专利名称：新型直流稳定电源暨大范围可调的开关型直流稳定电源的制作方法
技术领域：
本发明所属的技术领域是电源设备。更具体地说，本发明涉及一种直流稳定电源。
本发明的背景技术。开关型直流稳定电源被广泛地应用在计算机、电视机等需要体积小、重量轻、效率高的电源装置的各种产品中。现在流行的开关型直流稳定电源按电路原理可分为两大类，一类是由分立元件或厚膜组件构成的自激式开关型直流稳定电源，另一类是由集成电路构成的他激式开关型直流稳定电源。自激式开关型直流稳定电源的振荡频率随负载的大小而变化，因而它更适合于负载变化不大的场合如电视机等设备。他激式开关型直流稳定电源又可细分为脉冲宽度调制式和脉冲频率调制式两种。脉冲宽度调制式开关型直流稳定电源适合于负载变化较大的场合如计算机等设备，然而在工程上其最大输出与最小输出之比也只能做到6∶1左右，影响这一技术指标的原因在于开关管的激励幅度是恒定的。开关型直流稳定电源是以储能稳定原理为基础的。欲维持开关管在大占空比时至少处于临界饱和状态，必然使开关管在小占空比时处于深度饱和状态，由于开关管的饱和程度越深，其存储时间就越长，这将使变换能量的最小值较大，故其最大输出与最小输出之比就不可能太大。在脉冲频率调制式开关型直流稳定电源中，开关管导通的时间是固定的，尽管开关管的工作状态可以调至最佳，但因开关频率随多种因素的变化而变化，所以实际应用甚少。
在常见的通用型高精度直流稳压电源中，为了降低调整管的功耗，通常在电源变压器副边的主绕组设多个抽头，用多档分线开关或一组继电器将电源变压器输出的电压分成若干档，使调整管的最大压降不会太大。无论是哪一种具体方式，都要求联接线的电流容量和分线开关或继电器触点的电流容量必须充分大。由于这种稳定电源的输入电源仅仅经过简单的整流和滤波，因此对于提高系统的效率和输出的稳定度也是不利的。
本发明的目的是研制一个能够大范围调整开关型直流稳定电源的输出电压或电流的电源设备，使人们关于把开关型直流稳定电源和线性直流稳定电源级联应用的设想变为现实。利用这一成果，可望在科学实验和电子工业生产中大量服役的通用型高精度直流稳定电源里，不再有电源变压器和分线开关或继电器类的元件，使其综合技术指标大幅度提高。
本发明的技术方案以研制额定输出电流为3A、输出电压在3V～33V之间连续可调的开关型直流稳压电源为突破口，实现了上述目的。下面结合实施例和附图介绍这个技术方案及其细节，为了叙述方便和突出重点，以后将把本实施例中《大范围可调的开关型直流稳定电源》简称为《新型开关电源》；在附图中，对诸如消除尖峰脉冲等公知技术进行了适当的简化，对严重影响图面整洁的电气联接线用网络标号“YF+、YF-、SC2、SC+”代替。
图1是经典的脉冲宽度调制即PWM式开关型直流稳定电源基本方块图；图2是新型开关电源基本方块图；图3是新型直流稳定电源基本方块图；图4是新型直流稳定电源电原理图。
为便于读图，现将图4分解如下图5是辅助电源2电原理图；图6是脉冲发生器5电原理图；图7是误差放大6电原理图；图8是激励幅度调整8和开关快速转换7电原理图；图9线性直流稳定电源4电原理图。
新型直流稳定电源是在通用型高精度直流稳压电源的基础上，经过改进和增加了新型开关电源并使它们级联运行的实用设备。由于它们各自的输出又保持联动，使得系统不仅综合了这两类电源的各自优点、极大地改善了各项技术指标，而且还屏弃了各种形式的多档分线开关，真正实现了输出的无级调节。在本实施例中，引用了经典的电源变换1，采用了具有新结构的辅助电源2，在线性直流稳定电源4中采用了高品质器件和相应的电路并且增加了稳流功能，在系统中增加了新型开关电源3。具体的技术方案如下所述。
市电联接电源变换1的输入端，电源变换1的输出端联接辅助电源2的输入端和新型开关电源3的主电源输入端，辅助电源2的输出端联接新型开关电源3和线性直流稳定电源4的辅助电源输入端，新型开关电源3的输出端联接线性直流稳定电源4的主电源输入端，线性直流稳定电源4的输出端联接系统的负载和新型开关电源3的基准输入端；在上述部件中，电源变换1对市电直接整流、滤波，其输出的直流高电压是系统的主电源，新型开关电源3是大范围可调的开关型直流稳定电源，辅助电源2输出的直流低电压作为新型开关电源3和线性直流稳定电源4中非主电路的工作电源，线性直流稳定电源4具有完整的稳定环节其中包含系统的基准电源；其工作原理是新型开关电源3的负载是线性直流稳定电源4即这两类稳定电源级联运行，线性直流稳定电源4的输出既联接系统的负载也作为新型开关电源3的基准，使得新型开关电源3输出的电压能够跟随线性直流稳定电源4输出电压的变化而变化。
以下将分部介绍各功能模块的详细内容。
电源变换1是将市电直接转换成直流的系统主电源。在本实施例中，直接引用了这一非常成熟的技术，电源变换1由整流二极管15、16、17、18和滤波电解电容19等元件组成。电源变换1的第一个输出端输出约300伏特的直流高压，电源变换1的第二个输出端即本机地，其更具体的技术方案就不再赘述。
辅助电源2是在自激间歇振荡电路的基础上，增加了稳压环节而形成的实用部件。为了降低系统成本，辅助电源2是根据其负载轻重调整辅助开关管25的截止时间，从而保证了输出电压的稳定，这种自激间歇振荡式开关型直流稳压电源特别适合于负载小且变化不大的情况。在本实施例中，通常的自激间歇振荡电路由电阻23、26，电容29，电解电容37、38、39、40、41，二极管27、32、33、34、35、36，三极管25，辅助开关变压器31等元件组成；新增加的稳压环节由电阻20、21、24，电解电容28，二极管30，三极管22等元件组成。具体的技术方案如下所述。
电源变换1的输出端联接启动电阻23的第一个端子和阻尼电阻26的第一个端子以及辅助开关变压器31励磁绕组的第一个端子，阻尼电阻26的第二个端子联接阻尼二极管27的负极，阻尼二极管27的正极联接辅助开关变压器31励磁绕组的第二个端子和辅助开关管25的集电极，启动电阻23的第二个端子联接电平移位电阻24的第一个端子和误差放大管22的集电极，电平移位电阻24的第二个端子联接辅助开关管25的基极和定时电容29的第一个端子，定时电容29的第二个端子联接辅助开关变压器31反馈绕组的第一个端子和整流二极管30的负极，辅助开关管25的发射极联接辅助开关变压器31反馈绕组的第二个端子并接地；整流二极管30的正极联接滤波电解电容28的负极和取样电阻21的第二个端子以及误差放大管22的发射极，取样电阻21的第一个端子联接取样电阻20的第二个端子和误差放大管22的基极，取样电阻20的第一个端子联接滤波电解电容28的正极并接地，辅助开关变压器31第一个输出绕组的第三个端子联接整流二极管32的正极，整流二极管32的负极联接滤波电解电容37的正极即输出节点VCC，滤波电解电容37的负极联接滤波电解电容38的正极和辅助开关变压器31第一个输出绕组的中心抽头并接地，滤波电解电容38的负极联接整流二极管33的正极即输出节点VEE，整流二极管33的负极联接辅助开关变压器31第一个输出绕组的第一个端子，辅助开关变压器31第二个输出绕组的第三个端子联接整流二极管34的正极，整流二极管34的负极联接滤波电解电容39的正极即输出节点YF+，滤波电解电容39的负极联接滤波电解电容40的正极和辅助开关变压器31第二个输出绕组的中心抽头作为运算放大器电源的参考点，滤波电解电容40的负极联接整流二极管35的正极即输出节点YF-，整流二极管35的负极联接辅助开关变压器31第二个输出绕组的第一个端子，辅助开关变压器31第三个输出绕组的第二个端子联接整流二极管36的正极，整流二极管36的负极联接滤波电解电容41的正极作为系统基准电源的参考点，滤波电解电容41的负极联接辅助开关变压器31第三个输出绕组的第一个端子即输出节点JZ-；在这里VCC作为新型开关电源3的正辅助电源，VEE作为新型开关电源3的负辅助电源，YF+作为运算放大器的正电源，YF-作为运算放大器的负电源，JZ-作为系统基准电源的输入电源；在电路中引入电平移位电阻24能使误差放大管22始终工作在放大区，误差放大管22的基极电位是对输出电压的间接取样，误差放大管22固有的阈电压可看作是辅助基准；其稳压原理是当输出电压偏高即误差放大管22的发射极电位低于正常值时，误差放大管22的集电极电流就高于正常值，这使得定时电容29的恢复过程变长即脉冲占空比增大，从而保持输出电压基本不变。
新型开关电源3是在他激间歇振荡电路的基础上，增加了稳压环节而具有可大范围调整输出的一种开关型直流稳定电源。为了降低新型开关电源3的最小变换能量，既屏弃了在(PWM)他激振荡方式中开关管激励幅度恒定的传统模式，又屏弃了在自激振荡方式中用分流技术改变开关管激励幅度的传统模式。在本实施例中，保留了他激间歇振荡电路中的开关型电源变换9部件；增加了脉冲发生器5和实现稳压功能所需的误差放大6、开关快速转换7、激励幅度调整8等部件。具体的技术方案如下所述。
电源变换1的输出端联接开关型电源变换9的电源输入端，辅助电源2的输出端联接脉冲发生器5、误差放大6、开关快速转换7、激励幅度调整8的电源输入端，脉冲发生器5的输出端联接开关快速转换7和激励幅度调整8的触发输入端，开关型电源变换9的反馈输出端联接开关快速转换7和激励幅度调整8的使能输入端，开关快速转换7的输出端联接激励幅度调整8的输出端和开关型电源变换9的控制输入端，开关型电源变换9的输出端联接其负载和误差放大6的检测输入端，误差放大6的输出端联接激励幅度调整8的幅度控制输入端；在本系统中，线性直流稳定电源4的输出作为误差放大6的参考基准，开关快速转换7可大大缩短开关型电源变换9中开、关状态的转换时间，其工作原理是脉冲发生器5在每个自激振荡周期中发出一个关闭开关快速转换7和启动激励幅度调整8的窄脉冲，激励幅度调整8的输出将使开关型电源变换9进行一次电源变换，当开关型电源变换9反馈的脉冲为高电平时，维持关闭开关快速转换7和启动激励幅度调整8，当开关型电源变换9反馈的脉冲幅度出现下降或低电平时，启动开关快速转换7和关闭激励幅度调整8；其稳压原理是；误差放大6根据开关型电源变换9输出的电压与其基准输入端的电压差异，改变激励幅度调整8的输出幅度，使开关型电源变换9输出的能量随之变化，从而保证新型开关电源3的辅出基本不变。
现在分别介绍新型开关电源3中各子功能模块的详细内容。
(a)开关型电源变换9的电路形式和电源变换原理与自激振荡式的电源变换主电路几乎完全一致，它们的差异在于这里的反馈线圈仅仅用来反映主开关管67的开关状态。在本实施例中，开关型电源变换9由电阻68，电容65，电解电容72，二极管69、71，三极管67，主开关变压器70等元件组成。具体的技术方案如下所述。
电源变换1的输出端联接阻尼电阻68的第一个端子和滤波电容65的第一个端子以及主开关变压器70励磁绕组的第一个端子，阻尼电阻68的第二个端子联接滤波电容65的第二个端子和阻尼二极管69的负极，阻尼二极管69的正极联接主开关变压器70励磁绕组的第二个端子和主开关管67的集电极，开关快速转换7和激励幅度调整8的输出端联接主开关管67的基极即开关型电源变换9的控制输入端，主开关管67的发射极联接主开关变压器70反馈绕组的第二个端子并接地，主开关变压器70反馈绕组的第一个端子作为反馈输出端；主开关变压器70输出绕组的第二个端子联接整流二极管71的正极，整流二极管71的负极联接滤波电解电容72的正极作为新型开关电源3的第一个输出端即节点SC1，滤波电解电容72的负极联接主开关变压器70输出绕组的第一个端子作为新型开关电源3的第二个输出端；其工作原理是激励幅度调整8输出电流时主开关管67进入导通状态，主开关变压器70励磁绕组中的电流开始线性增长其反馈端输出高电平；当主开关管67退出深饱和状态至临界饱和状态时，主开关变压器70反馈端输出的电平开始下降；若在此时关闭激励幅度调整8，则主开关管67从临界饱和状态经过放大状态最终截止，同时，主开关变压器70励磁绕组中的电流开始迅速下降其反馈端输出的电平也快速下降以至形成负电压；当电路处于间歇期时，主开关变压器70的反馈端输出零电平，至此完成了一个周期的电源变换。
(b)脉冲发生器5是在以时基电路(其型号为NE555)为核心的多谐振荡器基础上，增加了具有高阻输出状态的驱动电路。由于脉冲发生器5只负责启动新一轮的电源变换周期，故其发出的脉冲宽度在保证对主开关管67进行可靠触发的前提下要充分小；触发脉冲消失后，脉冲发生器5的状态不能影响主开关管67的工作状态。在本实施例中，基本的多谐振荡器由电阻42、43，电容44，时基电路45等元件组成；新增加的驱动环节由电阻46、47，三极管48等元件组成。具体的技术方案如下所述。
辅助电源2的输出节点VCC联接多谐振荡器的正电源端即时基电路45的8脚，多谐振荡器的负电源端即时基电路45的1脚接地，多谐振荡器的输出端即时基电路45的3脚联接限流电阻47的第二个端子，限流电阻47的第一个端子联接关门电阻46的第二个端子和三极管48的基极，关门电阻46的第一个端子联接三极管48的发射极再联接节点VCC；限流电阻47防止三极管48的基极电流过大，关门电阻46确保在多谐振荡器输出高电平时三极管48能可靠截止，三极管48的集电极作为脉冲发生器5的输出端既增强了驱动能力，又具有高阻输出状态；其工作原理是多谐振荡器每隔40μS输出一个宽度小于2μS的负向脉冲，这个负向脉冲使三极管48产生基极电流，这将导致三极管48的集电极输出高电平启动激励幅度调整8和关闭开关快速转换7。
(c)激励幅度调整8是大幅度降低开关管存储时间或最小导通时间的关键部件，为实现大范围调整开关型直流稳定电源的输出奠定了坚实的基础。它是以受控恒流源为核心，由于担负调整工作的三极管工作在典型的放大区，尽管所用器件数没有增加，但是调整灵敏度却有显著提高。在本实施例中，新增加的激励幅度调整8由电阻50、54、55、56、64，电容52，二极管51、53、57，三极管60、62以及光电耦合器49中的光敏三极管等元件组成。具体的技术方案如下所述。
辅助电源2的输出节点VCC联接电阻50、55的第一个端子和三极管60、62的集电极，电阻50的第二个端子联接光电耦合器49中光敏三极管的集电极和二极管51的负极，光电耦合器49中光敏三极管的发射极接地，二极管51的正极联接电阻55的第二个端子和电阻56的第一个端子以及加速电容52的第二个端子与二极管53、57的正极即节点KZ，加速电容52的第一个端子联接二极管53的负极和缓冲电阻54的第一个端子作为激励幅度调整8的触发输入端即节点CF再联接脉冲发生器5的输出端，缓冲电阻54的第二个端子作为激励幅度调整8的使能输入端即节点SN再联接开关型电源变换9的反馈输出端，二极管57的负极联接三极管60的基极，三极管60的发射极联接三极管62的基极，三极管62的发射极联接电阻64的第一个端子，电阻64的第二个端子作为激励幅度调整8的输出端联接开关型电源变换9的控制输入端；电阻50和二极管51可保证光电耦合器49正常工作，光电耦合器49是控制激励幅度调整8输出幅度的元件，电阻55、56限制激励幅度调整8的最大输出幅度，加速电容52可大大缩短关闭或启动激励幅度调整8状态的转换时间，缓冲电阻54可限制脉冲发生器5输出的电流，二极管57防止三极管60、62被击穿，三极管60、62组成达林顿管，电阻55、56、64和三极管60、62等元件组成受控恒流源的核心；其工作原理是当脉冲发生器5输出高电平时，二极管53被反向偏置，激励幅度调整8开始输出电流；触发信号消失后，节点CF的电位跟随节点SN的电位变化，当节点SN的电压呈下降趋势乃至负电压或零时，激励幅度调整8的输出将被关闭；另一方面，若光电耦合器49中的电流增大时，节点KZ的电位下降，受控恒流源通过电阻64的输出电流将减小即激励幅度调整8输出的幅度将下降。
(d)开关快速转换7是新型开关电源3中与激励幅度调整8紧密配合的重要部件，它可以大幅度地减少主开关管67的功率损耗，特别是主开关管67由导通变截止时的功率损耗，为本发明的实用化扫清了障碍。在本实施例中，新增加的开关快速转换7由电阻54、59、61、66，电容58，三极管63等元件组成。具体的技术方案如下所述。
缓冲电阻54的第一个端子作为开关快速转换7的触发输入端即节点CF联接脉冲发生器5的输出端，缓冲电阻54的第二个端子联接分压电阻59的第一个端子和加速电容58的第一个端子作为开关快速转换7的使能端即节点SN再联接开关型电源变换9的反馈输出端，分压电阻59的第二个端子联接加速电容58的第二个端子和分压电阻61的第一个端子以及三极管63的基极，分压电阻61的第二个端子联接三极管63的集电极和辅助电源2的输出节点VEE，三极管63的发射极联接电阻66的第一个端子作为开关快速转换7的输出端再联接开关型电源变换9的控制输入端，电阻66的第二个端子接地；加速电容58可大大缩短关闭或启动开关快速转换7状态的转换时间，分压电阻59和61可防止三极管63出现饱和状态，三极管63既可提高反馈脉冲下降沿的鉴别灵敏度，又能在间歇状态时可靠关闭开关型电源变换9，电阻66也可防止三极管63出现饱和状态；其工作原理是当脉冲发生器5输出高电平时，开关快速转换7的使能端也为高电平，三极管63的发射结被反偏，开关快速转换7在电路中不起作用触发信号消失后，节点CF的电位跟随节点SN的电位变化，当节点SN的电位为负电平或零时，三极管63的发射结被正偏，开关型电源变换9控制输入端的残余电荷将通过三极管63的发射极快速释放。
(e)误差放大6的电路形式与经典的误差放大器没有什么原则区别，为了适应新型开关电源3输出的变化范围大，而且还要和线性直流稳定电源4的输出联动这一特点，在本实施例中，误差放大6由电阻74、75、77，稳压二极管73，型号为LM318的运算放大器76以及光电耦合器49中的发光二极管等元件组成。具体的技术方案如下所述。
辅助电源2的输出节点YF+联接运算放大器76的正工作电源端即7脚，辅助电源2的输出节点YF-联接运算放大器76的负工作电源端即4脚，运算放大器76工作电源的参考点联接线性直流稳定电源的预输出端即节点SC2，开关型电源变换9的第一个输出端即节点SC1联接稳压管73的负极，稳压管73的正极联接取样电阻74的第一个端子和缓冲电阻75的第一个端子作为新型开关电源3的输出取样端，缓冲电阻75的第二个端子联接运算放大器76的同相输入端即3脚，运算放大器76的反相输入端即2脚联接缓冲电阻77的第一个端子，缓冲电阻77的第二个端子作为新型开关电源3的基准输入端联接节点SC2和光电耦合器49中发光二极管的负极，运算放大器76的输出端即6脚联接光电耦合器49中发光二极管的正极；稳压管73起电平移位作用，光电耦合器49将新型开关电源3的输入侧网络和输出侧网络用光耦合方式链接；其工作原理是节点SC1的电平被稳压管73减掉一定的量值后在取样电阻74的两端产生一定的电压，如果这个电压大于节点SC2的电压，则运算放大器76的输出增大，使得光电耦合器49中发光二极管的电流增加，这将导致光电耦合器49中光敏三极管的电流增加；电路进入稳态后，节点SC1的电压等于节点SC2的电压与稳压管73的稳定电压之和。
线性直流稳定电源4与经典的线性直流稳压电源的重要区别是调整管79由导通电阻约0.1欧姆的VMOS管IRF540担任，其驱动电路异常简单；用型号为LM318的高速运算放大器80、87担任信号放大，能减小输出波纹；系统的基准电源以型号为TL431的精密可调基准稳压集成电路90为核心，使得输出的稳定度更高、调试更容易；增加了可随机选择的稳流功能。在本实施例中，线性直流稳定电源4的现有技术部分由电阻78、81、86、91、94、95，电位器89，电解电容83等元件组成。具体的技术方案如下所述。
辅助电源2的输出节点YF+联接运算放大器80、87的正电源端即7脚，辅助电源2的输出节点YF-联接运算放大器80、87的负电源端即4脚，新型开关电源3的第一个输出端即节点SC1联接调整管79的漏极，运算放大器80的输出端即6脚联接调整管79的栅极，运算放大器80、87电源的参考点联接调整管79的源极和滤波电解电容83的正极以及电流取样电阻86的第一个端子作为线性直流稳定电源4的预输出端即节点SC2，电流取样电阻86的第二个端子联接电压取样电阻94的第一个端子作为线性直流稳定电源4的第一个输出端即节点SC+，电压取样电阻94的第二个端子联接电压取样电阻95的第一个端子和功能选择开关82的第一选择端子作为负载电压信息反馈端，新型开关电源3的第二个输出端联接滤波电解电容83的负极和电压取样电阻95的第二个端子作为线性直流稳定电源4的第二个输出端即节点SC-，功能选择开关82的刀联接缓冲电阻78的第二个端子，缓冲电阻78的第一个端子联接运算放大器80的同相输入端即3脚，运算放大器80的反相输入端即2脚联接缓冲电阻81的第一个端子，缓冲电阻81的第二个端子联接电位器89的滑臂即基准电源的输出端；系统基准电源的特征在于，其输入电源的参考点联接取样电阻92的第一个端子和稳压管90的阴极以及电位器89的第一个端子再联接节点SC+，取样电阻92的第二个端子联接取样电阻93的第一个端子和稳压管90的基准电压端，取样电阻93的第二个端子联接稳压管90的阳极和电位器89的第三个端子以及限流电阻91的第一个端子，限流电阻91的第二个端子联接辅助电源2的输出节点JZ-；稳流功能的特征在于，电流取样电阻86的第一个端子联接外接电阻84的第一个端子，外接电阻84的第二个端子联接反馈电阻85的第一个端子和运算放大器87的反相输入端即2脚，反馈电阻85的第二个端子联接运算放大器87的反相输出端即6脚和功能选择开关82的第二选择端子作为负载电流信息反馈端，平衡电阻88的第二个端子联接运算放大器87的同相输入端即3脚，平衡电阻88的第一个端子联接节点SC+，这几个元件组成的反相比例器可大大降低电流取样电阻86的阻值；其工作原理是当功能选择开关82的刀置于负载电流信息反馈端时，电路能够稳定输出的系统负载电流；当功能选择开关82的刀置于负载电压信息反馈端时，电路能够稳定输出的系统负载电压。
发明的优点对于新型直流稳定电源来说，用大范围可调的开关型直流稳定电源代替了传统的具有多个绕组抽头的电源变压器，其好处是系统的体积小、重量轻。由于系统的输出是经过大范围可调的开关型直流稳定电源和经过革新的线性直流稳定电源二级稳定得到的，因而系统兼有这两类电源的各自优点和高性能。特别是大范围可调的开关型直流稳定电源的输出与经过革新的线性直流稳定电源的输出保持联动，不仅使调整管的损耗大大降低、使系统具有高效率，而且还屏弃了各种形式的多档分线开关，真正实现了输出的无级调节。
对于大范围可调的开关型直流稳定电源来说，采用了开关管激励幅度可变的他激间歇振荡方式，使得该电源兼有开关频率稳定和最小变换能量小即输出变化范围大的优点。
实现发明的最好方式。在前面介绍的实施例中，是利用市场上能够买到的现成商品实现的。为了使本发明的实用性更强、性能更好、成本更低、维护更简单，有必要利用集成电路技术把新型开关电源3中的脉冲发生器5、开关快速转换7、激励幅度调整8等功能部件集成在一个芯片中，将使其外电路极为简单和提高其它各项技术指标。如果利用数字技术配合脉冲发生器5控制受控恒流源的状态，那么效果会更好。
权利要求
1.新型直流稳定电源，包括电源变换(1)，其特征在于，市电联接电源变换(1)的输入端，电源变换(1)的输出端联接辅助电源(2)的输入端和新型开关电源(3)的主电源输入端，辅助电源(2)的输出端联接新型开关电源(3)和线性直流稳定电源(4)的辅助电源输入端，新型开关电源(3)的输出端联接线性直流稳定电源(4)的主电源输入端，线性直流稳定电源(4)的输出端联接系统的负载和新型开关电源(3)的基准输入端；在上述部件中，电源变换(1)对市电直接整流、滤波，其输出的直流高电压是系统的主电源，新型开关电源(3)是大范围可调的开关型直流稳定电源，辅助电源(2)输出的直流低电压作为新型开关电源(3)和线性直流稳定电源(4)中非主电路的工作电源，线性直流稳定电源(4)具有完整的稳定环节其中包含系统的基准电源；其工作原理是新型开关电源(3)的负载是线性直流稳定电源(4)即这两类稳定电源级联运行，线性直流稳定电源(4)的输出既联接系统的负载也作为新型开关电源(3)的基准，使得新型开关电源(3)输出的电压能够跟随线性直流稳定电源(4)输出电压的变化而变化。
2.如权利要求1所述的新型直流稳定电源，其中辅助电源(2)包括电阻(23)、(26)，电容(29)，电解电容(37)、(38)、(39)、(40)、(41)，二极管(27)、(32)、(33)、(34)、(35)、(36)，三极管(25)，辅助开关变压器(31)，其特征在于，电源变换(1)的输出端联接启动电阻(23)的第一个端子和阻尼电阻(26)的第一个端子以及辅助开关变压器(31)励磁绕组的第一个端子，阻尼电阻(26)的第二个端子联接阻尼二极管(27)的负极，阻尼二极管(27)的正极联接辅助开关变压器(31)励磁绕组的第二个端子和辅助开关管(25)的集电极，启动电阻(23)的第二个端子联接电平移位电阻(24)的第一个端子和误差放大管(22)的集电极，电平移位电阻(24)的第二个端子联接辅助开关管(25)的基极和定时电容(29)的第一个端子，定时电容(29)的第二个端子联接辅助开关变压器(31)反馈绕组的第一个端子和整流二极管(30)的负极，辅助开关管(25)的发射极联接辅助开关变压器(31)反馈绕组的第二个端子并接地；整流二极管(30)的正极联接滤波电解电容(28)的负极和取样电阻(21)的第二个端子以及误差放大管(22)的发射极，取样电阻(21)的第一个端子联接取样电阻(20)的第二个端子和误差放大管(22)的基极，取样电阻(20)的第一个端子联接滤波电解电容(28)的正极并接地，辅助开关变压器(31)第一个输出绕组的第三个端子联接整流二极管(32)的正极，整流二极管(32)的负极联接滤波电解电容(37)的正极即输出节点VCC，滤波电解电容(37)的负极联接滤波电解电容(38)的正极和辅助开关变压器(31)第一个输出绕组的中心抽头并接地，滤波电解电容(38)的负极联接整流二极管(33)的正极即输出节点VEE，整流二极管(33)的负极联接辅助开关变压器(31)第一个输出绕组的第一个端子，辅助开关变压器(31)第二个输出绕组的第三个端子联接整流二极管(34)的正极，整流二极管(34)的负极联接滤波电解电容(39)的正极即输出节点YF+，滤波电解电容(39)的负极联接滤波电解电容(40)的正极和辅助开关变压器(31)第二个输出绕组的中心抽头作为运算放大器电源的参考点，滤波电解电容(40)的负极联接整流二极管(35)的正极即输出节点YF-，整流二极管(35)的负极联接辅助开关变压器(31)第二个输出绕组的第一个端子，辅助开关变压器(31)第三个输出绕组的第二个端子联接整流二极管(36)的正极，整流二极管(36)的负极联接滤波电解电容(41)的正极作为系统基准电源的参考点，滤波电解电容(41)的负极联接辅助开关变压器(31)第三个输出绕组的第一个端子即输出节点JZ-；在这里VCC作为新型开关电源(3)的正辅助电源，VEE作为新型开关电源(3)的负辅助电源，YF+作为运算放大器的正电源，YF-作为运算放大器的负电源，JZ-作为系统基准电源的输入电源；在电路中引入电平移位电阻(24)能使误差放大管(22)始终工作在放大区，误差放大管(22)的基极电位是对输出电压的间接取样，误差放大管(22)固有的阈电压可看作是辅助基准；其稳压原理是当输出电压偏高即误差放大管(22)的发射极电位低于正常值时，误差放大管(22)的集电极电流就高于正常值，这使得定时电容(29)的恢复过程变长即脉冲占空比增大，从而保持输出电压基本不变。
3.如权利要求1所述的新型直流稳定电源，其中新型开关电源(3)包括开关型电源变换(9)，其特征在于，电源变换(1)的输出端联接开关型电源变换(9)的电源输入端，辅助电源(2)的输出端联接脉冲发生器(5)、误差放大(6)、开关快速转换(7)、激励幅度调整(8)的电源输入端，脉冲发生器(5)的输出端联接开关快速转换(7)和激励幅度调整(8)的触发输入端，开关型电源变换(9)的反馈输出端联接开关快速转换(7)和激励幅度调整(8)的使能输入端，开关快速转换(7)的输出端联接激励幅度调整(8)的输出端和开关型电源变换(9)的控制输入端，开关型电源变换(9)的输出端联接其负载和误差放大(6)的检测输入端，误差放大(6)的输出端联接激励幅度调整(8)的幅度控制输入端；在本系统中，线性直流稳定电源(4)的输出作为误差放大(6)的参考基准，开关快速转换(7)可大大缩短开关型电源变换(9)中开、关状态的转换时间，其工作原理是脉冲发生器(5)在每个自激振荡周期中发出一个关闭开关快速转换(7)和启动激励幅度调整(8)的窄脉冲，激励幅度调整(8)的输出将使开关型电源变换(9)进行一次电源变换，当开关型电源变换(9)反馈的脉冲为高电平时，维持关闭开关快速转换(7)和启动激励幅度调整(8)，当开关型电源变换(9)反馈的脉冲幅度出现下降或低电平时，启动开关快速转换(7)和关闭激励幅度调整(8)；其稳压原理是误差放大(6)根据开关型电源变换(9)输出的电压与其基准输入端的电压差异，改变激励幅度调整(8)的输出幅度，使开关型电源变换(9)输出的能量随之变化，从而保证新型开关电源(3)的输出基本不变。
4.如权利要求1或3所述的新型直流稳定电源，其中新型开关电源(3)所属的脉冲发生器(5)包括电阻(42)、(43)，电容(44)，时基电路(45)，其特征在于，辅助电源(2)的输出节点VCC联接多谐振荡器的正电源端即时基电路(45)的8脚，多谐振荡器的负电源端即时基电路(45)的1脚接地，多谐振荡器的输出端即时基电路(45)的3脚联接限流电阻(47)的第二个端子，限流电阻(47)的第一个端子联接关门电阻(46)的第二个端子和三极管(48)的基极，关门电阻(46)的第一个端子联接三极管(48)的发射极再联接节点VCC；限流电阻(47)防止三极管(48)的基极电流过大，关门电阻(46)确保在多谐振荡器输出高电平时三极管(48)能可靠截止，三极管(48)的集电极作为脉冲发生器(5)的输出端既增强了驱动能力，又具有高阻输出状态；其工作原理是多谐振荡器每隔40μS输出一个宽度小于2μS的负向脉冲，这个负向脉冲使三极管(48)产生基极电流，这将导致三极管(48)的集电极输出高电平启动激励幅度调整(8)和关闭开关快速转换(7)。
5.如权利要求1或3所述的新型直流稳定电源，其中新型开关电源(3)所属的激励幅度调整(8)的特征在于，辅助电源(2)的输出节点VCC联接电阻(50)、(55)的第一个端子和三极管(60)、(62)的集电极，电阻(50)的第二个端子联接光电耦合器(49)中光敏三极管的集电极和二极管(51)的负极，光电耦合器(49)中光敏三极管的发射极接地，二极管(51)的正极联接电阻(55)的第二个端子和电阻(56)的第一个端子以及加速电容(52)的第二个端子与二极管(53)、(57)的正极即节点KZ，加速电容(52)的第一个端子联接二极管(53)的负极和缓冲电阻(54)的第一个端子作为激励幅度调整(8)的触发输入端即节点CF再联接脉冲发生器(5)的输出端，缓冲电阻(54)的第二个端子作为激励幅度调整(8)的使能输入端即节点SN再联接开关型电源变换(9)的反馈输出端，二极管(57)的负极联接三极管(60)的基极，三极管(60)的发射极联接三极管(62)的基极，三极管(62)的发射极联接电阻(64)的第一个端子，电阻(64)的第二个端子作为激励幅度调整(8)的输出端联接开关型电源变换(9)的控制输入端；电阻(50)和二极管(51)可保证光电耦合器(49)正常工作，光电耦合器(49)是控制激励幅度调整(8)输出幅度的元件，电阻(55)、(56)限制激励幅度调整(8)的最大输出幅度，加速电容(52)可大大缩短关闭或启动激励幅度调整(8)状态的转换时间，缓冲电阻(54)可限制脉冲发生器(5)输出的电流，二极管(57)防止三极管(60)、(62)被击穿，三极管(60)、(62)组成达林顿管，电阻(55)、(56)、(64)和三极管(60)、(62)等元件组成受控恒流源的核心；其工作原理是；当脉冲发生器(5)输出高电平时，二极管(53)被反向偏置，激励幅度调整(8)开始输出电流；触发信号消失后，节点CF的电位跟随节点SN的电位变化，当节点SN的电压呈下降趋势乃至负电压或零时，激励幅度调整(8)的输出将被关闭；另一方面，若光电耦合器(49)中的电流增大时，节点KZ的电位下降，受控恒流源通过电阻(64)的输出电流将减小即激励幅度调整(8)输出的幅度将下降。
6.如权利要求1或3所述的新型直流稳定电源，其中新型开关电源(3)所属的开关快速转换(7)的特征在于，缓冲电阻(54)的第一个端子作为开关快速转换(7)的触发输入端即节点CF联接脉冲发生器(5)的输出端，缓冲电阻(54)的第二个端子联接分压电阻(59)的第一个端子和加速电容(58)的第一个端子作为开关快速转换(7)的使能端即节点SN再联接开关型电源变换(9)的反馈输出端，分压电阻(59)的第二个端子联接加速电容(58)的第二个端子和分压电阻(61)的第一个端子以及三极管(63)的基极，分压电阻(61)的第二个端子联接三极管(63)的集电极和辅助电源(2)的输出节点VEE，三极管(63)的发射极联接电阻(66)的第一个端子作为开关快速转换(7)的输出端再联接开关型电源变换(9)的控制输入端，电阻(66)的第二个端子接地；加速电容(58)可大大缩短关闭或启动开关快速转换(7)状态的转换时间，分压电阻(59)和(61)可防止三极管(63)出现饱和状态，三极管(63)既可提高反馈脉冲下降沿的鉴别灵敏度，又能在间歇状态时可靠关闭开关型电源变换(9)，电阻(66)也可防止三极管(63)出现饱和状态；其工作原理是当脉冲发生器(5)输出高电平时，开关快速转换(7)的使能端也为高电平，三极管(63)的发射结被反偏，开关快速转换(7)在电路中不起作用；触发信号消失后，节点CF的电位跟随节点SN的电位变化，当节点SN的电位为负电平或零时，三极管(63)的发射结被正偏，开关型电源变换(9)控制输入端的残余电荷将通过三极管(63)的发射极快速释放。
7.如权利要求1或3所述的新型直流稳定电源，其中新型开关电源(3)所属的误差放大(6)包括电阻(74)、(75)、(77)，其特征在于，辅助电源(2)的输出节点YF+联接运算放大器(76)的正工作电源端即7脚，辅助电源(2)的输出节点YF-联接运算放大器(76)的负工作电源端即4脚，运算放大器(76)工作电源的参考点联接线性直流稳定电源的预输出端即节点SC2，开关型电源变换(9)的第一个输出端即节点SC1联接稳压管(73)的负极，稳压管(73)的正极联接取样电阻(74)的第一个端子和缓冲电阻(75)的第一个端子作为新型开关电源(3)的输出取样端，缓冲电阻(75)的第二个端子联接运算放大器(76)的同相输入端即3脚，运算放大器(76)的反相输入端即2脚联接缓冲电阻(77)的第一个端子，缓冲电阻(77)的第二个端子作为新型开关电源(3)的基准输入端联接节点SC2和光电耦合器(49)中发光二极管的负极，运算放大器(76)的输出端即6脚联接光电耦合器(49)中发光二极管的正极；稳压管(73)起电平移位作用，光电耦合器(49)将新型开关电源(3)的输入侧网络和输出侧网络用光耦合方式链接；其工作原理是节点SC1的电平被稳压管(73)减掉一定的量值后在取样电阻(74)的两端产生一定的电压，如果这个电压大于节点SC2的电压，则运算放大器(76)的输出增大，使得光电耦合器(49)中发光二极管的电流增加，这将导致光电耦合器(49)中光敏三极管的电流增加；电路进入稳态后，节点SC1的电压等于节点SC2的电压与稳压管(73)的稳定电压之和。
8.如权利要求1所述的新型直流稳定电源，其中线性直流稳定电源(4)包括电阻(78)、(81)、(86)、(91)、(94)、(95)，电位器(89)，电解电容(83)，其特征在于，辅助电源(2)的输出节点YF+联接运算放大器(80)、(87)的正电源端即7脚，辅助电源(2)的输出节点YF-联接运算放大器(80)、(87)的负电源端即4脚，新型开关电源(3)的第一个输出端即节点SC1联接调整管(79)的漏极，运算放大器(80)的输出端即6脚联接调整管(79)的栅极，运算放大器(80)、(87)电源的参考点联接调整管(79)的源极和滤波电解电容(83)的正极以及电流取样电阻(86)的第一个端子作为线性直流稳定电源(4)的预输出端即节点SC2，电流取样电阻(86)的第二个端子联接电压取样电阻(94)的第一个端子作为线性直流稳定电源(4)的第一个输出端即节点SC+，电压取样电阻(94)的第二个端子联接电压取样电阻(95)的第一个端子和功能选择开关(82)的第一选择端子作为负载电压信息反馈端，新型开关电源(3)的第二个输出端联接滤波电解电容(83)的负极和电压取样电阻(95)的第二个端子作为线性直流稳定电源(4)的第二个输出端即节点SC-，功能选择开关(82)的刀联接缓冲电阻(78)的第二个端子，缓冲电阻(78)的第一个端子联接运算放大器(80)的同相输入端即3脚，运算放大器(80)的反相输入端即2脚联接缓冲电阻(81)的第一个端子，缓冲电阻(81)的第二个端子联接电位器(89)的滑臂即基准电源的输出端；系统基准电源的特征在于，其输入电源的参考点联接取样电阻(92)的第一个端子和稳压管(90)的阴极以及电位器(89)的第一个端子再联接节点SC+，取样电阻(92)的第二个端子联接取样电阻(93)的第一个端子和稳压管(90)的基准电压端，取样电阻(93)的第二个端子联接稳压管(90)的阳极和电位器(89)的第三个端子以及限流电阻(91)的第一个端子，限流电阻(91)的第二个端子联接辅助电源(2)的输出节点JZ-；稳流功能的特征在于，电流取样电阻(86)的第一个端子联接外接电阻(84)的第一个端子，外接电阻(84)的第二个端子联接反馈电阻(85)的第一个端子和运算放大器(87)的反相输入端即2脚，反馈电阻(85)的第二个端子联接运算放大器(87)的反相输出端即6脚和功能选择开关(82)的第二选择端子作为负载电流信息反馈端，平衡电阻(88)的第二个端子联接运算放大器(87)的同相输入端即3脚，平衡电阻(88)的第一个端子联接节点SC+，这几个元件组成的反相比例器可大大降低电流取样电阻(86)的阻值；其工作原理是；当功能选择开关(82)的刀置于负载电流信息反馈端时，电路能够稳定输出的系统负载电流；当功能选择开关(82)的刀置于负载电压信息反馈端时，电路能够稳定输出的系统负载电压。
全文摘要
新型直流稳定电源是代替通用型高精度直流稳压电源的电源设备。在新型直流稳定电源中，具有大范围可调的新一代开关型直流稳定电源和经过改进的线性直流稳定电源级联应用，而且它们各自的输出又保持联动，使得系统不仅综合了这两类电源的各自优点，而且还屏弃了各种形式的多档分线开关，真正实现了输出的无级调节。大范围可调的开关型直流稳定电源，采用了独特的他激间歇振荡方式，使得其兼有开关频率稳定和最小变换能量小的优点。
文档编号H02M3/24GK1470967SQ03149239
公开日2004年1月28日 申请日期2003年6月20日 优先权日2003年6月20日
发明者张步学 申请人:张步学