一種基于負載電壓反饋控制的電源系統的制作方法
【專利摘要】一種基于負載電壓反饋控制的電源系統,本發明涉及智能交通設備電源技術領域，其旨在解決現有技術存在功耗高，頻率效應速度慢，上電過沖或缺乏電壓補償，特別是在上電過沖時，沒有過沖反饋來及時通知控制芯片進行調試，輸出電壓邏輯固定且負載反饋信號采集困難、噪聲大等技術問題。主要包括輸入電壓轉換電路，接收電源的輸出電壓；中級調節電路，接收輸入電壓轉換電路輸出的增益電壓；輸出電壓轉換電路，用于降壓調制，其中包括線性補償電路，接收中級調節電路輸出的電壓信號并隔離輸出直流信號；過沖反饋調節電路；緩沖電路和負載群；電壓控制電路。本發明用于提供交通信號燈陣列或其他信息顯示設備的穩定電源結構。
【專利說明】
一種基于負載電壓反饋控制的電源系統
技術領域
[0001]本發明涉及智能交通電源技術領域，具體涉及一種基于負載電壓反饋控制的電源系統。【背景技術】
[0002]現有技術常常通過功率因數校正電路接收交流輸入，一些線性穩壓源的驅動管的柵極(基極)電壓會變化異常，造成線性穩壓源的上電過沖。即快速的電源上電，會造成線性穩壓源的上電過沖，由此可見僅使用BOOST-BOOST和隔離器的弊端。如果過沖電壓高于其負載耐壓值，即使過沖寬度很窄，也會對負載造成致命性的破壞，降低了電源應用的可靠性； 輸入電壓并不是一直為穩定幅值，對于BOOST-BUCK型的電源，缺少對應的BUCK轉換電路的電壓補償，從而導致下位電路供電不足觸發重啟，造成不便。
[0003]此外，如果用于驅動柵極端子電容的電流很小，負載群功耗大，則輸出NM0S的柵極端子電壓和輸出PM0S的柵極端子電壓不能根據對輸入端子的輸入電壓的突然變化而充電或放電。這就延遲了響應，并且因此延遲了來自輸出端子的輸出電壓的響應。為了使來自輸出端子的輸出電壓對輸入端子的輸入電壓快速作出響應，需要增大用于驅動形成輸出部分的輸出NM0S和輸出PM0S的柵極端子電容的電流。然而，因為電流總是流動，妨礙了電耗的降低。如上所述，因為低功耗和高速輸出響應處于權衡關系，難以實現同時滿足這兩個特性的緩沖電路。
[0004]不同的系統需要不同的邏輯1/0閾值電壓。在有些負載為處理器，電壓小于5V意味著邏輯〇,而大于15V意味著邏輯1，同時在有些負載為伺服驅動器中，電壓小于IV意味著邏輯〇,而大于4V意味著邏輯1，此時如果將處理器直接與伺服驅動器連接則會產生很大問題。
【發明內容】
[0005]針對上述現有技術，本發明目的在于提供一種基于負載電壓反饋控制的電源系統，其旨在解決現有技術存在功耗高，頻率效應速度慢，上電過沖或缺乏電壓補償，特別是在上電過沖時，沒有過沖反饋來及時通知控制芯片進行調試、輸出電壓邏輯固定且負載反饋信號采集困難、噪聲大等技術問題。
[0006]為達到上述目的，本發明采用的技術方案如下:
[0007]—種基于負載電壓反饋控制的電源系統，包括電源，還包括輸入電壓轉換電路，接收電源的輸出電壓；中級調節電路，接收輸入電壓轉換電路輸出的增益電壓;輸出電壓轉換電路，用于降壓調制，其中包括線性補償電路，接收中級調節電路輸出的電壓信號并隔離輸出直流信號;過沖反饋調節電路，接收過沖的直流信號，并反饋過沖信號至輸出電壓轉換電路和中級調節電路;所述的電壓信號最大電壓幅值范圍為小于增益電壓二倍幅值;數字輸入電路，接收緩沖電路輸出的直流電壓信號；電壓控制電路，接收負載群反饋的電壓輸入信號;處理器，接收電壓控制電路的輸出信號并控制電源。
[0008]上述方案中，所述的輸入電壓轉換電路，包括第一編程控制器，用于升壓調制；第一場效應管，用于升壓調制開關，接收電源的輸出電壓，接收由第一編程控制器相對于電源輸出電壓所輸出的相位同步調制時鐘。
[0009]上述方案中，所述的輸入電壓轉換電路，還包括第一電感，其一端連接電源且另一端連接第一場效應管;第一二極管，其高電極連接第一場效應管;第二二極管，其高電極連接電源且低電極連接第一二極管的低電極。
[0010]上述方案中，所述的中級調節電路，包括第二編程控制器，用于電壓脈寬調制；第二場效應管，接收輸入電壓轉換電路輸出的增益電壓，接收第二編程控制器輸出的脈寬調制時鐘并輸出限定脈寬的電壓信號；第二電感，對限定脈寬的電壓信號濾波;第一電容，補償濾波后的電壓信號最低幅值。
[0011]上述方案中，所述的中級調節電路，還包括第一齊納二極管，其低電極連接第二場效應管且高電極接地;第三場效應管，接收第二編程控制器輸出的充電信號時鐘并補償第一電容的電荷。
[0012]上述方案中，所述的輸出電壓轉換電路，包括第三編程控制器，用于降壓調制；第四場效應管和第五場效應管，第四場效應管源極連接第五場效應管漏極，且均接收第三編程控制器輸出的降壓調制時鐘;第二電容和第三電容，相互串聯，并將空置端分別連接至第四場效應管和第五場效應管;第四場效應管、第五場效應管、第二電容和第三電容通過隔離器、第三二極管和第四二極管輸出直流信號。
[0013]上述方案中，所述的輸出電壓轉換電路，其線性補償電路包括第四電容，其一端接地且另一端連接第四場效應管的漏極;第五二極管，其高電極接地且低電極連接第四場效應管的漏極;第六二極管，其高電極接地且低電極連接第四場效應管的源極;第七二極管， 其高電極接地且低電極連接第五場效應管的源極。
[0014]上述方案中，所述的過沖反饋調節電路，包括第二齊納二極管，其低電極接收過沖的直流信號;光耦器，其發光管高電極連接第二齊納二極管的高電極且光敏管反饋過沖信號至輸出電壓轉換電路和中級調節電路。
[0015]所述的緩沖電路，包括
[0016]輸出單元，所述輸出單元具有輸出端子，所述輸出端子用于輸出基于輸入的輸入信號的輸出信號，其中
[0017]上述方案中，所述輸出單元包括:第一晶體管，其具有連接到所述輸出端子的一個主電極；以及第二晶體管，其具有連接到所述輸出端子、并且連接到所述第一晶體管的所述一個主電極的一個主電極，以及所述緩沖電路包括:第三晶體管，用于基于所述輸入信號降低所述第一晶體管的控制電極的電壓;第四晶體管，用于基于所述輸入信號增大所述第二晶體管的控制電極的電壓;第一電壓差檢測電路，用于檢測所述輸出信號以所述輸入信號為基準的電壓差;第二電壓差檢測電路，用于檢測所述輸入信號以所述輸出信號為基準的電壓差;第一電流提供單元，用于基于由所述第一電壓差檢測電路所檢測的電壓差的絕對值，增大在所述第三晶體管中流動的電流；以及第二電流提供單元，用于基于由所述第二電壓差檢測電路所檢測的電壓差的絕對值，增大在所述第四晶體管中流動的電流。
[0018]上述方案中，所述的數字輸入電路，包括分壓電路、比較電路和參考電壓電路，所述的分壓電路將串行信號限幅后發送給比較電路;所述的參考電壓電路向比較電路提供能夠變化的反相參考電壓;所述的比較電路，其輸出端還連接有RISC架構的8位閃存單片機；所述的參考電壓電路，包括單刀雙擲開關;所述的數字輸入電路還連接有負載群。
[0019]上述方案中，所述的電壓控制電路，包括一增益放大模塊，根據一輸入信號產生一放大信號;一電壓鉗制模塊，耦合于該增益放大模塊，鉗制該放大信號的電位于一預定范圍內，以產生一電壓鉗制信號;及一增益控制模塊，耦合于該電壓鉗制模塊，用來根據一選擇信號及該電壓鉗制信號，產生一輸出信號；該電壓鉗制模塊包含，一電容，其一第一端耦接于該增益放大模塊，以接收該放大信號;及一上限電壓鉗制模塊，其一端耦接于該電容的一第二端，以使該放大信號的電位受限于一上限電位。
[0020]與現有技術相比，本發明的有益效果:
[0021]提供了具有電壓補償、過沖反饋的BOOST-BUCK電源結構，提高電源的轉換效率，對降壓調制場效應管驅動結構的輸出提供了穩定的線性補償，顯著減弱了由于非線性器件 (如隔離器、電感)引入的噪聲，電源輸出更加穩定，基本消除由于供電不足造成的不斷重啟現象或由于過沖電流造成的波形抖動現象；降低了負載反饋信號的噪聲；實現同時滿足具有相互權衡關系的降低功耗和轉換速率特性的緩沖電路;閾值電壓邏輯可提供不同參考電壓，閾值電壓邏輯1/0可調。【附圖說明】[〇〇22]圖1為本發明的電路模塊示意圖；[0〇23]圖2為本發明的電路原理不意圖；[〇〇24]圖3為本發明緩沖電路原理示意圖；[〇〇25]圖4為本發明電壓控制電路原理示意圖。【具體實施方式】
[0026]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。[〇〇27]下面結合附圖對本發明做進一步說明:[〇〇28] 實施例1
[0029]所述的輸入電壓轉換電路，包括第一編程控制器，用于升壓調制；第一場效應管 Q1，用于升壓調制開關，接收電源的輸出電壓，接收由第一編程控制器相對于電源輸出電壓所輸出的相位同步調制時鐘。
[0030]所述的輸入電壓轉換電路，還包括第一電感L1，其一端連接電源且另一端連接第一場效應管Q1;第一二極管D3，其高電極連接第一場效應管Q1;第二二極管D2，其高電極連接電源且低電極連接第一二極管D3的低電極。
[0031]所述的中級調節電路，包括第二編程控制器，用于電壓脈寬調制；第二場效應管 Q2,接收輸入電壓轉換電路輸出的增益電壓，接收第二編程控制器輸出的脈寬調制時鐘并輸出限定脈寬的電壓信號;第二電感L2,對限定脈寬的電壓信號濾波;第一電容C1，補償濾波后的電壓信號最低幅值。[〇〇32]所述的中級調節電路，還包括第一齊納二極管D4,其低電極連接第二場效應管Q2 且高電極接地;第三場效應管Q3,接收第二編程控制器輸出的充電信號時鐘并補償第一電容C1的電荷。
[0033]所述的輸出電壓轉換電路，包括第三編程控制器，用于降壓調制;第四場效應管Q4 和第五場效應管Q5,第四場效應管Q4源極連接第五場效應管Q5漏極，且均接收第三編程控制器輸出的降壓調制時鐘;第二電容C2和第三電容C3，相互串聯，并將空置端分別連接至第四場效應管Q4和第五場效應管Q5;第四場效應管Q4、第五場效應管Q5、第二電容C2和第三電容C3通過隔離器T1、第三二極管D6和第四二極管D7輸出直流信號。
[0034]所述的輸出電壓轉換電路，其線性補償電路包括第四電容C5,其一端接地且另一端連接第四場效應管Q4的漏極;第五二極管D11，其高電極接地且低電極連接第四場效應管 Q4的漏極;第六二極管D9,其高電極接地且低電極連接第四場效應管Q4的源極;第七二極管 D10，其高電極接地且低電極連接第五場效應管Q5的源極。
[0035]所述的過沖反饋調節電路，包括第二齊納二極管D8,其低電極接收過沖的直流信號;光耦器U1，其發光管高電極連接第二齊納二極管D8的高電極且光敏管反饋過沖信號至輸出電壓轉換電路和中級調節電路。
[0036]實施例2[〇〇37]緩沖電路的輸出端子“Vo”連接有輸出NM0S晶體管ml的源極端子和輸出PM0S晶體管m2的源極端子，形成推挽型輸出電路。在下面的描述中，為了簡單起見，把每一個M0S晶體管簡稱為NM0S或PM0S。形成輸出電路的輸出NMOS ml的漏極端子與電源連接。柵極端子與從電源提供電流的電壓_電流轉換電路21、和PM0S m3的源極端子連接。分別地，PM0S m3的漏極端子與基準電位連接，并且柵極端子與輸入端子“Vout”連接。在本實施例中，如稍后所描述的執行以下操作:通過電壓-電流轉換電路21的操作等等，響應于提升輸入到輸入端子 “Vout”的輸入電壓來提升要從輸出端子“Vo”輸出的輸出電壓。形成另一輸出電路的輸出 PM0S m2的漏極端子與基準電位連接，柵極端子與電壓-電流轉換電路22連接，所述電壓-電流轉換電路22向基準電位和匪OS m4的源極端子提供電流。分別地，NMOS m4的漏極端子與電源連接，并且柵極端子與輸入端子“Vout”連接。在本實施例中，執行以下操作:通過電壓-電流轉換電路22的操作等等，響應于降低輸入到輸入端子“Vout”的輸入電壓來降低要從輸出端子“Vo”輸出的輸出電壓。提供電壓差檢測電路10,輸入端子“Vout”和輸出端子“Vo”與所述電壓差檢測電路10連接。電壓差檢測電路10檢測輸入端子“Vout”的輸入電壓Vout和輸出端子“Vo”的輸出電壓Vo之間的電壓差。
[0038]電壓差檢測電路10包括差分放大器電路11和差分放大器電路12。如圖1所示，以與差分放大器電路12所輸入的輸入信號和輸出信號的極性相反的極性向差分放大器電路11 輸入所述輸入信號和輸出信號。來自差分放大器電路11的輸出與電壓_電流轉換電路21連接，并且來自差分放大器電路12的輸出與電壓-電流轉換電路22連接。[〇〇39] 實施例3
[0040]所述的參考電壓電路包括一單刀雙擲開關，該開關的切換可以導通與預置的第一反相參考電壓或第二反相參考電壓的連接，從而將所連接的該第一反相參考電壓或該第二反相參考電壓向所述比較電路提供，作為用以確定邏輯1/0的反相參考電壓。[0041 ] 實施例4[〇〇42]圖4,除增益放大模塊110與增益控制模塊120以外，電壓控制電路200另包含一電壓鉗制模塊220,且電壓鉗制模塊220包含一電容C2、一上限電壓鉗制模塊230及一下限電壓鉗制模塊240。電壓鉗制模塊220的設計目的為將位于電容C2的一端的節點Vx的電位鉗制于一預定范圍內，以使得后端接收節點Vx電位的增益控制模塊120不因節點Vx被過分充電或過分放電而產生具有突波的輸出信號，其中上限電壓鉗制模塊230用來將節點Vx的電位限制在上限電壓源V2的一上限電位以下，而下限電壓鉗制模塊240用來將節點Vx的電位限制在下限電壓源VI的一下限電位以上，且電壓鉗制模塊220由直流電壓源VDD來供電。[〇〇43]以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何屬于本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種基于負載電壓反饋控制的電源系統，包括電源，其特征在于，還包括輸入電壓轉換電路，接收電源的輸出電壓；中級調節電路，接收輸入電壓轉換電路輸出的增益電壓；輸出電壓轉換電路，用于降壓調制，其中包括線性補償電路，接收中級調節電路輸出的 電壓信號并隔離輸出直流信號；過沖反饋調節電路，接收過沖的直流信號，并反饋過沖信號至輸出電壓轉換電路和中 級調節電路；緩沖電路，用于平衡負載功耗與頻率相應速度，接收輸出電壓轉換電路輸出的直流信 號；數字輸入電路，接收緩沖電路輸出的直流電壓信號；所述的數字輸入電路還連接有負 載群；電壓控制電路，接收負載群反饋的電壓輸入信號；處理器，接收電壓控制電路的輸出信號并控制電源。2.根據權利要求1所述的一種基于負載電壓反饋控制的電源系統，其特征在于，所述的 輸入電壓轉換電路，包括第一編程控制器，用于升壓調制；第一場效應管，用于升壓調制開關，接收電源的輸出電壓，接收由第一編程控制器相對 于電源輸出電壓所輸出的相位同步調制時鐘。3.根據權利要求2所述的一種基于負載電壓反饋控制的電源系統，其特征在于，所述的 輸入電壓轉換電路，還包括第一電感，其一端連接電源且另一端連接第一場效應管；第一二極管，其高電極連接第一場效應管；第二二極管，其高電極連接電源且低電極連接第一二極管的低電極。4.根據權利要求1所述的一種基于負載電壓反饋控制的電源系統，其特征在于，所述的 中級調節電路，包括第二編程控制器，用于電壓脈寬調制；第二場效應管，接收輸入電壓轉換電路輸出的增益電壓，接收第二編程控制器輸出的 脈寬調制時鐘并輸出限定脈寬的電壓信號；第二電感，對限定脈寬的電壓信號濾波；第一電容，補償濾波后的電壓信號最低幅值。5.根據權利要求4所述的一種基于負載電壓反饋控制的電源系統，其特征在于，所述的 中級調節電路，還包括第一齊納二極管，其低電極連接第二場效應管且高電極接地；第三場效應管，接收第二編程控制器輸出的充電信號時鐘并補償第一電容的電荷。6.根據權利要求1所述的一種基于負載電壓反饋控制的電源系統，其特征在于，所述的 輸出電壓轉換電路，包括第三編程控制器，用于降壓調制；第四場效應管和第五場效應管，第四場效應管源極連接第五場效應管漏極，且均接收 第三編程控制器輸出的降壓調制時鐘；第二電容和第三電容，相互串聯，并將空置端分別連接至第四場效應管和第五場效應 管；第四場效應管、第五場效應管、第二電容和第三電容通過隔離器、第三二極管和第四二 極管輸出直流信號。7.根據權利要求1所述的一種基于負載電壓反饋控制的電源系統，其特征在于，所述的 緩沖電路，包括輸出單元，所述輸出單元具有輸出端子，所述輸出端子用于輸出基于輸入的輸入信號 的輸出信號，其中所述輸出單元包括:第一晶體管，其具有連接到所述輸出端子的一個主電極；以及第二晶體管，其具有連接到所述輸出端子、并且連接到所述第一晶體管的所述一個主 電極的一個主電極，以及 所述緩沖電路包括:第三晶體管，用于基于所述輸入信號降低所述第一晶體管的控制電極的電壓；第四晶體管，用于基于所述輸入信號增大所述第二晶體管的控制電極的電壓；第一電壓差檢測電路，用于檢測所述輸出信號以所述輸入信號為基準的電壓差；第二電壓差檢測電路，用于檢測所述輸入信號以所述輸出信號為基準的電壓差；第一電流提供單元，用于基于由所述第一電壓差檢測電路所檢測的電壓差的絕對值， 增大在所述第三晶體管中流動的電流;以及第二電流提供單元，用于基于由所述第二電壓差檢測電路所檢測的電壓差的絕對值， 增大在所述第四晶體管中流動的電流。8.根據權利要求1所述的一種基于負載電壓反饋控制的電源系統，其特征在于，所述的 過沖反饋調節電路，包括第二齊納二極管，其低電極接收過沖的直流信號；光耦器，其發光管高電極連接第二齊納二極管的高電極且光敏管反饋過沖信號至輸出 電壓轉換電路和中級調節電路。9.根據權利要求1所述的一種基于負載電壓反饋控制的電源系統，其特征在于，所述的 數字輸入電路，包括分壓電路、比較電路和參考電壓電路，所述的分壓電路將串行信號限幅后發送給比較電路；所述的參考電壓電路向比較電路提供能夠變化的反相參考電壓;所述的比較電路，其 輸出端還連接有RISC架構的8位閃存單片機；所述的參考電壓電路，包括單刀雙擲開關。10.根據權利要求1所述的一種基于負載電壓反饋控制的電源系統，其特征在于，所述 的電壓控制電路，包括一增益放大模塊，根據一輸入信號產生一放大信號；一電壓鉗制模塊，耦合于該增益放大模塊，鉗制該放大信號的電位于一預定范圍內，以 產生一電壓鉗制信號；及一增益控制模塊，耦合于該電壓鉗制模塊，用來根據一選擇信號及該電壓鉗制信號， 產生一輸出信號；該電壓鉗制模塊包含，一電容，其一第一端耦接于該增益放大模塊，以接收該放大信 號；及一上限電壓鉗制模塊，其一端耦接于該電容的一第二端，以使該放大信號的電位受 限于一上限電位。
【文檔編號】H02M3/156GK105978367SQ201610505403
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月30日
【發明人】張岱, 齊弘文
【申請人】成都融創智谷科技有限公司