CN102497096A - 用于直流电压欠压浪涌预处理的dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于直流电压欠压浪涌预处理的DC/DC变换器，属于欠压浪涌预处理技术，主要解决了现有技术中欠压浪涌预处理麻烦、可靠性低、成本高的问题。该DC/DC变换器，包括安装壳体（1），设置于该安装壳体（1）内部的升压电路印制板（2）和直通屏蔽电路印制板（3），以及与该升压电路印制板（2）连接的升压电感（4）；所述升压电路印制板（2）和直通屏蔽电路印制板（3）通过模块引脚（5）相互连通。本发明调试、维护简单方便，成本低，可靠性高，具有很高的实用价值。

Description

用于直流电压欠压浪涌预处理的DC/DC变换器

技术领域

本发明涉及一种DC/DC变换器，具体地说，是涉及一种用于直流电压欠压浪涌预处理的DC/DC变换器。

背景技术

预处理DC/DC变换器是一种升压变换器，主要由升压电路和直通屏蔽电路以及机械部件组成，主要实现输入电压的升压与直通，并且可以在这两种状态之间无缝切换。

通常情况下，28V系列直流电压波动正常范围在18V～36V之间。由于供电系统与其他用电设备因素，导致28V系列直流电压会出现过压浪涌和欠压浪涌。过压浪涌电压最大幅值一般为80V，持续时间为50ms左右；欠压浪涌电压最小幅值为8V，持续时间为50ms左右。对于大多数的恒压功率DC/DC变换器（即输入电压在一定范围内变化，输出电压恒定不变，下简称功率DC/DC变换器）而言，其输入电压范围为16V～39V，可以覆盖28V系列直流电压波动范围（18V～36V）。但是当输入电压低于16V或者高于39V时，功率DC/DC变换器会因为输入电压过欠压保护无输出。

为了使功率DC/DC变换器在输入电压过欠压浪涌期间也可以正常工作，需要对浪涌电压进行预处理。即当输入电压瞬变至8V～16V之间或者39V～80V之间时，对输入电压进行预处理，使得施加至功率DC/DC变换器输入端的电压保持在16V～39V之间。预处理最直接的方法就是当输入电压瞬变至8V～16V之间时，使用升压方法将电压升至16V～39V之间；当输入电压瞬变至39V～80V之间时，使用降压的方法将电压降落至16V～39V之间。

具体地说，处理欠压浪涌即是对输入电压进行升压，一般有如下几种方法：

1.使用贮能钽电容来维持输入电压在所需范围内，这种方法一般用于输入功率在5W以下的功率DC/DC变换器，但所需钽电容容量较大，体积较大，成本高。在一定的维持时间和输出功率情况下，钽电容两端维持电压与容量成正比。温度变化对电容容量影响较大，对于一般钽电容来说，其最低温时的容量只有常温时容量的50%左右。为了尽可能消除温度变化对容量的影响，需要增加电容量约1倍的裕量，这样将进一步加大电容的体积和成本。

2.使用宽输入范围特殊变换器。这种方法一般适用于输入功率在5W以上20W一下的功率DC/DC变换器。由于输入电压需要在8V～39V，其占空比变化太大，限制了直流变换器输出功率。无法设计出高功率密度的功率DC/DC变换器，难以适应大功率需求。

而处理过压浪涌即是对输入电压进行降压，一般有如下几种方法：

1.使用线性方式降压。当输入电压在39V～80V之间时，检测控制电路使串联在输入回路正端的场效应管工作在线性放大区，形成一个可变电阻降压回路。由于持续时间不是很长，只要选取合适的瞬态热阻场效应，此方法可以实现300W以内的过压浪涌抑制功能。此法无磁性元器件，控制电路简单，体积小，成本低。

2.使用开关方式降压。即使用BUCK降压电路，将电压降低至39V～80V之间。效率和功率密度相对较高，但是有磁性元器件，控制电路复杂，体积大，成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于直流电压欠压浪涌预处理的DC/DC变换器，解决现有技术存在的不足，在实现直流电压过欠压浪涌预处理的同时，简化变换器的结构与调试程序，提高其可靠性，并降低其成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

用于直流电压欠压浪涌预处理的DC/DC变换器，包括安装壳体，设置于该安装壳体内部的升压电路印制板和直通屏蔽电路印制板，以及与该升压电路印制板连接的升压电感；所述升压电路印制板和直通屏蔽电路印制板通过模块引脚相互连通。

进一步地，所述直通屏蔽电路印制板和升压电路印制板层叠安装于安装壳体内部，且两者之间设置有用于隔离、绝缘与定位的钽电容。

再进一步地，所述升压电路印制板位于直通屏蔽电路印制板与安装壳体的底面之间，且在升压电路印制板与安装壳体的底面之间设置有功率开关管和升压二极管。

为了便于安装与调试，所述模块引脚分别与升压电路印制板和直通屏蔽电路印制板垂直。

更进一步地，所述升压电路印制板和直通屏蔽电路印制板相对应的位置分别开设有一个大小相同的第一开口，所述升压电感放置于该第一开口内；而在两者相对应的另一位置还分别开设有一个大小相同的第二开口，该第二开口内设置有与所述直通屏蔽电路印制板连接的电流互感器。

为了将热量快速传递至安装壳体表面，所述升压电感由高功率密度平面型磁芯制作而成，且与安装壳体的底面直接接触。

为了便于组装与定位，所述升压电路印制板和直通屏蔽电路印制板的四周边缘分别设置有至少一个与安装壳体的内壁实现定位的定位凸台。

为了提高安装壳体内部的绝缘性，并实现元器件与部件的固定，所述安装壳体内部为真空结构，并在整个安装壳体内填充有导热硅胶。同时，所述安装壳体的四个角上分别设置有铆装螺钉。

更进一步地，所述升压电路印制板上配置有升压电路，而直通屏蔽电路印制板上则配置有直通屏蔽电路。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过钽电容对升压电路印制板和直通屏蔽电路印制板形成隔离绝缘和定位，并保证了两块印制板的平行，减少了两块印制板之间因为物理联接而产生机械应力，避免了该机械应力通过印制板传递到瓷介电容，导致瓷介电容损坏；

2.本发明通过模块引脚将升压电路和直通屏蔽电路垂直连通，从而使升压电路直通状态被屏蔽，进而大幅度降低了升压电路在直通时的功耗；

3.本发明实现了升压和直通两种状态之间的无缝隙切换，从而最大限度地降低了调试的复杂性和维修难度；

4.本发明通过设置于安装壳体底面与升压电路印制板之间的功率开关管和升压二极管，来实现了升压电路印制板上元器件与安装壳体之间绝缘，并最大限度地将功率器件工作时产生的热量快速地导至安装壳体表面，从而提高了散热效率；

5.本发明采用高功率密度平面型磁芯来制作升压电感，并将其直接与安装壳体接触，从而将热量快速导至安装壳体的表面，进一步提高了散热效率；

6.本发明利用导热硅胶凝固后良好的粘合性，采用对安装壳体先抽真空再填充导热硅胶的方式来将各元器件和印制板与安装壳体进行粘合，从而实现元器件与印制板的固定；同时，导热硅胶具有良好的弹性，因此整个DC-DC变换器安装完成之后还具有良好的减震作用，而抽真空方式则减少了导热硅胶的热阻，保证了导热硅胶充分流动到每个元器件周围并实现包裹，为提高散热效率提供了可靠的保证；

7.本发明将升压电路和直通屏蔽电路分别布置在两个印制板上，且每块印制板独立实现各自功能，从而使调试、维护时能够实现迅速定位，为调试、维护提供了极大的方便；当两块印制板联合调试时，只需要将直通屏蔽电路印制板上的模块引脚孔按标示套在升压电路印制板对应的模块引脚上，然后用焊锡在模块引脚与直通屏蔽电路印制板的结合处进行焊接即可，如此可实现升压状态和直通屏蔽状态的无缝切换，进一步体现了调试方便、易于安装的特点；

8.整个变换器体积仅为57.9mm×61.0mm×13.0mm；输出功率最大为220W,将体积单位换算为英寸后，其功率密度为78.57W/in³，因此体现了导热良好、功率密度高的特点；

9. 本发明采用的电路拓扑结构简单，成熟可靠；所选用的阻容器件、磁性器件、集成芯片、半导体器件以及相关辅料均为成熟产品，易于采购，采购周期短、价格低廉；结构件加工程序简单，而且周期短、成本低；由于采用的电路拓扑结构为很成熟的BOOST电路，在设计时，对关键磁性器件和功率半导体器件电压电流应力留有足够的裕量，因此，产品具有很高的可靠性；同时，所有元器件能够将热量快速导至安装壳体，实现散热，既降低了管芯的温度，又进一步提高了DC/DC变换器的可靠性；

10. 本发明配置灵活，应用面宽；预处理DC/DC变换器未包括过压浪涌抑制功能，是为了提高其功能的独立性，以适应不同的需求。预处理DC/DC变换器有输出电压调整端，可以通过两个电阻方便有效地调节输出电压，从而体现了配置灵活、应用面宽的特点。

附图说明

图1为本发明的内部结构示意图。

图2为本发明的外部结构示意图。

图3为图1的俯视图。

图4为本发明的电气原理框图。

图5为本发明中直通屏蔽电路的原理框图。

图6为本发明中升压电路的原理框图。

图7为本发明的电路原理图。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

1-安装壳体，2-升压电路印制板，3-直通屏蔽电路印制板，4-升压电感，5-模块引脚，6-钽电容，7-功率开关管，8-升压二极管，9-电流互感器，10-定位凸台，11-导热硅胶，12-铆装螺钉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1～图3所示，用于直流电压欠压浪涌预处理的DC/DC变换器，主要包括安装壳体1，设置于该安装壳体内部的升压电路印制板2、直通屏蔽电路印制板3和其他辅助电气元件，以及用于固定各印制板和元器件的导热硅胶11。

具体地说，在安装壳体1内，升压电路印制板2和直通屏蔽电路印制板3按照与其底面平行的方式进行安装，并在该升压电路印制板2和直通屏蔽电路印制板3之间设置一个钽电容6，从而保证两者之间的平行性，减少印制板之间因为物理联接而产生机械应力，避免因此引起瓷介电容损坏。同时，在升压电路印制板2与安装壳体1的底面之间，则安装有功率开关管7和升压二极管8，用以使升压电路印制板2上元器件与安装壳体1之间绝缘，并最大限度的将功率器件工作时产生的热量快速地导至安装壳体的表面，从而提高散热效率。所述升压电路印制板2和直通屏蔽电路印制板3通过模块引脚5实现电气连接，从而实现了两者的无缝隙切换。

在上述结构中，升压电路印制板2上配置有升压电路，其与设置在安装壳体内的升压电感4配合，主要完成预处理DC/DC变换器中的升压功能。而直通屏蔽电路的所有元器件则布局于直通屏蔽电路印制板3上，实现直通功能。准确地说，直通屏蔽电路印制板3和升压电路印制板2在同一个方向的对应位置开有第一开口，用以放置升压电感4，且升压电感4底部与安装壳体1的内底面接触，其两个引脚与升压电路印制板2上对应的焊孔焊接。所述升压电感4由高功率密度平面型磁芯制作而成。同时，升压电路印制板2和直通屏蔽电路印制板3相对应的另一个位置则开设有相同大小的第二开口，用以放置电流互感器9。

定位凸台10设置于升压电路印制板2和直通屏蔽电路印制板3的四周边缘，其数量根据实际需要决定。定位凸台10的设置，不仅方便地将直通屏蔽电路印制板3、升压电路印制板2以及升压电感4定位于安装壳体1中，从而无需专门设计定位装置；同时还可以在灌封抽取真空时，避免印制板和升压电感在安装壳体1内晃动。钽电容6、功率开关管7以及升压二极管8焊接于升压电路印制板2上，其中，功率开关管7和升压二极管8为塑封二极管，焊接在升压电路印制板2的底面，即升压电路印制板2与安装壳体1的底面之间，由于功率开关管7和升压二极管8厚度高于其他元器件高度，因此升压电路印制板2的底面其他元器件不会被安装壳体1短路，因此，无需专门设计隔离措施。

安装时，先对安装壳体1进行抽真空，再向其中灌封导热硅胶。待常温冷却后，导热硅胶11将所有元器件固定，且将其工作时产生的热量导至安装壳体的表面。另外， 在安装壳体的四个角上分别设置有一个铆装螺钉12，用以实现整个变换器的安装。

如图4～图7所示，升压电路输入输出端与直通屏蔽电路的输入输出端直接连接，两者共用一个输入滤波电路和输出滤波电路。其中，升压电路由功率升压电路、升压检测控制电路、驱动控制电路以及辅助电路组成。升压检测控制电路，驱动控制电路以及辅助电路组成一个闭环控制回路，保证升压功率电路的正常工作。直通屏蔽电路由直通功率电路和直通检测控制电路组成。    

当输入电压低于22V时，升压检测控制电路根据检测到的信号来输出一定的控制信号，此控制信号被驱动控制电路接收后，驱动功率开关管的导通占空比，使输出电压保持在22V。辅助电路一方面提供升压电路的软启动功能，另一方面给控制芯片提供稳定的供电电压。若输入电压高于22V，直通检测控制电路使直通功率电路即刻开始工作，同时将升压电路屏蔽，升压电路处于待机状态。

如此便可实现变换器在升压状态与直通状态之间的无缝隙切换，从而达到对欠压浪涌的预处理。

图7中的电路原理图为本发明的一种实施例，本发明还可以采用其他电路原理图，由于这种电路原理图的设计已经十分成熟，因此在本文中不作为重点描述。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。

Claims (10)

1.用于直流电压欠压浪涌预处理的DC/DC变换器，其特征在于，包括安装壳体（1），设置于该安装壳体（1）内部的升压电路印制板（2）和直通屏蔽电路印制板（3），以及与该升压电路印制板（2）连接的升压电感（4）；所述升压电路印制板（2）和直通屏蔽电路印制板（3）通过模块引脚（5）相互连通。

2.根据权利要求1所述的用于直流电压欠压浪涌预处理的DC/DC变换器，其特征在于，所述直通屏蔽电路印制板（3）和升压电路印制板（2）层叠安装于安装壳体（1）内部，且两者之间设置有用于隔离、绝缘与定位的钽电容（6）。

3.根据权利要求2所述的用于直流电压欠压浪涌预处理的DC/DC变换器，其特征在于，所述升压电路印制板（2）位于直通屏蔽电路印制板（3）与安装壳体（1）的底面之间，且在升压电路印制板（2）与安装壳体（1）的底面之间设置有功率开关管（7）和升压二极管（8）。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于直流电压欠压浪涌预处理的DC/DC变换器，其特征在于，所述模块引脚（5）分别与升压电路印制板（2）和直通屏蔽电路印制板（3）垂直。

5.根据权利要求4所述的用于直流电压欠压浪涌预处理的DC/DC变换器，其特征在于，所述升压电路印制板（2）和直通屏蔽电路印制板（3）相对应的位置分别开设有一个大小相同的第一开口，所述升压电感（4）放置于该第一开口内；而在两者相对应的另一位置还分别开设有一个大小相同的第二开口，该第二开口内设置有与所述直通屏蔽电路印制板（3）连接的电流互感器（9）。

6.根据权利要求5所述的用于直流电压欠压浪涌预处理的DC/DC变换器，其特征在于，所述升压电感（4）由高功率密度平面型磁芯制作而成，且与安装壳体（1）的底面直接接触。

7.根据权利要求6所述的用于直流电压欠压浪涌预处理的DC/DC变换器，其特征在于，所述升压电路印制板（2）和直通屏蔽电路印制板（3）的四周边缘分别设置有至少一个与安装壳体（1）的内壁实现定位的定位凸台（10）。

8.根据权利要求7所述的用于直流电压欠压浪涌预处理的DC/DC变换器，其特征在于，所述安装壳体（1）内部为真空结构，并在整个安装壳体内填充有导热硅胶（11）。

9.根据权利要求8所述的用于直流电压欠压浪涌预处理的DC/DC变换器，其特征在于，所述安装壳体（1）的四个角上分别设置有铆装螺钉（12）。

10.根据权利要求9所述的用于直流电压欠压浪涌预处理的DC/DC变换器，其特征在于，所述升压电路印制板（2）上配置有升压电路，而直通屏蔽电路印制板（3）上则配置有直通屏蔽电路。

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