專利名稱：直流穩(wěn)壓電源的數(shù)字調(diào)壓電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直流穩(wěn)壓電源技術(shù)，具體地說，是一種利用數(shù)字-模擬變換器對(duì)懸浮式可調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓集成電路的輸出電壓實(shí)行數(shù)字化調(diào)節(jié)的電路。
背景技術(shù)：
在直流穩(wěn)壓電源中，集成化的穩(wěn)壓電源芯片以其優(yōu)越的穩(wěn)壓性能、完善的保護(hù)功能和簡便的使用方法得到了廣泛的應(yīng)用。在輸出電壓可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源中，尤以懸浮式可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓集成電路最為常用。LM317是其中最常見的有代表性的一種三端穩(wěn)壓集成電路。圖1是它的典型應(yīng)用電路。這類集成電路芯片上沒有直接的接地端，芯片本身不承受全部輸入電壓。在高輸入輸出電壓的工作情況下，只有電阻RA承受高電壓，集成片對(duì)地處于懸浮狀態(tài)，僅僅承受輸入輸出電壓之差，因而其工作電壓不受集成電路耐壓的限制。但是，這類集成電路都是以調(diào)節(jié)可變電阻RA的阻值來調(diào)節(jié)輸出電壓，很難與數(shù)字電路系統(tǒng)如單片機(jī)系統(tǒng)配合使用以構(gòu)成數(shù)字化穩(wěn)壓電源。有時(shí)可以見到的一種調(diào)壓方案是在RA的位置上安排多個(gè)不同阻值的電阻，利用單片機(jī)通過電子開關(guān)切換這些電阻來調(diào)節(jié)輸出電壓。但這種方法只能做到有限檔次的粗調(diào)。
現(xiàn)有的一種數(shù)字直流穩(wěn)壓電源的方案是用數(shù)字-模擬變換器(DAC)產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，與輸出電壓比較后進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。這種電路一般只能用分立元件組成，難以利用集成穩(wěn)壓芯片的優(yōu)越性能，輸出電壓也受元件耐壓的限制。另一種數(shù)字直流穩(wěn)壓電源的方案是采用大功率運(yùn)算放大器與DAC相結(jié)合，將DAC輸出的模擬電壓經(jīng)運(yùn)算放大器放大后作為電源的輸出。這種方案的缺點(diǎn)是輸出電壓的大小受限于運(yùn)算放大器的耐壓，難于獲得較高的輸出電壓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種將數(shù)字-模擬變換器(DAC)與懸浮式可調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓集成電路相聯(lián)結(jié)的電路方案，使穩(wěn)壓集成電路的輸出電壓與DAC的數(shù)字輸入量成線性關(guān)系，從而可以利用單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化的數(shù)字直流穩(wěn)壓電源。這種電路方案既適用于正電壓穩(wěn)壓集成電路，也適用于負(fù)電壓穩(wěn)壓集成電路。以下先就正電壓穩(wěn)壓集成電路的情況進(jìn)行說明。圖2是本發(fā)明的基本電路結(jié)構(gòu)，它包括主電源[1]、輔助電源[2]、懸浮式可調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓集成電路[3]、偏移電壓單元[6]、數(shù)字調(diào)節(jié)單元[7]以及電阻RA，其中數(shù)字調(diào)節(jié)單元由數(shù)字-模擬變換器(DAC)[4]、緩沖驅(qū)動(dòng)器[5]和電阻RB構(gòu)成。穩(wěn)壓集成電路的輸入端(in)與主電源的正極相連接，其輸出端(out)獲得主電源的穩(wěn)壓輸出，而其調(diào)節(jié)端(adj)與主電源負(fù)極(GND)之間接入電阻RA。數(shù)字-模擬變換器(DAC)、緩沖驅(qū)動(dòng)器、偏移電壓單元由輔助電源供電。DAC的輸出電壓經(jīng)緩沖驅(qū)動(dòng)后與電阻RB的一端相接，而RB的另一端接到穩(wěn)壓集成電路的調(diào)節(jié)端(adj)。輔助電源與主電源之間沒有公共端，兩者之間的關(guān)系由偏移電壓單元來設(shè)定。偏移電壓單元的輸出端與輔助電源的負(fù)極(GND_A)之間產(chǎn)生并保持一個(gè)恒定電壓Vd，該輸出端接到主電源的穩(wěn)壓輸出端。由此，使穩(wěn)壓輸出端與輔助電源負(fù)極(GND_A)之間始終保持一個(gè)恒定的電位差。
懸浮式可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓集成電路在正常工作時(shí)，其輸出端(out)與調(diào)節(jié)端(adj)之間總是保持恒定的電壓，稱為基準(zhǔn)電壓。以LM317為例，這個(gè)基準(zhǔn)電壓值為1.25V。如果將偏移電壓單元的輸出電壓也設(shè)置成1.25V，那么，在數(shù)字調(diào)節(jié)系統(tǒng)看來，穩(wěn)壓集成電路的adj端就成為一個(gè)“虛地”端，也就是說，盡管該端與GND_A并沒有物理上的直接連接，但始終與GND_A保持相等的電位。由此，RB中的電流有以下簡單的表達(dá)式IRB=VaRB]]>式中Va是數(shù)字-模擬變換器的輸入數(shù)字量經(jīng)變換后產(chǎn)生的輸出模擬電壓值(假定緩沖驅(qū)動(dòng)器的放大系數(shù)為1)。
IRB與穩(wěn)壓集成電路的adj端電流Iadj一起流入電阻RAIRA＝Iadj+IRB因而RA上的電壓為VRA=IadjRA+VaRARB]]>穩(wěn)壓輸出電壓為VOUT=1.25+IadjRA+VaRARB]]>根據(jù)LM317的數(shù)據(jù)資料，可知Iadj數(shù)值極小而且基本恒定不變。因而上式表明，穩(wěn)壓輸出電壓與數(shù)字-模擬變換器的輸入數(shù)據(jù)值成線性關(guān)系。
為了使穩(wěn)壓輸出能從零電壓起調(diào)，只要將偏移電壓設(shè)置成比1.25V更高一些就可以。這時(shí)，雖然adj端在數(shù)字調(diào)節(jié)系統(tǒng)中不再是“虛地”端，仍然是一個(gè)恒電位端。簡單的推算可得，如果偏移電壓取以下值Vd=1.25(1+RBRA)+IadjRB]]>穩(wěn)壓輸出電壓將有以下簡單的表達(dá)形式VOUT=VaRARB]]>這就是說，輸出端將獲得從零電壓開始的、與Va成簡單比例關(guān)系的穩(wěn)定電壓。只要與智能控制系統(tǒng)(如單片機(jī)系統(tǒng))相結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)智能化的數(shù)字控制的直流穩(wěn)壓電源。
數(shù)字調(diào)節(jié)單元可以有兩組或多組，各組的電阻RB的一端都接到adj端?？偟恼{(diào)節(jié)作用為各組調(diào)節(jié)作用的疊加。由于adj端是恒電位端，因而各組的調(diào)節(jié)作用各自獨(dú)立，互不影響。選擇不同的RB值，可以使各組具有不同的調(diào)節(jié)分辨率。
本發(fā)明的電路方案充分利用了懸浮式可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓集成電路的特點(diǎn)，全部控制電路對(duì)主電源的地線(GND)均處在高架懸浮狀態(tài)，因而其輸出電壓不受集成芯片耐壓的限制。只要對(duì)穩(wěn)壓集成電路的輸入、輸出壓差作適當(dāng)?shù)目刂疲敵龇€(wěn)定電壓的調(diào)節(jié)范圍可以達(dá)到數(shù)百伏甚至更高。
這種電路方案對(duì)負(fù)電壓的穩(wěn)壓集成電路(代表性型號(hào)為LM337)也是適用的。圖4是負(fù)電壓的電路結(jié)構(gòu)。除了主電源的極性顛倒以外，其它均與正電壓電路相同。輸出電壓也與Va成線性關(guān)系。與正電壓電路不同的是，輸出電壓的絕對(duì)值是隨Va的減小而線性增大的。


圖1是懸浮式可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓集成電路的典型應(yīng)用電路。圖2是本發(fā)明的基本電路結(jié)構(gòu)。圖3是一種實(shí)施方案的例子。圖4是本發(fā)明應(yīng)用于負(fù)電壓穩(wěn)壓集成電路的基本電路結(jié)構(gòu)。圖5與圖6是一種更完整的實(shí)施例子。
具體實(shí)施例方式
圖3的例子中，穩(wěn)壓集成電路采用LM317，數(shù)字-模擬變換器DAC1的輸出電壓經(jīng)過運(yùn)算放大器OP1組成的電壓跟隨器驅(qū)動(dòng)后接到RB上，控制輸出的穩(wěn)壓值。偏移電壓單元也由一個(gè)數(shù)字-模擬變換器DAC2與運(yùn)算放大器OP2構(gòu)成，調(diào)節(jié)DAC2的輸入數(shù)字量，就可以調(diào)節(jié)偏移電壓值Vd。主電源穩(wěn)壓輸出端接有一個(gè)恒流單元I0，目的是在空載時(shí)為LM317提供基本的工作電流。根據(jù)LM317的數(shù)據(jù)資料，這個(gè)I0應(yīng)該大于10mA。
圖5是一個(gè)更為完整的實(shí)施例子。偏移電壓單元中加接了另一個(gè)LM317，將它的out端與adj端之間的基準(zhǔn)電壓加入到偏移電壓中，可以使它的溫度漂移與主電源穩(wěn)壓集成電路LM317的基準(zhǔn)電壓的溫度漂移相抵消，以獲得更高的溫度穩(wěn)定性。數(shù)字調(diào)節(jié)部分，增加了另一組數(shù)字-模擬變換器DAC3與緩沖驅(qū)動(dòng)器OP3以及調(diào)壓電阻RB2，目的是用兩個(gè)8位數(shù)字-模擬變換器組合起來，獲得萬分之一以上的調(diào)節(jié)分辨率。只要取RB2＝100RB1，就可以使DAC3的調(diào)節(jié)分辨率等于DAC1的調(diào)節(jié)分辨率的百分之一。如果設(shè)計(jì)一個(gè)0-100V的數(shù)字穩(wěn)壓電源，可以使DAC1負(fù)責(zé)整數(shù)部分的調(diào)節(jié)，最小步距為1V；DAC3負(fù)責(zé)小數(shù)部分的調(diào)節(jié)，最小步距為0.01V。另外DAC3還可以在單片機(jī)的控制下起誤差補(bǔ)償?shù)淖饔谩?br> 全部數(shù)字-模擬變換器都在單片機(jī)(MCU)的控制下工作，單片機(jī)也由輔助電源供電。增加的另一個(gè)DAC4，其輸出電壓接到DAC1和DAC3的基準(zhǔn)電壓輸入端(ref)，用于穩(wěn)壓輸出值的定標(biāo)，而DAC2則用于調(diào)零。單片機(jī)也可以對(duì)主電源電壓進(jìn)行預(yù)調(diào)壓，以使穩(wěn)壓集成電路[3]的輸入輸出電壓差限制在合理的范圍。
穩(wěn)壓集成電路[3]由LM317經(jīng)電流電壓擴(kuò)展后構(gòu)成。圖6是穩(wěn)壓集成電路的擴(kuò)展電路，PNP晶體管[8]用于電流擴(kuò)展，NPN晶體管[10]和穩(wěn)壓二極管[9]用于電壓擴(kuò)展。經(jīng)電流擴(kuò)展和電壓擴(kuò)展后，LM317可以工作在小電流和恒定壓差的條件下，使之具有更優(yōu)良的穩(wěn)壓性能。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)直流穩(wěn)壓集成電路實(shí)行數(shù)字化調(diào)壓的電路。包括主電源[1]、輔助電源[2]、穩(wěn)壓集成電路[3]、電阻[RA]以及偏移電壓單元[6]與數(shù)字調(diào)節(jié)單元[7]。穩(wěn)壓集成電路[3]的輸入端(in)與主電源[1]相連，穩(wěn)壓集成電路[3]的輸出端(out)作為穩(wěn)壓輸出端。電阻[RA]的一端與穩(wěn)壓集成電路[3]的調(diào)節(jié)端(adj)連接，另一端則與主電源的地線(GND)連接。本發(fā)明的特征在于a)偏移電壓單元[6]與數(shù)字調(diào)節(jié)單元[7]由輔助電源[2]供電。輔助電源[2]的正負(fù)極與主電源[1]的正負(fù)極沒有公共端。b)偏移電壓單元[6]的輸出端與輔助電源[2]的負(fù)極(GND_A)之間產(chǎn)生并保持一個(gè)恒定的電壓。該輸出端與穩(wěn)壓集成電路[3]的輸出端(out)連接，使得輔助電源[2]的負(fù)極(GND_A)始終與穩(wěn)壓輸出端保持恒定電位差。c)數(shù)字調(diào)節(jié)單元[7]由數(shù)字-模擬變換器[4]、緩沖驅(qū)動(dòng)器[5]、電阻[RB]組成。數(shù)字-模擬變換器[4]的輸出端與緩沖驅(qū)動(dòng)器[5]的輸入端連接，緩沖驅(qū)動(dòng)器[5]的輸出端與電阻[RB]的一端連接，電阻[RB]的另一端與穩(wěn)壓集成電路[3]的調(diào)節(jié)端(adj)連接。d)所說的穩(wěn)壓集成電路[3]是懸浮式、可調(diào)節(jié)的正電壓穩(wěn)壓集成電路，也可以是懸浮式、可調(diào)節(jié)的負(fù)電壓穩(wěn)壓集成電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化調(diào)壓電路，特征是其中的數(shù)字調(diào)節(jié)單元可以有一組，也可以有兩組或多組。各組中的電阻[RB]的一端都連接到穩(wěn)壓集成電路[3]的調(diào)節(jié)端(adj)上。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種直流穩(wěn)壓電源的數(shù)字化調(diào)壓電路方案，包括主電源、輔助電源、懸浮式可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓集成電路、偏移電壓單元和數(shù)字調(diào)節(jié)單元。偏移電壓單元的作用是使輔助電源的負(fù)極與主電源穩(wěn)壓輸出端保持恒定電位差。數(shù)字調(diào)節(jié)單元由數(shù)字－模擬變換器DAC、緩沖驅(qū)動(dòng)器和電阻R
文檔編號(hào)G05F1/10GK1395151SQ0212832
公開日2003年2月5日 申請(qǐng)日期2002年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月30日
發(fā)明者胡化成 申請(qǐng)人:胡化成