CN101236441B - 改善电源负载调整率的电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善电源负载调整率的电路，其可以用于利用输出电流传感器来改善电源负载调整率，该电路包括：可调基准电压源，用于调节输出电压；输出电流采样补偿单元，其连接至电源输出，包括输出电流采样补偿电路和输出电流传感器，用于对电源的输出电流进行采样，生成采样信号，将采样信号处理成补偿信号并传送给输出电压采样反馈电路或传送给可调基准电压源以反馈给输出电压采样反馈电路作为基准电压；以及输出电压采样反馈电路，其连接至电源输出，用于对电源输出电压采样并连同输出电流采样补偿信号一起对输出电压进行整定和调节。通过使用本发明，可以在不增加电路体积和成本的情况下改善负载调整率。

Description

改善电源负载调整率的电路

技术领域

本发明涉及通信领域，并且特别地，涉及一种改善电源负载调整率的电路。

背景技术

通信用电源通常组成各种容量的系统以对负载供电，不同的负载对电源的负载调整率有不同的要求，通信用高频开关整流器的行业标准对负载调整率的要求不超过0.5％，但有的设备对电源的调整率要求较高。早期的电源，当输出电流超过50A时，输出端通常采用汇流排的方式，以减少输出电阻、降低压降，负载调整率易满足行业要求；但随着电源的体积不断缩小，功率密度不断提高，输出25A至50A的电源输出端很少继续采用汇流排方式减少电阻，同时由于印刷电路板(PCB)体积的减小，输出铜箔宽度有也相应的减少，这也同时也缩小了接插件体积，因此不能继续以机械方式在结构上实现插拔。对于输出部分的热插拔控制，一般采用通过检测电源输出电压与母线电压之差来控制串在输出线上的继电器或MOSFET的开关来实现。考虑到成本和体积，电源的输出线上走线压降、热插拔元件的压降、接插件等造成总电阻较大，使得负载调整率下降，并且在较为严重的情况下将难以满足行业的标准，更满足不了负载对供电电源负载调整率指标较高的要求。

由于技术或需求的原因，大多数电源都没有对因输出线部分电阻造成负载调整率的下降采取措施。但是，如图1所示，对于输出电流为毫安级且对负载调整率要求很高的小功率电源来说，可以通过增加一个用于补偿的电阻来改善负载调整率。在图1中，通过引入补偿电阻R5，当输出电压Vbus将不随输出电流I的变化而改变，即负载调整率理论上可以为零，实际上VREF及电阻等具有离散性误差和不可能恒定不变，但是可以最大程度的抵消输出线上电阻的影响，改善负载调整率。但是该电路仍存在以下不足之处，在输出电流采样电路中须有一个采样电阻，而在输出大电流如50A至100A的通信电源，输出电流一般采用霍尔电流传感器进行采样，如果为了改善负载调整率而增加一个串在输出回路的可流过大电流的分流器，此分流器有较大的功率和散热要求，一是增加了成本，二则也稍增加了功耗，降低了效率，于散热和布局带来不便，三是增加了功率元件，不利于小型化。

发明内容

考虑到上述技术问题而做出本发明，本发明的主要目的在于提供一种改善电源负载调整率的电路，用于利用输出电流传感器改善电源负载调整率。

根据本发明的一个实施例，提供了一种改善电源负载调整率的电路，可以用于利用输出电流传感器改善电源负载调整率。

该电路包括：可调基准电压源，用于输出一定范围的电压以调节电源的输出电压；输出电流采样补偿单元，包括输出电流采样补偿电路和输出电流传感器，用于对从电源输出的输出电流进行采样，生成采样信号，所述输出电流采样补偿电路用于将采样信号处理成补偿信号并传送给输出电压采样反馈电路或传送给可调基准电压源以反馈给输出电压采样反馈电路作为基准电压；以及输出电压采样反馈电路，其连接至电源输出，用于对电源输出电压采样并连同补偿信号一起对输出电压进行整定和调节，其中，所述输出电压采样反馈电路包括彼此连接的输出电压采样电阻和电压误差放大器，所述输出电压采样电阻连接至所述电压误差放大器的反向输入端，所述可调基准电压源连接至所述电压误差放大器的同向输入端，所述输出电压通过调节所述电压误差放大器的同向输入端的所述基准电压而被调节；在所述输出电流采样补偿电路将所述补偿信号传送给所述输出电压采样反馈电路的情况下，所述输出电流采样补偿电路将所述补偿信号传送给所述输出电压采样电阻。

其中，可调基准电压源的电压由调节电位器、监控给定基准电压源、以及PWM之一来进行调节。

优选地，采样信号与输出电流成线性比例。

优选地，电流传感器为霍尔电流传感器。

优选地，该电路还可以进一步用于输出整流的二极管、用于滤波的电感和电容。

通过本发明的上述技术方案，可以在不增加电路体积和成本的情况下改善负载调整率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有技术中改善负载调整率的电路的电路图；

图2是根据本发明实施例的改善电源负载调整率的电路的组成框图；

图3是根据本发明实施例的利用PWM调节基准电压源的电路图；

图4是根据本发明实施例中第一个实例的改善电源负载调整率的电路的组成框图；

图5是根据本发明实施例中第一个实例的改善电源负载调整率的电路的电路图；

图6根据本发明实施例中第二个实例的改善电源负载调整率的电路的组成框图；以及

图7是根据本发明实施例中第二个实例的改善电源负载调整率的电路的电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图2示出了根据本发明的一个实施例的改善电源负载调整率的电路200的组成，其可以用于利用输出电流传感器改善电源负载调整率。如图2所示，该电路包括：可调基准电压源202，用于调节输出电压；输出电流采样补偿单元204，其连接至电源输出，包括输出电流采样补偿电路和输出电流传感器，用于对从电源输出的电流进行采样，生成采样信号，将采样信号处理成补偿信号并传送给输出电压采样反馈电路或传送给可调基准电压源以反馈给输出电压采样反馈电路作为基准电压；以及输出电压采样反馈电路206，其连接至电源输出，用于对电源输出电压采样并连同输出电流采样补偿信号一起对输出电压进行整定和调节。

其中，可调基准电压源由调节电位器、监控给定基准电压源、以及PWM之一来进行调节。并且，输出电流采样补偿电路与输出电流传感器以及可调基准电压源连接。

其中，输出电压采样反馈电路包括彼此连接的输出电压采样电阻和电压误差放大器。输出电压通过调节电压误差放大器的同向输入端的基准电压而被调节。采样信号与输出电流成线性比例。

其中，输出电流采样补偿单元将补偿信号传送给输出电压采样反馈电路，输出电压通过补偿电压的改变而变化，即输出电压将随输出电流的采样反馈信号进行调节。

另外，或将采样信号处理成补偿信号并传送给可调基准电压源202以反馈给电压误差放大器的参考基准，以改变输出整定电压。

其中，电流传感器为霍尔电流传感器。

优选地，该电路还可以进一步用于输出整流的二极管、用于滤波的电感和电容。

在描述根据本发明实施例的改善电源负载调整率的电路的实例之前，首先要参照图3描述可调基准电压源VREF。可调基准电压源VREF的构造如图3所示，其中，光耦D5的第1脚接PWM信号，第2脚接PWM信号地GND1(如不需隔离则可将GND1可直接接电源地GND)，电阻R12的一端、电阻R14的一端、电阻R13的一端与光耦D5的第4脚相连，电阻R12的另一端、可调电位器RP2的一端、电阻R24的一端、电阻R21的一端、电容C5的一端、电容C6的一端、稳压器D4的阳极、三极管VT1的发射极与光耦D5的第3脚相连于电源地GND，电阻R14的另一端与三极管VT1的基极相连，电阻R13的另一端、电阻R17与电阻R19的一端相连与电源VCC，电阻R17的另一端、三极管VT1的集电极、可调电位器RP2的另一端及可调端与R16的一端相连，电阻R16的另一端、电容C5的另一端与电阻R18的一端相连，电阻R18的另一端、电容C6的另一端与电阻R15的一端相连，电阻R15的另一端、电阻R24的另一端和电阻R23的一端相连于可调基准电压VREF点，电阻R23的另一端、电阻R20的一端、电阻R19的另一端与稳压器D4的阴极相连于VREF1，电阻R20的另一端、电阻R21的另一端与稳压器D4的基准电压端相连于VREF2。

该电路通过对PWM(脉冲宽度调制)波形的来调节电阻R23和电阻R24的分压，当PWM的占空比变化时可调基准电压源VERF的电压相应改变，占空比越大，则可调基准电压源VERF的电压越大，通过在一定范围内调节PWM的占空比从而实现一定范围内的可调基准电压源VERF的电压，RP2用来当PWM波形在某一固定占空比且输出半载电流时将输出电压微调整定到额定输出电压，当没有PWM波形时，VT1的深饱和导通，CE结电压接近零，电压VREF1是一高精度的参考电压，电阻R15、电阻R16、电阻R18、电阻R23和电阻R24都取高精度电阻如1％，从而可调基准电压VREF也是一高精度的固定电压源。

相关表达式如下：

$\mathrm{VREF}1=\mathrm{VREF}2\×\frac{R20+R21}{R21}.$

其中，令

时，

则 $\mathrm{VREF}=\mathrm{VREF}1\×\frac{R100+R23}{R100}$

此电压源的高精度保证在没有PWM波形时可通过调节可调电位器RP1将输出电压整定成高度一致，如为了保证通信电源系统各单体相互间更好的均流，一般将单体的输出电压整定在误差不超过±0.2％的范围内。

在没有PWM波形时整定好输出电压后将可调电位器RP1固定，当PWM波形在某一固定占空比且输出半载电流时通过调节可调电位器RP2将输出电压微调整定到额定输出电压，保证输出电压的高精度，保证通信电源再同一PWM调压下输出电压误差在不超过±0.2％的范围内。

下面将对根据本发明实施例的改善电源负载调整率的电路的实例进行详细描述。

实例1

根据本发明实施例的改善电源负载调整率的电路的一个实例的组成框图如图4所示。

在图4中，利用输出电流采样信号来改变电压误差放大器的基准，当输出电流增大时，电压误差放大器的基准增大，从而输出电压Vout增大，增大的电压用于补偿输出线上电阻的压降，使得输出电压Vbus恒定。

并且，在图4中，输出电压采样反馈电路：包括输出电压采样电阻和电压误差放大器，通过对输出电压进行取样和反馈，实现对输出电压的实时检测，保证输出电压的稳定。

另外，在图4中，输出线路上的电阻：电源的输出电压采样点与负载之间或多或少存在一定的距离和连线，从而存在电阻，当输出电压采样点的电压是恒定的，则此电阻将造成输出到负载上的电压随输出电流的增大而减少，造成负载调整率的降低，改善负载调整率便是为了在此电阻不能减少的情况下通过适当升高输出电压以消除此电阻造成的压降，保证在负载上的电压是恒定的或是变化尽量小以提高负载调整率。

改善电源负载调整率的电路的第1实例的电路图如图5所示。在图5中对应于图4中的功能的电路构成如下：

霍尔电流传感器：霍尔电流传感器D6；输出电流采样补偿电路：二极管VD3、电阻R31、电阻R9、电阻R8、电容C2和运放D1B构成；输出电压采样反馈电路：电阻R2、电阻R1、电压误差放大器D1A和可调电位器RP1构成；输出线路上的电阻：电阻R3和电阻R4为输出线路上的总的等效电阻；以及可调基准电压源VREF：如图3用PWM调节基准电压源电路。

输出整流二极管VD1的阴极、输出整流二极管VD2的阴极与输出滤波电感L1的一端相连(输出整流二极管VD1的阳极、输出整流二极管VD2的阳极分别与变压器的副边绕组相连)，输出滤波电感L1的另一端、电容C1的一端、电阻R3的一端与电阻R2的一端相连于Vout+，电阻R3的另一端与电容C4的一端相连于Vbus+，电阻R2的另一端、电阻R1的一端与电阻R11的一端相连，电阻R11的另一端与电压误差放大器D1A的反向输入端相连，电压误差放大器D1A的第8脚接VCC，电压误差放大器D1A的第4脚接GND，电阻R1的另一端与可调电位器RP1的一端及可调端相连，可调电位器RP1的另一端、电阻R4的一端与电容C1的另一端相连于电源地GND，电阻R4的另一端与电容C4的另一端相连于Vbus-，霍尔电流传感器D6的输出电流信号Io脚接二极管VD3的阳极，二极管VD3的阴极、电阻R31的一端与电阻R9的一端相连，电阻R31的另一端接电源地GND，霍尔电流传感器D6的接地脚GND 接电源地GND，霍尔电流传感器D6的电源正接VCC，电流由霍尔电流传感器D6的I+端输入，电流由霍尔电流传感器D6的I-端输出，电阻R9的另一端、电容C2的一端与运放D1B的同向输入端相连，电容C2的另一端接电源地GND，运放D1B的反向输入端第6脚、相应的输出脚第7脚与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端、电阻R7的一端、电阻R6的一端相连，电阻R7的一端接电源地GND，电阻R6的另一端、电阻R5的一端与电阻R10的一端相连，电阻R5的一端与可调基准电压源VRF相连，电阻R10的另一端、电容C3的一端与电压误差放大器D1A的第3脚相连，电容C3的另一端接地。

实现改善负载调整率的原理如下：

电流由霍尔电流传感器D6的输出电流信号Io与输出电流I成比例，即Io＝K₀I，经过采样电阻R1后的信号为K₀I×R31＝KI，经滤波电路电阻R9和电容C2滤除采样信号的噪声干扰，补偿原理如下：

令：R101＝R3+R4，

R102＝R5+R6

$K1=\frac{(R2+R1+\mathrm{RP}1)}{R1+\mathrm{RP}1}$

$R103=R7//(R5+R6)=\frac{R7\×(R6+R5)}{R7+R6+R5}$

R104＝R6+R7//R8

$\mathrm{Vout}=(\frac{R104}{R5+R104}\×\mathrm{VREF}+\frac{R103}{R103+R8}\×\frac{R5}{R102}\×\mathrm{KI})\×K1$

$\mathrm{Vbus}=\mathrm{Vout}-I\×R101$

$=\frac{R104}{R5+R104}\×\mathrm{VREF}\×K1+(\frac{R103}{R103+R8}\×\frac{R5}{R102}\×K\×K1-R101)\×I---\left(1\right)$

从以上Vbus表达式(1)中可以得出，只要取

则输出电压

(2)

Vbus保持恒定，与输出电流无关，从而负载调整率理论上为零；

如K＝0，即没有引入补偿的电路，则(1)式变为，

$\mathrm{Vbus}=\frac{R104}{R5+R104}\×\mathrm{VREF}\×K1+(\frac{R7}{R8}\×\frac{R5}{R102}\×K\×K1-R101)\×I,---\left(3\right)$

从(3)可知，因R5、R102、K和K1是确定的常数，只需取令合适的

使得时，即有

$\mathrm{Vbus}=\frac{R104}{R5+R104}\×\mathrm{VREF}\×K1---\left(5\right)$

使得输出电压的负载调整率为零。此时，仅改变VREF的值可改变输出电压Vbus，而不会影响负载调整率，但通过改变K1的值如调节RP1来改变输出电压，则负载调整率不再为零，调高输出电压造成输出电压随输出电流的增大而线性增大，调低输出电压会造成负载调整率变差，偏离理想近似为零的效果。

实例2

实现本实施例的实例2如图6所示，该电路包括：可调基准电压源、输出电流采样补偿电路、输出电压采样反馈电路和输出线路上的电阻，其各部分功能与图4所示的电路的第一实例的各部分功能类似。该实例的电路利用输出电流采样信号来改变输出电压采样电路中电阻的参与反馈的等效阻抗的大小，改变确定输出电压的电阻的比例，当输出电流增大时，输出电压Vout增大，增大的电压用于补偿输出线上电阻的压降，使得输出电压Vbus恒定。

图7是改善负载调整率的电路的另一实例的电路图，对应于图6的功能电路构成如下：

霍尔电流传感器：霍尔电流传感器D6；输出电流采样补偿电路：二极管VD3、电阻R31、电阻R9、电阻R8、电阻R7、电阻R6、电阻R30、电容C2和运放D1B、运放D7A构成；输出电压采样反馈电路：电阻R2、电阻R1、电阻R5、电阻R11、电压误差放大器D1A和可调电位器RP1构成；输出线路上的电阻：电阻R3和电阻R4为输出线路上的总的等效电阻；以及可调基准电压源VREF：如图3用PWM调节基准电压源电路、电阻R10和电容C3构成。

该实例的具体实现方法如下：

输出整流二极管VD1的阴极、输出整流二极管VD2的阴极与输出滤波电感L1的一端相连(输出整流二极管VD1的阳极、输出整流二极管VD2的阳极分别与变压器的副边绕组相连)，输出滤波电感L1的另一端、电容C1的一端、电阻R3的一端与电阻R2的一端相连于Vout+，电阻R3的另一端与电容C4的一端相连于Vbus+，电阻R2的另一端、电阻R1的一端与电阻R11的一端相连，电阻R11的另一端与电压误差放大器D1A的反向输入端相连，电压误差放大器D1A的第8脚接VCC，电压误差放大器D1A的第4脚接GND，电阻R1的另一端与可调电位器RP1的一端及可调端相连，可调电位器RP1的另一端、电阻R5的一端与电阻R6的一端相连，电阻R5的另一端、电容C1的另一端与电阻R4的一端相连于电源地GND，电阻R4的另一端与电容C4的另一端相连于Vbus-，霍尔电流传感器D6的输出电流信号Io脚接二极管VD3的阳极，二极管VD3的阴极、电阻R31的一端与电阻R9的一端相连，电阻R31的另一端与霍尔电流传感器D6的接地脚GND相连于电源地GND，霍尔电流传感器D6的电源接VCC，输出电流由霍尔电流传感器D6的I+端输入，电流由霍尔电流传感器D6的I-端输出，电阻R9的另一端、电容C2的一端与运放D1B的同向输入端相连，电容C2的另一端接电源地GND，运放D1B的反向输入端第6脚、相应的输出端第7脚与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端、电阻R7的一端与运放D7A的反向输入端第2脚相连，电阻R7的另一端、电阻R6的另一端与运放D7A的输出端第1脚相连，电压误差放大器D1A的第8脚接VCC，电压误差放大器D1A的第4脚接-VCC，电阻R30的一端与运放D7A的同向输入端第3脚相连，电阻R30的另一端接电源地GND，电阻R10的一端与可调基准电压源VRF相连，电阻R10的另一端、电容C3的一端与电压误差放大器D1A的第3脚相连，电容C3的另一端接电源地GND。

其改善负载调整率的原理如下：

电流由霍尔电流传感器D6的输出电流信号Io与输出电流I成比例，即Io＝K₀I，经过采样电阻R1后的信号为K₀I×R31＝KI，经滤波电路电阻R9和电容C2滤除采样信号的噪声干扰，再将此信号经D7A倒相成-KI，工作原理如下：

令：R101＝R3+R4，

$R102=R5//R6=\frac{R6\×R5}{R6+R5}$

$K1=\frac{(R2+R1+\mathrm{RP}1)}{R1+\mathrm{RP}1}$

R103＝R1+RP1+R102

R104＝R5//(R1+RP1)

$\mathrm{Vout}=\frac{R2+R103}{R103}\×\mathrm{VREF}-\frac{R2}{R103}\×V1$

$V1=\frac{R102}{R103}\×\mathrm{VREF}-\frac{R104}{R104+R6}\×\mathrm{KI}$

$\mathrm{Vbus}=\mathrm{Vout}-I\×R101$

$=(\frac{R2+R103}{R103}-\frac{R2\×R102}{R103\×R103})\×\mathrm{VREF}+(\frac{R2}{R103}\×\frac{R104}{R104+R6}\×K-R101)\×I$ (1)

从以上Vbus表达式(1)中可知，只要取则输出电压

Vbus保持恒定，与输出电流无关，从而负载调整率理论上为零；

如取R5＜＜R6，(R1+RP1)，则当

时有

$\mathrm{Vbus}=\frac{R2+R1+\mathrm{RP}1}{R1+\mathrm{RP}1}\×\mathrm{VREF}---\left(3\right)$

Vbus保持恒定，与输出电流无关，从而负载调整率理论上为零；

在本实施例所述的改善负载调整率电路的上述两个实例的实现方式中，如仅改变VREF的值，可改变输出电压Vbus，但不会影响负载调整率；若通过改变K1的值如调节RP1来改变输出电压，则负载调整率不再为零，调高输出电压造成输出电压随输出电流的增大而线性增大，调低输出电压会造成负载调整率变差，偏离理想近似为零的效果。

在上述两个实例中，电容C4在其中用于率除输出端的高频噪声。

另外，当没有PWM波时，为了将输出电压整定成误差范围很小，需利用可调电位器RP1进行微调，保证通信电源即使在没有PWM波形的情况下输出电压的高精度，可调电位器RP1的整定电阻值是在输出此整定电压下时满足输出负载调整率为零的，输出电压按设计值整定好后，不能再通过调节此电位器来调节改变电压，那样会造成负载调整率偏差过大，为了保证在输出电压全范围内负载调整率近似为零，在通过RP1和RP2整定好输出电压后只能通过调节PWM的占空比来调节输出电压。

本发明所述的改善负载调整率电路，通过利用霍尔电流传感器对输出电流的采样信号和可调基准电路，对单一输出电压电源或是宽范围输出电压的电源的负载调整率都可以进行灵活有效的补偿，使得负载调整率接近零。在大电流输出的电源上，一般都有作为输出电流采样霍尔电流传感器，则只需增加几个小功率电阻和电容即可实现非常理想的接近零的负载调整率，增加的成本很小，但可实现理想的负载调整率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种改善电源负载调整率的电路，用于利用输出电流传感器改善所述电源负载调整率，其特征在于，包括：

可调基准电压源，用于输出一定范围的电压以调节电源的输出电压；

输出电流采样补偿单元，包括输出电流采样补偿电路和输出电流传感器，所述电流传感器连接至所述电源的输出，用于对从所述电源输出的电流进行采样，生成采样信号，所述输出电流采样补偿电路用于将所述采样信号处理成补偿信号并传送给输出电压采样反馈电路或传送给所述可调基准电压源以反馈给所述输出电压采样反馈电路作为基准电压；

所述输出电压采样反馈电路，其连接至所述电源的输出，用于对所述电源的输出电压采样并连同所述补偿信号一起对所述输出电压进行整定和调节，其中，所述输出电压采样反馈电路包括彼此连接的输出电压采样电阻和电压误差放大器，所述输出电压采样电阻连接至所述电压误差放大器的反向输入端，所述可调基准电压源连接至所述电压误差放大器的同向输入端，所述输出电压通过调节所述电压误差放大器的同向输入端的所述基准电压而被调节；

在所述输出电流采样补偿电路将所述补偿信号传送给所述输出电压采样反馈电路的情况下，所述输出电流采样补偿电路将所述补偿信号传送给所述输出电压采样电阻。

2.根据权利要求1所述改善电源负载调整率的电路，其特征在于，所述可调基准电压源的电压由调节电位器、监控给定基准电压源、以及PWM之一来进行调节。

3.根据权利要求1所述改善电源负载调整率的电路，其特征在于，所述采样信号与所述输出电流成线性比例。

4.根据权利要求1所述改善电源负载调整率的电路，其特征在于，所述输出电流传感器为霍尔电流传感器。

5.根据权利要求4所述改善电源负载调整率的电路，其特征在于，还包括用于输出整流的二极管、用于滤波的电感和电容。

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