恒流恒功率的实现电路及方法
【专利摘要】本发明公开一种恒流恒功率的实现电路及方法。其中，所述方法包括：采样负载R0的输出电流，获得输出电流采样值；将电流采样值、恒流给定值和恒功率给定值输入至控制器的A/D采样端口；由控制器在恒流给定值大于/小于输出电流采样值时由控制器发出控制信号控制PWM驱动芯片增大/减小其输出的PWM信号的占空比使负载R0上实现恒流，或者，利用输出电流采样值计算负载R0上的功率采样值，在恒功率给定值大于/小于功率采样值时由控制器发出控制信号控制PWM驱动芯片增大/减小其输出的PWM信号的占空比使负载R0上实现恒功率。本发明不需要分流器、霍尔传感器或互感器等电流采样元件，且具有电路结构简单、实现成本低等优点。
【专利说明】恒流恒功率的实现电路及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种控制电路，尤其涉及一种利用简单的电阻方式实现恒流和恒功率的实现电路及方法。
【背景技术】
[0002]一般电子类负载在恒流(CC模式)或恒功率(CP模式)设计中都会采集电流以实现恒流和恒功率的闭环控制。
[0003]如图1所示为现有电子负载实现恒流或恒功率的电路示意图。通过调节可变电阻R2的阻值来改变给定的输入电流，由比较器Ul对给定的输入电流与分流器SI上采到的电流反馈进行比较，不断调节晶体管Gl的通断时间来改变占空比使得电流满足给定的要求，实现恒流或恒功率是同样的道理，只不过是再增加电压采样电路和乘法器，使得输出电压和电流的乘积保持不变。
[0004]从上述图1中可以看出实现恒定电流输出的闭环控制，需要电流反馈的采样，在输出电流采样部分，会采用分流器、霍尔传感器、互感器等各种电流采样元器件。如果采用阻性元器件进行电流采样就会带来损耗，如分流器，虽然分流器都是毫欧级别的，但是在大电流输出情况下，分流器所承受的功耗也不会小，一般是几瓦特(W)，所以有时一个分流器都难以满足其自身的功率降额的要求，因此市面上的分流器是越做越小，这样带来的后果是分流器后面必须再匹配高放大倍数的芯片进行放大，那么成本，采样精度，以及小信号的电流采样电路在制造电路板时，在PCB电路板上的走线都将成为影响设计的关键难点因素。另外如果采用霍尔、互感器等电流感应类的采样元器件，那么模块的功率密度方面就会受到影响，因为这种元器件的体积都偏大，而且成本也不低。
【发明内容】
[0005]本发明提出一种利用简单的电阻方式实现恒流和恒功率的实现电路及方法，不需要分流器、霍尔传感器或互感器等电流采样元件。
[0006]本发明采用如下技术方案实现:一种恒流恒功率的实现电路，其包括:
[0007]连接在直流电源与负载RO之间的主电路，该主电路中具有晶体管G1，晶体管Gl的漏极和源极分别耦接直流电源和负载RO ；
[0008]米样负载RO的输出电流,获得输出电流米样值的电流米样电路，该电流米样电路的输入端连接负载RO ；
[0009]具有多个A/D采样端口的控制器，其中一个A/D采样端口连接电流采样电路的输出端；
[0010]控制器的控制端通过推挽电路耦接PWM驱动芯片的输入端，而PWM驱动芯片的输出端连接晶体管Gl的栅极；
[0011]由控制器比较输出电流采样值与通过A/D采样端口输入的恒流给定值之间的差值，在恒流给定值大于/小于输出电流采样值时由控制器发出控制信号控制PWM驱动芯片增大/减小其输出的PWM信号的占空比，或者，利用输出电流采样值中断计算负载RO上的功率采样值，比较功率采样值与通过A/D采样端口输入的恒功率给定值之间的差值，在恒功率给定值大于/小于功率采样值时由控制器发出控制信号控制PWM驱动芯片增大/减小其输出的PWM信号的占空比。
[0012]其中，电流采样电路包括连接负载RO的分压电路，以及连接分压电路的运放电路。
[0013]其中，分压电路包括串接的电阻Rl和电阻R2，且电阻Rl连接负载RO。
[0014]其中，运放电路包括运算放大器U2，其正输入端通过电阻R3连接在电阻Rl和电阻R2的公共端、负输入端连接通过电阻R4接地且负输入端通过反馈电阻R5连接输出端，而运算放大器U2的输出端通过电阻R6连接控制器UO的一个A/D采样端口。
[0015]其中，推挽电路通过光耦连接PWM驱动芯片的输入端。
[0016]其中，推挽电路包括基极均连接控制器UO的控制端的P型三极管G2和N型三极管G3，三极管G3的集电极接+5V电源，三极管G3的发射极与三极管G2的发射极相连并连接光耦的输入端，而三极管G2的集电极接地。
[0017]其中，晶体管Gl的漏极通过连接共模电感LI后耦接直流电源DC的正极、而源极通过电感L2、二极管D2耦接负载RO。
[0018]其中，晶体管Gl的漏极连接负载RO后耦接直流电源DC的正极、源极直接连接直流电源DC的负极。
[0019]其中，控制器为DSP芯片，通过闭环控制环路根据恒流给定值/恒功率给定值和输出电流采样值/输出功率采样值之间的差值，实现可编程的斩波控制PWM驱动芯片输出PWM信号的占空比。
[0020]另外，本发明还公开一种流恒功率的实现方法，其包括步骤:
[0021]米样负载RO的输出电流,获得输出电流米样值；
[0022]将电流采样值、恒流给定值和恒功率给定值输入至控制器的A/D采样端口，
[0023]由控制器比较输出电流采样值与恒流给定值之间的差值，在恒流给定值大于/小于输出电流采样值时由控制器发出控制信号控制PWM驱动芯片增大/减小其输出的PWM信号的占空比使负载RO上实现恒流，或者，利用输出电流采样值计算负载RO上的功率采样值，比较功率采样值与恒功率给定值之间的差值，在恒功率给定值大于/小于功率采样值时由控制器发出控制信号控制PWM驱动芯片增大/减小其输出的PWM信号的占空比使负载RO上实现恒功率；
[0024]其中，控制器的控制端通过推挽电路耦接PWM驱动芯片的输入端，而PWM驱动芯片的输出端连接晶体管Gl的栅极，该晶体管Gl耦接在直流电源与负载RO之间。
[0025]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:
[0026]1、本发明采用阻性负载，直接采样阻性负载上的输出电流，从而可以用简单的电阻方式实现恒流和恒功率，不需要分流器、霍尔传感器或互感器等电流采样元件。
[0027]2、本发明由控制器通过闭环控制环路根据恒流给定值/恒功率给定值和输出电流采样值/输出功率采样值之间的差值，实现可编程的斩波控制PWM驱动芯片输出PWM信号的占空比，从而实现恒流恒功率控制。
[0028]3、本发明电路结构简单，精确度较高且实现成本较低。【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是现有电子负载实现恒流或恒功率的电路示意图。
[0030]图2是本发明一个实施例的电路示意图。
[0031]图3是控制器中恒流控制环路的原理示意图。
【具体实施方式】
[0032]本发明通过采样输出电阻上的电压，然后利用斩波实现恒流和恒功率输出，无需采样元器件，具有易于实现、电路简单、实现成本低等诸多优点。
[0033]图2所示为本发明的一个实施例的电路示意图。直流电源DC通过主电路到达输出端为阻性负载RO (又简称为负载R0)供电，通过检测阻性负载RO两端电压(即输出电压)，然后除以阻性负载RO的阻值，即可获得实际的输出电流，因此，通过对负载RO上的输出电流进行采用获得输出电流采样值；与负载RO连接的电流采样电路，包括连接负载RO的分压电路，以及连接分压电路的运放电路(运放电路包括运算放大器U2，其正输入端通过电阻R3连接在电阻Rl和电阻R2的公共端、负输入端连接通过电阻R4接地且负输入端通过反馈电阻R5连接输出端，而运算放大器U2的输出端通过电阻R6连接控制器UO的A/D采样端口)，输出电流采样值经分压电路(分压电路包括串接的电阻Rl和电阻R2)分压处理，然后利用运算放大器U2进行差分放大后传送给控制器UO的A/D采样端口，且恒流给定值或恒功率给定值也由用户输入(比如通过连接控制器UO的键盘输入)至控制器UO的A/D采样端口 ；而控制器UO的控制端连接推挽电路，该推挽电路包括基极均连接控制器UO的控制端的P型三极管G2和N型三极管G3，三极管G3的集电极接+5V电源，三极管G3的发射极与三极管G2的发射极相连，而三极管G2的集电极接地；且推挽电路的输出端(即三极管G3的源极或三极管G2的源极)连接光耦U3后耦接PWM驱动芯片U4的输入端IN，而PWM驱动芯片U4的输出端OUT连接主电路中晶体管Gl的栅极。
[0034]由控制器UO利用定时中断计算恒流给定值与对负载RO上的输出电流采样值之间的差值:如果恒流给定值大于输出电流采样值，那么控制器UO发出控制信号控制PWM驱动芯片U4增大其输出端OUT输出的PWM信号的占空比，反之，如果恒流给定值小于输出电流采样值，控制器UO发出控制信号控制PWM驱动芯片U4减小其输出端OUT输出的PWM信号的占空比，使得输出电流无限接近于恒流给定值，实现恒流控制。而恒功率控制则是，控制器UO接收恒功率给定设定值，并中断计算功率采样值102*R0(10即为输出电流)，将两者进行比较，与实现恒流控制一样，根据恒功率给定值和功率采样值之间的差值控制占空比，斩波实现恒功率控制。
[0035]在一个优选实施例中，控制器UO采用TI公司的数字控制芯片DSP2801实现(当然，任何带模拟-数字转换器A/D和PWM脉冲输出的单片机或DSP都可以实现)。DSP芯片的A/D采样端口可以接受的03V的电平信号，传入A/D端口，A/D将其转换为数字信号，数值范围从04096 ;而用户通过键盘输入的恒流给定值、恒功率给定值也通过A/D采样端口转换为数字信号。
[0036]在DSP定时中断中的控制过程如图3所示，其中Vp和Ks为比例积分系数，Kp的取值取决于反馈想要达到给定的速度，Ki的取值取决于最终期望的两者之间静差的大小，PRD为满占空比对应的数值的大小，如IOOM的DSP2801发IOOk的EPWM波形，那么PRD就是500 (根据DSP手册可以得到)，最终数值转成模拟发波有(l_e~ (_st) ) /s的延时。
[0037]在图3的所示实施例中，主电路至少包括:串接在直流电源DC的正极与负载RO之间的保险开关Kl(比如保险开关Kl为保险丝)、共模电感L1、晶体管Gl和二极管D2。其中，晶体管Gl的栅极连接PWM驱动芯片U4的输出端OUT、漏极通过连接共模电感LI耦接直流电源DC的正极、源极通过电感L2、二极管D2耦接负载R0。
[0038]另外，晶体管Gl可以入图3所示耦接在直流电源DC与负载RO之间，当然，晶体管Gl可以连接在直流电源DC与负载RO之间形成环路的任何位置均可。比如，晶体管Gl连接在直流电源DC的负极与负载RO之间，晶体管Gl的栅极连接PWM驱动芯片U4的输出端OUT、漏极通过连接负载RO耦接直流电源DC的正极、源极直接连接直流电源DC的负极。
[0039]在一个实施例中，直流电源DC为电池或电池组。
[0040]综上，与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果:
[0041]1、本发明采用阻性负载，直接采样阻性负载上的输出电流，从而可以用简单的电阻方式实现恒流和恒功率，不需要分流器、霍尔传感器或互感器等电流采样元件。
[0042]2、本发明由控制器通过闭环控制环路根据恒流/恒功率给定值和输出电流采样值/输出功率采样值之间的差值，实现可编程的斩波控制PWM驱动芯片输出PWM信号的空比，从而实现恒流恒功率控制。
[0043]3、本发明电路结构简单，精确度较高且实现成本较低。
[0044]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种恒流恒功率的实现电路，其特征在于，包括: 连接在直流电源与负载RO之间的主电路，该主电路中具有晶体管G1，晶体管Gl的漏极和源极分别耦接直流电源和负载RO ； 米样负载RO的输出电流，获得输出电流米样值的电流米样电路，该电流米样电路的输入端连接负载RO ； 具有多个A/D采样端口的控制器，其中一个A/D采样端口连接电流采样电路的输出端; 控制器的控制端通过推挽电路耦接PWM驱动芯片的输入端，而PWM驱动芯片的输出端连接晶体管Gl的栅极； 由控制器比较输出电流采样值与通过A/D采样端口输入的恒流给定值之间的差值，在恒流给定值大于/小于输出电流采样值时由控制器发出控制信号控制PWM驱动芯片增大/减小其输出的PWM信号的占空比使负载RO实现恒流，或者，利用输出电流采样值计算负载RO上的功率采样值，比较功率采样值与通过A/D采样端口输入的恒功率给定值之间的差值，在恒功率给定值大于/小于功率采样值时由控制器发出控制信号控制PWM驱动芯片增大/减小其输出的PWM信号的占空比使负载RO实现恒功率。
2.根据权利要求1所述恒流恒功率的实现电路，其特征在于，电流采样电路包括连接负载RO的分压电路，以及连接分压电路的运放电路。
3.根据权利要求2所述恒流恒功率的实现电路，其特征在于，分压电路包括串接的电阻Rl和电阻R2，且电阻R`l连接负载R0。
4.根据权利要求3所述恒流恒功率的实现电路，其特征在于，运放电路包括运算放大器U2，其正输入端通过电阻R3连接在电阻Rl和电阻R2的公共端、负输入端连接通过电阻R4接地且负输入端通过反馈电阻R5连接输出端，而运算放大器U2的输出端通过电阻R6连接控制器UO的一个A/D采样端口。
5.根据权利要求1所述恒流恒功率的实现电路，其特征在于，推挽电路通过光耦连接PWM驱动芯片的输入端。
6.根据权利要求5所述恒流恒功率的实现电路，其特征在于，推挽电路包括基极均连接控制器UO的控制端的P型三极管G2和N型三极管G3，三极管G3的集电极接+5V电源，三极管G3的发射极与三极管G2的发射极相连并连接光耦的输入端，而三极管G2的集电极接地。
7.根据权利要求1所述恒流恒功率的实现电路，其特征在于，晶体管Gl的漏极通过连接共模电感LI后耦接直流电源DC的正极、而源极通过电感L2、二极管D2耦接负载R0。
8.根据权利要求1所述恒流恒功率的实现电路，其特征在于，晶体管Gl的漏极连接负载RO后耦接直流电源DC的正极、源极直接连接直流电源DC的负极。
9.根据权利要求1所述恒流恒功率的实现电路，其特征在于，控制器为DSP芯片，通过闭环控制环路根据恒流给定值/恒功率给定值和输出电流采样值/输出功率采样值之间的差值，实现可编程的斩波控制PWM驱动芯片输出PWM信号的占空比。
10.一种流恒功率的实现方法，其特征在于，包括步骤: 米样负载RO的输出电流，获得输出电流米样值； 将电流采样值、恒流给定值和恒功率给定值输入至控制器的A/D采样端口，由控制器比较输出电流采样值与恒流给定值之间的差值，在恒流给定值大于/小于输出电流采样值时由控制器发出控制信号控制PWM驱动芯片增大/减小其输出的PWM信号的占空比使负载RO上实现恒流，或者，利用输出电流采样值计算负载RO上的功率采样值，比较功率采样值与恒功率给定值之间的差值，在恒功率给定值大于/小于功率采样值时由控制器发出控制信号控制PWM驱动芯片增大/减小其输出的PWM信号的占空比使负载RO上实现恒功率； 其中，控制器的控制端通过推挽电路耦接PWM驱动芯片的输入端，而PWM驱动芯片的输出端连接晶体管Gl的栅极，该晶`体管Gl耦接在直流电源与负载RO之间。
【文档编号】G05F1/56GK103869857SQ201210533743
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年12月12日 优先权日:2012年12月12日
【发明者】王瑛, 董亚武 申请人:深圳科士达科技股份有限公司