CN114374308B - 一种开关电源隔离远采电路及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种开关电源隔离远采电路及其设计方法，包括：依次相连的电源PID电路、隔离电路、整定电路；所述整定电路包括：依次串联的电阻R4、电阻R5、电阻R6，电阻R7，电阻R8和电阻R9分别与电阻R7并联；电阻R6和电阻R7的连接点处连接电阻R11；负载的输出正端与整定电路的正端相连，负载的输出负端与整定电路的负端相连。本发明设计开关电源远采电路能够使得隔离放大器的输入电压VP相对V.S‑的电压值为：VP＝VIN*(R7//R8//R9)/(R4+R5+R6+R7//R8//R9)，VP的电压值与开关电源输出导线上的电压降无关，采样端采样电压经过信号整定电路后的电压值均可以真实的反应负载的输出电压变化，可以不失真的采集到负载端电压，电源的动态特性能得到提升。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种开关电源隔离远采电路及其设计方法。
背景技术
在某些应用场合，开关电源与用电设备之间距离较远，导线长度较长，导线电阻R导线较大，负载工作电流较大时会在电源与负载之间的导线上产生比较大的电压压降，导致负载端的供电电压下降太多不能满足工作需求，此时，需要抬高开关电源的输出电压才可以满足负载端的供电需求，不过负载工作电流变小后，负载端的输入电压变高有可能影响负载工作，这种情况下就需要使用开关电源的远采功能：实时根据输出电流变化调整电源的输出电压确保负载的输出电压稳定。开关电源的远采端采样功能是开关电源的一个基本功能，现有技术是通过采样负载端的电压值，经过分压后将电压信号传递至PID控制电路，从而控制开关电源抬升本地输出电压，补偿正负输出母线上的线路压降，如图1所示。这种技术很难应对在电源远采状态下发生负载突变产生的电压波动。该技术方案的理论最大补偿电压可以达到差分放大电路的供电电压。
参见图2是本发明最接近的开关电源远采电路，V.S+为采样输入正，V.S-为采样输入负；R1、R2、L1、L2为输出正、负线的等效电阻和电感，GND为电源控制地、V+为电源控制电路供电正、该电路工作时“输出-”与控制地“GND”需要短接。该电路工作方式：开关电源通过远采线采样负载端电压，电压进行分压后形成电压VP，VP电压信号进入差分放大电路后生成与GND共地的单端电压信号Vo.PID，开关电源PID调节环路根据电压信号Vo.PID进行调节从而调整开关电源的输出电压。该电路在“超长距离(100米以上)且补偿电压超过20V以上的远采”的工况下工作时，输出负载线R1、R2上的压降均超过10V，此时，VP相对于控制地(GND)的电压值为VP＝R2*Io+Vo*R4/(R3+R4)，此时VP信号电压幅值已经远超差分放大电路的供电电压V+(12V)，差分放大电路已经不能正常工作，开关电源的远超功能失效。
该技术方案的理论最大补偿电压可以达到差分放大电路的供电电压(V+)-0.7V，实际使用远端补偿电压通常不超过5V。该电路的动态特性较差：当负载电流Io由满载到空载切换时，由于输出线缆长度等效电感的存在，对于100米电缆输出，电缆的等效电感量理论值已经大于0.1uH，负载切换时会在负载端产生很高的电压尖峰，此电压尖峰及其谐波会通过采样线传导到差分放大电路，进而影响电源的正常工作。当电源输出线长达几百米时电源输出线的等效电感已经很大，当负载电流出现大动态时，电感会产生很大电压尖峰，此电压尖峰可以通过远采线传导到控制地GND，从而影响电源的正常工作和动态特性。此外无论输出线、采样线长线引出后都会引入不同频段的干扰信号，同样会影响电源的正常工作。已有方案仅适用于采样距离短，且线路补偿电压较小时。一旦采样线长度变长或者补偿电压变高会引入很高的共模电压干扰导致PID控制环路工作异常。
发明内容
为了能够实现长距离的线路补偿，本发明提供一种开关电源隔离远采电路，该电路方案对采样信号分压后的反馈电压先进行隔离处理，再传送给PID控制环路，能够有效降低采样线变长、补偿电压变大后产生的共模电压以及干扰信号对控制环路的影响，可以不失真的采集到负载端电压，并进行补偿，电源的动态特性能得到提升。补偿电压可以提高到输出电压的30％，提高了远采工况下电源的动态特性。其具体技术方案如下：
本发明提供的一种开关电源隔离远采电路，包括:电源PID电路、隔离电路、整定电路；所述电源PID电路、隔离电路、整定电路依次相连；所述整定电路包括：依次串联的电阻R4、电阻R5、电阻R6，电阻R7，电阻R8和电阻R9分别与所述电阻R7并联；所述电阻R6和电阻R7的连接点处连接电阻R11；所述负载的输出正端与所述整定电路的正端相连，所述负载的输出负端与所述整定电路的负端相连；其中：
所述电源PID电路，用于对开关电源的输出电压进行调控；
所述信号整定电路，用于对在负载端采样的输出电压进行信号处理；
所述信号隔离电路，用于对信号整定电路的输出信号进行信号隔离。
进一步的，所述整定电路还包括：并联的电阻R3和电容C1，电阻R3的一端与电阻R4相连，另一端与整定电路的输出正端连接，负载的输出正端接在电阻R3和电阻R4连接点处；
还包括：并联的电阻R10和电容C2，所述电阻R10的一端与所述电阻R7连接，另一端与整定电路的输出负端连接，负载的输出负端接在电阻R7和电阻R10的连接点处。
进一步的，所述隔离电路包括：隔离DC-DC电源模块N11、隔离放大器N1、运算放大器N2，电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C11、电容C12、电容C13、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16；所述隔离DC-DC电源模块N11的引脚4和引脚3连接电容C12，所述隔离DC-DC电源模块N11的引脚1和引脚2之间连接电容C13；隔离放大器N1的引脚8与所述隔离DC-DC电源模块N11的引脚2之间连接电容C6，隔离放大器N1的引脚6和引脚7连接电容C7，电容C8和电容C9串联连接在运算放大器N2的引脚5和引脚6上，电阻R14连接在运算放大器的引脚6和引脚7之间，电阻R15连接在运算放大器的引脚4和接地端，电容C10并联在电阻R15两端，电容C11连接在运算放大器的引脚8和接地端，电阻R12的一端连接电容C7、另一端连接电容C8，电阻R13的一端连接隔离放大器的引脚6，另一端连接运算放大器的引脚5。
进一步的，在所述电源PID电路和运算放大器的引脚7之间还连接有电阻R16。
进一步的，所述隔离放大器采用隔离供电，所述隔离放大器的输入电源地与负载的输出负端共地，与隔离DC-DC电源模块N11的引脚3共地。
本发明的第二方面提供一种包括上述任一所述的开关电源隔离远采电路的电子设备。
本发明的第三方面提供一种开关电源隔离远采电路的设计方法，包括步骤：
设计依次相连的电源PID电路、隔离电路、整定电路；所述电源PID电路、隔离电路、整定电路；其中，所述所述电源PID电路，用于对开关电源的输出电压进行调控；所述信号整定电路，用于对在负载端采样的输出电压进行信号处理；所述信号隔离电路，用于对信号整定电路的输出信号进行信号隔离；
设计整定电路，整定电路包括：
依次串联的电阻R4、电阻R5、电阻R6，电阻R7，电阻R8和电阻R9分别与所述电阻R7并联；所述电阻R6和电阻R7的连接点处连接电阻R11；所述负载的输出正端与所述整定电路的正端相连，所述负载的输出负端与所述整定电路的负端相连。
进一步的，所述整定电路还设计有：
并联的电阻R3和电容C1，电阻R3的一端与电阻R4相连，另一端与整定电路的正端连接，负载的输出正端接在电阻R3和电阻R4连接点处；
还包括：并联的电阻R10和电容C2，所述电阻R10的一端与所述电阻R7连接，另一端与整定电路的负端连接，负载的输出负端接在电阻R7和电阻R10的连接点处。
本发明的有益效果如下：
本发明实施例提供一种开关电源隔离远采电路，包括：电源PID电路、隔离电路、整定电路；所述电源PID电路、隔离电路、整定电路依次相连；所述整定电路包括：依次串联的电阻R4、电阻R5、电阻R6，电阻R7，电阻R8和电阻R9分别与所述电阻R7并联；所述电阻R6和电阻R7的连接点处连接电阻R11；所述负载的输出正端与所述整定电路的正端相连，所述负载的输出负端与所述整定电路的负端相连。本发明设计的开关电源远采电路能够使得隔离放大器的输入电压VP相对V.S-的电压值为：
VP＝VIN*(R7//R8//R9)/(R4+R5+R6+R7//R8//R9)，VP的电压值与开关电源输出导线上的电压降无关，也即无论开关电源输出线缆的压降是多少，采样端采样电压经过信号整定电路后的电压值均可以真实的反应输出电压的变化。确保了能够有效降低采样线变长、补偿电压变大后产生的共模电压以及干扰信号对控制环路的影响，可以不失真的采集到负载端电压，并进行补偿，电源的动态特性能得到提升。
附图说明
图1是开关电源远采功能结构示意图；
图2是现有技术中开关电源远采功能电路实现结构示意图；
图3是本发明实施例1提供的一种开关电源隔离远采电路的结构框图示意图；
图4是本发明实施例1提供的一种开关电源隔离远采电路的优选结构示意图；
图5是本发明实施例1提供的一种开关电源隔离远采电路的整定电路的电路原理图；
图6是本发明实施例1提供的一种开关电源隔离远采电路的隔离电路的电路原理图。
具体实施方式
参见图3-图4，图3是本发明实施例1提供的一种开关电源隔离远采电路的结构框图示意图；图4是本发明实施例1提供的一种开关电源隔离远采电路的优选结构示意图。所述开关电源隔离远采电路，包括：电源PID电路、隔离电路、整定电路；所述电源PID电路、隔离电路、整定电路依次相连；所述整定电路包括：依次串联的电阻R4、电阻R5、电阻R6，电阻R7，电阻R8和电阻R9分别与所述电阻R7并联；所述电阻R6和电阻R7的连接点处连接电阻R11；所述负载的输出正端与所述整定电路的正端相连，所述负载的输出负端与所述整定电路的负端相连；其中：
所述电源PID电路，用于对开关电源的输出电压进行调控；
所述信号整定电路，用于对在负载端采样的输出电压进行信号处理；
所述信号隔离电路，用于对信号整定电路的输出信号进行信号隔离。
本发明是对采样信号分压后的反馈电压先进行隔离处理，再传送给电源PID电路的控制环路，这种方案可以有效降低采样线变长、补偿电压变大后产生的共模电压以及干扰信号对控制环路的影响，可以不失真的采集到负载端电压，并进行补偿，电源的动态性能得到提升。
V.S+为采样输入正，V.S-为采样输入负；R1、R2、L1、L2为输出正、负线的等效电阻和电感，GND为电源控制地、V+为电源控制电路供电正，VCC+、V.S-为一组与电源控制电路隔离的供电，该电路输出地与电源控制地隔离。
本发明开关电源隔离远采电路通过远采线采样负载端电压，电压进行信号整定后形成电压VP，VP电压信号进入信号隔离电路后生成隔离电压反馈信号Vo.PID，开关电源PID调节环路根据电压信号Vo.PID进行调节从而调整开关电源的输出电压。
由上图4可知隔离放大器N1的输入电压VP相对V.S-的电压值为VP＝VIN*(R7//R8//R9)/(R4+R5+R6+R7//R8//R9)，VP的电压值与开关电源输出导线上的电压降无关，也即无论开关电源输出线缆的压降是多少，采样端采样电压经过信号整定电路后的电压值均可以真实的反应输出电压的变化。
该电路在“超长距离(100米以上)且补偿电压超过20V以上的远采”的工况下工作时分析如下：
输出负载线R1、R2上的压降均超过10V，此时VP上电压值V.S-的电压值为VP＝VIN*(R7//R8//R9)/(R4+R5+R6+R7//R8//R9)，与线路压降无关，开关电源可以正常工作。只要设计时保证分压电阻分得的电压满足隔离放大器N1的工作电压即可。
该技术方案的理论最大补偿电压可以达到输出电压的90％以上，实际应用时为了不影响开关电源的环路控制一般补偿电压控制在电源输出电压的50％以内，也即额定输出50V的电源一般补偿电压可以达到25V。
该电路的动态特性分析：当负载电流Io由满载到空载切换时，由于输出线缆长度等效电感的存在，对于100米电缆输出，电缆的等效电感量理论值已经大于0.1uH，负载切换时会在负载端产生很高的电压尖峰，此电压尖峰及其谐波会通过采样线传导到隔离放大器的输入端，由于本电路方案隔离放大器N1采用隔离供电，其输入电压VP与负载端V.S-共地，与电源的控制地GND隔离，只需在信号整定电路或者隔离放大电路中针对此干扰信号频段设计一个简单的高通滤波电路如上图C3，即可以大大减小线路干扰。
综上可以得出下述结论本发明可以解决开关电源无法在“超长距离(100米以上)且补偿电压超过20V以上的远采”无法正常工作的工况。同时有效提高了电源的动态特性、降低了温飘系数。
参见图5，是本发明实施例1提供的一种开关电源隔离远采电路的整定电路的电路原理图，所述整定电路还包括：并联的电阻R3和电容C1，电阻R3的一端与电阻R4相连，另一端与整定电路的正端连接，负载的输出正端接在电阻R3和电阻R4连接点处；还包括：并联的电阻R10和电容C2，所述电阻R10的一端与所述电阻R7连接，另一端与整定电路的负端连接，负载的输出负端接在电阻R7和电阻R10的连接点处。负载的输出正端与整定电路的正端之间连接有第一传输线，在负载的输出负端与整定电路的负端之间连接有第二传输线。
V.S+、V.S-是负载端的电压，图中电阻R3和电容C1并在V.S+与输出+之间，其中R3的作用是避免采样线正线采样悬空，C1组成一个高通滤波为输出+线上的高频分量提供低阻通道。R10、C2的作用与R3、C1相同。这部分电路可以避免采样线悬空后电源PID环节失控的故障，同时在电源大动态工况时，由于R3、R10的存在可以有效限定电源输出的最高电压。C1、C2提供的为高频信号提供了低阻通道可以提高电源的动态特性。
R4-R6、R7-R9为远采电压的分压电阻，其中R4-R9的规格型号完全相同，这样可以利用相同器件温飘系数几乎相同的特性可以实现采样分压后的电压VP的温飘系数极低，有效提高了整个电源***的温度特性。
参见图6，是本发明实施例1提供的一种开关电源隔离远采电路的隔离电路的电路原理图，所述隔离电路包括：隔离DC-DC电源模块N11、隔离放大器N1、运算放大器N2，电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C11、电容C12、电容C13、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16；所述隔离DC-DC电源模块N11的引脚4和引脚3连接电容C12，所述隔离DC-DC电源模块N11的引脚1和引脚2之间连接电容C13；隔离放大器N1的引脚8与所述隔离DC-DC电源模块N11的引脚2之间连接电容C6，隔离放大器N1的引脚6和引脚7连接电容C7，电容C8和电容C9串联连接在运算放大器N2的引脚5和引脚6上，电阻R14连接在运算放大器的引脚6和引脚7之间，电阻R15连接在运算放大器的引脚4和接地端，电容C10并联在电阻R15两端，电容C11连接在运算放大器的引脚8和接地端，电阻R12的一端连接电容C7、另一端连接电容C8，电阻R13的一端连接隔离放大器的引脚6，另一端连接运算放大器的引脚5。在所述电源PID电路和运算放大器的引脚7之间还连接有电阻R16。所述隔离放大器采用隔离供电，所述隔离放大器的输入电压与负载的输出负端共地，与隔离DC-DC电源模块N11的引脚3共地。
图6中V+、GND为开关电源的控制电路供电，VCC、V.S-为与远端采样共地的供电电压。N11是1个5V转5V的隔离DC-DC电源模块，隔离耐压大于AC1500V。C13为DC-DC模块的输入高频滤波电容，C12为DC-DC模块的输出高频滤波电容，N1为C4、C5、C6为隔离放大器的旁路电容。C3为输入信号VP的滤波电容，C7-C9为差分放大电路输入的高频滤波电容，C10、C11为运放N2的旁路电容。N2为运算放大器。
工作原理：VP为信号整定电路的输出电压，经过高频滤波后进入隔离放大器N1，N1的输出为隔离差分信号OUTP、OUTN，此信号经过滤波后进入N2及其***电路组成差分放大器，差分放大器输出为0-2.5V的单端信号，此信号作为电源PID电路的电压反馈进行调节。
本发明的第二方面提供一种包括上述任一所述的开关电源隔离远采电路的电子设备。
本发明的第三方面提供一种开关电源隔离远采电路的设计方法，包括步骤：
设计依次相连的电源PID电路、隔离电路、整定电路；所述电源PID电路、隔离电路、整定电路；其中，所述所述电源PID电路，用于对开关电源的输出电压进行调控；所述信号整定电路，用于对在负载端采样的输出电压进行信号处理；所述信号隔离电路，用于对信号整定电路的输出信号进行信号隔离；
设计整定电路，整定电路包括：
依次串联的电阻R4、电阻R5、电阻R6，电阻R7，电阻R8和电阻R9分别与所述电阻R7并联；所述电阻R6和电阻R7的连接点处连接电阻R11；所述负载的输出正端与所述整定电路的正端相连，所述负载的输出负端与所述整定电路的负端相连。
进一步的，所述整定电路还设计有：
并联的电阻R3和电容C1，电阻R3的一端与电阻R4相连，另一端与整定电路的输入正端连接，负载的输出正端接在电阻R3和电阻R4连接点处；
还包括：并联的电阻R10和电容C2，所述电阻R10的一端与所述电阻R7连接，另一端与整定电路的输出负端连接，负载的输出负端接在电阻R7和电阻R10的连接点处。
Claims (8)
1.一种开关电源隔离远采电路，其特征在于，包括：电源PID电路、隔离电路、整定电路；所述电源PID电路、隔离电路、整定电路依次相连；所述整定电路包括：依次串联的电阻R4、电阻R5、电阻R6，电阻R7，电阻R8和电阻R9分别与所述电阻R7并联；所述电阻R6和电阻R7的连接点处连接电阻R11；负载的输出正端与所述整定电路的正端相连，所述负载的输出负端与所述整定电路的负端相连；其中：
所述电源PID电路，用于对开关电源的输出电压进行调控；
所述整定电路，用于对在负载端采样的输出电压进行信号处理；
所述隔离电路，用于对信号整定电路的输出信号进行信号隔离；
所述隔离电路包括：隔离DC-DC电源模块N11、隔离放大器N1、运算放大器N2，电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C11、电容C12、电容C13、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16；所述隔离DC-DC电源模块N11的引脚4和引脚3连接电容C12，所述隔离DC-DC电源模块N11的引脚1和引脚2之间连接电容C13；隔离放大器N1的引脚8与所述隔离DC-DC电源模块N11的引脚2之间连接电容C6，隔离放大器N1的引脚6和引脚7连接电容C7，电容C8和电容C9串联连接在运算放大器N2的引脚5和引脚6上，电阻R14连接在运算放大器的引脚6和引脚7之间，电阻R15连接在运算放大器的引脚4和接地端，电容C10并联在电阻R15两端，电容C11连接在运算放大器的引脚8和接地端，电阻R12的一端连接电容C7、另一端连接电容C8，电阻R13的一端连接隔离放大器的引脚6，另一端连接运算放大器的引脚5；
所述隔离放大器采用隔离供电，所述隔离放大器的输入电压与负载的输出负端共地，与隔离DC-DC电源模块N11的引脚3共地。
2.根据权利要求1所述的开关电源隔离远采电路，其特征在于，所述整定电路还包括：并联的电阻R3和电容C1，电阻R3的一端与电阻R4相连，另一端与整定电路的正端连接，负载的输出正端接在电阻R3和电阻R4连接点处；
还包括：并联的电阻R10和电容C2，所述电阻R10的一端与所述电阻R7连接，另一端与整定电路的负端连接，负载的输出负端接在电阻R7和电阻R10的连接点处。
3.根据权利要求1所述的开关电源隔离远采电路，其特征在于，负载的输出正端与整定电路的正端之间连接有第一传输线，在负载的输出负端与整定电路的负端之间连接有第二传输线。
4.根据权利要求1所述的开关电源隔离远采电路，其特征在于，在所述电源PID电路和运算放大器的引脚7之间还连接有电阻R16。
5.一种包括权利要求1-4任一所述的开关电源隔离远采电路的电子设备。
6.一种开关电源隔离远采电路的设计方法，其特征在于，包括步骤：
设计依次相连的电源PID电路、隔离电路、整定电路；所述电源PID电路、隔离电路、整定电路；其中，所述电源PID电路，用于对开关电源的输出电压进行调控；所述整定电路，用于对在负载端采样的输出电压进行信号处理；所述隔离电路，用于对整定电路的输出信号进行信号隔离；
设计整定电路，整定电路包括：
依次串联的电阻R4、电阻R5、电阻R6，电阻R7，电阻R8和电阻R9分别与所述电阻R7并联；所述电阻R6和电阻R7的连接点处连接电阻R11；负载的输出正端与所述整定电路的正端相连，所述负载的输出负端与所述整定电路的负端相连；
所述隔离电路包括：隔离DC-DC电源模块N11、隔离放大器N1、运算放大器N2，电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C11、电容C12、电容C13、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16；所述隔离DC-DC电源模块N11的引脚4和引脚3连接电容C12，所述隔离DC-DC电源模块N11的引脚1和引脚2之间连接电容C13；隔离放大器N1的引脚8与所述隔离DC-DC电源模块N11的引脚2之间连接电容C6，隔离放大器N1的引脚6和引脚7连接电容C7，电容C8和电容C9串联连接在运算放大器N2的引脚5和引脚6上，电阻R14连接在运算放大器的引脚6和引脚7之间，电阻R15连接在运算放大器的引脚4和接地端，电容C10并联在电阻R15两端，电容C11连接在运算放大器的引脚8和接地端，电阻R12的一端连接电容C7、另一端连接电容C8，电阻R13的一端连接隔离放大器的引脚6，另一端连接运算放大器的引脚5；
所述隔离放大器采用隔离供电，所述隔离放大器的输入电压与负载的输出负端共地，与隔离DC-DC电源模块N11的引脚3共地。
7.根据权利要求6所述的开关电源隔离远采电路的设计方法，其特征在于，所述整定电路还设计有：
并联的电阻R3和电容C1，电阻R3的一端与电阻R4相连，另一端与整定电路的输出正端连接，负载的输出正端接在电阻R3和电阻R4连接点处；
还包括：并联的电阻R10和电容C2，所述电阻R10的一端与所述电阻R7连接，另一端与整定电路的输出负端连接，负载的输出负端接在电阻R7和电阻R10的连接点处。
8.根据权利要求6所述的开关电源隔离远采电路的设计方法，其特征在于，负载的输出正端与整定电路的正端之间连接有第一传输线，在负载的输出负端与整定电路的负端之间连接有第二传输线。
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