CN105487588A - 一种实时调控的恒流源电路及其恒流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电源技术，目的是为了解决现有的恒流源输出电流响应慢以及在负载较多时各个负载电流不同的问题。本发明提供一种实时调控的恒流源电路，包括控制模块、升压模块、放大模块及反馈模块，控制模块分别与升压模块、放大模块及反馈模块连接，升压模块包括升压电路及电压保护电路，放大模块包括放大电路、功率三极管及电流检测电路；升压电路与控制模块及电压保护电路连接，电压保护电路与控制模块连接，放大电路与控制模块及功率三极管的B级连接，功率三级管E级连接电流检测电路，C级输出为恒流源输出负极，升压电路的输出为恒流源输出正极，电流检测电路连接控制模块，反馈模块连接电源输出负极和控制模块。本发明适用于恒流源。

Description

一种实时调控的恒流源电路及其恒流控制方法

技术领域

本发明涉及电源技术，特别涉及一种可实时进行调控的恒流源电路。

背景技术

恒流源已广泛应用于光电、航天、通讯、医疗等领域，尤其在LED驱动、激光驱动方面。

电压可调型恒流源输出从一个电流值到另一个电流值时，通过调节电压来保证电流的正常输出。但电压变化速度慢致使输出电流响应慢。

恒定电压型恒流源输出较高电压，保证电流输出范围大，且响应速度快。但过多电源能量消耗在功率三极管上，能量浪费且发热量较大。

恒流源应用于LED投影、激光投影光源驱动时，需要恒流源有极快的响应速度。当LED、LD发热后内阻变化，为保证产品性能需要维持电流不变。在系统应用上，设备空间有限导致散热器的体积受限。另外，接多路负载时，负载LED或LD有个体差异致使各路负载电流不同。

因此，需要一种响应快、可接多路负载、性能可靠的恒流源电源。

发明内容

为达到上述目的，本发明提供一种实时调控的恒流源电路，其特征在于，包括控制模块、升压模块、放大模块及反馈模块，所述控制模块分别与升压模块、放大模块及反馈模块连接，所述升压模块包括升压电路及电压保护电路，所述放大模块包括放大电路、功率三极管及电流检测电路；

所述升压电路与控制模块及电压保护电路连接，所述电压保护电路与控制模块连接，所述放大电路与控制模块及功率三极管的B级连接，功率三级管E级连接电流检测电路，C级输出为恒流源输出负极，升压电路的输出为恒流源输出正极，电流检测电路连接控制模块，所述反馈模块连接电源输出负极和控制模块。

具体地，所述电压保护电路包括第一电阻及第二电阻，所述第一电阻的一端与升压电路的输出端连接，另一端与第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端接地，第一电阻与第二电阻的连接端与控制模块连接。

具体地，所述电流检测电路包括第三电阻，第三电阻的一端与功率三级管的E级连接，第三电阻的另一端接地。

具体地，所述反馈模块包括第四电阻及第五电阻，所述第四电阻的一端与电源输出负极连接，另一端与第五电阻连接，第五电阻的另一端接地，所述第四电阻与第五电阻连接的节点与控制模块连接。

进一步地，所述反馈模块还包括电压源、分压电阻及二极管，所述电压源与分压电阻一端连接，分压电阻的另一端与二极管正极连接，二极管负极与电源输出负极连接，分压电阻与二极管连接的节点与第四电阻连接。

对应上述恒流源电路，本发明还提供一种实时调控的恒流源电路的恒流控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

上电初始化，控制模块读取升压保护阈值Vp，功率三极管CE级电压阈值上限Vmax、下限Vmin及负载预期电流I0；

控制模块输出默认态占空比的PWM信号给升压电路，周期性输出模拟电平给放大电路，使恒流源工作，同时主控模块进入自动调控工作态；

主控模块自动调控工作态一个检测周期的工作流程，自动调控包括三个步骤：过压保护、功率三极管状态检测、恒流。

具体地，过压保护控制具体方法如下：主控模块对第二电阻电压进行采样，如果该电压大于阈值Vp时，升压电路输出电压过大或工作异常，主控模块进入保护态，恒流源停止工作；

功率三极管状态检测过程具体如下：如果第二电阻电压小于阈值Vp，主控模块对第三电阻电压和第五电阻电压进行采样，用第三电阻电压和第五电阻电压换算得到功率三极管的C、E级电压Vce，如果Vce电压低于阈值下限Vmin，主控模块调整PWM占空比，提高升压电路输出电压，如果Vce电压高于阈值上限Vmax，主控模块调整PWM占空比，降低升压电路输出电压；

恒流过程具体如下：如果Vce电压在阈值下限Vmin与阈值上限Vmax范围内，用第三电阻电压换算得到功率三级管的E级电流I1，当I1超出预期电流I0一定范围时，主控模块调整数模转换输出口的电平，以控制I1在预期电流I0的所述一定范围内。

本发明的有益效果是：本发明提供的实时调控的恒流源电路，可以实现实时自动的恒流控制，有效解决了现有的恒流源输出电流响应慢、能量浪费较大以及在负载较多时各个负载电流不同的问题。本发明的恒流源电路响应快，同时在连接多路负载时，性能可靠。

附图说明

图1为本发明实施例的恒流源电路原理框图；

图2为本发明实施例恒流源电路带两路负载原理框图；

其中，100为控制模块，200为升压模块，300为放大模块，400为反馈模块，500为负载，R201为第一电阻，R202为第二电阻，R301为第三电阻，R402为第四电阻，R403为第五电阻，Q301为功率三极管，VoutH为电源输出正极，VoutL为电源输出负极，Vc为电压源，R401为分压电阻，D401及D402为二极管。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。

本发明公开了一种实时调控的恒流源，它包括：控制模块、升压模块、放大模块和反馈模块。其中升压模块包括：升压电路、电压保护电路。放大模块包括：放大电路、功率三极管、电流检测电路。所述的控制模块连接放大模块、升压模块和反馈模块；所述升压模块的升压电路连接控制模块和电压保护电路，升压电路的输出为恒流源输出正极，电压保护电路连接控制模块；所述放大模块的放大电路连接控制模块和功率三极管B级，功率三级管的C级输出为恒流源输出负极，功率三级管E级连接电流检测电路，电流检测电路连接控制模块；所述反馈模块连接电源输出负极和控制模块。

上述的恒流源，上电初始化时控制模块对升压模块输出默认占空比的PWM波，对放大模块周期性输出默认的模拟电平，使电源开始工作。初始化完成后，主控模块进入自动调控工作态。自动调控工作态有三个步骤：过压保护、功率三极管状态检测、恒流。过压保护过程：主控模块对升压模块中保护电路采样，确认升压电路正常工作。功率三极管状态检测过程：主控模块先对反馈模块的反馈信号进行采样，确定功率三极管C、E级电压Vce。当Vce过大或过小时，主控模块调整PWM占空比。恒流过程：当Vce合适时，电流检测电路监检测电流。当电流超出预期范围时，主控模块调整对放大电路输入的模拟电平，至到电流达到预期值。

实施例

如图1所示，本发明的实时调控的恒流源电路包括控制模块100、升压模块200、放大模块300、反馈模块400和负载500。

本例中主控模块100为MCU，包括可调谐PWM波发生器、模数转换、数模转换等功能。

本例中升压模块200包括升压电路、第一电阻R201和第二电阻R202。升压电路连接控制模块100的PWM波输出端口，输出端连接恒流源输出正极。第一电阻R201一端连接升压电路输出，一端连接第二电阻R202，同时连接主控模块100的模数转换输入端口。第二电阻R202另一端接地。

本例中放大模块300包括放大电路、功率三极管Q301、第三电阻R301。放大电路连接主控模块100的数模转换输出端口，输出端连接功率三极管Q301的B级。功率三级管Q301的C级连接恒流源输出负极，E级连接第三电阻R301，同时连接控制模块100的模数转换输入端口。第三电阻R301的另一端接地。

本例中反馈电路400包括第四电阻R402、第五电阻R403。第四电阻R402的一端连接功率三极管Q301的C级。第四电阻R402另一端连接第五电阻R403，同时连接到控制模块100的模数转换输入端口。第五电阻R403的另一端接地。

本例中负载500为激光器二极管LD1。

本例恒流源，上电初始化时控制模块100的MCU从FLASH读取数据，包括升压保护阈值Vp，功率三极管CE级电压阈值上限Vmax、下限Vmin，负载预期电流I0。MCU初始化结束后，输出默认态占空比的PWM信号给升压模块200的升压电路，周期性输出模拟电平给放大模块300的放大电路，使恒流源工作。初始化完成后，主控模块进入自动调控工作态。

主控模块自动调控工作态一个检测周期的工作流程。自动调控有三个步骤：过压保护、功率三极管状态检测、恒流。

过压保护过程：主控模块对第二电阻R202电压进行采样，如果该电压大于阈值Vp时，升压电路输出电压过大或工作异常，主控模块进入保护态，恒流源停止工作。

功率三极管状态检测过程具体如下：如果第二电阻R202电压小于阈值Vp，主控模块对第三电阻R301电压和第五电阻R403电压进行采样，用第三电阻R301电压和第五电阻R403电压换算得到功率三极管Q301的C、E级电压Vce，如果Vce电压低于阈值下限Vmin，功率三极管Q301接近饱和导通状态，主控模块调整PWM占空比，提高升压电路输出电压，如果Vce电压高于阈值上限Vmax时，功率三极管Q301工作在放大区，但过多的能量消耗在功率三级管Q301上，主控模块调整PWM占空比，降低升压电路输出电压。

恒流过程：如果Vce电压在阈值下限Vmin与阈值上限Vmax范围内，用第三电阻R301电压换算得到功率三级管Q301的E级电流I1，即负载电流。当I1超出预期电流I0一定范围时，主控模块调整数模转换输出口的电平。

恒流过程结束后，进入下一个检测周期。

如图2恒流源电路带多路负载原理框图所示，恒流源包括控制模块100、升压模块200、放大模块300、反馈模块400和负载500。本例中升压模块一个，放大模块有两个，即两路负载共用电源输出正极，两路负载的负极各自接放大模块的输出。

本例中主控模块100为MCU，包括可调谐PWM波发生器、模数转换、数模转换等功能。

本例中升压模块200包括升压电路、第一电阻R201和第二电阻R202。升压电路连接控制模块100的PWM波输出端口，输出端连接恒流源输出正极。第一电阻R201一端连接升压电路输出，一端连接第二电阻R202，同时连接主控模块100的模数转换输入端口。第二电阻R202另一端接地。

本例中放大模块300包括放大电路、功率三极管Q301、第三电阻R301。放大电路连接主控模块100的数模转换输出端口，输出端连接功率三极管Q301的B级。功率三级管Q301的C级连接恒流源输出负极，E级连接电阻R301，同时连接控制模块100的模数转换输入端口。第三电阻R301的另一端接地。

本例中反馈电路400包括参考电压源Vc、二极管D401、D402，分压电阻R401、第四电阻R402、第五电阻R403。二极管D401的负端连接第一路输出端，二极管D402的负端连接第二路输出端。二极管D401正极和二极管D402的正极与分压电阻R401的一端、第四电阻R402的一端连接。分压电阻R401的另一端连接参考电源Vc。第四电阻R402另一端连接第五电阻R403，同时连接到控制模块100的模数转换输入端口。第五电阻R403的另一端接地。

本例中负载500为激光器二极管LD1和LD2。

本例恒流源，上电初始化时控制模块100的MCU从FLASH读取数据，包括升压保护阈值Vp，功率三极管CE级电压阈值上限Vmax、下限Vmin，负载预期电流I0。MCU初始化结束后，输出默认态占空比的PWM信号给升压模块200的升压电路，两路输出周期性模拟电平给两个放大模块300的放大电路，使恒流源工作。初始化完成后，主控模块进入自动调控工作态。

主控模块自动调控工作态一个检测周期的工作流程。自动调控有三个步骤：过压保护、功率三极管状态检测、恒流。

过压保护过程：主控模块对第二电阻R202电压进行采样，如果该电压大于阈值Vp时，升压电路输出电压过大或工作异常，主控模块进入保护态，恒流源停止工作。

功率三极管状态检测过程：如果第二电阻R202电压小于阈值Vp，主控模块对第五电阻R403电压和每路负载的第三电阻R301电压进行采样。多路负载时，第五电阻R403电压反应的是负载所需电压低的一路。用第三电阻R301电压和第五电阻R403电压换算出负载所需电压低的一路的功率三极管Q301的C、E级电压Vce。如果Vce电压低于阈值下限Vmin时，Q301接近饱和导通状态，主控模块调整PWM占空比，提高升压电路输出电压。如果Vce电压高于阈值上限Vmax时，Q301工作在放大区，但过多的能量消耗在功率三级管Q301上，主控模块调整PWM占空比，降低升压电路输出电压。如果该路功率三极管Q301处于线性放大区，其他几路的功率三极管一定处于放大区。

恒流过程：主控模块对每一路负载的电流进行检测。如果Vce电压在范围内时，用第三电阻R301电压换算功率三级管Q301的E级电流I1，即负载电流。当I1超出预期电流I0一定范围时，主控模块调整该路的数模转换口输出电平，然后进行下一路检测。如果I1在预期范围内，进入下一路检测周期。

恒流过程结束后，进入下一个检测周期。

以上实施例仅仅是对负载为1个及2个两种情况进行示例性说明，本领域技术人员可以理解，当负载为多个时，只要其按照本发明的技术方案进行连接，其皆落于本发明权利要求的保护范围内。

应当注意的是，以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用其他相关部件对本发明所描述的元件进行等同之替换或修改，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种实时调控的恒流源电路，其特征在于，包括控制模块、升压模块、放大模块及反馈模块，所述控制模块分别与升压模块、放大模块及反馈模块连接，所述升压模块包括升压电路及电压保护电路，所述放大模块包括放大电路、功率三极管及电流检测电路；

所述升压电路与控制模块及电压保护电路连接，所述电压保护电路与控制模块连接，所述放大电路与控制模块及功率三极管的B级连接，功率三级管E级连接电流检测电路，C级输出为恒流源输出负极，升压电路的输出为恒流源输出正极，电流检测电路连接控制模块，所述反馈模块连接电源输出负极和控制模块。

2.如权利要求1所述的实时调控的恒流源电路，其特征在于，所述电压保护电路包括第一电阻及第二电阻，所述第一电阻的一端与升压电路的输出端连接，另一端与第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端接地，第一电阻与第二电阻的连接端与控制模块连接。

3.如权利要求1或2所述的实时调控的恒流源电路，其特征在于，所述电流检测电路包括第三电阻，第三电阻的一端与功率三级管的E级连接，第三电阻的另一端接地。

4.如权利要求3所述的实时调控的恒流源电路，其特征在于，所述反馈模块包括第四电阻及第五电阻，所述第四电阻的一端与电源输出负极连接，另一端与第五电阻连接，第五电阻的另一端接地，所述第四电阻与第五电阻连接的节点与控制模块连接。

5.如权利要求1所述的实时调控的恒流源电路，其特征在于，所述反馈模块还包括电压源、分压电阻及二极管，所述电压源与分压电阻一端连接，分压电阻的另一端与二极管正极连接，二极管负极与电源输出负极连接，分压电阻与二极管连接的节点与第四电阻连接。

6.一种实时调控的恒流源电路的恒流控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

上电初始化，控制模块读取升压保护阈值Vp，功率三极管CE级电压阈值上限Vmax、下限Vmin及负载预期电流I0；

控制模块输出默认态占空比的PWM信号给升压电路，周期性输出模拟电平给放大电路，使恒流源工作，同时主控模块进入自动调控工作态；

主控模块自动调控工作态一个检测周期的工作流程，自动调控包括三个步骤：过压保护、功率三极管状态检测、恒流。

7.如权利要求6所述的实时调控的恒流源电路的恒流控制方法，其特征在于：

过压保护控制具体方法如下：主控模块对第二电阻电压进行采样，如果该电压大于阈值Vp时，升压电路输出电压过大或工作异常，主控模块进入保护态，恒流源停止工作；

功率三极管状态检测过程具体如下：如果第二电阻电压小于阈值Vp，主控模块对第三电阻电压和第五电阻电压进行采样，用第三电阻电压和第五电阻电压换算得到功率三极管的C、E级电压Vce，如果Vce电压低于阈值下限Vmin，主控模块调整PWM占空比，提高升压电路输出电压，如果Vce电压高于阈值上限Vmax，主控模块调整PWM占空比，降低升压电路输出电压；

恒流过程具体如下：如果Vce电压在阈值下限Vmin与阈值上限Vmax范围内，用第三电阻电压换算得到功率三级管的E级电流I1，当I1超出预期电流I0一定范围时，主控模块调整数模转换输出口的电平，以控制I1在预期电流I0的所述一定范围内。