CN104253533A - 一种正负对称双输出的dc-dc电源 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种具有高对称性的正负对称双输出的DC-DC电源。该DC-DC电源包括输入端、第一输出端、第二输出端、第一电感、第二电感、第一电容、第一二极管、第三电感、第四电感、第二电容、第二二极管；输入端、第一电感、第一电容、第二电感、第一输出端依次串联，第一二极管的正端与第一电容、第二电感的接点相连，第一二极管的负端接地；输入端、第三电感、第二电容、第二二极管、第二输出端依次串联，第四电感的一端与第一电容、第二电感的接点相连，第四电感的另一端接地；第一电感、第三电感并联；第三电感、第二电容的接点通过一个开关控制模块接地，开关控制模块使第三电感、第二电容的接点与地之间导通或者关断。

Description

一种正负对称双输出的DC-DC电源

技术领域

本发明属于电源技术领域，具体涉及搭配一种正负对称双输出的DC-DC电源。

背景技术

每一个电子产品可能由各个部分组成，但有一个共同点就是都少不了供电系统。在设计供电系统的时候，很多情况下都会受到各种各样的限制，这和实际应用条件有很大关系。其中一个比较典型的限制就是输入电源。

目前市场上为用户提供DC-DC电源集成块较多，但大部分为单输入输出电源，在模拟电路和集成电路中，±5V、±12V、±15V等对称电源的应用非常广泛。这种电源的设计方法很多，在线性电源中应用的最广泛的是由三端稳压器组成和由分立元件组成，电路实现简单成熟，但效率低，难以满足负载对电源正负对称的高要求。其原因如下：两路电源的基准电压和反馈部分相互独立，难以保持一致；正负电源所用的稳压器和半导体器件的参数都存在离散性，对温度变化的影响也有差异；电源中正负电源的负载电流不可能相同。因此，目前广大用户急需的是一种输出电压正负对称，并能克服温度变化、元器件参数离散性、正负电源负载差异变化对输出电压的影响的高效DC-DC变换器。

发明内容

本发明的目的是提出一种正负对称双输出的DC-DC电源，该种电源的双输出电压具有高对称性，可以满足客户的需求。

本发明的正负对称双输出的DC-DC电源包括输入端、第一输出端、第二输出端、由第一电感、第二电感、第一电容、第一二极管构成的Sepic转换电路和由第三电感、第四电感、第二电容、第二二极管构成的Cuk转换电路；所述输入端、第一电感、第一电容、第二电感、第一输出端依次串联，所述第一二极管的正端与第一电容、第二电感的接点相连，第一二极管的负端接地；所述输入端、第三电感、第二电容、第二二极管、第二输出端依次串联，所述第四电感的一端与第一电容、第二电感的接点相连，第四电感的另一端接地；所述第一电感、第三电感并联；所述第三电感、第二电容的接点通过一个开关控制模块接地，开关控制模块使第三电感、第二电容的接点与地之间导通或者关断。

整个电路由Sepic转换电路和Cuk转换电路组成，两个转换电路在开关控制模块的接点处相互连接，因为开关控制模块的接点处的电压波形对两个转换器而言是相同的，而且Sepic转换电路和Cuk转换电路的转换率大小相等、符号相反，因此实现了正负对称电源，其中Sepic转换电路输出正电压，Cuk转换电路输出负电压。本发明采用了第一电感、第三电感并联的方式，而不是单个的电感，目的是使两个转换器的耦合更加明显，提高对称性。

进一步地，所述第一电感、第二电感耦合，所述第三电感、第四电感耦合；第一电感、第二电感、第三电感、第四电感的规格相同；以使两个输出端之间产生较好的匹配，并简化小信号分析，达到输出电源正负对称的效果。

进一步地，所述第一电容的容值大于第二电容的容值，由于第一电容、第二电容通常选用陶瓷电容，因此必须考虑直流偏置上的差异。

进一步地，所述第一输出端通过第三电容接地；所述第二输出端通过第四电容接地；所述第三电容、第四电容的规格相同，以减少第一输出端、第二输出端的纹波，提高第一输出端、第二输出端的输出稳定性和对称性。

进一步地，所述第二输出端通过反馈电路与开关控制模块相连，所述开关控制模块根据第二输出端的反馈电压来控制第三电感、第二电容的接点与地之间导通或者关断的时间，以调节第一输出端及第二输出端的输出电压。由于开关控制模块可以同时控制Sepic转换电路和Cuk转换电路，因此采用一个开关控制模块即可实现两个输出端的输出控制，开关控制模块利用第二输出端作为反馈端，可以根据第二输出端的反馈电压来调节导通或关断的时间，从而调节第一输出端及第二输出端的输出电压。

进一步地，所述第一输出端和/或第二输出端连接有辅助负载，以使第一输出端与第二输出端的真实负载一致。由于Cuk转换电路的输出（即第一输出端）是未经调节反馈的，因此与Sepic转换电路（即第二输出端）的输出相比，输出负载的变化会带来一定的负载变化，当两个输出端的负载显著不匹配时，误差会增大，通过在输出端连接辅助负载，可以使第一输出端与第二输出端的真实负载一致，从而提高两个输出端的对称性。辅助负载可以根据Sepic转换电路的输出负载特性，选择相似的阻型负载、阻容型负载或感性负载。

经过实际测试，本发明的正负对称双输出的DC-DC电源的两个输出端在绝大多数条件下都能非常好的保持一致，保证输出电压的高对称性，而且可以通过主回路上的电容实现输入端与输出端的隔离，同时具备完全关断功能，可以满足客户的较高要求。

附图说明

    图1是实施例1的正负对称双输出的DC-DC电源的电路原理图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施实例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例的正负对称双输出的DC-DC电源包括输入端IN、第一输出端-Vout、第二输出端+Vout、由第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第一二极管D1构成的Sepic转换电路和由第三电感L3、第四电感L4、第二电容C2、第二二极管D2构成的Cuk转换电路；所述输入端IN、第一电感L1、第一电容C1、第二电感L2、第一输出端-Vout依次串联，所述第一二极管D1的正端与第一电容C1、第二电感L2的接点相连，第一二极管D1的负端接地；所述输入端IN、第三电感L3、第二电容C2、第二二极管D2、第二输出端+Vout依次串联，所述第四电感L4的一端与第一电容C1、第二电感L2的接点相连，第四电感L4的另一端接地；所述第一电感L1、第三电感L3并联；所述第三电感L3、第二电容C2的接点通过一个开关控制模块接地，开关控制模块使第三电感L3、第二电容C2的接点与地之间导通或者关断。

整个电路由Sepic转换电路和Cuk转换电路组成，两个转换电路在开关控制模块的接点处相互连接，因为开关控制模块的接点处的电压波形对两个转换器而言是相同的，而且Sepic转换电路和Cuk转换电路的转换率大小相等、符号相反，因此实现了正负对称电源，其中Sepic转换电路输出正电压，Cuk转换电路输出负电压。本发明采用了第一电感L1、第三电感L3并联的方式，而不是单个的电感，目的是使两个转换器的耦合更加明显，提高对称性。

第一电感L1、第二电感L2耦合，所述第三电感L3、第四电感L4耦合；第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4的规格相同；以使两个输出端之间产生较好的匹配，并简化小信号分析，达到输出电源正负对称的效果。

第一电容C1的容值大于第二电容C2的容值，由于第一电容C1、第二电容C2通常选用陶瓷电容，因此必须考虑直流偏置上的差异。

第一输出端-Vout通过第三电容C3接地；所述第二输出端+Vout通过第四电容C4接地；所述第三电容C3、第四电容C4的规格相同，以减少第一输出端-Vout、第二输出端+Vout的纹波，提高第一输出端-Vout、第二输出端+Vout的输出稳定性和对称性。

第二输出端+Vout通过反馈电路与开关控制模块相连，上述反馈电路由第一电阻R1、第二电阻R2串联于第二输出端+Vout与地之间而构成，第一电阻R1、第二电阻R2的接点与开关控制模块相连，所述开关控制模块根据第二输出端+Vout的反馈电压来控制第三电感L3、第二电容C2的接点与地之间导通或者关断的时间，以调节第一输出端-Vout及第二输出端+Vout的输出电压。由于开关控制模块可以同时控制Sepic转换电路和Cuk转换电路，因此采用一个开关控制模块即可实现两个输出端的输出控制，开关控制模块利用第二输出端+Vout作为反馈端，可以根据第二输出端+Vout的反馈电压来调节导通或关断的时间，从而调节第一输出端-Vout及第二输出端+Vout的输出电压。

第一输出端-Vout和/或第二输出端+Vout连接有辅助负载，以使第一输出端-Vout与第二输出端+Vout的真实负载一致。由于Cuk转换电路的输出（即第一输出端-Vout）是未经调节反馈的，因此与Sepic转换电路（即第二输出端+Vout）的输出相比，输出负载的变化会带来一定的负载变化，当两个输出端的负载显著不匹配时，误差会增大，通过在输出端连接辅助负载，可以使第一输出端-Vout与第二输出端+Vout的真实负载一致，从而提高两个输出端的对称性。辅助负载可以根据Sepic转换电路的输出负载特性，选择相似的阻型负载、阻容型负载或感性负载。

在本实施例中，第二输出端+Vout的真实负载为阻性负载R3，因此在第一输出端-Vou设置了与R3阻值相同的辅助负载R4，以使第一输出端-Vout与第二输出端+Vout的真实负载一致。

在本实施例中，开关控制模块采用芯片LT3758及MOS管Q1来实现，MOS管Q1可在芯片LT3758所输出的PWM信号控制下导通或者关断。芯片LT3758 具有两个电压反馈误差放大器和基准电压。一组用于正输出电压，另一组用于负输出电压，两者均从单个反馈引脚来供电，从而使 LT3758 成为一款高度通用的DC/DC 控制器，适合众多类型的电源设计。芯片LT3758的Vc脚为误差放大器补偿引脚，与第五电容C5和第五电阻R5构成的RC网络连接，以用于稳定电压回路；FBX脚为正反馈和负反馈引脚，接收第一电阻R1、第二电阻R2分压后的输出电压；SS脚为软启动引脚，通过第六电容C6接地；Rt脚为开关频率调节引脚，通过第六电阻R6接地，以设定频率；SENSE脚为电流控制回路的感应输入，通过第七电阻R7接地，并与MOS管Q1的源极相连；GATE脚与MOS管Q1的栅极相连，输出PWM信号来控制MOS管Q1的导通及关断时间；MOS管Q1的漏极与第三电感L3、第二电容C2的接点相连；INTVcc脚为稳压电源内部负荷和栅极驱动器引脚，通过一个不小于4.7uF的第七电容C7接地；SHDN/UVLO脚为检测关机欠压引脚，连接外部电阻分压器，该电阻分压器由第八电阻R8、第九电阻R9构成，当输入电压Vin低于设定电压阀值，使该引脚电压低于1.22V，IC进入欠压关机保护模式；Vin脚为输入电源引脚，通过一个不小于0.22μF的第八电容C8接地，且第八电容C8必须靠近引脚放置。

Sepic转换电路的工作原理如下：

当MOS管Q1处于导通状态时，V1—L3—Q1回路和C2—Q1—L4回路同时导电，L3和L4储能；

当MOS管Q1处于关断状态时，V1—L3—C2—D2—负载（C4、R3）回路及L4—D2—负载（C4、R3）回路同时导电，此阶段V1和L3既向负载供电，同时也向C2充电，C2贮存的能量在Q1处于导通状态时向L4转移。

得出Sepic斩波电路的输入输出关系由下式给出：

                                                  ； 其中D为芯片LT3758的GATE脚输出的PWM信号的占空比，为输入电压（图1中DC电源电压）。

同理，Cuk转换电路的工作原理如下：：

当MOS管Q1处于导通状态时，V1—L1—Q1回路和负载（C3、R4）—L2—C1—Q1回路分别流过电流；

当MOS管Q1处于关断状态时，负载（C3、R4）—L2—D1回路和V1—L1—C1—D1回路分别流过电流；

输出电压的极性与电源电压极性相反，稳态时电容C1的电流在一个周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零。

得出Cuk转换电路的输入输出关系由下式给出：

            

其中D为芯片LT3758的GATE脚输出的PWM信号的占空比；为输入电压（图1中DC电源电压）。

对比Sepic转换电路和Cuk转换电路的输入输出关系式可以看出，两种转换器的输出输入公式完全相同，因此在理论上保证了正负对称电源的可行性。

Claims (6)

1.一种正负对称双输出的DC-DC电源，其特征在于包括输入端、第一输出端、第二输出端、由第一电感、第二电感、第一电容、第一二极管构成的Sepic转换电路和由第三电感、第四电感、第二电容、第二二极管构成的Cuk转换电路；所述输入端、第一电感、第一电容、第二电感、第一输出端依次串联，所述第一二极管的正端与第一电容、第二电感的接点相连，第一二极管的负端接地；所述输入端、第三电感、第二电容、第二二极管、第二输出端依次串联，所述第四电感的一端与第一电容、第二电感的接点相连，第四电感的另一端接地；所述第一电感、第三电感并联；所述第三电感、第二电容的接点通过一个开关控制模块接地，开关控制模块使第三电感、第二电容的接点与地之间导通或者关断。

2.根据权利要求1所述的正负对称双输出的DC-DC电源，其特征在于所述第一电感、第二电感耦合，所述第三电感、第四电感耦合；所述第一电感、第二电感、第三电感、第四电感的规格相同。

3.根据权利要求2所述的正负对称双输出的DC-DC电源，其特征在于所述第一电容的容值大于第二电容的容值。

4.根据权利要求3所述的正负对称双输出的DC-DC电源，其特征在于所述第一输出端通过第三电容接地；所述第二输出端通过第四电容接地；所述第三电容、第四电容的规格相同。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的正负对称双输出的DC-DC电源，其特征在于所述第二输出端通过反馈电路与开关控制模块相连，所述开关控制模块根据第二输出端的反馈电压来控制第三电感、第二电容的接点与地之间导通或者关断的时间，以调节第一输出端及第二输出端的输出电压。

6.根据权利要求5所述的正负对称双输出的DC-DC电源，其特征在于所述第一输出端和/或第二输出端连接有辅助负载，以使第一输出端与第二输出端的真实负载一致。