CN101340152A

CN101340152A - 数字直调直流稳调压电源

Info

Publication number: CN101340152A
Application number: CNA2008101360210A
Authority: CN
Inventors: 刘祖武
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2028-07-02
Also published as: CN101340152B

Abstract

公开一种数字直调直流稳调压电源。它是PWM开关电源，单片机控制，用中心电压数字量做稳调压比较基准。主控信号是高频脉冲信号，峰值模数转换，逐个脉冲瞬时控制。有多路高频可控整流电路，输出电压成同一倍率递减，由输出电压决定选通，但主控信号均由匝数最多那一整流线圈端点取出，用大档量来模拟小档量控制以确保控制精度。副控信号取自输出端直流，定时巡查A/D，输出电压与中心电压相比较，以它们差值确定微移开关频率，稍改脉冲占空比，以纠正***误差。该电源体积小、重量轻、功率大、效率高、电压稳定、纹波小、质量高，且稳调一体，广范围异地任调压，是数字化信息时代的理想电源。

Description

数字直调直流稳调压电源

技术领域

本发明涉及一种开关稳压电源，尤其涉及一种由单片机控制的数字直调直流稳调压电源。

背景技术

随着科技发展，对电源要求越来越高。目前，公知的有线性直流稳压电源和开关型直流稳压电源。线性直流稳压电源用工频变压器降压，工频整流滤波，再用调整管调节输出电压。它的输出电压始终跟随基准电压，与电路控制关系不大，所以输出电压稳定，纹波小，质量高。但它的电压调整管工作在线性区域，流过与负载相同电流，调整的电压越大，功耗也越大，效率很低。另它工作于工频，变压器大，滤波难，占空间，笨重。开关型直流稳压电源则与此相反，它直接把工电整流滤波，用高频开关进行DC/AC功率逆变，高频变压器变压，高频整流滤波，输出直流电压。它工作频率高，体积小，重量轻，且功率变换器件工作于开关状态，功耗小，效率高，稳定可靠，它代表了电源发展方向。但它控制信号取自高频整流滤波后侧，因检测在前，控制在后，非正常电压须经一段时间(视滤波时间常数而定)方能恢复正常，输出电压相对纹波较大，两种电源均有不理想之处。另外不管那种稳压电源它们还存在着共同一个问题，那就是都依赖一个基准电压组件，用它的电压模拟量作为稳压和调压的比较基准，它不仅限制了电源的调压范围，而且调压时必须人工贴机操作，通过改变分压电阻大小才能达到调压目的，这对需要异地调压场合(如探月卫星当得不到阳光需要调低部分电压让其休眠这个场合)，无疑是个大的缺陷。综上所述，怎样设计出既具有开关电源的体积小、重量轻、效率高、工作稳定可靠等优点，又具有象线性电源那样输出电压稳定、纹波小、质量高等优点，并可异地任意调节电压，这样一种电源，就是本发明要创新的电源。

发明内容

这种电源就是本发明要公开的数字直调直流稳调压电源。它是PWM开关电源，单片机控制，用中心电压数字量做稳调压比较基准。主控信号是高频脉冲信号，峰值模数转换，逐个脉冲瞬时控制。有多路高频可控整流电路，输出电压成同一倍率递减，由输出电压决定选通，但主控信号均由匝数最多那一整流线圈端点取出，用大档量来模拟小档量控制以确保控制精度。副控信号取自输出端直流，定时巡查A/D，输出电压与中心电压相比较，以它们差值确定微移开关频率，稍改脉冲占空比，以纠正***误差。这样，一种理想的直流稳调压电源终于实现了。

具体技术方案是：

结构上除了外装输入端接线柱和输出端(+)、(-)接线柱外，在内部两组接线柱间，设主电路有：电源开关、电源滤波电路、工频整流滤波电路、PWM功率逆变器、高频整流滤波电路、直流输出开关。设控制电路有：中心控制器、保护电路。还设供各电路正常正作的工作电源。它们之间连接是：由输入端接线柱接入电网交流电，通过电源开关(S)、电源滤波电路后，由工频整流滤波电路获得直流高压，接入PWM功率逆变器，在中心控制器的控制下，以高频开关进行DC/AC功率变换，再经高频整流滤波电路获取稳定直流电压，通过直流输出开关(SW)，由输出端接线柱输出直流电压，保护电路则保证整机安全工作。数字直调直流稳调压电源，其特点在于：采用单片机(微处理器)做中心控制器。其特点在于：功率逆变器中的高频变压器次级有多组整流线圈，各组整流线圈匝数由该线圈与匝数最多那一线圈所感应脉冲峰值电压的比值为M_i(i＝1、2……)决定的，M_i≤1。线圈有高电位出现的端点为热端，否则为冷端，一线圈有两个热端的其中点(或公共端)则为冷端，所有冷端与公共端相连，接输出端(-)接线柱。其特点在于：各整流线圈热端分别接上可控整流器，单片机根据输出电压不同有选择地由相应端口输出驱动信号控制相应可控整流器整流。“高频取样”电路一端接匝数最多那一整流线圈热端，另一端对地引出主控信号，其特点在于：主控信号是高频脉冲信号。“直流取样”电路一端在直流输出开关(SW)前引出，另一端对地引出副控信号，副控信号是直流信号，由单片机A/D口输入。以上两种取样电路，其特点在于：必须调整其信号分压电阻大小，使所控电压数字量与实际电压完全一致。具体方法是：让数字直调直流稳调压电源工作，先调节直流取样电路中的直流分压电阻大小，使机器所显示的电压理论值与实测的真实值完全一致，一经调定，直流分压电阻的大小再不能改变；再调节高频取样电路中的高频分压电阻大小，使机器所显示的电压理论值与中心电压值(V₀)完全一致，让单片机记下此时脉冲的峰值Vm₀、脉宽P₀、中心电压V₀，一经调定，高频分压电阻的大小再不能改变。其特点在于：高频脉冲信号要进行峰值模数转换。本发明人发明的“高频峰值模数转换”发明专利(专利号021478201)里所述的直比模数转换器就能实现该功能。当采用“直比模数转换器”进行峰值模数转换时，“直比模数转换器”的“采样脉冲输入”口接高电位，使它处于连续工作状态，“信号输入”口接入由“高频取样”电路输出的高频脉冲信号，经内部各电压比较器与各档基准电压比较，比较结果作为后级触发器的输入信号，“峰记录信号输入”口输入峰记录脉冲信号，该信号是高频脉冲信号经延时后形成，内部触发器在峰记录信号到来时刻记录下各电压比较器的比较结果，用与门判断出峰值所对应的基准电压序号，再用逻辑门把基准电压序号译成16进制脉冲峰值数字量，由数据口“D₀、D₁……D₇”输出，并行或并/串转换成串行或与标准输出相异或比较后由单片机相应端口接入，“送数请求”口输出送数请求脉冲至单片机一端口，采用外部中断或查询办法，读入脉冲峰值模数转换数据。采用高频控制对输出有均衡作用：当有单个突变脉冲输入，随即控制，其持续时间极短，这与后面滤波电路的滤波时间比较，实微乎其微，它不易改变输出电压，确保输出电压稳定；另对正、负半个单位模数转换误差，由于在滤波时间内，出现正误差和负误差机率相等，经滤波正、负半个单位模数转换误差相抵消，保证了模数转换精度，提高电源质量。当相对于匝数最多那一稳压线圈做稳压时，单片机所读入的脉冲峰值Vm，与单片机内存的输出脉冲宽度P相乘，乘积Vm×P与中心电压(V₀)相对应的稳压常量相比较，稳压常量＝Vm₀×P₀，当Vm×P＞稳定常量时，调节脉宽P变小，当Vm×P＜稳压常量时，调节脉宽P变大，其特点在于：由单片机CCP口输出脉宽调制(PWM)信号，控制PWM开关通断时间比，达到稳调压目的。调压、定时稳压及开关机信号由“外调”设备输出至单片机相应端口，其特点在于：也可依靠异地通信办法由单片机通信口输入，实现异地定时稳调压。当相对于匝数最多那一稳压线圈做调压时，原中心电压V₀，峰值Vm₀，脉宽P0，现中心电压调至V₁时，峰值Vm₁，脉宽P₁，根据V₁∶V₀＝Vm₁×P₁∶Vm₀×P₀，有P₁＝Vm₀×P₀×V₁/V₀，用脉宽为P₁的PWM信号输出控制就能达到调压到V₁目的。其特点在于：在稳压调压过程中不是用基准电压模拟量而是直接用中心电压数字量作为电压比较基准。当相对于不是匝数最多的其他稳压线圈做调压时，单片机根据中心电压V₀选通相应一路可控整流器整流，中心电压V₀按该整流线圈所对应的峰值电压比例系数M_i，把V₀折算成匝数最多那一整流线圈所对应的中心电压，作为PWM的控制电压，即V_j＝V₀/M_i，其特点在于：这种用大档量来模拟小档量控制，以提高控制精度。单片机对输入的直流副控信号定时巡查进行模数转换，所获电压V_t，一路去显示电路显示输出电压，另一路折算成匝数最多那一整流线圈所对应的输出电压V_t/M_i，并与相对于匝数最多那一整流线圈的理论中心电压V_j做比较，其特点在于：以比较结果ΔV_j＝V_j-V_t/M_i来微移开关频率(调频)，稍改脉冲占空比，以纠正***误差。单片机还根据调压需要或定时开关机指令，由特定端口输出控制信号关断或开启直流输出开关(SW)，单片机还担负了整机电路安全保护，并有余力开发其他任务，控制全面、灵活。

数字直调直流稳调压电源体积小、重量轻、功率大、效率高、电压稳定、纹波小、质量高，且稳调一体，输入电压范围大，调压范围广，可异地任调压，是数字化信息时代的理想电源。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1是直比模数转换器。它由本发明人发明的“高频峰值模数转换”发明专利(专利号021478201)提供的。

图2是数字直调直流稳调压电源原理框图。

图3是数字直调直流稳调压电源一实施例电原理图。为简明起见，与图相关的保护电路待后添加。

具体实施方式

现就图3实施例阐明数字直调直流稳调压电源具体实施方式：

它是一种PWM开关稳压电源，在结构上除了外装输入端接线柱和输出端(+)、(-)接线柱外，在内部两组接线柱间，设主电路有：电源开关、电源滤波电路、工频整流滤波电路、PWM功率逆变器、高频整流滤波电路、直流输出开关。设控制电路有：中心控制器、保护电路。还设供各电路正常正作的工作电源。它们之间连接是：由输入端接线柱接入电网交流电，通过电源开关(S)、电源滤波电路后，由工频整流滤波电路获得直流高压，接入PWM功率逆变器，在中心控制器的控制下，以高频开关进行DC/AC功率变换，再经高频整流滤波电路获取稳定直流电压，通过直流输出开关(SW)，由输出端接线柱输出直流电压，保护电路则保证整机安全工作。其中，采用PIC16F877单片机(微处理器)做中心控制器。功率逆变器中的高频变压器B次级有L₁、L₂、L₃三组整流线圈，各组整流线圈相位相同，匝数由该线圈与匝数最多那一线圈L₁所感应脉冲峰值电压的比值为M_i(i＝1、2、3)决定的，M_i≤1，M₁/M₂＝M₂/M₃＝10＞1；线圈有高电位出现的端点(A、B、C)为热端，否则为冷端，所有冷端与公共端相连，接输出端(-)接线柱。L₁、L₂、L₃整流线圈热端A、B、C分别接上可控开关K₁、K₂、K₃，三开关另一端相连接整流二极管D阳极，D阴极接高频滤波器。单片机根据输出电压不同从E₀、E₁、E₂三端口中选择一对应口(如E₀口)输出驱动信号，选择K₁、K₂、K₃三开关中的一个开关(如K₃开关)闭合，整流器D整流。由R₁、Rw₁串接成“高频取样”电路，R₁上端接匝数最多那一整流线圈L₁热端A点，电位器Rw₁中心滑头对地引出主控信号，它是高频脉冲信号。由R₂、Rw₂串接组成“直流取样”电路，R₂上端从直流输出开关(SW)前引出，电位器Rw₂中心滑头对地引出副控信号，它是直流信号，由单片机RA₀口(A/D口)输入。以上两种取样电路，必须调整电位器，改变信号分压电阻大小，使所控电压数字量与实际电压完全一致。具体方法是：让数字直调直流稳调压电源工作，先调节电位器Rw₂，使机器所显示的电压理论值与实测的真实值完全一致，一经调定，电位器Rw₂分压电阻的大小再不能改变。再调节电位器Rw₁，使机器所显示的电压理论值与中心电压值(V₀)完全一致，让单片机记下此时脉冲的峰值Vm₀、脉宽P₀、中心电压V₀，一经调定，电位器Rw₁分压电阻的大小再不能改变。高频脉冲信号用“直比模数转换器”进行峰值模数转换。“直比模数转换器”的“采样脉冲输入”口接高电位，使它处于连续工作状态，“信号输入”口接入由Rw₁取出的高频脉冲信号，经内部各电压比较器与各档基准电压比较，比较结果作为后级触发器的输入信号，“峰记录信号输入”口输入峰记录脉冲信号，该信号是高频脉冲信号经R、C组成延时电路延时后形成。内部触发器在峰记录信号到来时刻记录下各电压比较器的比较结果，用与门判断出峰值所对应的基准电压序号，再用逻辑门把基准电压序号译成16进制脉冲峰值数字量，由数据口“D₀、D₁……D₇”输出至单片机RD₀、RD₁……RD₇相应端口并行输入。“送数请求”口输出送数请求脉冲至单片机外部中断口RB₀，单片机在送数请求脉冲到来时刻中断，读入峰值模数转换数据。当相对于匝数最多L₁做稳压时，单片机把所读入的脉冲峰值Vm，与单片机内存的输出脉冲宽度P相乘，乘积Vm×P与中心电压(V₀)相对应的稳压常量相比较，稳压常量＝Vm₀×P₀，当Vm×P＞稳定常量时，调节脉宽P变小，当Vm×P＜稳压常量时，调节脉宽P变大，由单片机RC₂口(CCP₁口)输出脉宽调制(PWM)信号，控制PWM开关IGBT通断时间比，达到稳压目的。调压、定时稳压及开关机信号由“外调”设备输出至单片机相应端口。“外调”设备有“方式”、“定时”、“调压”、“确定”功能按钮，调节信号由单片机RB₁、RB₂、RB₃、RB₄口对应输入。RB₁、RB₂、RB₃、RB₄口兼做显示电路各字显示开关驱动信号输出口，并与单片机RA2、RA5口、74LS164和数字显示板构成扫描显示电路。V₀还可通过RS232、MAX232、单片机RC₆(TX)、RC₇(RX)口构成串行异步通信输入，实现异地定时稳调压。当相对于匝数最多L₁线圈调压时，原中心电压V₀，峰值Vm₀，脉宽P₀，现中心电压调至V₁时，峰值Vm₁，脉宽P₁，根据V₁∶V₀＝Vm₁×P₁∶Vm₀×P₀，有P₁＝Vm₀×P₀×V₁/V₀，用脉宽为P₁的PWM信号输出控制就能达到调压到V₁目的。实现了在稳压调压过程中不用基准电压模拟量而是直接用中心电压数字量作为电压比较基准。当相对于不是匝数最多的L₂、L₃线圈调压时，单片机根据中心电压V₀(如7.5V)选通相应一路(K₃闭合)整流器D整流，中心电压V₀按该整流线圈所对应的峰值电压比例系数M_i(M_i＝0.01)，把V₀折算成匝数最多那一整流线圈L₁所对应的中心电压，作为PWM的控制电压，即V_j＝V₀/M_i(V_j＝750V)，这样用大档量来模拟小档量控制，以提高控制精度。单片机对输入的直流副控信号定时巡查进行模数转换，所获电压V_t，在单片机内，一路去显示电路显示输出电压，另一路折算成匝数最多那一整流线圈L₁所对应的输出电压V_t/M_i，并与相对于L₁线圈整流滤波的理论中心电压V_j比较，用结果ΔV_j＝V_j-V_t/M_i来微移开关频率(调频)，稍改脉冲占空比，以纠正***误差。单片机还根据调压需要或定时开关机指令，由RC₃口输出控制信号关断或开启直流输出开关(SW)，RC₃也是输出指示灯信号输出口。单片机还担负了整机电路安全保护(为简明保护电路另布)，并有余力开发其他任务。

Claims

1.一种数字直调直流稳调压电源；它是一种PWM开关稳压电源，在结构上除了外装输入端接线柱和输出端(+)、(-)接线柱外，在内部两组接线柱间，设主电路有：电源开关、电源滤波电路、工频整流滤波电路、PWM功率逆变器、高频整流滤波电路、直流输出开关；设控制电路有：中心控制器、保护电路；还设供各电路正常正作的工作电源；它们之间连接是：由输入端接线柱接入电网交流电，通过电源开关(S)、电源滤波电路后，由工频整流滤波电路获得直流高压，接入PWM功率逆变器，在中心控制器的控制下，以高频开关进行DC/AC功率变换，再经高频整流滤波电路获取稳定直流电压，通过直流输出开关(SW)，由输出端接线柱输出直流电压，保护电路则保证整机安全工作；数字直调直流稳调压电源，其特征是：采用单片机(微处理器)做中心控制器；其特征是：功率逆变器中的高频变压器次级有多组整流线圈，各组整流线圈匝数由该线圈与匝数最多那一线圈所感应脉冲峰值电压的比值为M_i(i＝1、2......)决定的，M_i≤1；其特征是：各整流线圈分别接上可控整流器，单片机根据输出电压不同有选择地由相应端口输出驱动信号控制相应可控整流器整流；“高频取样”电路一端接匝数最多那一整流线圈，另一端对地引出主控信号，其特征是：主控信号是高频脉冲信号；“直流取样”电路一端在直流输出开关(SW)前引出，另一端对地引出副控信号，副控信号是直流信号，由单片机A/D口输入；以上两种取样电路，其特征是：必须调整其信号分压电阻大小，使所控电压数字量与实际电压完全一致；具体方法是：让数字直调直流稳调压电源工作，先调节直流取样电路中的直流分压电阻大小，使机器所显示的电压理论值与实测的真实值完全一致，一经调定，直流分压电阻的大小再不能改变，再调节高频取样电路中的高频分压电阻大小，使机器所显示的电压理论值与中心电压值(V₀)完全一致，让单片机记下此时脉冲的峰值Vm₀、脉宽P₀、中心电压V₀，一经调定，高频分压电阻的大小再不能改变；其特征是：高频脉冲信号要进行峰值模数转换；当采用“直比模数转换器”进行峰值模数转换时，“直比模数转换器”的“采样脉冲输入”口接高电位，“信号输入”口接入由“高频取样”电路输出的高频脉冲信号，“峰记录信号输入”口输入峰记录脉冲信号，该信号是高频脉冲信号经延时后形成，数据口“D₀、D₁......D₇”输出峰值模数转换数据，并行或并/串转换成串行或与标准输出相异或比较后由单片机相应端口接入，“送数请求”口输出送数请求脉冲至单片机某端口；当相对于匝数最多那一稳压线圈做稳压时，单片机所读入的脉冲峰值Vm，与单片机内存的输出脉冲宽度P相乘，乘积Vm×P与中心电压(V₀)相对应的稳压常量相比较，稳压常量＝Vm₀×P₀，当Vm×P＞稳定常量时，调节脉宽P变小，当Vm×P＜稳压常量时，调节脉宽P变大，其特征是：由单片机CCP口输出脉宽调制(PWM)信号，控制PWM开关通断时间比，达到稳调压目的；调压、定时稳压及开关机信号由“外调”设备输出至单片机相应端口，其特征是：也可依靠异地通信办法由单片机通信口输入，实现异地定时稳调压；当相对于匝数最多那一稳压线圈做调压时，原中心电压V₀，峰值Vm₀，脉宽P₀，现中心电压调至V₁时，峰值Vm₁，脉宽P₁，根据V₁∶V₀＝Vm₁×P₁∶Vm₀×P₀，有P₁＝Vm₀×P₀×V₁/V₀，用脉宽为P₁的PWM信号输出控制就能达到调压到V₁目的；其特征是：在稳压调压过程中不是用基准电压模拟量而是直接用中心电压数字量作为电压比较基准；当相对于不是匝数最多的其他稳压线圈做稳压或调压时，单片机根据中心电压V₀选通相应一路可控整流器整流，中心电压V₀按该整流线圈所对应的峰值电压比例系数M_i，把V₀折算成匝数最多那一整流线圈所对应的中心电压，作为PWM的控制电压，即V_j＝V₀/M_i，其特征是：这种用大档量来模拟小档量控制，以提高控制精度；单片机对输入的直流副控信号定时巡查进行模数转换，所获电压V_t，一路去显示电路显示输出电压，另一路折算成匝数最多那一整流线圈所对应的输出电压V_t/M_i，并与相对于匝数最多那一整流线圈的理论中心电压V_j做比较，其特征是：以比较结果ΔV_j＝V_j-V_t/M_i来微移开关频率(调频)，稍改脉冲占空比，以纠正***误差；单片机还根据调压需要或定时开关机指令，由特定端口输出控制信号关断或开启直流输出开关(SW)，单片机还担负了整机电路安全保护，并有余力开发其他任务。