CN1064787C - 改善电源中负荷瞬变响应的电路 - Google Patents

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Abstract

一种装有主电源和附加电源的设备，其中附加电源用以根据主电源供电的输出负荷的变化提供附加电流。负荷或主电源输出的变化由一个差动测定装置检测，该差动测定装置对附加电源提供指示信号，使其向负荷提供附加电流。附加电源包含一个电容器和一个电流发生器，电容器接电压输出高于主电源电压的一个电压源。

Description

改善电源中负荷瞬变响应的电路
本专利申请人的发明涉及改善电源瞬变响应的电路，具体说，涉及具有比所要求更高的电压输出的电路，此电压所引起的电流在主输出端电压下降期间使瞬变过程受到抑制。
设计负荷快速和大幅度变化的电路和系统的电源时，应考虑的主要问题是在电源输出电流急速变化时电压的偏差。电源输出端滤波器的设计往往难以使输出的电流响应得足够快，其原因在于，必须保持输出的波纹处于低波纹状态，这与对快速的负荷瞬变响应有矛盾。
改善瞬变响应的一种方法是提高电源的开关频率，减少输出滤波器，和增加反馈回路的带宽。然而，这种方法所能达到效果不足以满足近期发展起来的有功功率的管理和时钟速率控制能在几微秒内引起功率巨大变化的电子计算机体系结构和其它用途的要求。输出电压还必须保持在较窄的公差带范围内。
例如，PKU411OPI型变流器是Ericsson Components AB公司出品的100瓦变流器，其25安(25-A)负荷电流上升时间小于10微秒的变化在其输出端产生的压降大于200毫伏。尽管其瞬变响应良好，但对某些要求高的用途来说还是不够。对这类负荷瞬变过程要求有低于50毫伏的压降再也不是罕见的事了。
曾经试验过的改善瞬变响应效果的一种方法是采用一附加输出。授与Weischedel的美国专利4，074，182号介绍的一种直流电源有两个电压调整器，与公用负荷并联连接。其中一个调整器是备用的，在另一个调整器的输出下降时自动给负荷供电。据称，这种装置能最大限度地减小负荷瞬变过程。
授与Glennon的美国专利4，622，629号介绍的电源有主整流器和辅助整流器，主整流器的输出下降时由辅助整流器供电。
授与Tanimoto等人的美国专利5，408，172号介绍的电源有一个驱动电路，在负荷需求的电流增加而使负荷的电源电压下降时接通。
以往的这些方法和电路未能成功地解决上述所有问题，而且不具备所需要的特性。
本专利申请人的发明的目的在于弥补现有设备和方法的上述和其它不足之处。按照本发明的一个方面，提供了一种向供电给负荷的主电源提供额外供电的设备。额外供电是根据主电源输出的变化进行的。由一个滤波器测定主电源输出的变化，并将输出提供给一个差动放大器，差动放大器据此控制额外电源的输出。
结合附图阅读本说明书可以了解本专利申请人发明的特点和优点。附图中：
图1是本专利申请人发明的电源的综合方框图；
图2是本专利申请人发明的一个实施例的方框图。
本专利申请人的发明中，改善电源输出特性的措施在于使一附加输出端具有更高的电压，在主输出端的电压下降时从该附加输出端供应电流。图1的综合方框图举例说明了这种设计。
本专利申请人发明的电源包括主电压源Vmain 10、低通基准滤波器14、误差放大器16和附加电流源。如图1所示，附加电流源可以包括附加电压源Vad11、电荷储存装置例如大容量电容器12和电流发生器13。电流发生器13提供的电流大小为I，它作为提供给误差放大器16的差动误差信号E的函数而变化。
低通基准滤波器14用作差动地测定电压源Vmain 10输出电压因负荷电流变化而引起的压降的装置。这项功能很重要。如果要获取高性能，该差动测定装置必须工作得使每伏输出电压几十毫伏的输出变化会使可变电流源起反应。若要采用绝对测定基准值，则这个基准值必须非常稳定和准确。此外，绝对基准值增加了误引入电流或只根据过大的压降而引入电流的风险。如图1所示，基准滤波器14最好是阻容滤波器。阻容滤波器具衰减作用的优点，因而减小了振荡的风险。
电源的电压源Vmain 10输出的电压为3．3伏主输出时，其电流源可以是一般的将电能储存在象大容量电容器之类器件中的12伏限流电源。检测出主输出端与基准滤波器输出端的电压不同时，所需要的电流就从大容量电容器中引出，防止主输出端上电压下降。引出的电流量由适当的电子管控制，例如按有源方式操作的MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)控制。
基准滤波器与主输出端之间的差动放大器在电流源起动之前可以起补偿作用，其原因有二。如果不是这样，主输出端上的正常波纹可能会使电流源起动。此外，一般采用压降使变流器增加输出电流。然而，不言而喻，还可以用其它种种方式将提高负荷电流的要求通知变流器控制电路，因而无需用压降来提高变流器的输出电流。若利用压降且压降很小，则会延长变流器的复原时间，且提高电流源的供电量。变流器已复原且电源的输出电流等于所要求的负荷电流时，大容量电容器就进入充电状态，为主输出电压的下一个压降作好准备。
本专利申请人发明的包括供流的更高电压源的电源有许多突出优点。大容量电容器两端的电压可以允许下降到从电容器再也引不出任何电流为止的程度。这种下降取决于变流器的复原时间和电流变化的幅度。输出的电荷Q如下式与大容量电容器的压降U和电容量C成正比：
Q=U×C若采用直接接在主输出端的电容器输出所要求的电流，则允许的电压降仅为附加电源输出端上允许的压降的一部分。
所要求电容比约为100数量级，这是考虑到主输出端上电容器的串联电阻本身会引起显著的压降，更不用说因放电引起的压降了。举例说，假设负荷电流的变化量为15安，则若想使输出电压的偏差为50毫伏，电流源的等效串联电阻(ESR)就必须小于2毫欧，其中考虑到50毫伏偏差值中的30毫伏是ESR引起的。这可与本专利申请人发明的另一12伏电源允许的至少200毫欧级的ESR加以比较，在该情况下，若所要求的复原时间为200微秒，则附加电流源中只能使用一个200微法的电容器，其电容器直接连接在主输出端10且复原时间保持不变时，则可能需要大于100个150微法的钽电容器。另一优点是，本专利申请人的方案可与标准电源结合使用。
目前一般认为，这类能应付负荷电流变化而不包括附加电流源或电流输出来改善负荷瞬变响应的电源，在设计上有种种缺点，例如线路更为复杂，功率密度降低，成本提高。
本专利申请人的改善负荷瞬变响应的电路中，附加电流源的设计细节主要取决于电源的复原时间和负荷电流变化的幅度及频率。
大容量电容器12的大小取决于电流变化的幅度和电源的复原时间。若假设电流是线性上升的，则所要求的电容C的最小值可用下式求出：
C=Ic×tr／(2×Udr)其中Ic是电流上升值，tr是复原时间，Uadd是附加输出端11处的电压，Umain是主输出端10处的电压，Udr是大容量电容器12两端允许的最大电压降。之所以用2除是因为引出的电流呈三角形(线性升降)的缘故。
各负荷瞬变过程之后应存入大容量电容器12的电能取决于负荷变化的幅度和复原时间。若假设Udr为Uadd-Umain(理想情况)，则储存的电能Wr可用下式求出：
Wr=C×(Uadd 2-Umain 2)／2频率和所储存电能Wr的乘积等于平均输出功率。较高的电压Uadd提高了输出功率，因而只需要较小的大容量电容器12的尺寸。
电能Wr的有用部分Wu用下式表示：
Wu=C×[Umain×(Uadd-Umain)]附加电流源的效率η用下式表示：
η=2×Umain／(Uadd+Umain)应该指出的是，提高Uadd会使效率下降，不过可以采用较小的电容器。随着电流源的效率下降，就要缩短变流器的复原时间。这可通过外来因素达到，例如通过调节电流源电路的参数来达到。
一般变流器输出的波纹其数量级大小往往同负荷变化情况下对压降的要求相同。利用这一点有助于通过采用在主输出端处的在电力变换器开关频率下阻抗低的外部电容器来减小波纹。要减小因负荷变化引起的电压变化，可以在主输入端采用一个大容量电容器。目前一般都认为采用LC(电感-电容)滤波器来减小波纹是不可取的，因为电感会延长变流器的响应时间。此外，若波纹太大，可以试用控制电流源的差动放大器来调节波纹。若在电流源的控制过程中滤除波纹频率，则其响应时间会增加，同时也增加所需要的电荷。
在负荷下降的情况下也可以减小瞬变响应幅度。基准滤波器与主输出端之间电压的上升可按与负荷增加的情况下同样的方式检测出来。所要求的电流可以用电流吸收电路(current sink circuit)将其吸收到返回的通路中。电流吸收电路可以是象MOSFET之类的有源器件。电流吸收电路最好用基准滤波器来控制和提高精确度，将电压固定在一特定的电平上。或者可采用更简单的方法，即采有齐纳二极管作为吸收电路。本技术领域的行家们都知道，吸收电路没有引入电流那么复杂，因为不需要具有特定功率输出的外部电压源。
图2示出了改善上述PKU411OPI型的瞬变响应的电路。负荷变化为25安时(例如，输出电流从5安摆动到30安)，瞬变响应从200毫伏改善到45毫伏。两种情况下都在主输入端20上接上三个150微法的钽电容器C2、C3和C4。上面说过，电容器C2、C3、C4的作用是减小主输出端上的波纹，此外还有储存电能的好处。
晶体管Q2和Q3构成差动放大器，晶体管Q1用作射极跟随器。晶体管Q1的栅压从零上升到阈电压时，电路必须快速响应，但可装上电阻器R2，以降低增盖。若取消R2，则增益可能过高，因而可能产生振荡。降低电路另一部分的增益延长了达到阈电压的时间。不言而喻，图2中所示的各元件具体数值与用途无关。
应当了解，本专利申请人的发明并不局限于这里所列举和展示的具体实施例。本申请考虑到任何和所有属于本专利申请人的发明在所附权利要求书中所述的精神实质和范围内的种种修改。

Claims (11)

1．一种供可变负荷用的电源，其中包括供流装置，用以给可变负荷提供直流电流，其特征在于还包括：
附加供流装置，可操作地与供流装置连接，用以根据负荷的快速变化向负荷提供附加的直流电流；和
检测装置，用以检测供流装置输出电压的变化并根据检测到的电压变化来控制附加供流装置；
其中所述附加供流装置的输出电压大于所述供流装置的输出电压，以及所述供流装置、附加供流装置和检测装置连接成一个闭环。
2．如权利要求1所述的电源，其特征在于，所述附加供流装置由一个电容器和一个电流发生器组成，电容器接电压高于供流装置电压的一个电压源，而电流发生器接在该电压源与供流装置之间。
3．如权利要求1所述的电源，其特征在于，所述检测装置包括一个差动测定装置，用以差动测定供流装置输出电压的变化来控制附加供流装置。
4．如权利要求2所述的电源，其特征在于，所述电容器的正端接电压源的正端。
5．如权利要求3所述的电源，其特征在于，所述差动测定装置包括一个滤波器，按照负荷的快速变化产生指示信号。
6．如权利要求5所述的电源，其特征在于，所述差动测定装置有一个差动放大器，与所述滤波器连接，且根据所述指示信号控制附加供流装置。
7．如权利要求5所述的电源，其特征在于，所述滤波器是个低通滤波器。
8．如权利要求6所述的电源，其特征在于，所述差动放大器是一误差放大器。
9．如权利要求5所述的电源，其特征在于，所述指示信号提供给附加供流装置。
10．如权利要求5所述的电源，其特征在于，还包括一个波纹滤波器，连接在供流装置与差动测定装置之间。
11．如权利要求5所述的电源，其特征在于，所述指示信号提供给电流发生器。
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