CN103296894A - 一种可控恒流输出电路 - Google Patents

Abstract

一种可控恒流输出电路，包括一端与整流滤波单元（100）连接，另一端与直流输出端（400）连接并用于输出恒定电流值的开关变换器（200）以及给所述开关变换器（200）提供PWM脉冲信号的控制单元（300），所述开关变换器（200）包括接收来自所述控制单元（300）PWM脉冲信号的开关管，所述控制单元（300）包括两个电流源I1和I2，在需要调节输出恒定电流大小时，通过外部控制信号改变所述电流源I1和I2的比值，控制所述开关变换器（200）中开关管的导通与关断时间，调整所述开关变换器（200）输出电流占空比，使所述开关变换器（200）输出在不同的恒定电流值上。本发明提供的可控恒流输出电路可以输出不同的恒定电流值，并且电路成本低廉，结构简单。

Description

一种可控恒流输出电路

技术领域

本发明涉及电源技术，更具体地说，涉及一种可控恒流输出电路。

背景技术

恒流输出电路具有体积小，效率高等特点，因此被广泛应用，目前调节恒定输出电流值大小的电路较为复杂，而且只能粗略调节，例如，LED作为新型光源，它有着节能、环保、高效的特点，正被各个领域广泛使用，随之也出现了各种各样的对LED进行调光的电路，而LED的光能量与其流过的电流大小成正比，传统的LED调光是通过改变每一周期输入的能量来调整输出电流的大小，电路较为复杂，而且只能实现粗略调光，给使用者带来了很大不便。

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控制电路复杂、不能实现准确调节恒定输出电流大小的缺陷，提供一种高效、简单的可控恒流输出电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种可控恒流输出电路，包括整流滤波单元、一端与所述整流滤波单元连接，另一端与直流输出端连接并输出恒定电流值的开关变换器以及给所述开关变换器提供PWM脉冲信号的控制单元，所述开关变换器包括接收来自所述控制单元PWM脉冲信号的开关管，所述控制单元包括两个电流源I1和I2，在需要调节输出恒定电流值的大小时，通过外部控制信号改变所述电流源I1和I2的比值，控制所述开关变换器中开关管的导通与关断时间，调整所述开关变换器输出电流占空比，使所述开关变换器输出在不同的恒定电流值上。

在上述可控恒流输出电路中，所述整流滤波单元包括由四个整流二极管构成的全波整流桥和连接在所述全波整流桥与地之间的滤波电容C1。

在上述可控恒流输出电路中，所述开关管为场效应管或三极管。

在上述可控恒流输出电路中，所述开关变换器包括电容C2和C8、电阻R3和R10、二极管D3和D8、场效应管Q1以及变压器T1的初级绕组，其中，电容C2与电阻R3并联之后一端分别与所述整流滤波单元和变压器T1初级绕阻的一端连接，另一端与二极管D3的负极连接，变压器T1初级绕阻的另一端与二极管D3的正极连接，场效应管Q1的漏极连接在二极管D3的正极与变压器T1初级绕阻之间，可变电阻R4的一端与场效应管Q1的源极连接，另一端接地。

在上述可控恒流输出电路中，所述开关变换器还包括二极管D8、电容C8、电阻R10以及变压器T1的次级绕组，所述变压器T1的次级绕阻一端接二极管D8的正极，另一端与所述直流输出端的阴极连接，二极管D8的负极与所述直流输出端的阳极连接，电容C8与电阻R10并联之后一端连接在二极管D8负极与所述直流输出端的阳极之间，另一端接在变压器T1次级绕阻和所述直流输出端的阴极之间。

在上述可控恒流输出电路中，所述控制单元包括开关S1、开关S2以及电压比较器，其中，所述电流源I1的一端接入电源，另一端与开关S1的一端连接，开关S1的另一端与开关S2的一端连接，开关S2的另一端与所述电流源I2的一端连接，所述电流源I2的另一端接地，电压比较器的同相输入端接参考电压Vref，电压比较器的反相输入端接开关S1与开关S2之间的电压Vx，电压比较器的输出端分别与所述场效应管Q1的栅极和源极连接。

在上述可控恒流输出电路中，所述控制单元还包括电容C，电容C的一端连接在开关S1和开关S2之间，电容C的另一端接地。

实施本发明的可控恒流输出电路，具有以下有益效果：通过外部控制信号改变控制电路中两个电流源的比值来调整输出电流占空比，使开关变换器工作在不同的恒定电流值，电路简单可靠，成本低，体积小，调节输出电流大小智能可控，并且应用范围广。

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是本发明一种可控恒流输出电路的结构结构图；

图2是本发明一种可控恒流输出电路的电路原理图；

图3是本发明开关变换器中变压器的电流波形图；

图4是本发明控制电路的部分电路原理图；

图5是本发明在控制电路的控制作用下开关变换器中变压器的电流波形图；

图6是本发明一种可控恒流输出电路的一优选实施例的电路原理图；

图7是充电电池的工作曲线图；

图8是本发明一种可控恒流输出电路的另一优选实施例的电路原理图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为本发明可控恒流输出电路的结构示意图，本发明的可控恒流输出电路，包括与市电连接的整流滤波单元100、用于输出恒定电流值的开关变换器200以及用于调节开关变换器200输出电流占空比的控制单元300，其中，开关变换器200的一端分别与整流滤波单元100和控制单元300连接，另一端与直流输出端400连接；

整流滤波单元100，用于将市电交流电进行整流滤波处理后，得到整流电压并提供给开关变换器200；

控制单元300，用于输出PWM脉冲信号，其中，控制单元包括两个电流源I1和I2，开关变换器包括接收来自控制单元PWM脉冲信号的开关管，开关管可以是场效应管或三极管，在需要调节输出恒定电流值大小时，通过外部控制信号改变控制单元中电流源I1和I2的比值，控制开关变换器中开关管的导通与关断时间，调整开关变换器200的输出电流占空比，使开关变换器输出在不同的恒定电流值上。

图2为本发明的一种可控恒流输出电路的电路原理图，其中，整流滤波单元100包括由四个二极管构成的全波整流桥和连接在全波整流桥与地之间的滤波电容C1；开关变换器200为初级端调节（Primary-Side Regulated，PSR）反激拓扑结构，开关变换器200包括电容C2和C8、电阻R3和R10、二极管D3和D8、场效应管Q1以及变压器T1的初级绕组，其中，电容C2与电阻R3并联之后一端分别与整流滤波单元100和变压器T1初级绕阻的一端连接，另一端与二极管D3的负极连接，变压器T1初级绕阻的另一端与二极管D3的正极连接，场效应管Q1的漏极连接在二极管D3的正极与变压器T1初级绕阻之间，可变电阻R4的一端与场效应管Q1的源极连接，另一端接地；开关变换器200还包括二极管D8、电容C8、电阻R10以及变压器T1的次级绕组，变压器T1的次级绕阻一端接二极管D8的正极，另一端与直流输出端400的阴极连接，二极管D8的负极与直流输出端400的阳极连接，电容C8与电阻R10并联之后一端连接在二极管D8负极与直流输出端400的阳极之间，另一端接在变压器T1次级绕阻和直流输出端400的阴极之间。

图3为本发明开关变换器中变压器的电流波形图，令变压器T1的原边电流为Ip，次级电流为Is，变压器T1的初级和次级匝数比为Np:Ns。给定开关变换器中场效应管一个方波脉冲，为了更好的调节输出，电路工作在不连续导通模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM），其中，Ton为场效应管导通时间，Toff为场效应管关断时间，T为场效应管的一个开关周期，Tons为变压器次级整流器件的导通时间，Ipk_p为变压器初级电流的峰值，Ipk_s为变压器次级电流峰值，两者之比为初级和次级匝数比的倒数Ns/Np。其工作原理为：

在场效应管Q1导通期间，变压器初级电流Ip逐渐增大，增大到设定峰值Ipk_p之后，场效应管Q1关断，由于变压器自身特性，在关闭场效应管的同时，在次级产生值为Ipk_s的峰值电流，并开始逐渐下降为0。

由图3不难得出变压器次级平均输出电流Iout的计算公式如下：

$\mathrm{Iout}=\frac{1}{2}*\frac{\mathrm{Tons}}{T}*\mathrm{Ipk}\_s---\left(1\right)$

图4为图2所示控制单元300的部分电路原理图，包括电流源I1、电流源I2、开关S1、开关S2以及电压比较器，其中，电流源I1的一端接入电源，另一端与开关S1的一端连接，开关S1的另一端与开关S2的一端连接，开关S2的另一端与电流源I2的一端连接，电流源I2的另一端接地，电压比较器的同相输入端接参考电压Vref，电压比较器的反相输入端接开关S1与开关S2之间的电压Vx，电压比较器的输出端分别与场效应管Q1的栅极和源极连接，控制电路300还包括电容C，电容C的一端连接在开关S1和开关S2之间，电容C的另一端接地。

开关变换器200用于输出恒定电流值，控制电路300用于输出方波脉冲，调整开关变换器200输出电流占空比，通过利用附图4所示的控制电路，开关变换器200中变压器的工作波形如附图5所示，取一个完整周期的波形来说明其工作原理：

在t1时刻，此时变压器次级电流为0，即放电完毕，通过检测模块输出低电平，控制开关S1导通，开关S2截止，此时触发控制电路中电流源I1对电容C充电，使得开关S1与S2之间的电压Vx开始以斜率I1/C上升；

在t2时刻，当开关S1与S2之间的电压Vx值上升至大于一个给定的参考电压Vref时，在电压比较器输出端输出高电平，使得场效应管处于导通状态，变压器初级电流Ip从零开始增大；

在t3时刻，当变压器初级电流增大到所设定的峰值Ipk_p，通过检测模块输出高电平，控制开关S1截止，开关S2导通，此时触发控制电路中电容C对电流源I2放电，停止电流源I1对电容C的充电，使得开关S1与S2之间的电压Vx则开始以斜率I2/C下降，与此同时电压比较器输出端输出低电平，使得场效应管处于关断状态，由于变压器的特性，在场效应管关断的同时变压器次级电流为峰值电流Ipk_s，并逐渐下降；

在t4时刻，当变压器次级电流从Ipk_s减小至零，变压器次级放电完毕，重复开始t1。

以上就是该电路在场效应管一个开关周期期间的工作原理，其中，t1至t4时刻为场效应管的一个开关周期T，t3至t4时刻为变压器次级电路整流器件的导通时间Tons，在一个稳定的周期T中，开关S1与S2之间的电压Vx上升和下降的值是相等的，均设为V1，则满足T-Tons=V1*C/I1，Tons=V1*C/I2，因此可以得出如下式子：

$\frac{\mathrm{Tons}}{T}=\frac{I1}{I1+I2}---\left(2\right)$

其中，

Tons/T为开关变换器输出电流占空比，Vout为开关变换器输出电压，L为变压器原边电感值，N为变压器初级与次级匝数比。

因此，只要保证电流源I1和I2的比值为一固定常数，那么Tons/T就为一定值，根据式（1）得出电路输出电流为恒定值，即输出电流不会随着输入电压和输出电压的变化而变化，从而实现高精度的恒定电流输出。

在需要调节输出恒定电流值的大小时，如附图6所示，通过外部控制信号调整电流源I1和I2的比值，来改变tons/T的值，即改变输出电流占空比，使开关变换器输出在不同的恒定电流值上。

如附图6所示，是本发明一种可控恒流输出电路的一优选实施例的电路原理图，其中，开关变换器200的输出端直接与LED连接，因LED的光能量与流过电流的大小成正比，在需要对LED进行调光时，通过外部控制信号改变控制电路300中两个电流源I1和I2的比值，即改变了输出电流占空比，对LED来说，就表现出了不同的发光亮度，达到了调光的效果，能实现对LED进行精准调光。

如附图7和附图8所示，是本发明一种可控恒流输出电路的另一优选实施例，其中，开关变换器200的输出端直接与充电电池连接，在给电池充电时，用小电流充电比较安全，但是功率小，需要很长时间才能充满；如果一直用大电流充电，则在电池饱和后就容易对电池造成损坏，如附图7所示，为充电电池的工作曲线图，即电压-电流曲线图，在电池电量低时，电池两端的电压也低，充电电池工作为恒流（constant current,CC）模式，此时一直以恒定电流i₀对电池进行充电，随着电流不断的充入，电池两端的电压上升，当电池充到一定程度后，电压达到V_o，电压保持恒定，此时充电电池进入恒压（constantvoltage,CV）模式。对于不同规格的充电电池，有些电流限制比较小，就需要把i_o调小至i₁，即通过外部控制信号调节控制电路300中两个电流源I1和I2的比值，即改变输出电流占空比，使开关变换器输出在不同的恒定电流值i₁上，即一直以恒定电流i₁对电池进行充电；而有些电流限制比较大，就可以吧i_o调大至i₂，即通过外部控制信号调节控制电路300中两个电流源I1和I2的比值，即改变输出电流占空比，使开关变换器输出在不同的恒定电流值i₂上，一直以恒定电流i₂对电池进行充电，因此根据本发明的可控恒流输出电路可供不同类型的充电电池进行充电，增加了灵活性。

在本发明的一种可控恒流输出电路中，开关变换器为初级端调节（Primary-Side Regulated，PSR）反激拓扑结构，但不限于此拓扑结构，也可以是降压电路、升降压电路等直流变换电路。

在本发明的一种可控恒流输出电路中，不限于调整控制电路中电流源I1和I2比值的具体实现方式和具体数值，只要通过调整其比值改变电路输出电流均可。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种可控恒流输出电路，其特征在于，包括整流滤波单元（100）、一端与所述整流滤波单元（100）连接，另一端连接直流输出端（400）并用于输出恒定电流值的开关变换器（200）以及给所述开关变换器（200）提供PWM脉冲信号的控制单元（300），所述开关变换器（200）包括接收来自所述控制单元（300）PWM脉冲信号的开关管，所述控制单元（300）包括两个电流源I1和I2，在需要调节输出恒定电流值大小时，通过外部控制信号改变所述电流源I1和I2的比值，控制所述开关变换器（200）中开关管的导通与关断时间，调整所述开关变换器（200）输出电流占空比，使所述开关变换器（200）输出在不同的恒定电流值上。

2.根据权利要求1所述的可控恒流输出电路，其特征在于，所述整流滤波单元（100）包括由四个整流二极管构成的全波整流桥和连接在所述全波整流桥与地之间的滤波电容C1。

3.根据权利要求1所述的可控恒流输出电路，其特征在于，所述开关管为场效应管或三极管。

4.根据权利要求1所述的可控恒流输出电路，其特征在于,所述开关变换器（200）包括电容C2和C8、电阻R3和R10、二极管D3和D8、场效应管Q1以及变压器T1的初级绕组，其中，电容C2与电阻R3并联之后一端分别与所述整流滤波单元（100）和变压器T1初级绕阻的一端连接，另一端与二极管D3的负极连接，变压器T1初级绕阻的另一端与二极管D3的正极连接，场效应管Q1的漏极连接在二极管D3的正极与变压器T1初级绕阻之间，可变电阻R4的一端与场效应管Q1的源极连接，另一端接地。

5.根据权利要求4所述的可控恒流输出电路，其特征在于,所述开关变换器（200）还包括二极管D8、电容C8、电阻R10以及变压器T1的次级绕组，所述变压器T1的次级绕阻一端接二极管D8的正极，另一端与所述直流输出端（400）的阴极连接，二极管D8的负极与所述直流输出端（400）的阳极连接，电容C8与电阻R10并联之后一端连接在二极管D8负极与所述直流输出端（400）的阳极之间，另一端接在变压器T1次级绕阻和所述直流输出端（400）的阴极之间。

6.根据权利要求1-5中任何一项所述的可控恒流输出电路，其特征在于，所述控制单元（300）包括开关S1、开关S2以及电压比较器，其中，所述电流源I1的一端接入电源，另一端与开关S1的一端连接，开关S1的另一端与开关S2的一端连接，开关S2的另一端与所述电流源I2的一端连接，所述电流源I2的另一端接地，电压比较器的同相输入端接参考电压Vref，电压比较器的反相输入端接开关S1与开关S2之间的电压Vx，电压比较器的输出端分别与所述场效应管Q1的栅极和源极连接。

7.根据权利要求6所述的可控恒流输出电路，其特征在于，所述控制单元（300）还包括电容C，电容C的一端连接在开关S1和开关S2之间，电容C的另一端接地。

Images