CN101888182B - 具有功率接收器的dc-dc转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有功率接收器的DC-DC转换器。其包括DC-DC转换器；所述DC-DC转换器的输入端与热插拔和开关控制模块、开关DK1相连；所述开关DK1的控制端与热插拔和开关控制模块的输出端相连，开关DK1对应于与DC-DC转换器相连的另一端与外部电源相连；所述热插拔和开关控制模块控制开关DK1的开关，并使DC-DC转换器输出稳定的电压。本发明DC-DC转换器包括恒定导通时间定时器T1，利用恒定导通时间定时器T1达到恒定导通时间，不需要误差放大器，不需要外部频率补偿，使得外部负载应用设计简化，瞬态响应加快。通过将DC-DC转换器与功率接收器(PD)集成在一起，具有高转换效率，低功耗，体积小，成本低，应用方便，适用于宽输入电压范围和低输出电压领域，特别适用于以太网供电系统的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种DC-DC转换器，尤其是一种具有功率接收器的DC-DC转换器。
背景技术
目前，IEEE 802.3af标准提出了以太网供电(Power over Ethernet，PoE)的标准为所有数据终端设备(DTE)使用与数据相同的电缆线来接收功率，该标准规定了用未屏蔽双绞线电缆传输48V直流电。这样，在以太网中就不需要本地电源。IEEE 802.3af标准及IEEE 802.3at标准提出了用已有电缆提供和接收电源的要求，包括给电缆提供电源的设备(PSE)，以及功率接收器件(PD)。该标准定义了PSE和PD之间的接口，也涉及相关探测和分类协议。
目前国外市场上同类产品只局限于普通的DC-DC转换器与功率接收器(PD)集成，这些普通的DC-DC转换器包括电压型和电流型。它们的主要问题是：1、需要复杂的频率补偿设计；2、在低负载情况下，开关损耗相对较大而导致效率低；3、应用电压范围不够宽，在设计应用和管理上给用户增加了不便。
目前国内市场类似产品几乎是空白，都要依赖于进口。集成化的功率接收器(PD)和DC-DC转换器集成电路在国内外的市场正在成指数式增加，其应用包括任何连接到以太网端口的设备，如数据终端、无线接入点、网络摄像机(webcam)或网络电话等。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种具有功率接收器的DC-DC转换器，其转换效率高，功耗低，体积小，成本低，应用方便，适用于宽输入电压范围和低输出电压领域，特别适用于以太网供电系统的应用。
按照本发明提供的技术方案，所述具有功率接收器的DC-DC转换器，包括DC-DC转换器；所述DC-DC转换器的输入端与热插拔和开关控制模块、开关DK1相连；所述开关DK1的控制端与热插拔和开关控制模块的输出端相连，开关DK1对应于与DC-DC转换器相连的另一端与外部电源相连；所述热插拔和开关控制模块控制开关DK1的断开或闭合，并使DC-DC转换器输出稳定的电压。
所述开关DK1为MOS场效应管，所述MOS场效应管的栅极端与热插拔和开关控制模块的输出端相连，MOS场效应管的源极端与DC-DC转换器的电源端，MOS场效应管的漏极端与外部电源相连；热插拔和开关控制模块使MOS场效应管工作在正向导通时，DC-DC转换器与外部电源相连。
所述DC-DC转换器包括电阻R12及与所述电阻R12相串联的电阻R4，电阻R4对应于与电阻R12相连的另一端接地；电阻R12对应于与电阻R4相连的端部与恒定导通时间定时器T1的控制端相连，所述恒定导通时间定时器T1的输出端与驱动电路的输入端相连；所述驱动电路的输入端还接收误差放大器A1输入的误差电压信号，并根据误差电压信号与恒定导通时间定时器T1的定时信号，输出对应的驱动信号；驱动电路的输出端与逻辑门电路F1的输出端相连，逻辑门电路F1的输出端与开关DK2的控制端相连，开关DK2的两端分别与R12、电感L及二极管D2的阴极端相连；所述二极管D2的阳极端接地；电感L与电容C及电阻R5相连，电容C的另一端接地；电阻R5与电阻R6相串联，电阻R6的另一端接地；电阻R5对应于与电阻R6相连的端部与误差放大器A1的反相端相连，误差放大器A1的同相端分别与参考电压VREF2，热插拔和开关控制模块的输出电压VSS相连；所述电阻R5对应于与电容C、电感L相连的端部形成电压输出端Vout，驱动电路根据误差放大器A1及恒定导通时间定时器T1的输出，使输出电压Vout保持在稳定状态；电阻R12对应于与开关DK2相连的端部形成电压输入端Vin1。
所述热插拔和开关控制模块包括时钟控制电路，所述时钟控制电路接收时钟信号CLK与控制信号Control；热插拔和开关控制模块还包括若干相串联的电阻R；所述串联电阻R的一端与参考电压VREF相连，另一端接地；所述相串联电阻R内任意相连的电阻间设有开关DK，所述开关DK的一端与串联电阻R内对应于两相连电阻的端部相连，开关DK的另一端相互连接，形成输出电压VSS，所述开关DK的控制端均与时钟控制电路的输出端相连。
所述热插拔和开关控制模块的输入端还设有过温保护模块。所述热插拔和开关控制模块的输入端与过流保护模块相连。所述开关DK1对应于外部电源相连的端部与特征电阻检测与电流等级信息模块相连，所述特征电阻检测与电流等级信息模块包括特征电阻R1，所述特征电阻R1的一端与DK1相连，另一端与开关DK9相连。所述开关DK1对应于与DC-DC转换器相连的另一端与过压保护模块相连，所述过压保护模块包括稳压二极管DW1。所述稳压二极管DW1的稳压范围为44～57V。所述特征电阻R1的阻值为25KΩ。
本发明的优点：DC-DC转换器包括恒定导通时间定时器T1，利用恒定导通时间定时器T1达到恒定导通时间，不需要误差放大器，不需要外部频率补偿，使得外部负载应用设计简化，瞬态响应加快。通过将DC-DC转换器与功率接收器(PD)集成在一起，具有高转换效率，低功耗，体积小，成本低，应用方便，适用于宽输入电压范围和低输出电压领域，特别适用于以太网供电系统的应用。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2为本发明的具体实施原理图。
图3为本发明DC-DC转换器的原理图。
图4为本发明热插拔和开关控制模块的原理图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1～图4所示：在利用以太网供电系统供电时，根据IEEE标准的802.3af与802.3at要求，以太网的电源输出端需要利用功率接收器(PD)和DC-DC转换器，达到对负载进行供电的目的。
如图1和图2所示：所述以太网供电电缆分别与输入电压Vin的正极端与负极端相连，根据以太网供电系统的要求，需要对特征电阻R1进行检测，以便使以太网的电源设备PSE提供对应的电压与电流。利用特征电阻检测与电流等级信息模块实现对特征电阻R1的检测，所述特征电阻检测与电流等级信息模块包括特征电阻R1，所述特征电阻R1的一端与输入电压Vin的正极端相连，特征电阻R1的另一端与开关DK9相连，所述开关DK9的另一端与输入电压Vin的负极端相连，所述开关DK9的控制端与外部电源设备PSE相连。开关DK9可以采用MOS场效应管；当开关DK9采用MOS场效应管时，可以根据外部电源设备PSE的输入电压来控制开关DK9的开启或关断。当与外部电源设备PSE相连后，外部电源设备PSE检测到特征电阻R1的存在，使开关DK9闭合，特征电阻R1与外部电源设备PSE间形成闭合回路。根据IEEE标准，电流等级采用两级检测；外部电源设备PSE根据分级的电流大小，确定输出的电流值，满足IEEE标准中的五类功率分级的要求。在输入电压Vin小于或等于10V时，只需要10μA的电流就能够实现特征电阻R1的检测，所述低电流的检测方法可以确保检测的准确性。特征电阻R1的阻值为25KΩ。在检测特征电阻R1时，采用两点差分法检测，可以减少由整流二极管带来的误差，进一步提高检测的准确性。当输入电压在15V和20V之间时，外部电源设备PSE根据流过特征电阻R1的电流信息，能够确定需要输出的功率，能够达到IEEE标准要求的五类功率。电阻R3是一个电流检测电阻，起到过流保护功能。
在外部电源设备PSE进行特征电阻和电流等级信息检测后，外部电源设备PSE向热插拔和开关控制模块提供一个控制信号，使热插拔和开关控制模块输出对应的电压信息，控制DC-DC转换器与外部电源设备PSE的连接。如图4所示：所述热插拔和开关控制模块包括时钟控制电路，所述时钟控制电路能够接收时钟信号CLK、控制信号Control、过流保护信息与过温保护信息。所述时钟信号CLK与内部时钟信号相连，时钟信号CLK接收时钟的频率一般采用800～1200KHz。控制信号Control可以由外部电源设备PSE提供或是内部提供，当外部电源设备PSE对特征电阻R1检测完后，外部电源设备PSE给时钟控制电路的控制信号Control端提供高电平，使时钟控制电路能够输出对应的控制信号，从而能够开启或关闭对应的开关DK。所述热插拔和开关控制模块还包括若干相串联电阻R，图4中只表示五个电阻相串联；具体实施时，采用1000个1KΩ的电阻相串联，构成串联电阻R；所述参考电压VREF为10V。所述串联电阻R的一端与参考电压VREF相连，另一端接地。在所述串联电阻R上设置开关DK，具体实施为串联电阻R内任意电阻的两端均设有开关DK，开关DK的一端与两电阻相连，所有开关DK的另一端均相互连接，形成电压输出端VSS。所述开关DK的控制端与时钟控制电路的输出端相连；所述时钟控制电路的输出端可以采用总线的形式与所有开关DK的控制端相连。所述开关DK在具体实施时，可以采用MOS场效应管。所述MOS场效应管的栅极端与时钟控制电路的输出端相连，所述MOS场效应管的漏极端与源极端分别与对应的电阻、DC-DC转换器相连。图4中表示了五个电阻与六个开关的连接关系。所述电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10与电阻R11相串联，电阻R7与电阻R8间的虚线表示还有若干串联的电阻。电阻R11的两端分别设有开关DK8与开关DK7；开关DK8的一端与参考电压VREF相连，开关DK7的一端与电阻R11对应于设置开关DK9的另一端相连。电阻R10的两端设有开关DK7与开关DK6；电阻R9的两端设有开关DK6与开关DK5；电阻R8对应于与电阻R9相连的一端设有开关DK5；电阻R7的两端分别设有开关DK3与开关DK4；所述电阻R7对应于与开关DK3相连的一端接地；电阻两端的开关DK对应于与电阻相连的另一端均相互连接，形成电压输出端VSS。当控制信号Control为高电平，且时钟信号CLK有时序信号时，根据时钟信号CLK的变化，时钟控制电路会将串联电阻R上的开关DK依次打开，具体实施时，将最先打开与地相连的DK，图4为开关DK3最先开关，这时输出电压VSS为零；时钟控制电路会再依次将相邻的开关DK打开，图4中为开关DK3闭合后，开关DK4再进行闭合；形成对应的串联输出电路。根据串联分压的原理可知，输出电压VSS会不同，且开关依次闭合后，输出电压VSS会逐渐增大，所述输出电压VSS可以从零伏到参考电压VREF间变化。由于输出电压VSS既与开关DK1的控制端相连，又与DC-DC转换器的输出端相连输出电压VSS与DC-DC转换器相连，因此输出电压VSS的缓慢变化既能够使开关DK1缓慢闭合或断开，又能够让DC-DC转换器平稳的输出电压，让DC-DC转换器的输出电压平稳上升。所述热插拔和开关控制模块通过对DC-DC转换器的输入电流进行控制，能够有效控制电流上升的速率，使DC-DC转换器与外部电源设备PSE具有热插拔的功能。图4中，采用1000个1KΩ的电阻相串联，参考电压VREF为10V，使输出电压VSS的台阶电压为10mV，充电电压变化速率小，能够实现软启动。
所述热插拔和开关控制模块的输出电压VSS还与开关DK1的控制端相连，所述开关DK1的两端分别与外部电源设备PSE的电源端及DC-DC转换器相连，热插拔和开关控制模块的输出电压VSS能够控制开关DK1的开启或关断，从而能够实现外部电源设备PSE与DC-DC转换器的连接和软启动。具体实施时，开关DK1可以采用MOS场效应管；MOS场效应管的栅极端与输出电压VSS相连，源极端与DC-DC转换器相连，漏极端与外部电源设备PSE相连。所述热插拔和开关控制模块还与过温保护模块及过流保护模块相连。所述过温保护模块能够检测电路的温度变化，所述过温保护模块的输出与时钟控制电路相连，当电路中产生过温信息，时钟控制电路就会逐步闭合对应的开关DK，减少输出电压VSS的输出，直至关闭DC-DC转换器。所述过流保护模块检测电路的过流信息，使时钟控制电路逐步对应的闭合开关DK，减少输出电压VSS的输出，直至关闭DC-DC转换器。图2中给出了过温保护模块与过流保护模块的具体实施方式。如图2所示：过流保护模块包括比较器BJ2，所述比较器BJ2的同相端与反相端间设有电阻R3，电阻R3是一个电流检测电阻，例如所述电阻R3的典型值为5mΩ，比较器BJ2的反相端与开关DK1的一端相连，比较器BJ2的同相端与外部电源设备PSE的输出电源端相连。所述过温保护模块包括电阻R2，所述电阻R2与比较器BJ1的同相端相连，电阻R2对应于与比较器BJ2相连的另一端与比较器BJ1的反相端、二极管D1的阳极端相连；二极管D1的阴极端与外部电源设备PSE的电源负极端相连。所述比较器BJ1的同相端与参考电压VREF1相连，参考电压VREF1为0.4V。比较器BJ1的输出端与时钟控制电路相连。
还包括过压保护模块，所述过压保护模块采用稳压二极管DW1，所述稳压二极管DW1的阳极端与外部电源设备PSE的负极端相连，稳压二极管DW1的阴极端与外部电源设备PSE的正极端相连。稳压二极管DW1的稳压范围为44～57V。
如图3所示：为DC-DC转换器的原理图。所述DC-DC转换器包括电阻R12及与所述电阻R12相串联的电阻R4，电阻R4对应于与电阻R12相连的另一端接地；电阻R12对应于与电阻R4相连的端部与恒定导通时间定时器T1的控制端相连，即恒定导通时间定时器T1的占空比恒定。所述恒定导通时间定时器T1的输出端与驱动电路的输入端相连；所述驱动电路的输入端还接收误差放大器A1输入的误差电压信号，并根据误差电压信号与恒定导通时间定时器T1的定时信号，输出对应的驱动信号；驱动电路的输出端与逻辑门电路F1的输出端相连，逻辑门电路F1的输出端与开关DK2(P型MOS开关)的控制端相连，开关DK2的两端分别与R12、电感L及二极管D2的阴极端相连；所述二极管D2的阳极端接地；电感L与电容C及电阻R5相连，电容C的另一端接地；电阻R5与电阻R6相串联，电阻R6的另一端接地；电阻R5对应于与电阻R6相连的端部与误差放大器A1的反相端相连，形成反馈端VFB，误差放大器A1的同相端分别与参考电压热插拔和开关控制模块的输出电压VSS相连；所述电阻R5对应于与电容C、电感L相连的端部形成电压输出端Vout，驱动电路根据误差放大器A1及恒定导通时间定时器T1的输出，使输出电压Vout保持在稳定状态；电阻R12对应于与开关DK2相连的端部形成电压输入端Vin1。所述参考电压VREF2为0.6V，恒定导通时间定时器T1输出占空比一定的时钟信号。当输出电压VSS小于参考电压VREF2时，误差放大器A1将参考电压VREF2与反馈电压VFB的差值输入到驱动电路，驱动电路接收电压差值和恒定导通时间定时器T1的时序信号，并根据电压差值与恒定导通时间定时器T1的时序信号，调整输出的驱动信号的时序，使DC-DC转换器的输出电压保持稳定；驱动电路的输出端与逻辑门电路F1相连，逻辑门电路F1为非门电路，用于提高驱动电路的驱动能力。逻辑门电路F1驱动开关DK2的控制端。当输出电压VSS大于参考电压VREF2时，误差放大器A1将输出电压VSS与反馈电压VFB的差值输入到驱动电路，驱动电路根据电压差值，调整输出对应驱动信号的时序，使DC-DC转换器的输出电压保持稳定；驱动电路的输出端与逻辑门电路F1相连，逻辑门电路F1为非门电路，用于提高驱动电路的驱动能力。逻辑门电路F1驱动开关DK2的控制端。
所述开关DK2也采用MOS场效应管，MOS场效应管的栅极端与逻辑门电路F1的输出端相连。开关DK2与电感L、电容C、二极管D2、电阻R5与电阻R6构成降压型的DC-DC转换器。所述输出电压Vout能驱动负载，DC-DC转换器根据误差放大器A1、恒定导通时间定时器T1的输入使输出电压Vout保持稳定。上述参考电压VREF、参考电压VREF1、参考电压VREF2均可由内部偏置模块提供。
输入电压的信号(Vin)采样通过电阻R12连接到输入端或者开关导通情况下的开关端，这个电压信号在电路内部被转换成电流信号。所述电流信号控制内部的恒定导通时间定时器T1。设定恒定导通时间定时器T1内的电容值，从而来实现一次性导通时间(Ton)与输入电压成反比。这样在固定的输出电压Vout下，可以获得相对固定的开关频率(Fs)。它们的相应公式如下：
占空比：D＝Vout/Vin
根据占空比的定义：D＝Ton/(Ton+Toff)＝Ton*Fs
因为Ton＝K/Vin(K为常数)，所以Fs＝Vout/K；因此这样的电路可以实现固定频率(Fs)的转换器。
如图1所示：所述热插拔和开关控制模块、开关DK1、过流保护模块、过压保护模块、过温保护模块及特征电阻检测及电流等级信息构成功率接收器PD。所述功率接收器PD通过开关DK1与DC-DC转换器相连，功率接收器PD能够控制开关DK1的闭合与断开，当开关DK1断开后，DC-DC转换器断开了与外部电源设备PSE的连接。当开关DK1闭合后，DC-DC转换器与外部电源设备PSE导通，热插拔和开关控制模块的输出电压VSS控制DC-DC的充电电流，避免了DC-DC转换器接通时存在大电流的冲击。使用时，将外部电源设备PSE的两端加在稳压二极管DW1的两端，稳压二极管DW1能够将外部电源设备PSE的输出电压稳定在44～57V。当功率接收器PD与外部电源设备PSE相连后，外部电源设备PSE检测功率接收器PD部分的特征电阻R1，根据特征电阻R1的阻值和特征电流的大小，外部电源设备PSE能够提供需要的电源。当外部电源设备PSE对特征电阻R1与特征电流检测完成后，外部电源设备PSE对热插拔和开关控制模块输出控制信号，使控制信号Control为高电平，热插拔和开关控制模块内时钟控制电路输出控制信号，将对应开关闭合，随着热插拔和开关控制模块内对应的开关闭合，能够让开关DK1闭合，将外部电源设备PSE与DC-DC转换器连接。DC-DC转换器根据热插拔和开关控制模块的输出电压VSS与反馈电压VFB，使输出电压Vout保持稳定。
本发明DC-DC转换器包括恒定导通时间定时器T1，利用恒定导通时间定时器T1达到恒定导通时间，不需要误差放大器，不需要外部频率补偿，使得外部负载应用设计简化，瞬态响应加快。通过将DC-DC转换器与功率接收器(PD)集成在一起，具有高转换效率，低功耗，体积小，成本低，应用方便，适用于宽输入电压范围和低输出电压领域，特别适用于以太网供电系统的应用。
Claims (7)
1.一种具有功率接收器的DC-DC转换器，包括DC-DC转换器；其特征是：所述DC-DC转换器的输入端与热插拔和开关控制模块、开关DK1相连；所述开关DK1的控制端与热插拔和开关控制模块的输出端相连，开关DK1对应于与DC-DC转换器相连的另一端与外部电源相连；所述热插拔和开关控制模块控制开关DK1的断开或闭合，并使DC-DC转换器输出稳定的电压；
所述热插拔和开关控制模块包括时钟控制电路，所述时钟控制电路接收时钟信号CLK与控制信号Control；热插拔和开关控制模块还包括若干相串联的电阻R；所述串联电阻R的一端与参考电压VREF相连，另一端接地；所述相串联电阻R内任意相连的电阻间设有开关DK，所述开关DK的一端与串联电阻R内对应于两相连电阻的端部相连，开关DK的另一端相互连接，形成输出电压VSS，所述开关DK的控制端均与时钟控制电路的输出端相连。
2.根据权利要求1所述具有功率接收器的DC-DC转换器，其特征是：所述开关DK1为MOS场效应管，所述MOS场效应管的栅极端与热插拔和开关控制模块的输出端相连，MOS场效应管的源极端与DC-DC转换器的电源端，MOS场效应管的漏极端与外部电源相连；热插拔和开关控制模块使MOS场效应管工作在正向导通时，DC-DC转换器与外部电源相连。
3.根据权利要求1所述具有功率接收器的DC-DC转换器，其特征是：所述DC-DC转换器包括电阻R12及与所述电阻R12相串联的电阻R4，电阻R4对应于与电阻R12相连的另一端接地；电阻R12对应于与电阻R4相连的端部与恒定导通时间定时器T1的控制端相连，所述恒定导通时间定时器T1的输出端与驱动电路的输入端相连；所述驱动电路的输入端还接收误差放大器A1输入的误差电压信号，并根据误差电压信号与恒定导通时间定时器T1的定时信号，输出对应的驱动信号；驱动电路的输出端与逻辑门电路F1的输入端相连，逻辑门电路F1的输出端与开关DK2的控制端相连，开关DK2的另外两端中的一端与电阻R12连接、另一端分别与电感L及二极管D2的阴极端相连；所述二极管D2的阳极端接地；电感L与电容C及电阻R5相连，电容C的另一端接地；电阻R5与电阻R6相串联，电阻R6的另一端接地；电阻R5对应于与电阻R6相连的端部与误差放大器A1的反相端相连，误差放大器A1的同相端分别与参考电压VREF2，热插拔和开关控制模块的输出电压VSS相连；所述电阻R5对应于与电容C、电感L相连的端部形成电压输出端Vout，驱动电路根据误差放大器A1及恒定导通时间定时器T1的输出，使输出电压Vout保持在稳定状态；电阻R12对应于与开关DK2相连的端部形成电压输入端Vin1。
4.根据权利要求1所述具有功率接收器的DC-DC转换器，其特征是：所述热插拔和开关控制模块的输入端还设有过温保护模块。
5.根据权利要求1所述具有功率接收器的DC-DC转换器，其特征是：所述热插拔和开关控制模块的输入端与过流保护模块相连。
6.根据权利要求1所述具有功率接收器的DC-DC转换器，其特征是：所述开关DK1对应于与DC-DC转换器相连的另一端与过压保护模块相连，所述过压保护模块包括稳压二极管DW1。
7.根据权利要求6所述具有功率接收器的DC-DC转换器，其特征是：所述稳压二极管DW1的稳压范围为44～57V。
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