CN117873260A - 一种直流合成功率匹配电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流合成功率匹配电路及其控制方法，包括Buck主功率电路、功率匹配电路、数字控制电路、电压检测电路、电流检测电路以及异常关机检测电路，其中，Buck主功率电路、功率匹配电路、电压检测电路、电流检测电路以及异常关机检测电路均与数字控制电路连接，电压检测电路、电流检测电路均与Buck主功率电路连接。采用本方案设计的直流合成功率匹配电路，相比于采用传统输出端功率匹配的方案电路，电路更简单，控制方案更简单，可靠性更高，应用场合更广。
Description
技术领域
本发明涉及激光恒流电源技术领域，尤其涉及一种直流合成功率匹配电路及其控制方法。
背景技术
随着工业激光设备技术的飞速发展，激光设备的功率越来越大，激光设备中单个直流恒流源的功率也越来越大，同时对直流电源也提出更高的要求。高功率MOPA激光设备一般开关机有特定时序，开机时，从振荡器往后级逐步开启；关机时，从末级放大器向前，逐级关闭。在故障状态时，末级放大器迅速关断，然后逐级关断，同时保证输入电源的功率线性下降，避免对输入源的功率迅速下降造成严重冲击而工作异常。MOPA激光器异常关机状态要求直流恒流源既要迅速关断输出，同时保证直流输入功率在固定时间内线性下降，对直流恒流源的异常关机时工作逻辑提出了较高的要求。
为了应对MOPA激光器异常关机时直流输入源功率线性下降同时输出迅速关断要求，如图1所示，传统方案在恒流源的输出分别接两个功率管Q2和Q3，其中一个功率管Q2与LD光源负载连接，另外一个功率管Q3与超大功率电阻负载R2相连。传统方案需要分别对两个功率管Q2和Q3进行驱动，通过控制功率管Q2的开通与关断来选择是否接入LD负载；通过控制功率管Q3的开通与关断来选择接入功率匹配负载的功率，由于驱动电路比较复杂，所以大大的降低了其可靠性。同时超大功率电阻负载R2需要采用多个小阻值的电阻串联，以达到输出功率要求，由于电阻选型困难，占用空间大，不利于产品的小型化，对于高功率密度的应用场景比较局限。
因此，若想进一步缩小产品体积，提高产品可靠性，亟需寻找新的功率匹配电路方案，以简化电路，提高产品可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种直流合成功率匹配电路及其控制方法，简化产品电路同时，提高产品集成度和可靠性。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种直流合成功率匹配电路，包括Buck主功率电路、功率匹配电路、数字控制电路、电压检测电路、电流检测电路以及异常关机检测电路，其中，Buck主功率电路、功率匹配电路、电压检测电路、电流检测电路以及异常关机检测电路均与数字控制电路连接，电压检测电路、电流检测电路均与Buck主功率电路连接；
所述Buck主功率电路，用于将输入直流电压进行降压变换，恒流输出并自适应负载；
所述电压检测电路，用于检测输出直流电源的电压，并将电压信号传递给数字控制电路；
所述电流检测电路，用于检测输出直流电源的电流，并将电流信号传递给数字控制电路；
所述异常关机检测电路，用于检测异常关机信号，并把异常关机信号传递给数字控制电路；
所述数字控制电路，用于接收到异常关机信号时，根据采集到的输出直流电压和电流信号计算实际输出功率，并输出第一控制信号到Buck主功率电路控制第一功率管Q1的占空比，同时输出第二控制信号到功率匹配电路控制第二功率管Q3的占空比，且将Buck主功率电路的输出负载功率与功率匹配电路的功率进行合成，以使输入功率线性下降。
进一步，所述Buck主功率电路包括功率管 Q1、电感L1、二极管D1和负载R1，其中，第一功率管Q1的漏极连接直流电源的正极作为输入直流电源的正极，栅极连接数字控制电路的第一控制信号输出端，源极与电感L1的一端连接，同时源极还与二极管D1的阴极连接，电感L1的另一端作为输出直流电源的正极，二极管D1的阳极连接直流电源的负极作为输出直流电源的负极，负载R1的两端分别连接输出直流电源的负极和正极。
进一步，所述功率匹配电包括串联的第二功率管Q3和功率匹配负载R2，第二功率管Q3 的漏极连接功率匹配负载R2的一端，功率匹配负载R2的另一端连输入接直流电源的正极，源极连接输入直流电源的负极，栅极连接数字控制电路的第二控制信号输出端，用于根据数字控制电路发出的第二控制信号控制第二功率管Q3的通断，从而选择是否接入功率匹配负载R2的功率。
进一步，所述数字控制电路包括依次连接的功率计算电路、占空比计算电路和控制电路；
所述功率计算电路，用于根据采集到的输出直流电压和电流，计算掉电的输出功率；
所述占空比计算电路，用于当接收到异常关机信号时，根据实际输出功率计算第一功率管Q1的占空比和第二功率管Q3的最大占空比DutyMax，并将第一功率管Q1的占空比和第二功率管Q3的最大占空比DutyMax发送给控制电路；
所述控制电路，用于输出第一控制信号到Buck主功率电路控制第一功率管Q1的占空比，同时输出第二控制信号到功率匹配电路控制第二功率管Q3的占空比，且将Buck主功率电路的输出负载功率与功率匹配电路的功率进行合成，以使输入功率线性下降。
进一步，所述控制电路还用于当未接收到异常关机信号时，输出第一控制信号，以控制第一功率管Q1的占空比，以使输入功率线性下降。
进一步，在输入直流电源的输入端还连接有第一滤波电容C1。
进一步，在输出直流电源的输出端还连接有第二滤波电容C2。
进一步，所述第一功率管Q1和第二功率管Q3均采用 MOS管。
另一方面，本发明还提供了一种直流合成功率匹配电路的控制方法，包括以下步骤：
（1）当数字控制电路接收到异常关机信号时，根据采集的直流输出电压和电流，计算当前的实际输出功率；
（2）根据实际输出功率计算第一功率管Q1的占空比和第二功率管Q3的最大占空比DutyMax；
（3）数字控制电路发出第一控制信号使第一功率管Q1按照计算的占空比导通；
（4）根据输入功率按照在30毫秒线性下降到0的条件，计算出第二功率管Q3占空比上升速率和下降速率；
（5）数字控制电路发出第二控制信号将第二功率管Q3的占空比导通按照上升速率从0开始逐渐增加到最大占空比DutyMax，然后再由最大占空比DutyMax按照下降速率逐渐减小到0；同时，数字控制电路将实际输出功率和功率匹配电路的功率进行合成，以得到实际合成功率；
（6）将实际合成功率按照预设合成功率的下降斜率下降到0，以使输入功率在一定时间内按线性下降到0。
进一步，所述步骤（2）的第一控制信号按照输出功率在15ms以内线性下降到0的要求计算来减小第一功率管Q1的占空比。
本申请采用以上技术方案，至少具有如下有益效果：
本发明在输入直流电源的输入端口加入功率匹配电路，功率匹配电路由一个大功率MOS管和大功率的电阻负载R2组成，在电源异常关机时通过数字控制电路采集输出电压和电流并计算输出掉电的功率，计算功率匹配电路需要输出的功率，然后控制第二功率管Q3的开通的占空比，当第二功率管Q3导通时，将电阻负载R2接入到输入端，将功率匹配电路的功率和输出关断时的功率合成在一起，保证输入端的功率在固定时间内线性下降，避免输入源的功率瞬变。
另外，和现有传统方案相比，本发明的电子开关数量从两个变为一个，驱动控制电路减少为一个，简化了控制电路，提高了产品可靠性。同时，功率匹配电路直接连接在输入直流电源的输入端口，可以选择阻值较大负载电阻R2，减少电阻串联数量，进一步减小产品体积，节省产品空间，便于产品小型化，实现起来较为简单，可广泛应用于需要功率线性控制的应用场合。
采用本方案设计的直流合成功率匹配电路，相比于采用传统输出端功率匹配的方案电路，电路更简单，控制方案更简单，可靠性更高，应用场合更广。
本发明通过数字化的方式来控制功率匹配电路的功率，将输出负载功率与功率匹配电路的功率合成后达到使输入功率线性下降的目的。
附图说明
图1为传统方案的直流合成功率匹配电路图；
图2为本发明的直流合成功率匹配原理图；
图3为本发明的直流合成功率匹配电路图；
图4为本发明的电路实际输出电流的测试波形图；
图5为本发明的通过功率匹配合成后的输入电流的测试波形图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
实施例1：
如图1所示为传统方案的功率匹配电路图，其中，电阻R1为LD负载，电阻R2为功率匹配负载，电阻R1和功率管Q2串联组成第一串联电路，电阻R2和功率管Q3串联组成第二串联电路，将第一串联电路和第二串联电路进行并联连接到直流电源的输出端，通过控制功率管Q2的开通与关断来选择是否接入LD负载；通过控制功率管Q3的开通与关断来选择接入功率匹配负载的功率。由于传统方案需要分别对两个功率管进行驱动，驱动电路比较复杂，可靠性不高，因此提出了本发明的功率匹配电路。
本实施例提供图2是本方案采用的原理图，一种直流合成功率匹配电路，包括Buck主功率电路、功率匹配电路、数字控制电路、电压检测电路、电流检测电路以及异常关机检测电路，其中，Buck主功率电路、功率匹配电路、电压检测电路、电流检测电路以及异常关机检测电路均与数字控制电路连接，电压检测电路、电流检测电路均与Buck主功率电路连接。
具体地，各电路实现的功能及信号传递方向为：
Buck主功率电路，用于将输入直流电压进行降压变换，恒流输出并自适应负载；电压检测电路，用于检测输出直流电源的电压，并将电压信号传递给数字控制电路；电流检测电路，用于检测输出直流电源的电流，并将电流信号传递给数字控制电路；异常关机检测电路，用于检测异常关机信号，并把异常关机信号传递给数字控制电路；数字控制电路，用于接收到异常关机信号时，根据采集到的输出直流电压和电流信号计算实际输出功率，并输出第一控制信号到Buck主功率电路控制第一功率管Q1的占空比，同时输出第二控制信号到功率匹配电路控制第二功率管Q3的占空比，且将Buck主功率电路的输出负载功率与功率匹配电路的功率进行合成，以使输入功率线性下降。
如图3所示，Buck主功率电路包括第一功率管Q1、电感L1、二极管D1和负载R1，其中，第一功率管Q1的漏极连接直流电源的正极作为输入直流电源的正极用于输入直流电源，栅极连接数字控制电路的第一控制信号输出端，源极与电感L1的一端连接，同时源极还与二极管D1的阴极连接，电感L1的另一端作为输出直流电源的正极，二极管D1的阳极连接直流电源的负极作为输出直流电源的负极，负载R1接在输出直流电源的正极和负极之间，恒流输出并自适应LD光源。为了使直流输入电压和直流输出电压比较稳定，在输入直流电源的输入端还连接有第一滤波电容C1，在输出直流电源的输出端还连接有第二滤波电容C2。具体地，Buck主功率电路中第一功率管Q1采用MOS功率管，当然也可以采用其他类型的晶体管，本申请在此不做特别的限定。
具体地，第一功率管Q1、电感L、二极管D1、第二滤波电容C2构成充电环路，电感L充电，使得电感L电流上升，第一功率管Q1的导通电流等于电感L电流，因此，电感L电流的平均值即为负载的充电电流，等于第一功率管Q1导通时的平均电流为对应储能负载R1供电，例如，负载R1可以为带有电池的各种设备器件，例如智能手机、充电宝、笔记本等设备，具体受电负载类型不限其中。
功率匹配电包括串联的第二功率管Q3和功率匹配负载R2，第二功率管Q3 的漏极连接功率匹配负载R2的一端，功率匹配负载R2的另一端连输入接直流电源的正极，源极连接输入直流电源的负极，栅极连接数字控制电路的第二控制信号输出端，用于根据数字控制电路发出的第二控制信号控制第二功率管Q3的通断，从而选择是否接入功率匹配负载R2的功率。
数字控制电路包括依次连接的功率计算电路、比较电路和控制电路，其中，功率计算电路用于根据采集到的输出直流电压和电流，计算掉电的输出功率；比较电路用于将计算出的输出功率与预设的输出功率进行比较，并将比较结果发送给控制电路；控制电路用于当接收到异常关机信号时，根据比较结果的大小输出第一控制信号和第二控制信号，以控制第一功率管Q1和第二功率管Q3的占空比，将功率匹配电路的功率和输出关断时的功率合成在一起，以使输入功率线性下降。
另外，当数字控制电路未接收到异常关机信号，即电源正常关机时，数字控制电路输出第一控制信号控制第一功率管Q1的占空比快速减小，使得输出功率迅速下降，第二功率管Q3保持关断状态，功率匹配负载R2不接入输入端。
电源异常关机时，数字控制电路接收到异常关机信号后，数字控制电路输出第一控制信号控制第一功率管Q1，逐渐减小第一功率管Q1导通占空比，使得输出电压线性下降。同时数字控制电路输出第二控制信号控制第二功率管Q3的导通占空比，控制功率匹配负载R2接入的功率大小，第二功率管Q3关断时功率匹配负载R2与直流输入完全断开。
本实施例中的电流检测电路、电压检测电路以及异常关机检测电路可以采用现有电路，在此不再赘述。
对比传统的方案，可以看出采用本方案设计的直流合成功率匹配电路，相比于采用传统输出端功率匹配的方案电路，本发明在电源的输入端口加入功率匹配电路。功率匹配电路由一个大功率MOS管（即第二功率管Q3）和大功率的电阻负载R2组成。在电源异常关机时通过数字控制电路采集输出电压和电流，计算功率匹配电路需要输出的功率，然后控制功率匹配MOS管，即第二功率管Q3的开通的占空比，将电阻负载R2接入到输入端。将功率匹配电路的功率和输出关断时的功率合成在一起，保证输入端的功率在固定时间内线性下降，避免输入源的功率瞬变。本发明电路更简单，控制方案更简单，可靠性更高，应用场合更广。
实施例2：
本发明基于实施例1的直流合成功率匹配电路，提出了一种直流合成功率匹配电路的控制方法，包括以下步骤：
（1）当数字控制电路接收到异常关机信号时，根据采集的直流输出电压和电流，计算当前的实际输出功率；
（2）根据实际输出功率计算第一功率管Q1的占空比和第二功率管Q3的最大占空比DutyMax；
（3）数字控制电路发出第一控制信号使第一功率管Q1按照计算的占空比导通；
（4）根据输入功率按照在30毫秒线性下降到0的条件，计算出第二功率管Q3占空比上升速率和下降速率；
（5）数字控制电路发出第二控制信号将第二功率管Q3的占空比导通按照上升速率从0开始逐渐增加到最大占空比DutyMax，然后再由最大占空比DutyMax按照下降速率逐渐减小到0；同时，数字控制电路将实际输出功率和功率匹配电路的功率进行合成，以得到实际合成功率；
（6）将实际合成功率按照预设合成功率的下降斜率下降到0，以使输入功率在一定时间内按线性下降到0。
其中，步骤（2）的第一控制信号按照输出功率在15ms以内线性下降到0的要求计算来减小第一功率管Q1的占空比。
步骤（6）具体为：将实际合成功率按照预设合成功率的下降斜率在30ms内将实际合成功率线性下降到0，以使输入功率在30ms内按线性下降到0。
其数字控制方式为：
当数字控制电路未接收到异常关机信号时，进入正常关机逻辑，数字控制电路发出第一控制信号控制第一功率管Q1的占空比，从当前的占空比按照设定的斜率减小到0，第二功率管Q3维持不导通状态。
当数字控制电路检测到异常关机信号时才会计算第二功率管Q3的占空比对其进行控制，其具体控制过程为：检测当前输出功率，根据实际输出功率计算第一功率管Q1的占空比和第二功率管Q3需要导通的最大占空比DutyMax，然后按照200kHz频率控制第二功率管Q3的占空比从0软开到DutyMax后，再从DutyMax软关到0，同时，数字控制电路将实际输出功率和功率匹配电路的功率进行合成，以得到实际合成功率。功率匹配合成实现的标准是输入功率按照预设的斜率在30ms时间内线性下降。
在控制第二功率管Q3的同时，数字控制电路发出第一控制信号控制第一功率管Q1占空比，使输出功率以一定速率软降到0。其中第一功率管Q1占空比的大小按照输出功率在15ms以内线性下降到0的要求计算。
本发明的第二功率管Q3的占空比受第一功率管Q1的占空比影响，但是第一功率管Q1的占空比不受第二功率管Q3的影响。
如图4所示，是本实施例遇到异常关机时的输出电流波形，从图中可以看出，输出电流线性下降。
如图5所示，是本实施例遇到异常关机时的输入电流波形，从图中可以看出输入电流线性下降，从而实现了功率合成及输入功率的线性下降。
由此，本发明通过数字化的方式来控制功率匹配电路的功率，将输出负载功率与功率匹配电路的功率合成后达到输入功率线性下降的目的。另外，该方案可应用于恒压恒流模块，也可应用于恒压输出模块。
以上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 (10)
1.一种直流合成功率匹配电路，其特征在于，包括Buck主功率电路、功率匹配电路、数字控制电路、电压检测电路、电流检测电路以及异常关机检测电路，其中，Buck主功率电路、功率匹配电路、电压检测电路、电流检测电路以及异常关机检测电路均与数字控制电路连接，电压检测电路、电流检测电路均与Buck主功率电路连接；
所述Buck主功率电路，用于将输入直流电压进行降压变换，恒流输出并自适应负载；
所述电压检测电路，用于检测输出直流电源的电压，并将电压信号传递给数字控制电路；
所述电流检测电路，用于检测输出直流电源的电流，并将电流信号传递给数字控制电路；
所述异常关机检测电路，用于检测异常关机信号，并把异常关机信号传递给数字控制电路；
所述数字控制电路，用于接收到异常关机信号时，根据采集到的输出直流电压和电流信号计算实际输出功率，并输出第一控制信号到Buck主功率电路控制第一功率管Q1的占空比，同时输出第二控制信号到功率匹配电路控制第二功率管Q3的占空比，且将Buck主功率电路的输出负载功率与功率匹配电路的功率进行合成，以使输入功率线性下降。
2.根据权利要求1所述的直流合成功率匹配电路，其特征在于，所述Buck主功率电路包括第一功率管Q1、电感L1、二极管D1和负载R1，其中，第一功率管Q1的漏极连接直流电源的正极作为输入直流电源的正极，栅极连接数字控制电路的第一控制信号输出端，源极与电感L1的一端连接，同时源极还与二极管D1的阴极连接，电感L1的另一端作为输出直流电源的正极，二极管D1的阳极连接直流电源的负极作为输出直流电源的负极，负载R1的两端分别连接输出直流电源的负极和正极。
3.根据权利要求1所述的直流合成功率匹配电路，其特征在于，所述功率匹配电包括串联的第二功率管Q3和功率匹配负载R2，第二功率管Q3 的漏极连接功率匹配负载R2的一端，功率匹配负载R2的另一端连输入接直流电源的正极，源极连接输入直流电源的负极，栅极连接数字控制电路的第二控制信号输出端，用于根据数字控制电路发出的第二控制信号控制第二功率管Q3的占空比，从而选择是否接入功率匹配负载R2。
4.根据权利要求1所述的直流合成功率匹配电路，其特征在于，所述数字控制电路包括依次连接的功率计算电路、占空比计算电路和控制电路；
所述功率计算电路，用于根据采集到的输出直流电压和电流，计算掉电的输出功率；
所述占空比计算电路，用于当接收到异常关机信号时，根据实际输出功率计算第一功率管Q1的占空比和第二功率管Q3的最大占空比DutyMax，并将第一功率管Q1的占空比和第二功率管Q3的最大占空比DutyMax发送给控制电路；
所述控制电路，用于输出第一控制信号到Buck主功率电路控制第一功率管Q1的占空比，同时输出第二控制信号到功率匹配电路控制第二功率管Q3的占空比，且将Buck主功率电路的输出负载功率与功率匹配电路的功率进行合成，以使输入功率线性下降。
5.根据权利要求1所述的直流合成功率匹配电路，其特征在于，所述控制电路还用于当未接收到异常关机信号时，输出第一控制信号以控制第一功率管Q1的占空比，以使输入功率线性下降。
6.根据权利要求1所述的直流合成功率匹配电路，其特征在于，在输入直流电源的输入端还连接有第一滤波电容C1。
7.根据权利要求1所述的直流合成功率匹配电路，其特征在于，在输出直流电源的输出端还连接有第二滤波电容C2。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的直流合成功率匹配电路，其特征在于，所述第一功率管Q1和第二功率管Q3均采用 MOS管。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的直流合成功率匹配电路的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）当数字控制电路接收到异常关机信号时，根据采集的直流输出电压和电流，计算当前的实际输出功率；
（2）根据实际输出功率计算第一功率管Q1的占空比和第二功率管Q3的最大占空比DutyMax；
（3）数字控制电路发出第一控制信号使第一功率管Q1按照计算的占空比导通；
（4）根据输入功率按照在30毫秒线性下降到0的条件，计算出第二功率管Q3占空比上升速率和下降速率；
（5）数字控制电路发出第二控制信号将第二功率管Q3的占空比导通按照上升速率从0开始逐渐增加到最大占空比DutyMax，然后再由最大占空比DutyMax按照下降速率逐渐减小到0；同时，数字控制电路将实际输出功率和功率匹配电路的功率进行合成，以得到实际合成功率；
（6）将实际合成功率按照预设合成功率的下降斜率下降到0，以使输入功率在一定时间内按线性下降到0。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述步骤（2）的第一控制信号按照输出功率在15ms以内线性下降到0的要求计算来减小第一功率管Q1的占空比。
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