一种具有恒功率输出特性的宽范围直流电源的利记博彩app
【专利摘要】本发明涉及一种直流电源产品，尤其涉及一种具有恒功率输出特性的宽范围直流电源。该电源包括前级直流电源、降压电路、采样电路和CPU控制电路，降压电路包括MOS开关管、二极管、储能电感、电流采样电阻、输出滤波电容和负载电阻，采样电路采集负载的电流、电压和功率值，反馈给CPU控制电路，CPU控制电路通过比较采样值和给定值，输出控制信号，控制MOS开关管的通断，在一定的功率范围内，可以分别实现高电压或大电流的输出能力；同时可以实现在工作区内恒定功率输出，从而实现自动量程输出特性。
【专利说明】一种具有恒功率输出特性的宽范围直流电源
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种直流电源产品，尤其涉及一种具有恒功率输出特性的宽范围直流电源。
【背景技术】
[0002]目前，市场上常规的直流开关电源(或线性电源)，其最大输出功率等于最大输出电压和最大输出电流的乘积。而在电子实验室中，需要测试多种不同的产品，不同的产品对直流电源的输出电压和电流的要求是不同的。因此，目前的现状是，很多实验室需要购买多种不同规格的或者较大功率的直流电源以满足不同电压、电流的测试需求，无论购买不同的规格还是选择更大的功率，实验室都需投入更多成本、浪费更多的实验空间，又因为测试不同的产品时需要更换不同规格甚至不同品牌的直流电源，不但加重了实验工作人员的工作量，也对实验工作人员的能力提出了更高的要求。
[0003]参考图1，图1显示的是现有技术的直流电源输出特性。在电压-电流坐标系中，Imax为直流电源可调的最大输出电流点，Umax为可调的最大输出电压点，R2a表示电源工作在最大功率点时的负载特性曲线。可以看到，当且仅当负载满足R2a的负载特性时，电源才能够以最大功率输出，当负载变小(或者变大)时，工作电流(或电压)将被钳位在最大输出电流Imax (最大输出电压Umax)，工作电压(或电流)将变小，从而使得电源无法达到最大输出功率，利用率降低。
【发明内容】
[0004]为解决上述问题，本发明提供了一种具有恒功率输出特性的宽范围直流电源，在不需要增大输出功率的前提下可以分别实现高电压或大电流的输出能力，并且具有恒功率输出的能力。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
一种具有恒功率输出特性的宽范围直流电源，包括前级直流电源、采样电路、CPU控制电路和降压电路，其特征在于:所述降压电路包括一用于控制前级直流电源输出回路通断的MOS开关管、一用于在前级直流电源输出回路断开时提供续流回路的二极管、一用于在前级直流电源输出回路断开时为负载回路提供能量的储能电感以及电流采样电阻、输出滤波电容、负载电阻；前级直流电源正极接二极管的阴极、输出滤波电容的正极、负载电阻的一端，作为直流电源输出的正极；前级直流电源负极接MOS开关管的源极，MOS开关管的漏极接二极管的阳极，同时经储能电感接电流采样电阻一端，电流采样电阻另一端接输出滤波电容的负极和负载电阻的另一端，作为直流电源输出的负极；
所述采样电路包括电流采样电路、电压采样电路和功率采样电路，电流采样电路输入端与电流采样电阻两端连接，采集直流电源输出电流，电压采样电路输入端与负载电阻两端连接，采集直流电源输出电压，功率采样电路为一乘法器，其输入端与电流采样电路、电压采样电路输出端连接，采集直流电源输出功率，三个采样电路的输出端接CPU控制电路； CPU控制电路包括CPU给定电路、控制环路、PWM生成电路和驱动电路，控制环路将采样电路输入电流、电压、功率信号与CPU给定电路给出的同类信号设定值比较判断后向PWM生成电路输出控制信号，进而控制驱动电路驱动MOS开关管的通断。
[0006]MOS开关管导通时，前级直流电源能量经过储能电感以及输出滤波电容到达负载电阻，同时储能电感储存能量；M0S开关管关断后，前级直流电源输出回路被切断，储能电感开始释放能量，二极管Dl导通，为储能电感提供了续流回路，为负载继续提供能量。采样电路采集负载回路的电流、电压和功率，反馈给CPU控制电路，生成控制信号，通过控制MOS开关管的通断即可以实现输出电压、输出电流或者输出功率的控制。
[0007]所述的控制环路包括电流控制环路、电压控制环路和功率控制环路，每个环路分别包括一误差放大器和一二极管，每个误差放大器同相输入端分别连接CPU给定电路相应信号的输出端，反相输入端分别连接相应采样电路的输出端，误差放大器的输出端接各自环路中二极管的阴极，三个二极管的阳极相互短接，用于在三个控制环路之间形成竞争关系，选择输出最低的控制环路的输出信号作为控制环路输出的控制信号。
[0008]降压电路启动输出后，在既定的负载以及CPU给定下，输出电压、电流、功率同时增加，在输出电压(或输出电流或输出功率)小于CPU电压(或电流或功率)给定之前，电压(或电流或功率)控制环路的误差放大器输出为高电平，当输出电压(或输出电流或输出功率)大于CPU给定后，电压(或电流或功率)控制环路的误差放大器输出开始变低，由于二极管D2 (或D3或D4)的存在，使得输出高电平的另外两路信号被截止，输出最低的电压(或电流或功率)误差放大器信号最终作为控制环路的输出被送往PWM生成电路，使得电源自动工作在恒压(或恒流或恒功率)模式下。
[0009]所述的PWM生成电路包含PWM比较器，PWM比较器的反相输入端输入三角波，同相输入端接控制环路的输出端。当控制电路的输出大于三角波瞬时电压时，PWM比较器调整脉冲宽度由0%变到100%，此时MOS开关管导通；当控制电路的输出小于三角波瞬时电压时，PWM比较器调整脉冲宽度由100%变到0%，此时MOS开关管关断。
[0010]本发明还在MOS开关管源极和漏极之间设置了吸收电路，该吸收电路包括吸收电容ClO和吸收电阻R10，MOS开关管的源级接吸收电容ClO的一端，吸收电容ClO的另一端与吸收电阻RlO的一端连接，吸收电阻RlO的另一端与MOS开关管Ql的漏极相连。吸收电路可以有效抑制开关管上的电压尖峰，减小MOS开关管的开关损耗。
[0011 ] 所述的电流采样电路和电压采样电路分别为一运算放大器，运算放大器两输入端通过比例电阻与采样端连接，采集相应信号作为电流或电压反馈，反馈给误差放大器的反相输入端，与CPU给定电路给出的定值比较后输出控制信号，由驱动电路产生MOS开关管的占空比控制其通断。
[0012]所述的前级直流电源可以是常规开关电源或常规线性电源。
[0013]本发明的有益效果如下:
(I)在前级直流电源的输出端增加一级降压电路，通过控制MOS开关管的通断控制输出电压、输出电流或输出功率的大小。在不增加输出功率的前提下，可以分别实现很宽的高电压或大电流的输出能力。
[0014](2)控制环路中的三个二极管阳极短接，当任意一个误差放大器输出变低时均可有效控制PWM生成电路的输出信号，从而控制MOS开关管的通断，而另外两路输出较高电平的信号被二极管截止，从而使得电源既可以自动进行输出模式(恒压、恒流或恒功率)的选择，又可以通过手动设定CPU给定值的方式使电源工作在预期的输出模式。
[0015](3)在负载特性满足一定范围条件时，电源均可实现满功率输出，并可在输出特性曲线上任意取点设置，实现输出宽范围连续可调。且在恒功率(CP)模式下，负载发生变化时，电源能够根据负载特性自动调整量程，恒定功率输出。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是现有技术的直流电源输出特性曲线；
图2是本发明实施例的输出特性曲线；
图3是本发明实施例的电路原理框图；
图4是本发明实施例的电路原理图；
其中，Umax -直流电源可调的最大输出电压，
Imax -直流电源可调的最大输出电流，
Pmax-直流电源最大输出功率。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实施方式详细说明本发明的技术方案:
一种具有恒功率输出特性的宽范围直流电源，如图3所示，包括前级直流电源、降压电路、采样电路和CPU控制电路，前级直流电源是常规开关电源或常规线性电源。所述降压电路包括一用于控制前级直流电源输出回路通断的MOS开关管Ql、一用于在前级直流电源输出回路断开时提供续流回路的二极管D1、一用于在前级直流电源输出回路断开时为负载回路提供能量的储能电感LI以及电流采样电阻R1、输出滤波电容Cl、负载电阻R2。前级直流电源正极接二极管Dl的阴极、输出滤波电容Cl的正极、负载电阻R2的一端，作为直流电源输出的正极。前级直流电源负极接MOS开关管Ql的源极，MOS开关管Ql的漏极接二极管Dl的阳极，同时经储能电感LI接电流采样电阻Rl —端，电流采样电阻Rl另一端接输出滤波电容Cl的负极和负载电阻R2的另一端，作为直流电源输出的负极。MOS开关管源极和漏极之间设有吸收电路，该吸收电路包括吸收电容ClO和吸收电阻R10，M0S开关管Ql的源级接吸收电容ClO的一端，吸收电容ClO的另一端与吸收电阻RlO的一端连接，吸收电阻RlO的另一端与MOS开关管Ql的漏极相连。
[0018]如图4所示，采样电路包括电流采样电路、电压采样电路，还包括一作为功率采样电路的乘法器U3。所述的CPU控制电路包括控制环路、CPU给定电路、PWM生成电路和驱动电路，控制环路包括电流控制环路、电压控制环路和功率控制环路，电流控制环路包括电流误差放大器U4和二极管D2，电压控制环路包括电压误差放大器U5和二极管D3，功率控制环路包括功率误差放大器U6和二极管D4。所述电流采样电路包括电流运算放大器Ul和比例电阻R3、R4、R5，电流运算放大器Ul的输入端经过比例电阻R3、R4并联在电流采样电阻Rl的两端，电流运算放大器Ul的输出作为电流反馈，经过电阻R6连接至电流误差放大器U4的反相输入端，电流误差放大器U4的同相输入端与CPU给定电路的电流给定输出连接。电流误差放大器U4的输出端接二极管D2的阴极。
[0019]所述电压采样电路包括电压运算放大器U2和比例电阻R9、RIO、R12，电压运算放大器U2的输入端经过比例电阻R9、R12并联在输出滤波电容Cl和负载电阻R2的两端，电压运算放大器U2的输出作为电压反馈，经过电阻Rll连接至电压误差放大器U5的反相输入端，电压误差放大器U5的同相输入端与CPU给定电路的电压给定输出连接。电压误差放大器U5的输出端接二极管D3的阴极。
[0020]电流运算放大器Ul和电压运算放大器U2的输出连接至乘法器U3的输入端，乘法器U3的输出作为功率反馈，经过电阻R15连接至功率误差放大器U6的反相输入端，功率误差放大器U6的同相输入端与CPU给定电路的功率给定输出连接。功率误差放大器U6的输出端接二极管D4的阴极。
[0021]二极管D2、D3、D4的阳极相互短接，连接至PWM生成电路的输入端。所述的PWM生成电路包含PWM比较器U7，PWM比较器U7的反相输入端输入三角波，同相输入端接二极管D2、D3、D4的阳极。
[0022]本发明的工作过程如下:
MOS开关管导通时，前级直流电源处于功率输出状态，通过储能电感、输出滤波电容后到达负载R2，同时储能电感存储能量；M0S开关管关断后，前级直流电源输出被切断，储能电感通过续流二极管Dl释放能量。
[0023]电流运算放大器的输入端并联在电流采样电阻Rl的两端，采集的输出电流信号经电流运算放大器后作为输出电流采样送往电流误差放大器的反相输入端，电流误差放大器的同相输入端来自CPU电流给定，CPU电流给定值可以根据用户需求手动设定，当输出电流采样小于(大于)CPU电流给定值时，电流误差放大器的输出变高(变低)，进而使得PWM生成电路输出占空比变高(变低)，通过驱动电路使MOS开关管占空比变高(变低)，输出电流变大(变小)，当输出电流采样等于CPU电流给定值时，输出稳定，最终工作在恒流(CC)输出状态。
[0024]电压运算放大器的输入端并联在负载电阻R2的两端，采集的输出电压信号经电压运算放大器后作为输出电压采样送往电压误差放大器的反相输入端，电压误差放大器的同相输入端来自CPU电压给定，CPU电压给定值可以根据用户需求手动设定，当输出电压米样小于(大于)CPU电压给定值时，电压误差放大器的输出变高(变低)，进而使得PWM生成电路输出占空比变高(变低)，通过驱动电路使MOS开关管占空比变高(变低)，输出电压变大(变小)，当输出电压采样等于CPU电压给定值时，输出稳定，最终工作在恒压(CV)输出状态。
[0025]电流运算放大器和电压运算放大器的输出还被连接至乘法器的输入端，乘法器的输出作为输出功率米样送往功率误差放大器的反相输入端，功率误差放大器的同相输入端来自CPU功率给定，CPU功率给定值可以根据用户需求手动设定，当输出功率采样小于(大于)CPU功率给定值时，功率误差放大器的输出变高(变低)，进而使得PWM生成电路输出占空比变高(变低)，通过驱动电路使MOS开关管占空比变高(变低)，输出功率变大(变小)，当输出功率采样等于CPU功率给定值时，输出稳定，最终工作在恒功率(CP)输出状态。
[0026]电流误差放大器、电压误差放大器以及功率误差放大器的输出端分别连接至二极管D2、D3、D4的阴极，二极管D2、D3、D4的阳极短接后送往PWM生成电路，通过二极管D2、D3、D4在三个控制环路之间形成竞争关系，只有输出最低的控制环路起到控制作用，作为控制环路的输出连接至PWM生成电路的输入端。当任意一个误差放大器输出变低时均可有效控制PWM生成电路的输出信号，从而控制MOS开关管的通断，另外两路输出较高电平的信号被二极管截止，从而使得电源既可以自动进行输出模式(Ce、CV或CP)的选择，又可以通过手动设定CPU给定值的方式使电源工作在预期的输出模式。
[0027]本实施例的输出特性如图2所示，其中，R2b为电源工作在最高输出电压(Umax=200V)时输出最大功率的负载特性曲线，R2c为电源工作在最高输出电流(Imax=70A)时输出最大功率的负载特性曲线，当负载特性满足R2c ^ Rx ^ R2b时，电源均可实现满功率输出，即相当于在5KW的输出功率下，既可以实现200V/25A高电压输出，又可以实现71V/70A大电流输出，也可以工作在图2所示的Pmax曲线上的任意一点，实现很宽的高电压或大电流工作范围。
[0028]假定CPU给定电压Ug=200V，给定电流Ig=70A，给定功率Pg=5000W，若负载电阻
R2=50 Ω (大于R2c的任意值，本例中
【权利要求】
1.一种具有恒功率输出特性的宽范围直流电源，包括前级直流电源、采样电路、CPU控制电路和降压电路，其特征在于:所述降压电路包括一用于控制前级直流电源输出回路通断的MOS开关管(Q1)、一用于在前级直流电源输出回路断开时提供续流回路的二极管(D1)、一用于在前级直流电源输出回路断开时为负载回路提供能量的储能电感(LI)以及电流采样电阻(R1)、输出滤波电容(Cl)、负载电阻(R2);前级直流电源正极接二极管(Dl)的阴极、输出滤波电容(Cl)的正极、负载电阻(R2)的一端，作为直流电源输出的正极；前级直流电源负极接MOS开关管(Ql)的源极，MOS开关管(Ql)的漏极接二极管(Dl)的阳极，同时经储能电感(LI)接电流采样电阻(Rl) —端，电流采样电阻(Rl)另一端接输出滤波电容(Cl)的负极和负载电阻(R2)的另一端，作为直流电源输出的负极； 所述采样电路包括电流采样电路、电压采样电路和功率采样电路，电流采样电路输入端与电流采样电阻(Rl)两端连接，采集直流电源输出电流，电压采样电路输入端与负载电阻(R2)两端连接，采集直流电源输出电压，功率采样电路为一乘法器(U3)，其输入端与电流采样电路、电压采样电路输出端连接，采集直流电源输出功率，三个采样电路的输出端接CPU控制电路； CPU控制电路包括CPU给定电路、控制环路、PWM生成电路和驱动电路，控制环路将采样电路输入电流、电压、功率信号与CPU给定电路给出的同类信号设定值比较判断后向PWM生成电路输出控制信号，进而控制驱动电路驱动MOS开关管(Ql)的通断。
2.根据权利要求1所述的具有恒功率输出特性的宽范围直流电源，其特征在于:所述的控制环路包括电流控制环路、电压控制环路和功率控制环路，每个环路分别包括一误差放大器和一二极管，每个误差放大器同相输入端分别连接CPU给定电路相应信号的输出端，反相输入端分别连接相应采样电路的输出端，误差放大器的输出端接各自环路中二极管的阴极，三个二极管的阳极相互短接，用于在三个控制环路之间形成竞争关系，选择输出最低的控制环路的输出信号作为控制环路输出的控制信号。
3.根据权利要求1或2所述的具有恒功率输出特性的宽范围直流电源，其特征在于:所述的PWM生成电路包含PWM比较器(U7)，PWM比较器(U7)的反相输入端输入三角波，同相输入端接控制环路的输出端。
4.根据权利要求3所述的具有恒功率输出特性的宽范围直流电源，其特征在于:降压电路中还包括一设于MOS开关管源极和漏极之间的吸收电路，该吸收电路包括吸收电容(ClO)和吸收电阻(R10)，M0S开关管(Ql)的源级接吸收电容(ClO)的一端，吸收电容(ClO)的另一端与吸收电阻(RlO)的一端连接，吸收电阻(RlO)的另一端与MOS开关管(Ql)的漏极相连。
5.根据权利要求1或2或4所述的具有恒功率输出特性的宽范围直流电源，其特征在于:所述的电流采样电路和电压采样电路分别为一运算放大器，运算放大器两输入端通过比例电阻与采样端连接。
6.根据权利要求5所述的具有恒功率输出特性的宽范围直流电源，其特征在于:所述的前级直流电源为常规开关电源。
7.根据权利要求5所述的具有恒功率输出特性的宽范围直流电源，其特征在于:所述的前级直流电源为常规线性电源。
【文档编号】H02M3/156GK103731033SQ201310700376
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月19日 优先权日:2013年12月19日
【发明者】王岩崧, 白洪超, 韩坤 申请人:山东艾诺仪器有限公司