一种电源闭环反馈控制电路及控制方法与流程

1.本发明涉及航天飞行器空间电源领域，具体是一种电源闭环反馈控制电路及控制方法。


背景技术：

2.目前国内外在航天飞行器空间电源技术发展中，供电电源主要为恒压源dc/dc变换器，广泛应用在各种电子系统中，通常只具备恒压功能，但不具备恒流功能，同时恒压输出值不可调。现有的恒流源一般是在传统的恒压源基础上采用额外增加电流闭环反馈控制电路的方法实现恒流输出，但存在电路输出效率低、体积偏大，同时成本偏高等缺点。
3.中国专利cn110231846b提出了一种具有恒流和恒压双功能的电源模块反馈控制电路，可以应用于大功率恒流源的电源模块的反馈控制中，用来对电源模块的输出电流和电压进行误差放大并产生反馈控制信号；通过控制端设置，电源模块可工作在恒压模式或恒流模式；当电源模块工作在恒流模式，控制电路对电源模块输出的电流进行控制，保证输出电流恒定，输出电流值由外部控制信号给定；当电源模块工作在恒压模式，控制电路对电源模块输出电压进行控制，保证输出电压恒定，可以当作直流电压转换的dc/dc变换器使用。但是，该专利具有以下缺点：
4.1、电路组成复杂，实现比较困难，同时需要结合开关s1来实现恒压模式输出，导致电路体积偏大、成本偏高；
5.2、由于电路内部采用稳压器tl431作为恒压基准，同时结合r3/r2电阻比值对恒压值进行设置，而无法实现恒压模式的在线可调功能，电路单一，不够灵活，使用不便；
6.3、电路中涉及多处电压经过多个电阻(电阻r9、r14、r15、r16等)再分压进而输入至运放u1输入端，实现比较、输出，这样在全温度范围内(-55℃～125℃)对多处电阻的精度影响较大，导致电路输出电流精度偏低。
7.因此，申请人提出的一种电源闭环反馈控制电路及控制方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种电源闭环反馈控制电路及控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.一种电源闭环反馈控制电路，包括对输出电压差分放大的第一放大电路以及对输出电流采样放大的第二放大电路，还包括恒压比较电路及恒流比较电路；恒压比较电路的同相输入端连接外设的恒压基准电压，反相输入端连接第一放大电路的输出；恒流比较电路的同相输入端连接外设的恒流基准电压，反相输入端连接第二放大电路的输出；恒压比较电路、恒流比较电路的输出端分别串接二极管d1、d2的阴极，二极管d1、d2的阳极均一路通过电路r13连接供电端，另一路连接控制电源输出占空比的pwm控制器的控制信号输入端。
11.作为本发明的改进方案，所述第一放大电路包括运放器u1、电阻r1、r2、r3、r4；电源输出电压正端与电阻r1的第一端相连，电阻r1的第二端与第一运放器u1的同相输入端相连，电源输出电压负端与电阻r2的第一端相连，电阻r2的第二端一路连接第一运放器u1的反相输入端以及电阻r3的第一端，电阻r3的第二端连接运放器u1的输出端；运放器u1的输出端通过电阻r4连接所述恒压比较电路，电源端与供电端正极相连，接地端与供电端负极相连。
12.作为本发明的改进方案，所述第二放大电路包括运放器u2、电阻r7、r8、r9及采样电阻rs；电源输出电流正端与电阻r7、采样电阻rs的第一端连接，电阻r7的第二端连接运放器u2的同相输入端，电源输出电流负端与电阻r8的第一端及采样电阻rs的第二端连接，电阻r8的第二端连接电阻r9的第一端及运放器u2的反相输入端，电阻r9的第二端连接运放器u2的输出端，运放器u2的输出端通过电阻r10连接所述恒流比较电路。
13.作为本发明的改进方案，所述恒压比较电路包括运放器u3、电阻r6及二极管d1，所述运放器u3的同相输入端连接恒压基准电压，反相输入端连接所述电阻r4的第二端，输出端通过串接电阻r6连接所述二极管d1的阴极。
14.作为本发明的改进方案，所述恒压比较电路还包括电阻r5与电容c1，所述电阻r5、电容c1串接在运放器u3的反相输入端与二极管d1的阳极之间。
15.作为本发明的改进方案，所述恒流比较电路包括运放器u4、电阻r12及二极管d2，所述运放器u4的同相输入端连接所述恒流基准电压，反相输入端连接所述电阻r10的第二端，输出端通过串接电阻r12连接所述二极管d2的阴极。
16.作为本发明的改进方案，所述恒流比较电路还包括电阻r11与电容c2，所述电阻r11、电容c2串接在运放器u4的反相输入端与二极管d2的阳极之间。
17.电源闭环反馈控制电路的控制方法，方法包括：
18.根据第一放大电路的内部参数，给定恒压基准电压v
vref
，得出恒压基准电压v
vref
对应的输出电压uc；
19.根据第二放大电路的内部参数，给定恒流基准电压v
cref
，得出恒流基准电压v
cref
对应的输出电流ic；
20.比较第一放大电路的输出u1与恒压基准电压v
vref
：
21.若u1＞v
vref
，则二极管d1的阳极电压值作为pwm控制器的反馈电压，pwm控制调节占空比使电源输出电压uo与恒压基准电压v
vref
对应的输出电压uc保持一致，电源工作在恒压模式；
22.若u1《v
vref
，则二极管d2的阳极电压值作为pwm控制器的反馈电压，pwm控制调节占空比使电源输出电流io与恒流基准电压v
cref
对应的输出电流ic保持一致，电源工作在恒流模式。
23.有益效果：本发明应用于恒流源的闭环反馈控制中，用来对电源输出电流和输出电压采样，采样电压经过运放器放大、处理，再与恒流基准电压和恒压基准电压进行误差放大并产生反馈控制信号；可以通过调节设置恒流基准电压或恒压基准电压，电源将工作在恒流模式或者恒压模式。当电源工作在恒流模式时，电源闭环反馈控制电路对电源输出电流进行采样控制，保证电源输出电流恒定，电源输出电流的大小由恒流基准电压的大小决定，此时电压环不工作，仅电流环起作用；当电源工作在恒压模式时，电源闭环反馈控制电
路对电源输出电压进行控制，保证电源输出电压恒定，电源输出电压的大小由恒压基准电压的大小决定，此时电流环不工作，仅电压环起作用，当然此时电源可以当作常规的恒压源dc/dc变换器使用。
24.本闭环反馈控制电路设计中，当电源工作在恒流模式中，电源输出电压随着负载变化而变化，保证输出电流恒定；当电源输出电压变化到恒压基准电压对应的输出电压后，电源输出电压不变，电源输出电流随着负载变化而变化，保证电源输出电压恒定，即恒压模式中的电源输出电压也是恒流模式的电源最大输出电压。
25.与常规的在恒压源电路基础上采用额外增加电流闭环反馈控制电路的方法实现恒流输出相比，本方法有效地减小了系统体积，提高了电源的实用性和多功能性，设计简洁，结构简单灵活，成本低廉，工作可靠，相对现有技术，电源输出电流的精度有了较大程度的提高，具有显著的经济效应。
附图说明
26.图1为本发明的电路原理图；
27.图2为本发明实施在恒流源的电路原理框图。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.参见图1，一种电源闭环反馈控制电路，包括对输出电压差分放大的第一放大电路以及对输出电流采样放大的第二放大电路，还包括恒压比较电路及恒流比较电路。
30.第一放大电路包括运放器u1、电阻r1、r2、r3、r4；电源输出电压正端与电阻r1的第一端相连，电阻r1的第二端与第一运放器u1的同相输入端相连，电源输出电压负端与电阻r2的第一端相连，电阻r2的第二端一路连接第一运放器u1的反相输入端以及电阻r3的第一端，电阻r3的第二端连接运放器u1的输出端；运放器u1的输出端通过电阻r4连接恒压比较电路，电源端与供电端正极vcc相连，接地端与供电端负极相连。
31.恒压比较电路包括运放器u3、电阻r6及二极管d1，运放器u3的同相输入端连接恒压基准电压，反相输入端连接电阻r4的第二端，输出端通过串接电阻r6连接二极管d1的阴极。运放器u3的电源端还连接供电端正极vcc，接地端连接供电端负极。优选的，恒压比较电路还包括电阻r5与电容c1，电阻r5、电容c1串接在运放器u3的反相输入端与二极管d1的阳极之间，是运放器u3的相位和频率的补偿网络。
32.第二放大电路包括运放器u2、电阻r7、r8、r9及采样电阻rs；电源输出电流正端与电阻r7、采样电阻rs的第一端连接，电阻r7的第二端连接运放器u2的同相输入端，电源输出电流负端与电阻r8的第一端及采样电阻rs的第二端连接，电阻r8的第二端连接电阻r9的第一端及运放器u2的反相输入端，电阻r9的第二端连接运放器u2的输出端，运放器u2的输出端通过电阻r10连接恒流比较电路。
33.恒流比较电路包括运放器u4、电阻r12及二极管d2，运放器u4的同相输入端连接恒
流基准电压，反相输入端连接电阻r10的第二端，输出端通过串接电阻r12连接二极管d2的阴极。运放器u4的电源端还连接供电端供电端正极，接地端连接供电端负极供电端,供电端一般为12v或15v。优选的，恒流比较电路还包括电阻r11与电容c2，电阻r11、电容c2串接在运放器u4的反相输入端与二极管d2的阳极之间，是运放器u4的相位和频率的补偿网络。
34.控制方法如下：
35.在电路工作前，外部(上位机)在运放器u3的同相输入端设置一个恒压基准电压v
vref
，该恒压基准电压v
vref
对应的输出电压uc是电源工作在恒流模式下的最大输出电压。同时，外部(上位机)在运放器u4的同相输入端设置一个恒流基准电压v
cref
，该恒流基准电压v
cref
对应的输出电流ic为设定电源工作时的输出电流。
36.电路工作时，电源输出电流io经过采样电阻rs进行采样，采样电阻rs可得采样电压为：
37.us＝io×rs
ꢀꢀ
(1)
38.运放器u2对采样电阻rs的两端电压进行差分放大，运放器u2放大后的电压为：
39.u2＝us×
(1+r9/r8)
ꢀꢀ
(2)
40.恒流模式下恒流基准电压v
cref
与对应的输出电流ic的关系为：
[0041]vcref
＝ic×rs
×
(1+r9/r8)
ꢀꢀ
(3)
[0042]
同理，运放器u1对电源输出电压uo进行差分放大，运放器u1放大后的电压为：
[0043]
u1＝uo×
(1+r3/r2)
ꢀꢀ
(4)
[0044]
恒压模式下恒压基准电压v
vref
与对应的输出电压uc的关系为：
[0045]vvref
＝uc×
(1+r3/r2)
ꢀꢀ
(5)
[0046]
运放器u1输出的电压u1与恒压基准电压v
vref
经过运放器u3进行误差处理，运放器u3输出电压为u3。运放器u2输出的电压u2与恒流基准电压v
cref
经过运放器u4进行误差处理，输出电压u4。
[0047]
若运放器u2的输出电压u2大于恒流基准电压v
cref
，运放器u4的反相输入端电压大于同相输入端电压，则运放器u4的输出电压u4＝-vcc，二极管d2导通，二极管d2的阳极电压值作为反馈电压，用于pwm控制器的控制信号输出，调节pwm控制器输出占空比。无论是负载发生变化还是恒流基准电压v
cref
发生变化，均可以通过运放器u2采样处理、运放器u4比较输出后调节pwm控制器输出的占空比，调节电源输出电流io始终与恒流基准电压v
cref
对应的输出电流ic保持一致，从而实现恒流输出。
[0048]
若电源工作在恒流模式下，此时电源输出电压uo差分放大后与恒压基准电压v
vref
比较，若小于恒压基准电压v
vref
，则运放器u3的反相输入端电压小于同相输入端电压，运放器u3的输出电压u3为正电压vcc，二极管d1反向截止，此时恒压环不起作用，依然维持在恒流模式。
[0049]
若恒流模式下的电源输出电压uo差分放大后与恒压基准电压v
vref
比较，大于恒压基准电压v
vref
，此时运放器u3出现负翻转，输出电压u3为-vcc，二极管d1导通，二极管d1的阳极电压值作为反馈电压，用于pwm控制器的控制信号输出，调节pwm控制器输出占空比，使电源输出电压uo始终与恒压基准电压v
vref
对应的输出电压uc保持一致，实现恒压输出，此时恒流环不起作用，转为恒压模式。
[0050]
一般情况下，恒流模式对应的负载偏小，在闭环控制下不会出现运放器u2的输出
电压u2小于恒流基准电压v
cref
的情况。但当负载变大到一定程度，则恒流闭环调节失控，输出电流io过小，导致小于恒流基准电压v
cref
对应的输出电流ic，此时电源输出电压uo会大于恒压基准电压v
vref
对应的输出电压uc，即运放器u1的输出大于恒压基准电压v
vref
，使得恒流模式转为恒压模式。
[0051]
比如：当恒压基准电压v
vref
设置为5v，通过内部电阻(r2、r3)参数设计，设定5v的恒压基准电压v
vref
此时对应的输出电压uc为25v；同理，将恒流基准电压v
cref
设置为5v，通过内部电阻(rs、r8、r9)参数设计，设定此时对应的输出电流ic为5a，因此，随着负载变化，如负载在0ω～5ω之间时，电源输出电压uo均不大于输出电压uc，则电源恒流输出5a，与输出电流ic保持一致。若将恒流基准电压v
cref
设置为1v，此时对应的输出电流ic为1a，随着负载变化，如在0ω～25ω之间时，电源输出电压uo均不大于输出电压uc(25v)，电路恒流输出1a，与输出电流ic保持一致。
[0052]
因此可以通过调节给定的恒流基准电压值，有效地调节不同档位的恒流值的输出。
[0053]
再比如：当恒压基准电压v
vref
设置为5v，通过内部电阻(r2、r3)参数设计，设定此时对应的输出电压uc为25v；同理，将恒流基准电压v
cref
设置为5v，通过内部电阻(rs、r8、r9)参数设计，设定此时对应的输出电流ic为5a，因此，随着负载变化，如在负载＞5ω时，电源输出电压uo经运放器u1处理，再与恒压基准电压v
vref
比较，电源输出电压uo明显大于恒压基准电压v
vref
对应的输出电压uc，此时运放器u3负翻转，电源恒压输出25v，与输出电压uc保持一致。
[0054]
若将恒压基准电压v
vref
设置为1v，此时对应的输出电压uc为5v，若将恒流基准电压v
cref
设置为5v，此时对应的输出电流ic为5a，则随着负载变化，如在负载＞1ω时，电源输出电压uo明显大于恒压基准电压v
vref
对应的输出电压uc，电源恒压输出5v，与输出电压uc保持一致。
[0055]
因此可以根据不同的负载情况，灵活地对恒压基准电压v
vref
和恒流基准电压v
cref
分别进行设置，可以实现恒流输出或者恒压输出，功能强大、使用灵活。
[0056]
本电路如作为恒压源使用，可以将恒流基准电压设置较高，恒压基准电压设置较低。如作为恒流源使用，可将恒压基准电压设置较高，恒流基准电压设置较低。
[0057]
比如：本电路如作为10v恒压输出的恒压源使用时，将恒压基准电压v
vref
设置为2v，同时将恒流基准电压v
cref
设置为5v，则在输出阻抗(负载)大于2ω时，电源将作为10v的恒压源使用。
[0058]
本电路如作为2a恒流输出的恒流源使用时，将恒流基准电压设置为2v，同时将恒压基准电压设置为5v，则在输出阻抗(负载)小于12.5ω时，电路将作为2a的恒流源使用；
[0059]
按照实际使用过程中，恒压源的输出阻抗一般偏大，恒流源的输出阻抗一般偏小。因此灵活的对恒压基准电压和恒流基准电压分别进行设置，本电路即可以作为恒压源使用，也可以作为恒流源使用。
[0060]
参见附图2，为本发明实施在恒流源的电路原理框图，是本发明实施例的一种，应用于恒流源中闭环反馈控制电路。恒流源电路包括输入滤波、功率转换、变压器、整流、滤波、辅助供电、隔离变压器、闭环反馈控制电路、pwm控制单元等，采用此电源闭环反馈控制电路可以实现恒流源的恒流输出和恒压输出的要求。
[0061]
本发明应用于不同输入电压范围的恒流电源中，输出功率最大120w，恒压输出最大为35v或恒流输出最大为8a。通过对此电源闭环反馈控制电路闭环参数设置，可以实现不同的基准控制电压对应的不同恒压和恒流输出。
[0062]
虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0063]
故以上所述仅为本技术的较佳实施例，并非用来限定本技术的实施范围；即凡依本技术的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本技术权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种电源闭环反馈控制电路，其特征在于，包括对输出电压差分放大的第一放大电路以及对输出电流采样放大的第二放大电路，还包括恒压比较电路及恒流比较电路；所述恒压比较电路的同相输入端连接外设的恒压基准电压，反相输入端连接所述第一放大电路的输出；所述恒流比较电路的同相输入端连接外设的恒流基准电压，反相输入端连接所述第二放大电路的输出；所述恒压比较电路、恒流比较电路的输出端分别串接二极管d1、d2的阴极，二极管d1、d2的阳极均一路通过电路r13连接供电端，另一路连接控制电源输出占空比的pwm控制器的控制信号输入端。2.根据权利要求1所述的一种电源闭环反馈控制电路，其特征在于，所述第一放大电路包括运放器u1、电阻r1、r2、r3、r4；电源输出电压正端与电阻r1的第一端相连，电阻r1的第二端与第一运放器u1的同相输入端相连，电源输出电压负端与电阻r2的第一端相连，电阻r2的第二端一路连接第一运放器u1的反相输入端以及电阻r3的第一端，电阻r3的第二端连接运放器u1的输出端；运放器u1的输出端通过电阻r4连接所述恒压比较电路，电源端与供电端正极相连，接地端与供电端负极相连。3.根据权利要求1所述的一种电源闭环反馈控制电路，其特征在于，所述第二放大电路包括运放器u2、电阻r7、r8、r9及采样电阻rs；电源输出电流正端与电阻r7、采样电阻rs的第一端连接，电阻r7的第二端连接运放器u2的同相输入端，电源输出电流负端与电阻r8的第一端及采样电阻rs的第二端连接，电阻r8的第二端连接电阻r9的第一端及运放器u2的反相输入端，电阻r9的第二端连接运放器u2的输出端，运放器u2的输出端通过电阻r10连接所述恒流比较电路。4.根据权利要求2所述的一种电源闭环反馈控制电路，其特征在于，所述恒压比较电路包括运放器u3、电阻r6及二极管d1，所述运放器u3的同相输入端连接恒压基准电压，反相输入端连接所述电阻r4的第二端，输出端通过串接电阻r6连接所述二极管d1的阴极。5.根据权利要求4所述的一种电源闭环反馈控制电路，其特征在于，所述恒压比较电路还包括电阻r5与电容c1，所述电阻r5、电容c1串接在运放器u3的反相输入端与二极管d1的阳极之间。6.根据权利要求3所述的一种电源闭环反馈控制电路，其特征在于，所述恒流比较电路包括运放器u4、电阻r12及二极管d2，所述运放器u4的同相输入端连接所述恒流基准电压，反相输入端连接所述电阻r10的第二端，输出端通过串接电阻r12连接所述二极管d2的阴极。7.根据权利要求6所述的一种电源闭环反馈控制电路，其特征在于，所述恒流比较电路还包括电阻r11与电容c2，所述电阻r11、电容c2串接在运放器u4的反相输入端与二极管d2的阳极之间。8.根据权利要求1-7任一所述的电源闭环反馈控制电路的控制方法，其特征在于，方法包括：根据第一放大电路的内部参数，给定恒压基准电压v
vref
，得出恒压基准电压v
vref
对应的输出电压u
c
；根据第二放大电路的内部参数，给定恒流基准电压v
cref
，得出恒流基准电压v
cref
对应的输出电流i
c
；比较第一放大电路的输出u1与恒压基准电压v
vref
：
若u1＞v
vref
，则二极管d1的阳极电压值作为pwm控制器的反馈电压，pwm控制调节占空比使电源输出电压u
o
与恒压基准电压v
vref
对应的输出电压u
c
保持一致，电源工作在恒压模式；若u1<v
vref
，则二极管d2的阳极电压值作为pwm控制器的反馈电压，pwm控制调节占空比使电源输出电流i
o
与恒流基准电压v
cref
对应的输出电流i
c
保持一致，电源工作在恒流模式。

技术总结
本发明公开了航天飞行器空间电源领域的一种电源闭环反馈控制电路及控制方法，包括对输出电压差分放大的第一放大电路以及对输出电流采样放大的第二放大电路，还包括恒压比较电路及恒流比较电路；恒压比较电路的同相输入端连接外设的恒压基准电压，反相输入端连接第一放大电路的输出；恒流比较电路的同相输入端连接外设的恒流基准电压，反相输入端连接第二放大电路的输出；恒压比较电路、恒流比较电路的输出端分别串接二极管D1、D2的阴极，二极管D1、D2的阳极均一路通过电路R13连接供电端，另一路连接PWM控制器的控制信号输入端。本发明提高了电源的实用性和多功能性，设计简洁，结构简单灵活，成本低廉，工作可靠，具有显著的经济效应。济效应。济效应。


技术研发人员：石冬 吴丞楚 杜飞朋 蔡可红 黄国良 吴悠然 高东辉
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第四十三研究所
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8