CN201075827Y - 输出功率稳定的开关电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型输出功率稳定的开关电源，涉及脉宽调制的开关电源。解决输出功率随负载电阻变化的问题。该开关电源，变压器初级的一端连接输入整流滤波电路的高压直流输出端，另一端经脉宽调制开关接输入整流滤波电路的高压直流地线；变压器次级连接输出整流滤波电路的两个交流输入端；输出整流滤波电路的低压直流输出端连接负载电源输入端，低压直流地线经电流采样电阻连接负载电源接地端；采样电路的电源输入端和电源接地端分别接在输出整流滤波电路的低压直流输出端和低压直流地线，输出端经光电耦合器连接脉宽调制开关的控制输入端；电压基准电路的电源输入端和电源接地端分别对应地连接负载的两端，输出端连接采样电路的采样参考端。

Description

输出功率稳定的开关电源

技术领域

本实用新型涉及一种直流输出的开关电源，特别是涉及一种脉宽调制、直流输出的开关电源。

背景技术

现有的直流输出的开关电源，通常为直流稳压输出的开关电源，多采用图1所示的脉宽调制稳压电路结构。输入整流滤波电路1′将交流市电变换为高压直流加到变压器2′初级21′的一端，变压器2′初级21′的另一端经过一个脉宽调制开关3′接高压直流地线。脉宽调制开关3′控制变压器2′初级21′通电或断电；变压器2′次级22′的感应输出经输出整流滤波电路4′变换为低压直流送到负载5′。采样电路6′的输入端接在输出整流滤波电路4′的输出端，采样电路6′的输出接光电藕合器7′的输入端，光电藕合器7′的输出端连接脉宽调制开关3′的控制输入端。光电藕合器7′隔离变压器2′初级21′一侧的高压直流地线与变压器2′次级22′一侧的低压直流地线。在负载5′电阻降低，输出整流滤波电路4′的输出端的输出电流增大、电压降低时：采样电路6′输出的电压信号减小；光电藕合器7′初级的发光二极管发光亮度降低，而次级的光敏三极管的管压降增高；脉宽调制开关3′的控制端电位提高；脉宽调制开关3′使变压器2′初级21′高压直流通电的占空比增加即有效脉宽变宽；变压器2′次级22′的感应输出经输出整流滤波电路4′变换的直流电压增加，弥补了原来送到负载5′的直流电压降低的成份，使送到负载5′的直流电压保持稳定。在负载5′电阻增加，输出整流滤波电路4′的输出端的输出电流降低、电压增大时：采样电路6′输出的电压信号增大，光电藕合器7′初级的发光二极管发光亮度增大，而次级的光敏三极管的管压降降低；脉宽调制开关3′的控制端电位降低；脉宽调制开关3′使变压器2′初级21′高压直流通电的占空比降低即有效脉宽变窄；变压器2′次级22′的感应输出经输出整流滤波电路4′变换的直流电压减小，弥补了原来送到负载5′的直流电压增大的成份，使送到负载5′的直流电压保持稳定。也就是说，在该开关电源允许的功率范围内，无论负载5′电阻如何变化，送到负载5′的直流电压总能趋向稳定。

但是，在某些应用设备中负载电阻在运行过程中变化很大，例如电池的充电装置，要求开关电源随着负载电阻的减小即输出电流增大而减小送到负载的直流电压，使输出功率稳定在特定的范围内。显然，现有技术的直流输出的开关电源无法实现这些应用设备的上述要求。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种可以在负载电阻变化时自动调整输出电压的输出功率稳定的开关电源。

本实用新型的技术方案是：输出功率稳定的开关电源，，将交流市电变换为高压直流的输入整流滤波电路的高压直流输出端连接变压器初级的一端，变压器初级的另一端经过一个脉宽调制开关接输入整流滤波电路的高压直流地线；变压器次级的两个感应输出端对应连接输出整流滤波电路的两个交流输入端，输出整流滤波电路的低压直流输出端连接负载的电源输入端；采样电路的电源输入端和电源接地端分别接在输出整流滤波电路的低压直流输出端和低压直流地线，采样电路的两个输出端对应连接光电藕合器的两个输入端，光电藕合器的输出端连接脉宽调制开关的控制输入端；其特征在于：输出整流滤波电路的低压直流地线经一个电流采样电阻连接负载的电源接地端；一个电压基准电路的电源输入端和电源接地端分别对应地连接负载的两端，电压基准电路的输出端连接采样电路的采样参考端。本实用新型的开关电源在采样电路的采样参考端引入电压基准电路提供的固定偏置电压和负载电流变化时在电流采样电阻上产生的偏差电压；采样电路经光电藕合器向脉宽调制开关提供的反馈控制信号不仅包含输出整流滤波电路的低压直流输出端电压的偏差信息，还有负载电流变化的信息。随着负载电阻的减小即输出电流增大，电流采样电阻两端的偏差电压增大。该偏差电压导致采样电路的采样参考端电位提升，由于采样参考端电位的提升具有与输出整流滤波电路低压直流输出端的电压增高相同的作用，采样电路提供的反馈控制信号经光电藕合器控制脉宽调制开关使变压器初级高压直流通电的占空比降低；变压器次级的感应输出经输出整流滤波电路变换的直流电压减小，送到负载的直流电压减小，输出功率稳定在特定的范围内。反之，随着负载电阻的增大即输出电流减小，电流采样电阻两端的偏差电压减小。该偏差电压导致采样电路的采样参考端电位下降，由于采样参考端电位的降低具有与输出整流滤波电路低压直流输出端的电压降低相同的作用，采样电路提供的反馈控制信号经光电藕合器控制脉宽调制开关使变压器初级高压直流通电的占空比增加；变压器次级的感应输出经输出整流滤波电路变换的直流电压增加，送到负载的直流电压增加，输出功率稳定在特定的范围内。调整电流采样电阻的阻值和电压基准电路输出的电压，可以调整负载输出曲线的变化率。

在一个优化的实施例中：所述的采样电路包含由第一误差放大器和第一限流电阻串接而成的输出支路及由两个电阻串接而成的分压支路；采样电路的输出支路中第一误差放大器的正极为采样电路的电源接地端，第一误差放大器的负极连接第一限流电阻的一端构成采样电路的一个输出端；第一限流电阻的另一端作为采样电路的电源输入端和采样电路的另一个输出端；采样电路的分压支路中分压点连接输出支路误差放大器的参考端，一个电阻的自由端连接输出整流滤波电路的低压直流输出端，另一个电阻的自由端为采样电路的采样参考端；电压基准电路包含由第二误差放大器和第二限流电阻串接而成的恒压支路及由两个电阻串接而成的分压支路；电压基准电路的恒压支路中第二误差放大器的负极与参考端相连接构成一个精密的稳压管；第二误差放大器的正极为电压基准电路的接地端，第二误差放大器的负极连接第二限流电阻的一端，第二限流电阻的另一端为电压基准电路的电源输入端；电压基准电路的分压支路中分压点为电压基准电路的输出端，分压支路两个电阻的自由端分别连接恒压支路第二误差放大器的正极和负极。采样电路的输出支路中流过第一误差放大器和第一限流电阻的电流为光电藕合器的初级提供控制；采样电路的分压支路中分压点向输出支路第一误差放大器的参考端提供控制信号，控制流过第一误差放大器的电流。电压基准电路的第二误差放大器按稳压管的方式使用，恒压支路提供高稳定的电压源由分压支路提取偏置电压与电流采样电阻上的电压一起叠加到采样电路的采样参考端。负载电流增大时，流过电流采样电阻的电流使负载电源接地端的电位升高，采样电路的采样参考端和分压支路分压点的电位升高，导致采样电路的输出支路中第一误差放大器的导通程度增加，流过第一误差放大器和第一限流电阻的电流使光电藕合器的初级发光二极管两端的电压增高，发光量增大，次级的光藕三极管导通程度增加，使脉宽调制开关的控制端电压下降，从而改变脉宽调制开关输出的占空比，使变压器次级经输出整流滤波电路提供给负载的输出电压下降。反之，负载电流减小时，流过电流采样电阻的电流使负载电源接地端的电位降低，采样电路的采样参考端和分压支路分压点的电位降低，导致采样电路的输出支路中第一误差放大器导通程度降低，流过第一误差放大器和第一限流电阻的电流减少使光电藕合器的初级发光二极管两端的电压降低，电流减少，次级的光藕三极管导通程度降低，使脉宽调制开关的控制端电压提升，脉宽调制开关输出的占空比加大，使变压器次级经输出整流滤波电路提供给负载的输出电压上升。

特别是：所述采样电路中第一误差放大器的稳压值与电压基准电路中第二误差放大器的稳压值相同。调整电压基准电路输出的电压，可以明显地调整负载输出曲线的变化率。

本实用新型输出功率稳定的开关电源在输出端的地线中设置一个电流采样电阻，并在采样电路的采样参考端增加一个与电流采样电阻相连接的电压基准电路。利用电压基准电路提供的固定偏置电压和负载电流变化时在电流采样电阻上产生的偏差电压；采样电路经光电藕合器向脉宽调制开关提供的反馈控制信号不仅包含输出整流滤波电路的低压直流输出端电压的偏差信息，还有负载电流变化的信息。使开关电源能随着负载电阻的减小即输出电流增大而将送到负载的直流电压减小；或者随着负载电阻的增大即输出电流减小而将送到负载的直流电压增大；最终保证输出功率稳定在特定的范围内。特别是采用电压基准电路提供偏置的方式，可以得到调整负载输出曲线变化率的效果，并由此扩展了本实用新型的开关电源的适用范围。本实用新型的开关电源附加元件少，易于推广实施。

附图说明

图1为普通脉宽调制稳压开关电源的电路方框结构示意图。

图2为本实用新型输出功率稳定的开关电源的电路方框结构示意图。

图3为本实用新型输出功率稳定的开关电源一个实施例的电路结构示意图。

图4为图3实施例与线性变压器及普通脉宽调制稳压开关电源的负载曲线对比图。

具体实施方式

本实用新型输出功率稳定的开关电源的电路方框结构，如图2所示。请对比图1，普通脉宽调制稳压开关电源将采样电路6的采样参考端直接与输出整流滤波电路4的低压直流输出端相连接；本实用新型输出功率稳定的开关电源在采样电路6的采样参考端605与输出整流滤波电路4的两个输出端403、404之间增加了电流采样电阻8和电压基准电路9；从而在采样电路6的采样参考端605引入电压基准电路9提供的固定偏置电压和负载电流变化时在电流采样电阻8上产生的偏差电压。采样电路6经光电藕合器7向脉宽调制开关3提供的反馈控制信号不仅包含输出整流滤波电路4的低压直流输出端403电压的偏差信息，还有负载5电流变化的信息。通过采样电路6对脉宽调制开关3的反馈控制，使负载曲线按线性变化，达到输出功率稳定在特定的范围内的功效。

本实用新型输出功率稳定的开关电源的输入整流滤波电路1的输入端101与交流市电的火线连接，另一个输入端102与交流市电的零线相连接。输入整流滤波电路1的高压直流输出端103连接变压器2初级21的一端211，变压器2初级21的另一端212连接脉宽调制开关3的输出端302。输入整流滤波电路1的高压直流地线104分别连接脉宽调制开关3的接地端304和光电藕合器7次级的接地端704。脉宽调制开关3的控制输入端303连接光电藕合器7次级的输出端703。输入整流滤波电路1将交流市电变换为高压直流，脉宽调制开关3间歇地接通或断开，使得变压器2初级21的端头212间歇地经过脉宽调制开关3连接到输入整流滤波电路1的高压直流地线104；高压直流电在变压器2的初级21间歇地流过。

变压器2次级22的两个感应输出端221、222对应连接输出整流滤波电路4的两个交流输入端401、402。输出整流滤波电路4的低压直流输出端403连接负载5的电源输入端501；输出整流滤波电路4的低压直流地线404经一个电流采样电阻8连接负载5的电源接地端502。采样电路6的电源输入端601接在输出整流滤波电路4的低压直流输出端403，采样电路6的电源接地端602接在输出整流滤波电路4的低压直流地线404。采样电路6的两个输出端603、604对应连接光电藕合器7的两个输入端701、702。电压基准电路9的电源输入端901、电源接地端902分别对应地连接负载5的电源输入端501、电源接地端502，电压基准电路9的输出端903连接采样电路6的采样参考端605。

变压器2的次级22感应初级21电流的变化，次级22的输出经输出整流滤波电路4变换为低压直流电送到负载5。若负载5的电阻发生变化：随着负载5电阻的减小即输出整流滤波电路4输出电流增大，电流采样电阻8两端的偏差电压增大。该偏差电压的增大导致采样电路6的采样参考端605电位提升，由于采样参考端605电位的提升具有与输出整流滤波电路4低压直流输出端403的电压增高相同的作用，采样电路6提供的反馈控制信号经光电藕合器7控制脉宽调制开关3，使变压器2初级21高压直流通电的占空比降低；变压器2次级22的感应输出经输出整流滤波电路4变换的直流电压减小，送到负载5的直流电压减小。反之，随着负载5电阻的增大即输出整流滤波电路4输出电流减小，电流采样电阻8两端的偏差电压减小。该偏差电压的减小导致采样电路6的采样参考端605电位下降，由于采样参考端605电位的降低具有与输出整流滤波电路4低压直流输出端403的电压降低相同的作用，采样电路6提供的反馈控制信号经光电藕合器7控制脉宽调制开关3，使变压器2初级21高压直流通电的占空比增加；变压器2次级22的感应输出经输出整流滤波电路4变换的直流电压增加，送到负载5的直流电压增加。采样电路6经光电藕合器7对脉宽调制开关3进行反馈控制，使输出整流滤波电路4的输出功率稳定在线性的负载曲线范围内。调整电流采样电阻8的阻值和电压基准电路9输出的电压，可以调整负载5输出曲线的变化率。

本实用新型输出功率稳定的开关电源一个优化实施例的电路结构，请参看图3：

输入整流滤波电路1由四个整流二极管D1D4构成的桥式整流器与电解电容C1组成。输入整流滤波电路1的输入端101与交流市电的火线L连接，另一个输入端102与交流市电的零线N相连接。输入整流滤波电路1的高压直流输出端103连接变压器2初级21的端头211，输入整流滤波电路1的高压直流地线104分别连接脉宽调制开关3的接地端304和光电藕合器7次级的接地端704。

脉宽调制开关3以型号为ICE3A2065的脉宽调制集成电路U1为核心，在脉宽调制集成电路U1的1脚配备电容C3、2脚配备电容C4、3脚配备电阻R5。电容C3、C4和电阻R5的另一个端头与脉宽调制集成电路U1的8脚连接在一起，构成脉宽调制开关3的接地端304。电阻R1、电阻R4、稳压二极管Z1、整流二极管D6与变压器2的副感应级23构成供电电路，向脉宽调制开关3的电源输入端301(即脉宽调制集成电路U1的7脚)供电。脉宽调制集成电路U1的5脚作为脉宽调制开关3的输出端302连接变压器2初级21的端头212。电容C2、电阻R2和反向连接的二极管D5组成变压器2初级21的反向电流泄放回路，保护脉宽调制集成电路U1。脉宽调制集成电路U1的2脚作为脉宽调制开关3的控制输入端303经限流电阻R6连接光电藕合器7次级的输出端703。

整流二极管D7、电解电容C5和电感L1组成输出整流滤波电路4。整流二极管D7的正极作为输出整流滤波电路4的一个交流输入端401连接变压器2次级22的感应输出端221。电解电容C5的负极作为输出整流滤波电路4的另一个交流输入端402连接变压器2次级22的感应输出端222。电感L1的一端连接电解电容C5的正极和整流二极管D7的负极，电感L1的另一端作为输出整流滤波电路4的低压直流输出端403连接负载5的一个输入端501。电解电容C5的负极又是输出整流滤波电路4的低压直流地线404，经电流采样电阻8连接负载5的另一个输入端502。电解电容C6与负载5相并联。

由型号为TL431的误差放大器U2和限流电阻R8串接而成的输出支路及由两个电阻R9、R10串接而成的分压支路组成采样电路6。采样电路6的输出支路中误差放大器U2的正极作为采样电路6的电源接地端602连接输出整流滤波电路4的低压直流地线404，误差放大器U2的负极连接限流电阻R8的一端构成采样电路6的一个输出端604连接光电藕合器7的输入端702。限流电阻R8的另一端作为采样电路6的电源输入端601连接输出整流滤波电路4的低压直流输出端403，限流电阻R8的这一端又是采样电路6的另一个输出端603连接光电藕合器7的输入端701。采样电路6的分压支路中分压点607连接输出支路误差放大器U2的参考端，电阻R9的自由端606连接输出整流滤波电路4的低压直流输出端403，电阻R10的自由端作为采样电路6的采样参考端605。

本实施例中光电藕合器7的型号是EL817，初级发光二极管的正极接有一个限流电阻R7；限流电阻R7的自由端为光电藕合器7的输入端701，初级发光二极管的负极为光电藕合器7的输入端702。次级的光藕三极管的集电极为光电藕合器7的输出端703；光藕三极管的发射极为光电藕合器7次级的接地端704。

本实施例中电流采样电阻8由两个阻值很小的电阻并联而成。

由型号为TL431误差放大器Z2和限流电阻R11串接而成的恒压支路及由两个电阻R12、R13串接而成的分压支路组成电压基准电路9。电压基准电路6的恒压支路中误差放大器Z2的负极与参考端相连接构成一个精密的稳压管。误差放大器Z2的正极作为电压基准电路9的电源接地端902连接负载5的低压直流地线端502，误差放大器Z2的负极连接限流电阻R11的一端，限流电阻R11的另一端作为电压基准电路9的电源接地端901连接输出整流滤波电路4的低压直流输出端403。电压基准电路9的分压支路中分压点作为电压基准电路9的输出端903连接采样电路6的采样参考端605，分压支路两个电阻R12、R13的自由端分别连接恒压支路误差放大器Z2的正极和负极。误差放大器Z2为分压支路提供2.5伏的稳定电压，两个电阻R12、R13将该电压分压后为采样电路6的分压支路提供偏置电压。

本实施例工作时：输入整流滤波电路1将交流市电变换为高压直流，脉宽调制开关3间歇地接通或断开，使得变压器2初级21的端头212间歇地经过脉宽调制开关3连接到输入整流滤波电路1的高压直流地线104；高压直流电间歇地流过变压器2的初级21。变压器2次级22感应的交变信号经输出整流滤波电路4变换为低压直流电经电流采样电阻8供给负载5。请注意，由于输出整流滤波电路4输出的电流会在电流采样电阻8的两端形成电位差，输出整流滤波电路4低压直流地线404的电位低于负载5电源接地端502的电位。又由于电压基准电路9的误差放大器Z2按稳压管的方式使用，恒压支路提供高稳定的2.5伏电压源由分压支路提取偏置电压与电流采样电阻8上的电压一起叠加到采样电路6的采样参考端605。采样电路6实时监测输出整流滤波电路4输出的低压直流电的电压和电流，采样电路6的分压支路中分压点607向输出支路误差放大器U2的参考端提供控制信号，当分压点607与输出整流滤波电路4输出的低压直流地线404的电位差高于误差放大器U2的稳压值2.5伏时，误差放大器U2的正极与负极间有电流流过；分压点607的电位控制误差放大器U2的电流。采样电路6的输出支路中流过误差放大器U2和限流电阻R8的电流为光电藕合器7的初级提供控制。光电藕合器7的初级发光二极管的发光状态影响次级光藕三极管的导通状态，即脉宽调制开关3的控制端电压，从而控制脉宽调制开关3输出的占空比，使变压器2次级22经输出整流滤波电路4提供给负载5的输出电压和电流相对特定的输出功率得到稳定。

例如负载5电阻减小、流过电流采样电阻8的电流增大时，负载5的电源接地端502的电位升高，采样电路8的采样参考端605和分压支路分压点607的电位升高，导致采样电路6的输出支路中误差放大器U2导通程度加大，流过误差放大器U2和限流电阻R8的电流增加并使光电藕合器7的初级发光二极管两端的电压增加、电流增大，发光量增强；次级的光藕三极管端导通程度加大，脉宽调制开关3的控制端303电压下降，从而改变脉宽调制开关3输出的占空比，使变压器2次级22经输出整流滤波电路4提供给负载5的输出电压下降。反之，负载5电阻增加、流过电流采样电阻8的电流减小时，负载5的电源接地端502的电位降低，采样电路6的采样参考端605和分压支路分压点607的电位降低，导致采样电路6的输出支路中误差放大器U2导通程度降低，流过误差放大器U2和限流电阻R8的电流减少并使光电藕合器7的初级发光二极管两端的电压降低、电流减少，发光量减弱；次级的光藕三极管端导通程度降低，脉宽调制开关3的控制端303电压提升，使脉宽调制开关3输出的占空比加大，变压器2次级22经输出整流滤波电路4提供给负载5的输出电压上升。

请参看图4，本实施例的负载曲线C与普通脉宽调制稳压开关电源的负载曲线A相比是输出功率稳定的向下倾斜的直线；本实施例的负载曲线C与线性变压器的负载曲线B相接近。

特别需要指出的是：本实施例采样电路6中误差放大器U2的型号与电压基准电路9中误差放大器Z2的型号相同，它们的稳压值相同，均为2.5伏。调整电压基准电路9分压支路中两个电阻R12、R13的电阻值的比，不仅影响电压基准电路9输出的电压，还可以明显地调整负载输出曲线的变化率。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，不以此限定本实用新型实施的范围，依本实用新型的技术方案及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应属于本实用新型涵盖的范围。

Claims (3)

1.输出功率稳定的开关电源，将交流市电变换为高压直流的输入整流滤波电路的高压直流输出端连接变压器初级的一端，变压器初级的另一端经过一个脉宽调制开关接输入整流滤波电路的高压直流地线；变压器次级的两个感应输出端对应连接输出整流滤波电路的两个交流输入端，输出整流滤波电路的低压直流输出端连接负载的电源输入端；采样电路的电源输入端和电源接地端分别接在输出整流滤波电路的低压直流输出端和低压直流地线，采样电路的两个输出端对应连接光电藕合器的两个输入端，光电藕合器的输出端连接脉宽调制开关的控制输入端；其特征在于：输出整流滤波电路的低压直流地线经一个电流采样电阻连接负载的电源接地端；一个电压基准电路的电源输入端和电源接地端分别对应地连接负载的两端，电压基准电路的输出端连接采样电路的采样参考端。

2.根据权利要求1所述的输出功率稳定的开关电源，其特征在于：所述的采样电路包含由第一误差放大器和第一限流电阻串接而成的输出支路及由两个电阻串接而成的分压支路；采样电路的输出支路中第一误差放大器的正极为采样电路的电源接地端，第一误差放大器的负极连接第一限流电阻的一端构成采样电路的一个输出端；第一限流电阻的另一端作为采样电路的电源输入端和采样电路的另一个输出端；采样电路的分压支路中分压点连接输出支路误差放大器的参考端，一个电阻的自由端连接输出整流滤波电路的低压直流输出端，另一个电阻的自由端为采样电路的采样参考端；电压基准电路包含由第二误差放大器和第二限流电阻串接而成的恒压支路及由两个电阻串接而成的分压支路；电压基准电路的恒压支路中第二误差放大器的负极与参考端相连接构成一个精密的稳压管；第二误差放大器的正极为电压基准电路的接地端，第二误差放大器的负极连接第二限流电阻的一端，第二限流电阻的另一端为电压基准电路的电源输入端；电压基准电路的分压支路中分压点为电压基准电路的输出端，分压支路两个电阻的自由端分别连接恒压支路第二误差放大器的正极和负极。

3.根据权利要求2所述的输出功率稳定的开关电源，其特征在于：所述采样电路中第一误差放大器的稳压值与电压基准电路中第二误差放大器的稳压值相同。

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