CN105305868B - 为负载提供恒定脉冲电流的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种为负载提供恒定脉冲电流的装置，包括第一输出单元和第二输出单元；所述第一输出单元由直流输入取得输入电压，将取得的直流输入电压进行变换，得到输出的脉冲波形，并将所述输出的脉冲波形施加在所述负载上；所述第二输出单元由所述直流输入取得电压，对其进行线性电压调节，得到调整后的电压，并将所述调整后的电压施加在所述负载上；其中，所述第二输出单元对直流输入电压的调整幅度由所述负载所在回路的当前电流采样值和设定控制信号决定。实施本发明的为负载提供恒定脉冲电流的装置，具有以下有益效果：该装置本身的功耗较少、较易实现大功率输出。

Description

为负载提供恒定脉冲电流的装置

技术领域

本发明涉及电源领域，更具体地说，涉及一种为负载提供恒定脉冲电流的装置。

背景技术

在许多应用领域中，需要对一个固定或变化的负载提供脉冲电流，这些脉冲电流通常为恒定的脉冲电流，即在电流存在期间，其电流是恒定的。为了实现这一目的，在现有技术中，通常是采用一个DCDC开关变换器，对直流输入进行变换，通过对该开关变换器的控制，使其在一段时间内，输出一个特定的电压值；而在另一段时间内，不输出电压；并如此重复，实现脉冲输出；同时，在上述DCDC开关变换器的输出端，使用一个线性电压调节器对上述DCDC开关变换器的输出进行电压调节，从而实现电流的稳定输出。但是，在这种情况下，由于整个负载电流均通过上述线性电压调节器提供，而线性电压调节器的功耗是比较大的，所以其具有功耗大、不易实现大功率电流输出的缺陷。

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功耗大、不易实现大功率输出的缺陷，提供一种功耗小、容易实现大功率输出的为负载提供恒定脉冲电流的装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种为负载提供恒定脉冲电流的装置，包括用于为负载提供脉冲电流的第一输出单元和在所述第一输出单元输出的脉冲上升沿对所述第一输出单元输出的电流进行补偿的第二输出单元；

所述第一输出单元由直流输入取得输入电压，将取得的直流输入电压进行变换，得到输出的脉冲波形，并将所述输出的脉冲波形施加在所述负载上；

所述第二输出单元由所述直流输入取得电压，对其进行线性电压调节，得到调整后的电压，并将所述调整后的电压施加在所述负载上；

其中，所述第二输出单元对直流输入电压的调整幅度由所述负载所在回路的当前电流采样值和设定控制信号决定。

更进一步地，所述当前电流采样值与所述第二输出单元对所述直流输入电压的调整幅度成负相关。

更进一步地，所述第一输出单元包括开关电压调节单元，所述第二输出单元包括低压差线性电压调节单元。

更进一步地，所述第二输出单元的输出端与所述负载串接。

更进一步地，所述第二输出单元包括线性调节控制环路和调整管，所述线性调节控制环路比较设定控制信号和所述当前电流采样值，得到调整管控制信号，并输出到所述调整管控制极，控制所述调整管的管压降。

更进一步地，所述线性调节控制环路包括加法器和调整管控制环路，所述加法器和调整管控制环路均包括两个输入端和一个输出端；所述加法器的两个输入端分别连接所述设定控制信号和所述当前电流采样值，将所述设定控制信号和所述当前电流采样值相减，并将结果输送到所述调整管控制环路的一个输入端，所述调整管控制环路的另一个输入端与该调整管的输出端连接，取得其电流采样值；所述调整管控制环路的输出端与所述调整管的控制极连接。

更进一步地，所述第一输出单元包括开关器件和开关驱动回路，所述开关器件在所述开关启动回路输出的驱动信号作用下，将输入的直流电压转换为脉冲电压，并经过整流和滤波得到直流输出，所述直流输出被提供给所述负载；

其中，所述开关驱动回路间歇输出所述驱动信号，在所述负载上形成脉冲电流。

更进一步地，所述开关驱动回路包括两个输入端和一个输出端，所述开关驱动回路的两个输入端分别与所述设定控制信号和电流采样值连接，所述输出端连接在所述开关器件的控制极上。

更进一步地，所述第一输出单元包括整流模块和滤波模块，所述整流模块包括二极管半波整流，所述滤波模块包括串接在所述第一输出单元输出回路上的电感和并接在所述第一输出单元输出回路上的电容。

更进一步地，所述设定控制信号是事先设定其波形的、周期性出现的锯齿波。

实施本发明的为负载提供恒定脉冲电流的装置，具有以下有益效果：由于第一输出单元直接为负载提供电流，且第二输出单元的输出也连接在负载回路上，为负载提供电流补偿。这样，多数通过负载的电流是由上述第一输出单元提供的；而第二输出单元输出的电压与负载回路上的当前电流相关，所以其仅仅是在第一输出单元输出的电流不够时（对于脉冲电流而言，通常是在其脉冲波形的上升沿）对负载进行电流补偿，因此仅提供较少的负载电流。而由于第一输出单元是开关电压调整单元，第二输出单元是线性电压调整单元。所以，该装置本身的功耗较少、较易实现大功率输出。

附图说明

图1是本发明为负载提供恒定脉冲电流的装置的实施例中该装置的结构示意图；

图2是所述实施例中该装置的电原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。

如图1所示，在本发明的为负载提供恒定脉冲电流的装置实施例中，该装置包括用于为负载提供脉冲电流的第一输出单元和在第一输出单元输出的脉冲上升沿时对上述第一输出单元输出的电流进行补偿的第二输出单元；在本实施例中，上述第一输出单元由直流输入取得输入电压，将取得的直流输入电压进行变换，得到输出的脉冲波形，并将所述输出的脉冲波形施加在所述负载上，以便为上述负载提供脉冲电流；而第二输出单元同样由上述直流输入取得电压，对其进行线性电压调节，得到调整后的电压（通常，这里的调整是指对第二输出单元的输入电压进行降压，在第二输出单元上的减压越多，该第二输出单元的输出电压越低，其能够提供的补偿电流越小），并将所述调整后的电压施加在上述负载上；其中，第二输出单元对直流输入电压的调整幅度（或降压幅度）由负载所在回路的当前电流采样值和设定控制信号决定。

具体来讲，在本实施例中，上述第一输出单元是开关电压调节单元，而第二输出单元是低压差线性电压调节单元。其具体的结构在稍后详述。

对于上述直流输入和负载，在某种程度上而言，上述第一输出单元和第二输出单元是并接在上述直流输入和负载之间的。也就是说，对于第一输出单元和第二输出单元的输入端来看，二者是并联的关系，通过第一输出单元提供给负载的电流不会经过上述第二输出单元；同样地，通过第二输出单元提供给负载的电流也不会经过上述第一输出单元。

由于在本实施例中，该装置为负载提供恒定的脉冲电流，即在脉冲存在的期间，为负载提供的电流应该是相同或大致相同的。但是由于脉冲输出的特性，在一个脉冲的上升沿，其电流或电压都存在一个上升的波形，因此该期间内输出的电压或电流是有差别的。具体到本实施例中而言，如果该装置中仅仅设置有第一输出单元，则在该第一输出单元产生的脉冲上升沿，其输出的电流必然是有差别或不相等的，这就不是一个恒定的脉冲电流。为此，在本实施例中，在该装置中设置了第二输出单元，该第二输出单元的主要作用是在第一输出单元的脉冲输出的上升沿期间为施加在负载上的第一输出单元的输出提供电流补偿，使得负载上的电流在脉冲上升沿和脉冲的其他时间段上的电流尽量一致或具有尽可能小的差别。由于脉冲上升沿期间，其输出波形是不断变化的，而第二输出单元作为补偿电流的提供者，其输出也是不断变化的。由于第二输出单元是通过调整通过其自身的电压降来实现其输出电流或输出电压的调节的，所以，在本实施例中，第二输出单元的输出电流（或其对直流输入电压的调整幅度）是与负载所在回路上的当前电流相关的，负载所在回路上的当前电流越大，第二输出单元需要补充的电流就越小，所以第二输出单元的输出电压就越低，其自身的电压降就越大（即第二输出单元的调节量越大）。所以，在本实施例中，上述第二输出单元的输出电压是和负载所在回路的当前电流采样值和设定控制信号相关的。关于设定控制信号，稍后有详细的描述。

如前所述，在本实施例中，上述负载所在回路上的当前电流采样值与第二输出单元对直流输入电压的调整幅度之间的关系是负相关的（例如，二者成反比）。上述当前电流采样值越大，意味着上述第一输出单元提供给负载的电流越大，于是需要上述第二输出单元补偿的电流就越小，于是第二输出单元需要对直流输入电压进行调整的调整幅度就越小。

请参见图2，图2示出了本实施例中一种情况下该装置的电原理图。在图2中，上述第二输出单元包括线性调节控制环路和调整管，线性调节控制环路比较设定控制信号和所述当前电流采样值，得到调整管控制信号，并输出到所述调整管控制极，控制所述调整管的管压降，从而实现依据负载所在的回路的当前电流采样值对调整管的导通状态进行调节，进而实现第二输出单元对直流输入的调整幅度的调节。更具体地，在图2中，该线性调节控制环路包括加法器（图2中标记为Σ）和调整管控制环路，加法器和调整管控制环路均包括两个输入端和一个输出端；加法器的两个输入端分别连接设定控制信号和当前电流采样值，将设定控制信号和当前电流采样值相减，并将结果输送到调整管控制环路的一个输入端，调整管控制环路的另一个输入端与该调整管的输出端连接，取得其采样电流值；调整管控制环路的输出端与所述调整管的控制极连接。在本实施例中，上述调整管控制环路实际上是一个比例积分控制环路。

在本实施例中，上述第二输出单元的输出端与所述负载串接。图2中给出了具体连接方法。

如图2所示，在本实施例中，第一输出单元包括开关器件和开关驱动回路，所述开关器件在所述开关启动回路输出的驱动信号作用下，将输入的直流电压转换为脉冲电压，并经过整流和滤波得到直流输出，所述直流输出被提供给所述负载；其中，所述开关驱动回路间歇输出所述驱动信号，在所述负载上形成脉冲电流。

开关驱动回路包括两个输入端和一个输出端，所述开关驱动回路的两个输入端分别与所述设定控制信号和电流采样值连接，所述输出端连接在所述开关器件的控制极上。此外，所述第一输出单元还包括整流模块和滤波模块，所述整流模块包括二极管半波整流，所述滤波模块包括串接在所述第一输出单元输出回路上的电感和并接在所述第一输出单元输出回路上的电容。

值得一提的是，在本实施例中，上述设定控制信号是事先设定其波形的脉冲信号。这样的脉冲信号与上述负载所在回路上的当前电流采样值进行比较或处理后，即通过比例积分环节，再与恒定占空比的锯齿波信号进行比较，来得到驱动信号，得到的仍然是一个脉冲信号，这个脉冲信号输出到开关器件的控制端，使得开关器件按其波形导通或截止，也就是对直流输入电压进行斩波，再经过整流、滤波等处理，得到一个直流电平低于直流输入的直流电平的电压，并将该电压施加在上述负载上，从而为上述负载提供电流。当上述设定控制信号是零时，上述开关器件并不导通，于是没有输出施加到负载，负载上的电流为零。这样，当上述具有锯齿波形的设定控制信号和为零的设定控制信号交替出现时（对于整个设定控制信号而言，其是一个具有恒定占空比的锯齿波信号，即锯齿波形按照设定的周期出现），上述负载上由第一输出单元提供的电流也是设定的电流和零电流交替出现的；当上述设定控制信号是锯齿波形时，负载上出现恒定的电流（经过第二输出单元的补偿后实现的恒定电流，如果没有第二输出单元，其开始的时候将会出现一个上升沿），而当设定控制信号为零时，上述第一输出单元施加到负载上的电流也为零；同时，由于第二输出单元的调整管控制信号也和设定控制信号相关，此时，第二输出单元的调整管截止或饱和导通，第二输出单元也不会输出电流到负载回路上。这就实现了在上述负载上提供脉冲电流的目的。

在本实施例中，在图2中，由电路拓扑的角度来看，上述第一输出单元的具体电路采用BUCK电路。其工作原理是：首先，将在负载所在回路上进行电流采样得到的控制信号（当前电流采样信号）作为BUCK电路输出电流的基准信号，通过控制开关器件的导通关断，使BUCK的输出电流能完全跟踪设定控制信号。由于BUCK电路响应速度比较慢，难以实现完全跟踪，所以第二输出单元来补偿BUCK电路的上升沿部分，通过将控制信号和BUCK电路的采样输出电流的差值作为第二输出单元电路的控制信号，通过控制调整管的导通状态，使第二输出单元的输出电流跟随设定控制信号。上述两部分电流之和即为经过负载的输出电流。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种为负载提供恒定脉冲电流的装置，其特征在于，包括用于为负载提供脉冲电流的第一输出单元和在所述第一输出单元输出的脉冲上升沿对所述第一输出单元输出的电流进行补偿的第二输出单元；

所述第一输出单元由直流输入取得输入电压，将取得的直流输入电压进行变换，得到其输出的脉冲波形，并将所述输出的脉冲波形施加在所述负载上；

所述第二输出单元由所述直流输入取得输入电压，对其进行线性电压调节，得到调整后的电压，并将所述调整后的电压施加在所述负载上；

其中，所述第二输出单元对直流输入电压的调整幅度由所述负载所在回路的当前电流采样值和设定控制信号决定；所述第一输出单元和所述第二输出单元是并接在所述直流输入和所述负载之间的。

2.根据权利要求1所述的为负载提供恒定脉冲电流的装置，其特征在于，所述当前电流采样值与所述第二输出单元对所述直流输入电压的调整幅度之间为负相关的关系。

3.根据权利要求2所述的为负载提供恒定脉冲电流的装置，其特征在于，所述第一输出单元包括开关电压调节单元，所述第二输出单元包括低压差线性电压调节单元。

4.根据权利要求3所述的为负载提供恒定脉冲电流的装置，其特征在于，所述第二输出单元的输出端与所述负载串接。

5.根据权利要求4所述的为负载提供恒定脉冲电流的装置，其特征在于，所述第二输出单元包括线性调节控制环路和调整管，所述线性调节控制环路将设定控制信号和所述当前电流采样值相减，得到调整管控制信号，并输出到所述调整管控制极，控制所述调整管的管压降。

6.根据权利要求5所述的为负载提供恒定脉冲电流的装置，其特征在于，所述线性调节控制环路包括加法器和调整管控制环路，所述加法器和调整管控制环路均包括两个输入端和一个输出端；所述加法器的两个输入端分别连接所述设定控制信号和所述当前电流采样值，所述线性调节控制环路比较设定控制信号和所述当前电流采样值，并将结果输送到所述调整管控制环路的一个输入端，所述调整管控制环路的另一个输入端与该调整管的输出端连接，取得其电流采样值；所述调整管控制环路的输出端与所述调整管的控制极连接。

7.根据权利要求6所述的为负载提供恒定脉冲电流的装置，其特征在于，所述第一输出单元包括开关器件和开关驱动回路，所述开关器件在所述开关驱动回路输出的驱动信号作用下，将输入的直流电压转换为脉冲电压，并经过整流和滤波得到直流输出，所述直流输出被提供给所述负载；

其中，所述开关驱动回路间歇输出所述驱动信号，在所述负载上形成脉冲电流。

8.根据权利要求7所述的为负载提供恒定脉冲电流的装置，其特征在于，所述开关驱动回路包括两个输入端和一个输出端，所述开关驱动回路的两个输入端分别与所述设定控制信号和电流采样值连接，所述输出端连接在所述开关器件的控制极上。

9.根据权利要求8所述的为负载提供恒定脉冲电流的装置，其特征在于，所述第一输出单元包括整流模块和滤波模块，所述整流模块包括二极管半波整流，所述滤波模块包括串接在所述第一输出单元输出回路上的电感和并接在所述第一输出单元输出回路上的电容。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的为负载提供恒定脉冲电流的装置，其特征在于，所述设定控制信号是事先设定其波形的、周期性出现的锯齿波。