專利名稱：開關電源一種可變伏安特性的實現方法
技術領域：
本發明涉及開關電源可以根據需要來調節電壓和電流關系特性的方法，具體地說就是為開關電源的后級驅動電路提供合適的驅動特性來滿足不同負載的需要。本發明適用于開關電源電路的設計。
背景技術：
在開關電源電路設計中，一般情況下電源在其允許的可靠的輸入電壓范圍內，輸出的電壓都是恒定的，只要在正常的操作條件下，輸出電壓不會隨著輸入電壓的變化發生顯著的變化。這種開關電源的伏安特性一般就是固定的，電源驅動電路輸出穩定的脈沖。這種電源只適合用于有固定工作電壓的負載，其缺點是不適合工作電壓需要根據需要進行變化的負載。同樣，還有恒流電源，也不適合工作電流需要根據需要進行變化的負載。
還有的開關電源能夠滿足那種具有動態工作電壓特性的負載需求，這種開關電源能夠根據負載要求進行變化，一般情況下它們需要通過機械式可調電阻器來實現，通過現場機械轉動可調電阻器的螺絲來使電阻變大或變小，雖然這種方法能夠改變伏安特性，但是它的伏安特性曲線調整起來非常麻煩，不但需要近距離操作，而且存在著反復調節電阻器而使電阻器失靈或損壞的風險，同時還存在著伏安特性可重復性差的弊病，另外，機械電位器調節時會帶來噪音，干擾開關電源控制環路的工作。不適合在產品中使用。
發明內容
本發明的目的在于，提供開關電源一種可變伏安特性的實現方法，該方法可以根據需要來調節電壓和電流關系特性，滿足需要動態調節工作電壓和電流的負載需求。
為了實現上述任務，本發明采取如下的技術解決方案 開關電源一種可變伏安特性的實現方法，其特征在于，該方法由計算機、控制模塊、可變伏安特性模塊和開關電源驅動電路組成的控制系統實現，其中 計算機，用于提供通訊接口，實現人機交互，并對控制模塊電下發指令； 控制模塊，用于接受來自計算機的指令，然后控制可變伏安特性電路中的數字電位器改變數字電位器的阻值，實現電流和電壓伏安特性的改變； 可變伏安特性電路模塊，用于與控制模塊通訊，并作為開關電源驅動電路的驅動源，該可變伏安特性電路模塊上設有數字電位器、伏安特性運算模塊、比較器和參考源，以及負載工作狀態檢測電路. 所述的參考源包括恒定參考源和鋸齒波發生器模塊； 開關電源驅動電路，是可變伏安特性模塊的負載，該開關電源驅動電路用于驅動功率開關管，該功率開關管根據不同的伏安特性產生的不同的輸出脈沖，并自動調節開關管的導通時間和關斷時間，或者調節相互之間的相移。
可變伏安特性的實現具體包括下列步驟 步驟一，上電，確保通訊接口狀態正常； 步驟二，通訊接口初始化 按照通訊接口的協議設置計算機通訊接口的狀態和參數，使計算機和控制模塊能夠按照協議正確地完成數據通訊任務； 步驟三，設定工作參數 所設定是工作參數包括，工作電壓、工作電流和伏安特性運算關系； 設定工作電壓通訊接口初始化完畢后，此時進行計算機和控制模塊之間的通訊，控制模塊按照計算機的指令首先使能數字電位器，然后進行數字電位器的電阻調整，得到不同的比值的反饋電壓； 設定工作電流實際是通過對輸出電流的反饋，來調節電源內阻的一個過程； 對一些特定的負載，除了需要動態改變工作電壓外，還需要調整工作電流，才能得到需要的伏安特性；控制模塊按照計算機的指令首先使能對應的數字電位器，然后進行數字電位器的電阻調整，得到不同的比值的反饋電流； 設定伏安特性運算關系是控制相應電路的運算關系實現對反饋電壓和反饋電流的運算。
步驟四伏安特性運算 由可變伏安特性電路模塊上伏安特性運算模塊，將數字電位器的阻值發生變化而產生的反饋電壓和反饋電流按照規定的法則進行運算，產生負載需要的伏安特性； 步驟五，使能輸出 使能可變伏安特性電路模塊的輸出，使整機處于工作狀態。
步驟六，根據現有伏安特性，判斷是否滿足負載要求，如果不滿足，重復步驟三，直到滿足要求，如果滿足要求轉入待命狀態，做好下一次調節的準備工作 本發明的開關電源一種可變伏安特性的實現方法，能夠減少人為干擾因素，使開關電源的伏安特性具有快速，準確的可重復性，能夠滿足不同負載對不同工作電壓的需求。具有如下的技術效果 1)使得伏安特性多樣化，可滿足各種不同負載對不同伏安特性動態調節的要求； 2)使用數字電位器代替機械電位器來實現伏安特性調節，由于數字電位器的數值和輸出電阻是一一對應的，因而該方法具有可重復性好，調節快速的特點，能有效排除像調節機械電位器那樣帶來的人為調節誤差。并且排除了機械電位器調節時引入的干擾。
3)采用本發明的方法，使得遠端操作變為可能，特別是對于那些大功率，特大功率開關電源運用于有一定危險的場合，該方案相對于機械方式調節具有很大的優勢。
圖1是本發明的開關電源一種可變伏安特性的實現方法的系統框圖。
圖2是可變伏安特性電路實現的簡易框圖。
圖3是可變伏安特性電路的幾種伏安特性圖； 圖4是本發明的操作流程圖。
以下結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式 參見圖1，本發明的開關電源一種可變伏安特性的實現方法，由計算機、控制模塊、可變伏安特性模塊和開關電源驅動電路組成的控制系統實現，其中 計算機主要為控制模塊提供通訊接口，便于實現人機交互，電源伏安特性的改變就是通過計算機下發命令來實現的。
控制模塊主要用于通過與計算機的通訊接口進行通訊，接受來自計算機的指令，然后去控制后端的可變伏安特性電路的數字電位器改變電位器的阻值來實現電流和電壓的改變。
可變伏安特性電路模塊，由數字電位器、伏安特性運算模塊、比較器和參考源，以及負載工作狀態檢測電路組成。伏安特性實現電路模塊示意圖參見圖2，圖2中的k1Uo和k0k2Io中的系數k1，k2就是數字電位器調節時形成的比例系數。而參考源則包括恒定參考源源和鋸齒波發生器模塊。該可變伏安特性電路模塊與前級的控制模塊之間的通訊也按照某種通訊接口規定的協議完成。它一方面根據前級控制模塊發出的控制指令去改變自身設置的數字電位器阻值，另一方面將由于數字電位器的阻值發生變化而產生的新的電壓和電流經過伏安特性運算模塊運算，運算的輸出與參考源進行比較，產生比較電壓，進而該電壓又與鋸齒波發生器模塊輸出的波形進行比較形成能的具有一定占空比或相移的脈沖，作為后極開關電源驅動電路的驅動源，去滿足不同伏安特性要求。在模塊中的負載工作狀態檢測電路將負載運行的電壓，電流參數通過可變伏安特性模塊傳遞給控制模塊，由控制模塊根據這個信息來調節電位器的值，既可以實現有工作人員在時的人工調節，也方便實現無人員值班時的自動調整。
開關電源驅動電路，是可變伏安特性模塊的負載，該開關電源驅動電路用于驅動功率開關管，該功率開關管根據不同的伏安特性產生的不同的輸出脈沖，并自動調節開關管的導通時間和關斷時間，或者調節相互之間的相移。
下面結合附圖2，附圖3和附圖4對本發明的開關電源一種可變伏安特性的實現方法操作及其原理進行詳細說明。
第一步上電。將各電源各電纜連接好后，注意此處將計算機與控制模塊的電纜連接好后再給整機加電，確保通訊接口狀態正常。
第二步通訊接口初始化。按照通訊接口的協議設置計算機通訊接口的狀態，參數，使計算機和控制模塊能夠按照協議正確地完成數據通訊任務。
第三步設定工作參數。這里的工作參數包括工作電壓和工作電流。通訊接口初始化完畢后，此時就可以進行計算機和控制模塊之間的通訊了。
先介紹電壓調節由于在系統中采用了電阻式可調數字電位器，使得改變電阻值非常方便，在操作電阻式可調數字電位器之前，首先要使能電阻式可調數字電位器，這樣才能對電阻式可調數字電位器進行操作。
我們知道電阻式可調數字電位器的數字值和其輸出電阻值有個準確的對應關系，一旦設定某個值，電阻式可調數字電位器就會輸出與該值對應的唯一的一個電阻值，正因為電阻式可調數字電位器的數值和電阻的這個準確的對應關系，使得伏安特性具有精確的可重復性。
下面結合圖3a，圖3b，圖3c做進一步的說明，設計過電源的技術人員都知道，電阻分壓是電源中常用的方式，為了獲得較好的特性，電源中常常采用閉環控制，即用電源的輸出電壓和輸出電流作為輸入的一部分參與電源的控制，防止電源輸出產生過壓，過流，欠壓，欠流的故障產生。
設由電源輸出的電源為Uo，由其產生的反饋端的反饋電壓為Uf，兩個分壓電阻分別為R1，R2，那么有如下關系式成立 設 那么根據(1)，(2)兩式可以得到如下關系式 Uf＝k1×Uo (3) 從上面的關系式可以看出，只要調整數字電位器的電阻就可以獲得不同的比值k1，通常為了方便起見，先固定一個電阻的值而改變另外一個電阻的阻值。如果把電阻R2或R1作為可變的數字電位器，則另外一個電阻R1或R2保持不變，那么調節可變的數字電位器就可以改變比值k1，從而得到不同的輸出電壓，這就是數字電位器改變輸出電壓的原理。
工作電流調節。設定工作電流實際是通過對輸出電流的反饋，來調節電源內阻的一個過程。對一些特定的負載來說，除了需要動態改變工作電壓外，還需要調整工作電流，才能得到需要的伏安特性。仿照第三步也可以得到如下的一些關系式。
我們知道，開關電源的輸出電流在流過某些電流傳感器件比如互感器，分流器，霍爾元件等時，其上的壓降和電流有一個固定的比例關系，這個比例關系只和器件本身的特性有關，與流過該器件電流大小無關，類似于電阻特性。設流過該器件的輸出電流為Io時，產生的壓降為Uio，比例系數為k0(這個值為常量)。
那么有以下公式成立 即Uio＝k0×Io (4) 將這個電壓用運算放大器進行放大或縮小，放大器的放大倍數由電路中的電阻來決定，因此調節電阻大小可以改變放大或縮小的比例。設運算放大器的輸入電阻和反饋電阻分別為Rin，Rf，輸出電壓為Uif，那么有如下關系式成立 設 那么根據(5)、(6)兩式可以得到如下關系式 Uif＝k2×Uio (7) 根據(4)式和(7)式又可以得出如下關系式 Uif＝k2×k0×Io (8) 從上面的關系式可以看出，只要調整電位器的電阻也可以獲得不同的比值k2，通常為了方便，我們固定一個電阻的值而改變另外一個電阻的阻值，如果把Rin或Rf作為可變的電阻式數字電位器，那么調節該可變的數字電位器就可以得到不同的輸出值Uif。
第四步伏安特性運算 由可變伏安特性電路模塊里的伏安特性運算模塊，將數字電位器的阻值發生變化而產生的反饋電壓和反饋電流，按照規定的法則進行運算，產生負載需要的伏安特性。
參照圖2，設電壓參考源為Vref，輸出電壓為Uo，輸出電流為Io，由Uf和Uif按照某種函數關系f運算得到的結果為UT。也就是有下面的關系式成立 f(Uf，Uif)＝fu (9) 根據比較器特性結合關系式(3)和關系式(8)可以得到如下的關系式 即 f(k1Uo，k2k0Io)＝fu(10) 根據關系式(10)在某個電源閉環控制中，電壓和電流都會參與實際的調節的。也就是說，這種情況下的伏安特性同時是電壓和電流的函數。取fu的某部分運算結果UT與參考源Vref進行比較，就可以得到驅動特性。
從上面的(10)式可以看出，開關電源的輸出電壓和電流都可以參與電源的控制。根據上面的公式，只要調節數字電位器即改變系數k1，k2就可以變換出一些特殊的伏安特性，特殊情況下，f代表線形運算時，參照圖3所示，設(10)式中的k2＝0，則得到圖3a，此種伏安特性的開關電源將輸出恒定的工作電壓，也就是最常見的恒壓源方式的開關電源。同理設置k1＝0，則得到圖3b，它表示恒流源。
還有一種情況也是在f代表線形運算且此時k1和k2均不為零，此時調節控制電壓的數字電位器阻值和控制電流的數字電位器阻值，可以得到圖3c的伏安特性，對應L1-L4直線。其中L1和L2表示隨著負載需要的工作電流的增大，工作電壓趨于下降；而L3和L4則相反，隨著負載工作電流的增大，負載工作電壓也增大，此時要求輸入端功率將大幅增加，盡管此種使用方法比較危險，但是這種伏安特性的開關電源根據本方案是完全可以實現的。這種電源就是所說的負載工作電壓和電流需要動態變化的開關電源，圖中L3和L4很好地體現了使用數字電位器后得到的非線性的伏安特性圖。值得說明的是，圖3的伏安特性僅僅描述了部分個例，它復雜的伏安特性由運算關系f來決定，不在此處一一羅列。
第五步使能輸出 使能可變伏安特性電路模塊的輸出，使整機處于工作狀態，檢驗負載工作情況。
第六步根據負載的要求進行調整伏安特性，或恒流，或恒壓或電壓電流都動態變化，重復第三步和第四步直到滿足負載的要求。在有工作人員操作的情況下，一旦調節完成，主機又進入待命狀態，隨時接收新的調節指令。在設置好伏安特性后，數字電位器將保留最后一次設置的數值，直到下次主機發出新的調節指令進行改變為止。
另外，當整機工作在無人值守的情況下，最好能夠關斷寫保護裝置。我們知道，開關電源的電磁干擾非常嚴重，尤其是大功率的開關電源，電源中的數字電路和電源一起工作時，很容易受到干擾，為了避免數字電位器因為受到干擾而隨機改變存儲在電位器中的數值，因此必須要關斷寫保護裝置，使數字電位器的輸出保持穩定，從而保證開關電源工作時輸出穩定的伏安特性。
本發明所提出的開關電源一種可變伏安特性的實現方法，與機械調節實現的可變伏安特性方法相比，具有調節快速，簡單，可靠的特點。由于采用了數字控制，可以實現電阻隨意調節，使得伏安特性的可重復性變得簡單，快速。由于采用本方案，便于實現遠程操作，對于運用于大功率電源和超大功率電源避免操作人員觸電具有很大的實用價值，同時本方案和機械方案相比，實現的系統易于小型化，無機械調節帶來的干擾等優點。
權利要求
1、開關電源一種可變伏安特性的實現方法，其特征在于，該方法由計算機、控制模塊、可變伏安特性模塊和開關電源驅動電路組成的控制系統實現，其中
計算機，用于提供通訊接口，實現人機交互，并對控制模塊電下發指令；
控制模塊，用于接受來自計算機的指令，然后控制可變伏安特性電路中的數字電位器改變數字電位器的阻值，實現電流和電壓伏安特性的改變；
可變伏安特性電路模塊，用于與控制模塊通訊，并作為開關電源驅動電路的驅動源，該可變伏安特性電路模塊上設有數字電位器、伏安特性運算模塊、比較器、參考源及負載工作狀態檢測電路；
開關電源驅動電路，是可變伏安特性模塊的負載，該開關電源驅動電路用于驅動功率開關管，該功率開關管根據不同的伏安特性產生的不同的輸出脈沖，并自動調節開關管的導通時間和關斷時間，或者調節相互之間的相移；
可變伏安特性的實現具體包括下列步驟
步驟一，上電，確保通訊接口狀態正常；
步驟二，通訊接口初始化
按照通訊接口的協議設置計算機通訊接口的狀態和參數，使計算機和控制模塊能夠按照協議正確地完成數據通訊任務；
步驟三，設定工作參數
所設定的工作參數包括，工作電壓、工作電流和伏安特性運算關系；
設定工作電壓通訊接口初始化完畢后，此時進行計算機和控制模塊之間的通訊，控制模塊按照計算機的指令首先使能數字電位器，然后進行數字電位器的電阻調整，得到不同的比值的反饋電壓；
設定工作電流實際是通過對輸出電流的反饋，來調節電源內阻的一個過程；對一些特定的負載，除了需要動態改變工作電壓外，還需要調整工作電流，才能得到需要的伏安特性；控制模塊按照計算機的指令首先使能對應的數字電位器，然后進行數字電位器的電阻調整，得到不同的比值的反饋電流；
設定伏安特性運算關系是控制相應電路的運算關系實現對反饋電壓和反饋電流的運算；
步驟四伏安特性運算
由可變伏安特性電路模塊上的伏安特性運算模塊，將數字電位器的阻值發生變化而產生的反饋電壓和反饋電流按照規定的法則進行運算，產生負載需要的伏安特性；
步驟五，使能輸出
使能可變伏安特性電路模塊的輸出，使整機處于工作狀態；
步驟六，根據現有伏安特性，判斷是否滿足負載要求，如果不滿足，重復步驟三，直到滿足要求，如果滿足要求轉入待命狀態，做好下一次調節的準備工作。
2、如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的參考源包括恒定參考源和鋸齒波發生器模塊。
全文摘要
本發明公開了開關電源一種可變伏安特性的實現方法，該方法由計算機、控制模塊、可變伏安特性模塊和開關電源驅動電路組成的控制系統實現，與機械調節實現的可變伏安特性方法相比，具有調節快速，簡單，可靠的特點。由于采用了數字控制，可以實現電阻隨意調節，使得伏安特性的可重復性變得簡單，快速。便于實現遠程操作，對于運用于大功率電源和超大功率電源避免操作人員觸電具有很大的實用價值，同時本發明和機械調節相比，實現的系統易于小型化，無機械調節帶來的干擾等優點。
文檔編號H02M1/08GK101436820SQ200810236448
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月25日 優先權日2008年12月25日
發明者曉 蔡, 毛建華, 勇 周, 易崢嶸 申請人:曉 蔡