CN110955185A - 一种基于运算放大器的超导开关加热器电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于运算放大器的超导开关加热器电源，包括功率变换模块和控制模块两部分。超导开关加热器电源为可调直流源，输出功率1W左右，输出电流最大100mA可调。本发明功率变换模块使用运算放大器替代了常规的MOS或BJT晶体管，只需控制模块部分提供一个高精度的、低漂移的数字模拟转换器(DAC)，通过配置DAC，使其产生适当的模拟输出信号，经过比例电路得到作为运算放大器输入信号，提供给运算放大器，运算放大器接成电压跟随器形式，从而实现对功率变换模块的输出控制。本发明采用运算放大器直接驱动超导开关加热器电阻，无需数字信号处理芯片生成的高精度PWM信号，且无需闭环反馈环节，直接得到预定输出，极大的简化了系统结构。

Description

一种基于运算放大器的超导开关加热器电源

技术领域

本发明涉及超导开关加热器电源的技术领域，具体来说是用于控制超导开关通断速度以及通态电阻大小的电源设计方案。

背景技术

超导开关是实现超导磁体运行的关键部件，具有导通和断开两种工作状态，通过其适当的导通和断开，实现磁体的闭环运行。热控式超导开关是目前应用最广泛的超导开关，由无感线圈绕制的超导线圈和加热器组成。加热器加热功率由电源控制，控制输出的电流大小，即可控制加热功率，进而控制超导开关工作状态。加热器电源功率较小，传统的该功率电源采用晶体管放大电路，通过调节栅源电压或基级电流，从而改变输出，该类电源需要保证其工作在饱和区，且需要引入负反馈调节电路，控制相对复杂。

发明内容

为了解决上述技术问题，在对运算放大器广泛调研的基础上，本发明的提出：可以用运算放大器作为功率调节电路，运算放大器接成电压跟随器电路形式，直接驱动负载。该电源只需要DAC设定输出值，经过比例电路放大，再经运算放大器将电流加载到负载上，该电源控制极为方便可靠。

本发明公开了一种基于运算放大器的超导开关加热器电源，能够满足加热器的加热超导开关的要求。本发明采用的技术方案如下：

一种基于运算放大器的超导开关加热器电源：

包括加热器电源的控制模块和功率变换模块，所述的功率变换模块的前级为包括有第一运算放大器的比例放大电路，所述比例放大电路用于将数字模拟转换器DAC设定电压值转化为后级运放所需输入电压，后级利用单通道能输出预定电流的第二功率运算放大器接成电压跟随器，用于提供加热器负载所需的电流，所述控制模块配备本地和远程外设接口以及自定义扩展I/O，用于和上层控制系统以及功率变换模块通信，通过配置控制模块中的数字模拟转换器改变后级中的第二功率运算放大器的输入值，从而实现功率变换模块的输出控制。

进一步的，控制模块采用DSP28062芯片作为核心单元。

进一步的，控制模块通过核心单元的SPI接口控制数字模拟转换器的输出。

进一步的，数字模拟转换器的输出接入由第一运算放大器组成的比例电路，将数字模拟转换器DAC设定电压值转化为后级运放所需输入电压，得到第二运算放大器的输入值。

进一步的，所述的第二运算放大器输出的预定电流大于100mA，且采用多个第二运算放大器并联共同驱动负载。

进一步的，加热器电阻为上100-500欧姆，采样电路采用小于10欧姆的电阻串联在加热器电路上，模拟数字转换电路ADC通过第三运算放大器搭建的差分电路采集采样电阻电压从而获取当前电流值。

有益效果

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用功率运算放大器直接驱动超导开关加热器电阻，无需数字信号处理芯片生成的高精度PWM信号，且无需闭环反馈环节，直接得到预定输出，极大的简化了系统结构；本发明采用了运算放大器驱动负载，相比于工作在饱和区的晶体管放大电路，降低了常规晶体管放大电路带来的系统设计和程序控制的复杂性，极大的简化的电源设计，大大的保证了其工作可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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它的附图。

图1是本发明一种基于运算放大器的超导开关加热器电源结构示意图；

图2是本发明实施例系统框架；

图3是本发明板卡电源配电图；

图4是本发明实施例所用功率板原理图。

具体实施方式

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，所描述的实例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，功率变换模块采用运算放大器替代常规的晶体管放大电路，通过数字调节控制器部分提供一个高精度的、低漂移的数字模拟转换器(DAC)，由核心控制芯片配置DAC参数，使其产生适当的模拟输出信号作为比例电路的输入信号，再经比例电路放大提供给后级的电压跟随器，从而实现对功率变换模块的输出控制。数字调节控制器可选择使用DSP芯片，通过芯片自带的SPI和SCI通信接口以及内置ADC；进一步地可利用数字控制器所提供的以太网接口实现远程控制和通信，更好的集成到整个控制系统中。本发明采用高输出电流的运算放大器直接驱动负载，特别的运算放大器可并联提高输出电流能力。

本发明实施例提供一种基于运算放大器搭建的电压跟随器的超导开关加热器电源，能够实现对加热器电阻的电流输出控制。系统的框架图如图2所示。控制芯片DSP提供负载输出的模拟电压，以及采样与负载串联的高精度采样电阻的电压从而检测负载输出电流。控制芯片DSP还负责完成与上位机之间的交互。特别的，对于输出电流较大的应用场合时，可采用电压跟随器并联接法的形式，成倍的提高输出电流的能力。

本发明的电源电路框图如图3所示。DC24V变换得到+15V，+15V变换得到-15V和5V，5V经过变换得到3.3V和2.5V(ref)。其中±15V为运算放大器供电；+5V和+3.3V为DSP、缓冲器以及通信芯片的供电；选用AMS1117-2.5芯片为DAC提供精密参考源+2.5V(ref)。

采用TI公司的DSP数字调节控制器作为整个系统的核心，包含通信、计算、数据采集在内的功能都由其负责完成；配置SPI为发送接收16位帧结构，通过单次发送16位数据给DAC-TLV5617，配置DAC输出模拟信号。DAC输出模拟信号为OUTA，功率变换模块包括比例电路和电压跟随器，其原理图如图4所示，比例电路中的运算放大器选择第一运算放大器LM324，其中U2A为比例电路的输入电路，接成电压跟随器形式，用于降低比例电路输入级电压跌落，比例电路U2B接成同相比例放大电路。功率变换模块中的第二运算放大器U1选择高输出电流，大于100mA，低漂移的OPA2191，提高输出能力和输出精度，接成电压跟随器。本例中选择两路U1-1pin和U1-7pin输出并联在一起，成倍提高输出能力。选用低阻值高精度采样电阻串联在负载上，采用OPA2191第三运算放大器搭建差分采样电路U3A采集信号R9两端电压并送入DSP内置ADC中读取处理。

以上对本发明实施例所提供的一种基于运算放大器带载的超导开关加热器电源设计方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于运算放大器的超导开关加热器电源，其特征在于：

包括加热器电源的控制模块和功率变换模块，所述的功率变换模块的前级为包括有第一运算放大器的比例放大电路，所述比例放大电路用于将数字模拟转换器DAC设定电压值转化为后级运放所需输入电压，后级利用单通道能输出预定电流的第二功率运算放大器接成电压跟随器，用于提供加热器负载所需的电流，所述控制模块配备本地和远程外设接口以及自定义扩展I/O，用于和上层控制系统以及功率变换模块通信，通过配置控制模块中的数字模拟转换器改变后级中的第二功率运算放大器的输入值，从而实现功率变换模块的输出控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于运算放大器的超导开关加热器电源，其特征在于：控制模块采用DSP28062芯片作为核心单元。

3.根据权利要求1所述的一种基于运算放大器的超导开关加热器电源，其特征在于：控制模块通过核心单元的SPI接口控制数字模拟转换器的输出。

4.根据权利要求1所述的一种基于运算放大器的超导开关加热器电源，其特征在于：数字模拟转换器的输出接入比例电路，比例放大电路将数字模拟转换器DAC设定电压值转化为后级运放所需输入电压，得到第二功率运算放大器的输入值。

5.根据权利要求1所述的一种基于运算放大器的超导开关加热器电源，其特征在于：所述的第二功率运算放大器输出的预定电流大于100mA，且采用多个第二功率运算放大器并联共同驱动负载。

6.根据权利要求1所述的一种基于运算放大器的超导开关加热器电源，其特征在于：加热器电阻为100-500欧姆，采样电路采用小于10欧姆的电阻串联在加热器电路上，模拟数字转换电路ADC通过差分电路采集采样电阻电压从而获取当前电流值。

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