專利名稱：高效率線性電源模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明采用電源調(diào)整管輸出輸入電壓自動(dòng)跟蹤技術(shù)，使固定輸出電壓的線性電源效率和 功率密度得到最大限度的提升，從而創(chuàng)造出全功率輸出范圍內(nèi)超小體積的塊狀A(yù)C/DC線性電 源，該技術(shù)屬電源電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前固定電壓輸出的線性電源，為了保證在負(fù)載變化、供電電源電壓變化等情況下，電 源調(diào)整管都能工作在線性區(qū)，其兩端都有幾伏到十幾伏的壓差，當(dāng)輸出電流大時(shí)，電源調(diào)整 管就有很大的功率消耗，因此，目前的線性電源效率很低，其次，電源調(diào)整管必須用散熱器 及風(fēng)機(jī)散熱，這導(dǎo)致線性電源的體積增大。
低壓差線性集成穩(wěn)壓器和模塊效率較高，但工作方式依然是被動(dòng)的，即不能自動(dòng)控制和 改變電源調(diào)整管輸入端電壓，在絕大多數(shù)情況下，其效率高的特性不能體現(xiàn)。另外，這類器 件價(jià)格高且輸出功率不大也限制了其應(yīng)用范圍。
開(kāi)關(guān)電源模塊因效率高，使用量也很大，但一些技術(shù)指標(biāo)太低，猶其是輸出紋波太大難 以克服，故在很多精密電子產(chǎn)品、特別是含模擬量控制的電子產(chǎn)品中都不能使用。
目前為小功率電子產(chǎn)品提供電源的還有采用工頻變壓器的電源適配器，這類產(chǎn)品要消耗 大量的有色金屬和硅鋼材料，效率低，體積大，且無(wú)穩(wěn)壓輸出，和電子產(chǎn)品匹配更增大了產(chǎn) 品的能耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是使線性電源的電源調(diào)整管輸入端直接接高壓隔離開(kāi)關(guān)電源變壓器的次級(jí)電壓， 在電源調(diào)整管的輸入和輸出端取出采樣電壓，分別送到集成運(yùn)算放大器的同相和反相輸入端 作減法運(yùn)算，將運(yùn)算出的差值電壓和設(shè)定壓差比較后，用其誤差電壓對(duì)高壓隔離開(kāi)關(guān)電源的 輸出電壓進(jìn)行控制，在所有不同段的輸出電壓和輸出功率范圍內(nèi)，以及供電電壓變化，電源 調(diào)整管輸出輸入兩端的壓差始終能精確控制在其臨界飽和的線性區(qū)，其功率消耗限制到最低， 從而使線性電源的效率得到最大限度的提升。
本發(fā)明技術(shù)和高壓開(kāi)關(guān)電源的各種拓?fù)錁?gòu)成，從小功率輸出的單端反激、正激、TOP等各 種電源管、大功率輸出的半橋、全橋、推挽等，采用同步整流和有源箝位技術(shù)，都能實(shí)現(xiàn)很 好的接口和控制。
由于線性電源的電源調(diào)整管功率消耗很小，占用電源的空間不大，所以本線性電源模塊 的功率密度能在所有不同的輸出功率下都和開(kāi)關(guān)電源模塊相近。 本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)和有益效果是-
1.電子產(chǎn)品無(wú)用的耗能皆為電源，提高電源的效率可以提高產(chǎn)品的能耗標(biāo)準(zhǔn)；我國(guó)現(xiàn)使 用線性電源的電子產(chǎn)品在10億以上，若全部采用本模塊或本模塊高效率技術(shù)模式，以每個(gè)產(chǎn)品平均年節(jié)電30度計(jì)，我國(guó)可以年節(jié)約電能300億度以上。
2. 本發(fā)明改變了數(shù)十年來(lái)線性電源效率低的狀況，能有效地節(jié)約能源和資源，提高線性 電源的功率密度，降低相關(guān)電子產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和制造成本；
3. 技術(shù)通用性強(qiáng)，模塊的輸出功率從幾瓦到幾百瓦都能適用，技術(shù)可以延伸到幾十千瓦 以上；
4. 開(kāi)關(guān)型電源及電源模塊由于工作方式的限制，很多技術(shù)指標(biāo)難以達(dá)到精密直流電源的 要求，而線性電源很容易做到，本發(fā)明突破了線性電源效率低的瓶頸，將會(huì)產(chǎn)生一種全新的 直流電源理念和格局；
5. 線性電源是極為重要的一種電源，其優(yōu)劣直接影響到各種精密電子產(chǎn)品的性能指標(biāo)， 而線性電源形成的方法很多，水平參差不齊，本發(fā)明將對(duì)規(guī)范直流電源行業(yè)市場(chǎng)、制訂各類 電子產(chǎn)品的行業(yè)能耗標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，起到積極的典范作用。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1和圖2是本發(fā)明的基本原理框圖。用于說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)結(jié)構(gòu)特征。 圖1和圖2中《輸出電壓設(shè)定》可用精密可調(diào)式穩(wěn)壓器TL431、各種集成穩(wěn)壓器或其它 穩(wěn)壓方式實(shí)現(xiàn)。
圖1和圖2中《壓差設(shè)定控制》可用LM358或TL082等通用運(yùn)算放大器。
圖1中《脈寬調(diào)制器》可由精密可調(diào)式穩(wěn)壓器TL431和線性光電藕合器等組成精密負(fù)反
饋回路來(lái)控制分立元件或單片電源管組成的正激、反激單端輸出的開(kāi)關(guān)電源輸出的基本原理
結(jié)構(gòu)框圖。
圖2中《脈寬調(diào)制器》可由雙端輸出的脈寬調(diào)制器集成芯片如SG3524、 TL494等組成， 用于對(duì)不同拓?fù)淙绨霕颉⑷珮?、推挽等大功率開(kāi)關(guān)電源輸出脈寬控制的基本原理結(jié)構(gòu)框圖。
圖3、圖4和圖5是本發(fā)明的三個(gè)典型可實(shí)施例，各元器件使用及元器件參數(shù)選用僅用 于對(duì)該可實(shí)施例的原理和工作方式的詳細(xì)說(shuō)明，由于本發(fā)明的應(yīng)用范圍可涉足整個(gè)固定輸出 電壓的直流穩(wěn)壓電源和所有釆用線性電源的電子產(chǎn)品，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)其處理方式以及 輸出功率要求的不同會(huì)有很多不同的電路組成結(jié)構(gòu)。
圖3、圖4和圖5中，3V電壓為一組獨(dú)立電源，迭加在主輸出電壓上，提供集成穩(wěn)壓器 或復(fù)合管BG1正常工作的必要電壓，以保證電源調(diào)整管在IV以下的壓差下正常工作，在輸 出電壓小于9V的情況下，還可以兼作輔助電源，如圖3。
圖6是本發(fā)明兩種輸出功率的典型體積尺寸，用以對(duì)本發(fā)明的高效率和高功率密度的感 性了解，實(shí)際上，根據(jù)輸出電壓和輸出功率的不同，本發(fā)明可以形成十多種體積尺寸和一百 多種型號(hào)規(guī)格品種。
具體實(shí)施例方式
圖3、圖4和圖5是本發(fā)明三種完整體現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)構(gòu)思的典型電原理圖，下面加以詳細(xì) 說(shuō)明。
圖3可用于和TOP系列電源管構(gòu)成的單端反激開(kāi)關(guān)電源接口，輸出功率30W以下、輸出電流小于2A的線性電源模塊，模塊的整機(jī)效率大于70%。
圖中，從電源調(diào)整管BG2輸入輸出端分別取出采樣電壓，送到運(yùn)算放大器IC2A的同相 和反相輸入端，經(jīng)放大器減法運(yùn)算獲取差值電壓，此電壓作為精密穩(wěn)壓器TL431控制的基準(zhǔn) 電壓，經(jīng)光電耦合器PC817A，控制TOP247Y輸出的振蕩脈沖寬度，達(dá)到輸出穩(wěn)定的跟蹤電 壓，這是一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋過(guò)程，設(shè)BG2輸入電壓ViT，貝ijIC2A輸出電壓T。 TL431輸出電壓 i， PC817A輸出電流T， TOP247Y的脈沖寬度i,變壓器Bl輸出電壓i，以此達(dá)到電源調(diào)整 管輸入輸出壓差不變。反之亦然，改變電阻R16和R13的比值即可改變BG2輸入輸出壓差 的大小。由IC2B等元件構(gòu)成過(guò)流保護(hù)電路，當(dāng)發(fā)生過(guò)流時(shí)，IC2B輸出高電壓使BG3飽和導(dǎo) 通，BG1和BG2截止，輸出電壓為O,由R22和K1組成正反饋?zhàn)枣i回路，Kl為一常閉按鈕， 排除負(fù)載故障后，按一下K1，模塊即可恢復(fù)正常工作。
圖4為輸出功率在2CM50W，輸出電流可達(dá)10A以上的多路電壓輸出模塊典型實(shí)施方式。 圖中輔助電壓是假定輸出電壓大于12V而設(shè)計(jì)的供電方式，若輸出電壓小于12V，可采用圖 3的供電方法。本圖中，Rb為均衡電阻，當(dāng)輸出電流很大時(shí)，以保證多個(gè)BG2并聯(lián)其輸出電 流平均分配。第二路輸出中，IC4可以采用普通三端穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器，如果輸出電流 較大，為提高效率，也可以采用主輸出的原理方法，圖中RIO、 Rll、 R12需根據(jù)各路輸出電 流大小、穩(wěn)壓精度要求等因素正確選配。
圖5為線性電源和由功率MOS管組成的半橋式開(kāi)關(guān)電源的典型接口方法，該電路的輸 出功率大于150W，合理選取BG2的參數(shù)和個(gè)數(shù)，輸出電流可以任意大。
圖5中，從電源調(diào)整管BG2輸出輸入端分別取出采樣電壓，送到運(yùn)算放大器IC2A的同 相和反相輸入端，經(jīng)減法運(yùn)算后獲取差值電壓，送到IC1的反相輸入端，和同相輸入端的基 準(zhǔn)電壓比較，其誤差電壓來(lái)控制IC1輸出的脈沖寬度，達(dá)到輸出穩(wěn)定的跟蹤電壓，上述過(guò)程 是一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋過(guò)程，設(shè)電源調(diào)整管BG2的輸入電壓ViT， IC2A輸出電壓T， IC2輸出電 壓的脈寬寬度i，高頻變壓器輸出電壓i，以此達(dá)到電源調(diào)整管輸入輸出壓差不變。反之亦然。
本發(fā)明的共性問(wèn)題處理方法理論上，電源調(diào)整管輸入輸出壓差越小，線性電源模塊的 效率越高，功率密度越大，如果電源調(diào)整管的輸入端濾波電容C8無(wú)限大，是可以做到的， 但C8越大，體積越大，成本越高，所以這兩點(diǎn)要合理選配，從現(xiàn)今半導(dǎo)體技術(shù)和材料成本 綜合考慮，先將壓差定為電源調(diào)整管的飽和壓降Vb+0.2V，在保證電源調(diào)整管完全工作在線 性區(qū)的條件下再確定C8容量的大小較為合理。
權(quán)利要求
1.高效率線性電源模塊，可使固定電壓輸出的線性電源的效率和功率密度最大限度提升而創(chuàng)造的一種新的系列AC/DC電源產(chǎn)品，其特征是線性電源的電源調(diào)整管輸入端直接接高壓隔離開(kāi)關(guān)電源的次級(jí)電壓，在電源調(diào)整管的輸入和輸出端取出采樣電壓，分別送到集成運(yùn)算放大器的同相和反相輸入端作減法運(yùn)算，將運(yùn)算出的差值電壓和設(shè)定壓差比較后，用其誤差電壓對(duì)高壓隔離開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓進(jìn)行控制，無(wú)論供電電壓和輸出功率如何改變，電源調(diào)整管輸入輸出兩端的壓差始終精確控制在其臨界飽和的線性區(qū)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高效率線性電源模塊，其特征是電源調(diào)整管輸入輸出電壓自動(dòng)跟 蹤技術(shù)和高壓隔離開(kāi)關(guān)電源的各種拓?fù)錁?gòu)成，小功率輸出的單端反激、正激、TOP系列等各種電源管、大功率輸出的半橋、全橋、推挽、采用同步整流和有源箝位技術(shù)，都能實(shí)現(xiàn)很好 的接口和控制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效率線性電源模塊，其特征是由一個(gè)大于3V，獨(dú)立的直流電壓向控制電源調(diào)整管輸出電壓和電流的電路供電，該電壓疊加在電源調(diào)整管的輸入電壓上。
全文摘要
高效率線性電源模塊是采用電源調(diào)整管輸出輸入電壓自動(dòng)跟蹤技術(shù)，使固定輸出電壓的線性電源效率和功率密度得到最大限度的提升，從而創(chuàng)造出全功率輸出范圍內(nèi)超小體積的塊狀A(yù)C/DC線性電源，模塊具有完善的線性電源使用功能，可以應(yīng)用到所有需要固定線性電源的電子產(chǎn)品。本發(fā)明技術(shù)和高壓開(kāi)關(guān)電源的各種拓?fù)錁?gòu)成，從小功率輸出的單端反激、正激、TOP等各種電源管、大功率輸出的半橋、全橋、推挽等，采用同步整流和有源箝位技術(shù)，都能實(shí)現(xiàn)很好的接口和控制。本發(fā)明技術(shù)通用性很強(qiáng)，模塊的輸出功率從幾瓦到幾百瓦都能適用，技術(shù)可以延伸到幾十千瓦以上。
文檔編號(hào)H02M7/155GK101662221SQ20081004896
公開(kāi)日2010年3月3日 申請(qǐng)日期2008年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月25日
發(fā)明者程杰保 申請(qǐng)人:程杰保