CN202094800U - 一种直流电源软加载电路装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种直流电源软加载电路，包括脉宽调制控制器、驱动器及斩波开关，其中：脉宽调制控制器，其输入端连接至一控制电源的正端，接地端连接直流电源的接地端，控制输出端连接驱动器的输入端，控制电源取自直流电源；驱动器，其电源两端分别连接至一驱动电源的正、负端，其驱动输出端连接斩波开关的控制输入端，该驱动电源取自直流电源；斩波开关，其触点两端分别连接直流电源的正端和驱动电源的负端。本实用新型具有损耗低、承载能力强、可靠性高以及便于控制输出电压的诸多优势。

Description

一种直流电源软加载电路装置

技术领域

本实用新型涉及电源应用控制技术，尤其涉及直流电源的软加载电路装置。 

背景技术

为使供电电源工作稳定，通常会在板上电源变换器、中间总线电源变换器、负载点电源变换器和单体电子装置电源变换器等装置的输入端均并联有储能电容器。在上电时，这类储能电容器通常会产生较稳态工作电流大得多的瞬时冲击电流。另外，一些非调速的直流电动机在上电时由于机械惯性，转子反电动势的建立需要一个过程，在这一过程中也会产生一个较大的冲击电流。在上述各种情形下的冲击电流有可能造成供电电源的短时过电流或短时电压跌落，从而影响供电电源的正常工作，甚至损坏供电电源。 

解决上述问题的方法通常是在供电电源和其负载之间串入软加载电路或软启动电路。而传统的软加载电路或软启动电路均存在一些缺点，特别是在中大功率的应用场合更是如此，例如如下的几种传统的软启动电路。 

(1)NTC热敏电阻软启动电路 

负温度系数(NTC，Negative Temperature Coefficient)热敏电阻的特性是：在冷态(无电流流经其中)时其电阻阻值较大，而在热态(有电流流经其中)时其电阻阻值较小。NTC热敏电阻软启动电路的原理是将NTC热敏电阻串联在供电电源和其负载之间，在上电瞬间由于NTC热敏电阻处在冷态而有较大的阻值，限制了启动冲击电流；随着上电后的时间推移，NTC热敏电阻的温度逐渐升高，其阻值会逐渐下降，当温度达到稳态时其阻值最小；此时，电路达到稳定工作状态。 

NTC热敏电阻软启动电路有如下的缺点： 

1)当负载掉电后，由于此时NTC热敏电阻仍处于热态下而具有较小的阻值，因此需要等足够的时间待NTC热敏电阻处于冷态后才能上电，否则软启动电路便起不到应有的限流作用； 

2)该电路在正常工作时NTC热敏电阻的阻值不为0，因而会有一定的功率损耗； 

3)该电路对启动电流的限制作用会随环境温度的变换而变化，启动过程的特性由所选NTC热敏电阻的特性和环境温度决定，无法通过设计的其它手段来改变。 

(2)固定电阻软启动电路 

在启动过程中将一固定电阻串联在供电电源和负载之间，在启动过程结束时用继电器将该固定电阻短接。 

这种软启动电路实际上是分段硬启动电路，启动过程中无法改变软启动电路的电路参数。此外，其软启动过程中的功耗较大，且电阻元件的体积和所用的继电器的体积均较大，不适合于小型化设备的应用。 

(3)MOSFET变电阻软启动电路 

这种软启动电路是将金氧氧化物半导体场效应管(MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)的漏极和源极串接在供电电源和其负载之间，在上电过程中通过控制MOSFET的漏极电压来使其漏极和源极之间的电阻由夹断态向饱和态逐渐变化，也即漏极和源极之间的电阻阻值由最大向最小逐渐变化，由此实现电源的软加载。 

这种启动电路虽然在启动过程中参数可控，且输出电压平滑；但在启动过程中MOSFET工作在线性区，本质上是通过其自身消耗能量来减少分配到负载上的能量从而实现软启动的，因而损耗大、温升大；在有功率输出要求的软启动应用中，MOSFET往往会因此而损坏。 

综上所述，传统的各种类型的软启动电路均是通过其自身消耗能量，来减少分配到负载的能量从而实现电源软加载的，因此它们普遍都存在着功耗较大的缺点，同时还存在着各自比较特殊的缺点，这些缺点导致在实现直流电源的软加载过程中会出现副作用，从而影响软加载功能实现的效率及效果。 

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种直流电源的软加载电路，能够大大降低实现软加载功能的功耗。 

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种直流电源软加载电路装置，包括脉宽调制控制器、驱动器及斩波开关，其中： 

脉宽调制控制器，其输入端连接至一控制电源的正端，接地端连接直流电源的接地端，控制输出端连接驱动器的输入端，控制电源取自直流电源； 

驱动器，其电源两端分别连接至一驱动电源的正、负端，其驱动输出端连接斩波开关的控制输入端，该驱动电源取自直流电源； 

斩波开关，其触点两端分别连接直流电源的正端和驱动电源的负端。 

进一步地，该直流电源软加载电路装置还包括滤波电路，其中：该滤波电路的输入端连接至斩波开关的触点与驱动电源的负端的连接节点，其接地端连接直流电源的接地端，其输出端输出直流电压。 

进一步地，该直流电源软加载电路装置还包括连接在直流电源的正端和接地端之间的电源获取电路，通过驱动电源的正、负端为驱动器提供该驱动电源，通过控制电源的输出端为脉宽调制控制器提供控制电源信号。 

进一步地，控制电源电路包括依次在直流电源的正端和接地端之间串联连接的第六电阻和第二稳压二极管，该第二稳压二极管的阴极与第六电阻相连的节点作为控制电源的正端。 

进一步地，驱动电源电路装置进一步包括开关电源电路和驱动电源获取电路，其中： 

开关电源电路，包括：双幅开关控制器和依次串联在直流电源的正端和接地端之间的第一开关、第一电阻及第一电容，双幅开关控制器的第一输入端连接控制电源的正端，双幅开关控制器的第二输入端连接第一电阻与第一电容正端的连接点，该连接点作为开关电源电路的输出端，双幅开关控制器的输出端连接第一开关的控制端； 

驱动电源获取电路，包括第一二极管、第二电容、第三电容、第二开关、 第三开关以及两相脉冲发射器，第一二极管的阳极连接开关电源电路的输出端，第一二极管的阴极连接驱动电源的正端；第三电容连接在驱动电源的正端和负端之间；第二开关与第三开关串联于驱动电源的负端与直流电源的接地端之间；第二电容连接于第二开关、第三开关的连接点与驱动电源的正端之间；两相脉冲发生器的输入端连接控制电源的正端，两相脉冲发生器输出端分别连接第二开关、第三开关的控制端。 

进一步地，双幅开关控制器包括电压基准电路和双阈值比较器，其中： 

电压基准电路，其输入端连接所述控制电源的正端，其输出端连接双阈值比较器的电压设定输入端； 

双阈值比较器，其电压检测输入端连接开关电源的输出端，其控制输出端作为双幅开关控制器的输出端。 

进一步地，双阈值比较器为一窗口比较器。 

进一步地，脉宽调制控制器进一步包括延时器和脉宽调制发生器，其中： 

延时器，其输入端作为脉宽调制控制器的输入端连接控制电源的输出端，其输出端连接脉宽调制发生器的输入端； 

脉宽调制发生器，其输出端作为脉宽调制控制器的控制输出端连接驱动器的输入端。 

由以上技术方案的叙述可知，本实用新型由于采用了PWM变换技术实现直流电源的软加载，因此其具有损耗低、承载能力强、可靠性高以及便于控制输出电压的上升时间和规律的优势；同时也由于本实用新型设计了一种独特的驱动电源变换电路来为主回路的PWM变换器提供驱动电源，无论主回路的PWM变换器的承载率是多大，包括0承载率和100％的承载率，均不需要复杂的隔离电源来实现上述驱动电源，由此使得控制电路得以简化，并且控制电路的功耗也大大降低。 

附图说明

图1是本实用新型的直流电源软加载电路实施例的原理框图； 

图2是采用图1所示的电路实施例实现直流电源软加载过程中各部分电路电压的波形示意图； 

图3是将图1所示的软加载电路施例的各电路部分展开的原理框图； 

图4是对图3所示的原理电路的一个具体实施的电路图。 

具体实施方式

以下结合附图和优选实施例对本实用新型的技术方案进行详细地阐述。以下例举的实施例仅用于说明和解释本实用新型，而不构成对本实用新型技术方案的限制。 

本实用新型提出的一种直流电源软加载电路装置实施例，它与传统的软启动电路不同的是，在电源加载的过程中先将电源的直流输入电压变换成宽度渐增的脉冲序列电压，再将脉冲序列电压变换成直流输出电压，从而实现对直流电源的软加载。 

如图1所示，本实用新型提供的直流电源软加载电路装置实施例包括脉宽调制(PWM，Pulse-Width Modulation)控制器1、驱动器2及斩波开关3，其中： 

PWM控制器1，其输入端连接至一控制电源正端，接地端连接直流电源的接地GND端，其控制输出端连接驱动器的输入端； 

驱动器2，其两个电源端分别连接至驱动电源的正端、负端，其驱动输出端连接斩波开关3的控制输入端； 

斩波开关3，其两个模拟触点分别连接至直流电源输入电压的+VIN端和驱动电源的负端。 

图2表示采用图1所示的软加载电路实施例实现直流电源软加载过程中各部分电路电压的波形，其中： 

PWM控制器1在t0时刻上电，经延时在t1时刻开始的持续软加载时间T内，向驱动器输出一PWM脉冲序列电压VP，该脉冲序列电压在时间T内其脉冲宽度从最窄到最宽逐渐变化，直至软加载过程结束保持驱动电源的高电平VDD； 

驱动器2在输入端的脉冲序列电压VP的控制下，在驱动输出端输出一电压波形相似的驱动电压，使直流电源主回路的斩波开关3与驱动电源负端连接的触点处输出一相应的脉宽渐增的脉冲序列电压VC。 

图1所示的软加载电路装置实施例还包括一滤波电路4，其输入端连接至斩波开关与驱动电源负端的连接点，其接地端连接GND端，其输出端输出直流电源输出电压VOUT，该VOUT幅度的变化规律与VC的脉冲宽度的变化规律相一致，如图2所示。 

图1所示的软加载电路装置实施例还包括一电源获取电路5，其输入连接至直流电源的输入端+VIN和接地端GND之间，通过驱动电源的正端、负端为驱动器2提供驱动电源，通过控制电源端为PWM控制器1提供控制电源。 

为了更详细地说明本实用新型提供的软加载电路的技术方案，以下通过将上述软加载电路施例的各个电路的原理进一步展开叙述，以加深对图1所示的软加载电路实施例的理解。 

图1所示的电源获取电路5进一步包括开关电源电路51、驱动电源获取电路52以及控制电源电路53，如图3所示，其中： 

开关电源电路51，包括：依次串联在直流电源输入电压+VIN端和GND端之间的第一开关、第一电阻R1以及第一电容C1，该第一电阻与第一电容正端的连接点作为开关电源VCC的输出端连接一双幅开关控制器5-1的第一输入端，该开关控制器5-1的第二输入端连接控制电源的正端，该开关控制器5-1的控制输出端连接第一开关的控制端； 

驱动电源获取电路52，包括：第一二极管D1、第二电容C2、第三电容C3、第二开关、第三开关和两相脉冲发生器；其中第一二极管D1的阳极连接开关电源电路51的开关电源VCC输出端，第一二极管D1的阴极连接第三电容C3的正端，该第三电容的正端、负端分别作为驱动电源正端、负端连接到驱动器的两个电源端；从第三电容C3的负端与直流电源的GND端之间依次串联连接第二开关和第三开关，第二电容C2的正端连接第三电容C3的正端，第二电容C2的负端连接在第二开关、第三开关的连接点之间；两相脉冲发生器的上电检测输入端连接至控制电源VDD输出端，输出两相交 错脉冲的两个输出端分别连接至第一开关、第二开关的控制端。 

控制电源电路53，包括依次串联在直流电源+VIN端和GND端之间的第六电阻R6和第二稳压二极管D2，该稳压二极管D2的阴极与R6相连并作为控制电源VDD的输出端。 

在图3所示的开关电源电路51中，双幅开关控制器51-1包括窗口比较器和电压基准电路，其中： 

电压基准电路的输入端连接控制电源VDD的输出端，该电压基准电路的输出端连接至窗口比较器的电压设定输入端，该窗口比较器的电压检测输入端作为双幅开关控制器5-1的输入端连接至开关电源VCC的输出端，该窗口比较器的控制输出端连接至第一开关的控制输入端； 

窗口比较器将电压基准电路输出的基准电压VREF与开关电源电压VCC进行比较，在上电时当VCC小于VREF-ΔV时，作为双幅开关控制器5-1输出端的窗口比较器的输出端输出一高电平的控制信号使第一开关导通；当第一电容C1上的电压逐渐上升到VREF+ΔV时，窗口比较器的输出端输出一低电平的控制信号使第一开关阻断；当第一电容C1上的电压逐渐下降到VREF-ΔV以下时，则又一个开关操作周期开始。这样，便在第一电容C1上获取了平均值为VCC的脉动电压，其脉动的峰值是2ΔV。 

上述窗口比较器的双限幅功能只要是双阈值(具有高、低阈值)比较器均可实现。 

两相脉冲发生器的输入端在检测到控制电源VDD上电后，通过两个脉冲输出端输出两相相位交错180度的脉冲，当该两相脉冲分别使第二开关阻断、第三开关导通时，第一电容C1上的电压VCC通过第一二极管D1向第二电容C2充电；当该两相脉冲使第二开关导通、第三开关阻断时，第二电容C2通过导通的第二开关向第三电容C3放电。两相相位交错180度的脉冲输出使第二电容C2从第一电容C1获取能量并传递给第三电容C3，稳态时便在第三电容C3上获得驱动器工作所需的驱动电源。 

为了消除第二开关、第三开关状态切换时所产生的穿透电流，本实用新型的两相脉冲发生器在上述两路脉冲状态之间插入一个死区状态，即使得两路脉冲均为低电平的状态，由此控制第二开关和第三开关同时断开，以此来 消除因穿透电流而导致的不必要的功耗。 

以上第一开关、第二开关及第三开关优选地均可通过电子开关实现，譬如通过开关三极管或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET实现。 

VCC负载的大小和所设计的窗口比较器的ΔV值决定了开关电源电路的开关周期，即第一电容C1充放电的频繁程度。在ΔV值已确定的情况下，直流电源软加载期间驱动器所消耗的能量相对于电源稳态时较大，因而此时第一电容C1充放电的周期短，以提供开关管Q1(即作为图1中所示的斩波开关)所需要的能量；在软加载过后的输出稳态期间，驱动器维持开关管Q1的导通状态不变，此时软加载电路几乎不再消耗能量，因此开关电源电路的开关周期将大大加大。 

如图3所示，在图1中所示的PWM控制器1进一步包括依次连接的延时器1-1和PWM发生器1-2，其中： 

延时器1-1，其输入端作为PWM控制器1的输入端连接控制电源VDD输出端，其输出端连接PWM发生器1-2的输入端； 

PWM发生器1-2，其输出端作为PWM控制器1的控制输出端连接驱动器2的输入端。 

上电后控制电源给延时器提供工作电源，延时器开始延时，待延时到驱动电源稳定(即第三电容C3上获得稳定的驱动电压)，在t1时刻向PWM发生器1-2输出一使能信号； 

PWM发生器1-2在该使能信号的控制下向驱动器2输出一宽度渐增的脉冲序列电压VP，直到软加载时间T后此VP电压一直保持高电平VDD，如图2中所示的电压波形。 

驱动器2在PWM电压VP的控制下输出驱动电压，使开关管Q1输出一波形相似的斩波电压VC，该斩波电压VC经一低通滤波器滤波后转换成直流输出电压VOUT，其幅度的变化规律与PWM的脉冲宽度的变化规律相一致；当软加载过程结束后，PWM发生器输出的PWM电压VP一直保持高电平VDD，则开关管Q1在驱动器的驱动下也保持常通状态，使软加载电路的输入端与输出端之间成为直通，即直流电源输出电压+VOUT等于输入电压 +VIN。 

本实用新型中的开关电源电路51和驱动电源获取电路52构成了一个独特的电源变换电路，为驱动器提供了工作电源。这样，本实用新型的技术方案就消除了以往在小承载率和大承载率的情况下，均需用复杂的隔离电源来为处于电源电压高电压侧的斩波开关管Q1的驱动供电的要求，由此大大简化了电路，降低了生产成本。 

如图4所示，是采用图3所示的软加载电路的实施例的一个具体电路实例，其中： 

级联的第二开关管Q2、第三开关管Q3构成了图3中所示的第一开关，即第三开关管Q3的集电极通过电阻R2与第二开关管Q2的基极连接，第二开关管Q2的射极作为图3所示的第一开关的第一触点连接直流电源的输入端VIN，第二开关管Q2的集电极作为图3所示的第一开关的第二触点连接第一电阻R1；第三开关管Q3的射极连接直流电源接地端。 

U1是一微控制器芯片，用于实现图3中的比较器、两相脉冲发生器和PWM控制器1的功能。 

图4中，电阻R7、R9构成对控制电源VDD的分压器，其中电阻R9的分压用于作为图3所示的电压基准电路输出的基准电压VREF输入到U1内部的一模拟比较器(即图3中的窗口比较器)的一输入端CIN+，电阻R3、R4构成对图3所示的开关电源VCC的分压器，其中电阻R4的分压输入到该模拟比较器的另一输入端CIN-，U1的引脚COUT作为该模拟比较器的输出端通过限流电阻R5连接第三开关管Q3的基极，用于控制级联的第二、第三开关管Q2、Q3(图3所示的第一开关)的开关动作，以控制对第一电容C1的充放电。 

为了使得电容C1上的开关电源VCC更稳定，在其两端加了一个稳压管D3。 

在图4中，图3中的延时器、PWM发生器是由芯片U1通过软件实现的，脉宽渐增的PWM序列从GP3引脚输出，电阻R10、R13、R17和R16、开关管Q4、Q8、Q9组成了图3中的驱动器2，其中电阻R10、R13、R17和开关管Q4起电平移动的作用；Q1(即图3中的Q1)作为斩波开关的开关管， 是一个金属氧化物场效应管(MOSFET)。由电感L1、电容C4和二极管D3组成了图3中所示的低通滤波器环节，将开关管Q1转换的脉冲电压转换成幅度渐增的直流电压VOUT。 

有死区的两相交错脉冲发生器环节也是由U1执行软件实现的，两个反相的脉冲分别由U1的GP4、GP5引脚输出。电阻R11、R15、R14、开关管Q5、Q7、稳压管D4构成图3所示的第二开关，电阻R12和开关管Q6构成图3所示的第三开关。图中的电阻R19、R18分别是第二电容C2的充电限流电阻和放电限流电阻，用于改善其电磁干扰(EMI，Electro MagneticInterference)的特性。 

当然，以上所述仅为本实用新型的优选实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。 

Claims (8)

1.一种直流电源软加载电路装置，其特征在于，包括脉宽调制控制器、驱动器及斩波开关，其中：

脉宽调制控制器，其输入端连接至一控制电源的正端，接地端连接直流电源的接地端，控制输出端连接所述驱动器的输入端，所述控制电源取自所述直流电源；

驱动器，其电源两端分别连接至一驱动电源的正、负端，其驱动输出端连接所述斩波开关的控制输入端，所述驱动电源取自所述直流电源；

斩波开关，其触点两端分别连接所述直流电源的正端和所述驱动电源的负端。

2.按照权利要求1所述的软加载电路装置，其特征在于，还包括滤波电路，其中：该滤波电路的输入端连接至所述斩波开关的触点与驱动电源的负端的连接节点，其接地端连接所述直流电源的接地端，其输出端输出直流电压。

3.按照权利要求1或2所述的软加载电路装置，其特征在于，还包括连接在所述直流电源的正端和接地端之间的电源获取电路，通过驱动电源的正、负端为所述驱动器提供该驱动电源，通过控制电源的输出端为所述脉宽调制控制器提供控制电源信号。

4.按照权利要求3所述的软加载电路装置，其特征在于，所述控制电源电路包括依次在所述直流电源的正端和接地端之间串联连接的第六电阻和第二稳压二极管，该第二稳压二极管的阴极与第六电阻相连的节点作为所述控制电源的正端。

5.按照权利要求3所述的软加载电路装置，其特征在于，所述驱动电源电路进一步包括开关电源电路和驱动电源获取电路，其中：

开关电源电路，包括：双幅开关控制器和依次串联在所述直流电源的正端和接地端之间的第一开关、第一电阻及第一电容，所述双幅开关控制器的第一输入端连接所述控制电源的正端，所述双幅开关控制器的第二输入端连接第一电阻与第一电容正端的连接点，该连接点作为所述开关电源电路的输 出端，所述双幅开关控制器的输出端连接第一开关的控制端；

驱动电源获取电路，包括第一二极管、第二电容、第三电容、第二开关、第三开关以及两相脉冲发射器，所述第一二极管的阳极连接所述开关电源电路的输出端，所述第一二极管的阴极连接所述驱动电源的正端；所述第三电容连接在所述驱动电源的正端和负端之间；第二开关与第三开关串联于所述驱动电源的负端与所述直流电源的接地端之间；所述第二电容连接于第二开关、第三开关的连接点与所述驱动电源的正端之间；所述两相脉冲发生器的输入端连接所述控制电源的正端，所述两相脉冲发生器输出端分别连接所述第二开关、所述第三开关的控制端。

6.按照权利要求5所述的软加载电路装置，其特征在于，所述双幅开关控制器包括电压基准电路和双阈值比较器，其中：

电压基准电路，其输入端连接所述控制电源的正端，其输出端连接所述双阈值比较器的电压设定输入端；

双阈值比较器，其电压检测输入端连接所述开关电源的输出端，其控制输出端作为所述双幅开关控制器的输出端。

7.按照权利要求6所述的软加载电路装置，其特征在于，所述双阈值比较器为一窗口比较器。

8.按照权利要求1所述的软加载电路装置，其特征在于，所述脉宽调制控制器进一步包括延时器和脉宽调制发生器，其中：

延时器，其输入端作为所述脉宽调制控制器的输入端连接所述控制电源的输出端，其输出端连接所述脉宽调制发生器的输入端；

脉宽调制发生器，其输出端作为所述脉宽调制控制器的控制输出端连接所述驱动器的输入端。 

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