CN104300779B - 输出电压与调节电压满足y=kx+b关系的DC/DC变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种输出电压与调节电压满足y＝kx+b关系的DC/DC变换器，利用DC/DC变换器中输出电路电源基准的稳定性，使输出电压高电位端和基准电路阳极之间为一固定值，同时将外部可调电压通过缓冲隔离器来改变基准电路的阳极电位，使输出电压呈现出外部可调电压按一定比例在固定值上的叠加，从而实现可调输出为固定值和一定比例的调节电压之和。本发明通过模拟电路手段解决了现阶段工业自动化下的对DC/DC变换器输出电压自动调节的一种特殊关系需求，该需求主要是要求通过单片机和D/A转换器输出的可调电压来自动改变DC/DC变换器的输出电压，并使其符合y＝kx+b的关系,在不改变系统稳定性的同时提高外部可调电压的带载能力。

Description

输出电压与调节电压满足y=kx+b关系的DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及模拟电子技术DC/DC变换器技术。
背景技术
随着DC/DC变换器应用范围越来越广泛，输出电压受外部控制实现连续可调的应用方式也越来越普及。目前在工业应用中，外部控制方式主要有两种方式：一种是通过手动改变外部电阻来实现输出电压的连续可调；另一种是通过单片机和D/A转换器输出调节电压来自动改变DC/DC变换器的输出电压。
通过改变外部电阻来实现输出电压的连续可调的实现方法主要有两种，一种是通过改变外部电阻使其内部的基准电压发生变化从而改变输出电压，见图1；另一种是通过改变外部电阻使其内部的分压电阻发生变化从而改变输出电压，见图2和图3。
上述方法绝大部分是通过外部旋钮来进行控制的，属于手动控制；现如今，实现产品自动化的趋势越来越明显，在自动化越来越重要的今天，产品内部通过单片机和D/A转换器实现DC/DC电源输出电压的自动调节、精确时间调节等，在航空、航天、兵器等领域应用的越来越多，要求也越来越细，输出电压和调节电压满足一定数学关系的要求也越来越多地被整机厂家提出，其中y＝kx+b的要求是提出最 多的。
为了实现通过单片机和D/A转换器输出调节电压来改变DC/DC变换器的输出电压，且满足y＝kx+b的数学关系，一般使用的方案为，通过改变流入基准端的电流大小和方向来实现输出电压的可调，见图4和图5。
在图4中，VDAC的电压比FB端的电压低，电流流向如图所示。根据基尔霍夫定理可知I1＝I2+I3，I2＝VFB/RFB2，I3＝(VFB-VDAC)/RDAC，则VO＝I1*RFB1+I2*RFB2＝-RFB1*VDAC/RDAC+VFB*{1+RFB1/RFB2+RFB1/RDAC}。
在图5中，VDAC的电压比FB端的电压高，电流流向如图所示。根据基尔霍夫定理可知I1＝I2-I3，I2＝VFB/RFB2，I3＝(VDAC-VFB)/RDAC，则VO＝I1*RFB1+I2*RFB2＝-RFB1*VDAC/RDAC+VFB*{1+RFB1/RFB2+RFB1/RDAC}。
从上述的计算可知输出电压和调节电压是可以满足y＝kx+b的数学关系。该方案虽然满足了y＝kx+b的数学关系，但是也有其缺点，其缺点会影响可调范围的大小和整体DC/DC电源的稳定性。
缺点1：当改变输出电压时，由于在输出高电位端和低电位端的三个元件是串联关系，那么限流电阻所限制的最大电流会发生改变。例如，当输出电压调高后，串联回路中的最大电流会变大，而对于光藕或电源基准来说，都是有最大电流限制的，输出电压调的过高会使回路烧掉；当输出电压调低后，串联回路中的最大电流变小，当输出电压动态往高变化需要光藕加大电流传输时，由于此时最大电流的变小，导致光藕反馈不足脉宽缩小不够，最终使输出失控，输出电压比所调值高且不稳定。
缺点2：由于该方案的主要工作原理是改变基准端的输入电流，因此调节方法是在基准端进行，而在DC/DC电源中，基准端会进行整个电路的反馈环路设定，对常用的正激式来说一般为2型补偿网络。在此处增加的电阻和外部调节电压会使2型补偿网络的零点、极点和直流增益发生变化，从而使整个系统补偿的的相位裕量和直流增益发生变化，一旦相位裕量小于45度或是总开环增益在剪切频率附近的增益斜率不满足-20dB/10频程，则整个电源系统处于不稳定状态。
另外，由于单片机和D/A转换器输出电流的限制，会使RDAC调节电阻的选值受到限制，调节范围也会受到限制。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种输出电压与调节电压满足y＝kx+b关系的DC/DC变换器，既满足y＝kx+b的数学关系，又能克服现有技术的缺点，在整个调节过程中不会改变串联回路的电流大小，也不会改变补偿网络零点、极点和直流增益，能够保持系统稳定。
本发明的目的是通过下述技术方案得以实现的：一种输出电压与调节电压满足y＝kx+b关系的DC/DC变换器，其特征是在DC/DC变换器的输出电路部分，缓冲隔离器(IC3)的接地端接到输出低电位端上，外部可调节电压接到缓冲隔离器的同相输入端上，在输出高电位端和缓冲隔离器的输出端之间以串联的方式接入限流电阻(R1)、光藕(IC1)和电源基准器(IC2)，电源基准器的阳极必须接到缓冲隔离器输出端上不可变更顺序，限流电阻(R1)和光藕(IC1)位置不 受限制；同时电源基准器的基准端接两个分压电阻(R2、R3)到输出高电位端和电源基准器的阳极之间；输出电压随着外部调节电压的变化而变化，满足y＝kx+b的关系。
其中缓冲隔离器的反相端与输出端之间接一电阻(R4)，该电阻可以为零欧姆。
其中缓冲隔离器的供电方式不受限制，只要满足其电压电流范围要求即可。
本发明具有如下优点：
优点一：输出电压和调节电压满足y＝kx+b的数学关系，且常量确定简单。
相对于一般的解决方案，虽然整体关系式相同，但几个常量的确定，却更加简单。
优点二：限流电阻、电源基准和光藕组成的串联回路中的电流为恒定值。
本发明采用的技术方案，串联回路的相对电压为恒定的，不随调节电压和输出电压的变化而变化，因此其电流是恒定不变的，可以避免一般方案中电流变化引起的缺陷。
优点三：2型补偿网络的零点、极点和直流增益是恒定的，系统稳定性好。
本发明采用的技术方案，调节电压没有在基准端进行，基准端附近的相对技术状态并没有发生变化，因此整个2型补偿网络的零点、极点和直流增益不会发生变化，也就不会引起整个系统的不稳定。
优点四：调节方案不受调节电压本身最大输出电流的影响，提高了带载能力，且与输出电压之间的隔离度好。
本发明利用缓冲隔离器，使外部调节电压的输入阻抗足够高，既能使调节方案不受单片机和D/A转换器最大输出电流的影响，又能使其与输出电压进行隔离。
附图说明
图1是现有技术DC/DC变换器的输出电压图之一。
图2是现有技术DC/DC变换器的输出电压图之二。
图3是现有技术DC/DC变换器的输出电压图之三。
图4是现有技术DC/DC变换器的输出电压图之四。
图5是现有技术DC/DC变换器的输出电压图之五。
图6是本发明的DC/DC变换器的输出电压图。
图7是本发明双调节电压的DC/DC变换器的输出电压图。
图8是应用本发明的DC/DC变换器。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明作进一步地描述。
参见图6。本方案在DC/DC变换器的输出电路部分，缓冲隔离器(IC3)的接地端接到输出低电位端上，外部可调节电压接到缓冲隔离器的同相输入端上，在输出高电位端和缓冲隔离器的输出端之间以串联的方式接入限流电阻(R1)、光藕(IC1)和电源基准器(IC2)，同时电源基准器的基准端接两个分压电阻(R2、R3)到输出高电位端和电源基准器的阳极之间。
当可调电压为0V时，根据缓冲隔离器的工作原理，其输出电压也为0V，那么此时电路的反馈基准部分相当于在电源输出的正负之间相接，此时的电路工作原理同普通的DC/DC电源工作原理是相同的，此时的输出电压可以记为VMIN。
当可调电压为VI时，根据缓冲隔离器的工作原理，其输出电压也为VI。此时限流电阻(R1)、光藕(IC1)和电源基准器(IC2)接在了输出VO和VI之间。由于其反馈基准回路仍然在正常工作，基准电压、分压电阻、流入基准的电流并未改变，那么此时在输出正端和电源基准器阳极之间的电压仍为VMIN，也就是说，VO-VI＝VMIN，从而推出，VO＝VI+VMIN。
本发明利用DC/DC变换器中输出电路电源基准的稳定性，使输出电压高电位端和基准电路阳极之间为一固定值，同时将外部可调电压通过缓冲隔离器来改变基准电路的阳极电位，使输出电压呈现出外部可调电压按一定比例在固定值上的叠加，从而实现可调输出为固定值和一定比例的调节电压之和。
如此以来，本方案就成功地消除了一般方案的弊端。从关系式我们看出，输出电压和可调电压之间呈现出非常简单的y＝kx+b关系式，常量确定非常简单。同时只要电路正常工作，基准电压、分压电阻、流入基准的电流就不会改变，串联回路中的压差就一直为VMIN，流进光藕的最大电流就不会改变，即保护了回路中的元器件，又不影响反馈电流的传输，保护系统的稳定性。而且，由于在基准端的2型补偿网络电路未发生任何改变，也就不影响其补偿效果，保证了系统的稳 定性。外部调节电压通过高输入阻抗低输出阻抗的缓冲隔离器，提高了其带载能力和隔离度。
图7是本发明的合理推定：双调节电压的DC/DC变换器。在本发明的基础上，缓冲隔离器(IC3)的反向输入端接一电阻(R5)到调节电压2(+VI2)上，原本发明的调节电压作为调节电压1(+VI1)，两个调节电压的输入地(-VI1、-VI2)均为缓冲隔离器(IC3)的接地端，其余同本发明相同。
应用本发明的技术方案，组成的一种输出电压与调节电压满足y＝kx+b关系的DC/DC变换器原理电路图，见图8。
采用厚膜混合集成电路工艺组装的DC/DC变换器具体参数：
1 输入电压范围：16V～40V；
2 输出电压：10V～20V；
3 输出开路电压：≤24V
4 输出电流：2A
5 调节电压：0V～10V
6 调节电流：0.5mA～1mA
7 输出电压和调节电压满足：y＝kx+b
8 输出纹波：≤50mV；
9 电压调整率：≤0.3％；
10 负载调整率：≤0.5％；
11 导通过冲：≤2％；
12 导通延迟：≤10ms；
13 效率：≥87％；
14 低电平禁止，悬空或高电平工作；
15 外观尺寸：49×34×10mm3 。

Claims (1)

1.一种输出电压与调节电压满足y＝kx+b关系的DC/DC变换器，其特征是在DC/DC变换器的输出电路部分，缓冲隔离器(IC3)的接地端接到输出低电位端上，缓冲隔离器的电源端供电方式不受限制，只要满足其电压电流范围要求即可，缓冲隔离器(IC3)的反相输入端通过一电阻(R4)接到缓冲隔离器(IC3)的输出端上，外部可调节电压接到缓冲隔离器(IC3)的同相输入端上，在输出高电位端和缓冲隔离器(IC3)的输出端之间以串联的方式接入限流电阻(R1)、光藕(IC1)和电源基准器(IC2)，电源基准器(IC2)的阳极必须接到缓冲隔离器(IC3)输出端上不可变更顺序，限流电阻(R1)和光藕(IC1)位置不受限制；输出高电位端通过一分压电阻(R2)接到电源基准器(IC2)的基准端，同时电源基准器(IC2)的基准端再通过另一分压电阻(R3)接到电源基准器的阳极上；输出电压随着外部调节电压的变化而变化，满足y＝kx+b的关系。
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