CN101784149A - 用于稳定负载的前馈控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制电路，尤其是一种用于稳定负载的前馈控制电路。其包括整流电路，与电源连接，对电源进行整流后形成整流输出电压；开关电源电路，与整流电路的输出端相连，所述开关电源电路的输出端连接功率稳定负载；信号处理和驱动模块，接收整流输出电压、功率稳定负载的输出功率及流过开关电源电路中开关管的开关电流，对所述整流输出电压、输出功率及开关电流进行比较及控制变换后，输出脉冲控制信号到开关电源电路的开关管，控制所述开关管的通断，控制所述功率稳定负载的输出功率恒定。本发明电路结构简单、稳定性好、响应速度快、易于集成实现、能够降低成本及控制方便。

Description

用于稳定负载的前馈控制电路

技术领域

本发明涉及一种控制电路，尤其是一种用于稳定负载的前馈控制电路，属于电源管理的技术领域。

背景技术

稳定负载如发光二极管(LED)的驱动电路通常是通过调整其流过负载的电流大小来改变其亮度。所述稳定负载的控制方法需要直接测量流过发光二极管(LED)的电流，通过反馈控制达到稳流功能。通常是通过测量串联在发光二极管(LED)的一个精确电阻的压降来得到该电流值。

如图1所示：为采用Flyback结构LED的控制驱动电路图。所述驱动电路中，交流电通过全波整流输出电压V_in和电流I_in，所述电压V_in和电流I_in通过Flyback结构的开关电路得到负载电流I₀，Flyback结构的开关电路由功率开关管MT、二极管DD、变压器/电感L和输出电容C构成。所述负载电流I₀流过一个精密电阻R_s产生的压降V_s通过光电耦合器OC得到反馈电压V_x，所述V_x输入到反馈控制电路。所述精密电阻R_s必然会造成一些不必要的功耗。对于需要隔离的电路系统，所述反馈电压V_x的测量值还必须从变压器的副边通过光电耦合到变压器的原边。所述控制电路需要很多的分立元件，不利于集成，增加系统的成本。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种用于稳定负载的前馈控制电路，其电路结构简单、稳定性好、响应速度快、易于集成实现、能够降低成本及控制方便。

按照本发明提供的技术方案，所述用于稳定负载的前馈电路包括：

整流电路，与电源连接，对电源进行整流后形成整流输出电压；

开关电源电路，与整流电路的输出端相连，所述开关电源电路的输出端连接功率稳定负载；

信号处理和驱动模块，接收整流输出电压、功率稳定负载的输出功率及流过开关电源电路中开关管的开关电流，对所述整流输出电压、输出功率及开关电流进行比较及控制变换后，输出脉冲控制信号到开关电源电路的开关管，控制所述开关管的通断，控制所述功率稳定负载的输出功率恒定。

所述整流电路包括全波整流电路及半波整流电路。所述开关电源电路包括Flyback电路、Buck-Boost电路、Buck电路及Boost电路。

所述信号处理和驱动模块包括电流重构模块与局部平均模块；所述电流重构模块接收功所述输出功率与整流输出电压；所述电流重构模块对输出功率及整流输出电压进行运算及控制变换后，输出重构的输入电流；所述局部平均模块对所述开关电流进行变换后，输出开关电流的局部平均电流；所述重构的输入电流与局部平均电流间的差值形成误差电流；所述误差电流输入环路补偿滤波模块，所述环路补偿滤波模块的输出端与脉冲宽度调制模块的输入端连接，所述脉冲宽度调制模块输出脉冲控制信号，所述脉冲控制信号控制开关电源电路中开关管的通断，控制所述功率稳定负载的输出功率恒定。

所述局部平均模块对所述开关电流进行加权平均、指数平均或进行低通滤波后，输出局部平均电流。所述环路补偿滤波模块对输入的误差电流进行比例、积分变换，并输出到脉冲宽度调制模块。

所述功率稳定负载的输出功率为常数时，所述电流重构模块包括功率转换模块；所述功率转换模块接收功率稳定负载的输出功率，输出整流电路的输出功率周期平均值；所述整流电路的输出功率周期平均值除以整流输出电压，得到重构的输入电流。

所述功率稳定负载的输出功率周期平均值为常数时，所述电流重构模块包括电压周期平均模块和第一功率处理模块；所述电压周期平均模块接收所述整流输出电压，输出整流输出电压的电压平方平均值；所述电压平方平均值输出到第一功率处理模块，所述第一功率处理模块接收功率稳定负载的输出功率周期平均值；所述第一功率处理模块将所述输出功率周期平均值与电压平方平均值进行运算、变换后，输出电压参数；所述电压参数与整流输出电压相乘积后，得到重构的输入电流。

所述功率稳定负载的输出功率周期平均值为常数时，所述电流重构模块包括电压周期平均模块和功率转换模块，所述电压周期平均模块接收整流输出电压，输出所述整流输出电压的电压平方平均值，所述电压平方平均值与局部平均电流相乘积，得到第一乘积值；所述功率转换模块接收功率稳定负载的输出功率周期平均值，并输出整理电路的输出功率平均值；所述整流输出电压与所述整流电路的输出功率平均值相乘积，得到第二乘积值；所述第一乘积值与第二乘积值间的差值为环路补偿滤波模块的输入值，所述环路补偿滤波模块的输出端与脉冲宽度调制模块的输入端连接。

所述整流电路为全波整流电路、功率稳定负载的输出功率周期平均值为常数且电源为正弦交流电时，所述电流重构模块包括电压处理模块与第二功率处理模块；所述电压处理模块接收整流输出电压，输出整流输出电压的峰峰值与所述整流输出电压对应的重构半波正弦信号值；所述第二功率处理模块接收功率稳定负载的输出功率周期平均值与整流输出电压的峰峰值，第二功率处理模块将功率稳定负载的输出功率周期平均值与电压峰峰值运算后与重构半波正弦信号相乘积，得到重构的输入电流。

本发明的优点：通过对负载的输出功率、整流电路的整流输出电压及通过开关管的开关电源进行运算及变换后，控制开关管的通断，从而控制负载的输出功率恒定；采用前馈控制方式，不影响控制电路的稳定性，电路的稳定性好；不需要测量负载的电流值，减少了不必要的功耗，避免了对系统进行隔离，减少分立器件使用，集成方便，降低了加工成本。对开关管的控制策略简单灵活，能够得到功率因数校正电路及负载稳流电路，提高了电路的应用范围。

附图说明

图1为采用Flyback结构LED的控制驱动电路图。

图2为本发明的结构框图。

图3为本发明实施例1的结构框图。

图4为本发明实施例2的结构框图。

图5为本发明实施例3的结构框图。

图6为本发明实施例4的结构框图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2～图6所示：以Flyback的开关电源结构及LED负载为例，本发明包括电源、整流电路、Flyback开关电源电路、信号驱动和处理模块及LED负载。

如图2所示：所述电源与整流电路的输入端相连，整流电路对电源的输入进行变换，使整流电路的输出为直流电，即整流电路的整流输出电压V_in始终保持一个方向，能够满足LED负载接通的要求。所述整流电路分别输出整流输出电压V_in和整流输出电流I_in。整流电路的输出端与Flyback开关电源电路输入端相连，所述Flyback开关电源电路的输出端连接LED负载。所述Flyback开关电源电路包括变压器L(或是电感L)、功率开关管MT、二极管DD及输出电容C；所述功率开关管MT为场效应管MOSFET，功率开关管MT的漏极端与变压器L的原边连接，源极端接地。所述变压器L副边的一端与二极管DD阳极相连，所述二极管DD阴极通过输出电容C与变压器L副边的另一端连接；所述输出电容C的两端并联有LED负载，所述LED负载为功率稳定负载。所述信号驱动和处理模块的输出端与开关管MT的栅极端连接，信号驱动和处理模块输出信号，控制开关管MT的通断，满足LED负载功率稳定的要求，保持LED负载的发光亮度。所述信号驱动和处理模块接收LED负载的输出功率P_out、整流电路的整流输出电压V_in及开关管MT源极端的电流I_s，信号驱动和处理模块对输出功率P_out、整流输出电压V_in和开关电流I_s进行运算及变换后，输出控制信号到开关管MT的栅极端，控制开关管MT的通断，通过调整整流电路的输入电流I_in的波形来达到LED负载的输出功率P_out稳定的要求。

所述Flyback开关电源电路也可以由Buck-Boost开关电源电路、Buck开关电源电路或Boost开关电源电路进行替代。所述整流电路包括全波整流电路和半波整流电路，整流电路将电源变换为同一个方向输出，满足LED负载发光的要求。

所述信号处理和驱动模块包括电流重构模块与局部平均模块；所述电流重构模块接收功所述输出功率P_out与整流输出电压V_in；所述电流重构模块对输出功率P_out及整流输出电压V_in进行运算及控制变换后，输出重构的输入电流I_ref；所述局部平均模块对所述开关电流I_s进行变换后，输出开关电流的局部平均电流I_lp；所述重构的输入电流I_ref与局部平均电流I_lp间的差值形成误差电流I_err；所述误差电流I_err输入环路补偿滤波模块，所述环路补偿滤波模块的输出端与脉冲宽度调制模块的输入端连接，所述脉冲宽度调制模块输出脉冲控制信号，所述脉冲控制信号控制开关电源电路中开关管的通断，控制所述功率稳定负载的输出功率恒定。

所述局部平均模块对所述开关电流I_s进行加权平均、指数平均或进行低通滤波后，输出局部平均电流I_lp，用于减少开关管MT的噪声。所述环路补偿滤波模块对输入的误差电流I_err进行比例、积分变换，并输出到脉冲宽度调制模块。

根据LED负载的输出功率P_out稳定方式不同、电源类型及整流电路采用的结构不同，所述信号处理和驱动模块具有不同的实施方式。本发明采用前馈控制方式，不用检测LED负载的输出电流的大小。假设电路的能量转换效率为β(β＜1)，当设定电路能量转换效率β时，有：

P_out＝β*P_in                                        (1)

其中P_out为输出功率，P_in为电路的输入功率。

实施例1

当LED负载的输出功率P_out为常数时，所述LED负载的负载电流I_out为恒定值。当整流输出电压V_in是时间t的函数且V_in的波形已知时，根据功率的表达式有：

P_in＝V_in(t)*I_in(t)                                  (2)

其中I_in(t)为电路的输入电流。

由公式(1)和公式(2)，我们可以得到输入电流I_in(t)波形的表达式：

$I_{\mathrm{in}}\left(t\right)\frac{P_{\mathrm{out}}}{\mathrm{\β}}*\frac{1}{V_{\mathrm{in}}\left(t\right)}=\frac{\mathrm{\α}}{V_{\mathrm{in}}\left(t\right)}---\left(3\right)$

其中 $\mathrm{\α}=\frac{P_{\mathrm{out}}}{\mathrm{\β}}$ 是一个可调参数。

如图3所示：为信号驱动和处理模块的实现框图。所述LED负载的输出功率P_out输入到功率转换模块，所述功率转换模块输出电路的输入功率P_in；所述功率转换模块的输出与整流输出电压V_in的比值，得到重构的输入电流 $I_{\mathrm{ref}}=\frac{\mathrm{\α}}{V_{\mathrm{in}}}.$ 所述开关电流I_s输入到局部平均模块，局部平均模块对开关电流I_s进行运算及变换后得到局部平均电流I_lp；所述局部平均电流I_lp与重构的输入电流 $I_{\mathrm{ref}}=\frac{\mathrm{\α}}{V_{\mathrm{in}}}$ 间的差值为误差电流I_err。所述误差电流为环路补偿滤波模块的输入，所述环路补偿滤波模块对误差电流进行比例、积分运算；所述环路补偿滤波模块的输出端与脉冲宽度调制模块的输入端连接，环路补偿滤波模块的输出控制脉冲宽度调制模块的输出。所述脉冲宽度调制的输出与开关管MT的栅极端连接，控制开关管MT的通断，从而达到LED负载输出功率P_out为常数的要求。

实施例2

当LED负载的输出功率P_out的周期平均值为常数时，即LED负载的平均输出功率<P_out>为常数时，所述电路的结构可以同时实现电路的功率因数校正。整流输出电压V_in是时间t的函数，且整流输出电压V_in的周期为T。由功率因数校正的要求知，电路的输入电流I_in(t)与整流输出电压V_in(t)间波形一致；由此可以得到输入电流I_in(t)与整流输出电压V_in(t)间的关系，即：

I_in(t)＝γ*V_in(t)                                    (4)

其中γ是可调的参数，γ不同表示I_in(t)与V_in(t)幅值的不同。

所述电路在一个周期内的平均输入功率<P_in>为：

$<P_{\mathrm{in}}>=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T(V_{\mathrm{in}}\left(t\right)*I_{\mathrm{in}}\left(t\right))\mathrm{dt}=\frac{\mathrm{\&gamma;}}{T}{\&Integral;}_0^T{V}_{\mathrm{in}}^2\left(t\right)\mathrm{dt}=\mathrm{\&gamma;}*A---\left(5\right)$

其中 $A=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{V}_{\mathrm{in}}^2\left(t\right)\mathrm{dt}$ 表示整流输出电压V_in(t)的平方平均值。

当LED负载的输出功率P_out的周期平均值为常数时，能够得到LED负载的平均输出功率<P_out>与电路平均输入功率<P_in>间的关系为

<P_out>＝β*<P_in>                                      (6)

由公式(4)、(5)和(6)，我们能够得到 $\mathrm{\&gamma;}=\frac{<P_{\mathrm{out}}>}{\mathrm{\&beta;}*A}.$

如图4所示：为其信号驱动和处理模块的实现框图。所述整流输出电压V_in(t)与电压周期平均模块的输入端连接，其中电压周期平均模块计算整流输出电压V_in(t)一个周期内的电压平方平均，所述第一功率处理模块接收电压周期平均模块与LED负载的平均输出功率<P_out>，第一功率处理模块输出γ的数值。由公式(4)知，第一功率处理模块输出的γ与整流输出电压V_in(t)乘积后得到重构的输入电流I_ref。

所述开关电流所述开关电流I_s输入到局部平均模块，局部平均模块对开关电流I_s进行运算及变换后得到局部平均电流I_lp；所述局部平均电流I_lp与重构的输入电流I_ref间的差值为误差电流I_err。所述误差电流为环路补偿滤波模块的输入，所述环路补偿滤波模块对误差电流进行比例、积分运算；所述环路补偿滤波模块的输出端与脉冲宽度调制模块的输入端连接，环路补偿滤波模块的输出控制脉冲宽度调制模块的输出。所述脉冲宽度调制的输出与开关管MT的栅极端连接，控制开关管MT的通断，从而达到LED负载输出功率<P_out>在周期平均值为常数的要求。

实施例3

当LED负载的输出功率P_out的周期平均值为常数时，所述电路的结构可以同时实现电路的功率因数校正。整流输出电压V_in是时间t的函数，且整流输出电压V_in的周期为T。根据电路重构模块的实现结构不同，本实施例为实施例2的另一种实现方式。

如图5所示：为其信号驱动和处理模块的实现框图。所述整流输出电压V_in(t)与电压周期平均模块的输入端连接，其中电压周期平均模块计算整流输出电压V_in(t)一个周期内的电压平方平均A；所述电压平方平均A与局部平均模块输出的局部平均电流I_lp相乘积，得到第一乘积值A*I_lp。所述信号驱动和处理模块还包括功率转换模块，所述功率转换模块接收LED负载的平均输出功率<P_out>；功率转换模块输出平均输出功率<P_out>与转换效率β间的比值，即平均输入功率<P_in>；所述平均输入功率<P_in>与整流输出电压V_in(t)间相乘积，得到第二乘积值A*γ*V_in(t)；所述第二乘积值A*γ*V_in(t)与第一乘积值A*I_lp间的差值A*I_err作为环路补偿滤波模块的输入。所述环路补偿滤波模块对误差电流进行比例、积分运算；所述环路补偿滤波模块的输出端与脉冲宽度调制模块的输入端连接，环路补偿滤波模块的输出控制脉冲宽度调制模块的输出。所述脉冲宽度调制的输出与开关管MT的栅极端连接，控制开关管MT的通断，从而达到LED负载输出功率<P_out>在周期平均值为常数的要求。

实施例4

所述整流电路为全波整流电路、功率稳定负载的输出功率周期平均值为常数且电源为正弦交流电时，全波整流后的整流输出电压V_in(t)表达式如下，

V_in(t)＝V_pp*|sinθ|                                          (7)

其中V_pp为整流电路输出电压信号的峰峰值，θ＝wt表示整流输出电压V_in(t)的相位，w是角频率，w＝2πF＝2π/T；F是交流电源的线频率，T是交流电源的周期。本实施例为实施例2的一种特殊实现。

整流输出电压V_in(t)在一个周期内的电压平方平均A可以表示为

$A=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T{V}_{\mathrm{in}}^2\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{1}{2}*V_{\mathrm{pp}}^2---\left(8\right)$

由公式(4)～(8)知，重构的输入电流的表达式可以表示为

$I_{\mathrm{ref}}=\mathrm{\&gamma;}*V_{\mathrm{in}}\left(t\right)=\frac{2*<P_{\mathrm{out}}>}{\mathrm{\&beta;}*V_{\mathrm{pp}}}*\left|\sin \mathrm{\&theta;}\right|---\left(9\right)$

如图6所示：为其信号驱动和处理模块的实现框图。所述电流重构模块包括电压处理模块与第二功率处理模块；所述电压处理模块接收整流输出电压V_in(t)，输出整流输出电压的峰峰值V_pp与所述整流输出电压对应的重构半波正弦信号值|sinθ|；所述第二功率处理模块接收功率稳定负载的平均输出功率<P_out>与整流输出电压的峰峰值V_pp，第二功率处理模块将功率稳定负载的输出功率周期平均值与电压峰峰值运算后与重构半波正弦信号|sinθ|相乘积，得到重构的输入电流 $I_{\mathrm{ref}}=\mathrm{\&gamma;}*V_{\mathrm{in}}\left(t\right)=\frac{2*<P_{\mathrm{out}}>}{\mathrm{\&beta;}*V_{\mathrm{pp}}}*\left|\sin \mathrm{\&theta;}\right)|.$ 所述开关电流所述开关电流I_s输入到局部平均模块，局部平均模块对开关电流I_s进行运算及变换后得到局部平均电流I_lp；所述局部平均电流I_lp与重构的输入电流I_ref间的差值为误差电流I_err。所述误差电流为环路补偿滤波模块的输入，所述环路补偿滤波模块对误差电流进行比例、积分运算；所述环路补偿滤波模块的输出端与脉冲宽度调制模块的输入端连接，环路补偿滤波模块的输出控制脉冲宽度调制模块的输出。所述脉冲宽度调制的输出与开关管MT的栅极端连接，控制开关管MT的通断，从而达到LED负载输出功率<P_out>在周期平均值为常数的要求。

本发明通过对负载的输出功率P_out、整流电路的整流输出电压V_in(t)及流过开关管MT的开关电流I_s进行运算及变换后，控制开关管MT的通断，从而控制负载的输出功率恒定。采用前馈控制方式，不影响控制电路的稳定性，电路的稳定性好；不需要测量负载的电流值，减少了不必要的功耗，避免了对系统进行隔离，减少分立器件使用，集成方便，降低了加工成本。对开关管的控制策略简单灵活，能够得到功率因数校正电路及负载稳流电路，提高了电路的应用范围。

Claims (10)

1.一种用于稳定负载的前馈电路，其特征是，包括：

整流电路，与电源连接，对电源进行整流后形成整流输出电压；

开关电源电路，与整流电路的输出端相连，所述开关电源电路的输出端连接功率稳定负载；

信号处理和驱动模块，接收整流输出电压、功率稳定负载的输出功率及流过开关电源电路中开关管的开关电流，对所述整流输出电压、输出功率及开关电流进行比较及控制变换后，输出脉冲控制信号到开关电源电路的开关管，控制所述开关管的通断，控制所述功率稳定负载的输出功率恒定。

2.根据权利要求1所述用于稳定负载的前馈电路，其特征是：所述整流电路包括全波整流电路及半波整流电路。

3.根据权利要求1所述用于稳定负载的前馈电路，其特征是：所述开关电源电路包括Flyback电路、Buck-Boost电路、Buck电路及Boost电路。

4.根据权利要求1所述用于稳定负载的前馈电路，其特征是：所述信号处理和驱动模块包括电流重构模块与局部平均模块；所述电流重构模块接收功所述输出功率与整流输出电压；所述电流重构模块对输出功率及整流输出电压进行运算及控制变换后，输出重构的输入电流；所述局部平均模块对所述开关电流进行变换后，输出开关电流的局部平均电流；所述重构的输入电流与局部平均电流间的差值形成误差电流；所述误差电流输入环路补偿滤波模块，所述环路补偿滤波模块的输出端与脉冲宽度调制模块的输入端连接，所述脉冲宽度调制模块输出脉冲控制信号，所述脉冲控制信号控制开关电源电路中开关管的通断，控制所述功率稳定负载的输出功率恒定。

5.根据权利要求4所述用于稳定负载的前馈电路，其特征是：所述局部平均模块对所述开关电流进行加权平均、指数平均或进行低通滤波后，输出局部平均电流。

6.根据权利要求4所述用于稳定负载的前馈电路，其特征是：所述环路补偿滤波模块对输入的误差电流进行比例、积分变换，并输出到脉冲宽度调制模块。

7.根据权利要求4所述用于稳定负载的前馈电路，其特征是：所述功率稳定负载的输出功率为常数时，所述电流重构模块包括功率转换模块；所述功率转换模块接收功率稳定负载的输出功率，输出整流电路的输出功率周期平均值；所述整流电路的输出功率周期平均值除以整流输出电压，得到重构的输入电流。

8.根据权利要求4所述用于稳定负载的前馈电路，其特征是：所述功率稳定负载的输出功率周期平均值为常数时，所述电流重构模块包括电压周期平均模块和第一功率处理模块；所述电压周期平均模块接收所述整流输出电压，输出整流输出电压的电压平方平均值；所述电压平方平均值输出到第一功率处理模块，所述第一功率处理模块接收功率稳定负载的输出功率周期平均值；所述第一功率处理模块将所述输出功率周期平均值与电压平方平均值进行运算、变换后，输出电压参数；所述电压参数与整流输出电压相乘积后，得到重构的输入电流。

9.根据权利要求4所述用于稳定负载的前馈电路，其特征是：所述功率稳定负载的输出功率周期平均值为常数时，所述电流重构模块包括电压周期平均模块和功率转换模块，所述电压周期平均模块接收整流输出电压，输出所述整流输出电压的电压平方平均值，所述电压平方平均值与局部平均电流相乘积，得到第一乘积值；所述功率转换模块接收功率稳定负载的输出功率周期平均值，并输出整理电路的输出功率平均值；所述整流输出电压与所述整流电路的输出功率平均值相乘积，得到第二乘积值；所述第一乘积值与第二乘积值间的差值为环路补偿滤波模块的输入值，所述环路补偿滤波模块的输出端与脉冲宽度调制模块的输入端连接。

10.根据权利要求4所述用于稳定负载的前馈电路，其特征是：所述整流电路为全波整流电路、功率稳定负载的输出功率周期平均值为常数且电源为正弦交流电时，所述电流重构模块包括电压处理模块与第二功率处理模块；所述电压处理模块接收整流输出电压，输出整流输出电压的峰峰值与所述整流输出电压对应的重构半波正弦信号值；所述第二功率处理模块接收功率稳定负载的输出功率周期平均值与整流输出电压的峰峰值，第二功率处理模块将功率稳定负载的输出功率周期平均值与电压峰峰值运算后与重构半波正弦信号相乘积，得到重构的输入电流。

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