CN103715884B - 基于pwm调制的恒流恒压变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力电子变换技术领域，具体涉及一种基于PWM调制的恒流恒压变换器。它包括供电模块、脉宽调制控制芯片U1、辅助电路、开关管、储能电容C6和采样电阻，所述供电模块连接脉宽调制控制芯片U1输入端、辅助电路和采样电阻，所述辅助电路输出端连接脉宽调制控制芯片U1另一输入端，所述脉宽调制控制芯片U1控制端连接开关管，所述开关管另一端连接储能电容C6，所述储能电容C6与采样电阻并联，所述脉宽调制控制芯片U1同相输入端连接采样电阻。本发明变换器设计简单实效，恒流恒压转换过程简单，不含高损耗器件，效率较高，同时具有开路与短路自我保护机制，在开路或短路故障情况下，可自我调制，可靠性较高。

Description

基于PWM调制的恒流恒压变换器
技术领域
本发明属于电力电子变换技术领域，具体涉及一种基于PWM调制的恒流恒压变换器。
背景技术
现有技术中，将恒定电流转换成恒定电压一般采用串联稳压管的方式，该方式输出效率低，额定输出电压越大，对稳压管的要求越高，并且过于依赖稳压管的稳压作用，可靠性较低。特别是在恒流传输线路中，额定输出电压一定，传输电流越大，对稳压管额定功率的要求越高，一旦稳压管损坏，可能造成整个传输线路的故障，因此，在恒流电路中，例如基于恒流供电方式的海底观测网络的供电系统中，不具有较高的应用价值。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种结构简单、效率高、可靠性高的基于PWM调制的恒流恒压变换器。
本发明采用的技术方案是：一种基于PWM调制的恒流恒压变换器，包括供电模块、可通过采样输出电压控制开关管通断以维持输出电压稳定的脉宽调制控制芯片U1、可确保控制芯片正常工作的辅助电路、开关管、储能电容C6和采样电阻，所述供电模块连接脉宽调制控制芯片U1输入端、辅助电路和采样电阻，所述辅助电路输出端连接脉宽调制控制芯片U1另一输入端，所述脉宽调制控制芯片U1控制端连接开关管，所述开关管另一端连接储能电容C6，所述储能电容C6与采样电阻并联，所述脉宽调制控制芯片U1同相输入端连接采样电阻。
进一步地，所述开关管包括第一开关管M1和第二开关管M2，所述第一开关管M1和第二开关管M2均为NPN型MOS管，所述第一开关管M1和第二开关管M2的栅极分别连接脉宽调制控制芯片U1的两个控制端、源极均接模拟地、漏极均连接储能电容C6一端，所述储能电容C6另一端接模拟地。
进一步地，所述第一开关管M1和第二开关管M2的漏极与储能电容C6一端之间还连接有整流二极管D2。
进一步地，所述采样电阻包括串联的第一采样电阻R14和第二采样电阻R15，所述第一采样电阻R14另一端连接储能电容C6一端，所述第二采样电阻R15另一端接模拟地，所述脉宽调制控制芯片U1同相输入端连接至第一采样电阻R14与第二采样电阻R15之间。
更进一步地，所述供电模块包括稳压管D1和电阻R7，所述稳压管D1阳极连接辅助电路、阴极连接脉宽调制控制芯片U1，所述电阻R7一端连接脉宽调制控制芯片U1、另一端连接采样电阻。
本发明的基于PWM调制的恒流恒压变换器，设计简单实效，无需复杂的转换过程，不含高损耗器件，效率较高，可实际应用于恒流供电系统，如基于恒流供电方式的海底观测网络的远程供电系统，为观测设备提供额定电压；同时具有开路与短路自我保护机制，在开路或短路故障情况下，可自我调制，可靠性较高。
附图说明
图1为本发明电路拓扑示例图。
图2为本发明输出电压Vo的特性曲线。
图3为本发明输出效率示意图。
图4为本发明开路与短路输出波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明包括供电模块、可通过采样输出电压控制开关管通断以维持输出电压稳定的脉宽调制控制芯片U1、可确保控制芯片正常工作的辅助电路、开关管、储能电容C6和采样电阻，所述供电模块连接脉宽调制控制芯片U1输入端、辅助电路和采样电阻，所述辅助电路输出端连接脉宽调制控制芯片U1另一输入端，所述脉宽调制控制芯片U1控制端连接开关管，所述开关管另一端连接储能电容C6，所述储能电容C6与采样电阻并联，所述脉宽调制控制芯片U1同相输入端连接采样电阻。
所述开关管包括第一开关管M1和第二开关管M2，所述第一开关管M1和第二开关管M2均为NPN型MOS管，所述第一开关管M1和第二开关管M2的栅极分别连接脉宽调制控制芯片U1的两个控制端、源极均接模拟地、漏极均连接储能电容C6一端，所述储能电容C6另一端接模拟地。第一开关管M1和第二开关管M2的漏极与储能电容C6一端之间还连接有整流二极管D2。第一开关管M1和第二开关管M2的栅极与脉宽调制控制芯片U1的两个控制端之间还分别连接有电阻R9、电阻R10，第一开关管M1和第二开关管M2的栅极还分别经电阻R11、电阻R12接模拟地。
所述采样电阻包括串联的第一采样电阻R14和第二采样电阻R15，所述第一采样电阻R14另一端连接储能电容C6一端，所述第二采样电阻R15另一端接模拟地，所述脉宽调制控制芯片U1同相输入端经电阻R13连接至第一采样电阻R14与第二采样电阻R15之间。所述供电模块包括稳压管D1和电阻R7，所述稳压管D1阳极连接辅助电路、阴极连接脉宽调制控制芯片U1，所述电阻R7一端连接脉宽调制控制芯片U1的供电端、另一端连接采样电阻，电阻R7一端还同时经电阻R8连接至脉宽调制控制芯片U1的图腾式输出供电端。本发明开关管的个数并不限定2个，而是根据控制芯片的控制端个数而定，当控制芯片控制端仅一个时，也可以只有一个开关管。
所述辅助电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5。所述电阻R1、电阻R4串联，一端连接脉宽调制控制芯片U1的参考电压端、另一端接模拟地；所述电阻R5、电容C3串联，电容C3一端连接脉宽调制控制芯片U1的振荡输出端，电阻R5另一端接模拟地；所述电阻R2一端连接至电阻R1和电阻R4之间、另一端连接脉宽调制控制芯片U1内部误差放大器的反向输入端；所述电阻R6、电容C2串联，电容C2另一端连接脉宽调制控制芯片U1内部误差放大器的反向输入端，电阻R6另一端接模拟地；所述电容C1一端连接脉宽调制控制芯片U1的振荡输入端、另一端接模拟地；所述电阻R3一端连接脉宽调制控制芯片U1的另一振荡输入端、另一端接模拟地；电容C4一端连接脉宽调制控制芯片U1的供电端、另一端接模拟地；所述电容C5一端连接脉宽调制控制芯片U1的补偿端、另一端接模拟地。该辅助电路仅是本实施例的其中一种电路结构，更换不同的脉宽调制控制芯片时，辅助电路具体结构也跟随变化。
本发明的变换器将恒流变换为恒压的原理为：
变换器的恒定电流由外部恒流源设备提供，脉宽调制控制芯片U1型号为SG1525AJ，也可以为其它型号的芯片。启动电路后，电流的主要流通路径分为两条，流通路径一：通过第一开关管M1与第二开关管M2流向下一级；流通路径二：通过电容C6和输出端流向下一级。该变换器通过第一采样电阻R14和第二采样电阻R15，将采样电压Vf反馈到脉宽调制控制芯片U1，同脉宽调制控制芯片U1内部提供的基准电压比较，根据比较结果调节输出PWM脉冲的占空比D，从而控制第一开关管M1与第二开关管M2的导通与关断，以调节第一开关管M1与第二开关管M2在每周期内导通的总时间ton。
当第一开关管M1与第二开关管M2关断时，电流的流通路径为流通路径二，恒定电流I1一方面为电容C6充电，另一方面为输出端提供输出电流Io；当第一开关管M1与第二开关管M2导通时，电流的流通路径为流通路径一，恒定电流I1通过第一开关管M1与第二开关管M2流出，电容C6放电，维持输出电压稳定。两条流通路径交替流通，共同保持电路流入与流出电流不变，即I1=I2。由于流入电流I1恒定不变，则流出电流I2恒定不变。通过PWM调制，电路保持输出端的输出电压Vo不变，若负载功率变化，电压Vo仍保持不变，输出电流Io产生相应变化。电路通过电阻R7和稳压管D1控制电路提供额定电压。由于控制电路额定功率较小，因此控制电路的消耗功率相对于输出功率也较小。整个变换器电路无需其它恒压源提供电压，在完成恒流/恒压转换过程中，无高损耗器件，转换效率较高。
其自动稳压原理可简述为V1↑→Vf↑→D↑→ton↑→V1↓。
PWM调制稳压的具体过程为：脉宽调制控制芯片U1提供基准电压，输出电压Vo相对较大，采样电压Vf是利用两个电阻串联对其进行分压所得。基准电压连接控制芯片反相输入端，采样电压连接控制芯片同相输入端。当采样电压与基准电压相等时，控制芯片的输出波形稳定。当输出电压变化，采样电压相应变化，采样电压与基准电压出现压差，控制芯片进行PWM波形调制，控制开关管通断，影响储能电容的充放电时间，从而改变输出电压Vo回到额定值。
如图2-4所示，为本发明的一种实施例，试验输入恒定电流为1.5A。该型恒流恒压变换器的设定输出电压为173V。图2是基于PWM调制的恒流恒压变换器输出电压伏安特性曲线，在有效范围内，当负载发生变化时，输出电流随之变化，输出电压基本保持不变，说明该变换器实现了从恒流电路中提取恒定电压。图3是基于PWM调制的恒流恒压变换器效率示意图。该变换器效率较高，当输出电流占输入电流的70%以上时，变换器输出效率高于90%。图4是基于PWM调制的恒流恒压变换器开路与短路输出波形。当电路处于开路状态时，输出电压为173V，功率主要消耗在控制芯片上，每个开关管的PWM控制波形的占空比D约为50%，整个设备处于稳定与安全状态；当电路处于短路状态时，开关管的PWM控制波形的占空比D为0，变换器输出电压为0，整个设备仍处于稳定与安全状态。因此该型闭环控制开关电路具有开路和断路自我保护功能，具有较高的可靠性。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种基于PWM调制的恒流恒压变换器，其特征在于：包括供电模块、通过采样输出电压控制开关管通断以维持输出电压稳定的脉宽调制控制芯片U1、确保控制芯片正常工作的辅助电路、开关管、储能电容C6和采样电阻，所述供电模块连接脉宽调制控制芯片U1输入端、辅助电路和采样电阻，所述辅助电路输出端连接脉宽调制控制芯片U1另一输入端，所述脉宽调制控制芯片U1控制端连接开关管，所述开关管另一端连接储能电容C6，所述储能电容C6与采样电阻并联，所述脉宽调制控制芯片U1同相输入端连接采样电阻；所述开关管包括第一开关管M1和第二开关管M2，所述第一开关管M1和第二开关管M2均为NPN型MOS管，所述第一开关管M1和第二开关管M2的栅极分别连接脉宽调制控制芯片U1的两个控制端、源极均接模拟地、漏极均连接储能电容C6一端，所述储能电容C6另一端接模拟地。
2.根据权利要求1所述的基于PWM调制的恒流恒压变换器，其特征在于：所述第一开关管M1和第二开关管M2的漏极与储能电容C6一端之间还连接有整流二极管D2。
3.根据权利要求1所述的基于PWM调制的恒流恒压变换器，其特征在于：所述采样电阻包括串联的第一采样电阻R14和第二采样电阻R15，所述第一采样电阻R14另一端连接储能电容C6一端，所述第二采样电阻R15另一端接模拟地，所述脉宽调制控制芯片U1同相输入端连接至第一采样电阻R14与第二采样电阻R15之间。
4.根据权利要求1所述的基于PWM调制的恒流恒压变换器，其特征在于：所述供电模块包括稳压管D1和电阻R7，所述稳压管D1阳极连接辅助电路、阴极连接脉宽调制控制芯片U1，所述电阻R7一端连接脉宽调制控制芯片U1、另一端连接采样电阻。
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