CN208174556U - 一种基于大功率运算放大器的快响应磁铁电源 - Google Patents
一种基于大功率运算放大器的快响应磁铁电源 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种基于大功率运算放大器的快响应磁铁电源，包括功率变换模块和控制模块两部分。功率变换模块使用大功率运算放大器替代了常规BUCK变换器，只需控制模块部分提供一个高精度的、低漂移的双极性数字模拟转换器(DAC)，通过配置DAC，使其产生适当的模拟输出信号作为功率变换模块的输入信号，提供给大功率运算放大器，从而实现对功率变换模块的输出控制。本实用新型采用大功率运算放大器，功率变换模块的输入输出响应延时很短，能达到微秒级；而且该方案使用的是功放电源模式，无需数字信号处理芯片生成的高精度PWM信号，有效的提高了电源的小信号响应带宽，简化了系统结构。
Description
技术领域
本实用新型涉及快响应磁铁电源的技术领域，具体来说是用于加速器束流位置快速校正系统中线性磁铁电源的设计方案。
背景技术
束流位置的确定和调整对整个加速器的运行至关重要。束流位置的校正依赖校正磁铁，因而校正磁铁电源必须有很快的频率响应，一般要求电源的小信号响应带宽要达到1kHz，否则在束流位置偏移变化时，无法快速跟进调整，会对束流的质量产生不利的影响。现有的应用于加速器束流位置校正磁铁的电源设计方法主要是采用程序计算直接驱动开关电源PWM波形输出的控制方式实现电源的反馈控制，开关器件的响应速率很难满足快校正磁铁电源对小信号响应带宽的要求。
在对此方法的研究和实践过程中，本实用新型的发明人发现：就束流位置快校正磁铁电源而言，最为关键的指标是电源的小信号响应带宽，而电源的输出功率一般只有几百瓦，无须开关器件。因此完全可以采用功放电路的模式，提高输入输出响应，简化系统结构。
实用新型内容
本实用新型公开了一种基于大功率运算放大器的快响应磁铁电源，能够满足加速器束流快校正磁铁对电源系统提出的快速响应的需求。
本实用新型采用的技术方案如下：一种基于大功率运算放大器的快响应磁铁电源，包含快响应磁铁电源的控制模块和功率变换模块，功率变换模块包括大功率运算放大器，采用大功率运算放大器作为功率变换模块的核心部件，用于提供磁铁负载所需的电流，控制模块配备本地和远程外设接口以及自定义扩展I/O，用于和上层控制系统以及功率变换模块的通信，通过配置控制模块中的双极性数字模拟转换器来改变大功率运算放大器的输入值，从而实现功率变换模块的输出控制和快速响应。
其中，控制模块采用STM32芯片作为核心单元。
其中，控制模块通过核心单元的SPI接口控制双极性数字模拟转换器的输出。
其中，控制模块的以太网接口和实时以太网通信协议驱动部分采用独立的STM32芯片实现。
本实用新型与现有技术相比的优点在于：
本实用新型采用了大功率运放实现了电源的快速响应输出，无需DSP芯片的高精度PWM模式，降低了常规BUCK变换器模式带来的系统设计和程序控制的复杂性，有效的提高了电源的小信号响应带宽。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本实用新型一种基于大功率运算放大器的快响应磁铁电源结构示意图；
图2是本实用新型实施例系统框架；
图3是本实用新型实施例所用功率板原理图；
图4是本实用新型实施例所测频响、延时波形图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，功率变换模块使用大功率运算放大器替代常规的BUCK变换器，通过数字调节控制器部分提供一个高精度的、低漂移的双极性数字模拟转换器(DAC)，由核心控制芯片配置DAC参数，使其产生适当的模拟输出信号作为功率变换模块的输入信号，提供给大功率运算放大器，从而实现对功率变换模块的输出控制。可选地使用STM32芯片替代DSP芯片，通过芯片自带的SPI接口和DAC通信；进一步地可利用数字控制器所提供的以太网接口实现远程控制和通信，更好的集成到整个加速器控制系统中。
本实用新型实施例提供一种基于大功率运算放大器的快响应磁铁电源和测试方案，能够实现对快响应电源的输出控制以及频响、延时测试，系统的框架如图2所示。控制策略采用了电流和电压的双闭环控制。双核ARM处理器所在部件为快响应磁铁电源的控制模块，主要负责与上层控制系统的通信以及数字信号处理的相关算法。220V交流电作为接入交流电，在进入功率变换模块前，先经过滤波和双极性稳压电路，然后为大功率运算放大器提供电源。功率变换模块的核心是大功率运算放大器，运放的输出跟着输入实时变化，输入依靠控制模块的DAC来调节。为了实现PID控制，需要对负载电流进行采样，采用24位的ADC来采集通过电流传感器的电流，同时又使用16位的ADC来对电压进行采样，实现双闭环的控制策略。
采用自主设计的STM32双核数字调节控制器模块作为整个系统的核心，包含通信、计算、数据采集在内的功能都由其负责完成；配置SPI为发送接收8位帧结构，通过三次发送24位数据给双极性DAC-AD5761R，配置DAC输出模拟信号；同时我们使用信号发生器配合数字调节器产生幅值为2V、频率为50k Hz的方波输入给功率变换模块；功率变换模块采用的是功放电路，其原理图如图3所示，前级运放2N5551和2N5401作为中级运放的驱动部件，用于推动中级运放；中级运放又作为后级大功率运放2SC5200和SA1943的驱动部件，实现三级功率放大。最后用示波器采集输入给功率变换模块的信号以及功率变换模块的输出信号，得到频响和延时的波形图如图4所示，其中信号1为输出信号，信号2为输入信号，输入输出响应时间约为1.5μs，完全满足快校正电源的需求。
以上对本实用新型实施例所提供的一种基于大功率运算放大器的快响应磁铁电源设计方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (4)
1.一种基于大功率运算放大器的快响应磁铁电源，其特征在于：包含快响应磁铁电源的控制模块和功率变换模块，功率变换模块包括大功率运算放大器，采用大功率运算放大器作为功率变换模块的核心部件，用于提供磁铁负载所需的电流，控制模块配备本地和远程外设接口以及自定义扩展I/O，用于和上层控制系统以及功率变换模块的通信，通过配置控制模块中的双极性数字模拟转换器来改变大功率运算放大器的输入值，从而实现功率变换模块的输出控制和快速响应。
2.根据权利要求1所述的一种基于大功率运算放大器的快响应磁铁电源，其特征在于：控制模块采用STM32芯片作为核心单元。
3.根据权利要求1所述的一种基于大功率运算放大器的快响应磁铁电源，其特征在于：控制模块通过核心单元的SPI接口控制双极性数字模拟转换器的输出。
4.根据权利要求1所述的一种基于大功率运算放大器的快响应磁铁电源，其特征在于：控制模块的以太网接口和实时以太网通信协议驱动部分采用独立的STM32芯片实现。
Priority Applications (1)
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| CN201820716390.6U CN208174556U (zh) | 2018-05-15 | 2018-05-15 | 一种基于大功率运算放大器的快响应磁铁电源 |
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| CN201820716390.6U CN208174556U (zh) | 2018-05-15 | 2018-05-15 | 一种基于大功率运算放大器的快响应磁铁电源 |
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| CN208174556U true CN208174556U (zh) | 2018-11-30 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108400717A (zh) * | 2018-05-15 | 2018-08-14 | 中国科学技术大学 | 一种基于大功率运算放大器的快响应磁铁电源 |
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2018
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