CN104777864B - 电源及其输出负载调整率补偿电路和电压调整方法 - Google Patents

电源及其输出负载调整率补偿电路和电压调整方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了电源及其输出负载调整率补偿电路和电压调整方法,所述电流采样模块获取电源电路的输出电流,通过放大模块放大后发送给MCU控制模块;所述MCU控制模块根据电源的输出阻抗和采样电流计算相应的补偿电压,将补偿电压与电源电路的基准电压叠加,使电源的输出电压稳定,使电源输出电压为其标称电压,从而有效的改善电源的负载调整率。

Description

电源及其输出负载调整率补偿电路和电压调整方法
技术领域
本发明涉及电源技术,特别涉及一种电源及其输出负载调整率补偿电路和电压调整方法。
背景技术
负载调整率 (LOAD REGULATION)是指电源负载的变化会引起电源输出的变化,表现为:负载增加时,输出降低;相反负载减少时,则输出升高。负载调整率是衡量电源好坏的指标。好的电源负载变化引起的输出变化较小,通常指标为3%-5%。负载调整率=(空载时输出电压-满载时输出电压)/(额定负载时输出电压)*100%,这是稳压电源的一项重要指标,体现当负载电流变化时稳压电源的输出电压相应的变化情况,通常以输出电流从0变化到额定最大电流时,输出电压的变化量和输出电压的百分比值来表示。例如某5V直流稳压电源的输出电流从0增加到最大电流1A,它的输出电压从5.00V降到了4.50V,降落值0.5V除以标称输出电压5V,得到10%,这就是该电源的负载调整率。
目前,大部分电源没有补偿设计,如标称48V输出电压的电源,在其共模电感和PCB走线的阻抗分去一部分电压后,其输出电压已低于48V,导致其负载调整率大。
因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处,本发明的目的在于提供电源及其输出负载调整率补偿电路和电压调整方法,可对电源输出电压进行采样,并根据采样值补偿电压使电源输出电压为其标称电压。
为了达到上述目的,本发明采取了以下技术方案:
一种电源的输出负载调整率补偿电路,用于使电源电路的输出电压稳定,包括:电流采样模块、放大模块、MCU控制模块;
所述电流采样模块获取电源电路的输出电流,通过放大模块放大后输出给MCU控制模块;所述MCU控制模块根据电源的输出阻抗和采样电流计算相应的补偿电压,将补偿电压与电源电路的基准电压叠加,使电源的输出电压稳定。
所述的电源的输出负载调整率补偿电路中,所述补偿电压以下公式获得:
Vc= IR
其中,Vc为补偿电压,I为电流采样模块获取的采样电流,R是电源电路的输出阻抗,其包括PCB走线阻抗、电流采样模块的阻抗、电源电路中输出共模电感的阻抗。
所述的电源的输出负载调整率补偿电路中,所述MCU控制模块包括:补偿电压计算单元和控制环路单元;所述补偿电压计算单元根据PCB走线的阻抗、电流采样模块的阻抗、电源电路中输出共模电感的阻抗计算电源电路的输出回路的阻抗,结合电流采样模块输出的采样电流计算相应的补偿电压,并根据补偿电压输出相应的控制信号,使电源电路产生所述补偿电压,并将其与基准电压叠加输出给控制环路单元,由控制环路单元稳定输出电压并输出。
所述的电源的输出负载调整率补偿电路中,所述电流采样模块包括第一电阻和第二电阻,所述第一电阻的一端和第二电阻的一端均连接放大模块的第一输入端,第一电阻的另一端和第二电阻的另一端均连接电源电路的共模电感的第3端、放大模块的第二输入端和地。
所述的电源的输出负载调整率补偿电路中,所述放大模块包括:运算放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻,所述第三电阻的一端为放大模块的第一输入端、连接第一电阻的一端和第二电阻的一端,第三电阻的另一端连接运算放大器的反相输入端、还通过第五电阻连接运算放大器的输出端,第四电阻的一端为放大模块的第二输入端、连接第一电阻的另一端和第二电阻的另一端和共模电感的第3端,第四电阻的另一端连接运算放大器的正相输入端、还通过第六电阻接地,所述运算放大器的输出端通过第七电阻连接MCU控制模块。
所述的电源的输出负载调整率补偿电路中,所述放大模块还包括第一电容,所述第一电容的一端连接MCU控制模块、还通过第七电阻连接运算放大器的输出端,第一电容的另一端接地。
所述的电源的输出负载调整率补偿电路中,所述放大模块还包括肖特基二极管,所述肖特基二极管的第1端接地,肖特基二极管的第2端连接3.3V供电端,肖特基二极管的第3端连接MCU控制模块和第一电容的一端、还通过第七电阻连接运算放大器的输出端。
所述的电源的输出负载调整率补偿电路中,所述MCU控制模块包括DSP处理器、第八电阻、第九电阻、第二电容、第三电容、驱动芯片、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第一变压器和第二变压器;
放大模块输出的信号从DSP处理器的RA2/AN2端输入DSP处理器中,通过DSP处理器计算所需的补偿电压后,输出相应占空比的PWM信号,由DSP处理器的RA3/PWM1L端和RB14/PWM2L端输入驱动芯片中,使驱动芯片的OUTB端输出相应的驱动电流,控制第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管的导通时间,增加第二变压器的初级绕组上流过的电流,该电流经第二变压器耦合产生相应的补偿电压,并叠加至基准电压上使输出电压稳定。
一种如上所述电源的输出负载调整率补偿电路的电压调整方法,其包括如下步骤:
由电流采样模块获取电源电路的输出电流,通过放大模块放大后发送给MCU控制模块;
所述MCU控制模块根据电源的输出阻抗和采样电流计算相应的补偿电压,并将补偿电压与电源电路的基准电压叠加,使电源的输出电压稳定。
一种具有负载补偿功能的电源,包括电源电路和如上所述的电源的输出负载调整率补偿电路,所述电源电路连接电源的输出负载调整率补偿电路。
相较于现有技术,本发明提供的电源及其输出负载调整率补偿电路和电压调整方法,所述电流采样模块获取电源电路的输出电流,通过放大模块放大后发送给MCU控制模块;所述MCU控制模块根据电源的输出阻抗和采样电流计算相应的补偿电压,将补偿电压与电源电路的基准电压叠加,使电源的输出电压稳定,使电源输出电压为其标称电压,从而有效的改善电源的负载调整率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的电源的输出负载调整率补偿电路的电路图。
图2为本发明实施例提供的电源的输出负载调整率补偿电路的电压调整方法的流程图。
图3为本发明实施例提供的电源的输出负载调整率补偿电路的电压调整方法中步骤S20的具体流程图。
具体实施方式
本发明提供一种电源及其输出负载调整率补偿电路和电压调整方法,为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
请参阅图1,本发明提供一种电源的输出负载调整率补偿电路包括:电流采样模块10、放大模块20和MCU控制模块30,所述电源电路、电流采样模块10、放大模块20、MCU控制模块30依次连接形成回路。
本实施例由电流采样模块10获取电源电路的输出电流并将输出电流转换为采样电压,由放大模块20放大电流采样模块10的采样值输出给MCU控制模块,所述MCU控制模块根据电源的输出阻抗和采样电流计算相应的补偿电压,将补偿电压与电源电路的基准电压叠加,使电源的输出电压稳定,从而使电源输出电压为其标称电压,从而有效的改善电源的负载调整率。
其中,所述补偿电压以下公式获得:
Vc= IR
其中,Vc为补偿电压,I为电流采样模块获取的采样电流,R是电源电路的输出阻抗,其包括电源输出回路的阻抗、即PCB走线阻抗,电流采样模块的阻抗,电源电路中输出共模电感的阻抗,也电源电路的输出阻抗为三者的阻抗之和。
具体地,所述MCU控制模块包括:所述MCU控制模块包括:补偿电压计算单元和控制环路单元;所述补偿电压计算单元根据PCB走线的阻抗、电流采样模块的阻抗、电源电路中输出共模电感的阻抗计算电源电路的输出回路的阻抗,结合电流采样模块输出的采样电流计算相应的补偿电压,并根据补偿电压输出相应的控制信号,使电源电路产生所述补偿电压,并将其与基准电压叠加输出给控制环路单元,由控制环路单元稳定输出电压并输出。
所述电流采样模块10包括第一电阻R1和第二电阻R2,所述第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端均连接放大模块20的第一输入端,第一电阻R1的另一端和第二电阻R2的另一端均连接电源电路的共模电感的第3端、放大模块20的第二输入端和地。
所述第一电阻R1和第二电阻R2主要采样电源电路的共模电感的输出电流,并通过第一电阻R1和第二电阻R2分获得采样电压输入放大模块20中。
请继续参阅图1,所述放大模块20包括:运算放大器U1、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和第七电阻R7,所述第三电阻R3的一端为放大模块20的第一输入端、连接第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端,第三电阻R3的另一端连接运算放大器U1的反相输入端、还通过第五电阻R5连接运算放大器U1的输出端,第四电阻R4的一端为放大模块20的第二输入端、连接第一电阻R1的另一端和第二电阻R2的另一端和共模电感的第3端,第四电阻R4的另一端连接运算放大器U1的正相输入端、还通过第六电阻R6接地,所述运算放大器U1的输出端为放大模块的输出端、其通过第七电阻R7连接MCU控制模块30。
其中,运算放大器U1的型号为LM224A,通过设置相应的放大比例因子将输入电压放大四倍后输出。本实施例中,所述放大模块20还包括:第一电容C1,所述第一电容C1的一端连接MCU控制模块30、还通过第七电阻R7连接运算放大器U1的输出端,第一电容C1的另一端接地。该第一电容C1主要起滤波作用,防止干扰信号输入MCU控制模块30中。
进一步地,所述放大模块20还包括肖特基二极管D1,所述肖特基二极管D1的型号为BAT54S、其第1端接地,肖特基二极管D1的第2端连接3.3V供电端,肖特基二极管D1的第3端连接MCU控制模块30和第一电容C1的一端、还通过第七电阻R7连接运算放大器U1的输出端。
请继续参阅图1,所述MCU控制模块30包括DSP处理器U2、驱动芯片U3、第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第一变压器T1、第二变压器T2、第八电阻R8、第九电阻R9、第二电容C2和第三电容C3。所述第一变压器为隔离变压器。第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3均为N MOS管。
所述DSP处理器U2的RA2/AN2端通过第七电阻R7连接运算放大器U1的输出端,DSP处理器U2的RB1/AN6端通过第二电容C2接地,DSP处理器U2的RB12/PWM3L端依次通过第八电阻R8和第九电阻R9的接地,DSP处理器U2的RA3/PWM1L端连接驱动芯片的INB端,DSP处理器U2的RB14/PWM2L端连接驱动芯片的INA端,DSP处理器U2的VDDCORE端通过第三电容C3接地。
所述DSP处理器U2的RA2/AN2端通过第七电阻R7连接运算放大器U1的输出端,DSP处理器U2的RB1/AN6端通过第二电容C2接地,DSP处理器U2的RB12/PWM3L端依次通过第八电阻R8和第九电阻R9的接地,DSP处理器U2的RA3/PWM1L端连接驱动芯片U3的INB端,DSP处理器U2的RB14/PWM2L端连接驱动芯片U3的INA端,DSP处理器U2的VDDCORE端通过第三电容C3接地。
所述驱动芯片U3的OUTB端连接第一MOS管Q1的栅极和第一变压器T1的初级绕组的同名端,第一MOS管Q1的源极接地,第一MOS管Q1的漏极连接第一变压器T1的初级绕组的异名端。
第一变压器T1的第一次级绕组的异名端连接第三MOS管Q3的源极和第二变压器T2的初级绕组的同名端,第一变压器T1的第一次级绕组的同名端连接第三MOS管Q3的栅极、第三MOS管Q3的漏极连接DC_BUS-供电端。
第一变压器T1的第二次级绕组的异名端连接第二MOS管Q2的源极和DC_BUS-供电端,第一变压器T1的第二次级绕组的同名端连接第二MOS管Q2的栅极、第二MOS管Q2的漏极连接第二变压器T2的初级绕组的异名端。
其中,DSP处理器U2的型号为DSPPIC33FJI6GS502,补偿电压计算单元可由固化在该DSP处理器U2的软件实现,也可直接设置相应的硬件电路实现。运算放大器U1输出的信号从RA2/AN2端输入DSP处理器U2中,通过DSP处理器U2的内部计算得到补偿电压后,得出相应占空比的PWM信号(即DSP处理器U2根据补偿电压输出相应的控制信号),最终由RA3/PWM1L端和RB14/PWM2L端输入驱动芯片中,由驱动芯片的OUTB端,输出相应的驱动电流,来控制第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管的导通时间,从而增加第二变压器的初级绕组上流过的电流,该电流经第二变压器耦合产生相应的补偿电压,并叠加至基准电压上,使输出端J1最终端稳定在48V。
进一步地,所述驱动芯片还可通过OUTA端输出驱动电流到第四MOS管的栅极,增加第四MOS管Q4的栅极电流,该电流叠加至相应第二变压器的次级,实时增加了第二变压器的次级的电流,从而使电源电路输入电压得到进一步得到补偿。
在本发明的电源的输出负载调整率补偿电路中,电源输出的电流经两个采样电阻采样,并由运算放大器U1将采样电阻两端的电压放大之后送入DSP处理器U2中,DSP处理器U2根据采样电流的大小调整其输出的PWM信号的占空比,从而来控制各MOS管的导通时间,相应增加第二变压器初级绕组的电流,使第二变压器耦合产生相应的补偿电压用于抵消电源电路中输出电阻带来的电压降,从而保证输出电压不受负载大小的影响。
因此,补偿电压计算单元可包括DSP处理器U2、第八电阻R8、第九电阻R9、第二电容C2、第三电容C3、驱动芯片U3、第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第一变压器T1,控制环路单元可包括第二变压器T2。
由于采样电流从第二变压器的次级获取,为了防止干扰,采用第一变压器将第二变压器的初级和次级的信号隔离,使补偿电压计算精确。
本发明还提供一种具有负载补偿功能的电源,如图1所示,其包括电源电路和输出负载调整率补偿电路,所述电源电路包括电感L1、共模电感L2、若干二极管、若干电容、输出接口J1等电子元件,电源的输出负载调整率补偿电路连接电源电路,用于对电源电路的负载调整率进行补偿,使输出接口J1的电压稳定在标称电压。由于上文已对电源的输出负载调整率补偿电路,此处不作详述。
为了更好的理解本发明,以下结合图1对本发明的电源的补偿方式进行详细说明:
在电源电路中,电感L1、共模电感L2和PCB走线均具有一定的阻抗,在电源输出时,均为分到一定的电压,使电源输出电压降低。本发明通过第一电阻R1和第二电阻R2对共模电感L2的第3端的电流进行采样,并在两个采样电阻的两端形成一个很小的电压降(一般是mV 级),这个电压经运算放大器U1放大后送入DSP处理器U2中,由DSP处理器U2根据采样电流的大小和电路输出阻抗计算得出补偿电压,并根据补偿电压输出相应占空比的PWM信号到UCC27524芯片的INA端,使UCC27524芯片的OUTB端和OUTA端的输出电流增加,从而增加相应第一MOS管Q1、第二MOS管Q2和第三MOS管Q3的栅极电流,该电流通过第二变压器耦合产生相应的补偿电压,并叠加至变压器的次级的基准电压上,从而使电源电路输出电压得到补偿。如电源标称电压为48V时,通过本发明补偿后,能输出48V的参考电压。
在补偿计算时,本发明根据采样值进行计算并得到补偿电压:Vc= I*R,其中,Vc是补偿电压,I是电源某一时刻输出的电流,R是电源的输出阻抗(一般包括电源输出回路的阻抗、电流采样电阻的阻抗、输出共模电感的阻抗);电压补偿计算单元把补偿电压和基准电压相加得到一个新的基准,并把新的基准送到控制环路单元,由控制环路单元进行控制,使输出电压等于新的基准。
从补偿电压的公式可以看出,当输出电流增大时,补偿电压也增大,这个增大的补偿电压刚好可以补偿输出环路的阻抗所带来的线压降(如电感L1、共模电感L2和PCB走线的压降),从而保证输出电压保持不变,就是说通过这种补偿之后,可以有效的改善电源的负载调整率。
请参阅图2,本发明还相应提供一种电源的输出负载调整率补偿电路的电压调整方法,其包括如下步骤:
S10、由电流采样模块获取电源电路的输出电流,通过放大模块放大后发送给MCU控制模块;
S20、所述MCU控制模块根据电源的输出阻抗和采样电流计算相应的补偿电压,并将补偿电压与电源电路的基准电压叠加,使电源的输出电压稳定。
本发明通过电压补偿方式使电源输出电压为其标称电压,从而有效的改善电源的负载调整率。具体请参阅上述电源的输出负载调整率补偿电路对应的实施例。
如图3所示,具体实施时,所述步骤S20具体包括:
S21、根据PCB 走线、共模电感和电流采样电阻的大小确定输出回路的阻抗, 并得出输出阻抗的大小为R;
S22、根据产品规格设定基准输出电压Vref;
S23、补偿电压计算单元采样输出电流并得到输出电流的大小为I;
S24、计算补偿电压的大小=I*R;
S25、根据补偿电压输出相应的电流给控制环路;
S26、由控制环路产生相应的补偿电压,并和基准电压Vref叠加,将输出电压稳定为标称电压输出,并返回步骤S23。
综上所述,本发明提供的电源及其输出负载调整率补偿电路和电压调整方法,所述电流采样模块获取电源电路的输出电流,通过放大模块放大后发送给MCU控制模块;所述MCU控制模块根据电源的输出阻抗和采样电流计算相应的补偿电压,将补偿电压与电源电路的基准电压叠加,使电源的输出电压稳定,使电源输出电压为其标称电压,从而有效的改善电源的负载调整率。
可以理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种电源的输出负载调整率补偿电路,用于使电源电路的输出电压稳定,其特征在于,包括:电流采样模块、放大模块、MCU控制模块;
所述电流采样模块获取电源电路的输出电流,通过放大模块放大后输出给MCU控制模块;所述MCU控制模块根据电源的输出阻抗和采样电流计算相应的补偿电压,将补偿电压与电源电路的基准电压叠加,使电源的输出电压稳定;
所述电流采样模块包括第一电阻和第二电阻,所述第一电阻的一端和第二电阻的一端均连接放大模块的第一输入端,第一电阻的另一端和第二电阻的另一端均连接电源电路的共模电感的第3端、放大模块的第二输入端和地。
2.根据权利要求1所述的电源的输出负载调整率补偿电路,其特征在于,所述补偿电压以下公式获得:
Vc= IR
其中,Vc为补偿电压,I为电流采样模块获取的采样电流,R是电源电路的输出阻抗,其包括PCB走线阻抗、电流采样模块的阻抗、电源电路中输出共模电感的阻抗。
3.根据权利要求2所述的电源的输出负载调整率补偿电路,其特征在于,所述MCU控制模块包括:补偿电压计算单元和控制环路单元;所述补偿电压计算单元根据PCB走线的阻抗、电流采样模块的阻抗、电源电路中输出共模电感的阻抗计算电源电路的输出回路的阻抗,结合电流采样模块输出的采样电流计算相应的补偿电压,并根据补偿电压输出相应的控制信号,使电源电路产生所述补偿电压,并将其与基准电压叠加输出给控制环路单元,由控制环路单元稳定输出电压并输出。
4.根据权利要求1所述的电源的输出负载调整率补偿电路,其特征在于,所述放大模块包括:运算放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻,所述第三电阻的一端为放大模块的第一输入端、连接第一电阻的一端和第二电阻的一端,第三电阻的另一端连接运算放大器的反相输入端、还通过第五电阻连接运算放大器的输出端,第四电阻的一端为放大模块的第二输入端、连接第一电阻的另一端和第二电阻的另一端和共模电感的第3端,第四电阻的另一端连接运算放大器的正相输入端、还通过第六电阻接地,所述运算放大器的输出端为放大模块的输出端、通过第七电阻连接MCU控制模块。
5.根据权利要求4所述的电源的输出负载调整率补偿电路,其特征在于,所述放大模块还包括第一电容,所述第一电容的一端连接MCU控制模块、还通过第七电阻连接运算放大器的输出端,第一电容的另一端接地。
6.根据权利要求4所述的电源的输出负载调整率补偿电路,其特征在于,所述放大模块还包括肖特基二极管,所述肖特基二极管的第1端接地,肖特基二极管的第2端连接3.3V供电端,肖特基二极管的第3端连接MCU控制模块和第一电容的一端、还通过第七电阻连接运算放大器的输出端。
7.根据权利要求1所述的电源的输出负载调整率补偿电路,其特征在于,所述MCU控制模块包括DSP处理器、第八电阻、第九电阻、第二电容、第三电容、驱动芯片、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第一变压器和第二变压器;
放大模块输出的信号从DSP处理器的RA2/AN2端输入DSP处理器中,通过DSP处理器计算所需的补偿电压后,输出相应占空比的PWM信号,由DSP处理器的RA3/PWM1L端和RB14/PWM2L端输入驱动芯片中,使驱动芯片的OUTB端输出相应的驱动电流,控制第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管的导通时间,增加第二变压器的初级绕组上流过的电流,该电流经第二变压器耦合产生相应的补偿电压,并叠加至基准电压上使输出电压稳定。
8.一种如权利要求1所述电源的输出负载调整率补偿电路的电压调整方法,其特征在于,包括如下步骤:
由电流采样模块获取电源电路的输出电流,通过放大模块放大后发送给MCU控制模块;
所述MCU控制模块根据电源的输出阻抗和采样电流计算相应的补偿电压,并将补偿电压与电源电路的基准电压叠加,使电源的输出电压稳定;
所述电流采样模块包括第一电阻和第二电阻,所述第一电阻的一端和第二电阻的一端均连接放大模块的第一输入端,第一电阻的另一端和第二电阻的另一端均连接电源电路的共模电感的第3端、放大模块的第二输入端和地;由所述第一电阻和第二电阻采样电源电路的共模电感的输出电流,并通过第一电阻和第二电阻分压获得采样电压输入放大模块中。
9.一种具有负载补偿功能的电源,包括电源电路,其特征在于,还包括如权利要求1-7任意一项所述的电源的输出负载调整率补偿电路,所述电源电路连接电源的输出负载调整率补偿电路。
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Denomination of invention: Power supply and its output load regulation rate compensation circuit and voltage regulation method

Effective date of registration: 20211213

Granted publication date: 20160824

Pledgee: Shenzhen high tech investment and financing Company limited by guarantee

Pledgor: Shenzhen JingQuanHua Electronics Co.,Ltd.

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