CN101771294B - 集合驱动控制电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种应用在双电源供电系统中的集合驱动控制电路及其控制方法，双电源供电系统包括第一电源、第二电源、负载和集合驱动控制电路等部分组成。集合驱动控制电路进一步还包括一复合开关变换器，连接控制器，用于第一电源能量充足时，所述控制器控制其工作，使得第一电源向第二电源输出能量，当第一电源能量不足时，所述控制器控制其工作，使得第二电源向负载传输能量。本发明通过一组复合开关变换器来实现两种变换器工作模式，简化了电路设计，提高了工作稳定性。

Description

集合驱动控制电路及其控制方法
技术领域
本发明一种电源电路，具体涉及一种应用在双电源供电系统的集合驱动控制电路及其控制方法，以及采用了该种集合驱动控制电路和控制方法的双电源供电系统。 
背景技术
现有技术的双电源供电的电源系统，一般其中的第一电源可以接收外部能量并转换为自身的电源能量存储，例如可以是太阳能电池、燃料电池、风能发电机或者电网电源等；而，第二电源则为具有储能特性的电源类型，如蓄电池。当第一电源能量充足时，可以向第二电源和/或负载传递能量，当第一电源能量不足时，储能电源即第二电源则单独向负载传递能量，以驱动负载正常工作，其原理框图如图1所示。 
但是依照图1的框图，依据其工作原理，至少需要两组直流-直流变换器来实现这两种能量的传递。如图2所示，以第一电源为太阳能电池板、第二电源为蓄电池、负载为LED灯作为应用例，白天太阳能电池板在太阳光的照射下，通过第一直流-直流变换器(蓄电池充电电路)给蓄电池充电，蓄电池充电电路与蓄电池两端连接。夜晚，通过第二直流-直流变换器(即LED驱动电路)蓄电池给LED等提供能量。所述太阳能电池板给蓄电池充电以及蓄电池给LED供电的功能操作由内部控制器进行控制。显然，采用现有的这种实现方案电路中需要两路直流-直流变换器电路，即蓄电池充电电路和LED驱动电路，因此需要相当数量的开关管，使得整个供电系统的结构较复杂以及相应的其成本也较高。 
由此可见，在整个电源系统的切换工作过程中，在任一工作时段，总有一个直流-直流变换器电路处于闲置状态，造成资源的浪费。 
申请号为CN200910051229.7的中国发明专利，名称为一种复用DC/DC变换器的太能LED驱动电路，其复用DC/DC变换器的方案如图3所示，需要一套完整的DC/DC变换器，然后通过切换开关来实现在不同的时间内将该DC/DC变换器切换到蓄电池充电和LED驱动电路。显然，这种实现方法增加了电路中切换开关的使用，并且需要保证切换开关的有效正常工作，存在使用寿命、工作可靠性、稳定性等方面的缺陷。 
发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的是提供一种集合驱动控制电路，以解决现有技术的驱动电路，或结构复杂成本高，或稳定性差的技术问题。 
本发明的另一目的是提供一种双电源供电系统的集合驱动控制方法，以解决现有技术的驱动电路，或结构复杂成本高，或稳定性差的技术问题。 
本发明的再一目的是提供一种双电源供电系统，以解决现有技术的驱动电路，或结构复杂成本高，或稳定性差的技术问题。 
为实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案： 
一种集合驱动控制电路，应用于双电源供电系统中，所述双电源供电系统包括第一电源、第二电源以及至少一负载，所述集合驱动控制电路包括一控制器，所述集合驱动控制电路进一步还包括：一复合开关变换器，连接控制器，用于第一电源能量充足时，所述控制器控制其工作，使得第一电源向第二电源输出能量，当第一电源能量不足时，所述控制器控制其工作，使得第二电源向负载传输能量。 
依照本发明较佳实施例所述的集合驱动控制电路，当第一电源向第二电源输出能量时，复合开关变换器处于第一工作状态；当第二电源向负载传输能量时，复合开关变换器处于第二工作状态。 
依照本发明较佳实施例所述的集合驱动控制电路，第一工作状态为降压工作模式；第二工作状态为反激工作模式。 
依照本发明较佳实施例所述的集合驱动控制电路，所述复合开关变换器 在降压工作模式和反激工作模式下共用一第一功率开关器件、一第二功率开关器件以及一组感性元件；所述第一电源、第二电源以及该组感性元件串联在同一回路；所述第二功率开关器件与第一电源并联。 
依照本发明较佳实施例所述的集合驱动控制电路，所述复合开关变换器进一步还包括一阻断二极管，其阳极电性连接所述第一电源，其阴极电性连接所述第一功率开关器件。 
依照本发明较佳实施例所述的集合驱动控制电路，所述复合开关变换器还包括一输出二极管以及一输出电容，该输出电容与所述负载并联，所述输出二极管与所述感性元件和负载串联。 
依照本发明较佳实施例所述的集合驱动控制电路，所述复合开关变换器还包括一箝位电容，其一端连接在所述阻断二极管与第一功率开关的连线上，另一端连接至所述第一电源和所述第二电源的公共负端。 
依照本发明较佳实施例所述的集合驱动控制电路，所述第一功率开关器件和所述第二功率开关器件为MOSFET晶体管。 
依照本发明较佳实施例所述的集合驱动控制电路，所述控制器：用于检测所述第一电源和第二电源的能量是否充足，并根据检测结果控制第一功率开关器件、一第二功率开关器件的状态。 
本发明提供一种一种双电源供电系统的集合驱动控制方法，所述该双电源系统包括第一电源、第二电源、负载及控制器，其包括：(1)设置一复合开关变换器(2)控制器采样两电源的状态信息；(3)当第一电源能量充足时，通过该复合开关变换器控制第一电源向第二电源输出能量；(4)当第一电源能量不足时，通过该复合开关变换器控制第二电源向负载输出能量。 
依照本发明较佳实施例所述的集合驱动控制方法，所述步骤(3)进一步包括：当第一电源能量充足时，控制器控制复合开关变换器，处于第一电源向第二电源输出能量的降压工作模式； 
步骤(4)进一步包括：当第一电源能量不足时，控制器控制复合开关变换器，处于第二电源向负载传输能量的反激工作模式。 
本发明再提供一种一种双电源供电系统，包括第一电源、第二电源以及接受电源供应能量的负载，还包括： 
一集合驱动控制电路，所述第一电源、第二电源以及负载通过该集合驱动控制电路电性连接；所述集合驱动控制电路集合驱动控制电路进一步包括复合开关变换器，所述复合开关变换器连接所述控制器，用于第一电源能量充足时，所述控制器控制其工作，使得第一电源向第二电源输出能量，当第一电源能量不足时，所述控制器控制其工作，使得第二电源向负载传输能量。 
依照本发明较佳实施例所述的双电源供电系统，所述第一电源为能够将自然能转换为电能的装置，如太阳能电池或者燃料电池或者电网电源或者风能发电机；所述第二电源为具有储能作用的装置，如可以为蓄电池，所述负载可以为LED灯等装置。 
由于采用本发明的实现方案，第一电源输出能量和第二电源输出能量模式共享同一集成驱动控制电路，使得本发明相比于现有技术具有以下优点和积极效果： 
首先，减少了电路系统中器件的使用，结构相对简洁，简化了电路系统的设计，同时也降低了成本； 
其次，减少了能量转换的环节，因此各部分之间的能量转换损耗减小，提高了能量转换效率； 
再次，电路结构简化、电路各部分之间的干扰也相对减小，这也使得可靠性设计可以相对简单，增加了系统的可靠性。 
附图说明
图1所示为通用的双电源供电系统结构原理框图； 
图2所示为现有双电源供电系统的驱动控制电路结构方框图； 
图3为现有技术一种复用DC/DC变换器的原理图； 
图4为本发明的系统原理图； 
图5A所示为依据本发明第一实施例的集合驱动控制电路的原理图； 
图5B所示为图5A所示的复合开关变换器电路在太阳能电池向蓄电池充电模式时的工作波形图； 
图5C所示为图5A所示的复合开关变换器电路在蓄电池放电驱动负载LED时的工作波形图； 
图6所示为依据本发明另一实施例的集合驱动控制电路的原理图； 
图7所示为依据本发明实施例的双电源供电系统的驱动控制方法流程图； 
具体实施方式
以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。 
本发明首先提供的是一种应用于双电源供电系统中的集合驱动控制电路，如图4所示，所述双电源供电系统包括第一电源、第二电源以及至少一负载，所述集合驱动控制电路包括一控制器，进一步包括一复合开关变换器，其连接控制器，用于第一电源能量充足时，所述控制器控制其工作，使得第一电源向第二电源输出能量，当第一电源能量不足时，所述控制器控制其工作，使得第二电源向负载传输能量。当第一电源向第二电源输出能量时，复合开关变换器处于降压工作模式的第一工作状态；当第二电源向负载传输能量时，复合开关变换器处于反激工作模式的第二工作状态。 
控制器则用于检测第一电源和第二电源的能量是否充足，并根据检测结果控制复合开关变换器在两种工作状态之间稳定切换。第一电源盒第二电源的能量是否充足，可以采用多种标准设定，例如，第一电源为太阳能电池时，则以其电压是否高于第二电源的电压，并且差值超过一定数值；第二电源的能量是否充足，则以电压是否恒定等，作为判断标准。 
下面以第一电源为太阳能电池、第二电源为蓄电池、负载为LED灯，采用MOSFET功率开关管作为功率开关器件作为实施例，详细描述应用于双电源供电系统集合驱动控制电路及其控制方法。 
实施例一 
参见图5A，依据本发明第一实施例的双电源供电系统的集成驱动控制电路中，复合开关变换器包括第一功率开关管303和第二功率开关管304，输出二极管311，阻断二极管312，箝位电容321、耦合电感306，该耦合电感306具有原边绕组L1和副边绕组L2，其中第一电源为太阳能电池301，第二电源为蓄电池302，负载为LED灯305，还可以包括储能电容322和输出电容323。 
其中，阻断二极管312的阳极与太阳能电池301的正端相连，其阴极与第一功率开关管303的源极及箝位电容321的一端相连，第一功率开关管303的漏极与第二功率开关管303的漏极及耦合电感306的原边绕组L1的一端相连，耦合电感306原边绕组L1的另一端与蓄电池302的正端及储能电容322的一端相连。 
输出二极管311的阳极与耦合电感306的副边绕组L2一端连接，其阴极连接至LED灯305的正端，并且耦合电感306的副边绕组L2的另一端与LED负端连接，输出电容323与LED灯305并联连接。太阳能电池301的负端、箝位电容321的另一端、储能电容322的另一端及第二功率开关管304的源极分别和蓄电池的负端相连。 
在图5B和图5C中，为方便说明，将第一功率开关管303的电流标为IS1，第二功率开关管304的电流标为IS2，第一功率开关管303的漏源电压标为vdS1，第二功率开关管304的电流标为IS2，第二功率开关管304的漏源电压标为VdS2，输出二极管311的电压VD0，输出二极管311电流为ID0，电感的原边电流为iL1。 
白天时，即太阳能充足时，太阳能电池301对蓄电池302充电，集成驱动控制电路以蓄电池充电的降压工作模式工作，其工作波形图如图5B所示。 
由于此时太阳能电池301电压高于蓄电池302的电压，所以阻断二极管312在蓄电池充电工作模式下一直处于导通状态。 
此时，内部控制器控制第一功率开关管303使其处于导通状态，耦合电感306的原边绕组L1的励磁电感电流在太阳能电池电压和蓄电池电压共同作用下线性上升，以实现对蓄电池302的充电操作。 
然后控制器控制第一功率开关管303使其关断，由于输出电流的连续，第二功率开关管304中内置的反并二极管处于导通状态(当第一功率开关管303的门极信号给出时，可以处于同步整流状态)，耦合电感306的原边绕组L1的励磁电感电流在蓄电池电压作用下，处于线性下降的续流阶段。 
输出二极管311在整个蓄电池充电阶段均处于截止状态，LED灯305不点亮。 
夜晚时，太阳能电池301因为没有阳光而处于不工作状态，此时蓄电池302放电以驱动LED灯305，集成驱动控制电路以蓄电池302放电驱动LED模式工作。此时，阻断二极管312一直处于截止状态，防止蓄电池能量往太阳能电池倒灌。整个电路工作在有源箝位Flyback反激工作模式。 
该反激工作模式具有两个工作过程，即第二功率开关管304关断与第一功率开关管303开通之间的换流和第一功率开关管303关断与第二功率开关管304开通之间的换流，其工作波形图如图4C所示。 
第二功率开关管304关断与第一功率开关管303开通之间的换流工作过程如下： 
换流之前，整个电路处于第二功率开关管304开通，第一功率开关管303关断和阻断二极管312截止的稳定工作状态。当第二功率开关管304关断时，第一功率开关管303的体内反并二极管导通，第一功率开关管303的电压为零。耦合电感306的漏感能量传递至箝位电容321。同时在第一功率开关管S1的体内二极管开通后，驱动第一功率开关管S1的栅极信号。在这个过程中，输出二极管311导通，耦合电感306能量的开始向LED灯305的负载侧传输。 然后，电路进入第二功率开关管304关断和第一功率开关管303开通的稳定运行状态。 
第一功率开关管303关断，第二功率开关管304开通的换流工作过程如下： 
第一功率开关管303关断前，耦合电感306的漏感与输出电容323处于谐振状态，输出二极管311处于导通的稳定运行状态。第一功率开关管303关断时，由于耦合电感306能量的影响，使得第二功率开关管304的体内二极管导通，同时驱动第二功率开关管304的栅极信号，这样，输出二极管311的电流从一定值开始以一定斜率下降到零。然后，电路进入第二功率开关管304导通，第一功率开关管303和输出二极管311关断的稳定运行状态。 
参见图6，所示为依据本发明另一实施例的集成驱动控制电路的原理框图，与图5A所示的集成驱动控制电路的原理相同，两者工作大体相同，在此不再赘述。 
参考图7，本发明提供一种双电源供电系统的集合驱动控制方法，该双电源供电系统包括第一电源、第二电源以及负载和控制器，包括以下的步骤。 
S701：设置一复合开关变换器； 
所述复合开关变换器连接控制器，并接受其控制，该负荷开关变换器进一步包括一第一功率开关器件、一第二功率开关器件以及一组感性元件；第一电源、第二电源以及该组感性元件串联在同一回路；所述第二功率开关器件与第一电源并联。 
S702：控制器采样两电源的状态信息； 
控制器测定第一电源和第二电源的状态信息，并根据预设的标准判定第一电源和/或第二电源的能量是否充足，例如电压是否可以达到某设定值等等。 
S703：当第一电源能量充足时，通过该复合开关变换器控制第一电源向第二电源输出能量； 
当第一电源能量充足时，控制器控制复合开关变换器，处于第一电源向 第二电源输出能量的降压工作模式，例如完成第一电源对第二电源的充电功能。 
S704：当第一电源能量不足时，通过该复合开关变换器控制第二电源向负载输出能量。 
当第一电源能量不足时，控制器控制复合开关变换器，处于第二电源向负载传输能量的反激工作模式，该种模式可以防止能量倒灌到第一电源。 
请参考图7，本发明另提供一种基于上述的集合驱动控制电路的双电源供电系统，包括第一电源、第二电源以及接受电源供应能量的负载，还包括： 
集合驱动控制电路，所述第一电源、第二电源以及负载通过该集合驱动控制电路电性连接；所述集合驱动控制电路集合驱动控制电路进一步包括复合开关变换器，所述复合开关变换器连接所述控制器，用于第一电源能量充足时，所述控制器控制其工作，使得第一电源向第二电源输出能量，当第一电源能量不足时，所述控制器控制其工作，使得第二电源向负载传输能量 
其中所述复合开关变换器电路可以优选为图5A和图6所示的复合开关变换器。 
以上对依据本发明的优选实施例的应用于双电源供电系统的集合驱动控制电路及其控制方法进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。另外，上述实施例中的复合开关变换器的拓扑结构也可以替换为升压型、升降压型等其他的功率调节器拓扑结构。 
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。 

Claims (8)

1.一种集合驱动控制电路，应用于双电源供电系统中，所述双电源供电系统包括第一电源、第二电源以及至少一负载，所述集合驱动控制电路包括一控制器，其特征在于，所述集合驱动控制电路进一步还包括与所述控制器连接的一复合开关变换器；
在第一工作状态时，所述第一电源能量充足，所述控制器控制所述复合开关变换器工作在降压工作模式，以使得所述第一电源向所述第二电源输出能量；
在第二工作状态时，第一电源能量不足，所述控制器控制所述复合开关变换器工作在反激式工作模式，以使得所述第二电源向所述负载传输能量；
所述复合开关变换器在降压工作模式和反激工作模式下共用一第一功率开关器件、一第二功率开关器件以及一组感性元件；
所述第一电源、所述第二电源、所述第一功率开关器件以及所述感性元件串联在同一回路；所述第二功率开关器件的第一端连接至所述第一功率开关器件和所述感性元件的连线上，第二端连接至第二电源的负端。
2.如权利要求1所述的集合驱动控制电路，其特征在于，所述复合开关变换器进一步还包括一阻断二极管，其阳极电性连接所述第一电源，其阴极电性连接所述第一功率开关器件。
3.如权利要求1所述的集合驱动控制电路，其特征在于，所述复合开关变换器还包括一输出二极管以及一输出电容，所述输出电容与所述负载并联，所述输出二极管与所述感性元件和所述负载串联。
4.如权利要求2所述的集合驱动控制电路，其特征在于，所述复合开关变换器还包括一箝位电容，其一端连接在所述阻断二极管与所述第一功率开关的连线上，另一端连接至所述第一电源和所述第二电源的公共负端。
5.如权利要求1所述的集合驱动控制电路，其特征在于，所述第一功率开关器件和所述第二功率开关器件为MOSFET晶体管。
6.一种双电源供电系统的集合驱动控制方法，所述双电源供电系统包括第一电源、第二电源、负载以及控制器，其特征在于，包括：
(1)设置一复合开关变换器；
所述复合开关变换器具有降压工作模式和反激工作模式，并且在所述降压工作模式和所述反激工作模式时，所述复合开关变换器共用一第一功率开关器件、一第二功率开关器件以及一组感性元件；
所述第一电源、所述第二电源、所述第一功率开关器件以及所述感性元件串联在同一回路；所述第二功率开关器件的第一端连接至所述第一功率开关器件和所述感性元件的连线上，第二端连接至第二电源的负端；
(2)所述控制器采样所述第一电源和所述第二电源的状态信息；
(3)当第一电源能量充足时，控制所述复合开关变换器工作在降压工作模式，以使所述第一电源向所述第二电源输出能量；
(4)当第一电源能量不足时，控制所述复合开关变换器工作在反激工作模式，以使所述第二电源向所述负载输出能量。
7.一种双电源供电系统，包括第一电源、第二电源以及接受电源供应能量的负载，其特征在于，还包括权利要求1-5所述的任一集合驱动控制电路；
所述第一电源、所述第二电源以及所述负载通过所述集合驱动控制电路电性连接；
当所述第一电源能量充足时，所述集合驱动控制电路控制所述第一电源向第二电源输出能量；
当所述第一电源能量不足时，所述集合驱动控制电路控制所述第二电源向所述负载传输能量。
8.如权利要求7所述的双电源供电系统，其特征在于，所述第一电源为能够将自然能转换为电能的装置，所述第二电源为具有储能作用的装置。
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