CN100392963C - 一种低压大电流模块电源 - Google Patents

Abstract

一种低压大电流模块电源，包括：第一级DC/DC变换单元，用于将可变的输入直流电压，转换为稳定的直流输出；第二级固定占控比DC/DC变换单元，其开关周期和占空比是固定的；控制电路，控制第一级DC/DC变换单元的输出，同时提供给第二级固定占空比DC/DC驱动脉冲。可以做到宽范围的电压输入。通过第二级固定占空比DC/DC隔离变压器能够获得幅值稳定的同步整流驱动信号，可以直接驱动同步整流管，实现同步整流输出，在低压大电流模块电源运用中可以获得很高的效率。

Description

一种低压大电流模块电源

技术领域

本发明涉及模块电源，具体涉及采用开关转换器模块电源。

背景技术

随着电子技术的发展，超大规模集成电路集成度的不断提高，以及系统的复杂度越来越高，对电源的需求越来越趋向于小巧、通用、低压、高功率密度的方向发展。传统的模块电源采用单级实现DC/DC变换，在成本方面有一定的优势，但同一拓扑难以满足宽范围输入和输出的要求，特别是在低压大电流输出情况下，难以获得足够的效率。而且磁芯的工作状态受输入和输出电压的影响大，难以优化设计。通常情况下利用率都不高，只有在某一段范围内可以获得比较高的效率；在低压大电流输出情况下，采用同步整流技术，需要复杂的驱动电路，获得稳定的驱动脉冲；由于模块体积的限制，单一磁芯的有效窗口截面积无法满足更大功率输出的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供能满足宽范围输入输出要求、效率较高的低压大电流模块电源。

本发明提供的低压大电流模块电源，包括：第一级DC/DC变换单元，用于将可变的输入直流电压，转换为稳定的直流输出；第二级固定占空比DC/DC变换单元，其开关周期和占空比是固定的；控制电路，控制第一级DC/DC变换单元的输出，同时提供给第二级固定占空比DC/DC驱动脉冲。

在上述方案中，第一级DC/DC变换单元可以由非隔离的BUCK电路实现的，具体包括：输入直流电源的正端接第一功率管VT1的漏极，其源极接第一电感L1和第一整流管VD1的阴极；第一功率管VT1的栅极和源级分别接控制电路中的第一路控制信号的正端A和负端A’；第一整流管VD1的阳极接输入的地端；第一电感L1的另一端为BUCK的输出，非隔离的BUCK电路在控制电路的作用下输出为一稳定的直流电压，并提供给第二级固定占空比DC/DC。第二级固定占空比DC/DC变换单元可以由带自驱动同步整流电路的半桥电路组成，具体包括：第二功率管VT3的漏极接BUCK电路的输出，第二功率管VT3的源极接第三功率管VT4的漏级，第三功率管VT4的源极接输入直流电源的地；半桥电路的第一分压电容C3一端接BUCK电路的输出，一端与第二分压电容C4串联，第二分压电容C4的另一端接输入直流电源的地；第三分压电容C1和第四分压电容C2根据所需容值的需要分别与第一分压电容C3和第二分压电容C4并联。隔离变压器T1的原边绕组，一端接第一分压电容C3和第二分压电容C4的连接点，另一端接到第二功率管VT3和第三功率管VT4的连接点上；第二功率管VT3的栅极和源极分别接控制电路中的第二路控制信号的正端B和负端B’；第三功率管VT4的栅极和源极分别接控制电路中的第三路控制信号的正端C和负端C’，隔离变压器T1副边绕组的中心抽头为输出的地端，该自耦绕组的两端分别接第四功率管VT7和第五功率管VT8的栅极，对称的另外两个自耦抽头分别接第四功率管VT7和第五功率管VT8的源极，第四功率管VT7和第五功率管VT8的漏极并联后接输出的正端。

本发明还可以采用另一种方案，在这种方案中，包括双路两级变换单元和控制部分，双路两级变换单元输出并联工作，其中：

每路两级变换单元包括第一级DC/DC变换单元和第二级固定占空比DC/DC变换单元；第一级DC/DC变换单元是非隔离的BUCK电路，第二级固定占空比DC/DC变换单元采用半桥电路和同步整流电路；第一级DC/DC变换单元的输出接第二级固定占空比DC/DC变换单元为半桥电路，半桥电路的输出接同步整流电路；控制部分包括：脉冲启动电路、驱动电路、控制电路、固定占空比移相驱动电路、第一自馈电源、第二自馈电源、过流自锁电路和电压反馈电路；脉冲启动电路向控制电路发出周期性的启动脉冲；第一自馈电源从隔离变压器T1中取电压作为控制电路的电源，第二自馈电源同样也从隔离变压器T1中取电压作为过流自锁电路和电压反馈电路的电源；电压反馈电路检测模块电源的输出电压并向控制电路输出误差调节信号，控制电路输入脉冲宽度调制信号给驱动电路，驱动电路输出驱动波形给第一级DC/DC变换单元对第一级DC/DC变换单元的输出进行控制；固定占空比移相驱动电路向第二级固定占空比DC/DC变换单元中的半桥电路的功率管提供驱动脉冲；固定占空比移相驱动电路与控制电路连接，保持频率同步；过流自锁电路从模块电源的输出取得电流信号，并在输出电流信号超过设定值时产生自锁信号并输出给控制电路。

在上述方案中，第一级DC/DC变换单元可以由非隔离的BUCK电路实现的，具体包括：输入直流电源的正端接第一功率管VT1的漏极，第一功率管VT1的源极接第一电感L1和第一整流管VD1的阴极；第一功率管VT1的栅极和源级分别接驱动电路中的第一路控制信号的正端A和负端A’；第一整流管VD1的阳极接输入的地端；第一电感L1的另一端为BUCK的输出，非隔离的BUCK电路在控制电路的作用下输出为一稳定的直流电压，并提供给所述的第二级固定占空比DC/DC。第二级固定占空比DC/DC变换单元可以由带自驱动同步整流电路的半桥电路组成，具体包括：第二功率管VT3的漏极接BUCK电路的输出，第二功率管VT3的源极接第三功率管VT4的漏级，第三功率管VT4的源极接输入直流电源的地；半桥电路的第一分压电容C3一端接BUCK电路的输出，一端与第二分压电容C4串联，第二分压电容C4的另一端接输入直流电源的地；第三分压电容C1和第四分压电容C2根据所需容值的需要分别与第一分压电容C3和第二分压电容C4并联；隔离变压器T1的原边绕组，一端接第一分压电容C3和第二分压电容C4的连接点，另一端接到第二功率管VT3和第三功率管VT4的连接点上；第二功率管VT3的栅极和源极分别接固定占空比移相驱动电路的第二路控制信号的正端B和负端B’；第三功率管VT4的栅极和源极分别接固定占空比移相驱动电路的第三路控制信号的正端C和负端C’，隔离变压器T1副边绕组的中心抽头为输出的地端，该自耦绕组的两端分别接第四功率管VT7和第五功率管VT8的栅极，对称的另外两个自耦抽头分别接第四功率管VT7和第五功率管VT8的源极，第四功率管VT7和第五功率管VT8的漏极并联后接输出的正端。

上述方案中的过流自锁包括：过流自锁电路(103)，控制电路(102)，驱动(111)，第一自馈电源(107)，第二自馈电源(104)，隔离变压器T1。过流自锁电路(103)，通过取样电阻或者电流互感器等不同方式，取得输出电流信号；当超过设定值时，过流自锁电路(103)输出电平翻转，并持续保持这种状态，即产生自锁信号；该信号传递到控制电路(102)，控制电路(102)输出持续关断，使驱动(111)无驱动脉冲输出，双路并联的两级变换109、109’的第一级DC/DC停止工作，这样第二级固定占空比DC/DC便无输入电压，隔离变压器T1无能量转换，因此取至隔离变压器T1的第一自馈电源(107)和第二自馈电源(104)也停止了工作，这样模块电源便无输出电压；过流自锁电路(103)，因第二自馈电源(104)掉电而解除自锁状态，直到脉冲启动电路(106)再次发出启动脉冲，重复该模块电源装置前述启动工作过程；如果过流自锁电路(106)再次检测到过流，该过流保护过程将重复。

固定占空比移相驱动电路(100)，具体包括：时钟电路(200)，第一二分频电路(201)，第二二分频电路(202)，第一驱动放大电路(203)，第二驱动放大电路(204)。时钟电路(200)，产生同频率，相位相反的两路时钟，分别输入到两个二分频(201)、(202)中；然后分别经第一和第二驱动放大203、204，便产生了两路相移90度的驱动脉冲，而实现了两路半桥电路输出功率的交错并联。

由于本发明的第二级固定占空比DC/DC变换单元，其开关周期和占空比是固定的，因此有利于磁芯和功率转换过程的优化设计，容易实现零压，零流，因此传输效率很高。显然通过第一级DC/DC变换单元，只要选择合适的功率器件，可以做到宽范围的电压输入。两级变换的优点还在于：通过第二级固定占空比DC/DC隔离变压器能够获得幅值稳定的同步整流驱动信号，可以直接驱动同步整流管，实现同步整流输出，在低压大电流模块电源运用中可以获得很高的效率。

附图说明

图1是本发明第一种方案的原理框图。

图2是本发明第一种方案中第一级DC/DC和第二级固定占空比DC/DC变换单元的一个实施例的具体电路图。

图3是本发明第二种方案原理方框图。

图4是本发明第二种方案中的固定占空比移相驱动的原理框图。

具体实施方式

图1是本发明第一种方案的原理框图。在图1中，输入电压经过第一级DC/DC变换，该级受控制电路的控制，使其输出稳定的直流电压到第二级固定占空比DC/DC变换单元，由于采用了固定占空比控制，控制脉冲由控制电提供，输出就可以获得稳定的直流。

图2是本发明第一种方案中第一级DC/DC和第二级固定占空比DC/DC变换单元的一个实施例的具体电路图。在图2中，采用了非隔离的buck电路11来实现第一级DC/DC变换单元的功能，采用变换效率很高的半桥电路12和同步整流电路13来实现第二级固定占空比DC/DC变换单元的功能；同步整流的驱动信号直接取自该半桥电路12的主变压器T1。其中：

非隔离的BUCK电路11包括：输入直流电源的正端接第一功率管VT1的漏极，其源极接第一电感L1和第一整流管VD1的阴极；第一功率管VT1的栅极接控制电路控制信号的正端A，源级接控制电路控制信号的负端A’；第一整流管VD1的阳极接输入的地端；第一电感L1的另一端为BUCK的输出，(非隔离的BUCK电路11)在控制电路的作用下输出为一稳定的直流电压，并提供给第二级固定占空比DC/DC；

第二级固定占空比DC/DC由带自驱动同步整流电路13的半桥电路12组成，具体方式如下：第二功率管VT3的漏极接BUCK电路11的输出，第二功率管VT3的源极接第三功率管VT4的漏级，第三功率管VT4的源极接输入直流电源的地；

半桥电路12的第一分压电容C3一端接BUCK的输出，一端与第二分压电容C4串联，第二分压电容C4的另一端接输入直流电源的地；

第三分压电容C1和第四分压电容C2根据所需容值的需要分别与第一分压电容C3和第二分压电容C4并联；

隔离变压器T1的原边绕组，一端接第一分压电容C3和第二分压电容C4的连接点，另一端接到第二功率管VT3和第三功率管VT4的连接点；第二功率管VT3的栅极和源极分别接控制电路中的第二控制信号的正端B和负端B’；第三功率管VT4的栅极和源极分别接控制电路控制信号的正端C和控制电路控制信号的负端C’，隔离变压器T1副边绕组的中心抽头为输出的地端，该自耦绕组的两端分别接第四功率管VT7和第五功率管VT8的栅极，对称的另外两个自耦抽头分别接第四功率管VT7和第五功率管VT8的源极，第四功率管VT7和第五功率管VT8的漏极并联后接输出的正端。

图3是本发明第二种方案方框图。在这种方案中，采用了双路两级变换109、109’(由图2所介绍的拓扑形式)并联而成的低压大电流模块电源装置，同时配合控制电路所具有的特殊的半桥移相驱动电路和间歇式的过流保护电路，实现了一种低压大电流模块电源装置。这种双路并联的两级变换109、109’，采用了同一套控制电路102。其中第一自馈电源107和第二自馈电源104，分别取自图2中所指的隔离变压器T1，采用不同的绕组，分别给控制电路102、输出侧的过流自锁电路103和电压反馈电路108供电；原副侧在电气上是隔离的。其工作过程为：该模块电源的输出电压，经电压反馈控制电路108检测并输出误差调节信号，传递给控制电路102；控制电路102输出脉冲宽度调制信号PWM给驱动111，驱动111输出驱动波形给图2中所指的A，A’端，控制VT1的导通和关断；这样也就控制了双路并联的两级变换109、109’中的第一级DC/DC的输出；双路并联的两级变换109、109’中第二级固定占空比DC/DC采用了图2中所指的半桥变换，其第二功率管VT3和第三功率管VT4的驱动脉冲B，B’和C，C’，由图3中固定占空比移相驱动100来提供；由于该级开关周期是固定的，其输出电压完全取决于双路并联的两级变换109、109’中第一级DC/DC的输出；因此控制电路102能够实现对模块输出电压的控制；固定占空比移相驱动100与控制电路102连接，保持频率同步。

该模块电源启动工作过程为：参见图3，当该模块电源有输入电压时，脉冲启动电路106便开始工作，发出周期性的启动脉冲。当脉冲启动电路106输出为高时，控制电路102便开始工作；在控制电路102开始工作之前固定占空比移相驱动100已先开始工作；驱动双路并联的两级变换109、109’中第二级固定占空比DC/DC工作。如前所述，控制电路102工作以后，双路并联的两级变换109、109’中第一级DC/DC便有电压输出到第二级固定占空比DC/DC，模块通过第二级DC/DC获得电压输出。这时取自第二级DC/DC隔离变压器T1(图2)的第一自馈电源107和第二自馈电源104分别产生稳定的直流电源供给控制电路工作，启动过程完成。

过流保护电路103工作过程为：过流自锁电路103，通过取样电阻或者电流互感器等不同方式，取得输出电流信号。当超过设定值时，过流自锁电路103输出电平翻转，并持续保持这种状态，即产生自锁信号。该信号传递到控制电路102，控制电路102输出持续关断，驱动111无驱动脉冲到双路并联的两级变换109、109’的第一级DC/DC工作，这样第二级固定占空比DC/DC便无输入电压，第一自馈电源107和第二自馈电源104也停止工作，这样模块电源便无输出电压。过流自锁电路103，因第二自馈电源104掉电而解除自锁状态，直到脉冲启动电路106再次发出启动脉冲，重复该模块电源装置启动工作过程；如果过流自锁电路106再次检测到过流，该过流保护过程将重复。相对于通常恒流特性的过流保护电路，其优点在于：功率回缩快，允许持续长时间输出短路，可靠性高；其短路产生的间歇工作状况稳定可控，只要调节脉冲启动电路106的周期即可实现；可以迅速降低由于输出短路，导致整流和功率器件的损耗增加；控制简单，易于实现。

本发明的固定占空比移相驱动100的具体实现框图可见图4：时钟电路200，产生同频率，相位相反的两路时钟E和/E，分别输入到两个二分频201、202中。第一二分频201输出的时钟F和第二二分频202输出的时钟/F相差为90度。然后F和/F分别经驱动放大203、204，便产生了分别驱动图3中双路并联的两级变换109、109’其第二级固定占空比DC/DC的BB’和CC’(详见图2)驱动脉冲。显然一路两级变换109中的B B’驱动信号，对应另一路两级变换109’中的BB’相移了90度；两级变换109中的C，C’驱动信号，对应两级变换109’中的C，C’相移了90度，从而实现了两路输出功率的交错并联。本发明固定占空比移相驱动100可以向并联的两路同时产生驱动信号，使双路并联的两级变换109和109’的第二级固定占空比DC/DC所对应的第二功率管VT3和第三功率管VT4(图2)，分别产生移相90度的驱动脉冲。这样两路整流后所对应的缺口，相对相移了90度，从而起到互相填补的作用，大大降低了输出纹波。

Claims (3)

1.一种低压大电流模块电源，包括双路两级变换单元(109，109’)和控制部分，双路两级变换单元输出并联工作，其中：

每路两级变换单元包括第一级DC/DC变换单元和第二级固定占空比DC/DC变换单元；所述第一级DC/DC变换单元是非隔离的BUCK电路(11)，所述第二级固定占空比DC/DC变换单元采用半桥电路(12)和同步整流电路(13)；所述第一级DC/DC变换单元的输出接所述第二级固定占空比DC/DC变换单元的半桥电路(12)，半桥电路(12)的输出接同步整流电路(13)；

所述的第二级固定占空比DC/DC变换单元由带自驱动同步整流电路(13)和半桥电路(12)组成，其中半桥电路(12)包括第二功率管(VT3)、第三功率管(VT4)、第一、二、三、四分压电容，具体连接关系如下：

第二功率管(VT3)的漏极接BUCK电路(11)的输出，第二功率管(VT3)的源极接第三功率管(VT4)的漏极，第三功率管(VT4)的源极接输入直流电源的地；

半桥电路(12)的第一分压电容(C3)一端接BUCK电路(11)的输出，一端与第二分压电容(C4)串联，第二分压电容(C4)的另一端接输入直流电源的地；第三分压电容(C1)和第四分压电容(C2)根据所需容值的需要分别与第一分压电容(C3)和第二分压电容(C4)并联；

同步整流电路(13)包括隔离变压器(T1)、第四功率管(VT7)和第五功率管(VT8)，具体连接关系如下：

隔离变压器(T1)的原边绕组，一端接第一分压电容(C3)和第二分压电容(C4)的连接点，另一端接到第二功率管(VT3)和第三功率管(VT4)的连接点上；第二功率管(VT3)的栅极和源极分别接固定占空比移相驱动电路(100)的第二路控制信号的正端(B)和负端(B’)；第三功率管(VT4)的栅极和源极分别接固定占空比移相驱动电路(100)的第三路控制信号的正端(C)和负端(C’)，隔离变压器(T1)副边绕组的中心抽头为输出的地端，该副边绕组的两端分别接第四功率管(VT7)和第五功率管(VT8)的栅极，对称的另外两个副边绕组抽头分别接第四功率管(VT7)和第五功率管(VT8)的源极，第四功率管(VT7)和第五功率管(VT8)的漏极连接后接输出的正端；

所述控制部分包括：脉冲启动电路(106)、驱动电路(111)、控制电路(102)、固定占空比移相驱动电路(100)、第一自馈电源(107)、第二自馈电源(104)、过流自锁电路(103)和电压反馈电路(108)；所述脉冲启动电路(106)向所述控制电路(102)发出周期性的启动脉冲；所述第一自馈电源(107)从所述隔离变压器(T1)中独立绕组取电压作为所述控制电路的电源，所述第二自馈电源(104)从所述隔离变压器(T1)副边绕组中取电压作为所述过流自锁电路(103)和所述电压反馈电路(108)的电源；所述电压反馈电路(108)检测模块电源的输出电压并向所述控制电路(102)输出误差调节信号，所述控制电路输出脉冲宽度调制信号给所述驱动电路(111)，所述驱动电路(111)输出驱动波形给所述第一级DC/DC变换单元对第一级DC/DC变换单元的输出进行控制；所述固定占空比移相驱动电路(100)向所述第二级固定占空比DC/DC变换单元中的半桥电路(12)的功率管提供驱动脉冲；所述固定占空比移相驱动电路(100)与所述控制电路(102)连接，保持频率同步；所述过流自锁电路(103)从模块电源的输出取得电流信号，并在输出电流信号超过设定值时产生自锁信号并输出给所述控制电路(102)。

2.权利要求1所述的低压大电流模块电源，其特征在于，所述的第一级DC/DC变换单元是由非隔离的BUCK电路(11)实现的，具体包括：

输入直流电源的正端接第一功率管(VT1)的漏极，第一功率管(VT1)的源极接第一电感(L1)和第一整流管(VD1)的阴极；第一功率管(VT1)的栅极和源极分别接驱动电路(111)的第一路控制信号的正端(A)和负端(A’)；第一整流管(VD1)的阳极接输入直流电源的地端；第一电感(L1)的另一端为BUCK电路(11)的输出，非隔离的BUCK电路(11)在控制电路(102)的作用下输出为一稳定的直流电压，并提供给所述的第二级固定占空比DC/DC变换单元。

3.权利要求1所述的低压大电流模块电源，其特征在于，所述的固定占空比移相驱动电路(100)，具体包括：时钟电路(200)，第一二分频电路(201)，第二二分频电路(202)，第一驱动放大电路(203)，第二驱动放大电路(204)；

时钟电路(200)，产生同频率，相位相反的两路时钟，分别输入到两个二分频电路(201、202)中；然后分别经第一(203)和第二驱动放大电路(204)，便产生了两路相移90度的驱动脉冲。

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