前馈控制电路及电源控制系统的制作方法
本发明涉及电子电路领域，特别是涉及一种前馈控制电路及电源控制系统。
背景技术：
在电源系统应用中，为了得到稳定的输出电压，需要将输出电压信息反馈至控制模块，控制模块对反馈的输出电压信息进行处理，通过功率管的调整得到稳定的输出电压；而输出电压的反馈通常是将输出电压全部直接反馈至控制模块或者是通过分压电阻直接反馈至控制模块，这是最直接也是有效的方法。现有的电源控制系统如图1所示，包括：功率级11、反馈电路12及控制模块13；所述反馈电路12包括第三电阻rf1、第四电阻rf2、负载rload及输出滤波电容cout，所述第三电阻rf1与所述第四电阻rf2串联后与所述负载rload及所述输出滤波电容cout并联形成并联结构；所述功率级与一电源相连接，所述并联结构的一端与所述功率级11相连接，另一端接地；所述控制模块13一端连接于所述第三电阻rf1与所述第四电阻rf2之间，另一端与所述功率级相连接。通过所述第三电阻rf1及所述第四电阻rf2，将输出电压vout的一部分vfb*直接反馈至所述控制模块13进行处理，其中vfb*与输出电压vout的关系式为：
这是一种最直接有效的方法，当输出电压vout发生变化，vfb*将随着发生变化，通过所述控制模块13与所述功率级11的调节，可以使得电源的输出电压重新回到设定值上。
通常，电子产品内部芯片等电子元件只能在稳定的直流电压下工作，所以，很多情况下需要对电源进行转换，使外部提供的电源电压转换到适合电子产品内部需要的直流电压。而这个过程可以是开关控制的也可以是线性控制的，不管是何种控制过程，输出都离不开滤波电容这个储能元件(即图1中所示的输出滤波电容cout)，它就相当于一个蓄能池，一边吸收能量，一边释放能量，当吸收的能量等于释放的能量，那么输出电压就稳定下来了，当输入能量大于释放的能量，这部分能量就存储在电容中，那么电容的电压就会升高，即输出电压升高，反之亦然。所以，电容的这种特性被广泛应用于直流电源输出的滤波。
然而，图1所示的现有的电源控制系统中，反馈的电压只包含了电压信息，而忽略了导致输出电压变化的输出滤波电容cout上的电流信息，这就使得整个系统响应较慢，或者需要更为复杂的补偿网络来对系统进行补偿。
同时，图1所示的现有的电源控制系统对于大部分的应用是可接受的，但对于负载变化 快、变化幅度大的应用来说，则不能满足其要求。目前需要采用改变控制方式、提高开关频率等方法提高系统的响应速度。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电源控制系统，用于解决现有技术中电源控制系统反馈的电压只包括电压信息而导致的整个系统响应较慢或需要更为复杂的补偿网络对系统进行补偿的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种前馈控制电路，所述前馈控制电路包括：
输出滤波电容电流信息获取模块，与一反馈电路相连接，适于获取所述反馈电路中输出滤波电容的电流信息；
叠加模块，与所述输出滤波电容电流信息获取模块相连接，适于将所述输出滤波电容电流信息获取模块获取的输出滤波电容的电流信息叠加至所述反馈电路反馈的第一反馈电压上，以形成第二反馈电压输出。
作为本发明的前馈控制电路的一种优选方案，所述输出滤波电容电流信息获取模块包括运算放大器及第一电容；
所述运算放大器包括正相输入端、反相输入端及输出端；所述运算放大器的正相输入端与所述反馈电路相连接；
所述第一电容一端与所述运算放大器的反相输入端相连接，另一端接地。
作为本发明的前馈控制电路的一种优选方案，所述输出滤波电容电流信息获取模块包括运算放大器、第一电容及第一电阻；
所述运算放大器包括正相输入端、反相输入端及输出端；所述运算放大器的正相输入端与所述反馈电路相连接；
所述第一电容与所述第一电阻串联形成串联结构，所述串联结构一端与所述运算放大器的反相输入端相连接，另一端接地。
作为本发明的前馈控制电路的一种优选方案，所述叠加模块包括第二电阻，所述第二电阻一端与所述运算放大器的反相输入端相连接，另一端与所述运算放大器的输出端相连接。
本发明还提供一种电源控制系统，所述电源控制系统包括：功率级、反馈电路、前馈控制电路及控制模块；
所述功率级包括第一输入端、第二输入端及输出端，所述功率级的第一输入端与一电源相连接；
所述反馈电路包括输入端，所述反馈电路的输入端与所述功率级的输出端相连接，适于产生第一反馈电压；
所述前馈控制电路包括输入端及输出端，所述前馈控制电路的输入端与所述反馈电路相连接，适于获取所述反馈电路中输出滤波电容的电流信息，并将所述输出滤波电容的电流信息叠加至所述第一反馈电压上形成第二反馈电压输出；
所述控制模块包括输入端及输出端，所述控制模块的输入端与所述前馈控制电路的输出端相连接，所述控制模块的输出端与所述功率级的第二输入端相连接，适于依据所述前馈控制电路反馈的第二反馈电压并结合所述功率级对所述电源的输出电压进行调整。
作为本发明的电源控制系统的一种优选方案，所述反馈电路包括：第三电阻、第四电阻、负载及输出滤波电容；
所述第三电阻与所述第四电阻串联后与所述负载及所述滤波电容并联形成并联结构，所述并联结构的一端与所述功率级的输出端相连接，另一端接地。
作为本发明的电源控制系统的一种优选方案，所述前馈控制电路包括：
输出滤波电容电流信息获取模块，所述输出滤波电容电流信息获取模块的输入端连接于所述第三电阻与所述第四电阻之间，适于获取所述输出滤波电容的电流信息；
叠加模块，与所述输出滤波电容电流信息获取模块相连接，适于将所述输出滤波电容电流信息获取模块获取的输出滤波电容的电流信息叠加至所述反馈电路反馈的第一反馈电压上，以形成第二反馈电压输出。
作为本发明的电源控制系统的一种优选方案，所述输出滤波电容电流信息获取模块包括运算放大器及第一电容；
所述运算放大器包括正相输入端、反相输入端及输出端；所述运算放大器的正相输入端连接于所述第三电阻与所述第四电阻之间；
所述第一电容一端与所述运算放大器的反相输入端相连接，另一端接地。
作为本发明的电源控制系统的一种优选方案，所述输出滤波电容电流信息获取模块包括运算放大器、第一电容及第一电阻；
所述运算放大器包括正相输入端、反相输入端及输出端；所述运算放大器的正相输入端连接于所述第三电阻与所述第四电阻之间；
所述第一电容与所述第一电阻串联形成串联结构，所述串联结构一端与所述运算放大器的反相输入端相连接，另一端接地。
作为本发明的电源控制系统的一种优选方案，所述叠加模块包括第二电阻，所述第二电阻一端与所述运算放大器的反相输入端相连接，另一端与所述运算放大器的输出端相连接。
如上所述，本发明的电源控制系统，具有以下有益效果：
本发明的前馈控制电路，可以得到即包含输出电压信息又包含输出滤波电容电流信息的反馈信号，将所述反馈信号反馈至控制模块进行处理后控制电源输出稳定的输出电压，有助于提高电源控制系统的响应速度；降低电源控制系统的补偿要求，使得电源控制系统的结构及设计更加简单。
附图说明
图1显示为现有技术中的电源控制系统的框架示意图。
图2显示为本发明实施例一中提供的前馈控制电路的框架示意图。
图3显示为本发明实施例二中提供的前馈控制电路的框架示意图。
图4显示为本发明实施例三中提供的电源控制系统的框架示意图。
图5显示为本发明实施例四中提供的电源控制系统的框架示意图。
元件标号说明
11功率级
12反馈电路
13控制模块
21功率级
22反馈电路
23前馈控制电路
231输出滤波电容电流信息获取模块
2311运算放大器
232叠加模块
24控制模块
r1第一电阻
r2第二电阻
c1第一电容
rf1第三电阻
rf2第四电阻
rload负载
cout输出滤波电容
resr输出滤波电容的等效串联电阻
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2～图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图2所示，本发明提供一种前馈控制电路23，本实施例中，所述前馈控制电路23适用于输出滤波电容的等效串联电阻(esr)等于零或非常小，可以忽略不计的电源控制系统。所述前馈控制电路23包括：输出滤波电容电流信息获取模块231，所述输出滤波电容电流信息获取模块231与一反馈电路(未示出)相连接，适于获取所述反馈电路中输出滤波电容的电流信息；叠加模块232，所述叠加模块232与所述输出滤波电容电流信息获取模块231相连接，适于将所述输出滤波电容电流信息获取模块231获取的输出滤波电容的电流信息叠加至所述反馈电路反馈的第一反馈电压vfb上，以形成第二反馈电压vfb1输出。
作为示例，所述输出滤波电容电流信息获取模块231包括运算放大器2311及第一电容c1；所述运算放大器2311包括正相输入端、反相输入端及输出端；所述运算放大器2311的正相输入端与所述反馈电路相连接；所述第一电容c1一端与所述运算放大器2311的反相输入端相连接，另一端接地。
作为示例，所述叠加模块232包括第二电阻r2，所述第二电阻r2一端与所述运算放大器2311的反相输入端相连接，另一端与所述运算放大器2311的输出端相连接。
本实施例中所述的前馈控制电路的工作原理为：根据所述运算放大器2311虚短虚断的原理，所述运算放大器2311的正相输入端及反相输入端的电压相同，并且所述两个输入端也没有电流流入。所以可以得到，所述第一电容c1两端的电压即等于所述反馈电路反馈的第一反馈电压vfb，从而使得流经所述第一电容c1的电流i2与所述输出滤波电容的电流具有一定的关系，由于所述运算放大器2311的两输入端没有电流流入或流出，电流只是通过所述运算放大器2311的输出端，流经所述第二电阻r2，再流经所述第一电容c1至地。其中，所述 第二电阻r2的作用是将所述第一电容c1流过的与所述输出滤波电容的电流具有一定关系的电流i2转换为电压信号叠加至所述运算放大器2311的反相输入端的电压上，而所述运算放大器2311的反相输入端的电压等于所述反馈电路反馈的第一反馈电压vfb，所以，通过所述第二电阻r2就可以得到即包括第一反馈电压vfb又包括所述输出滤波电容的电流的第二反馈电压vfb1。
实施例二
如图3所示，本实施例还提供一种前馈控制电路23，本实施例中的所述前馈控制电路23适用于输出滤波电容cout的等效串联电阻(esr)较大，不可以忽略的电源控制系统。本实施例中的所述前馈控制电路23与实施例一中的所述前馈控制电路23的结构大致相同，二者的区别在于：实施例一中，所述输出滤波电容电流信息获取模块231包括运算放大器2311及第一电容c1，而本实施例中，所述输出滤波电容电流信息获取模块231包括运算放大器2311、第一电容c1及第一电阻r1；所述第一电容c1与所述第一电阻r1串联形成串联结构，所述串联结构一端与所述运算放大器2311的反相输入端相连接，另一端接地。
作为示例，所述第一电容c1与所述第一电阻r1保证串联即可；可以所述第一电容c1远离所述第一电阻r1的一端与所述运算放大器2311的反相输入端相连接，所述第一电阻r1远离所述第一电容c1的一端接地；也可以所述第一电阻r1远离所述第一电容c1的一端与所述运算放大器2311的反相输入端相连接，所述第一电容c1远离所述第一电阻r1的一端接地。
本实施例中所述的前馈控制电路的工作原理为：根据所述运算放大器2311虚短虚断的原理，所述运算放大器2311的正相输入端及反相输入端的电压相同，并且所述两个输入端也没有电流流入。所以可以得到，所述第一电容c1与所述第一电阻r1组成的串联结构两端的电压即等于所述反馈电路22反馈的反馈电压vfb，从而使得流经所述串联结构的电流i2与所述输出滤波电容的电流具有一定的关系，由于所述运算放大器2311的两输入端没有电流流入或流出，电流只是通过所述运算放大器2311的输出端，流经所述第二电阻r2，再流经所述第一电容c1与所述第一电阻r1组成的串联结构至地。其中，所述第二电阻r2的作用是将与所述输出滤波电容的电流具有一定关系的电流i2转换为电压信号叠加至所述运算放大器2311的反相输入端的电压上，而所述运算放大器2311的反相输入端的电压等于所述反馈电路反馈的第一反馈电压vfb，所以，通过所述第二电阻r2就可以得到即包括所述第一反馈电压vfb又包括所述输出滤波电容的电流的第二反馈电压vfb1。
实施例三
如图4所示，本发明提供一种电源控制系统，本实施例中，以所述输出滤波电容cout 的等效串联电阻(esr)认为等于零，或者非常小，可以忽略不计作为前提条件。所述电源控制系统包括：功率级21、反馈电路22、如实施例一中所述的前馈控制电路23及控制模块24；其中，
所述功率级21包括第一输入端、第二输入端及输出端，所述功率级21的第一输入端与一电源(未示出)相连接；所述功率级21左侧的输入电压vin即为所述电源的输出电压；
所述反馈电路22包括输入端，所述反馈电路22的输入端与所述功率级21的输出端相连接，适于将第一反馈电压vfb反馈至所述前馈控制电路23；
所述前馈控制电路23包括输入端及输出端，所述前馈控制电路23的输入端与所述反馈电路22相连接，适于获取所述反馈电路22中输出滤波电容的电流i1的信息，并将所述滤波电容的电流i1的信息叠加至所述第一反馈电压vfb上形成第二反馈电压vfb1反馈至所述控制模块24；
所述控制模块24包括输入端及输出端，所述控制模块24的输入端与所述前馈控制电路23的输出端相连接，所述控制模块24的输出端与所述功率级21的第二输入端相连接，适于依据所述前馈控制电路23反馈的第二反馈电压vfb1并结合所述功率级21对所述电源的输出电压进行调整。
作为示例，所述反馈电路22包括：第三电阻rf1、第四电阻rf2、负载rload及输出滤波电容cout；所述第三电阻rf1与所述第四电阻rf2串联后与所述负载rload及所述滤波电容cout并联形成并联结构，所述并联结构的一端与所述功率级21相连接，另一端接地。
作为示例，所述前馈控制电路23包括：输出滤波电容电流信息获取模块231，所述输出滤波电容电流信息获取模块231的输入端连接于所述第三电阻rf1及所述第四电阻rf2之间，适于获取所述反馈电路22中输出滤波电容cout的电流i1的信息；叠加模块232，所述叠加模块232与所述输出滤波电容电流信息获取模块231相连接，适于将所述输出滤波电容电流信息获取模块231获取的输出滤波电容cout的电流i1的信息叠加至所述反馈电22路反馈的第一反馈电压vfb上，以形成第二反馈电压vfb1输出。
作为示例，所述输出滤波电容电流信息获取模块231包括运算放大器2311及第一电容c1；所述运算放大器2311包括正相输入端、反相输入端及输出端；所述运算放大器2311的正相输入端与连接于所述第三电阻rf1及所述第四电阻rf2之间；所述第一电容c1一端与所述运算放大器2311的反相输入端相连接，另一端接地。
作为示例，所述叠加模块232包括第二电阻r2，所述第二电阻r2一端与所述运算放大器2311的反相输入端相连接，另一端与所述运算放大器2311的输出端相连接。
本实施例中所述的电源控制系统的工作原理为：根据所述运算放大器2311虚短虚断的原 理，所述运算放大器2311的正相输入端及反相输入端的电压相同，并且所述两个输入端也没有电流流入。所以可以得到，所述第一电容c1两端的电压即等于所述反馈电路22反馈的第一反馈电压vfb，从而使得流经所述第一电容c1的电流i2与所述输出滤波电容cout的电流i1具有一定的关系，由于所述运算放大器2311的两输入端没有电流流入或流出，并且所述控制模块24同样也没有电流流入或流出，所以电流只是通过所述运算放大器2311的输出端，流经所述第二电阻r2，再流经所述第一电容c1至地。其中，所述第二电阻r2的作用是将所述第一电容c1流过的与所述输出滤波电容cout的电流i1具有一定关系的电流i2转换为电压信号叠加至所述运算放大器2311的反相输入端的电压上，而所述运算放大器2311的反相输入端的电压等于所述反馈电路22反馈的第一反馈电压vfb，所以，通过所述第二电阻r2就可以得到即包括第一反馈电压vfb又包括所述输出滤波电容cout的电流i1的第二反馈电压vfb1。
具体的，所述反馈电路22反馈的第一反馈电压vfb与所述反馈电路22输出的输的电压vout的关系可表示为：
其中，
又流过所述第一电容c1的电流i2与流过所述输出滤波电容cout的电流i1可分别表示为：
根据公式(1)、公式(2)及公式(3)可将i2的表达式转换为：
进而，可得到i1与i2的关系式为：
由公式(5)可知，流经所述第一电容c1的电流i2与流经所述输出滤波电容cout的电流i1具有线性比例关系，即将流经所述输出滤波电容cout中的电流i1取样到了流经所述第一电容c1的电流i2中。
又由于所述运算放大器2311的两输入端不会流进电流，并且所述运算放大器2311的输 出端也不会向所述控制模块24流进电流，所以，流经所述第二电阻r2的电流等于流经所述第一电容c1的电流，所述前馈控制电路23反馈至所述控制模块24的第二反馈电压vfb1可表示为：
至此，所述前馈控制电路23反馈至所述控制模块24的第二反馈电压vfb1中即包含了所述反馈电路22反馈的第一反馈电压vfb，又包含了流经所述输出滤波电容cout中的电流信息
需要说明的是，公式(1)至公式(6)中，rf1、rf2及r2分别表示所述第三电阻rf1、所述第四电阻rf2及所述第二电阻r2的电阻值，cout及c1分别表示所述输出滤波电容cout及所述第一电容c1的电容值。
实施例四
请参阅图5，本发明还提供一种电源控制系统，本实施例中，以所述输出滤波电容cout的等效串联电阻(esr)较大，不可以忽略作为前提条件。本实施例中所述的电源控制系统与实施例一中所述的电源控制系统大致相同，本实施例相较于实施例三的区别在于：实施例三中所述的前馈控制电路23为实施例一中所述的前馈控制电路23，而本实施例中所述的前馈控制电路23为实施例二中所述的前馈控制电路23,；即实施例三中，所述输出滤波电容电流信息获取模块231包括运算放大器2311及第一电容c1，而本实施例中，所述输出滤波电容电流信息获取模块231包括运算放大器2311、第一电容c1及第一电阻r1；所述第一电容c1与所述第一电阻r1串联形成串联结构，所述串联结构一端与所述运算放大器2311的反相输入端相连接，另一端接地。
作为示例，所述第一电容c1与所述第一电阻r1保证串联即可；可以所述第一电容c1远离所述第一电阻r1的一端与所述运算放大器2311的反相输入端相连接，所述第一电阻r1远离所述第一电容c1的一端接地；也可以所述第一电阻r1远离所述第一电容c1的一端与所述运算放大器2311的反相输入端相连接，所述第一电容c1远离所述第一电阻r1的一端接地。
本实施例中所述的电源控制系统的工作原理为：根据所述运算放大器2311虚短虚断的原理，所述运算放大器2311的正相输入端及反相输入端的电压相同，并且所述两个输入端也没有电流流入。所以可以得到，所述第一电容c1与所述第一电阻r1组成的串联结构两端的电压即等于所述反馈电路22反馈的第一反馈电压vfb，从而使得流经所述输出滤波电容电流信息获取模块231的电流i2与所述输出滤波电容cout的电流i1具有一定的关系，由于所述运 算放大器2311的两输入端没有电流流入或流出，并且所述控制模块24同样也没有电流流入或流出，所以电流只是通过所述运算放大器2311的输出端，流经所述第二电阻r2，再流经所述第一电容c1与所述第一电阻r1组成的串联结构至地。其中，所述第二电阻r2的作用是将与所述输出滤波电容cout的电流i1具有一定关系的电流i2转换为电压信号叠加至所述运算放大器2311的反相输入端的电压上，而所述运算放大器2311的反相输入端的电压等于所述反馈电路22反馈的第一反馈电压vfb，所以，通过所述第二电阻r2就可以得到即包括第一反馈电压vfb又包括所述输出滤波电容cout的电流i1的第二反馈电压vfb1。
具体的，所述反馈电路22反馈的第一反馈电压vfb与所述反馈电路22输出的输的电压vout的关系同样可表示为实施例一中的公式(1)，根据公式(1)通过频域可以得到：
整理可得：
由公式(8)可知，当所述输出滤波电容cout的等效串联电阻resr及所述第一电阻r1都为零或者resr×cout＝r1×c1，则i2的表达式与实施例一中得到的结构一致。当resr×cout≠r1×c1时，i2与i1不能够完全保持线性，两者会存在一定的相位差，这个相位差在不影响系统工作的情况下是可以接受的。
同样，由流经所述输出滤波电容电流信息获取模块231的电流i2可以得到：
同样，得到的所述前馈控制电路23反馈至所述控制模块24的第二反馈电压vfb1中即包含了所述反馈电路22反馈的第一反馈电压vfb，又包含了流经所述输出滤波电容cout中的电流信息
再进一步，将所述反馈电路22的输出电压vout的频域表达式：
由公式(10)可知，加入所述前馈控制电路23之后，实际的反馈电压信号vfb1在传统的直接反馈的信号
需要说明的是，公式(7)至公式(10)中，r1、r2及resr分别表示所述第一电阻r1、第二电阻r2的电阻值及所述输出滤波电容cout的等效串联电阻值，cout及c1分别表示所述输出滤波电容cout及所述第一电容c1的电容值。
综上所述，本发明提供一种前馈控制电路及电源控制系统，所述前馈控制电路包括：输出滤波电容电流信息获取模块，与一反馈电路相连接，适于获取所述反馈电路中输出滤波电容的电流信息；叠加模块，与所述输出滤波电容电流信息获取模块相连接，适于将所述输出滤波电容电流信息获取模块获取的输出滤波电容的电流信息叠加至所述反馈电路反馈的第一反馈电压上，以形成第二反馈电压输出。本发明的前馈控制电路，可以得到即包含输出电压信息又包含输出滤波电容电流信息的反馈信号，将所述反馈信号反馈至所述控制模块进行处理后控制电源输出稳定的输出电压，有助于提高所述电源控制系统的响应速度；降低所述电源控制系统的补偿要求，使得所述电源控制系统的结构及设计更加简单。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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