CN107257197B - 一种应用于脉冲负载的电流正反馈控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于脉冲负载的电流正反馈控制系统及方法，包括：输出电压采样电路、输出电流采样电路、输出电流瞬态补偿电路、闭环发波电路；所述输出电流采样电路用于负载端的输出电流采样，将输出电流采样信号Ios传输给输出电流瞬态补偿电路；所述输出电压采样电路用于对负载端的输出电压进行采样，将采样后的Uos信号传输给输出电流瞬态补偿电路；输出电流瞬态补偿电路与闭环发波电路连接，对负载输入端电流进行瞬态补偿。本发明实施例在电压环稳定系统中，通过采样输出电流，直接对功率电路进行瞬态补偿，实现了对所需要的快速瞬态反应控制的目的。

Description

一种应用于脉冲负载的电流正反馈控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电路控制技术领域，尤其涉及一种应用于脉冲负载的电流正反馈控制系统及方法。

背景技术

现代工业控制中，对开关电源的指标要求越来越严格，为了达到良好的稳态以及动态性能，开关电源控制回路往往采用PID控制的方式。对于一些特殊场合，如雷达电源、行波管电源中，要求开关电源在脉冲负载的工况下依旧能够达到良好的动态性能。而采取常规PID控制方式的开关电源对脉冲负载不能达到有效的控制目的，需要增加输出电容用于储能放电以满足动态性能指标的要求。但对于输出脉冲能量较大、脉宽较宽、电压波动较敏感的开关电源而言，一味的采取并联储能电容的方式不仅增大了电源的体积、增加了电源的成本，还在一定程度上降低了电源的使用寿命。如某雷达电源输出指标要求如下：输出额定电压352VDC、输出平均功率10kW、输出脉冲功率30kW、脉冲宽度2ms、负载稳定度≤1％。综合考虑成本以及有效降额等因素，该电源平均输出功率设置在15kW，因此为了达到负责稳定度≤1％的动态指标要求，需要在其输出侧并联容值大于4800uF的电容，这将大大增加电源的体积与成本。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种用于脉冲负载的电流正反馈控制系统及方法，用以解决脉冲负载的瞬态控制等诸多问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

在基于本发明实施例的一个方面，提供了一种用于脉冲负载的电流正反馈控制系统，包括：输出电压采样电路、输出电流采样电路、输出电流瞬态补偿电路、闭环发波电路；所述输出电流采样电路用于负载端的输出电流采样，将输出电流采样信号Ios传输给输出电流瞬态补偿电路；所述输出电压采样电路用于对负载端的输出电压进行采样，将采样后的Uos信号传输给输出电流瞬态补偿电路；输出电流瞬态补偿电路与闭环发波电路连接，对负载输入端电流进行瞬态补偿。

在基于本发明系统的另一个实施例中，输出电流采样电路包括：电阻R1、R2、R3、R4，高速运算放大器N1；R1、R2分别连接在负载电路中采样电阻Rs的两端，R1的另一端分别连接R3的一端、比较器N1正向输入端，R3的另一端接地，R2的另一端分别连接R4的一端、N1的反向输入端，R4的另一端与N1的输出端连接，N1的输出端输出电流采样信号Ios。

在基于本发明系统的另一个实施例中，R1、R2、R3、R4为比例电阻，R1＝R2、R3＝R4，Ios＝Io×Rs×R3/R1，其中Rs为输出电流采样电阻，Io为输出电流。

在基于本发明系统的另一个实施例中，输出电压采样电路包括：电阻R9、R10，R9的一端与负载的输出电压的正极连接，R9的另一端与R10的一端连接，R10的另一端接地，R9和R10的连接处为输出电压采样信号Uos的输出端。

在基于本发明系统的另一个实施例中，输出电流瞬态补偿电路包括：电阻R5、R6、R7、R8，电容C1、C2、C3、C4，高速运算放大器N2；R5的一端接入输出电流采样电路输出的Ios，R5的另一端与C1的一端连接，C1的另一端分别与N2的正向输入端、R6的一端连接，R6的另一端接入电压基准信号Vref，R7的一端接入输出电压采样电路输出的电压采样信号Uos，R7的另一端分别与N2的反向输入端、C4的一端、C3的一端、C2的一端连接，C2的另一端与R8的一端连接，C4的另一端与R7的一端连接，R8的另一端和C3的另一端分别与N2的输出端连接，N2的输出端为输出电流瞬态补偿电路的输出端。

在基于本发明系统的另一个实施例中，Vref根据系统需要设定的输出电压值确定；Uos是对输出电压Uo进行采样得到的采样信号，Uo由公式Uo＝Vref*(R9+R10)/R10来确定。

在基于本发明系统的另一个实施例中，闭环发波电路包括：门电路M1和高速运算放大器N3，N3的正向输入端为闭环发波电路的输入端，N3的反向输入端接入脉冲负载所在功率电路中功率器件的电流Imos。

在基于本发明实施例的另一个方面，提供了一种采用于脉冲负载的电流正反馈控制方法，包括：

步骤S1、输出电流快速采样；

步骤S2、对步骤S1中得到的采样电流进行微分，并在输入端进行瞬态补偿；

步骤S3、调节各元器件参数。

在基于本发明方法的另一个实施例中，步骤S3具体包括：

步骤S31、首先去掉C1、R5，调节R6、R7、R8、C2、C3、C4使系统在空载、轻载以及平均负载工作时能够稳定；

步骤S32、综合考虑脉冲负载的能量大小以及脉冲宽度，粗略选择C1、R5加入瞬态补偿中进行仿真；

步骤S33、根据仿真结果调节C1、R5，同时兼顾脉冲负载下的电压跌落以及超调，迭代选择C1、R5的值以达到最优效果。

在基于本发明方法的另一个实施例中，C1、R5用于电流正反馈参数的调节，决定了电流正反馈瞬态补偿的深度以及时间，具体取值为：C1＝1nF；R5＝1k。

本发明有益效果如下：

本发明实施例在电压环稳定系统中，通过采样输出电流，直接对功率电路进行瞬态补偿，实现了对所需要的快速瞬态反应控制的目的；最大限度减小了输出电容；可以少用甚至不用体积庞大，寿命低，温度特性差的储能电解电容；减小了设备体积，降低了成本，提高了设备寿命；实现简单，有经典的理论基础。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明一个实施例的电路示意图；

图2为本发明另一个实施例的电路示意图；

图3为不加入电流正反馈控制时输出电压Uo加减载的波形图；

图4为加入电流正反馈控制时输出电压Uo加减载的波形图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

根据本发明的一个具体实施例，公开了一种用于脉冲负载的电流正反馈控制系统，本实施例中被控对象脉冲负载具体为BUCK功率电路；如图1所示，所述控制系统包括输出电压采样电路、输出电流采样电路、输出电流瞬态补偿电路、闭环发波电路；所述输出电流采样电路用于负载端的输出电流采样，将输出电流采样信号Ios传输给输出电流瞬态补偿电路；所述输出电压采样电路用于对负载端的输出电压进行采样，将采样后的Uos信号传输给输出电流瞬态补偿电路；输出电流瞬态补偿电路与闭环发波电路连接，对负载输入端电流进行瞬态补偿。

负载电路为功率电路，包括一般常见的开关电源拓扑，如BOOST、BUCK、正激、反激以及由这几种基本拓扑衍生出来的其他拓扑结构。

如图2所示，输出电流采样电路包括：电阻R1、R2、R3、R4，高速运算放大器N1；R1、R2分别连接在负载电路中Rs的两端，R1的另一端分别连接R3的一端、比较器N1正向输入端，R3的另一端接地，R2的另一端分别连接R4的一端、N1的反向输入端，R4的另一端与N1的输出端连接，N1的输出端输出电流采样信号Ios。

输出电流采样电路是对功率电路的输出电流Io进行采集得到Ios，送给输出电流瞬态补偿电路，通常分为隔离与非隔离两种形式，本发明实施例优选使用非隔离电阻采样方式以实现对输出电流变化的最快采样。

其中，Co：输出滤波电容；Ro：输出负载；Uo：输出电压；Io：输出电流；Rs：输出电流采样电阻，通常为专门用于电流采样的电阻器或是康铜丝；N1：高速运算放大器，其输出Ios为用于电流正反馈的输出电流采样信号；R1、R2、R3、R4为比例电阻，用于对Rs两端电压的比例放大，通常R1＝R2、R3＝R4，则Ios＝Io×Rs×R3/R1。

输出电压采样电路包括：电阻R9、R10，R9的一端与负载的输出电压的正极连接，R9的另一端与R10的一端连接，R10的另一端接地，R9和R10的连接处为输出电压采样信号Uos的输出端。

输出电压采样电路是对功率电路的输出电压Uo进行采集得到Uos，送给输出电流瞬态补偿电路，通常分为隔离与非隔离两种形式。

输出电流瞬态补偿电路包括：电阻R5、R6、R7、R8，电容C1、C2、C3、C4，高速运算放大器N2；R5的一端接入输出电流采样电路输出的Ios，R5的另一端与C1的一端连接，C1的另一端分别与N2的正向输入端、R6的一端连接，R6的另一端接入电压基准信号Vref，由系统需要设定的输出电压值确定，本例中设置为5V。R7的一端接入输出电压采样电路输出的电压采样信号Uos，Uos是对输出电压Uo进行采样得到的采样信号，Uo由公式Uo＝Vref*(R9+R10)/R10来确定；R7的另一端分别与N2的反向输入端、C4的一端、C3的一端、C2的一端连接，C2的另一端与R8的一端连接，C4的另一端与R7的一端连接，R8的另一端和C3的另一端分别与N2的输出端连接，N2的输出端为输出电流瞬态补偿电路的输出端。

具体地，R6、R7、R8、C2、C3、C4为用于PID补偿的阻容网络，其参考取值为：R6＝R7＝10k、R8＝51k、C2＝10nF、C3＝470pF、C4＝100pF；C1、R5用于电流正反馈参数的调节，决定了电流正反馈瞬态补偿的深度以及时间，其参考取值为：C1＝1nF；R5＝1k。

本发明实施例中，输出电流瞬态补偿电路在常规的PID控制基础上，加入C1、R5以提供输出电流瞬态补偿；

闭环发波电路包括：门电路M1和高速运算放大器N3，N3的正向输入端为闭环发波电路的输入端，N3的反向输入端接入主功率拓扑中功率器件的电流Imos；Imos通常使用电阻器或是电流互感器进行采集，采样比例通常选取1/100，即MOS管流过1A电流时Imos＝10mA，PWM为主功率拓扑中功率器件的驱动信号，此信号经过图2中的闭环发波电路给BUCK功率单元中的Q1(MOS管)。

闭环发波电路是将输出电流瞬态补偿电路的输出EA信号与功率电路中功率器件的电流采样信号进行比较，生成PWM信号.

在本发明的另一个实施例中，提供了一种应用于脉冲负载的电流正反馈控制方法，包括以下步骤：

S1、输出电流快速采样；

为准确反映输出负载电流，推荐在输出端口直接采用电阻采样，经过高速放大器处理效果最好。由于采样位置在负载侧，没有电容滤波的影响，可以最快速度采样负载电流。在本发明的一个实施例中使用采用电阻采样输出电流。

S2、对步骤S1中得到的采样电流进行微分，并在输入端进行瞬态补偿；

在本发明的一个实施例中在误差放大器侧的补偿方法如图2所示。其中：Ios为输出电流采样信号；Vref为电压基准信号；Vos为负载输出电压Vo的采样信号；Imos为主功率拓扑中功率器件的电流，通常使用电阻器或是电流互感器进行采集；N2为高速运算放大器；N3为高速比较器；PWM为主功率拓扑中功率器件的驱动信号；R6、R7、R8、C2、C3、C4为用于PID补偿的阻容网络，其参考取值为：R6＝R7＝10k、R8＝51k、C2＝10nF、C3＝470pF、C4＝100pF；C1、R5用于电流正反馈参数的调节，决定了电流正反馈瞬态补偿的深度以及时间，其参考取值为：C1＝1nF；R5＝1k。

在本发明的另一个实施例中，采用在电流比较器电流采样端的补偿方法，现有技术中其他的补偿方法也可以使用。

S3、调节各元器件参数；

S31、首先去掉C1、R5，调节R6、R7、R8、C2、C3、C4使系统在空载、轻载以及平均负载工作时能够稳定；

调节R6、R7、R8、C2、C3、C4的方法为现有技术中常见的闭环参数调节方法。

S32、综合考虑脉冲负载的能量大小以及脉冲宽度，粗略选择C1、R5加入瞬态补偿中进行仿真，其中C1决定补偿时间，其值越大补偿时间越久；R5决定补偿深度，其值越小补偿幅度越大；

S33、根据仿真结果调节C1、R5，同时兼顾脉冲负载下的电压跌落以及超调，迭代选择C1、R5的值以达到最优效果。

在本发明的另一个具体实施例中，

采用了BUCK拓扑结构，使用了输出电流采样方法；图2中的闭环控制方式。其中：Uin为输入600V直流电压；Cin为输入滤波电容，容值470uF；Q1为功率MOS管；D1为功率二极管；CT为电流互感器，采样得到MOS管的电流Imos；L1为BUCK滤波电感，感值300uH；Co为输出滤波电容，容值2000uF；Ro1为输出负载1，阻值100Ω；Ro2为输出负载2，阻值12Ω；S1为负载开关，本例中开通时间为30ms；Uo为输出352V直流电压；R9、R10为输出电压采样电阻，阻值分别为347kΩ和5kΩ，采样得到Uos；Rs为输出电流采样电阻，使用阻值为5mΩ的康铜丝；比例放大电阻R1＝R2＝1kΩ、R3＝R4＝25kΩ；N1、N2为高速运算放大器；N3为高速比较器；补偿网络取值为R6＝R7＝10kΩ、R5＝1kΩ；R8＝51k；C2＝10nF、C3＝470pF、C4＝100pF、C1＝1nF；N3为高速比较器；M1为RS触发器，用于峰值电流控制；V_pulse为频率100kHZ，占空比99％的脉冲信号，其在峰值电流控制中决定了驱动信号的频率以及最大占空比。

图3为不加入电流正反馈控制(C1、R5)时输出电压Uo的加减载的波动情况，从图中可以看出，其在第0.1s突加30A负载时，电压跌落2.8V，在0.13s时突减30A负载时，电压超调2.7V。

图4为加入电流正反馈控制(C1、R5)时输出电压Uo的加减载的波动情况，从图中可以看出，其在第0.1s突加30A负责时，电压跌落0.9V，在0.13s时突减30A负载时，电压超调0.05V。

对比图3、图4，加入电流正反馈控制后，输出电压跳变有明显的减小。

有益效果：本发明实施例在电压环稳定系统中，通过采样输出电流，直接对功率电路进行瞬态补偿，实现了对所需要的快速瞬态反应控制的目的；最大限度减小了输出电容；可以少用甚至不用体积庞大，寿命低，温度特性差的储能电解电容；减小了设备体积，降低了成本，提高了设备寿命；实现简单，有经典的理论基础。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于脉冲负载的电流正反馈控制系统，其特征在于，包括：输出电压采样电路、输出电流采样电路、输出电流瞬态补偿电路、闭环发波电路；所述输出电流采样电路用于负载端的输出电流采样，将输出电流采样信号Ios传输给输出电流瞬态补偿电路；所述输出电压采样电路用于对负载端的输出电压进行采样，将采样后的Uos信号传输给输出电流瞬态补偿电路；输出电流瞬态补偿电路与闭环发波电路连接，对负载输入端电流进行瞬态补偿；

所述输出电流采样电路包括：电阻R1、R2、R3、R4，高速运算放大器N1；R1、R2分别连接在负载电路中采样电阻Rs的两端，R1的另一端分别连接R3的一端、高速运算放大器N1正向输入端，R3的另一端接地，R2的另一端分别连接R4的一端、N1的反向输入端，R4的另一端与N1的输出端连接，N1的输出端输出电流采样信号Ios，R1、R2、R3、R4为比例电阻，R1＝R2、R3＝R4，Ios＝Io×Rs×R3/R1，其中Rs为输出电流采样电阻，Io为输出电流；

所述输出电压采样电路包括：电阻R9、R10，R9的一端与负载的输出电压的正极连接，R9的另一端与R10的一端连接，R10的另一端接地，R9和R10的连接处为输出电压采样信号Uos的输出端；

所述输出电流瞬态补偿电路包括：电阻R5、R6、R7、R8，电容C1、C2、C3、C4，高速运算放大器N2；R5的一端接入输出电流采样电路输出的Ios，R5的另一端与C1的一端连接，C1的另一端分别与N2的正向输入端、R6的一端连接，R6的另一端接入电压基准信号Vref，R7的一端接入输出电压采样电路输出的电压采样信号Uos，R7的另一端分别与N2的反向输入端、C4的一端、C3的一端、C2的一端连接，C2的另一端与R8的一端连接，C4的另一端与R7的一端连接，R8的另一端和C3的另一端分别与N2的输出端连接，N2的输出端为输出电流瞬态补偿电路的输出端。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，Vref根据系统需要设定的输出电压值确定；Uos是对输出电压Uo进行采样得到的采样信号，Uo由公式Uo＝Vref*(R9+R10)/R10来确定。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，闭环发波电路包括：门电路M1和高速运算放大器N3，N3的正向输入端为闭环发波电路的输入端，N3的反向输入端接入脉冲负载所在功率电路中功率器件的电流Imos。

4.一种采用权利要求3所述系统的电流正反馈控制方法，其特征在于，包括：

步骤S1、输出电流快速采样；

步骤S2、对步骤S1中得到的采样电流进行微分，并在输入端进行瞬态补偿；

步骤S3、调节各元器件参数。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S3具体包括：

步骤S31、首先去掉C1、R5，调节R6、R7、R8、C2、C3、C4使系统在空载、轻载以及平均负载工作时能够稳定；

步骤S32、综合考虑脉冲负载的能量大小以及脉冲宽度，粗略选择C1、R5加入瞬态补偿中进行仿真；

步骤S33、根据仿真结果调节C1、R5，同时兼顾脉冲负载下的电压跌落以及超调，迭代选择C1、R5的值以达到最优效果。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，C1、R5用于电流正反馈参数的调节，决定了电流正反馈瞬态补偿的深度以及时间，具体取值为：C1＝1nF；R5＝1kΩ 。