CN201601611U - 复合型直流稳压电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种复合型直流稳压电源，包括交流电压输入接口、电磁兼容EMI滤波器、整流滤波电路、串联线性稳压电路、直流电压输出接口，交流电压输入接口与电磁兼容EMI滤波器相连，整流滤波电路与串联线性稳压电路相连，所述电磁兼容EMI滤波器与整流滤波电路之间还连接有用于高频变压稳压的开关电源预稳模块。本实用新型将传统开关电源与线性电源两种电源的技术优势融合在一起，吸收并充分发挥它们的性能优势，规避其固有的缺点，使电源的性能更加趋于完善，具有靠性高、纹波小、电磁兼容性好、功率密度大、效率高、稳压范围宽、体积小、重量轻的优点。

Description

复合型直流稳压电源

技术领域

本实用新型涉及直流稳压电源领域，特别是涉及一种复合型直流稳压电源。

背景技术

电源是现代社会不可缺少的重要能源。工业、农业、科教、医疗卫生、国防军工、乃至家庭等各个领域都离不开电源。随着社会的进步，对供、用电的要求也愈来愈高。应用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件控制的数字化、产品性能的绿色化是电力电子领域发展方向。

就直流稳压电源而言，其发展历史可谓源远流长。当前直流稳压电源产品基本上可以分为两类，即开关直流稳压电源和线性直流稳压电源(以下分别简称“开关电源”和“线性电源”)。由于这两类直流稳压电源中的大功率半导体器件工作于不同模式，使得它们各有优点和缺点，但均不是最为理想的直流稳压电源。譬如，线性直流稳压电源的纹波小，电磁兼容性好，但效率低，功率密度小；而开关直流稳压电源的功率密度大，效率高，但其纹波特性差，电磁兼容性不好。

参见图1所示，传统开关电源一般由顺次相连的交流电压输入接口、电磁兼容EMI滤波器、变换器、高频变压器、高频整流滤波电路、输出过压过流过热保护电路、直流电压输出接口构成。开关电源中用于能量转换的大功率半导体器件工作于开关状态，而且其开关频率一般都在20kHz以上，电网与负载高频变压器隔离，采样反馈稳压。如采用软开关技术可达几百kHz，甚至更高。因而可采用高频变压器隔离经高频整流后滤波后可得到需要的直流电压，充分利用高频技术。其优点是功率密度大、效率高、稳压范围宽、体积小、重量轻，其缺点是开关噪声大、电磁兼容不好、纹波特性差，纹波系数要做到1％以下还比较困难；由高频整流管的反向恢复电流与寄生参数产生振荡而形成开关噪声，在直流输出端附加尖峰状的电压毛刺，负载越重毛刺越高，这种毛刺电压是滤波电路不能消除的。严重时将影响设备的正常工作，例如引起采样和计算误差，器件的误动作，软件程序的“飞跑”和死循环等等。

参见图2所示，传统线性电源一般由顺次相连的交流电压输入接口、电磁兼容EMI滤波器、工频隔离降压变压器、输入过压欠压保护电路、整流滤波电路、串联线性稳压电路、输出过压过流过热保护电路、直流电压输出接口构成。线性电源通常采用工频变压器与电网隔离，电网输入端采用传统的工频变压器降压与电网隔离，然后整流滤波为平滑的直流，经串联线性稳压后输出。大功率半导体器件串联稳压，工作于线性状态。以集电极、发射极间管压降(uce)的高低调整稳定输出电压。因工作在线性状态，纹波特性好，纹波系数可达1‰以下，比开关电源低一个数量级，因而电磁兼容性好。本技术成熟，可靠性高、纹波小、大功率器件工作在线性状态、电磁兼容性好，缺点是体积大、重量大、效率低、稳压范围窄。其中工频变压器的体积重量约占整个电源的60％以上，不符合直流电源“轻、薄、短、小”的发展要求，效率低，仅适用于小功率的场合，限制了它的应用范围。众所周知，本世纪面临着能源和原材料紧缺的严重挑战，改进老产品，推出新成果，节约能源和材料已成为当务之急。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种可靠性高、纹波小、电磁兼容性好、功率密度大、效率高、稳压范围宽、体积小、重量轻的复合型直流稳压电源。

本实用新型提供的复合型直流稳压电源，包括交流电压输入接口、电磁兼容EMI滤波器、整流滤波电路、串联线性稳压电路、直流电压输出接口，交流电压输入接口与电磁兼容EMI滤波器相连，整流滤波电路与串联线性稳压电路相连，所述电磁兼容EMI滤波器与整流滤波电路之间还连接有用于高频变压稳压的开关电源预稳模块。

在上述技术方案中，所述串联线性稳压电路包括低压差线性集成稳压器控制器MIC5158芯片和外置大功率N沟道MOSFET调整管。所述MOSFET调整管采用PM功率器件。

在上述技术方案中，所述电磁兼容EMI滤波器与开关电源预稳模块之间还连接有输入过压欠压保护电路，所述输入过压欠压保护电路包括MC3423芯片、MC3424芯片、MC3425芯片中之一。

在上述技术方案中，所述串联线性稳压电路与直流电压输出接口之间还连接有输出过压过流过热保护电路，所述输出过压过流过热保护电路包括所述低压差线性集成稳压器控制器MIC5158芯片内集成的栅-源钳位保护电路和驱动报警电路。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：复合型直流稳压电源就是将以上两种电源的技术优势融合在一起，吸收并充分发挥它们的性能优势，规避其固有的缺点，使电源的性能更加趋于完善。在结构上采用两个功率环节完成，其一(前端)为有源功率因数校正(APFC)的开关电源模块进行预稳压，完成一级宽范围稳压的高效变换，为后级提供一个比输出电压U_O略高一个ΔU的直流电压，即U_O+ΔU，ΔU即为后级的调整裕量；第二级(后端)为低压差精密线性稳压环节，本级效率低压差是关键。由于前端的稳压范围比较宽，ΔU近似常量。克服了常规线性稳压电源由于网压升高或负载减轻时，串联调整管的调整裕量大、管压降高、电压应力大、功耗大、效率低、威胁调整管的安全等固有弊病，保留纹波特性、电磁兼容特性好的优点，实现真正意义的“绿色化”。设计可以使得ΔU≥Uces(饱和压降)，以提高效率，所以称之为低压差线性稳压，本环节采用一片低压差线性集成稳压控制器MIC5158，配置一个低Rds(on)功率场效应管(Power MOSFET)即可完成，电路简单。MIC5158具有近乎完备的保护功能和控制功能，为实现低压差线性精密稳压提供了保障。由上述方案和采用结构可知，复合型直流稳压电源克服了当前开关电源和线性电源“绿色”和“高效”两个不可兼得的缺点，达到“绿色”和“高效”的良好统一，将二者结合起来，扬长避短，优势互补，填补市场品种单一、特性不够理想的缺憾。复合型直流稳压电源不但可以为各行业的电子设备提供优质的电源产品，而且还可以为国家节约材料和能源消耗。

附图说明

图1为传统开关电源的原理框图；

图2为传统线性电源的原理框图；

图3为本实用新型的原理框图；

图4为MIC5158芯片的管脚引线及封装示意图；

图5为MIC5158芯片内部的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步的详细描述：

参见图3所示，本实用新型提供的复合型直流稳压电源，包括顺次相连的交流电压输入接口、电磁兼容EMI滤波器、输入过压欠压保护电路、用于高频变压稳压的开关电源预稳模块、整流滤波电路、串联线性稳压电路、输出过压过流过热保护电路、直流电压输出接口。串联线性稳压电路包括低压差线性集成稳压器控制器MIC5158芯片和外置大功率N沟道MOSFET调整管，MOSFET调整管采用PM功率器件。输入过压欠压保护电路包括MC3423芯片、MC3424芯片、MC3425芯片中之一。输出过压过流过热保护电路包括所述低压差线性集成稳压器控制器MIC5158芯片内集成的栅-源钳位保护电路和驱动报警电路。

本实用新型的工作原理如下：

在串联线性稳压环节的前端采用开关电源模块预稳压，负载与电网为高频变压器隔离，之后，经串联线性稳压后输出。由于不包括体积重量约占整个电源的60％以上的工频变压器，因此体积小、重量轻，效率高于线性稳压电源，纹波及电磁兼容性好。

(一)前端预稳整流滤波环节：

电网输入与终端输出的幅值和频率存在很大差别，需要在本级调理、适配，以减小单纯由串联稳压管的压降来稳压的功耗，根据终端输出电压的需要前端可以升压亦可以降压，这一环节由图3中以虚线框中所示的开关电源预稳模块完成。

(二)串联线性精密稳压环节：

此环节是AC/DC稳压电源的核心部分，关键环节，它关系到整个线性电源的电气性能是否满足“绿色化”之要求。串联线性精密稳压环节有下述实现方法：

1、由分立电子元件构成：一般情况下，这种方案比较普遍，也能达到高质量之要求。但电子元器件种类多，优劣筛选困难，一致性差，调试困难，可靠性也差等等。

2、由线性集成稳压器构成：现在市面流行的线性直流集成稳压器有78××系列(正压)、79××系列(负压)；有固定电压输出的、有可根据需要可调电压输出的；还有低压差线性集成稳压器等等。集成度高，外围电路简单，稳压性能一般可满足要求。但输出电流小，若采用外部扩流措施，势必要牺牲稳压精度。

3、由线性集成稳压器控制器与外置大功率N沟道MOSFET(PM功率器件)调整管构成：Micrel公司生产的低压差线性集成稳压器控制器MIC5158系列，把控制、驱动报警等功能集成到一个芯片上，调整功率器件根据需要由用户配置，下面对其进行简要说明：

(1)低压差线性集成稳压器控制器特点：

①该控制器是针对外部N沟道PM功率管而设计的；

②用其构成的线性稳压器，压差低，效率高，输出电流大；

③由于PM功率管需外配，所以在设计PCB板时，散热问题容易解决；

④应用灵活。PM功率管属电压型器件，驱动容易，与输出功率关系不大，只需根据输出电流的不同选配不同的PM功率管，与控制器本身基本无关；

⑤外配的PM功率管可以并联使用。

(2)MIC5158电气特性：

①静态工作电流为4.5mA，等待电流小于1μA；

②外围器件少，电路简单；

③具有过流限制功能；

④整个工作电压范围内稳压精度保证在1％；

⑤具有固定电压输出5.0V(MIC5158-5.0)；

⑥具有1.3V～36V可调输出(MIC5158-ADJ)，应用灵活；

⑦芯片内部具有栅-源钳位保护电路；

⑧具有DIP-14、SO-14两种封装；

⑨可以方便的构成直流线性稳压器的控制器。

(3)主要技术参数

①管脚引线功能，参见图4所示；

②MIC5158内部功能框图，参见图5所示。MIC5158除了提供需要稳压的直流电源外，不必另外提供N沟道PM功率器件的栅极驱动电源，硬件只需增加三个泵升电容，MIC5158泵升电路就会自动根据需要将PM的驱动电压从1～17V进行调整，为硬件设计带来极大方便。

③MIC5158电参数参见表1：

表1

符号	参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
							Udd	电源电压		3		36	V
Idd(ON)Idd(OFF)	电源电流	Uen＝5V(开启工作)Uen＝0V(关断工作)		2.70.1	105	mAμA
							UihUi1	控制输入端门限	高电平(开启)低电平(关断)		1.31.3	0.8	V
EN Ib	控制输入端偏流	Uen＝2.4V	2.4	20	25	μA
							Ucp	最高提升电压	Ucp-Udd(Udd＞10V)		17.5	18.5	V
fcp	泵电荷频率			160		kHz
							Upmin	最小栅极驱动电压	Us＞Uout(NOM)		1.0		V
ULim	过流门限		28	35	42	mV
							Us	源极电压	MIC5156-5.0	4.950	5.0	5.050	V

符号	参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
							Ubp	基准电压	MIC5156-5.0，MIC5156-ADJ	1.222	1.235	1.248	V
SV	线性调整率	5V＜Udd＜15VUout＝3.3V		2	7	10-3％
							Ugsmax	栅源钳位电压		14	16.6	20	V
Uft	报警比较门限			92		mV
							Ufh	报警比较器延迟			3		mV

Usht

报警比较器启动电压

IFLAC＝1mA

0.09

0.2

V

④MIC5158工作温度及输出电压参见表2：

表2

型号	工作温度(C°)	输出电压(V)	外形封装
				MIC5156-5.0AJ	-55～125	5.0	DIP-8
MIC5156-AJ	-55～125	ADJ	DIP-8

综上所述，经过几种线性稳压方案的比较分析，拟采用MIC5158-5.0和MIC5156-ADJ作为SL-A线性稳压电源的控制器，并分别合理配置适当的N沟道PM功率器件是本实用新型的优选实施方式。

(三)保护环节：

1、输入端过欠压保护

采用专用过欠压保护芯片MC3423/3424/3425，只需配置必要的且极少的外围电路即可实现该保护功能。

2、输出端保护

充分利用MIC5158片内的保护报警资源，可方便的实现输出端的过流，欠压，过热的保护与报警。

综上所述，复合型直流稳压电源的实现方案最终可归纳为：

前端开关电源模式预稳压，高频隔离；低压差线性集成稳压器控制器MIC5158芯片，配以外置的PM功率器件构成串联高精度稳压环节，为负载提供稳定的高性能直流电压和电流；采用专用过欠压保护集成芯片，充分利用MIC5158片内的保护资源构成完备保护功能，保证SL-A具有较高的可靠性。具体的，复合型直流稳压电源的主要技术指标如下：

一、输入：

1.220V±20％，50Hz±10Hz；

2.功率因数PF≥0.9；

3.效率η≥85％；

4.电网调整率k≤0.5％。

二、输出：

1.输出电压U_O+28V

2.输出功率2kW

3.纹波系数S≤1％

4.最大纹波Vpp≤10mV；

5.温度漂移VT≤2mV/℃；

6.负载调整率kL≤1％。

三、可靠性：平均无故障时间MTBF＞10000h。

四、工作温度：-20℃～+45℃。

五、相对湿度：90％。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种复合型直流稳压电源，包括交流电压输入接口、电磁兼容EMI滤波器、整流滤波电路、串联线性稳压电路、直流电压输出接口，交流电压输入接口与电磁兼容EMI滤波器相连，整流滤波电路与串联线性稳压电路相连，其特征在于：所述电磁兼容EMI滤波器与整流滤波电路之间还连接有用于高频变压稳压的开关电源预稳模块。

2.如权利要求1所述的复合型直流稳压电源，其特征在于：所述串联线性稳压电路包括低压差线性集成稳压器控制器MIC5158芯片和外置大功率N沟道MOSFET调整管。

3.如权利要求2所述的复合型直流稳压电源，其特征在于：所述电磁兼容EMI滤波器与开关电源预稳模块之间还连接有输入过压欠压保护电路。

4.如权利要求3所述的复合型直流稳压电源，其特征在于：所述输入过压欠压保护电路包括MC3423芯片、MC3424芯片、MC3425芯片中之一。

5.如权利要求2所述的复合型直流稳压电源，其特征在于：所述串联线性稳压电路与直流电压输出接口之间还连接有输出过压过流过热保护电路。

6.如权利要求5所述的复合型直流稳压电源，其特征在于：所述输出过压过流过热保护电路包括所述低压差线性集成稳压器控制器MIC5158芯片内集成的栅-源钳位保护电路和驱动报警电路。

7.如权利要求2所述的复合型直流稳压电源，其特征在于：所述MOSFET调整管采用PM功率器件。

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