CN101436820B - 开关电源一种可变伏安特性的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了开关电源一种可变伏安特性的实现方法，该方法由计算机、控制模块、可变伏安特性模块和开关电源驱动电路组成的控制系统实现，与机械调节实现的可变伏安特性方法相比，具有调节快速，简单，可靠的特点。由于采用了数字控制，可以实现电阻随意调节，使得伏安特性的可重复性变得简单，快速。便于实现远程操作，对于运用于大功率电源和超大功率电源避免操作人员触电具有很大的实用价值，同时本发明和机械调节相比，实现的系统易于小型化，无机械调节带来的干扰等优点。

Description

开关电源一种可变伏安特性的实现方法 

技术领域

本发明涉及开关电源可以根据需要来调节电压和电流关系特性的方法，具体地说就是为开关电源的后级驱动电路提供合适的驱动特性来满足不同负载的需要。本发明适用于开关电源电路的设计。 

背景技术

在开关电源电路设计中，一般情况下电源在其允许的可靠的输入电压范围内，输出的电压都是恒定的，只要在正常的操作条件下，输出电压不会随着输入电压的变化发生显著的变化。这种开关电源的伏安特性一般就是固定的，电源驱动电路输出稳定的脉冲。这种电源只适合用于有固定工作电压的负载，其缺点是不适合工作电压需要根据需要进行变化的负载。同样，还有恒流电源，也不适合工作电流需要根据需要进行变化的负载。 

还有的开关电源能够满足那种具有动态工作电压特性的负载需求，这种开关电源能够根据负载要求进行变化，一般情况下它们需要通过机械式可调电阻器来实现，通过现场机械转动可调电阻器的螺丝来使电阻变大或变小，虽然这种方法能够改变伏安特性，但是它的伏安特性曲线调整起来非常麻烦，不但需要近距离操作，而且存在着反复调节电阻器而使电阻器失灵或损坏的风险，同时还存在着伏安特性可重复性差的弊病，另外，机械电位器调节时会带来噪音，干扰开关电源控制环路的工作。不适合在产品中使用。 

发明内容

本发明的目的在于，提供开关电源一种可变伏安特性的实现方法，该方法可以根据需要来调节电压和电流关系特性，满足需要动态调节工作电压和电流的负载需求。 

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案： 

开关电源一种可变伏安特性的实现方法，其特征在于，该方法由计算机、控制模块、可变伏安特性模块和开关电源驱动电路组成的控制系统实现，其中： 

计算机，用于提供通讯接口，实现人机交互，并对控制模块电下发指令； 

控制模块，用于接受来自计算机的指令，然后控制可变伏安特性模块中的数字电位器改变数字电位器的阻值，实现电流和电压伏安特性的改变； 

可变伏安特性模块，用于与控制模块通讯，并作为开关电源驱动电路的驱动源，该可变伏安特性模块上设有数字电位器、伏安特性运算模块、比较器和参考源，以及负载工作状态检测电路； 

所述的参考源包括恒定参考源和锯齿波发生器模块； 

开关电源驱动电路，是可变伏安特性模块的负载，该开关电源驱动电路用于驱动功率开关管，该功率开关管根据不同的伏安特性产生不同的输出脉冲，并自动调节开关管的导通时间和关断时间，或者调节开关管相互之间的相移。 

可变伏安特性的实现具体包括下列步骤： 

步骤一，上电，确保通讯接口状态正常； 

步骤二，通讯接口初始化： 

按照通讯接口的协议设置计算机通讯接口的状态和参数，使计算机和控制模块能够按照协议正确地完成数据通讯任务； 

步骤三，设定工作参数： 

所设定是工作参数包括，工作电压、工作电流和伏安特性运算关系； 

设定工作电压：通讯接口初始化完毕后，此时进行计算机和控制模块之间的通讯，控制模块按照计算机的指令首先使能数字电位器，然后进行数字电位器的电阻调整，得到不同的比值的反馈电压； 

设定工作电流实际是通过对输出电流的反馈，来调节电源内阻的一个过 程； 

对一些特定的负载，除了需要动态改变工作电压外，还需要调整工作电流，才能得到需要的伏安特性；控制模块按照计算机的指令首先使能对应的数字电位器，然后进行数字电位器的电阻调整，得到不同的比值的反馈电流； 

设定伏安特性运算关系是控制相应电路的运算关系实现对反馈电压和反馈电流的运算。 

步骤四：伏安特性运算： 

由可变伏安特性模块上的伏安特性运算模块，将数字电位器的阻值发生变化而产生的反馈电压和反馈电流按照规定的法则进行运算，产生负载需要的伏安特性； 

步骤五，使能输出： 

使能可变伏安特性电路模块的输出，使整机处于工作状态。 

步骤六，根据现有伏安特性，判断是否满足负载要求，如果不满足，重复步骤三，直到满足要求，如果满足要求转入待命状态，做好下一次调节的准备工作。 

本发明的开关电源一种可变伏安特性的实现方法，能够减少人为干扰因素，使开关电源的伏安特性具有快速，准确的可重复性，能够满足不同负载对不同工作电压的需求。具有如下的技术效果： 

1)使得伏安特性多样化，可满足各种不同负载对不同伏安特性动态调节的要求； 

2)使用数字电位器代替机械电位器来实现伏安特性调节，由于数字电位器的数值和输出电阻是一一对应的，因而该方法具有可重复性好，调节快速的特点，能有效排除像调节机械电位器那样带来的人为调节误差。并且排除了机械电位器调节时引入的干扰。 

3)采用本发明的方法，使得远端操作变为可能，特别是对于那些大功 率，特大功率开关电源运用于有一定危险的场合，该方案相对于机械方式调节具有很大的优势。 

附图说明

图1是本发明的开关电源一种可变伏安特性的实现方法的系统框图。 

图2是可变伏安特性电路实现的简易框图。 

图3是可变伏安特性电路的几种伏安特性图； 

图4是本发明的操作流程图。 

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。 

具体实施方式

参见图1，本发明的开关电源一种可变伏安特性的实现方法，由计算机、控制模块、可变伏安特性模块和开关电源驱动电路组成的控制系统实现，其中： 

计算机主要为控制模块提供通讯接口，便于实现人机交互，电源伏安特性的改变就是通过计算机下发命令来实现的。 

控制模块主要用于通过与计算机的通讯接口进行通讯，接受来自计算机的指令，然后去控制后端的可变伏安特性电路的数字电位器改变电位器的阻值来实现电流和电压的改变。 

可变伏安特性模块，由数字电位器、伏安特性运算模块、比较器和参考源，以及负载工作状态检测电路组成。伏安特性模块示意图参见图2，图2中的k₁U_o和k₀k₂I_o中的系数k₁，k₂就是数字电位器调节时形成的比例系数。而参考源则包括恒定参考源和锯齿波发生器模块。该可变伏安特性电路模块与前级的控制模块之间的通讯也按照某种通讯接口规定的协议完成。它一方面根据前级控制模块发出的控制指令去改变自身设置的数字电位器阻值，另一方面将由于数字电位器的阻值发生变化而产生的新的电压和电流经过伏安特性运算模块运算，运算的输出与参考源进行比较，产生比较电压，进而 该电压又与锯齿波发生器模块输出的波形进行比较形成具有一定占空比或相移的脉冲，作为后极开关电源驱动电路的驱动源，去满足不同伏安特性要求。在模块中的负载工作状态检测电路将负载运行的电压，电流参数通过可变伏安特性模块传递给控制模块，由控制模块根据这个信息来调节电位器的值，既可以实现有工作人员在时的人工调节，也方便实现无人员值班时的自动调整。 

开关电源驱动电路，是可变伏安特性模块的负载，该开关电源驱动电路用于驱动功率开关管，该功率开关管根据不同的伏安特性产生不同的输出脉冲，并自动调节开关管的导通时间和关断时间，或者调节开关管相互之间的相移。 

下面结合附图2，附图3和附图4对本发明的开关电源一种可变伏安特性的实现方法操作及其原理进行详细说明。 

第一步：上电。将各电源各电缆连接好后，注意此处将计算机与控制模块的电缆连接好后再给整机加电，确保通讯接口状态正常。 

第二步：通讯接口初始化。按照通讯接口的协议设置计算机通讯接口的状态，参数，使计算机和控制模块能够按照协议正确地完成数据通讯任务。 

第三步：设定工作参数。这里的工作参数包括工作电压和工作电流。通讯接口初始化完毕后，此时就可以进行计算机和控制模块之间的通讯了。 

先介绍电压调节：由于在系统中采用了电阻式可调数字电位器，使得改变电阻值非常方便，在操作电阻式可调数字电位器之前，首先要使能电阻式可调数字电位器，这样才能对电阻式可调数字电位器进行操作。 

我们知道电阻式可调数字电位器的数字值和其输出电阻值有个准确的对应关系，一旦设定某个值，电阻式可调数字电位器就会输出与该值对应的唯一的一个电阻值，正因为电阻式可调数字电位器的数值和电阻的这个准确的对应关系，使得伏安特性具有精确的可重复性。 

下面结合图3a，图3b，图3c做进一步的说明，设计过电源的技术人员都知道，电阻分压是电源中常用的方式，为了获得较好的特性，电源中常常采用闭环控制，即用电源的输出电压和输出电流作为输入的一部分参与电源的控制，防止电源输出产生过压，过流，欠压，欠流的故障产生。 

设由电源输出的电源为U_o，由其产生的反馈端的反馈电压为U_f，两个分压电阻分别为R₁，R₂，那么有如下关系式成立： 

$\frac{U_f}{R_2}=\frac{U_o}{R_1+R_2}---\left(1\right)$

设 $k_1=\frac{R_2}{R_1+R_2}---\left(2\right)$

那么根据(1)，(2)两式可以得到如下关系式 

U_f＝k₁×U_o           (3) 

从上面的关系式可以看出，只要调整数字电位器的电阻就可以获得不同的比值k₁，通常为了方便起见，先固定一个电阻的值而改变另外一个电阻的阻值。如果把电阻R₂或R₁作为可变的数字电位器，则另外一个电阻R₁或R₂保持不变，那么调节可变的数字电位器就可以改变比值k₁，从而得到不同的输出电压，这就是数字电位器改变输出电压的原理。 

工作电流调节。设定工作电流实际是通过对输出电流的反馈，来调节电源内阻的一个过程。对一些特定的负载来说，除了需要动态改变工作电压外，还需要调整工作电流，才能得到需要的伏安特性。仿照第三步也可以得到如下的一些关系式。 

我们知道，开关电源的输出电流在流过某些电流传感器件比如互感器，分流器，霍尔元件等时，其上的压降和电流有一个固定的比例关系，这个比例关系只和器件本身的特性有关，与流过该器件电流大小无关，类似于电阻特性。设流过该器件的输出电流为I_o时，产生的压降为U_io，比例系数为k₀(这个值为常量)。 

那么有以下公式成立： $k_0=\frac{U_{\mathrm{io}}}{I_o}$

即  U_io＝k₀×I_o      (4) 

将这个电压用运算放大器进行放大或缩小，放大器的放大倍数由电路中的电阻来决定，因此调节电阻大小可以改变放大或缩小的比例。设运算放大器的输入电阻和反馈电阻分别为R_in，R_f，输出电压为U_if，那么有如下关系式成立： 

$\frac{U_{\mathrm{if}}}{U_{\mathrm{io}}}=\frac{R_f}{R_{\mathrm{in}}}---\left(5\right)$

设 $k_2=\frac{R_f}{R_{\mathrm{in}}}---\left(6\right)$

那么根据(5)、(6)两式可以得到如下关系式 

U_if＝k₂×U_io       (7) 

根据(4)式和(7)式又可以得出如下关系式： 

U_if＝k₂×k₀×I_o    (8) 

从上面的关系式可以看出，只要调整电位器的电阻也可以获得不同的比值k₂，通常为了方便，我们固定一个电阻的值而改变另外一个电阻的阻值，如果把R_in或R_f作为可变的电阻式数字电位器，那么调节该可变的数字电位器就可以得到不同的输出值U_if。 

第四步：伏安特性运算 

由可变伏安特性模块里的伏安特性运算模块，将数字电位器的阻值发生变化而产生的反馈电压和反馈电流，按照规定的法则进行运算，产生负载需要的伏安特性。 

参照图2，设电压参考源为V_ref，输出电压为U_o，输出电流为I_o，由U_f和U_if按照某种函数关系f运算得到的结果为U_T，也就是有下面的关系式 成立 

f(U_f，U_if)＝f_u                (9) 

根据比较器特性结合关系式(3)和关系式(8)可以得到如下的关系式： 

即f(k₁U_o，k₂k₀I_o)＝f_u         (10) 

根据关系式(10)在某个电源闭环控制中，电压和电流都会参与实际的调节的。也就是说，这种情况下的伏安特性同时是电压和电流的函数。取f_u的某部分运算结果U_T与参考源V_ref进行比较，就可以得到驱动特性。 

从上面的(10)式可以看出，开关电源的输出电压和电流都可以参与电源的控制。根据上面的公式，只要调节数字电位器即改变系数k₁，k₂就可以变换出一些特殊的伏安特性，特殊情况下，f代表线形运算时，参照图3所示，设(10)式中的k₂＝0，则得到图3a，此种伏安特性的开关电源将输出恒定的工作电压，也就是最常见的恒压源方式的开关电源。同理设置k₁＝0，则得到图3b，它表示恒流源。 

还有一种情况也是在f代表线形运算且此时k₁和k₂均不为零，此时调节控制电压的数字电位器阻值和控制电流的数字电位器阻值，可以得到图3c的伏安特性，对应L₁-L₄直线。其中L₁和L₂表示随着负载需要的工作电流的增大，工作电压趋于下降；而L₃和L₄则相反，随着负载工作电流的增大，负载工作电压也增大，此时要求输入端功率将大幅增加，尽管此种使用方法比较危险，但是这种伏安特性的开关电源根据本方案是完全可以实现的。这种电源就是所说的负载工作电压和电流需要动态变化的开关电源，图中L₃和L₄很好地体现了使用数字电位器后得到的非线性的伏安特性图。值得说明的是，图3的伏安特性仅仅描述了部分个例，它复杂的伏安特性由运算关系f来决定，不在此处一一罗列。 

第五步：使能输出 

使能可变伏安特性模块的输出，使整机处于工作状态，检验负载工作情 况。 

第六步：根据负载的要求进行调整伏安特性，或恒流，或恒压或电压电流都动态变化，重复第三步和第四步直到满足负载的要求。在有工作人员操作的情况下，一旦调节完成，主机又进入待命状态，随时接收新的调节指令。在设置好伏安特性后，数字电位器将保留最后一次设置的数值，直到下次主机发出新的调节指令进行改变为止。 

另外，当整机工作在无人值守的情况下，最好能够关断写保护装置。我们知道，开关电源的电磁干扰非常严重，尤其是大功率的开关电源，电源中的数字电路和电源一起工作时，很容易受到干扰，为了避免数字电位器因为受到干扰而随机改变存储在电位器中的数值，因此必须要关断写保护装置，使数字电位器的输出保持稳定，从而保证开关电源工作时输出稳定的伏安特性。 

本发明所提出的开关电源一种可变伏安特性的实现方法，与机械调节实现的可变伏安特性方法相比，具有调节快速，简单，可靠的特点。由于采用了数字控制，可以实现电阻随意调节，使得伏安特性的可重复性变得简单，快速。由于采用本方案，便于实现远程操作，对于运用于大功率电源和超大功率电源避免操作人员触电具有很大的实用价值，同时本方案和机械方案相比，实现的系统易于小型化，无机械调节带来的干扰等优点。 

Claims (2)

1.开关电源一种可变伏安特性的实现方法，其特征在于，该方法由计算机、控制模块、可变伏安特性模块和开关电源驱动电路组成的控制系统实现，其中：

计算机，用于提供通讯接口，实现人机交互，并对控制模块电下发指令；

控制模块，用于接受来自计算机的指令，然后控制可变伏安特性模块中的数字电位器改变数字电位器的阻值，实现电流和电压伏安特性的改变；

可变伏安特性模块，用于与控制模块通讯，并作为开关电源驱动电路的驱动源，该可变伏安特性模块上设有数字电位器、伏安特性运算模块、比较器和参考源，以及负载工作状态检测电路；

开关电源驱动电路，是可变伏安特性模块的负载，该开关电源驱动电路用于驱动功率开关管，该功率开关管根据不同的伏安特性产生不同的输出脉冲，并自动调节开关管的导通时间和关断时间，或者调节开关管相互之间的相移；

可变伏安特性的实现具体包括下列步骤：

步骤一，上电，确保通讯接口状态正常；

步骤二，通讯接口初始化：

按照通讯接口的协议设置计算机通讯接口的状态和参数，使计算机和控制模块能够按照协议正确地完成数据通讯任务；

步骤三，设定工作参数：

所设定的工作参数包括：工作电压、工作电流和伏安特性运算关系；

设定工作电压：通讯接口初始化完毕后，此时进行计算机和控制模块之间的通讯，控制模块按照计算机的指令首先使能数字电位器，然后进行数字电位器的电阻调整，得到不同的比值的反馈电压；

设定工作电流实际是通过对输出电流的反馈，来调节电源内阻的一个过 程；对一些特定的负载，除了需要动态改变工作电压外，还需要调整工作电流，才能得到需要的伏安特性；控制模块按照计算机的指令首先使能对应的数字电位器，然后进行数字电位器的电阻调整，得到不同的比值的反馈电流；

设定伏安特性运算关系是控制相应电路的运算关系实现对反馈电压和反馈电流的运算；

步骤四：伏安特性运算：

由可变伏安特性模块上的伏安特性运算模块，将数字电位器的阻值发生变化而产生的反馈电压和反馈电流按照规定的法则进行运算，产生负载需要的伏安特性；

步骤五，使能输出：

使能可变伏安特性模块的输出，使整机处于工作状态；

步骤六，根据现有伏安特性，判断是否满足负载要求，如果不满足，重复步骤三，直到满足要求，如果满足要求转入待命状态，做好下一次调节的准备工作。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的参考源包括恒定参考源和锯齿波发生器模块。 

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