專利名稱：區(qū)間控制型開關(guān)穩(wěn)壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電源技術(shù)領(lǐng)域。它是一種采用區(qū)間控制方式的串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓器。
背景技術(shù)：
情況開關(guān)穩(wěn)壓器有幾種類型，各有其特點(diǎn)和不同的應(yīng)用領(lǐng)域，其中串聯(lián)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器比較簡(jiǎn)單，成本低，應(yīng)用廣泛。串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓器是從串聯(lián)線性穩(wěn)壓器直接發(fā)展而來，它主要解決的問題是使調(diào)整管從線性放大狀態(tài)改變成開關(guān)工作狀態(tài)，從而大大降低調(diào)整管的功耗，使穩(wěn)壓器具有高的效率。但它用在輸入電壓和負(fù)載電流變化比較大的情況下，其穩(wěn)壓卻比較困難。因此，該類開關(guān)穩(wěn)壓器通常用于固定負(fù)載或者負(fù)載電流變化不很大的情況。其輸入電壓的允許變化范圍，通常不超過百分之幾十。個(gè)別特殊線路的該類開關(guān)穩(wěn)壓器可允許負(fù)載電流有較大變化范圍但卻又對(duì)輸入電壓變化的限制更加嚴(yán)格，要求不超過正負(fù)百分之十。此外，此類開關(guān)穩(wěn)壓器中(甚至幾乎所有的直流穩(wěn)壓器中)僅用一個(gè)基準(zhǔn)電壓，屬于單值控制型穩(wěn)壓器，與本實(shí)用新型提出的采用兩個(gè)基準(zhǔn)電壓的區(qū)間控制型開關(guān)穩(wěn)壓器，在控制回路和控制模式上是完全不同的。
本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計(jì)出一種超寬范圍直流穩(wěn)壓器，以解決某些輸入電壓變化范圍特別寬(可高達(dá)百分之幾百)，同時(shí)負(fù)載電流變化范圍也極大的情況下，其輸出電壓仍能保持穩(wěn)定，并具有高的效率。本實(shí)用新型實(shí)際上首先是為一種新型的車輛用特種電機(jī)的穩(wěn)壓器而設(shè)計(jì)的。該種電機(jī)所需的穩(wěn)壓器就是超寬范圍穩(wěn)壓器的一個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例。該種電機(jī)是永磁式直流復(fù)合電機(jī)，由于起動(dòng)電流需要高達(dá)上百安培，其電樞內(nèi)阻極小，發(fā)電機(jī)的外部輸出特性曲線很硬，輸出電壓隨轉(zhuǎn)速升高而升高，其運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速?gòu)拿糠昼娨弧⒍мD(zhuǎn)至八、九千轉(zhuǎn)變化，直流發(fā)電機(jī)輸出電壓變化范圍高達(dá)百分之幾百，同時(shí)負(fù)載電流變化范圍也極大，但要求提供出一個(gè)基本穩(wěn)定的電壓對(duì)照明系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)供電和對(duì)蓄電池充電，而對(duì)紋波電壓并無(wú)嚴(yán)格要求。根據(jù)本實(shí)用新型設(shè)計(jì)出的區(qū)間控制型開關(guān)穩(wěn)壓器已達(dá)到了上述要求，實(shí)現(xiàn)了超寬范圍的穩(wěn)壓。基于其良好的超寬穩(wěn)壓特性，本實(shí)用新型也為其他類似情況的需要，提供了一種通用的超寬范圍開關(guān)穩(wěn)壓器。
本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容本實(shí)用新型與傳統(tǒng)的串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓器一樣，由串聯(lián)開關(guān)交換器和控制回路兩個(gè)部分組成。串聯(lián)開關(guān)交換器仍由開關(guān)調(diào)整晶體管、L-C濾波器和續(xù)流二極管組成。控制回路包括取樣、比較放大、控制調(diào)整環(huán)節(jié)以及輔助穩(wěn)壓電路組成。本實(shí)用新型與傳統(tǒng)的串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓器的根本區(qū)別在于控制回路和控制模式的完全不同。傳統(tǒng)的串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓器其控制回路均為采用一個(gè)基準(zhǔn)電壓的單值控制型，即取樣電壓在比較放大環(huán)節(jié)僅與一個(gè)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，其放大信號(hào)再去控制開關(guān)調(diào)整管的導(dǎo)通或截止，并自動(dòng)調(diào)節(jié)其占空比使輸出電壓穩(wěn)定在一個(gè)電壓值。本實(shí)用新型則采用了兩個(gè)基準(zhǔn)電壓，即上基準(zhǔn)電壓VS1和下基準(zhǔn)電壓VS2，其比較放大環(huán)節(jié)是由兩個(gè)電壓比較放大器和一個(gè)RS觸發(fā)器組成的區(qū)間電壓控制電路來?yè)?dān)任。在比較放大環(huán)節(jié)中，取樣電壓是與兩個(gè)基準(zhǔn)電壓同時(shí)進(jìn)行比較，當(dāng)取樣電壓VF低于下基準(zhǔn)電壓VS2時(shí)，區(qū)間電壓控制電路輸出的電平將使開關(guān)調(diào)整管T1導(dǎo)通，使輸出電壓V0上升；而當(dāng)VF高于上基準(zhǔn)電壓VS1時(shí)，區(qū)間電壓控制電路又輸出另一種電平使T1立即截止，輸出電壓V0下降；取樣電壓再次降低至VS2以下時(shí)，T1又將再次導(dǎo)通。如此周而復(fù)始循環(huán)地工作，使輸出電壓V0始終穩(wěn)定在一個(gè)小的區(qū)間范圍內(nèi)，而不是穩(wěn)定在一個(gè)電壓值上。
本實(shí)用新型把單值控制型改為區(qū)間控制型，這對(duì)穩(wěn)壓器的工作特點(diǎn)、工作狀態(tài)和工作參數(shù)均有較大的改變，顯而易見，用同一組元件參數(shù)，其穩(wěn)壓范圍可得到顯著地?cái)U(kuò)展。其穩(wěn)壓范圍的擴(kuò)展，是以放寬了輸出電壓波動(dòng)或者紋波電壓而獲得的。其輸出電壓V0從微觀看是穩(wěn)定在一個(gè)小區(qū)間內(nèi)，而從對(duì)負(fù)載供電的宏觀看和用電壓表測(cè)量所呈現(xiàn)的情況看，仍為一個(gè)單值直流電壓，其電壓值等于小區(qū)間的電壓平均值。這是因?yàn)殚_關(guān)調(diào)整管的開關(guān)頻率比較高，輸出電壓V0在小區(qū)間內(nèi)波動(dòng)的頻率也較高，其波動(dòng)僅以紋波電壓形式表現(xiàn)出來。此紋波電壓如需要進(jìn)一步降低，由于其頻率較高濾波是比較容易的。
本實(shí)用新型是脈寬、占空比和開關(guān)頻率均能自動(dòng)調(diào)整變化的開關(guān)穩(wěn)壓器。對(duì)負(fù)載電流的變化，它以頻率變化為主以脈寬變化為輔而對(duì)于輸入電壓的變化，則以脈寬變化為主以頻率變化為輔來進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。兩基準(zhǔn)電壓的差值區(qū)間(VS1-VS2)對(duì)輸出紋波電壓有直接影響。因此，在合理選擇濾波電感值和電容值后，調(diào)整適合的VS1和VS2電壓值，可實(shí)現(xiàn)不同超寬范圍的穩(wěn)壓，同時(shí)可兼顧輸出電壓的紋波不致太大。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和積極效果(1)提供了一種與傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓器單值控制方案不同的另外一種區(qū)間控制方案，這種方案具有明顯的實(shí)用性和應(yīng)用前景。(2)設(shè)計(jì)出了一種超寬范圍開關(guān)穩(wěn)壓器，其允許的輸入電壓和負(fù)載電流變化范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的同類型開關(guān)穩(wěn)壓器。(3)本實(shí)用新型比較簡(jiǎn)單，調(diào)試容易，工作可靠、具有高的效率。
本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例子結(jié)合
如下它是一個(gè)串聯(lián)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，由串聯(lián)開關(guān)變換器和控制回路兩個(gè)部分組成。串聯(lián)開關(guān)變換器由開關(guān)調(diào)整管T1，濾波器電感L、電容C2以及續(xù)流二極管D4構(gòu)成。T1選用大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體三級(jí)管，電感L為含鐵氧體磁芯的高頻電感，C2采用電介電容器，D4選用快恢復(fù)二極管。附圖中其余電路屬于控制回路，其中集成電路IC1和IC2組成區(qū)間電壓控制電路，IC1為雙運(yùn)算放大器用作電壓比較放大，IC2為雙二與非門連接成RS觸發(fā)器；T2為驅(qū)動(dòng)三極管，R7是T2的基極電阻，T2與二極管D3、電阻R8、R9和電容器C1組成自舉驅(qū)動(dòng)電路；由R10和R11構(gòu)成電阻分壓式取樣電路；輔助穩(wěn)壓電路是由晶體三極管T3和二極管D1、D2以及電阻R1、R2、R3組成的恒流源型固定負(fù)載穩(wěn)壓電路來?yè)?dān)任，其輸出的穩(wěn)定電壓VDD用作集成電路IC1和IC2的電源電壓；兩個(gè)基準(zhǔn)電壓VS1和VS2則由VDD經(jīng)三只串聯(lián)電阻R4、R5、R6分壓取得。
該電路的工作原理是這樣的，當(dāng)加上輸入電壓Vi時(shí)，輔助穩(wěn)壓電路立即產(chǎn)生VDD和VS1、VS2使開關(guān)穩(wěn)壓器迅速投入工作。其工作過程有以下幾個(gè)狀態(tài)(1)輸出電壓V0尚未建立，即開機(jī)時(shí)V0為零，則VF亦為零，即VF＜VS2＜VS1，其時(shí)運(yùn)放IC1-1輸出高電平，使R＝1，而運(yùn)放IC1-2輸出低電平，使S＝0，進(jìn)而控制由IC2構(gòu)成的RS觸發(fā)器置1(該RS觸發(fā)器的置位端S和復(fù)位端R均為低電平有效)，則其輸出為Q＝1，Q＝0。區(qū)間電壓控制電路是從Q輸出去控制驅(qū)動(dòng)管T2的，由于Q＝0為低電平，使T2截止，T2的集電極電壓為高電平并約等于輸入電壓V1，該電壓將使開關(guān)調(diào)整管T1迅速導(dǎo)通，其輸出經(jīng)L向C2充電，使穩(wěn)壓器輸出電壓V0逐漸上升并送到外接負(fù)載上。在C2充電過程中，電感L內(nèi)的電流逐漸增大，儲(chǔ)存在L中的磁場(chǎng)能量也逐漸增加，在此狀態(tài)，續(xù)流二極管D4因反向偏置而截止。T1的導(dǎo)通狀態(tài)將一直保持到V0上升到使VF＞VS1為止。在VF上升到VS1之前，雖然出現(xiàn)了VS1＞VF＞VS2的情況，將使S＝1，R＝1，但這不會(huì)改變RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài)和T1導(dǎo)通的狀態(tài)；(2)當(dāng)?shù)竭_(dá)VF＞VS1時(shí)，運(yùn)放IC1-1立即輸出低電平，即R＝0，其時(shí)S＝1，將使RS觸發(fā)器立即置0，使Q＝0，Q＝1。Q輸出高電平，使T2飽和導(dǎo)通，T2的集電極電平接近零伏，進(jìn)而立即將T1截止。T1截止，L中的電流減小，L兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)使D4導(dǎo)通，L中儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量通過D4傳遞給負(fù)載。當(dāng)負(fù)載電平低于電容C2兩端電壓時(shí)，C2便向負(fù)載放電。此過程將一直保持到VF＜VS2為止。在VF下降至VS2之前，也出現(xiàn)VS1＞VF＞VS2的情況，同樣不會(huì)改變RS觸發(fā)器原有的狀態(tài)和T1截止的狀態(tài)；(3)當(dāng)VF下降至VF＜VS2時(shí)，工作情況與上述第(1)狀態(tài)相似，將再次使T2截止，T1導(dǎo)通，唯一不同的是此時(shí)的T2驅(qū)動(dòng)電路已有自舉作用，這是由于自舉電容C1在上述第(2)工作狀態(tài)D4導(dǎo)通時(shí)已充有一定電壓，在C1的自舉作用下T2的集電極電壓將會(huì)出現(xiàn)高于Vi的情況，有利于T1導(dǎo)通電阻更小功耗更低。之后，開關(guān)穩(wěn)壓器的工作將不斷重復(fù)(2)、(3)兩種工作狀態(tài)，使輸出電壓V0始終被穩(wěn)定在一個(gè)小的區(qū)間范圍內(nèi)，達(dá)到穩(wěn)壓之目的。
權(quán)利要求1.一種區(qū)間控制型開關(guān)穩(wěn)壓器，它有一個(gè)金屬外殼，外殼兼作開關(guān)調(diào)整管(T1)的散熱器，開關(guān)調(diào)整管(T1)采用大功率場(chǎng)效應(yīng)三極管，其漏極接電壓輸入端，源極與濾波電感(L)的一端相連，同時(shí)也與續(xù)流二極管(D4)的負(fù)極相連接，續(xù)流二極管(D4)的正極接地；濾波電感(L)的另一端接電壓輸出端，它與濾波電容器(C2)的正極相連，濾波電容器(C2)的負(fù)極接地；取樣電阻分壓器(R10、R11)連接在電壓輸出端和地之間，取樣電壓(VF)從該分壓器的中間連接點(diǎn)輸出；由驅(qū)動(dòng)三極管(T2)和二極管(D3)以及三只電阻器(R7、R8、R9)、一只電容器(C1)組成自舉驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)三極管(T2)的集電極與開關(guān)調(diào)整管(T1)的柵極相連，二極管(D3)與兩只電阻器(R8、R9)順序串聯(lián)后再連接在電壓輸入端與驅(qū)動(dòng)三極管(T2)的集電極之間，電容器(C1)跨接在兩只電阻器(R8、R9)的連接點(diǎn)和開關(guān)調(diào)整管(T1)的源極之間，驅(qū)動(dòng)三極管(T2)的基極接有一只電阻器(R7)，其射極接地；由一只三極管(T3)和兩只二極管(D1、D2)以及三只電阻器(R1、R2、R3)組成的恒流源型輔助穩(wěn)壓電路提供一個(gè)穩(wěn)定電壓(VDD)，用作兩片集成電路(IC1、IC2)的電源電壓；上述穩(wěn)定電壓(VDD)再經(jīng)三只串聯(lián)電阻分壓器(R1、R5、R6)取得兩個(gè)基準(zhǔn)電壓(VS1、VS2)，用作區(qū)間電壓控制電路的上基準(zhǔn)電壓(VS1)和下基準(zhǔn)電壓(VS2)；本實(shí)用新型的特征在于在取樣電路和驅(qū)動(dòng)電路之間連接一個(gè)區(qū)間電壓控制電路，該區(qū)間電壓控制電路的輸入端與取樣電壓(VF)相連，區(qū)間電壓控制電路的輸出端(Q)與驅(qū)動(dòng)三極管(T2)的基極電阻器(R7)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的區(qū)間控制型開關(guān)穩(wěn)壓器，其特征在于區(qū)間電壓控制電路由兩只運(yùn)算放大器(IC1-1)、(IC1-2)和一個(gè)RS觸發(fā)器(IC2)以及兩個(gè)基準(zhǔn)電壓(VS1)，(VS2)組成，第一運(yùn)算放大器(IC1-1)的正輸入端接上基準(zhǔn)電壓(VS1)，第二運(yùn)算放大器(IC1-2)的負(fù)輸入端接下基準(zhǔn)電壓(VS2)，第一運(yùn)算放大器(IC1-1)的負(fù)輸入端與第二運(yùn)算放大器(IC1-2)的正輸入端相連再連接到取樣電壓(VF)，第一運(yùn)算放大器(IC1-1)的輸出端與RS觸發(fā)器(IC2)的復(fù)位端(R)相接，第二運(yùn)算放大器(IC4-2)的輸出端與RS觸發(fā)器(IC2)的置位端(S)相接，由此構(gòu)成區(qū)間電壓控制電路。
專利摘要一種采用區(qū)間控制方式的開關(guān)穩(wěn)壓器,它具有超寬范圍的電壓變化和電流變化的穩(wěn)壓性能,其特征是開關(guān)調(diào)整管的導(dǎo)通或截止是由內(nèi)含兩個(gè)基準(zhǔn)電壓的區(qū)間電壓控制電路來控制,當(dāng)取樣電壓低于下基準(zhǔn)電壓時(shí)開關(guān)調(diào)整管導(dǎo)通,而當(dāng)取樣電壓高于上基準(zhǔn)電壓時(shí)開關(guān)調(diào)整管立即截止,從而使輸出電壓始終被穩(wěn)定控制在一個(gè)小的區(qū)間范圍內(nèi)。它是一種脈寬、占空比和開關(guān)頻率均變化的串聯(lián)降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器。
文檔編號(hào)G05F1/10GK2282698SQ96204039
公開日1998年5月27日 申請(qǐng)日期1996年2月5日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月5日
發(fā)明者辜明鐘, 鄒益宣 申請(qǐng)人:辜明鐘