CN109936295B - 一种容性负载充放电反馈电路及具有该电路的电源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种容性负载充放电反馈电路及具有该电路的电源装置，该容性负载充放电反馈电路包括反馈变压器单元，反馈变压器单元包括反馈变压器，反馈变压器的初级的一端与负载电容的一端连接，反馈变压器的初级的另一端与负载电容充放电控制电路的输出端连接；反馈变压器的次级与储能装置连接。本发明能够实现负载电容充电和放电过程的能量转移到次级并存储，供输入再次使用，能够大大提高在电容上获得脉冲或矩形波电压驱动装置的整体的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及电路涉及技术领域，具体涉及一种容性负载充放电反馈电路及具有该电路的电源装置，特别涉及一种容性负载充放电反馈电路及具有该电路的数控幅度及频率的矩形波产生装置。
背景技术
众所周知，在电路中的电感和电容是储能元件，不消耗能量。在电感和电阻上获得各种幅值和频率的脉冲、矩形波电压比较容易实现，而要在电容上获得各种幅值和频率的快速上升或下降的脉冲、矩形波电压则是相对比较难，且一般驱动电路的效率很低，尤其是在大电容上产生高压脉冲或矩形波电压。为了在提高对容性负载的驱动效率，CN03801037.2中披露了一种利用不同电压分段对电容实行充放电的方法效率提高效率，但是该方法在电容负载上获得的电压上升或下降沿会不连续，且整个电路结构也显得比较复杂，其驱动效率的提高上也是非常有限，尤其是对电容上产生高压的驱动。另外，有研究者提出采用大功率驱动电路来提高在容性负载上获得快速上升或下降的脉冲或矩形波形，但其效率很低。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种容性负载充放电反馈电路及具有该电路的电源装置。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种容性负载充放电反馈电路，其包括反馈变压器单元，所述反馈变压器单元包括反馈变压器，所述反馈变压器的初级的一端与负载电容的一端连接，反馈变压器的初级的另一端与负载电容充放电控制电路的输出端连接；反馈变压器的次级与储能装置连接。
本发明的容性负载充放电反馈电路能够实现负载电容充电和放电过程的能量转移到次级并存储，供输入再次使用，能够大大提高在电容上获得脉冲或矩形波电压驱动装置的整体的工作效率。
在本发明的一种优选实施方式中，所述负载电容充放电控制电路包括串联的第一开关管Q1和第二开关管Q2，第一开关管的电源端与外部电源和/或所述储能装置连接，第二开关管的接地端接地，第一开关管和第二开关管的公共端与反馈变压器初级连接；第一开关管和第二开关管的使能端分别与开关管控制电路的控制端连接，开关管控制电路控制实现第一开关管和第二开关管均不导通、第一开关管导通和第二开关管截止、第一开关管截止和第二开关管导通三种状态。
当Q1和Q2均不导通时，电容上的电压保存不变，不消耗能量；当Q1导通和Q2截止时，通过变压器TF对电容充电，由于变压器TF初级有电压，所以其次级输出也会有电压，进而对电容CF充电，从而实现将对电容充电的部分能量转移到次级并存储，供输入再次使用；同理，当Q1截止和Q2导通时，电容通过反馈变压器的初级放电，而放电的能量同样通过变压器TF转移到其次级并存储。
在本发明的另一种优选实施方式中，还包括反馈整流滤波单元，所述反馈整流滤波单元包括整流桥，整流桥的两个输入端与反馈变压器次级的不同端点连接，整流桥的输出端连接储能装置，储能装置的一端通过电感与外部电源正极连接，储能装置的另一端接地。从而实现将对电容充电的部分能量转移到次级并存储，供输入再次使用。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种具有容性负载充放电反馈电路的电源装置，其特征在于，包括外部电源、负载电容充放电控制电路和容性负载充放电反馈电路，负载电容充放电控制电路的电源端与外部电源连接；所述容性负载充放电反馈电路包括反馈变压器，反馈变压器的初级的一端与负载电容的一端连接，反馈变压器的初级的另一端与负载电容充放电控制电路的输出端连接；反馈变压器的次级与储能装置连接。
本发明的电源装置能在电容上获得快速(大于500V/us的变化速率)的上升或下降沿的脉冲波形或矩形波，且具有高效率(效率可达90％以上)。
附图说明
图1是本发明一种优选实施方式中容性负载充放电反馈电路的结构示意图；
图2是本发明一种优选实施方式中电源装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明公开了一种容性负载充放电反馈电路，如图1所示，其包括反馈变压器单元，所述反馈变压器单元包括反馈变压器TF，所述反馈变压器TF的初级的一端与负载电容CL的一端连接，反馈变压器TF的初级的另一端与负载电容充放电控制电路的输出端连接；反馈变压器TF的次级与储能装置连接。
在本实施方式中，还可以包括反馈整流滤波单元，所述反馈整流滤波单元包括整流桥，整流桥的两个输入端与反馈变压器TF次级的不同端点连接，整流桥的输出端连接储能装置，储能装置的一端通过电感与外部电源正极连接，储能装置的另一端接地。
储能装置有选为电容CF，在图1中，为并联的电容CF1和CF2。
在本实施方式中，负载电容充放电控制电路包括串联的第一开关管Q1和第二开关管Q2，第一开关管Q1的电源端与外部电源和/或所述储能装置连接，第二开关管Q2的接地端接地，第一开关管Q1和第二开关管Q2的公共端与反馈变压器TF初级连接；第一开关管Q1和第二开关管Q2的使能端分别与开关管控制电路的控制端连接，开关管控制电路控制实现第一开关管Q1和第二开关管Q2均不导通、第一开关管Q1导通和第二开关管Q2截止、第一开关管Q1截止和第二开关管Q2导通三种状态。当Q1和Q2均不导通时，负载电容CL上的电压保存不变，不消耗能量；当Q1导通和Q2截止时，通过变压器TF对负载电容CL充电，由于变压器TF初级有电压，所以其次级输出也会有电压，进而对电容CF1、CF2充电，从而实现将对负载电容CL充电的部分能量转移到次级并存储，供输入再次使用；同理，当Q1截止和Q2导通时，负载电容CL通过反馈变压器的初级放电，而放电的能量同样通过变压器TF转移到其次级并存储；同时，通过引入反馈变压器还能有效地提高负载电容CL上电压的上升和下降速度，该下降和上升速度主要取决于反馈变压器初级和次级线圈的匝数比。通过反馈变压器，可以很好地实现对电容充电和放电过程的能量转移到输入端，进而大大提高在电容上获得脉冲或矩形波电压驱动装置的整体的工作效率。当然，实际中的效率与变压器的效率、开关管Q1、Q2的导通电阻有很大关系。
在本实施方式中，开关管为大功率场效应管或开关三极管。
在本实施方式中，具体开关管控制方式也可采现有技术，例如CN106253689B中公开的技术。开关管控制电路也可以采用CN201510767040.3中的结构，在此不作赘述。
基于以上设计，本发明还提供了一种电源装置，如图2所示，其包括外部电源、控制器、负载电容充放电控制电路和本发明的容性负载充放电反馈电路，所述负载电容充放电控制电路的控制端与控制器的控制输出端连接，负载电容充放电控制电路的电源端与外部电源连接。
该电源装置还包括分别与控制器连接的脉冲控制电压变换单元、变压器驱动单元、变压器单元、整流滤波单元、滤波电压采样单元。
控制器主要实现各种控制、实时测量输出电压的幅值及实现各种信息的显示、传输等。控制器的脉冲信号输出端与脉冲控制电压变换单元的信号输入端相连，脉冲控制电压变换单元将控制器的脉冲信号转换为前后沿陡峭的脉冲信号输入到变压器驱动单元，脉冲控制电压变换单元主要由斯密特触发器和其它元件构成，实现将微处理器的3.3V脉冲信号转换为前后沿很陡的脉冲信号。变压器驱动单元驱动变压器的初级，变压器单元实现电压的变换。整流滤波单元将脉冲电压整流、滤波后转换为直流电压。滤波电压采样单元主要通过电阻分压、运放跟随、滤波后将整流滤波后的直流电压大小信号输入到微处理器内带的A/D转换器，从而实现对输出电压幅值的实时检测。
在本实施方式中，还包括输出开关管控制电路单元，所述输出开关管控制电路单元的输入端与控制器相连，其包括DC-DC电压转换模块、数字信号隔离芯片或模块及电阻、电容等，将控制器输出的控制信号变换为可控制负载电容充放电控制电路中开关管的有效信号。
本实施方式中，还可以包括隔离通讯单元，所述隔离通讯单元包括有线通信接口和无线模块，实现控制器与外部设备的通信。还可以包括保护处理单元，所述保护处理单元包括过流、过压、输出短路保护电路。还可以包括信息显示与输入单元，用户通过信息显示与输入单元与控制器进行信息交互。
本专利提出的装置的工作工程主要为：由32位控制器STM32F103RD根据用户输入的信息(包括脉冲宽度及幅度、频率等)执行下面两方面的控制：一方面，微处理器根据输入的脉冲幅值，控制变压器驱动单元输出脉冲调制PWM控制驱动管驱动变压器的初级，在变压器次级输出一定电压幅度和宽度的脉冲，通过整流滤波后，输出所需的直流电压。同时经滤波电压采样单元采样后，其输出采用电压输入到32位微处理器控制内带的12位A/D转换，实现对输出电压的实时测量，并与预期值进行比较，自动修正脉冲宽度，使输出的直流电压等于设置的幅值电压；另一方面，微处理器根据设置的脉冲宽度及频率,控制输出开关单元中开关的开关状况实现输出所需的脉冲宽度和频率。另外，该专利装置也可通过通讯隔离单元与手机、电脑等实现通讯,达到对输出电压幅度、频率或脉冲宽度等的控制。
在本实施方式中，外部电源、控制器、负载电容充放电控制电路、脉冲控制电压变换单元、变压器驱动单元、变压器单元、整流滤波单元、滤波电压采样单元、隔离通讯单元、保护处理单元、信息显示与输入单元的型号以及连接可以均采用现有技术，例如采用本发明人以前申请的专利中的技术，在此不作赘述。
具体微处理器控制单元、脉冲控制电压变换单元、变压器驱动单元、变压器单元、整流滤波单元以及滤波电压采样单元均可采用CN204156749U中的型号和结构，只需要将滤波电压采样单元的检测点移置整流滤波单元的输出端即可。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种容性负载充放电反馈电路，其特征在于，包括反馈变压器单元，所述反馈变压器单元包括反馈变压器(TF)，所述反馈变压器(TF)的初级的一端与负载电容(CL)的一端连接，反馈变压器(TF)的初级的另一端与负载电容充放电控制电路的输出端连接；反馈变压器(TF)的次级与储能装置连接；
负载电容(CL)充电和放电过程的能量转移到次级的储能装置并存储，供输入再次使用，所述储能装置为电容；
还包括反馈整流滤波单元，所述反馈整流滤波单元包括整流桥，整流桥的两个输入端与反馈变压器(TF)次级的不同端点连接，整流桥的输出端连接储能装置，储能装置的一端通过电感与外部电源正极连接，储能装置的另一端接地。
2.如权利要求1所述的容性负载充放电反馈电路，其特征在于，所述负载电容充放电控制电路包括串联的第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)，第一开关管(Q1)的电源端与外部电源和/或所述储能装置连接，第二开关管(Q2)的接地端接地，第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)的公共端与反馈变压器(TF)初级连接；
第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)的使能端分别与开关管控制电路的控制端连接，开关管控制电路控制实现第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)均不导通、第一开关管(Q1)导通和第二开关管(Q2)截止、第一开关管(Q1)截止和第二开关管(Q2)导通三种状态。
3.一种具有权利要求1所述容性负载充放电反馈电路的电源装置，其特征在于，包括外部电源、负载电容充放电控制电路和权利要求1所述的容性负载充放电反馈电路，负载电容充放电控制电路的电源端与外部电源连接；
所述容性负载充放电反馈电路包括反馈变压器(TF)，反馈变压器(TF)的初级的一端与负载电容(CL)的一端连接，反馈变压器(TF)的初级的另一端与负载电容充放电控制电路的输出端连接；反馈变压器(TF)的次级与储能装置连接。
4.如权利要求3所述的电源装置，其特征在于，还包括控制器、脉冲控制电压变换单元、变压器驱动单元、变压器单元、整流滤波单元、滤波电压采样单元；
控制器的脉冲信号输出端与脉冲控制电压变换单元的信号输入端相连，脉冲控制电压变换单元将控制器的脉冲信号转换为前后沿陡峭的脉冲信号输入到变压器驱动单元；
变压器驱动单元驱动变压器的初级，变压器单元实现电压的变换；
整流滤波单元将脉冲电压整流、滤波后转换为直流电压；
滤波电压采样单元采集整流滤波后的直流电压大小信号输入到控制器内带的A/D转换器，实现对输出电压幅值的实时检测。
5.如权利要求3或4所述的电源装置，其特征在于，还包括输出开关管控制电路单元，所述输出开关管控制电路单元的输入端与控制器相连，其包括DC-DC电压转换模块，将控制器输出的控制信号变换为可控制负载电容充放电控制电路中开关管的有效信号。
6.如权利要求3或4所述的电源装置，其特征在于，还包括隔离通讯单元，所述隔离通讯单元包括有线通信接口和无线模块，实现控制器与外部设备的通信。
7.如权利要求3或4所述的电源装置，其特征在于，还包括保护处理单元，所述保护处理单元包括过流、过压、输出短路保护电路。
8.如权利要求3或4所述的电源装置，其特征在于，还包括信息显示与输入单元，用户通过信息显示与输入单元与控制器进行信息交互。
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