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一種功耗較低的高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種功耗較低的高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)。由電源、能量回饋電路、恒流源控制電路、高低壓切換電路、遲滯比較電路、H橋開關(guān)電路、勵(lì)磁線圈、檢流電路、H橋驅(qū)動(dòng)電路和勵(lì)磁時(shí)序電路組成；其中電源由高壓電源和低壓電源組成。采用的高低壓切換電路，使高壓激勵(lì)路徑得到簡(jiǎn)化，路徑上的高低壓切換電路選用的器件壓降更小，減小了高壓激勵(lì)路徑的功耗，進(jìn)而減小了發(fā)熱，電路穩(wěn)定性更好；本發(fā)明的恒流源控制電路，使功耗大大減小；H橋開關(guān)電路采用相同型號(hào)的MOS管保證了開關(guān)管開關(guān)特性的一致；此外，壓降更小，消耗的電能也更少；H橋驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，又有快速、完整的保護(hù)功能，極大地提高了系統(tǒng)可靠性和縮小了控制電路尺寸。
【專利說明】一種功耗較低的高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于流量檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及電磁流量計(jì)高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)，為一種采用高壓電源快速勵(lì)磁，低壓電源與恒流源控制電路維持勵(lì)磁電流恒定，使用功耗更低的高低壓切換電路、H橋開關(guān)電路和恒流源控制電路，實(shí)現(xiàn)發(fā)熱小、效率更高和工作更可靠的電磁流量計(jì)高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]電磁流量計(jì)是依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律的工作原理來測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。電磁流量計(jì)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)施加給勵(lì)磁線圈按一定形式變化的電流，在測(cè)量管中產(chǎn)生按一定形式變化的磁場(chǎng)。流過測(cè)量管的導(dǎo)電液體可以視為導(dǎo)體，這些流動(dòng)的導(dǎo)電液體切割磁力線感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與測(cè)量管中導(dǎo)電液體流動(dòng)的速度成正比。因此，檢測(cè)并處理感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的測(cè)量。電磁流量計(jì)的勵(lì)磁方式直接決定了電磁流量計(jì)的響應(yīng)速度、抗干擾能力和零點(diǎn)穩(wěn)定性。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的儀表公司大多采用低壓電源供電和低頻率的方波勵(lì)磁技術(shù)，電磁流量計(jì)響應(yīng)速度慢，也無法克服漿液噪聲的干擾。
[0003]中國(guó)專利ZL200910251461公布了基于高低壓電源切換的電磁流量計(jì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高低壓電源、電源切換電路、恒流控制電路、勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)電路、檢流電路和勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生電路組成。基于高低壓電源切換的電磁流量計(jì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的工作電源由高壓電源和低壓電源組成，高壓電源和低壓電源是根據(jù)勵(lì)磁線圈中的電流的大小由電源切換電路控制。高壓電源加快勵(lì)磁電流上升的速度，低壓電源在勵(lì)磁電流達(dá)到設(shè)定值后工作，維持勵(lì)磁電流的穩(wěn)定。恒流控制電路使勵(lì)磁線圈中的電流維持在一個(gè)恒定的值，實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)對(duì)流動(dòng)的導(dǎo)電液體流量的準(zhǔn)確檢測(cè)。勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生電路主要由用于電磁流量計(jì)信號(hào)處理的處理核心MCU等組成，并配合勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)方波勵(lì)磁。但是，這種電磁流量計(jì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)存在以下不足:(I)恒流控制電路中的使用開環(huán)的運(yùn)算放大器作為誤差放大器，由于放大倍數(shù)過大，調(diào)節(jié)過于劇烈，很難實(shí)現(xiàn)電流的穩(wěn)定；(2)采用普通的比較電路對(duì)電源切換電路進(jìn)行控制，在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于環(huán)境中存在噪聲干擾，疊加在檢流電阻的輸出信號(hào)上，使得電源切換電路頻繁地在高壓與低壓之間切換，輸出的勵(lì)磁電流不穩(wěn)定；(3)在電路中，使用穩(wěn)壓二極管將線圈中存儲(chǔ)的能量以熱能的形式消耗掉，不利于減小系統(tǒng)的功耗與發(fā)熱情況。
[0004]中國(guó)專利ZL201110350132公布了具有旁路和能量回饋電路的電磁流量計(jì)高低壓切換勵(lì)磁系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高低壓電源、能量回饋、DC-DC、高低壓切換電路、恒流電路、旁路電路、H橋、勵(lì)磁線圈、檢流電阻、邏輯切換保護(hù)電路、電源檢測(cè)、能量泄放電路、勵(lì)磁控制電流組成。與基于高低壓電源切換的電磁流量計(jì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)相比，具有旁路和能量回饋電路的電磁流量計(jì)高低壓切換勵(lì)磁系統(tǒng)增加了電源監(jiān)測(cè)、能量回饋、能量泄放電路、DC-DC、旁路電路和邏輯切換保護(hù)電路。電源監(jiān)測(cè)電路在電流過大時(shí)起保護(hù)作用；能量回饋電路在勵(lì)磁切換時(shí)，吸收勵(lì)磁線圈中的能量，再在后半個(gè)勵(lì)磁周期，將能量回饋給勵(lì)磁線圈；DC-DC電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)電壓的調(diào)節(jié)；旁路電路在高壓電源激勵(lì)時(shí)起到保護(hù)恒流電路的作用，并優(yōu)化了恒流芯片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，允許勵(lì)磁電流出現(xiàn)大的超調(diào)，從而減小了勵(lì)磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)間；邏輯切換電路根據(jù)勵(lì)磁電流的大小與遲滯比較電路設(shè)置的閾值上限進(jìn)行比較，做出邏輯判斷，控制高低壓切換電路與旁路電路的通斷。這種勵(lì)磁控制系統(tǒng)雖然解決了基于高低壓電源切換的電磁流量計(jì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)恒流控制難度大、電源切換電路易受干擾和穩(wěn)壓二極管的發(fā)熱問題，但是，卻存在以下不足:(1)高壓電源對(duì)勵(lì)磁線圈的激勵(lì)路徑有冗余現(xiàn)象，導(dǎo)致了冗余電路上分擔(dān)壓降，消耗功率，產(chǎn)生多余的熱量；同時(shí)，增加了電路的不穩(wěn)定性。(2)恒流電路由恒流芯片和電阻搭建而成。恒流芯片內(nèi)部集成有帶隙基準(zhǔn)電路，這個(gè)電路上有一定的壓降；恒流芯片工作時(shí)，其輸入輸出端需要滿足最小壓降的要求。這樣，恒流電路幾乎承擔(dān)了除勵(lì)磁線圈以外的所有壓降。壓降過大，消耗的電能就大，產(chǎn)生的熱量就大，使勵(lì)磁控制系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重。(3)H橋的高壓側(cè)使用的是電流控制型器件，壓降大，消耗的電能多，發(fā)熱比較嚴(yán)重。工作時(shí)，H橋開關(guān)電路高壓側(cè)使用的達(dá)林頓管的開通上升時(shí)間和關(guān)斷下降時(shí)間都是微秒級(jí)別的，而低壓側(cè)使用的MOS管的開通上升時(shí)間和關(guān)斷下降時(shí)間是納秒級(jí)別的，因此，高壓側(cè)和低壓側(cè)兩個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷的步調(diào)不能保持一致，致使需要保留很長(zhǎng)的死區(qū)保護(hù)時(shí)間。
[0005]綜上所述，基于高低壓電源切換的勵(lì)磁控制系統(tǒng)和具有旁路和能量回饋電路的電磁流量計(jì)高低壓切換勵(lì)磁系統(tǒng)(統(tǒng)稱為高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng))加快了電磁流量計(jì)勵(lì)磁電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的速度，提高了勵(lì)磁頻率，提升了響應(yīng)速度，增強(qiáng)了抗?jié){液干擾能力。但是，功耗較大，發(fā)熱較嚴(yán)重，制約了電磁流量計(jì)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的工作。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述中國(guó)專利中存在的一些關(guān)鍵技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種勵(lì)磁電流響應(yīng)速度快、勵(lì)磁頻率高、電源利用效率更高、勵(lì)磁系統(tǒng)發(fā)熱更小、能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作的功耗較低的高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)。
[0007]具體的技術(shù)解決方案如下:
一種功耗較低的高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)由高壓電源、低壓電源、能量回饋電路、恒流源控制電路、高低壓切換電路、遲滯比較電路、H橋開關(guān)電路、勵(lì)磁線圈、檢流電路、H橋驅(qū)動(dòng)電路和勵(lì)磁時(shí)序電路組成。高壓電源和低壓電源組成了勵(lì)磁工作電源。
[0008]高低壓切換電路根據(jù)勵(lì)磁電流響應(yīng)情況來選擇高壓電源或低壓電源工作。當(dāng)勵(lì)磁電流低于遲滯比較電路設(shè)定的閾值下限時(shí)，選擇高壓電源工作，以加快電流響應(yīng)速度，進(jìn)而拓寬勵(lì)磁頻率范圍；當(dāng)勵(lì)磁電流超過遲滯比較電路設(shè)定的閾值上限時(shí)，選擇低壓電源工作，以降低系統(tǒng)的功耗、提高電源利用效率，并保證電流恒定；高壓電源激勵(lì)的路徑為高壓電源_>能量回饋電路_>高低壓切換電路_>H橋開關(guān)電路_>勵(lì)磁線圈_>檢流電路；
恒流源控制電路維持勵(lì)磁線圈中電流的恒定，提供精準(zhǔn)的電流，保證電磁流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確性。
[0009]H橋開關(guān)電路由四個(gè)相同型號(hào)的NMOS管組成，H橋開關(guān)電路改變勵(lì)磁線圈中勵(lì)磁電流的方向，以降低電解質(zhì)液體對(duì)電極的極化作用，抑制電磁流量計(jì)零點(diǎn)的波動(dòng)。
[0010]H橋驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)輸出兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，專門用于驅(qū)動(dòng)H橋中高壓側(cè)的NMOS管和低壓側(cè)的NMOS管。
[0011]遲滯比較電路可以設(shè)置兩個(gè)電壓閾值，一個(gè)上限閾值和一個(gè)下限閾值。
[0012]當(dāng)檢流電路上的電流小于遲滯比較電路中設(shè)定的勵(lì)磁電流的閾值下限時(shí)，高低壓切換電路在遲滯比較電路的控制下選通高壓電源。高壓電源經(jīng)過能量回饋電路和高低壓切換電路接至H橋開關(guān)電路，給勵(lì)磁線圈充電，勵(lì)磁線圈中的電流增加，且上升速度較快。當(dāng)勵(lì)磁電流上升到遲滯比較電路中設(shè)定的勵(lì)磁電流的上限閾值時(shí)，高低壓切換電路在遲滯比較電路的控制下選通低壓電源和恒流源控制電路。在低壓電源工作時(shí)，恒流源控制電路快速調(diào)整，并進(jìn)入勵(lì)磁電流恒定狀態(tài)。電磁流量計(jì)在勵(lì)磁電流恒定時(shí)進(jìn)行流量的測(cè)量。H橋開關(guān)電路由勵(lì)磁時(shí)序電路和H橋驅(qū)動(dòng)電路控制。H橋開關(guān)電路工作的方式是對(duì)臂聯(lián)動(dòng)導(dǎo)通。H橋開關(guān)電路控制勵(lì)磁電流的方向，在每個(gè)周期中，勵(lì)磁電流方向?yàn)檎蜑樨?fù)的時(shí)間各占半個(gè)周期；在每半個(gè)周期結(jié)束時(shí)，勵(lì)磁線圈中的能量會(huì)被吸收到能量回饋電路中，并在下半個(gè)周期開始時(shí)，能量回饋電路將吸收到的能量回饋給勵(lì)磁線圈，實(shí)現(xiàn)了能量的回收利用，提高電源的利用效率。
[0013]本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下方面:
1.本發(fā)明采用的高低壓切換電路，使高壓激勵(lì)路徑得到簡(jiǎn)化，路徑上的高低壓切換電路選用的器件壓降更小，減小了高壓激勵(lì)路徑上的功耗，從而減小了發(fā)熱，使電路穩(wěn)定性更好;
2.在恒流源控制電路中，用分立元件搭建的電路去實(shí)現(xiàn)恒流源芯片的功能，使功耗大大減?。?br> 3.在H橋開關(guān)電路中，采用相同型號(hào)的MOS管，保證了開關(guān)管開關(guān)特性的一致。此外，MOS管的開關(guān)特性更好，壓降更小，消耗的電能也更少；
4.在H橋驅(qū)動(dòng)電路中，采用集成芯片去代替分立元件，使設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化；同時(shí)，又有快速、完整的保護(hù)功能。這極大地提高了系統(tǒng)的可靠性，縮小了控制電路的尺寸。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是一種功耗較低的高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)的組成框圖。
[0015]圖2是一種功耗較低的高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)的部分電路原理圖。
[0016]圖3是恒流源控制電路中的誤差放大器電路原理圖。
[0017]圖4是H橋開關(guān)電路和H橋驅(qū)動(dòng)電路原理圖。
[0018]圖5是勵(lì)磁時(shí)序電路原理圖。
[0019]圖6是基準(zhǔn)源產(chǎn)生電路原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0021]本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是:在高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)中，高壓電源實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁線圈中勵(lì)磁電流的快速上升，低壓電源和恒流源控制電路維持勵(lì)磁電流的恒定。高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)極大地提高了勵(lì)磁頻率，保證了電磁流量計(jì)在測(cè)量過程中電流的恒定，使電磁流量計(jì)具有較快的響應(yīng)速度。但是，高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中，存在發(fā)熱比較嚴(yán)重的問題。因此，從降低功耗的角度去改進(jìn)高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)。(I)雖然高壓電源激勵(lì)的時(shí)間短，但是，高壓電源工作時(shí)造成的功耗大。因此，對(duì)高壓激勵(lì)路徑進(jìn)行簡(jiǎn)化，使用高低壓切換電路實(shí)現(xiàn)電流旁路的功能，并把高低壓切換電路中功耗大的元器件換成功耗小的元器件。電路簡(jiǎn)化也提高了電路的可靠性。(2)恒流源電路消耗了除勵(lì)磁線圈以外的絕大部分電能。當(dāng)使用集成的恒流源芯片時(shí)，不僅需要滿足恒流源芯片工作時(shí)最小壓差的要求，而且?guī)痘鶞?zhǔn)電路的壓降也比較大，所以，存在功耗大和發(fā)熱嚴(yán)重的問題。因此，研制功耗更小的恒流源控制電路，使恒流源控制電路的功耗大大減小。
(3)H橋開關(guān)電路四個(gè)橋臂使用不同的開關(guān)器件，開關(guān)器件的開關(guān)特性難以保持一致，會(huì)導(dǎo)致H橋開關(guān)電路的控制步調(diào)不一致；同時(shí)，電流控制器件功耗比較大。H橋開關(guān)電路的驅(qū)動(dòng)電路也是高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)中功耗較大的電路單元，而且驅(qū)動(dòng)電流有限，嚴(yán)重制約了開關(guān)器件的開關(guān)速度。因此，研制功耗更低的H橋開關(guān)電路，四個(gè)橋臂選用相同的開關(guān)器件，工作時(shí)壓降小，并且保持開關(guān)特性一致。研制H橋開關(guān)電路的驅(qū)動(dòng)電路，即H橋驅(qū)動(dòng)電路，以增大驅(qū)動(dòng)電流，提高開關(guān)器件的開關(guān)速度。驅(qū)動(dòng)芯片采用自舉電路的驅(qū)動(dòng)方式，使H橋驅(qū)動(dòng)電路的功耗大大降低。
[0022]本發(fā)明系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示，包括高壓電源1、低壓電源2、能量回饋電路3、恒流源控制電路4、高低壓切換電路5、遲滯比較電路6、H橋開關(guān)電路7、勵(lì)磁線圈8、檢流電路9、H橋驅(qū)動(dòng)電路10和勵(lì)磁時(shí)序電路11。
[0023]本發(fā)明系統(tǒng)的工作過程為:當(dāng)檢流電路上的電流小于遲滯比較電路中設(shè)定勵(lì)磁電流的閾值下限時(shí)，高低壓切換電路在遲滯比較電路的控制下選通高壓電源。高壓電源經(jīng)過能量回饋電路和高低壓切換電路接至H橋開關(guān)電路，給勵(lì)磁線圈充電，勵(lì)磁線圈中的電流增加，且上升速度較快。當(dāng)勵(lì)磁電流上升到遲滯比較電路中設(shè)定的勵(lì)磁電流的閾值上限時(shí)，高低壓切換電路在遲滯比較電路的控制下選通低壓電源和恒流源控制電路。在低壓電源工作時(shí)，恒流源控制電路快速調(diào)整，并進(jìn)入勵(lì)磁電流恒定的狀態(tài)，電磁流量計(jì)在勵(lì)磁電流恒定時(shí)進(jìn)行流量的測(cè)量。H橋開關(guān)電路由勵(lì)磁時(shí)序電路和H橋驅(qū)動(dòng)電路控制,H橋開關(guān)電路工作的方式是對(duì)臂聯(lián)動(dòng)導(dǎo)通。H橋開關(guān)電路控制勵(lì)磁電流的方向，在每個(gè)周期中，勵(lì)磁電流方向?yàn)檎蜑樨?fù)的時(shí)間各占半個(gè)周期。在每半個(gè)周期結(jié)束時(shí)，勵(lì)磁線圈中的能量會(huì)被吸收到能量回饋電路中，并在下半個(gè)周期開始時(shí)，能量回饋電路將吸收到的能量回饋給勵(lì)磁線圈，實(shí)現(xiàn)能量的回收利用，提高電源的利用效率。
[0024]圖2為本發(fā)明系統(tǒng)中部分電路原理圖，具體包括高壓電源1、低壓電源2、能量回饋電路3、恒流源控制電路4、高低壓切換電路5、遲滯比較電路6、H橋開關(guān)電路7、勵(lì)磁線圈8和檢流電路9。
[0025]功耗較低的高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)的電源由DC-DC高壓電源I和DC-DC低壓電源2組成，為系統(tǒng)提供高效率的高壓電源和低壓電源。
[0026]能量回饋電路3是由電容C4、電容C3、穩(wěn)壓管Zl和電阻R2組成。其中，電容C4是儲(chǔ)能電容，是容值比較大且有極性的電解電容，用于吸收勵(lì)磁電流方向在切換時(shí)勵(lì)磁線圈中的能量，使勵(lì)磁電流快速減小到零，并在勵(lì)磁線圈電流上升時(shí)把吸收到的能量回饋給勵(lì)磁線圈，加速勵(lì)磁電流上升的速度。電容C3為旁路電容，是容值較小的陶瓷電容，用來濾除電源中的高頻噪聲。穩(wěn)壓管Zl是防止當(dāng)儲(chǔ)能電容C4吸收的能量過多，導(dǎo)致電壓過高，影響電容的性能；同時(shí)，避免對(duì)高壓電源的沖擊。電阻R2是在高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)在停止工作時(shí)釋放掉儲(chǔ)能電容C4中的電能。能量回饋電路加快了勵(lì)磁線圈中電流減小到零的速度；同時(shí)，減小了電路的功耗，提高電源的利用效率。
[0027]恒流源控制電路4是由運(yùn)算放大器U3、PNP三極管Q7、NPN三極管Q8、電阻R3、R4、R6、R7、R9、R10及基準(zhǔn)源Vref組成。其中，基準(zhǔn)源Vref決定恒流控制中勵(lì)磁電流的恒定值的大小。誤差放大器由運(yùn)算放大器U3、電阻R3、電阻R4、電阻R9和電阻RlO組成。誤差放大器將檢流電路上的反饋電壓VFB與基準(zhǔn)源Vref進(jìn)行比較，控制NPN三極管Q8和PNP三極管Q7的工作狀態(tài)，維持勵(lì)磁線圈中電流的恒定。在低壓電源供電時(shí)，恒流源控制電路維持勵(lì)磁線圈中電流值的恒定。在恒流源控制電路中，PNP三極管Q7和NPN三極管Q8工作在線性放大區(qū)。恒流源控制電路的調(diào)節(jié)過程為:當(dāng)勵(lì)磁線圈上的電流減小時(shí)，檢流電路上的反饋電壓VFB小于基準(zhǔn)源Vref，誤差放大器輸出的電壓值較大，NPN三極管Q8的基極電流增大，進(jìn)而NPN三極管Q8的集電極電流增大，PNP三極管Q7的基極電流也增加，使PNP三極管Q7集電極電流增加，勵(lì)磁電流增大，勵(lì)磁線圈上的電壓增加，PNP三極管Q7分擔(dān)的壓降減小；當(dāng)勵(lì)磁線圈上的電流增大時(shí)，檢流電路上的反饋電壓VFB大于基準(zhǔn)電源Vref，誤差放大器輸出的電壓減小，NPN三極管Q8的基極電流減小，NPN三極管Q8的集電極電流減小，PNP三極管Q7的基極電流減小，使PNP三極管Q7的集電極電流減小，勵(lì)磁電流減小，勵(lì)磁線圈上的電壓減小，PNP三極管Q7分擔(dān)的壓降增大；通過PNP三極管Q7、NPN三極管Q8和運(yùn)算放大器的調(diào)節(jié)，使勵(lì)磁電流穩(wěn)定在設(shè)定值。本發(fā)明系統(tǒng)中使用的恒流源控制電路壓降小。而采用恒流源芯片搭建恒流源控制電路時(shí)，恒流源芯片的輸入端與輸出端必須滿足一定的壓差條件，才能正常工作；再加上要帶隙基準(zhǔn)電壓，這樣就使由恒流源芯片搭建的恒流源控制電路的壓降過大，功耗也很大，從而導(dǎo)致高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)發(fā)熱問題嚴(yán)重。
[0028]圖3為本發(fā)明系統(tǒng)中恒流源控制電路中的誤差放大器電路原理圖。誤差放大器中使用的運(yùn)算放大器是高速運(yùn)放，誤差放大器的放大倍數(shù)由電阻R3、R4、R9、RlO決定。誤差放大器的倍數(shù)要比運(yùn)算放大的開環(huán)放大倍數(shù)低。恒流源電路中使用誤差放大器，使調(diào)節(jié)過程比較平滑。而使用運(yùn)算放大器時(shí)，調(diào)節(jié)過程過于劇烈，難以實(shí)現(xiàn)電流的恒定。本發(fā)明系統(tǒng)中的恒流源控制電路克服了以往專利中恒流源控制電路的不足，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了電流的準(zhǔn)確控制。
[0029]圖2中的高低壓切換電路5由PMOS管Q6、NMOS管Q5、二極管D3、電阻R5和電阻R8組成。電阻R5上的分壓為PMOS管Q6的柵極和源極提供驅(qū)動(dòng)電壓，高壓電源接在PMOS管Q6的源極。當(dāng)NMOS管Q5導(dǎo)通時(shí)，PMOS管Q6也導(dǎo)通，高壓電源經(jīng)過能量回饋電路和高低壓切換電路，接到H橋開關(guān)電路的上端，給勵(lì)磁線圈充電，使電流快速上升。與此同時(shí)，也接到二極管D3的陰極。二極管D3起鉗位作用。此時(shí)，D3的陰極是高電壓，而陽(yáng)極是低電壓，所以，低壓電源無法通過。當(dāng)NMOS管Q5截止時(shí)，PMOS管Q6的柵極和源極之間的電壓為0，PMOS管Q6截止，高壓電源和能量回饋電路被截止。此時(shí)，D3陽(yáng)極的電壓高于陰極的電壓，低壓電源經(jīng)過恒流源控制電路接至H橋開關(guān)電路的上端，給勵(lì)磁線圈充電，使勵(lì)磁電流穩(wěn)定。
[0030]圖2中的遲滯比較電路6由比較器Ul、電阻R12、電阻Rll和基準(zhǔn)源Vrefl組成。通過遲滯比較電路，可以設(shè)置兩個(gè)電壓閾值，一個(gè)上限閾值和一個(gè)下限閾值。遲滯比較器的負(fù)端接在檢流電路的反饋電壓VFB上，當(dāng)勵(lì)磁線圈中的電流小于遲滯比較器的設(shè)置的下限閾值時(shí)，遲滯比較器輸出高電平；當(dāng)勵(lì)磁線圈中的電流大于遲滯比較器的上限閾值時(shí)，遲滯比較器輸出低電平。與之前的中國(guó)專利ZL201110350132的邏輯切換保護(hù)電路中的遲滯比較器相比，本發(fā)明的遲滯比較電路6選用比較器實(shí)現(xiàn)。一般來說，比較器比通用運(yùn)放的開環(huán)增益更高，輸入失調(diào)電壓更小，響應(yīng)速度更快。
[0031]圖2中的檢流電路9由低阻值檢流電阻組成，位于H橋開關(guān)電路的低端，以準(zhǔn)確檢測(cè)勵(lì)磁線圈中的電流，并保證了 H橋開關(guān)電路低端的穩(wěn)定性；同時(shí)，為遲滯比較電路和恒流源控制電路提供反饋電壓信號(hào)VFB。
[0032]圖4是發(fā)明系統(tǒng)中H橋開關(guān)電路和H橋驅(qū)動(dòng)電路原理圖。H橋開關(guān)電路7和H橋驅(qū)動(dòng)電路10，由第一驅(qū)動(dòng)芯片U4、第二驅(qū)動(dòng)芯片U5，NM0S管Q1、Q2、Q3、Q4，電容C6、C7、C8、C9、C10、C11，電阻 R14、R15、R16、R17，二極管 D4、D5 組成；其中 NMOS 管 Ql、Q2、Q3、Q4 型號(hào)相同，構(gòu)成H橋開關(guān)電路，Ql和Q2為高壓側(cè)的NMOS管，Q3和Q4為低壓側(cè)的NMOS管，驅(qū)動(dòng)芯片是集成芯片IR2110。H橋開關(guān)電路7由四個(gè)相同型號(hào)的NMOS管組成，保證了開關(guān)管開關(guān)特性的一致。此外，MOS管的開關(guān)特性更好，壓降更小，消耗的電能也更小。H橋驅(qū)動(dòng)電路10中的第一驅(qū)動(dòng)芯片U4和第二驅(qū)動(dòng)芯片U5是可以同時(shí)輸出兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，專門用于驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)的NMOS和低壓側(cè)的NMOS管的集成芯片IR2110。驅(qū)動(dòng)芯片IR2110的使用使H橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化；同時(shí)，其又有快速、完整的保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)的可靠性，縮小了控制電路的尺寸。本發(fā)明系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電流大，極大地提高了 H橋開關(guān)電路的開通和關(guān)斷速度；同時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片在工作電源為15V時(shí)，功耗僅為ImW左右，極大地減小了驅(qū)動(dòng)電路的功耗。
[0033]圖5所示勵(lì)磁時(shí)序電路11由鎖存器U10，高速光耦U8，電平轉(zhuǎn)換器U9和電阻R18、R19、R20、R21、R22、R23組成。CT_1和CT_2是圖1中的勵(lì)磁時(shí)序信號(hào)。信號(hào)CS使能U10。CT_1和CT_2經(jīng)過UlO后，變?yōu)镃0N_1和C0N_2，再經(jīng)過光耦U8的電磁隔離，然后經(jīng)過U9的電平轉(zhuǎn)換，形成幅值較大的勵(lì)磁時(shí)序信號(hào)CONl和C0N2。使用高速光稱可以將勵(lì)磁時(shí)序信號(hào)的延時(shí)減至最小，同時(shí)將高壓勵(lì)磁部分和低壓控制部分隔離開，保障電路的安全。電平轉(zhuǎn)換把較小的勵(lì)磁時(shí)序信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅值較大的勵(lì)磁時(shí)序信號(hào)，為H橋驅(qū)動(dòng)電路提供足夠幅值的勵(lì)磁時(shí)序信號(hào)。
[0034]圖6所示是恒流源控制電路和遲滯比較電路中的基準(zhǔn)源產(chǎn)生電路，即圖2中的Vref和Vrefl。Vref為恒流源控制電路中誤差放大器的正端提供基準(zhǔn)源電壓。電壓基準(zhǔn)源芯片U13輸出的電壓經(jīng)過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)R25和R26分壓后，經(jīng)運(yùn)放Ull跟隨，產(chǎn)生Vref。Vrefl為遲滯比較電路中比較器的正端提供基準(zhǔn)源電壓。電壓基準(zhǔn)源芯片U14輸出的電壓經(jīng)過分壓網(wǎng)絡(luò)R28和R29分壓后，經(jīng)運(yùn)放U12跟隨，產(chǎn)生Vrefl。
【權(quán)利要求】
1.一種功耗較低的高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)，其特征在于:由勵(lì)磁工作電源、能量回饋電路、恒流源控制電路、高低壓切換電路、遲滯比較電路、H橋開關(guān)電路、勵(lì)磁線圈、檢流電路、H橋驅(qū)動(dòng)電路和勵(lì)磁時(shí)序電路組成；所述勵(lì)磁工作電源由高壓電源和低壓電源組成； 所述高低壓切換電路根據(jù)勵(lì)磁電流響應(yīng)情況來選通勵(lì)磁工作電源，當(dāng)勵(lì)磁電流低于遲滯比較電路設(shè)定的閾值下限時(shí)，切換高壓電源作為勵(lì)磁工作電源，以加快電流響應(yīng)速度，進(jìn)而拓寬勵(lì)磁頻率范圍；當(dāng)勵(lì)磁電流超過遲滯比較電路設(shè)定的閾值上限時(shí)，切換低壓電源作為勵(lì)磁工作電源，以降低系統(tǒng)的功耗、提高電源利用效率，并保證電流恒定；高壓電源激勵(lì)的路徑為高壓電源_>能量回饋電路_>高低壓切換電路_>H橋開關(guān)電路_>勵(lì)磁線圈_>檢流電路； 所述恒流源控制電路維持勵(lì)磁線圈中電流的恒定，提供精準(zhǔn)的電流，保證電磁流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確性； 所述H橋開關(guān)電路由四個(gè)相同型號(hào)的NMOS管組成，H橋開關(guān)電路改變勵(lì)磁線圈中勵(lì)磁電流的方向，以降低電解質(zhì)液體對(duì)電極的極化作用，抑制電磁流量計(jì)零點(diǎn)的波動(dòng)；所述H橋驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)輸出兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，專門用于驅(qū)動(dòng)H橋中高壓側(cè)的NMOS管和低壓側(cè)的NMOS管； 通過所述遲滯比較電路可以設(shè)置兩個(gè)電壓閾值，一個(gè)上限閾值和一個(gè)下限閾值； 所述系統(tǒng)工作時(shí)，當(dāng)檢流電路上的電流小于遲滯比較電路中設(shè)定的勵(lì)磁電流的閾值下限時(shí)，高低壓切換電路在遲滯比較電路的控制下選通高壓電源；高壓電源經(jīng)過能量回饋電路和高低壓切換電路接至H橋開關(guān)電路，給勵(lì)磁線圈充電，勵(lì)磁線圈中的電流增加，且上升速度較快；當(dāng)勵(lì)磁電流上升到遲滯比較電路中設(shè)定的勵(lì)磁電流的上限閾值時(shí)，高低壓切換電路在遲滯比較電路的控制下選通低壓電源和恒流源控制電路；在低壓電源工作時(shí)，恒流源控制電路快速調(diào)整，并進(jìn)入勵(lì)磁電流恒定的狀態(tài)，電磁流量計(jì)在勵(lì)磁電流恒定時(shí)進(jìn)行流量的測(cè)量橋開關(guān)電路由勵(lì)磁時(shí)序電路和H橋驅(qū)動(dòng)電路控制，H橋開關(guān)電路工作的方式是對(duì)臂聯(lián)動(dòng)導(dǎo)通橋開關(guān)電路控制勵(lì)磁電流的方向，在每個(gè)周期中，勵(lì)磁電流方向?yàn)檎蜑樨?fù)的時(shí)間各占半個(gè)周期；在每半個(gè)周期結(jié)束時(shí)，勵(lì)磁線圈中的能量會(huì)被吸收到能量回饋電路中，并在下半個(gè)周期開始時(shí)，能量回饋電路將吸收到的能量回饋給勵(lì)磁線圈，實(shí)現(xiàn)了能量的回收利用，提高電源的利用效率。
2.如權(quán)利要求1所述的一種功耗較低的高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)，其特征在于:所述高低壓切換電路由PMOS管Q6、NM0S管Q5、二極管D3、電阻R5和電阻R8組成；電阻R5上的分壓為PMOS管Q6的柵極和源極提供驅(qū)動(dòng)電壓，高壓電源接在PMOS管Q6的源極，當(dāng)NMOS管Q5管導(dǎo)通時(shí)，PMOS管Q6導(dǎo)通，高壓電源經(jīng)過能量回饋電路和高低壓切換電路接至H橋開關(guān)電路的上端，直接給勵(lì)磁線圈充電；高壓電源經(jīng)過高低壓切換電路之后，接在二極管D3的陰極，二極管D3起到鉗位的作用，使低壓電源無法通過；當(dāng)NMOS管Q5截止時(shí)，PMOS管Q6的柵極和源極之間的電壓為0，PMOS管Q6截止，高壓電源和能量回饋電路被截止，低壓電源經(jīng)過恒流源控制電路，給勵(lì)磁線圈充電，維持勵(lì)磁電流的穩(wěn)定。
3.如權(quán)利要求1所述的一種功耗較低的高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)，其特征在于:所述恒流源控制電路是由運(yùn)算放大器U3、PNP三極管管Q7、NPN三極管Q8、電阻R3、電阻R4、電阻R6、電阻R7、電阻R9、電阻RlO及基準(zhǔn)源Vref組成；其中，基準(zhǔn)源Vref決定恒流控制中勵(lì)磁電流的恒定值的大?。徽`差放大器由運(yùn)算放大器U3、電阻R3、電阻R4、電阻R9和電阻RlO組成；誤差放大器將檢流電路上的反饋電壓VFB與基準(zhǔn)源Vref進(jìn)行比較，控制NPN三極管Q8和PNP三極管Q7的工作狀態(tài)，維持勵(lì)磁線圈中電流的恒定；在低壓電源供電時(shí)，恒流源控制電路維持勵(lì)磁線圈中電流值的恒定；在恒流源控制電路中，三極管Q7和三極管Q8工作在線性放大區(qū)；當(dāng)勵(lì)磁線圈上的電流減小時(shí),檢流電路上的反饋電壓VFB小于基準(zhǔn)源Vref，誤差放大器輸出的電壓值較大，NPN三極管Q8的基極電流增大，進(jìn)而NPN三極管Q8的集電極電流增大，即PNP三極管的基極電流增加，使PNP集電極電流增加，勵(lì)磁電流增大，勵(lì)磁線圈上的電壓增加，PNP三極管分擔(dān)的壓降減小；當(dāng)勵(lì)磁線圈上的電流增大時(shí)，檢流電路上的反饋電壓VFB大于基準(zhǔn)電源Vref，誤差放大器輸出的電壓減小，NPN三極管Q8的基極電流減小，進(jìn)而NPN三極管Q8的集電極電流減小，即PNP三極管的基極電流減小，使PNP集電極電流減小，勵(lì)磁電流減小，勵(lì)磁線圈上的電壓減小，PNP三極管分擔(dān)的壓降增大；通過PNP三極管Q7、NPN三極管Q8和運(yùn)算放大器的調(diào)節(jié)，使勵(lì)磁電流穩(wěn)定在設(shè)定值。
4.如權(quán)利要求1所述的一種功耗較低的高低壓電源切換勵(lì)磁控制系統(tǒng)，其特征在于:所述H橋開關(guān)電路和H橋驅(qū)動(dòng)電路，由第一驅(qū)動(dòng)芯片U4、第二驅(qū)動(dòng)芯片U5，NMOS管Ql、Q2、Q3、Q4，電容 C6、C7、C8、C9、C10、C11，電阻 R14、R15、R16、R17，二極管 D4、D5 組成；所述 NMOS管Ql、Q2、Q3、Q4型號(hào)相同，構(gòu)成H橋開關(guān)電路，其中NMOS管Ql、Q2為高壓側(cè)的NMOS管，NMOS管Q3、Q4為低壓側(cè)的NMOS管，驅(qū)動(dòng)芯片為集成芯片IR2110出橋驅(qū)動(dòng)電路中的第一驅(qū)動(dòng)芯片U4和第二驅(qū)動(dòng)芯片U5同時(shí)輸出兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，專門用于驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)的NMOS管和低壓側(cè)的NMOS管的集成芯片IR2110。
5.如權(quán)利要求1所述的一種功耗較低的高低壓切換電源勵(lì)磁控制系統(tǒng)，其特征在于:所述遲滯比較電路由比較器U1、電阻R12、電阻Rll和基準(zhǔn)源Vrefl組成；通過遲滯比較電路，可以設(shè)置兩個(gè)電壓閾值，一個(gè)上限閾值和一個(gè)下限閾值；遲滯比較器的負(fù)端接在檢流電路的反饋電壓VFB上，當(dāng)勵(lì)磁線圈中的電流小于遲滯比較器的設(shè)置的下限閾值時(shí)，遲滯比較器輸出高電平；當(dāng)勵(lì)磁線圈中的電流大于遲滯比較器的上限閾值時(shí)，遲滯比較器輸出低電平。
【文檔編號(hào)】G01F1/60GK104266700SQ201410515971
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)明者】徐科軍, 許偉, 楊雙龍, 梁利平, 方敏 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)