CN112332820A - 一种测试电源放电电阻控制电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种测试电源放电电阻控制电路及其控制方法，涉及测试电源技术领域，电路包括直流电源、电容C、放电电阻R、功率开关管Q、主控芯片MCU、运算放大器、负载；电容C并联在直流电源两端，放电电阻R与功率开关管Q串联后并联在电容C两端，负载接在电容C两端；运算放大器输出端与主控芯片MCU连接，输入端采集负载两端输出电压UO；主控芯片MCU输出端与功率开关管Q门极连接；方法中主控芯片MCU根据采集输出电压UO与电压给定Uref作差后送入主控芯片MCU，主控芯片MCU处理后发出控制信号来控制功率开关管Q开通与关闭，从而控制放电电阻R工作；硬件电路简单、成本低；放电电阻动作快速，提高了电源动态性能和安全性，防止了放电电阻频繁动作导致烧毁。
Description
技术领域
本发明涉及测试电源技术领域，具体涉及一种测试电源放电电阻控制电路及其控制方法。
背景技术
在测试电源领域，相较于其他常规类电源产品，用户对直流测试电源的响应速度、放电速度等会提出更高的要求。而放电电阻能够有效帮助直流源实现快速响应、快速放电等功能，从而使电源的动态性能更优异，使用更安全。常规类电源产品的放电电阻的控制策略一般都较简单，大多数都是根据输出电压与设定电压的差值来进行简单的控制，有的甚至是作为死负载，不做任何控制。但是由于测试类电源产品具有“输出电压范围宽”、“负载类型多样”、“使用工况复杂”等特点，所以如何有效、可靠地对放电电阻进行控制就显得尤为重要了。
现有的通过输出电压与设定电压的差值或者作为死负载来进行控制的策略，存在以下几个缺点：
1、由于测试电源的输出电压范围较宽，为了保证该放电电阻对全电压范围段都有效，就需要选择阻值较小的电阻，而测试类电源的电源体积本身较小，所以不可能选择功率很大的电阻，这样就会导致高压输出情况下，电阻发热严重，严重影响使用寿命，且存在烧毁电阻等安全隐患。
2、通过输出电压和设定电压的差值来判断放电电阻的动作与关闭，在电压反灌、外接大电容、外部电压高于输出电压等情况下会出现电阻长时间工作，导致烧毁的情况出现。且如果这个差值取得太大，对电路的动态特性以及对电容放电的及时性都会有很大影响；如果差值取得太小，又容易导致放电电阻频繁地误动作，加大了烧毁的风险。
现有技术中，申请号为201710907118.6，公开日为2018年3月9日的中国发明专利申请《一种制动电阻放电控制系统以及方法》，公开了一种制动电阻放电控制系统以及方法，系统包括通信网络、N个泄放支路以及与N个泄放支路一一对应的N个控制器，所述N为大于或等于2的整数；每一所述泄放支路包括串联连接的制动电阻以及功率管，每一所述控制器通过控制对应泄放支路中功率管的闭合和断开控制对应泄放支路的放电；所述N个控制器通过所述通信网络与整车控制器通信以获取放电指令，并根据系统中控制器的数量分担放电指令所对应的放电功率。
上述文献可以实现多个控制器共同响应放电功率，整个系统的峰值功率就变成原来的数倍，可以适应更多的应用场合，但是该文献并未解决上述存在的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何一种测试电源放电电阻控制电路及其控制方法，既能够有效地保证放电电阻及时动作又能够防止其频繁动作导致烧毁且能够有效保证电源在电压反灌、外接大电容、外部电压高于输出电压等特殊工况下长期稳定工作。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种测试电源放电电阻控制电路，包括直流电源、电容C、放电电阻R、功率开关管Q、主控芯片MCU、运算放大器、负载；所述的电容C并联在直流电源的两端，放电电阻R与功率开关管Q串联后并联在电容C两端，负载接在电容C两端；所述的运算放大器的输出端与主控芯片MCU连接，输入端采集负载两端的输出电压UO；所述的主控芯片MCU的输出端与功率开关管Q的门极连接。
直流电源在输出端的位置上并联电容C来达到稳定输出电压、减小输出纹波的作用；由于电容C的存在，导致直流电源在空载、关闭输出电压、重载切换至轻载或空载的过程中，直流电源输出端电容C上的能量没有释放途径或能量释放较慢，大大影响了放电速度以及动态响应；通过增加了一个由放电电阻R和控制放电电阻动作的功率开关管Q组成的串联支路，通过主控芯片MCU控制功率开关管Q的开通和关断，从而控制放电电阻R的工作状态，有效地提高了直流电源的动态性与安全性。保证放电电阻快速动作，大大提高了电源的动态性能和安全性；能够有效防止放电电阻频繁动作导致烧毁；且能够有效保证电源在电压反灌、外接大电容、外部电压高于输出电压等特殊工况下长期稳定工作硬件电路非常简单，成本较低。
一种应用于所述的测试电源放电电阻控制电路的控制方法，主控芯片MCU根据采集的输出电压UO与电压给定Uref作差后送入主控芯片MCU，主控芯片MCU处理后发出控制信号来控制功率开关管Q的开通与关闭，从而控制放电电阻R工作。
作为本发明技术方案的进一步改进，运行中电压给定Uref不变时，所述的放电电阻R工作的控制方法为：
(1)首先测量输出电压Uo，与当前的电压给定Uref作差，得到电压差ΔU，ΔU＝Uo-Uref；
(2)当ΔU＞U1时，主控芯片MCU发送驱动信号给功率开关管Q，使得放电电阻R开始工作，工作时功率开关管Q的占空比D＝Kp*ΔU，将过冲的电压迅速拉下来；其中，D为功率开关管Q的占空比、Kp为比例放大系数，U1为放电电阻R的动作点上限值；
(3)当ΔU＜U2时，主控芯片MCU发送关断信号给功率开关管Q，使得放电电阻R停止工作，这样一来可以有效提高动态性能；其中U2为放电电阻R动作点下限值。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的放电电阻R工作的限制条件为：
在T1周期内，当放电电阻R的累积工作时间ta大于t1时，放电电阻R停止工作；
当Ta大于T1时，恢复放电电阻R工作；
其中，ta表示电压给定不变的条件下，在T1周期内，放电电阻R的累积工作时间；t1表示电压给定不变的条件下，在T1周期内，放电电阻允许工作的时间上限；Ta表示与ta同时开始计时的一个时间变量，上限为T1；T1是一个人为设定的时间周期，需根据实际使用的放电电阻阻值、功率、散热条件等因素综合考虑确定，其中T1＞t1。
作为本发明技术方案的进一步改进，运行中电压给定Uref改变时，所述的放电电阻R工作的控制方法为：
(1)首先量测输出电压Uo，与当前的电压给定Uref作差，得到电压差ΔU，ΔU＝Uo-Uref；
(2)当ΔU＞U1时，主控芯片MCU发送驱动信号给功率开关管Q，使得放电电阻R开始工作，工作时功率开关管Q的占空比D＝RP/(Uo2)，其中R为放电电阻的阻值，P为在当前散热条件下放电电阻能够长时间工作的功率值；由于电压给定Uref的值是改变的，所以此时对动态性能要求相对较低，采用放电电阻以恒定功率P放电的方法；
(3)当ΔU＜U2时，主控芯片MCU发送关断信号给功率开关管Q，使得放电电阻R停止工作。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的放电电阻R工作的限制条件为：
在T2周期内，当放电电阻R累积工作时间tb大于t2时，放电电阻R停止工作；当Tb大于T2时，恢复放电电阻R工作；
其中，tb表示电压给定改变的条件下，在T2周期内，放电电阻R的累积工作时间；t2表示电压给定改变的条件下，在T2周期内，放电电阻R允许工作的时间上限；Tb表示与tb同时开始计时的一个时间变量，上限为T2；T2是一个人为设定的时间周期，需根据实际使用的放电电阻阻值、功率、散热条件等因素综合考虑确定，其中T2＞t2。
作为本发明技术方案的进一步改进，停机时，所述的放电电阻R工作的控制方法为：当检测到停机信号时，主控芯片MCU发送驱动信号给功率开关管Q，使得放电电阻R开始工作，工作时功率开关管Q的占空比D＝RP/(Uo2)。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的放电电阻R工作的限制条件为：当放电电阻R的累积工作时间tc大于Tmax时，放电电阻R停止工作；其中，tc表示停机时，放电电阻R累积工作时间；Tmax表示停机时，放电电阻R允许工作的时间上限。
本发明的优点在于：
(1)在电路中通过增加了一个由放电电阻R和控制放电电阻动作的功率开关管Q组成的串联支路，通过主控芯片MCU控制功率开关管Q的开通和关断，从而控制放电电阻R的工作状态，保证放电电阻快速动作，大大提高了电源的动态性能和安全性；能够有效防止放电电阻频繁动作导致烧毁；且能够有效保证电源在电压反灌、外接大电容、外部电压高于输出电压等特殊工况下长期稳定工作，硬件电路非常简单，成本低。
(2)需根据实际使用的放电电阻阻值、功率、散热条件等因素综合人为设定的一个时间周期，对放电电阻R的累积工作时间进行限制，消除了放电电阻R存在的因为工作时间长而导致的烧毁隐患。
附图说明
图1为本发明实施例的放电电阻控制电路的原理示意图；
图2为本发明实施例的电压给定不变时放电电阻的控制方法流程图；
图3为本发明实施例的电压给定改变时放电电阻的控制方法流程图；
图4为本发明实施例的停机时放电电阻的控制方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，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。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1所示，一种测试电源放电电阻控制电路，包括直流电源、电容C、放电电阻R、功率开关管Q、主控芯片MCU、运算放大器、负载；所述的电容C并联在直流电源的两端，放电电阻R与功率开关管Q串联后并联在电容C两端，负载接在电容C两端；所述的运算放大器的输出端与主控芯片MCU连接，输入端采集负载两端的输出电压UO；所述的主控芯片MCU的输出端与功率开关管Q的门极连接；主控芯片MCU根据采集的输出电压UO与电压给定Uref作差后送入主控芯片MCU，主控芯片MCU处理后发出控制信号来控制功率开关管Q的开通与关闭。
直流电源在输出端的位置上并联电容C来达到稳定输出电压、减小输出纹波的作用；由于电容C的存在，导致直流电源在空载、关闭输出电压、重载切换至轻载或空载的过程中，直流电源输出端电容C上的能量没有释放途径或能量释放较慢，大大影响了放电速度以及动态响应；通过增加了一个由放电电阻R和控制放电电阻动作的功率开关管Q组成的串联支路，通过主控芯片MCU控制功率开关管Q的开通和关断，从而控制放电电阻R的工作状态，有效地提高了直流电源的动态性与安全性。
如图2-4所示，为了确保此放电电阻R既能够及时动作，又能够防止其频繁动作导致烧毁，且能够有效保证电源在电压反灌、外接大电容、外部电压高于输出电压等特殊工况下长期稳定工作，所述的主控芯片MCU控制功率开关管Q的开通和关断，从而控制放电电阻R的工作状态的分为三种情况：
1、运行中，电压给定Uref不变时，如图2所示为电压给定不变时放电电阻的控制方法流程图；
(1)首先测量输出电压Uo，与当前的电压给定Uref作差，得到电压差ΔU，ΔU＝Uo-Uref；
(2)当ΔU＞U1时，主控芯片MCU发送驱动信号给功率开关管Q，使得放电电阻R开始工作，工作时功率开关管Q的占空比D＝Kp*ΔU，将过冲的电压迅速拉下来；其中，D为功率开关管Q的占空比、Kp为比例放大系数，U1为放电电阻R的动作点上限值；
(3)当ΔU＜U2时，主控芯片MCU发送关断信号给功率开关管Q，使得放电电阻R停止工作，这样一来可以有效提高动态性能；其中U2为放电电阻R动作点下限值。
在运行中，电压给定Uref不变的情况下，由于放电电阻R的工作时间与ΔU成正比，当ΔU较大时，放电电阻R存在烧毁的隐患，所以需要对放电电阻R的累积工作时间进行限制，限制的条件为：
在T1周期内，当放电电阻R的累积工作时间ta大于t1时，放电电阻R停止工作；当Ta大于T1时，恢复放电电阻R工作。
其中，ta表示电压给定不变的条件下，在T1周期内，放电电阻R的累积工作时间；t1表示电压给定不变的条件下，在T1周期内，放电电阻允许工作的时间上限；Ta表示与ta同时开始计时的一个时间变量，上限为T1；T1是一个人为设定的时间周期，需根据实际使用的放电电阻阻值、功率、散热条件等因素综合考虑确定，其中T1＞t1。
2、运行中，电压给定Uref改变时，如图3所示为电压给定改变时放电电阻的控制方法流程图；
(1)首先量测输出电压Uo，与当前的电压给定Uref作差，得到电压差ΔU，ΔU＝Uo-Uref；
(2)当ΔU＞U1时，主控芯片MCU发送驱动信号给功率开关管Q，使得放电电阻R开始工作，工作时功率开关管Q的占空比D＝RP/(Uo2)，其中R为放电电阻的阻值，P为在当前散热条件下放电电阻能够长时间工作的功率值；由于电压给定Uref的值是改变的，所以此时对动态性能要求相对较低，采用放电电阻以恒定功率P放电的方法；
(3)当ΔU＜U2时，主控芯片MCU发送关断信号给功率开关管Q，使得放电电阻R停止工作。
在运行中，电压给定Uref改变的情况下，考虑到放电电阻R的寿命及整机的效率，防止直流电源在输出端有反灌电压等情况导致放电电阻R长时间工作，需要对放电电阻R的累积工作时间进行限制，限制的条件为：
在T2周期内，当放电电阻R累积工作时间tb大于t2时，放电电阻R停止工作；当Tb大于T2时，恢复放电电阻R工作。
其中，tb表示电压给定改变的条件下，在T2周期内，放电电阻R的累积工作时间；t2表示电压给定改变的条件下，在T2周期内，放电电阻R允许工作的时间上限；Tb表示与tb同时开始计时的一个时间变量，上限为T2；T2是一个人为设定的时间周期，需根据实际使用的放电电阻阻值、功率、散热条件等因素综合考虑确定，其中T2＞t2。
3、停机时，如图4所示为停机时放电电阻的控制方法流程图；
当检测到停机信号时，主控芯片MCU发送驱动信号给功率开关管Q，使得放电电阻R开始工作，工作时功率开关管Q的占空比D＝RP/(Uo2)；当放电电阻R的累积工作时间tc大于Tmax时，放电电阻R停止工作。此时，既能够保证停机时直流电源输出端电压能够快速释放，保证用户接线的安全性，又能够有效防止外挂源停机时放电电阻R长时间工作，影响放电电阻R寿命及增加能耗。其中，tc表示停机时，放电电阻R累积工作时间；Tmax表示停机时，放电电阻R允许工作的时间上限。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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精神和范围。
Claims (8)
1.一种测试电源放电电阻控制电路，其特征在于，包括直流电源、电容C、放电电阻R、功率开关管Q、主控芯片MCU、运算放大器、负载；所述的电容C并联在直流电源的两端，放电电阻R与功率开关管Q串联后并联在电容C两端，负载接在电容C两端；所述的运算放大器的输出端与主控芯片MCU连接，输入端采集负载两端的输出电压UO；所述的主控芯片MCU的输出端与功率开关管Q的门极连接。
2.一种应用于权利要求1所述的测试电源放电电阻控制电路的控制方法，其特征在于，主控芯片MCU根据采集的输出电压UO与电压给定Uref作差后送入主控芯片MCU，主控芯片MCU处理后发出控制信号来控制功率开关管Q的开通与关闭，从而控制放电电阻R工作。
3.根据权利要求2所述的测试电源放电电阻控制电路的控制方法，其特征在于，运行中电压给定Uref不变时，所述的放电电阻R工作的控制方法为：
(1)首先测量输出电压Uo，与当前的电压给定Uref作差，得到电压差ΔU，ΔU＝Uo-Uref；
(2)当ΔU＞U1时，主控芯片MCU发送驱动信号给功率开关管Q，使得放电电阻R开始工作，工作时功率开关管Q的占空比D＝Kp*ΔU，将过冲的电压迅速拉下来；其中，D为功率开关管Q的占空比、Kp为比例放大系数，U1为放电电阻R的动作点上限值；
(3)当ΔU＜U2时，主控芯片MCU发送关断信号给功率开关管Q，使得放电电阻R停止工作，这样一来可以有效提高动态性能；其中U2为放电电阻R动作点下限值。
4.根据权利要求3所述的测试电源放电电阻控制电路的控制方法，其特征在于，所述的放电电阻R工作的限制条件为：
在T1周期内，当放电电阻R的累积工作时间ta大于t1时，放电电阻R停止工作；
当Ta大于T1时，恢复放电电阻R工作；
其中，ta表示电压给定不变的条件下，在T1周期内，放电电阻R的累积工作时间；t1表示电压给定不变的条件下，在T1周期内，放电电阻允许工作的时间上限；Ta表示与ta同时开始计时的一个时间变量，上限为T1；T1是一个人为设定的时间周期，需根据实际使用的放电电阻阻值、功率、散热条件等因素综合考虑确定，其中T1＞t1。
5.根据权利要求2所述的测试电源放电电阻控制电路的控制方法，其特征在于，运行中电压给定Uref改变时，所述的放电电阻R工作的控制方法为：
(1)首先量测输出电压Uo，与当前的电压给定Uref作差，得到电压差ΔU，ΔU＝Uo-Uref；
(2)当ΔU＞U1时，主控芯片MCU发送驱动信号给功率开关管Q，使得放电电阻R开始工作，工作时功率开关管Q的占空比D＝RP/(Uo2)，其中R为放电电阻的阻值，P为在当前散热条件下放电电阻能够长时间工作的功率值；由于电压给定Uref的值是改变的，所以此时对动态性能要求相对较低，采用放电电阻以恒定功率P放电的方法；
(3)当ΔU＜U2时，主控芯片MCU发送关断信号给功率开关管Q，使得放电电阻R停止工作。
6.根据权利要求5所述的测试电源放电电阻控制电路的控制方法，其特征在于，所述的放电电阻R工作的限制条件为：
在T2周期内，当放电电阻R累积工作时间tb大于t2时，放电电阻R停止工作；当Tb大于T2时，恢复放电电阻R工作；
其中，tb表示电压给定改变的条件下，在T2周期内，放电电阻R的累积工作时间；t2表示电压给定改变的条件下，在T2周期内，放电电阻R允许工作的时间上限；Tb表示与tb同时开始计时的一个时间变量，上限为T2；T2是一个人为设定的时间周期，需根据实际使用的放电电阻阻值、功率、散热条件等因素综合考虑确定，其中T2＞t2。
7.根据权利要求2所述的测试电源放电电阻控制电路的控制方法，其特征在于，停机时，所述的放电电阻R工作的控制方法为：当检测到停机信号时，主控芯片MCU发送驱动信号给功率开关管Q，使得放电电阻R开始工作，工作时功率开关管Q的占空比D＝RP/(Uo2)。
8.根据权利要求2所述的测试电源放电电阻控制电路的控制方法，其特征在于，所述的放电电阻R工作的限制条件为：当放电电阻R的累积工作时间tc大于Tmax时，放电电阻R停止工作；其中，tc表示停机时，放电电阻R累积工作时间；Tmax表示停机时，放电电阻R允许工作的时间上限。
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