CN103078494A - 一种高效稳压电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效稳压电源电路，它利用非稳压隔离式DC-DC电路将稳压电源电路中输入电流流经压降为输入电压与输出电压之差的电路部分所消耗的功率部分地转换为输出功率的一部分，以减少电路的输入电流，提高整个稳压电源电路的功率效率。本发明所述稳压电源电路主要由非稳压隔离式DC-DC电路、稳压器、电感和电容组成。非稳压隔离式DC-DC电路的输出端口接稳压器的输入端口，为后者提供输入功率，稳压器的输出电压为整个稳压电源的输出电压。非稳压隔离式DC-DC电路的输入端口、电感与稳压电源的输出端口依次串联连接，稳压电源电路的输入电压加在这个串联电路的两端。

Description

一种高效稳压电源电路

技术领域

本发明涉及一种稳压电源电路，具体涉及一种高效稳压电源电路。

背景技术

目前稳压电源在电子设备中广泛使用。市电经过变压器、整流器和滤波器转换成不稳定的直流电压，最终由稳压电源变成稳定的电压输出给电路使用。对于电池供电的电器，由于电池电量随时间减少，对供电电压稳定性有一定要求的电器也需要稳压电源将电池电压转换成所需要的稳定的供电电压。稳压电源的功率效率为其输出功率与输入功率之比，反映其对输入功率的使用率。功率效率高的稳压电源能量损失小。由于稳压电源被大量使用，所以提高稳压电源的功率效率能有效地促进节能环保，减少碳排放。

电子设备中常用的稳压器如图1所示。其中V_I、V_I为输入电压和电流，V_O、I_O为输出电压和电流。稳压器的输入功率P_I＝V_II_I，输出功率P_O＝V_OI_O，功率效率为：η＝P_O/P_I＝V_OI_O/V_II_I。对于线性稳压器，如7805，V_I＞V_O，I_I≥I_O。所以，η≤V_O/V_I。输入电流I_I中大小为I_O的部分流过压降为输出电压V_O的负载产生输出功率。即使线性稳压器可以实现输出电流几乎等于输入电流，但是由于输入电流流过电压差为V_I-V_O的电路部分所消耗的功率只产生热量，它对电路来说是无用的。因为稳压器需要将一定范围内变化的输入电压变换到稳定的输出电压，因此线性稳压器中V_I-V_O的电压差是不可避免的。所以电路功率效率受到V_I/V_O限制。

调整管工作在非线性区的开关电源通过控制调整管开关时间比例来稳定输出电压。调整管上消耗的功率很少，所以电路功率效率大于V_I/V_O。但是和线性稳压器一样，电路有一部分电流不通过负载、这部分电流所产生的功率也是无用的损耗。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种高效稳压电源电路，该电路利用非稳压隔离式DC-DC电路将现有稳压电源电路中浪费的功率部分地转换为有用输出功率的一部分，提高整个电路的功率效率。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种稳压电源电路，主要包括非稳压隔离式DC-DC电路、稳压器、电感和电容。

本发明中，非稳压隔离式DC-DC电路的输出端口接稳压器的输入端口，为后者提供输入功率，稳压器的输出端口接整个电路的输出端口。非稳压隔离式DC-DC电路的输入端口、电感与整个电路的输出端口依次串联接连，整个稳压电源电路的输入电压加在这个串联电路的两端。即非稳压隔离式DC-DC电路的输入端口正端接整个电路输入电压的正端，输入端口负端通过电感接整个电路输出电压的正端，整个电路的输入电压与输出电压的负端相连；或者非稳压隔离式DC-DC电路的输入端口负端接整个电路输入电压的负端，输入端口正端通过电感接整个电路输出电压的负端，整个电路的输入电压与输出电压的正端相连。

由于输入电压与输出电压相串联，所以电路输入的直流电流完全流过负载，克服了现有稳压器中的电流损耗。另外，输入电流流经整个电路中压降为输入电压与输出电压之差的电路部分所消耗的功率通过非稳压隔离式DC-DC被输入到稳压器的输入端，通过稳压器产生流过负载的另外一部分电流。这样输出电流I_O有两部分组成。一是输入电流I_I，它经过非稳压隔离式DC-DC电路的输入端口、电感从整个电路的输出端流出。另一个是稳压器的输出电流I_OR，它来自于非稳压隔离式DC-DC电路为稳压器提供的功率，这部分功率在图1所示的稳压器(特别是线性稳压器)中是无用的。虽然本发明的稳压电源电路中的稳压器也有部分功率未输出到负载上，但稳压器所产生的负载电流只占全部负载电流的一部分，所以本发明中稳压器中的功率损耗能够比单独使用稳压器时的功率损耗小。

有益效果：本发明电路利用非稳压隔离式DC-DC电路将稳压电源电路的输入电流完全流到负载上，并且将稳压电源电路中降压为输入电压与输出电压之差的电路部分所消耗的功率部分地转换成输出功率的一部分，减小整个电路的输入电流，提高稳压电源电路的功率效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为稳压器示意图。

图2为本发明的高效稳压电源电路示意图。

图3为一个实际的高效稳压电源电路示意图。

具体实施方式

本发明利用非稳压隔离式DC-DC电路将稳压电源电路消耗的无用功率部分地转换为输出功率的一部分。

图2所示的电路由一个非稳压隔离式DC-DC电路和一个稳压器，以及电感和电容构成。非稳压隔离式DC-DC电路给稳压器提供输入电压和电流。作为辅助元件的电感和电容的作用是减小电压波动。电路的输入电压V_I和输出电压V_O可以同时为正，也可以同时为负，下面只讨论V_I＞V_O＞0的情况。V_I＜V_O＜0的情况类似，不再赘述。

非稳压隔离式DC-DC电路的输入端口的正端接整个电路输入电压的正端，其负端通过电感接输出电压的正端，输入电压和输出电压的负端相连。电感及电容的作用主要是减小非稳压隔离式DC-DC电路的输入端口流到整个电路输出端口的电流的波动，电感上的直流电压可以忽略。这样非稳压隔离式DC-DC电路的输入电压V_ID＝V_I-V_O。非稳压隔离式DC-DC电路的输入电流I_ID为整个电路的输入电流I_I，其输出电压V_OD等于稳压器的输入电压V_IR。电容C₂上流过的电流主要是非稳压隔离式DC-DC电路输出的波动电流，所以非稳压隔离式DC-DC电路的直流输出电流I_O等于稳压器的输入电流I_IR。稳压器的输出电压为整个电路的输出电压V_O。稳压电路的输出电流为I_OR。电容C₁上流过的电流主要是非稳压隔离式DC-DC电路产生的波动电流，所以可以认为整个电路输入的直流电流完全流过负载。因此，电路的输出电流I_O＝I_ID1+I_OR＝I_ID+I_OR＝I_I+I_OR。

除了稳压器自身的稳压作用外，图2所示的电路构成一个负反馈系统。当V_O减小时，非稳压隔离式DC-DC电路的输入电压V_I-V_O增加，V_OD及VI_R增加，导致V_O上升。类似地，当V_O上升时也能通过上述调节过程使V_O下降。这样保证了整个电路的输出电压的稳定。

另一方面，如果V_I增加，由于稳压器自身对V_O的稳定作用，造成V_ID＝V_I-V_O和I_I＝I_ID增加，使得I_OR减小，稳压器负载电流的减小造成I_IR及I_OD减小，同理非稳压隔离式DC-DC电路的负载电流的减小导致I_I＝I_ID减小。类似地，如果由于V_I下降造成I_I减少，也能通过上述调节过程使I_I增加。

设非稳压隔离式DC-DC电路的功率效率为η_D，稳压器的功率功率为η_R。非稳压隔离式DC-DC电路的输出功率P_OD等于稳压器的输入功率P_IR，即：

P_IR＝V_IRI_IR＝P_OD＝V_ODI_OD＝η_D(V_O-V_O)I_I

稳压器的输出功率为：

P_OR＝V_OI_OR＝η_RV_IRI_IR

整个电路的输出功率为：

P_O＝V_OI_O＝V_O(I_I+I_OR)＝V_O(I_I+η_RV_IRI_IR/V_O)＝V_O[I_I+η_Rη_DI_I(V_I-V_O)/V_O]

则整个电路的功率效率为：

η＝P_O/P_I＝V_O[I_I+η_Rη_DI_I(V_I-V_O)/V_O]/V_II_I＝V_O[1+η_Rη_D(V_I-V_O)/V_O]/V_I

设α＝(V_I-V_O)/V_O，则

η＝(1+η_Rη_Dα)/(1+α)

当：α＜(1-η_R)/[(1-η_D)η_R]时，η＞η_R，即整个稳压电源电路的功率效率大于稳压器的效率。

或者说η＞η_R的条件是：

V_I＜V_O{1+(1-η_R)/[(1-η_D)η_R]}

上述条件是比较容易满足的，特别是许多应用场合满足η_R＜η_D及V_I＜2V_O。

图2所示的电路中非稳压隔离式DC-DC电路将(V_I-V_O)I_I部分地转换为输出功率的一部分，所以能够提高电路的功率效率。

需要指出的是，图2中稳压器的输入电压不一定等于整个电路的输入电压，并且其输出电流也小于整个电路的输出电流，所以图2中的稳压器的功率效率η_R与稳压器输入电压为V_I输出电流为I_O时的效率有所不同。下面以图3电路为例说明本发明可以提高稳压电源电路的功率效率。

图3中，非稳压隔离式DC-DC电路选用广州金升阳科技有限公司的B0512S-2W，稳压器使用常用的7805，C₁为1nF电容，C₂和C₃为10μF电解电容，L为33μH。实际测量的输入电压、输入电流、输出电压和输出电流如表1所示。根据实验数据，计算得到的该电路功率效率均大于稳压器7805单独使用时的效率上限V_O/V_I。并且负载电流越大，效率较高。输出电压纹波系数小于0.1％。

表1

VI(V)	II(mA)	VO(V)	IO(mA)	η(％)	VO/VI(％)
						8	82.47	5.000	100.23	76.0	62.5
8	118.44	4.990	150.18	79.1	62.4
						8	154.07	4.983	199.78	80.8	62.3
8	187.91	4.940	247.51	81.3	61.8
						8	221.18	4.894	294.57	81.5	61.2
8.5	83.33	5.000	100.29	70.8	58.8
						8.5	119.21	4.993	150.29	74.1	58.7
8.5	155.02	4.986	200.07	75.7	58.7
						8.5	189.82	4.962	248.83	76.5	58.4
8.5	224.93	4.949	297.84	77.1	58.2
						9	84.11	5.000	100.30	66.2	55.6
9	119.99	4.997	150.30	69.5	55.5
						9	155.81	4.993	200.08	71.2	55.5
9	191.19	4.991	248.96	72.2	55.5
						9	226.44	4.990	298.09	73.0	55.4
9.5	84.83	5.000	100.38	62.3	52.6
						9.5	120.77	5.000	150.32	65.5	52.6
9.5	156.59	4.995	200.10	67.2	52.6
						9.5	192.18	4.992	249.56	68.2	52.5
9.5	227.58	4.991	298.77	69.0	52.5
						10	85.55	5.001	100.39	58.9	50.0
10	121.59	5.000	150.58	61.9	50.0
						10	157.45	4.996	200.29	63.6	50.0
10	193.19	4.993	250.41	64.7	49.9
						10	228.77	4.991	299.33	65.3	49.9

如果电路中选用功率效率较高的开关电源作为稳压器，则要选择功率效率更高的非稳压隔离式DC-DC电路来提高电路的功率效率。文献“Novel Isolated High-Step-Up DC-DCConverter With Voltage Lift”(T.J.Liang，J.H.Lee，S.M.Chen，J.F.Chen，&L.S.Yang.IEEETransactions on Industrial Electronics，Vol.60，no.4，pp.1483-1491，2013)实现了功率效率超过95％的非稳压隔离式DC-DC电路，明显高于现有的开关电源的功率效率(一般不超过92％)。所以结合上面分析，当选用开关电源作为稳压器时本发明方案也可以提高功率效率。

本发明提供了一种高效稳压电源电路的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种高效稳压电源电路，其特征在于，包括非稳压隔离式DC-DC电路、稳压器、电感和电容。

2.根据权利要求1所述的一种高效稳压电源电路，其特征在于，所述非稳压隔离式DC-DC电路的输入端口、电感与稳压电源电路的输出端口依次串联连接，稳压电源电路的输入电压加在这个串联电路的两端，电感两端分别接一个电容到稳压电源电路输入与输出电压的共同端。

3.根据权利要求1所述的一种高效稳压电源电路，其特征在于，所述非稳压隔离式DC-DC电路的输出端口与所述稳压器的输入端口相连，为后者提供输入功率；所述稳压器的输出端口接稳压电源电路的输出端口，稳压器输入端口并联一个电容。

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