CN102570794B - 一种开关电源峰值电流的控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种开关电源峰值电流的控制装置及方法，通过转换电路单元对输入电流进行信号放大处理，第一运算处理单元对转换电路单元输出的信号和第一基准信号进行对比，输出开关量控制信号切换电路的状态，从而控制储能元件的充放电，第二运算处理单元对储能元件输出信号及第二基准信号比较，输出电压转换信号给第三运算处理单元，第三运算处理单元改变输出峰值电流给定值，输出电流限定值，从而实现对设定时间内最大输出电流的控制。该装置利用现有技术资源实现复杂的电流控制，结构简单、成本低、响应速度快，降低了电平信号转换次数，提高了装置的抗干扰能力和系统稳定性、可靠性。

Description

一种开关电源峰值电流的控制装置及方法

技术领域

本发明涉及高频开关电源领域，尤其涉及一种开关电源峰值电流的控制装置及方法。

背景技术

在电流型开关电源控制中，峰值电流控制是一种常用的控制方法。在实际应用中峰值电流很难精确的控制，常用的控制方法是由一比较器构成，检测的电流信号在比较器中与一固定电压信号进行比较；当电流信号大于固定电压信号时，比较器由高电平变为低电平，通过电流型开关电源的驱动电路将其功率开关关断。在常用的控制方法中，实际被控制的峰值电流并不等于所控制的峰值电流参考值，与峰值电流参考值有一误差值。

现有技术中公开号为CN 101917120A的发明专利中公开了一种用于开关电源的高精度峰值电感电流的控制装置，该装置由峰值电流发生器等组成，峰值电流发生器根据所控制的输出电流产生的峰值电流参考值作为峰值误差校正放大器的一输入端控制信号；峰值电流监测器用于检测实际的电感峰值电流其输出为峰值误差校正放大器的另一输入端信号；峰值误差校正放大器用于校正放大误差；峰值电流控制器是将检测的实际电感电流与峰值误差校正放大器的输出比较以确定产生相应的PWM控制信号；PWM控制信号经MOSFET驱动器功率放大，以控制MOSFET导通和关断。

目前，现有的很多电流型开关电源应用中，其输出电流必须具有恒流功能，现有技术中的方案解决了开关电源的恒流应用问题。地铁屏蔽门电源系统中常用到开关电源的峰值电流，通过峰值电流的持续时间来控制屏蔽门的开或关的时间。通常地铁屏蔽门开门时间一般持续3秒，关门为3.5秒，开/关循环一次的时间约为120秒。地铁屏蔽门开或关的时刻，电流急剧增大。由于开/关门时刻及门全开和关闭状态时需要不同的电流进行控制，需要短时间内进行信号频繁变换，对系统的稳定性、控制精度要求非常高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供一种开关电源峰值电流的控制装置及方法，利用现有技术资源实现复杂的电流控制，通过电容充放电时间控制电源模块固定时间内输出的最大电流及最大电流的持续时间，减少了短时间内信号频繁变换次数。该装置具有结构简单、成本低、响应速度快、控制精度高、系统稳定性高的特点。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种开关电源峰值电流的控制装置，包括：

转换电路单元，通过信号转换，对电流信号进行放大处理；

第一运算处理单元，对转换电路单元的输出信号和第一基准信号进行处理，输出开关量控制信号切换电路的状态；

信号切换电路，控制储能元件的充放电；

第二运算处理单元，对储能元件的输出信号和第二基准信号进行处理；

第三运算处理单元，根据第二运算处理单元的处理结果改变输出峰值电流的给定值，输出电流限定值，实现对设定时间内最大输出电流的控制。

进一步地，所述第一基准信号包括由分压电路输出的偏置电压信号，第二基准信号包括由分压电路输出的偏置电压信号。

进一步地，所述第一运算处理单元包括电压比较器，电压比较器输出开关量控制信号切换电路的状态。

进一步地，所述信号切换电路包括开关元件，其中，开关元件包括开关二极管。

进一步地，所述第二运算处理单元和第三运算处理单元之间通过隔离电路进行连接。

进一步地，所述隔离电路包括电压跟随器。

本发明还公开一种开关电源峰值电流的控制方法，该方法包括如下步骤：

S1：输入信号经转换电路将电流信号进行放大处理；

S2：第一运算处理单元对转换电路单元的输出信号与第一基准信号进行比较，输出开关量控制信号切换电路的状态；

S3：信号切换电路控制储能元件的充放电；

S4：第二运算处理单对储能元件输出和第二基准信号进行比较，输出开关量给第三运算处理单元；

S5：第三运算处理单元改变输出峰值电流的给定值，输出电流限定值，实现对设定时间内最大输出电流的控制。

进一步地，当转换电路单元的输出信号大于第一基准信号时，第一运算处理单元输出低电平，信号切换电路导通，储能元件放电；放电过程结束后，第二运算处理单元对储能元件输出和第二基准信号进行比较，输出电压转换信号，第三运算处理单元改变输出峰值电流给定值，输出电流限定值减小。

进一步地，当转换电路单元的输出信号小于第一基准信号时，第一运算处理单元输出高阻态，信号切换电路截止，储能元件充电；充电过程结束后，第二运算处理单元对储能元件输出和第二基准信号进行比较，输出电压转换信号，第三运算处理单元改变输出峰值电流给定值，输出电流限定值放大到设定点。

进一步地，所述步骤S5中第三运算处理单元包括功率放大器，由PWM控制信号控制功率放大器的导通和关断。

进一步地，所述设定时间由储能元件的充放电时间确定，其中，储能元件的充放电时间根据需求设置。

本发明公开一种开关电源峰值电流的控制装置及方法，通过信号转换电路对输出电流进行放大处理，第一运算处理单元对转换电路单元的输出信号和第一基准信号进行比较，输出开关量控制信号切换电路的状态，从而控制储能元件的充放电，第二运算处理单元对储能元件及第二基准信号比较，输出电压转换信号给第三运算处理单元，第三运算处理单元改变输出峰值电流给定值，输出电流限定值，从而实现对设定时间内最大输出电流的控制。该装置利用现有技术资源实现复杂的电流控制，具有结构简单、成本低、响应速度快、系统稳定性高的特点。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明开关电源峰值电流的控制装置原理框图；

图2为本发明开关电源峰值电流的控制方法的流程图；

图3为本发明开关电源峰值电流的控制装置的输出电流示意图；

图4为本发明开关电源峰值电流的控制装置的以具体实施例硬件结构图；

图5为本发明具体实施例实际输出电流的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的技术原理：本发明通过转换电路单元对输入电流信号进行放大处理，经第一运算处理单元对转换电路单元的输出信号和第一基准信号进行比较，输出开关量控制信号切换电路的状态，从而控制储能元件的充放电，第二运算处理单元对储能元件及第二基准信号比较，输出电压转换信号给第三运算处理单元，第三运算处理单元改变输出峰值电流给定值，然后通过功率放大输出电流限定值，从而实现对设定时间内最大输出电流的控制。

参见图1，为发明开关电源峰值电流的控制装置原理框图。该装置包括

转换电路单元，通过信号转换，对电流信号进行放大处理；

第一运算处理单元，对转换电路单元的输出信号和第一基准信号进行处理，输出开关量控制信号切换电路的状态；

信号切换电路，控制储能元件的充放电；

第二运算处理单元，对储能元件的输出信号和第二基准信号进行处理；

第三运算处理单元，根据第二运算处理单元的处理结果改变输出峰值电流的给定值，输出电流限定值，实现对设定时间内最大输出电流的控制。

在电磁干扰较强的环境和需要传输较远距离的情况下，通常采用标准电流信号进行传输，电流源作为发送电路，它提供的电流信号始终是所希望的电流而与电缆的电阻及接触电阻无关。在模拟量输入输出通道中，电流/电压变换是一个不可缺少的重要部分。控制装置中输入信号为电流信号，需要经过电流/电压变换转换成电压信号才能处理。本技术方案中，采用电流信号作为输入信号，通过转换电路单元将电流信号转换为电压信号输出给后级电路。转换电路可以利用无源器件电阻来实现，加滤波和输出限幅等保护措施；有源变换利用有源器件运算放大器、电阻实现。有源变换可调性强、便于电路调试，所以一般选用有源变换电路实现信号转换，如电流电压转换器等。为了使转换电路的适用更广泛，本技术方案中采用积分电路实现。积分电路由运算放大器与RC组成。对于反相输入的运放来说，同相输入端接地，电路中积分电流不会改变。它与一般简单RC充电电路不同，在电源电压允许的范围内，充电电流完全是恒定的，电容电压的上升不会影响充电电流的数值。该转换单路单元还对电流信号进行放大处理并将转换后的信号输出给第一运算处理单元。

第一运算处理单元对转换电路单元的输出信号与第一基准信号进行比较，第一运算处理单元包括电压比较器，第一基准信号包括分压电路的偏置电压信号，电压比较器的一端连接转换电路单元的输出信号，另一端连接第一基准电压信号，经比较，电压比较器输出开关量，即输出高阻态和低电平信号，高阻态和低电平信号控制信号切换电路状态。

信号切换电路用于控制储能元件的充放电。信号切换电路包括开关元件，通过开关元件处于导通或关断状态控制储能元件放电或充电。信号切换电路包括开关二极管。开关二极管具有开关速度快、体积小、寿命长、可靠性高等特点，广泛应用于电子设备的开关电路、检波电路、高频和脉冲整流电路及自动控制电路中。

储能元件包括电容器，本技术方案中，通过电容充放电时间来控制电源模块在固定时间内输出的最大电流及最大电流持续的时间。其中，电容充放电时间可根据需求进行设置(放电时间是指电源模块输出最大峰值电流的持续时间，充电时间是指电源模块输出最大峰值电流的间隔时间)。

第二运算处理单元用于对储能元件的输出信号和第二基准信号进行处理，输出开关量给第三运算处理单元。第二运算处理单元包括电压比较器，第二基准信号包括分压电路的偏置电压信号，电压比较器的一端连接储能元件，另一端连接第二基准电压信号，经比较后，电压比较器输出高阻态、低电平信号。

根据第二运算处理单元的结果，第三运算处理单元改变输出峰值电流的给定值。第三运算处理单元包括功率放大电路，功率放大器按照输入的电压信号输出电流限定值，从而实现对设定时间内最大输出电流的控制。

此外，为了使第二运算处理单元与第三运算处理单元更好的进行匹配，在第二运算处理单元和第三运算处理单元之间增加一级缓冲、隔离电路。该缓冲、隔离电路提高了带负载能力，同时还减少前后级之间的信号干扰。所述缓冲电路包括电压跟随器，即输出电压与输入电压是相同的，电压放大倍数恒小于且接近1。电压跟随器的显著特点就是，输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态。一般来说，输入阻抗有几兆欧姆，输出阻抗可以到几欧姆，甚至更低。

参见图2，为本发明开关电源峰值电流的控制方法的流程图。该控制方法包括如下步骤：

S1：输入信号经转换电路将电流信号进行放大处理。

本技术方案中采用积分电路对输入信号进行转换，同时该转换电路单元通过运放对输入的小电流信号进行放大处理后输送给后级进行处理。

S2：第一运算处理单元对转换电路单元的输出信号与第一基准信号进行比较，输出开关量控制信号切换电路的状态。

第一运算处理单元对转换电路单元的输出电流与过流点电流进行比较，所述过流点电流是指电压值为第一基准电压时的电流值。当输出电流大于过流点时，第一运算处理单元输出低电平，此时信号切换电路处于导通状态；当输出电流小于过流点时，第一运算处理单元输出高阻态，此时信号切换电路处于截止状态。

S3：信号切换电路控制储能元件的充放电。

信号切换电路处于导通状态时，储能元件开始放电，放电时间可根据需求设置(放电时间是指电源模块输出最大峰值电流的持续时间)；信号切换电路处于截止状态时，储能元件开始充电，充电时间可根据需求设置(充电时间是指电源模块输出最大峰值电流的间隔时间)。储能元件充放电结束后输出信号给第二运算处理单元。

S4：第二运算处理单对储能元件输出和第二基准信号进行比较，输出开关量给第三运算处理单元。

第二运算处理单元对储能元件输出的电压值与第二基准信号进行比较，输出高阻态或低电平信号，比较结果输出给第三运算处理单元。

S5：第三运算处理单元改变输出峰值电流的给定值，输出电流限定值，实现对设定时间内最大输出电流的控制。

根据第二运算处理单元的输出结果及调节管脚电流设定值，第三处理单元改变峰值电流的给定值，通过对输出信号进行功率放大，输出电流限定值。所述功率放大器的导通与关断状态通过PWM控制器进行控制。

其中，在第二运算处理单元和第三运算处理单元之间还增加一级缓冲、隔离电路。该缓冲、隔离电路提高了带负载能力，同时还减少前后级之间的信号干扰。所述缓冲电路包括电压跟随器。

参见图3，为本发明开关电源峰值电流的控制装置的输出电流示意图。其中T0-T1的时间为电路的充电时间，这段时间模块输出电流被限制在一个固定的恒流点，T1-T2这段时间为电路的放电时间，在这段时间模块的输出电流为最大峰值电流输出。电容的充放电时间可根据实际需求设定，通过本发明的技术方案实现了电源模块在固定时间内对最大输出电流持续时间的控制。

下面结合图4开关电源峰值电流的控制装置一具体实施例硬件结构图和图5该实施例实际输出电流的波形图对该技术方案进行详细说明。

如图4所示，开关电源峰值电流的控制装置包括转换电路单元1、第一基准信号2、第一运算处理单元3、信号切换电路4、储能元件5、第二基准信号6、调节管脚给定电流设定值电路7、第二运算处理单元8、隔离电路9、第三运算处理单元10。输入电流经信号转换电路单元1进行电流电压信号转换，并实现对小电流信号的放大处理，第一运算处理单元3对转换电路单元的输出信号与第一基准信号2进行比较，输出开关量控制信号切换电路4的状态，信号切换电路4控制储能元件5的充放电，然后储能元件输出信号经第二运算处理单元8与第二基准信号6进行比较，输出电压转换信号给隔离电路9，根据第二运算就处理单元8的输出结果，隔离电路8输出的信号传输到第三运算处理单元10，根据第二运算处理单元8的输出结果及调节管脚给定电流设定值电路7的电流设定值，改变输出峰值电流给定值，通过功率放大电路输出电流限定值，实现对设定时间内最大输出电流的控制。

其中，信号转换电路单元1采用积分电路进行输入信号转换，通过运算放大电路对输入的小电流信号进行放大处理。信号转换电路单元1输出端经电阻R179连接至第一运算处理单元3的反相输入端。信号转换电路单元的输出电流为IREF，IREF流经电阻R179，经电容C100滤除高频信号输出给第一运算处理单元。

第一基准信号2包括由电阻R176和电阻R184组成的分压电路输出的偏置电压信号，偏置电压信号输出至第一运算处理单元的同相输入端。同相输入端此时的电流为第一基准电流，此时的电流值设为峰值过流点电流。

第一运算处理单元3包括型号为LM2903的电压比较器，电压比较器的同相输入端与第一基准信号2的输出连接，反相输入端与信号转换电路单元1的输出端连接，通过转换电路单元的输出信号与第一基准信号进行比较，输出开关量给信号切换电路4。

信号切换电路4根据第一运算处理单元3的输出结果导通或关断，控制储能元件的放电或充电。信号切换电路4包括开关元件，所述开关元件包括开关二极管D17。本技术方案中采用高速开关双二极管，能够实现更短时间内的开关控制。

储能元件5包括电容C106，根据信号切换电路的工作状态充电或放电。充放电时间根据需求设置。

第二运算处理单元8包括型号为LM2903的电压比较器，电压比较器的同相输入端与储能元件的输出端连接，反向输入端与第二基准信号6的输出连接，比较器输出开关量信号给隔离电路9。第二基准信号6包括由电阻R182和电阻R171组成的分压电路输出的偏置电压信号。第二运算处理单元8输出端与隔离电路9的同相输入端连接。

隔离电路9包括由LM2904放大器组成的电压跟随器。放大器的同相输入端与第二运算处理单元8的输出端连接，输出端信号直接反馈至反相输入端，输出端信号还与第三运算处理单元10的同相输入端连接。

根据第二运算处理单元8的输出结果及调节管脚电流设定值电路7的电流设定值，经隔离电路输出信号到第三运算处理单元10，第三运算处理单元10改变输出峰值电流的给定值，信号经过功率放大后输出电流的限定值。第三运算处理单元10包括由LM2904组成的功率放大器电路，通过PWM控制器控制功率放大器的导通或关断，实现对设定时间内输出最大电流的控制。

具体工作过程如下：输入电流小信号经比例放大电路进行信号转换后输出电流信号为IREF的电流信号给第一运算处理单元，第一运算处理单元对输入的IREF信号与第一基准信号进行比较，当IREF的电流值大于第一基准信号设定的过流点电流时，第一运算处理单元输出低电平信号，此时，开关二极管D17导通，储能元件处于放电状态，如设储能元件的放电时间为3s，3s后，储能元件放电过程结束，第二运算处理单元对储能元件输出的电压值与第二基准信号进行比较，根据比较结果及调节管脚电流设定值电路7的电流设定值，改变第二运算处理单元输出的电压信号，从而改变输出峰值电流的给定值，经电压跟随器电路输出给第三运算处理单元，第三运算处理单元通过PWM控制器控制功率放大器的导通或关断，输出电流的限定值，此时输出的电流限定值减小然后维持在一固定值。如设第二运算处理单元的输出为低电平时，设调节管脚电流设定值电路7的电流设定值为50A，通过电阻R178及电容C107改变输入隔离电路9的电压，从而改变隔离电路输入端的电流给定值，如此时隔离电路9的输入电压为2V，则经第三运算处理单元的电流环电路输出的电流由设定值50A逐渐减小，输出限定值为20A的电流并维持在20A。实际输出的电流波形如图5所示。

输入电流小信号经比例放大电路进行信号转换后输出电流信号为IREF的电流信号给第一运算处理单元，第一运算处理单元对输入的IREF信号与第一基准信号进行比较，当IREF的电流值小于第一基准信号设定的过流点电流时，第一运算处理单元输出高阻态，此时，开关二极管D17截止，储能元件处于充电状态，如设储能元件的充电时间为300s，300s后，储能元件充电过程结束，第二运算处理单元对储能元件输出的电压值与第二基准信号进行比较，根据比较结果及调节管脚电流设定值电路7的电流设定值，改变第二运算处理单元输出的电压信号，从而改变输出峰值电流的给定值，经电压跟随器电路输出给第三运算处理单元，第三运算处理单元通过PWM控制器控制功率放大器的导通或关断，输出电流的限定值，此时输出的电流限定值放大到设定点值。如设第二运算处理单元的输出为输出高阻态，设调节管脚电流设定值电路7的电流给定值为50A，通过电阻R178及电容C107改变输入隔离电路9的电压，从而改变隔离电路输入端的电流给定值，如此时隔离电路9的输入电压为5V，则经第三运算处理单元的电流环电路输出的电流限定值放大到设定点值50A。实际输出的电流波形如图5所示。

由图5中可以看出输出电流从0到最大峰值电流50A，模块持续输出时间3.01s后维持20A的恒流输出，通过对电容的充放电时间的设置，实现对设定时间内最大输出电流持续时间的控制。

本技术方案中电路单元采用低成本的运放电路实现了复杂的电流控制方式，使控制方式大大简化，降低了成本。

有益效果：本发明公开了一种开关电源峰值电流的控制装置及方法，利用现有技术资源实现复杂的电流控制，实现电源模块设定时间内输出的最大电流及最大电流的持续时间。该装置结构简单、成本低、响应速度快，降低了电平信号转换次数，提高了装置的抗干扰能力，系统稳定性、可靠性。

Claims (8)

1.一种开关电源峰值电流的控制装置，其特征在于，包括：

转换电路单元，通过信号转换，对电流信号进行放大处理；

第一运算处理单元，对转换电路单元的输出信号和第一基准信号进行处理，输出开关量控制信号切换电路的状态；

信号切换电路，控制储能元件的充放电；

第二运算处理单元，对储能元件的输出信号和第二基准信号进行处理；

第三运算处理单元，根据第二运算处理单元的处理结果改变输出峰值电流的给定值，输出电流限定值，实现对设定时间内最大输出电流的控制；

当转换电路单元的输出信号大于第一基准信号时，第一运算处理单元输出低电平，信号切换电路导通，储能元件放电；放电过程结束后，第二运算处理单元对储能元件输出和第二基准信号进行比较，输出电压转换信号，第三运算处理单元改变输出峰值电流给定值，输出电流限定值减小；

当转换电路单元的输出信号小于第一基准信号时，第一运算处理单元输出高阻态，信号切换电路截止，储能元件充电；充电过程结束后，第二运算处理单元对储能元件输出和第二基准信号进行比较，输出电压转换信号，第三运算处理单元改变输出峰值电流给定值，输出电流限定值放大到设定点。

2.根据权利要求1所述的开关电源峰值电流的控制装置，其特征在于，所述第一基准信号包括由第一分压电路输出的第一偏置电压信号，第二基准信号包括由第二分压电路输出的第二偏置电压信号。

3.根据权利要求1所述的开关电源峰值电流的控制装置，其特征在于，所述第一运算处理单元包括电压比较器，电压比较器输出开关量控制信号切换电路的状态。

4.根据权利要求1所述的开关电源峰值电流的控制装置，其特征在于，所述信号切换电路包括开关元件，其中，开关元件包括开关二极管。

5.根据权利要求1所述的开关电源峰值电流的控制装置，其特征在于，所述第二运算处理单元和第三运算处理单元之间通过隔离电路进行连接。

6.根据权利要求5所述的开关电源峰值电流的控制装置，其特征在于，所述隔离电路包括电压跟随器。

7.一种开关电源峰值电流的控制方法，该方法包括如下步骤：

S1：输入信号经转换电路单元将电流信号进行放大处理；

S2：第一运算处理单元对转换电路单元的输出信号与第一基准信号进行比较，输出开关量控制信号切换电路的状态；

S3：信号切换电路控制储能元件的充放电；

S4：第二运算处理单元对储能元件输出和第二基准信号进行比较，输出开关量给第三运算处理单元；

S5：第三运算处理单元改变输出峰值电流的给定值，输出电流限定值，实现对设定时间内最大输出电流的控制；

当转换电路单元的输出信号大于第一基准信号时，第一运算处理单元输出低电平，信号切换电路导通，储能元件放电；放电过程结束后，第二运算处理单元对储能元件输出和第二基准信号进行比较，输出电压转换信号，第三运算处理单元改变输出峰值电流给定值，输出电流限定值，电流限定值减小；

当转换电路单元的输出信号小于第一基准信号时，第一运算处理单元输出高阻态，信号切换电路截止，储能元件充电；充电过程结束后，第二运算处理单元对储能元件输出和第二基准信号进行比较，输出电压转换信号，第三运算处理单元改变输出峰值电流给定值，输出电流限定值放大到电流设定值。

8.根据权利要求7所述的开关电源峰值电流的控制方法，其特征在于，所述设定时间由储能元件的充放电时间确定，其中，储能元件的充放电时间根据需求设置。