双向连续可调的稳压电源

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双向连续可调的稳压电源\n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及稳压电源，具体涉及高性能的双向连续可调的稳压电源。\n背景技术\n[0002] 根据调整管的工作状态，我们常把稳压电源分成两类：线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压电源，是指调整管工作在线性状态下的稳压电源。而在开关电源中则不一样，开关管（在开关电源中，我们一般把调整管叫做开关管）是工作在开、关两种状态下的：\n开——电阻很小；关——电阻很大。开关电源是一种比较新型的电源。它具有效率高，重量轻，可升、降压，输出功率大等优点。但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。 [0003] 为满足一些设备的特殊需求，例如B超探头等医疗设备，常常需要使用正负双向的稳压电源。目前市面上的已有的正负双向线性稳压电源一般是输入电压固定，通常可调范围在十几伏内。由于其输入电压固定，如果可调范围较大的话，效率则变得很低，不能实现正负双向大范围的可调。\n实用新型内容\n[0004] 本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种双向连续可调的稳压电源，实现电压正负双向大范围的可调。\n[0005] 为了解决上述技术问题，本实用新型的主要思路是通过单片机控制，将开关电源和线性稳压电源两者有机的结合起来，使之既有开关电源高效，隔离和多路输出实现的特点，又有线性稳压纹波小，电气性能好的特点；同时通过单片机的管理，实现了开关电源输出电压（即线性稳压模块的输入电压）和线性稳压模块的输出电压同步可调，从而实现了高效率；另外通过单片机对开关电源输出的正负两路电压进行检测和调整，实现了高效率的正负双向大范围的电压调节。\n[0006] 本实用新型采用的技术方案是，一种双向连续可调的稳压电源，接于输入电源，包括：\n[0007] 开关电源模块，其输入端电连接于输入电源，用于将输入电源的电压转化为正负两路可变电压；\n[0008] 第一线性稳压模块，用于将开关电源模块输出的正负两路可变电压中的负电压进一步稳压；\n[0009] 第二线性稳压模块，用于将开关电源模块输出的正负两路可变电压中的正电压进一步稳压；\n[0010] 单片机控制模块，用于检测和控制第一线性稳压模块和/或第二线性稳压模块的输入和输出电压；\n[0011] 隔离模块，用于对第一线性稳压模块的可变负电压控制信号进行隔离；\n[0012] 所述单片机控制模块通过隔离模块与第一线性稳压模块电连接以进行稳压调整控制；所述单片机控制模块与第二线性稳压模块电连接以进行稳压调整控制；所述单片机控制模块与开关电源模块电连接以进行电压调整控制。\n[0013] 进一步的，所述第一线性稳压模块至少包括负端基准电压模块、数模转换DAC模块、负端比较放大模块和调整模块，所述的负端基准电压模块、数模转换DAC模块、负端比较放大模块和调整模块顺次连接；所述单片机控制模块向第一线性稳压模块发送片选及DAC信号进行第一线性稳压模块稳压控制，所述单片机控制模块发送的片选及DAC信号经过隔离模块隔离后，发送至数模转换DAC模块进行数模转换，同时负端基准电压模块从开关电源模块的输出端取负端的基准电压，该基准电压通过数模转换DAC模块、负端比较放大模块和调整模块进行稳压调整；具体的，单片机控制模块向第一线性稳压模块发送片选及DAC信号以进行稳压控制，是先将片选信号置为低电平（默认情况下，该片选信号是高电平），使能数模转换DAC模块，然后数模转换DAC模块接收DAC信号中的时钟信号以及DAC信号的数据信息，然后数模转换DAC模块对新数据进行锁存，这样就改变了基准电压，并通过负端比较放大模块和调整模块进行稳压调整。\n[0014] 所述第二线性稳压模块至少包括正端基准电压模块、数模转换DAC模块、正端比较放大模块和调整模块，所述的正端基准电压模块、数模转换DAC模块、正端比较放大模块和调整模块顺次连接；所述单片机控制模块向第二线性稳压模块发送片选及DAC信号进行第二线性稳压模块稳压控制，所述单片机控制模块将片选及DAC信号发送至数模转换DAC模块进行数模转换，同时正端基准电压模块从开关电源模块的输出端取正端的基准电压，该基准电压通过数模转换DAC模块、正端比较放大模块和调整模块进行稳压调整；单片机控制模块对第二线性稳压模块进行稳压控制的具体步骤同对第一线性稳压模块的稳压控制。\n[0015] 所述开关电源模块包括输入电路、PWM控制器模块、数模转换DAC模块、输出电压采样电路、基准比较放大电路、输出电路，所述输入电路、PWM控制器模块、数模转换DAC模块、输出电压采样电路、基准比较放大电路、输出电路顺次连接；所述输出电路通过正激电路和反激电路输出正负两路可变电压；所述单片机控制模块通过向开关电源模块发送电源开关、片选及DAC信号进而对该开关电源模块进行电压调整控制。本实用新型的开关电源模块采用推挽电路，其PWM控制器模块是具有可编程斜率补偿的电流模式推挽 PWM，具体型号是UCC28084。单片机控制模块对开关电源模块进行稳压控制的具体步骤同对第一线性稳压模块的稳压控制。\n[0016] 进一步的，上述的数模转换DAC模块包括DAC芯片、第1电阻、第2电阻、第3电阻、第4电阻、第5电阻、第6电阻、第1电容，DAC芯片的VOUT引脚接基准比较放大电路输出的基准电压，DAC芯片的GND引脚接地、第1电容的一端、第2电阻的一端、第3电阻的一端、第4电阻的一端，DAC芯片的AVDD/VREF引脚接电源和第1电容的另一端，DAC芯片的DIN引脚接第6电阻的一端和第3电阻的另一端，第6电阻的另一端接单片机控制模块的TRCCLK引脚，DAC芯片的SCLK引脚接第5电阻的一端和第4电阻的另一端，第5电阻的另一端接单片机控制模块的TRCIOC引脚，DAC芯片的SYNC引脚接第1电阻的一端和第2电阻的另一端，第1电阻的另一端接单片机控制模块的TXD1引脚。本实用新型的DAC芯片采用型号为DAC6311的DAC芯片。\n[0017] 进一步的，所述单片机控制模块控制第一线性稳压模块和/或第二线性稳压模块的输入和输出电压，具体是：设置单片机控制模块的电压设置信号输入端口的参数，对比检测到的第一线性稳压模块和/或第二线性稳压模块的输入和输出电压，并通过单片机控制模块输出的片选及DAC信号对该输入和输出电压进行控制，保证第一线性稳压模块和/或第二线性稳压模块的输入电压比第一线性稳压模块和/或第二线性稳压模块的输出电压始终高于一设定值。为考虑效率和性能，优选的，该设定值为5V。\n[0018] 进一步的，所述隔离模块是由光耦及其外围电路组成，对片选及DAC信号进行隔离。具体是采用光耦和/或光耦隔离芯片进行隔离，本实用新型中为了以最小的成本获得最大的效果，采用光耦PS2701和光耦隔离芯片ISO7220A共同对片选及DAC信号进行隔离。\n[0019] 本实用新型采用上述结构，与现有技术相比，具有以下优点：\n[0020] 1. 本实用新型将开关电源和线性稳压电源两者有机的结合起来，使之既有开关电源高效，隔离和多路输出实现的特点，又有线性稳压纹波小，电气性能好的特点，具体来说，与传统的线性稳压电源比较，工作效率较高，发热量少，有助于电源的小型化；与一般的开关电源相比，输出纹波小，在输出100V时，电压纹波可以在几十mV内，动态响应好，且电源信号干扰小，适用于对电源性能要求较高的系统；\n[0021] 2. 本实用新型中，由开关电源输出正负两路的可变电压，通过单片机输出的片选及DAC信号对这两路可变电压进行检测和调整，从而实现高效率的正负双向大范围的电压调节；\n[0022] 3. 本实用新型通过单片机的管理，实现了开关电源输出电压（即线性稳压模块的输入电压）和线性稳压模块的输出电压同步可调，从而实现了高效率；\n[0023] 4. 本实用新型的宽输入电压电源，可以满足主流适配器和电池供电系统需求；\n[0024] 5. 本实用新型的单片机控制模块对输出电压进行检测，在电路出现异常，如输出短路，过压等，可以及时关闭电源，进行自我保护。\n附图说明\n[0025] 图1是本实用新型的双向连续可调直流稳压电源的原理框图。\n[0026] 图2是本实用新型的双向连续可调直流稳压电源的开关电源模块的电路原理图。\n[0027] 图3是本实用新型的双向连续可调直流稳压电源的线性稳压模块和隔离模块的电路原理图。\n[0028] 图4是本实用新型的双向连续可调直流稳压电源的单片机控制模块的电路原理图。\n具体实施方式\n[0029] 现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。\n[0030] 如图1所示，本实用新型的一种双向连续可调的稳压电源，接于输入电源，包括：\n[0031] 开关电源模块1，其输入端电连接于输入电源，用于将输入电源的电压转化为正负两路可变电压；\n[0032] 第一线性稳压模块2，用于将开关电源模块1输出的正负两路可变电压中的负电压进一步稳压；\n[0033] 第二线性稳压模块3，用于将开关电源模块1输出的正负两路可变电压中的正电压进一步稳压；\n[0034] 单片机控制模块4，用于检测和控制第一线性稳压模块2和/或第二线性稳压模块\n3的输入和输出电压；\n[0035] 隔离模块5，用于对第一线性稳压模块2的可变负电压控制信号进行隔离；\n[0036] 所述单片机控制模块4通过隔离模块5与第一线性稳压模块2电连接，以向第一线性稳压模块2发送片选及DAC信号以进行稳压调整控制；所述单片机控制模块4与第二线性稳压模块3电连接，以向第二线性稳压模块3发送片选及DAC信号以进行稳压调整控制；所述单片机控制模块4与开关电源模块1电连接，以向开关电源模块1发送电源开关、片选及DAC信号以进行电压调整控制。片选信号包括-CS3、+CS3、CS2，分别控制第一线性稳压模块2、第二线性稳压模块3、开关电源模块1；DAC信号包括时钟信号SCL和SDA数据。\n[0037] 图2是本实用新型的开关电源模块的电路原理图，所述开关电源模块1包括输入电路、PWM控制器模块、数模转换DAC模块、输出电压采样电路、基准比较放大电路、输出电路，所述输入电路、PWM控制器模块、数模转换DAC模块、输出电压采样电路、基准比较放大电路、输出电路顺次连接；所述输出电路包括第一变压器T301、第二变压器T304、电容C315、电容C316、电容C311、电容C312、电容C323、电容C324、二极管D322、二极管D323、二极管D316、二极管D317，并由上述器件彼此连接组成正激电路和反激电路，通过正激电路和反激电路输出正负两路可变电压；所述单片机控制模块4通过向开关电源模块1发送电源开关、片选及DAC信号进而对该开关电源模块1进行电压调整控制。具体的，单片机控制模块4对开关电源模块1进行稳压控制，是先将片选信号（CS2）置为低电平（默认情况下，该片选信号是高电平），使能数模转换DAC模块，然后数模转换DAC模块接收DAC信号中的时钟信号以及DAC信号的数据信息，然后数模转换DAC模块对新数据进行锁存，这样就改变了基准电压，从而改变PWM控制器模块的脉宽比，进而改变输入电路的电压，并最终通过正激和反激电路生成正负两路电压。\n[0038] 本实用新型的开关电源模块1采用推挽电路，其PWM控制器模块是具有可编程斜率补偿的电流模式推挽 PWM，具体型号是UCC28084。所述数模转换DAC模块包括DAC芯片、电阻R549、电阻R553、电阻R558、电阻R561、电阻R554、电阻R559、电容C529，DAC芯片的VOUT引脚接基准比较放大电路输出的基准电压，DAC芯片的GND引脚接地、电容C529的一端、电阻R553的一端、电阻R558的一端、电阻R561的一端，DAC芯片的AVDD/VREF引脚接电源和C529的另一端，DAC芯片的DIN引脚接电阻R559的一端和电阻R558的另一端，电阻R559的另一端接单片机控制模块4的TRCCLK引脚，DAC芯片的SCLK引脚接电阻R554的一端和R561的另一端，电阻R554的另一端接单片机控制模块4的TRCIOC引脚，DAC芯片的SYNC引脚接电阻R549的一端和电阻R553的另一端，电阻R549的另一端接单片机控制模块4的TXD1引脚。本实用新型的DAC芯片采用型号为DAC6311的DAC芯片，当然可以采用实现同样功能的其他型号的DAC芯片。\n[0039] 图3是本实用新型的线性稳压模块和隔离模块的电路原理图，所述隔离模块5是由光耦及其外围电路组成，对片选及DAC信号进行隔离。具体是采用光耦和/或光耦隔离芯片进行隔离，本实用新型中为了以最小的成本获得最大的效果，采用光耦PS2701和光耦隔离芯片ISO7220A共同对片选及DAC信号进行隔离。其中采用光耦PS2701对片选CS3信号进行隔离，光耦隔离芯片ISO7220A对DAC芯片的SCL、SDA信号进行隔离。\n[0040] 所述第一线性稳压模块2至少包括负端基准电压模块、数模转换DAC模块、负端比较放大模块和调整模块，所述的负端基准电压模块、数模转换DAC模块、负端比较放大模块和调整模块顺次连接；所述单片机控制模块4向第一线性稳压模块2发送片选及DAC信号进行第一线性稳压模块2稳压控制，所述单片机控制模块4发送的片选及DAC信号经过隔离模块5隔离后，发送至数模转换DAC模块进行数模转换，同时负端基准电压模块从开关电源模块1的输出端取负端的基准电压，该基准电压通过数模转换DAC模块、负端比较放大模块和调整模块进行稳压调整。具体的，单片机控制模块4向第一线性稳压模块2发送片选及DAC信号以进行稳压控制，是先将片选信号（-CS3）置为低电平（默认情况下，该片选信号是高电平），使能数模转换DAC模块，然后数模转换DAC模块接收DAC信号中的时钟信号以及DAC信号的数据信息，然后数模转换DAC模块对新数据进行锁存，这样就改变了基准电压，并通过负端比较放大模块和调整模块进行稳压调整。\n[0041] 其中负端基准电压模块包括稳压二极管D602、三端稳压管N612、芯片TL783、电阻R642、电阻R645、电阻R646、电阻R639、电阻R643、电阻R647、电阻R648、电阻R649、电容C619、电容C620、电容C622、电容C625、电容C628、三极管V604；稳压二极管D602的负极电连接于芯片TL783的VIN端、电容C619的一端、电容C620的一端，稳压二极管D602的正极电连接于TL783的VOUT端、电阻R642的一端、电容C622的一端、电容C625的一端、电阻R645的一端，电阻R645的另一端连接三极管V604的C极和电阻R646的一端，三极管V604的B极电连接电阻R646的另一端、电阻R647的一端，三极管V604的E极连接电阻R648的一端、电容C628的一端，电容C628的另一端连接电阻R649的一端、三端稳压管N612的阳极、电容C622的另一端、电容C625的另一端、电阻R643的一端、电阻R639的一端、电容C619的另一端、电容C620的另一端，电阻R642的另一端连接芯片TL783的中间端、电阻R643的另一端、电阻R639的另一端，电阻R649的另一端连接三端稳压管N612的控制极和电阻R648的另一端，三端稳压管N612的阴极连接电阻R647的一端，电阻R647的另一端连接电阻R646的另一端。数模转换DAC模块同开关电源模块的电路原理图，也是由DAC芯片及其跟随电路组成，这里不再赘述。负端比较放大模块和调整模块具体是由比较器N619及其跟随电路、以及芯片TL783及其跟随电路组成。\n[0042] 所述第二线性稳压模块3至少包括正端基准电压模块、数模转换DAC模块、正端比较放大模块和调整模块，所述的正端基准电压模块、数模转换DAC模块、正端比较放大模块和调整模块顺次连接；所述单片机控制模块4向第二线性稳压模块3发送片选及DAC信号进行第二线性稳压模块3稳压控制，所述单片机控制模块4将片选及DAC信号发送至数模转换DAC模块进行数模转换，同时正端基准电压模块从开关电源模块1的输出端取正端的基准电压，该基准电压通过数模转换DAC模块、正端比较放大模块和调整模块进行稳压调整。具体的，单片机控制模块4向第二线性稳压模块3发送片选及DAC信号以进行稳压控制，是先将片选信号（+CS3）置为低电平（默认情况下，该片选信号是高电平），使能数模转换DAC模块，然后数模转换DAC模块接收DAC信号中的时钟信号以及DAC信号的数据信息，然后数模转换DAC模块对新数据进行锁存，这样就改变了基准电压，并通过负端比较放大模块和调整模块进行稳压调整。\n[0043] 其中正端基准电压模块包括三极管V602、三端稳压管N605、电阻R602、电阻R607、电阻R610、电阻R613、电阻R614、电容C604、电容C611，电阻R602的一端连接电容C604的一端、电阻R607的一端和三极管V602的C极，电容C604的另一端接地，三极管V602的B极连接电阻R607的另一端、电阻R610的另一端，电阻R610的另一端连接三端稳压管N605的阴极，三端稳压管N605的阳极接地，三端稳压管N605的控制极连接电阻R613的一端、电阻R614的一端，电阻R614的另一端接地，电阻R613的另一端连接三极管V602的E极和电容C611的一端，电容C611的另一端接地。数模转换DAC模块同开关电源模块的电路原理图，也是由DAC芯片及其跟随电路组成，这里不再赘述。正端比较放大模块和调整模块由比较器N620及其跟随电路、以及芯片TL783及其跟随电路组成。\n[0044] 图4是本实用新型的单片机控制模块4的电路原理图，单片机控制模块4向开关电源模块1、第一线性稳压模块2、第二线性稳压模块3、隔离模块5发送片选及DAC信号以对各个模块进行控制和电压调整。片选及DAC信号包括CS2、-CS3、+CS3、SCL、SDA信号。\n单片机控制模块4对第一线性稳压模块2和/或第二线性稳压模块3的输入和输出电压进行控制调整，一般来说如果第一线性稳压模块2和第二线性稳压模块3的输入输出电压相同，则单片机控制模块4可以仅对第一线性稳压模块2或第二线性稳压模块3的输入输出电压采集和调整，如果第一线性稳压模块2和第二线性稳压模块3的输入电压不同，并且希望分别对其进行调整，则单片机控制模块4可以对第一线性稳压模块2和第二线性稳压模块3的输入输出电压采集和调整。\n[0045] 本实施例中，开关电源模块1输出正负两路的等值的电压，故选择仅对第二线性稳压模块3进行电压采集和调整，当然也可以选择第一线性稳压模块2进行采集和调整。上述采集和调整的具体过程是：设置单片机控制模块4的电压设置信号输入（SPI）端口的参数，对比检测到的第二线性稳压模块3的输入和输出电压，并通过单片机控制模块4输出的片选及DAC信号对该输入和输出电压进行控制，保证第二线性稳压模块3的输入电压比输出电压始终高于一设定值。为考虑效率和性能，本实用新型将该设定值设置为5V。\n[0046] 现以输入电源的电压为8～30V、输出为0～+100V/0.5A和0～-100V/0.5A正负两路的电源为例，本实用新型的具体工作原理如下：\n[0047] 稳压电源先通过开关电源模块1将输入8-30V的直流电压转化为：5～105V和-5～-105V的两路可变电压，接着使用第一线性稳压模块2和第二线性稳压模块3进一步进行稳压产生纹波低、无开关干扰的0～100V和0～-100V高性能电压。\n[0048] 上述过程中，通过单片机的输出片选及DAC信号来改变开关电源模块1、第一线性稳压模块2和第二线性稳压模块3的参考电压，使得第一线性稳压模块2和第二线性稳压模块3的输入电压始终只比输出电压高出一设定值，为考虑效率和性能本案例设置为5V，这样就大大提高了效率。\n[0049] 传统的线性稳压电源与本方案中的电源效率对比如下：\n[0050] \n[0051] 从表格中可以看到，使用传统线性稳压电源方案在输出低压时，效率极低，而本方案在整个电压输出范围都有良好的表现。外部通过电压设置信号输入（SPI端口），可以对电源进行的输出实现控制；另外，单片机控制模块4对输出电压进行检测，在电路出现异常，如输出短路、过压等，可以及时关闭电源，进行自我保护。另外，单片机控制模块4还可以挂载报警装置，例如LED指示灯或者蜂鸣器，当电路出现短路、过压时，通过LED及时指示工作状态或者通过蜂鸣器进行声音提示，使得电源更加安全、可靠。\n[0052] 本实用新型的电源方案已实验应用于精度、纹波要求高及噪声敏感度高的B超探头供电，实验结果表明，本方案较一般的开关电源在图像上有很大的改善。而对比于传统的线性电源，效率较高，发热量小，有利于电源的小型化，具有良好的应用前景。\n[0053] 尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。