[发明专利]融合开关电源和线性电源的可编程数字电源系统及方法

权利要求书

1.融合开关电源和线性电源的可编程数字电源系统，其特征在于，包括前级的预调节模块和后级的线性稳压模块，所述预调节模块输入侧接入输入电压信号，所述预调节模块输出侧连接线性稳压模块，线性稳压模块的输出侧通过编程输出连接线性稳压模块；同时，线性稳压模块的输出侧还连接预调节模块，线性稳压模块的输出作为预调节模块的反馈指导；

前级的预调节模块，用于高效地降低输入电压、跟踪输出电压和监控电流；预调节模块采用降压Buck拓扑，通过脉冲宽度调制PWM控制方法控制输出电压；

后级的线性调节模块采用基于MOSFET的分离式线性稳压结构，用于降低输出电压的纹波和隔离前级的预调节模块的噪声，实现精度电压输出；

所述预调节模块包括Buck电路和跟踪电路，所述Buck电路连接线性稳压模块，线性稳压模块的输出端连接所述跟踪电路，所述跟踪电路通过脉冲宽度调制PWM模块连接Buck电路；

所述Buck电路包括开关管Q1、续流二极管D1、储能电感L2和电容C，所述开关管Q1的源极连接到电源正极、开关管Q1的漏极连接储能电感L2、开关管Q1的栅极连接控制信号，开关管Q1的漏极连接续流二极管D1的负极、续流二极管D1的正极连接电压输出端V_out；电容C一端连接储能电感L2、另一端连接电压输出端V_out；

开关管Q1为开关元件，用于由控制信号决定其导通与关断；续流二极管D1，用于保持输出电流连续；储能电感L2，用于储能元件；电容，用于滤波元件；

通过控制电路使开关管Q1在高频条件下频繁的开通和关断，在一个周期内，当开关管Q1处于导通状态，电源向负载供电；开关管Q1关断状态，由储能电感L2向负载供电；下一个周期又重复上述过程，调节开关管Q1的开通关断时间控制输出电压的大小；

所述跟踪电路包括DC-DC控制器、三极管Q2和MOS管Q3，DC-DC控制器作为控制信号，所述DC-DC控制器连接开关管Q1的栅极；

所述DC-DC控制器还连接MOS管Q3的源极，MOS管Q3的栅极连接控制信号SET_100％，MOS管Q3的漏极连接三极管Q2的集电极，三极管Q2的基极连接电压输出端OUT+，三极管Q2的发射极连接电感L2；

电容C包括电容C15，所述电容C15的正极连接储能电感L2、负极连接电压输出端V_out；

通过DC-DC控制器控制开关管Q1的占空比，让预调节输出电压V_out与线性后稳压输出OUT+的差值稳定在2～3V，从而高效的降低输入电压，使后级的线性稳压模块只需压降2～3V。

2.根据权利要求1所述的融合开关电源和线性电源的可编程数字电源系统，其特征在于，所述DC-DC控制器的型号为LTC3864，三极管Q2的型号为MMBT5401，MOS管Q3的型号为2N7002。

3.根据权利要求1所述的融合开关电源和线性电源的可编程数字电源系统，其特征在于，所述开关管Q1的型号为IRFR5305，所述续流二极管D1的型号为STPS15H100，储能电感L2的型号为7443551331，电容C15的型号为EEEFK1H470P。

4.根据权利要求1所述的融合开关电源和线性电源的可编程数字电源系统，其特征在于，所述线性调节模块包括MOSFET管驱动单元，电压采样单元、电流采样单元和误差比较单元；

所述电压采样单元，用于同比例缩小到数模转换器输出电压范围内；

所述电流采样单元，通过采样电阻同比例缩小到数模转换器输出电压范围内；

所述MOSFET管驱动单元连接所述预调节模块的输出端，所述MOSFET管驱动单元结合误差比较单元，通过16位DAC输出不同的设置电压U_set与缩小的电压经误差放大器得到不同的输出电压，从而改变三极管Q2的基极电流，进而改变MOSFET管驱动单元的驱动电压V_GS改变其导电沟道，实现线性后稳压，使其最终输出电压V_out＝U_set×16V。

5.根据权利要求1所述的融合开关电源和线性电源的可编程数字电源系统，其特征在于，所述编程输出包括电压控制环路和电流控制环路。

6.融合开关电源和线性电源的可编程数字电源的实现方法，其特征在于，结合前级的预调节模块和后级的线性稳压模块，前级的预调节模块连接线性稳压模块，线性稳压模块的输出端通过编程输出连接线性稳压模块；同时，线性稳压模块的输出端还连接预调节模块，线性稳压模块的输出作为预调节模块的反馈指导；

通过前级的预调节模块来实现高效地降低输入电压、跟踪输出电压和监控电流；结合后级的线性调节模块实现降低输出电压的纹波和隔离前级的预调节模块的噪声，实现精度电压输出；其中，

预调节模块采用降压Buck拓扑，通过脉冲宽度调制PWM控制方法控制输出电压；

后级的线性调节模块采用基于MOSFET的分离式线性稳压结构；

所述预调节模块包括Buck电路和跟踪电路，所述Buck电路连接线性稳压模块，线性稳压模块的输出端连接所述跟踪电路，所述跟踪电路通过脉冲宽度调制PWM模块连接Buck电路；

所述Buck电路包括开关管Q1、续流二极管D1、储能电感L2和电容C，所述开关管Q1的源极连接到电源正极、开关管Q1的漏极连接储能电感L2、开关管Q1的栅极连接控制信号，开关管Q1的漏极连接续流二极管D1的负极、续流二极管D1的正极连接电压输出端V_out；电容C一端连接储能电感L2、另一端连接电压输出端V_out；

开关管Q1为开关元件，用于由控制信号决定其导通与关断；续流二极管D1，用于保持输出电流连续；储能电感L2，用于储能元件；电容，用于滤波元件；

通过控制电路使开关管Q1在高频条件下频繁的开通和关断，在一个周期内，当开关管Q1处于导通状态，电源向负载供电；开关管Q1关断状态，由储能电感L2向负载供电；下一个周期又重复上述过程，调节开关管Q1的开通关断时间控制输出电压的大小；

所述跟踪电路包括DC-DC控制器、三极管Q2和MOS管Q3，DC-DC控制器作为控制信号，所述DC-DC控制器连接开关管Q1的栅极；

所述DC-DC控制器还连接MOS管Q3的源极，MOS管Q3的栅极连接控制信号SET_100％，MOS管Q3的漏极连接三极管Q2的集电极，三极管Q2的基极连接电压输出端OUT+，三极管Q2的发射极连接电感L2；

电容C包括电容C15，所述电容C15的正极连接储能电感L2、负极连接电压输出端V_out；

通过DC-DC控制器控制开关管Q1的占空比，让预调节输出电压V_out与线性后稳压输出OUT+的差值稳定在2～3V，从而高效的降低输入电压，使后级的线性稳压模块只需压降2～3V。