一种高电压低纹波输出电路的制作方法

本实用新型涉及线性电源领域，尤其涉及一种高电压低纹波输出电路。

背景技术：

随着电源技术的发展及目前大功率高电压LED测试仪对测试精度要求的提高，传统的开关电源供电及常用DC-DC转换器电路无论是电源利用效率、成本、测试精度、灵活性等方面都无法适用目前高电压大功率LED测试仪行业的应用。

实际应用环境，LED高压测试仪要求测试精度在0.3％以内因此实际设计时对该电源系统的要求将更为看重低纹波输出、较好的负载调整率及电源调整率三个指标。再者，LED高压测试仪主要应用于LED工业生产。对电路系统稳定性、电路的实际应用寿命、操作风险，以及是否具有完善过流保护机制都是本领域技术人员需要考虑的问题。

因此，需要研发设计一种较为清晰、灵活度较高的电源电路结构；且电源电压可选范围非常宽，输出纹波电压、电流低的开关电源。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种较为低纹波输出、较好的负载调整率及电源调整的电源电路结构；且电源电压可选范围非常宽，输出纹波电压、电流低的开关电源。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种高电压低纹波输出电路，高电压低纹波输出电路是线性电压调节器电路包括PASS调整元件、误差放大器和电阻反馈网络、线性参考源、折返过流保护电路；所述PASS调整元件是PMOS场效应晶体管；电阻反馈网络采用电阻分压器；所述折返过流保护电路包括三极管和增强型MOS管；电阻反馈网络及误差放大器组成反馈环， PASS调整元件为电源输出调整器件通过PASS调整元件实现较低的漏出电压。

本实用新型一个较佳实施方案中，折返过流保护电路包括PNP三极管和增强型P型MOS管，通过PNP三极管的集电极电流Ic控制增强型P型MOS 管的所处饱和区的状态，以此来调节输出电流的大小。

本实用新型一个较佳实施方案中，折返过流保护电路包括电源输入端V1与PASS调整元件的GMP输入端PinA之间串接有电流检测电阻Rsence和P 型MOS管M1，所述电流检测电阻Rsence左侧支接一路连接有电阻R2，电流检测电阻Rsence右侧支接一路连接有电阻R3，电阻R2的另一端与三极管Q1 的发射极连接，电阻R3的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的集电极分成两路一路与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与电流检测电阻Rsence 和电阻R2连接点连接，三极管Q1的集电极的另一路串接电阻R4与P型MOS 管M1栅极端连接，P型MOS管M1的源极端与电流检测电阻Rsence连接，且 P型MOS管M1的漏极端与PASS调整元件输入端连接，且三极管Q1的基极通过串接电阻R5与高电压低纹波输出电路的Vout端连接。

进一步的，高电压低纹波输出电路的PASS调整元件、误差放大器和电阻反馈网络包括,与P型MOS管M1的漏极端连接的PASS调整元件GMP，PASS 调整元件GMP的输入端PinA与折返过流保护电路输出端连接,PASS调整元件 GMP的输出端PinB与输入端PinA之间设置有电阻Ro-pass，高电压低纹波输出电路通过Vout端输出，且输出端PinB与Vout端连接，且输出端PinB与Vout 端之间支接两路一路连接电阻R5后与三极管Q1的基极连接，另一路通过串接电阻R7和电阻R8后接GND，且电阻R7和电阻R8两端并联电阻R9和电容C2的串联电路，PASS调整元件GMP的控制端PinC与误差放大器Gma输出端连接，且输入端PinA通过电容C3接GND,误差放大器Gma输出端通过电容 C1和电阻R6并联电路接GND，且，误差放大器Gma负极输入端与串接电阻 R7和电阻R8的连接端连接，误差放大器Gma正极输入端通过参考电压Vref接 GND；Vout端与GND之间并联有负载R11。

本实用新型一个较佳实施方案中，高电压低纹波输出电路的环路电源调整率是：

其中，Aol是低频开环增益，Gmp和ro-pass分别是pass元件的跨导和输出电阻，β是分压器反馈网络的结果,ΔVout是输出电压变化值，ΔVin是输入电压变化值，ΔVref是参考电压变化值。

具体的，从方程中可以看出，要获得较好的输出电压精度，就需要高的开环增益。然而，当开环增益过大时，则牺牲了系统的稳定性。因此在满足要求的同时对开环增益进行适度控制以增加环路相位裕度，同时在系统输出端增加RC系统通过引入零点的方式对相位裕度以及增益裕度进行补偿，以满足环路稳定性设计要求。

本实用新型一个较佳实施方案中，高电压低纹波输出电路的环路负载调节率表示输出电压与输出电流之比，环路负载调整率是：

其中，Aol是低频开环增益，ro-pass是pass元件的输出电阻，β是分压器反馈网络的结果，ΔVout是输出电压变化值，ΔVin是输入电压变化值；

具体的负载调节本质上是调整器的输出电阻，它是负载电流突然变化的结果。当负载电流瞬间增大时，负载电容提供额外的电流，电容器电压下降，改变输出电压。当误差放大器检测到反馈网络缩放的输出电压的变化时，补偿这种变化，以保持输出电压恒定，通过改变调整管(PASS调整元件GMP)来输出更多的电流。从方程可以看出，随着开环增益的增加，负载调节的性能提高，但与线路调节一样，系统的稳定性也受到影响。

本实用新型一个较佳实施方案中，高电压低纹波输出电路包括静态设计特征、动态设计特征、高频设计特征；所述静态设计特征通过温度系数分析实现，温度系数方程：

其中，Vout是输出电压，Temp是pass元件温度，ΔVTC是温度变化范围内的输出电压变化，ΔVTCref和ΔVTCvos分别是误差放大器参考电压和误差放大器输入偏置电压的变化，代表求偏导数；

本实用新型一个较佳实施方案中，高频设计特征采用电源抑制比PSRR进行衡量设计指标；电源抑制比PSRR是电源稳压器抑制输入电压源高频噪声的能力；电源抑制比PSRR是是双极晶体管寄生电容的函数，与电源增益的倒数成正比，方程是：

其中，A(ω)为电路系统开环增益，Asupply(ω)为系统电源增益；

本实用新型一个较佳实施方案中，动态设计特征，当负载电流瞬间变化或发生电源电压变化时，此时将采用动态设计规范进行设计分析整套电路系统。动态状态规范决定了LDO电压调节器的调节能力。LDO必须快速响应瞬变，以减少输出电压的变化。这个稳定时间由系统的闭环带宽、输出电容、ESR、负载电流共同决定。最坏的情况发生在负载电流突然从零到其指定值的最大值时。

具体的，PASS调整元件通常使用的是PMOS场效应晶体管，以此实现输入电压和输出电压达到差值最小。电阻反馈网络采用高精密电阻分压器，该分压器将Vout输出端的输出电压缩放，使得当Vout输出端的输出电压处于设计标称值时，缩放的电压等于参考电压。误差放大器的功能是将Vout输出端的输出电压的比例与参考电压Vref进行比较得到两者之间的误差值，并将该差异进行放大，放大后的值直接输出驱动PASS调整元件以实现电源电压的低纹波输出。

本实用新型解决了背景技术中存在的缺陷，本实用新型的有益效果是： 1、本实用新型的一种高电压低纹波输出电路，电路主要为线性电源应用范畴，较传统的开关电源该电源电路系统将实现较低的纹波电压、纹波电流输出。同时对输入电源的波动将会有较好的抑制能力。

2、本实用新型通过串联型稳压电路结构实现高电压、低纹波输出。精密电阻反馈网络及误差放大器组成反馈环，PASS调整元件为电源输出调整器件，通过PASS调整元件实现较低的漏出电压(Drop-out Voltage)。线性参考源Vref 将为反馈环放大器提供较为精准的参考源。折返过流保护利用晶体管饱和，实现在设定的保护电流下，将调整管(PASS调整元件GMP)关闭实现折返式限流保护。折返式限流保护不仅可以起到电路过流保护，而且可以在输出电源短路时保护电源器件不受损坏即拥有输出欠压保护功能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是现有技术中串联型稳压电路结构；

图2是现有技术中串联型稳压电路仿真输出结果示意图；

图3是本实用新型的电路结构示意图；

图4是本实用新型的电路仿真输出结果示意图；

图5是折返过流保护电路模型瞬态仿真演示图；

图6是折返过流保护电路在发生折返现象时P型MOS管M1瞬间最大功耗仿真示意图；

具体实施方式

现在结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

如图3所示，一种高电压低纹波输出电路，一种高电压低纹波输出电路，高电压低纹波输出电路是线性电压调节器电路包括PASS调整元件、误差放大器和电阻反馈网络、线性参考源Vref、折返过流保护电路；所述PASS调整元件是 PMOS场效应晶体管；电阻反馈网络采用电阻分压器；所述折返过流保护电路包括PNP三极管Q1和增强型P型MOS管M1；电阻反馈网络及误差放大器组成反馈环，PASS调整元件为电源输出调整器件通过PASS调整元件实现较低的漏出电压。

具体的，本实用新型一个较佳实施方案中，折返过流保护电路包括电源输入端V1与PASS调整元件的GMP输入端PinA之间串接有电流检测电阻 Rsence和P型MOS管M1，所述电流检测电阻Rsence左侧支接一路连接有电阻 R2，电流检测电阻Rsence右侧支接一路连接有电阻R3，电阻R2的另一端与三极管Q1的发射极连接，电阻R3的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1 的集电极分成两路一路与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与电流检测电阻Rsence和电阻R2连接点连接，三极管Q1的集电极的另一路串接电阻R4与 P型MOS管M1栅极端连接，P型MOS管M1的源极端与电流检测电阻Rsence 连接，且P型MOS管M1的漏极端与PASS调整元件输入端连接，且三极管Q1 的基极通过串接电阻R5与高电压低纹波输出电路的Vout端连接。

高电压低纹波输出电路的PASS调整元件、误差放大器和电阻反馈网络包括,与P型MOS管M1的漏极端连接的PASS调整元件GMP，PASS调整元件 GMP的输入端PinA与折返过流保护电路输出端连接,PASS调整元件GMP的输出端PinB与输入端PinA之间设置有电阻Ro-pass，高电压低纹波输出电路通过 Vout端输出，且输出端PinB与Vout端连接，且输出端PinB与Vout端之间支接两路一路连接电阻R5后与三极管Q1的基极连接，另一路通过串接电阻R7 和电阻R8后接GND，且电阻R7和电阻R8两端并联电阻R9和电容C2的串联电路，PASS调整元件GMP的控制端PinC与误差放大器Gma输出端连接，且输入端PinA通过电容C3接GND,误差放大器Gma输出端通过电容C1和电阻 R6并联电路接GND，且，误差放大器Gma负极输入端与串接电阻R7和电阻 R8的连接端连接，误差放大器Gma正极输入端通过参考电压Vref接GND；Vout 端与GND之间并联有负载R11。

本实用新型一个较佳实施方案中，高电压低纹波输出电路的环路电源调整率是：

其中，Aol是低频开环增益，Gmp和ro-pass分别是pass元件的跨导和输出电阻，β是分压器反馈网络的结果,ΔVout是输出电压变化值，ΔVin是输入电压变化值，ΔVref是参考电压变化值。

高电压低纹波输出电路的环路负载调整率是：

其中，Aol是低频开环增益，ro-pass是pass元件的输出电阻，β是分压器反馈网络的结果，ΔVout是输出电压变化值，ΔVin是输入电压变化值；

本实用新型一个较佳实施方案中，高电压低纹波输出电路包括静态设计特征、动态设计特征、高频设计特征；所述静态设计特征通过温度系数分析实现，温度系数方程：

其中，ΔVout是输出电压，Temp是pass元件温度，ΔVTC是温度变化范围内的输出电压变化，ΔVTCref和ΔVTCvos分别是误差放大器参考电压和误差放大器输入偏置电压的变化, 代表求偏导数。

本实用新型一个较佳实施方案中，高频设计特征采用电源抑制比PSRR 进行衡量设计指标；电源抑制比PSRR是电源稳压器抑制输入电压源高频噪声的能力；电源抑制比PSRR是是双极晶体管寄生电容的函数，与电源增益的倒数成正比，方程是：

其中，A(ω)为电路系统开环增益，Asupply(ω)为系统电源增益。

具体的，PASS调整元件通常使用的是PMOS场效应晶体管，以此实现输入电压和输出电压达到差值最小。电阻反馈网络采用高精密电阻分压器，该分压器将Vout输出端的输出电压缩放，使得当Vout输出端的输出电压处于设计标称值时，缩放的电压等于参考电压。误差放大器的功能是将Vout输出端的输出电压的比例与参考电压Vref进行比较得到两者之间的误差值，并将该差异进行放大，放大后的值直接输出驱动PASS调整元件以实现电源电压的低纹波输出。

如图1所示是现有技术中串联型稳压电路结构，图2是现有技术中串联型稳压电路工作的仿真分析。如图2的仿真分析可得，串联型稳压电压输出Vout’＝VA’-Vbe’；串联型稳压电路动态工作原理分析过程如下：假设在负载电阻不变时——Vout’端输出电压瞬间降低——Vbe’(Vbe’＝Vout’-VA’)增大(仿真曲线4)——Ib’增大(仿真曲线5)——Ie增大——Vout’端输出电压升高。从而实现了负反馈的过程，以此来实现输出电压的稳定。但是传统的串联稳压电路输出电压一般较低，可调精度范围较窄，负载调整率、电源调整率等参数均较差。面对现有技术中图1的传统串联稳压电源存在众多的问题，本实用新型提出如下新型设计方案。

如图4所示，高压、低纹波输出电源电路设计模型仿真输出结果。

仿真波形1：在负载R11由0Ω至300Ω变化时系统Vout端输出电压的具体输出值。

系统的输入电压为120V，输出电压由系统调节至112V。由仿真波形1可清晰看出，该实用新型电路系统在输出电流为500mA时，可满足120V 稳压输出，基本设计要求已经达到。

仿真波形2：在负载R11由0Ω至300Ω变化时系统输出电流I(R11)的具体输出值。

由仿真波形2可以看出本实用新型高压、低纹波输出电源电路设计目标输出最大电流为500mA。

仿真波形3：在负载R11由0Ω至300Ω变化时对系统输出电流取微分变换—DD[I(R11)]；

DD[I(R11)]＝d[I(R11)]/d[R(R11)]；

该参数代表负载变化时，输出电压基本保持不变时，对应的负载电流(系统输出电流)变化率。单位:A/Ω。

仿真波形4：在负载R11由0Ω至300Ω变化时对系统输出电压取微分变换—DD[V(R11)]；

DD[V(R11)]＝d[V(R11)]/d[R(R11)]；

该参数代表负载变化时，输出电压对负载电阻的变化率。单位:V/Ω；

物理含义：在负载每变化1Ω时，输出电压改变的电压值。该参数主要衡量本实用新型高电压、低纹波电源输出电压的实际稳定性及负载调整率。

本实用新型高压、低纹波输出电源应用于高压高精密LED测试仪，因此对本实用新型电路的稳定性要求非常高，折返过流保护电路必不可少。

折返保护(Fold-back Protection)电路的实施参考图2。如图2所示，PNP 三极管Q1、增强型P型MOS管M1等器件组成折返保护电路的基本单元。在折返限流保护电路中，由Q1的集电极电流Ic控制M1的所处的饱和区(又称恒流区)状态，以此来调节输出电流的大小。Rsence为电流检测电阻。

如图5所示折返过流保护电路模型瞬态演示，仿真波形分析：仿真波形横轴为负载R11的阻值范围；纵轴为负载R11变化时对应的输出电流值，由仿真波形可以看出在此演示模型下负载电流达到约634mA时开始出现折返现象 (本电源设计最大电流500mA)。在Vout端输出电压几乎为0时，输出电流折返下降至9.708mA。由此本折返过流保护电路可以较好的保护该高压、低纹波电源电路。

如图6所示折返过流保护电路在发生折返现象时P型MOS管M1瞬间最大功耗分析：仿真波形横轴为负载R11的阻值范围；纵轴为负载R11变化时，对应的P型MOS管M1最大功率损耗。对于折返限流保护电路P型MOS管M1 所承受的功率损耗越低，折返保护电路越稳定。由仿真图可以看出在负载过载时， M1承受最大功耗仅为52.841mW。

以上依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。