CN103872883A - 一种反激式电源的限压限流控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反激式电源的限压限流控制装置，包括主功率控制模块；限流模块，用于将主功率控制模块的输出电流值与设定的电流调节值的差值进行放大得到限流调节值，并将限流调节值输出到限压模块；限压模块，用于将设定的电压调节值与限流调节值的差值进行放大得到电压基准值，并将电压基准值输出到PID控制模块；PID控制模块，用于将电压基准值与主功率控制模块的输出电压值的差值进行PI运算后得到驱动电压并输出到主功率控制模块，主功率控制模块根据驱动电压调节输出波形。本发明器件数量少，调试难度低。避免限压限流切换时出现输出电压抖动的情况，可以实现平滑过渡。

Description

一种反激式电源的限压限流控制装置

技术领域

本发明专利属于PWM功率驱动技术领域，具体涉及一种反激式电源的限压限流控制装置。适用于电动汽车车载充电及小功率设备供电。

背景技术

随着电动汽车行业的发展，车载充电机的需求性日益增强，在充电机中，一般需要提供小功率的辅助电源供汽车上的部分电器工作，尤其是供给电池管理系统工作，在这些器件工作的时间内，需要电源能够限压限流工作。由于电动汽车还是新兴领域，充电机中的辅助电源设计技术还不成熟，大多采用充电机主控制器控制辅助电源的方式设计，增加了设计难度与复杂度，并且在主电路电源与辅助电源的隔离问题上需要投入大量精力。反激式电源具设计简单、成本较低的优点，多用于小功率设备供电，一般提供的保护功能主要为过流断电，不具有限压限流功能，因此在特殊应用场合不能满足要求。本发明降低了电动汽车充电领域辅助电源设计的难度，同时为特殊场合小功率供电设备的需求提供了简单、可靠、低成本的设计方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种反激式电源的限压限流控制装置，降低现有车载充电机中辅助电源设计难度，使反激式电源具有限压限流功能，从而可以使反激式电源技术应用在充电机的辅助电源设计中或特殊小功率供电场合。

本发明的目的可通过以下技术方案实现：

一种反激式电源的限压限流控制装置，包括主功率控制模块，还包括：

限流模块，用于将主功率控制模块的输出电流值与设定的电流调节值的差值进行放大得到限流调节值，并将限流调节值输出到限压模块；

限压模块，用于将设定的电压调节值与限流调节值的差值进行放大得到电压基准值，并将电压基准值输出到PID控制模块；

PID控制模块，用于将电压基准值与主功率控制模块的输出电压值的差值进行PI运算后得到驱动电压并输出到主功率控制模块，主功率控制模块根据驱动电压调节输出波形。

如上所述的限流模块包括运算放大器U3、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9，提供电流调节值的基准通过电阻R7与运算放大器U3的反相端连接，运算放大器U3的反相端通过电阻R6与运算放大器U3的输出端连接，运算放大器U3的同相端通过电阻R8与电气地连接，运算放大器U3的同相端还通过电阻R9与检测主功率控制模块的输出电流的电流传感器的输出端连接。

如上所述的限压模块包括运算放大器U2、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5，提供电压调节值的基准通过电阻R5与运算放大器U2的同相端连接，运算放大器U2的同相端还通过电阻R4与电气地连接，运算放大器U3的输出端依次通过二极管D1、电阻R3与运算放大器U2的反相端连接，运算放大器U2的反相端通过电阻R2与运算放大器U2的输出端连接。

如上所述的PID控制模块包括运算放大器U1、电容C1和电阻R1，运算放大器U1的反相端通过电阻R1、电容C1与运算放大器U1的输出端连接，运算放大器U1的反相端还与检测主功率控制模块的输出电压的电压传感器的输出端连接，运算放大器U1的同相端与运算放大器U2的输出端连接。

如上所述的限流模块中输出电流值与设定的电流调节值的差值的放大倍数为51倍，所述的限压模块中设定的电压调节值与限流调节值的差值的放大倍数为2倍，所述的PID控制模块中电阻2K-6.8K，电容33nF-100nF。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.在达到相同效果的同时，本发明使用的器件数量少，技术难度低。在传统方案中，一般使用电压环路和电流环路竞争的工作模式，在同一时刻，只有一个环路工作，因此，至少需要两路放大比较电路、两个特性相近的二极管、两路PID调节环路，而且，由于PID调节电路本身的复杂性和二极管的差异性，在电路调试及器件选择上有更高的要求。

本方案中，采用电压环控制，电流环拟合的方法，整个电路中只有一个PID调节电路，1个用于钳位的二极管，所以相对传统方案，参数的设计及调试较简单，器件选型要求较低（二极管选型不存在差异性），整个电路器件较少。

2.现有技术中，限压限流切换时会出现输出电压抖动的情况，传统设计中采用两路PID调节电路及两个二极管竞争工作，由于器件本身存在的差异以及PCB走线的差别的存在，两路PID及二极管电路势必存在差异，在限压限流切换的瞬间，将会从一个环路参数变化到另一个环路参数，因此，在切换时会使环路输出值出现瞬间突变，从而导致主路的PWM占空比突然改变，即主路的电压输出出现抖动。而本发明中，只有一路PID电路及一个二极管，不存在器件差异化，消除了上述由于器件及PCB布线引起的误差，限压限流功能的切换都是通过同一个PID电路输出，因此，在切换时不存在电压抖动现象。则无上述问题，可以实现平滑过渡。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为图1中限压限流控制模块10的原理示意图；

图3是电流检测信号小于电流调节值时的运行状态图（状态1模式）；

图4是电流检测信号大于电流调节值时的运行状态图（状态2模式）。

图中：10-限压限流控制模块；20-主功率控制模块；11-PID控制模块；12-限压模块；13-限流模块；14-辅助绕组。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

本发明是这样实现的，通过采样主输出电路的电压、电流值，经过电流反馈调节、限流调节和电压基准调节环节输出一模拟值给主功率控制模块的PWM部分，从而调节主开关器件的开关占空比大小，实现对输入电源能量的控制。所述限压限流控制方法涉及的电路包括：

辅助绕组14、PID控制模块11、限压模块12、限流模块13。

如图1所示，辅助绕组14为PID控制模块11、限压模块12、限流模块13提供低压电源，PID控制模块11与主功率控制模块20的PWM模块和电压检测模块连接、并接入限压模块12的输出端，限流模块13与主功率控制模块20的电流检测模块连接并输出到限压模块12输入端，其中箭头表明了数据或电流走向。

辅助绕组是主功率回路中变压器的一个绕组。在本发明中，必须有辅助绕组14来提供电源，因为在限压限流电路控制作用下，整个电源输出值VOUT有可能会变的非常低，比如小于3伏，此时，采用主输出VOUT为限压限流控制模块供电的话，由于电压过低，会导致其工作不正常，而在没有限压限流功能的电源设计方法中，一般不考虑这种情况，这也是本发明区别于常规电路设计的特点之一。

限压限流控制模块10及内部电路原理图如附图所示。

PID控制模块11包括运算放大器U1、电容C1、电阻R1，其中，电容C1、电阻R1串联后分别连接运算放大器U1的反相端与输出端口构成了PI调节器。运算放大器U1可以选择常规运算放大器LM2904D等，电容C1值在33nF-100nF之间，此处选47nF，电阻R1在2K-6.8K之间，此处选5.1K，经过多次试验测试，电容C1与电阻R1的上述匹配，反馈环路能够足够快的进行反映，降低过冲与突发跌落的情况，以下为测试数据：

此PID控制模块11使得主电路（主功率控制模块，即PWM模块）UC3843输出电压能够快速响应，并可以消除累计误差，减小波动，快速准确的控制输出电压，而且，运算放大器U1的同相端端口输入电压不同，则电源主输出电压也不同，这也是限压功能之所以实现的依据，一般电源设计中，此同相端会输入固定电压，而此发明中，此端口输入的电压是可以调节的，并随着系统状态进行自动的变化，后文将详细介绍其运行过程。

如图2所示，限压控制模块12包括运算放大器U2、电阻R2～R5，并按图中所示构成了差分放大电路。运算放大器U2为常规运算放大器LM2904D等，为了快速或较慢的调节限流值，可以改变R2/R3与R4/R5的比例值，在此实例中设定R2、R4为20K，R3、R5为10K，这样此模块将输入差值放大2倍，即有如下公式：

输出值=（电压调节值-限流调节值）×2

限流模块13包括运算放大器U3、二极管D1、电阻R6～R9，并按图中所示构成了差分放大电路。运算放大器U2为常规运算放大器LM2904D等，为了快速或较慢的调节限流值，可以改变R6/R7与R8/R9的比例值，在此实例中设定R6、R8为51K，R7、R9为1K，这样此模块将输入差值放大51倍，则由限压模块12与限流模块13构成的电路把输入电流值放大了102倍（51×2），

即电压基准值=（电流反馈值-电流调节值）×2×51

因此，当主功率控制模块输出电流值增加（到）限流值时，每增大100mA，输出电压则降低10.2V，由此可知，如此高的比例，在输出电压15V以内的电源，足够使其限流值精度达到100mA以内。

其中，二极管D1接在运算放大器U3的输出端是为了抑制运算放大器U3的偏置电压及输出电压的噪声，因为，在电流调节值不变时，随着电流反馈值的变化，运算放大器U3由于器件本身偏置电压及电路噪声的存在，使得运算放大器U3的输出值即接到二极管D1阳极端的值有微小变化，如果没有二极管D1存在，则电阻R3输入值会有变化使得PID模块11的电压基准输入变化，从而导致整个电路的输出电压产生变化，引起系统振荡，因此由二极管D1进行电压钳位，使运算放大器U3的输出值大于二极管压降（一般为0.7V）时才能导通，从而抑制了上述电路振荡状况的发生。

下面说明本发明电路具体工作过程。

可以分为两种工作状态：

状态1模式，主功率控制模块输出电流小于电流调节值（即限定值）：电阻R9电流反馈端的电压小于电阻R7电流调节端的电压值，则运算放大器U3的输出管脚为低电平。即电阻R3限流调节端为低电平，根据前面所述的差分放大原理，运算放大器U2输出一个稳定电压到运算放大器U1的同相端，由于PID模块11被设计成PID调节电路，因此，在运算放大器U1同相端电压基准管脚的电压值固定时，通过运算放大器U1反相端电压反馈管脚的负反馈原理可以实现PID模块11输出相应的电压值对PWM模块进行调节（不同的电压值对应一定的PWM占空比），从而通过PWM模块功能实现主路的功率输出，并实现稳压功能，具体工作示意图如图3所示：

当电路中出现扰动或负载变化等情况下，主路输出电压产生变化，如果输出电压升高，则运算放大器U1反相端电压相应升高，由于运算放大器U1反相端电压反馈管脚与运算放大器U1同相端电压基准管脚之间的电压差减小，所以运算放大器U1的输出值降低，从而使PWM模块输出的占空比减少，降低了输出功率，则主路输出电压跟随降低，而后电压反馈值降低，即运算放大器U1反向输入端电压反馈管脚与电压基准管脚之间的电压差增大，则运算放大器U1的输出值增大，PWM模块输出的占空比增大，增大了输出功率而使主输出电压升高，如此循环，主输出电压将维持在某一个电压值附近进行上下小范围调节，即电源输出电压文波，此时，电源输出达到稳定，并实现了稳压功能。

状态2模式，输出电流超过电流调节值（即限定值）：

当主功率控制模块输出电流增大到限流值时，即电阻R9电流反馈管端电压值略大于电阻R7电流调节端电压，由前述差分放大电路原理可知，运算放大器U3输出管脚电压值升高，即电阻R3限流调节端电压值增大，此时，根据差分放大原理，运算放大器U2输出值降低，从而导致运算放大器U1同相端的电压基准值降低，小于运算放大器U1反相端的电压反馈值，则运算放大器U1输出电压值降低直至整个电路进入状态1模式（即上述“主功率控制模块输出电流值小于限定值”）所述的模式，经过一定数量的调节周期后，主路输出电压值被稳定在一定值范围，并且小于上个状态电压值，由于主路输出电压值减小，则输出电流也减小，从而抑制电流的继续增加，因此可以使输出电流被限制为最大电流值。具体工作原理示意图如图4所示。

下表为采用电子负载恒流模式测试的条件下，测量本装置输出从初始电流切换到最大电流的情况下输出电压的尖峰值。

由以上分析可知，限压限流的控制方法是电压环做为主要控制，电流环进行补偿，通过两种环路的拟合达到限压限流的功能，在输出电流没有达到限定值时，电压环起主要作用，当电流达到限流值时，电流环拟合到电压环，两个环路共同起作用。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种反激式电源的限压限流控制装置，包括主功率控制模块（20），其特征在于，还包括：

限流模块（13），用于将主功率控制模块（20）的输出电流值与设定的电流调节值的差值进行放大得到限流调节值，并将限流调节值输出到限压模块（12）；

限压模块（12），用于将设定的电压调节值与限流调节值的差值进行放大得到电压基准值，并将电压基准值输出到PID控制模块（11）；

PID控制模块（11），用于将电压基准值与主功率控制模块（20）的输出电压值的差值进行PI运算后得到驱动电压并输出到主功率控制模块（20），主功率控制模块（20）根据驱动电压调节输出波形。

2.根据权利要求1所述的一种反激式电源的限压限流控制装置，其特征在于，所述的限流模块（13）包括运算放大器U3、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9，提供电流调节值的基准通过电阻R7与运算放大器U3的反相端连接，运算放大器U3的反相端通过电阻R6与运算放大器U3的输出端连接，运算放大器U3的同相端通过电阻R8与电气地连接，运算放大器U3的同相端还通过电阻R9与检测主功率控制模块（20）的输出电流的电流传感器的输出端连接。

3.根据权利要求2所述的一种反激式电源的限压限流控制装置，其特征在于，所述的限压模块（12）包括运算放大器U2、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5，提供电压调节值的基准通过电阻R5与运算放大器U2的同相端连接，运算放大器U2的同相端还通过电阻R4与电气地连接，运算放大器U3的输出端依次通过二极管D1、电阻R3与运算放大器U2的反相端连接，运算放大器U2的反相端通过电阻R2与运算放大器U2的输出端连接。

4.根据权利要求3所述的一种反激式电源的限压限流控制装置，其特征在于，所述的PID控制模块（11）包括运算放大器U1、电容C1和电阻R1，运算放大器U1的反相端通过电阻R1、电容C1与运算放大器U1的输出端连接，运算放大器U1的反相端还与检测主功率控制模块（20）的输出电压的电压传感器的输出端连接，运算放大器U1的同相端与运算放大器U2的输出端连接。

5.根据权利要求4所述的一种反激式电源的限压限流控制装置，其特征在于，所述的限流模块（13）中输出电流值与设定的电流调节值的差值的放大倍数为51倍，所述的限压模块（12）中设定的电压调节值与限流调节值的差值的放大倍数为2倍，所述的PID控制模块（11）中电阻2K-6.8K，电容33nF-100nF。

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