CN101743684A - 绝缘型dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明在变压器(T1)的1次侧设置与其1次绕组连接且使输入电源(1)的输入开关的开关电路(SW)，在变压器(T1)的2次侧具备：数字控制电路(10)，其具有输出针对开关电路(SW)的控制脉冲信号的开关控制单元；以及与变压器(T1)的2次绕组连接的整流平滑电路(SR)。数字控制电路(10)经由脉冲变压器(T2)输出控制脉冲信号，并且根据控制脉冲信号的接通占空比、输出电压和变压器(T1)的1次绕组与2次绕组的匝数比来算出输入电源电压，进行与其对应的变换器控制。

Description

绝缘型DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及对开关电路进行数字控制的绝缘型DC-DC变换器。
背景技术
当前，在专利文献1中示出了由微型计算机及DSP(Digital SignalProcessor，数字信号处理器)来构成2次侧输出电压恒定的控制电路并进行数字控制的绝缘型DC-DC变换器。
因为微型计算机及DSP可与外部电路之间进行信号及数据的输入，所以通过利用该微型计算机及DSP进行开关控制，可构成高功能的变换器。
这里，图1示出专利文献1所示的绝缘型DC-DC变换器的基本结构。
在图1中，开关元件211以及电流检测用电阻257与变压器T10的1次绕组串联连接。开关元件211构成为由DSP903给与驱动信号。在变压器T10的2次绕组上设置有整流平滑电路208。在DSP903中具备：检测整流平滑电路208的输出电压并且在绝缘状态下向1次侧传递的光电耦合器(702a，702b)以及将该输出电压变换为数字数据的A/D变换器255，DSP903读取该值。另外，DSP903读取电流检测用电阻257的降电压。在变压器T10的1次侧设置有受光元件(接收来自遥控器的红外线信号)902、DSP903读取来自该受光元件902的输出信号。
这样，DSP903进行开关元件211的开关控制，使输出电压恒定，另外，根据电流检测用电阻257的输出电压进行过电流保护动作。此外还根据来自受光元件902的信号来进行变换器的启动/停止控制等。
专利文献1：日本特开2000-116027号公报
绝缘型DC-DC变换器通过控制1次侧的开关元件的接通/关断来控制2次侧的输出电压恒定，所以如图1所示将数字控制部(微型计算机及DSP)配置在1次侧为普遍方式。在绝缘型变换器的的情况下，1次侧与2次侧之间必需绝缘，所以采用了如下的结构：检测2次侧的输出电压，将该信号利用光电耦合器等绝缘单元向1次侧传递，并反馈到数字控制部，由此来控制1次侧的开关元件。
但是，在采用光电耦合器将2次侧的输出电压传递至1次侧的情况下，产生响应延迟的问题和元件经时恶化的问题。另外，在将数字控制部配置在1次侧的情况下，具有无法与施加2次侧输出电压的负载侧(电子设备)相互通信这样的问题。即，在控制装置中采用了微型计算机及DSP的数字控制型变换器的情况下具有对作为负载的电子设备始终发送电源装置的状态等；以及在接收电子设备侧的负载状态等后可无时间延迟地进行恒流控制、恒压控制、恒定功率控制等优点，不过当将数字控制部配置在1次侧时，则无法实现这些优点。
显然，利用光电耦合器及脉冲变压器等绝缘单元进行传递在技术上是可行的，但需要相当于相互进行通信的信号端口数的光电耦合器及脉冲变压器等，所以在成本上、空间上是无法现实的。
相反，当要在2次侧配置数字控制部时，输入电压的检测成为问题。即，通常因为输入电压是变动的，所以需要经由如上所述的绝缘单元在2次侧检测输入电压，此外还需要用于传递1次侧的开关元件的控制信号的绝缘单元，从而导致空间增大成为了问题点。
这样，在目前为止的技术中，为了无论将数字控制部配置在1次侧或2次侧的哪一方，必需检测的值(输入电压和输出电压等)都存在于1次侧和2次侧双方，而需要采用光电耦合器及脉冲变压器等绝缘单元来传递信号，从而具有响应延迟、经时恶化以及空间增大等的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供消除了上述响应延迟的问题、经时变化及空间增大的问题的绝缘型DC-DC变换器。
为了解决上述课题，本发明由以下构成。
(1)一种绝缘型DC-DC变换器具备：变压器，其至少具有1次绕组和2次绕组；开关电路，其与上述变压器的1次绕组连接，使输入电源开关；数字控制电路，其具有输出针对该开关电路的控制脉冲信号的开关控制单元；整流平滑电路，其通过上述开关电路的接通/关断来对在上述变压器的2次绕组上产生的交流电压进行整流平滑，然后向输出端子输出；以及输出电压检测电路，其检测经由该整流平滑电路输出的输出电压，该绝缘型DC-DC变换器的特征在于具有绝缘单元，其将上述数字控制电路所输出的上述控制脉冲信号在绝缘状态下向1次侧传递，上述数字控制电路被配置于上述变压器的2次侧，上述数字控制电路具有：输入上述输出电压检测电路的检测信号或其数字值的单元；以及至少根据上述控制脉冲信号的接通占空比、上述输出电压、上述变压器的1次绕组和2次绕组的匝数比来运算上述输入电源的电压值的输入电源电压运算单元。
(2)上述开关电路是全桥式电路。
(3)上述绝缘单元是将对上述控制脉冲信号进行了微分的波形传递至1次侧的脉冲变压器，其仅将上述控制脉冲信号的上升沿部分以及下降沿部分传递至1次侧。
(4)上述绝缘单元是光电耦合器。
(5)上述数字控制电路具有端口，该端口用于与连接在上述输出端子上的负载电路之间进行通信。
(6)上述数字控制电路由DSP构成。
(7)绝缘型DC-DC变换器具有检测流向上述变压器1次侧的电流的电流检测单元，上述数字控制电路具备：恒压控制单元，其通过控制上述接通占空比来进行恒压控制，使输出电压为恒定；恒流控制单元，其控制上述接通占空比，使流向上述输出端子的输出电流为恒定，并根据上述输入电源的电压或上述输出电压的值、上述电流检测单元检测出电流值、以及上述变压器的1次绕组与2次绕组的匝数比来进行恒流控制；过电流保护单元，其在上述电流检测单元检测出的电流值为规定值以上时，从上述恒压控制向上述恒流控制切换控制；以及电压值保持单元，其保持在检测出上述电流检测单元所检测的电流值为规定值以上的时刻的上述输入电源的电压。
(发明效果)
根据本发明可起到以下的效果。
(1)在将数字控制电路配置在2次侧的情况下，根据现有技术需要用于检测输入电压的绝缘单元，但数字控制电路对1次侧的开关电路给与自身控制脉冲，所以控制脉冲信号的接通占空比是已知的。因此，输入电源电压运算单元可根据1次绕组与2次绕组的匝数比、已检测出的输出电压和向开关元件发出的指令脉冲的接通占空比，利用运算近似算出输入电压，由此，用于直接检测输入电压的绝缘单元是不需要的。结果，能够消除响应延迟的问题以及经时变化、空间增大的问题。
另外如现有技术所示，关于传递模拟信号(线形信号)即电压信号在光电耦合器中是困难的，而且光电耦合器明显受经时恶化的影响，但在本发明中，因为从2次侧对1次侧的开关电路只要传递用于指示开关元件的接通/关断定时的脉冲波即可，所以可消除此问题。即，无论是采用脉冲变压器的情况还是采用光电耦合器的情况，在传递脉冲信号时都难以受到经时恶化的影响。
另外如现有技术所示，在1次侧设有数字控制电路的情况下，与2次侧进行通信的脉冲变压器或光电耦合器的数量变多，但根据本发明，可显著削减脉冲变压器或光电耦合器的数量。
(2)通过将上述开关电路构成为全桥式电路，输入电源电压与输出电压的关系大致呈比例关系，所以能够高精度地求出输入电源电压。
(3)上述绝缘单元能够仅将数字控制电路所输出的控制脉冲信号传递至1次侧，所以能够采用电感值小的脉冲变压器，实现小型化。
(4)上述绝缘单元可将数字控制电路所输出的控制脉冲信号传递至1次侧，所以即使采用光电耦合器也难以受到经时恶化的影响。
(5)上述数字控制电路具有用于与连接在上述输出端子上的负载电路之间进行通信的端口，所以能够与负载电路在非绝缘状态下进行通信，能够无响应延迟地进行控制。
(6)通过由DSP构成上述数字控制电路，可直接控制针对开关电路的控制脉冲信号，这样不会介入模拟电路的电路常数的偏差要素，从而能够进行高精度的定时控制。
(7)根据输入电源电压或输出电压的值、由电流检测单元检测出的电流值以及变压器的1次绕组与2次绕组的匝数比来求出进行恒流控制的输出电流值，过电流保护单元在输出电流值为规定值以上时，从恒压控制向恒流控制进行切换，保持单元保持检测出输出电流值为规定值以上的时刻的输入电源电压、输出电压的值、与输入电源电压对应的过电流保护补正值的任意一个，由此即使在成为过电流保护状态之后也能够进行与输入电源电压相应的可靠的过电流保护。
附图说明
图1是专利文献1所示的绝缘型DC-DC变换器的概略结构图。
图2是本发明实施方式的绝缘型DC-DC变换器的电路图。
图3是示出该绝缘型DC-DC变换器的过电流保护动作的特性的图。
图4是示出该绝缘型DC-DC变换器的控制电路的处理内容的流程图。
图5是示出用于进行该绝缘型DC-DC变换器的控制电路的恒压控制、恒流控制以及过电流保护控制的处理内容的流程图。
符号说明
1-输入电源
2-负载电路
10-控制电路
100-绝缘型DC-DC变换器
CT-电流互感器
SR-整流平滑电路
SW-开关电路
T1-变压器
T2-脉冲变压器
T21、T22-输出端子
具体实施方式
图2是本发明实施方式的绝缘型DC-DC变换器100的电路图。在图2中，在变压器T1内具有1次绕组N1以及2次绕组N21、N22，1次绕组N1与由桥式连接的四个开关元件QA、QB、QC、QD构成的开关电路SW以及电感器L1连接。在输入电源1和开关电路之间设置有由共模扼流圈CH和旁路电容C1～C6组成的滤波电路以及电流互感器(CurrentTransformer)CT。电流互感器CT的2次侧与电阻R3以及整流二极管D3连接，将流向1次侧的电流作为电压信号取出。具有该电流互感器CT的电路相当于本发明的“电流检测单元”。
开关电路SW的四个开关元件QA～QD与驱动电路11连接。该驱动电路11相当于本发明的“开关控制单元”。在变压器T1的2次绕组N21、N22上设置有由整流二极管D1、D2、电感器L2以及电容器C7组成的整流平滑电路。将输出电压从该整流平滑电路向输出端子T21、T22输出。在该输出端子T21-T22之间连接有负载电路2。另外，在输出端子T21-T22之间设置有由电阻R1、R2组成的输出电压检测电路。
数字控制电路10由DSP(Digital Signal Processor)构成。该数字控制电路10的动作如以下所示。
[控制脉冲信号的输出]
将针对开关电路SW的控制脉冲信号输出至脉冲变压器T2。由此，驱动电路11经由脉冲变压器T2输入上述控制脉冲信号，驱动开关电路SW的各开关元件QA～QD。
驱动电路11根据脉冲变压器T2的上升沿定时和下降沿定时来对其进行相位控制，以交替地接通/关断开关元件QA、QD的组和QB、QC的组。
这样，采用脉冲变压器T2将数字控制电路所输出的上述控制脉冲信号在绝缘状态下传递至1次侧，由此因为仅仅传递脉冲，所以能起到难以受经时恶化影响的效果。
[输入电源电压的检测]
如果将变压器T1的1次绕组N1的匝数表示为N1，2次绕组N21、N22的匝数分别表示为N2，输出电压表示为Vo，输入电源电压表示为Vin，开关电路的接通占空比表示为Don，则输入电源电压按以下关系求出。
Vin＝Vo(N1/N2)/Don    …(1)
即，该变换器是全桥型变换器，所以输入电源电压和输出电压处于比例关系，其比例系数如(1)式所示。因为数字控制电路10通过数字控制电路10自身的控制来决定开关电路SW的接通占空比，所以接通占空比是已知的，根据(1)式的运算可高精度地求出输入电源电压。
在图2所示的例子中，数字控制电路10输入作为模拟信号的输出电压检测信号并在内部变换为数字数据，不过也可以构成为在外部设置A/D变换器来输入输出电压的数字值。
(1)式中虽然没考虑损失等，但实际上有在变压器T1中的损失等，所以如果进行考虑到其损失等的补正运算，则能够算出更正确的输入电源电压。
此外，除了全桥式电路之外，半桥式电路及中心抽头(推挽(push-pull))电路的输入电源电压和输出电压之间的比例关系也成立，所以同样能够以与各个电路形式相应的比例系数来算出输入电源电压。
[2次侧电流的检测]
在流向负载电路2的电流是大电流的情况下，直接检测该大电流实质上大多是不可能的。在图2所示的电路中，可采用电流互感器CT来检测流向1次侧的电流，所以输入电流互感器CT的2次侧输出电压来检测流向1次侧的电流，根据流向该1次侧的电流来算出流向2次侧的电流。这里，将流向1次侧的电流有效值表示为Iin、将流向2次侧的电流有效值表示为Io，如果忽略损失，则以下关系成立：
Io＝Iin(N1/N2)    …(2)。
通过这些运算来求出输出电流Io。
[恒压控制]
根据来自电阻R1、R2所构成的输出电压检测电路的信号来检测输出电压Vo并且在内部变换为数字数据，控制开关电路SW的各开关元件QA～QD的接通占空比，以使该值保持规定值。
[恒流控制]
控制开关电路SW的各开关元件QA～QD的接通占空比，使根据上述“2次侧电流的检测”求出的流向2次侧的电流Io成为规定的恒定电流。
[与负载电路的通信]
数字控制电路10具有用于与负载电路2之间进行数据通信或信号输入输出的端口，该数字控制电路例如对负载电路(电子设备)始终发送变换器的状态等，以及接收负载电路侧的负载状态等反映于开关控制。
[过电流保护]
图3是示出图2所示的绝缘型DC-DC变换器的过电流保护特性的图。直到输出电流Io达到上限值Ic为止，通过恒压控制使输出电压Vo保持规定的恒定电压Vc。
当输出电流Io超过了上限值Ic时，向恒流控制进行转移使输出电压Vo降低。由此实现如图3所示的垂下特性。
此外，在图2所示的例子中采用脉冲变压器T2来作为将数字控制电路10所输出的控制脉冲信号在绝缘状态下传递至1次侧的绝缘单元，但也可以采用光电耦合器来绝缘。即，因为可以在绝缘状态下传递数字控制电路10所输出的控制脉冲信号，所以即便采用光电耦合器也能够几乎不受经时恶化影响地进行使用。另外，如果采用光电耦合器，则能够起到与脉冲变压器相比节省空间这样的效果。
图4、图5是表示数字控制电路10的主要控制内容的流程图。
在规定的采样周期中如图4(A)所示，对来自电流互感器CT的电压进行采样来求出输入电流Iin，另外对来自输出电压检测电路的输出电压进行采样来求出输出电压Vo。
另外如图4(B)所示，如果规定了开关电路SW的接通占空比Don，则在开关频率的周期内以与接通占空比Don对应的定时来输出用于使开关元件QA～QD开关的控制脉冲信号。
图5示出用于进行上述恒压控制、恒流控制以及过电流保护控制的处理顺序。首先，根据上述(2)式由输入电流Iin算出输出电流Io(S1)。判断该输出电流Io是否超过预定的上限值Ic，如果没有超过，则决定用于使输出电压Vo为预定的恒定电压Vc的接通占空比Don(S2→S3)。
在输出电流Io超过了上限值Ic的情况下，由此时的输出电压Vo根据上述(1)式来算出输入电源电压Vin(S4)。然后将该输入电源电压Vin作为过电流保护即将开始之前的输入电源电压Vm存储(S4→S5)。之后，决定用于使输出电流Io成为上限值Ic的接通占空比Don(S6)。即因为在过电流保护状态下不控制输出电压，所以输出电压Vo容易变动，因此无法根据该输出电压来稳定地求出输入电源电压Vin。由此，即将开始过电流保护之前的输入电源电压Vin作为数据Vm保持，输入电源电压作为在该值上不变动的电压使用。
一般情况下，开关电源电路被设计成在输入电源电压值为某规定值时功率变换效率最大，所以当输入电源电压超出该规定值时通常功率变换效率恶化。如果功率变换效率降低，则相对于负载获得相同输出电压、相同输出电流所需的输入电流增大。由此，一般存在输入电源电压发生了变动的情况、过电流保护电路的动作点(在输出电流到达规定阈值时切换为恒流控制的点)发生变动的情况。因此，即使输入电源电压发生了变动，过电流保护电路的动作点也是恒定的，所以可采用将与输入电源电压的值对应的补正值预先保持在数字控制电路内部这样的方法。
此外，可以不存储计算后求出的输入电源电压Vin，而预先存储过电流保护刚刚开始之前的输出电压Vo(≠Vc)，将该存储的值代入上述(1)式的Vo中来求出输入电源电压Vin，或者可存储与输入电源电压对应的过电流保护动作点的补正值。

Claims (7)

1.一种绝缘型DC-DC变换器，具备：变压器，其至少具有1次绕组和2次绕组；开关电路，其与上述变压器的1次绕组连接，使输入电源通断；数字控制电路，其具有输出针对该开关电路的控制脉冲信号的开关控制单元；整流平滑电路，其通过上述开关电路的接通/关断来对在上述变压器的2次绕组上产生的交流电压进行整流平滑，然后向输出端子输出；以及输出电压检测电路，其检测经由该整流平滑电路输出的输出电压，该绝缘型DC-DC变换器的特征在于，
具有绝缘单元，其将上述数字控制电路所输出的上述控制脉冲信号在绝缘状态下向1次侧传递，
上述数字控制电路被配置于上述变压器的2次侧，上述数字控制电路具有：输入上述输出电压检测电路的检测信号或其数字值的单元；以及至少根据上述控制脉冲信号的接通占空比、上述输出电压、上述变压器的1次绕组与2次绕组的匝数比来运算上述输入电源的电压值的输入电源电压运算单元。
2.根据权利要求1所述的绝缘型DC-DC变换器，其中，
上述开关电路为全桥式电路。
3.根据权利要求1或2所述的绝缘型DC-DC变换器，其中，
上述绝缘单元是将对上述控制脉冲信号进行了微分的波形传递至1次侧的脉冲变压器，其仅将上述控制脉冲信号的上升沿部分以及下降沿部分传递至1次侧。
4.根据权利要求1或2所述的绝缘型DC-DC变换器，其中，
上述绝缘单元是光电耦合器。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的绝缘型DC-DC变换器，其中，
上述数字控制电路具有端口，该端口用于与连接在上述输出端子上的负载电路之间进行通信。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的绝缘型DC-DC变换器，其特征在于，
上述数字控制电路是DSP即数字信号处理器。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的绝缘型DC-DC变换器，其特征在于，
具有检测流向上述变压器1次侧的电流的电流检测单元，
上述数字控制电路具备：
恒压控制单元，其控制上述接通占空比，以使输出电压成为恒定，由此进行恒压控制；
恒流控制单元，其控制上述接通占空比，以使流向上述输出端子的输出电流成为恒定，并根据上述输入电源的电压或上述输出电压的值、由上述电流检测单元检测出的电流值、以及上述变压器的1次绕组与2次绕组的匝数比来进行恒流控制；
过电流保护单元，其在上述电流检测单元所检测出的电流值为规定值以上时，从上述恒压控制向上述恒流控制切换控制；以及
电压值保持单元，其保持在检测出上述电流检测单元所检测的电流值为规定值以上的时刻的上述输入电源的电压。
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