CN113629983A - 一种具有高效率稳定输出的电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高效率稳定输出的电源电路，包括工作在丁类功率转换状态的丁类驱动模块，工作在甲类转换状态的甲类驱动模块，丁类驱动模块的输出端与母线连接，母线用于供负载连接，甲类驱动模块的输入端与连接于母线上的负载连接，甲类驱动模块包括检测单元，检测单元检测甲类驱动模块的输出能量损耗，控制模块根据输出能量损耗控制丁类驱动模块的输出电压，以丁类驱动模块的输出电压调节输出能量损耗。本发明电源电路在控制模块的控制下，丁类驱动模块和甲类驱动模块的配合具有比常规甲类驱动模块更高的转换效率以及比常规丁类驱动模块更小的输出纹波，从而实现高效率和稳定的供电输出。本发明广泛应用于电子电路技术领域。

Description

一种具有高效率稳定输出的电源电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其是一种具有高效率稳定输出的电源电路。

背景技术

丁类(D类)电源也称丁类(D类)功率放大器、丁类驱动器，其具有很高的转换效率，但是其工作原理决定了其输出的电压电流具有较大的纹波，例如大部分丁类电源普遍有0.5％的纹波，质量较好的丁类电源能将纹波降低到0.25％，但是从技术和生产成本等角度出发，丁类电源的纹波很难降到0.1％以下。丁类电源作为供电电源时，其纹波会对用电器产生不良影响，例如当使用丁类电源作为LED的供电电源时，0.5％、0.25％、0.1％的纹波分别会产生5％、2.5％、1％的光闪烁，而光闪烁可能会造成视力损害或者干扰对精细物件的观察等影响。甲类(A类)电源也称甲类(A类)功率放大器、甲类驱动器，其输出纹波可以极低，例如可以低于日常使用的测量仪器的检测范围以至于测量到的输出纹波为0，但是其转换效率较低，也就是有较多的输入功率损失在发热等方面。综上所述，现有的电源技术难以兼顾转换效率和输出稳定性这两方面。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种具有高效率稳定输出的电源电路，包括：

丁类驱动模块；所述丁类驱动模块工作在丁类功率转换状态；

母线；所述母线与所述丁类驱动模块的输出端连接，所述母线用于供负载连接；

至少一个甲类驱动模块；所述甲类驱动模块工作在甲类转换状态，所述甲类驱动模块的输入端与连接于所述母线上的负载连接，所述甲类驱动模块的输出端用于接地；所述甲类驱动模块包括检测单元，所述检测单元用于检测所在的所述甲类驱动模块的输出能量损耗，将所述输出能量损耗发送至控制模块；

控制模块；所述控制模块用于根据所述输出能量损耗控制所述丁类驱动模块的输出电压，以所述丁类驱动模块的输出电压调节所述输出能量损耗。

进一步地，各所述甲类驱动模块的输入电压与输出电流是独立可控的。

进一步地，所述根据所述输出能量损耗控制所述丁类驱动模块的输出电压，包括：

根据所述输出能量损耗确定输出能量损耗率；

当所述输出能量损耗率低于预设阈值，所述控制模块控制所述丁类驱动模块以第一速率提升输出电压，直至确定所述输出能量损耗率达到或超过所述预设阈值。

进一步地，所述输出能量损耗为所述甲类驱动模块的输入电压与输出电压之差乘以所述甲类驱动模块的输出电流之积；所述输出能量损耗率为所述输出能量损耗等于所述甲类驱动模块的输出电压除以输入电压。

进一步地，所述根据所述输出能量损耗控制所述丁类驱动模块的输出电压，还包括：

当确定所述输出能量损耗率达到或超过所述预设阈值，所述控制模块控制所述丁类驱动模块以第二速率降低输出电压。

进一步地，所述第二速率小于所述第一速率。

进一步地，所述预设阈值不小于所述丁类驱动模块的电压纹波率。

进一步地，具有高效率稳定输出的电源电路还包括：

滤波模块；所述滤波模块连接在所述母线与所述负载的输入端之间。

进一步地，所述滤波模块为电容器阵列或感抗型滤波阵列。

进一步地，具有高效率稳定输出的电源电路还包括：

供电模块；所述供电模块的输出端与所述丁类驱动模块的输入端连接，所述供电模块与所述甲类驱动模块共地连接。

本发明的有益效果是：实施例中的电源电路，在控制模块的控制下，丁类驱动模块和甲类驱动模块的配合具有比常规甲类驱动模块更高的转换效率以及比常规丁类驱动模块更小的输出纹波，从而实现高效率和稳定的供电输出。

附图说明

图1为实施例中电源电路的结构图。

具体实施方式

本实施例中的具有高效率稳定输出的电源电路，其结构参照图1所示，包括供电模块、丁类驱动模块、一个或多个甲类驱动模块、控制模块、滤波模块和母线等部件。

其中，供电模块可以是将来自电池或者市电的电源转换成直流电或交流电的模块，供电模块是整个电源电路的能量来源，供电模块主要为甲类驱动模块和丁类驱动模块供电。供电模块可以设有多个接口，每个接口具有相同或不同的输出电压、电流、频率等标准，从而与甲类驱动模块和丁类驱动模块适配。

本实施例中，丁类驱动模块可以是指丁类(D类)功率放大器，其工作在丁类放大状态，可以理解为其中的功率放大部件工作在丁类放大状态，因此丁类驱动模块具有接近100％的转换效率，因此可以认为丁类驱动模块没有额外的工作损耗。

本实施例中，甲类驱动模块可以是指甲类(A类)功率放大器，其工作在甲类放大状态，可以理解为其中的功率放大部件工作在甲类放大状态，因此具有较佳的放大线性度，所输出的波形具有良好的平滑性，相应地，其输出纹波基本可以忽略不计。但是甲类驱动模块具有难以忽略的输出能量损耗。每个甲类驱动模块都配备控制单元和检测单元，其中控制单元能够控制所在的甲类驱动模块的输出电流和输出电压等参数。本实施例中，每个甲类驱动模块被配置为恒流输出，每个甲类驱动模块所输出的电流大小可以相同也可以不相同；在恒流输出的情况下，甲类驱动模块的输出能量损耗可以表示为甲类驱动模块的输入电压与输出电压之差乘以甲类驱动模块的输出电流之积，即输出能量损耗＝(输出电压-输入电压)×输出电流，其中的输出能量损耗、输入电压、输出电压和输出电流都是同一甲类驱动模块的参数，检测单元可以通过检测所在甲类驱动模块的输入电压、输出电压和输出电流来计算得到该甲类驱动模块的输出能量损耗，并将输出能量损耗打包成数据包(或模拟信号源)，通过共用的数据总线(或模拟信号源)发送至控制模块。

本实施例中，控制模块根据输出能量损耗这一数据确定输出能量损耗率。其中，某一甲类驱动模块的输出能量损耗率＝同一甲类驱动模块的输出能量损耗/同一甲类驱动模块的输入能量＝[(输出电压-输入电压)×输出电流]/(输入电压×输入电流)，由于恒流状态，输出电流＝输入电流，因此输出能量损耗率＝(输出电压-输入电压)/输入电压，即控制模块只使用甲类驱动模块的输入电压和输出电压就可以算出甲类驱动模块的输出能量损耗率。这样，检测单元可以只检测所在甲类驱动模块的输入电压、输出电压，并将检测到的输入电压、输出电压打包成数据包(或模拟信号)，通过共用的数据总线(或模拟信号)发送至控制模块，由控制模块根据输入电压、输出电压计算甲类驱动模块的输出能量损耗率。该计算具体使用处理器等数字电路计算，也可以使用模拟电路计算。使用模拟电路计算时，具体可以使用电压测量电路测量输入及输出的电压差，来控制实际损耗(间接测量损耗率)，并通过实际损耗电压来模拟测量损耗部分，达到控制目的。无论是基于数字电路还是模拟电路测量出的损耗进行电压控制，目的都是把甲类驱动模块的输出能量损耗率维持在丁类供电纹波率附近或者丁类供电纹波率之下。这样，甲类驱动模块就不会因为(在供电纹波波谷时)供电不足而产生干扰或纹波。

本实施例中，可以使用单片机或者PLC等具有控制和数据处理功能的器件作为控制模块。也可以直接使用模拟检测出来的信号，直接控制控制模块。使用模拟电路控制的速度，通常比使用数字电路控制更快，并且可以避免数字电路采样分辨率等的限制。

参照图1，控制模块可以设有多个不同的数据接口或者公用的总线，以供各甲类驱动模块中的检测单元连接。

本实施例中，丁类驱动模块包括一个或多个输出端，丁类驱动模块的输出端与母线连接。母线可以供一个或多个负载连接。根据母线上连接的负载的数量设置甲类驱动模块的数量，使得甲类驱动模块与负载一一对应。参照图1，共设有3个甲类驱动模块，甲类驱动模块的输入端与负载的输出端连接，甲类驱动模块的输出端与供电模块的接地端共地(即共同接到地线，地线也可称为回路线)，这样，从电路拓扑上看，每个负载都能与一个甲类驱动模块连接，每个负载都由丁类驱动模块与一个甲类驱动模块串联驱动，具有比仅使用一个驱动模块更强的驱动能力。

参照图1，还设有3个滤波模块，滤波模块的数量与甲类驱动模块的数量相同，使得每个甲类驱动模块都可以配备一个滤波模块。本实施例中，滤波模块连接在负载与母线之间，具体地，可以使用电容器阵列或者感抗型滤波阵列作为滤波模块，滤波模块的输入端与母线连接，滤波模块的输出端与相应的一个负载的输入端连接。从母线角度看，各滤波模块之间、各甲类驱动模块之间是并联关系，例如，母线由两根电线组成，每个甲类驱动模块的输出端都包括两个端口，每个甲类驱动模块的输出端经过电容器阵列后仍是两个端口，其中一个端口与母线中的一根电线连接，另一个端口与母线中的另一根电线连接。

图1中的具有高效率稳定输出的电源电路，其中的控制模块可以实时获取各甲类驱动模块的工作状态，根据各甲类驱动模块的工作状态来控制丁类驱动模块的输出，从而改善甲类驱动模块的输出能量损耗。

本实施例中，控制模块的工作原理为：根据公式“输出能量损耗率＝(输出电压-输入电压)/输入电压”计算每个甲类驱动模块的输出能量损耗；当检测到任意一个或者数量足够多(超过数量阈值)的甲类驱动模块，其输出能量损耗率小于预设阈值，那么控制模块控制丁类驱动模块以较快的第一速率提升输出电压，相应地甲类驱动模块所获得的输入电压提高，因此输出能量损耗降低；控制模块实时地检测甲类驱动模块的输出能量损耗，当甲类驱动模块的输出能量损耗率升高至预设阈值或以上，那么控制模块控制丁类驱动模块以较慢的第二速率降低输出电压，这个过程中可能会导致甲类驱动模块的输出能量损耗升高。

上述“甲类驱动模块的输出能量损耗降低和升高”的过程可能会是循环不断的，这个过程中，甲类驱动模块所呈现出的输出能量损耗水平比单独的甲类驱动模块的输出能量损耗水平要低，即本实施例中的甲类驱动模块具有更高的转换效率，而丁类驱动模块的转换效率接近100％，因此丁类驱动模块和甲类驱动模块的配合能够提高整体转换效率。

本实施例中，可以通过阅读丁类驱动模块的产品说明书或者通过仿真、实测等方式获得丁类驱动模块的电压纹波率，并且认为当使用某个确定的丁类驱动模块时，丁类驱动模块的电压纹波率是个定值(或有一个实用上限)，其中丁类驱动模块的电压纹波率＝丁类驱动模块的电压纹波绝对值(或者峰峰值)/丁类驱动模块的输出电压(直流成分)。

如果将预设阈值设定为丁类驱动模块的电压纹波率，那么基于上述分析，丁类驱动模块和甲类驱动模块的配合同样能够达到提高整体转换效率的效果。而且，由于当检测到任意一个或者数量足够多(超过数量阈值)的甲类驱动模块，其输出能量损耗率小于丁类驱动模块的电压纹波率，那么控制模块控制丁类驱动模块以较快的第一速率提升输出电压，当甲类驱动模块的输出能量损耗率升高至丁类驱动模块的电压纹波率或以上(甚至可以设计一个补充阈值，来更实际地操控控制模块)，那么控制模块控制丁类驱动模块以较慢的第二速率降低输出电压，从而使得甲类驱动模块的输出能量损耗率维持在丁类驱动模块的电压纹波率附近。当控制模块的检测速度以及丁类驱动模块的响应速度足够高，可以使得甲类驱动模块的输出能量损耗率略大于丁类驱动模块的电压纹波率，具体地甲类驱动模块的输出能量损耗率与丁类驱动模块的电压纹波率之间的差可以是1％以下的水平。

甲类驱动模块的输出能量损耗率比丁类驱动模块的电压纹波率略高，可以保证丁类驱动模块的输出电压中带有的电压纹波到了波谷时，丁类驱动模块的输出电压仍能带动负载，不至于出现丁类驱动模块的输出电压中带有的电压纹波到了波谷时，丁类驱动模块的输出电压过低而带不动负载的情况。并且在甲类驱动模块的输出能量损耗率高于丁类驱动模块的电压纹波率的情况下，丁类驱动模块的输出纹波能够被甲类驱动模块本身的输出能量损耗特性吸收，其原理在于，甲类驱动模块本身的输出能量损耗特性表现为甲类驱动模块的输入输出电压差，能够一定程度上抵消丁类驱动模块的输出纹波，“甲类驱动模块的输出能量损耗降低和升高”的过程所造成的甲类驱动模块本身产生的纹波频率较低，能够被滤波模块充分吸收，因此丁类驱动模块和甲类驱动模块的配合能够降低输出纹波。

本实施例中，丁类驱动模块的输出电压和输出电流等大小可以通过PWM波控制，因此控制模块向丁类驱动模块发送的控制信号可以是PWM波形或者PWM波形的频率和占空比等参数。

本实施例中，控制模块可以根据个别甲类驱动模块的输出能量损耗情况，仅控制丁类驱动模块对满足条件(例如输出能量损耗达到或超过预设阈值)的甲类驱动模块所连接的输出端进行输出电压的控制，避免对其他输出能量损耗未满足条件的甲类驱动模块造成影响。

本实施例中，丁类驱动模块提升输出电压时是以较快的第一速率进行的，丁类驱动模块降低输出电压时是以较慢的第二速率进行的，其中的第一速率和第二速率可以由控制模块控制，具体地由控制模块输出变化的PWM波形或者变化的PWM波参数控制。第一速率和第二速率是数值可以由控制模块根据负载大小确定，例如，考虑到当第一速率越大、第二速率越小，则甲类驱动模块的输出能量损耗在预设阈值或以下的时间相对越多，电源电路的整体转换效率则越高，但相应地甲类驱动模块因输出能量损耗变化产生的纹波就严重，控制模块可以检测负载的大小，其中负载的大小可以用电功率表示；对于较大的负载，其需要较高的转换效率而能够承受较大的输出纹波，因此控制模块可以设置更大的第一速率和更小的第二速率；对于较小的负载，其需要较小的输出纹波而对转换效率的要求则相对较低，因此控制模块可以设置更小的第一速率和更大的第二速率，在此过程中可以保持第一速率大于第二速率。通过上述控制过程，本实施例中的电源电路能够更好地取得转换效率和输出纹波的平衡。

本实施例中，还可以在每个甲类驱动模块与相应的滤波模块之间，或者在每个滤波模块与母线之间增加设置单向导通模块，该单向导通模块可以是二极管或其等效电路，使得电流只能沿着从母线到甲类驱动模块的方向传递，避免每个甲类驱动模块受到其他甲类驱动模块的输出能量损耗变化的干扰。

本实施例中，还可以每个甲类驱动模块与相应的滤波模块之间，或者在每个滤波模块与母线之间增加设置保护模块，保护模块与控制模块连接，当保护模块检测到短路、电流过大、甲类驱动模块过热等现象时，向控制模块发送警报信号，控制模块根据警报信号控制丁类驱动模块停止输出电流，从而起到保护作用。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读介质在计算机程序中实现，其中如此配置的介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像系统、装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

同理，本发明包含使用模拟电路替代数字电路作出控制。按照应用，某些设计使用模拟信号控制，可能达到一个或多个以下优点：超越数字电路的分辨率限制；免除计算周期的延时，可以在信号变化时更快作出控制的动作等。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，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，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种具有高效率稳定输出的电源电路，其特征在于，包括：

丁类驱动模块；所述丁类驱动模块工作在丁类功率转换状态；

母线；所述母线与所述丁类驱动模块的输出端连接，所述母线用于供负载连接；

至少一个甲类驱动模块；所述甲类驱动模块工作在甲类转换状态，所述甲类驱动模块的输入端与连接于所述母线上的负载连接，所述甲类驱动模块的输出端用于接地；所述甲类驱动模块包括检测单元，所述检测单元用于检测所在的所述甲类驱动模块的输出能量损耗，将所述输出能量损耗发送至控制模块；

控制模块；所述控制模块用于根据所述输出能量损耗控制所述丁类驱动模块的输出电压，以所述丁类驱动模块的输出电压调节所述输出能量损耗。

2.根据权利要求1所述的具有高效率稳定输出的电源电路，其特征在于，各所述甲类驱动模块的输入电压与输出电流是独立可控的。

3.根据权利要求1所述的具有高效率稳定输出的电源电路，其特征在于，所述根据所述输出能量损耗控制所述丁类驱动模块的输出电压，包括：

根据所述输出能量损耗确定输出能量损耗率；

当所述输出能量损耗率低于预设阈值，所述控制模块控制所述丁类驱动模块以第一速率提升输出电压，直至确定所述输出能量损耗率达到或超过所述预设阈值。

4.根据权利要求3所述的具有高效率稳定输出的电源电路，其特征在于，所述输出能量损耗为所述甲类驱动模块的输入电压与输出电压之差乘以所述甲类驱动模块的输出电流之积；所述输出能量损耗率为所述输出能量损耗等于所述甲类驱动模块的输出电压除以输入电压。

5.根据权利要求3所述的具有高效率稳定输出的电源电路，其特征在于，所述根据所述输出能量损耗控制所述丁类驱动模块的输出电压，还包括：

当确定所述输出能量损耗率达到或超过所述预设阈值，所述控制模块控制所述丁类驱动模块以第二速率降低输出电压。

6.根据权利要求5所述的具有高效率稳定输出的电源电路，其特征在于，所述第二速率小于所述第一速率。

7.根据权利要求3-6任一项所述的具有高效率稳定输出的电源电路，其特征在于，所述预设阈值不小于所述丁类驱动模块的电压纹波率。

8.根据权利要求1所述的具有高效率稳定输出的电源电路，其特征在于，还包括：

滤波模块；所述滤波模块连接在所述母线与所述负载的输入端之间。

9.根据权利要求8所述的具有高效率稳定输出的电源电路，其特征在于，所述滤波模块为电容器阵列或感抗型滤波阵列。

10.根据权利要求1所述的具有高效率稳定输出的电源电路，其特征在于，还包括：

供电模块；所述供电模块的输出端与所述丁类驱动模块的输入端连接，所述供电模块与所述甲类驱动模块共地连接。

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