CN106655768A - 一种恒流输入电源控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种恒流输入电源控制电路,包括：与外部电路连接，接收输入信号、对输入信号进行滤波处理输出滤波电压并产生采样信号的输入模块；与输入模块连接，将输入电压转换为可调整的交变电压、并对交变电压进行滤波输出可调整的直流电压的电压转换模块；与电压转换模块连接，对可调整的直流电压进行采样产生第二采样电压的输出模块；分别与输入模块、电压转换模块、以及输出模块连接，基于采样信号、第二采样电压输出控制信号至电压转换模块以调节输入电流的控制模块。实施本发明可使电源的输入电流快速稳定，不受环境温度的影响，输入电压范围宽，可适用多种不同电压等级的蓄电池放电，可满足电力和通讯行业应用需求，适用性广、实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及电源的技术领域，更具体地说，涉及一种恒流输入电源控制电路。
背景技术
蓄电池需要定期进行充放电维护，以便提高使用寿命。目前市场上维护蓄电池的放电设备通常为PTC电阻(正温度系数电阻)模式，这种模式的控制方式如下：根据电池放电电流的大小调整PTC电阻的散热风扇转速，进而实现放电电流的基本恒定。即当放电电流大于设定值时，降低风扇转速，PTC电阻温度升高，阻值增大，放电电流降低；当放电电流小于设定值时，提高风扇转速，PTC电阻温度降低，阻值减小，放电电流增大；通过上述的反复调节过程，使得电池放电电流基本稳定在设定值。
上述蓄电池恒流放电设备结构简单，容易实现。但此种放电设备存在如下一些缺点：第一、电池放电电流的调整根据PTC电阻温度进行调整，调整速度慢；第二、受环境温度影响较大，当环境温度存在变化时，电池放电电流需要不断调整；第三、不同电压等级的蓄电池需要设置不同的PTC电阻。
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缺陷，提供一种恒流输入电源控制电路。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种恒流输入电源控制电路，包括：
与外部电路连接，接收输入信号、对所述输入信号进行滤波处理输出滤波电压并产生采样信号的输入模块；
与所述输入模块连接，将所述输入电压转换为可调整的交变电压、并对所述交变电压进行滤波输出可调整的直流电压的电压转换模块；
与所述电压转换模块连接，对所述可调整的直流电压进行采样产生第二采样电压的输出模块；
分别与所述输入模块、所述电压转换模块、以及所述输出模块连接，基于所述采样信号、所述第二采样电压输出控制信号至所述电压转换模块以调节输入电流的控制模块。
在本发明所述的恒流输入电源控制电路中，优选地，所述输入模块包括：
与外部电路连接的输入接口；
与所述输入接口连接、对所述电源启动时产生的冲击电流进行限制的软启动电路；
与所述软启动电路连接、对所述输入信号进行滤波处理产生滤波电压的第一滤波电路；
连接在所述输入接口与所述软启动电路之间，对所述输入信号进行电压采样产生第一采样电压的输入电压采样电路；
连接在所述输入接口与所述控制模块之间，对所述输入信号进行电流采样产生采样电流的输入电流采样电路。
在本发明所述的恒流输入电源控制电路中，优选地，所述电压转换模块包括：
与所述第一滤波电路连接，将所述滤波电压转换为可调整的交变电压的直流转换电路；
与所述直流转换电路连接，对所述可调整的交变电压进行滤波处理输出可调整的直流电压的第二滤波电路；
分别与所述控制模块、所述直流转换电路连接，根据所述控制模块输出的控制信号控制所述直流转换电路的驱动电路。
在本发明所述的恒流输入电源控制电路中，优选地，所述输出模块包括与所述第二滤波电路连接的负载、以及连接在所述第二滤波电路与所述负载之间的输出电压采样电路；所述输出电压采样电路对所述可调整的直流电压进行采样产生第二采样电压。
在本发明所述的恒流输入电源控制电路中，优选地，所述负载为恒电阻负载，所述恒电阻为功率电阻。
在本发明所述的恒流输入电源控制电路中，优选地，所述控制模块包括分别与所述输入电压采样电路、所述输入电流采样电路、所述驱动电路、以及所述输出电压采样电路连接，基于所述采样信号、所述第二采样电压输出所述控制信号至所述驱动电路的控制电路。
在本发明所述的恒流输入电源控制电路中，优选地，所述控制模块还包括与所述控制电路连接、供所述电源与外部监控器进行数据传输的通讯电路。
实施本发明的恒流输入电源控制电路，具有以下有益效果：本发明的恒流输入电源控制电路包括：与外部电路连接，接收输入信号、对输入信号进行滤波处理输出滤波电压并产生采样信号的输入模块；与输入模块连接，将输入电压转换为可调整的交变电压、并对交变电压进行滤波输出可调整的直流电压的电压转换模块；与电压转换模块连接，对可调整的直流电压进行采样产生第二采样电压的输出模块；分别与输入模块、电压转换模块、以及输出模块连接，基于采样信号、第二采样电压输出控制信号至电压转换模块以调节输入电流的控制模块。实施本发明可使电源的输入电流快速稳定，不受环境温度的影响，输入电压范围宽，可适用多种不同电压等级的蓄电池放电，可满足电力和通讯行业应用需求，适用性广、实用性强。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明恒流输入电源控制电路的原理框图；
图2是本发明恒流输入电源控制电路恒流控制的逻辑图；
图3是本发明恒流输入电源控制电路的电路原理图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，为本发明恒流输入电源控制电路的原理框图。本发明的恒流输入电源控制电路包括：与外部电路连接，接收输入信号、对输入信号进行滤波处理输出滤波电压并产生采样信号的输入模块10；与输入模块10连接，将输入电压转换为可调整的交变电压、并对交变电压进行滤波输出可调整的直流电压的电压转换模块20；与电压转换模块20连接，对可调整的直流电压进行采样产生第二采样电压的输出模块30；分别与输入模块10、电压转换模块20、以及输出模块30连接，基于采样信号、第二采样电压输出控制信号至电压转换模块20以调节输入电流的控制模块40。
具体地，在本实施例中：
输入模块10包括：输入接口101、软启动电路102、第一滤波电路103、输入电压采样电路104、以及输入电流采样电路105。
输入接口101，为电源与外界的接口，在具体电路中，输入接口101与外部电路连接。可以理解地，在实际应用中，可根据需要将输入接口101设置为便于与外部电路连接的接口，进而可避免电源与外界连接错误的风险发生。
软启动电路102，与输入接口101连接，在电源启动时，对电源内部所产生的冲击电流进行限制，以防止电源在启动过程中因冲击电流的产生而损坏电源内部的相关器件，提高了电源的安全性能。在本实施例中，软启动电路102优选为限流电阻与继电器组合构成。
第一滤波电路103，与软启动电路102连接，对输入信号进行滤波处理并输出滤波电压。可以理解地，第一滤波电路103主要是通过对输入信号进行滤波处理进而降低输入信号中的输入电压和输入电流的纹波，使输入电压和输入电流更加稳定。优选地，在本实施例中，第一滤波电路103可选用电感和电解电容对输入信号进行滤波。
输入电压采样电路104，连接在输入接口101与软启动电路102之间，对输入信号中的输入电压进行采样产生第一采样电压。优选地，在本实施例中，输入电压采样电路104可选用电阻或电阻与差分运算放大器组合的方式实现。
输入电流采样电路105，连接在输入接口101与软启动电路102之间，对输入信号中的输入电流进行采样产生采样电流。优选地，在本实施例中，输入电流采样电路105可选用精密电阻配合差分网络或电流互感器实现。
电压转换模块20包括直流转换电路201、第二滤波电路202、以及驱动电路203。
直流转换电路201，与第一滤波电路103连接，将经第一滤波电路103进行滤波处理后的滤波电压转换为可调整的交变电压。优选地，在本实施例中，直流转换电路201可由开关管及二极管组成；开关管一般可采用MOSFET管(场效应管)或IGBT管(绝缘栅双极型晶体管)。二极管可选用快恢得二极管。
第二滤波电路202，与直流转换电路201连接，对直流转换电路201输出的可调整的交变电压进行滤波处理，并输出可调整的直流电压。可以理解地，通过在负载301与直流转换电路201之间增加第二滤波电路202可使负载301上的电压波形更稳定，同时还可限制该电源功率回路中电流的变化率，进一步提高了电源的可靠性。优选地，在本实施例中，第二滤波电路202可选用电感与电解电容实现。电感主要用于限制功率回路的电流变化率，电解电容的作用是使负载上的电压波形更稳定。
驱动电路203分别与控制模块40、直流转换电路201连接，主要是根据控制模块40输出的控制信号控制直流转换电路201中的开关管导通或关断，通过驱动电路可增大控制模块40输出的控制信号的驱动能力，以便可以更好地控制直流转换电路201中的开关管。优选地，在本实施例中，驱动电路203可采用集成驱动IC或推挽驱动电路等形式实现。
在本实施例中，电压转换模块20对本发明的恒流输入电源控制电路的输入电压特性有重要影响，换言之，本发明的恒流输入电源控制电路所能实现的宽范围输入电压特性主要由电压转换模块20来实现的。例如，假设输入信号中的输入电压为Uin，根据设计要求恒流输入的电流值为Iin，输出的恒电阻值为Rl，控制电路的效率为η，理论上输出电压平均值为恒流输入电流值Iin一定的情况下，只需根据输入电压Uin的范围来设置合适的Rl即可将输出电压平均值Uo控制在合理的范围内。
输出模块30包括负载301以及输出电压采样电路302。
负载301与第二滤波电路202连接，负载301一般采用电阻实现。优选地，在本实施例中，为了避免负载301的电阻值受温度的影响，负载301所采用的电阻为恒电阻，通常为功率电阻。由于电阻为恒定电阻，其不受温度的影响进而确保了本发明的恒流输入电源控制电路不受温度的影响。
输出电压采样电路302，连接在第二滤波电路202与负载301之间，对第二滤波电路202输出的可调整的直流电压进行采样并产生第二采样电压，输出至控制模块40，通过控制模块40对输出电压平均值进行检测、判断其是否在合理范围内。优选地，输出电压采样电路302可采用电阻实现。
控制模块40包括控制电路401以及通讯电路402。
控制电路401分别与输入电压采样电路104、输入电流采样电路105、驱动电路203、以及输出电压采样电路302连接，基于采样信号、第二采样电压输出控制信号至驱动电路203。即控制电路401主要是根据输入电压采样电路104输出的第一采样电压、输入电流采样电路105输出的采样电流以及输出电压采样电路输出的第二采样电压与在控制电路401内部预先设定的对应值进行比较，并根据比较结果输出相应的控制信号至驱动电路203，驱动电路203输出至直流转换电路201，以控制直流转换电路201中的开关管的关断，进而调节输入电流，使输入电流快速恒定在设计值。优选地，在本实施例中，控制电路401可采用DSP处理器或单片机实现，通过采样DSP处理器或单片机进行反馈控制调节可使电源的输入电流能快速稳定。
通讯电路402，与控制电路401连接、供电源与外部监控器进行数据传输。可以理解地，设置通讯电路402使电源与外部监控器进行数据传输，进而可利用外部监控器对电源进行检测和控制。进一步增强对电源的监测及管理。优选地，在本实施例中，通讯电路402可采用RS485或CAN实现。
如图2所示，为本发明恒流输入电源控制电路恒流控制的逻辑图。当输入电流大于设定值时，控制电路401根据输入电流采样电路105输出的采样电流、适当调整驱动电路输出的占空比，进而改变直流转换电路201的工作状态，使输出电压减小，由于负载301所使用的电阻是恒定的，因此，可使得输入电流减小，最终达到输入电流的设定值。当输入电流小于设定值时，控制电路401根据输入电流采样电路105输出的采样电流、适当调整驱动电路输出的占空比，进而改变直流转换电路201的工作状态，使输出电压增大，由于负载301所使用的电阻是恒定的，因此，可使得输入电流增大，最终达到输入电流的设定值。
如图3所示，为本发明恒流输入电源控制电路的电路原理图。具体地：
输入接口101包括第一接口V+和第二接口V-，第一接口V+和第二接口V-分别与外部电路的相应的接口连接，使电源可与外界连接。
软启动电路102包括限流电阻R1以及继电器K1，限流电阻R1的第一端与第一接口V+连接，限流电阻R1的第二端与第一滤波电路103连接，继电器K1与限流电阻R1并联。优选地，限流电阻R1对输入电流进行限流。
第一滤波电路103包括第一滤波电感L1和第一滤波电容C1，第一滤波电感L1的第一端与限流电阻R1的第二端连接，第一滤波电感L1的第二端与第一滤波电容C1的第一端连接，第一滤波电感L1的第二端与第一滤波电容C1的第一端连接的节点还连接至电压转换模块20；第一滤波电容C1的第二端连接至第一参考地(且第一参考地与第二接口V-连接)。可以理解地，第一滤波电感L1和第一滤波电容C1的取值主要由输入电流的纹波大小决定。优选地，第一滤波电感L1的磁芯材料选择磁粉芯；第一滤波电容C1选择耐压的电解电容。
输入电压采样电路104包括电阻R4和电阻R5。电阻R4的第一端与第一接口V+连接，电阻R4的第二端与电阻R5的第一端连接；电阻R5的第二端连接至第一参考地；电阻R4与电阻R5之间的节点还连接至控制电路401的第一输入端。可以理解地，电阻R4与电阻R5之间的节点电压即为第一采样电压Vins。
输入电流采样电路105包括电阻RS、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9以及差分运算放大器。电阻RS的第一端与第一滤波电容C1的第二端连接，电阻RS的第一端还连接至第二接口V-，电阻RS的第二端与电阻R6的第一端连接；电阻R6的第二端与电阻R7的第一端连接并连接至差分运算放大器的同相输入端，电阻R7的第二端连接至第一参考地；电阻R8的第一端与差分运算放大器的反相输入端连接，电阻R8的第二端连接至第一参考地；电阻R9并联在差分运算放大器的反相输入端与输出端之间；差分运算放大器的输出端与控制电路401的第二输入端连接。可以理解地，电阻RS对输入电流进行采样，并经差分运算放大器进行处理输出采样电流Iins至控制电路401的第二输入端。优选地，电阻RS为精密电阻。
直流转换电路201包括开关管Q1和二极管D1。优选地，开关管Q1为MOSFET管；二极管D1为快恢复二极管。开关管Q1的源极与电阻RS的第二端连接，开关管Q1的漏极与二极管D1的阳极连接，开关管Q1的栅极与驱动电路203连接。
第二滤波电路202包括第二滤波电感L2及第二滤波电容C2。第二滤波电感L2的第一端与开关管Q1的漏极连接，第二滤波电感L2的第二端与第二滤波电容C2的第二端连接，第二滤波电容C2的第一端与二极管D1的阴极连接。优选地，第二滤波电容C2为电解电容。
驱动电路203包括驱动IC，驱动IC的输入端与控制电路401的输出端连接，驱动IC的输出端与开关管Q1的栅极连接。
负载301包括负载电阻RL，负载电阻RL的第一端与第二滤波电容C2的第一端连接，负载电阻RL的第二端与第二滤波电容C2的第二端连接，负载电阻RL的第二端还连接至第二参考地。优选地，负载电阻RL为阻值恒定的功率电阻。通过采用阻值恒定的功率电阻作为负载避免了负载的阻值受温度的影响。
输出电压采样电路302包括电阻R2和电阻R3，电阻R2的第一端与第二滤波电容C2的第一端连接，电阻R2的第二端与电阻R3的第一端连接，电阻R3的第二端连接至第二参考地；电阻R2与电阻R3之间的节点隔离处理后连接至控制电路401的第三输入端。可以理解地，电阻R2与电阻R3之间的节点电压即为第二采样电压Vos。
控制电路401可采用DSP处理器及相应的外围器件，或者单片机及相应的外围器件。控制电路401的通讯接口与通讯电路402连接。
以下结合图3对本发明的恒流输入电源控制电路的原理作进一步的详细说明：
假设应用本发明的恒流输入电源控制电路的电源的输入电压范围为40～300VDC，涵盖了48V、110V和220V 3种常用电压等级的蓄电池系统，蓄电池系统的放电电流要求为50A。首先将蓄电池系统与模块输入接口正确连接，模块正常工作后，输入电流首先经过限流电阻R1，第一滤波电感L1给第一滤波电容C1充电，延时之后，K1将闭合。可以理解地，第一滤波电感L1的磁芯材料选择磁粉芯，第一滤波电容C1选择350V电解电容，第一滤波电感L1和第一滤波电容C1的取值主要由输入电流的纹波大小决定。然后输入电流流经开关管Q1，二极管D1和第二滤波电感L2，第二滤波电容C2，其中开关管Q1选择600V耐压的COOLMOSFET，主要作用是实现输入电压到输出电压的变换。二极管D1选择600V快恢复二极管，主要作用是对第二滤波电感L2中的电流续流；第二滤波电感L2的作用是限制功率回路的电流变化率，有助于开关管Q1的安全运行；第二滤波电容C2的作用是使得负载电阻RL上的电压波形更稳定，一般选择电解电容；负载电阻RL的阻值由最低输入电压和最大输入电流决定。电阻R4和电阻R5组成输入电压的采样电阻网络，将第一采样Vins送入控制电路401；精密电阻RS和电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9以及运算放大器对输入电流进行采样，并输出采样电流Iins送入控制电路401；电阻R2和电阻R3组成输出电压采样电路302，将第二采样电压Vos经过隔离处理之后送入控制电路401，用于检测负载电阻RL上的平均值电压是否在合理范围内，如果超出合理范围，控制电路401则控制电源停止工作。控制电路401根据第一采样电压、采样电流的数值和相应的控制算法得到PWM方波，PWM方波经过驱动IC芯片驱动开关管Q1，控制开关管Q1的导通和关断。
假设当输入电流小于50A，控制电路401根据采样电流Iins，将PWM方波的占空比调大，使开关管Q1导通时间增大，输出电压增大，由于负载电阻RL的阻值是恒定的，最终使得输入电流增大；当输入电流大于50A，控制电路401根据采样电流Iins，将PWM方波的占空比调小，使开关管Q1导通时间减小，输出电压减小，由于负载电阻RL的阻值是恒定的，最终使得输入电流减小。经过上述反馈调节之后，最终使输入电流稳定在50A。
实施本发明的恒流输入电源控制电路，采用DSP处理器或单片机进行反馈控制调节，使电源的输入电流可快速稳定；同时采用恒阻值的电阻作为负载，不受环境温度的影响，且输入电压范围宽，可适用多种不同电压等级的蓄电池放电，合理设置参数时，电压范围可涵盖10V～400V等级的蓄电池级放电，可满足电力和通讯行业应用需要，适用范围广、实用性更强。
以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种恒流输入电源控制电路，其特征在于，包括：
与外部电路连接，接收输入信号、对所述输入信号进行滤波处理输出滤波电压并产生采样信号的输入模块；
与所述输入模块连接，将所述输入电压转换为可调整的交变电压、并对所述交变电压进行滤波输出可调整的直流电压的电压转换模块；
与所述电压转换模块连接，对所述可调整的直流电压进行采样产生第二采样电压的输出模块；
分别与所述输入模块、所述电压转换模块、以及所述输出模块连接，基于所述采样信号、所述第二采样电压输出控制信号至所述电压转换模块以调节输入电流的控制模块。
2.根据权利要求1所述的恒流输入电源控制电路，其特征在于，所述输入模块包括：
与外部电路连接的输入接口；
与所述输入接口连接、对所述电源启动时产生的冲击电流进行限制的软启动电路；
与所述软启动电路连接、对所述输入信号进行滤波处理产生滤波电压的第一滤波电路；
连接在所述输入接口与所述软启动电路之间，对所述输入信号进行电压采样产生第一采样电压的输入电压采样电路；
连接在所述输入接口与所述控制模块之间，对所述输入信号进行电流采样产生采样电流的输入电流采样电路。
3.根据权利要求2所述的恒流输入电源控制电路，其特征在于，所述电压转换模块包括：
与所述第一滤波电路连接，将所述滤波电压转换为可调整的交变电压的直流转换电路；
与所述直流转换电路连接，对所述可调整的交变电压进行滤波处理输出可调整的直流电压的第二滤波电路；
分别与所述控制模块、所述直流转换电路连接，根据所述控制模块输出的控制信号控制所述直流转换电路的驱动电路。
4.根据权利要求3所述的恒流输入电源控制电路，其特征在于，所述输出模块包括与所述第二滤波电路连接的负载、以及连接在所述第二滤波电路与所述负载之间的输出电压采样电路；所述输出电压采样电路对所述可调整的直流电压进行采样产生第二采样电压。
5.根据权利要求4所述的恒流输入电源控制电路，其特征在于，所述负载为恒电阻负载，所述恒电阻为功率电阻。
6.根据权利要求4所述的恒流输入电源控制电路，其特征在于，所述控制模块包括分别与所述输入电压采样电路、所述输入电流采样电路、所述驱动电路、以及所述输出电压采样电路连接，基于所述采样信号、所述第二采样电压输出所述控制信号至所述驱动电路的控制电路。
7.根据权利要求6所述的恒流输入电源控制电路，其特征在于，所述控制模块还包括与所述控制电路连接、供所述电源与外部监控器进行数据传输的通讯电路。
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