CN101873075A - 一种直流母线采集电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流母线采集电路，用于采集反激式开关电源的直流母线电压，所述直流母线采集电路包括采用正激方式连接在所述反激式开关电源中变压器的副边的电压采集电路，所述电压采集电路包括一电压保持电容、充放电电路和跟随电路。在反激式开关电源的正激周期内，充放电电路依据采集到的直流母线电压对电压保持电容充电，同时电压保持电容放电，实现了快充快放，提高了电压采集的实时性；在反激式开关电源的反激周期内，充放电电路阻止电压保持电容放电，电压保持电容无放电回路不能放电，实现了良好的保持特性，提高了采样电压的采样精度。

Description

一种直流母线采集电路

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，更具体地说，涉及一种用于反激式开关电源的直流母线采集电路。

背景技术

反激式开关电源是指使用反激高频变压器隔离输入输出回路的开关电源。所谓“反激”，具体是指当输入为高电平且开关管接通时输出线路中串联的电感为放电状态，相反，当输入为高电平且开关管断开时输出线路中串联的电感为充电状态。

反激式开关电源的直流母线采样电路只在开关电源的正激周期内工作，因此，要保证在正激和反击周期内都能有效地采集到直流母线电压，就需要直流母线采样电路有一个比较长的电压保持时间，否则，在开关电源的反激周期内，采样电压将迅速下降导致采样精度很差。然而，现有的直流母线采样电路中，充放电回路都为同一个回路，若充电速度快则放电速度快，若充电速度慢则放电速度也慢，为了提高直流母线采样电路的跟随性，须选择快充快放，但是快充快放将导致电压保持时间较短，极大的降低了采样的精度；同时，为了提高采样精度，须选择慢充慢放，但慢充慢放将使采样信号严重滞后，影响到电压采集的实时性。

另外，在直流母线采样电路中，一般都需要对采集到的电压进行校正，现有的电压校正环节大都采用模拟式电压校正方式，即通过电位器来实现。采用电位器时，校正精度较低，且电位器随着使用时间的增加以及使用环境的变化等极易出现故障，严重时还会引起电路故障。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述直流母线采样电路的采样电压的采样精度与电压采集的实时性不能平衡的缺陷，提供一种既能提高采样电压的采样精度又能提高电压采集的跟随性的直流母线采集电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种直流母线采集电路，用于采集反激式开关电源的直流母线电压，所述直流母线采集电路包括采用正激方式连接在所述反激式开关电源中变压器的副边的电压采集电路，所述电压采集电路包括一电压保持电容，所述电压采集电路还包括：

充放电电路：在所述反激式开关电源的正激周期内，所述直流母线电压对所述电压保持电容充电，同时所述电压保持电容放电；在所述反激式开关电源的反激周期内，阻止所述电压保持电容放电；

跟随电路：依据所述电压保持电容使所述充放电电路累积的电量产生一采样输出电压，所述采样输出电压作为所述直流母线采集电路的最终输出信号。

本发明所述的直流母线采集电路中，所述直流母线采集电路还包括采用数字式校正方式对所述采样输出电压进行精度校正的校正电路。

本发明所述的直流母线采集电路中，所述充放电电路包括：

充电子电路：在所述反激式开关电源的正激周期内对所述电压保持电容进行充电，包括保护二极管，所述直流母线电压正向通过所述保护二极管送至所述电压保持电容的正极，所述电压保持电容的负极接地；

放电子电路：在所述反激式开关电源的正激周期内对所述电压保持电容进行放电，包括分压电阻、第一保护电阻、开关管和稳压管，所述直流母线电压接至所述开关管的基极且通过分压电阻接地，所述电压保持电容的正极通过第一保护电阻接至所述开关管的集电极，所述开关管的发射极接地；所述稳压管反向连接在所述开关管的基极与地之间；

保持子电路：在所述反激式开关电源的反激周期内阻止所述电压保持电容放电，包括第二保护电阻和第三保护电阻，所述电压保持电容的正极依次通过第二保护电阻和第三保护电阻接地。

本发明所述的直流母线采集电路中，所述跟随电路包括：

运放跟随子电路：用于依据所述电压保持电容使所述充放电电路累积的电量产生一跟随信号，包括运算放大器、输入保护电阻和输出保护电阻，所述运算放大器的正输入端接至第二保护电阻和第三保护电阻的节点，所述运算放大器的输出端通过所述输出保护电阻输出所述跟随信号且接至所述运算放大器的负输入端，所述输入保护电阻连接在所述运算放大器的正输入端与负输入端之间；

滤波子电路：对所述跟随信号进行滤波处理以产生所述所述采样输出电压。

本发明所述的直流母线采集电路中，所述滤波子电路为RC滤波器；

所述RC滤波器包括一滤波电容和滤波电阻，所述滤波电阻的第一端接至所述运算放大器的负输入端且通过所述滤波电容接地，所述滤波电阻的第一端输入所述跟随信号，所述滤波电阻的第二端输出所述采样输出电压。

本发明所述的直流母线采集电路中，所述滤波子电路为π型RC滤波器；

所述π型RC滤波器包括第一滤波电容、第二滤波电容和滤波电阻，所述滤波电阻的第一端接至所述运算放大器的负输入端且通过第一滤波电容接地，所述滤波电阻的第二端通过第二滤波电容接地；

所述滤波电阻的第一端输入所述跟随信号，所述滤波电阻的第二端输出所述采样输出电压。

本发明所述的直流母线采集电路中，所述跟随电路还包括设置在所述滤波子电路后的限幅子电路，

所述限幅子电路：包括第一二极管和第二二极管，第一二极管的正极与第二二极管的负极相连，第一二极管的负极接电源，第二二极管的正极接地，第一二极管的正极接至所述滤波子电路的输出端且输出所述采样输出电压。

本发明所述的直流母线采集电路中，所述跟随电路还包括连接在所述保持子电路与所述运放跟随子电路之间的预滤波子电路；

所述预滤波子电路包括一预滤波电容，所述预滤波电容的一端接至所述运算放大器的正输入端，另一端接地。

本发明所述的直流母线采集电路中，所述校正电路包括基准电压给定单元和主控MCU，其中所述基准电压给定单元包括单片机、电压传感器、信号调理器、继电器和继电器驱动器；

在基准电压下，所述单片机通过继电器驱动器控制所述继电器吸合或断开以使电压传感器获得两个基准电压值，该两个基准电压值经信号调理器处理后通过单片机送入主控MCU，主控MCU同时通过所述电压采样电路获得两个对应的采样电压，并根据上述两个基准电压值及两个采样电压计算获得校正因子；

所述主控MCU依据所述校正因子对所述电压采集电路从直流母线采集得到的所述采样输出电压进行校正。

本发明所述的直流母线采集电路中，所述直流母线采集电路还包括采用正激方式连接在所述反激式开关电源中变压器的副边的电流采集电路。

实施本发明的直流母线采集电路，具有以下有益效果：在反激式开关电源的正激周期内，充放电电路依据采集到的直流母线电压对电压保持电容充电，同时电压保持电容放电，实现了快充快放，提高了电压采集的实时性；在反激式开关电源的反激周期内，充放电电路阻止电压保持电容放电，电压保持电容无放电回路不能放电，实现了良好的保持特性，提高了采样电压的采样精度。

另外，校正电路采用数字式对采样输出电压进行精度校正，校正精度较低，且不易受使用时间和使用环境的影响，可靠性高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明直流母线采集电路第一实施例的结构框图；

图2是本发明直流母线采集电路第二实施例的结构框图；

图3是本发明中充放电电路的一实施例的结构框图；

图4是本发明中跟随电路的第一实施例的结构框图；

图5是本发明中跟随电路的第二实施例的结构框图；

图6是图2所示的直流母线采集电路的电路图；

图7是校正电路中的基准电压给定单元的实施例的电路图；

图8是本发明的直流母线采集电路的进行电压校正的示意图；

图9是本发明的直流母线采集电路的第三实施例的结构框图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明直流母线采集电路第一实施例的结构框图，该直流母线采集电路用于采集反激式开关电源的直流母线电压，该直流母线采集电路包括采用正激方式连接在反激式开关电源中变压器的副边的电压采集电路，该电压采集电路包括电压保持电容C1、充放电电路10和跟随电路20，在反激式开关电源的正激周期内，充放电电路10采用直流母线电压对电压保持电容C1充电，同时电压保持电容C1放电；在反激式开关电源的反激周期内，充放电电路10阻止电压保持电容C1放电；跟随电路20依据电压保持电容C1使充放电电路10累积的电量产生一采样输出电压，采样输出电压作为直流母线采集电路的最终输出信号。

可见，在反激式开关电源的正激周期内，充放电电路10依据采集到的直流母线电压对电压保持电容C1充电，同时电压保持电容C1放电，实现了快充快放，可提高电压采集的实时性；在反激式开关电源的反激周期内，充放电电路10阻止电压保持电容C1放电，电压保持电容C1无放电回路不能放电，实现了良好的保持特性，可提高样电压的采样精度。

上述“电压保持电容C1使充放电电路10累积的电量”，即为充放电电路10受电压保持电容C1上累计的电量的影响，表现出一与电压保持电容C上的电量相对应、相一致的电气特性。

如图2所示，是本发明直流母线采集电路第二实施例的结构框图，与图1所示的第一实施例的区别在于：在图1所示的第一实施例的基础上该直流母线采集电路还包括对采样输出电压进行精度校正的校正电路30。本实施中，校正电路30采用数字式校正方式对采样输出电压进行精度校正，校正精度较高，且不易受使用时间和使用环境的影响，可靠性高。所谓数字式校正方式，即通过某软件或公式对采样输出电压进行分析计算，得到某些符合一定规律的系数或/和常量，从而依据该系数或/和常量对采样输出电压进行调节校正。

如图3所示，是本发明中充放电电路的一实施例的结构框图，该充放电电路10包括充电子电路101、放电子电路102和保持子电路103，其中，在反激式开关电源的正激周期内，充电子电路101对电压保持电容C1进行充电，放电子电路102对电压保持电容C1进行放电，即实现了快充快放，提高了电压采集的实时性；在反激式开关电源的反激周期，保持子电路103阻止电压保持电容C1放电，电压保持电容C1无放电回路不能放电，即实现了良好的保持特性，提高了采样电压的采样精度。

如图4所示，是本发明中跟随电路的第一实施例的结构框图，该跟随电路20包括运放跟随子电路201和滤波子电路202，再结合图3所示，运放跟随子电路201用于依据电压保持电容C1使充放电电路10累积的电量产生一跟随信号，该跟随信号与电压保持电容C1上的电量相一致，且具有较大驱动能力，进一步地，该运放跟随子电路201还起隔离作用，即跟随信号对电压保持电容C1呈高阻状态，对滤波子电路202呈低阻状态。

滤波子电路202对跟随信号进行滤波处理以产生所述采样输出电压。

如图5所示，是本发明中跟随电路的第二实施例的结构框图，与图4所示的第一实施例的区别在于：在图4所示的第一实施例的基础上，该跟随电路20还包括设置在滤波子电路202后的限幅子电路204、连接在保持子电路103与运放跟随子电路201之间的预滤波子电路203。限制子电路204对滤波子电路202输出的信号进行处理，使最终通过限制子电路204的采样输出电压能满足后继电路的需求。预滤波子电路203对保持子电路103输出的信号进行滤波处理，消除纹波，减少对后续电路的不良影响，提高后续电路的精度。

如图6所示，是图2所示的直流母线采集电路的电路图，该直流母线采集电路中，

充电子电路101包括保护二极管D1，采集到的直流母线电压正向通过保护二极管D1送至电压保持电容C1的正极，电压保持电容C1的负极接地。进一步地，充电子电路101还可包括一保护电阻R3，保护电阻R3连接在保护二极管D1的负极与电压保持电容C1之间。

放电子电路102包括分压电阻R2、第一保护电阻R4、三极管TR1和稳压管ZD1，所述直流母线电压接至三极管TR1的基极且通过分压电阻R2接地，电压保持电容C1的正极通过第一保护电阻R4接至三极管TR1的集电极，三极管TR1的发射极接地；稳压管ZD1反向连接在三极管TR1的基极与地之间。进一步地，该放电子电路102还包括另一分压电阻R1，分压电阻R1连接在所述直流母线电压的输入端与三极管TR1的基极之间。另外，三极管TR1可用MOS管等其它开关管来代替。

保持子电路103包括第二保护电阻R5和第三保护电阻R6，电压保持电容C1的正极依次通过第二保护电阻R5和第三保护电阻R6接地。

预滤波子电路203包括预滤波电容C2，预滤波电容C2的一端接至运算放大器U1的正输入端，另一端接地。当然，预滤波子电路203也可采用其它滤波电路，以消除纹波为目的。

运放跟随子电路201包括运算放大器U1、输入保护电阻R7和输出保护电阻R8，运算放大器U1的正输入端接至第二保护电阻R5和第三保护电阻R6的节点，运算放大器U1的输出端通过输出保护电阻R8输出跟随信号且接至运算放大器U1的负输入端，输入保护电阻R7连接在运算放大器U1的正输入端与负输入端之间。

滤波子电路202对跟随信号进行滤波处理以产生所述采样输出电压。本实施例中，滤波子电路202为π型RC滤波器；π型RC滤波器包括第一滤波电容C3、第二滤波电容C4和滤波电阻R9，滤波电阻R9的第一端接至运算放大器U1的负输入端且通过第一滤波电容C3接地，滤波电阻R9的第二端通过第二滤波电容C4接地；滤波电阻R9的第一端输入跟随信号，滤波电阻R9的第二端输出采样输出电压。

限幅子电路204包括第一二极管D2和第二二极管D3，第一二极管D2的正极与第二二极管D3的负极相连，第一二极管D2的负极接电源，第二二极管D3的正极接地，并且，第一二极管D2的正极接至滤波子电路202的输出端且输出所述采样输出电压。本实施例中，电源为直流5V，当然，电源的可依据限幅的实际需求进行选择。

工作过程如下：

在反激式开关电源的正激周期内，采集到的直流母线电压通过保护二极管D1和保护电阻R3为电压保持电容C1充电，此过程中，三极管TR1导通，电压保持电容C1通过第一保护电阻R4接至三极管TR1放电，实现了快充快放，提高了电压采集的实时性。

在反激式开关电源的反激周期内，三极管TR1截止，由于第二保护电阻R5和第三保护电阻R6的阻值很大，电压保持电容C1没有放电回路，不能放电，实现了良好的保持特性，提高了样电压的采样精度。

上述过程中，电压保持电容C1上累计的电量与第二保护电阻R5和第三保护电阻R6节点处的电压的变化曲线相一致，第二保护电阻R5和第三保护电阻R6的节点处的电压，经预滤波电容C2滤波后，运放跟随子电路201对对该电压进行处理得到所述跟随电压，所述跟随电压从输出电阻R8的一端输出，所述跟随电压再经π型RC滤波器的滤波处理和限幅子电路204的限幅处理后，最终作为采样输出电压被输出。

另外，本发明的滤波子电路202不止局限于π型RC滤波器，还可选用其它滤波器，如RC滤波器等，总之，以能很好地对跟随信号进行滤波处理为选择依据。若选用RC滤波器，RC滤波器包括一滤波电容和滤波电阻，滤波电阻的第一端接至运算放大器的负输入端且通过第一滤波电容接地，滤波电阻的第一端输入跟随信号，滤波电阻的第二端输出采样输出电压。

在本实施例中，校正电路30包括基准电压给定单元和主控CPU。如图7所示，是上述基准电压给定单元的实施例的电路图。基准电压给定单元包括单片机301、电压传感器302、信号调理器303、继电器304和继电器驱动器305，其中，单片机301控制继电器驱动器305产生一控制信号从而控制继电器304得电吸合或失电断开，从而获得两个不同的基准电压值。电压传感器302将输入的基准电压进行采集得到基准电压值，该基准电压值经信号调整器303进行转换调节后输入单片机301的A/D口。

请同时参考图8，本实施例中的电压校正过程如下：

(1)在标准电压下首先通过单片机301使继电器304得电吸合，电压传感器302采样输入的基准电压获得第一基准电压值，该第一基准电压值经信号调理器303处理获得第一采样调节电压Uout1并经单片机301的A/D口输入至单片机301；同时，电压采样电路1(例如图1-6所示的采样电路)也在标准电压下采样获得第一采样电压Uin1。

(2)同样在标准电压下，通过单片机301使继电器304失电断开，电压传感器302采样输入端电压获得第二基准电压值，该第二基准电压值经信号调理器303处理获得第二采样调节电压Uout2并经单片机301的A/D口输入至单片机301；同时，电压采样电路1(例如图6所示的采样电路)也在标准电压下采样获得第二采样电压Uin2。

(3)单片机301将上述第一采样调节电压Uout1和第二采样调节电压Uout2通过其串口输入主控MCU 402，同时主控MCU 402通过其A/D口从电压采样电路1获得第一采样电压值Uin1和第二采样电压值Uin2，主控MCU 402将依据以下算法进行分析计算：

Uout1＝KUin1+Uo

Uout2＝KUin2+Uo

最终得到K和Uo的值，K和Uo即为本基准电压给定单元的校正因子。

从而，在母线电压采样时，主控MCU 402即可依据上述K和Uo的值，直接对电压采集电路1(例如图1-6所示的采样电路)输出的采样输出电压进行校正，获得准确的电压采样值。

当然，在实际应用中，还可依据其它算法进行分析计算得到上述校正因子。

如图9是本发明的直流母线采集电路的第三实施例的结构框图，本直流母线采集电路包括电压采集电路1000，另外，还包括采用正激方式连接在反激式开关电源中变压器的副边的电流采集电路2000。

本实施例中，电流采集电路2000对反激式开关电源中变压器的副边的电流进行采集的到采样输出电流，再将该采样输出电流转换为一电压值，同样地，在反激式开关电源的正激周期内，该电压值对电压保持电容充电，同时电压保持电容放电；在反激式开关电源的反激周期内，阻止电压保持电容放电；然后，依据电流采集电路2000中的电压保持电容使充放电电路累积的电量产生一电流采样输出电压，电流采样输出电压也将作为直流母线采集电路的一个最终输出信号，实现了直流母线采集电路的电流采集方式，并实现了采样精度高、跟随性好的母线电流采样，即可同时依据母线采集电流和母线电压来进行后续电路的调节处理。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种直流母线采集电路，用于采集反激式开关电源的直流母线电压，所述直流母线采集电路包括采用正激方式连接在所述反激式开关电源中变压器的副边的电压采集电路，其特征在于，所述电压采集电路包括一电压保持电容，所述电压采集电路还包括：

充放电电路：在所述反激式开关电源的正激周期内，所述直流母线电压对所述电压保持电容充电，同时所述电压保持电容放电；在所述反激式开关电源的反激周期内，阻止所述电压保持电容放电；

跟随电路：依据所述电压保持电容使所述充放电电路累积的电量产生一采样输出电压，所述采样输出电压作为所述直流母线采集电路的最终输出信号。

2.根据权利要求1所述的直流母线采集电路，其特征在于，所述直流母线采集电路还包括采用数字式校正方式对所述采样输出电压进行精度校正的校正电路。

3.根据权利要求1或2所述的直流母线采集电路，其特征在于，所述充放电电路包括：

充电子电路：在所述反激式开关电源的正激周期内对所述电压保持电容进行充电，包括保护二极管，所述直流母线电压正向通过所述保护二极管送至所述电压保持电容的正极，所述电压保持电容的负极接地；

放电子电路：在所述反激式开关电源的正激周期内对所述电压保持电容进行放电，包括分压电阻、第一保护电阻、开关管和稳压管，所述直流母线电压接至所述开关管的基极且通过分压电阻接地，所述电压保持电容的正极通过第一保护电阻接至所述开关管的集电极，所述开关管的发射极接地；所述稳压管反向连接在所述开关管的基极与地之间；

保持子电路：在所述反激式开关电源的反激周期内阻止所述电压保持电容放电，包括第二保护电阻和第三保护电阻，所述电压保持电容的正极依次通过第二保护电阻和第三保护电阻接地。

4.根据权利要求3所述的直流母线采集电路，其特征在于，所述跟随电路包括：

运放跟随子电路：用于依据所述电压保持电容使所述充放电电路累积的电量产生一跟随信号，包括运算放大器、输入保护电阻和输出保护电阻，所述运算放大器的正输入端接至第二保护电阻和第三保护电阻的节点，所述运算放大器的输出端通过所述输出保护电阻输出所述跟随信号且接至所述运算放大器的负输入端，所述输入保护电阻连接在所述运算放大器的正输入端与负输入端之间；

滤波子电路：对所述跟随信号进行滤波处理以产生所述所述采样输出电压。

5.根据权利要求4所述的直流母线采集电路，其特征在于，所述滤波子电路为RC滤波器；

所述RC滤波器包括一滤波电容和滤波电阻，所述滤波电阻的第一端接至所述运算放大器的负输入端且通过所述滤波电容接地，所述滤波电阻的第一端输入所述跟随信号，所述滤波电阻的第二端输出所述采样输出电压。

6.根据权利要求4所述的直流母线采集电路，其特征在于，所述滤波子电路为π型RC滤波器；

所述π型RC滤波器包括第一滤波电容、第二滤波电容和滤波电阻，所述滤波电阻的第一端接至所述运算放大器的负输入端且通过第一滤波电容接地，所述滤波电阻的第二端通过第二滤波电容接地；

所述滤波电阻的第一端输入所述跟随信号，所述滤波电阻的第二端输出所述采样输出电压。

7.根据权利要求4所述的直流母线采集电路，其特征在于，所述跟随电路还包括设置在所述滤波子电路后的限幅子电路，

所述限幅子电路：包括第一二极管和第二二极管，第一二极管的正极与第二二极管的负极相连，第一二极管的负极接电源，第二二极管的正极接地，第一二极管的正极接至所述滤波子电路的输出端且输出所述采样输出电压。

8.根据权利要求4所述的直流母线采集电路，其特征在于，所述跟随电路还包括连接在所述保持子电路与所述运放跟随子电路之间的预滤波子电路；

所述预滤波子电路包括一预滤波电容，所述预滤波电容的一端接至所述运算放大器的正输入端，另一端接地。

9.根据权利要求2所述的直流母线采集电路，其特征在于，所述校正电路包括基准电压给定单元和主控MCU，其中所述基准电压给定单元包括单片机、电压传感器、信号调理器、继电器和继电器驱动器；

在基准电压下，所述单片机通过继电器驱动器控制所述继电器吸合或断开以使电压传感器获得两个基准电压值，该两个基准电压值经信号调理器处理后通过单片机送入主控MCU，主控MCU同时通过所述电压采样电路获得两个对应的采样电压，并根据上述两个基准电压值及两个采样电压计算获得校正因子；

所述主控MCU依据所述校正因子对所述电压采集电路从直流母线采集得到的所述采样输出电压进行校正。

10.根据权利要求1所述的直流母线采集电路，其特征在于，所述直流母线采集电路还包括采用正激方式连接在所述反激式开关电源中变压器的副边的电流采集电路。

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