专利名称：高效率线性电源模块的制作方法
技术领域：
本发明采用电源调整管输出输入电压自动跟踪技术，使固定输出电压的线性电源效率和 功率密度得到最大限度的提升，从而创造出全功率输出范围内超小体积的块状AC/DC线性电 源，该技术属电源电子技术领域。
背景技术：
目前固定电压输出的线性电源，为了保证在负载变化、供电电源电压变化等情况下，电 源调整管都能工作在线性区，其两端都有几伏到十几伏的压差，当输出电流大时，电源调整 管就有很大的功率消耗，因此，目前的线性电源效率很低，其次，电源调整管必须用散热器 及风机散热，这导致线性电源的体积增大。
低压差线性集成稳压器和模块效率较高，但工作方式依然是被动的，即不能自动控制和 改变电源调整管输入端电压，在绝大多数情况下，其效率高的特性不能体现。另外，这类器 件价格高且输出功率不大也限制了其应用范围。
开关电源模块因效率高，使用量也很大，但一些技术指标太低，犹其是输出纹波太大难 以克服，故在很多精密电子产品、特别是含模拟量控制的电子产品中都不能使用。
目前为小功率电子产品提供电源的还有采用工频变压器的电源适配器，这类产品要消耗 大量的有色金属和硅钢材料，效率低，体积大，且无稳压输出，和电子产品匹配更增大了产 品的能耗。
发明内容
本发明是使线性电源的电源调整管输入端直接接高压隔离开关电源变压器的次级电压， 在电源调整管的输入和输出端取出采样电压，分别送到集成运算放大器的同相和反相输入端 作减法运算，将运算出的差值电压和设定压差比较后，用其误差电压对高压隔离开关电源的 输出电压进行控制，在所有不同段的输出电压和输出功率范围内，以及供电电压变化，电源 调整管输出输入两端的压差始终能精确控制在其临界饱和的线性区，其功率消耗限制到最低， 从而使线性电源的效率得到最大限度的提升。
本发明技术和高压开关电源的各种拓扑构成，从小功率输出的单端反激、正激、TOP等各 种电源管、大功率输出的半桥、全桥、推挽等，采用同步整流和有源箝位技术，都能实现很 好的接口和控制。
由于线性电源的电源调整管功率消耗很小，占用电源的空间不大，所以本线性电源模块 的功率密度能在所有不同的输出功率下都和开关电源模块相近。 本发明的技术实质和有益效果是-
1.电子产品无用的耗能皆为电源，提高电源的效率可以提高产品的能耗标准；我国现使 用线性电源的电子产品在10亿以上，若全部采用本模块或本模块高效率技术模式，以每个产品平均年节电30度计，我国可以年节约电能300亿度以上。
2. 本发明改变了数十年来线性电源效率低的状况，能有效地节约能源和资源，提高线性 电源的功率密度，降低相关电子产品的研发、生产和制造成本；
3. 技术通用性强，模块的输出功率从几瓦到几百瓦都能适用，技术可以延伸到几十千瓦 以上；
4. 开关型电源及电源模块由于工作方式的限制，很多技术指标难以达到精密直流电源的 要求，而线性电源很容易做到，本发明突破了线性电源效率低的瓶颈，将会产生一种全新的 直流电源理念和格局；
5. 线性电源是极为重要的一种电源，其优劣直接影响到各种精密电子产品的性能指标， 而线性电源形成的方法很多，水平参差不齐，本发明将对规范直流电源行业市场、制订各类 电子产品的行业能耗标准和国家标准，起到积极的典范作用。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1和图2是本发明的基本原理框图。用于说明本发明的技术结构特征。 图1和图2中《输出电压设定》可用精密可调式稳压器TL431、各种集成稳压器或其它 稳压方式实现。
图1和图2中《压差设定控制》可用LM358或TL082等通用运算放大器。
图1中《脉宽调制器》可由精密可调式稳压器TL431和线性光电藕合器等组成精密负反
馈回路来控制分立元件或单片电源管组成的正激、反激单端输出的开关电源输出的基本原理
结构框图。
图2中《脉宽调制器》可由双端输出的脉宽调制器集成芯片如SG3524、 TL494等组成， 用于对不同拓扑如半桥、全桥、推挽等大功率开关电源输出脉宽控制的基本原理结构框图。
图3、图4和图5是本发明的三个典型可实施例，各元器件使用及元器件参数选用仅用 于对该可实施例的原理和工作方式的详细说明，由于本发明的应用范围可涉足整个固定输出 电压的直流稳压电源和所有釆用线性电源的电子产品，在实际应用中，根据其处理方式以及 输出功率要求的不同会有很多不同的电路组成结构。
图3、图4和图5中，3V电压为一组独立电源，迭加在主输出电压上，提供集成稳压器 或复合管BG1正常工作的必要电压，以保证电源调整管在IV以下的压差下正常工作，在输 出电压小于9V的情况下，还可以兼作辅助电源，如图3。
图6是本发明两种输出功率的典型体积尺寸，用以对本发明的高效率和高功率密度的感 性了解，实际上，根据输出电压和输出功率的不同，本发明可以形成十多种体积尺寸和一百 多种型号规格品种。
具体实施例方式
图3、图4和图5是本发明三种完整体现产品设计构思的典型电原理图，下面加以详细 说明。
图3可用于和TOP系列电源管构成的单端反激开关电源接口，输出功率30W以下、输出电流小于2A的线性电源模块，模块的整机效率大于70%。
图中，从电源调整管BG2输入输出端分别取出采样电压，送到运算放大器IC2A的同相 和反相输入端，经放大器减法运算获取差值电压，此电压作为精密稳压器TL431控制的基准 电压，经光电耦合器PC817A，控制TOP247Y输出的振荡脉冲宽度，达到输出稳定的跟踪电 压，这是一个闭环负反馈过程，设BG2输入电压ViT，贝ijIC2A输出电压T。 TL431输出电压 i， PC817A输出电流T， TOP247Y的脉冲宽度i,变压器Bl输出电压i，以此达到电源调整 管输入输出压差不变。反之亦然，改变电阻R16和R13的比值即可改变BG2输入输出压差 的大小。由IC2B等元件构成过流保护电路，当发生过流时，IC2B输出高电压使BG3饱和导 通，BG1和BG2截止，输出电压为O,由R22和K1组成正反馈自锁回路，Kl为一常闭按钮， 排除负载故障后，按一下K1，模块即可恢复正常工作。
图4为输出功率在2CM50W，输出电流可达10A以上的多路电压输出模块典型实施方式。 图中辅助电压是假定输出电压大于12V而设计的供电方式，若输出电压小于12V，可采用图 3的供电方法。本图中，Rb为均衡电阻，当输出电流很大时，以保证多个BG2并联其输出电 流平均分配。第二路输出中，IC4可以采用普通三端稳压器或低压差稳压器，如果输出电流 较大，为提高效率，也可以采用主输出的原理方法，图中RIO、 Rll、 R12需根据各路输出电 流大小、稳压精度要求等因素正确选配。
图5为线性电源和由功率MOS管组成的半桥式开关电源的典型接口方法，该电路的输 出功率大于150W，合理选取BG2的参数和个数，输出电流可以任意大。
图5中，从电源调整管BG2输出输入端分别取出采样电压，送到运算放大器IC2A的同 相和反相输入端，经减法运算后获取差值电压，送到IC1的反相输入端，和同相输入端的基 准电压比较，其误差电压来控制IC1输出的脉冲宽度，达到输出稳定的跟踪电压，上述过程 是一个闭环负反馈过程，设电源调整管BG2的输入电压ViT， IC2A输出电压T， IC2输出电 压的脉宽宽度i，高频变压器输出电压i，以此达到电源调整管输入输出压差不变。反之亦然。
本发明的共性问题处理方法理论上，电源调整管输入输出压差越小，线性电源模块的 效率越高，功率密度越大，如果电源调整管的输入端滤波电容C8无限大，是可以做到的， 但C8越大，体积越大，成本越高，所以这两点要合理选配，从现今半导体技术和材料成本 综合考虑，先将压差定为电源调整管的饱和压降Vb+0.2V，在保证电源调整管完全工作在线 性区的条件下再确定C8容量的大小较为合理。
权利要求
1.高效率线性电源模块，可使固定电压输出的线性电源的效率和功率密度最大限度提升而创造的一种新的系列AC/DC电源产品，其特征是线性电源的电源调整管输入端直接接高压隔离开关电源的次级电压，在电源调整管的输入和输出端取出采样电压，分别送到集成运算放大器的同相和反相输入端作减法运算，将运算出的差值电压和设定压差比较后，用其误差电压对高压隔离开关电源的输出电压进行控制，无论供电电压和输出功率如何改变，电源调整管输入输出两端的压差始终精确控制在其临界饱和的线性区。
2. 根据权利要求l所述的高效率线性电源模块，其特征是电源调整管输入输出电压自动跟 踪技术和高压隔离开关电源的各种拓扑构成，小功率输出的单端反激、正激、TOP系列等各种电源管、大功率输出的半桥、全桥、推挽、采用同步整流和有源箝位技术，都能实现很好 的接口和控制。
3. 根据权利要求1所述的高效率线性电源模块，其特征是由一个大于3V，独立的直流电压向控制电源调整管输出电压和电流的电路供电，该电压叠加在电源调整管的输入电压上。
全文摘要
高效率线性电源模块是采用电源调整管输出输入电压自动跟踪技术，使固定输出电压的线性电源效率和功率密度得到最大限度的提升，从而创造出全功率输出范围内超小体积的块状AC/DC线性电源，模块具有完善的线性电源使用功能，可以应用到所有需要固定线性电源的电子产品。本发明技术和高压开关电源的各种拓扑构成，从小功率输出的单端反激、正激、TOP等各种电源管、大功率输出的半桥、全桥、推挽等，采用同步整流和有源箝位技术，都能实现很好的接口和控制。本发明技术通用性很强，模块的输出功率从几瓦到几百瓦都能适用，技术可以延伸到几十千瓦以上。
文档编号H02M7/155GK101662221SQ20081004896
公开日2010年3月3日 申请日期2008年8月25日 优先权日2008年8月25日
发明者程杰保 申请人:程杰保