專利名稱：開關(guān)穩(wěn)壓電源及其穩(wěn)壓方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電路技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種開關(guān)穩(wěn)壓電源及其穩(wěn)壓方法。
背景技術(shù)：
基于遲滯模式的開關(guān)穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)通常為穩(wěn)壓電源的最終輸出端通過電阻分壓后反饋至電源控制芯片的反饋控制端從而形成控制回環(huán)來穩(wěn)定所需要的實際穩(wěn)壓輸出的。其整個控制回環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要采用了用于開關(guān)作用的晶體管Q1，用于輸出PWM(Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制)開關(guān)脈沖的電源芯片，用于后端輸出的濾波穩(wěn)壓的電感Ll及電容C2，用于采樣反饋的分壓電阻R1、R2等?？刂菩酒瑸榱吮ＷC不會使整個控制環(huán)路產(chǎn)生振蕩而提供一個遲滯比較電壓。圖1中的遲滯電壓相當于Vf與的最大差值。Vref為一恒定值，Vf會隨輸出電壓的高低而變化，因此兩者會有一差值。當此差值達到控制芯片的遲滯電壓值時，控制芯片才有相應(yīng)的動作來控制實際輸出電壓V-的大小， 因此也改變了 Vf的大小，從而保證了 Vf的值約等于的值，也同時保證了 V。ut為一設(shè)計的固定輸出電壓。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通常采用的通過電阻分壓來得到采樣反饋電壓的控制方式所設(shè)計的遲滯模式的開關(guān)穩(wěn)壓電源，存在實際電壓紋波會隨著輸出電壓的增大而增大的問題，這大大限制了其在實際應(yīng)用的范圍。發(fā)明人分析認為，該問題的產(chǎn)生原因是基于遲滯模式的開關(guān)穩(wěn)壓電源芯片內(nèi)存在一個遲滯比較器，若比較器遲滯電壓為Vhyst、反饋電壓為Vf = V&、穩(wěn)壓電源輸出為V。ut，根據(jù)理論計算知Vot中的交流部分，即實際輸出電壓紋波VKimE會大于等于VHYSTXV。ut/VMf。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種開關(guān)穩(wěn)壓電源及其穩(wěn)壓方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓波紋會隨著輸出電壓的增大而增大的問題。在本發(fā)明的實施例中，提供了一種開關(guān)穩(wěn)壓電源，包括開關(guān)部分、采樣部分、反饋比較控制部分、PWM控制信號生成及放大部分、恒流源控制部分、輸出濾波部分，采樣部分用于承載輸出濾波部分輸出的一部分電流以得到反饋電壓；恒流源控制部分用于控制流過采樣部分的電流；反饋比較控制部分用于將反饋電壓與基準電壓進行比較，以產(chǎn)生小信號脈沖信號；PWM控制信號生成及放大部分，用于將小信號脈沖信號調(diào)制后進行放大，從而得到 PWM控制信號；開關(guān)部分用于在PWM控制信號的控制下將輸入電壓經(jīng)過脈寬調(diào)制，以提供給輸出濾波部分；輸出濾波部分用于對脈寬調(diào)制電壓濾波后輸出。在本發(fā)明的實施例中，提供了一種開關(guān)穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓方法，開關(guān)穩(wěn)壓電源包括 開關(guān)部分、采樣部分、反饋比較控制部分、PWM控制信號生成及放大部分、恒流源控制部分、 輸出濾波部分，穩(wěn)壓方法包括采樣部分承載輸出濾波部分輸出的一部分電流以得到反饋電壓；恒流源控制部分控制流過采樣部分的電流；反饋比較控制部分將反饋電壓與基準電壓進行比較，以產(chǎn)生小信號脈沖信號；PWM控制信號生成及放大部分將小信號脈沖信號調(diào)制后進行放大，從而得到PWM控制信號；開關(guān)部分在PWM控制信號的控制下將輸入電壓經(jīng)過脈寬調(diào)制，以提供給輸出濾波部分；輸出濾波部分對脈寬調(diào)制電壓濾波后輸出。本實施例的開關(guān)穩(wěn)壓電源及其穩(wěn)壓方法因為采用了恒流源控制部分控制流過采樣部分的電流來得到采樣電壓的反饋控制方式，所以克服了現(xiàn)有技術(shù)的輸出電壓波紋會隨著輸出電壓的增大而增大的問題，達到了減小輸出電壓波紋的效果。


此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中圖1示出了常規(guī)的開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的開關(guān)穩(wěn)壓電源的示意圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明另一個優(yōu)選實施例的開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路圖；圖5示出了圖2的開關(guān)穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓方法的流程圖。
具體實施例方式下面將參考附圖并結(jié)合實施例，來詳細說明本發(fā)明。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的開關(guān)穩(wěn)壓電源的示意圖，包括開關(guān)部分10、 采樣部分20、反饋比較控制部分30、PWM控制信號生成及放大部分40、恒流源控制部分50、 輸出濾波部分60，其中，采樣部分20用于承載輸出濾波部分60輸出的一部分電流(該電流是控制信號，所以只需采樣很小一部分電流，輸出濾波部分輸出的電流是恒電流)以得到反饋電壓(該電壓是動態(tài)電壓)；恒流源控制部分20用于控制流過采樣部分20的電流 (該電流是恒電流)；反饋比較控制部分30用于將反饋電壓與基準電壓進行比較，以產(chǎn)生小信號脈沖信號；PWM控制信號生成及放大部分40，用于將小信號脈沖信號調(diào)制后進行放大， 從而得到PWM控制信號；開關(guān)部分10用于在PWM控制信號的控制下將輸入電壓經(jīng)過脈寬調(diào)制，以提供給輸出濾波部分60 ；輸出濾波部分60用于對脈寬調(diào)制電壓濾波后輸出。本實施例的開關(guān)穩(wěn)壓電源因為采用恒流源控制部分控制流過采樣部分的電流來得到采樣電壓的反饋控制方式，所以克服了現(xiàn)有技術(shù)的輸出電壓波紋會隨著輸出電壓的增大而增大的問題，達到了減小輸出電壓波紋的效果。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路圖。優(yōu)選地，如圖3所示，開關(guān)部分為一個用作開關(guān)作用的晶體管Q1，例如采用 MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管)，其源極連接，其漏極連接，其柵極連接PWM控制信號生成及放大部分。Ql在一個優(yōu)選實施例中選用型號為FDC5614P的M0SFET。優(yōu)選地，如圖3所示，輸出濾波部分包括串聯(lián)的電感器Ll和電容器C2，電感器Ll 的輸入端連接開關(guān)部分Ql的輸出端，電容器C2的輸出端接地，電容器C2用于承載輸出的電壓V。ut。，該電路目的是把脈動的電壓信號平滑成穩(wěn)定的輸出電平。優(yōu)選地，如圖3所示，采樣部分包括串聯(lián)的第一電阻Rl和第二電阻R2，第一電阻 Rl的輸入端連接電感器Ll的輸出端和電容器C2的輸入端，第二電阻R2的輸出端接地。
優(yōu)選地，如圖3所示，恒流源控制部分包括一個運算放大器Ul和一個三極管Q2，三極管Q2的發(fā)射極連接運算放大器Ul的反向輸入端和第二電阻R2的輸入端，三極管Q2的集電極連接第一電阻Rl的輸出端，三極管Q2的基極連接運算放大器Ul的輸出端，運算放大器Ul的正向輸入端連接穩(wěn)定電壓Vc。這可以把從運算放大器的正向輸入端的穩(wěn)定電壓轉(zhuǎn)換為流過負載電阻的穩(wěn)定電流，因此此電壓也控制了流入三極管集電極端的穩(wěn)定電流的大小。圖3中為NPN型三極管。其中，恒流源控制部分控制流過采樣電阻Rl的電流，在采樣電阻Rl上得到一可控的恒定電壓降，此壓降加上控制芯片的反饋電壓Vf (其值的大小應(yīng)該等于控制芯片內(nèi)部的參考電壓VMf)即可得到實際的輸出電壓V。ut。優(yōu)選地，如圖3所示，開關(guān)穩(wěn)壓電源還包括一個二極管D1，其陽極接地，其陰極連接電感器Ll的輸入端。優(yōu)選地，如圖2所示，開關(guān)穩(wěn)壓電源還包括輸入濾波部分70，用于將輸入電壓源的電壓濾波后得到輸入電壓，提供給開關(guān)部分10。優(yōu)選地，如圖3所示，輸入濾波部分70為一個電容器Cl，其一端連接輸入電壓源 Vin和開關(guān)部分Q1，另一端接地。如圖3所示，所述采樣部分20、反饋比較控制部分30、PWM控制信號生成及放大部分40可以由一電源控制芯片外加外圍電容電阻及采樣電阻構(gòu)成。實際經(jīng)過濾波后的輸出電壓通過采樣電阻Rl的恒定壓降后反饋至電源控制芯片內(nèi)的遲滯比較器的反向輸入端 (遲滯比較器的正向輸入端為一基準穩(wěn)壓源，通過此比較器比較后的結(jié)果來調(diào)制脈沖發(fā)生器生成的脈沖信號，并通過放大后即可得到用于控制開關(guān)部分的PWM控制信號(即圖中的脈沖輸出)。當實際輸出電壓過高時，采樣反饋后電壓高于遲滯比較器正向輸入電壓與遲滯電壓的和時，電源控制芯片切斷開關(guān)部分的輸出；當實際電壓過低時，采樣反饋后電壓低于遲滯比較器正向輸入電壓值時，電源控制芯片輸出PWM控制信號，開關(guān)部分開始工作。 這樣一負反饋閉環(huán)就可以自動穩(wěn)定實際輸出的電壓。輸入電容Cl為儲能電容，為后端電路及輸出提供電能。開關(guān)部分如Ql所示為一 MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管)，作用為在柵極脈沖控制電壓的作用下把儲能電容中的電能送給后端濾波單元。Ql在本實施例中選用型號為FDC5614P的M0SFET，S極(源極)連接Cl的正向輸出入端，D極(漏極)連接后端的輸出濾波部分，其G極(柵極)由電源芯片控制。如圖3中所示輸出濾波部分由電感Li、輸出電容C2構(gòu)成。電感Ll串接開關(guān)管及輸出電容C2正向端。如圖2所示Dl為一續(xù)流二極管，在開關(guān)管關(guān)斷時，電感中儲存的電能可通過此二極管的續(xù)流繼續(xù)向輸出電容C2 中充電。Dl的陽極連接至地，陰極連接至Ll的輸入端。本實施例的電源不同于目前通常用的電源主要是在于其控制環(huán)路上。參見圖1，目前通常用的電源控制回環(huán)中采樣反饋部分的主要是用分壓電阻Rl、R2、R3串聯(lián)組成，取樣電壓為 Vf = Vout X R3/ (R1+R2+R3)。因此在遲滯模式下根據(jù)計算 νκιΡΡ Ε = VhystX (R1+R2+R3) / R3可知道其紋波大小是電源芯片遲滯電壓的固定倍乘關(guān)系(倍乘因子為(Rl+R2+R3)/R3)。 如果在用同樣的電源芯片設(shè)計更高輸出電壓值的電路時，其倍數(shù)因子變得更大，因此其紋波也會隨著輸出電壓的上升而上升。參見圖3，本實施例的電源的采樣反饋控制部分是在一壓控恒流源控制的作用下通過反饋電阻Rl來實現(xiàn)的。其中，壓控恒流源的電流為Ie = ，且Ic = Ie,因此可計算得到反饋電阻兩端的壓降為，而反饋到電源芯片的電壓值為％ =v0UT _vRi。根據(jù)閉環(huán)負反饋穩(wěn)定條件可知穩(wěn)定時，Vf = VKEF。因為％,是在恒流源的控制下在R1兩端得到的，所以vR1是個恒定的值，而且Vf的變化量所反映的就是Vot的變化量。因此在這種反饋結(jié)構(gòu)的控制下可以實現(xiàn)VKimE = VHYST，輸出紋波幅值不但沒有倍乘因子，而且還不隨輸出電壓的增大而增大。參見圖3，本實施例中的恒流源控制模塊由運算放大器U1、通用型三極管Q2及精密電阻R2構(gòu)成。Ul的正向輸入端輸入一穩(wěn)壓Vc，反向輸入端連接至Q2的發(fā)射極與R2串聯(lián)的節(jié)點處，運算放大器的輸出直接驅(qū)動Q2的基極。此電路也是為一負反饋閉環(huán)結(jié)構(gòu)電路， 可實現(xiàn)輸出高精度的恒流Ie = Vc/%。由于此為一恒流源，因此其內(nèi)阻想對與之串聯(lián)的采樣電阻R1來說是無窮大，因此壓控恒流源對反饋點的影響可以忽略不計。圖4示出了根據(jù)本實施例另一個優(yōu)選實施例的開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路圖。該優(yōu)選實施例通過控制如圖2所示中的壓控恒流源的控制電壓輸入，即可改變流過取樣電阻電流的大小也即改變了取樣電阻兩端的電壓降。本實施例在如圖3所示系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了智能設(shè)備監(jiān)控電路。如圖所示虛線部分的DAC控制模塊與PWM輸出模塊和濾波模塊都分別可以實現(xiàn)控制輸出電壓大小的功能。增加的ADC模塊是為了實現(xiàn)在線監(jiān)測實際輸出電壓值的大小，并且這一路反饋可以通過如圖所示的MCU/FPGA模塊來實現(xiàn)二級環(huán)路控制實際輸出電壓值的大小。因為本實施例的電源實際電壓輸出值Vott = Vf+VE(其中，Vott為實際輸出電壓；VF 為反饋電壓，在負反饋系統(tǒng)中此電壓等于電源基準參考電壓；VK為取樣電阻上的電壓降)， 所以可以通過改變上述恒流源的電流來改變實際輸出電壓值的大小。在多路輸出并且每一路均需要在線單獨連續(xù)可調(diào)時，采用本優(yōu)選實施例的電路可以取得良好的效果。由于流過采樣電阻的電流是恒定的，根據(jù)歐姆定理V = IXR知道采樣電阻兩端的電壓降也是恒定的。因此，穩(wěn)定電源的實際輸出端電壓波動的大小可以完全地反映在電源控制芯片的反饋端，此紋波幅值不但不隨實際輸出電壓幅值的增大而增大，而且在考慮環(huán)路遲滯現(xiàn)象的情況下僅僅略大于電源控制芯片比較器的遲滯電壓Vhystij此電路擴大了基于遲滯模式的開關(guān)穩(wěn)壓電源的應(yīng)用領(lǐng)域。由于可以通過控制壓控恒流源的電壓來控制電源實際輸出電壓的大小，因此在多路輸出且每路均需在線單路連續(xù)可調(diào)的應(yīng)用系統(tǒng)中采用控制設(shè)備輸出數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換成電壓后即控制實際輸出電壓。圖5示出了圖2的開關(guān)穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓方法的流程圖，穩(wěn)壓方法包括步驟S10，采樣部分承載輸出濾波部分輸出的一部分電流以得到反饋電壓；步驟S20，恒流源控制部分控制流過采樣部分的電流；步驟S30，反饋比較控制部分將反饋電壓與基準電壓進行比較，以產(chǎn)生小信號脈沖
信號；步驟S40，PWM控制信號生成及放大部分將小信號脈沖信號調(diào)制后進行放大，從而得到PWM控制信號；步驟S50，開關(guān)部分在PWM控制信號的控制下將輸入電壓經(jīng)過脈寬調(diào)制，以提供給輸出濾波部分；步驟S60，輸出濾波部分對脈寬調(diào)制電壓濾波后輸出。本方法減小了輸出電壓波紋。
優(yōu)選地，開關(guān)穩(wěn)壓電源還包括輸入濾波部分，穩(wěn)壓方法還包括輸入濾波部分將輸入電壓源的電壓濾波后得到輸入電壓，提供給開關(guān)部分。綜上所述，本發(fā)明中的電路結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)較低的紋波并且其幅值不隨輸出電壓的升高而增大。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)穩(wěn)壓電源，其特征在于，包括開關(guān)部分、采樣部分、反饋比較控制部分、 PWM控制信號生成及放大部分、恒流源控制部分、輸出濾波部分，所述采樣部分用于承載所述輸出濾波部分輸出的一部分電流以得到反饋電壓； 所述恒流源控制部分用于控制流過所述采樣部分的電流；所述反饋比較控制部分用于將所述反饋電壓與基準電壓進行比較，以產(chǎn)生小信號脈沖信號；所述PWM控制信號生成及放大部分，用于將所述小信號脈沖信號調(diào)制后進行放大，從而得到PWM控制信號；所述開關(guān)部分用于在所述PWM控制信號的控制下將輸入電壓經(jīng)過脈寬調(diào)制，以提供給所述輸出濾波部分；所述輸出濾波部分用于對所述脈寬調(diào)制電壓濾波后輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)穩(wěn)壓電源，其特征在于，所述開關(guān)部分為一個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，其源極連接，其漏極連接，其柵極連接所述PWM控制信號生成及放大部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)穩(wěn)壓電源，其特征在于，所述輸出濾波部分包括串聯(lián)的電感器和電容器，所述電感器的輸入端連接所述開關(guān)部分的輸出端，所述電容器的輸出端接地，所述電容器用于承載輸出的電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的開關(guān)穩(wěn)壓電源，其特征在于，所述采樣部分包括串聯(lián)的第一電阻和第二電阻，所述第一電阻的輸入端連接所述電感器的輸出端和所述電容器的輸入端，所述第二電阻的輸出端接地。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的開關(guān)穩(wěn)壓電源，其特征在于，所述恒流源控制部分包括一個運算放大器和一個三極管，所述三極管的發(fā)射極連接所述運算放大器的反向輸入端和所述第二電阻的輸入端，所述三極管的集電極連接所述第一電阻的輸出端，所述三極管的基極連接所述運算放大器的輸出端，所述運算放大器的正向輸入端連接穩(wěn)定電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的開關(guān)穩(wěn)壓電源，其特征在于，還包括一個二極管，其陽極接地，其陰極連接所述電感器的輸入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)穩(wěn)壓電源，其特征在于，還包括輸入濾波部分，用于將輸入電壓源的電壓濾波后得到所述輸入電壓，提供給所述開關(guān)部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)穩(wěn)壓電源，其特征在于，所述輸入濾波部分為一個電容器，其一端連接所述輸入電壓源和所述開關(guān)部分，另一端接地。
9.一種開關(guān)穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓方法，其特征在于，所述開關(guān)穩(wěn)壓電源包括開關(guān)部分、采樣部分、反饋比較控制部分、PWM控制信號生成及放大部分、恒流源控制部分、輸出濾波部分，所述穩(wěn)壓方法包括所述采樣部分承載所述輸出濾波部分輸出的一部分電流以得到反饋電壓； 所述恒流源控制部分控制流過所述采樣部分的電流；所述反饋比較控制部分將所述反饋電壓與基準電壓進行比較，以產(chǎn)生小信號脈沖信號；所述PWM控制信號生成及放大部分將所述小信號脈沖信號調(diào)制后進行放大，從而得到 PWM控制信號；所述開關(guān)部分在所述PWM控制信號的控制下將輸入電壓經(jīng)過脈寬調(diào)制，以提供給所述輸出濾波部分；所述輸出濾波部分對所述脈寬調(diào)制電壓濾波后輸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述開關(guān)穩(wěn)壓電源還包括輸入濾波部分，所述穩(wěn)壓方法還包括所述輸入濾波部分將輸入電壓源的電壓濾波后得到所述輸入電壓，提供給所述開關(guān)部分。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種開關(guān)穩(wěn)壓電源，包括開關(guān)部分、采樣部分、反饋比較控制部分、PWM控制信號生成及放大部分、恒流源控制部分、輸出濾波部分，采樣部分用于承載輸出濾波部分輸出的一部分電流以得到反饋電壓；恒流源控制部分用于控制流過采樣部分的電流；反饋比較控制部分用于將反饋電壓與基準電壓進行比較，以產(chǎn)生小信號脈沖信號；PWM控制信號生成及放大部分，用于將小信號脈沖信號調(diào)制后進行放大，從而得到PWM控制信號；開關(guān)部分用于在PWM控制信號的控制下將輸入電壓經(jīng)過脈寬調(diào)制，以提供給輸出濾波部分；輸出濾波部分用于對脈寬調(diào)制電壓濾波后輸出。本發(fā)明還提供了一種開關(guān)穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓方法。本發(fā)明減小了輸出電壓波紋。
文檔編號H02M3/155GK102545599SQ20101058562
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者俞建國, 周正生, 陳 峰 申請人:北京北大方正電子有限公司, 北京大學(xué), 北大方正集團有限公司