CN117519396B

CN117519396B - 一种负载自适应的高效率脉冲恒流源及控制方法

Info

Publication number: CN117519396B
Application number: CN202311813878.2A
Authority: CN
Inventors: 张天舒; 吴亚军; 刘文清; 孙新会; 陈金信; 付毅宾; 程刚; 陈曦; 刘盼; 范广强
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2023-12-27
Filing date: 2023-12-27
Publication date: 2024-03-22
Anticipated expiration: 2043-12-27
Also published as: CN117519396A

Abstract

本发明提供了一种负载自适应的高效率脉冲恒流源及控制方法，属于电力电子技术领域，包括脉冲恒流源电路和伺服电路。所述脉冲恒流源电路由电压控制，根据输入的参考脉冲电压产生恒定的脉冲电流，其补偿电路能有效控制电路的稳定性。所述伺服电路接收外部的配置参数，如脉冲电流大小、脉冲宽度、重复频率、触发模式等。本发明通过实时测量MOSFET的门限电压，并采用PID控制算法使MOSFET工作在临界饱和区，在保证脉冲恒流源最大输出电流的同时，减小MOSFET的漏源极电压，进而有效地控制其功率损耗，提高电源效率。

Description

一种负载自适应的高效率脉冲恒流源及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种负载自适应的高效率脉冲恒流源及控制方法。

背景技术

高功率脉冲恒流源是一种输出电流、脉冲宽度、重复频率可调节的恒流源，常用于驱动激光器系统中的激光二极管和激光二极管阵列，在工业加工、医疗设备、仪器仪表等领域有着广泛的应用。与连续型恒流源相比，脉冲恒流源能够输出更高的电压和电流，因此负载能够得到更高的峰值功率。

现有的技术为了适应不同的负载，用户在使用前需要根据负载的伏安特性手动设置脉冲恒流源的输出参数，使其与负载特性匹配。例如，当驱动一个20V，400A的负载时，不仅要设置400A输出电流值，还需要根据峰值功率和可能的电源电压跌落幅度估算恒流源的工作电压值，这个电压值高于20V，但具体值是比较难估计的，因此用户通常会保留较大的电压余量，来保证输出电流能力，但也造成了脉冲恒流源效率降低的问题。当负载电流发生变化时，脉冲恒流源的参数需要重新手动设置，否则它的工作电压与负载电压不能匹配，导致电源效率低下或者不能输出足够的电流。另外，对于一个时变的负载，手动调节将不符合实际应用，传统的恒流源也不能适用于这种应用。目前尚未发现有相关技术解决上述问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种负载自适应的高效率脉冲恒流源及控制方法，当用户设置好脉冲恒流源的输出电流值后，脉冲恒流源能根据负载特性自动调节工作电压，以达到高效的工作状态。若负载在工作中发生变化，脉冲恒流源的工作电压能够随之进行自适应调节，以维持高效率工作。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种负载自适应的高效率脉冲恒流源，包括脉冲恒流源电路和伺服电路。

所述脉冲恒流源电路包括、运算放大器/>、电容/>、电阻/>、电阻/>、电阻/>和电阻/>；/>的漏极、源极、栅极分别连接模数转换器的三个模拟输入端，所述三个模拟输入端电压分别为/>、/>、/>；的漏极与外部负载LD的负极相连；/>的源极与电阻/>相连；电阻/>的另一端与地相连；/>的栅极与电阻/>相连；电阻/>的另一端与运算放大器/>的输出端相连；电容/>的两端分别与运算放大器/>的反相输入端和输出端相连；电阻/>的一端与运算放大器/>的反相输入端相连，另一端与电阻/>相连；电阻/>的一端与模拟开关/>的输出端相连，另一端与运算放大器/>的同相输入端相连。

所述伺服电路包括微控制器、模数转换器/>、数模转换器、模拟开关/>、逻辑或门/>、开关电源/>、电容器组/>；微控制器的一个输入端与模数转换器/>的输出端相连，一个输出端与数模转换器/>的输入端相连；所述微控制器/>的触发信号输出端与逻辑或门的一个输入端相连，所述微控制器/>的触发信号输出端输出触发信号Trigger2；所述微控制器/>使能输出端EN与模拟开关/>的使能输入端相连；所述微控制器/>的配置输入端UART为外部串行接口；所述数模转换器/>的两个输出端分别连接模拟开关的两个模拟输入端，所述两个模拟输入端的电压分别为和/>；所述数模转换器/>的第三个输出端连接开关电源/>的输出电压调节端，所述调节端电压为/>；模拟开关/>的控制端连接逻辑或门/>的输出端，所述逻辑或门/>的输出端输出触发信号Trigger；模拟开关/>的输出端连接电阻，所述输出端的电压为/>；逻辑或门/>的另一个输入端为外部接口，所述外部接口输入触发信号Trigger1；开关电源/>的输出端连接电容器组/>的正极和外部负载LD的正极；电容器组/>的负极连接地；开关电源/>的输出电压/>与外部负载LD的正极相连。

实现负载自适应的高效率脉冲恒流源的主要难点在于，一方面，脉冲恒流源电路的输出电流值要达到设定的电流值，电流上升/下降边沿陡峭，无明显过冲和下冲，电流输出稳定无振荡现象；第二方面，伺服电路所使用的控制方法能够将工作电压调节到优化状态，具体是将/>的漏源极电压/>锁定到临界饱和区附近的工作点，使MOSFET的损耗较小，提高电源效率；第三方面，当负载电流在工作中发生变化时，负载自适应的控制方法能够快速响应，持续锁定在设置的工作点/>，维持电源效率。

为了实现第一方面的目标，脉冲恒流源电路通过运算放大器、、电阻/>构成恒流源控制电路；通过电容/>、电阻/>、电阻/>对控制电路进行稳定性补偿；电阻/>根据需要放置；通过检测/>的漏极、源极、栅极电压/>、/>、/>对控制电路进行状态监测。充分的验证结果表明，选取合适的器件和参数后，该脉冲恒流源电路能够输出边沿陡峭、无明显过冲和下冲、无振荡现象的稳定脉冲恒流。

为了实现第二、第三方面的目标，发明了一种负载自适应控制方法如下：

首先，测量MOSFET的门限电压，其方法为，在脉冲恒流源工作之前，微控制器首先通过数模转换器/>设置偏置电压/>，使触发信号Trigger在低电平OFF时MOSFET微导通，输出电流/>可以忽略不计，此时的栅源极电压/>定义为门限电压/>。

其次，选择MOSFET漏源极参考电压，目的是为了提高脉冲恒流源的电源效率应尽可能降低MOSFET的损耗，即降低漏源极工作电压/>。用如下方式进行选择，将参考电压/>选在MOSFET的临界饱和工作点，定义为/>，a>0，推荐值为0.5<a<1.5，/>为触发信号Trigger在高电平ON时的栅源极电压。

负载自适应控制流程，首先进行参数配置，若采用内触发则通过UART总线将脉冲电流大小、脉冲宽度、重复频率、工作模式配置到微控制器；若采用外触发则仅需配置脉冲电流大小和工作模式；电流大小由微控制器/>通过数模转换器/>输出到模拟开关/>的输入端，其中脉冲恒流源的输出电流被设置为/>；其次，微控制器/>将使能信号EN拉高，触发信号Trigger1或Trigger2经逻辑或门/>后变为Trigger信号，Trigger1由外部输入，Trigger2由MCU输出，Trigger1和Trigger2不能同时有效；触发信号Trigger控制模拟开关/>，使其输出电压/>在/>和/>之间切换；随后，在触发信号Trigger高电平ON时/>输出/>，/>打开；微控制器通过模数转换器/>分别采样/>的漏极、源极、栅极的电压/>、/>、/>；并在此ON状态计算漏源极电压/>和栅源极电压；接着，在触发信号Trigger低电平OFF时/>输出/>，/>微导通，其电流小到忽略不计；并在此OFF状态计算门限电压/>；最后，在此OFF状态，微控制器/>通过PID控制算法调节开关电源/>的输出电压/>，使/>工作在临界饱和区，即使/>的漏源极工作电压/>完成一次调节过程；在经过多次调节后/>和/>达到稳定状态，此时脉冲恒流源输出设定的最大电流。

开关电源为电压可调电源，其输出电压/>通过开关电源的输出电压调节端调节，采用PID算法控制开关电源/>的输出电压，其采样周期为恒流源脉冲周期的整数倍。

脉冲恒流源监控方法，微控制器通过模数转换器/>检测MOSFET源极电压/>，进而监控负载电流，即脉冲恒流源的输出电流/>的大小和电流脉冲宽度/>，若负载电流大于设定电流上限，或者持续时间大于设定的脉冲宽度上限，或者重复频率大于设定的脉冲频率上限，则/>将使能信号EN拉低并关闭开关电源的输出。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

现有的脉冲恒流源需要根据负载和恒流源自身的参数来估计开关电源的输出电压/>，或者通过复杂的实验来估计合适的/>，这些方式既粗略又麻烦，因此要么电源效率低，要么抵抗干扰的能力差。本发明所提出的负载自适应的高效脉冲恒流源可以自动锁定优选的参考工作电压，减少人工操作和相关风险。

现有的脉冲恒流源中MOSFET通常在饱和区工作，有很大的余量，导致漏源极电压/>较大，MOSFET损耗较高。本发明所提出的负载自适应的高效脉冲恒流源，MOSFET工作在临界饱和区域，漏源极电压/>尽可能小，从而最大限度地减少MOSFET损耗并提高功率效率。

现有的脉冲恒流源在运行过程中工作电压是固定的，不能自动适应负载的变化。本发明所提出的负载自适应的高效脉冲恒流源可以实时检测MOSFET三个端子的工作电压/>、/>、/>，并在负载变化时重新计算MOSFET优选的漏源极参考工作电压/>，使MOSFET始终工作在临界饱和区域，保持较高的电源效率。

附图说明

图1为本发明提出的一种负载自适应的高效率脉冲恒流源的原理框图；

图2为脉冲恒流源输出电压示意图；

图3为MOSFET特性曲线图；其中，（a）为传输特性曲线，（b）为输出特性曲线；

图4为模拟开关切换时序图；

图5为负载自适应的高效率脉冲恒流源的控制时序。

具体实施方式

下面将结合附图给出具体的实施例，该实施例是示例性的，仅用于解释本发明，并不以此限定本申请的保护范围。

本发明提出了一种负载自适应的高效率脉冲恒流源，其原理框图如图1所示。当设置好脉冲恒流源的输出电流值后，脉冲恒流源能根据负载特性自动调节工作电压，以达到高效的工作状态。若负载在工作中发生变化，脉冲恒流源的工作电压能够随之进行自适应调节，以维持高效率工作。其工作原理解释如下：

如图2所示，脉冲恒流源的工作电压由负载电压/>，/>的漏源极电压/>和电阻/>的电压/>组成。脉冲恒流源工作时效率η的计算公式为：

，

其中，为开关电源/>的效率，/>为负载LD的工作电压，/>为SMPS的输出电压。

对于同一个负载电流，开关电源SMPS的效率视为不变值，并忽略/>的电压下降值。可见，脉冲恒流源的总效率由/>和/>的比值决定，即取决于/>在供电回路中的分压值。于是，要提高脉冲恒流源的效率，最直接的方法是在保持最大输出电流的同时，通过调节/>的电压，来降低其漏源极电压。

根据MOSFET的特性曲线图3的（a）可知，当其栅源极电压大于门限电压/>后，可以通过施加漏源极电压/>并调节/>获得输出电流/>。从图3的（b）可知，当/>固定时，电流/>随着/>的增加而增大，并且当/>时达到最大值，可见太大的/>除了增加MOSFET的损耗外对提升电流毫无意义。所以，使MOSFET工作在临界饱和区，即图3的（b）虚线附近的区域，既能保证MOSFET能够输出最大电流，又能使其压降/>足够小，获得较高的电源效率。

基于以上原理，本发明提出了一种负载自适应的高效率脉冲恒流源，包括脉冲恒流源电路和伺服电路。

在选择时，其最大漏源极电流应大于负载LD的工作电流/>。

在选择电阻时，其额定功率应大于工作时的平均功率，计算公式为：

，

其中，为电阻/>的额定功率，/>为LD的最大工作电流，/>为电阻的阻值，D为脉冲电流的占空比。

在选择电容组时，其电容值的计算公式为：

，

其中，为电容组的容值，/>为LD的最大工作电流，/>为脉冲电流持续时间，/>为脉冲电流输出期间/>的下降值。

补偿元件电容、电阻/>、电阻/>是必不可少的，它们对电路的稳定起到至关重要的作用，去掉这些元件将导致电路不稳定。这些元件的选取没有固定的公式，一般是通过选取一组值后通过观察电路的响应结果再进行调整。可以选择5欧姆作为/>的初始值，选择1000欧姆作为/>的初始值，选择1微法作为/>的初始值，观察电路响应结果再进行调整。

脉冲电流的大小由模拟开关/>的输出值/>，以及电阻/>的大小决定，计算公式为：

，

负载自适应控制方法包括MOSFET的门限电压的测量、MOSFET漏源极参考电压/>的选取和负载自适应控制过程，按照如下方法和步骤实施：

首先，测量MOSFET的门限电压，在脉冲恒流源工作之前，微控制器首先通过数模转换器/>设置偏置电压/>，使触发信号在低电平OFF时MOSFET微导通，输出电流/>忽略不计，此时的栅源极电压/>定义为/>。

其次，选择MOSFET漏源极参考电压，为了提高脉冲恒流源的电源效率应尽可能降低MOSFET的损耗，即降低漏源极工作电压/>。用如下方式进行选择，将参考电压/>选在MOSFET的临界饱和工作点，计算公式为：

。

a推荐值为0.5<a<1.5；V_GS为触发信号Trigger在高电平ON时的栅源极电压。

负载自适应控制根据如下步骤进行，首先进行参数配置，若采用内触发则通过UART总线将脉冲电流大小、脉冲宽度、重复频率和工作模式配置到微控制器；若采用外触发则仅需配置脉冲电流大小和工作模式；电流大小由微控制器/>通过数模转换器/>输出到模拟开关/>的输入端；所述模拟开关/>输入端的电压为/>。

其次，微控制器将模拟开关的使能信号EN拉高，允许触发信号输入。

触发信号Trigger1或Trigger2经逻辑或门后变为信号Trigger；Trigger1由外部输入，Trigger2由MCU输出，Trigger1和Trigger2不同时有效；如图4所示，触发信号Trigger的周期为/>，高电平持续时间为/>，低电平持续时间为/>；触发信号Trigger控制模拟开关/>，使其输出电压/>在/>和/>之间切换；触发信号Trigger在高电平ON时/>输出/>，/>打开；触发信号Trigger在低电平OFF时/>输出/>，/>微导通，其电流忽略不计。

负载自适应的高效率脉冲恒流源控制时序如图5所示，

微控制器在/>时刻检测触发信号Trigger的上升沿，此时，/>按照设置的电流值输出。

微控制器在经过延迟/>后的/>时刻通过模数转换器/>分别采样/>的漏极、源极、栅极的电压/>、/>、/>，计算漏源极电压和栅源极电压/>。

微控制器在/>时刻检测到Trigger的下降沿，此时/>，输出一个微小的电流，该电流忽略不计，其作用是使/>的栅极刚好超过门限电压，微控制器/>在延迟/>后的/>时刻采样/>的栅极、源极电压/>、/>，并取/>。

根据前述的公式计算/>作为MOSFET Q1的漏源极电压参考值。

微控制器通过PID算法计算出开关电源/>的控制电压，该数值由数模转换器/>转换为模拟控制量/>，从而调节/>的输出电压/>，完成一次调节过程。

PID的采样周期为恒流源脉冲周期的整数倍，在经过多周期PID调节后，MOSFET的漏源极电压逼近参考电压/>。实际上也就将/>自动锁定到一个优化的参考值上，保证了脉冲恒流源最大电流输出。

为了确保脉冲恒流源安全工作，本发明还提出了一种监控方法，微控制器通过模数转换器/>检测MOSFET源极电压/>，进而监控负载电流，即脉冲恒流源输出电流/>的大小、电流脉冲宽度/>和重复周期/>。若负载电流大于设定电流上限，或者持续时间大于设定的脉冲宽度上限，或者重复频率大于设定的频率1/T_S，则微控制器/>将模拟开关的使能信号EN拉低并关闭开关电源/>的输出。

以上结合附图对本发明实施例作了详细描述，但是本发明不限于上述实施例。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知常识，凡在本发明原则和精神范围内的变换与改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种负载自适应的高效率脉冲恒流源，包括脉冲恒流源电路和伺服电路，其特征在于：

所述脉冲恒流源电路包括金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET Q₁、运算放大器U₁、电容C_f、电阻R_iso、电阻R_f、电阻R₁和电阻R_S；MOSFET Q₁的漏极、源极、栅极分别连接模数转换器ADC U₃的三个模拟输入端，所述三个模拟输入端电压分别为V_D、V_S、V_G；MOSFET Q₁的漏极与外部负载LD的负极相连；MOSFET Q₁的源极与电阻R_S相连；电阻R_S的另一端与地相连；MOSFETQ₁的栅极与电阻R_iso相连；电阻R_iso的另一端与运算放大器U₁的输出端相连；电容C_f的两端分别与运算放大器U₁的反相输入端和输出端相连；电阻R_f的一端与运算放大器U₁的反相输入端相连，另一端与电阻R_S相连；电阻R₁的一端与模拟开关U₅的输出端相连，另一端与运算放大器U₁的同相输入端相连；

所述伺服电路包括微控制器MCU U₂、模数转换器ADC U₃、数模转换器DAC U₄、模拟开关U₅、逻辑或门U₆、开关电源SMPS U₇、电容器组C_B；微控制器MCU U₂的一个输入端与模数转换器ADC U₃的输出端相连，一个输出端与数模转换器DAC U₄的输入端相连；所述微控制器MCU U₂的触发信号输出端与逻辑或门U₆的一个输入端相连，所述微控制器MCU U₂的触发信号输出端输出触发信号Trigger2；所述微控制器MCU U₂使能输出端EN与模拟开关U₅的使能输入端相连；所述微控制器MCU U₂的配置输入端UART为外部串行接口；所述数模转换器DAC U₄的两个输出端分别连接模拟开关的两个模拟输入端，所述两个模拟输入端的电压分别为V_BIAS和V_IREF；所述数模转换器DAC U₄的第三个输出端连接开关电源SMPS U₇的输出电压调节端，所述调节端电压为V_VSET；模拟开关U₅的控制端连接逻辑或门U₆的输出端，所述逻辑或门U₆的输出端输出触发信号Trigger；模拟开关U₅的输出端连接电阻R₁，所述输出端的电压为V_ISET；逻辑或门U₆的另一个输入端为外部接口，所述外部接口输入触发信号Trigger1；开关电源SMPS U₇的输出端连接电容器组C_B的正极和外部负载LD的正极；电容器组C_B的负极连接地；开关电源SMPS U₇的输出电压V_CAP与外部负载LD的正极相连。

2.根据权利要求1所述的一种负载自适应的高效率脉冲恒流源，其特征在于，通过运算放大器U₁、MOSFET Q₁、电阻R_S构成恒流源控制电路；通过电容C_f、电阻R_iso、电阻R_f对控制电路进行稳定性补偿；电阻R₁根据需要放置；通过检测MOSFET Q₁的漏极、源极、栅极电压V_D、V_S、V_G对电路进行状态监测。

3.根据权利要求1所述的一种负载自适应的高效率脉冲恒流源，其特征在于，在脉冲恒流源工作之前，微控制器MCU U₂首先通过数模转换器DAC U₄设置偏置电压V_BIAS，使触发信号Trigger在低电平OFF时MOSFET Q₁微导通，输出电流I_D忽略不计，此时的栅源极电压V_{GS_OFF}定义为门限电压V_TH。

4.根据权利要求3所述的一种负载自适应的高效率脉冲恒流源，其特征在于，MOSFET Q₁漏源极参考电压V_{DS_SET}用如下方式进行选择，将参考电压V_{DS_SET}选在MOSFET Q₁的临界饱和工作点，定义为V_{DS_SET}=a(V_GS-V_TH)，推荐值0.5<a<1.5；V_GS为触发信号Trigger在高电平ON时的栅源极电压。

5.根据权利要求1所述的一种负载自适应的高效率脉冲恒流源，其特征在于，开关电源SMPS U₇为电压可调电源，其输出电压V_CAP通过开关电源SMPS U₇的输出电压调节端调节，采用PID算法控制开关电源SMPS U₇的输出电压V_CAP，其采样周期为恒流源脉冲周期的整数倍。

6.根据权利要求1所述的一种负载自适应的高效率脉冲恒流源，其特征在于，微控制器MCU U₂通过模数转换器ADC U₃检测MOSFET源极电压V_S，进而监控负载电流，即脉冲恒流源的输出电流I_D的大小和电流脉冲宽度T_ON，若负载电流大于设定电流上限，或者持续时间大于设定的脉冲宽度上限，或者重复频率大于设定的脉冲频率上限，则微控制器MCU U₂将使能信号EN拉低并关闭开关电源SMPS U₇的输出。

7.一种负载自适应的高效率脉冲恒流源的控制方法，应用于权利要求1-6任一项所述的一种负载自适应的高效率脉冲恒流源，其特征在于，所述方法包括如下步骤：首先进行参数配置，若采用内触发则通过UART总线将脉冲电流大小、脉冲宽度、重复频率、工作模式参数配置到微控制器MCU U₂；若采用外触发则仅配置脉冲电流大小和工作模式；电流大小由微控制器MCU U₂通过数模转换器U₄输出到模拟开关U₅的输入端；其中，脉冲恒流源的输出电流被设置为I_D=V_ISET/R_S；其次，微控制器MCU U₂将使能信号EN拉高，触发信号Trigger1或Trigger2经逻辑或门U₆后变为Trigger信号，Trigger1由外部输入，Trigger2由MCU输出，Trigger1和Trigger2不同时有效；触发信号Trigger控制模拟开关U₅，使其输出电压V_ISET在V_BIAS和V_IREF之间切换；随后，在触发信号Trigger高电平ON时U₅输出V_IREF，MOSFET Q₁打开；微控制器MCU U₂通过模数转换器ADC U₃分别采样MOSFET Q₁的漏极、源极、栅极的电压V_D、V_S、V_G；并在在触发信号Trigger高电平ON时计算漏源极电压V_DS=V_D-V_S和栅源极电压V_GS=V_G-V_S；接着，在触发信号Trigger低电平OFF时U₅输出V_BIAS，MOSFET Q₁微导通，其电流小到忽略不计；并在此OFF状态计算门限电压V_TH=V_{GS_OFF}=V_{G_OFF}-V_{S_OFF}；最后，在此OFF状态时，微控制器MCU U₂通过PID控制算法调节开关电源SMPS U₇的输出电压V_CAP，使MOSFET Q₁工作在临界饱和区，即使MOSFET Q₁的漏源极工作电压V_DS≈V_{DS_SET}完成一次调节过程；在经过多次调节后V_CAP和V_DS达到稳定状态，此时脉冲恒流源输出设定的最大电流。