专利名称：线性电源实现高效率的通用性和集成化技术的制作方法
技术领域：
近百年来，线性电源一直被认定为高技术指标、低效率，其效率低的问题从未得到 实质性的解决，本发明采用电子电路自动控制原理和通用性技术，使所有不同输出功率的、 可调和固定输出电压的线性电源、效率都能得到最大限度的提升，该技术属电源电子技术 领域。
背景技术：
开关电源虽然效率很高，但技术指标很低是由其工作方式决定的，很难得到实质 性的提高，故现在依然有相当数量的电子产品继续采用线性电源供电。目前的可调式线性直流稳压电源，电源调整管的输出电压可调，而电源调整管的 输入电压不变，一般比最大输出电压大几伏，以保证稳定电源在所有输出电压和电流范围 内都能正常工作。这样，当输出电压低时，电源调整管输出输入两端就有很大的压差，当输 出电流也大时，电源调整管就有很大的功率消耗，因此，目前的线性直流稳定电源的效率很 低，其次，电源调整管必须有很大的功率储备，这导致产品的成本增高。有一种改进方法是当输出电压调整到某一设定阈值时，使一个继电器动作，继电 器触点接通变压器次级相应的电压绕组，这种方法对降低电源调整管的最大功率消耗有一 定的作用，但由于技术和成本原因，这种控制点不能设太多，一般0-30V设一个点，0-50V设 两个点，因此，在整个输出范围内，对效率的提高并不明显。另外由于使用了频繁工作的功 率机械器件，可靠性也随之下降。上世纪80年代曾有一种“用可控硅移相实现电源调整管输入输出电压自动跟踪” 的方法，该法需要大容量的电容器滤波，电压跟踪精度低，必须用笨重的工频变压器，成本 很高，更致命的是这种方式严重破坏电网波形，造成电网公害，国际上早已禁止在产品中使用。低压差线性集成稳压器和模块效率很高，但工作方式是被动的，即可以改变输出 电压，但不能控制和改变输入电压，在绝大多数情况下，其效率高的特性不能体现。目前提高效率最好的方法是可调式低压开关电源，平均效率可达到90%以上，但 存在以下几个问题制约了其发展1)输出纹波太大，大电流输出至少在100mVP_P以上，即使采取很大的成本措施，也 只能做到几十mV，不能达到各行各业对精密直流稳定电源的技术指标要求；2)由于功率器件工作在开关状态，有难以克服的射频干扰和电磁干扰；3)需要储能电感、储能电容、续流管，成本也相对提高。4)储能电感有大电流下的铜损和磁损，储能电容有高频下的介质损耗，续流管有 导通压降和开关损耗，实际效率要比理想效率低很多。在固定电压输出的直流稳压电源方面，高压开关电源在有些电子产品获得了应 用，但和低压开关电源一样，输出纹波大对电子产品的影响问题无法解决，根据其工作特性 很难出现根本性的突破，尤其是多路输出直流稳压电源更是如此，所以在大多数工业、军工、医疗、仪器仪表、机电设备这些品种繁多而用量又不大的重要领域，一方面很难直接使 用，另一方面即便能够使用，也需要对产品进行大量的测试和检验，以确定纹波等技术参数 不高对产品的正常工作和性能指标产生的影响，这无疑增大了产品的研发工作量和研发成 本，尤其是现今电子产品的更新换代很快，故很多产品采用高压开关电源显得有些得不偿 失，甚至有些产品不可能采用高压开关电源。目前有的产品采用图2所示的方法，在直流稳压电源的前级用开关电源稳压，后 级用低压差线性集成稳压器二次稳压，这种方法既可以提高效率，又可以减小纹波，但并不 是固定输出电压线性电源最好的解决方案，因为1)需要两个固定电压分别稳压，会出现批量生产产生的大的电压差异；2)如果输出电流是可变的，特别是在大电流变化下，很多元器件的功能参数都会 改变；3)使用时间的长短会对元器件性能参数产生影响。基于以上这些随机因素，这种方案需要在产品最初的设计中留有很大的压差余 量，所以这种方式不能最大限度地提升固定输出电压的线性电源的效率。
发明内容
本发明综合电源调整管输出输入电压自动跟踪技术、大闭环反馈控制技术、开关 电源全程功率调节技术、电子元器件应用技术，而做到无论是输出电压可调线性电源还是 固定输出电压线性电源，无论这两种线性电源输出电压和电流有多大或变化有多大，以及 线性电源的各种功率构成1)三端稳压器；2)大功率晶体管；3)M0S型场效应管；4)低压差 线性集成稳压器或模块，5)普通线性电源模块，都能够用最简捷的方式实现最大限度的效 率提升，即效率达到该功率器件的使用极限，图1是高效率线性电源的基本原理结构框图，图中的《电源调整管》可以是线性电 源任意输出电压电流调整的功率器件，其工作过程简述如下线性电源的《电源调整管》输入端直接接高压隔离开关电源的次级电压，在《电源 调整管》的输入和输出端取出采样电压，分别送到《压差比较设定》的同相和反相输入端作 减法运算，将运算出的差值电压和设定压差比较后，将误差电压送到《压差控制》进行量值 转换，经《线性光耦》隔离后的反馈信号对高压隔离开关电源的输出电压进行控制，当电源 调整管的输出电压改变时，电源调整管的输入电压作相应改变，即直流稳定电源的输出电 压和输出电流在额定范围内作任何改变，电源调整管输出输入两端的压差始终精确控制在 预先设定的压差，其功率消耗限制到最低，从而使线性电源的效率得到最大限度的提升。在输出电压可调的线性电源中，需要对输出电压电流线性而连续地从零调到最大 值，而一般高压开关电源最大输出调整量约70%，在超出其调整范围后将出现失控现象，为 此设置了全程功率调节电路，该电路的基本原理是根据输出功率大小通过改变开关电源变 压器反馈绕组初头的方法，使开关电源的输出调整量能够根据线性电源的输出功率同步地 达到100%。本发明对开关电源的各种拓扑构成，从小功率输出的单端反激、正激、TOP等各种 电源管、大功率输出的半桥、全桥、推挽等，采用同步整流和有源箝位技术，都能做到很好的 控制，达到预期效果。
图3是高效率线性电源的具体实例，其控制和功能电路适用于任意输出功率和输 出器件并使线性电源的效率得到最大限度的提升，关于该图的原理功能在后节《具体实施 方式》中详细说明，下面先将该图和图2的2)图低压开关电源的效率作一比较分析条件为便于比较，设线性电源的电源调整管和开关电源的开关管均使用晶 体管；输出电压20V ；输出电流5A ；输出功率100W ；开关管和电源调整管饱和压降0. 4V。1.低压开关电源的功率消耗和效率在理想状况下，开关电源的功率消耗为开关管饱和压降和导通电流的乘积；5 (A) X 0. 4 (V) =2 (W)实际上开关管存在相当大的开关损耗，其输出输入两端的压差越大，开关频率越 高，开关损耗就越大，实际测试可以证明，根据上述原因大小的不同，开关损耗大约为理想 功耗的2-4倍。此外，开关电源的功率器件还包括储能电感、储能电容、续流二极管，储能电 感在电流传输中有线阻和电磁能量转换损耗，储能电容工作在高频下存在介质损耗，续流 二极管存在导通和截止损耗，开关电源总的实际功耗大约是理想功耗的5倍，即功率消耗5X 2 (W) = IO(W)效率η= 100 (W) + (10+100) (W) = 91%2.采用图3技术和控制方法的线性电源的功率消耗和效率图3中，电源调整管输出输入两端的压差任意精确设定，其压差大小由以下几个 参数相互配合决定1.电源调整管输入端滤波电容的正确选取，理论上，该电容容量越大、 介质损耗越小越好，但需要考虑成本因素而合理确定，主电路的各滤波电容确定跟踪电压 采样和控制时间；2.只有电源调整管在全功率输出范围内不出现饱和才能保证大闭环控 制下系统的稳定性和一致性。实践得知，对以上参数和问题进行综合选取和正确配合后，使 电源调整管输出输入两端的压差为其饱和压降的两倍，可确保电源调整管在全输出功率范 围内都能稳定地工作在线性区，则电源调整管的功率消耗为功率消耗:5(A) X 2 X 0. 4 (V) =4 (W)效率η= 100 (W) + (4+100) (W) = 96%众所周知，线性电源的成本比低压开关电源低，各项技术指标远比低压开关电源 高。从以上比较分析得知高效率线性电源的效率也能比低压开关电源高，体积更小，因此， 高效率线性电源完全可以淘汰掉低压开关电源。当然，高效率线性电源的供电必须采用高 压开关电源，才能最大限度地提升效率，而人类对高压开关电源大功率的电磁兼容性问题 还没有完全解决，低压开关电源可以采用工频变压器，这是和高效率线性电源相比唯一的 优点，但以电源发展趋势而言，高压开关电源大功率的电磁兼容性问题必然会彻底解决，工 频变压器必然会淘汰，这是无可置疑的。本发明的技术实质和有益效果是1.线性电源因其技术指标很高，性能优异，目前仍然是最重要的电源之一而被大 量使用，高效率线性电源能彻底改变数十年来线性电源效率低的状况，从而节约大量能源， 并提高线性电源的功率密度，降低线性电源的成本；2.众所周知，开关电源效率高，其它技术指标低，线性电源效率低，其它技术指标 高，这两大电源体系关键性的技术矛盾使电源行业的技术标准很难统一制订效率指标，尤 其是对线性电源而言，很低的效率指标显然是没有意义的，本发明可以在保证其它技术指
5标高的同时使线性电源的效率达到或超过低压开关电源，且通用性强，效率指标可以统一 确定且能订到很高；3.高效率线性电源和高效率开关电源成功组合，将开启高效率电源一个新的纪 元，一方面它是高效率和高技术指标的最佳体现，另一方面，彻底淘汰落后的工频变压器和 低压开关电源，从而产生新的电源布局并节约大量资源。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1是通用的高效率线性电源基本原理框图，图中虚线框内为可集成的功能单元 电路，《电源调整管》代表任意线性电源输出功率调整器件。因在绝大多数电源使用场合，低 压必须和高压隔离，而开关电源反馈端电流很小，故《电子开关》最好采用隔离的机械微型 继电器。《电压比较器》的基准电压最好取自输出功率，图中的《高压开关电源》视输出功率 和技术要求可以采用任意拓扑结构。该图省略《全程功率调节》和《输出电压调整》单元部 分，即可以成为任意输出功率和电压的《高效率线性电源模块》。图2为常见的几种直流稳压电源的基本结构，图中1)和2)为可调式直流稳压电 源，3)和4)为固定电压输出的直流稳压电源，其中可调式采用工频变压器而固定式采用开 关电源，这些都是目前较理想的电源结构，将它们仔细和图1、图3的高效率线性电源比较， 不难发现和剖析其中的巨大差异。图3是通用的高效率线性电源的典型可实施例，该图除交流到直流变换供电、显 示、和输出电压调节部分没有外，可以直接作为全程输出功率的可调式直流稳压电源的完 整电路，图中《电子电位器模块》是一种新颖的电位器器件，可以和任何线性电源主电路器 件直接接口并提高线性电源的使用性能和技术指标，本发明中实际的可调式高效率线性电 源全部采用该器件。图中《过流保护》中的开关K1仅用于固定电源，用于可调式直流稳压 电源并使用电子电位器模块，将其直接短路即可。图中《输出功率调节》的电压基准仅采 用电压，故开关电源的输出端应用一个很小的负载电阻才能实现精确的电源调整管输出输 入电压自动跟踪，如果用输出功率转换成电压基准则可以不要负载电阻。图中《辅助电源》 采用独立的小功率工频变压器或开关电源供电，其中单独的3V绕组用于普通压差的集成 稳压器，如果输出功率器件采用低压差器件，该绕组可以不要。图中《高压开关电源》采用 TOP系列电源管构成单端反激变换器，也可以采用其它拓扑结构的变换器，其最大输出功率 为250W，如果高效率线性电源的输出功率超过此值，也可用采用其它大功率拓扑结构的变 换器，其控制工作原理和低压部分结构基本上是一样的。图4是采用低压差线性电源模块的高效率线性电源原理框图，MSK5012输出电压 为1. 3V-36V，输出电流最大可达10A，单端反激开关电源功率稍小，可采用半桥等拓扑结构 的变换器。该图仅画出模块有关的部分电路，MSK5012输出10A电流时其输出输入压差可 低至0. 45V，故该电路的压差可定为0. 9V，图中的其它功能部分可以直接使用图3的电路， 《输出电压调整》可以直接采用《电子电位器模块》来调节输出电压，接口方法参见另一专利 文献《电子电位器模块在直流稳压电源的应用》。图5为大电流输出而用多只大功率晶体管并联分流的高效率线性电源，一般用多 只晶体管并联采用集电极串联功率电阻的方法均流，但这种方法消耗功率太大，影响电源
6的整机效率。例如若输出电流50A，用五只大功率晶体管并联分流，采用五个0.1 Ω的功 率电阻均流，则平均每个电阻要消耗IOW的功率，五个电阻消耗50W功率，这个数字几乎是 高效率线性电源的自身功率消耗的一倍以上，故本电路采用基极均流的方法，这种方法可 使均流电阻消耗的功率为l/β，β为功率晶体管共射极放大倍数，若为100倍，则均流电阻 消耗的总功率为0. 5W，而均流效果比集电极均流更好。图6是高效率线性电源功能电路集成化方案，这些功能电路可适用于所有可调式 和固定式的高效率线性电源并能安全工作。虚线框内为集成的元器件和电路，虚线框外为 需外接的器件或电源的功能接点，集成化后，电源的性能、可靠性会进一步提高，而材料成 本和制造成本会进一步降低。集成后的外引脚为14个，适合DIP和SOP封装。根据线性电 源的特点，集成电路中增加了《过热保护》电路，该电路的输出端可以直接外接风机或作为 其它控制，这在很多线性电源中是非常有必要的，图中的其它引脚功能在《具体实施方式
》 中详细说明。图7是采用图1所示的主要功能控制电路组成完整的通用固定输出电压的高效 率线性电源，如果输出电压大于10V，则低压侧效率在90%以上，因为几乎没有发热器件， 所有器件可以组装在一起而构成高功率密度的高效率线性电源模块，模块的体积仅比相同 输出功率的开关电源模块略大。如果输出大电流，可参照图5采用多个电源调整管并联输 出，并用基极均流，如果输出大功率，可参照图8高压侧采用半桥式电源。如果需要高电压 输出，可以将多个DZ2串联。由IC2B等元件构成过流保护电路，当发生过流时，IC2B输出 高电压使BG3饱和导通，BGl和BG2截止，输出电压为0，由R22和Kl组成正反馈自锁回路， Kl为一常闭按钮，排除负载故障后，按一下K1，模块即可恢复正常工作。图8是典型大功率输出的高效率线性电源实例，该电路由功率MOS管组成半桥式 开关电源，也可以采用其它拓扑结构，该电路可输出电压0-50V，输出电流0-10A，电源调整 管的输入输出压差在全程范围内可控制在IV，低压侧线性电源的平均效率可达到92%以 上。图中电源调整管的输入输出压差控制过程是从电源调整管BG2输出输入端分别取出 采样电压，送到运算放大器IC3A的同相和反相输入端，经减法运算后获取差值电压，送到 ICl的反相输入端，和同相输入端的基准电压比较，其误差电压来控制ICl输出的脉冲宽 度，达到输出稳定的跟踪电压，上述过程是一个闭环负反馈过程，设输出电压V。丨，IC3A输 出电压丨，ICl输出电压的脉宽宽度丨，高频变压器输出电压丨，以此达到电源调整管输入 输出压差不变。反之亦然。图9是在高效率线性电源中实现高频开关电源全程功率调节的典型实例。该电路 采用改变反馈绕组抽头的方式实现高频开关电源全程功率调节，其特点是可靠性高而成本 低廉。该电路可使开关电源变压器次级直流电压从IV到额定值连续可调，其次级负载电阻 小于0.5W。电路中，IC3B、BG3、Jl及外围元件构成开关电源全程功率调节，和其它电路配 合完成电源调整管输出输入电压稳定地自动跟踪，从而简洁而最大限度地提高线性直流稳 压电源的工作效率。该电路的工作原理不难理解，重要的是由于电源的输出功率大小在电 子技术的各行各业差别巨大，需要使开关电源变压器的制作、IC3B的基准电压的设置和由 IC3A、IC4等元件构成的反馈电路强度合理配合，此问题需要在实践中解决，但根据本图原 理是完全可以实现的。
具体实施例方式下面以图3和图6为例对本发明作进一步的详细说明。在图3所示的典型可实施例中，合适选取各相关器件参数，输出电压可在0-90V、 输出电流在0-10A连续可调，当然需要考虑开关电源的功率承受能力，而输出电压的大幅 度变化《电子电位器模块》可以胜任。电源调整管的输入输出压差的控制过程是设电源调 整管在10A时的饱和压降为0. 5V(这是很容易做到的)，由于主电路各滤波电容上的电压因 反馈对滤波电容上的电压形成的时间的一些不可知性，故电源调整管的压差设定为饱和压 降的一倍0. 5VX2 = IV，再合适选择各滤波电容参数，可确保电源在全程范围内可靠地正常 工作。其工作过程是从电源调整管BG2的输入输出端分别取出采样电压，分别送到运算放大器的同 相和反相输入端，经放大器减法运算获取差值电压，此电压经R16设定，作为精密稳压器 TL431控制的反馈电压，再经线性光电耦合器PC817A隔离，控制TOP电源管输出的振荡脉冲 宽度，达到输出稳定的跟踪电压，这是一个闭环负反馈过程，设输出电压V。丨，则IC3A输出 电压丨。TL431输出电压丨，PC817A输出电流丨，电源管的脉冲宽度丨，变压器B1输出电压 个，以此达到电源调整管输入输出压差不变。反之亦然。以上是定性工作过程，其定量参数 的确定表述如下设Vi_Vo = 1V，TL431的Vref和VA之间的电压为固定值2. 5V，确定IC3的1脚电 压为3. 5V，以此可以确定R17和R18的电阻值。再将Vi和Vo电压经十倍分压衰减(衰减 的原因是顾虑共模电压过高而损坏运算放大器)进行减法运算，确定(Vi-Vo)/10 = 0. IV， 因IC3的1脚电压为3. 5V即可使Vi-Vo被控制在IV，故R16/R13应等于35，显然，当R13 确定之后，改变R16的阻值，即可改变Vi-Vo的数值，也即可以确定电源调整管的输出输入 压差。因所有的可调式高效率线性电源全部采用电子电位器模块调节输出电压，而电子 电位器模块有一个复位端，当复位端为低电平时，不管是电压输出还是电阻输出均为0，故 将过流保护输出端接电子电位器模块的复位端即可保证当电源出现过流或负载短路时无 输出电压。图中的稳压器为可调式集成三端稳压器，如果采用低压差稳压器，则3V电源可以 不用。图6是高效率线性电源控制电路集成化的设计方案，实际的集成电路芯片，电路 会在其基础上有所改变。下面具体描述各引脚作用和功能1脚外接线性光耦的正端；2脚外接线性光耦的负端，正负极性不可接错，如果高压开关电源采用大功率拓 扑结构，该引脚可以外接相应的脉宽调制器，参见图8 ；3脚压差设定输出端；4脚.压差设定输入端，3、4脚外接反馈电阻，阻值应按前面的说明正确确定；5脚外接电源调整管的输出电压；6脚外接电源调整管的输入电压；7脚芯片的低电平端，该电平必须是电源的负输出端；8脚全程功率调节的输出端口，外接微型继电器线圈的一端，线圈的另一端接高电平；9.脚云算放大器的负电源端，该电压应和正电源电压对称；10脚过流保护输出控制端，外接电子电位器模块的复位；11脚过流保护的检测端，外接检测电阻的非地端；12脚过热保护输出控制端，当电源机箱内或散热器温度升到限定值时，开启风 机或关闭电源，可由具体的设计确定；13脚过热保护的检测端，可外接正温度系数的热敏电阻；14脚芯片的供电电源高电平端，一般为+12V。以上的说明全部是用于可调式高效率线性电源，如果是固定式高效率线性电源， 除8脚不用或另作它用、10脚另接保护电路外，其它接口用法基本上和可调式一样。
权利要求
线性电源实现高效率的通用性和集成化技术，为使所有线性电源效率都能得到提高的一种通用技术方案，其特征是综合电源调整管输出输入电压自动跟踪技术、大闭环反馈控制技术、开关电源全程功率调节技术、电子元器件应用技术，而使输出电压可调或是固定的线性电源，无论这两种线性电源输出电压和电流有多大或变化有多大，都能够用最简捷的通用方式最大限度地提升效率，使线性电源的效率超过低压开关电源。
2.根据权利要求1所述的线性电源实现高效率的通用性和集成化技术，其特征是由 各种功率器件1)三端稳压器；2)大功率晶体管；3)M0S型场效应管；4)低压差线性集成稳 压器或模块，5)普通线性电源模块组成的线性电源，其输出电压和电流在额定范围内任意 改变，输入电压都能随之改变，而电源调整管输入输出两端的压差始终控制在设定压差。
3.根据权利要求1所述的线性电源实现高效率的通用性和集成化技术，其特征是实 现高效率线性电源的通用功能电路全部可以集成在一块芯片上，成为高效率线性电源专用芯片。
4.根据权利要求1所述的线性电源实现高效率的通用性和集成化技术，其特征是根 据输出功率的大小，高压隔离开关电源可以有各种拓扑构成，小功率输出的单端反激、正 激、TOP系列等各种电源管、大功率输出的半桥、全桥、推挽、采用同步整流和有源箝位技术。
5.根据权利要求1所述的线性电源实现高效率的通用性和集成化技术，其特征是固 定电压输出的高效率线性电源，可以做成高功率密度的高效率线性电源模块。
6.根据权利要求1所述的线性电源实现高效率的通用性和集成化技术，其特征是可 调式高效率线性电源可以和各钟输出特性的电子电位器模块直接接口。
7.根据权利要求1所述的线性电源实现高效率的通用性和集成化技术，其特征是大 电流输出的线性电源，并联的电源调整管用基极均流。
8.根据权利要求1所述的线性电源实现高效率的通用性和集成化技术，其特征是高 压开关电源的输出功率通过控制反馈强弱实现从零到额定值的线性改变。
全文摘要
线性电源实现高效率的通用性和集成化技术是综合电源调整管输出输入电压自动跟踪技术、大闭环反馈控制技术、开关电源全程功率调节技术、电子元器件应用技术，而对输出电压可调或是固定的线性电源，无论这两种线性电源输出电压和电流有多大或变化有多大，以及线性电源的各种功率构成1)三端稳压器；2)大功率晶体管；3)MOS型场效应管；4)低压差线性集成稳压器或模块，5)普通线性电源模块，都能够用最简捷的通用方式最大限度地提升效率，使线性电源的效率超过低压开关电源。并且将实现高效率线性电源的通用功能电路全部集成在一块芯片上，成为高效率线性电源专用芯片。
文档编号H02M3/335GK101873068SQ200910061740
公开日2010年10月27日 申请日期2009年4月27日 优先权日2009年4月27日
发明者程杰保, 程馨如 申请人:武汉市创佳源电子有限公司