CN104793683A - 混合稳压电源 - Google Patents

Abstract

一种混合稳压电源，包括开关型电压变换电路、线性稳压电路和反馈控制电路，该反馈控制电路包括逻辑控制模块、比较模块和电阻分压网络。本发明的混合稳压电源在传统的开关稳压电源→线性稳压电源的两级转换的基础上，将开关稳压电源中的逻辑控制通过线性稳压电源的输出来调节，从而形成开关稳压电源→线性稳压电源→开关稳压电源的嵌套式反馈，不仅保留了传统混合稳压电源精度高、波形稳定、效率高的优点，同时实现了电源内部的自动优化，减少了使用过程中的人工调节，大大提高了混合稳压电源的实用性。

Description

混合稳压电源

技术领域

本发明涉及一种混合了线性稳压电源和开关稳压电源的混合稳压电源，可广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。

背景技术

常用的稳压电源主要有线性稳压电源和开关稳压电源两种。线性稳压电源由于调整管工作在线性放大区，在输入输出电压差值越大时，调整管的损耗越大，电源效率较低，一般只有40％-60％，有时还需配备庞大的散热装置，且只能实现输入到输出的降压转换。但线性稳压电源的输出波形具有失真度低、动态响应快和频带宽的优点。在开关稳压电源中，调整管工作在开关状态，由于管子的饱和导通压降和截止电流都很小，所以管耗主要发生在状态转换的过程中，电源效率可提高到75％-97％。同时，由于省略了电源变压器和调整管的散热装置，所以相对于线性稳压电源，开关稳压电源体积小、重量轻。但开关电源的输出波形电压纹波大，存在电压畸变和延时，且电路设计较复杂、对元器件要求较高。

为了实现高效率、高精度的要求，可以将开关稳压电源与线性稳压电源串联使用。例如，从18V到3.3V电压转换，可先用开关稳压电源实现18V到5V的电压转换，再用线性稳压电源实现5V到3.3V的电压转换。假设开关稳压电源的损耗为85％，线性稳压电源从5V到3.3V的损耗为60％，则其总的损耗可粗略的计为85％*60％＝51％，相比于单独使用线性稳压电源直接从18V转换到3V效率高出数倍，同时其最终输出依赖线性稳压电源，输出波形中几乎不存在电压波纹，因此相比于单独使用开关稳压电源精度提高。这种开关稳压电源与线性稳压电源的串联应用，是使用两颗芯片完成，或在某些芯片内部同时集成两颗芯片，但也只是简单的串联使用，开关稳压电源的输出与线性稳压电源的输出单独设置，相互独立，并没有对转换效率进行优化。既使针对线性稳压电源的某一输出电压进行了效率优化，当在应用中需要调整线性稳压电源的输出电压时，其转换效率又会变差，还需要重新对整个电路进行调整，不仅影响了该混合电源的实用性，还需要将调解开关稳压电源和线性稳压电源的两对电阻设置在整个混合电源外部，大大增加了器件的复杂程度。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种混合稳压电源，通过线性稳压电源的输出调节开关稳压电源的输出，使两者的输出互相联动，从而优化了电源转换效率，在其有效工作范围内，最大限度的提高电源转换效率。

根据本发明的目的提出的一种混合稳压电源，包括开关型电压变换电路和线性稳压电路，该开关型电压变换电路的输出端连接线性稳压电路的输入端，开关型电压变换电路的输入端接一外部输入电压，且该线性稳压电路对外输出信号Vo，还包括反馈控制电路，该反馈控制电路包括逻辑控制模块、比较模块和电阻分压网络，其中

所述逻辑控制模块的输出端连接在所述开关型电压变换电路的控制端上，用以向所述开关型电压变换电路输出一开关调制信号P；

所述电阻分压网络有三个端口，第一端连接在开关型电压变换电路的输出端，第二端连接到地，第三端连接到所述比较模块的第一输入端，该电阻分压网络对开关型电压变换电路的输出信号Vsw进行分压，形成一分压信号Vfb；

所述比较模块的第二输入端连接在线性稳压电路的输出端上，输出端接在所述逻辑控制模块的输入端上，该比较模块对线性稳压电路的输出信号Vo和所述分压信号Vfb进行比较，并将比较结果反馈给所述逻辑控制模块，该逻辑控制模块根据该比较结果生成所述开关调制信号P。

优选的，所述开关型电压变换电路为升压型电压变换电路、降压型电压变换电路或升压-降压型电压变换电路中的一种。

优选的所述开关型电压变换电路为交流-直流电压变换电路或直流-直流电压变换电路中的一种。

优选的，所述开关型电压变换电路为电荷泵。

优选的，所述线性稳压电源为低压差线性稳压器。

优选的，所述逻辑控制模块为脉冲宽度调制电路、脉冲频率调制电路或三角积分调制电路中的一种。

优选的，所述电阻分压网络包括两个阻值可调的串联电阻，其中第一电阻的第一端接开关型电压变换电路的输出端，第一电阻的第二端和第二电阻的第一端接比较模块的第一输入端，第二电阻的第二端接地，该电阻分压网络使得所述分压信号Vfb满足公式：Vsw＝(1+R1/R2)Vfb，其中R1、R2分别为第一电阻和第二电阻的阻值。

优选的，所述逻辑控制模块根据比较结果生成开关调制信号P的过程如下：

当整个混合稳压电源稳定工作时，所述比较结果为Vfb＝Vo，此时所述开关信号P使所述开关稳压电源输出信号Vsw恒定；

当整个混合稳压电源出现扰动时，所述比较结果为Vfb≠Vo，此时所述开关信号P对所述开关稳压电源输出信号Vsw实施一调制，使该Vsw增大或缩小，以使Vfb重新等于VO。

与现有技术相比，本发明具有如下的技术优势：

本发明相比于开关稳压电源，具有低噪声，高精度的优点。并且没有太多的效率损失。

相比于线性稳压电源具有高效率的特点。

相比于开关稳压电源与线性稳压电源的串联，其通过线性稳压电源的输出调节开关稳压电源的输出，从而优化了电源转换效率，比两者简单的串联具有更高的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的混合稳压电源的电路结构框图

具体实施方式

正如背景技术中所述，现有的稳压电源中，开关稳压电源虽然具有低损耗、体积小等优势，但是其输出波形较差，精度不高。线性稳压电源虽然可以有很好的输出，但是其转换效率太低，存在损耗大、散热高等问题。而现有的混合电源中，只是简单的将开关稳压电源和线性稳压电源串联起来，存在优化差，实用性低等问题。

因此，本发明提出了一种新的开关稳压电源和线性稳压电源的混合电源，在传统的开关稳压电源→线性稳压电源的两级转换的基础上，将开关稳压电源中的逻辑控制通过线性稳压电源的输出来调节，从而形成开关稳压电源→线性稳压电源→开关稳压电源的嵌套式反馈，不仅保留了传统混合稳压电源精度高、波形稳定、效率高的优点，同时实现了电源内部的自动优化，减少了使用过程中的人工调节，大大提高了混合稳压电源的实用性。

下面，将对本发明的具体技术方案做详细介绍。

请参见图1，图1是本发明的混合稳压电源的电路结构框图。如图所示，该混合稳压电源包括开关型电压变换电路1、线性稳压电路2和反馈控制电路3。

其中，开关型电压变换电路1的输入端作为整个混合稳压电源的输入端，外接一个输入信号Vin，该输入信号Vin可以是交流电，也可以是直流电。当该输入信号Vin是交流电时，该开关型电压变换电路1具有实现AC-DC转换的交流-直流电压变换电路，当该输入信号Vin是直流电时，该开关型电压变换电路具有实现DC-DC转换的直流-直流电压变换电路。作为本领域技术人员，应当明了上述开关型电压变换电路1在实现AC-DC或DC-DC变换时可能的电路组成情况，举列来说，该开关型电压变换电路可以是依赖电感进行变压变化的升压型电压变换电路(boost型)、降压型电压变换电路(buck型)、升压-降压型电压变换电路(buck-boost型)，也可以是依赖电容进行电压变换的电荷泵(charge pump)，当然除此之外，其它能实现开关型电压变化的电路也可以使用在本发明中。需要指出的是，在本发明中，所使用之称呼为开关型电压变换电路应当区别于完整的开关稳压电源电路。在一个完整的开关型稳压电路中，除了适当的电压变化元件(电感或电容)，若干个功率开关外，还应当具有控制上述功率开关的反馈控制部分。而在本发明中，将上述反馈控制部分分离出来，形成独立的功能块，而开关型电压变换电路则仅指包括电压变化元件和功率开关的那一部分。

线性稳压电路2的输入端连接在上述开关型电压变换电路1的输出端中。外接的输入信号Vin经过该开关型电压变换电路1的转换之后，形成输出信号Vsw，该输出信号Vsw同时也构成该线性稳压电路2的输入信号，并且经过该线性稳压电路2的转换之后，形成对外输出信号Vo。该线性稳压电路2的具体构成，在本发明中不做具体展开，本领域技术人员应当明了可能的线性稳压电路的结构。在一种较优的实施方式中，该线性稳压电路2可以为低压差线性稳压器(LDO)。此时，当该线性稳压电路2的输入信号Vsw和输出信号Vo在适当的条件下，可以最优化的提高整个混合稳压电源的输出效率。下文中将会对此适当条件做详细介绍。

反馈控制电路3包括逻辑控制模块31、比较模块32和电阻分压网络33。其中

逻辑控制模块31的输出端连接在开关型电压变换电路1的控制端上，用以向所述开关稳压电源输出一开关调制信号P。该逻辑控制模块31可以为PWM调制电路(脉冲宽度调制)、PFM调制电路(脉冲频率调制)或Sigma-Delta调制电路(三角积分调制)中的一种。

电阻分压网络33有三个端口，第一端连接在开关型电压变换电路1的输出端，第二端连接到地，第三端连接到所述比较模块32的第一输入端，该电阻分压网络33对所述开关型电压变换电路1的输出信号Vsw进行分压，形成一分压信号Vfb。在图示的实施方式中，该电阻分压网络33包括了2个电阻值可调的串联电阻，其中第一电阻的第一端接开关型电压变换电路1的输出端，第一电阻的第二端和第二电阻的第一端接比较模块32的第一输入端，第二电阻的第二端接地。按照分压关系，分压信号Vfb和输入在该分压网络上的信号Vsw之间的关系为Vsw＝(1+R1/R2)Vfb，其中R1、R2分别为第一电阻和第二电阻的阻值。

比较模块32的第二输入端接在线性稳压电路2的输出端上，第一输入端接在所述电阻分压网络33的第三端上，输出端接在逻辑控制模块31的输入端上，该比较模块对线性稳压电路的输出信号Vo和分压信号Vfb进行比较，并将比较结果反馈给逻辑控制模块31，该逻辑控制模块31根据该比较结果生成所述开关调制信号P。

上述整个混合稳压电源的电路工作原理如下：

外接输入信号Vin，经过开关型电压变换电路，转换成输出信号Vsw，再经过线性稳压电源模块，变成输出信号Vo。Vo提供给比较模块作为参考电压。同时Vsw经过电阻分压网络R1和R2产生Vfb提供给比较模块，Vfb与Vo通过放大器与逻辑控制电路反馈给开关电源转换电路，实现对VSW电压的调整。

稳定工作时，

Vfb＝Vo，

此时，且开关信号P使Vsw保持该只恒定。

Vsw与Vo的电压差：

$\mathrm{Vdo}=\mathrm{Vsw}-\mathrm{Vo}=\frac{R1}{R2}\·\mathrm{Vo}$

对于某一输出电压范围的Vo，通过设定电阻R1与R2的比值，使Vdo最小化，但要保证线性稳压电源工作于低压差工作区(Low Dropout)电压以上，从而保证电路正常工作，并且具有最优化的电源转换效率，其转换效率可达90％以上。

在Vo变化时，Vsw会自动调节其输出电压，保证电路正常工作，并且最有较高的电源转换效率。

当电路出现扰动，Vfb≠Vo，此时所述开关信号P对所述开关稳压电源输出信号Vsw实施一调制，使该Vsw增大或缩小，以使Vfb重新等于Vo。例如Vsw电压上升，经过电阻分压使Vfb电压上升，则比较模块的输出下降，逻辑控制电路控制开关型电压变换电路，使Vsw下降，从而使VSW稳定在 $\mathrm{VSW}=(1+\frac{R1}{R2})\·\mathrm{VFB}=(1+\frac{R1}{R2})\·\mathrm{VO}.$

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种混合稳压电源，包括开关型电压变换电路和线性稳压电路，该开关型电压变换电路的输出端连接线性稳压电路的输入端，开关型电压变换电路的输入端接一外部输入信号，且该线性稳压电路对外输出信号Vo，其特征在于：还包括反馈控制电路，该反馈控制电路包括逻辑控制模块、比较模块和电阻分压网络，其中

所述逻辑控制模块的输出端连接在所述开关型电压变换电路的控制端上，用以向所述开关型电压变换电路输出一开关调制信号P；

所述电阻分压网络有三个端口，第一端连接在开关型电压变换电路的输出端，第二端连接到地，第三端连接到所述比较模块的第一输入端，该电阻分压网络对开关型电压变换电路的输出信号Vsw进行分压，形成一分压信号Vfb；

所述比较模块的第二输入端连接在线性稳压电路的输出端上，输出端接在所述逻辑控制模块的输入端上，该比较模块对线性稳压电路的输出信号Vo和所述分压信号Vfb进行比较，并将比较结果反馈给所述逻辑控制模块，该逻辑控制模块根据该比较结果生成所述开关调制信号P。

2.如权利要求1所述的混合稳压电源，其特征在于：所述开关型电压变换电路为升压型电压变换电路、降压型电压变换电路或升压-降压型电压变换电路中的一种。

3.如权利要求1所述的混合稳压电源，其特征在于：所述开关型电压变换电路为交流-直流电压变换电路或直流-直流电压变换电路中的一种。

4.如权利要求1所述的混合稳压电源，其特征在于：所述开关型电压变换电路为电荷泵。

5.如权利要求1所述的混合稳压电源，其特征在于：所述线性稳压电源为低压差线性稳压器。

6.如权利要求1所述的混合稳压电源，其特征在于：所述逻辑控制模块为脉冲宽度调制电路、脉冲频率调制电路或三角积分调制电路中的一种。

7.如权利要求1所述的混合稳压电源，其特征在于：所述电阻分压网络包括两个阻值可调的串联电阻，其中第一电阻的第一端接开关型电压变换电路的输出端，第一电阻的第二端和第二电阻的第一端接比较模块的第一输入端，第二电阻的第二端接地，该电阻分压网络使得所述分压信号Vfb满足公式：Vsw＝(1+R1/R2)Vfb，其中R1、R2分别为第一电阻和第二电阻的阻值。

8.如权利要求1所述的混合稳压电源，其特征在于：所述逻辑控制模块根据比较结果生成开关调制信号P的过程如下：

当整个混合稳压电源稳定工作时，所述比较结果为Vfb＝Vo，此时所述开关信号P使所述开关稳压电源输出信号Vsw恒定；

当整个混合稳压电源出现扰动时，所述比较结果为Vfb≠Vo，此时所述开关信号P对所述开关稳压电源输出信号Vsw实施一调制，使该Vsw增大或缩小，以使Vfb重新等于Vo。