CN101350554A - 一种多路隔离输出电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路隔离输出电源，包括输入电压端、中间母线、多路电压变换电路，输入电压端通过中间母线分别与多路电压变换电路相连，所述多路电压变换电路中的每路电压变换电路将输入电压进行直流/直流变换后输出，还包括非隔离降压直流/直流变换电路，所述非隔离降压直流/直流变换电路连接在所述输入电压端与中间母线之间。本发明的多路输出电源，通过采用两级输出电源架构，在输入电压和多路输出之间加设非隔离降压直流/直流变换电路，将输入电压首先降低到一合适电压，从而使得后级的电压变换电路中的变换功率管可以采用小功率管，从而提高了电源的效率，降低了整个电源的制造成本。

Description

一种多路隔离输出电源

技术领域

本发明涉及一种多路隔离输出电源。

背景技术

当前在通讯、数据通信、无线通信、服务器、基站等通信领域的产品单板电源设计中，当需要多路隔离输出时，每一路输出均由输入电压直接采用多个如推挽、全桥、半桥、正激等隔离DC/DC变换电路拓扑中的任一拓扑变换出用户需要的电压。现有技术的多路隔离输出电源基本架构如图1所示，输入电压与多路隔离DC/DC变换电路相连，各路隔离DC/DC变换电路再分别输出电压。其中，任一路隔离DC/DC均可采用当前电源业界使用的任何一种隔离DC/DC变换电路拓扑设计而成。例如全桥、半桥、推挽、有源钳位、单端反激等各种隔离DC/DC变换电路拓扑。

如图2所示，隔离DC/DC变换电路采用全桥隔离DC/DC变换电路拓扑(副边倍压整流)，该电路中，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6为MOS管，T1为变压器，L1为电感，C1为电容。PWM控制器可以是常用的模拟PWM控制器，也可以是数字PWM控制器；Q1、Q2、Q3、Q4这几个MOS管构成全桥电路拓扑原边两桥臂，他们的导通截止受PWM控制器给出的占空比可调PWM脉冲控制，通过Q1、Q2、Q3、Q4这几个MOS管的导通截止，把直流输入电压转换成方波交流电压；T1是隔离变压器，主要起功率转换和电气隔离作用；Q5、Q6是副边同步整流MOS管，其导通截止可以通过T1上的驱动绕组控制，也可以通过来自外部的PWM脉冲控制，实际应用中根据实际功率大小，也可以用二极管替代。L1、C1对TI副边绕组输出的方波交流电压整流滤波，由此获得直流输出电压。

在实际应用中，PWM控制器可以根据采样电路的电压或电流参数来调节输出的PWM脉冲占空比，电路中MOS管的导通截止受占空比可变的PWM脉冲控制，以使整个隔离电路工作在闭环状态。PWM控制器也可以不需采样电路的电压或电流参数来调节输出的PWM脉冲占空比，电路中MOS管的导通截止受固定占空比的PWM脉冲控制，以使整个隔离电路工作在开环状态。

这种多路隔离输出电源，由于输入电压范围较宽，如通信领域一般要求36V～75V宽范围输入，这样每一路隔离DC/DC变换均需采用耐高压的MOS管，由于耐高压MOS管成本高，同时漏源导通阻抗高，总栅电荷Qg值、上升时间tr参数值、下降时间tf参数值等器件参数值较大，导致电路中功率MOS管的导通损耗和开关损耗都大，这样实际设计出的隔离电源效率低，成本高，功率密度低，从而导致整个单板或系统电源效率低，成本高，功率密度低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多路隔离输出电源，可以提高电源的效率，减小电源体积，降低成本。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种多路隔离输出电源，包括输入电压端、中间母线、多路电压变换电路，输入电压端通过中间母线分别与多路电压变换电路相连，所述多路电压变换电路中的每路电压变换电路将输入电压进行直流/直流变换后输出，还包括非隔离降压直流/直流变换电路，所述非隔离降压直流/直流变换电路连接在所述输入电压端与中间母线之间。

优选的，所述非隔离降压直流/直流变换电路为单相非隔离BUCK直流/直流变换电路。

所述单相非隔离BUCK直流/直流变换电路可以是包括第一BUCK变换功率管、第二BUCK变换功率管、第一电感和第一电容，所述第一BUCK变换功率管漏极耦合到输入电压，源极与第二BUCK变换功率管漏极相连，所述第二BUCK变换功率管的源极接地，所述第一BUCK变换功率管和第二BUCK变换功率管的栅极分别响应PWM信号控制，所述第一电感串接在所述第一BUCK变换功率管源极与中间母线之间，所述第一电容跨接在中间母线与地之间。

所述单相非隔离BUCK降压直流/直流变换电路还可以是包括第一BUCK变换功率管、第一二极管、第一电感和第一电容，所述第一BUCK变换功率管漏极耦合到输入电压，源极与第一二极管负极相连，栅极响应PWM信号控制，所述第一二极管的正极接地，所述第一电感串接在所述第一BUCK变换功率管源极与中间母线之间，所述第一电容跨接在中间母线与地之间。

优选的，所述非隔离降压直流/直流变换电路为多相非隔离BUCK降压直流/直流变换电路。

所述多路电压变换电路中至少一路为隔离直流/直流变换电路或隔离直流/交流变换电路。

所述电压变换电路中至少一路为非隔离直流/直流变换电路。

还包括输入电压前期处理电路，所述输入电压前期处理电路至少包含防雷单元电路、EMC滤波单元电路和缓起单元电路之一，所述防雷单元电路、EMC滤波单元电路和缓起单元电路连接在输入电压端与非隔离降压直流/直流变换电路之间。

所述防雷单元电路包含保险管、第一压敏电阻和第二压敏电阻、放电管，第一压敏电阻和第二压敏电阻并联后一端与输入电压端相连，另一端与保险管串联后与地相连，放电管并联在输入电压端与大地之间。

所述EMC滤波单元电路包含第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、EMC滤波电感，所述EMC滤波电感包含第一绕组和第二绕组，第一绕组的第一端和第二绕组的第一端分别与输入电压端和地相连，第二电容C2并联在第一绕组的第一端和第二绕组的第一端之间，第三电容C3和第四电容C4串联后并联在EMC滤波电感的第一绕组第二端和第二绕组第二端之间，第三电容C3和第四电容C4的连接节点接大地。

所述缓起单元电路包含第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第五电容C5、第五功率管，第一电阻R1和第二电阻R2串联后并联在EMC滤波电感的第一绕组第二端和第二绕组第二端之间，第五电容C5并联在第一电阻R1和第二电阻R2的连接节点和第二绕组第二端之间，第五功率管门极经第三电阻R3与第一电阻R1和第二电阻R2的连接节点相连，源极与第二绕组第二端相连，漏极与地相连，第一绕组第二端与非隔离降压直流/直流变换电路相连。

本发明的多路隔离输出电源，通过采用两级输出电源架构，在输入电压和多路隔离直流/直流变换电路之间加设非隔离BUCK降压DC/DC变换电路，将输入电压首先降低到一合适中间母线电压，从而使得后级的隔离电压变换电路的工作频率提高，并从而使得由于后级的隔离电压变换中的变换功率管可以采用低压、低导通阻抗的功率管中的变换功率管，从而提高了电源的效率，减小了电源的体积，降低了整个电源的制造成本。

附图说明

图1是现有技术中的多路输出电源架构示意图；

图2是图1中的隔离DC/DC变换采用的全桥隔离DC/DC变换电路拓扑时的电路结构图；

图3是本发明实施例的多路输出电源架构示意图；

图4是图3中的非隔离BUCK降压DC/DC变换的一种实施例的电路结构示意图；

图5是图3中的非隔离BUCK降压DC/DC变换的另一实施例的电路结构示意图；

图6是图3中的非隔离BUCK降压DC/DC变换的又一实施例的电路结构示意图；

图7是本发明实施例中所用的模拟PWM控制器的电路示意图；

图8是图7中的反馈补偿示意图；

图9是本发明实施例中所用的数字PWM控制器的电路示意图；

图10是图7和图9中的PWM控制器所用的功率放大电路示意图；

图11是本发明实施例中多路输出电源采用并联形式输出电压的示意图；

图12是本发明实施例中多路输出电源部分采用并联形式输出电压的示意图；

图13是本发明实施例中多路输出电源中包含隔离DC/AC变换电路和非隔离DC/DC变换电路的示意图；

图14是图13中的隔离DC/AC变换电路的电路结构示意图；

图15是本发明实施例中采用的输入电压前期处理电路示意图；

图16是本发明实施例中采用的二极管合路电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图3所示，本发明具体实施方式的电源架构将电源分为两级，宽范围的输入电压先经过前级非隔离BUCK降压DC/DC变换拓扑构成的电路降压稳压成一中间母线电压U，此中间母线电压U再根据用户需求，经后级多路隔离DC/DC变换成用户需要的输出电压。

前级非隔离BUCK降压DC/DC变换拓扑可以是单相非隔离BUCK降压DC/DC变换拓扑，如图4所示，包含第一BUCK变换功率管Q1、第二BUCK变换功率管Q2，第一电感L1，第一电容C1。第一BUCK变换功率管Q1源极与第二BUCK变换功率管Q2漏极相连，第二BUCK变换功率管Q2的源极接地，第一电感L1串接在第一BUCK变换功率管Q1源极与输出电压端之间，第一电容C1跨接在输出电压端与地之间，第一BUCK变换功率管Q1和第二BUCK变换功率管Q2栅极与PWM控制器(图中未示出)相连。第一BUCK变换功率管Q1、第二BUCK变换功率管Q2是MOSFET管，其导通和截止由PWM控制器产生的占空比可调PWM脉冲控制，输入电压由第一BUCK变换功率管Q1的漏极输入，由于第一BUCK变换功率管Q1的导通截止转换成方波电压，该方波电压经L1和C1整流滤波后转换为直流输出电压输出到中间母线。第二BUCK变换功率管Q2在实际应用中可采用第一二极管D1替代，如图5所示。

前级非隔离BUCK降压DC/DC变换拓扑也可以是多相非隔离BUCK降压DC/DC变换拓扑，如图6所示，L1，L2……LN是电感，QA1，QB1，QA2，QB2……QAN，QBN是BUCK变换功率MOSFET管，其导通和截止由PWM控制器产生的占空比可调PWM脉冲控制。输入电压由于QA1，QA2，……QAN的导通截止转换成方波电压，此电压经电感L1，L2……LN和电容C1整流滤波后转换为直流输出电压。

上述的PWM控制器可以采用模拟PWM控制器，如图7所示，包括运算放大器U1，比较器U2，输入网络ZIN和反馈网络ZFB；输入网络ZIN连接输出电压VOUT；输入电压与参考电压VREF比较的差值经运算放大器U1和输入网络ZIN、反馈网络ZFB处理后获得误差电压Ue，Ue再与振荡器发生的锯齿三角波相比较经U2处理后获得占空比可调PWM脉冲。图8所示为U1和ZIN、ZFB构成的一个常用的2极点2零点反馈补偿基本示意图。根据实际应用，可以采用电源设计运用中其他反馈补偿。图8中极点F_P1、F_P2，零点F_Z1、F_Z2一般的计算公式如下：

$F_{Z1}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\·R_f\·C_{f2}}$

$F_{P1}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\·R_f\·\left(\frac{C_{f1}\·C_{f2}}{C_{f1}+C_{f2}}\right)}$

$F_{Z2}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\·(R_{i1}+R_{i2})\·C_i}$

$F_{P2}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\·C_i\·R_{i1}}$

PWM控制还可采用数字PWM控制器，如图9所示，输出模拟电压被比例分压处理后，输送到数字PWM控制器内部的A/D(模数转换)单元，经A/D转换成的数字信号送到PI(比例积分)或PID(比例积分微分)单元运算处理后产生PWM脉冲占空比信息，随后该占空比信息被送到DPWM(数字脉冲宽度调制器)单元，经DPWM单元产生输出占空比可调PWM脉冲。

PWM控制器输出的PWM控制信号可根据实际需要经过分离功率放大电路或集成功率放大电路IC进行功率放大以增强驱动MOS管导通截止能力，例如可采用如图10所示的由NPN三极管和PNP三极管构成的推挽放大电路。实际所用的电路可能要更加复杂或者与图10所示不同。

前级非隔离DC/DC变换和后级隔离DC/DC变换中采用的PWM控制器可以是同一个PWM控制器，也可以是相互独立的PWM控制器。

后级隔离DC/DC变换电路设计中PWM控制器可以不需采样电路的电压或电流参数来调节输出的PWM脉冲占空比，电路中MOS管的导通截止受固定占空比的PWM脉冲控制，以使整个隔离电路工作在开环状态。也可以根据采样电路的电压或电流参数来调节输出的PWM脉冲占空比，电路中MOS管的导通截止受占空比可变的PWM脉冲控制，以使整个隔离电路工作在闭环状态。

后级隔离DC/DC变换可以根据实际应用任意组合把中间母线电压U转换为用户输出电压，例如如图11所示的多路隔离DC/DC变换并联后输出电压的电源架构，或如图12所示其中某几路隔离DC/DC变换根据实际应用并联复合组合而成的电源架构，或者是如图13所示的包含隔离DC/AC变换和非隔离DC/DC变换的多路隔离输出的电源架构。其中，隔离DC/AC变换可为当前电源业界使用的任何隔离DC/AC变换电路拓扑设计而成，如图14所示，其为一推挽隔离DC/AC变换电路拓扑，包括第三功率管Q3、第四功率管Q4、变压器T1。第三功率管Q3和第四功率管Q4由PWM控制器控制其导通或截至；PWM控制器可以是图7所示的常用的模拟PWM控制器，也可以是图9所示的数字PWM控制器；通过Q3、Q4的导通截止，把直流输入电压转换成方波交流电压；变压器T1是隔离变压器，主要起功率转换和电气隔离作用；电容和电感对TI副边绕组输出的方波交流电压整流滤波，由此获得交流输出电压。

输入电压一般还要经过一些前期处理，如图15所示，输入电压前期处理电路连接在输入电压端与非隔离降压直流/直流变换电路之间，一般包含防雷单元电路、EMC(电磁兼容)滤波单元电路、缓起单元电路。实际应用中，电路可能会比此示意图复杂很多，各功能单元电路也有可能在此示意图基础上增减。比如实际应用中没有缓起单元电路或者防雷单元电路等，减少功能单元电路仅是在前期处理中失去相应的处理功能，对整个电路并无影响。输入也可以为2路输入，在防雷单元电路之前一般会采用二极管合路，如图16所示的输入合路电路示意图，实际应用中二极管可用MOS管替代。此外，图15所示的防雷单元电路、EMC滤波单元电路、缓起单元电路是采用从输入电压端向非隔离降压直流/直流变换电路依次相连的连接方式，但连接方式并不限定于此，也可以防雷单元电路、缓起单元电路、EMC滤波单元电路依次相连，或者EMC滤波单元电路、防雷单元电路、缓起单元电路依次相连，总之，各功能单元电路各自独立地完成其功能，对其相互之间的连接顺序并无特定要求。

在图15所示的单板输入电压前期处理电路中，保险管F1、第一压敏电阻MOV1和第二压敏电阻MOV2、放电管FDG1构成防雷单元电路，第一压敏电阻MOV1和第二压敏电阻MOV2并联后一端与输入电压端相连，另一端与保险管F1串联后与地相连，放电管FDG1并联在输入电压端与大地之间。值得注意的是，地与大地在此并非同样的含义，前者称为回流地，是电路回路当中与电源低电势相连的一端。

第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4、EMC滤波电感L_E构成EMC滤波单元电路，EMC滤波电感L_E包含第一绕组和第二绕组，第一绕组的第一端和第二绕组的第一端分别与输入电压端和地相连，第二电容C2并联在第一绕组的第一端和第二绕组的第一端之间，第三电容C3和第四电容C4串联后并联在EMC滤波电感L_E的第一绕组第二端和第二绕组第二端之间，第三电容C3和第四电容C4的连接节点接大地。

第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3、第五电容C5、第五功率管Q5构成缓起单元电路，第一电阻R1和第二电阻R2串联后并联在EMC滤波电感L_E的第一绕组第二端和第二绕组第二端之间，第五电容C5并联在第一电阻R1和第二电阻R2的连接节点和第二绕组第二端之间，第五功率管Q5门极经第三电阻R3与第一电阻R1和第二电阻R2的连接节点相连，源极与第二绕组第二端相连，漏极与地相连，第一绕组第二端与非隔离降压直流/直流变换电路输入端(即图示的单板输入电压前期处理电路的输出电压端)相连。

当单板上电时，由于第五电容C5上的电压通过第一电阻R1充电而缓慢上升，使第五功率管Q5缓慢导通，实现缓起功能。

本发明的多路隔离输出电源，采用两级复合多路隔离输出电源架构。前级非隔离BUCK降压DC/DC变换电路拓扑先把输入电压降压稳压为某一合适的中间电压，此电压根据实际应用可为低于输入电压的任意值。

当隔离DC/DC变换工作在开环状态，由于输入电压不稳定，输出电压往往将随输入电压变化而变化。而本发明中，输入电压先被稳定，因此输出电压将变化很小。

通过将多路输出电源设计为两级架构，由前级的非隔离BUCK降压DC/DC变换将输出电压先进行降压，从而可以避免后级的多路隔离电压变换电路中需要采用耐高压的功率管，从而提高了电源效率，降低了电源的制造成本。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1、一种多路隔离输出电源，包括输入电压端、中间母线、多路电压变换电路，输入电压端通过中间母线分别与多路电压变换电路相连，所述多路电压变换电路中的每路电压变换电路将输入电压进行直流/直流变换后输出，其特征在于，还包括非隔离降压直流/直流变换电路，所述非隔离降压直流/直流变换电路连接在所述输入电压端与中间母线之间。

2、如权利要求1所述的多路隔离输出电源，其特征在于，所述非隔离降压直流/直流变换电路为单相非隔离BUCK直流/直流变换电路。

3、如权利要求2所述的多路隔离输出电源，其特征在于，所述单相非隔离BUCK直流/直流变换电路包括第一BUCK变换功率管(Q1)、第二BUCK变换功率管(Q2)、第一电感(L1)和第一电容(C1)，所述第一BUCK变换功率管(Q1)漏极耦合到输入电压，源极与第二BUCK变换功率管(Q2)漏极相连，所述第二BUCK变换功率管(Q2)的源极接地，所述第一BUCK变换功率管(Q1)和第二BUCK变换功率管(Q2)的栅极分别响应PWM信号控制，所述第一电感(L1)串接在所述第一BUCK变换功率管(Q1)源极与中间母线之间，所述第一电容(C1)跨接在中间母线与地之间。

4、如权利要求2所述的多路隔离输出电源，其特征在于，所述单相非隔离BUCK降压直流/直流变换电路包括第一BUCK变换功率管(Q1)、第一二极管(D1)、第一电感(L1)和第一电容(C1)，所述第一BUCK变换功率管(Q1)漏极耦合到输入电压，源极与第一二极管(D1)负极相连，栅极响应PWM信号控制，所述第一二极管(D1)的正极接地，所述第一电感(L1)串接在所述第一BUCK变换功率管(Q1)源极与中间母线之间，所述第一电容(C1)跨接在中间母线与地之间。

5、如权利要求1所述的多路隔离输出电源，其特征在于，所述非隔离降压直流/直流变换电路为多相非隔离BUCK降压直流/直流变换电路。

6、如权利要求1至5任一项所述的多路输出电源，其特征在于，所述多路电压变换电路中至少一路为隔离直流/直流变换电路或隔离直流/交流变换电路。

7、如权利要求6所述的多路隔离输出电源，其特征在于，所述多路电压变换电路中至少一路为非隔离直流/直流变换电路。

8、如权利要求7所述的多路隔离输出电源，其特征在于，还包括输入电压前期处理电路，所述输入电压前期处理电路至少包含防雷单元电路、EMC滤波单元电路和缓起单元电路之一，所述防雷单元电路、EMC滤波单元电路和缓起单元电路连接在输入电压端与非隔离降压直流/直流变换电路之间。

9、如权利要求8所述的多路隔离输出电源，其特征在于，所述防雷单元电路包含保险管(F1)、第一压敏电阻(MOV1)和第二压敏电阻(MOV2)、放电管(FDG1)，所述第一压敏电阻(MOV1)和第二压敏电阻(MOV2)并联后一端与输入电压端相连，另一端与保险管(F1)串联后与地相连，所述放电管(FDG1)并联在输入电压端与大地之间；

所述EMC滤波单元电路包含第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)、EMC滤波电感(L_E)，所述EMC滤波电感(L_E)包含第一绕组和第二绕组，第一绕组的第一端和第二绕组的第一端分别与输入电压端和地相连，第二电容(C2)连接在第一绕组的第一端和第二绕组的第一端之间，第三电容(C3)和第四电容(C4)串联后连接在EMC滤波电感(L_E)的第一绕组第二端和第二绕组第二端之间，第三电容(C3)和第四电容(C4)的连接节点接大地；

所述缓起单元电路包含第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第五电容(C5)、第五功率管(Q5)，第一电阻(R1)和第二电阻(R2)串联后连接在EMC滤波电感(L_E)的第一绕组第二端和第二绕组第二端之间，第五电容(C5)连接在第一电阻(R1)和第二电阻(R2)的连接节点和第二绕组第二端之间，第五功率管(Q5)门极经第三电阻(R3)与第一电阻(R1)和第二电阻(R2)的连接节点相连，源极与第二绕组第二端相连，漏极与地相连，第一绕组第二端与非隔离降压直流/直流变换电路相连。

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