CN105511389A - 一种提升程控直流电源输出响应速度的下编程控制环路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提升程控直流电源输出响应速度的下编程控制环路。数据采集与处理电路、ADC变换电路、CPU***、DAC变换电路及下编程电路组成的下编程控制环路，程控直流电源负端增加负偏置电压源，下编程电路连接于程控直流电源正端和偏置电压源负端之间。本发明带有CPU***与数据采集与处理电路，能实时监控输出电压、电流和相应的下编程电流，采用并联负反馈控制电路，实现对下编程电路的控制，由于电路中始终能保持下编程电流恒定，使得程控直流电源的输出电压能快速下降到0V，并在电压接近0V时保持性能，从而提升程控直流电源的输出响应速度和性能。

Description

一种提升程控直流电源输出响应速度的下编程控制环路
技术领域
本发明涉及程控直流电源领域，尤其是一种提升程控直流电源输出响应速度的下编程控制环路。
背景技术
程控直流电源在轻载或空载条件下，电源输出电容器会缓慢地放电。如果将程控直流电源作为静态电压源，是完全没有问题的，但是当进行快速变化电压下的测试时，缓慢的放电速度就等于缓慢的响应速度和性能。这无疑会给程控直流电源的响应速度和性能带来极为不利的影响。本发明涉及一种程控直流电源下编程电路，具有可编程下编程电流的能力，对电源输出电容器进行快速程控放电，使得程控直流电源的输出电压能快速下降到0V，从而极大地提升程控直流电源的输出响应速度和性能。
目前，常规的下编程电路原理图如图1所示，MOSFET功率管V1跨接在输出端上。当输出电压高于编程值时，下编程控制信号DP-CONTRL控制运算放大器N1输出高电平，MOSFET功率管V1就被激活导通而给输出等效电容器C1放电，MOSFET功率管V1的下编程电流范围从电源额定输出电流的10％到20％。当输出电压较低时，低压(VL)时的最大负载被限制为MOSFET功率管的导通电阻RDS加上串联的检测电阻R1，其最大下编程电流被限制为：VL/(RDS+R1)，同时，MOSFET功率管处于深度饱和状态，动态调整能力显著降低。因此下编程电流在接近0V时性能会明显下降，无法实现快速大电流下编程控制。
采用常规的下编程电路虽然可提升程控直流电源的输出响应速度和性能，电路简单、容易实现，但下编程电流在低压输出特别是在接近0V时性能会明显下降，下编程电流能力大为降低，影响程控直流电源在输出电压变化时的输出响应速度和性能。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种改进的下编程电流电路，实现零电压条件下快速大电流下编程控制，有效提高低电压输出时的快速动态调整能力，从而实现全电压变化范围下的响应速度和性能。
为了达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种提升程控直流电源输出响应速度的下编程控制环路，包括数据采集与处理电路、ADC变换电路、CPU***、DAC变换电路及下编程电路，所述数据采集与处理电路、ADC变换电路、CPU***、DAC变换电路及下编程电路组成的下编程控制环路，所述程控直流电源负端增加负偏置电压源，下编程电路连接于程控直流电源正端和偏置电压源负端之间；
所述数据采集与处理电路实时采集程控直流电源的输出电压、输出电流及下编程电流，采集到的信号通过ADC变换电路进行A/D转换，再送入CPU***进行处理并输出控制信号，控制信号通过DAC变换电路进行D/A转换后送到下编程电路，进而控制下编程电路，使得程控直流电源的输出电压能快速下降到0V，并在电压接近0V时保持性能，从而提升程控直流电源的输出响应速度和性能。
优选地，所述下编程电路包括集成运算放大器及功率管，集成运算放大器的同相输入端输入下编程控制电压，集成运算放大器的输出端连接功率管的基极，功率管的发射极连接偏置电压源负端，功率管的集电极连接集成运算放大器的反相输入端形成反馈支路，同时功率管的集电极连接下编程电流检测电阻，下编程电流检测电阻通过电流输出检测电阻连接程控直流电源正端，程控直流电源两端并联有等效输出电容；
所述下编程控制电压经过集成运算放大器的比例积分放大、再经功率管的中功率放大和反馈支路的反馈控制，进而驱动功率管对下编程电流检测电阻的下编程电流进行控制，使得等效输出电容电压能够快速调节到0V。
优选地，所述数据采集与处理电路通过下编程电流检测电阻、电流输出检测电阻实时采集程控直流电源的输出电流、输出电压及下编程电流。
优选地，所述下编程电流检测电阻上电压幅值低于集成运算放大器同相输入端输入的下编程控制电压幅值时，说明下编程实际电流小于设定的下编程电流，运算放大器输出低电平，功率管导通，下编程实际电流继续加大；反之，下编程实际电流趋向减小，直至下编程实际电流等于下编程设定电流，进而实现下编程电流的可编程控制。
优选地，所述功率管由PNP型三极管和NPN型三极管复合而成，其中PNP型三极管为中功率放大管，NPN型三极管为下编程电流驱动管。
优选地，所述集成运算放大器的反相输入端和输出端之间并联有负反馈控制电路。
优选地，所述程控直流电源的输出端还连接有渐进式饱和电感，渐进式饱和电感用于抑制功率管导通瞬态的冲击电流，并避免渐进式饱和电感自身在大电流状态时出现饱和现象。
采用如上技术方案取得有益技术效果为：
1、与常规下编程电路相比，本发明可以完全下拉输出到0V，接近0V时的性能也不降低，保证了全范围变化电压下的响应速度和性能。
2、带有CPU***与数据采集与处理电路，能实时监控输出电压、输出电流和相应的下编程电流。
3、采用对称并联下编程电路可快速降低输出电压，获得较大的下编程电流，使放电时间可减小到毫秒级，甚至微秒级。根据输出功率，还可采用更多级并联。
4、采用正、负电源供电的比例积分运算放大方式，下编程控制信号由单一的负电压控制信号扩展到正、负电压控制信号，扩展了下编程控制信号的控制范围，并有效消除杂散信号影响。
5、采用本发明的下编程电路后，输出下降时间和输出电压基本上呈现出线性关系。
附图说明
图1为常规的下编程电路原理图。
图2为下编程控制环路示意图。
图3为下编程电路原理简图。
图4为下编程电路结构示意图。
具体实施方式
结合附图2至4对本发明的具体实施方式做进一步说明：
一种提升程控直流电源输出响应速度的下编程控制环路，包括数据采集与处理电路、ADC变换电路、CPU***、DAC变换电路及下编程电路。如图2所示，数据采集与处理电路、ADC变换电路、CPU***、DAC变换电路及下编程电路组成的下编程控制环路，所述程控直流电源负端增加负偏置电压源，下编程电路连接于程控直流电源正端和偏置电压源负端之间。数据采集与处理电路实时采集程控直流电源的输出电流、输出电压及下编程电流，采集到的信号通过ADC变换电路进行A/D转换，再送入CPU处理***进行处理并输出控制信号，控制信号通过DAC变换电路进行D/A转换后送到下编程电路，进而控制下编程电路，使得程控直流电源的输出电压能快速下降到0V，并在电压接近0V时保持性能，从而提升程控直流电源的输出响应速度和性能。
如图3所示，下编程电路原理简图，由集成运算放大器N1、功率管V1、下编程电流检测电阻R2和偏置电压源BT1共同构成下编程电路。集成运算放大器N1的同相输入端输入下编程控制电压，集成运算放大器的输出端连接功率管V1基极，功率管的发射极连接偏置电压源负端，功率管的集电极连接集成运算放大器的反相输入端形成反馈支路，功率管的集电极还连接下编程电流检测电阻，下编程电流检测电阻通过电流输出检测电阻连接程控直流电源正端，程控直流电源两端并联有等效输出电容。
采用正、负电源供电的比例积分运算放大方式，在运算放大器的反向输入端增加正偏置，下编程控制信号由单一的负电压控制信号扩展到正、负电压控制信号，扩展了下编程控制信号的控制范围，并有效消除杂散信号影响。
下编程控制电压经过集成运算放大器的比例积分放大、再经功率管的中功率放大和反馈支路的反馈控制，进而驱动功率管对下编程电流进行控制，使得等效输出电容电压能够快速调节到0V。数据采集与处理电路通过下编程电流检测电阻R2、电流输出检测电阻R1实时采集程控直流电源的输出电压、输出电流及下编程电流。
当下编程电流检测电阻R2上电压幅值低于下编程控制电压DP-CONTRL幅值时，说明下编程电流小于设定的下编程电流，运算放大器N1输出低电平，V1导通，R2电流继续加大；反之，R2电流趋向减小，直至R2电流等于设定的下编程电流，进而实现下编程电流的可编程控制。偏置电压源BT1为V1提供负电压偏置，可实现完全下拉输出，这样即使输出电压接近0V时，下编程电流仍然能够保持恒定，达到接近0V时下编程性能不降低。所以下编程电流是全范围可编程控制的，其功能相当于可编程电子负载，这样可以对电源输出电容器进行快速可编程放电，提高程控直流电源在变化电压下的响应速度和性能。
功率管由PNP型三极管和NPN型三极管复合而成，具体电路如图4所示，下编程控制电压信号通过保险丝F800后，输入到运算放大器N802A和N802B的两个同相输入端，和其对应的两个反相输入端信号分别进行比例积分运算放大后，通过R212、R233和R812、R833驱动中功率放大管V1205和V1805，再经过中功率放大管V1205和V1805二次放大后，最终驱动下编程电流功率管V1200和V1800。其中N802为低噪声、低漂移、高增益运算放大器。N802采用正、负电源供电的比例积分运算放大方式，在运算放大器的反向输入端增加正偏置+10Vr，+10Vr为高精确、低噪声的电压基准，这样下编程控制信号就由单一的负电压控制信号扩展到正、负电压控制信号，扩展了下编程控制信号的控制范围，并有效消除杂散信号影响。
因为晶体三极管的b、e极之间的最大端电压Vbe是一定的(约0.7V)，流过R213、R221和R813、R821的电流也是一定的，所以电阻R213、R221和R813、R821则起到自动限制功率管V1200、V1205和V1800、V1805集电极电流的作用。电阻R214、R814起到负反馈作用，一方面限制电流放大环路的增益放大系数，另一方面起到相位补偿作用，避免电流放大环路发生振荡现象。
电容C811起到电压突变保护作用，当输出电压发生突变过高时，由于电容C811的快速反馈，通过下编程控制电路使得下编程电流迅速减小，进而达到保护下编程电流功率管V1200、V1800的作用。
而电感器L802、L803等采用高精度V形磁芯气隙工艺设计的渐进式饱和电感，不仅能有效抑制下编程电流功率管导通瞬态的冲击电流，而且确保电感器本身不至于在大电流状态时出现饱和现象。
由样机电路测试数据结果见下表。本发明中的最高输出电压为100V，最大工作电流5A。其中，表中第2行是未加入下编程电路的程控直流电源输出电压下降到0.1V条件下的输出下降时间；表中第3行是加入本发明下编程电路的程控直流电源输出电压完全下降到0V条件下的输出下降时间。
从上中可以看出，未加入下编程电路时，输出下降时间最长长达34.04mS，并且很难放电到0V。加入本发明下编程电路后，输出下降时间最长仅为4.52mS，输出下降时间仅是未加入下编程电路的八分之一左右；在接近0V的1V和2V电压时，输出下降时间达到几乎可以忽略不计的0.1mS左右，并且可以完全放电到0V。说明本发明电路具有良好的下编程快速调整能力，能够保证全范围变化电压下的响应速度和性能，达到了本发明专利的设计目标。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (7)

1.一种提升程控直流电源输出响应速度的下编程控制环路，包括数据采集与处理电路、ADC变换电路、CPU***、DAC变换电路及下编程电路，其特征在于，所述数据采集与处理电路、ADC变换电路、CPU***、DAC变换电路及下编程电路组成的下编程控制环路，所述程控直流电源负端增加负偏置电压源，下编程电路连接于程控直流电源正端和偏置电压源负端之间；
所述数据采集与处理电路实时采集程控直流电源的输出电压、输出电流及下编程电流，采集到的信号通过ADC变换电路进行A/D转换，再送入CPU***进行处理并输出控制信号，控制信号通过DAC变换电路进行D/A转换后送到下编程电路，进而控制下编程电路，使得程控直流电源的输出电压能快速下降到0V，并在电压接近0V时保持性能，从而提升程控直流电源的输出响应速度和性能。
2.根据权利要求1所述的一种提升程控直流电源输出响应速度的下编程控制环路，其特征在于，所述下编程电路包括集成运算放大器及功率管，集成运算放大器的同相输入端输入下编程控制电压，集成运算放大器的输出端连接功率管的基极，功率管的发射极连接偏置电压源负端，功率管的集电极连接集成运算放大器的反相输入端形成反馈支路，同时功率管的集电极还连接下编程电流检测电阻，下编程电流检测电阻通过电流输出检测电阻连接程控直流电源正端，程控直流电源两端并联有等效输出电容；
所述下编程控制电压经过集成运算放大器的比例积分放大、再经功率管的中功率放大和反馈支路的反馈控制，进而驱动功率管对下编程电流检测电阻的下编程电流进行控制，使得等效输出电容电压能够快速调节到0V。
3.根据权利要求2所述的一种提升程控直流电源输出响应速度的下编程控制环路，其特征在于，所述数据采集与处理电路通过下编程电流检测电阻、电流输出检测电阻实时采集程控直流电源的输出电流、输出电压及下编程电流。
4.根据权利要求2所述的一种提升程控直流电源输出响应速度的下编程控制环路，其特征在于，所述下编程电流检测电阻上电压幅值低于集成运算放大器同相输入端输入的下编程控制电压幅值时，说明下编程实际电流小于设定的下编程电流，运算放大器输出低电平，功率管导通，下编程实际电流继续加大；反之，下编程实际电流趋向减小，直至下编程实际电流等于下编程设定电流，进而实现下编程电流的可编程控制。
5.根据权利要求2所述的一种提升程控直流电源输出响应速度的下编程控制环路，其特征在于，所述功率管由PNP型三极管和NPN型三极管复合而成，其中PNP型三极管为中功率放大管，NPN型三极管为下编程电流驱动管。
6.根据权利要求2所述的一种提升程控直流电源输出响应速度的下编程电路，其特征在于，所述集成运算放大器的反相输入端和输出端之间并联有负反馈控制电路。
7.根据权利要求2所述的一种提升程控直流电源输出响应速度的下编程控制环路，其特征在于，所述程控直流电源的输出端还连接有渐进式饱和电感，渐进式饱和电感用于抑制功率管导通瞬态的冲击电流，并避免渐进式饱和电感自身在大电流状态时出现饱和现象。
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