CN110231846B - 一种具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路，属于半导体集成电路。一种具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路，包括稳压器TL431、第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第四运算放大器U4、取样电阻R、二级管D1；通过控制端设置，电源模块可工作在恒压模式或恒流模式；当电源模块工作在恒流模式，控制电路对电源模块输出的电流进行控制，保证输出电流恒定，输出电流值由外部控制信号给定；当电源模块工作在恒压模式，控制电路对电源模块输出电压进行控制，保证输出电压恒定，可以当作直流电压转换的DC/DC变换器使用。

Description

一种具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路

技术领域

本发明属于半导体集成电路，尤其是一种具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路。

背景技术

现有供电电源主要为恒压源，传统的恒压源通常只具备稳压功能，广泛应用在各种电子线路中，但其却不具备恒流源功能。现有的恒流源多为在恒压源供电的基础上再增加额外的电流控制功能，使电路能够输出恒定的电流。但是存在电路的效率低，且还需要大功率的恒压电源Vcc给恒流负载供电的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路，包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第四运算放大器U4、取样电阻R、二级管D1、电阻R2、电阻R3、电阻R6和电阻R7；

恒流电源的输出电压端Vcc接负载，负载的另一端分别与取样电阻R的一端和第三运算放大器U3的5脚相连，取样电阻R的另一端接地，电阻R6一端接地，电阻R6的另一端分别与第三运算放大器U3的6脚和电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端分别与第三运算放大器U3的7脚和第一运算放大器U1的6脚相连，第三运算放大器U3的4脚接地，8脚接供电端；

第一运算放大器U1的4脚接地，8脚接供电端，5脚接R14和R15的分压点；第四运算放大器U4的3脚接恒流值设定端，4脚接地，1脚和2脚相连，1脚输出电压经R14和R15分压后接第一运算放大器U1的5脚；

第二运算放大器U2的3脚接电压基准，第二运算放大器U2的4脚接地，8脚接供电端，恒流电源的输出电压端接电阻R3，电阻R3的另一端分别接电阻R2和第二运算放大器U2的2脚相连，电阻R2的另一端接地，第二运算放大器U2的1脚接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极和第一运算放大器U1的7脚接PWM输出控制端；

其中，第一运算放大器U1的5脚为同相输入端，6脚为反向相输入端，7脚为运放输出端；

第二运算放大器U2的1脚为运放输出端，2脚为反向相输入端，3脚为同向相输入端；

第三运算放大器U3的5脚为同相输入端，6脚为反向相输入端，7脚为运放输出端；

第四运算放大器U4的1脚为输出端，2脚为反向输入端，3脚为同相输入端。

进一步的，还包括稳压器、电阻R8和电阻R1；

电阻R8和电阻R1接在供电端与第二运算放大器U2的3脚之间，稳压器的阴极接在电阻R8和电阻R1之间，稳压器的阳极接地。

进一步的，稳压器的型号为TL431。

进一步的，第一运算放大器U1的6脚和7脚之间连有电容C2和电阻R10。

进一步的，电阻R3与电阻R2的连接处还接有电阻R4和电容C1，电容C1的另一端与第二运算放大器U2的1脚连接后接二极管D1的阴极。

进一步的，第一运算放大器U1的5脚分别接有电阻R14的一端和电阻R15的一端，电阻R14的另一端接第四运算放大器U4的1脚和2脚的连接处，电阻R15的另一端接地。

进一步的，第三运算放大器U3的7脚还接有电阻R9的一端，电阻R9的另一端分别接第一运算放大器U1的6脚和电阻R16的一端，电阻R16的另一端接地。

进一步的，PWM输出控制端处设有电阻R12。

进一步的，还包括用于短接取样电阻R的开关S1。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路，应用于大功率恒流源的电源模块的反馈控制中，用来对电源模块的输出电流和电压进行误差放大并产生反馈控制信号；通过控制端设置，电源模块可工作在恒压模式或恒流模式；当电源模块工作在恒流模式，控制电路对电源模块输出的电流进行控制，保证输出电流恒定，输出电流值由外部控制信号给定；当电源模块工作在恒压模式，控制电路对电源模块输出电压进行控制，保证输出电压恒定，可以当作直流电压转换的DC/DC变换器使用。本控制电路的设计中，恒压模式的输出电压也是恒流模式中的最大输出电压，当电源模块工作在恒流模式中，电路的输出电压跟随外部负载的变化，保证输出电流恒定。电路的输出电压变化到达恒压模式的输出电压后，电压将不能再上升，防止过高的输出电压损坏用电设备或电源模块本身。本发明的反馈控制电路，通过改变电路输出电压Vcc的方式给恒流负载供电，恒流负载电阻变小，电路降低输出电压Vcc；恒流负载电阻变大，电路升高输出电压Vcc，通过此动态调整，保持恒流负载上的电流基本恒定。

附图说明

图1为本发明的常用的恒流源电路多采用线性调整管稳流电路图；

图2为本发明的具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，图1为本发明的常用的恒流源电路多采用线性调整管稳流电路图；恒流源功率部分由Vcc直流电源(单供电端)供电。控制部分使用+12V直流供电。基准电压给定部分由5.1V稳压二极管VD1，电阻R1、R2、R4和电位器RP3，电容C1。稳压二极管上得到5.1V电压，电容C1滤除高频干扰，使稳压管上电压更稳定。R2、R4和RP3串联后并在稳压二极管上，调节RP3得到需要的给定电压U2。档位选择电路包括三个双路开关S1、S2与S3，和电阻R5、R6与R7。双路开关的触点引脚1、2是双路开关中的一路，触点引脚3、4为另一路，双路开关同时断开或同时闭合，双路开关当一路使用。档位选择电路通过选择接入不同的采样电阻电阻(R5、R6和R7中选择一个)来实现三种不同的恒流档位。双路开关S1闭合时采样电阻为R5接入电路，S2闭合时采样电阻R6接入电路，S3闭合时采样电阻R7接入电路。恒流源电路部分包括可由单电源供电的集成运算放大器，功率调整管Q1，采样电阻R(由档位选择电路选择接入的等效采样电阻R)，还包括负载Load。

集成运算放大器3脚从基准电压给定电路得到基准电压U2，2脚连接采样电阻R得到电压反馈信号，1脚接Q1的栅极，3脚和2脚电压一有偏差就会通过1脚改变调整管Q1栅源极电压UGS从而改变漏源极上的电流，使得3脚和2脚上的电压相等，最终负载上获得恒定的电流。电路处于动态平衡状态下。

从上述工作原理可看出，以上恒流源需要有恒压源Vcc给电路供电，若使用控制电路使Vcc电压受Load的电流控制，若Load电流变大，则Vcc电压下降；若Load电流变小，则Vcc电压上升，电路可始终保持Load电流不变，则可去掉调整管Q1及其控制线路；若需要Vcc电压自动调整，保证负载Load的电流不变，则需要改变Vcc电源反馈控制方式，对输出电流进行采样，并对采样信号进行处理，使其转变为控制Vcc电压的信号，并反馈给Vcc电压的PWM控制电路，使电路在Load的电阻值变化时，能够改变Vcc电压，保持输出电流恒定不变。

参见图2，图2为本发明的具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路图；U1～U4为运算放大器；稳压器TL431为电压基准源，输出电压为2.5V；供电端为给U1～U4供电的电源，稳压器TL431也由供电端经电阻R8供电；Vcc为恒流电源的输出电压，Load为恒流源负载；恒流值设定端为控制电路的输入端，用来控制输出电流，该电压设定后，电路的输出电流(恒流值)也设定完成，调整恒流值设定电压，则可调整电路的输出电流。PWM输出控制端为本专利控制电路的输出端，该输出电压被反馈网络反馈到恒流电源的PWM控制器，通过调整PWM控制器的输出信号占空比从而调整Vcc，使输出电流保持恒流状态。

第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3和第四运算放大器U4的4脚均为接地端，在电路中接地，8脚均为电源端，在电路中接供电端电源；恒流值设定端为控制信号的输入端，控制电压通过电阻R13连到第四运算放大器U4的3脚(同相输入端)，R13一端连接恒流值设定端，另一端连接第四运算放大器U4的3脚。第四运算放大器U4的1脚(输出端)和2脚(反向输入端)短接；第四运算放大器U4的1脚信号被电阻R14和R15分压后作为U1的5脚(同相输入端)输入信号。R14一端连接第四运算放大器U4的1脚，另一端连接R15，R15一端接R14，另一端接地，R14和R15的公共端接第一运算放大器U1的5脚(同相输入端)。

Vcc为恒流电源的输出端，Load为负载。Load一端连接Vcc，另一端通过电阻R接地。电阻R为Load电流的取样电阻，一端接地，另一端连接Load，电阻R5接电阻R，另一端接第三运算放大器U3的5脚(同相输入端)，流过Load的电流I在电阻R上产生电压VR，VR＝I×R，VR通过电阻R5进入第三运算放大器U3的5脚(同相输入端)，是第三运算放大器U3的5脚(同相输入端)输入信号。

电阻R6一端接地，另一端接第三运算放大器U3的6脚(反向相输入端)；电阻R7一端接第三运算放大器U3的7脚(运放输出端)，另一端接第三运算放大器U3的6脚(反向相输入端)；电阻R9一端接第三运算放大器U3的7脚(运放输出端)，另一端接第一运算放大器U1的6脚(反向相输入端)；电阻R16一端接U1的6脚(反向相输入端)，另一端接地；第三运算放大器U3的7脚的电压经R9、R16分压后送入第一运算放大器U1的6脚；电容C2和电阻R10串联后一端接第一运算放大器U1的6脚(反向相输入端)，另一端接第一运算放大器U1的7脚(运放输出端)。R11一端接第一运算放大器IC1的7脚(运放输出端)，另一端接R12，R12一端接R11，另一端接PWM输出控制端；PWM输出控制端为控制电路的输出端，该输出电压被反馈网络反馈到恒流电源的PWM控制器，通过调整PWM控制器的输出信号占空比从而调整Vcc，使输出电流保持恒流状态。

稳压器TL431阳极接地，阴极接电阻R8；电阻R8一端接供电端，另一端接稳压器TL431阴极；电阻R1一端接稳压器TL431阴极，另一端接第二运算放大器U2的3脚(同向相输入端)。电阻R3一端接Vcc，另一端接第二运算放大器U2的2脚(反向相输入端)；电阻R2一端接地，另一端接第二运算放大器U2的2脚(反向相输入端)；R4和C1串联后一端接第二运算放大器U2的2脚(反向相输入端)、另一端接第二运算放大器U2的1脚(运放输出端)；二极管D1阳极接电阻R12，阴极接第二运算放大器U2的1脚(运放输出端)。

该发明用于恒流源的控制电路，在大功率的恒流源应用中，采用图1的方案，不仅电路的效率低，且还需要大功率的恒压电源Vcc给恒流负载供电，采用本发明的控制方案，通过改变电路输出电压Vcc的方式给恒流负载供电，恒流负载电阻变小，电路降低输出电压Vcc；恒流负载电阻变大，电路升高输出电压Vcc，通过此动态调整，保持恒流负载上的电流基本恒定。

表1本发明的电路实际测试数据

从上表可看出，电路不同的恒流值设定值，可有不同的恒流输出；当恒流值设定不变时，在规定的范围连续改变Load的电阻值，电路的输出电流基本不变，电路输出电流精度<10mA；短路电阻R，且恒流值设定值为6V高电平时，电路在电路输出功率范围内(≤100W)为恒压源。实现了电路恒流输出和恒压输出双功能。

该发明应用于输入电压范围为80V～120V，输出功率最大为100W，恒压输出28V或恒流输出最大为5A的恒流电源中。

本发明的具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路图的原理为：

首先，在电路工作之前，外部给“恒流值设定端”一个设定电压，该电压用来设定电路工作时的输出电流；

电路上电工作时，第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3和第四运算放大器U4的供电端电压建立，同时Vcc输出电压也逐渐建立。“恒流值设定”电压通过电阻R13送到第四运算放大器U4的3端(同相输入端)，第四运算放大器U4的2脚和1脚(输出端)短接，构成电压放大电路，电路放大倍数为1，即运放U4的1脚的输出电压和“恒流值设定”电压相等，该电压被电阻R14、R15分压后送到运放U1的5脚；Vcc电压建立后，Vcc电流I的流向是Vcc→Load→R→地。取样电阻R是精密取样电阻，流过Load的电流I被电阻R转换为取样电压，电压值为VR＝I×R；该电压通过电阻R5送到运放第三运算放大器U3的5脚(同相输入端)。第三运算放大器U3的6端(反向输入端)通过电阻R7和第三运算放大器U3的7脚(输出端)连接，同时通过电阻R6接地，构成电压放大电路，电压放大倍数为(1+R7/R6)，第三运算放大器U3的7脚输出电压＝VR×(1+R7/R6)；本处采用电压放大电路的原因是因为R为毫欧级电阻，因此取样电压也较小，经过放大电路放大到和“恒流值设定”电压同数量级的电压。第三运算放大器U3的7脚输出电压被电阻R9、R16分压后送到第一运算放大器U1的6脚。第一运算放大器U1的5脚是和“恒流值设定”电压等比例的电压，第一运算放大器U1的6脚是和“输出电流”等比例的电压，这两电压作为第一运算放大器U1运放的输入信号，第一运算放大器U1对5脚和6脚电压的差值进行放大，在第一运算放大器7脚产生误差放大电压作为“PWM输出控制”信号，通过电阻R11和R12被送到PWM控制器。电容C2和电阻R10串联后，接在第一运算放大器U1的6脚和7脚，是运放的相位和频率补偿网络。

当Load电阻变化时，流过Load的电流变化，第一运算放大器U1的6脚是“输出电流”采样后放大的电压，因此第一运算放大器U1的6脚的电压变化，第一运算放大器U1的6脚和第一运算放大器5脚电压一有偏差，就会通过第一运算放大器7脚电压的变化来改变电路的PWM输出占空比来调整Vcc电压，使第一运算放大器U1的6脚和5脚的电压相等，即使电路保持恒流状态。

同理，“恒流值设定”电压变化时，第一运算放大器U1的6脚和5脚电压一有偏差，也通过第一运算放大器U1的7脚电压的变化来改变电路的PWM输出占空比来调整Vcc电压，只是“恒流值设定”电压变化时，电路的输出电流会变化，在新的输出恒流值上来保持第一运算放大器U1的6脚和5脚的电压相等。

供电端通过R8给稳压器TL431供电，稳压器TL431的输出2.5V电压通过R1到第二运算放大器IC1的3脚；Vcc电压被电阻R3、R2分压后到第二运算放大器U2的2脚，第二运算放大器U2的2脚电压＝Vcc×R2/(R2+R3)。设定R3和R2阻值，使Vcc电压为28V，U2的2脚电压为2.5V，Vcc电压低于28V，U2的2脚电压就会小于2.5V，第二运算放大器U2的3脚电压(2.5V)就会高于2脚，1脚输出高电压，该电压使D1反偏，对“PWM输出控制”电压无影响。若电路因Load电阻变化调整Vcc至28V以上时，第二运算放大器U2的2脚电压高于3脚，1脚输出低电压，该电压通过D1可拉低电阻R11的电压，使“PWM输出控制”电压不能再上升，则Vcc电压也不能再上升，只能等于或低于28V，防止Vcc电压过高损坏负载或电路本身。电容C1和电阻R4串联接在第二运算放大器U2运放的2脚和1脚，是运放的相位和频率补偿网络。

若需要电源模块以恒压模式工作，可给“恒流值设定”端高电平，例如在表1给出的6V，当开关S1闭合时，取样电阻R值设为0Ω，第一运算放大器U1的5脚电压高于6脚，则第一运算放大器U1的7脚一直是高电平，则Vcc电压会升高到28V，直到第二运算放大器U2的1脚电压开始变低，D1导通，第二运算放大器U2的1脚电压成为“PWM输出控制”电压，电路将工作在输出电压28V的恒压状态，可作为恒压电源使用。本实例电路设置的恒压输出电压为28V，在实际使用中，设计不同的R3/R2值，可使电路工作在不同的恒压输出电压下。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路，其特征在于，包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第四运算放大器U4、取样电阻R、二级管D1、电阻R2、电阻R3、电阻R6和电阻R7；

恒流电源的输出电压端Vcc接负载，负载的另一端分别与取样电阻R的一端和第三运算放大器U3的5脚相连，取样电阻R的另一端接地，电阻R6一端接地，电阻R6的另一端分别与第三运算放大器U3的6脚和电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端分别与第三运算放大器U3的7脚和第一运算放大器U1的6脚相连，第三运算放大器U3的4脚接地，8脚接供电端；

第一运算放大器U1的4脚接地，8脚接供电端，5脚接R14和R15的分压点；第四运算放大器U4的3脚接恒流值设定端，4脚接地，1脚和2脚相连，1脚输出电压经R14和R15分压后接第一运算放大器U1的5脚；

第二运算放大器U2的3脚接电压基准，第二运算放大器U2的4脚接地，8脚接供电端，恒流电源的输出电压端接电阻R3，电阻R3的另一端分别接电阻R2和第二运算放大器U2的2脚相连，电阻R2的另一端接地，第二运算放大器U2的1脚接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极和第一运算放大器U1的7脚接PWM输出控制端；

其中，第一运算放大器U1的5脚为同相输入端，6脚为反向相输入端，7脚为运放输出端；

第二运算放大器U2的1脚为运放输出端，2脚为反向相输入端，3脚为同向相输入端；

第三运算放大器U3的5脚为同相输入端，6脚为反向相输入端，7脚为运放输出端；

第四运算放大器U4的1脚为输出端，2脚为反向输入端，3脚为同相输入端。

2.根据权利要求1所述的具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路，其特征在于，还包括稳压器、电阻R8和电阻R1；

电阻R8和电阻R1接在供电端与第二运算放大器U2的3脚之间，稳压器的阴极接在电阻R8和电阻R1之间，稳压器的阳极接地。

3.根据权利要求2所述的具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路，其特征在于，稳压器的型号为TL431。

4.根据权利要求1所述的具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路，其特征在于，第一运算放大器U1的6脚和7脚之间连有电容C2和电阻R10。

5.根据权利要求1所述的具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路，其特征在于，电阻R3与电阻R2的连接处还接有电阻R4和电容C1，电容C1的另一端与第二运算放大器U2的1脚连接后接二极管D1的阴极。

6.根据权利要求1所述的具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路，其特征在于，第一运算放大器U1的5脚分别接有电阻R14的一端和电阻R15的一端，电阻R14的另一端接第四运算放大器U4的1脚和2脚的连接处，电阻R15的另一端接地。

7.根据权利要求1所述的具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路，其特征在于，第三运算放大器U3的7脚还接有电阻R9的一端，电阻R9的另一端分别接第一运算放大器U1的6脚和电阻R16的一端，电阻R16的另一端接地。

8.根据权利要求1所述的具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路，其特征在于，PWM输出控制端处设有电阻R12。

9.根据权利要求1所述的具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路，其特征在于，还包括用于短接取样电阻R的开关S1。

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