CN102158086A - 一种可以扩大开关电源输出范围和改善输出特性的电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可以扩大开关电源输出范围和改善输出特性的电路，包括CPU控制电路，提供比较、控制和设定信号，还包括降压电路，所述降压电路连接在前级电源的输出端正极和输出端负极，降压电路包括MOS管Q1、二极管D1、蓄能电感L1、负载电阻R4、电流取样电阻R5、电容C3、输出电容C2、驱动电路、PWM电路；实现通过加装一个电路，实现在一定体积的电源机箱内，一定功率的电源输出功率下，可以分别实现高电压/低电流或高电流/低电压的很宽的高电压或高电流的输出范围能力，同时可以得到极快的、可调特性的输出电压和输出电流的下降特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种开关电源控制技术领域，特别涉及一种可以扩大开关电源输出范围和改善输出特性的电路。
背景技术
在电子实验室中，由于需要用于测试多种不同的产品，通常选用的电源需要有一定的余量，因为在通常情况下很难预料到将来可能出现的各种测试要求。所以，目前市场上现状就是，很多实验室必须备多个型号的电源来实现测试需求，因为常规的DC电源包括线性电源和开关电源，线性电源的隔离变压器和开关电源的高频变压器起着电气隔离和功率传输的双重作用，其功率输出能力都是正比于它的磁芯截面积和绕线窗口的面积，对于确定的变压器，其传递的最大功率受限于磁芯的有效截面积和绕线窗口的面积，这个最大功率限制了其输出电压电流的乘积，如果一定的输出电压下需要更大的输出电流，就必须更大的变压器，而更换更大的变压器需要更高的成本，且需要更大的机箱来放置，即占用实验室空间、浪费测试成本，又造成接线的麻烦，因为对于工程师意味着，每测试一种产品，就需要更换一种电源。总体来说，目前市场上的此类电源产品在一定功率范围内的电压/电流量程范围窄的缺陷造成客户需要购买多台不同功率的电源实现测试要求，造成了购置电源成本的提高和资源浪费，同时频繁更换电源操作十分的不便。
发明内容
本发明的目的是提供一种电路，解决现有电源输出能够在一定功率范围内得到宽广的高电压/低电流或者低电压/高电流的输出工作范围，以及实现更快的、可调特性的输出电压和输出电流的下降特性。
为了实现上述目的，本发明提供一种可以扩大开关电源输出范围和改善输出特性的电路，包括CPU控制电路，提供比较、控制和设定信号，还包括降压电路，所述降压电路连接在前级电源的输出端正极和输出端负极，降压电路包括MOS管Q1、二极管D1、蓄能电感L1、负载电阻R4、电流取样电阻R5、电容C3、输出电容C2、驱动电路、PWM电路；
MOS管Q1的漏极和前级电源的输出端正极连接，源极和驱动电路的一个输出端、二极管D1的负极和蓄能电感L1的一端连接，栅极和驱动电路的另一端连接；
蓄能电感L1的另一端和负载电阻的一端、电容C3的一端和输出电容C2的正极连接，用于作为自动量程电源的输出正极；
前级电源的输出负极和二极管D1的正极、负载电阻R4的另一端、电容C3的另一端和电流取样电阻R5的一端连接；
电流取样电阻R5的另一端和输出电容C2的负极连接，用于作为自动量程电源的输出负极；
PWM电路的输入端接收CPU控制电路的电压或电流比较信号输出PWM脉冲到驱动电路的输入端，再由驱动电路的输出端分别连接MOS管Q1的源极和栅极，控制MOS管Q1的通断。
还包括至少一个电子负载，所述电子负载包括MOS管Q2、电子负载误差放大器和限流电阻R6；
MOS管Q2的漏极和输出电容C2的正极连接，栅极和电子负载误差放大器的输出端连接，源极和限流电阻的一端和电子负载运算放大器的负端连接，限流电阻R6的另一端和前级电源的负极连接；
CPU控制电路产生的基准电压输入到电子负载误差放大器的正输入端，用于控制MOS管Q2的通断。
所述CPU控制电路包括电流误差放大器、电压误差放大器、电子负载基准电压电路、分压电阻R1、R2、R3、三极管Q3、PWM状态比较器、状态比较电平端和电子负载使能信号端；
PWM状态比较器的输出端和三极管Q3的基极连接，三极管Q3的基极设置有电子负载使能信号端，三极管Q3的发射极和自动量程电源的负极连接，三极管Q3的集电极依次串联连接分压电阻R2、R3后再和电子负载误差放大器的正输入端连接，分压电阻R1的一端连接在分压电阻R2、R3之间，另一端和电子负载基准电压电路连接，PWM状态比较器的一个输入端设置为状态比较电平端，另一个输入端和电流误差放大器及电压误差放大器的输出端连接；
电流误差放大器的输入端并联在电流取样电阻R5的两端，采集电流信号后经电流误差放大器输出端输入PWM电路的输入端后，再由PWM电路的输出端输出到驱动电路的输入端，由驱动电路输出信号控制MOS管Q1的通断；
电压误差放大器的输入端并联在输出电容C2的两端，采集到电压信号后经电压误差放大器的输出端输入PWM电路的输入端后，再由PWM电路的输出端输出到驱动电路的输入端，由驱动电路输出信号控制MOS管Q1的通断；
电流误差放大器的输出端、电压误差方大器的输出端和PWM电路的输入端相连。
PWM电路包括PWM比较器，PWM比较器的输入端为PWM电路的输入端。
MOS管Q1的漏极和源极上跨接有吸收电容C1。
本发明的工作原理是在常规开关电源或常规线性电源的信号输出端上连接了一级降压电路，通过控制MOS管Q1的通断和利用蓄能电感L控制输出实现高电压/低电流或高电流/低电压。当PWM电路中的PWM比较器接收的输出信号值和设定值比较的误差电压低于（或高于）某一值时，PWM比较器将调整PWM输出脉冲宽度到0%（或100%），此时MOS管Q1导通（或关断），同时由于输出电容C2的存在，输出电压需要一段时间才会到0V；当PWM比较器的误差电流低于（或高于）某一值时，PWM比较器将调整PWM输出脉冲宽度到100%（或0%），此时MOS管Q1导通（或关断），在关断状态下，通过蓄能电感L1的充放电控制输出电流的大小。
当调整PWM状态比较器的状态比较电平端到合适值并加到PWM状态比较器的反相（或同相）端时，若电子负载使能端的信号为低，则三极管Q3是关断的。电子负载基准电压电路根据需要产生基准电压，其产生的基准电压通过分压电阻R1、R3加到电子负载误差放大器的同相端，电子负载误差放大器将驱动MOS管Q2开启使电子负载(可多路并联）拉电流，使输出电压可调地、极快地得到需要的动态特性。
当前级电源的输出端有高频噪声的时候，该高频噪声将通过吸收电容C1（C1为MOS管Q1的吸收电容、分布电容等的等效电容）、输出电容C2、负载电阻R4的分压回路分压，在输出电流为0、负载电阻R4阻值较大（由于功耗限制其不可能很小）时，即使MOS管Q1是完全关闭的，输出也会有一个浮动电压。此时即使电子负载使能端信号为高，电子负载基准电压产生电路产生的电压仍会通过R1、R2的分压产生一个小的信号加到电子负载误差放大器的同相端，使电子负载器(可多路并联）作为一个恒流源将输出的浮动电压拉到极接近0V（只要限流电阻R6和MOS管Q2的导通电阻足够小）。同时在电路正常工作时负载电阻R4也是电路的死负载，可以使负载电阻R4使用较大阻值甚至不用，也能保持电路的稳定。
本发明的有益效果是通过加装一个电路，实现在一定体积的电源机箱内，一定功率的电源输出功率下，可以分别实现高电压/低电流或高电流/低电压的很宽的高电压或高电流的输出范围能力，同时可以得到极快的、可调特性的输出电压和输出电流的下降特性，且在正常工作时在电流取样之前不对输出电流的测量精度产生影响，电源与外接的负载设备交叉工作，不会引起前级电源瞬态过功率。
附图说明
图1为本发明实施例的电路原理框图。
图2为本发明实施例的电路示意图。
图3为现有技术的开关电源输出动态特性的波形图。
图4为本发明实施例的电源输出动态特性的波形图。
其中：1-电流误差放大器，2-电压误差放大器，3-PWM比较器，4-PWM状态比较器，5-电子负载误差放大器。
具体实施方式
下面根据附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例如图1和图2所示，本实施例提供一种可以扩大开关电源输出范围和改善输出特性的电路，包括CPU控制电路和降压电路，所述CPU控制电路包括电子负载基准电压电路、分压电阻R1、R2、R3、三极管Q3、PWM状态比较器4、状态比较电平端、电子负载使能信号端、电流误差放大器1和电压误差放大器2；所述降压电路包括MOS管Q1、二极管D1、蓄能电感L1、负载电阻R4、电流取样电阻R5、电容C3、输出电容C2、吸收电容C1、驱动电路、PWM电路和电子负载。
MOS管Q1的漏极和前级电源的输出正极连接，源极和驱动电路的一个输出端、二极管D1的负极和蓄能电感L1的一端连接，栅极和驱动电路的另一端连接，MOS管Q1的漏极和源极上跨接有吸收电容C1。
蓄能电感L1的另一端和负载电阻R4的一端、电容C3的一端和输出电容C2的正极连接，用于作为自动量程电源的输出正极。
前级电源的输出负极和二极管D1的正极、负载电阻R4的另一端、电容C3的另一端和电流取样电阻R5的一端连接。
电流取样电阻R5的另一端和输出电容C2的负极连接，用于作为自动量程电源的输出负极。
电流误差放大器1的输入端并联在电流取样电阻R5的两端，采集电流信号后经电流误差放大器1输出端输入PWM电路的输入端后，再由PWM电路的输出端输出到驱动电路的输入端，由驱动电路输出信号控制MOS管Q1的通断；
电压误差放大器2的输入端并联在输出电容C2的两端，采集到电压信号后经电压误差放大器2的输出端输入PWM电路的输入端后，再由PWM电路的输出端输出到驱动电路的输入端，由驱动电路输出信号控制MOS管Q1的通断；
电流误差放大器1的输出端、电压误差放大器2的输出端和PWM电路的PWM比较器3的输入端相连。
电子负载包括MOS管Q2、电子负载误差放大器5和限流电阻R6，MOS管Q2的漏极和输出电容C2的正极连接，栅极和电子负载误差放大器5的输出端连接，源极和限流电阻R6的一端和电子负载运算放大器的负端连接，限流电阻R6的另一端和前级电源的负极连接，或者也可以将电子负载同时并联多个；
CPU控制电路中的PWM状态比较器4的输出端和三极管Q3的基极连接，三极管Q3的基极设置有电子负载使能信号端，三极管Q3的发射极和自动量程电源的负极连接，三极管Q3的集电极依次串联连接分压电阻R2、R3后，再和电子负载误差放大器5的正输入端连接，分压电阻R1的一端连接在分压电阻R2、R3之间，另一端和电子负载基准电压电路连接，PWM状态比较器4的一个输入端设置为状态比较电平端，另一个输入端和电流误差放大器1及电压误差放大器2的输出端连接，通过 CPU控制电路和电子负载误差放大器5的正输入端连接，用于控制MOS管Q2的通断起到电子负载的拉电流作用，实现不同的电压和电流的输出动态特性，从图3传统的缓慢输出波形图可以看出，本实施例图4的输出波形可以实现波形的快速输出变化。
本实施例的有益效果是能够提供高电压/低电流或高电流/低电压的输出工作范围，同时还可以得到极快的、可调特性的输出电压和输出电流的下降特性，且在正常工作时在电流取样之前不对输出电流的测量精度产生影响，电路与外接的负载设备交叉工作，不会引起前级电源输出端的瞬态过功率。
Claims (5)
1.一种可以扩大开关电源输出范围和改善输出特性的电路，包括CPU控制电路，提供比较、控制和设定信号，其特征在于：还包括降压电路，所述降压电路连接在前级电源的输出端正极和输出端负极，降压电路包括MOS管（Q1）、二极管（D1）、蓄能电感（L1）、负载电阻(R4)、电流取样电阻（R5）、电容（C3）、输出电容（C2）、驱动电路、PWM电路；
MOS管Q1的漏极和前级电源的输出端正极连接，源极和驱动电路的一个输出端、二极管（D1）的负极和蓄能电感（L1）的一端连接，栅极和驱动电路的另一端连接；
蓄能电感（L1）的另一端和负载电阻（R4）的一端、电容（C3）的一端和输出电容（C2）的正极连接，用于作为自动量程电源的输出正极；
前级电源的输出负极和二极管（D1）的正极、负载电阻（R4）的另一端、电容（C3）的另一端和电流取样电阻（R5）的一端连接；
电流取样电阻（R5）的另一端和输出电容（C2）的负极连接，用于作为自动量程电源的输出负极；
PWM电路的输入端接收CPU控制电路的电压或电流比较信号输出PWM脉冲到驱动电路的输入端，再由驱动电路的输出端分别连接MOS管（Q1）的源极和栅极，控制MOS管（Q1）的通断。
2.根据权利要求1所述的一种可以扩大开关电源输出范围和改善输出特性的电路，其特征在于：还包括至少一个电子负载，所述电子负载包括MOS管（Q2）、电子负载误差放大器（5）和限流电阻（R6）；
MOS管（Q2）的漏极和输出电容（C2）的正极连接，栅极和电子负载误差放大器（5）的输出端连接，源极和限流电阻（R6）的一端和电子负载运算放大器的负端连接，限流电阻（R6）的另一端和前级电源的负极连接；
CPU控制电路产生的基准电压输入到电子负载误差放大器（5）的正输入端，用于控制MOS管（Q2）的通断。
3.根据权利要求2所述的一种可以扩大开关电源输出范围和改善输出特性的电路，其特征在于：所述CPU控制电路包括电流误差放大器（1）、电压误差放大器（2）、电子负载基准电压电路、分压电阻（R1、R2、R3）、三极管（Q3）、PWM状态比较器（4）、状态比较电平端和电子负载使能信号端；
PWM状态比较器（4）的输出端和三极管（Q3）的基极连接，三极管（Q3）的基极设置有电子负载使能信号端，三极管（Q3）的发射极和自动量程电源的负极连接，三极管（Q3）的集电极依次串联连接分压电阻（R2、R3）后再和电子负载误差放大器（5）的正输入端连接，分压电阻（R1）的一端连接在分压电阻（R2、R3）之间，另一端和电子负载基准电压电路连接，PWM状态比较器（4）的一个输入端设置为状态比较电平端，另一个输入端和电流误差放大器（1）及电压误差放大器（2）的输出端连接；
电流误差放大器（1）的输入端并联在电流取样电阻（R5）的两端，采集电流信号后经电流误差放大器（1）输出端输入PWM电路的输入端后，再由PWM电路的输出端输出到驱动电路的输入端，由驱动电路输出信号控制MOS管（Q1）的通断；
电压误差放大器（2）的输入端并联在输出电容（C2）的两端，采集到电压信号后经电压误差放大器（2）的输出端输入PWM电路的输入端后，再由PWM电路的输出端输出到驱动电路的输入端，由驱动电路输出信号控制MOS管（Q1）的通断；
电流误差放大器（1）的输出端、电压误差方大器的输出端和PWM电路的输入端相连。
4.根据权利要求3所述的一种可以扩大开关电源输出范围和改善输出特性的电路，其特征在于：PWM电路包括PWM比较器（3），PWM比较器（3）的输入端为PWM电路的输入端。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种可以扩大开关电源输出范围和改善输出特性的电路，其特征在于：MOS管（Q1）的漏极和源极上跨接有吸收电容（C1）。
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