CN101873069A - 高效率线性电源大闭环反馈系统的稳定性 - Google Patents

Abstract

高效率线性电源大闭环反馈系统的稳定性技术是从定性和定量两个方面认证高效率线性电源按图1所示的大闭环反馈控制系统在任何环境变化下都能够稳定工作并能达到最大限度提升效率的一些关键器件的正确选取和一些关键工作参数的确定。这些问题主要有：电源调整管的饱和压降和输入输出端的滤波电容、电感的影响和作用，电源调整管输入输出压差的设置和控制、采样电压的获取和大闭环反馈系统稳定工作的条件。得出电源调整管输入输出压差的最佳数值是：Vi-Vo＝1V的结论。

Description

高效率线性电源大闭环反馈系统的稳定性

所属技术领域

高效率线性电源是一种新型线性电源，其精髓是最大限度地提升线性电源的效率，而效率的提升则由大闭环反馈系统来实现，因核心部件《电源调整管》工作在动态极限状态，稍有问题即会使系统崩溃，故系统的稳定性非常重要，该技术属电源电子技术领域。

背景技术

当今直流稳压电源两大体系——线性电源和开关电源。开关电源具有很高的效率，但由于开关管工作在饱和与截止状态，有很多难以确定的因素，所以其它技术指标，特别是纹波方面都远低于线性电源。线性直流稳压电源的电源调整管工作在线性区，很多技术指标都可以精确计算和确定，但调整管要承受很大的功率损耗，因此效率很低。迄今为止，开关电源高效率、低指标和线性电源高指标、低效率数十年来长期为人们公认。

新型高效率线性电源可以做到高效率和高指标并存，它的问世将改变这个论断。

但作为应用极其广泛的新电子技术产品，有很多问题需要解决，其中一个重要的技术问题是《系统的稳定性》。

发明内容

本发明技术从理论和实践两个方面定性和定量认证高效率线性电源按图1所示的大闭环反馈控制系统可以在任何环境变化下稳定地工作。首先定性了解高效率线性电源反馈的工作过程：

在《电源调整管》的输入和输出端取出采样电压，分别送到《压差比较设定》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，将误差电压送到《压差控制》进行量值转换，经《线性光耦》隔离后的反馈信号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预先设定的压差，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。例如设：输出电压V。↑，则《压差比较设定》输出电压↓。《压差控制》输出电压↓，《线性光耦》输出电流↓，《开关电源》的输出脉冲宽度↑，变压器B1输出电压Vi↑，以此达到电源调整管输入输出压差不变，反之亦然。确保上述自动控制能完成有两点：1.开关电源能够全程功率调节，2.电源调整管输出输入两端的压差在任何情况都必须大于其饱和压降，即：

        Vi-V。＞VCES

如果高效率线性电源不能满足前者条件，则在全输出功率范围内效率有一定影响，而后者即使是瞬间条件不能满足，系统就会失控，甚至导致崩溃。但压差也不能设得过大，否则会降低产品的整机效率。下面分析如何方便而正确地确定Vi-V。的数值：

参见图1和图3，图3是电源调整管输出输入两端的直流电压随时间变化的理想曲线，该图纵座标为定量的电压，每条横线为0.1V，横座标为时间，定性表示电压的变化。这里的理想曲线的含意是：1.滤波电容Cc、Ci、Co根据电源的最大输出电流正确选取，因为电容上的电压是按dv/dt的规律变化而不能跳变，理论上电容量越大越好，但需要考虑成本因素合理选取。推荐选取的标准为：设高频开关电源的工作频率为100KHz，则每输出1A电流，Co为1000UF，Ci为100UF，Cc为100UF，各电容最好用1/2容量的两个并联，Ci和Cc采用高频电解电容。2.各电容上没有叠加噪扰电压。从图3的曲线图上可以看到：Vi的峰-峰值电压约140mV，Vc的峰-峰值电压约560mV(该值为高效率线性电源在输出3A电流时的实测数据)，因此，从最大限度地提升效率考虑，电源调整管的输入端不可接Vc，只能接Vi。现今一般大功率晶体管(特别是一些频率不高而价格很低的大功率开关管)和大电流低压差线性电源模块当最大输出电流为其额定电流的1/2时，饱和压降V_CES都能小于0.5V(具体使用需对这些器件进行测试)，以上是一些静态参数，动态参数还有：1。各电容选取的质量差异；2。非瞬态发生的电压叠加于上述电压之上(这些电压有：负载突变、滤波电解电容偶尔出现的性能不稳定、剧烈的干扰电压、其它不可知因素)；3。大闭环反馈过程和动作的时间。问题1。和2。不是普遍现象影响也不大，可以用留出压差余量解决，问题3。影响到系统的可靠运行故需要确定性的对待。基于两个原因，两次反馈的间隔时间不能太短，1。反馈不能对高频开关电源的工作产生任何影响；2。相对而言，各滤波电容上的直流电压是按dv/dt的规律缓慢变化的，反馈慢一点对整机效率没有多大影响，只需把压差余量多留一点而已，因此，将两次反馈的周期定为开关电源振荡周期的十倍以上，对以上两个问题没有影响。对反馈周期能起定量作用的器件由图2中的C14确定。

综上所述，如果按以上原则选取相关元器件，将电源调整管输入输出压差(Vi-V。)定为电源调整管饱和压降的2倍(例如饱和压降为0.5V，则Vi-V。＝2X0.5V＝1V)，可确保高效率线性电源在任何输出电压和电流下安全而稳定地工作。

以上各关键器件和电源调整管输入输出压差的选取原则同样也适合固定电压输出的高效率线性电源，因此类电源输出电压调节范围很小，其系统的稳定性要求相比之下要低一些。

本发明的技术实质和有益效果是：

高效率线性电源以其高效节能、成本低廉的优势必然会获得广泛使用，而电源的品种规格极多，系统的稳定涉及高效率线性电源的各个重要功能单元，统一定性、定量的确定各关键器件性能和参数的选择标准，对保障高效率线性电源安全可靠地工作，减轻产品的设计、生产和维修的工作量和降低产品的故障率大有帮助。

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是通用的高效率线性电源大闭环反馈原理框图，图中的《电源调整管》代表任意线性电源输出功率调整器件。《高压开关电源》视输出功率和技术要求可以采用任意拓扑结构。该图省略《输出电压调整》单元部分，即可以成为任意输出功率和电压的《高效率线性电源模块》。图中的LCπ型滤波是必须要的，并且压差反馈电压只能从Vi引出，如果引自Vc，则效率会降低很多且很难可靠工作。

图2是高效率线性电源大闭环反馈典型电原理图，这里补充几个重要元器件参数选择应注意的问题。图中的滤波电感L1取值不能过大，否则会影响跟踪时间，一般为10-30UH即可。R5为空载时的负载电阻，如果电源有《全程功率调节》电路，则该负载电阻可以尽量取值大一些也不会对整机正常工作产生影响。运算放大器IC3A输出端是反馈基准电压，取值很重要，该运放正电源供电6V，一般运放输出端最高线性工作电压约4.5V，而DZ2的Vref电压为2.5V，因此，该点电压必须在2.5V到4.5V之间，如果电源调整管输出输入压差Vi-V。为1V，则该点建议取值3.5V。

图3是电源调整管输出输入电压变化曲线图，各关键点电压是实际测量数据，图中细线曲线是Vi的低频纹波，粗线为高频纹波，

为Vi的平均直流电压，以

作为电源调整管的真正压差。从该图可以看到，Vc的谷点电压离调整管的饱和点是很近的，再由于各电压微变的一些不确定因素(如电解电容的稳定性、反馈周期等)，故电源调整管的输入反馈电压取自Vc其系统的稳定性很难保障。

图4是高效率线性电源采用工频变压器的闭环反馈电原理图，现今世界对高频开关电源的电磁兼容性问题还没有彻底解决，在有些对此有严格要求的领域，目前还需要工频变压器过渡，因工频变压器的次级电压不能调整，图中在线性电源和变压器之间插于低压开关电源来进行反馈控制调压，脉宽调制器可以用开关电源的任何单双端输出调制芯片，如廉价的UC3842等，图中的L2和C4组成的π型滤波、低压开关电源的工作频率、压差反馈电压Vi和V。的引出原理、各反馈点的数值设置、关键器件的技术参数都和高压开关电源一样，该电路的技术特点是：和高压开关电源相比：效率略低，但输出电压的纹波峰值要小很多。

具体实施方式：

下面以图2为例进一步说明高效率线性电源大闭环反馈控制系统的稳定性。

从电源调整管BG2的输入输出端取出的采样电压，分别由R9、R10、R11、R12分压衰减十倍(分压的原因是考虑到运算放大器输入的共模电压过高损坏芯片，如果最高采样电压在运算放大器的允许范围内则可以不用分压电阻)，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，此电压由R16设定并由R16/R13放大，作为精密稳压器TL431控制的反馈电压，再经线性光电耦合器PC817A隔离，控制TOP电源管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↓，电源管的脉冲宽度↑，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。以上是定性工作过程，其定量参数的确定表述如下：设Vi-Vo＝1V，TL431的Vref和V_A之间的电压为固定值2.5V，确定IC3的1脚电压为3.5V，以此可以确定R17和R18的电阻值。再将Vi和Vo电压经十倍分压衰减进行减法运算，确定(Vi-Vo)/10＝0.1V，因IC3的1脚电压为3.5V即可使Vi-Vo被控制在1V，故R16/R13应等于35，显然，当R13确定之后，改变R16的阻值，即可改变Vi-Vo的数值，也即可以确定电源调整管的输出输入压差。

根据以上分析，高效率线性电源能够稳定工作的另一个判断条件是：2.5V＜Vic_3-1＜4.5V。

Claims (5)

1.高效率线性电源大闭环反馈系统的稳定性，是从定性和定量两个方面使高效率线性电源既能获得最大限度的提升效率，系统又能稳定工作的技术论证，其特征是：在高效率线性电源中，将电源调整管、滤波电容和电感、运算放大器等电子元器件进行合适搭配和电路组合，构成能稳定工作的大闭环反馈系统。

2.根据权利要求1所述的高效率线性电源大闭环反馈系统的稳定性，其特征是：电源调整管的输入输出压差Vi-Vo≤1V并以该电压作为大闭环反馈系统的设定电压，Vi和Vo作为采样电压。

3.根据权利要求1所述的高效率线性电源大闭环反馈系统的稳定性，其特征是：电源调整管的输入端用LCπ型滤波，电源调整管输入端的采样电压取自该滤波器的后级。

4.根据权利要求1所述的高效率线性电源大闭环反馈系统的稳定性，其特征是：该稳定工作的大闭环反馈系统可以用于固定电压输出的高效率线性电源模块。

5.根据权利要求1所述的高效率线性电源大闭环反馈系统的稳定性，其特征是：该稳定工作的大闭环反馈系统前半部分可以直接用于采用工频变压器的高效率线性电源。

Images