混合型稳压电源

摘要

混合型稳压电源，由线性稳压电源模块和开关电源模块并联而成；将线性稳压电源和开关电源并联，实现混合稳压。输出电压由线性稳压部分决定，输出波形纹波小、频带宽；输出电流大部分由开关电源提供，提高了电源效率。此电源综合了线性电源和开关电源的各自优点，改善了电源性能。

权利要求

1.混合型稳压电源，其特征在于：由线性稳压电源模块和开关电源模块并联而成；所述的线性稳压电源模块由运算放大器U2、PNP型三极管Q1和NPN型三极管Q2、稳压二极管D2、电阻R3和R4构成；其中，D2提供线性电源的基准电压，三极管Q1和Q2提高稳压模块的输出电流驱动能力，电路通过控制滑动变阻器R4的值来控制输出电压的大小；

所述的开关电源模块包含运算放大器U3、外接的电阻R6和R10、提供参考电源Vref的稳压二极管D1、限制电阻Rlim(电阻R5)、场效应管M1、续流二极管D4和电感L1；

所述的开关电源模块电路的具体连接为：首先，电阻R6连接运算放大器U3的同相端，运算放大器U3的输出经过电阻R10反馈到运放U3的同相端输入端，构成迟滞电压比较器CMP1；

经整流、滤波后的脉动直流输入电压VI分两路，一路以先经过负端，再经过正端的方式经过稳压二极管D1与比较器CMP1同相端的R6电阻相连，一路分别连到场效应管M1的漏极和限制电阻Rlim的一端，Rlim的另一端与比较器CMP1的反相端相连，同时与线性稳压电源模块中Q2的集电极连接；比较器CMP1的输出端与场效应管M1的栅极相连，场效应管M1的源极分别与续流二极管D4的负端和电感L1的一端相连，D4的正端接地，电感L1的另一端和线性稳压模块的输出并联后与负载电阻R8相连；

线性稳压电源模块的电路具体连接为：滤波后的脉动直流输入电压VI经过一限流电阻，与稳压管D2的负端并接在运算放大器U2的同相端，稳压管D2的正端接地；电阻R3一端接运放U2的反相端，另一端接地；运放U2的输出经电阻R4反馈到运放U2的反相输入端；三极管Q1和Q2的基极并接后与运放U2的输出端相连，发射极并接后作为线性稳压模块的输出，三极管Q1的集电极接地，三极管Q2的集电极与电阻R5的一端相连。

2.如权利要求1所述的稳压电源，其特征在于：比较器CMP1的参考电源由稳压二极管D1和可调电阻R2并联组成，通过调节R2的大小控制接入电路的参考电压Vref；而且，参考电源Vref经过电压跟随器U1的缓冲隔离后再连接到比较器CMP1的同相端；另外，场效应管M1的漏极和源极之间并接一个保护二极管D3，当输入短路时，为电感L1提供一放电支路，防止M1的漏源被击穿。

说明书

混合型稳压电源

技术领域

[0001] 本发明涉及混合型稳压电源的设计，可广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。

背景技术

[0002] 常用的稳压电源主要有线性稳压电源和开关稳压电源两种。线性稳压电源由于调整管工作在线性放大区，在负载电流较大时，调整管的集电极损耗较大，电源效率较低，一般只有40％-60％，有时还需配备庞大的散热装置。但线性稳压电源的输出波形具有失真度低、动态响应快和频带宽的优点。在开关稳压电源中，调整管工作在开关状态，由于管子的饱和导通压降和截止电流都很小，所以管耗主要发生在状态转换的过程中，电源效率可提高到75％-95％。同时，由于省略了电源变压器和调整管的散热装置，所以相对于线性稳压电源，开关稳压电源体积小、重量轻。但开关电源的输出波形电压纹波大，存在电压畸变和延时，且电路设计较复杂、对元器件要求较高。

[0003] 在实际应用中，如何设计实现更高功率密度、更高转换效率、更低成本、更高性能的稳压电源，始终是电力电子技术工程师追求的目标。通常，采用推挽变换式拓扑结构的开关电源，可提高输出功率，适合于低压大电流场合。峰值电流控制的电流模技术和斜坡补偿技术也是新兴电源技术的一部分，它可有效地提高开关电源的瞬态响应速度和系统环路的稳定性。开关电源与线性电源混合的拓扑结构，也是提高电源输出效率和改善性能的重要方法之一。

发明内容

[0004] 本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种综合线性电源和开关电源的优势、避免线性电源的低效率和改善开关电源的电压纹波、畸变和延时的混合型稳压电源。

[0005] 本发明所述的混合型稳压电源，其特征在于：由线性稳压电源模块和开关电源模块并联而成；所述的线性稳压电源模块由运算放大器U2、PNP型三极管Q1和NPN型三极管Q2、稳压二极管D2、电阻R3和R4构成；其中，D2提供线性电源的基准电压，三极管Q1和Q2提高稳压模块的输出电流驱动能力，电路通过控制滑动变阻器R4的值来控制输出电压的大小；

[0006] 所述的开关电源模块包含运算放大器U3、外接的电阻R6和R10、提供参考电源Vref的稳压二极管D1、限制电阻Rlim(电阻R5)、场效应管M1、续流二极管D4和电感L1；

[0007] 所述的开关电源模块电路的具体连接为：首先，电阻R6连接运算放大器U3的同相端，运算放大器U3的输出经过电阻R10反馈到运放U3的同相端输入端，构成迟滞电压比较器CMP1；经整流、滤波后的脉动直流输入电压VI分两路，一路以先经过负端，再经过正端的方式经过稳压二极管D1与比较器CMP1同相端的R6电阻相连，一路分别连到场效应管M1的漏极和限制电阻Rlim的一端，Rlim的另一端与比较器CMP1的反相端相连，同时与线性稳压电源模块中Q2的集电极连接；比较器CMP1的输出端与场效应管M1的栅极相连，场效应管M1的源极分别与续流二极管D4的负端和电感L1的一端相连，D4的正端接地，电感L1的另一端和线性稳压模块的输出并联后与负载电阻R8相连；

[0008] 线性稳压电源模块的电路具体连接为：滤波后的脉动直流输入电压VI经过一限流电阻，与稳压管D2的负端并接在运算放大器U2的同相端，稳压管D2的正端接地。电阻R3一端接运放U2的反相端，另一端接地；运放U2的输出经电阻R4反馈到运放U2的反相输入端；三极管Q1和Q2的基极并接后与运放U2的输出端相连，发射极并接后作为线性稳压模块的输出，三极管Q1的集电极接地，三极管Q2的集电极与电阻R5的一端相连。

[0009] 作为优选的一种方案：比较器CMP1的参考电源由稳压二极管D1和可调电阻R2并联组成，通过调节R2的大小控制接入电路的参考电压Vref；而且，参考电源Vref经过电压跟随器U1的缓冲隔离后再连接到比较器CMP1的同相端；另外，场效应管M1的漏极和源极之间并接一个保护二极管D3，当输入短路时，为电感L1提供一放电支路，防止M1的漏源被击穿。

[0010] 本发明的技术构思为：工作时，通过改变限制电阻Rlim上的压降，以调整输入比较器CMP1反相端的电压值，使其与门限参考电压VT进行比较，以确定比较器的输出是高电平还是低电平。当线性稳压模块部分的输出电流ireg增大时，Rlim上的压降将随着增大，输入比较器CMP1反相端的电压减小，如果低于设定的门限参考电压VT-时，则比较器输出高电平，场效应管M1导通，电感L1被充电，开关电源部分的输出电流iL增大。由于输出总电流Iout是一恒定的数值，此时线性电源部分的电流ireg则逐步下降，Rlim上的压降也相应减小，导致比较器CMP1反相端的输入电压增大，当超过设定的门限电压VT+时，比较器输出低电平，M1截止,二极管D4为电感L1提供续流通道，电感电流iL开始下降，同时线性电源的输出电流ireg逐步上升。如此周而复始，保持输出电压的恒定。

[0011] 在上述工作过程中，线性稳压电源保证输出电压的恒定，电压比较器CMP1控制场效应管M1的开关，并且确定开关电源的工作频率。输出电流Iout的绝大部分的电流由开关电源提供，提高了转换效率。线性电源的输出电流有一个阈值Iγ，由参考电源的电压Vref、限制电阻Rlim以及迟滞比较器的反馈电阻R6和R10所决定。当线性电源的输出ireg超过Iγ时，M1导通，限制ireg继续增加；当ireg减小到一定程度时，M1截止，阻止ireg进一步减小，从而保证输出电流Iout是一恒定值。

[0012] 本发明的有益效果主要表现在：将线性稳压电源和开关电源并联，实现混合稳压。输出电压由线性稳压部分决定，输出波形纹波小、频带宽；输出电流大部分由开关电源提供，提高了电源效率。此电源综合了线性电源和开关电源的各自优点，改善了电源性能。

附图说明

[0013] 图1混合型稳压电源电路原理图

[0014] 图2混合型稳压电源输出电压工作波形

[0015] 图3比较器CMP1输出端(通道1)和D4两端的电压波形(通道2)

[0016] 图4电路各部分的电流波形

具体实施方式

[0017] 下面结合附图对本发明作进一步描述。

[0018] 本发明所述的混合型稳压电源，其特征在于：由线性稳压电源模块和开关电源模块并联而成；所述的线性稳压电源模块由运算放大器U2、PNP型三极管Q1和NPN型三极管Q2、稳压二极管D2、电阻R3和R4构成；其中，D2提供线性电源的基准电压，三极管Q1和Q2提高稳压模块的输出电流驱动能力，电路通过控制滑动变阻器R4的值来控制输出电压的大小；

[0019] 所述的开关电源模块包含运算放大器U3、外接的电阻R6和R10、提供参考电源Vref的稳压二极管D1、限制电阻Rlim(电阻R5)、场效应管M1、续流二极管D4和电感L1；

[0020] 所述的开关电源模块电路的具体连接为：首先，电阻R6连接运算放大器U3的同相端，运算放大器U3的输出经过电阻R10反馈到运放U3的同相端输入端，构成迟滞电压比较器CMP1；经整流、滤波后的脉动直流输入电压VI分两路，一路以先经过负端，再经过正端的方式经过稳压二极管D1与比较器CMP1同相端的R6电阻相连，一路分别连到场效应管M1的漏极和限制电阻Rlim的一端，Rlim的另一端与比较器CMP1的反相端相连，同时与线性稳压电源模块中Q2的集电极连接；比较器CMP1的输出端与场效应管M1的栅极相连，场效应管M1的源极分别与续流二极管D4的负端和电感L1的一端相连，D4的正端接地，电感L1的另一端和线性稳压模块的输出并联后与负载电阻R8相连；

[0021] 线性稳压电源模块的电路具体连接为：滤波后的脉动直流输入电压VI经过一限流电阻，与稳压管D2的负端并接在运算放大器U2的同相端，稳压管D2的正端接地。电阻R3一端接运放U2的反相端，另一端接地；运放U2的输出经电阻R4反馈到运放U2的反相输入端；三极管Q1和Q2的基极并接后与运放U2的输出端相连，发射极并接后作为线性稳压模块的输出，三极管Q1的集电极接地，三极管Q2的集电极与电阻R5的一端相连。

[0022] 作为优选的一种方案：比较器CMP1的参考电源由稳压二极管D1和可调电阻R2并联组成，通过调节R2的大小控制接入电路的参考电压Vref；而且，参考电源Vref经过电压跟随器U1的缓冲隔离后再连接到比较器CMP1的同相端；另外，场效应管M1的漏极和源极之间并接一个保护二极管D3，当输入短路时，为电感L1提供一放电支路，防止M1的漏源被击穿。

[0023] 图1是本发明的电路原理图，线性稳压电源模块由运算放大器TL081、三极管Q1(BD140)和Q2(BD139)、稳压二极管D2、电阻R3、R4和R5构成。其中，R5是限制电阻Rlim，D2提供线性电源的基准电压，通过控制滑动变阻器R4的值来控制输出电压的大小。稳压二极管D1、可调电位器R2、电压跟随器U1(uA741)、迟滞比较器CMP1(包括运算放大器LM311、电阻R6和R10)、场效应管M1(IRF540)、电感L1和续流二极管D4组成开关电源部分。电压跟随器U1起缓冲隔离的作用。稳压管D1和电位器R2确定比较器CMP1参考电压的值，通过与限制电阻Rlim上产生的电压进行比较，决定比较器的输出是高电平还是低电平。当线性电源部分输出电流增大时，Rlim上的压降将随着增大，输入比较器CMP1反相端的电压减小，如果低于设定的门限参考电压VT-时，则比较器输出高电平，M1导通，电感L1被充电，开关电源部分输出电流增大。由于输出总电流是一恒定的数值，此时线性开关部分的电流则逐步下降，Rlim上的压降也相应减小，当减小到使比较器CMP1反相端的输入电压超过设定的门限电压VT+时，比较器则输出低电平，M1截止，D4为电感L1提供续流通道，电感电流开始下降，线性电源输出电流则逐步上升。如此周而复始，保持输出电压的恒定。

[0024] 在图1中，加入幅值为18V的直流电压，并叠加上一个1V、10KHz的干扰方波信号，模拟输入信号的脉动，滑动变阻器R2和R4均取50％，图2显示了输出电压的波形。可以看到，输出电压的波形较为理想，且幅值为6.67V，与线性电源模块输出电压的理论计算公式得出的值相一致。图3显示了比较器CMP1输出端和续流二极管D4两端的电压波形。从理论上分析，比较器正常工作时处于开关状态，其输出波形应为一方波。从图中可以看到，比较器的实际输出与理论相符合。从而说明，开关电源模块工作正常。图4显示了电路各部分电流的波形，其中通道1为线性电源部分的输出电流，通道2为开关部分的电流波形，通道3为输出总电流波形，其中电流探针的电压电流比为10mV/mA。从图中可以看到，开关模块的电流约为550±50mA，线性模块的电流约为100±50mA。显然，开关模块提供了绝大部分输出电流，同时输出电流保持一固定值(约为660mA)。这说明，电路的绝大部分功率由开关模块实现，提高了电路的效率，而线性模块的主要作用是减小输出电压的纹波，改善电路的性能。

[0025] 本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。