CN113659805A - 一种数控电源的滤波电容快速放电电路 - Google Patents

一种数控电源的滤波电容快速放电电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种数控电源的滤波电容快速放电电路，属于电源技术领域。放电电路包括：包括运算放大器，运算放大器的两个输入端分别用于接收输出电压和基准电压；运算放大器的输出端用于连接功率变换单元；控制支路，其控制端连接运算放大器的输出端，控制支路的输入端连接一个工作电源，控制支路根据运算放大器的输出结果输出对应的控制信号以控制放电支路中的开关管导通或者关闭；放电支路与电容并联，包括串联的放电负载和开关管，开关管的控制端连接控制支路的输出端。本发明在符合放电的条件下，通过导通放电支路对滤波电容进行放电，提高了滤波电容的放电效率，缩短了数控电源的输出电压从高值突降到低值时的调整时长。

Description

一种数控电源的滤波电容快速放电电路
技术领域
本发明涉及一种数控电源的滤波电容快速放电电路，属于电源技术领域。
背景技术
数控电源以数字信号处理器(DSP)或微控制器(MCU)为核心，将数控电源驱动器、PWM控制器等作为控制对象，能实现控制、管理和监测功能的电源产品。它是通过设定开关电源的内部参数来改变其外在特性，将电源有效地分配给系统的不同组件，最大限度地降低损耗。
对于可调数控电源来说，输出电压是通过人为设置的。以BUCK拓扑结构电源为例，控制环路通过采样输出电压和基准电压进行比较，从而控制功率变换单元中功率开关管的占空比，进而调整输出电压。空载条件下，如果设置电压从高值突然降到低值，由于反馈机制作用，数控电源的功率变换单元会通过减小占空比来降低输出电压，但是输出电路中会存在大的滤波电容，滤波电容在输出为高电压时存储了大量电荷导致输出电压无法及时下降，仅仅依靠控制环路来调整输出电压，数控电源的整个调整时间可能需要持续数秒，这样对于瞬态响应要求较高的用电设备来说，可能面临过压损坏或者不能正常工作的状态。
综上，现有的数控电源的输出电压从高值突降到低值时，调整时间较长的问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种数控电源的滤波电容快速放电电路，用以解决现有数控电源的输出电压从高值突降到低值时，调整时间较长的问题。
为实现上述目的，本申请提出了一种数控电源的滤波电容快速放电电路的技术方案，滤波电容快速放电电路包括：
信号比较支路，包括运算放大器，运算放大器的一个输入端用于连接数控电源的输出端，以接收数控电源的输出电压，运算放大器的另一个输入端用于接收基准电压；运算放大器的输出端用于连接功率变换单元，功率变换单元根据运算放大器的输出结果调整占空比；
控制支路，控制支路的控制端连接运算放大器的输出端，控制支路的输入端连接一个工作电源，控制支路根据运算放大器的输出结果输出对应的控制信号以控制放电支路中的开关管导通或者关闭；
放电支路，放电支路与电容并联，包括串联的放电负载和开关管，开关管的控制端连接控制支路的输出端；
当数控电源的输出电压＞基准电压时，功率变换单元通过减小占空比减小输出电压，当数控电源的输出电压＜基准电压时，功率变换单元通过增大占空比增大输出电压；
同时控制支路根据运算放大器的输出结果输出闭合/断开开关管的控制信号，以导通/断开放电支路。
本发明的数控电源的滤波电容快速放电电路的技术方案的有益效果是：本发明通过信号比较支路对输出电压和基准电压进行比较，并且将比较结果输出至功率变换单元和控制支路：当数控电源的输出电压＞基准电压时，功率变换单元通过减小占空比减小输出电压，当数控电源的输出电压＜基准电压时，功率变换单元通过增大占空比增大输出电压，同时控制支路根据运算放大器的输出结果输出闭合/断开开关管的控制信号，导通/断开放电支路。本发明在运算放大器输出导通放电支路的控制信号时，通过控制支路导通放电支路对电容进行放电，提高了电容的放电效率，缩短了数控电源的输出电压从高值突降到低值时的调整时长。
进一步的，所述控制支路包括三极管Q1、三极管Q2、以及三极管Q3，三级管Q1的基极连接运算放大器的输出端，三极管Q1的集电极通过一个电阻连接工作电源的输出端，三极管Q1的发射极接地；三极管Q2的基极连接三极管Q1的集电极，三极管Q2的集电极连接开关管的控制端，三极管Q2的发射极接地；三极管Q3的基极接收使能信号，三极管Q3的集电极连接三极管Q2的集电极，且三极管Q3的集电极通过上拉电阻连接工作电源的输出端，三极管Q3的发射极接地；当三极管Q1基极的电压大于等于三极管Q1的导通电压时，使能信号为低电平，当三极管Q1基极的电压小于三极管Q1的导通电压时，使能信号为高电平。
进一步的，所述控制支路包括三极管Q1和三极管Q2，三级管Q1的基极连接运算放大器的输出端，三极管Q1的集电极通过一个电阻连接工作电源的输出端，三极管Q1的发射极接地；三极管Q2的基极连接三极管Q1的集电极，三极管Q2的集电极通过上拉电阻接地，且三极管Q2的集电极连接开关管的控制端，三极管Q2的发射极连接工作电源的输出端。
进一步的，为了配合三极管的导通/断开电压，还包括分压支路，分压支路的一端连接运算放大器的输出端，另一端接地；分压支路的分压点连接控制支路的控制端。
进一步的，分压支路包括串联的电阻R4和电阻R5。
进一步的，所述开关管为MOS管。
进一步的，所述放电负载为放电电阻。
进一步的，所述工作电源为5V低压电源。
进一步的，5V低压电源连接数控电源。
进一步的，开关管的输出端接地。
附图说明
图1是本发明数控电源的滤波电容快速放电电路实施例1的电路结构图；
图2是本发明数控电源的滤波电容快速放电电路实施例2的电路结构图；
图3是本发明数控电源空载时，电压下降的效果图。
具体实施方式
数控电源的滤波电容快速放电电路实施例1：
本发明的主要构思在于，基于输出电压从高值突降到低值时，调整时间较长的问题，本发明在数控单元中增加了滤波电容的快速放电电路，该放电电路包括信号比较支路、控制支路、以及放电支路，通过信号比较支路确定电压是否下降，下降后通过控制支路输出放电支路放电的控制信号，进而控制放电支路进行放电。本发明通过该放电电路及时的对滤波电容进行放电，缩短电压降低时的调整时长。
具体的，数控电源的滤波电容快速放电电路如图1所示，包括信号比较支路、控制支路、以及放电支路。
信号比较支路包括运算放大器和分压支路，运算放大器的正向输入端(+)用于连接数控电源的输出端，以接收数控电源的输出电压Vout，运算放大器的反向输入端(-)用于连接数控单元(即数字控制单元)的输出端，以接收基准电压Vref(这里的基准电压Vref即待调整到的电压，是通过人机交互后人为设置的电压Vset经过数字控制单元得到的)，运算放大器的输出端连接分压支路的一端，分压支路的另一端接地；分压支路包括串联的电阻R4和电阻R5，且电阻R4和电阻R5的连接点为分压点；同时运算放大器的输出端连接功率变换单元，用于根据运算放大器的输出端的反馈信号FB控制功率变换单元中功率开关管的占空比：当反馈信号FB为高电平时，控制占空比减小，进而减小输出电压Vout；反馈信号FB为低电平时，控制占空比增加，进而增大输出电压Vout。
控制支路包括三极管Q1、三极管Q2、以及三极管Q3，三级管Q1的基极连接分压点，三极管Q1的集电极通过电阻R6连接5V低压电源的输出端(本实施例中，5V低压电源与数控电源连接，由数控电源提供能量来源，当然5V低压电源也可以为单独的电源，本发明对此不做限制)，三极管Q1的发射极接地；三极管Q2的基极连接三极管Q1的集电极，三极管Q2的发射极接地；三极管Q3的基极接收使能信号EN，三极管Q3的集电极连接三极管Q2的集电极，且三极管Q3的集电极通过上拉电阻R7连接5V低压电源的输出端，三极管Q3的发射极接地；当运算放大器的输出端的反馈信号FB经过分压电路、分压点的电压能够导通三极管Q1时(三极管Q1的导通电压一般在0.5V左右)，使能信号EN(该使能信号可以由功率变换单元提供，也可以由单独的控制电路提供，本发明对此不做限制)为低电平，当运算放大器的输出端的反馈信号FB经过分压电路、分压点的电压无法导通三极管Q1时，使能信号EN为高电平。三极管Q1、三极管Q2、以及三极管Q3均为NPN型三极管。
放电支路，放电支路与电容C(即滤波电容)并联，以实现对滤波电容电量的放电；放电支路包括串联的放电电阻R8和MOS管Q4(这里的MOS管为开关管的一种，并且MOS管为N沟道MOS管)，MOS管Q4的控制端连接三极管Q2的集电极，且MOS管Q4的输出端接地(数控电源的一端为正，另一端为接地，这里MOS管Q4的输出端也可以不用单独接地，放电电阻R8和MOS管Q4串联后与电容C并联即可)。
本实施例的数控电源的滤波电容快速放电电路的工作原理为：
当数控电源的输出电压Vout＞基准电压Vref时，运算放大器输出的反馈信号FB为高电平时；将反馈信号FB反馈至功率变换单元，功率变换单元为了使控制环路达到稳态，功率变换单元通过减小占空比减小输出电压，使得输出再次达到平衡(数控电源在稳态输出时，其基准电压Vref和采样的输出电压Vout相同，呈现动态平衡状态动态平衡时，运算放大器的输出电压在一点几伏)；同时，反馈信号FB输出的高电平经过分压电路分压之后，分压点的电压超过(即大于等于)三极管Q1的导通电压时，使能信号EN为低电平；此时三极管Q1导通；三极管Q1导通之后，拉低三极管Q2的基极电压，使得三极管Q2断开，并且使能信号EN为低电平，使得三极管Q3断开；此时三极管Q2集电极的电压由于上拉电阻R7的上拉作用为高电平，使得MOS管Q4导通，进而放电电租R8接入电路，对电容C进行快速放电，直至分压点的电压小于三极管Q1的导通电压，使能信号EN变为高电平，放电电路自动关闭，停止放电；
当数控电源的输出电压Vout＜基准电压Vref时，运算放大器输出的反馈信号FB为低电平，将反馈信号FB反馈至功率变换单元，功率变换单元为了使控制环路达到稳态，功率变换单元通过增大占空比增大输出电压，使得输出再次达到平衡；当然，反馈信号FB为低电平时，无法导通三极管Q1，使能信号为高电平，三极管Q3导通，将三极管Q2集电极的电压拉低，使得MOS管Q4断开，进而放电电租R8未接入电路，放电电路的放电功能关闭。
上述实施例中，分压支路的作用在于降低运算放大器的输出信号，以满足三极管Q1的导通/断开电压，与三极管Q1的参数设置有关，作为其他实施方式，在保证运算放大器的输出信号匹配三极管Q1的导通电压以及断开电压的情况下，分压支路也可以不设置。
上述实施例中，分压支路由电阻R4和电阻R5组成，当然，也可以增加电阻的数量以保证输出信号与三极管Q1匹配。
上述实施例中，为了提高放电支路的开关效率，采用MOS管作为放电支路的开关，作为其他实施方式，也可以采用普通的三极管作为开关管控制放电支路的导通和断开。
上述实施例中，采用放点电阻作为放电负载为电容进行放电，当然本发明关于放电负载的具体形式并不做限制。
本发明在达到放电条件时，通过控制支路控制放电支路导通，进而实现放电支路对电容进行放电，提高了电容的放电效率，缩短了数控电源的输出电压从高值突降到低值时的调整时长。本发明的数控电源可以应用于实验电源、教学仪器、数控机床等，可以提升动态响应性能。
数控电源的滤波电容快速放电电路实施例2：
本实施例的数控电源的滤波电容快速放电电路与实施例1的不同之处在于，控制支路采用了两个三极管，在实施例1的基础上减小了三极管的数量，进一步的简化电路，节约成本。
具体的，本实施例的数控电源的滤波电容快速放电电路如图2所示，包括信号比较支路、控制支路、以及放电支路。
信号比较支路和放电支路与实施例1相同，这里不做赘述。
控制电路包括三极管Q1和三极管Q2，三极管Q1为NPN型三极管，三极管Q2为PNP型三极管，三级管Q1的基极连接分压点，三极管Q1的集电极通过电阻R6连接5V低压电源的输出端，三极管Q1的发射极接地；三极管Q2的基极连接三极管Q1的集电极，三极管Q2的集电极通过上拉电阻R7接地，且三极管Q2的集电极连接MOS管Q4的控制端，三极管Q2的发射极连接5V低压电源的输出端。
本实施例的滤波电容快速放电电路的工作原理如下：
当数控电源的输出电压Vout＞基准电压Vref时，运算放大器输出的反馈信号FB为高电平；将反馈信号FB反馈至功率变换单元，功率变换单元为了使环路达到稳态，功率变换单元通过减小占空比减小输出电压，使得输出再次达到平衡。同时，反馈信号FB输出的高电平经过分压电路分压之后，分压点的电压超过三极管Q1的导通电压，使得三极管Q1导通；三极管Q1导通之后，拉低三极管Q2的基极电压，使得三极管Q2导通，此时三极管Q2集电极的电压由于上拉电阻R7的上拉作用为高电平，使得MOS管Q4导通，进而放电电租R8接入电路，对电容C进行快速放电，直至分压点的电压小于三极管Q1的导通电压，停止放电；
当数控电源的输出电压Vout＜基准电压Vref时，运算放大器输出的反馈信号FB为低电平，分压点的电压无法导通三极管Q1，三极管Q1断开，由于电阻R6使得三极管Q2的基极为高电平，三极管Q2断开，三极管Q2的集电极接地为低电平，使得MOS管Q4断开，进而放电电租R8未接入电路，放电电路的放电功能关闭，同时将反馈信号FB反馈至功率变换单元，功率变换单元为了使控制环路达到稳态，功率变换单元通过增大占空比增大输出电压，使得输出再次达到平衡。
以电容C为两个并联的80V/1000μF电解电容为例对本发明提出的数控电源的滤波电容快速放电电路的效果进行验证，得到如图3所示的效果图，可以看出，输出电压从42V空载输出到0V时电压下降波形，整个响应时间仅为82ms。

Claims (10)

1.一种数控电源的滤波电容快速放电电路，其特征在于，包括：
信号比较支路，包括运算放大器，运算放大器的一个输入端用于连接数控电源的输出端，以接收数控电源的输出电压，运算放大器的另一个输入端用于接收基准电压；运算放大器的输出端用于连接功率变换单元，功率变换单元根据运算放大器的输出结果调整占空比；
控制支路，控制支路的控制端连接运算放大器的输出端，控制支路的输入端连接一个工作电源，控制支路根据运算放大器的输出结果输出对应的控制信号以控制放电支路中的开关管导通或者关闭；
放电支路，放电支路与电容并联，包括串联的放电负载和开关管，开关管的控制端连接控制支路的输出端；
当数控电源的输出电压＞基准电压时，功率变换单元通过减小占空比减小输出电压，当数控电源的输出电压＜基准电压时，功率变换单元通过增大占空比增大输出电压；
同时控制支路根据运算放大器的输出结果输出闭合/断开开关管的控制信号，以导通/断开放电支路。
2.根据权利要求1所述的数控电源的滤波电容快速放电电路，其特征在于，所述控制支路包括三极管Q1、三极管Q2、以及三极管Q3，三级管Q1的基极连接运算放大器的输出端，三极管Q1的集电极通过一个电阻连接工作电源的输出端，三极管Q1的发射极接地；三极管Q2的基极连接三极管Q1的集电极，三极管Q2的集电极连接开关管的控制端，三极管Q2的发射极接地；三极管Q3的基极接收使能信号，三极管Q3的集电极连接三极管Q2的集电极，且三极管Q3的集电极通过上拉电阻连接工作电源的输出端，三极管Q3的发射极接地；当三极管Q1基极的电压大于等于三极管Q1的导通电压时，使能信号为低电平，当三极管Q1基极的电压小于三极管Q1的导通电压时，使能信号为高电平。
3.根据权利要求1所述的数控电源的滤波电容快速放电电路，其特征在于，所述控制支路包括三极管Q1和三极管Q2，三级管Q1的基极连接运算放大器的输出端，三极管Q1的集电极通过一个电阻连接工作电源的输出端，三极管Q1的发射极接地；三极管Q2的基极连接三极管Q1的集电极，三极管Q2的集电极通过上拉电阻接地，且三极管Q2的集电极连接开关管的控制端，三极管Q2的发射极连接工作电源的输出端。
4.根据权利要求2或3所述的数控电源的滤波电容快速放电电路，其特征在于，还包括分压支路，分压支路的一端连接运算放大器的输出端，另一端接地；分压支路的分压点连接控制支路的控制端。
5.根据权利要求4所述的数控电源的滤波电容快速放电电路，其特征在于，分压支路包括串联的电阻R4和电阻R5。
6.根据权利要求1所述的数控电源的滤波电容快速放电电路，其特征在于，所述开关管为MOS管。
7.根据权利要求1所述的数控电源的滤波电容快速放电电路，其特征在于，所述放电负载为放电电阻。
8.根据权利要求1所述的数控电源的滤波电容快速放电电路，其特征在于，所述工作电源为5V低压电源。
9.根据权利要求8所述的数控电源的滤波电容快速放电电路，其特征在于，5V低压电源连接数控电源。
10.根据权利要求1所述的数控电源的滤波电容快速放电电路，其特征在于，开关管的输出端接地。
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