一种面向感性负载的高速电源系统的制作方法

本发明涉及电源结构领域，具体是一种面向感性负载的高速电源系统。

背景技术：

上升时间是评价电源的一个重要指标，是电源实现高速响应的关键参数。尤其当负载为感性负载时，感抗特性会阻碍电流变化，因此感性负载相对一般负载上的电流变化存在较大的滞后，达不到快速响应。如果加载在感性负载上的电流在一定幅值范围内快速可调时，一般的电源要么无法满足要求，要么成本高昂。

因此，现有技术无法提供一种低成本、高效可靠、大电流、尤其是面向感性负载应用的快速响应程控电源。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种面向感性负载的高速电源系统，包括充电电源、升流电容器组、稳流电容器组、与电容器数量相同的选通充电开关、与电容器数量相同的选通放电开关和控制选通开关通断的信号控制装置。

所述升流电容器组和稳流电容器组中，每一个电容器通过一个选通放电开关与负载连接，进而对负载供电。在全部选通放电开关导通时，所有电容器并联在负载的输入端。所述负载是感性负载。电容器为超级电容器。一个电容器组内电容器数量至少为1。

所述升流电容器组和稳流电容器组中，每一个电容器通过一个选通充电开关与充电电源连接，使充电电源对电容器充电。在全部选通充电开关导通时，所有电容器并联在充电电源的输出端。

所述信号控制装置控制选通充电开关和选通放电开关的通断。

充电时，信号控制装置断开全部选通放电开关，打开全部或部分选通充电开关。所述升流电容器组的充电电压大于稳流电容器组的充电电压。

放电时，信号控制装置断开全部选通充电开关，打开升流电容器组中的电容器所对应的全部或部分选通放电开关，对负载供电，直至供电电流上升到设定值时，断开已经打开的选通放电开关，同时，打开稳流电容器组中的电容器对应的全部或部分选通放电开关，对负载供电。

升流电容器组和稳流电容器组对负载供电的过程如下：升流电容器组先行放电，当升流电容器组电流上升至io或超过预设过冲ix时，断开升流电容器组，并在切换时间τs内接通稳流电容器组；升流电容器组断开后的τs时间内负载上存在的感应电流仍然存在，从而在稳流电容器组输出电流和负载感应电流共同作用下，对负载实现预期电流i的加载。

面向感性负载的高速电源系统还包括一个备用电容器组。在所述稳流电容器组需要充电时，采用所述备用电容器组对负载供电。

一种面向感性负载的高速电源系统，包括充电电源、m个并联的升流电容器组、n个并联的稳流电容器组、与电容器数量相同的选通充电开关、与电容器数量相同的选通放电开关和控制选通开关通断的信号控制装置。m和n均为大于1的自然数。

所述升流电容器组和稳流电容器组中，每一个电容器通过一个选通放电开关与负载连接，进而对负载供电。在全部选通放电开关导通时，所有电容器并联在负载的输入端。所述负载是感性负载。电容器为超级电容器。一个电容器组内电容器数量至少为1。

所述升流电容器组和稳流电容器组中，每一个电容器通过一个选通充电开关与充电电源连接，使充电电源对电容器充电。在全部选通充电开关导通时，所有电容器并联在充电电源的输出端。

所述信号控制装置控制选通充电开关和选通放电开关的通断。

对负载供电的主要步骤如下：

1)预设对负载的输出波形，该波形分为若干个阶段，每一个阶段对应一个稳态电流。

2)断开全部选通放电开关，打开全部选通充电开关，对所有电容器进行充电。所述升流电容器组的充电电压大于稳流电容器组的充电电压。

3)选定m个升流电容器组中的部分升流电容器组，断开对应的选通充电开关，打开对应的选通放电开关，对负载进行供电。

4)稳态供电：

4.1)延时放电，直到对负载的供电电流上升到本阶段的稳态电流或达到一个过冲值时，断开步骤3)选定的电容器的选通放电开关，打开步骤3)选定的电容器的选通充电开关。

4.2)选定n个稳流电容器组中的部分稳流电容器组，断开对应的选通充电开关，打开对应的选通放电开关，对负载进行供电，直至本阶段结束。

5)延时放电，直至步骤3)供电阶段结束，打开这些电容器对应的选通充电开关，断开这些电容器对应的选通放电开关。在步骤5)延时放电结束前，若步骤4)选定的稳流电容器组放电低于本阶段的稳态电流，打开这些电容器对应的选通充电开关，断开这些电容器对应的选通放电开关。重新选定n个稳流电容器组中的部分没有放电的稳流电容器组，并返回步骤4.2)，重新执行对应的步骤。

6)比较输出波形的下一阶段对应的稳态电流与本阶段的稳态电流：

6.1)若下一阶段对应的稳态电流低于本阶段的稳态电流，在步骤4)选定的稳流电容器组放电低于本阶段的稳态电流后，延迟放电，直到本阶段稳态电流和下一阶段对应的稳态电流差的绝对值小于阈值e，打开这些电容器对应的选通充电开关，断开这些电容器对应的选通放电开关。重新选定n个稳流电容器组中的部分没有放电的稳流电容器组，并返回步骤4.2)。

6.2)若下一阶段对应的稳态电流高于本阶段的稳态电流，在步骤4)选定的稳流电容器组放电至本阶段结束，延迟放电，直到本阶段稳态电流和下一阶段对应的稳态电流差的绝对值小于阈值e，打开这些电容器对应的选通充电开关，断开这些电容器对应的选通放电开关。重新选定m个升流电容器组中的部分没有放电的升流电容器组，并返回步骤3)。

一种面向感性负载的高速电源系统，包括充电电源、升流电容器组、buck变换器，与电容器数量相同的选通充电开关，以及与电容器数量相同的选通放电开关，控制选通开关和buck变换器的信号控制装置。

所述升流电容器组中，每一个电容器通过一个选通放电开关与负载连接，进而对负载供电。在全部选通放电开关导通时，所有电容器并联在负载的输入端。所述负载是感性负载。电容器为超级电容器。一个电容器组内电容器数量至少为1。

所述升流电容器组中，每一个电容器通过一个选通充电开关与充电电源连接，使充电电源对电容器充电。在全部选通充电开关导通时，所有电容器并联在充电电源的输出端。

所述信号控制装置控制选通充电开关、选通放电开关和buck变换器的通断。

充电时，信号控制装置断开全部选通放电开关，打开全部或部分选通充电开关。

放电时，信号控制装置断开全部选通充电开关，打开升流电容器组中的电容器所对应的全部或部分选通放电开关，对负载供电，直至供电电流上升到设定值时，断开已经打开的选通放电开关，同时，控制buck变换器工作，并调节buck变换器的pwm占空比，对负载供电。

值得说明的是，电容器最终的稳态放电电流大小与电容器两极间电压有关，即电压越大，稳态电流越大，且此电压在初始放电时理论上等于前端电源对其的充电电压。虽然经过大电压充电的电容器ch达到稳态电流所需的时间仍然相对较长，但在此情况下其达到某个中间电流值(例如io)的时间却相对变短。同样，一个经过较低电压充电的电容器cl，达到其稳态电流(例如io)的时间较长。但是，利用前述原理，先用经过较大电压充电的电容器ch(称之为升流电容器)先行放电(放电曲线为ich(t))，在其电流上升至io或超过一定过冲时，断开此升流电容器ch，并在切换时间τs时刻立即接通稳态电流为io(放电曲线为icl(t))、即经过较低电压充电的另一电容器cl(称之为稳流电容器)，由于升流电容器ch断开时感性负载上存在的感应电流不会突然减为零，而在稳流电容器cl迅速“接力”下，其输出电流与负载感应电流共同作用，巧妙快速地对负载实现了预期电流i的加载。从而，利用升流电容器ch和稳流电容器cl、对应控制开关、以及其他必要基本元件，即构成一个快速电流响应的电容器单元放电电路。

另外，当利用buck变换器稳流时，由于buck变换器是经典的dc-dc变换器，其输出电流与pwm控制信号占空比近似成正比，不需要利用若干电容器进行组合来实现不同电流的输出，而由单个buck变换器的pwm占空比即可快速实现不同电流的输出。同时，电容器工作在升流期(切换时间前)，利用高功率密度快速拉升电流，buck变换器工作在稳流期(切换时间后)，可以利用pwm占空比控制维持预期电流。在buck变换器工作期间，超级电容器接通充电电路，补充损失电量，以为下个升流周期做准备。起始时电容器处于合适的高压充电状态。dsp控制器在接收到外部触发信号后，接通电容器放电，当电流快速达到预期稳态电流(并具有一个过冲值)时，停止电容器放电。电容器切换为充电状态，与此同时，dsp控制下切换为buck变换器进行输出，调节占空比，由buck变换器实现预期稳态电流的输出。在实际应用中，感性负载或电子元件发热等因素将影响buck变换器的输出电流，因此在稳流期经pid控制进一步保证期望稳态电流的输出。此过程发生在稳流期，故不会影响升流期的响应时间。当下一个期望电流需要触发时，重复上述过程即可，即可实现变化电流的输出。

本发明的效果是毋庸置疑的，本发明通过在升流或稳流阶段不同大小的电流的输出对各阶段若干电容器进行组合，并对其开关次序进行控制，进而实现所设定电流幅值范围内的电流波形控制，以满足特定负载的需求。电容器(尤其是超级电容器)用于升流期可以快速拉升电流，以实现快速响应，且工作时间短，克服了能量密度低的不足。同时，本发明之一是将电容器用于稳流期时，通过若干电容器的组合来实现不同电流的输出，且通过电容器的调换和微环充电可以克服电容器能量密度低的问题。本发明之二是将buck变换器用于稳流器期，不需要若干电容器进行组合来实现不同电流的输出，仅通过单个buck变换器的pwm占空比即可快速实现不同电流的输出。

附图说明

图1为升流电容器ch单独放电、稳流电容器cl单独放电、以及两者按本发明方法协作放电的原理图(注：本图中包含了升流阶段的过冲)；

图2为对开关次序进行控制，形成的脉电流波形；

图3为一个实施例的控制流程图；

图4是一个实施例的电路模块图；

图5是一个实施例的控制模块图；

图6为实施例4高速电源系统工作流程；

图7为实施例4高速电源系统电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1，一种面向感性负载的高速电源系统，包括充电电源、升流电容器组、稳流电容器组、与电容器数量相同的选通充电开关、与电容器数量相同的选通放电开关和控制选通开关通断的信号控制装置。

所述升流电容器组和稳流电容器组中，每一个电容器通过一个选通放电开关与负载连接，进而对负载供电。在全部选通放电开关导通时，所有电容器并联在负载的输入端。所述负载是感性负载或其他符合感性负载电流特征的负载。感性负载(如螺线管)常用于产生磁场，因为感性负载或其他因素所产生的感应磁场的影响，所产生磁场相对电流亦有滞后，故在升流阶段结束时产生一个电流过冲，此过冲有利于磁场的快速响应。电容器为超级电容器。一个电容器组内电容器数量至少为1。

所述升流电容器组和稳流电容器组中，每一个电容器通过一个选通充电开关与充电电源连接，使充电电源对电容器充电。在全部选通充电开关导通时，所有电容器并联在充电电源的输出端。

所述升流电容器组和稳流电容器组的全部电容器的一端全部共地连接。

每一个电容器未接地的一端分为两路：其中，一路串接一个选通充电开关后，接入充电电源。其中，另一路串接一个选通放电开关后，为感性负载供电。

所述信号控制装置控制选通充电开关和选通放电开关的通断。

充电时，信号控制装置断开全部选通放电开关，打开全部或部分选通充电开关。所述升流电容器组的充电电压大于稳流电容器组的充电电压。

放电时，信号控制装置断开全部选通充电开关，打开升流电容器组中的电容器所对应的全部或部分选通放电开关，对负载供电，直至供电电流上升到设定值时，断开已经打开的选通放电开关，同时，打开稳流电容器组中的电容器对应的全部或部分选通放电开关，对负载供电。

升流电容器组和稳流电容器组对负载供电的过程如下：升流电容器组先行放电，当升流电容器组电流上升至io或超过预设过冲ix时，断开升流电容器组，并在切换时间τs内接通稳流电容器组；升流电容器组断开后的τs时间内负载上存在的感应电流仍然存在，从而在稳流电容器组输出电流和负载由于升流电容器组断开而残余的感应电流共同作用下，对负载实现预期电流i的加载。

实施例2：

一种面向感性负载的高速电源系统，主要结构见实施例1，为进一步保证实施例1中为电容器的充电策略，该系统还包括一个含有同样的升流电容器组和/或稳流电容器组的备用电容器组。在所述升流电容器组和/或稳流电容器组充电时，采用所述备用电容器组进行工作。采用该充电策略，保证电容器的放电电流维持在符合要求的幅值之上。

实施例2：

参见图3至图5，一种面向感性负载的高速电源系统，包括充电电源、m个并联的升流电容器组、n个并联的稳流电容器组、与电容器数量相同的选通充电开关、与电容器数量相同的选通放电开关和控制选通开关通断的信号控制装置。m和n均为大于1的自然数。其中，充电选通开关用h表示，放电选通开关用l表示，例：ha表示电容器组a的充电选通开关，la表示电容器组a的放电选通开关。

所述升流电容器组和稳流电容器组中，每一个电容器通过一个选通放电开关与负载连接，进而对负载供电。在全部选通放电开关导通时，所有电容器并联在负载的输入端。所述负载是感性负载。电容器为超级电容器。一个电容器组内电容器数量至少为1。当只有一个电容器时，此电容器含有一个合适的高充电电压，以使其能满足整个预期输出电流范围内的快速升流。

所述升流电容器组和稳流电容器组的全部电容器的一端全部共地连接。

每一个电容器未接地的一端分为两路：其中，一路串接一个选通充电开关后，接入充电电源。其中，另一路串接一个选通放电开关后，为感性负载供电。

所述升流电容器组和稳流电容器组中，每一个电容器通过一个选通充电开关与充电电源连接，使充电电源对电容器充电。在全部选通充电开关导通时，所有电容器并联在充电电源的输出端。

所述信号控制装置控制选通充电开关和选通放电开关的通断。

对负载供电的主要步骤如下：

1)预设对负载的输出波形(如图2)，该波形示例四个阶段(横轴)，每一个阶段对应一个稳态电流(纵轴)。

2)断开全部选通放电开关，打开全部选通充电开关，对所有电容器进行充电。所述升流电容器组的充电电压大于稳流电容器组的充电电压。

3)选定m个升流电容器组中的部分升流电容器组，断开对应的选通充电开关，打开对应的选通放电开关，对负载进行供电。

4)稳态供电：

4.1)延时放电，直到对负载的供电电流上升到本阶段的稳态电流或达到一个过冲值时，断开步骤3)选定的电容器的选通放电开关，打开步骤3)选定的电容器的选通充电开关。

4.2)选定n个稳流电容器组中的部分稳流电容器组，断开对应的选通充电开关，打开对应的选通放电开关，对负载进行供电，直至本阶段结束。

5)延时放电，直至步骤3)供电阶段结束，打开这些电容器对应的选通充电开关，断开这些电容器对应的选通放电开关。在步骤5)延时放电结束前，若步骤4)选定的稳流电容器组放电低于本阶段的稳态电流，打开这些电容器对应的选通充电开关，断开这些电容器对应的选通放电开关。重新选定n个稳流电容器组中的部分没有放电的稳流电容器组，并返回步骤4.2)，重新执行对应的步骤。

至此，得到了第一个阶段的电流曲线。

6)比较输出波形的下一阶段对应的稳态电流与本阶段的稳态电流：

6.1)若下一阶段对应的稳态电流低于本阶段的稳态电流，在步骤4)选定的稳流电容器组放电低于本阶段的稳态电流后，延迟放电，直到本阶段稳态电流和下一阶段对应的稳态电流差的绝对值小于预设的阈值e，即当下一阶段对应的稳态电流接近本阶段稳态电流时，打开这些电容器对应的选通充电开关，断开这些电容器对应的选通放电开关。重新选定n个稳流电容器组中的部分没有放电的稳流电容器组，并返回步骤4.2)。

6.2)若下一阶段对应的稳态电流高于本阶段的稳态电流，在步骤4)选定的稳流电容器组放电至本阶段结束，延迟放电，直到本阶段稳态电流和下一阶段对应的稳态电流差的绝对值小于阈值e，打开这些电容器对应的选通充电开关，断开这些电容器对应的选通放电开关。重新选定m个升流电容器组中的部分没有放电的升流电容器组，并返回步骤3)。

如此上述步骤，直到实现所需输出阶梯状电流的波形。

实施例中，如图5所示，通过将实时检测的输出电流作为反馈，采用dsp控制，实现所需电流大小和电流时长。

实施例3：

实施例1和实施例2公开的面向感性负载的高速电源系统的控制方案，主要包括以下几种：

1)当升流电容器组电容器具有相同的充电电压，稳流电容器组电容器具有相同的充电电压时，在升流或稳流阶段不同大小的电流的输出对各阶段若干电容器进行组合，并对其开关次序进行控制，进而实现所设定电流幅值范围内的电流波形控制，以满足特定负载的需求。

ii)当升流电容器组电容器具有不同的充电电压，稳流电容器组电容器具有不同的充电电压时，由于具有不同充电电压的电容器的放电电流大小不同，因此，在升流或稳流阶段选用具有合适电流大小的电容器，并对其开关次序进行控制，进而实现所设定电流幅值范围内的电流波形控制，以满足特定负载的需求。

综上，升流电容器组采用上述的相同充电电压、升流电容器组采用上述的不同充电电压，或升流电容器组采用上述的不同充电电压、升流电容器组采用上述的相同充电电压，类似地，都可以实现所设定电流幅值范围内的电流波形控制(如图2所示)，从而满足特定负载的需求。

实施例4：

一种面向感性负载的高速电源系统，包括充电电源、升流电容器组、buck变换器，与电容器数量相同的选通充电开关，以及与电容器数量相同的选通放电开关，控制选通开关和buck变换器的信号控制装置。

所述升流电容器组中，每一个电容器通过一个选通放电开关与负载连接，进而对负载供电。在全部选通放电开关导通时，所有电容器并联在负载的输入端。所述负载是感性负载。电容器为超级电容器。一个电容器组内电容器数量至少为1。

所述升流电容器组中，每一个电容器通过一个选通充电开关与充电电源连接，使充电电源对电容器充电。在全部选通充电开关导通时，所有电容器并联在充电电源的输出端。

所述信号控制装置控制选通充电开关、选通放电开关和buck变换器的通断。

充电时，信号控制装置断开全部选通放电开关，打开全部或部分选通充电开关。

放电时，信号控制装置断开全部选通充电开关，打开升流电容器组中的电容器所对应的全部或部分选通放电开关，对负载供电，直至供电电流上升到设定值时，断开已经打开的选通放电开关，同时，控制buck变换器工作，并调节buck变换器的pwm占空比，对负载供电。

buck变换器是经典的dc-dc变换器。将buck变换器用于稳流器，则不需要如若干电容器进行组合来实现不同电流的输出，而由单个buck变换器的pwm占空比即可快速实现不同电流的输出。因此，本方案采用将电容器用于升流期、将buck变换器用于稳流器的协同工作策略。

如图1所示，电容器工作在升流期(切换时间前)，利用高功率密度快速拉升电流，buck变换器工作在稳流期(切换时间后)，利用pwm占空比控制维持预期电流。

同样地，升流期的电容器工作原理与实施例1和实施例2公开的工作原理类似，包含大于或等于1的若干电容器。当只有一个电容器时，此电容器含有一个合适的高充电电压，以使其能满足整个预期输出电流范围内的快速升流；在buck变换器工作期间，超级电容器接通充电电路，补充损失电量，以为下个升流周期做准备。

实施例5：

如图6所示，实施例4公开的面向感性负载的高速电源系统的工作流程为：起始时电容器处于合适的高压充电状态。dsp控制器在接收到外部触发信号后，接通电容器放电，当电流快速达到预期稳态电流(并具有一个过冲值)时，停止电容器放电。电容器切换为充电状态，与此同时，dsp控制下切换为buck变换器进行输出，调节占空比，由buck变换器实现预期稳态电流的输出。

在实际应用中，感性负载或电子元件发热等因素将影响buck变换器的输出电流，因此在稳流其经pid控制进一步保证期望稳态电流的输出。此过程发生在稳流期，故不会影响升流期的响应时间。

当下一个期望电流需要触发时，重复上述过程即可，即可实现图2所示的变化电流的输出。

实施例6：

如图7所示，实施例4公开的面向感性负载的高速电源系统的电路如下：dsp通过光耦驱动电路控制n型mos场效应管q2和n型mos场效应管q3进而控制电容器的充放电。c1、c2为buck变换器输入、输出滤波电容器；l为滤波电感；d1、d2为续流二极管；q1为buck电路开关管；d3和d4为防止电流倒灌的二极管。vi、vo、vcap分别为buck变换器采样输入、输出电压和电容器电压；ao为电源输出电流。dsp调整pwm信号占空比经过自举驱动电路放大后控制q1开关管的通断，进而调整buck电路输出。lm为感性负载，rm为感性负载可能的等效电阻。