，所述PWM驱动电路输出分别连接至BUCK电路中开关管Q1的栅极、开关管Q2的栅极，所述下编程电路输出分别连接至储能电容Co与电流检测电阻Rs之间、储能电容Co与电阻RL之间。
所述的一种恒功率控制的直流电源，其特征在于：所述电流采样电路由差分取样放大器、电流运算放大器构成，差分取样放大器两输入端分别与电流检测电阻Rs两端连接，差分取样放大器输出端连接至电流运算放大器其中一个输入端，电流运算放大器另一个输入端接入电流基准信号，电流运算放大器输出端连接至CPU控制电路输入。
所述的一种恒功率控制的直流电源，其特征在于：所述电压采样电路包括电压误差放大器，电压误差放大器一个输入端连接至储能电容Co与电阻RL之间，电压误差放大器另一个输入端接入电压基准信号，电压误差放大器输出端连接至CPU控制电路输入。
所述的一种恒功率控制的直流电源，其特征在于：所述下编程电路包括误差放大器、三极管Q3、开关管Q4、电阻R1，CPU控制电路输出连接至误差放大器其中一个输入端，误差放大器另一个输入端接入给定基准信号，误差放大器输出端连接至三极管Q3的基极，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极与开关管Q4的栅极连接，三极管Q3的集电极还通过电阻接入电压VCC，开关管Q4的漏极通过电阻R1连接至储能电容Co与电流检测电阻Rs之间，开关管Q4的源极连接至储能电容Co与电阻RL之间。
所述的一种恒功率控制的直流电源，其特征在于：还包括功率乘法器、功率运算放大器，功率乘法器一个输入端连接至差分取样放大器输出端，功率乘法器另一个输入端连接至电压误差放大器与储能电容Co、电阻RL之间连接的输入端，功率乘法器的输出端与功率运算放大器一个输入端连接，功率运算放大器另一个输入端接入最大功率基准信号，功率运算放大器输出端连接至CPU控制电路的输入。
所述的一种恒功率控制的直流电源，其特征在于：还包括保护电路，保护电路由过压保护电路、过流保护电路、过功率保护电路构成，保护电路接入CPU控制电路的输入。
本发明在负载较轻时，可以提供高电压/小电流输出；在负载较重时，可以提供低压/大电流输出。该电源体积可控制在较小的空间内，而且该电源具有较快的动态响应速度。
本发明采用交错式双BUCK降压电路并联拓扑结构和CPU数字控制技术设计，并增加下编程电路和保护电路确保电源可靠性。
本发明具有以下优点：
1、输出电压、电流在较宽范围内可连续调节。
2、具有恒功率控制输出特性。
3、具有较快的调节速度和灵活的控制方式。
4、具有过压、过流、过功率等保护功能。
附图说明
图1是宽范围恒功率电源输出特性图。
图2是本发明实施的电路原理框图。
图3是本发明实施的BUCK电路和CPU控制电路原理示意图。
具体实施方式
如图2、图3所示，一种恒功率控制的直流电源，包括有前级稳定电源、两相交错并联拓扑结构的BUCK电路、电流采样电路、电压采样电路、PWM驱动电路、CPU控制电路、下编程电路，BUCK电路接入前级稳定电源两输出端之间，BUCK电路由开关管Q1和Q2、二极管D1和D2、储能电感L1和L2构成，其中开关管Q1的漏极与前级稳定电源第一个输出端连接，开关管Q1的源极连接至储能电感L1的一端，储能电感L1的另一端与一个储能电容Co一端连接，储能电容Co另一端与前级稳定电源第二个输出端连接，储能电容Co两端还并联有由电阻RL、电流检测电阻Rs串联构成的串联支路，二极管D1的阴极连接至开关管Q1的源极与储能电感L1之间，二极管D1的阳极与前级稳定电源第二个输出端连接，开关管Q2的漏极与前级稳定电源第一个输出端连接，开关管Q2的源极连接至储能电感L2的一端，储能电感L2的另一端连接至储能电感L1与储能电容Co之间，二极管D2的阴极连接至开关管Q2的源极与储能电感L2之间，二极管D2的阳极与前级稳定电源第二个输出端连接，电流采样电路输入连接至电流检测电阻Rs两端，电流采样电路输出连接至CPU控制电路输入，电压采样电路输入连接至储能电容Co与电阻RL之间，电压采样电路输出连接至CPU控制电路输入，CPU控制电路输出分别连接至PWM驱动电路输入、下编程电路输入，PWM驱动电路输出分别连接至BUCK电路中开关管Q1的栅极、开关管Q2的栅极，下编程电路输出分别连接至储能电容Co与电流检测电阻Rs之间、储能电容Co与电阻RL之间。
电流采样电路由差分取样放大器1、电流运算放大器2构成，差分取样放大器1两输入端分别与电流检测电阻Rs两端连接，差分取样放大器1输出端连接至电流运算放大器2其中一个输入端，电流运算放大器2另一个输入端接入电流基准信号，电流运算放大器2输出端连接至CPU控制电路输入。
电压采样电路包括电压误差放大器3，电压误差放大器3一个输入端连接至储能电容Co与电阻RL之间，电压误差放大器3另一个输入端接入电压基准信号，电压误差放大器3输出端连接至CPU控制电路输入。
下编程电路包括误差放大器6、三极管Q3、开关管Q4、电阻R1，CPU控制电路输出连接至误差放大器6其中一个输入端，误差放大器6另一个输入端接入给定基准信号，误差放大器6输出端连接至三极管Q3的基极，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极与开关管Q4的栅极连接，三极管Q3的集电极还通过电阻接入电压VCC，开关管Q4的漏极通过电阻R1连接至储能电容Co与电流检测电阻Rs之间，开关管Q4的源极连接至储能电容Co与电阻RL之间。
还包括功率乘法器5、功率运算放大器4，功率乘法器5一个输入端连接至差分取样放大器1输出端，功率乘法器5另一个输入端连接至电压误差放大器3与储能电容Co、电阻RL之间连接的输入端，功率乘法器5的输出端与功率运算放大器4一个输入端连接，功率运算放大器4另一个输入端接入最大功率基准信号，功率运算放大器4输出端连接至CPU控制电路的输入。
还包括保护电路，保护电路由过压保护电路、过流保护电路、过功率保护电路构成，保护电路接入CPU控制电路的输入。
本发明中，采用数字控制方法，对电源输出电压、电流等信号采集后处理控制BUCK变换器输出，并增加下编程电路提高输出响应速度。实现了电源高精度宽范围输出，在额定输出功率范围内，电压、电流可任意组合，具有灵活的控制方式。通过改变电路参数，可以应用在不同等级的电压、电流宽范围直流电源的设计。
本发明中，采用数字控制方法，从而保证电源实时控制和输出电压、电流的高精度。采用电压、电流双闭环控制技术，并增加功率环控制输出总功率，从而确保电压、电流稳定。后级BUCK电路采用两相交错并联拓扑结构，增加功率器件冗余设计，确保电源可靠运行。采用下编程电路，控制电源输出快速调整，实现较快的动态响应。在该电源的基础上，通过改变相关参数，可以设计不同电压、电流等级的高精度宽范围连续可调的恒功率控制的直流电源。
为了实现电压全范围输出，前级稳定电源应大于后级最大输出电压，通过PWM驱动电路控制输出占空比，实现输出电压可调。PWM占空比可在0～100%范围内变化，但考虑到开关管导通延时特性，必须保留一定的死区时间。
为了减小前级稳定电源的噪声，在BUCK输入部分并接一个高频电容，滤除高频噪声。
本发明输出电流较大，为了减少降低电流应力及开关管发热而导致器件寿命减少的影响，BUCK电路采用交错式并联拓扑结构。PWM驱动电路同步控制开关管Q1和Q2导通和关断，储能电感L1和L2向电容Co充电并提供给后端输出负载RL ,二极管D1和D2起到续流作用。
本发明具有较快的输出响应速度，当CPU发出命令关闭电源时，同时发出命令给误差放大器6与给定基准做比较控制三极管Q3断开。从而控制开关管Q4导通，使得电源通过开关管Q4和电阻R1快速拉电流，将输出电压拉至0V，因而电路输出具有较快的响应速度。
本发明采用高精度AD芯片快速采样电压、电流信号，CPU内部集成高精度DA，可以设置高分辨率电压、电流值，从而控制高精度输出。
如图1所示，本发明是具有宽范围恒功率控制输出功能的，在总功率不超标的情况下，电压、电流可以任意组合。这样的一台电源相当于多台传统电源组合使用，因而在产品研发及测试过程中不需要频繁更换电源，而且减少了电源设备的成本。
如图2所示，这是本发明实施的电路原理框图，主要由前级稳定电源、BUCK电路、采样电路、CPU控制电路、PWM驱动电路、保护电路和下编程电路组成。电路采用双闭环控制方式，电流环作为内环，对输出电流信号进行采集，电压环作为外环，对输出电压信号进行反馈。并增加功率控制环，即增加电压、电流乘法器并经过运算放大器产生误差信号，所有信号最终送给CPU控制电路处理。
如图3所示，这是本发明具体实施电路图，前级稳定电源为后级BUCK电路提供输入源；这里BUCK电路采用两相交错并联拓扑结构，主要由开关管Q1和Q2、二极管D1和D2及储能电感L1和L2组成；图2中的采样电路包括电压、电流信号采样。电流检测电阻Rs采用精密锰铜电阻，差分取样放大器1对电流采集后送给电流运算放大器2，与电流基准做比较后得到电流误差信号送给CPU处理。电压误差放大器3对电压进行采集后与电压基准做比较后送给CPU处理。采集的电压、电流信号经过功率乘法器5后送到功率运算放大器4与最大功率基准做比较，运算结果送给CPU处理；PWM驱动电路根据CPU发出信号控制开关管Q1、Q2的导通和关断，从而维持输出电压的稳定，储能电感L1、L2和储能电容Co提供负载所需要的电流；保护电路包括过压、过流、过功率等电路；下编程电路相当于电子负载功能，其控制电源电压输出快速下降到0V。当CPU发出命令关闭电源时，同时发出命令给误差放大器6与给定基准做比较控制三极管Q3断开，从而控制开关管Q4导通，使得电源通过开关管Q4和电阻R1快速拉电流，将输出电压拉至0V，因而电路输出具有较快的响应速度。
在本发明电路基础上设计了一款20V/50A的电源，其输出功率最大为500W。电源仅有1U高度，在总功率不超过额定输出功率情况下，电压、电流可以任意组合，相当于若干种电源。该电源也可以工作在恒压或恒流模式，可以根据需要设置，在许多产品研发测试中有着广泛的应用。

Claims (6)

1.一种恒功率控制的直流电源，其特征在于：包括有前级稳定电源、两相交错并联拓扑结构的BUCK电路、电流采样电路、电压采样电路、PWM驱动电路、CPU控制电路、下编程电路，所述BUCK电路接入前级稳定电源两输出端之间，BUCK电路由开关管Q1和Q2、二极管D1和D2、储能电感L1和L2构成，其中开关管Q1的漏极与前级稳定电源第一个输出端连接，开关管Q1的源极连接至储能电感L1的一端，储能电感L1的另一端与一个储能电容Co一端连接，储能电容Co另一端与前级稳定电源第二个输出端连接，储能电容Co两端还并联有由电阻RL、电流检测电阻Rs串联构成的串联支路，所述二极管D1的阴极连接至开关管Q1的源极与储能电感L1之间，二极管D1的阳极与前级稳定电源第二个输出端连接，所述开关管Q2的漏极与前级稳定电源第一个输出端连接，开关管Q2的源极连接至储能电感L2的一端，储能电感L2的另一端连接至储能电感L1与储能电容Co之间，所述二极管D2的阴极连接至开关管Q2的源极与储能电感L2之间，二极管D2的阳极与前级稳定电源第二个输出端连接，所述电流采样电路输入连接至电流检测电阻Rs两端，电流采样电路输出连接至CPU控制电路输入，所述电压采样电路输入连接至储能电容Co与电阻RL之间，电压采样电路输出连接至CPU控制电路输入，所述CPU控制电路输出分别连接至PWM驱动电路输入、下编程电路输入，所述PWM驱动电路输出分别连接至BUCK电路中开关管Q1的栅极、开关管Q2的栅极，所述下编程电路输出分别连接至储能电容Co与电流检测电阻Rs之间、储能电容Co与电阻RL之间。
2.根据权利要求1所述的一种恒功率控制的直流电源，其特征在于：所述电流采样电路由差分取样放大器、电流运算放大器构成，差分取样放大器两输入端分别与电流检测电阻Rs两端连接，差分取样放大器输出端连接至电流运算放大器其中一个输入端，电流运算放大器另一个输入端接入电流基准信号，电流运算放大器输出端连接至CPU控制电路输入。
3.根据权利要求1所述的一种恒功率控制的直流电源，其特征在于：所述电压采样电路包括电压误差放大器，电压误差放大器一个输入端连接至储能电容Co与电阻RL之间，电压误差放大器另一个输入端接入电压基准信号，电压误差放大器输出端连接至CPU控制电路输入。
4.根据权利要求1所述的一种恒功率控制的直流电源，其特征在于：所述下编程电路包括误差放大器、三极管Q3、开关管Q4、电阻R1，CPU控制电路输出连接至误差放大器其中一个输入端，误差放大器另一个输入端接入给定基准信号，误差放大器输出端连接至三极管Q3的基极，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极与开关管Q4的栅极连接，三极管Q3的集电极还通过电阻接入电压VCC，开关管Q4的漏极通过电阻R1连接至储能电容Co与电流检测电阻Rs之间，开关管Q4的源极连接至储能电容Co与电阻RL之间。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种恒功率控制的直流电源，其特征在于：还包括功率乘法器、功率运算放大器，功率乘法器一个输入端连接至差分取样放大器输出端，功率乘法器另一个输入端连接至电压误差放大器与储能电容Co、电阻RL之间连接的输入端，功率乘法器的输出端与功率运算放大器一个输入端连接，功率运算放大器另一个输入端接入最大功率基准信号，功率运算放大器输出端连接至CPU控制电路的输入。
6.根据权利要求1所述的一种恒功率控制的直流电源，其特征在于：还包括保护电路，保护电路由过压保护电路、过流保护电路、过功率保护电路构成，保护电路接入CPU控制电路的输入。
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