一種寬範圍高精度低噪音的自動量程直流電源的製作方法

2023-09-21 02:04:20 2

專利名稱：一種寬範圍高精度低噪音的自動量程直流電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種直流電源產品，尤其是涉及一種寬範圍高精度低噪音的自動量程直流電源。
背景技術：
在電子實驗室中，由於需要用於測試多種不同的產品，通常選用的電源需要有一定的餘量，因為在通常情況下很難預料到將來可能出現的各種測試要求。所以，目前市場上現狀就是，很多實驗室必須備多個型號的電源來實現測試需求，因為常規的DC電源包括線性電源和開關電源，線性電源的隔離變壓器和開關電源的高頻變壓器起著電氣隔離和功率傳輸的雙重作用，其功率輸出能力都是正比於它的磁芯截面積和繞線窗口的面積，對於確定的變壓器，其傳遞的最大功率受限於磁芯的有效截面積和繞線窗口的面積，這個最大功率限制了其輸出電壓電流的乘積，如果一定的輸出電壓下需要更大的輸出電流，就必須更大的變壓器，而更換更大的變壓器需要更高的成本，且需要更大的機箱來放置，即佔用實驗室空間、浪費測試成本，又造成接線的麻煩，因為對於工程師意味著，每測試一種產品，就需要更換一種電源。總體來說，目前市場上的此類電源產品在一定功率範圍內的電壓/電流量程範圍窄的缺陷造成客戶需要購買多臺不同功率的電源實現測試要求，造成了購置電源成本的提高和資源浪費，同時頻繁更換電源操作十分的不便。

發明內容
本發明的目的是解決在小體積機箱內，實現一定功率範圍內非常寬廣的高電壓/ 低電流或者低電壓/高電流的輸出工作範圍，以及實現電源更快的、可調特性的輸出電壓或輸出電流的下降特性。為了實現上述目的，本發明提供一種寬範圍高精度低噪音的自動量程直流電源， 包括前級電源和CPU控制電路，還包括降壓電路，所述降壓電路包括MOS管Q1、二極體D1、 蓄能電感Li、負載電阻R4、電流取樣電阻R5、電容C3、輸出電容C2、驅動電路、PWM電路；
MOS管Ql的漏極和前級電源的輸出正極連接，源極和驅動電路的一個輸出端、二極體 Dl的負極和蓄能電感Ll的一端連接，柵極和驅動電路的另一端連接；
蓄能電感Ll的另一端和負載電阻R4的一端、電容C3的一端和輸出電容C2的正極連接，用於作為自動量程電源的輸出正極；
前級電源的輸出負極和二極體Dl的正極、負載電阻R4的另一端、電容C3的另一端和電流取樣電阻R5的一端連接；
電流取樣電阻R5的另一端和輸出電容C2的負極連接，用於作為自動量程電源的輸出負極；
PWM電路的輸入端接收CPU控制電路的電壓或電流比較信號輸出PWM脈衝到驅動電路的輸入端，再由驅動電路的輸出端分別連接MOS管Ql的源極和柵極，控制MOS管Ql的通斷。還包括至少一個電子負載、電子負載包括MOS管Q2、電子負載誤差放大器和限流電阻R6 ；
MOS管Q2的漏極和輸出電容C2的正極連接，柵極和電子負載誤差放大器的輸出端連接，源極和限流電阻R6的一端和電子負載運算放大器的負端連接，限流電阻R6的另一端和前級電源的負極連接；
CPU控制電路和電子負載誤差放大器的正輸入端連接，用於控制MOS管Q2的通斷。所述CPU控制電路包括電流誤差放大器、電壓誤差放大器、電子負載基準電壓電路、分壓電阻Rl、R2、R3、三極體Q3、PWM狀態比較器、狀態比較電平端和電子負載使能信號端；
PWM狀態比較器的輸出端和三極體Q3的基極連接，三極體Q3的基極設置有電子負載使能信號端，三極體Q3的發射極和自動量程電源的負極連接，三極體Q3的集電極依次串聯連接分壓電阻R2、R3後，再和電子負載誤差放大器的正輸入端連接，分壓電阻Rl的一端連接在分壓電阻R2、R3之間，另一端和電子負載基準電壓電路連接，PWM狀態比較器的一個輸入端設置為狀態比較電平端，另一個輸入端和電流誤差放大器及電壓誤差放大器的輸出端連接；
電流誤差放大器的輸入端並聯在電流取樣電阻R5的兩端，採集電流信號後經電流誤差放大器輸出端輸入PWM電路的輸入端後，再由PWM電路的輸出端輸出到驅動電路的輸入端，由驅動電路輸出信號控制MOS管Ql的通斷；
電壓誤差放大器的輸入端並聯在輸出電容C2的兩端，採集到電壓信號後經電壓誤差放大器的輸出端輸入PWM電路的輸入端後，再由PWM電路的輸出端輸出到驅動電路的輸入端，由驅動電路輸出信號控制MOS管Ql的通斷；
電流誤差放大器的輸出端、電壓誤差方大器的輸出端和PWM電路的輸入端相連。PWM電路包括PWM比較器，PWM比較器的輸入端為PWM電路的輸入端。MOS管Ql的漏極和源極上跨接有吸收電容Cl。前級電源為常規開關電源或常規線性電源。本發明的工作原理是在常規開關電源或常規線性電源的信號輸出端基礎上增加了一級降壓電路，通過控制MOS管Ql的通斷和利用蓄能電感Ll控制輸出電壓或輸出電流的大小。當PWM電路中的PWM比較器接收的輸出信號值和設定值比較的誤差電壓低於(或高於)某一值時，PWM比較器將調整PWM輸出脈衝寬度到0% (或100%)，此時MOS管Ql導通 (或關斷)，同時由於輸出電容C2的存在，輸出電壓需要一段時間才會到OV ；當PWM比較器的誤差電流低於(或高於)某一值時，PWM比較器將調整PWM輸出脈衝寬度到100% (或0%)， 此時MOS管Ql導通(或關斷)，在關斷狀態下，通過蓄能電感Ll的充放電控制輸出電流的大小。當調整PWM狀態比較器的狀態比較電平端到合適值並加到PWM狀態比較器的反相 (或同相)端時，若電子負載使能端的信號為低，則三極體Q3是關斷的。電子負載基準電壓電路根據需要產生基準電壓，其產生的基準電壓通過分壓電阻Rl、R3加到電子負載誤差放大器的同相端，電子負載誤差放大器將驅動MOS管Q2開啟使電子負載器(可多路並聯)拉電流，使輸出電壓可調地、極快地得到需要的動態特性。當前級電源有高頻噪聲的時候，該高頻噪聲將通過吸收電容Cl (Cl為MOS管Ql 的吸收電容、分布電容等的等效電容)、輸出電容C2、負載電阻R4的分壓迴路分壓，在輸出電流為0、負載電阻R4阻值較大(由於功耗限制其不可能很小)時，即使MOS管Ql是完全關閉的，輸出也會有一個浮動電壓。此時即使電子負載使能端信號為高，電子負載基準電壓產生電路產生的電壓仍會通過分壓電阻Rl、R2的分壓產生一個小的信號加到電子負載誤差放大器的同相端，使電子負載(可多路並聯)作為一個恆流源將輸出的浮動電壓拉到極接近 OV (只要限流電阻R6和MOS管Q2的導通電阻足夠小)。同時在電路正常工作時負載電阻 R4也是電路的死負載，可以使負載電阻R4使用較大阻值甚至不用，也能保持電路的穩定。本發明的有益效果是在一定體積的電源機箱內、一定功率的電源輸出功率下，可以分別實現高電壓/低電流或高電流/低電壓的很寬的高電壓或高電流的輸出能力，同時可以得到極快的、可調特性的輸出電壓或輸出電流的下降特性，且正常工作時在電流取樣之前不對輸出電流的測量精度產生影響，電源與外接的負載設備交叉工作，不會引起前級電源瞬態過功率。


圖1為本發明實施例的電路原理框圖。圖2為本發明實施例的降壓電路和CPU控制電路的示意圖。圖3為現有技術的常規開關電源的原理框圖。圖4為現有技術的開關電源輸出動態特性的波形圖。圖5為本發明實施例的電源輸出動態特性的波形圖。其中1-電流誤差放大器，2-電壓誤差放大器，3-PWM比較器，4-PWM狀態比較器， 5-電子負載誤差放大器。
具體實施例方式下面根據附圖詳細說明本發明的優選實施例。實施例如圖1、圖2和圖3所示，本實施例提供一種寬範圍高精度低噪音的自動量程直流電源，包括前級開關電源、CPU控制電路和降壓電路，所述開關電源採用常規開關電源，或者也可以採用常規線性電源，常規開關電源額定功率為1200W;所述CPU控制電路包括電子負載基準電壓電路、分壓電阻Rl、R2、R3，三極體Q3、PWM狀態比較器4、狀態比較電平端、電子負載使能信號端、電流誤差放大器1和電壓誤差放大器2 ；所述降壓電路包括MOS 管Q1、二極體D1、蓄能電感Li、負載電阻R4、電流取樣電阻R5、電容C3、輸出電容C2、吸收電容Cl、驅動電路、PWM電路和電子負載。MOS管Ql的漏極和前級電源的輸出正極連接，源極和驅動電路的一個輸出端、二極體Dl的負極和蓄能電感Ll的一端連接，柵極和驅動電路的另一端連接，MOS管Ql的漏極和源極上跨接有吸收電容Cl。蓄能電感Ll的另一端和負載電阻R4的一端、電容C3的一端和輸出電容C2的正極連接，用於作為自動量程電源的輸出正極。前級電源的輸出負極和二極體Dl的正極、負載電阻R4的另一端、電容C3的另一端和電流取樣電阻R5的一端連接。電流取樣電阻R5的另一端和輸出電容C2的負極連接，用於作為自動量程電源的輸出負極。
CPU控制電路中的電流誤差放大器1的輸入端並聯在電流取樣電阻R5的兩端，採集電流信號後經電流誤差放大器1輸出端輸入PWM電路的輸入端後，再由PWM電路的輸出端輸出到驅動電路的輸入端，由驅動電路輸出信號控制MOS管Ql的通斷；
CPU控制電路中的電壓誤差放大器2的輸入端並聯在輸出電容C2的兩端，採集到電壓信號後經電壓誤差放大器2的輸出端輸入PWM電路的輸入端後，再由PWM電路的輸出端輸出到驅動電路的輸入端，由驅動電路輸出信號控制MOS管Ql的通斷；
電流誤差放大器1的輸出端、電壓誤差方大器的輸出端和PWM電路的PWM比較器3的輸入端相連。電子負載包括MOS管Q2、電子負載誤差放大器5和限流電阻R6，M0S管Q2的漏極和輸出電容C2的正極連接，柵極和電子負載誤差放大器5的輸出端連接，源極和限流電阻 R6的一端和電子負載運算放大器的負端連接，限流電阻R6的另一端和前級電源的負極連接，或者也可以同時並聯多個電子負載；
CPU控制電路中的PWM狀態比較器4的輸出端和三極體Q3的基極連接，三極體Q3的基極設置有電子負載使能信號端，三極體Q3的發射極和自動量程電源的負極連接，三極體Q3 的集電極依次串聯連接分壓電阻R2、R3後，再和電子負載誤差放大器5的正輸入端連接，分壓電阻Rl的一端連接在分壓電阻R2、R3之間，另一端和電子負載基準電壓電路連接，PWM 狀態比較器4的一個輸入端設置為狀態比較電平端，另一個輸入端和電流誤差放大器1及電壓誤差放大器2的輸出端連接，通過CPU控制電路和電子負載誤差放大器5的正輸入端連接，用於控制MOS管Q2的通斷起到電子負載的拉電流作用，實現不同的電源輸出動態特性，從圖4傳統的緩慢輸出波形圖可以看出，本實施例圖5的輸出波形可以實現波形的快速輸出變化。本實施例的有益效果是在IU高度的電源機箱內，1200W的電源輸出功率下，可以分別實現80V高電壓/低電流或60A高電流/低電壓的輸出能力，相當於具備一臺同時具備 80V/60A的常規電源的輸出工作範圍，同時還可以得到極快的、可調特性的輸出電壓和輸出電流的下降特性，且正常工作時在電流取樣之前不對輸出電流的測量精度產生影響，電源與外接的負載設備交叉工作，不會引起前級電源瞬態過功率。
權利要求
1.一種寬範圍高精度低噪音的自動量程直流電源，包括前級電源和CPU控制電路，其特徵在於還包括降壓電路，所述降壓電路包括MOS管(Q1)、二極體(D1)、蓄能電感(Li)、 負載電阻(R4)、電流取樣電阻(R5)、電容(C3)、輸出電容(C2)、驅動電路、PWM電路；MOS管(Ql)的漏極和前級電源的輸出正極連接，源極和驅動電路的一個輸出端、二極體(Dl)的負極和蓄能電感L的一端連接，柵極和驅動電路的另一端連接；蓄能電感(Li)的另一端和負載電阻(R4)的一端、電容(C3)的一端和輸出電容(C2)的正極連接，用於作為自動量程電源的輸出正極；前級電源的輸出負極和二極體(Dl)的正極、負載電阻(R4)的另一端、電容(C3)的另一端和電流取樣電阻(R5)的一端連接；電流取樣電阻(R5)的另一端和輸出電容(C2)的負極連接，用於作為自動量程電源的輸出負極；PWM電路的輸入端接收CPU控制電路的電壓或電流比較信號輸出PWM脈衝到驅動電路的輸入端，再由驅動電路的輸出端分別連接MOS管(Ql)的源極和柵極，控制MOS管(Ql)的通斷。
2.根據權利要求1所述的一種寬範圍高精度低噪音的自動量程直流電源，其特徵在於還包括至少一個電子負載、電子負載包括MOS管(Q2)、電子負載誤差放大器(5)和限流電阻(R6)；MOS管(Q2)的漏極和輸出電容(C2)的正極連接，柵極和電子負載誤差放大器(5)的輸出端連接，源極和限流電阻(R6)的一端和電子負載運算放大器的負端連接，限流電阻(R6) 的另一端和前級電源的負極連接；CPU控制電路和電子負載誤差放大器(5)的正輸入端連接，用於控制MOS管(Q2)的通斷。
3.根據權利要求2所述的一種寬範圍高精度低噪音的自動量程直流電源，其特徵在於所述CPU控制電路包括電流誤差放大器(1)、電壓誤差放大器(2 )、電子負載基準電壓電路、分壓電阻(R1、R2、R3)，三極體(Q3)、PWM狀態比較器(4)、狀態比較電平端和電子負載使能信號端；PWM狀態比較器(4)的輸出端和三極體(Q3)的基極連接，三極體(Q3)的基極設置有電子負載使能信號端，三極體(Q3)的發射極和自動量程電源的負極連接，三極體(Q3)的集電極依次串聯連接分壓電阻(R2、R3)後再和電子負載誤差放大器(5)的正輸入端連接，分壓電阻(Rl)的一端連接在分壓電阻(R2、R3)之間，另一端和電子負載基準電壓電路連接， PWM狀態比較器(4)的一個輸入端設置為狀態比較電平端，另一個輸入端和電流誤差放大器(1)及電壓誤差放大器(2)的輸出端連接；電流誤差放大器(1)的輸入端並聯在電流取樣電阻(R5)的兩端，採集電流信號後經電流誤差放大器(1)輸出端輸入PWM電路的輸入端後，再由PWM電路的輸出端輸出到驅動電路的輸入端，由驅動電路輸出信號控制MOS管(Ql)的通斷；電壓誤差放大器(2)的輸入端並聯在輸出電容(C2)的兩端，採集到電壓信號後經電壓誤差放大器(2)的輸出端輸入PWM電路的輸入端後，再由PWM電路的輸出端輸出到驅動電路的輸入端，由驅動電路輸出信號控制MOS管(Ql)的通斷；電流誤差放大器(1)的輸出端、電壓誤差方大器的輸出端和PWM電路的輸入端相連。
4.根據權利要求3所述的一種寬範圍高精度低噪音的自動量程直流電源，其特徵在於PWM電路包括PWM比較器(3)，PWM比較器(3)的輸入端為PWM電路的輸入端。
5.根據權利要求1或2或3或4所述的一種寬範圍高精度低噪音的自動量程直流電源，其特徵在於M0S管(Ql)的漏極和源極上跨接有吸收電容(Cl)。
6.根據權利要求5所述的一種寬範圍高精度低噪音的自動量程直流電源，其特徵在於前級電源為常規開關電源或常規線性電源。
全文摘要
本發明提供一種寬範圍高精度低噪音的自動量程直流電源，包括前級電源和CPU控制電路，還包括降壓電路，所述降壓電路包括MOS管Q1、二極體D1、蓄能電感L1、負載電阻R4、電流取樣電阻R5、電容C3、輸出電容C2、驅動電路、PWM電路；實現在一定體積的電源機箱內、一定功率的電源輸出功率下，可以分別實現高電壓/低電流或高電流/低電壓的很寬的高電壓或高電流的輸出能力，同時可以得到極快的、可調特性的輸出電壓或輸出電流的下降特性。
文檔編號H02M3/158GK102195480SQ201110052699
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月7日 優先權日2011年3月7日
發明者張順龍 申請人:艾德克斯電子(南京)有限公司