一种线性电源的输入分段多目标优化方法及宽输出装置

技术领域

本发明属于电源供电技术领域，涉及一种线性电源的输入分段多目标优化方法及宽输出装置。

背景技术

随着计算机、通信和其他数字技术的发展，线性电源在各种领域的应用也得到了广泛推广。现在，线性电源已成为电子设备中常用的电源之一，它们通常用于要求精确和稳定输出电压的应用，如通信设备、测量仪器、计算机和控制系统等。

虽然传统的线性电源因为一些优秀的输出指标而得以广泛应用，但其因能源利用率不高输出电压不稳定被诟病，无法满足目前各种设备对多种电压需求，宽范围稳定输出线性电源凸现出其优越性。

那么如何实现线性电源的宽范围稳定输出呢？线性电源的输入分段多目标优化方法及其高精度、宽输出装置的设计为这一问题的解决提供了一种可行途径。

随着电子技术的发展，宽范围输出线性电源的技术也在不断提高。目前，宽范围输出线性电源的输出电压范围可以达到数十伏，输出电流也可以达到数千毫安。此外，宽范围输出线性电源的输出精度和稳定性也在不断提高。在设计方面，宽范围输出线性电源的元组型设备已经普及，能够提供多组输出电压，使用更加灵活。

因此，本发明在宽范围输出基础上，采用多段输入及高精度稳压电路，结合单片机控制，设计了一套新颖的输入分段多目标优化方法及其高精度、宽输出装置的线性电源。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种线性电源的输入分段多目标优化方法及宽输出装置，既可以在既保证电源输出效率的前提下保证宽泛的输出电压范围，灵活性强，使用场景增多，实用性高。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种线性电源的宽输出装置，包括多段输入部分、线性调压部分、交互部分和辅助电路部分；

所述多段输入部分，采用基于概率统计算法的电源性价比目标优化函数，获取最优分段数，降低调整管功耗，提高电源效率，增大电源功率密度，进一步结合用户使用先验信息、元件成本和电路复杂度，确定最佳输入分段为4～8段；

所述线性调压部分，在宽范围电压输出时，根据用户输出设置值(0～200V)，自动匹配最佳工作分段，保证调整管工作在线性工作区的同时，使其前向电压尽可能小；

所述交互部分与线性调压部分连接，用于设置和显示输出电压等人机交互信息；

所述辅助电路部分，用于接收并处理多段输入部分输出的信号，并与线性调压部分输出的参考信号进行比较并调压处理，最后经滤波处理得到输出信号。

进一步，所述基于概率统计算法的电源性价比目标优化函数为：

其中，C是总成本，C

进一步，假设输入为220V的交流电，采用基于概率统计算法的电源性价比目标优化函数，计算得出最优分段n为4～8段；其中，每段输入部分结构相同，包括：桥堆、电容、电阻、稳压二极管、MOS管、光电耦合器和二极管；

当第一段输入部分的通道工作时，30V交流电经过桥堆D1整流变成脉动直流，经电容C1滤波就变成比较平稳的直流，再通过MOS管Q1的开关控制决定是否投运到输出，如果Q1导通，第一路电源就跟其他选择投运的通路以相加的关系组合，作为后续稳压电路的输入，也就是VAP和VAN之间的电压。设此电压为VA，各通道整流滤波之后的直流电压为V1～V4，则：VA＝b1×V1+b2×V2+b3×V3+b4×V4，上式中b1～b4为各通道的开关控制量，取值为0或者1，取值为1意味着该通道对应的开关MOS管导通。

进一步，所述线性调压部分包括有精密控制算法部分，采用脉宽调制技术(PWM)实现带隙电源的可编程设置，作为装置闭环反馈控制的参考信号，使得稳定输出目标电压。

进一步，所述精密控制算法部分包括主控单片机STM32F103芯片和TL431精密电源，采用精密电源TL431实现参考信号的幅值低漂移性，采用单片机STM32F103芯片生成所需输出电压的PWM。

进一步，所述辅助电路部分包括取样电路、辅助电源和显示-键盘交互部分。

本发明的有益效果在于：本发明与已有线性电源相比，输出范围更广，可达到0-200V的宽范围输出，其次，多段输入式的线性电源灵活性强，可根据用户需求选择输入端，每段输入中采用了二极管进行隔离，在单段工作时，不产生相互影响，最后，利用了精密电源和单片机控制调节输出电压的VR，结合键盘及显示电路，实现了稳定电压可调等功能。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明装置的实现原理图；

图2为本发明多段输入框图；

图3为本发明线性调压部分框图；

图4为控制算法部分框图；

图5为多段输入原理图；

图6为线性调压原理图；

图7为控制算法部分原理图；

图8为显示-键盘交互部分电路原理图；

图9为辅助电路部分原理图；

图10为电压分段示意图；

图11为用户常用输出电压分布图；

图12为成本-效率函数图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图12，本发明实施例提供一种线性电源的宽输出装置，多段输入部分、线性调压部分、交互部分(即键盘及显示电路部分)和辅助电路部分。

1、多段输入部分，采用基于概率统计算法的电源性价比目标优化函数，获取最优分段数，降低调整管功耗，提高电源效率，增大电源功率密度，进一步结合用户使用先验信息、元件成本和电路复杂度，确定最佳输入分段为4～8段。

电压输出范围为0～200V，将这一范围分为n段，每段电压为Δt，如图10所示。在设计过程中，每增加一段，需要考虑各种成本因素，包括变压器绕组成本、焊接元器件成本以及PCB板打板成本等。

总成本C可以表示：

C＝n(C1+C2+C3) (1)

C1是变压器绕组的成本，它随着电压输出范围、每段电压、电流大小及绕组数量的不同而发生变化。C2是焊接元器件的成本，它主要由元器件的种类、数量和质量等因素决定。C3是PCB板打板成本，需要考虑到PCB板的外形尺寸、线路宽度、阻抗控制等因素。

综上，增加的段数与成本并非成线性关系。

同时，每增加一段，效率也会得到相应的提升，为了最高程度得实现高效率的输出，需要根据用户的常用输出电压数据进行统计分析，以确定最适合用户需求的电压输出范围和电路的参数。根据用户的常用输出电压数据统计，发现在0～200V范围内，用户比较常用的电压有：3V、5V、12V、24V、32V等。

最后，得出下式：

如图11～图12所示，以所需输出电压为5V为例子，输入为220V的交流电，其效率为

2、线性调压部分，在宽范围电压输出时，根据用户输出设置值(0～200V)，自动匹配最佳工作分段，保证调整管工作在线性工作区的同时，使其前向电压尽可能小。

线性调压部分包括有控制算法部分，包括主控单片机STM32F103芯片和TL431精密电源。

所述高精度控制算法部分，提出脉宽调制技术(PWM)实现带隙电源的可编程设置，作为装置闭环反馈控制的参考信号，其中，采用精密电源TL431实现参考信号的幅值低漂移性，单片机STM32生成所需输出电压的PWM波，稳定输出目标电压。

3、显示-键盘交互部分分，与线性调压部分连接，用于设置和显示输出电压等人机交互信息。

4、辅助电路部分，用于接收并处理多段输入部分输出的信号，并与线性调压部分输出的参考信号进行比较并调压处理，最后经滤波处理得到输出信号。

本实施例设计了0-220V输出，具有4分段，低纹波高响应线性电源，具体电路结构如图5～图9所示。

如图5所示，多段输入部分包括4个相同的单分段结构部分，各个单分段结构部分通过二极管(D3、D8、D11、D14)串联，然后与电容(C2、C3、C4)并联，电容(C2、C3、C4)正负极两端的电压为VAP和VAN。其中，第一个单分段结构部分包括接入端子J1、桥堆(或桥式整流二极管)D1、电容C1、电阻(R1、R9、R10)、稳压二极管D2、MOS管Q1、光耦二极管U1。桥堆D1的2脚与接入端子J1的1脚连接，桥堆D1的3脚与接入端子的2脚连接，桥堆D1的1脚与电容C1的正极连接，桥堆D1的4脚与电容C1的负极、光耦二极管U1的3脚(即接收端的E极)和二极管D3的正极连接。电阻R1和稳压二极管D2并联，稳压二极管D2的负极与电容C1的正极和MOS管Q1的源极连接，稳压二极管D2的正极MOS管Q1的栅极和光耦二极管U1的4脚(即接收端的C极)连接；MOS管Q1的漏雨极二极管D3的负极连接。光耦二极管U1的1脚(即发射极正极)通过电阻R9与STM32F103芯片的P33脚连接，光耦二极管U1的2脚(即发射极的负极)与STM32F103芯片的S0脚连接。

当第一通道(即第一个单分段结构部分)工作时，30V交流电经过桥堆D1整流变成脉动直流，经电容C1滤波就变成比较平稳的直流，再通过MOS管Q1的开关控制决定是否投运到输出，如果Q1导通，第一路电源就要跟其他选择投运的通路以相加的关系组合，作为后续稳压电路的输入，也就是VAP和VAN之间的电压。设此电压为VA，各通道整流滤波之后的直流电压为V1～V4，则：VA＝b1×V1+b2×V2+b3×V3+b4×V4，上式中b1～b4为各通道的开关控制量，取值为0或者1，取值为1意味着该通道对应的开关MOS管导通。

如图6所示，线性调压部分包括电阻(R2、R3、R5、R6、R7、R12、R13、R15、R16)、三极管(Q2、Q3)、光耦二极管U2、低功率双运算放大器U3A、电容(C5～C8)、稳压二极管D5、输出端子、发光二极管LD1。

光耦二极管U2的1脚(即发射极正极)通过电阻R15与STM32F103芯片的P33脚连接，光耦二极管U2的2脚(即发射极的负极)与放大器U3A的输出端连接，光耦二极管U2的3脚(即接收端的E极)与三极管Q3的基极连接，光耦二极管U2的4脚(即接收端的C极)通过电阻R2与电压VAP连接。三极管Q3的基极与发射极之间通过电阻R6连接，三极管Q3的发射极还与三极管Q2的基极连接；三极管Q3的集电极与电压VAP连接。三极管Q2的基极与发射极之间通过电阻R5连接；三极管Q2的集电极与电压VAP连接；三极管Q2的发射极与电容(C5～C7)的正极、输出电压VO连接。电容(C5～C7)的负极接地，电容(C5～C7)的正极还通过串联的电阻R7、电阻R13和发光二极管LD1接地，另外还通过输出端子接地。低功率双运算放大器U3A的正极输入端与输出测量电压VM连接，还通过串联的电阻R12和电阻R3与三极管Q2的发射极连接，还串联电阻R16接地，还通过稳压二极管D5与STM32F103芯片的P33脚连接；低功率双运算放大器U3A的负极输入端与参考电压VR连接；低功率双运算放大器U3A的引脚8与STM32F103芯片的P5脚连接，并串联电容C8接地。

如图7所示，控制算法部分的硬件部分包括STM32F103芯片、单通道通用模拟开关U4、电容(C11、C13、C14、C15、C16、C17、C24、C25)、电阻(R18、R19、R20、R21、R24、R27、R30、R31)、低功率双运算放大器U3A U3B、电压基准芯片U7。

单通道通用模拟开关U4的VCC端口与STM32F103芯片的P33脚连接，并通过电容C13接地；芯片U4的S端口与STM32F103芯片的PA3脚连接；单通道通用模拟开关U4的B2端口通过电阻R27与STM32F103芯片的P5脚连接；U4的A端口与电阻R21的一端连接，电阻R21的另一端通过电容C14接地；单通道通用模拟开关U4的B1端口和GND端口均接地。电阻R21的另一端还依次与电阻R18、电阻R19、电阻R20串联至放大器U3B的正极输入端；电阻R18与电阻R19的连接点处通过电容C15接地；电阻R19与电阻R20的连接点处通过电容C12与放大器U3B的输出端连接；放大器U3B的输出端与负极输入端连接，还通过电阻R24与参考电压VR连接，还通过串联的电阻R24和电容C17接地。

电阻R27的一端与电容C24的一端与连接，另一端分别与电容C25的一端、电阻R30的一端、电压基准芯片U7的负极连接；电容C24和电容C25的另一端均接地；电压基准芯片U7的正极接地；电阻R30的另一端通过电阻R31接地。

如图8所示，键盘及显示电路部分包括芯片LCM1和键盘，均与STM32F103芯片连接。

如图9所示，辅助电路部分包括降压芯片U11、电流检测放大器U6、正向低压降稳压器U9、接入端子(J5、J6)、桥堆D16、电容(C9、C21～C23、C27～C37)、电阻(R4、R8、R11、R14、R28～R29、R38～R40、R42～R43)、功率电感L1、稳压二极管D15、发光二极管LD2、肖特基二极管D4。

桥堆D16的1脚和2脚分别与接入端子J6的两个接口连接，桥堆D16的3脚与接入端子J5的P12脚、电容C34的正极连接连接；桥堆D16的4脚接地；电容C34的负极接地；电容C33与电容C34并联。降压芯片U11的BOOT端口与PH端口通过电容C30连接；芯片U11的PH端口与稳压二极管D15负极连接，GND端口与稳压二极管D15正极连接，且降压芯片U11的GND端口接地；降压芯片U11的VIN端口与EN端口之间通过电阻R40连接；降压芯片U11的EN端口与SS端口之间串联了电阻R43和电容C37；电阻R40与电阻R43串联后接地；降压芯片U11的COMP端口通过电容C35接地，还通过电阻R41和电容C36接地；降压芯片U11的VSENSE端口通过电阻R42接地。功率电感L1与电容C31并联后与稳压二极管D15并联，电容C31与电容C32并联；电阻R38与电阻R42串联后，然后与串联的电阻R39和发光二极管LD2并联，还与电容C32并联；电容C32的一端与STM32F103芯片的P5脚连接，另一端接地。

电流测量：电流检测放大器U6的IN+端口与IN-端口之间通过电阻R25连接；电阻R25一端与电压VAN连接，另一端接地；电流检测放大器U6的VS端口与STM32F103芯片的P33脚连接；电流检测放大器U6的VS端口与GND端口之间通过电容C21连接；电流检测放大器U6的OUT端口通过串联的电阻R28和电容C22接地；电流检测放大器U6的OUT端口通过电阻R28与STM32F103芯片的PA0脚连接。

电压测量：电阻R29与电容C23串联，电阻R29的一端与输出测量电压VM连接，另一端与STM32F103芯片的PA1脚连接；电容C23的一端与STM32F103芯片的PA1脚连接，另一端接地。

正向低压降稳压器U9的Vin端口与STM32F103芯片的P5脚连接；正向低压降稳压器U9的Vout端口与STM32F103芯片的P33脚连接；正向低压降稳压器U9的GND端口接地，并通过电容C27与Vin端口连接，并通过电容C28或电容C29与Vout端口连接。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。