CN107908215B - 一种带补偿功能的电源电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电源电路技术领域，尤其涉及一种带补偿功能的电源电路，包括供电电源、电源控制芯片和电源控制芯片的外设电路，还包括内阻补偿电路，内阻补偿电路将带补偿功能的电源电路的输出电流引入电源控制芯片的外设电路，不论负载如何变化，内阻补偿电路使得带补偿功能的电源电路的输出电压保持不变。本发明在原电源电路的基础上通过额外加入简单的内阻补偿电路，使得带补偿功能的电源电路输出恒定的电压，原理简单，实现方式也简单，整体电路结构也简单，不仅成本低而且可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及电源电路技术领域，尤其涉及一种带补偿功能的电源电路。
背景技术
所有的电子产品均离不开电源电路，一些产品本身就是电源产品，比如适配器和充电器等，但是并不是所有的电源均是理想电源。
如图1所示，常见的电源电路包括理想电源V1和内阻R1，I为输出总电流，输出电压即负载R2上的电压Vout＝V1-R1*I，或者为Vout＝V1-R1*V1/(R1+R2)，由此可见，当输出电流变大时，R1上的电压的压降会增大，输出电压Vout就会下降，这种现象在无输出电压反馈的变压器隔离开环控制电源中尤其明显，由于无反馈回路，使得输出性能完全依赖变压器的性能，变压器的功率余量又有限，不同功率耦合度也不一致，这样功率加大时最终落在负载上的电压就会大大降低，此时隔离变压器可以算是电源电路的一个内阻，当负载获取的电压变小时，负载的性能可能会受到较大影响，这对产品的性能是十分不利的。
在具体实现时，电源电路通常由供电电源、电源控制芯片和电源控制芯片的外设电路等组成，另外还包括一些其它功能模块，比如，无输出电压反馈的变压器隔离开环控制电源还包括隔离变压器等部件。
目前的电源电路使得输出电压保持恒定的方法有很多，比如加稳压电路或者加负阻的功率控制电路，但是这些电路普遍结构比较复杂，还额外增加了不少功率控制电路，不仅使得产品的成本大大的增加，而且降低了产品的可靠性。
发明内容
本发明提供了一种电路结构简单、成本低和可靠性高的带补偿功能的电源电路。
为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种带补偿功能的电源电路，包括供电电源、电源控制芯片和电源控制芯片的外设电路，还包括内阻补偿电路，内阻补偿电路将带补偿功能的电源电路的输出电流引入电源控制芯片的外设电路，不论负载如何变化，内阻补偿电路使得带补偿功能的电源电路的输出电压保持不变。
作为本发明的优化方案，内阻补偿电路包括第一电流取样电阻R15、第一电阻R19和第一运算放大电路，所述的第一运算放大电路包括第二电阻R17、第三电阻R18和第一运算放大器U2，第一电阻R19的一端与电源控制芯片相连，第一电阻R19的另一端与第一运算放大器U2的输出端相连，第三电阻R18的一端与第一电阻R19的另一端相连，第三电阻R18的另一端与第二电阻R17的一端相连，第二电阻R17的另一端接地，第二电阻R17的一端与第一运算放大器U2的反相输入端相连，第一电流取样电阻R15的一端与第一运算放大器U2的同相输入端相连，第一电流取样电阻R15的另一端接地。
作为本发明的优化方案，内阻补偿电路包括第二电流取样电阻R31、第四电阻R34和第二运算放大电路，第二运算放大电路包括第五电阻R33、第六电阻R30、第七电阻R32、第八电阻R31和第二运算放大器U4，第四电阻R34的一端与电源控制芯片相连，第四电阻R34的另一端与第二运算放大器U4的输出端相连，第五电阻R33的一端与第四电阻R34的另一端相连，第五电阻R33的另一端与第二运算放大器U4的反相输入端相连，第六电阻R30的一端与第二运算放大器U4的同相输入端相连，第六电阻R30的另一端接地，第七电阻R32的一端与第二运算放大器U4的反相输入端相连，第七电阻R32的另一端与第八电阻R31的一端连接，第八电阻R31的另一端接地。
本发明具有积极的效果：1)本发明在原电源电路的基础上，通过将输出电流引入电源控制芯片的外设电路，不论负载如何变化，内阻补偿电路使得带补偿功能的电源电路的输出电压保持不变，原理简单，实现方式也简单；
2)本发明通过内阻补偿电路的取样电阻取电流加入原电源电路，无需加输出电压反馈环路，不需要专门的芯片，调试简单，产品一致性好；
3)本发明使得电源电路的成本大大的降低，输出功率也不受限制，提高了电源产品的性能，使得电源电路的可靠性得到了较大的提高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是常见的电源电路图；
图2是本发明的电路图；
图3是常用的LM317电源的应用电路图；
图4是LM317和变压器组成的电源电路图；
图5是LM317和变压器组成的电源等效电路图；
图6是图4加入内阻补偿电路的电路图；
图7为典型的DC-DC降压电路图；
图8是图7加入内阻补偿电路的电路图；
其中：1、供电电源，2、电源控制芯片，3、电源控制芯片的外设电路，4、内阻补偿电路。
具体实施方式
如图2所示，本发明公开了一种带补偿功能的电源电路，包括供电电源1、电源控制芯片2和电源控制芯片的外设电路3，还包括内阻补偿电路4，内阻补偿电路4将带补偿功能的电源电路的输出电流引入电源控制芯片的外设电路3，不论负载如何变化，内阻补偿电路4使得带补偿功能的电源电路的输出电压保持不变。
(1)以常用的LM317电源为例进行说明
如图3所示，为LM317的应用电路图，输出电压：
Vout＝Vref*(1+R4/R3)+Iadj*R4 公式1
其中：Vref为LM317的参考电压，典型值为1.25V，Iadj为LM317的第一引脚的电流，电流比较小，此处忽略不计，R3为200Ω，R4为600Ω，此时Vout＝5V，在LM317性能范围内，Vout均为5V，但是，当此电源电压供给由变压器组成的电源电路时(如图4所示)，由于各种原因，输出电压Vout2不能反馈到LM317进行调整，尽管LM317恒定输出为Vout1，电压为5V，但由于变压器T11、整流二极管D8、D9、开关管Q5、Q6均不是理想器件，导致最终的输出Vout2随着负载的增加即电流的增加而降低。
可以把非理想器件造成的压降效成电源内阻R0，等效如图5所示的模型，其中R0为电源内阻。通过对不同负载及输出电压的试验可以很容易得到等效电源内阻R0的值。图6是加入内阻补偿电路4的电路图，内阻补偿电路4包括第一电流取样电阻R15、第一电阻R19和第一运算放大电路，第一运算放大电路包括第二电阻R17、第三电阻R18和第一运算放大器U2，第一电阻R19的一端与电源控制芯片2相连，第一电阻R19的另一端与第一运算放大器U2的输出端相连，第三电阻R18的一端与第一电阻R19的另一端相连，第三电阻R18的另一端与第二电阻R17的一端相连，第二电阻R17的另一端接地，第二电阻R17的一端与第一运算放大器U2的反相输入端相连，第一电流取样电阻R15的一端与第一运算放大器U2的同相输入端相连，第一电流取样电阻R15的另一端接地。在图6中，R0为等效电源内阻，第一电流取样电阻R15为电流取样电阻，负载电流为Iout，第一运算放大电路组成的放大电路将第一电流取样电阻R15上的电压放大10倍，另外，LM317的第一引脚输出的电流Iadj较小，为方便推导，Iadj可忽略不计。通过电阻R11的电流等于通过电阻R12与第一电阻R19之和，即：
(Vout1-Vadj)/R11＝Vadj/R12+(Vadj-10*R15*Iout)/R19 公式2
由于Vout1-Vadj＝1.25，这样可得到：
1.25/R11＝(Vout1-1.25)/R12+(Vout1-1.25-10*R15*Iout)/R19 公式3
简化后得到：
Vout1＝1.25*(1/R11+1/R12+1/R19)/(1/R12+1/R19)
+[10*(R15/R19)/(1/R12+1/R19)]*Iout 公式4
由此可见，随着电流的增加，LM317的电压也会跟着增加。
输出电压Vout2为：
Vout2＝Vout1-(R1+R15)*Iout 公式5
将公式1代入到上式5中得到：
Vout2＝1.25*(1/R11+1/R12+1/R19)/(1/R12+1/R19)
+[10*(R15/R19)/(1/R12+1/R19)-R1-R15]*Iout 公式6
由公式2可得到：
当R1+R15＝10*(R15/R19)/(1/R12+1/R19) 公式7
Vout2＝1.25*(1/R11+1/R12+1/R19)/(1/R12+1/R19) 公式8
Vout2为恒定值，即Vout2保持恒定，从而实现了不管电源内阻是多少，通过内阻补偿电路4，便可实现输出电压恒定。比如，要求输出Vout2恒定为12V，通过试验测得R0为2Ω，电流取样电阻R15用1Ω，R11用200Ω，将这些参数代入公式7和公式8，可求得第一电流取样电阻R15和第一电阻R19的值。
(2)以常用的DC-DC降压电路图为例进行说明
当电源负载比较重时，最常用的是通过DC-DC即开关电源方式进行稳压，以提高效率，降低功耗。图7为典型的DC-DC降压电路图，其中电源控制芯片有不少半导体厂商有对应的型号，功能基本一样，封装、管脚相同，比如HT7463、MP2459、LMR14203等。U3的FB脚电压为0.8V，那么，图7中的Vout1为：
Vout1＝(1+R21/R22)*0.8 公式9
图8是加入内阻补偿电路4的电路图，R10为等效电源内阻，可以是隔离变压器的内阻，内阻补偿电路4包括第二电流取样电阻R31、第四电阻R34和第二运算放大电路，第二运算放大电路包括第五电阻R33、第六电阻R30、第七电阻R32、第八电阻R31和第二运算放大器U4，第四电阻R34的一端与电源控制芯片2相连，第四电阻R34的另一端与第二运算放大器U4的输出端相连，第五电阻R33的一端与第四电阻R34的另一端相连，第五电阻R33的另一端与第二运算放大器U4的反相输入端相连，第六电阻R30的一端与第二运算放大器U4的同相输入端相连，第六电阻R30的另一端接地，第七电阻R32的一端与第二运算放大器U4的反相输入端相连，第七电阻R32的另一端与第八电阻R31的一端连接，第八电阻R31的另一端接地。
其中，第七电阻R32、第五电阻R33相对于第八电阻R31的阻值，一般取值至少一万倍，电源输出电流可以认为全部流过第八电阻R31。
这样，输出电压：
Vout2＝Vout1-(R1+R31)Iout 公式10
第二运算放大器U4将取样电压第八电阻R31的电压放大10倍。通过电阻R25的电流是电阻R26、第四电阻R34的和，即：
(Vout1-0.8)/R25＝0.8/R26+(0.8+10*R31*Iout)/R34 公式11
简化后得：
Vout1＝0.8*R25/R26+0.8*(1+R25/R34)+(10*R25*R31/R34)*Iout公式12
由此可见，随着输出电流的增加，U3的输出电压也增加。
将公式12代入到公式11可得到：
Vout2＝0.8*R25/R26+0.8*(1+R25/R34)
+[(10*R25*R31/R34)-(R1+R31)]*Iout 公式13
由此可见，当
(R1+R31)＝10*R25*R31/R34 公式14
Vout2＝0.8*R25/R26+0.8*(1+R25/R34) 公式15
Vout2为恒定值，即Vout2保持恒定，从而实现了不需额外的功率控制电路，也不管电源内阻是多少，通过内阻补偿电路4的取样电阻取电流来进行补偿，便可实现最终输出电压恒定。
在上述的公式6和公式13中，将电流取样信号叠加到电源控制芯片的外设电路上，使得带补偿功能的电源电路的输出电流的系数为零，即内阻补偿电路4使得带补偿功能的电源电路的输出电压相对于带补偿功能的电源电路的输出电流保持恒定。即无论带补偿功能的电源电路的输出电流如何变化，带补偿功能的电源电路的输出电压都是一个固定值。本发明在不增加新的功率控制电路基础上不论负载如何变化都可达到最终输出稳定电压的目的，是本发明的核心所在。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种带补偿功能的电源电路，包括供电电源(1)、电源控制芯片(2)和电源控制芯片的外设电路(3)，其特征在于：还包括内阻补偿电路(4)，内阻补偿电路(4)将带补偿功能的电源电路的输出电流引入电源控制芯片的外设电路(3)，不论负载如何变化，内阻补偿电路(4)使得带补偿功能的电源电路的输出电压保持不变；
所述内阻补偿电路(4)包括第一电流取样电阻R15、第一电阻R19和第一运算放大电路，所述的第一运算放大电路包括第二电阻R17、第三电阻R18和第一运算放大器U2，第一电阻R19的一端与电源控制芯片(2)相连，第一电阻R19的另一端与第一运算放大器U2的输出端相连，第三电阻R18的一端与第一电阻R19的另一端相连，第三电阻R18的另一端与第二电阻R17的一端相连，第二电阻R17的另一端接地，第二电阻R17的一端与第一运算放大器U2的反相输入端相连，第一电流取样电阻R15的一端与第一运算放大器U2的同相输入端相连，第一电流取样电阻R15的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的一种带补偿功能的电源电路，其特征在于：所述内阻补偿电路(4)包括第二电流取样电阻R31、第四电阻R34和第二运算放大电路，所述的第二运算放大电路包括第五电阻R33、第六电阻R30、第七电阻R32、第八电阻R31和第二运算放大器U4，第四电阻R34的一端与电源控制芯片(2)相连，第四电阻R34的另一端与第二运算放大器U4的输出端相连，第五电阻R33的一端与第四电阻R34的另一端相连，第五电阻R33的另一端与第二运算放大器U4的反相输入端相连，第六电阻R30的一端与第二运算放大器U4的同相输入端相连，第六电阻R30的另一端接地，第七电阻R32的一端与第二运算放大器U4的反相输入端相连，第七电阻R32的另一端与第八电阻R31的一端连接，第八电阻R31的另一端接地。
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