CN101447733A - 高效率线性直流稳定电源 - Google Patents
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Abstract
本发明是使线性电源的电源调整管输入端直接接高压隔离开关电源的次级电压，在电源调整管的输入和输出端取出采样电压，分别送到集成运算放大器的同相和反相输入端作减法运算，将运算出的差值电压和设定压差比较后，用其误差电压对高压隔离开关电源的输出电压进行控制，当电源调整管的输出电压改变时，电源调整管的输入电压作相应改变，即直流稳定电源的输出电压和输出电流在额定范围内作任何改变，电源调整管输出输入两端的压差始终精确控制在其临界饱和的线性区，其功率消耗限制到最低，从而使线性电源的效率得到最大限度的提升。本发明对开关电源的各种拓扑构成，从小功率输出的单端反激、正激、TOP系列等各种电源管、大功率输出的半桥、全桥、推挽等，都能做到很好的控制。
Description
所属技术领域
本发明是在直流稳定电源里，用电子元器件构成，使线性电源的效率达到或超过开关电源的一种自动控制技术。
背景技术
目前的线性直流稳定电源，电源调整管的输出电压可调，而电源调整管的输入电压不变，一般比最大输出电压大几伏，以保证稳定电源在所有输出电压范围内都能正常工作。这样，当输出电压低时，电源调整管输出输入两端就有很大的压差，当输出电流也大时，电源调整管就有很大的功率消耗，因此，目前的线性直流稳定电源的效率很低，其次，电源调整管必须有很大的功率储备，这导致产品的成本增高。
有一种改进方法是：当输出电压调整到某一设定阈值时，使一个继电器动作，继电器触点接通变压器次级相应的电压绕组，这种方法对降低电源调整管的最大功率消耗有一定的作用，但由于技术和成本原因，这种控制点不能设太多，一般0-30V设一个点，0-50V设两个点，因此，在整个输出范围内，对效率的提高并不明显。另外由于使用了频繁工作的机械器件，可靠性也随之下降。
低压差线性集成稳压器的效率很高，但输出功率不大，且一般只能输出固定电压。
提高效率最好的方法是低压开关电源，目前可调式集成开关电源稳压器的平均效率可达到90％以上，但它纹波太大，至少在100mV以上，即使采取很大的成本措施，也只能做到几十mV，不能达到实验室对精密直流稳定电源的技术指标要求，由于功率器件工作在开关状态，有难以克服的射频干扰和电磁干扰。
发明内容
本发明是使线性电源的电源调整管输入端直接接高压隔离开关电源的次级电压，在电源调整管的输入和输出端取出采样电压，分别送到集成运算放大器的同相和反相输入端作减法运算，将运算出的差值电压和设定压差比较后，用其误差电压对高压隔离开关电源的输出电压进行控制，当电源调整管的输出电压改变时，电源调整管的输入电压作相应改变，即直流稳定电源的输出电压和输出电流在额定范围内作任何改变，电源调整管输出输入两端的压差始终精确控制在其临界饱和的线性区，其功率消耗限制到最低，从而使线性电源的效率得到最大限度的提升。
本发明对开关电源的各种拓扑构成，从小功率输出的单端反激、正激、TOP系列等各种电源管、大功率输出的半桥、全桥、推挽等，采用同步整流和有源箝位技术，都能做到很好的控制。
本发明的技术实质和有益效果是：
1.低压开关型电源存在一定的开关功率损耗，本方案电源调整管输入输出压差能精确控制在临界饱和的线性区，其效率能超过低压开关电源，平均效率可达到90％以上；
2.本发明改变了数十年来线性电源效率低的状况，能有效地节约能源，提高线性电源的功率密度，降低线性电源的成本；
3.通用性强，从几瓦到几十千瓦的线性电源都能适用。
4.低压开关型电源由于工作方式的限制，很多技术指标难以达到精密直流稳定电源的要求，而线性电源很容易做到，本发明突破了线性电源效率低的瓶颈，将会产生一种全新的直流稳定电源理念。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1和图2是本发明的基本原理框图。
图1和图2中《输出电压调整》可用普通的集成三端稳压器或其它输出电压调整的方式实现。
图1和图2中《运算放大器》可用LM358或TL082等普通运算放大器。
图1中《脉宽调制器》可由双端输出的脉宽调制器集成芯片如SG3524、TL494等组成，用于不同拓扑的开关电源的输出脉宽控制。
图2中《脉宽调制器》可由精密可调式稳压器TL431和线性光电藕合器等组成精密负反馈回路来控制TOP系列等电源管构成的单端开关电源。
图1用于双端输出的开关电源如半桥、全桥、推挽等的基本原理结构框图。
图2用于分立元件或单片电源管组成的正激、反激单端输出的开关电源的基本原理结构框图。
图1、图2用于说明本发明的技术结构特征。
图3和图4是本发明的两个典型可实施例，各元器件使用及元器件参数选用仅用于对该可实施例的原理和工作模式说明，由于本发明的应用范围可涉足整个直流稳定电源领域，在实际应用中，根据其处理方式以及输出功率要求的不同会有很多不同的电路组成结构。
图3和图4中，3V电源为一组独立电源，提供集成三端稳压器和复合管BG1(BG3)必要的压差，以保证电源调整管在1V压差下正常工作。
图3和图4中，调节输出电压部分是一般线性直流稳定电源典型的调压方式，这里引用只是为了和本发明构成一个可实施的整体电路。
具体实施方式：
图3是典型实施方式1。
该电路用于TOP系列电源管构成的单端反激开关电源。
该电路可输出电压0—30V，电流0—3A，电源调整管的输入输出压差在全程范围内可控
制在1V，低压侧线型电源的平均效率可达到92％以上。
图3中，电源调整管BG4输入输出端分别取出采样电压，送到运算放大器的同相和反相输入端，经放大器减法运算获取差值电压，此电压作为精密稳压器TL431控制的基准电压，经光电耦合器PC817A，控制TOP247Y输出的振荡脉冲宽度，达到输出稳定的跟踪电压，这是一个闭环负反馈过程，设输出电压V。↑，则IC3A输出电压↓。TL431输出电压↓，PC817A输出电流↓，TOP247Y的脉冲宽度↑，变压器B1输出电压↑，以此达到电源调整管输入输出压差不变。反之亦然。
图4是典型实施方式2。
该电路可用于由功率MOS管组成的半桥式开关电源。
该电路可输出电压0—30V，输出电流0—10A，电源调整管的输入输出压差在全程范围内可控制在1V，低压侧线性电源的平均效率可达到92％以上。
图4中，从电源调整管BG4输出输入端分别取出采样电压，送到运算放大器IC3A的同相和反相输入端，经减法运算后获取差值电压，送到IC2的反相输入端，和同相输入端的基准电压比较，其误差电压来控制IC2输出的脉冲宽度，达到输出稳定的跟踪电压，上述过程是一个闭环负反馈过程，设输出电压V。↓，IC3A输出电压↑，IC2输出电压的脉宽宽度↓，高频变压器输出电压↓，以此达到电源调整管输入输出压差不变。反之亦然。
Claims (6)
1.高效率线性直流稳定电源，为使线性电源的效率最大限度提升设计的一种新的自动控制方案，其特征是：线性电源的电源调整管输入端直接接高压隔离开关电源的次级电压，在电源调整管的输入和输出端取出采样电压，分别送到集成运算放大器的同相和反相输入端作减法运算，将运算出的差值电压和设定压差比较后，用其误差电压对高压隔离开关电源的输出电压进行控制，当电源调整管的输出电压改变时，电源调整管的输入电压作相应改变，电源调整管输入输出两端的压差始终精确控制在其临界饱和的线性区，其功率消耗限制到最低。
2.根据权利要求1所述的高效率线性直流稳定电源，其特征是：对开关电源的各种拓扑构成，小功率输出的单端反激、正激、TOP系列等各种电源管、大功率输出的半桥、全桥、推挽、采用同步整流和有源箝位技术，都能实现很好的控制。
3.根据权利要求1所述的高效率线性直流稳定电源，其特征是：调电源调整管输出电压的电路由一个大于3V，独立的直流电压供电，该电压的“—”端接电源调整管的输入电压。
4.根据权利要求1所述的高效率线性直流稳定电源，其特征是：电源调整管输出电压和电流在额定范围内任意改变，其输入电压都能随之改变，而电源调整管输入输出两端的压差始终控制在设定压差。
5.根据权利要求1所述的高效率线性直流稳定电源，其特征是：从电源调整管输入输出两端取出采样电压进行数字化处理，实现电源调整管输入输出压差精确的程序控制。
6.根据权利要求1所述的高效率线性直流稳定电源，其特征是：调整电源输出电压和输出电流的电路可以采取各种方式，而电源调整管输入输出两端的压差都能够精确控制。
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