一种老式线性电源改电压的新方法

小鬼头

一种老式线性电源改电压的新方法

小鬼头   2023年5月26日


     一、老式线性电源的改装需求
      
     老式线性电源虽然比较笨重，但输出纹波小、工作稳定可靠，相对于现今流行的开关电源，有其特色和优势之处。有时候，会遇到手头的老式线性电源输出电压不合适、但又想把它利用起来的情况。
      因为受原机调整管的功耗较大、但散热条件有限的限制，不宜直接作较大幅度的电压改变。所以，很多人首先想到的是，给他增加一个高效率的开关电源模块，以接力方式（即是以原机的输出作为模块的输入），来获得所需的输出电压。
      比如一台固定输出24V的5A电源，想把他改为12V的5A电源，甚至是想把他改为24V以下的可调电源。近日，论坛区里就有这样的需求帖子，发帖者想把他的电源改为输出电压可调：

http://www.crystalradio.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=2076452


     二、本人近日构思出来的改装新方法

     前面所述的简单改装方法（即接力方式），虽然改装起来相当简单，但最后得到的电源输出，纹波电压和高频噪声都比较大，电源输出质量比原机有明显下降，改装效果差强人意。而且，在某些时候，有可能会遇上这种接力方式所特有的高频稳定性问题（容易自激或工作不稳），因此，这种改装方法还存在着工作不够可靠的风险。

    本人提出的改装方法，其原理类似于2只三极管的级联接法（cascode接法），利用新增的开关电源模块来承担高压和高功耗（即担任cascode接法的共b极放大管），让原机的调整管工作于低功耗模式下（即原机的调整管担任cascode接法的共e极放大管）。因此，从原理方面看，预期这种改装新方法所取得的效果，将明显优于接力方式的改装，最后得到的电源输出，保持原线性电源的几乎所有特性，电源输出质量不差于原来，纹波电压和高频噪声都不会有明显的增加。

    改装新方法如图1、图2所示。



    图1是改装前的原机电路框图，画出了原电源的调整管与主板等的连接关系。




   图2（图中文字误标为图1）是改装后的电源框图。可与图1对比，得到改装前后的连接关系变化。其中的改装要点有：

   1、断开原调整管（图中画出了2管并联时的情形）的C极引线。

   2、将增加的开关电源模块插入到原断开点之中，其中，模块的Vin接断开点之前，模块的Vout接断开点之后，模块的GND接调整管的e极（电流检测电阻之前、2只均流电阻之后）。

  3、增加一个恒流源，该恒流源的电流IQ应稍大于模块的静态工作电流Iq。否则，在低压输出时可能会出现输出电压异常的现象（即得不到预期那么低的低压输出）。这是因为，普通线性稳压电源中，误差放大器对+out输出端处的控制，只有通过调整管获得的上拉电压能力，没有下拉电压（/吸收电流）的能力；当缺少IQ时，模块的Iq没处“泄放”，会在+out输出端处形成一个额外的压降。

   三、新方法所用模块的选择及其他注意事项

   1、 有关修改电压的方法，通常应采用改Vef法。背后的原理在本人此帖中有简单分析：

http://www.crystalradio.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=2072112

   2、模块的选择

    （1）应选用能输出很低电压的降压型DC－DC模块。市面上比较合适的是1.2V电压输出（固定输出或可调至此电压输出）的模块。

    （2）模块的允许输入电压范围，上限应大于原调整管C极处的最高电压，并且留有一定余量。比如，原调整管处的C极最高电压为32V，那么，应选用允许36V输入的模块。

    （3）模块的持续输出电流能力应不小于原机的额定输出电流能力。比如原机的额定电流是5A，那么，就要选用5A以上的模块。但须注意的是，这个电流是指持续输出电流能力。有些标称5A或10A的模块，其持续输出电流的能力实际不足5A或10A，

    （4）尽量选用压差小的模块，尤其是想改成可调电源时。否则，有可能得不到所想要的输出电压。比如，假如原调整管工作时的压差是3V，那么，当你采用最小压差为1V的模块（只要提供高于1V的压差，他就能正常工作），由于1V+1.2V<3V，即最小压差加模块输出电压的总值小于原调整管压差，这时，改装后的电源将按预期那样工作。当你采用的是3V压差的模块，那么，你就得不到预期的输出最高压——实际得到的输出最高压将比原输出电压低1.2V。

    如果是想改为另一个电压的固定输出（比如原24V输出，想改为12V输出），则压差方面则比较宽松，不需专门选压差小的模块。

    四、想改为从0V起调的可调电源时的改装方法

    图2中的改装方法，通常只能做到从1~3V往上起调，即不具备从0V起调的能力。这是因为，一是原电路担当误差放大器的运放不具备摆动至负电源轨的能力，二是所增设的恒流源工作时也有压降上的要求。




    要想获得从0V起调的能力，可以循图3的方法来做。其要点是：

   1、增加一组负电源。目的是解决误差放大器的向下摆幅问题，因此，主板上担当误差放大器的运放负电源引脚（-Vcc脚）应接至此电源处，而这组电源的电压有二三V应该就足够。

   2、增设的恒流源，由原来接－out输出端，改为接负电源端，以确保0V输出时恒流源仍能正常工作。



   

   

locky_z

线性稳压，输出端调到最低时，此时总功耗是巨大的，发热量大，如果此时Vin是固定的，也不考虑用DC-DC预稳压，可以考虑增加一个下面电路提高可靠性。


这个电路是实用电子文摘214电路中的一篇文章，如上图，就是沃尔曼电路，但加了一个电阻R1，
不要小看这个电阻，计算恰当的话，它可以将最大功耗的3/4都移到这个电阻上，剩下的1/4功耗则由晶体管和稳压IC承担。
要知道，无源电阻的可靠性远比有源器件高得多

R1最佳阻值大概是Vcc/Iomax左右。
例如Vin是40V，Vo是1-35V输出，最大电流5A，那么选择R1=Vcc/Iomax=40/5=8欧。
当Vo=1V,输出电流=5A，此时将有约195W（39*5）的功耗。
假如稳压二极管是5V，二极管和Vbe总压降2V，稳压IC压降就是3V，功耗15W，
R1两端压降就是36V，功耗162W，有源器件合起来的功耗才33W。也就是在最低效率最大功耗的时候，绝大部分功耗由无源器件R1承担。

这个电路并没有减少总功耗，只是将绝大部分功耗转移到可靠性较高的电阻R1上承担。

locky_z

开关电源模块输出端肯定都有一个大电容的，那么就等于线性调整管CE两端并联了一个大电容，
因此这种组合效果能否达到线性电源的效果否

爱你矿坛

这样改与直接只用DC-DC降压模抉有什么好处？

locky_z

locky_z 发表于 2023-5-26 19:27
开关电源模块输出端肯定都有一个大电容的，那么就等于线性调整管CE两端并联了一个大电容，
因此这种组合效 ...

模块不单止输出端有大电容，Vin-GND之间也有大电容。这样等于Vin和最终输出端之间直接隔着一只大电解电容。文波直接通过模块Vin-GND直接的电容直通到输出端了

小鬼头

locky_z 发表于 2023-5-26 20:54
模块不单止输出端有大电容，Vin-GND之间也有大电容。这样等于Vin和最终输出端之间直接隔着一只大电 ...

你3楼说的那个电容应该不会造成什么不良影响。


现在说的Vin-GND之间的电容可能会有明显影响，需要改进一下：

1、把模块的这只（这些）电容拆除，然后检查原机+out与-out之间没有起到相同作用的电容。主要是看电容容量是否足够、高频旁路作用是否足够，以及原机c1两端有没有良好的高频退藕

2、如果有，那么就只拆下来就行。

3、如果没有，或者有所怀疑的，就把拆下来的这些电容改接在模块GND与电容c1的负引脚处，然后给c1并0.1u的高频退藕电容。

locky_z

小鬼头 发表于 2023-5-26 21:16
你3楼说的那个电容应该不会造成什么不良影响。

DC-DC模块的输入端电容重要性和输出端电容重要性一样，都是要流过高频大电流的，是不可能省略的，

小鬼头

locky_z 发表于 2023-5-26 21:46
DC-DC模块的输入端电容重要性和输出端电容重要性一样，都是要流过高频大电流的，是不可能省略的，

你贴出来的那只分担功耗的电阻，就相当于模块Vin-GND之间的电容，是会导致整个电源的psrr性能下降的。区别在于，电阻带来的下降影响因素基本不随频率而变，电容则随频率而变。

至于Vout与GND之间的电容。没有这电容时，调整管c极看到的是很低阻抗的负载，有这个电容时，只是这个阻抗更低而已。

这可以拿cascode的接法来做类比，情况基本相同。共e极放大管的c极负载，是共b极放大管的输入阻抗，这个阻抗也是很低的，可是，这里的低阻抗却不影响整个接法最后获得的电流/电压增益。

washu

从原理方面看，预期这种改装新方法所取得的效果，将明显优于接力方式的改装，最后得到的电源输出，保持原线性电源的几乎所有特性，电源输出质量不差于原来，纹波电压和高频噪声都不会有明显的增加。

+++++++++
1、最好有测试数据，早期线性电源频率响应很低不说，且不具有 Sink 能力，来自 BUCK 模块地线上的纹波和高频噪声，线性电源部分几乎无能为力。

2、对原楼主而言，此方法依然不能改可调，依然不如可调 BUCK+LDO，如今一些 LDO 频率响应很高了的

小鬼头

washu 发表于 2023-5-27 09:39
从原理方面看，预期这种改装新方法所取得的效果，将明显优于接力方式的改装，最后得到的电源输出，保持原线 ...

从原理层面看，是有这个能力的。当然，你的意见也很对，应该以实际测试为准。

这个新方法是刚构想出来的，我是先把他记录下来（并同时发帖），免得到时忘了。

我近来比较忙，要做实验验证，可能要安排到很后。倒是可以想办法利用仿真软件，间接地验证一下。

sandan

思路不错

因为还是要用DC-DC，不避开DC-DC高频辐射？ 实测纹波不会不赠加
如增加了电容电感？那直接用DC-DC也能控制的不错。




按楼主的思路
要用手头的线性电源又要合适的电压和功耗
也可看实际负载情况， 考虑初级电压调整（220V）
避开使用DC-DC？ 那纹波才能保持原样。
这个思路范围不大，不行时还得用楼主的方法。

washu

小鬼头 发表于 2023-5-27 10:38
从原理层面看，是有这个能力的。当然，你的意见也很对，应该以实际测试为准。

这个新方法是刚构想出来 ...

正好以前导入过 2596 模型，用 2596-12 + 后置线性和 2596-33 + 你的思路做了仿真对比

你的思路确实好一丢丢


2596-12 + 后置



2596-33 + 你的思路

小鬼头

washu 发表于 2023-5-27 12:51
正好以前导入过 2596 模型，用 2596-12 + 后置线性和 2596-33 + 你的思路做了仿真对比

你的思路确实好 ...

我只是估算有这样的效果，还不敢说，采用新方法后的电源输出质量，能优于原线性电源。

你现在的仿真已初步表明，如果实际改装时措施到位，有机会比原线性电源还好（纹波Vpp更小，尤其是低频段）。

你还没仿真那种我帖子里所称的接力改装法，即是把开关电源模块放在原机的输出后面来接。但从第一个图可看出，将有200mV级的纹波Vpp——而新方法是1mV级

MF35_

washu 发表于 2023-5-27 12:51
正好以前导入过 2596 模型，用 2596-12 + 后置线性和 2596-33 + 你的思路做了仿真对比

你的思路确实好 ...

你把仿真电路里的电容，全部换成实际参数的电容，或者给电容加上ESR、ESL这些玩意儿再试试