一種恆流輸入電源控制電路的製作方法

2023-06-10 01:17:56

本發明涉及電源的技術領域，更具體地說，涉及一種恆流輸入電源控制電路。

背景技術：

蓄電池需要定期進行充放電維護，以便提高使用壽命。目前市場上維護蓄電池的放電設備通常為PTC電阻(正溫度係數電阻)模式，這種模式的控制方式如下：根據電池放電電流的大小調整PTC電阻的散熱風扇轉速，進而實現放電電流的基本恆定。即當放電電流大於設定值時，降低風扇轉速，PTC電阻溫度升高，阻值增大，放電電流降低；當放電電流小於設定值時，提高風扇轉速，PTC電阻溫度降低，阻值減小，放電電流增大；通過上述的反覆調節過程，使得電池放電電流基本穩定在設定值。

上述蓄電池恆流放電設備結構簡單，容易實現。但此种放電設備存在如下一些缺點：第一、電池放電電流的調整根據PTC電阻溫度進行調整，調整速度慢；第二、受環境溫度影響較大，當環境溫度存在變化時，電池放電電流需要不斷調整；第三、不同電壓等級的蓄電池需要設置不同的PTC電阻。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述缺陷，提供一種恆流輸入電源控制電路。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：構造一種恆流輸入電源控制電路，包括：

與外部電路連接，接收輸入信號、對所述輸入信號進行濾波處理輸出濾波電壓並產生採樣信號的輸入模塊；

與所述輸入模塊連接，將所述輸入電壓轉換為可調整的交變電壓、並對所述交變電壓進行濾波輸出可調整的直流電壓的電壓轉換模塊；

與所述電壓轉換模塊連接，對所述可調整的直流電壓進行採樣產生第二採樣電壓的輸出模塊；

分別與所述輸入模塊、所述電壓轉換模塊、以及所述輸出模塊連接，基於所述採樣信號、所述第二採樣電壓輸出控制信號至所述電壓轉換模塊以調節輸入電流的控制模塊。

在本發明所述的恆流輸入電源控制電路中，優選地，所述輸入模塊包括：

與外部電路連接的輸入接口；

與所述輸入接口連接、對所述電源啟動時產生的衝擊電流進行限制的軟啟動電路；

與所述軟啟動電路連接、對所述輸入信號進行濾波處理產生濾波電壓的第一濾波電路；

連接在所述輸入接口與所述軟啟動電路之間，對所述輸入信號進行電壓採樣產生第一採樣電壓的輸入電壓採樣電路；

連接在所述輸入接口與所述控制模塊之間，對所述輸入信號進行電流採樣產生採樣電流的輸入電流採樣電路。

在本發明所述的恆流輸入電源控制電路中，優選地，所述電壓轉換模塊包括：

與所述第一濾波電路連接，將所述濾波電壓轉換為可調整的交變電壓的直流轉換電路；

與所述直流轉換電路連接，對所述可調整的交變電壓進行濾波處理輸出可調整的直流電壓的第二濾波電路；

分別與所述控制模塊、所述直流轉換電路連接，根據所述控制模塊輸出的控制信號控制所述直流轉換電路的驅動電路。

在本發明所述的恆流輸入電源控制電路中，優選地，所述輸出模塊包括與所述第二濾波電路連接的負載、以及連接在所述第二濾波電路與所述負載之間的輸出電壓採樣電路；所述輸出電壓採樣電路對所述可調整的直流電壓進行採樣產生第二採樣電壓。

在本發明所述的恆流輸入電源控制電路中，優選地，所述負載為恆電阻負載，所述恆電阻為功率電阻。

在本發明所述的恆流輸入電源控制電路中，優選地，所述控制模塊包括分別與所述輸入電壓採樣電路、所述輸入電流採樣電路、所述驅動電路、以及所述輸出電壓採樣電路連接，基於所述採樣信號、所述第二採樣電壓輸出所述控制信號至所述驅動電路的控制電路。

在本發明所述的恆流輸入電源控制電路中，優選地，所述控制模塊還包括與所述控制電路連接、供所述電源與外部監控器進行數據傳輸的通訊電路。

實施本發明的恆流輸入電源控制電路，具有以下有益效果：本發明的恆流輸入電源控制電路包括：與外部電路連接，接收輸入信號、對輸入信號進行濾波處理輸出濾波電壓並產生採樣信號的輸入模塊；與輸入模塊連接，將輸入電壓轉換為可調整的交變電壓、並對交變電壓進行濾波輸出可調整的直流電壓的電壓轉換模塊；與電壓轉換模塊連接，對可調整的直流電壓進行採樣產生第二採樣電壓的輸出模塊；分別與輸入模塊、電壓轉換模塊、以及輸出模塊連接，基於採樣信號、第二採樣電壓輸出控制信號至電壓轉換模塊以調節輸入電流的控制模塊。實施本發明可使電源的輸入電流快速穩定，不受環境溫度的影響，輸入電壓範圍寬，可適用多種不同電壓等級的蓄電池放電，可滿足電力和通訊行業應用需求，適用性廣、實用性強。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發明恆流輸入電源控制電路的原理框圖；

圖2是本發明恆流輸入電源控制電路恆流控制的邏輯圖；

圖3是本發明恆流輸入電源控制電路的電路原理圖。

具體實施方式

為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本發明的具體實施方式。

如圖1所示，為本發明恆流輸入電源控制電路的原理框圖。本發明的恆流輸入電源控制電路包括：與外部電路連接，接收輸入信號、對輸入信號進行濾波處理輸出濾波電壓並產生採樣信號的輸入模塊10；與輸入模塊10連接，將輸入電壓轉換為可調整的交變電壓、並對交變電壓進行濾波輸出可調整的直流電壓的電壓轉換模塊20；與電壓轉換模塊20連接，對可調整的直流電壓進行採樣產生第二採樣電壓的輸出模塊30；分別與輸入模塊10、電壓轉換模塊20、以及輸出模塊30連接，基於採樣信號、第二採樣電壓輸出控制信號至電壓轉換模塊20以調節輸入電流的控制模塊40。

具體地，在本實施例中：

輸入模塊10包括：輸入接口101、軟啟動電路102、第一濾波電路103、輸入電壓採樣電路104、以及輸入電流採樣電路105。

輸入接口101，為電源與外界的接口，在具體電路中，輸入接口101與外部電路連接。可以理解地，在實際應用中，可根據需要將輸入接口101設置為便於與外部電路連接的接口，進而可避免電源與外界連接錯誤的風險發生。

軟啟動電路102，與輸入接口101連接，在電源啟動時，對電源內部所產生的衝擊電流進行限制，以防止電源在啟動過程中因衝擊電流的產生而損壞電源內部的相關器件，提高了電源的安全性能。在本實施例中，軟啟動電路102優選為限流電阻與繼電器組合構成。

第一濾波電路103，與軟啟動電路102連接，對輸入信號進行濾波處理並輸出濾波電壓。可以理解地，第一濾波電路103主要是通過對輸入信號進行濾波處理進而降低輸入信號中的輸入電壓和輸入電流的紋波，使輸入電壓和輸入電流更加穩定。優選地，在本實施例中，第一濾波電路103可選用電感和電解電容對輸入信號進行濾波。

輸入電壓採樣電路104，連接在輸入接口101與軟啟動電路102之間，對輸入信號中的輸入電壓進行採樣產生第一採樣電壓。優選地，在本實施例中，輸入電壓採樣電路104可選用電阻或電阻與差分運算放大器組合的方式實現。

輸入電流採樣電路105，連接在輸入接口101與軟啟動電路102之間，對輸入信號中的輸入電流進行採樣產生採樣電流。優選地，在本實施例中，輸入電流採樣電路105可選用精密電阻配合差分網絡或電流互感器實現。

電壓轉換模塊20包括直流轉換電路201、第二濾波電路202、以及驅動電路203。

直流轉換電路201，與第一濾波電路103連接，將經第一濾波電路103進行濾波處理後的濾波電壓轉換為可調整的交變電壓。優選地，在本實施例中，直流轉換電路201可由開關管及二極體組成；開關管一般可採用MOSFET管(場效應管)或IGBT管(絕緣柵雙極型電晶體)。二極體可選用快恢得二極體。

第二濾波電路202，與直流轉換電路201連接，對直流轉換電路201輸出的可調整的交變電壓進行濾波處理，並輸出可調整的直流電壓。可以理解地，通過在負載301與直流轉換電路201之間增加第二濾波電路202可使負載301上的電壓波形更穩定，同時還可限制該電源功率迴路中電流的變化率，進一步提高了電源的可靠性。優選地，在本實施例中，第二濾波電路202可選用電感與電解電容實現。電感主要用於限制功率迴路的電流變化率，電解電容的作用是使負載上的電壓波形更穩定。

驅動電路203分別與控制模塊40、直流轉換電路201連接，主要是根據控制模塊40輸出的控制信號控制直流轉換電路201中的開關管導通或關斷，通過驅動電路可增大控制模塊40輸出的控制信號的驅動能力，以便可以更好地控制直流轉換電路201中的開關管。優選地，在本實施例中，驅動電路203可採用集成驅動IC或推挽驅動電路等形式實現。

在本實施例中，電壓轉換模塊20對本發明的恆流輸入電源控制電路的輸入電壓特性有重要影響，換言之，本發明的恆流輸入電源控制電路所能實現的寬範圍輸入電壓特性主要由電壓轉換模塊20來實現的。例如，假設輸入信號中的輸入電壓為Uin，根據設計要求恆流輸入的電流值為Iin，輸出的恆電阻值為Rl，控制電路的效率為η，理論上輸出電壓平均值為恆流輸入電流值Iin一定的情況下，只需根據輸入電壓Uin的範圍來設置合適的Rl即可將輸出電壓平均值Uo控制在合理的範圍內。

輸出模塊30包括負載301以及輸出電壓採樣電路302。

負載301與第二濾波電路202連接，負載301一般採用電阻實現。優選地，在本實施例中，為了避免負載301的電阻值受溫度的影響，負載301所採用的電阻為恆電阻，通常為功率電阻。由於電阻為恆定電阻，其不受溫度的影響進而確保了本發明的恆流輸入電源控制電路不受溫度的影響。

輸出電壓採樣電路302，連接在第二濾波電路202與負載301之間，對第二濾波電路202輸出的可調整的直流電壓進行採樣並產生第二採樣電壓，輸出至控制模塊40，通過控制模塊40對輸出電壓平均值進行檢測、判斷其是否在合理範圍內。優選地，輸出電壓採樣電路302可採用電阻實現。

控制模塊40包括控制電路401以及通訊電路402。

控制電路401分別與輸入電壓採樣電路104、輸入電流採樣電路105、驅動電路203、以及輸出電壓採樣電路302連接，基於採樣信號、第二採樣電壓輸出控制信號至驅動電路203。即控制電路401主要是根據輸入電壓採樣電路104輸出的第一採樣電壓、輸入電流採樣電路105輸出的採樣電流以及輸出電壓採樣電路輸出的第二採樣電壓與在控制電路401內部預先設定的對應值進行比較，並根據比較結果輸出相應的控制信號至驅動電路203，驅動電路203輸出至直流轉換電路201，以控制直流轉換電路201中的開關管的關斷，進而調節輸入電流，使輸入電流快速恆定在設計值。優選地，在本實施例中，控制電路401可採用DSP處理器或單片機實現，通過採樣DSP處理器或單片機進行反饋控制調節可使電源的輸入電流能快速穩定。

通訊電路402，與控制電路401連接、供電源與外部監控器進行數據傳輸。可以理解地，設置通訊電路402使電源與外部監控器進行數據傳輸，進而可利用外部監控器對電源進行檢測和控制。進一步增強對電源的監測及管理。優選地，在本實施例中，通訊電路402可採用RS485或CAN實現。

如圖2所示，為本發明恆流輸入電源控制電路恆流控制的邏輯圖。當輸入電流大於設定值時，控制電路401根據輸入電流採樣電路105輸出的採樣電流、適當調整驅動電路輸出的佔空比，進而改變直流轉換電路201的工作狀態，使輸出電壓減小，由於負載301所使用的電阻是恆定的，因此，可使得輸入電流減小，最終達到輸入電流的設定值。當輸入電流小於設定值時，控制電路401根據輸入電流採樣電路105輸出的採樣電流、適當調整驅動電路輸出的佔空比，進而改變直流轉換電路201的工作狀態，使輸出電壓增大，由於負載301所使用的電阻是恆定的，因此，可使得輸入電流增大，最終達到輸入電流的設定值。

如圖3所示，為本發明恆流輸入電源控制電路的電路原理圖。具體地：

輸入接口101包括第一接口V+和第二接口V-，第一接口V+和第二接口V-分別與外部電路的相應的接口連接，使電源可與外界連接。

軟啟動電路102包括限流電阻R1以及繼電器K1，限流電阻R1的第一端與第一接口V+連接，限流電阻R1的第二端與第一濾波電路103連接，繼電器K1與限流電阻R1並聯。優選地，限流電阻R1對輸入電流進行限流。

第一濾波電路103包括第一濾波電感L1和第一濾波電容C1，第一濾波電感L1的第一端與限流電阻R1的第二端連接，第一濾波電感L1的第二端與第一濾波電容C1的第一端連接，第一濾波電感L1的第二端與第一濾波電容C1的第一端連接的節點還連接至電壓轉換模塊20；第一濾波電容C1的第二端連接至第一參考地(且第一參考地與第二接口V-連接)。可以理解地，第一濾波電感L1和第一濾波電容C1的取值主要由輸入電流的紋波大小決定。優選地，第一濾波電感L1的磁芯材料選擇磁粉芯；第一濾波電容C1選擇耐壓的電解電容。

輸入電壓採樣電路104包括電阻R4和電阻R5。電阻R4的第一端與第一接口V+連接，電阻R4的第二端與電阻R5的第一端連接；電阻R5的第二端連接至第一參考地；電阻R4與電阻R5之間的節點還連接至控制電路401的第一輸入端。可以理解地，電阻R4與電阻R5之間的節點電壓即為第一採樣電壓Vins。

輸入電流採樣電路105包括電阻RS、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9以及差分運算放大器。電阻RS的第一端與第一濾波電容C1的第二端連接，電阻RS的第一端還連接至第二接口V-，電阻RS的第二端與電阻R6的第一端連接；電阻R6的第二端與電阻R7的第一端連接並連接至差分運算放大器的同相輸入端，電阻R7的第二端連接至第一參考地；電阻R8的第一端與差分運算放大器的反相輸入端連接，電阻R8的第二端連接至第一參考地；電阻R9並聯在差分運算放大器的反相輸入端與輸出端之間；差分運算放大器的輸出端與控制電路401的第二輸入端連接。可以理解地，電阻RS對輸入電流進行採樣，並經差分運算放大器進行處理輸出採樣電流Iins至控制電路401的第二輸入端。優選地，電阻RS為精密電阻。

直流轉換電路201包括開關管Q1和二極體D1。優選地，開關管Q1為MOSFET管；二極體D1為快恢復二極體。開關管Q1的源極與電阻RS的第二端連接，開關管Q1的漏極與二極體D1的陽極連接，開關管Q1的柵極與驅動電路203連接。

第二濾波電路202包括第二濾波電感L2及第二濾波電容C2。第二濾波電感L2的第一端與開關管Q1的漏極連接，第二濾波電感L2的第二端與第二濾波電容C2的第二端連接，第二濾波電容C2的第一端與二極體D1的陰極連接。優選地，第二濾波電容C2為電解電容。

驅動電路203包括驅動IC，驅動IC的輸入端與控制電路401的輸出端連接，驅動IC的輸出端與開關管Q1的柵極連接。

負載301包括負載電阻RL，負載電阻RL的第一端與第二濾波電容C2的第一端連接，負載電阻RL的第二端與第二濾波電容C2的第二端連接，負載電阻RL的第二端還連接至第二參考地。優選地，負載電阻RL為阻值恆定的功率電阻。通過採用阻值恆定的功率電阻作為負載避免了負載的阻值受溫度的影響。

輸出電壓採樣電路302包括電阻R2和電阻R3，電阻R2的第一端與第二濾波電容C2的第一端連接，電阻R2的第二端與電阻R3的第一端連接，電阻R3的第二端連接至第二參考地；電阻R2與電阻R3之間的節點隔離處理後連接至控制電路401的第三輸入端。可以理解地，電阻R2與電阻R3之間的節點電壓即為第二採樣電壓Vos。

控制電路401可採用DSP處理器及相應的外圍器件，或者單片機及相應的外圍器件。控制電路401的通訊接口與通訊電路402連接。

以下結合圖3對本發明的恆流輸入電源控制電路的原理作進一步的詳細說明：

假設應用本發明的恆流輸入電源控制電路的電源的輸入電壓範圍為40～300VDC，涵蓋了48V、110V和220V 3種常用電壓等級的蓄電池系統，蓄電池系統的放電電流要求為50A。首先將蓄電池系統與模塊輸入接口正確連接，模塊正常工作後，輸入電流首先經過限流電阻R1，第一濾波電感L1給第一濾波電容C1充電，延時之後，K1將閉合。可以理解地，第一濾波電感L1的磁芯材料選擇磁粉芯，第一濾波電容C1選擇350V電解電容，第一濾波電感L1和第一濾波電容C1的取值主要由輸入電流的紋波大小決定。然後輸入電流流經開關管Q1，二極體D1和第二濾波電感L2，第二濾波電容C2，其中開關管Q1選擇600V耐壓的COOLMOSFET，主要作用是實現輸入電壓到輸出電壓的變換。二極體D1選擇600V快恢復二極體，主要作用是對第二濾波電感L2中的電流續流；第二濾波電感L2的作用是限制功率迴路的電流變化率，有助於開關管Q1的安全運行；第二濾波電容C2的作用是使得負載電阻RL上的電壓波形更穩定，一般選擇電解電容；負載電阻RL的阻值由最低輸入電壓和最大輸入電流決定。電阻R4和電阻R5組成輸入電壓的採樣電阻網絡，將第一採樣Vins送入控制電路401；精密電阻RS和電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9以及運算放大器對輸入電流進行採樣，並輸出採樣電流Iins送入控制電路401；電阻R2和電阻R3組成輸出電壓採樣電路302，將第二採樣電壓Vos經過隔離處理之後送入控制電路401，用於檢測負載電阻RL上的平均值電壓是否在合理範圍內，如果超出合理範圍，控制電路401則控制電源停止工作。控制電路401根據第一採樣電壓、採樣電流的數值和相應的控制算法得到PWM方波，PWM方波經過驅動IC晶片驅動開關管Q1，控制開關管Q1的導通和關斷。

假設當輸入電流小於50A，控制電路401根據採樣電流Iins，將PWM方波的佔空比調大，使開關管Q1導通時間增大，輸出電壓增大，由於負載電阻RL的阻值是恆定的，最終使得輸入電流增大；當輸入電流大於50A，控制電路401根據採樣電流Iins，將PWM方波的佔空比調小，使開關管Q1導通時間減小，輸出電壓減小，由於負載電阻RL的阻值是恆定的，最終使得輸入電流減小。經過上述反饋調節之後，最終使輸入電流穩定在50A。

實施本發明的恆流輸入電源控制電路，採用DSP處理器或單片機進行反饋控制調節，使電源的輸入電流可快速穩定；同時採用恆阻值的電阻作為負載，不受環境溫度的影響，且輸入電壓範圍寬，可適用多種不同電壓等級的蓄電池放電，合理設置參數時，電壓範圍可涵蓋10V～400V等級的蓄電池級放電，可滿足電力和通訊行業應用需要，適用範圍廣、實用性更強。

以上實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容並據此實施，並不能限制本發明的保護範圍。凡跟本發明權利要求範圍所做的均等變化與修飾，均應屬於本發明權利要求的涵蓋範圍。

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。