CN104300773A - 一种简单的自适应假负载电路 - Google Patents

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Abstract

为了解决现有技术中假负载电路存在的不具备自适应特性、器件多、精度低的问题，本发明提出了一种假负载电路，该假负载电路利用了电源中已有的电压检测和补偿电路，在检测单元电路中同时引入了输出电压和反馈补偿器输出电压两个变量，因而只需额外加入四个器件即可实现具有较高自适应度的动态假负载电路。

Description

一种简单的自适应假负载电路
技术领域
本发明涉及一种动态假负载，尤其涉及一种电路结构简单的可自适应工作的假负载。
 
背景技术
开关电源发展至今存在多种控制方式，例如最为常用的PWM（脉冲宽度调制）、PFM（脉冲频率调制）、PAM（脉冲幅度调制）等。每种控制方式都存在着不同的电路实现形式。通常对于开关电源来讲，希望输出的负载可以在空载和额定负载之间任意变化时，电源的输出均能达到较高的稳定度（通常是1%）。然而这样的要求有时往往难以达到。从控制方式上来看，对于PWM控制方式，有些电路为了保持住开关频率恒定，会限制一个最小占空比。这个最小占空比往往会使得空载或轻载时输出电压超过了额定值。类似的情况在PFM控制方式也会出现，为了使空载或轻载时开关频率不至于上升的过高，以免超过开关器件的承受范围，往往会限制一个最高开关频率，同样也会使得空载时的输出电压偏高。从拓扑结构上看，不同的拓扑结构也会有不同的稳定度性能。从拓扑角度分析，常用的降压型拓扑如Buck、正激、推挽以及桥式拓扑，为了保持每路输出的稳定度，每路拓扑的输出电感均应该工作在连续电流模式状态，当负载电流减小到使电感电流进入断续模式时，输出电压也会升高。另外，进入断续状态后，系统的传递函数也会发生变化，使得控制电路的设计变得复杂。因此也需要在电源的输出端加上假负载。
由上面的分析可见，开关电源经常会出现空载或轻载时输出电压偏高的问题。传统的解决方法是在电源的输出端直接并联一个假负载的电阻，但这种方法的问题是，此假负载电阻一直存在，这会使得电源的效率降低。因此需要一种自适应的假负载电路，当电源工作在空载或轻载时，此假负载电路工作，使输出电压维持稳定。当电源负载加大后此假负载自动从输出端断开，这样可以提高额定负载时的效率。专利文献1（中国专利申请号：201120337856.X一种直流电源内部假负载的导通控制电路）中提到了一种采用单片机控制假负载的例子，该方法需要使用单片机进行控制，成本较高，电路复杂。文献2（中国专利申请号：201120079429.6智能型假负载自动切换控制系统）中，采用比较器比较输出电流与基准电流，用以控制三极管开关，自动投切假负载。该方法的缺点是电路复杂，成本高，不适合低端电源。专利文献3（中国专利申请号：201310294567.X 一种结构简单的动态假负载）给出了一种低成本的假负载方法，该方法在精确度较低的场合适用。在精确度较高的场合，该方法需要加入额外的电压检测、比较和控制电路，采用器件仍然较多。另外该方法只是单纯的检测输出电压情况，没有将电源控制环路的信息引入到假负载检测电路中，不能根据电源的工作情况进行假负载电路的切换预判，因此自适应特性不够优化。
 
发明内容              
为了解决现有技术中假负载电路存在的不具备自适应特性、器件多、精度低的问题，本发明提出了一种假负载电路，利用了电源中已有的电压检测和补偿电路，在检测单元电路中同时引入了输出电压和反馈补偿器输出电压两个变量，因而只需额外加入四个器件即可实现具有较高自适应度的动态假负载电路。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种简单的自适应假负载电路，其特征在于：所述假负载电路包括电源自身的电压反馈补偿单元、比较单元、假负载本体和控制开关；所述电源自身的电压反馈补偿单元检测输出电压值Vo，通过所述电源自身的电压反馈补偿单元的运算放大器与基准值作比较和补偿，输出电压信号Vx；在所述电源自身的电压反馈补偿单元和控制开关之间连接比较单元，所述比较单元由稳压管及串联电阻构成；当输出电压值Vo与Vx的差超过控制开关的阈值电压和比较单元上的电压值之和时，则控制开关被驱动导通，假负载本体并联到输出电压上，假负载本体接入工作；若两者的差值低于阈值电压和比较单元上的电压值之和时，控制开关截止，假负载本体断开。
其中，所述假负载本体是能量消耗器件，采用电阻、恒流源或恒功率源。所述控制开关单元是产生导通和截止两种状态的器件，所述控制开关采用三极管、场效应管等电子开关或机械开关。所述电源自身的电压反馈补偿单元由运算放大器、电压基准电路组成，或者由稳压管、电阻电容补偿网络组成，或者由集成度更高的自带稳压基准的集成芯片、电阻电容补偿网络组成。
进一步地，所述电源自身的电压反馈补偿单元包括运算放大器、电压基准，假负载本体采用电阻R4，控制开关采用PNP三极管Q1，比较电路采用稳压二极管V1和电阻R1；运算放大器比较基准电压和输出电压Vo，得到运算放大器的输出电压Vx；稳压二极管V1的阴极通过电阻R1与Q1的基极相连，阳极与运算放大器的输出相连；假负载电阻R4一端接地，另一端与Q1的发射极相连；Q1的集电极与输出电压Vo相连。
进一步地，所述电源自身的电压反馈补偿单元包括运算放大器、电压基准，假负载本体采用电阻R4，控制开关采用N沟道MOSFET管，比较电路采用稳压二极管V1和电阻R1；运算放大器比较基准电压和输出电压Vo，得到运算放大器的输出电压Vx；稳压二极管V1的阴极通过电阻R1与N沟道MOSFET管的栅极相连，阳极与运算放大器的输出相连；假负载电阻R4一端接地，另一端与N沟道MOSFET管的漏极相连；N沟道MOSFET管的源极与输出电压Vo相连。
进一步地，所述电源自身的电压反馈补偿单元包括运算放大器、电压基准，假负载本体采用电阻R4，控制开关采用NPN三极管Q1和PNP三极管Q2，比较电路采用稳压二极管V1和电阻R1；运算放大器比较基准电压和输出电压Vo，得到运算放大器的输出电压Vx；稳压二极管V1的阴极通过电阻R1与输出电压Vo相连，阳极与Q2的集电极相连；Q2的基极与运算放大器的输出相连，Q2的发射极与Q1的基极相连，Q1的集电极接地；假负载电阻R4一端与输出电压Vo相连，另一端与Q1的发射极相连。
本发明的有益效果是：本发明解决现有技术中假负载电路存在的不具备自适应特性、器件多、精度低的问题。本发明的假负载电路，利用了电源中已有的电压检测和补偿电路，在检测单元电路中同时引入了输出电压和反馈补偿器输出电压两个变量，因而只需额外加入四个器件即可实现具有较高自适应度的动态假负载电路。
 
附图说明
图1是本发明的自适应假负载电路的结构框图；
图2是本发明的自适应假负载电路的第一实施方式的电路图；
图3是本发明的自适应假负载电路的第二实施方式的电路图；
图4是本发明的自适应假负载电路的第三实施方式的电路图；。
  
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
如附图1，本发明的自适应假负载电路包括电源自身的电压反馈补偿单元、比较单元、假负载本体和控制开关。
电源自身的电压反馈补偿单元检测输出电压值，通过运算放大器与基准值作比较和补偿，输出一个电压信号。此电压信号可以反映输出电压的变化情况，通常用来和载波信号做比较，产生控制电源输出稳定的PWM信号。在本发明中，利用此运放产生的电压信号，与输出电压进行比较。在它们之间存在比较单元，若两者的差值超过阈值电压，则控制开关被驱动导通，假负载本体并联到输出电压上，假负载本体接入工作；若两者的差值低于阈值电压，控制开关截止，假负载本体断开。
电源自身的电压反馈补偿单元可以是由运放、电压基准或稳压管、电阻电容补偿网络组成的，也可由集成度更高的自带稳压基准的集成芯片（例如TL431芯片）、电阻电容补偿网络组成。
比较单元由稳压管及串联电阻构成。
假负载本体是能量消耗器件，可采用电阻、恒流源或恒功率源。
控制开关单元可产生导通和截止两种状态的器件，所述的控制开关采用三极管、场效应管等电子开关或机械开关。
实现本发明目的的具体技术方案是：
如图2所示，运放IC1对电源自身的输出电压做比较和反馈补偿，其输出电压Vx反映了电源输出电压的情况，当输出负载增大，输出电压有下降的趋势时，Vx电压升高，电源闭环反馈电路会增大PWM占空比，使输出电压提高，维持输出电压恒定。当负载减小，输出电压有升高的趋势时，Vx电压降低，电源闭环反馈电路会减小PWM占空比，使输出电压降低，维持输出电压恒定。本发明将此Vx信号和输出电压信号Vo共同应用在假负载的比较单元中，以获得更好的自适应特性。比较电路由三极管Q、电阻R4和稳压管V1构成，当电源的负载很轻时，输出电压Vo会升高，同时Vx会降低，当两者的差值Vo-Vx>VV1+Vbe时，触发三极管Q导通，此时假负载R4接入到电源的输出端，假负载发挥作用。当电源的负载较重时，输出电压Vo会降低，同时Vx会升高，当两者的差值Vo-Vx<VV1+Vbe时，触发三极管Q关断，此时假负载R4与电源的输出端断开，假负载失去作用。从以上分析可知，此假负载电路同时感知Vo和Vx两个信号，将Vo-Vx值与阈值VV1+Vbe做比较，相比只检测Vo的方式，具有更好的自适应响应速度。
通常，在运算放大器的连接输出电压Vo的输入端和输出端之间连接一个运放负反馈电路，如附图2中的Z1，通常由电阻和电容组成，其作用是调节电源闭环控制的特性（增益和相位裕度）。
通常，采用串联的电阻对输出电压Vo进行分压后取分压电压值与基准电压进行比较。加入R2和R3的话，方便调节输出电压的范围。误差放大器闭环的效果是使得输入(+)和输入(-)相等，如果没有R2和R3，那么电源的输出电压Vo闭环后与输入（+）的基准电压相等，但是，这个基准电压通常幅值较小，因此Vo也无法调大。如果有了R2和R3，通过调节这两个阻值可以灵活的增大Vo值。
本方法除了图2所示的电路形式外，还可演化为其它电路形式，如可将三极管Q变化为MOSFET，如图3所示。Q1还可以采用NPN三极管或N沟道MOSFET，电路如附图4所示。此时还应该加入开关管Q2，它也可以是PNP三极管或P沟道MOSFET。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种简单的自适应假负载电路，其特征在于：所述假负载电路包括电源自身的电压反馈补偿单元、比较单元、假负载本体和控制开关；所述电源自身的电压反馈补偿单元检测输出电压值Vo，通过所述电源自身的电压反馈补偿单元的运算放大器与基准值作比较和补偿，输出电压信号Vx；在所述电源自身的电压反馈补偿单元和控制开关之间连接比较单元，所述比较单元由稳压管及串联电阻构成；当输出电压值Vo与Vx的差超过控制开关的阈值电压和比较单元上的电压值之和时，则控制开关被驱动导通，假负载本体并联到输出电压上，假负载本体接入工作；若两者的差值低于阈值电压和比较单元上的电压值之和时，控制开关截止，假负载本体断开。
2.根据权利要求1所述的自适应假负载电路，其特征在于：所述假负载本体是能量消耗器件，采用电阻、恒流源或恒功率源。
3.根据权利要求1所述的自适应假负载电路，其特征在于：所述控制开关单元是产生导通和截止两种状态的器件，所述控制开关采用三极管、场效应管等电子开关或机械开关。
4.根据权利要求1所述的自适应假负载电路，其特征在于：所述电源自身的电压反馈补偿单元由运算放大器、电压基准电路组成，或者由稳压管、电阻电容补偿网络组成，或者由集成度更高的自带稳压基准的集成芯片、电阻电容补偿网络组成。
5.根据权利要求1所述的自适应假负载电路，其特征在于：所述电源自身的电压反馈补偿单元包括运算放大器、电压基准，假负载本体采用电阻R4，控制开关采用PNP三极管Q1，比较电路采用稳压二极管V1和电阻R1；运算放大器比较基准电压和输出电压Vo，得到运算放大器的输出电压Vx；稳压二极管V1的阴极通过电阻R1与Q1的基极相连，阳极与运算放大器的输出相连；假负载电阻R4一端接地，另一端与Q1的发射极相连；Q1的集电极与输出电压Vo相连。
6.根据权利要求1所述的自适应假负载电路，其特征在于：所述电源自身的电压反馈补偿单元包括运算放大器、电压基准，假负载本体采用电阻R4，控制开关采用N沟道MOSFET管，比较电路采用稳压二极管V1和电阻R1；运算放大器比较基准电压和输出电压Vo，得到运算放大器的输出电压Vx；稳压二极管V1的阴极通过电阻R1与N沟道MOSFET管的栅极相连，阳极与运算放大器的输出相连；假负载电阻R4一端接地，另一端与N沟道MOSFET管的漏极相连；N沟道MOSFET管的源极与输出电压Vo相连。
7.根据权利要求1所述的自适应假负载电路，其特征在于：所述电源自身的电压反馈补偿单元包括运算放大器、电压基准，假负载本体采用电阻R4，控制开关采用NPN三极管Q1和PNP三极管Q2，比较电路采用稳压二极管V1和电阻R1；运算放大器比较基准电压和输出电压Vo，得到运算放大器的输出电压Vx；稳压二极管V1的阴极通过电阻R1与输出电压Vo相连，阳极与Q2的集电极相连；Q2的基极与运算放大器的输出相连，Q2的发射极与Q1的基极相连，Q1的集电极接地；假负载电阻R4一端与输出电压Vo相连，另一端与Q1的发射极相连。
8.根据权利要求7所述的自适应假负载电路，其特征在于：所述PNP三极管Q2替换为P沟道MOSFET管。
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