一种电源输出电压采样反馈装置及系统技术领域
本发明涉及电子电气技术领域，尤其是涉及一种应用于负输入、负输出电源的输出电压采样反馈装置及系统。
背景技术
现代电子系统中，一般需要正、负两种工作电压。目前，在正输入、正输出的电压变换电路领域，已有很多成熟、优化的方案，而对于负输入、负输出电压变换电路的研究并不多见。在负输入、负输出电源电路当中，输入侧的控制电路以输入负线作为参考“地”，而输出侧的采样电路则以输出负线作为参考“地”，这两个“地”并不是等电位。因此，负输入、负输出电源电路输入侧控制电路与输出侧采样电路之间参考地的非等电位对电压变换电路的反馈控制造成了很大的困难。
目前，在现有技术当中较为普遍的解决方案是：
第一种为采用集成线性稳压器的方式，如：集成线性稳压器采用LM317、LM79XX系列产品的方案，将输入的负电压降压成需要的负电压，如附图1所示即为一种采用三端稳压器的典型应用电路。附图1描述的技术方案其反馈控制方式是通过电阻R1和R2组成的分压器对输出电压进行采样，再将信号反馈至三端稳压器的调节端口，从而实现稳定输出电压的目的。这种技术方案在电路设计上虽然结构简便、成本低廉，但是线性稳压方式功率损耗大，因而不适宜应用于功率需求较大的场合。
另一种方案是采用开关稳压的方式，具体来说就是采用负输入、负输出的Buck或Boost变换电路实现。如附图2所示即为一种负输入、负输出的Buck电路。其中，U1为PWM控制器，PWM控制器1具有三个端口，分别是反馈端FB、补偿端COMP和驱动端DRIVE。反馈端FB与外部的补偿网络相连，而驱动端与开关管V1的控制端相连。PWM控制器1控制MOSFETV1的导通和关断，对输入的负电压“Vin”进行斩波，产生幅值较小的负电压“Vout”。在附图2所示的技术方案中，因为PWM控制器1的工作参考电平为“Vin”，而输出电压检测（基准稳压器V3及其外围阻容网络）电路的参考电平为“Vout”，因此采用一个光耦合器V2，将检测信号传递至PWM控制器1的反馈端FB。如附图2所示的电路虽然可以取得较高的效率，因而适用于功率需求较大的场合，但是其输出电源反馈方式仍然较为复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电源输出电压采样反馈装置及系统，能够实现负输入、负输出电源的输出电压检测和信号电平转换，同时简化了电路结构，节约了装置及系统的体积和成本。
为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种电源输出电压采样反馈装置的技术实现方案，一种电源输出电压采样反馈装置，应用于负输入、负输出电源的输出电压采样反馈，所述装置包括电压检测反馈电路。所述电压检测反馈电路进一步包括三极管、第一电阻和第二电阻。所述三极管的发射极通过所述第一电阻分别与输入端地线、输出端地线相连，所述三极管的基极与输出负电压相连。所述三极管的集电极通过所述第二电阻与输入负电压相连，所述三极管的集电极与所述负输入、负输出电源的控制器的反馈输入端相连。所述控制器通过开关管输出负电压，所述开关管、第二电阻，以及所述控制器的共同参考地为连接输入负电压的输入负线。
优选的，所述三极管的集电极电压信号作为所述控制器中误差放大器的反馈输入信号与所述控制器的内部基准电压进行比较，经过比较后的结果输入至所述控制器中的逻辑控制单元进行输出逻辑控制，再经过所述控制器中的驱动单元驱动后作为所述负输入、负输出电源中开关管的输入控制信号，并由所述电压检测反馈电路对所述开关管的输出电压进行采样。所述误差放大器的输出端还与外部的补偿网络相连。
优选的，在所述采样反馈装置工作过程中，如果所述输出负电压的幅值增大或减小，则所述三极管基极与发射极之间的电压差增大或减小，所述三极管的集电极电流Ic随之增大或减小，所述第二电阻上的电压升高或降低，导致所述控制器的误差放大器的输入端电压升高或降低，所述控制器根据所述误差放大器的输入端电压升高或降低的变动减小或增大所述开关管的开通占空比，从而校正所述输出负电压的幅值。
优选的，所述输出负电压进一步根据以下公式计算：
Vout=(1+1/hFE)*（Vref/R2）*R1–Veb
其中，Vref为所述控制器内部的基准电压值，hFE为所述三极管的电流放大系数，Veb为所述三极管发射极和基极之间的压降，R1为所述第一电阻的阻值，R2为所述第二电阻的阻值。
本发明还另外具体提供了一种电源输出电压采样反馈系统的技术实现方案，一种电源输出电压采样反馈系统，包括：控制器、补偿网络、输入储能电容、开关管、滤波器和续流二极管。所述滤波器包括电感和第二电容，输入负电压经过所述采样反馈系统转换为输出负电压。所述系统还包括电压检测反馈电路，所述电压检测反馈电路包括三极管、第一电阻和第二电阻，所述三极管的发射极通过所述第一电阻分别与输入端地线、输出端地线相连，所述三极管的基极与输出负电压相连。所述三极管的集电极通过所述第二电阻与输入负电压相连，所述三极管的集电极与所述控制器的反馈输入端相连。所述控制器、开关管和第二电阻的共同参考地为连接输入负电压的输入负线，以实现检测信号的电平转换。
优选的，所述输入储能电容对输入负电压进行滤波，所述开关管对经过滤波的输入负电压进行斩波，并输出方波电压。所述滤波器将所述方波电压处理成直流的输出负电压，所述输出负电压反馈至所述控制器。所述续流二极管在所述开关管关断时，为电感的电流提供续流通道。所述控制器根据输出电压反馈信号，调节所述开关管驱动脉冲的占空比，维持输出负电压的稳定。所述补偿网络用于调节所述采样反馈系统的反馈环路参数。
优选的，所述控制器包括逻辑控制单元、驱动单元和误差放大器。所述三极管的集电极电压信号作为所述误差放大器的反馈输入信号与所述控制器的内部基准电压进行比较，经过比较后的结果输入至所述逻辑控制单元进行输出逻辑控制，再经过所述驱动单元驱动后作为所述开关管的输入控制信号，并由所述电压检测反馈电路对所述开关管的输出电压进行采样。所述误差放大器的输出端还与所述补偿网络相连。
优选的，如果在所述采样反馈系统工作过程中，所述输出负电压的幅值增大或减小，则所述三极管基极与发射极之间的电压差增大或减小，所述三极管的集电极电流Ic随之增大或减小，所述第二电阻上的电压升高或降低，导致所述控制器的误差放大器的输入端电压升高或降低。所述控制器根据所述误差放大器的输入端电压升高或降低的变动减小或增大所述开关管的开通占空比，从而校正所述输出负电压的幅值。
优选的，所述三极管进一步采用低温度系数的三极管。
优选的，所述开关管进一步采用包括MOSFET或三极管或IGBT在内的开关器件。
优选的，所述输出负电压进一步根据所述第一电阻和第二电阻的阻值进行调整。
优选的，根据以下公式计算输出负电压：
Vout=(1+1/hFE)*（Vref/R2）*R1–Veb
其中，Vref为所述控制器内部的基准电压值，hFE为所述三极管的电流放大系数，Veb为所述三极管发射极和基极之间的压降，R1为所述第一电阻的阻值，R2为所述第二电阻的阻值。
通过实施上述本发明提供的电源输出电压采样反馈装置及系统，具有如下技术效果：
（1）本发明应用在负输入、负输出电源中，利用三极管的电流放大功能，同时实现了输出电压采样和反馈，以及输出电压幅值的校正；
（2）本发明能够实现输出电压的检测、采样，以及信号的电平转换，同时简化了电路结构和元件数量，节约了装置及系统的体积和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中采用集成线性稳压器方式的负输入、负输出电源的电路原理图；
图2是现有技术中采用开关稳压方式的负输入、负输出电源的电路原理图；
图3是本发明电源输出电压采样反馈装置一种具体实施方式的电路原理图；
图中：1-控制器，2-电压检测反馈电路，3-补偿网络，11-逻辑控制单元，12-驱动单元。
具体实施方式
为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：
PWM：PulseWidthModulation，脉冲宽度调制的简称；
MOSFET:Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor的缩写，即金属-半导体场效应管。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图3所示，给出了本发明电源输出电压采样反馈装置的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如附图3中所示，一种电源输出电压采样反馈装置的具体实施例，电源输出电压采样反馈装置，应用于负输入、负输出电源的输出电压采样反馈。装置包括电压检测反馈电路2，电压检测反馈电路2进一步包括三极管V2、第一电阻R1和第二电阻R2。三极管V2的发射极通过第一电阻R1分别与输入端地线、输出端地线相连，三极管V2的基极与输出负电压Vout相连。三极管V2的集电极通过第二电阻R2与输入负电压Vin相连，三极管V2的集电极与负输入、负输出电源的控制器1的反馈输入端相连。控制器1通过开关管V1输出负电压，开关管V1、第二电阻R2，以及控制器1的共同参考地为连接输入负电压Vin的输入负线。
三极管V2的集电极电压信号作为控制器1中误差放大器A1的反馈输入信号与控制器1的内部基准电压Vref进行比较，经过比较后的结果输入至控制器1中的逻辑控制单元11进行输出逻辑控制，再经过控制器1中的驱动单元12驱动后作为负输入、负输出电源中开关管V1的输入控制信号，并由电压检测反馈电路2对开关管V1的输出电压进行采样。误差放大器A1的输出端还与外部的补偿网络3相连。
在采样反馈装置工作过程中，如果输出负电压Vout的幅值增大或减小，则三极管V2基极与发射极之间的电压差增大或减小，三极管V2的集电极电流Ic随之增大或减小，第二电阻R2上的电压升高或降低，导致控制器1的误差放大器A1的输入端电压升高或降低，控制器1根据误差放大器A1的输入端电压升高或降低的变动减小或增大开关管V1的开通占空比，从而校正输出负电压Vout的幅值。
输出负电压Vout进一步根据以下公式计算：
Vout=(1+1/hFE)*（Vref/R2）*R1–Veb
其中，Vref为控制器1内部的基准电压值，hFE为三极管V2的电流放大系数，Veb为三极管V2发射极和基极之间的压降，R1为第一电阻R1的阻值，R2为第二电阻R2的阻值。
如附图3所示，一种电源输出电压采样反馈系统的具体实施例，包括：控制器1、补偿网络3、输入储能电容C1、开关管V1、滤波器和续流二极管D1。滤波器包括电感L1和第二电容C2，输入负电压Vin经过采样反馈系统转换为输出负电压Vout。系统还包括电压检测反馈电路2，电压检测反馈电路2包括三极管V2、第一电阻R1和第二电阻R2，三极管V2的发射极通过第一电阻R1分别与输入端地线、输出端地线相连，三极管V2的基极与输出负电压Vout相连。三极管V2的集电极通过第二电阻R2与输入负电压Vin相连，三极管V2的集电极与控制器1的反馈输入端相连。控制器1、开关管V1和第二电阻R2的共同参考地为连接输入负电压Vin的输入负线，以实现检测信号的电平转换。
本发明具体实施例描述的电源输出电压采样反馈装置根据三极管V2的发射极电流与集电极电流成线性比例关系，以及三极管V2的B-E极间压降较为稳定（大约0.6V～0.7V）的特点，采用三极管与电阻组合的方式，对负输入、负输出电源的输出电压进行采样，并实现电平转换后反馈至输入侧的控制电路。本发明具体实施例在如附图2所示的现有输出电源电路基础上，对其输出电压检测反馈方式进行改进，采用一个PNP三极管，和两个分压电阻，实现输出电压的检测和信号电平的转换，简化了电路结构，节约了装置及系统的体积和成本。
输入储能电容C1对输入负电压Vin进行滤波，保证输入负电压的波动不会影响到输出电压的稳定。开关管V1不停地进行开关动作，以实现对经过滤波的输入负电压Vin进行斩波，并在开关管V1、续流二极管D1、电感L1三个元件的接点位置输出方波电压。电感L1和电容C2组成滤波器，将方波电压处理成直流的输出负电压Vout，输出负电压Vout反馈至控制器1。续流二极管D1在开关管V1关断时，为电感L1的电流提供续流通道。控制器1为PWM控制器，控制器1根据输出电压反馈信号，调节开关管V1驱动脉冲的占空比，维持输出负电压Vout的稳定。电阻R3、电容C3、C4构成的补偿网络3，补偿网络3用于调节采样反馈系统的反馈环路参数，维持整个系统的工作稳定。
作为本发明一种典型的具体实施例，控制器1进一步包括逻辑控制单元11、驱动单元12和误差放大器A1。三极管V2的集电极电压信号作为误差放大器A1的反馈输入信号与控制器1的内部基准电压Vref进行比较，经过比较后的结果输入至逻辑控制单元11进行输出逻辑控制，再经过驱动单元12驱动后作为开关管V1的输入控制信号，并由电压检测反馈电路2对开关管V1的输出电压进行采样。误差放大器A1的输出端还与补偿网络3相连。其中，DRIVE端为驱动脉冲输出端，FB为内部误差放大器A1的输入端，COMP为误差放大器A1的输出端。三极管V2与第一电阻R1、第二电阻R2构成输出电压检测反馈电路，在第二电阻R2上形成以“Vin”为参考电平的信号，并输入至控制器1的“FB”端。
如果采样反馈系统在工作过程中，输出负电压Vout的幅值增大或减小，则三极管V2基极（B）与发射极（E）之间的电压差增大或减小，三极管V2的集电极（C）电流Ic随之增大或减小，第二电阻R2上的电压升高或降低，导致控制器1的误差放大器A1的输入端电压升高或降低。控制器1根据误差放大器A1的输入端电压升高或降低的变动减小或增大开关管V1的开通占空比，从而校正输出负电压Vout的幅值。
作为本发明一种较佳的具体实施例，三极管V2进一步采用低温度系数的三极管，这样就能够使三极管V2受温度影响的程度降至最低，有利于电路参数的稳定。开关管V1则进一步采用包括MOSFET或开关三极管或IGBT等在内的快速开关器件。
输出负电压Vout进一步根据第一电阻R1和第二电阻R2的阻值进行调整。输出负电压Vout进一步根据以下公式进行计算：
Vout=(1+1/hFE)*（Vref/R2）*R1–Veb
其中，Vref为控制器1内部的基准电压值，hFE为三极管V2的电流放大系数，Veb为三极管V2发射极和基极之间的压降，R1为第一电阻R1的阻值，R2为第二电阻R2的阻值。
以下对反馈电路的工作原理进行具体描述：
在附图3中示出了控制器1的内部误差放大器A1。由于运算放大器的工作特性，FB端电压即等于内部基准电压Vref，即加在第二电阻R2上的电压为Vref，则流过第二电阻R2的电流，即三极管V2的集电极电流：
Ic=Vref/R2
通过三极管V2的电流放大倍数hFE，可计算出其发射极电流为：
Ie=(1+1/hFE)*Ic=(1+1/hFE)*（Vref/R2）
则第一电阻R1上的压降为：
VR1=Ie*R1=(1+1/hFE)*（Vref/R2）*R1
由此可以得出三极管V2的集电极电压，进一步的，三极管V2的集电极电压减去其E极与B极之间的压降后，得出其基极电压，即输出电压Vout：
Vout=Vb
=Ve-Veb
=0-VR1-Veb
=(1+1/hFE)*（Vref/R2）*R1–Veb
在上述等式中，Vref是控制器1内部的基准电压值，hFE、Veb都是三极管V2的特性参数，也是确定值（选型时三极管V2应选择受温度影响程度小的三极管）。因此，可以通过选配第一电阻R1和第二电阻R2的阻值来得到需要的输出电压Vout。
通过实施本发明具体实施例描述的电源输出电压采样反馈装置及系统，能够达到以下技术效果：
（1）本发明具体实施例描述的电源输出电压采样反馈装置及系统应用在负输入、负输出电源中，利用三极管的电流放大功能，同时实现了负输入、负输出电源的输出电压采样和反馈，以及输出电压幅值的校正；
（2）本发明具体实施例描述的电源输出电压采样反馈装置及系统仅采用一个三极管V2和两个电阻R1、R2就能够实现负输入、负输出电源的输出电压检测、采样，以及信号的电平转换，同时简化了电路结构和元件数量，节约了装置及系统的体积和成本。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。