專利名稱：一種脈沖電流平滑方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及降低電源的峰值電流和平均電流的比值的技術(shù)，尤其涉及一種脈沖電
流的平滑方法及裝置。
背景技術(shù)：
很多用電設(shè)備工作時峰值電流比平均電流大得多，現(xiàn)有技術(shù)中通常是采用電容器或者采用電感器加上電容器這些被動元器件(或稱為無源器件)來平滑脈沖電流，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。并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(wěn)定。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種相對現(xiàn)有技術(shù)平滑效果更好的脈沖電流平滑方法及裝置。 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明脈沖電流平滑方法包括如下步驟
檢測供電電流大?。?當供電電流小于預設(shè)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； 當供電電流大于預設(shè)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于所述放電啟動電流。 進一步地，所述充電啟動電流小于用電電路的平均工作電流，所述放電啟動電流大于用電電路的平均工作電流。 進一步地，本發(fā)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(fā)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，以使其能夠盡可能釋放出存儲的電能。 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明脈沖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于檢測供電電流大??； 所述電源變化電路用于當供電電流小于預設(shè)的充電啟動電流時，從供電電路取電，向所述儲能電容充電；而當供電電流大于預設(shè)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于所述放電啟動電流。 進一步地，所述充電啟動電流小于用電電路的平均工作電流，所述放電啟動電流大于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并聯(lián)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(guān)和一個電感，所述四個開關(guān)即第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)和第四開關(guān)，其中第一開關(guān)和第二開關(guān)構(gòu)成一組推挽結(jié)構(gòu)，第三開關(guān)和第四開關(guān)構(gòu)成另一組推挽結(jié)構(gòu)；所述電感一端接在所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)之間，另一端接在所述第三開關(guān)和第四開關(guān)之間。
更進一步地，所述四個開關(guān)均為電子開關(guān)。 則通過控制各開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)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，并能夠通過控制開關(guān)的占空比來調(diào)節(jié)電流和電壓。 再進一步地，所述四個電子開關(guān)均為MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor,金屬氧化物半導體場效應晶體管)。
本發(fā)明的有益效果為 本發(fā)明采用主動式的脈沖電流平滑方案，與傳統(tǒng)的被動式脈沖電流平滑方案相比，能夠用較小容量的電容器實現(xiàn)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(fā)明由于在對儲能電容充電時進行了增壓處理，因而在沒有脈沖輸出時，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。同時由于在對儲能電容放電時進行了降壓處理，因而放電時能夠盡可能釋放出存儲的電量。 另外，采用本發(fā)明方案，充電的電流能夠通過電路預設(shè)，不會形成充電時的峰值電流。
圖1是本發(fā)明脈沖電流平滑裝置應用場景示意 圖2是本發(fā)明脈沖電流平滑裝置工作原理示意圖； 圖3是本發(fā)明采用的能夠改變輸入輸出方向的升降壓DC/DC變換器結(jié)構(gòu)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(guān)系示意圖； 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(fā)明一個具體實例的脈沖電流平滑裝置的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。 本發(fā)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(tài)平滑脈沖電流。其工作過程是，在脈沖用電電路處于脈沖間隙時，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。在用電電路處于脈沖峰值電流時，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?qū)㈦妷禾嵘?，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(fā)明脈沖電流平滑方法具體包括如下步驟
檢測供電電流大小； 如果供電電流小于預設(shè)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； 如果供電電流大于預設(shè)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，充電啟動電流小于用電電路的平均工作電流，而放電啟動電流大于用電電
路的平均工作電流。 本發(fā)明脈沖電流平滑裝置的應用場景如圖1所示，將本發(fā)明脈沖電流平滑裝置插 入供電電路和脈沖用電電路(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(fā)明脈沖電流平滑裝置2插入供電電路1和用電電路3之間，加入本發(fā)明裝置 后，用電電路的脈沖電流或峰值電流經(jīng)本發(fā)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(fā)明脈沖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， 當供電電流小于充電啟動設(shè)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 電流大于放電啟動設(shè)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，并能實現(xiàn)升壓和降壓的DC/DC變換器。采用 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(shè)定值，并獲得較高的效率。 本發(fā)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(jù)電流檢測情況決定電源變換電路的工作模式。當供電電流小于充電啟動設(shè)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；當電流大于放電啟動設(shè)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(shè)定值根據(jù)用電電路的特點進行優(yōu)化設(shè) 計，充電啟動和放電啟動的設(shè)定值是不同的，并且充電啟動設(shè)定值小于放電啟動設(shè)定值。
通常充電啟動電流小于用電電路平均工作電流(實際操作時需要考慮本發(fā)明脈 沖電流平滑裝置的能耗和效率損失)，而放電啟動電流大于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(huán)境影響、應用狀態(tài)的變化等)，與噪聲的影響的兩到三倍之和。
本發(fā)明中電源變換電路需要特別設(shè)計，既要能夠?qū)δ茈娙莩潆?，又能夠從儲?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(shè)計值，該設(shè)計值通常高于供電電壓，以儲存足夠的能量，對儲能電 容降壓能保證放電時在盡可能低的電壓下工作，以盡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并聯(lián)，即可 以作為本發(fā)明提出的電源變換器使用。 本發(fā)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(yōu)勢。該能夠改變輸入輸出方向的升降壓DC/DC變換器拓撲 結(jié)構(gòu)及其原理如圖3所示，這是一個完全對稱的結(jié)構(gòu)，既能實現(xiàn)從左到右的電源變換，也能 實現(xiàn)從右到左的電源變換。 其核心包括四個開關(guān)SW1 SW4和一個電感L，本發(fā)明實施例中該四個開關(guān)均為電 子開關(guān)，且該四個電子開關(guān)由金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET擔任。其中第一電子 開關(guān)SW1和第二電子開關(guān)SW2構(gòu)成一組推挽結(jié)構(gòu)，第三電子開關(guān)SW3和第四電子開關(guān)SW4 構(gòu)成另一組推挽結(jié)構(gòu)，用電感L將兩組推挽結(jié)構(gòu)的中點相連，即電感L 一端接在第一電子開 關(guān)SW1和第二電子開關(guān)SW2之間，另一端接在第三電子開關(guān)SW3和第四電子開關(guān)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(jié)構(gòu)是完全對稱的，因此只需控制 各電子開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)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，并能夠 通過控制電子開關(guān)的占空比來調(diào)節(jié)電流和電壓。 本發(fā)明裝置中DC/DC變換器介于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(guān)SW1、第二電子開關(guān)SW2和電感L構(gòu)成典型的 同步開關(guān)降壓型DC/DC變換器。其中第三電子開關(guān)SW3開路，第四電子開關(guān)SW4閉合。圖 6中Vin表示輸入端，指給DC/DC變換器提供能量的端口 ；Vout表示DC/DC變換器能量輸出 端口。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(guān)，通常采用 M0SFET。 D是二極管，被動導通，起續(xù)流作用。該二極管在同步開關(guān)類型DC/DC變換器中用 電子開關(guān)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(guān)SW3、第四電子開關(guān)SW4和電感L構(gòu)成典型的同步開 關(guān)升壓型DC/DC變換器。其中第一電子開關(guān)SW1閉合，第二電子開關(guān)SW2開路。同步開關(guān) 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(guān)，通常采用用M0SFET。 D是二極管，被動導通，起整流作用。 該二極管在同步開關(guān)類型DC/DC變換器中用電子開關(guān)代替，能夠獲得更高的效率。
圖9是本發(fā)明一個具體實例的脈沖電流平滑裝置的電路結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示， 本發(fā)明脈沖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(diào)制電路。 圖9中四個電子開關(guān)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(zhuǎn)換。運放CSA和連接在其上的取樣電阻構(gòu)成電流傳感器。電壓誤差放 大器、電流誤差放大器、鋸齒波發(fā)生器和與其相連接的比較器構(gòu)成P麗(脈沖寬度調(diào)制)電 路，產(chǎn)生P麗調(diào)制信號，用于控制變換器工作的占空比?？刂七壿嫼土硗馑膫€比較器根據(jù)電流和電壓狀態(tài)控制變換器的工作模式。 本發(fā)明與傳統(tǒng)的被動式相比能夠達到用較小容量的電容器實現(xiàn)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沖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(guī)5V電源，電路按容差5%的電壓波動。而采用本發(fā)明技術(shù)方案后，按最 高充電電壓提高一倍，儲能電容放電終止殘余電壓為3V估算，那么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，那么還有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(chǎn)生的電壓跌落，因此輸出電壓精
度更高。 同時，在沒有脈沖輸出時，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(shè)，不會形成充 電時的峰值電流。 例如在USB接口的數(shù)據(jù)卡應用當中，因為GSM工作與脈沖方式，其峰值電流往往達 到2A，而USB 口的供電按規(guī)范只能提供500mA。為了保證較小的峰值電流和電壓，以往的設(shè) 計是在電源線上并聯(lián)上幾十甚至上百毫法拉的大電容，其價格高尺寸大，給數(shù)據(jù)卡設(shè)計帶 來困擾。而采用本發(fā)明技術(shù)方案后，電容容量能夠縮小幾十倍。而隨著半導體技術(shù)的發(fā)展， DC/DC器件的成本日益下降，本發(fā)明的應用場景會更廣闊。 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)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(fā)明的具體實施例而已，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對 本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改 和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求記載的技術(shù)方案及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包 含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
一種脈沖電流平滑方法，其特征在于包括如下步驟檢測供電電流大??；當供電電流小于預設(shè)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；當供電電流大于預設(shè)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于所述放電啟動電流。
2. 根據(jù)權(quán)利要1所述的脈沖電流平滑方法，其特征在于所述充電啟動電流小于用電電路的平均工作電流，所述放電啟動電流大于用電電路的平均工作電流。
3. 根據(jù)權(quán)利要1或2所述的脈沖電流平滑方法，其特征在于，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(jù)權(quán)利要1或2所述的脈沖電流平滑方法，其特征在于，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. —種脈沖電流平滑裝置，其特征在于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于檢測供電電流大??；所述電源變化電路用于當供電電流小于預設(shè)的充電啟動電流時，從供電電路取電，向所述儲能電容充電；而當供電電流大于預設(shè)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于所述放電啟動電流。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的脈沖電流平滑裝置，其特征在于所述充電啟動電流小于用電電路的平均工作電流，所述放電啟動電流大于用電電路的平均工作電流。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的脈沖電流平滑裝置，其特征在于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并聯(lián)而成的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的脈沖電流平滑裝置，其特征在于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(guān)和一個電感，所述四個開關(guān)即第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)和第四開關(guān)；其中第一開關(guān)和第二開關(guān)構(gòu)成一組推挽結(jié)構(gòu)，第三開關(guān)和第四開關(guān)構(gòu)成另一組推挽結(jié)構(gòu)；所述電感一端接在所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)之間，另一端接在所述第三開關(guān)和第四開關(guān)之間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的脈沖電流平滑裝置，其特征在于所述四個開關(guān)均為電子開關(guān)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的脈沖電流平滑裝置，其特征在于所述四個電子開關(guān)均為金屬氧化物半導體場效應晶體管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種平滑效果好，且造成的電壓波動很小的脈沖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于檢測供電電流大?。凰鲭娫醋兓娐酚糜诋敼╇婋娏餍∮陬A設(shè)的充電啟動電流時，從供電電路取電，向儲能電容充電，而當供電電流大于預設(shè)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于所述放電啟動電流。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(guān)和一個電感，其中第一電子開關(guān)和第二電子開關(guān)構(gòu)成一組推挽結(jié)構(gòu)，第三電子開關(guān)和第四電子開關(guān)構(gòu)成另一組推挽結(jié)構(gòu)，電感兩端分別接兩個推挽結(jié)構(gòu)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(yōu)先權(quán)日2009年11月11日
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