CN111555646B - 一种开关电源高带宽线性放大电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源高带宽线性放大电路及其控制方法，该电路包括主电路和控制电路，主电路包括开关电源、线性电路和负载电路，开关电源与线性电路并联，线性电路与负载电路并联；线性支路包括第二电感、线性调整管和电压源；第二电感与开关电源输出端的一端连接，第二电感另一端与线性调整管的C极连接，线性调整管的E极与电压源的负极连接，电压源的正极与开关电源输出端的另一端连接；控制电路包括用于驱动开关电源的开关电源控制器、功率变换器、线性模块控制器和用于调整线性支路电流的线性模块；功率变换器与开关电源控制器连接，线性模块控制器与线性模块连接。本发明提高了负载电流带宽，实现了电流的正负斜率控制和正负电压输出。

Description

一种开关电源高带宽线性放大电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种开关电源高带宽线性放大电路及其控制方法。

背景技术

本技术是满足国家重大科学工程中国散裂中子源项目中射频调谐偏流源的高带宽动态跟踪精度要求。国外相似电源有采用线性电源的方案，应用大量三极管并联输出，利用三极管的放大作用，对控制电路输出的小电流信号进行线性放大而实现大电流输出。线性电源的输出带宽能够做得比较高，但整机体积大、效率低；也有采用开关电源的方案，开关电源工作在高频的开/关状态，体积小，转换效率高，但输出带宽较低，单纯采用开关电源很难达到输出带宽的指标要求。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种开关电源高带宽线性放大电路及其控制方法，本发明采用线性技术应用与开关电源相结合，提高了负载电流带宽，实现了电流的正负斜率控制，正负电压输出，最终达到了二象限工作的效果。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种开关电源高带宽线性放大电路，包括：主电路和控制电路，所述主电路包括开关电源、线性电路和负载电路，

所述开关电源与线性电路并联，所述线性电路与负载电路并联；

所述线性电路包括第二电感、线性调整管和电压源；

所述第二电感与开关电源输出端的一端连接，所述第二电感另一端与线性调整管的C极连接，所述线性调整管的E极与电压源的负极连接，所述电压源的正极与开关电源输出端的另一端连接；

所述控制电路包括开关电源控制器、功率变换器、线性模块控制器和线性模块；

所述功率变换器与开关电源控制器连接，所述线性模块控制器与线性模块连接，所述线性模块与线性电路连接，所述开关电源控制器用于驱动开关电源，所述线性模块用于调整线性电路电流。

作为优选的技术方案，所述开关电源包括第一电容、第二电容、第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管和第一电感；

所述第一功率管、第二功率管、第三功率管和第四功率管构成桥式电路，所述第一电容的两端分别与第一功率管的C极、第二功率管的E极相连，所述第一电感第一端与第一功率管的E极相连，所述第一电感的第二端与第二电容一端相连，所述第二电容的另一端与第四功率管的C极连接。

作为优选的技术方案，所述负载电路包括输出电感和输出电阻，所述输出电感与输出电阻串联。

作为优选的技术方案，所述线性调整管采用NPN型线性调整管，所述线性模块采用NPN型三极管串联电源结构。

作为优选的技术方案，所述开关电源控制器采用PI结构或PID结构，所述线性模块控制器采用PI结构。

作为优选的技术方案，所述控制电路还设有滤波电感、滤波电容、补偿支路和线缆分布电感，所述滤波电感第一端与功率变换器一端连接，滤波电感第二端与线缆分布电感第一端连接，所述线缆分布电感第二端与负载电路连接，所述滤波电容一端与滤波电感第二端连接，滤波电容另一端与功率变换器另一端连接，所述滤波电容与补偿支路并联，所述线性模块与线缆分布电感第二端连接。

作为优选的技术方案，所述补偿支路设有补偿电容和补偿电阻，所述补偿电容和补偿电阻串联。

作为优选的技术方案，所述控制电路还设有偏置电流给定端，所述偏置电流给定端用于输入正方向的偏置电流到所述开关电源控制器。

本发明还提供一种开关电源高带宽线性放大电路的控制方法，包括下述步骤：

输入正方向的偏置电流到开关电源控制器，功率变换器输出正方向偏置电流；

线性模块控制器检测到正方向的偏置电流后调整线性电路控制电流；

检测负载电路的负载电流、线性模块控制器的控制电流、以及开关电源控制器的控制电流，计算得到输入信号的高频分量，线性模块进行电流调节补偿。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明采用电流源并联相加等于二者输出电流值代数和的特征，采用开关电源与线性电路并联，解决了直接采用线性电路输出大电流时效率低、体积大的技术问题，达到了提升效率、减小体积输出电流的技术效果。

(2)本发明采用开关电源与线性电路并联结构，系统带宽由二者中高值者决定，解决了开关电源带宽不能超过开关频率的技术问题，达到了高带宽及高跟踪精度的技术要求。

(3)本发明在线性电路中采用电压源S1与NPN型线性调整管结合，解决了传统线性电路必须由两个互补对管组合才能实现正负电压输出的技术问题，达到了控制上升与下降沿波形的效果，实现了电流的正负斜率控制，正负电压输出，最终达到了二象限工作的效果。

(4)本发明采用了开关电源后增加线性电路的混合控制技术，解决了开关电源与线性电路配合时二者带宽分配的问题，达到了自动分配动态电流，在不改变原有控制方案上，增加外置控制电路后实现提高系统带宽的控制效果。

附图说明

图1为本实施例开关电源高带宽线性放大电路的主电路原理图；

图2为本实施例开关电源高带宽线性放大电路的控制电路框图；

图3为本实施例开关电源高带宽线性放大电路的控制电路叠加高频信号后等效控制电路框图；

图4为本实施例开关电源高带宽线性放大电路的带宽测试结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1所示，本实施例提供一种开关电源高带宽线性放大电路，包括：

主电路和控制电路，主电路包括开关电源、线性电路支路和负载支路，开关电源与线性电路支路并联，线性电路支路与负载并联，开关电源用于调整输出功率，线性电路支路用于调整误差电流，从而实现与电流设定值的误差小于要求值，本实施例利用简单的电流相加原理实现了拓扑的简单连接，利用电流源并联，其终值是二者电流值代数和，系统带宽由二者中高带宽值者决定原理，使之在所有开关电源输出端增加相同原理的线性支路均可提高系统带宽；

开关电源包括第一电容C0、第二电容C1、第一功率管N1、第二功率管N2、第三功率管N3、第四功率管N4和第一电感L1，其中，第一电感L1和第二电容C1串联组成滤波网络，第一功率管、第二功率管、第三功率管和第四功率管构成桥式电路，第一电容的两端分别与第一功率管的C极、第二功率管的E极相连，第一电感的第一端与第一功率管的E极相连，第一电感的第二端与第二电容一端相连，第二电容的另一端与第四功率管的C极连接，各个参数数值由与系统设计相关；

线性电路支路包括第二电感L2、线性调整管N5和电压源S1；其中，第二电感L2连接在开关电源与线性调整管N5、电压源S1组成的调整支路之间，电压源S1反串于线性调整管N5，使之始终工作在吸收功率状态，即线性电流值始终为负值、电压值始终为正值，与串联的电压源S1相加后即可实现正负压输出，与开关电源并联电流相加后即可实现正负电流，本实施例采用一种NPN型线性调整管，即实现了电流的正负斜率控制，正负电压输出，最终达到了二象限工作的效果；

本实施例的负载电路包括输出电感L和输出电阻R，输出电感与输出电阻串联，工作原理为：

开关电源在PWM控制信号驱动下输出功率，应用闭环负反馈原理将线性电路支路在模拟控制信号下调整加到负载端口的电流，使设定电流与输出电流之差小于要求值。

在本实施例中，开关电源与线性电路支路能够结合工作的前提是在线性电路增加了串联的正电压源S1，使线性电路只工作在吸收电流状态，有效减小了线性调整管的数量，消除了解决“零电流”处波形失真的问题。本实施例第二电感L2是二者结合后实现高带宽调节的关键因素，它是增加在开关电源与线性电路之间必要的阻抗，调节第二电感L2的值可直接调整线性电路高带宽的调节电流流向开关电源的大小，是调节协调低带宽的开关电源与高带宽的线性电路支路必不可少的器件。

如图2所示，本实施例开关电源高带宽线性放大电路的控制电路包括：开关电源控制器、功率变换器、滤波网络、线性模块控制器和线性模块，功率变换器与开关电源控制器和滤波网络连接，线性模块控制器与线性模块连接，线性模块与线性支路连接；

开关电源控制器，一般为典型PI结构或PID结构，其功能为开关电源控制，达到稳定输出电流的目的；

线性模块控制器为经典PI结构，其功能为电流控制，同时达到分配电流控制的目的；

线性模块为NPN型三极管串联电源结构，实现电流调整，是线性模块控制器的执行机构；

本实施例中，滤波网络包括滤波电感、滤波电容、补偿支路和线缆分布电感，滤波电感第一端与功率变换器一端连接，滤波电感第二端与线缆分布电感第一端连接，线缆分布电感第二端与负载电路连接，滤波电容一端与滤波电感第二端连接，滤波电容另一端与功率变换器另一端连接，滤波电容与补偿支路并联，线性模块与线缆分布电感第二端连接，本实施例的补偿支路设置一个电容与电阻串联，用于优化系统特性。

本实施例提供一种开关电源高带宽线性放大电路的控制方法，包括下述步骤：

1、给控制系统同一给定信号，设置开关电源控制器与线性模块控制器有相同的控制目标，将给定的信号无差放大至目标开关电源数值；

2、额外增加正方向的偏置电流到开关电源控制器给定端，使功率变换器输出额外增加的正方向偏置电流；

3、开关电源控制器正常工作后，线性模块控制器检测回路检测到额外增加的正方向偏置电流后，经线性模块控制器比例-积分结构调节器计算后控制线性模块吸收这部分电流；

如图3所示，通过上述控制方法等效至叠加高频信号后，得到等效控制电路；

4、给定信号叠加的高频分量，开关电源控制器的比例-积分调节器计算功率变换器不能输出高频信号部分，给定信号叠加的高频分量受制于开关电源的能力限制，其中高频信号不能输出，用给定信号减去开关电源控制器输出部分即为不能输出的高频信号部分。

此时利用闭环检测负载电流、检测线性模块控制器调节电流，减法计算控制线性模块自动补偿这部分电流，采用电流传感器将所要检测电流转换为弱电信号，即采用上述两个检测量相减进行补偿，从而达到提高带宽的目的；

在本实施例中，开关电源控制器、偏置电流和线性模块控制器共同组成的混合控制策略，其典型特征为：两个控制器同一给定信号，增加了偏置电流使系统控制在分流状态。

本实施例在原有开关电源基础上增加线性支路控制即可实现提高系统带宽的目的，无需全新更改系统；增加的控制方案与原有系统相互独立，无需更改原有控制系统，结合图1所示，在原有开关电源后输出端口后并联线性模块及线性模块控制器即可实现，即并联在线性支路位置处，无需更改原有开关电源设计、外观等，使之应用推广相对简单。

本实施例增加的控制方案与原有系统是并联控制关系，二者可分开设计，无需考虑其相互影响。如图4所示，图中显示了500A直流工作点小信号带宽测试曲线，从系统终端测试结果可知，本实施例实现了超过系统30kHz的带宽要求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种开关电源高带宽线性放大电路，其特征在于，包括：主电路和控制电路，所述主电路包括开关电源、线性电路和负载电路，

所述开关电源与线性电路并联，所述线性电路与负载电路并联；

所述线性电路包括第二电感、线性调整管和电压源；

所述第二电感与开关电源输出端的一端连接，所述第二电感另一端与线性调整管的C极连接，所述线性调整管的E极与电压源的负极连接，所述电压源的正极与开关电源输出端的另一端连接；

所述控制电路包括开关电源控制器、功率变换器、线性模块控制器和线性模块；

所述功率变换器与开关电源控制器连接，所述线性模块控制器与线性模块连接，所述线性模块与线性电路连接，所述开关电源控制器用于驱动开关电源，所述线性模块用于调整线性电路电流；

所述控制电路还设有滤波电感、滤波电容、补偿支路和线缆分布电感，所述滤波电感第一端与功率变换器一端连接，滤波电感第二端与线缆分布电感第一端连接，所述线缆分布电感第二端与负载电路连接，所述滤波电容一端与滤波电感第二端连接，滤波电容另一端与功率变换器另一端连接，所述滤波电容与补偿支路并联，所述线性模块与线缆分布电感第二端连接。

2.根据权利要求1所述的开关电源高带宽线性放大电路，其特征在于，所述开关电源包括第一电容、第二电容、第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管和第一电感；

所述第一功率管、第二功率管、第三功率管和第四功率管构成桥式电路，所述第一电容的两端分别与第一功率管的C极、第二功率管的E极相连，所述第一电感的第一端与第一功率管的E极相连，所述第一电感的第二端与第二电容一端相连，所述第二电容的另一端与第四功率管的C极连接。

3.根据权利要求1所述的开关电源高带宽线性放大电路，其特征在于，所述负载电路包括输出电感和输出电阻，所述输出电感与输出电阻串联。

4.根据权利要求1所述的开关电源高带宽线性放大电路，其特征在于，所述线性调整管采用NPN型线性调整管，所述线性模块采用NPN型三极管串联电源结构。

5.根据权利要求1所述的开关电源高带宽线性放大电路，其特征在于，所述开关电源控制器采用PI结构或PID结构，所述线性模块控制器采用PI结构。

6.根据权利要求1所述的开关电源高带宽线性放大电路，其特征在于，所述补偿支路设有补偿电容和补偿电阻，所述补偿电容和补偿电阻串联。

7.根据权利要求1所述的开关电源高带宽线性放大电路，其特征在于，所述控制电路还设有偏置电流给定端，所述偏置电流给定端用于输入正方向的偏置电流到所述开关电源控制器。

8.根据权利要求1-7任一项所述开关电源高带宽线性放大电路的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

输入正方向的偏置电流到开关电源控制器，功率变换器输出正方向偏置电流；

线性模块控制器检测到正方向的偏置电流后调整线性电路控制电流；

检测负载电路的负载电流、线性模块控制器的控制电流、以及开关电源控制器的控制电流，计算得到输入信号的高频分量，线性模块进行电流调节补偿。

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