CN106712486B - 一种高压开关电源自适应软启动系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到一种高压开关电源自适应软启动系统及方法，属于高压开关电源启动技术领域。能够使2kV以上直流高压开关电源均能按设定的升压斜率升至额定电压；主要包括电源、整流滤波电路、逆变电路、脉冲变压器、高压整流、电压/电流采样电路、电压比较器、单刀双掷开关A、单刀双掷开关B、斜坡电压产生电路、斜坡电流产生电路、误差放大器和软启动控制电路。包括电压/电流采样电路采样；电压比较器输出相应电压值；切换两个单刀双掷开关；误差放大器进行误差计算，输出控制电压给软启动控制电路；软启动控制电路再控制逆变电路使高压开关电源升至额定电压；有效减小容性和感性负载产生的浪涌电流或过冲电压，提高开关电源可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压开关电源自适应软启动系统和方法，尤其涉及一种能够实现2kV以上高压开关电源在容性负载或者感性负载时均能按照设定的升流斜率或者升压斜率升至额定输出电压的技术，属于高压开关电源软启动技术领域。
背景技术
高压开关电源具有输入电压范围宽、转换效率高、输出纹波小和工作稳定等特点而被广泛运用，其负载形式可为容性负载或感性负载。普通的软启动高压开关电源在容性负载或者感性负载时其升流斜率或者升压斜率比设定的斜率大的多，这样极易导致开关电源输出浪涌电流过大或者电压过冲而导致开关电源和负载的损坏。采用自适应软启动技术可实现高压开关电源无论是何种负载均能按设定的升流斜率或者升压斜率输出额定电压，可有效减小浪涌电流或过冲电压对高压开关电源和负载的冲击，提高高压开关电源的可靠性和负载的安全性。
与本发明相关的典型文章共3篇、专利2项，下面分别对其剖析：
《微电子学》第32卷第1期中“一种采用电压补偿技术的DC/DC开关电源的软启动电路”一文提出了一种采用电压补偿技术的软启动控制电路，对开关电源合闸浪涌电流有一定的抑制作用，并对开关电源容性负载电子系统具有一定的保护作用，但对感性负载仍然会产生很大的过冲电压。
《电源世界》2004第12期“开关电源软启动电路的设计与应用”中分析了热敏电阻防冲击电流电路、晶闸管防冲击电流电路、具有断电检测的晶闸管防冲击电流电路和定时器和限流电阻防冲击电流电路等6种软启动电路的优缺点，主要存在响应时间慢、电源断电重新接通后失去防冲击电流作用等问题。
《电子器件》第31卷第2期中“一种DC-DC开关电源的新颖软启动电路设计”一文中提出了一种基于MOS工艺的新颖软启动电路，利用限流和数字软启动技术，实现了输出电压快速、稳定的软启动。但是由于在实际运用过程中电源负载的复杂性和不确定性，存在着不能同时兼顾容性负载浪涌电流影响和感性负载过冲电压影响的问题。
专利号为200910234284，标题为一种数模转换控制的DC-DC开关电源软启动电路，本发明公开了一种数模转换控制的DC-DC开关电源软启动电路，该电路包括振荡器，计数器，数模转换器，误差比较器，PWM比较器，开关控制器；开关控制器的Q输出端接外部开关整流管的栅级，QN输出端接外部续流管的栅级，PWM比较器的输出端与振荡器的输出端连接到开关控制器的输入端，PWM比较器的输入端分别接振荡器的输出端和误差放大器的输出端，误差比较器的输入一端是输出采样电压，另外一端是输入数模转换器产生的电压，误差比较器的输出端输出的是采样电压和数模转换器产生的电压的差值放大信号，计数器的一端连接的是振荡器的输出，另外一端是清零信号，输出是8位的并行信号。在电源加电时控制误差比较器输入端的基准电压的大小，使其从小到大成阶梯状上升，使输出端的电压跟随这个基准电压缓慢上升，避免了启动过程中的过冲电压，实现了软启动的功能。该发明对开关电源感性负载时产生的过冲电压时具有很好的抑制效果，而对在容性负载时产生的浪涌电流的抑制效果不佳。
专利号为200810046622，标题为一种脉宽调制DC-DC开关电源的软启动电路，公开了一种脉宽调制DC-DC开关电源的软启动电路，包括分频计数模块、电流阈值模块、电流采样模块、限流比较器、二输入或门、振荡器和RS触发器。在外部开关整流管导通时采样功率电感上的电流，通过限制其峰值电流分阶段由小到大变化，来控制占空比阶梯型变化，使输出电压分阶段缓慢上升，可有效避免启动过程中的浪涌电流，但是存在对感性负载时产生的过冲电压抑制能力不好的问题。
以上文献和专利要么对浪涌电流有很好的抑制作用，要么对过冲电压有很好的抑制作用，二者不能兼顾。由于开关电源负载的复杂性和不确定性，以上文献和专利存在着一定的局限性，而且不能根据需要设定升压或升流斜率。
发明内容
本发明的目的在于克服高压开关电源在容性负载时产生浪涌电流和在感性负载时产生过冲电压得问题，提出了一种高压开关电源软启动自适应软启动系统和方法，具体的说，该技术能够保证高压开关电源无论在容性负载还是感性负载时均能按设定的升流斜率或者升压斜率升至额定电压。
为了达到上述目的，本发明一种高压开关电源自适应软启动系统和方法包含一种高压开关电源自适应软启动系统和一种高压开关电源自适应软启动方法。
其中，一种高压开关电源自适应软启动系统主要包括电源、整流滤波电路、逆变电路、脉冲变压器、高压整流、电压/电流采样电路、电压比较器、单刀双掷开关A、单刀双掷开关B、斜坡电压产生电路、斜坡电流产生电路、误差放大器和软启动控制电路；
其中，电源为高压开关电源；
一种高压开关电源自适应软启动系统中的连接关系如下：
整流滤波电路(1)和逆变电路(2)相连；逆变电路(2)和整流滤波电路(1)、脉冲变压器(3)、软启动控制电路(10)连接；脉冲变压器(3)和逆变电路(2)、高压整流(4)连接；高压整流(4)和脉冲变压器(3)、电压/电流采样电路(5)连接；电压/电流采样电路(5)的电压采样输出和电压比较器(8)、单刀双掷开关B(12)连接；电压/电流采样电路(5)的电流采样输出和单刀双掷开关B(12)连接；斜坡电压产生电路(6)和电压比较器(8)、单刀双掷开关B(12)连接；斜坡电压产生电路(6)和电压比较器(8)、单刀双掷开关A(11)连接；斜坡电流产生电路7和单刀双掷开关A(11)连接；电压比较器(8)和电压/电流采样电路(5)、斜坡电压产生电路(6)、单刀双掷开关A(11)、单刀双掷开关B(12)连接；误差放大器(9)和单刀双掷开关A(11)、单刀双掷开关B(12)和软启动控制电路(10)连接；软启动控制电路(10)和逆变电路(2)以及误差放大器(9)连接。
一种高压开关电源自适应软启动系统中的各模块功能如下：
电压/电流采样电路(5)主要将高压开关电源输出的电压和电流按一定比例转换成0～5V的直流电压；斜坡电压产生电路(6)能够按设定的升压斜率产生斜坡电压；斜坡电流产生电路(7)能够按设定的升流斜率产生斜坡电流；电压比较器(8)是将电压采样输出和设定的斜坡电压进行比较，若电压采样输出大于斜波电压时输出正电压，反之输出为负电压；误差放大器(9)是将设定的斜坡电压/斜坡电流与电压采样输出/电流采样输出进行比较；软启动控制电路(10)的主要作用是根据误差放大器的输出来控制逆变电路使开关电源按设定的升压斜率或升流斜率升至额定电压。
一种高压开关电源自适应软启动方法，具体步骤为：
步骤1.接通一种高压开关电源自适应软启动系统的电源后，电压/电流采样电路分别输出电压采样值和电流采样输出的直流电压，斜坡电压产生电路输出直流斜坡电压；
其中，采样输出和斜坡电压产生电路输出的直流电压范围为0到5V；
步骤2.电压比较器对输入的斜坡电压和步骤1输出的电压采样值进行比较，并根据比较结果输出相应电压值，并据此决定跳至步骤3还是步骤4，具体为：
2.1当电压采样值输出高于设定的斜坡电压时，说明此时为感性负载，电压比较器输出5V，跳至步骤3；
2.2当电压采样值输出低于或等于设定的斜坡电压时，电压比较器输出为-5V，跳至步骤4；
步骤3.将单刀双掷开关A和单刀双掷开关B均接到a端，跳至步骤5；
步骤4.将单刀双掷开关A和单刀双掷开关B均接到b端；
步骤5.误差放大器将步骤1输出的电压采样输出和斜坡电压设定值进行误差计算，输出控制电压给软启动控制电路；
步骤6.软启动控制电路根据步骤5误差放大器的输出控制逆变电路使高压开关电源按设定的升压斜率或升流斜率升至额定电压；
至此，从步骤1至步骤6，完成了一种高压开关电源自适应软启动方法。
有益效果
一种高压开关电源自适应软启动系统和方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明所提的系统无论高压开关电源的负载是容性的还是感性的均能按照设定的升压斜率升压至额定值；
本发明所提的方法可有效减小浪涌电流或者过冲电压对高压开关电源和负载的冲击，提高高压开关电源的可靠性和负载的安全性。
附图说明
图1是本发明一种高压开关电源自适应软启动系统和方法的系统组成框图；
图2是本发明一种高压开关电源自适应软启动系统和方法在实施例中的自适应软启动升压波形对比图；
图3是本发明一种高压开关电源自适应软启动系统和方法在实施例中的自适应软启动升流波形对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做以下详细描述。
图1是本发明一种高压开关电源自适应软启动系统和方法的系统组成框图。
由图1可以看出，实现本发明高压开关电源自适应软启动系统和方法的电路一般包括电压/电流采样电路、电压比较器、斜坡电压产生电路、斜坡电流产生电路、误差放大器和软启动控制电路。
本发明的工作过程如下：
电源供电后，整流滤波电路1将交流电压转换成直流电压，逆变电路2将直流电压转变成脉冲电压，变压器3将脉冲电压按一定变比提升至额定值，高压整流电路4将高压脉冲电压整流成直流高压输出。
当电压/电流采样电路5输出的电压采样值和斜坡电压产生电路6输出的斜坡电压通过电压比较器8比较，若电压采样值大于设定的斜坡电压时，电压比较器8输出低电平，负载为感性负载；若电压采样值小于设定的斜坡电压时，电压比较器8输出高电平，负载为容性负载。
在感性负载时，误差放大器9将设定的斜坡电压与电压采样值之差按一定的比例放大输出给软启动控制电路10，软启动控制电路10控制逆变电路2，使高压开关电源按照设定的升压斜率升至额定输出电压；在容性负载时，误差放大器9将设定的斜坡电流与电流采样值之差按一定的比例放大输出给软启动控制电路10，软启动控制电路10控制逆变电路2，使高压开关电源按照设定的升流斜率升至额定输出电压。
图2示出了采用本发明一种高压开关电源自适应软启动系统和方法的开关电源和普通软启动开关电源在感性负载时升压波形对比。横坐标代表时间，纵坐标代表电压。虚线代表普通软启动开关电源感性负载时升压波形，实折线为采用自适应软启动技术开关电源的升压波形，实直线为设定的斜坡电压。从图中可以看出普通软启动开关电源感性负载时升压波形的斜率明显陡峭的多，而且有过冲现象，会对负载产生冲击并可能造成损害；采用本发明一种高压开关电源自适应软启动系统和方法后无论高压开关电源的感性负载情况如何，开关电源都会按照设定的斜坡电压升至额定电压。
图3示出了采用本发明一种高压开关电源自适应软启动系统和方法的开关电源和普通软启动开关电源在容性负载时升流波形对比。横坐标代表时间，纵坐标代表电流。虚线代表普通软启动开关电源容性负载时升流波形，实折线为采用自适应软启动技术的升流波形，实直线为设定的斜坡电流。从图中可以看出普通软启动开关电源容性负载时升流波形的斜率明显陡峭的多，而且有浪涌现象，会对负载产生冲击并可能造成损害；采用本发明一种高压开关电源自适应软启动系统和方法后无论高压开关电源的容性负载情况如何，开关电源都会按照设定的斜坡电流升至额定电压。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (2)
1.一种高压开关电源软启动自适应软启动系统，其特征在于：能够保证高压开关电源无论在容性负载还是感性负载时均能按设定的升流斜率或者升压斜率升至额定电压；主要包括输入电源、整流滤波电路、逆变电路、脉冲变压器、高压整流、电压/电流采样电路、电压比较器、单刀双掷开关A、单刀双掷开关B、斜坡电压产生电路、斜坡电流产生电路、误差放大器和软启动控制电路；
一种高压开关电源自适应软启动系统中的连接关系如下：
整流滤波电路(1)和逆变电路(2)相连；逆变电路(2)和整流滤波电路(1)、脉冲变压器(3)、软启动控制电路(10)连接；脉冲变压器(3)和逆变电路(2)、高压整流(4)连接；高压整流(4)和脉冲变压器(3)、电压/电流采样电路(5)连接；电压/电流采样电路(5)的电压采样输出和电压比较器(8)以及单刀双掷开关B(12)的a端连接；电压/电流采样电路(5)的电流采样输出和单刀双掷开关B(12)的b端连接；斜坡电压产生电路(6)和电压比较器(8)、单刀双掷开关A(11)的a端连接；斜坡电流产生电路7和单刀双掷开关A(11)的b端连接；电压比较器(8)和电压/电流采样电路(5)、斜坡电压产生电路(6)、单刀双掷开关A(11)、单刀双掷开关B(12)连接；误差放大器(9)和单刀双掷开关A(11)、单刀双掷开关B(12)和软启动控制电路(10)连接；软启动控制电路(10)和逆变电路(2)以及误差放大器(9)连接；
一种高压开关电源自适应软启动系统中的各模块功能如下：
电压/电流采样电路(5)主要将高压开关电源输出的电压和电流按一定比例转换成0～5V的直流电压；斜坡电压产生电路(6)能够按设定的升压斜率产生斜坡电压；斜坡电流产生电路(7)能够按设定的升流斜率产生斜坡电流；电压比较器(8)是将电压采样输出和设定的斜坡电压进行比较，若电压采样输出大于斜波电压时输出正电压，反之输出为负电压；误差放大器(9)是将设定的斜坡电压/斜坡电流与电压采样输出/电流采样输出进行比较；软启动控制电路(10)的主要作用是根据误差放大器的输出来控制逆变电路使开关电源按设定的升压斜率或升流斜率升至额定电压。
2.一种应用于权利要求1所述的一种高压开关电源软启动自适应软启动系统的高压开关电源软启动自适应软启动方法，其特征还在于：具体步骤为：
步骤1.接通一种高压开关电源自适应软启动系统的电源后，电压/电流采样电路分别输出电压采样值和电流采样输出的直流电压，斜坡电压产生电路输出直流斜坡电压；
其中，采样输出的直流电压范围为0到5V；
步骤2.电压比较器对输入的斜坡电压和步骤1输出的电压采样值进行比较，并根据比较结果输出相应电压值，并据此决定跳至步骤3还是步骤4，具体为：
2.1当电压采样值输出高于设定的斜坡电压时，说明此时为感性负载，电压比较器输出5V，跳至步骤3；
2.2当电压采样值输出低于或等于设定的斜坡电压时，电压比较器输出为-5V，跳至步骤4；
步骤3.将单刀双掷开关A和单刀双掷开关B均接到a端，跳至步骤5；
步骤4.将单刀双掷开关A和单刀双掷开关B均接到b端，跳至步骤6；
步骤5.误差放大器将步骤1输出的电压采样输出和斜坡电压进行误差计算，输出控制电压给软启动控制电路；
步骤6.误差放大器将步骤1输出的电流采样输出和斜坡电流进行误差计算，输出控制电压给软启动控制电路；
步骤7.软启动控制电路根据误差放大器的输出控制逆变电路使高压开关电源按设定的升压斜率或升流斜率升至额定电压，具体为：
在感性负载时，误差放大器将设定的斜坡电压与电压采样值之差比例放大输出给软启动控制电路，软启动控制电路控制逆变电路，使高压开关电源按照设定的升压斜率升至额定输出电压；在容性负载时，误差放大器将设定的斜坡电流与电流采样值之差比例放大输出给软启动控制电路，软启动控制电路控制逆变电路，使高压开关电源按照设定的升流斜率升至额定输出电压。
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