CN114204831A - 一种用于输出恒定功率的控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于输出恒定功率的控制系统和方法，属于开关电源技术领域。解决了需要同时采样输出电压和电流的问题，仅通过辅助绕组采样输出电压，通过环路控制实现输出恒定功率。其技术方案为：该输出恒定功率的控制系统包括输入交流电的整流电路、连接于所述整流电路输出端的驱动电路，以及连接在所述驱动电路输出端的输出滤波电路；控制方法为：通过检测输出电压，来进行同步调整每个周期的能量或者调整开关频率，达到调整输出电流的大小，实现输出的恒定功率控制。本发明的有益效果为：本发明无需采样输出电流，通过内部周期和去磁时间的比例，实现电流大小的检测和控制。
Description
技术领域
本发明涉及技术领域，尤其涉及一种用于输出恒定功率的控制系统和方法。
背景技术
AC-DC开关电源接电机类负载时，其在启动要求具有较大的电流；或者AC-DC开关电源接电池负载时，在电压较低时同样要求充电电流比较大。此时就要求AC-DC开关电源具有输出恒定功率功能，能够根据输出电压自动调整输出电流，简化外围设计。传统恒定功率设计，需要采样输出电压和输出电流，通过其乘积来调整控制器工作，达到输出恒定功率。此方法需要采样副边电流，同时需要满足电气隔离，实现比较复杂。
如何解决上述技术问题为本发明面临的课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于输出恒定功率的控制系统和方法，解决了需要同时采样输出电压和输出电流的问题，本发明仅通过辅助绕组采样输出电压，通过环路控制实现输出恒定功率。
本发明的思想为：本发明的输出电压低于设定电压时，即启动时或者负载电流较大时，输出恒定功率的控制系统可以通过辅助绕组检测输出电压的变化，恒压环路退出环路控制，此时恒定功率接替环路控制，增大输出电流，保证输出功率的恒定。
本发明是通过如下措施实现的：一种用于输出恒定功率的控制系统，其中，包括输入交流电的整流电路、连接于所述整流电路输出端的驱动电路，以及连接在所述驱动电路输出端的输出滤波电路。
所述整流电路包括用于将输入交流电源整流为直流电的整流桥BR1，连接在所述整流桥BR1的其中一桥臂输出端的输入电容C1。
所述驱动电路包括变压器T1、功率开关管M1、控制电路、启动电阻R1、电流采样电阻R2、控制电路FB管脚上分压电阻R3、控制电路FB管脚下分压电阻R4、供电二极管D2和供电电容C3；所述变压器T1包括变压器初级侧绕组、变压器次级侧绕组和变压器辅助绕组；
所述输出滤波电路包括整流二极管D1、输出电容C2和假负载R7，所述整流二极管D1连接在所述变压器T1的次级侧绕组和所述输出电容C2之间，所述输出电容C2和所述假负载R7并联。
作为本发明提供的一种用于输出恒定功率的控制系统进一步优化方案，所述控制电路包括采样保持电路、运算放大器EA、PWM比较器、电流比较器CS_COMP和逻辑控制输出电路；
所述输出恒定功率电路：包括去磁检测电路、输出电流控制电路以及恒定功率控制调整电路，所述恒定功率控制调整电路，根据输出电压调整每个输出电流大小或者调整周期的大小用于输出功率恒定。
作为本发明提供的一种用于输出恒定功率的控制系统进一步优化方案，所述去磁检测电路一端连接FB引脚用于判断退磁时间Tsem，其输出端连接电流控制模块，其另一端输入连接DRV信号，得到周期信号，控制去磁时间Tsem与周期的比例，用于传输到副边电流固定；
所述恒定功率控制模块的输出控制输出电流控制模块，当输出电压降低时，通过恒定功率控制调整此比例变大，用于提高输出电流和输出功率的恒定。
作为本发明提供的一种用于输出恒定功率的控制系统进一步优化方案，所述恒定功率控制模块控制电流比较器CS_COMP，当输出电压降低时，通过恒定功率控制电流阈值，来提高输出电流，用于输出功率的恒定。
为了更好地实现上述发明目的，本发明还提供了一种用于输出恒定功率的控制系统的控制方法，其中，所述控制方法包括以下步骤：
步骤一，当系统恒压工作时，通过FB反馈保证输出电压的稳定，当输出电压降低时，通过EA和PWM控制M1打开，给电感储存能量，当电感电流采样CS达到CS_COMP的阈值时，控制M1关闭，电感储存的能量开始供给输出；此时系统通过环路反馈，实现输出电压的恒定。
步骤二，当输出电压低于设定电压时，系统进入恒定功率控制模式，此时FB电压一直低于基准电压，PWM输出一直为低电平，退出环路控制，输出电流控制模块接管环路，当周期达到输出电流传递的能量时，打开M1管，开启下一个周期；此时通过控制输出的平均电流，来实现输出功率的控制
步骤三，输出恒定功率控制原理，通过FB采样输出电压，随着输出电压降低，调整输出电流模块调整工作周期，或者通过CS_COMP模块调整电流峰值，提高单个周期传输能量，用于输出功率的恒定。以上两种方法均可实现输出的平均电流控制，再通过内部电路与输出电压结合，即可实现输出的恒定功率控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的外围只需要通过辅助绕组采样输出电压，就可以实现输出恒定功率控制，若采样副边的平均电流需要串联功率电阻，不仅增加外围成本还降低系统的效率，此时还需将平均电流通过电气隔离传输到原边控制器实现较为负载。
(2)当输出电压低于恒压的设定电压时，系统可自动切换至恒定功率模式，随着输出电压降低时，可自动提供更大的电流。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明的原边控制器的整体电路图。
图2为本发明的输出恒定功率控制系统的内部结构控制原理框图。
图3为本发明输出恒定功率控制进行调幅控制电路图一。
图4为本发明输出恒定功率控制进行调幅控制电路图二。
图5为本发明输出恒定功率控制进行调频控制电路图三。
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。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1至图5，本发明提供其技术方案为，本发明提供的一种用于输出恒定功率的控制系统及方法，在恒压工作时采用调频工作模式，原边功率管M1导通时，通过CS电压采样Ipk电流，与基准vref2比较，控制原边导通时间，控制变压器的储存能量，当达到阈值时，原边关闭副边导通，变压器开始往副边传输能量，同时给输出负载供给能量，随着副边导通，电感电流开始下降，当电感电流小于负载电流时输出电容开始给负载供电，导致输出电压开始降低。当输出电压低于基准电压时，原边M1开始导通。
输入功率为：
输出功率为：
不考虑效率的损失，从以上输入功率等于输出功率可以得到：
从上式可以得到，当保持Ipk不变时，随着负载电流增大，R减小，系统通过环路进行调频
控制减小周期保证环路的稳定。
当系统进入恒功率模式时，输出电流为：副边导通时间的平均电流除以整个周期的电流，即：
其中，n为变压器的匝比，Tsem为去磁时间，也就是副边的导通到电感电流为0的时间。
故可以通过设置Tsem和T的比值，设定最大输出电流，其乘以输出电压也就是恒功率点。
从恒压向恒功率过渡时，随着负载增大T减小，此时由于电感电流Ipk和电感两端电压Vout保持不变，副边的导通时间Tsem保持不变。故Tsem/T会随着负载加大而大，当其达到预设点时，输出电压开始降低，恒压环路退出工作。环路进入恒功率控制模式。
为了保证系统的输出功率恒定，需要随着vout降低，抬高输出电流。从上表达式可以得到提高输出电流有三种方法：
1、增大Ipk的值，即增大每个周期的能量，进行调幅控制。
2、增大Tsem/T的值，减小开关频率，进行调频控制。
3、以上两者结合进行混合调制。
其中，方法1增大Ipk值：有两种方案如图3和图4所示：
图3为调节Ipk的具体电路，其比较器的翻转点为：
故
由上式可以得到，随着输出电压降低，fb也会降低，此时Ipk值增大，可以保证输出功率的相对恒定。
图4为调节Ipk的另一电路，比较器的翻转点为：
可以得到相同的Ipk表达式，对输出功率进行调整。
方法2具体实施如图5所示：
其中电容充电开关S1由Tsem控制，电容放电开关S2由T-Tsem控制：
由电荷守恒可以得到：
I1*Tsem＝I2*(T-Tsem)
可以得到：
由上述表达式，可以的到当提高I2或者减小I1时，能够增大Tsem/T的值。故随着FB电压降低，进行电流的调整也可以实现输出功率的恒定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于输出恒定功率的控制系统，其特征在于，包括输入交流电的整流电路、连接于所述整流电路输出端的驱动电路，以及连接在所述驱动电路输出端的输出滤波电路；
所述整流电路包括将输入交流电源整流为直流电的整流桥BR1，连接在所述整流桥BR1的其中一桥臂输出端的输入电容C1；
所述驱动电路包括变压器T1、功率开关管M1、控制电路、启动电阻R1、电流采样电阻R2、控制电路FB管脚上分压电阻R3、控制电路FB管脚下分压电阻R4、供电二极管D2和供电电容C3；所述变压器T1包括变压器初级侧绕组、变压器次级侧绕组和变压器辅助绕组；
所述输出滤波电路包括整流二极管D1、输出电容C2和假负载R7，所述整流二极管D1连接在所述变压器T1的次级侧绕组和所述输出电容C2之间，所述输出电容C2和所述假负载R7并联。
2.根据权利要求1所述的用于输出恒定功率的控制系统，其特征在于，所述控制电路包括采样保持电路、运算放大器EA、PWM比较器、电流比较器CS_COMP、逻辑控制输出电路，去磁检测电路、输出电流控制电路以及恒定功率控制调整电路，所述恒定功率控制调整电路根据输出电压调整每个输出电流大小或者调整周期的大小用于输出功率恒定。
3.根据权利要求2所述的用于输出恒定功率的控制系统，其特征在于，所述去磁检测电路一端连接FB引脚用于判断退磁时间Tsem，其输出端连接电流控制模块，其另一端输入连接DRV信号，得到周期信号，控制去磁时间Tsem与周期的比例，用于传输到副边电流固定；
所述恒定功率控制模块的输出控制输出电流控制模块，当输出电压降低时，通过恒定功率控制调整比例变大，用于提高输出电流和输出功率的恒定。
4.根据权利要求3所述的用于输出恒定功率的控制系统，其特征在于，所述恒定功率控制模块控制电流比较器CS_COMP，当输出电压降低时，通过恒定功率控制电流阈值提高输出电流，用于输出功率的恒定。
5.一种如权利要求4所述的用于输出恒定功率的控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
步骤一，当系统恒压工作时，通过FB反馈保证输出电压的稳定，当输出电压降低时，通过EA和PWM控制M1打开，给电感储存能量，当电感电流采样CS达到CS_COMP的阈值时，控制M1关闭，电感储存的能量开始供给输出；
步骤二，当输出电压低于设定电压时，系统进入恒定功率控制模式，此时FB电压一直低于基准电压，PWM输出一直为低电平，退出环路控制，输出电流控制模块接管环路，当周期达到输出电流传递的能量时，打开M1管，开启下一个周期；
步骤三，输出恒定功率控制，通过FB采样输出电压，随着输出电压降低，调整输出电流模块调整工作周期，或者通过CS_COMP模块调整电流峰值，提高单个周期传输能量，用于输出功率的恒定。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：当输出电压降低时，系统会自动进入恒功率控制环路，控制输出功率恒定；
所述恒功率控制过程具体为：输出电压通过采样FB得到，通过控制输出的平均电流控制输出功率，由于电感电流是每个周期通过占空比给输出提供能量，通过控制每个周期的传递能量，或者控制每个周期的传递时长，实现控制输出平均电流。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，调整单个周期的电流值或者调整占空比来输出平均电流，调整单个周期的电流值是通过调整CS_COMP的基准值或者调整CS的采样值实现；调整单个周期的占空比，通过调整充电电流I1或者放电电流I2实现。
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