CN2282698Y - 区间控制型开关稳压器 - Google Patents

Abstract

一种采用区间控制方式的开关稳压器,它具有超宽范围的电压变化和电流变化的稳压性能,其特征是开关调整管的导通或截止是由内含两个基准电压的区间电压控制电路来控制,当取样电压低于下基准电压时开关调整管导通,而当取样电压高于上基准电压时开关调整管立即截止,从而使输出电压始终被稳定控制在一个小的区间范围内。它是一种脉宽、占空比和开关频率均变化的串联降压型开关稳压器。

Description

区间控制型开关稳压器

本实用新型属于电源技术领域。它是一种采用区间控制方式的串联型开关稳压器。

背景技术情况：开关稳压器有几种类型，各有其特点和不同的应用领域，其中串联降压型开关稳压器比较简单，成本低，应用广泛。串联型开关稳压器是从串联线性稳压器直接发展而来，它主要解决的问题是使调整管从线性放大状态改变成开关工作状态，从而大大降低调整管的功耗，使稳压器具有高的效率。但它用在输入电压和负载电流变化比较大的情况下，其稳压却比较困难。因此，该类开关稳压器通常用于固定负载或者负载电流变化不很大的情况。其输入电压的允许变化范围，通常不超过百分之几十。个别特殊线路的该类开关稳压器可允许负载电流有较大变化范围但却又对输入电压变化的限制更加严格，要求不超过正负百分之十。此外，此类开关稳压器中(甚至几乎所有的直流稳压器中)仅用一个基准电压，属于单值控制型稳压器，与本实用新型提出的采用两个基准电压的区间控制型开关稳压器，在控制回路和控制模式上是完全不同的。

本实用新型的目的：在于设计出一种超宽范围直流稳压器，以解决某些输入电压变化范围特别宽(可高达百分之几百)，同时负载电流变化范围也极大的情况下，其输出电压仍能保持稳定，并具有高的效率。本实用新型实际上首先是为一种新型的车辆用特种电机的稳压器而设计的。该种电机所需的稳压器就是超宽范围稳压器的一个典型的应用实例。该种电机是永磁式直流复合电机，由于起动电流需要高达上百安培，其电枢内阻极小，发电机的外部输出特性曲线很硬，输出电压随转速升高而升高，其运行时转速从每分钟一、二千转至八、九千转变化，直流发电机输出电压变化范围高达百分之几百，同时负载电流变化范围也极大，但要求提供出一个基本稳定的电压对照明系统、信号系统供电和对蓄电池充电，而对纹波电压并无严格要求。根据本实用新型设计出的区间控制型开关稳压器已达到了上述要求，实现了超宽范围的稳压。基于其良好的超宽稳压特性，本实用新型也为其他类似情况的需要，提供了一种通用的超宽范围开关稳压器。

本实用新型的技术内容：本实用新型与传统的串联型开关稳压器一样，由串联开关交换器和控制回路两个部分组成。串联开关交换器仍由开关调整晶体管、L-C滤波器和续流二极管组成。控制回路包括取样、比较放大、控制调整环节以及辅助稳压电路组成。本实用新型与传统的串联型开关稳压器的根本区别在于控制回路和控制模式的完全不同。传统的串联型开关稳压器其控制回路均为采用一个基准电压的单值控制型，即取样电压在比较放大环节仅与一个基准电压进行比较，其放大信号再去控制开关调整管的导通或截止，并自动调节其占空比使输出电压稳定在一个电压值。本实用新型则采用了两个基准电压，即上基准电压VS1和下基准电压VS2，其比较放大环节是由两个电压比较放大器和一个RS触发器组成的区间电压控制电路来担任。在比较放大环节中，取样电压是与两个基准电压同时进行比较，当取样电压V_F低于下基准电压VS2时，区间电压控制电路输出的电平将使开关调整管T1导通，使输出电压V₀上升；而当V_F高于上基准电压VS1时，区间电压控制电路又输出另一种电平使T1立即截止，输出电压V₀下降；取样电压再次降低至VS2以下时，T1又将再次导通。如此周而复始循环地工作，使输出电压V₀始终稳定在一个小的区间范围内，而不是稳定在一个电压值上。

本实用新型把单值控制型改为区间控制型，这对稳压器的工作特点、工作状态和工作参数均有较大的改变，显而易见，用同一组元件参数，其稳压范围可得到显著地扩展。其稳压范围的扩展，是以放宽了输出电压波动或者纹波电压而获得的。其输出电压V₀从微观看是稳定在一个小区间内，而从对负载供电的宏观看和用电压表测量所呈现的情况看，仍为一个单值直流电压，其电压值等于小区间的电压平均值。这是因为开关调整管的开关频率比较高，输出电压V₀在小区间内波动的频率也较高，其波动仅以纹波电压形式表现出来。此纹波电压如需要进一步降低，由于其频率较高滤波是比较容易的。

本实用新型是脉宽、占空比和开关频率均能自动调整变化的开关稳压器。对负载电流的变化，它以频率变化为主以脉宽变化为辅：而对于输入电压的变化，则以脉宽变化为主以频率变化为辅来进行自动调节。两基准电压的差值区间(VS1-VS2)对输出纹波电压有直接影响。因此，在合理选择滤波电感值和电容值后，调整适合的VS1和VS2电压值，可实现不同超宽范围的稳压，同时可兼顾输出电压的纹波不致太大。

本实用新型的优点和积极效果：(1)提供了一种与传统开关稳压器单值控制方案不同的另外一种区间控制方案，这种方案具有明显的实用性和应用前景。(2)设计出了一种超宽范围开关稳压器，其允许的输入电压和负载电流变化范围远远超过现有的同类型开关稳压器。(3)本实用新型比较简单，调试容易，工作可靠、具有高的效率。

本实用新型的一个实施例子结合附图说明如下：它是一个串联降压型开关稳压器，由串联开关变换器和控制回路两个部分组成。串联开关变换器由开关调整管T1，滤波器电感L、电容C2以及续流二极管D4构成。T1选用大功率场效应晶体三级管，电感L为含铁氧体磁芯的高频电感，C2采用电介电容器，D4选用快恢复二极管。附图中其余电路属于控制回路，其中集成电路IC1和IC2组成区间电压控制电路，IC1为双运算放大器用作电压比较放大，IC2为双二与非门连接成RS触发器；T2为驱动三极管，R7是T2的基极电阻，T2与二极管D3、电阻R8、R9和电容器C1组成自举驱动电路；由R10和R11构成电阻分压式取样电路；辅助稳压电路是由晶体三极管T3和二极管D1、D2以及电阻R1、R2、R3组成的恒流源型固定负载稳压电路来担任，其输出的稳定电压VDD用作集成电路IC1和IC2的电源电压；两个基准电压VS1和VS2则由VDD经三只串联电阻R4、R5、R6分压取得。

该电路的工作原理是这样的，当加上输入电压V_i时，辅助稳压电路立即产生VDD和VS1、VS2使开关稳压器迅速投入工作。其工作过程有以下几个状态：(1)输出电压V₀尚未建立，即开机时V₀为零，则V_F亦为零，即V_F＜VS2＜VS1，其时运放IC1-1输出高电平，使R＝1，而运放IC1-2输出低电平，使S＝0，进而控制由IC2构成的RS触发器置1(该RS触发器的置位端S和复位端R均为低电平有效)，则其输出为Q＝1， Q＝0。区间电压控制电路是从 Q输出去控制驱动管T2的，由于 Q＝0为低电平，使T2截止，T2的集电极电压为高电平并约等于输入电压V₁，该电压将使开关调整管T1迅速导通，其输出经L向C2充电，使稳压器输出电压V₀逐渐上升并送到外接负载上。在C2充电过程中，电感L内的电流逐渐增大，储存在L中的磁场能量也逐渐增加，在此状态，续流二极管D4因反向偏置而截止。T1的导通状态将一直保持到V₀上升到使V_F＞VS1为止。在V_F上升到VS1之前，虽然出现了VS1＞V_F＞VS2的情况，将使S＝1，R＝1，但这不会改变RS触发器的输出状态和T1导通的状态；(2)当到达V_F＞VS1时，运放IC1-1立即输出低电平，即R＝0，其时S＝1，将使RS触发器立即置0，使Q＝0， Q＝1。 Q输出高电平，使T2饱和导通，T2的集电极电平接近零伏，进而立即将T1截止。T1截止，L中的电流减小，L两端产生的感应电势使D4导通，L中储存的磁场能量通过D4传递给负载。当负载电平低于电容C2两端电压时，C2便向负载放电。此过程将一直保持到V_F＜VS2为止。在V_F下降至VS2之前，也出现VS1＞V_F＞VS2的情况，同样不会改变RS触发器原有的状态和T1截止的状态；(3)当V_F下降至V_F＜VS2时，工作情况与上述第(1)状态相似，将再次使T2截止，T1导通，唯一不同的是此时的T2驱动电路已有自举作用，这是由于自举电容C1在上述第(2)工作状态D4导通时已充有一定电压，在C1的自举作用下T2的集电极电压将会出现高于Vi的情况，有利于T1导通电阻更小功耗更低。之后，开关稳压器的工作将不断重复(2)、(3)两种工作状态，使输出电压V₀始终被稳定在一个小的区间范围内，达到稳压之目的。

Claims (2)

1、一种区间控制型开关稳压器，它有一个金属外壳，外壳兼作开关调整管(T₁)的散热器，开关调整管(T₁)采用大功率场效应三极管，其漏极接电压输入端，源极与滤波电感(L)的一端相连，同时也与续流二极管(D₄)的负极相连接，续流二极管(D₄)的正极接地；滤波电感(L)的另一端接电压输出端，它与滤波电容器(C₂)的正极相连，滤波电容器(C₂)的负极接地；取样电阻分压器(R₁₀、R₁₁)连接在电压输出端和地之间，取样电压(V_F)从该分压器的中间连接点输出；由驱动三极管(T₂)和二极管(D₃)以及三只电阻器(R₇、R₈、R₉)、一只电容器(C₁)组成自举驱动电路，驱动三极管(T₂)的集电极与开关调整管(T₁)的栅极相连，二极管(D₃)与两只电阻器(R₈、R₉)顺序串联后再连接在电压输入端与驱动三极管(T₂)的集电极之间，电容器(C₁)跨接在两只电阻器(R₈、R₉)的连接点和开关调整管(T₁)的源极之间，驱动三极管(T₂)的基极接有一只电阻器(R₇)，其射极接地；由一只三极管(T₃)和两只二极管(D₁、D₂)以及三只电阻器(R₁、R₂、R₃)组成的恒流源型辅助稳压电路提供一个稳定电压(V_DD)，用作两片集成电路(IC₁、IC₂)的电源电压；上述稳定电压(V_DD)再经三只串联电阻分压器(R₁、R₅、R₆)取得两个基准电压(V_S1、V_S2)，用作区间电压控制电路的上基准电压(V_S1)和下基准电压(V_S2)；本实用新型的特征在于：在取样电路和驱动电路之间连接一个区间电压控制电路，该区间电压控制电路的输入端与取样电压(V_F)相连，区间电压控制电路的输出端(Q)与驱动三极管(T₂)的基极电阻器(R₇)相连。

2、根据权利要求1的区间控制型开关稳压器，其特征在于：区间电压控制电路由两只运算放大器(IC_1-1)、(IC_1-2)和一个RS触发器(IC₂)以及两个基准电压(V_S1)，(V_S2)组成，第一运算放大器(IC_1-1)的正输入端接上基准电压(V_S1)，第二运算放大器(IC_1-2)的负输入端接下基准电压(V_S2)，第一运算放大器(IC_1-1)的负输入端与第二运算放大器(IC_1-2)的正输入端相连再连接到取样电压(V_F)，第一运算放大器(IC_1-1)的输出端与RS触发器(IC₂)的复位端(R)相接，第二运算放大器(IC_4-2)的输出端与RS触发器(IC₂)的置位端(S)相接，由此构成区间电压控制电路。