一種脈衝電流平滑方法及裝置的製作方法

2024-03-07 03:38:15 1

專利名稱：一種脈衝電流平滑方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及降低電源的峰值電流和平均電流的比值的技術，尤其涉及一種脈衝電
流的平滑方法及裝置。
背景技術：
很多用電設備工作時峰值電流比平均電流大得多，現有技術中通常是採用電容器或者採用電感器加上電容器這些被動元器件(或稱為無源器件)來平滑脈衝電流，降低工作電流的峰值和均值比。上述方法操作較為簡單，但是補償效果不佳，通常需要較大容量的電容來儲存電能。並且電容的充電和放電必然帶來供電電壓的波動，造成供電電壓不穩定。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種相對現有技術平滑效果更好的脈衝電流平滑方法及裝置。 為解決上述技術問題，本發明脈衝電流平滑方法包括如下步驟
檢測供電電流大小； 當供電電流小於預設的充電啟動電流時，從供電電路取電，以向預置的儲能電容充電； 當供電電流大於預設的放電啟動電流時，從所述儲能電容取電，以向用電電路供電，即此時補充供電電流； 其中，所述充電啟動電流小於所述放電啟動電流。 進一步地，所述充電啟動電流小於用電電路的平均工作電流，所述放電啟動電流大於用電電路的平均工作電流。 進一步地，本發明方法還包括在對所述儲能電容充電時，對所述儲能電容進行增壓處理，以使其能夠存儲更多電能。 進一步地，本發明方法還包括在從所述儲能電容取電時，對所述儲能電容進行降壓處理，以使其能夠儘可能釋放出存儲的電能。 為解決上述技術問題，本發明脈衝電流平滑裝置包括電流檢測電路、電源變換電路和儲能電容； 其中，所述電流檢測電路用於檢測供電電流大小； 所述電源變化電路用於當供電電流小於預設的充電啟動電流時，從供電電路取電，向所述儲能電容充電；而當供電電流大於預設的放電啟動電流時，從所述儲能電容取電，以向用電電路供電； 其中，所述充電啟動電流小於所述放電啟動電流。 進一步地，所述充電啟動電流小於用電電路的平均工作電流，所述放電啟動電流大於用電電路的平均工作電流。 進一步地，所述電源變換電路可以是由兩個DC/DC變換器即直流/直流變換器按相反的能量傳輸方向並聯而成。 進一步地，所述電源變換電路還可以為主要包括一個能夠改變輸入輸出方向的升降壓DC/DC變換器，該能夠改變輸入輸出方向的升降壓DC/DC變換器包括四個開關和一個電感，所述四個開關即第一開關、第二開關、第三開關和第四開關，其中第一開關和第二開關構成一組推挽結構，第三開關和第四開關構成另一組推挽結構；所述電感一端接在所述第一開關和所述第二開關之間，另一端接在所述第三開關和第四開關之間。
更進一步地，所述四個開關均為電子開關。 則通過控制各開關的開關狀態和時序就能夠控制輸入和輸出方向以及升壓和降壓的變換，並能夠通過控制開關的佔空比來調節電流和電壓。 再進一步地，所述四個電子開關均為MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor,金屬氧化物半導體場效應電晶體)。
本發明的有益效果為 本發明採用主動式的脈衝電流平滑方案，與傳統的被動式脈衝電流平滑方案相比，能夠用較小容量的電容器實現更好的平滑效果，即達到更小的電流峰均比，且僅造成非常小的電壓波動。 本發明由於在對儲能電容充電時進行了增壓處理，因而在沒有脈衝輸出時，對儲能電容充電不受輸入或輸出電壓的影響，而僅僅受元器件耐受電壓的制約，能夠儲存更多的能量。同時由於在對儲能電容放電時進行了降壓處理，因而放電時能夠儘可能釋放出存儲的電量。 另外，採用本發明方案，充電的電流能夠通過電路預設，不會形成充電時的峰值電流。


圖1是本發明脈衝電流平滑裝置應用場景示意 圖2是本發明脈衝電流平滑裝置工作原理示意圖； 圖3是本發明採用的能夠改變輸入輸出方向的升降壓DC/DC變換器結構示意 圖4是能夠改變輸入輸出方向的升降壓DC/DC變換器與儲能電容之間的連接關係示意圖； 圖5是能夠改變輸入輸出方向的升降壓DC/DC變換器降壓時的工作原理示意 圖6是典型的降壓型DC/DC變換器原理示意圖； 圖7是能夠改變輸入輸出方向的升降壓DC/DC變換器升壓時的工作原理示意 圖8是典型的升壓型DC/DC變換器原理示意圖； 圖9是本發明一個具體實例的脈衝電流平滑裝置的電路結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。 本發明的核心原理是用主動式控制電路對儲能電容進行充電和放電，以達到動態平滑脈衝電流。其工作過程是，在脈衝用電電路處於脈衝間隙時，通過一種能夠改變輸入輸出方向的升降壓DC/DC變換器(以下簡稱DC/DC)，從供電電路吸收電流，對儲能電容充電。在用電電路處於脈衝峰值電流時，儲能電容中的能量通過該DC/DC進行放電。這樣做的好 處是儲存能量時，通過該DC/DC主動對電容充電，能夠將電壓提升，以存儲更多能量，達到 電容合理的電壓耐受值，而不受工作電壓影響；釋放能量時，通過該DC/DC主動放電，能夠 把儲能電容中的能量充分釋放出來，而不受工作電壓波動的限制。
本發明脈衝電流平滑方法具體包括如下步驟
檢測供電電流大小； 如果供電電流小於預設的充電啟動電流，則從供電電路提取電能，向預置的儲能 電容充電，在對儲能電容充電時，對該儲能電容進行增壓處理； 如果供電電流大於預設的放電啟動電流，則從儲能電容取電，以向用電電路供電，
即用以補充供電電流，在從儲能電容取電時，對該儲能電容進行降壓處理； 其中，充電啟動電流小於用電電路的平均工作電流，而放電啟動電流大於用電電
路的平均工作電流。 本發明脈衝電流平滑裝置的應用場景如圖1所示，將本發明脈衝電流平滑裝置插 入供電電路和脈衝用電電路(各種高峰值電流或峰值功率的電路)之間，能夠降低對供電 電路峰值電流的要求。 本發明脈衝電流平滑裝置2插入供電電路1和用電電路3之間，加入本發明裝置 後，用電電路的脈衝電流或峰值電流經本發明裝置平滑，從供電電路來看，用電電路工作電 流均勻，波動小。 本發明脈衝電流平滑裝置工作原理如圖2所示。電流檢測電路4檢測供電電流， 當供電電流小於充電啟動設定值時，啟動電源變換電路5，對儲能電容6進行充電；當供電 電流大於放電啟動設定值時，啟動電源變換電路5，從儲能電容6取能量，補充供電電流。電 源變換電路5是一種能夠改變輸入輸出方向，並能實現升壓和降壓的DC/DC變換器。採用 帶有升壓和降壓功能的DC/DC變換器主要有兩個好處一是在放電時，當儲能電容兩端電 壓從較高一直到較低的都能夠很好地工作，以充分釋放出能量；另外在充電時能夠從較低 的電壓一直充到較高的設定值，並獲得較高的效率。 本發明主要由電流檢測電路4、電源變換電路5、儲能電容6三部分組成。工作時， 根據電流檢測情況決定電源變換電路的工作模式。當供電電流小於充電啟動設定值時，電 源變換電路5從供電電路取電，給儲能電容6充電；當電流大於放電啟動設定值時，電源變 換電路5從儲能電容6取電，給用電電路供電。該設定值根據用電電路的特點進行優化設 計，充電啟動和放電啟動的設定值是不同的，並且充電啟動設定值小於放電啟動設定值。
通常充電啟動電流小於用電電路平均工作電流(實際操作時需要考慮本發明脈 衝電流平滑裝置的能耗和效率損失)，而放電啟動電流大於用電電路平均工作電流。充電啟 動電流及放電啟動電流與用電電流平均工作電流的差值可以為用電電路平均工作電流的 起伏(如環境影響、應用狀態的變化等)，與噪聲的影響的兩到三倍之和。
本發明中電源變換電路需要特別設計，既要能夠對儲能電容充電，又能夠從儲能 電容取電對用電電路供電，因此，電源變換電路需要有能夠控制改變輸入輸出方向的雙向 變換能力，同時，為了提高儲能電容充電和放電的效率，需要升壓和降壓。對儲能電容增壓 能夠保證充電時能充到設計值，該設計值通常高於供電電壓，以儲存足夠的能量，對儲能電 容降壓能保證放電時在儘可能低的電壓下工作，以儘可能釋放出儲能電容儲存的能量。
用兩個帶有工作使能控制的典型DC/DC變換器按相反的能量傳輸方向並聯，即可 以作為本發明提出的電源變換器使用。 本發明同時提出了一種特殊的電源變換器能夠改變輸入輸出方向的升降壓DC/ DC變換器，其在成本上更具有優勢。該能夠改變輸入輸出方向的升降壓DC/DC變換器拓撲 結構及其原理如圖3所示，這是一個完全對稱的結構，既能實現從左到右的電源變換，也能 實現從右到左的電源變換。 其核心包括四個開關SW1 SW4和一個電感L，本發明實施例中該四個開關均為電 子開關，且該四個電子開關由金屬氧化物半導體場效應電晶體MOSFET擔任。其中第一電子 開關SW1和第二電子開關SW2構成一組推挽結構，第三電子開關SW3和第四電子開關SW4 構成另一組推挽結構，用電感L將兩組推挽結構的中點相連，即電感L 一端接在第一電子開 關SW1和第二電子開關SW2之間，另一端接在第三電子開關SW3和第四電子開關SW4之間。 因為該能夠改變輸入輸出方向的升降壓DC/DC變換器的結構是完全對稱的，因此只需控制 各電子開關的開關狀態和時序就能夠控制輸入和輸出方向以及升壓和降壓的變換，並能夠 通過控制電子開關的佔空比來調節電流和電壓。 本發明裝置中DC/DC變換器介於用電電路和儲能電容之間，DC/DC變換器和儲能 電容的基本連接方式如圖3所示。 該能夠改變輸入輸出方向的升降壓DC/DC變換器降壓時的工作方式如圖5所示， 能量傳遞方向從左往右。其中第一電子開關SW1、第二電子開關SW2和電感L構成典型的 同步開關降壓型DC/DC變換器。其中第三電子開關SW3開路，第四電子開關SW4閉合。圖 6中Vin表示輸入端，指給DC/DC變換器提供能量的埠 ；Vout表示DC/DC變換器能量輸出 埠。其它圖中的相同符號意義與此意義相同。 典型的降壓型DC/DC變換器原理如圖6所示。圖中SW是電子開關，通常採用 M0SFET。 D是二極體，被動導通，起續流作用。該二極體在同步開關類型DC/DC變換器中用 電子開關代替，能夠獲得更高的效率。 該能夠改變輸入輸出方向的升降壓DC/DC變換器升壓時的工作方式如圖7所示， 能量傳遞方向從左往右。第三電子開關SW3、第四電子開關SW4和電感L構成典型的同步開 關升壓型DC/DC變換器。其中第一電子開關SW1閉合，第二電子開關SW2開路。同步開關 升壓模式示意圖 典型的升壓型DC/DC變換器原理如圖8所示。 圖8中SW是電子開關，通常採用用M0SFET。 D是二極體，被動導通，起整流作用。 該二極體在同步開關類型DC/DC變換器中用電子開關代替，能夠獲得更高的效率。
圖9是本發明一個具體實例的脈衝電流平滑裝置的電路結構示意圖。如圖所示， 本發明脈衝電流平滑裝置的電路包括電流傳感器、電源檢測電路、能夠改變輸入輸出方向 的升降壓DC/DC變換器和儲能電容。其中能夠改變輸入輸出方向的升降壓DC/DC變換器配 有相應的控制邏輯以及脈寬調製電路。 圖9中四個電子開關SW1 SW4和電感L是功率變換部分，在用電電路和儲能電 容C之間進行能量轉換。運放CSA和連接在其上的取樣電阻構成電流傳感器。電壓誤差放 大器、電流誤差放大器、鋸齒波發生器和與其相連接的比較器構成P麗(脈衝寬度調製)電 路，產生P麗調製信號，用於控制變換器工作的佔空比。控制邏輯和另外四個比較器根據電流和電壓狀態控制變換器的工作模式。 本發明與傳統的被動式相比能夠達到用較小容量的電容器實現更好的平滑效果， 即更小的電流峰均比，和非常小的電壓波動。
從電容器儲存能量的公式如下 f二一 CV2
2 式中，E表示儲存的能量；C表示電容器容量；V表示充電電壓。
因此電容器通過放電平滑脈衝電流的過程所釋放出的能量為
A E = E。-E丄
1 79 1 △ ^ := — C(VJ - ^ ) = — C △ V00 + 、) A v = v。-v丄 式中，AE表示釋放出來的能量，是放電起始時電容儲存能量E。與放電終止時電容 儲存能量E工的差值；C表示電容器容量；V。表示放電起始時電容器兩端充電電壓表示放 電終止時電容器兩端充電電壓。 例如常規5V電源，電路按容差5%的電壓波動。而採用本發明技術方案後，按最 高充電電壓提高一倍，儲能電容放電終止殘餘電壓為3V估算，那麼能釋放出的能量提高18 倍。扣除DC/DC變換器效率損失，如果按90X效率估算，那麼還有16倍的收益。同時輸出 電壓波動僅僅為DC/DC變換器的紋波，沒有電容放電而產生的電壓跌落，因此輸出電壓精
度更高。 同時，在沒有脈衝輸出時，對儲能電容充電不受輸入或輸出電壓的影B向，而僅僅受 元器件耐受電壓的制約，能夠儲存更多的能量。充電的電流能夠通過電路預設，不會形成充 電時的峰值電流。 例如在USB接口的數據卡應用當中，因為GSM工作與脈衝方式，其峰值電流往往達 到2A，而USB 口的供電按規範只能提供500mA。為了保證較小的峰值電流和電壓，以往的設 計是在電源線上並聯上幾十甚至上百毫法拉的大電容，其價格高尺寸大，給數據卡設計帶 來困擾。而採用本發明技術方案後，電容容量能夠縮小几十倍。而隨著半導體技術的發展， DC/DC器件的成本日益下降，本發明的應用場景會更廣闊。 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應注意的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，本領域的技術人員可以對 本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改 和變型屬於本發明權利要求記載的技術方案及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包 含這些改動和變型在內。
權利要求
一種脈衝電流平滑方法，其特徵在於包括如下步驟檢測供電電流大小；當供電電流小於預設的充電啟動電流時，從供電電路取電，以向預置的儲能電容充電；當供電電流大於預設的放電啟動電流時，從所述儲能電容取電，以向用電電路供電，即此時補充供電電流；其中，所述充電啟動電流小於所述放電啟動電流。
2. 根據權利要1所述的脈衝電流平滑方法，其特徵在於所述充電啟動電流小於用電電路的平均工作電流，所述放電啟動電流大於用電電路的平均工作電流。
3. 根據權利要1或2所述的脈衝電流平滑方法，其特徵在於，該方法還包括在對所述儲能電容充電時，對所述儲能電容進行增壓處理。
4. 根據權利要1或2所述的脈衝電流平滑方法，其特徵在於，該方法還包括在從所述儲能電容取電時，對所述儲能電容進行降壓處理。
5. —種脈衝電流平滑裝置，其特徵在於該裝置包括電流檢測電路、電源變換電路和儲能電容；其中，所述電流檢測電路用於檢測供電電流大小；所述電源變化電路用於當供電電流小於預設的充電啟動電流時，從供電電路取電，向所述儲能電容充電；而當供電電流大於預設的放電啟動電流時，從所述儲能電容取電，以向用電電路供電；其中，所述充電啟動電流小於所述放電啟動電流。
6. 根據權利要求5所述的脈衝電流平滑裝置，其特徵在於所述充電啟動電流小於用電電路的平均工作電流，所述放電啟動電流大於用電電路的平均工作電流。
7. 根據權利要求5或6所述的脈衝電流平滑裝置，其特徵在於所述電源變換電路是由兩個直流/直流變換器按相反的能量傳輸方向並聯而成的。
8. 根據權利要求5或6所述的脈衝電流平滑裝置，其特徵在於所述電源變換電路主要包括一個能夠改變輸入輸出方向的升降壓型直流/直流變換器；所述能夠改變輸入輸出方向的升降壓直流/直流變換器包括四個開關和一個電感，所述四個開關即第一開關、第二開關、第三開關和第四開關；其中第一開關和第二開關構成一組推挽結構，第三開關和第四開關構成另一組推挽結構；所述電感一端接在所述第一開關和所述第二開關之間，另一端接在所述第三開關和第四開關之間。
9. 根據權利要求8所述的脈衝電流平滑裝置，其特徵在於所述四個開關均為電子開關。
10. 根據權利要求9所述的脈衝電流平滑裝置，其特徵在於所述四個電子開關均為金屬氧化物半導體場效應電晶體。
全文摘要
本發明公開了一種平滑效果好，且造成的電壓波動很小的脈衝電流平滑方法及裝置，其中該裝置包括電流檢測電路、電源變換電路和儲能電容；所述電流檢測電路用於檢測供電電流大小；所述電源變化電路用於當供電電流小於預設的充電啟動電流時，從供電電路取電，向儲能電容充電，而當供電電流大於預設的放電啟動電流時，從儲能電容取電，向用電電路供電；所述充電啟動電流小於所述放電啟動電流。進一步地，所述電源變換電路是能改變輸入輸出方向的升降壓DC/DC變換器，包括四個電子開關和一個電感，其中第一電子開關和第二電子開關構成一組推挽結構，第三電子開關和第四電子開關構成另一組推挽結構，電感兩端分別接兩個推挽結構的中點。
文檔編號H02J15/00GK101710741SQ20091021084
公開日2010年5月19日 申請日期2009年11月11日 優先權日2009年11月11日
發明者程微 申請人:中興通訊股份有限公司