專利名稱：微功耗直流穩(wěn)壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微功耗直流穩(wěn)壓器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓器無(wú)論是升壓還是降壓，都采用脈寬調(diào)制(PWM)的方法，電路拓樸有橋式、半橋式、推挽式、正激式、反激式等等，還有B00St、BUCk、CUk等電路形式，其工作方法是，首先把輸入直流電壓全部變換成高頻率方波，然后用大電容濾波，變成另一種直流電壓，這種方法有以下毛病1)采用脈寬調(diào)制的方法，高頻率、大功率方波的產(chǎn)生過程，也就是強(qiáng)烈EMI干擾產(chǎn)生的過程，大功率直流變換器相當(dāng)于一個(gè)高頻功率發(fā)射臺(tái)，可以想見，所產(chǎn)生的干擾何其嚴(yán)重。2)功率變換過程中，輸入功率的全部必須進(jìn)行實(shí)際的功率變換，所有變換的功率必須通過磁芯變壓器或電感傳遞才能到達(dá)輸出端，損耗大，效率低。

發(fā)明內(nèi)容
圖1是微功耗直流穩(wěn)壓器的原理框圖當(dāng)輸入電壓在額定范圍之內(nèi)時(shí)，不必進(jìn)行任何功率變換，輸入電壓直接到達(dá)輸出端，成為輸出電壓；當(dāng)輸入電壓大于額定電壓時(shí)，經(jīng)過電壓切割電路，把大于額定電壓的那部份比例極小的電壓切下來(lái)，變換成額定輸出的直流電壓，連同被切去頭部后剩下來(lái)的輸入電壓并行輸出；當(dāng)輸入電壓小于額定電壓時(shí)，經(jīng)過電壓補(bǔ)償電路，把輸入電壓中小于額定電壓的那部份比例極小的電壓補(bǔ)償起來(lái)，即由補(bǔ)償電路產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電壓，此電壓恰好是額定電壓和輸入電壓之差，疊加在輸入電壓之上，即輸出額定電壓是輸入電壓和補(bǔ)償電壓之和。微功耗直流穩(wěn)壓器的工作原理是；只要把輸入功率中極小部份進(jìn)行傳統(tǒng)功率變換，就可以得到全部輸出功率，即輸入功率中極大部份既不必進(jìn)行實(shí)際的功率變換，也不必通過磁芯變壓器或電感傳遞功率，直接到達(dá)輸出端。微功耗直流穩(wěn)壓器實(shí)際上進(jìn)行兩種DC/DC功率變換，當(dāng)輸入電壓大于額定值時(shí)， 采用電壓切割方法，進(jìn)行降壓功率變換，當(dāng)輸入電壓小于額定值時(shí)，采用電壓補(bǔ)償方法，進(jìn)行升壓功率變換。微功耗直流穩(wěn)壓器由電壓補(bǔ)償電路和電壓切割電路組成，電壓補(bǔ)償電路和電壓切割電路并聯(lián)聯(lián)結(jié)。補(bǔ)償電路由場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2，電感Li，電容Cl組成，場(chǎng)效應(yīng)管Ql的漏極接電容Cl的正極，其源極接場(chǎng)效應(yīng)管Q2的漏極，場(chǎng)效應(yīng)管Q2的源極接地，電感Ll 一端接場(chǎng)效應(yīng)管Ql的源極，一端接電容Cl的負(fù)極，電容Cl的負(fù)極構(gòu)成輸入端點(diǎn)Vi，輸入電壓接在輸入端點(diǎn)Vi和地之間，電容Cl的正極構(gòu)成輸出端點(diǎn)Vo，電阻R6、電容C2接在輸出端點(diǎn)Vo 和地之間，輸出電壓由輸出端點(diǎn)Vo輸出。電壓切割電路由場(chǎng)效應(yīng)管Ql、磁芯變壓器TXl及周圍元件組成，磁芯變壓器TXl的原邊的同名端接輸入電壓Vl的正極，此點(diǎn)也是輸入端點(diǎn)Vi，Vl的負(fù)極接地，場(chǎng)效應(yīng)管Ql的的漏極接變壓器TXl原邊的異名端，其源極接地；變壓器TXl的付邊與電阻R1、電容Cl并聯(lián)，同時(shí)接到由D1-D4組成的整流橋Bl的交流輸入端，整流橋Bl的直流輸出端的負(fù)極接輸入端點(diǎn)Vi，其輸出端的正極接輸出端點(diǎn)Vo ；電阻R2、電容C2與整橋的直流輸出端并聯(lián)，電阻R3、電容C3并聯(lián)，一端接輸出端的正極接輸出端點(diǎn)Vo，另一端接地。


圖1是微功耗直流穩(wěn)壓器原理方框圖；圖2是電壓補(bǔ)償電路；圖3是電壓補(bǔ)償電路各點(diǎn)電壓仿真波形圖4是引入控制芯片后的電壓補(bǔ)償電路；圖5是引入控制芯片后的電壓補(bǔ)償電路各點(diǎn)電壓仿真波形；圖6是電壓切割電路；圖7是電壓切割電路各點(diǎn)電壓仿真波形；圖8是引入控制芯片后的電壓—切割電路；圖9是引入控制芯片后的電壓—切割電路點(diǎn)電壓仿真波形；圖10是微功耗直流穩(wěn)壓器實(shí)際電路；圖11是鉛酸蓄電池放電特性曲線。圖2是直流電壓補(bǔ)償電路，設(shè)輸入電壓Vi = 10.5V，要求輸出電壓Vo= 12V，該電路產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電壓Vc = 1.5V，疊加在輸入電壓之上，使得輸出電壓等于12V。V2是功率 MOS管Q2的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，是IOOKHz的方波信號(hào)，Vl是輸入直流電壓。電路啟動(dòng)后，Q2飽和導(dǎo)通，電池電壓Vl通過Q2的漏源極向電感Ll充電，電感電流線性增加，電感中存貯的能量不斷增多，與此同時(shí)，電容C2上的電壓向負(fù)載R2放電。半個(gè)周期后，Q2截止，存貯在電感 Ll中的電能通過Ql的體內(nèi)二極管向電容Cl充電。Cl上的電壓疊加在電池電壓Vl之上， 在向負(fù)載電阻R2供電的同時(shí)，也向電容C2充電。圖3是各點(diǎn)電壓的仿真波形，從上到下依次是輸出電壓Vo、輸入電壓Vi、補(bǔ)償電壓Vc。從圖可以看到，輸出電壓Vo(12V)，是輸入電壓Vi (10. 5V)和補(bǔ)償電壓Vc(l. 5V)之和。功率MOS管Ql沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，那是因?yàn)橹焕霉β蔒OS管Ql體內(nèi)二極管的正向特性，其飽和壓降小，通過電流大。與傳統(tǒng)直流功率變換不同的是，在這兒并不是不問青紅皂白地行把輸入電壓全部變換成方波電壓，而是根據(jù)情況，只把輸入電壓中的極小部份變換成方波電壓。例如輸入電壓是10. 5V，輸出電壓是12V，應(yīng)該在10. 5V的輸入電壓之上補(bǔ)償1. 5V，因此，僅僅只須把這應(yīng)該補(bǔ)償?shù)?. 5V變換成方波電壓即可。圖3是各點(diǎn)電壓的仿真波形，從上到下依次是 輸出電壓Vo，輸入電壓Vi，補(bǔ)償電壓Vc。圖4是接有UC 1825的電壓補(bǔ)償電路，在控制芯片UC1825的右邊電路與圖4完全一樣，只是Ql的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)V2換成了 UC1825輸出信號(hào)0UT_A，當(dāng)負(fù)載或輸入電壓變化時(shí)，由UC1825調(diào)節(jié)脈寬，保持輸出電壓Vo不變。調(diào)節(jié)UC1825輸出信號(hào)0UT_A的脈寬來(lái)控制輸出電壓Vo不變，只不過是調(diào)節(jié)由TXl 付邊整流而來(lái)的那個(gè)極小部份的直流電壓，而絕大部份直流電壓，即負(fù)載電阻R6上的絕大部份電壓是由輸入電壓直接而來(lái)，未經(jīng)任何功率變換。
圖5是接UC1825芯片的電壓補(bǔ)償電路各點(diǎn)電壓仿真波形，與圖3相似。圖6是電壓切割電路，功率MOS管Ql和磁芯變壓器TXl組成了主電路，IOOKHz的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)V5加在Ql的柵極和地之間，V5的幅值為輸出電壓Vo (設(shè)為12V)和Ql的柵源電壓Vgs之和，Vl是13. 5V的輸入直流電壓Vi，負(fù)載R6接在Ql的源極和地之間。由 D1-D4組成的整橋接在TXl的付邊，其正負(fù)輸出端與負(fù)載電阻R6并聯(lián)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)V5為高電平時(shí)，Ql飽和導(dǎo)通，輸入電壓Vi在負(fù)載電阻和磁芯變壓器 TXl之間分配，由于Ql源極電壓跟蹤柵極電位，而柵極電位等于輸出電壓Vo加上柵源電壓 Vgs，所以Ql源極電壓，即負(fù)載電阻R6上的電壓等于12V。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)V5為低電平時(shí)，Ql 關(guān)斷，于是負(fù)載電阻和磁芯變壓器得到與柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻率的方波電壓，負(fù)載電阻R6并聯(lián)有大電容C4，所以R6上的輸出電壓Vo為直流電壓。輸入直流電壓為13. 5V，負(fù)載電阻R5 輸出12V，則變壓器得到的方波電壓幅值為1.5V，適當(dāng)選擇TXl的變比，使得此方波電壓整流后仍然輸出12V電壓，與負(fù)載電阻R6上的電壓并聯(lián)輸出，形成輸出電壓Vo。與傳統(tǒng)直流功率變換不同的是，在這兒并不是不問青紅皂白地行把輸入電壓全部變換成方波電壓，而是根據(jù)情況，只把輸入電壓中的極小部份變換成方波電壓。例如輸入電壓是13. 5V，輸出電壓是12V，從13.5V輸入電壓中切下12V來(lái)，僅僅只須把切割下12V 后剩余下來(lái)的電壓1.5V變換成方波電壓即可。圖7右邊是輸入、輸出電壓的仿真波形。圖8是接有UC 1825的電壓切割電路，在控制芯片UC1825的右邊電路與圖2完全一樣，只是Ql的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)V2換成了 UC1825輸出信號(hào)0UT_A，當(dāng)負(fù)載或輸入電壓變化時(shí)，由UC1825調(diào)節(jié)脈寬，保持輸出電壓Vo不變。調(diào)節(jié)UC1825輸出信號(hào)0UT_A的脈寬來(lái)控制輸出電壓Vo不變，只不過是調(diào)節(jié)由TXl 附邊整流而來(lái)的那個(gè)極小部份的直流電壓，而絕大部份直流電壓，即負(fù)載電阻R6上的那部份電壓是由柵極方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值決定的，是由輸入電壓直接而來(lái)，未經(jīng)任何功率變換。圖9右邊是接UC1825芯片的電壓切割電路各點(diǎn)電壓仿真波形。
具體實(shí)施例方式圖10是微功耗直流穩(wěn)壓器的實(shí)際電路，U2、U3組成比較電路，功率MOS管Q2、變壓器TXl等組成了電壓切割電路，與圖6電路相同，功率MOS管Q4、Q1、電感Ll等組成了電壓補(bǔ)償電路，與圖2電路相同。比較器U2、U3對(duì)輸入電壓Vi進(jìn)行比較，Vi經(jīng)過電阻Rl、R20 分壓后得到參考電壓Vz，Vz同時(shí)接U2的同相輸入端和U3的反相輸入端，當(dāng)代表輸入電壓 Vi的參考電壓Vz大于U2反相端參考電壓Vx時(shí)(調(diào)節(jié)電阻R2、R9，使得Vx對(duì)應(yīng)輸出電壓 Vo的上限)，U2輸出高電平，Sl接通，脈寬調(diào)制芯片驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出腳0UT_A接到功率MOS管 Q2的柵極，進(jìn)行電壓切割操作，使輸出電壓Vo小于其上限電壓，與此同時(shí)，U2輸出的高電平通過二極管Dl、R7加到三極管Q3的基極，Q3飽各導(dǎo)通，其集電極低電平，開關(guān)S2斷開；當(dāng)代表輸入電壓Vi的參考電壓Vz小于U3同相端參考電壓Vy時(shí)(調(diào)節(jié)電阻R12、R23，使得 Vy對(duì)應(yīng)輸出電壓Vo的下限)，U3輸出高電平，S3接通，脈寬調(diào)制芯片驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出腳0UT_A 接到功率MOS管Q4的柵極，進(jìn)行電壓補(bǔ)償操作，使輸出電壓Vo大于其下限電壓，與此同時(shí)， U3輸出的高電平通過二極管D2、R15加到三極管Q3的基極，Q3飽各導(dǎo)通，其集電極低電平， 開關(guān)S2斷開；當(dāng)代表輸入電壓Vi的參考電壓Vz小于U2反相端參考電壓Vx，大于U3反相端參考電壓Vy時(shí)，U2、U3都輸出低電平，Q3截止，其集電極輸出高電平，S2接通，18V電壓Vl接到Q2的柵極，Q2飽和導(dǎo)通，輸入電壓Vi通過TXl的原邊輸出，使輸出電壓Vo保持Vo 的上、下限之間。上述控制過程的結(jié)果是輸入電壓Vz大于基準(zhǔn)電壓Vx、小于基準(zhǔn)電壓Vy時(shí)，微功耗直流穩(wěn)壓器進(jìn)行電壓切割或電壓補(bǔ)償操作，使輸出電壓Vo保持在額定范圍之內(nèi)，即輸出電壓Vo保持在以基準(zhǔn)電壓為中心的一個(gè)范圍內(nèi)變化，Vx、Vy的幅值代表了這個(gè)變化范圍， 由于電壓Vx、Vy的幅值是可以人為設(shè)置的，所以輸出電壓Vo的變化范圍(精度或調(diào)整率) 也是可以人為設(shè)置的。

電壓切割電路的輸出端Q2的源極，和電壓補(bǔ)償電路的輸出端(Ql的漏極和電阻 R13)接在一起，共同組成整機(jī)的輸出端Vo，當(dāng)輸入電壓Vz大于Vx、小于Vy時(shí)，開關(guān)Si、S3 不動(dòng)作，脈寬驅(qū)動(dòng)信號(hào)0UT_A加不到Q2、Q4的柵極，在此期間，開關(guān)S2動(dòng)作，高電平Vl加到電壓切割電路的功率MOS管Q2的柵極，使得Q2常通，成為一個(gè)直流開關(guān)，輸入電壓Vi通過飽和導(dǎo)通的Q2漏源極直接到達(dá)輸出端Vo。圖11是蓄電池放電特性曲線，在0.2C的放電過程中，蓄電池端電壓在11. 3V到 12. 7V之間變化，四節(jié)蓄電池端電壓在45. 2V到50. 8V之間，現(xiàn)在要求把4節(jié)蓄電池串聯(lián)的輸出電壓穩(wěn)定在48V。如果按照傳統(tǒng)方法，蓄電池輸出電壓全部變成方波，并通過磁芯變壓器或電感傳遞功率，然后大電容濾波，最后到達(dá)輸出端，成為輸出功率，其效率不足85%，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈EMI干擾。如果按照微功耗直流穩(wěn)壓器的方法，首先看輸入電壓高低再?zèng)Q定采取什么操作， 如果蓄電池端電壓高于額定電壓(48V-50. 8V)，采用電壓切割的方法，如果蓄電池端電壓低于(45. 2V-48V)，則采用電壓補(bǔ)償切割的方法，以下詳細(xì)進(jìn)行微功耗的分析和討論。當(dāng)輸入電壓大于額定電壓時(shí)，電壓切割電路啟動(dòng)，蓄電池最高電壓為50.8V，輸入電壓比額定電壓高(50. 8-48)/48 = 5. 83%,輸入電壓Vi中高出的5. 83%由切割電路切下來(lái)，這切下來(lái)的部份要進(jìn)行功率變換，變換成額定值電壓輸出。設(shè)變換效率為90%，設(shè)切下來(lái)這部份電壓在進(jìn)行功率變換過程中的功率損耗Pq Pq = 5. 83% *(1_90% ) = 0. 0583*0. 1 = 0. 00583 = 0. 583%,由此可知，切下來(lái)這部份電壓在功率變換過程中的損耗為0.583%。輸入電壓被切割后的極大部份電壓，其幅值等于額定電壓，直接到達(dá)輸出端，這一部份電壓本身并沒有經(jīng)過任何功率變換，其變換效率可視為100%，所以整個(gè)電壓切割電路的總損耗也是 0. 583%，則其總效率為99. 417%。當(dāng)輸入電壓小于額定電壓時(shí)，電壓切割電路啟動(dòng)，蓄電池最低電壓為45. 2V，輸入電壓比額定電壓低(48-45. 2)/48 = 2.8/48 = 5.8%，輸入電壓Vi中比輸出電壓低出的 5. 8%由補(bǔ)償電路進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償電壓的獲得要進(jìn)行功率變換，設(shè)變換效率為90%，獲得補(bǔ)償電壓進(jìn)行的功率變換過程中的功率損耗Pb Pb = 5. 80% *(1-90% ) = 0. 058*0. 1 = 0. 0058 = 0. 58%,由此可知，為獲得補(bǔ)償電壓所進(jìn)行功率變換過程中，損耗為0.58%。輸入電壓Vi 本身在電壓補(bǔ)償過程中并沒有經(jīng)過任何功率變換，直接從輸入端到達(dá)輸出端，成為輸出功率的一大部份，其變換效率可視為100 %，所以整個(gè)電壓切割電路的總損耗也是0. 58 %，則其總效率為99. 42%。當(dāng)輸入電壓在額定范圍之內(nèi)時(shí)，在電壓切割電路中的功率MOS管Q2 (請(qǐng)參考圖10)的柵極加高電平控制信號(hào)，則Q2是一個(gè)直流開關(guān)，輸入直流電壓Vi直接到達(dá)輸出端，整機(jī)效率可視為100%。相對(duì)于三種不同的運(yùn)行模式，有三種不同的效率，99. 417 %、99. 48 %、100 %，由于微功耗直流穩(wěn)壓器在一個(gè)時(shí)刻，只有一種運(yùn)行模式，上述三種模式中的效率都是整機(jī)效率， 這就意味著，運(yùn)行在不同模式下，整機(jī)效率不一樣。如果取平均值，則整機(jī)效率為99. 45%。在電壓切割和電壓補(bǔ)償?shù)男视?jì)算過程中，都是采用最壞情況時(shí)的數(shù)據(jù)，即最高電壓50. 8V和最低電壓45. 2V。從圖11的蓄電池放電特性曲線可以看出，最高電壓和最低電壓的放電時(shí)間很短，最長(zhǎng)放電時(shí)間還是在平穩(wěn)放電區(qū)間，計(jì)算效率時(shí)不取最壞情況的數(shù)據(jù)，而取中間值數(shù)據(jù)比較合理。取中間值數(shù)據(jù)時(shí)，放電電壓值的最大放電電壓為 (50. 8-48)/2+48 = 1. 4+48 = 49. 4V，最低放電電壓為48-(48-45. 6)/2 = 48-1. 2 = 46. 8， 用此數(shù)據(jù)按上述效率的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果是Pq = 0. 0292,Pb = 0. 025，所以啟動(dòng)電壓切割時(shí)，整機(jī)效率為99. 708%，啟動(dòng)電壓補(bǔ)償時(shí)，整機(jī)效率為99. 775%。主電路不采用PWM變換，而是利用電壓切割和電壓補(bǔ)償?shù)姆椒?，穩(wěn)定直流電壓，是微功耗直流穩(wěn)壓器的一大特色。盡管輸入電壓Vi的波動(dòng)范圍是正負(fù)5. 417%，但蓄電池的放電電壓在12. 35V-11. 7V(單節(jié)電池)的時(shí)間最長(zhǎng)，即整機(jī)效率接近100%的時(shí)間最長(zhǎng)，所以在實(shí)際運(yùn)行中，整機(jī)效率比上述估算的99. 417%要高得多，非常接近100%，微功耗直流穩(wěn)壓器實(shí)至名歸。微功耗直流穩(wěn)壓器可應(yīng)用在通訊電源、筆記本電源、微機(jī)電源等等，以及蓄電池輸出直流電壓而要求電壓穩(wěn)定的所有應(yīng)用場(chǎng)合，比如電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車、航空航天器等寸。
權(quán)利要求
1.一種微功耗直流穩(wěn)壓器，不采用PWM脈寬調(diào)制的方法，其特征是微功耗直流穩(wěn)壓器由電壓補(bǔ)償電路和電壓切割電路組成，電壓補(bǔ)償電路和電壓切割電路并聯(lián)聯(lián)結(jié)。
2.如權(quán)利要求1所述的微功耗直流穩(wěn)壓器，其特征是補(bǔ)償電路由場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2，電感Li，電容Cl組成，場(chǎng)效應(yīng)管Ql的漏極接電容Cl的正極，其源極接場(chǎng)效應(yīng)管Q2的漏極， 場(chǎng)效應(yīng)管Q2的源極接地，電感Ll 一端接場(chǎng)效應(yīng)管Ql的源極，一端接電容Cl的負(fù)極，電容 Cl的負(fù)極構(gòu)成輸入端點(diǎn)Vi，輸入電壓接在輸入端點(diǎn)Vi和地之間，電容Cl的正極構(gòu)成輸出端點(diǎn)Vo，電阻R6、電容C2接在輸出端點(diǎn)Vo和地之間，輸出電壓由輸出端點(diǎn)Vo輸出。
3.如權(quán)利要求1所述的微功耗直流穩(wěn)壓器，其特征是電壓切割電路由場(chǎng)效應(yīng)管Q1、磁芯變壓器TXl及周圍元件組成，磁芯變壓器TXl的原邊的同名端接輸入電壓Vl的正極，此點(diǎn)也是輸入端點(diǎn)Vi，Vl的負(fù)極接地，場(chǎng)效應(yīng)管Ql的的漏極接變壓器TXl原邊的異名端，其源極接地；變壓器TXl的付邊與電阻R1、電容Cl并聯(lián)，同時(shí)接到由D1-D4組成的整流橋Bl 的交流輸入端，整流橋Bl的直流輸出端的負(fù)極接輸入端點(diǎn)Vi，其輸出端的正極接輸出端點(diǎn) Vo ；電阻R2、電容C2與整橋的直流輸出端并聯(lián)，電阻R3、電容C3并聯(lián)，一端接輸出端的正極接輸出端點(diǎn)Vo，另一端接地。
全文摘要
微功耗直流穩(wěn)壓器采用電壓切割和電壓補(bǔ)償?shù)姆椒?，?shí)現(xiàn)了對(duì)直流電壓的穩(wěn)定或調(diào)整，該直流穩(wěn)壓器最大特點(diǎn)是，主電路不采用PWM脈寬調(diào)制，不產(chǎn)生EMI干擾，因此功耗極小而壽命極長(zhǎng)，輸出直流電壓調(diào)整率高，效率高達(dá)99.5％，安全可靠，節(jié)能環(huán)保，電路簡(jiǎn)單，制作安裝容易，其成本、體積、重量、功耗都是傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓器的十分之一。
文檔編號(hào)H02M3/00GK102231596SQ20111016636
公開日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月17日
發(fā)明者郁百超 申請(qǐng)人:郁百超