CN100394343C - 参数式开关稳压电源及其控制电路 - Google Patents
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Abstract
一种参数式开关稳压电源，包括：高频变换电路(2)、整流滤波电路(3)，一个控制电路(1)连接在外部直流电源和所述高频变换电路(2)之间，所述控制电路(1)产生频率固定而脉冲宽度随外部电源电压的大小变化而自行调节的方波信号控制高频变换电路(2)；其特征在于：所述控制电路(1)包括：取样电路(4)、阻抗变换电路(5)、积分电路(6)、脉宽比较器(7)、方波发生器(8)；本发明具有效率高，可靠性高、功耗小，散热好，产品一致性好，生产工艺简单，可广泛应用于直流稳压、电隔离器等工业控制设备、仪器中，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于开关稳压电源的控制电路，具体涉及一种用于直流稳压的开关稳压电源的控制电路，并且涉及具有该控制电路的参数式开关稳压电源。
背景技术
在工业自动化控制中，信号隔离器被广泛应用，在传统的信号隔离器中采用的稳压电路大多采用推挽变换电路，并且需要在推挽变换电路前加入串联稳压电路，这种控制这种方式的电路效率低，功耗大，散热问题不好解决，设备体积大，对推挽变换电路的输出开关功率对管要求高，如果匹配不好，会由于开关管的开关特性和管压降的不同造成高频变压器铁芯的单向偏磁现象，进而引起铁芯饱和造成输出开关功率对管损坏；而单纯采用模拟稳压电源电路不能做到电器隔离，同时电压调整的功耗也比较大。
发明内容
针对上述已有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供一种可靠性高、功耗小，效率高的开关稳压电源的控制电路。
本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种具有上述控制电路的开关稳压电源。
为了解决上述技术问题，本发明的一个技术方案是，提供一种用于开关稳压电源的控制电路，包括取样电路、阻抗变换电路、积分电路、脉宽比较器、方波发生器；
所述取样电路：用于将外接直流电源电压变换成所需电压；
所述阻抗变换电路：进行阻抗变换；阻抗变换电路的输入端连接取样电路的输出端、阻抗变换电路的输出端连接积分电路的输入端；
所述积分电路：将阻抗变换电路输出的电压信号转换成对应斜率的锯齿波信号控制脉宽比较器产生的方波信号的占空比；
所述方波发生器：产生频率固定、脉冲宽度固定的方波信号输入到积分电路和脉宽比较器，控制积分电路输出的锯齿波信号的频率以及控制脉宽比较器的翻转时间；
所述脉宽比较器：受所述积分电路和方波发生器的控制，产生频率固定而脉冲宽度随积分电路输出的锯齿波信号的斜率而自行变化的方波信号。
根据本发明的一个优选方案，所述取样电路由场效应管Q2、电阻R2、R3、R6，稳压管D3、电容C3、跟随器U1C组成；所述场效应管Q2的漏极接外部直流电源电压UC，场效应管Q2的栅极同时连接稳压管D3的N极、电容C3、电阻R6、跟随器U1C的同相端，所述电阻R6的另一端与场效应管Q2的源极相连，所述电容C3的另一端和所述稳压管D3的P极接地；所述跟随器U1C的反相端与跟随器U1C的输出端相连，电阻R2与R3串联，电阻R2的另一端接外部直流电源电压UC，电阻R3的另一端接跟随器U1C的输出端，电阻R2与R3的连接节点连接到阻抗变换电路。
根据本发明的一个优选方案，所述脉宽比较器包括与非门U2A、U2B、U2C。
根据本发明的一个优选方案，所述积分电路由电阻R4、R5、R1、比较器U1B、三极管Q1、稳压管D1、二级管D2、电容C2组成，所述电阻R4和电阻R1连接所述阻抗变换电路的输出端，所述电阻R4的另一端连接比较器U1B的同相输入端，并通过电阻R5接地，所述电阻R1的另一端连接所述比较器U1B的反相输入端，同时与三极管Q1的发射极相连，所述三极管Q1的基极与比较器U1B的输出端相连，所述三极管Q1的集电极通过电容C2接地，在电容C2的两端并联稳压管D1，同时所述三极管Q1的集电极连接到脉宽比较器的输入端并通过一个正向连接的二级管D2连接方波发生器的输出端。
根据本发明的另一个技术方案，一种参数式开关稳压电源，包括：
高频变换电路：采用反激式高频变换电路，将直流信号变换成交流信号输出到整流滤波电路；
整流滤波电路：输入端连接高频变换电路，将高频变换电路输出的交流信号进行整流滤波后输出；
一个控制电路连接在外部直流电源和所述高频变换电路之间，所述控制电路产生频率固定而脉冲宽度随外部电源电压的大小变化而自行调节的方波信号控制高频变换电路。
当外部电源电压升高时，所述控制电路输出的方波脉冲的占空比变小，当外部电源电压降低时，所述控制电路输出的方波脉冲的占空比变大，使得所述稳压电源的输出电压不随外部电源电压的变化而变化，始终稳定在一个恒定的电压值上。
而且，所述控制电路包括取样电路、阻抗变换电路、积分电路、脉宽比较器、方波发生器；
所述取样电路：用于将外接直流电源电压变换成所需电压；
所述阻抗变换电路：进行阻抗变换；阻抗变换电路的输入端连接取样电路的输出端、阻抗变换电路的输出端连接积分电路的输入端；
所述积分电路：将阻抗变换电路输出的电压信号转换成对应斜率的锯齿波信号控制脉宽比较器产生的方波信号的占空比；
所述方波发生器：产生频率固定、脉冲宽度固定的方波信号输入到积分电路和脉宽比较器，控制积分电路输出的锯齿波信号的频率以及控制脉宽比较器的翻转时间；
所述脉宽比较器：受所述积分电路和方波发生器的控制，产生频率固定而脉冲宽度随积分电路输出的锯齿波信号的斜率而自行变化的方波信号输入到高频变换电路。
而且，所述取样电路可以由场效应管Q2、电阻R2、R3、R6，稳压管D3、电容C3、跟随器U1C组成；所述场效应管Q2的漏极接外部直流电源电压UC，场效应管Q2的栅极同时连接稳压管D3的N极、电容C3、电阻R6、跟随器U1C的同相端，所述电阻R6的另一端与场效应管Q2的源极相连，所述电容C3的另一端和所述稳压管D3的P极接地；所述跟随器U1C的反相端-与跟随器U1C的输出端相连；电阻R2与R3串联，电阻R2的另一端接外部直流电源电压UC，电阻R3的另一端接跟随器U1C的输出端，电阻R2与R3的连接节点连接到阻抗变换电路5。
而且，所述脉宽比较器包括与非门U2A、、U2B、U2C。
而且，所述积分电路可以由电阻R4、R5、R1、比较器U1B、三极管Q1、稳压管D1、二级管D2、电容C2组成，所述电阻R4和电阻R1连接所述阻抗变换电路的输出端，所述电阻R4的另一端连接比较器U1B的同相输入端，并通过电阻R5接地，所述电阻R1的另一端连接所述比较器U1B的反相输入端，同时与三极管Q1的发射极相连，所述三极管Q1的基极与比较器U1B的输出端相连，所述三极管Q1的集电极通过电容C2接地，在电容C2的两端并联稳压管D1，同时所述三极管Q1的集电极连接到脉宽比较器的输入端并通过一个正向连接的二级管D2连接方波发生器的输出端。
而且，所述变换电路包括一个场效应三极管。
本发明所述的参数式开关稳压电源的有益效果是，由于控制电路的取样电压直接从外部直流电源取样并控制输出脉冲的占空比来调整输出电压，因此稳压电源效率高，采用反激式变换电路，无输出开关功率对管，因此可靠性高、功耗小，散热好，产品一致性好，生产工艺简单，可广泛应用于直流稳压、电隔离器等工业控制设备、仪器中，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明所述的控制电路的原理框图。
图2是本发明所述的参数式开关稳压电源的原理框图。
图3是本发明所述的参数式开关稳压电源的原理图。
具体实施方式
参见图1，本发明所述的参数式开关稳压电源的控制电路1由取样电路4、阻抗变换电路5、积分电路6、脉宽比较器7、方波发生器8组成；将取样电路4的输入端连接外部直流电源，取样电路4的输出端连接阻抗变换电路5的输入端，阻抗变换电路5的输出端连接积分电路6的输入端，积分电路6的输出端连接脉宽比较器7的一个输入端，方波发生器8的输出端连接连接脉宽比较器7的另一个输入端，同时方波发生器8的输出端连接积分电路6的控制端即构成所述控制电路1。其中，所述取样电路4用于将外部直流电源电压UC变换成所需电压UK；所述阻抗变换电路5进行阻抗变换；阻抗变换电路5的输出电压UK1等于取样电路4的输出电压UK，所述方波发生器8产生频率固定、脉冲宽度固定的方波信号输入到积分电路6和脉宽比较器7，控制积分电路6输出的锯齿波信号的频率以及控制脉宽比较器7的翻转时间；所述积分电路6将阻抗变换电路5输出的电压信号UK1转换成对应斜率的锯齿波信号控制脉宽比较器7产生的方波信号的占空比；该锯齿波信号的频率与方波发生器8输出的方波的频率一致，所述脉宽比较器7受所述积分电路6和方波发生器8的控制，产生频率固定而脉冲宽度随积分电路6输出的锯齿波信号的斜率而自行变化的方波信号输入到变换电路2。
参见图2，本发明所述的参数式开关稳压电源由控制电路1、变换电路2、整流滤波电路3组成，将控制电路1的输入端连接外部直流电源，输出端连接变换电路2的输入端，变换电路2的输出端连接整流滤波电路3的输入端；其中控制电路1产生频率固定而脉冲宽度随外部电源电压的大小变化而自行调节的方波信号，高频变换电路2采用反激式高频变换电路，将直流信号变换成交流信号，整流滤波电路3将高频变换电路2输出的交流信号进行整流滤波后输出。
当外部电源电压UC升高时，所述控制电路输出的脉冲的占空比变小，当外部电源电压UC降低时，所述控制电路输出的脉冲的占空比变大，使得所述稳压电源的输出电压不随外部电源电压的变化而变化，始终稳定在一个恒定的电压值上。
参见图3，所述取样电路4由场效应管Q2、电阻R2、R3、R6，稳压管D3、电容C3、跟随器U1C组成；所述场效应管Q2的漏极D接外部直流电源电压UC，场效应管Q2的栅极G同时连接稳压管D3的N极、电容C3、电阻R6、跟随器U1C的同相端+，所述电阻R6的另一端与场效应管Q2的源极S相连，所述电容C3的另一端和所述稳压管D3的P极接地；所述跟随器U1C的反相端-与跟随器U1C的输出端相连；电阻R2与R3串联，电阻R2的另一端接外部直流电源电压UC，电阻R3的另一端接跟随器U1C的输出端，电阻R2与R3的连接节点连接到阻抗变换电路5。
所述积分电路6由电阻R4、R5、R1、比较器U1B、三极管Q1、稳压管D1、二级管D2、电容C2组成，所述电阻R4和电阻R1连接所述阻抗变换电路5的输出端，所述电阻R4的另一端连接比较器U1B的同相输入+端，并通过电阻R5接地，所述电阻R1的另一端连接所述比较器U1B的反相输入-端，同时与三极管Q1的发射极相连，所述三极管Q1的基极与比较器U1B的输出端相连，所述三极管Q1的集电极通过电容C2接地，在电容C2的两端并联稳压管D1，同时所述三极管Q1的集电极连接到脉宽比较器7的输入端并通过一个正向连接的二级管D2连接方波发生器8的输出端。
所述脉宽比较器7由与非门U2A、U2B、U2C、电阻R16、电容C28组成，所述与非门U2A的一个输入端连接积分电路6的输出端，并且该输入端还通过一个正向连接的二极管D2与方波发生器8的输出端相连，所述与非门U2A的另一个输入端连接一个高电平，所述与非门U2A的输出端连接到另一个与非门U2B的一个输入端，与非门U2B的另一个输入端连接方波发生器8的输出端，与非门U2B的输出端连接到与非门U2C的一个输入端，与非门U2C的另一个输入端通过电容C28接地，并通过电阻R16接高电平，与非门U2C的输出端通过电容C9、电阻R40接高频变换电路2。
所述高频变换电路2由场效应三极管Q7、高频变压器B1组成。
所述方波发生器8由与非门U6A、U6B、电阻R13、R7、R17、电容C6组成。
所述阻抗变换电路5由射极跟随器U1A构成。
在单端反激变换电路中输出电压U0＝UC*N*δ/(1-δ)其中，UC是外部输入直流电压，N是变换电路2中的高频变压器的匝比，N＝N2/N1，δ是占空比；由于变换电路2中的高频变压器的匝比是定值，因此当输入电压变化时，要保证输出电压为一个定值，需要保证UC*δ/(1-δ)为定值。
参见图3，阻抗变换电路5的输出电压UK1等于取样电路4的输出电压UK，电压UK1通过电阻R1对电容C2的充电，当充电电压到达与非门U2A的触发门限电压时，与非门U2A被触发翻转输出低电平，并控制与非门U2B输出高电平，与非门U2C输出低电平；当方波发生器8输出的脉冲下降沿来到后，电容C2快速放电，与非门U2A反转输出变为高电平，与非门U2B输出还是为高电平，与非门U2C输出还是低电平，当方波发生器8输出的脉冲的上升沿来到时，与非门U2A输出还是高电平，这时与非门U2B输出翻转变为低电平，与非门U2C输出转为高电平，阻抗变换电路5的输出电压UK1再次通过电阻R1对电容C2的充电进入下一个循环。当输入电源电压UC在一定范围内变化时，取样电路4的输出电压UK也在一定范围内变化，当输入电压变高时，取样电路4的输出电压UK随着升高，阻抗变换电路5的输出电压UK1升高，通过电阻R1对电容C2的充电电流变大，充电速度加快，电容C2输出的锯齿波信号使与非门U2A被快速触发翻转输出低电平的时间朝前提，并控制与非门U2B输出高电平的时间朝前提，同时与非门U2C输出低电平的时间也朝前提；当方波发生器8输出的脉冲下降沿来到后，电容C2快速放电，与非门U2A反转输出变为高电平，与非门U2B输出还是为高电平，与非门U2C输出还是低电平，当方波发生器8输出的脉冲的上升沿来到时，这时与非门U2B输出变为低电平，与非门U2C输出转为高电平，阻抗变换电路5的输出电压UK1再次通过电阻R1对电容C2的充电，电容C2的充电电压再次快速将与非门U2A触发翻转输出低电平；反之，当外部输入直流电压减小时，取样电路4的输出电压UK随着减小，阻抗变换电路5的输出电压UK1减小，通过电阻R1对电容C2的充电电流减小，充电速度变慢，电容C2输出的锯齿波信号使与非门U2A被触发翻转输出低电平的时间后延，并控制与非门U2B输出高电平的时间后延，与非门U2C输出低电平的时间也后延，但是由于方波发生器8输出的方波信号的频率固定不变，不论充电电流是大或是小，在电容C2上产生的锯齿波信号的频率始终固定不变，只是电容C2输出的锯齿波信号的斜率发生变化，由此调整脉宽比较器7输出的方波信号的占空比。因此，当外部输入直流电压升高时，脉宽比较器7输出的方波信号的占空比变小，当外部输入直流电压减小时，脉宽比较器7输出的方波信号的占空比变大，使得所述稳压电源的输出电压不随外部电源电压的变化而变化，始终稳定在一个恒定的电压值上。
由于取样电路4的输出电压与外部直流电压UC、稳压管D3的稳压值、电阻R2、R3的比值有关，对电容C2的充电电流的大小与电阻R1、R4、R5有关，因此，只要调整好电阻R1、R2、R3、R4、R5的值，就可以保证输出电压为一个稳定值，经过我们反复实验，若输入电压UC为10V时，调整输出的方波信号的占空比为66％，若输入电压UC为20V时，调整输出的方波信号的占空比为50％，输入电压UC为30V时，调整输出的方波信号的占空比为40％，就能够保证当外部直流电压在10V至30V之间变化时，稳压电源的输出电压在20V±1V范围内波动。
Claims (9)
1.一种构成参数式开关稳压电源的控制电路，包括：取样电路(4)、阻抗变换电路(5)、积分电路(6)、脉宽比较器(7)、方波发生器(8)；其特征在于：
所述取样电路(4)：用于将外部直流电源电压(UC)变换成所需电压(UK)；
所述阻抗变换电路(5)：进行阻抗变换；阻抗变换电路(5)的输入端连接取样电路(4)的输出端、阻抗变换电路(5)的输出端连接积分电路(6)的输入端；
所述积分电路(6)：将阻抗变换电路(5)输出的电压信号(UK1)转换成对应斜率的锯齿波信号控制脉宽比较器(7)产生的方波信号的占空比；
所述方波发生器(8)：产生频率固定、脉冲宽度固定的方波信号输入到积分电路(6)和脉宽比较器(7)，控制积分电路(6)输出的锯齿波信号的频率以及控制脉宽比较器(7)的翻转时间；
所述脉宽比较器(7)：受所述积分电路(6)和方波发生器(8)的控制，产生频率固定而脉冲宽度随积分电路(6)输出的锯齿波信号的斜率而自行变化的方波信号。
2.根据权利要求1所述的开关稳压电源的控制电路，其特征在于：所述取样电路(4)由场效应管Q2、电阻R2、R3、R6，稳压管D3、电容C3、跟随器U1C组成；所述场效应管Q2的漏极(D)接外部直流电源电压UC，场效应管Q2的栅极(G)同时连接稳压管D3的N极、电容C3、电阻R6、跟随器U1C的同相端(+)，所述电阻R6的另一端与场效应管Q2的源极(S)相连，所述电容C3的另一端和所述稳压管D3的P极接地；所述跟随器U1C的反相端(-)与跟随器U1C的输出端相连；电阻R2与R3串联，电阻R2的另一端接外部直流电源电压UC，电阻R3的另一端接跟随器U1C的输出端，电阻R2与R3的连接节点连接到阻抗变换电路(5)。
3.根据权利要求1或2所述的开关稳压电源的控制电路，其特征在于：所述脉宽比较器(7)包括与非门U2A、U2B、U2C。
4.根据权利要求3所述的开关稳压电源的控制电路，其特征在于：所述积分电路(6)由电阻R4、R5、R1、比较器U1B、三极管Q1、稳压管D1、二级管D2、电容C2组成，所述电阻R4和电阻R1连接所述阻抗变换电路(5)的输出端，所述电阻R4的另一端连接比较器U1B的同相输入(+)端，并通过电阻R5接地，所述电阻R1的另一端连接所述比较器U1B的反相输入(-)端，同时与三极管Q1的发射极相连，所述三极管Q1的基极与比较器U1B的输出端相连，所述三极管Q1的集电极通过电容C2接地，在电容C2的两端并联稳压管D1，同时所述三极管Q1的集电极连接到脉宽比较器(7)的输入端并通过一个正向连接的二级管D2连接方波发生器(8)的输出端。
5.一种参数式开关稳压电源，包括：
高频变换电路(2)：采用反激式高频变换电路，将直流信号变换成交流信号输出到整流滤波电路(3)；
整流滤波电路(3)：输入端连接高频变换电路(2)，将高频变换电路(2)输出的交流信号进行整流滤波后输出；
一个控制电路(1)连接在外部直流电源和所述高频变换电路(2)之间，所述控制电路(1)产生频率固定而脉冲宽度随外部电源电压的大小变化而自行调节的方波信号控制高频变换电路(2)；
其特征在于：所述控制电路(1)包括：取样电路(4)、阻抗变换电路(5)、积分电路(6)、脉宽比较器(7)、方波发生器(8)；
所述取样电路(4)：用于将外接直流电源电压(UC)变换成所需电压(UK)；
所述阻抗变换电路(5)：进行阻抗变换；阻抗变换电路(5)的输入端连接取样电路(4)的输出端、阻抗变换电路(5)的输出端连接积分电路(6)的输入端；
所述积分电路(6)：将阻抗变换电路(5)输出的电压信号(UK1)转换成对应斜率的锯齿波信号控制脉宽比较器(7)产生的方波信号的占空比；
所述方波发生器(8)：产生频率固定、脉冲宽度固定的方波信号输入到积分电路(6)和脉宽比较器(7)，控制积分电路(6)输出的锯齿波信号的频率以及控制脉宽比较器(7)的翻转时间；
所述脉宽比较器(7)：受所述积分电路(6)和方波发生器(8)的控制，产生频率固定而脉冲宽度随积分电路(6)输出的锯齿波信号的斜率而自行变化的方波信号输入到高频变换电路(2)。
6.根据权利要求5所述的参数式开关稳压电源，其特征在于：所述取样电路(4)由场效应管Q2、电阻R2、R3、R6，稳压管D3、电容C3、跟随器U1C组成；所述场效应管Q2的漏极(D)接外部直流电源电压UC，场效应管Q2的栅极(G)同时连接稳压管D3的N极、电容C3、电阻R6、跟随器U1C的同相端(+)，所述电阻R6的另一端与场效应管Q2的源极(S)相连，所述电容C3的另一端和所述稳压管D3的P极接地；所述跟随器U1C的反相端(-)与跟随器U1C的输出端相连；电阻R2与R3串联，电阻R2的另一端接外部直流电源电压UC，电阻R3的另一端接跟随器U1C的输出端，电阻R2与R3的连接节点连接到阻抗变换电路(5)。
7.根据权利要求5或6所述的参数式开关稳压电源，其特征在于：所述脉宽比较器(7)包括与非门U2A、U2B、U2C。
8.根据权利要求7所述的参数式开关稳压电源，其特征在于：所述积分电路(6)由电阻R4、R5、R1、比较器U1B、三极管Q1、稳压管D1、二级管D2、电容C2组成，所述电阻R4和电阻R1连接所述阻抗变换电路(5)的输出端，所述电阻R4的另一端连接比较器U1B的同相输入(+)端，并通过电阻R5接地，所述电阻R1的另一端连接所述比较器U1B的反相输入(-)端，同时与三极管Q1的发射极相连，所述三极管Q1的基极与比较器U1B的输出端相连，所述三极管Q1的集电极通过电容C2接地，在电容C2的两端并联稳压管D1，同时所述三极管Q1的集电极连接到脉宽比较器(7)的输入端并通过一个正向连接的二级管D2连接方波发生器(8)的输出端。
9.根据权利要求8所述的参数式开关稳压电源，其特征在于：所述高频变换电路(2)包括场效应三极管(Q7)。
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| 单端反激式开关电源的恒压输出条件及实验验证. 高曾辉，劭菊香.西南民族大学学报 自然科学版，第30卷第3期. 2004 |
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|---|---|
| CN1694029A (zh) | 2005-11-09 |
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