CN103427672A - 同步连续可调电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同步连续可调电源系统，包括整流电路、PFC电路、隔离开关电源、低噪可调电源、同步脉冲发生器和同步触发器，该同步连续可调电源系统通过低噪可调电源对隔离开关电源输出的电压进行升降压变化，使最终输出的电压值与给定器给定的电压值一致。本发明提供的同步连续可调电源具有：第一，低噪、高效连续稳定调节的功能；并且能够解决0V到90V连续电压调整连续电流调整中电源振荡的问题；第二，实现多个低噪电源系统；PFC电路与隔离开关电源同步控制；第三，实现100Vac-240Vac交流市电输入及0V-90V连续直流可调电压输出。

Description

同步连续可调电源系统

技术领域

本发明涉及电子技术领域，更为具体地，涉及一种同步连续可调电源系统。

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，并且让一个电源同时支持多个低电压、低功耗的电子产品，这就对可调电源有了更高的要求。

可调电源是通过将开关电源的电压和电流展宽来实现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进行电路的导通与截止，完成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，因此电压输出时噪声大，并且容易受到电磁干扰，因此其电压在输出时，纹波也大。

与开关电源相对应的是线性电源，由于线性电源的功率调整器件工作在线性状态，功耗大，因此也就导致了线性电源的工作效率低。但由于其功率器件不是工作在开关状态并且具有很强的抗干扰力，因此线性电源在电压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，使其具有开关电源和线性电源的优点，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，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；并且当多个电源实现串联时，在开关电源和线性电源进行统调时还容易引起开关电源振荡。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种同步连续可调电源系统，以在100-240Vac交流市电输入的情况下，使可调电源系统具有连续稳定调节及低噪声输出的功能，并且将开关电源的高效率与线性电源的低纹波统一和解决开关电源和线性电源在统调时出现的开关电源振荡问题。

本发明提供的同步连续可调电源系统包括：

整流电路、PFC电路、隔离开关电源、低噪可调电源、同步脉冲发生器和同步触发器，其中，整流电路用于将输入的交流市电整流为工频脉动直流电压；PFC电路用于将整流电路输出的工频脉动直流电压变换成隔离开关电源需要的直流电压，并使电源功率因数达0.99以上；隔离开关电源用于将直流压隔离变换输出低噪可调电源所需的直流稳定电压；低噪可调电源用于对隔离开关电源输出的直流稳定电压进行升降压变换；同时实现电压的调整输出；同步脉冲发生器用于控制所述PFC电路与所述隔离开关电源的同步；隔离开关电源次级引出的同步触发器，用于同步控制后续的单路或者多路低噪可调电源。

其中，低噪可调电源包括开关电源、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，

开关电源，用于将隔离开关电源输出的直流稳定电压变换输出为可调直流电压；

整流滤波单元，用于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；

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。

利用上述根据本发明的同步连续可调电源系统，能够实现在100-240Vac交流市电输入的情况下，使可调电源具有连续稳定调节的功能，并且实现将开关电源的高效率与线性电源的低纹波统一和解决开关电源和线性电源在统调时出现的开关电源振荡问题。

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同步连续可调电源系统的原理框图；

图2为根据本发明实施例的低噪电源系统的工作原理框图；

图3为根据本发明实施例的同步连续可调电源系统电路图；

图4为根据本发明实施例的低噪电源系统电路图。

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、效率低并且在开关电源和线性电源进行统调时引起开关电源振荡的问题，本发明通过低噪可调电源对隔离开关电源输出的固定电压进行升降压调节变换，使最终输出的电压值与给定器给定的电压值一致，从而使可调电源系统具有低噪、高效连续稳定调节的功能并且解决统调中开关电源振荡的问题。

需要说明的是本发明提供的同步连续可调电源系统适用于医用开关电源、医用可调输出电源、实验电源和超声电源等支持中小功率的电源设备。

本发明提供的同步连续电源系统包括整流电路、PFC电路、隔离开关电源、低噪可调电源、同步脉冲发生器和同步触发器。

其中，整流电路用于将输入的100-240V交流市电整流为工频脉动直流电压；PFC电路用于将整流电路输出的脉动直流电变换成隔离开关电源需要的395V直流电压，并使电源功率因数达到0.99以上，以实现电源的高功率因数；隔离开关电源用于将395V直流电压隔离变换输出稳定直流电压；低噪可调电源用于对隔离开关电源输出的稳定电压进行升降压调节变换；通过同步脉冲发生器和同步触发器实现PFC电路、隔离开关电源和低噪电源系统的同步控制。

图1示出了根据本发明实施例的同步连续可调电源系统的原理框图。

如图1所示，交流市电100-240Vac电压通过整流桥（即整流电路）整流后，得到工频脉动直流电压。该工频脉动直流电压通过BOOST功率因数控制电路即PFC电路调整为395V-400V直流电；然后通过隔离开关电源变换成稳定的直流30V电压，再通过SEPIC拓扑结构的低噪可调电源对直流30V进行升降压变换，然后经线性调整实现低噪和低功耗输出0V—90V。

同步脉冲发生器是由晶振或多谐振荡器及分频组成，晶振或多谐振荡器生成的脉冲经分频器分频产生所需频率脉冲作为同步脉冲，该同步脉冲控制PFC电路与隔离开关电源的同步开关，使输出开关噪声位于同一频点，便于后续的抑制和避让。

需要说明的是，在本发明中，通过同步脉冲或者同步触发脉冲对隔离开关电源、PFC电路和低噪可调电源进行同步控制。也就是说，同步控制确保了各路电源和电路的PWM同频率同相位输出，减少了不可预知的频率干扰，便于后续对开关噪声的有效抑制和频率避让。

隔离开关电源次级引出的同步触发器产生的同步脉冲，用于同步后续的单路或多路低噪可调电源，令低噪可调电源作跟随同步。也就是说，其中，通过隔离开关电源的高频隔离变压器输出的同步脉冲，控制后续的低噪电源的跟随同步。即前面隔离开关电源是forword拓扑，后面同步是同频同相位；前面隔离开关电源是flyback拓扑，后面同步是同频按占空比移相；保证输出的噪声频点最少。本电源中隔离开关电源是flyback拓扑，触发同步脉冲是根据其PWM的占空比所占相位作同频移相；确保低噪可调电源与flyback的输出频率完全吻合，保证输出的噪声频点最少。

在图1所示的具体实施例中，隔离开关电源输出两路隔离30VDC,再通过两路低噪可调电源进行调节，可输出两路0V-90V可调电源。为了区分两路低噪可调电源，分别将这两路低噪可调电源命名为低噪可调电源1和低噪可调电源2，需要说明的是低噪可调电源1和低噪可调电源2的工作原理相同。具体地，将低噪可调电源1的负极与低噪可调电源2的正极接在一起作为公共端，则低噪可调电源1的正极和低噪可调电源2的负极形成正负输出可调电源，通过同步触发器同步低噪可调电源1和低噪可调电源2，实现可调电源系统的同步，从而实现在连接多个医疗设备时，满足医疗设备需求的低噪、可调开关电源。

在本发明中，隔离开关电源是电流型控制芯片控制的双管flyback拓扑。其拓扑结构还可以是单管flyback，单管forward，双管Forward或者halfbrige或者fullbrige。

另外，低噪可调电源在本发明中实现了低噪并且连续可调的功能，其中低噪可调电源包括开关电源、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，开开关电源，用于将隔离开关电源输出的直流稳定电压变换输出为可调直流电压；整流滤波单元，用于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；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。

为了详细说明低噪可调电源的工作原理，图2示出了根据本发明实施例的低噪可调电源的工作原理框图。

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。

如图2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，IC2为线性电源的调节器，Uf为开关电源的电压反馈。输入的30V直流电通过开关电源调压输出，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比较器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通过线性电源调整输出，线性电源输出经调节器IC2与给定器给定Ug的电压值进行比较，线性电源的控制器根据线性电源的调节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给定Ug的电压值。其中，低噪可调电源的电压调节范围为0V-90V，低噪电源系统中的线性电源的电压调节范围为3V左右，开关电源电压调节范围为3V-93V。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Ug给定控制。

需要说明的是，在本发明的具体实施例中，开关电源的调节器的调节方式是P（Proportion，比例）调节；线性电源的调节器的调节方式是PI（ProportionIntegration，比例积分）调节或者PID（Proportion Integration Differentiation，比例积分微分）调节。

另外，低噪可调电源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，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，在图2所示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作用于线性光耦输入，通过线性光耦的输出控制调整管进行线性调整。其中，所述控制线性调整的调整管为功率场效应管或者达林顿管。

在本发明中，低噪可调电源的开关电源实现在3V至93V连续可调，经低噪可调电源的线性电源进行线性调整后，输出的电压在0V-90V连续可调。而线性电源的调整管只进行3V左右的线性调整，以实现电压调整的低功耗。

为了更为详细地说明本发明提供的同步连续可调电源系统，图3示出了根据本发明实施例的同步连续可调电源系统电路图。

如图3所示，交流市电100V-240Vac输入经保险F1，F2和EMC控制用滤波电路L2，C37，C38等，通过BR1全桥整流输出150-300V脉动直流；在PFC芯片U18的控制下，由L1，Q9，D1，C40组成的BOOST升压电路输出直流395V-400V，实现电源功率因数大于0.99。

隔离开关电源将直流395V隔离变换输出直流30V和直流24V；根据输出功率及输出纹波噪声需求，本开关电源电路采用Flyback拓扑，由电流型PWM芯片U17，开关管Q10及隔离变压器T3A组成的Flyback变换；T3B整流输出系统用辅助电源；T3C稳定输出24V和T3E稳定输出30V，用于供给低噪可调电源进行升降压变换。

图4示出了根据本发明实施例的低噪可调电源电路图。如图4所示，隔离开关电源输出的稳定电压30VDC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3V-93V直流电压；再经外部加15V电压和线性光耦U4控制的Q1场效应管或达林顿管进行3V左右的线性调整，C4滤波输出给定器给定要求的直流电压。

在本发明的实施例中，低噪可调电源的开关控制器采用PWM（Pulse WidthModulation，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,下加小电阻。为了外部同步频率SYN可靠，将本PWM芯片与其同步；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等振荡，负载时T2、D2开始电流反馈；开关电源的PWM控制器U5将开关电源的输出电压反馈Vf与Vg给定的电压进行比较，结果通过PWM控制器芯片PIN6输出0-0.95占比宽度的驱动脉冲，经Q3和D4加速驱动开关管Q2，根据调整占空比驱动脉冲宽度实现升压和降压。

在本发明的实施例中，低噪可调电源的线性调节器将统一的电压给定信号Vg与线性调整输出电压通过精密rail to rail运放U3A作PI调节输出，控制线性光耦U4；线性光耦U4输出控制调整管Q1，Q1在3V左右进行精密调整，使低纹波低噪声输出稳定于给定电压。

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=1.70K；

得1.935Vg+0.0536Vf=5；

当Vg=2.5V时，Vf=3.03V；

当Vg=0V时,Vf=93.2V。

Vg在0V—2.5V给定时，输出3—93V，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=1.75K

得：Vo=(5-2Vg)*31.75/1.75

当Vg=2.5V时，Vo=0V；对比Vf=3.03V，MOS管调整了3.03V；

当Vg=0V时，Vo=90.7V；对比Vf=93.2V，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不同的工作电压，因此根据不同的电子元器件选用不同的工作电压，其中：

1）输出线性光耦及MOS调控采用15V外部隔离电源；

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

3）输入线性光耦加5V的供电，由VC经LM7805提供。

如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明的同步连续可调电源系统。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的同步连续可调电源系统，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 (10)

1.一种同步连续可调直流电源系统，包括整流电路、PFC电路、隔离开关电源、低噪可调电源、同步脉冲发生器和同步触发器，其中， 

所述整流电路用于将输入的交流市电整流为工频脉动直流电压； 

所述PFC电路用于将所述整流电路输出的工频脉动直流电压变换成所述隔离开关电源需要的直流电压，并使电源功率因数达0.99以上； 

所述隔离开关电源用于将直流电压隔离变换输出低噪可调电源所需的直流稳定电压； 

所述低噪可调电源用于对所述隔离开关电源输出的直流稳定电压进行升降压变换；同时实现电压的调整输出； 

所述同步脉冲发生器用于控制所述PFC电路与所述隔离开关电源的同步； 

所述隔离开关电源次级引出的所述同步触发器，用于同步控制后续的单路或者多路所述低噪可调电源。 

2.如权利要求1所述的同步连续可调电源系统，其中， 

通过同步脉冲或者同步触发脉冲对所述隔离开关电源、所述PFC电路和所述低噪可调电源，进行同步控制。 

3.如权利要求1所述的同步连续可调电源系统，其中， 

所述隔离开关电源的拓扑结构为单管Flyback、双管Flyback、单管forward、双管Forward、Halfbrige或者Fullbrige。 

4.如权利要求1所述的同步连续可调电源系统，其中， 

通过所述隔离开关电源的高频隔离变压器输出的同步脉冲，控制后续的所述低噪可调电源的跟随同步。 

5.如权利要求1所述低噪可调电源，包括： 

开关电源，用于将所述隔离开关电源输出的直流稳定电压变换输出为可 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。 

6.如权利要求5所述的低噪可调电源，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。 

7.如权利要求5所述的低噪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调整管进行线性调整。 

8.如权利要求7所述的低噪可调电源的调制方法，其中， 

所述线性电源调整管为功率场效应管或者达林顿管。 

9.如权利要求5所述的低噪可调电源，其中， 

所述开关电源实现在3V至93V连续可调；经所述线性电源进行线性调整后输出的电压在0V至90V连续可调。 

10.如权利要求5所述的低噪可调电源，其中， 

所述线性电源的调整管进行3V的线性调整。 

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