CN109617428B - 一种开关电源及电机驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种开关电源及电机驱动系统。开关电源包括：谐振电路，用于输出负载电压；电压模式转换电路，与谐振电路连接，用于采样负载电压，并且，响应于输入的模式调节指令，将负载电压转换至与模式调节指令对应的参考电压；反馈电路，分别与谐振电路和电压模式转换电路连接，用于根据参考电压，产生反馈电流；电压控制电路，分别与反馈电路和谐振电路连接，用于根据反馈电流，调节谐振电路输出的负载电压至预设电压值。区别于现有技术，在转换电压模式下，开关电源工作比较稳定以及转换速度快。

Description

一种开关电源及电机驱动系统
技术领域
本发明实施例涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种开关电源及电机驱动系统。
背景技术
一些负载具有多种电压工作模式，例如，直流电机可受多种负载电压的驱动而工作在对应转速的状态。
改变负载的电压工作模式，传统作法一般是采用软件形式，通过改变驱动负载的控制逻辑，进而调节负载工作在对应电压下，例如，调节电机转速时，单片机改变PWM信号的占空比，以改变所述PWM信号控制开关管的关断与导通时间，进而改变由开关管控制输出平均电压的大小，以此改变电机的转速。
然而，由于软件是采用PWM控制方式，因此施加到电机上的电压也是一个开关形态，相对来讲是电机间隙被通电，尤其是低转速时会出现转速不稳定状态，因此在改变负载的电压工作模式时，传统作法是不稳定的。
发明内容
本发明实施例提供一种开关电源及电机驱动系统，其工作稳定。
本发明实施例解决其技术问题提供以下技术方案：
一种开关电源，包括：
谐振电路，用于输出负载电压；
电压模式转换电路，与所述谐振电路连接，用于采样所述负载电压，并且，响应于输入的模式调节指令，将所述负载电压转换至与所述模式调节指令对应的参考电压；
反馈电路，分别与所述谐振电路和所述电压模式转换电路连接，用于根据所述参考电压，产生反馈电流；
电压控制电路，分别与所述反馈电路和所述谐振电路连接，用于根据所述反馈电流，调节所述谐振电路输出的负载电压至预设电压值。
可选地，在选择的电压模式下，所述模式调节指令为不间断的高电平或低电平。
可选地，所述谐振电路包括：
初级绕组电路，与所述电压控制电路连接，用于储存能量；
次级绕组电路，与所述初级绕组耦合，用于输出负载电压，其中，所述电压控制电路根据所述反馈电流，调节所述初级绕组电路的储存能量至预设能量值，以调节所述负载电压至预设电压值。
可选地，所述电压模式转换电路包括：
分压电路，与所述次级绕组电路连接，用于将所述负载电压作分压处理；
若干开关电路，每个所述开关电路包括第一节点与第二节点，每个所述开关电路以及所述分压电路皆共用所述第一节点，所述第二节点用于接收所述模式调节指令，所述模式调节指令用于控制所述开关电路的工作状态，以将所述第一节点的电位偏置在与所述模式调节指令对应的参考电压。
可选地，所述反馈电路包括：
光耦隔离电路，与所述次级绕组电路连接，所述光耦隔离电路包括光耦，所述负载电压对应的电流流经所述光耦的原边，所述光耦的副边一端与所述初级绕组电路连接，所述光耦的副边另一端与所述电压控制电路连接，用于输出所述反馈电流；
电流调节电路，包括第三节点与第四节点，所述第三节点与所述第一节点连接，所述第四节点与所述光耦的原边一端连接，所述电流调节电路用于根据所述第一节点的参考电压，调节流经所述光耦原边的电流。
可选地，所述参考电压越大，所述反馈电流越大；
所述参考电压越小，所述反馈电流越小。
可选地，所述电压控制电路包括：
整流滤波电路，与所述初级绕组电路连接；
控制芯片，分别与所述整流滤波电路、所述光耦的副边另一端以及所述初级绕组电路连接，所述控制芯片用于根据所述反馈电流，调节所述初级绕组电路的储存能量至预设能量值，以调节所述负载电压至预设电压值。
可选地，每个所述开关电路皆包括开关管与档位电阻，所述开关管与所述档位电阻连接，在所述模式调节指令控制所述开关管导通时，电流流经所述档位电阻。
本发明实施例解决其技术问题还提供以下技术方案：
一种电机驱动系统，包括：
所述的开关电源；
控制器，与所述开关电源中的电压模式转换电路连接，用于发送模式调节指令；以及，
电机，与所述开关电源中的谐振电路连接。
可选地，所述电机驱动系统还包括电流采样电路，所述电流采样电路与所述控制器连接，用于采样流经所述电机的电流，以使所述控制器根据采样的电流，控制所述电机的工作状态。
与现有技术相比较，在本发明实施例提供的开关电源中，转换电压模式时，通过硬件方式，电压模式转换电路将负载电压转换至与模式调节指令对应的参考电压，反馈电路根据参考电压产生反馈电流，电压控制电路根据反馈电流，调节谐振电路输出的负载电压至预设电压值。区别于现有技术，在转换电压模式下，开关电源工作比较稳定以及转换速度快。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种电机驱动系统的原理框图；
图2是本发明实施例提供的一种开关电源的原理框图；
图3是本发明另一实施例提供的一种开关电源的原理框图；
图4是本发明实施例提供的一种整流滤波电路的原理框图；
图5是本发明实施例提供的一种开关电源的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“内”、“外”以及类似的表述只是为了说明的目的，并且仅表达实质上的位置关系，例如对于“垂直的”，如果某位置关系因为了实现某目的的缘故并非严格垂直，但实质上是垂直的，或者利用了垂直的特性，则属于本说明书所述“垂直的”范畴。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
此外，下面所描述的本发明不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
请参阅图1，电机驱动系统10包括：开关电源20、控制器30、电机40、电流采样电路50及电流温度采样电路60，控制器30分别与开关电源20和电机40连接，电流采样电路50分别与控制器30和电机40连接，电流温度采样电路60分别与控制器和电机40连接。
开关电源20用于为电机40提供负载电压，负载电压驱动电机40工作。开关电源20可工作在多种电压模式下，为电机40提供不同负载电压，例如，负载电压为15伏至24伏中的任意取值。
开关电源20可支持任何形式的电源设计，例如，开关电源20包括反激式开关电源、正激式开关电源、自激式开关电源或者推挽式开关电源等等。
控制器30作为控制核心，其能够分别控制开关电源20或电机40的工作状态。在本实施例中，控制器30用于向开关电源20发送模式调节指令，开关电源20根据该模式调节指令，输出与模式调节指令对应的负载电压，从而改变电机工作在不同转速状态。例如，模式调节指令包括第一模式调节指令、第二模式调节指令以及第三模式调节指令，其中，第一模式调节指令对应的负载电压为24伏，第二模式调节指令为18伏，第三模式调节指令为15伏，当控制器30向开关电源20发送第一模式调节指令时，开关电源20便向电机输出24伏的负载电压，以驱动电机。当控制器30向开关电源20发送第二模式调节指令时，开关电源20便向电机输出18伏的负载电压，以驱动电机。
以此类推。
在一些实施例中，在选择的电压模式下，模式调节指令为不间断的高电平或低电平，例如，在第一电压模式下，模式调节指令持续为高电平，开关电源20在高电平的作用下，持续输出24伏的负载电压。
电机40受负载电压的驱动而工作在对应电压模式下的转速。在本实施例中，电机40为直流电机。
电流采样电路50用于采样流经电机40的电流，并向控制器30发送采样的电流。控制器30根据采样的电流，控制电机40的工作状态。例如，当采样的电流达到电机堵转时的电流，控制器30控制电机40停止工作。
电流采样电路50可以采用任意电路结构形式，诸如霍尔传感器、由电阻网络构成的电流采样电路、由MOS管结合电阻构成的电流采样电路等等。
电流温度采样电路60用于采样电机40周边环境的温度，并向控制器30发送采样的温度。控制器30根据采样的温度，控制电机40的工作状态。例如，当采样的电流大于预设温度阈值时，控制器30控制电机40停止工作。
电流温度采样电路60可以采用由温度传感器、感温器件构成的电路，例如，温度传感器包括正温度系数或负温度系数的传感器，感温器件包括三极管等等半导体器件。
在一些实施例中，除了本文所阐述电机驱动系统包括的各类电路，本领域技术人员会根据电机驱动系统的应用需求，自行增加应用功能电路。
在一些实施例中，请参阅图2，开关电源20包括：谐振电路21、电压模式转换电路22、反馈电路23以及电压控制电路24。
谐振电路21用于输出负载电压，在一些实施例中，谐振电路21可采用由谐振变压器与滤波电路构成的电路。
电压模式转换电路22与谐振电路21连接，电压模式转换电路22用于采样负载电压，并且，电压模式转换电路22还用于响应于输入的模式调节指令，将负载电压转换至与模式调节指令对应的参考电压，例如，控制器30向电压模式转换电路22发送第二模式调节指令，电压模式转换电路22便将电机先前工作在24伏的负载电压转换至第二模式调节指令对应20伏的参考电压，其中，该参考电压可以根据业务需求自行设计。
反馈电路23分别与谐振电路21和电压模式转换电路22连接，反馈电路23用于根据参考电压，产生反馈电流，例如，参考电压为20伏时，对应的反馈电流为0.5安；参考电压为18伏时，对应的反馈电流为0.4安；参考电压为15伏时，对应的反馈电流为0.2安等等。
反馈电路23能够将参考电压转换成对应的反馈电流，其可以选择任意合适的电路。
电压控制电路24分别与反馈电路23和谐振电路21连接，电压控制电路24用于根据反馈电流，调节谐振电路21输出的负载电压至预设电压值。例如，反馈电流为0.5安时，电压控制电路24调节谐振电路21的谐振变压器的初级绕组的储存能量为W1，该初级绕组的储存能量W1通过次级绕组释放出，从而产生20伏的负载电压。反馈电流为0.4安时，电压控制电路24调节谐振电路21的谐振变压器的初级绕组的储存能量为W2，该初级绕组的储存能量W2通过次级绕组释放出，从而产生18伏的负载电压。
可以理解的是，预设电压值可由用户自定义，其可以与参考电压相等，亦可以不与参考电压相等。
因此，在本发明实施例提供的开关电源中，转换电压模式时，通过硬件方式，电压模式转换电路22将负载电压转换至与模式调节指令对应的参考电压，反馈电路23根据参考电压产生反馈电流，电压控制电路24根据反馈电流，调节谐振电路21输出的负载电压至预设电压值。区别于现有技术，在转换电压模式下，开关电源工作比较稳定以及转换速度快。
在一些实施例中，请参阅图3，谐振电路21包括：初级绕组电路211与次级绕组电路212。
初级绕组电路211与电压控制电路24连接，初级绕组电路211用于储存能量，例如，电压控制电路24将市电进行处理，转换成直流电源，并将该直流电源施加于初级绕组电路211，其中，当电压控制电路24控制直流流经初级绕组电路211时，能量便存储于初级绕组电路211。当电压控制电路24控制直流不流经初级绕组电路211时，能量便不存储于初级绕组电路211。在一些实施例中，电压控制电路24通过控制流经直流流经初级绕组电路211的时间，进而控制初级绕组电路211储存能量的大小。
次级绕组电路212与初级绕组211耦合，次级绕组电路212用于输出负载电压，其中，电压控制电路24根据反馈电流，调节初级绕组电路211的储存能量至预设能量值，以调节负载电压至预设电压值。例如，反馈电流为0.5安时，电压控制电路24调节初级绕组电路211的储存能量至预设能量值W3，初级绕组电路211将预设能量值W3耦合至次级绕组电路212，从而使得次级绕组电路212调节负载电压至预设电压值。
请再参阅图3，电压模式转换电路22包括：分压电路221与若干开关电路222。
分压电路221与次级绕组电路212连接，分压电路221用于将负载电压作分压处理。
开关电路222包括第一节点P1与第二节点P2，每个开关电路222以及分压电路221皆共用第一节点P1，第二节点P2用于接收模式调节指令，模式调节指令用于控制开关电路222的工作状态，以将第一节点P1的电位偏置在与模式调节指令对应的参考电压，其中，开关电路222的工作状态包括导通状态与截止状态。例如，开关电路222包括第一开关电路、第二开关电路及第三开关电路，第一模式调节指令控制第一开关电路工作在导通状态，负载电压经过分压电路221以及第一开关电路处理后，将第一节点P1的电位偏置为24伏。第二模式调节指令控制第二开关电路工作在导通状态，负载电压经过分压电路221以及第二开关电路处理后，将第一节点P1的电位偏置为18伏。第三模式调节指令控制第三开关电路工作在导通状态，负载电压经过分压电路221以及第三开关电路处理后，将第一节点P1的电位偏置为15伏。
再例如，第四模式调节指令控制第一开关电路工作在截止状态，负载电压经过分压电路221处理后，将第一节点P1的电位偏置为16伏。第五模式调节指令控制第一开关电路工作在导通状态，第六模式调节指令控制第二开关电路工作在导通状态，负载电压经过分压电路221、第一开关电路及第二开关电路处理后，将第一节点P1的电位偏置为10伏。
在一些实施例中，每个开关电路222皆包括开关管与档位电阻，开关管与档位电阻连接，在模式调节指令控制开关管导通时，电流流经档位电阻。
请再参阅图3，反馈电路23包括：光耦隔离电路231与电流调节电路232。
光耦隔离电路231与次级绕组电路212连接，光耦隔离电路231包括光耦，负载电压对应的电流流经光耦的原边，光耦的副边一端与初级绕组电路211连接，光耦的副边另一端与电压控制电路24连接，光耦的副边用于输出反馈电流。
电流调节电路232包括第三节点P3与第四节点P4，第三节点P3与第一节点P1连接，第四节点P4与光耦的原边一端连接，电流调节电路232用于根据第一节点P1的参考电压，调节流经光耦原边的电流，其中，参考电压越大，反馈电流越大；参考电压越小，反馈电流越小。当流经光耦原边的电流遇到变化，流经光耦副边的反馈电流随之成正比地变化，例如，流经光耦原边的电流变大，反馈电流变大；流经光耦原边的电流变小，反馈电流变小。当反馈电流变化，电压控制电路便可以根据反馈电流，将负载电压至预设电压值，该预设电压值与参考电压关联，例如，参考电压被调大，预设电压值便被调小；参考电压被调小，预设电压值便被调大。当然，在一些实施例中，其还可以采用对应的电路结构，使得：参考电压被调小，预设电压值便被调小；参考电压被调大，预设电压值便被调大。
电流调节电路232可以采用由型号为KA431A芯片构成的电路。
请再参阅图3，电压控制电路24包括：整流滤波电路241与控制芯片242。
整流滤波电路241与初级绕组电路211连接。整流滤波电路241用于将外部电源进行整流滤波处理，并将处理后的直流电源施加于初级绕组电路211上。
控制芯片242分别与整流滤波电路241、光耦的副边另一端以及初级绕组电路连接，控制芯片242用于根据反馈电流，调节初级绕组电路的储存能量至预设能量值，以调节负载电压至预设电压值。
控制芯片242可以采用由型号为TOP264VG芯片构成的电路。
为了详细阐述本发明实施例提供的开关电源，下文结合图4与图5对开关电源作出详细说明，如下所述：
请参阅图4，整流滤波电路241包括滤波电路2411与整流电路2422，滤波电路2411用于将外部电源作滤波处理，并将滤波处理后的电源传输给整流电路2422，整流电路2422将滤波处理后的电源作整流处理，输出直流电源。
请参阅图5，初级绕组电路211包括第一绕组电路2111与第二绕组电路2112，第一绕组电路2111一端被施加直流电源，第一绕组电路2111另一端连接至控制芯片242。第二绕组电路2112与光耦隔离电路231中的光耦U1副边一端连接，光耦U1副边另一端连接至控制芯片242。
次级绕组电路212包括第三绕组电路2121与负载滤波电路2122，第三绕组电路2121释放能量，负载滤波电路2122对输出电源进行滤波处理后加载于负载。
电流调节电路232包括TOP264VG芯片，分压电路221包括电阻R1与R2，电压模式转换电路22包括第一开关电路2221、第二开关电路2222及第三开关电路2223，第一开关电路2221包括第一开关管Q1与第一档位电阻R3，第二开关电路2222包括第二开关管Q2与第二档位电阻R4，第三开关电路2223包括第三开关管Q3与第三档位电阻R5。
以下详细阐述转换电压模式的工作原理：
控制器30通过第二节点P2向第一开关管Q1持续发送高电平信号，第一开关管Q1导通，其余开关管截止，负载电压对应的电流流经R1、R2及R3，使得在第一节点P1(第三节点P3)的参考电压偏置为22伏，此时，次级绕组电路212输出的负载电压为22伏。
当转换电压模式时，控制器30通过第二节点P2向第二开关管Q2发送高电平信号，第二开关管Q2导通，其余开关管截止，负载电压对应的电流流经R1、R2及R4，使得在第一节点P1(第三节点P3)的参考电压偏置为20伏。由于TOP264VG芯片的基准端的电压变小，流经光耦U1原边的电流降低，流经光耦U1副边的反馈电流随之降低，控制芯片242根据反馈电流，控制初级绕组电路211的储存能量至预设能量值，以调节负载电压至20伏。
继续转换电压模式时，控制器30通过第二节点P2向第三开关管Q3发送高电平信号，第三开关管Q3导通，其余开关管截止，负载电压对应的电流流经R1、R2及R5，使得在第一节点P1(第三节点P3)的参考电压偏置为18伏。由于TOP264VG芯片的基准端的电压变小，流经光耦U1原边的电流降低，流经光耦U1副边的反馈电流随之降低，控制芯片242根据反馈电流，控制初级绕组电路211的储存能量至预设能量值，以调节负载电压至18伏。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种开关电源，其特征在于，包括：
谐振电路，用于输出负载电压；
电压模式转换电路，与所述谐振电路连接，用于采样所述负载电压，并响应于输入的模式调节指令，将所述负载电压转换至与所述模式调节指令对应的参考电压，在选择的电压模式下，所述模式调节指令为不间断的高电平或低电平；
反馈电路，分别与所述谐振电路和所述电压模式转换电路连接，用于根据所述参考电压，产生反馈电流；
电压控制电路，分别与所述反馈电路和所述谐振电路连接，用于根据所述反馈电流，调节所述谐振电路输出的所述负载电压至预设电压值；
所述谐振电路包括：初级绕组电路和次级绕组电路，所述初级绕组电路与所述电压控制电路连接，用于储存能量；所述次级绕组电路与所述初级绕组耦合，用于输出所述负载电压，其中，所述电压控制电路根据所述反馈电流，调节所述初级绕组电路的储存能量至预设能量值，以调节所述负载电压至所述预设电压值；
所述电压模式转换电路包括：分压电路和若干开关电路，所述分压电路与所述次级绕组电路连接，用于将所述负载电压作分压处理；每个所述开关电路包括第一节点与第二节点，每个所述开关电路以及所述分压电路皆共用所述第一节点，所述第二节点用于接收所述模式调节指令，所述模式调节指令用于控制所述开关电路的工作状态，以将所述第一节点的电位偏置在与所述模式调节指令对应的参考电压。
2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述反馈电路包括：
光耦隔离电路，与所述次级绕组电路连接，所述光耦隔离电路包括光耦，与所述负载电压对应的电流流经所述光耦的原边，所述光耦的副边一端与所述初级绕组电路连接，所述光耦的副边另一端与所述电压控制电路连接，用于输出所述反馈电流；
电流调节电路，包括第三节点与第四节点，所述第三节点与所述第一节点连接，所述第四节点与所述光耦的原边一端连接，所述电流调节电路用于根据所述第一节点的参考电压，调节流经所述光耦的原边的电流。
3.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于，
所述参考电压越大，所述反馈电流越大；
所述参考电压越小，所述反馈电流越小。
4.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于，所述电压控制电路包括：
整流滤波电路，与所述初级绕组电路连接；
控制芯片，分别与所述整流滤波电路、所述光耦的副边另一端以及所述初级绕组电路连接，所述控制芯片用于根据所述反馈电流，调节所述初级绕组电路的所述储存能量至预设能量值，以调节所述负载电压至预设电压值。
5.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，每个所述开关电路皆包括开关管与档位电阻，所述开关管与所述档位电阻连接，在所述模式调节指令控制所述开关管导通时，电流流经所述档位电阻。
6.一种电机驱动系统，其特征在于，包括：
如权利要求1至5任一项所述的开关电源；
控制器，与所述开关电源中的电压模式转换电路连接，用于发送模式调节指令；以及，
电机，与所述开关电源中的谐振电路连接。
7.根据权利要求6所述的电机驱动系统，其特征在于，所述电机驱动系统还包括电流采样电路，所述电流采样电路与所述控制器连接，用于采样流经所述电机的电流，以使所述控制器根据采样的电流，控制所述电机的工作状态。
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