CN103337959B - 低噪连续可调直流电源及其调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低噪连续可调直流电源及其调制方法，其中，低噪连续可调直流电源包括开关电源、整流滤波单元、开关电源的直流电压输出单元和线性电源的直流电压调整输出单元，其中，输入的直流电通过开关电源的直流电压输出单元调整后，输出的直流电压值稳定于给定器给定的电压与线性电源调整管的调整电压之和，然后通过线性电源的直流电压调整输出单元调整，使最终输出的电压值与给定器给定的电压值一致。通过本发明能够使可调电源同时具有开关电源和线性电源的优点，实现可调电源的高效率、低纹波并且连续可调。

Description

低噪连续可调直流电源及其调制方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，更为具体地，涉及一种低噪连续可调直流电源及其调制方法。

背景技术

现阶段可调电源广泛应用于各个领域，在许多低电压、低功耗的电子产品中，常常需要在本地产生较高的电压，有时甚至要求该电压在一定范围内连续可调，这就对可调电源有了较高的要求。

可调电源是通过将调节开关电源PWM输出的占空比，实现输出电压和电流的大范围调节。开关电源是通过电路控制开关管的高频导通与截止，实现高频变压器的高效能量传输；其电子元器件工作在开关状态，因此具有工作效率高，功耗小的特点，但也由于其电子元器件工作在开关状态，产生较高的开关噪声，导致电源输出噪声和纹波均大。

与开关电源相对应的是线性电源，由于线性电源的功率器件工作在线性状态，其功率调整器件在流过大电流同时又承担着较高的调整电压，因此功率调整器件功耗较大，也就导致了线性电源的工作效率低。但也正由于其功率器件工作在线性状态，没有噪声源，因此线性电源输出时噪声小并且纹波也低。

如果将开关电源和线性电源融合于可调电源中，使其具有开关电源的高效率和线性电源的低噪声优点，那么可调电源的性能将大大提高。

目前有利用开关电源初调和线性电源精调的方法来实现的电源，但此种电源只能固定电压输出，无法实现输出电压的可调。为了实现电源的输出电压可调，有利用开关电源高压固定输出，再用线性电源做降压调整输出实现的可调电源，但其功耗大、效率低；还有利用工频变压器分段输出，再后续线性调整输出电压实现的可调电源，但其功耗和可靠性均不理想。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种低噪连续可调直流电源及其调制方法，以将开关电源的高效率与线性电源的低纹波统一，使可调电源具有低噪并且连续可调的功能。

根据本发明提供的一方面，提供一种低噪连续可调电源的调制方法，包括：将输入的直流电通过开关电源输出可调直流电压；

将开关电源输出的可调直流电压整流滤波，其中，整流滤波后的直流电压为开关电源的电压反馈；

将开关电源的电压反馈与给定器给定的电压通过第一调节器进行比较，开关电源的控制器根据第一调节器的比较结果控制开关电源的输出电压，使开关电源输出的直流电压稳定于给定器给定的电压与线性电源调整管的调整电压之和；

将开关电源输出的直流电压通过线性电源调整输出，将线性电源输出的直流电压与给定器给定的电压通过第二调节器进行比较，其中，线性电源的控制器根据第二调节器的比较结果控制线性电源的输出电压，使线性电源输出的直流电压稳定于给定器给定的电压；其中，开关电源的控制器和线性电源的控制器为同一给定器给定控制，以实现开关电源和线性电源的同步联动调整。

其中，开关电源的控制器根据第一调节器的比较结果调整输出驱动脉冲宽度，控制开关电源的开关变换拓扑电路，通过开关变换拓扑电路实现开关电源的升压和降压变换，以扩大开关电源输出电压的可调范围。

其中，线性电源的控制器将第二调节器的比较结果，作线性光耦输入，通过线性光耦的输出控制线性调整管进行线性调整。

另外，开关电源的控制器的控制信号为采用电流型IC控制的PWM信号或者，DSP技术处理的PWM信号。

另一方面，本发明提供一种低噪连续可调直流电源，包括：

开关电源，用于将输入的直流电通过开关电源输出可调直流电压；

整流滤波单元，用于将开关电源输出的直流电压整流滤波，其中，整流滤波后的直流电压为开关电源的电压反馈；

开关电源的直流电压输出单元，用于将开关电源的电压反馈与给定器给定的电压通过第一调节器进行比较，开关电源的控制器根据第一调节器的比较结果控制开关电源的输出电压，使开关电源输出的直流电压稳定于给定器给定的电压与线性电源调整管的调整电压之和；

线性电源的直流电压调整输出单元，用于将开关电源输出的直流电压通过线性电源调整输出，将线性电源输出的电压与给定器给定的电压通过第二调节器进行比较，线性电源的控制器根据第二调节器的比较结果控制线性电源的输出电压，使线性电源输出的直流电压稳定于给定器给定的电压；其中，在开关电源的直流电压输出单元和线性电源的直流电压调整输出单元中，开关电源的控制器和线性电源的控制器为同一给定器给定控制，以实现开关电源和线性电源的同步联动调整。

利用上述根据本发明的低噪连续可调电源及其调制方法，能够将开关电源的高效率与线性电源的低纹波统一，从而使可调电源具有低噪并且连续可调的功能。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的低噪连续可调电源的调制方法流程示意图；

图2为根据本发明实施例的低噪连续可调电源方框示意图；

图3为根据本发明实施例的低噪连续可调电源的原理框图；

图4A和图4B为根据本发明实施例的低噪连续可调电源的电路图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

针对前述现有技术中的可调电源功耗大、效率低的问题，本发明将输入的直流电先通过开关电源调整，使其输出的电压值稳定于给定器给定的电压值与线性电源调整管的调整电压之和，然后通过线性调整，使最终输出的电压值与给定器给定的电压值一致，从而使可调电源同时具有开关电源和线性电源的优点，实现可调电源的高效率、低纹波并且连续可调。

需要说明的是本发明提供的低噪连续可调电源及其调制方法适用于医用开关电源、医用可调输出电源和实验电源等支持小功率的电源设备。

图1示出了根据本发明实施例的低噪连续可调电源的调制方法流程示意图。如图1所示，本发明提供的低噪连续可调电源的调制方法包括：

S110：将输入的直流电通过开关电源输出可调直流电压；

其中，在步骤S110中，输入的直流电通过开关电源的变换输出宽范围的可调直流电压。在本发明的一个具体实施例中，输入的直流电在12V至48V之间，通过开关电源的变换后，则输出的直流电压在0V至100V之间的可调。

S120：将开关电源输出的可调直流电压整流滤波，其中，整流滤波后的直流电压为开关电源的电压反馈；

S130：将开关电源的电压反馈与给定器给定的电压通过第一调节器进行比较，开关电源的控制器根据第一调节器的比较结果控制开关电源的输出电压，使开关电源输出的直流电压稳定于给定器给定的电压与线性电源调整管的调整电压之和；S140：将开关电源输出的直流电压通过线性电源调整输出，将线性电源输出的直流电压与给定器给定的电压通过第二调节器进行比较，线性电源的控制器根据第二调节器的比较结果控制线性电源的输出电压，使线性电源输出的直流电压稳定于给定器给定的电压；

其中，开关电源的控制器和线性电源的控制器为同一给定器给定控制。

需要说明的是，采用同一给定器给定控制开关电源的控制器和线性电源的控制器，能够实现开关电源和线性电源的同步联动调整。

在步骤S110中，输入的直流电通过开关电源只实现了宽范围的可调，为了实现开关电源输出的电压在宽范围的基础上大范围可调，在本发明中，开关电源的控制器根据第一调节器的比较结果调整输出驱动脉冲宽度，控制开关电源的开关变换拓扑电路，通过开关变换拓扑电路实现开关电源的升压和降压变换，以扩大开关电源输出电压的可调范围。

作为本发明的一个示例，线性电源调整管的调整电压在1V至5V之间，或者直接将线性电源的电压输出范围限定在3V±2V。在步骤S110中，输入的直流电可实现在0V至100V之间宽范围的可调，那么经过开关电源的开关变换拓扑电路的调整后，则开关电源输出电压的可调范围则为5V至105V。

需要说明的是，在本发明中，第一调节器或第二调节器的调节方式包括：P调节或者PI调节或者PID调节；第一调节器或第二调节器为railtorail运算放大器。

另外需要说明的是，在本发明中，第一调节器和第二调节器同属为调节器，根据其工作性质的不同，将第一调节器作为开关电源的调节器，第二调节器作为线性电源的调节器。也就是说，第一调节器即开关电源的调节器，第二调节器即线性电源的调节器。为了表述的方便，在下面的实施例说明中会根据表述的需要选用不同的表述方式。

与上述方法相对应，本发明提供一种低噪连续可调直流电源，图2示出了根据本发明实施例的低噪连续可调直流电源方框示意图。

如图2所示，本发明提供的低噪连续可调电源200包括开关电源210、整流滤波单元220、开关电源的直流电压输出单元230和线性电源的直流电压调整输出单元240。

其中，开关电源210用于将输入的直流电通过开关电源输出可调直流电压；整流滤波单元220用于将输出的可调直流电压整流滤波，其中，整流滤波后的电压为开关电源的电压反馈；开关电源的电压输出单元230，用于将开关电源的电压反馈与给定器给定的电压通过第一调节器进行比较，开关电源的控制器根据第一调节器的比较结果控制开关电源的输出电压，使开关电源输出的直流电压稳定于给定器给定的电压与线性电源调整管的调整电压之和；线性电源的直流电压调整输出单元240，用于将开关电源输出的直流电压通过线性电源调整输出，将线性电源输出的直流电压与给定器给定的电压通过第二调节器进行比较，线性电源的控制器根据第二调节器的比较结果控制线性电源的输出电压，使线性电源输出的直流电压稳定于给定器给定的电压；其中，在开关电源的直流电压输出单元和线性电源的直流电压调整输出单元中，开关电源的控制器和线性电源的控制器为同一给定器给定控制。

为了详细说明本发明提供的低噪连续可调电源，图3示出了根据本发明实施例的低噪连续可调电源原理框图。

如图3所示，Ug为给定器，通过Ug来实现输出电压值的给定，IC1为开关电源的调节器，即第一调节器；IC2为线性电源的调节器，即第二调节器；Uf为开关电源的电压反馈。输入的直流电通过开关电源输出，然后整流滤波，取整流滤波后的电压为开关电源的反馈电压Uf，开关电源的调节器将开关电源的电压反馈Uf与给定器Ug给定的电压进行比较，开关电源的控制器根据开关电源的调节器IC1的比较结果控制开关电源的输出，使开关电源的电压输出值稳定于给定器Ug给定的电压值与线性电源调整管的调整电压之和；

开关电源输出的电压再通过线性电源调整输出，线性电源的输出通过比较器IC2与给定器Ug给定的电压值进行比较，线性电源的控制器根据线性电源的比较器的比较结果控制线性电源输出，使线性电源的电压输出值稳定于给定器Ug给定的电压值。

需要说明的是，在本发明的实施例中，根据调节器的功能分为开关电源的调节器IC1和线性电源的调节器IC2，其中调节器可以是P（Proportion，比例）调节或者PI（ProportionIntegration，比例积分）调节或者PID（ProportionIntegrationDifferentiation，比例积分微分）调节。

由于本发明提供的低噪连续可调电源适用于支持小功率的电源设备，因此在本发明的具体实施例中，输入的直流电Uin为12V-48V，输出的直流电Uout为0V-100V，线性电源的电压调节范围1V-5V，因此经开关电源变换后，开关电源输出的电压值为1V-105V，再经过线性调整后实现低噪、低功耗并且可调输出0V-100V的电压值。也就是说，开关电源输出电压的可调范围在1V至105V之间连续可调，而线性电源的电压输出范围在1V至5V之间做线性调节，达到低功耗调节电压的目的，或者直接将线性电源的电压输出范围限定在3V±2V。

作为本发明的一个示例，当开关电源输出为1V-5V时，假如设定输出为0V，那么线性电源可以调整到0V输出；当开关电源输出101V-105V时，假如设定输出为100V，那么线性电源也可以调整到100V输出。

另外，需要说明的是，在本发明中开关电源的控制器根据开关电源的调节器的比较结果调整输出驱动脉冲宽度，控制开关电源的开关变换拓扑电路，通过开关变换拓扑电路实现开关电源的升压和降压变换。其中，开关变换拓扑电路可以是SEPIC拓扑电路或者BUCK-BOOST拓扑电路，在本发明的具体实施例中采用的是SEPIC拓扑电路；线性电源的控制器将线性电源的调节器的比较结果输入给线性光耦，通过光耦的输出控制调整管进行线性调整。其中，控制线性调整的调整管为功率场效应管或者达林顿管。

为了更为详细说明本发明提供的低噪连续可调电源，图4A和图4B示出了根据本发明实施例的低噪连续可调电源的电路图。

如图4A和图4B所示，输入直流电源VI经电解电容C2滤波，供给由T1，C1，Q2，D1，C3组成的SEPIC拓扑电路，进行升降压变换，整流管D1输出3-103V直流电压；再经外部加15V电压和光耦U4控制的Q1场效应管或达林顿管进行线性调整，C4滤波输出给定器给定要求的直流电压。

在本发明的一个具体实施例中，开关电源的控制器采用PWM（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制）芯片来控制开关电源的开关变换拓扑电路。其中PWM芯片选占空比为0—0.95以上，在本发明中采用UC3843/UC2843芯片；C7、C8和R13是PWM芯片内误差放大器的补偿来确保合理的相位裕量；R26、C12是PWM芯片外部定时RC,其下加小电阻，是为了将本PWM芯片与外部同步频率SYN可靠同步；Q4将本机振荡脉冲送给U5_PIN3,做电流反馈的斜率补偿，使其在轻载时，避开BURSTMODE/SLIPMODE，重载时T2、D2开始电流反馈；PWM芯片PIN6输出0-0.95占比的驱动脉冲，经Q3和D3来加速驱动开关管Q2，根据占空比实现升压和降压。

由于第一调节器或者第二调节器的调节方式可以是P调节或者PI调节或者PID调节，在本发明中开关电源的调节器的调节方式采用P调节，线性电源的调节器的调节方式采用PI调节。

开关电源的P调节方法为：由统一给定Vg经U1A同相比例放大输出Vg*(R21+R24)/R24，反馈信号Vf经U2A跟随器输出Vf*R33/(R29+R33)；PWM是通过占空比控制保持内部误差放大器反相端PIN2电压2.5V稳定,即R18电流基本上流入R31。导出公式如下：

[Vg*(R21+R24)/R24-2.5]/R18=[2.5-Vf*R33/(R29+R33)]/R31；

令R18=R31，得简易公式：Vg*(R21+R24)/R24+Vf*R33/(R29+R33)=5；

计算：R24=10.7K，R21=10K，R29=30K，R33=1.53K；

得1.9Vg+0.0485Vf=5；

当Vg=2.5V时，Vf=3.4V；

当Vg=0V时,Vf=103V。

Vg在0V—2.5V给定时，输出3—103V，供后续线性调整。

线性电源的PI调节方法为：由统一给定Vg经U1B，U2B两运放输出:

Vg*（R15+R16）/R15-[Vg*（R15+R16）/R15-2.5]*（R17+R23）/R23给U3A同相端；

输出Vo经分压Vo*R12/(R10+R12)给U3A反相端；经U3A比例积分输出控制光耦输入，光耦线性输出控制调整管栅极电压，线性调整MOS管开通实现给定输出。公式如下：

Vo={Vg*（R15+R16）/R15-[Vg*（R15+R16）/R15-2.5]*[（R17+R23）/R23]}*(R10+R12)/R12；

计算：取R15=R16=R17=R23=10K，R10=30K，R12=1.57K

得：Vo=(5-2Vg)*31.57/1.57

当Vg=2.5V时，Vo=0V；对比Vf=3.4V，MOS管调整了3.4V；

当Vg=0V时，Vo=100.5V；对比Vf=103V，MOS管调整了2.5V；

Vg在0V—2.5V给定，线性调整3V左右，输出0V—100V；

另外在本发明的实施例中，不同的电子元器件需要的工作电压不同，因此根据不同的电子元器件选用不同的工作电压，其中：

1）线性光耦输出及MOS调整管采用15V外部隔离电源；

2）运放及PWM电源VC，VI在12V-15V时，由VI提供VC；VI大于18V时，经LM7815稳定15V给VC；

3）线性光耦输入为5V的供电，由VC经LM7805提供。

另外，本发明的一个优选实施方式为采用DSP（DigitalSignalProcessing，数字信号处理）技术处理的信号作为开关电源的控制器的控制信号，即采用DSP技术处理的信号作为PWM芯片的控制信号，便于多电源同步控制，使开关电源的输出电压更加精准和稳定，从而使本发明提供的低噪连续可调电源得到更好的实施。

如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的低噪连续可调电源及其调制方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的低噪连续可调电源及其调制方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (12)

1.一种低噪连续可调电源的调制方法，包括：

将输入的直流电通过开关电源输出可调直流电压：

将所述开关电源输出的可调直流电压整流滤波，其中，整流滤波后的直流电压为所述开关电源的电压反馈；

将所述开关电源的电压反馈与给定器给定的电压通过第一调节器进行比较，所述开关电源的控制器根据所述第一调节器的比较结果控制所述开关电源的输出电压，使所述开关电源输出的直流电压稳定于所述给定器给定的电压与线性电源的调整管的调整电压之和；

将所述开关电源输出的直流电压通过所述线性电源调整输出，将所述线性电源输出的直流电压与所述给定器给定的电压通过第二调节器进行比较，所述线性电源的控制器根据所述第二调节器的比较结果控制所述线性电源的输出电压，使所述线性电源输出的直流电压稳定于给定器给定的电压；

其中，所述开关电源的控制器和线性电源的控制器为同一给定器给定控制。

2.如权利要求1所述的低噪连续可调电源的调制方法，其中，

所述开关电源的控制器根据所述第一调节器的比较结果调整输出驱动脉冲宽度，控制所述开关电源的开关变换拓扑电路，通过所述开关变换拓扑电路实现所述开关电源的升压和降压变换，以扩大开关电源输出电压的可调范围。

3.如权利要求1所述的低噪连续可调电源的调制方法，其中，

所述第一调节器或第二调节器的调节方式包括：P调节或者PI调节或者PID调节。

4.如权利要求3所述的低噪连续可调电源的调制方法，其中，

所述第一调节器或第二调节器为railtorail运算放大器。

5.如权利要求2所述的低噪连续可调电源的调制方法，其中，

所述开关变换拓扑电路为SEPIC拓扑电路或者BUCK-BOOST拓扑电路。

6.如权利要求1所述的低噪连续可调电源的调制方法，其中，

所述线性电源的控制器将所述第二调节器的比较结果，作线性光耦输入，通过所述线性光耦的输出控制所述线性电源的调整管进行线性调整。

7.如权利要求6所述的低噪连续可调电源的调制方法，其中，

所述线性电源的调整管为功率场效应管或者达林顿管。

8.如权利要求1所述的低噪连续可调电源的调制方法，其中，

所述开关电源的控制器的控制信号为采用电流型IC控制的PWM信号或DSP技术处理的PWM信号。

9.一种低噪连续可调直流电源，包括：

开关电源，用于将输入的直流电通过开关电源输出可调直流电压；

整流滤波单元，用于将所述开关电源输出的可调直流电压整流滤波，其中，整流滤波后的直流电压为所述开关电源的电压反馈；

开关电源的直流电压输出单元，用于将所述开关电源的电压反馈与给定器给定的电压通过第一调节器进行比较，所述开关电源的控制器根据所述第一调节器的比较结果控制所述开关电源的输出电压，使所述开关电源输出的直流电压稳定于所述给定器给定的电压与线性电源的调整管的调整电压之和；

线性电源的直流电压调整输出单元，用于将所述开关电源输出的直流电压通过线性电源调整输出，将所述线性电源输出的直流电压与所述给定器给定的电压通过第二调节器进行比较，所述线性电源的控制器根据所述第二调节器的比较结果控制所述线性电源的输出电压，使所述线性电源输出的直流电压稳定于给定器给定的电压；

其中，在所述开关电源的直流电压输出单元和线性电源的直流电压调整输出单元中，所述开关电源的控制器和线性电源的控制器为同一给定器给定控制。

10.如权利要求9所述的低噪连续可调直流电源，其中，

所述开关电源的控制器根据所述第一调节器的比较结果调整输出驱动脉冲，控制所述开关电源的开关变换拓扑电路，通过所述开关变换拓扑电路实现所述开关电源的升压和降压变换，以扩大开关电源输出电压的可调范围。

11.如权利要求10所述的低噪连续可调直流电源，其中，

在所述开关电源的直流电压输出单元中，所述开关电源输出电压的可调范围为1V至105V。

12.如权利要求9所述的低噪连续可调直流电源，其中，

在所述线性电源的直流电压调整输出单元中，所述线性电源的电压调整范围为1V至5V或者为3V±2V。