專利名稱：直流穩(wěn)壓電源的數(shù)字調壓電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及直流穩(wěn)壓電源技術，具體地說，是一種利用數(shù)字-模擬變換器對懸浮式可調節(jié)直流穩(wěn)壓集成電路的輸出電壓實行數(shù)字化調節(jié)的電路。
背景技術：
在直流穩(wěn)壓電源中，集成化的穩(wěn)壓電源芯片以其優(yōu)越的穩(wěn)壓性能、完善的保護功能和簡便的使用方法得到了廣泛的應用。在輸出電壓可調的直流穩(wěn)壓電源中，尤以懸浮式可調節(jié)穩(wěn)壓集成電路最為常用。LM317是其中最常見的有代表性的一種三端穩(wěn)壓集成電路。圖1是它的典型應用電路。這類集成電路芯片上沒有直接的接地端，芯片本身不承受全部輸入電壓。在高輸入輸出電壓的工作情況下，只有電阻RA承受高電壓，集成片對地處于懸浮狀態(tài)，僅僅承受輸入輸出電壓之差，因而其工作電壓不受集成電路耐壓的限制。但是，這類集成電路都是以調節(jié)可變電阻RA的阻值來調節(jié)輸出電壓，很難與數(shù)字電路系統(tǒng)如單片機系統(tǒng)配合使用以構成數(shù)字化穩(wěn)壓電源。有時可以見到的一種調壓方案是在RA的位置上安排多個不同阻值的電阻，利用單片機通過電子開關切換這些電阻來調節(jié)輸出電壓。但這種方法只能做到有限檔次的粗調。
現(xiàn)有的一種數(shù)字直流穩(wěn)壓電源的方案是用數(shù)字-模擬變換器(DAC)產生基準電壓，與輸出電壓比較后進行反饋調節(jié)。這種電路一般只能用分立元件組成，難以利用集成穩(wěn)壓芯片的優(yōu)越性能，輸出電壓也受元件耐壓的限制。另一種數(shù)字直流穩(wěn)壓電源的方案是采用大功率運算放大器與DAC相結合，將DAC輸出的模擬電壓經運算放大器放大后作為電源的輸出。這種方案的缺點是輸出電壓的大小受限于運算放大器的耐壓，難于獲得較高的輸出電壓。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出了一種將數(shù)字-模擬變換器(DAC)與懸浮式可調節(jié)直流穩(wěn)壓集成電路相聯(lián)結的電路方案，使穩(wěn)壓集成電路的輸出電壓與DAC的數(shù)字輸入量成線性關系，從而可以利用單片機控制系統(tǒng)實現(xiàn)智能化的數(shù)字直流穩(wěn)壓電源。這種電路方案既適用于正電壓穩(wěn)壓集成電路，也適用于負電壓穩(wěn)壓集成電路。以下先就正電壓穩(wěn)壓集成電路的情況進行說明。圖2是本發(fā)明的基本電路結構，它包括主電源[1]、輔助電源[2]、懸浮式可調節(jié)直流穩(wěn)壓集成電路[3]、偏移電壓單元[6]、數(shù)字調節(jié)單元[7]以及電阻RA，其中數(shù)字調節(jié)單元由數(shù)字-模擬變換器(DAC)[4]、緩沖驅動器[5]和電阻RB構成。穩(wěn)壓集成電路的輸入端(in)與主電源的正極相連接，其輸出端(out)獲得主電源的穩(wěn)壓輸出，而其調節(jié)端(adj)與主電源負極(GND)之間接入電阻RA。數(shù)字-模擬變換器(DAC)、緩沖驅動器、偏移電壓單元由輔助電源供電。DAC的輸出電壓經緩沖驅動后與電阻RB的一端相接，而RB的另一端接到穩(wěn)壓集成電路的調節(jié)端(adj)。輔助電源與主電源之間沒有公共端，兩者之間的關系由偏移電壓單元來設定。偏移電壓單元的輸出端與輔助電源的負極(GND_A)之間產生并保持一個恒定電壓Vd，該輸出端接到主電源的穩(wěn)壓輸出端。由此，使穩(wěn)壓輸出端與輔助電源負極(GND_A)之間始終保持一個恒定的電位差。
懸浮式可調節(jié)穩(wěn)壓集成電路在正常工作時，其輸出端(out)與調節(jié)端(adj)之間總是保持恒定的電壓，稱為基準電壓。以LM317為例，這個基準電壓值為1.25V。如果將偏移電壓單元的輸出電壓也設置成1.25V，那么，在數(shù)字調節(jié)系統(tǒng)看來，穩(wěn)壓集成電路的adj端就成為一個“虛地”端，也就是說，盡管該端與GND_A并沒有物理上的直接連接，但始終與GND_A保持相等的電位。由此，RB中的電流有以下簡單的表達式IRB=VaRB]]>式中Va是數(shù)字-模擬變換器的輸入數(shù)字量經變換后產生的輸出模擬電壓值(假定緩沖驅動器的放大系數(shù)為1)。
IRB與穩(wěn)壓集成電路的adj端電流Iadj一起流入電阻RAIRA＝Iadj+IRB因而RA上的電壓為VRA=IadjRA+VaRARB]]>穩(wěn)壓輸出電壓為VOUT=1.25+IadjRA+VaRARB]]>根據LM317的數(shù)據資料，可知Iadj數(shù)值極小而且基本恒定不變。因而上式表明，穩(wěn)壓輸出電壓與數(shù)字-模擬變換器的輸入數(shù)據值成線性關系。
為了使穩(wěn)壓輸出能從零電壓起調，只要將偏移電壓設置成比1.25V更高一些就可以。這時，雖然adj端在數(shù)字調節(jié)系統(tǒng)中不再是“虛地”端，仍然是一個恒電位端。簡單的推算可得，如果偏移電壓取以下值Vd=1.25(1+RBRA)+IadjRB]]>穩(wěn)壓輸出電壓將有以下簡單的表達形式VOUT=VaRARB]]>這就是說，輸出端將獲得從零電壓開始的、與Va成簡單比例關系的穩(wěn)定電壓。只要與智能控制系統(tǒng)(如單片機系統(tǒng))相結合，就可以實現(xiàn)智能化的數(shù)字控制的直流穩(wěn)壓電源。
數(shù)字調節(jié)單元可以有兩組或多組，各組的電阻RB的一端都接到adj端?？偟恼{節(jié)作用為各組調節(jié)作用的疊加。由于adj端是恒電位端，因而各組的調節(jié)作用各自獨立，互不影響。選擇不同的RB值，可以使各組具有不同的調節(jié)分辨率。
本發(fā)明的電路方案充分利用了懸浮式可調節(jié)穩(wěn)壓集成電路的特點，全部控制電路對主電源的地線(GND)均處在高架懸浮狀態(tài)，因而其輸出電壓不受集成芯片耐壓的限制。只要對穩(wěn)壓集成電路的輸入、輸出壓差作適當?shù)目刂疲敵龇€(wěn)定電壓的調節(jié)范圍可以達到數(shù)百伏甚至更高。
這種電路方案對負電壓的穩(wěn)壓集成電路(代表性型號為LM337)也是適用的。圖4是負電壓的電路結構。除了主電源的極性顛倒以外，其它均與正電壓電路相同。輸出電壓也與Va成線性關系。與正電壓電路不同的是，輸出電壓的絕對值是隨Va的減小而線性增大的。


圖1是懸浮式可調節(jié)穩(wěn)壓集成電路的典型應用電路。圖2是本發(fā)明的基本電路結構。圖3是一種實施方案的例子。圖4是本發(fā)明應用于負電壓穩(wěn)壓集成電路的基本電路結構。圖5與圖6是一種更完整的實施例子。
具體實施例方式
圖3的例子中，穩(wěn)壓集成電路采用LM317，數(shù)字-模擬變換器DAC1的輸出電壓經過運算放大器OP1組成的電壓跟隨器驅動后接到RB上，控制輸出的穩(wěn)壓值。偏移電壓單元也由一個數(shù)字-模擬變換器DAC2與運算放大器OP2構成，調節(jié)DAC2的輸入數(shù)字量，就可以調節(jié)偏移電壓值Vd。主電源穩(wěn)壓輸出端接有一個恒流單元I0，目的是在空載時為LM317提供基本的工作電流。根據LM317的數(shù)據資料，這個I0應該大于10mA。
圖5是一個更為完整的實施例子。偏移電壓單元中加接了另一個LM317，將它的out端與adj端之間的基準電壓加入到偏移電壓中，可以使它的溫度漂移與主電源穩(wěn)壓集成電路LM317的基準電壓的溫度漂移相抵消，以獲得更高的溫度穩(wěn)定性。數(shù)字調節(jié)部分，增加了另一組數(shù)字-模擬變換器DAC3與緩沖驅動器OP3以及調壓電阻RB2，目的是用兩個8位數(shù)字-模擬變換器組合起來，獲得萬分之一以上的調節(jié)分辨率。只要取RB2＝100RB1，就可以使DAC3的調節(jié)分辨率等于DAC1的調節(jié)分辨率的百分之一。如果設計一個0-100V的數(shù)字穩(wěn)壓電源，可以使DAC1負責整數(shù)部分的調節(jié)，最小步距為1V；DAC3負責小數(shù)部分的調節(jié)，最小步距為0.01V。另外DAC3還可以在單片機的控制下起誤差補償?shù)淖饔谩?br> 全部數(shù)字-模擬變換器都在單片機(MCU)的控制下工作，單片機也由輔助電源供電。增加的另一個DAC4，其輸出電壓接到DAC1和DAC3的基準電壓輸入端(ref)，用于穩(wěn)壓輸出值的定標，而DAC2則用于調零。單片機也可以對主電源電壓進行預調壓，以使穩(wěn)壓集成電路[3]的輸入輸出電壓差限制在合理的范圍。
穩(wěn)壓集成電路[3]由LM317經電流電壓擴展后構成。圖6是穩(wěn)壓集成電路的擴展電路，PNP晶體管[8]用于電流擴展，NPN晶體管[10]和穩(wěn)壓二極管[9]用于電壓擴展。經電流擴展和電壓擴展后，LM317可以工作在小電流和恒定壓差的條件下，使之具有更優(yōu)良的穩(wěn)壓性能。
權利要求
1.一種對直流穩(wěn)壓集成電路實行數(shù)字化調壓的電路。包括主電源[1]、輔助電源[2]、穩(wěn)壓集成電路[3]、電阻[RA]以及偏移電壓單元[6]與數(shù)字調節(jié)單元[7]。穩(wěn)壓集成電路[3]的輸入端(in)與主電源[1]相連，穩(wěn)壓集成電路[3]的輸出端(out)作為穩(wěn)壓輸出端。電阻[RA]的一端與穩(wěn)壓集成電路[3]的調節(jié)端(adj)連接，另一端則與主電源的地線(GND)連接。本發(fā)明的特征在于a)偏移電壓單元[6]與數(shù)字調節(jié)單元[7]由輔助電源[2]供電。輔助電源[2]的正負極與主電源[1]的正負極沒有公共端。b)偏移電壓單元[6]的輸出端與輔助電源[2]的負極(GND_A)之間產生并保持一個恒定的電壓。該輸出端與穩(wěn)壓集成電路[3]的輸出端(out)連接，使得輔助電源[2]的負極(GND_A)始終與穩(wěn)壓輸出端保持恒定電位差。c)數(shù)字調節(jié)單元[7]由數(shù)字-模擬變換器[4]、緩沖驅動器[5]、電阻[RB]組成。數(shù)字-模擬變換器[4]的輸出端與緩沖驅動器[5]的輸入端連接，緩沖驅動器[5]的輸出端與電阻[RB]的一端連接，電阻[RB]的另一端與穩(wěn)壓集成電路[3]的調節(jié)端(adj)連接。d)所說的穩(wěn)壓集成電路[3]是懸浮式、可調節(jié)的正電壓穩(wěn)壓集成電路，也可以是懸浮式、可調節(jié)的負電壓穩(wěn)壓集成電路。
2.根據權利要求1所述的數(shù)字化調壓電路，特征是其中的數(shù)字調節(jié)單元可以有一組，也可以有兩組或多組。各組中的電阻[RB]的一端都連接到穩(wěn)壓集成電路[3]的調節(jié)端(adj)上。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種直流穩(wěn)壓電源的數(shù)字化調壓電路方案，包括主電源、輔助電源、懸浮式可調節(jié)穩(wěn)壓集成電路、偏移電壓單元和數(shù)字調節(jié)單元。偏移電壓單元的作用是使輔助電源的負極與主電源穩(wěn)壓輸出端保持恒定電位差。數(shù)字調節(jié)單元由數(shù)字－模擬變換器DAC、緩沖驅動器和電阻R
文檔編號G05F1/10GK1395151SQ0212832
公開日2003年2月5日 申請日期2002年7月30日 優(yōu)先權日2002年7月30日
發(fā)明者胡化成 申請人:胡化成