專利名稱：高效率線性電源大閉環(huán)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
高效率線性電源是一種新型線性電源，其精髓是最大限度地提升線性電源的效 率，而效率的提升則由大閉環(huán)反饋系統(tǒng)來實現(xiàn)，因核心部件《電源調(diào)整管》工作在動態(tài)極限 狀態(tài)，稍有問題即會使系統(tǒng)崩潰，故系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常重要，該技術(shù)屬電源電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)今直流穩(wěn)壓電源兩大體系——線性電源和開關(guān)電源。開關(guān)電源具有很高的效 率，但由于開關(guān)管工作在飽和與截止?fàn)顟B(tài)，有很多難以確定的因素，所以其它技術(shù)指標(biāo)，特 別是紋波方面都遠低于線性電源。線性直流穩(wěn)壓電源的電源調(diào)整管工作在線性區(qū)，很多技 術(shù)指標(biāo)都可以精確計算和確定，但調(diào)整管要承受很大的功率損耗，因此效率很低。迄今為 止，開關(guān)電源高效率、低指標(biāo)和線性電源高指標(biāo)、低效率數(shù)十年來長期為人們公認。新型高效率線性電源可以做到高效率和高指標(biāo)并存，它的問世將改變這個論斷。但作為應(yīng)用極其廣泛的新電子技術(shù)產(chǎn)品，有很多問題需要解決，其中一個重要的 技術(shù)問題是《系統(tǒng)的穩(wěn)定性》。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明技術(shù)從理論和實踐兩個方面定性和定量認證高效率線性電源按圖1所示 的大閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)可以在任何環(huán)境變化下穩(wěn)定地工作。首先定性了解高效率線性電源 反饋的工作過程在《電源調(diào)整管》的輸入和輸出端取出采樣電壓，分別送到《壓差比較設(shè)定》的同相 和反相輸入端作減法運算，將運算出的差值電壓和設(shè)定壓差比較后，將誤差電壓送到《壓差 控制》進行量值轉(zhuǎn)換，經(jīng)《線性光耦》隔離后的反饋信號對高壓隔離開關(guān)電源的輸出電壓進 行控制，當(dāng)電源調(diào)整管的輸出電壓改變時，電源調(diào)整管的輸入電壓作相應(yīng)改變，即直流穩(wěn)定 電源的輸出電壓和輸出電流在額定范圍內(nèi)作任何改變，電源調(diào)整管輸出輸入兩端的壓差始 終精確控制在預(yù)先設(shè)定的壓差，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。例如設(shè)輸出電壓V。丨，則《壓差比較設(shè)定》輸出電壓丨?！秹翰羁刂啤份敵鲭?壓丨，《線性光耦》輸出電流丨，《開關(guān)電源》的輸出脈沖寬度丨，變壓器Bl輸出電壓Vi丨，以 此達到電源調(diào)整管輸入輸出壓差不變，反之亦然。確保上述自動控制能完成有兩點1.開 關(guān)電源能夠全程功率調(diào)節(jié)，2.電源調(diào)整管輸出輸入兩端的壓差在任何情況都必須大于其飽 和壓降，即Vi-V。> VCES如果高效率線性電源不能滿足前者條件，則在全輸出功率范圍內(nèi)效率有一定影 響，而后者即使是瞬間條件不能滿足，系統(tǒng)就會失控，甚至導(dǎo)致崩潰。但壓差也不能設(shè)得過 大，否則會降低產(chǎn)品的整機效率。下面分析如何方便而正確地確定Vi-V。的數(shù)值
參見圖1和圖3，圖3是電源調(diào)整管輸出輸入兩端的直流電壓隨時間變化的理想曲 線，該圖縱座標(biāo)為定量的電壓，每條橫線為0. IV，橫座標(biāo)為時間，定性表示電壓的變化。這里的理想曲線的含意是1.濾波電容Cc、Ci、Co根據(jù)電源的最大輸出電流正確選取，因為電容 上的電壓是按dv/dt的規(guī)律變化而不能跳變，理論上電容量越大越好，但需要考慮成本因 素合理選取。推薦選取的標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)高頻開關(guān)電源的工作頻率為ΙΟΟΚΗζ，則每輸出IA電流， Co為1000UF，Ci為100UF，Cc為100UF，各電容最好用1/2容量的兩個并聯(lián)，Ci和Cc采用 高頻電解電容。2.各電容上沒有疊加噪擾電壓。從圖3的曲線圖上可以看到Vi的峰-峰 值電壓約140mV，Vc的峰-峰值電壓約560mV(該值為高效率線性電源在輸出3A電流時的 實測數(shù)據(jù))，因此，從最大限度地提升效率考慮，電源調(diào)整管的輸入端不可接Vc，只能接Vi。 現(xiàn)今一般大功率晶體管(特別是一些頻率不高而價格很低的大功率開關(guān)管)和大電流低壓 差線性電源模塊當(dāng)最大輸出電流為其額定電流的1/2時，飽和壓降能小于0. 5V(具體 使用需對這些器件進行測試)，以上是一些靜態(tài)參數(shù)，動態(tài)參數(shù)還有1。各電容選取的質(zhì)量 差異；2。非瞬態(tài)發(fā)生的電壓疊加于上述電壓之上(這些電壓有負載突變、濾波電解電容偶 爾出現(xiàn)的性能不穩(wěn)定、劇烈的干擾電壓、其它不可知因素)；3。大閉環(huán)反饋過程和動作的時 間。問題1。和2。不是普遍現(xiàn)象影響也不大，可以用留出壓差余量解決，問題3。影響到系 統(tǒng)的可靠運行故需要確定性的對待。基于兩個原因，兩次反饋的間隔時間不能太短，1。反 饋不能對高頻開關(guān)電源的工作產(chǎn)生任何影響；2。相對而言，各濾波電容上的直流電壓是按 dv/dt的規(guī)律緩慢變化的，反饋慢一點對整機效率沒有多大影響，只需把壓差余量多留一點 而已，因此，將兩次反饋的周期定為開關(guān)電源振蕩周期的十倍以上，對以上兩個問題沒有影 響。對反饋周期能起定量作用的器件由圖2中的C14確定。綜上所述，如果按以上原則選取相關(guān)元器件，將電源調(diào)整管輸入輸出壓差(Vi-V。) 定為電源調(diào)整管飽和壓降的2倍(例如飽和壓降為0. 5V，則Vi-V。= 2X0. 5V = IV)，可確 保高效率線性電源在任何輸出電壓和電流下安全而穩(wěn)定地工作。以上各關(guān)鍵器件和電源調(diào)整管輸入輸出壓差的選取原則同樣也適合固定電壓輸 出的高效率線性電源，因此類電源輸出電壓調(diào)節(jié)范圍很小，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求相比之下
要低一些。本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)和有益效果是高效率線性電源以其高效節(jié)能、成本低廉的優(yōu)勢必然會獲得廣泛使用，而電源的 品種規(guī)格極多，系統(tǒng)的穩(wěn)定涉及高效率線性電源的各個重要功能單元，統(tǒng)一定性、定量的確 定各關(guān)鍵器件性能和參數(shù)的選擇標(biāo)準(zhǔn)，對保障高效率線性電源安全可靠地工作，減輕產(chǎn)品 的設(shè)計、生產(chǎn)和維修的工作量和降低產(chǎn)品的故障率大有幫助。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖1是通用的高效率線性電源大閉環(huán)反饋原理框圖，圖中的《電源調(diào)整管》代表任 意線性電源輸出功率調(diào)整器件?！陡邏洪_關(guān)電源》視輸出功率和技術(shù)要求可以采用任意拓撲 結(jié)構(gòu)。該圖省略《輸出電壓調(diào)整》單元部分，即可以成為任意輸出功率和電壓的《高效率線 性電源模塊》。圖中的LCji型濾波是必須要的，并且壓差反饋電壓只能從Vi引出，如果引 自Vc，則效率會降低很多且很難可靠工作。圖2是高效率線性電源大閉環(huán)反饋典型電原理圖，這里補充幾個重要元器件參 數(shù)選擇應(yīng)注意的問題。圖中的濾波電感Ll取值不能過大，否則會影響跟蹤時間，一般為10-30UH即可。R5為空載時的負載電阻，如果電源有《全程功率調(diào)節(jié)》電路，則該負載電阻 可以盡量取值大一些也不會對整機正常工作產(chǎn)生影響。運算放大器IC3A輸出端是反饋基 準(zhǔn)電壓，取值很重要，該運放正電源供電6V，一般運放輸出端最高線性工作電壓約4. 5V，而 DZ2的Vref電壓為2. 5V，因此，該點電壓必須在2. 5V到4. 5V之間，如果電源調(diào)整管輸出輸 入壓差Vi-V。為IV，則該點建議取值3. 5V。圖3是電源調(diào)整管輸出輸入電壓變化曲線圖，各關(guān)鍵點電壓是實際測量數(shù)據(jù)，圖 中細線曲線是Vi的低頻紋波，粗線為高頻紋波，Vi為Vi的平均直流電壓，以^i-v。作為電 源調(diào)整管的真正壓差。從該圖可以看到，vc的谷點電壓離調(diào)整管的飽和點是很近的，再由 于各電壓微變的一些不確定因素(如電解電容的穩(wěn)定性、反饋周期等)，故電源調(diào)整管的輸 入反饋電壓取自Vc其系統(tǒng)的穩(wěn)定性很難保障。圖4是高效率線性電源采用工頻變壓器的閉環(huán)反饋電原理圖，現(xiàn)今世界對高頻開 關(guān)電源的電磁兼容性問題還沒有徹底解決，在有些對此有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，目前還需要工 頻變壓器過渡，因工頻變壓器的次級電壓不能調(diào)整，圖中在線性電源和變壓器之間插于低 壓開關(guān)電源來進行反饋控制調(diào)壓，脈寬調(diào)制器可以用開關(guān)電源的任何單雙端輸出調(diào)制芯 片，如廉價的UC3842等，圖中的L2和C4組成的ji型濾波、低壓開關(guān)電源的工作頻率、壓差 反饋電壓Vi和V。的引出原理、各反饋點的數(shù)值設(shè)置、關(guān)鍵器件的技術(shù)參數(shù)都和高壓開關(guān)電 源一樣，該電路的技術(shù)特點是和高壓開關(guān)電源相比效率略低，但輸出電壓的紋波峰值要 小很多。
具體實施例方式下面以圖2為例進一步說明高效率線性電源大閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從電源調(diào)整管BG2的輸入輸出端取出的采樣電壓，分別由R9、R10、R11、R12分壓衰 減十倍(分壓的原因是考慮到運算放大器輸入的共模電壓過高損壞芯片，如果最高采樣電 壓在運算放大器的允許范圍內(nèi)則可以不用分壓電阻)，送到運算放大器的同相和反相輸入 端，經(jīng)放大器減法運算獲取差值電壓，此電壓由R16設(shè)定并由R16/R13放大，作為精密穩(wěn)壓 器TL431控制的反饋電壓，再經(jīng)線性光電耦合器PC817A隔離，控制TOP電源管輸出的振蕩 脈沖寬度，達到輸出穩(wěn)定的跟蹤電壓，這是一個閉環(huán)負反饋過程，設(shè)輸出電壓V。丨，則IC3A 輸出電壓丨。TL431輸出電壓丨，PC817A輸出電流丨，電源管的脈沖寬度丨，變壓器B1輸出 電壓丨，以此達到電源調(diào)整管輸入輸出壓差不變。反之亦然。以上是定性工作過程，其定量 參數(shù)的確定表述如下設(shè)Vi-Vo = IV，TL431的Vref和\之間的電壓為固定值2. 5V，確定 IC3的1腳電壓為3. 5V，以此可以確定R17和R18的電阻值。再將Vi和Vo電壓經(jīng)十倍分 壓衰減進行減法運算，確定(Vi-Vo)/10 = 0. IV，因IC3的1腳電壓為3. 5V即可使Vi_Vo被 控制在IV，故R16/R13應(yīng)等于35，顯然，當(dāng)R13確定之后，改變R16的阻值，即可改變Vi_Vo 的數(shù)值，也即可以確定電源調(diào)整管的輸出輸入壓差。根據(jù)以上分析，高效率線性電源能夠穩(wěn)定工作的另一個判斷條件是2.5V < Vih < 4. 5V0
權(quán)利要求
高效率線性電源大閉環(huán)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是從定性和定量兩個方面使高效率線性電源既能獲得最大限度的提升效率，系統(tǒng)又能穩(wěn)定工作的技術(shù)論證，其特征是在高效率線性電源中，將電源調(diào)整管、濾波電容和電感、運算放大器等電子元器件進行合適搭配和電路組合，構(gòu)成能穩(wěn)定工作的大閉環(huán)反饋系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效率線性電源大閉環(huán)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其特征是電源 調(diào)整管的輸入輸出壓差Vi-Vo ^ IV并以該電壓作為大閉環(huán)反饋系統(tǒng)的設(shè)定電壓，Vi和Vo 作為采樣電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效率線性電源大閉環(huán)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其特征是電源 調(diào)整管的輸入端用LCji型濾波，電源調(diào)整管輸入端的采樣電壓取自該濾波器的后級。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效率線性電源大閉環(huán)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其特征是該穩(wěn) 定工作的大閉環(huán)反饋系統(tǒng)可以用于固定電壓輸出的高效率線性電源模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效率線性電源大閉環(huán)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其特征是該穩(wěn) 定工作的大閉環(huán)反饋系統(tǒng)前半部分可以直接用于采用工頻變壓器的高效率線性電源。
全文摘要
高效率線性電源大閉環(huán)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性技術(shù)是從定性和定量兩個方面認證高效率線性電源按圖1所示的大閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)在任何環(huán)境變化下都能夠穩(wěn)定工作并能達到最大限度提升效率的一些關(guān)鍵器件的正確選取和一些關(guān)鍵工作參數(shù)的確定。這些問題主要有電源調(diào)整管的飽和壓降和輸入輸出端的濾波電容、電感的影響和作用，電源調(diào)整管輸入輸出壓差的設(shè)置和控制、采樣電壓的獲取和大閉環(huán)反饋系統(tǒng)穩(wěn)定工作的條件。得出電源調(diào)整管輸入輸出壓差的最佳數(shù)值是Vi-Vo＝1V的結(jié)論。
文檔編號H02M3/335GK101873069SQ20091006174
公開日2010年10月27日 申請日期2009年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月27日
發(fā)明者程杰保, 程馨如 申請人:武漢市創(chuàng)佳源電子有限公司