CN107005162A - 直流电压转换器系统、直流电压供电系统和用于直流电压转换器系统的印刷电路板 - Google Patents

Abstract

根据本发明的直流电压转换器系统（1，1'）配备有：用于馈入输入电压（U_in）的输入端（In）；升压调节器部分（2），用于以受调节的方式将输入电压（U_in）升压成经调节的第一输出电压（U_out1），并且用于在第一供电输出端（Out1）处提供第一输出电压（U_out1）；和电压变换部分（3），用于以通过升压调节器部分（2）的调节装置来控制的方式将输入电压（U_in）变换成第二输出电压（U_out2），并且用于在第二供电输出端（Out2）处提供第二输出电压（U_out2）。根据本发明的具有两个供电输出端（Out1，Out2）的直流电压转换器系统（1）基于给升压调节器扩展了SEPIC电路，其中直流电压转换器系统包括仅仅单个调节装置（S1）和通过该调节装置可控制的开关装置（T1）。

Description

直流电压转换器系统、直流电压供电系统和用于直流电压转 换器系统的印刷电路板

技术领域

本发明涉及一种直流电压转换器系统以及一种直流电压供电系统和一种用于直流电压转换器系统的印刷电路板，并且尤其是集中于如下直流电压转换器系统：所述直流电压转换器系统用来供在车辆中使用，以用于以不同的已稳定的直流电压来给电开关设备和/或控制设备进行供电。

背景技术

在车辆、尤其是载客汽车中，从具有由于连接在中间的输入网络（例如开关、保护电路、滤波器）而强烈变化的输入电压的低压车载电网（例如12伏特）中给电开关设备和控制设备供电。一般而言，针对在从大约6伏特至27伏特DC的范围中变化的输入电压，要求电开关设备和控制设备的完全运行能力。大的输入电压范围的覆盖是通过功率电子电路、尤其是直流电压转换器或直流电压调节器来进行的，这些功率电子电路将变化的输入电压转换成预先给定的各个单独的电压值的已稳定的直流电压，并且以此给电开关设备和控制设备进行供电。

一种公知的用于以来自车载电网的已稳定的直流电压来给电开关设备和控制设备进行供电的方案在于：借助于具有调节装置和开关装置的升压转换器（Aufwaertswandler）或升压调节器（亦称升压变换器或者Boost Converter），将变化的输入电压升压（Hochsetzen）到为例如30伏特的已稳定的经升压的供电电压，所述升压转换器或升压调节器示例性地在图4中予以阐明。

除了经升压的电压以外，通常也需要已稳定的12伏特直流电压作为另外的供电电压，该已稳定的12伏特直流电压可以根据两种公知的构思来产生。根据第一公知的构思，12伏特直流电压借助于连接在升压转换器下游的线性调节器直接根据已稳定的经升压的供电电压（例如30伏特）而被产生。在这种情况下，不利的是由于电压转换的高电压差（例如从30伏特到12伏特）而出现的大损耗功率。根据第二公知的构思，变化的输入电压不仅被馈送给之前提到的升压转换器，而且还被馈送给在图5中示例性地阐明的SEPIC转换器（SEPIC:Single Ended Primary Inductance Converter，单端初级电感转换器），以用于产生第二供电电压（例如12伏特），所述第二供电电压可能低于或者高于变化的输入电压。在该第二构思的情况下，不利的是，如升压转换器之类的SEPIC转换器需要专用调节装置和例如被构造成受控的MOSFET的开关装置，这导致提高的空间需求、成本，并且由于附加的开关过程而导致可能的EMV问题。

发明内容

因而，本发明的任务在于提供一种用于根据变化的输入电压产生至少两个供电电压的直流电压转换器系统，该直流电压转换器系统具有减小的空间需求、低成本和良好的EMV特性。

本发明的任务通过根据权利要求1所述的直流电压转换器系统来解决。根据本发明的有利的实施方式在从属权利要求中予以限定。

根据本发明的直流电压转换器系统包括：用于馈入输入电压的输入端；升压调节器部分（Aufwaertsreglerabschnitt），用于以受调节的方式将输入电压升压成经调节的第一输出电压，并且用于在第一供电输出端处提供第一输出电压；并且此外还包括电压变换部分（Spannungsumsetzabschnitt），用于以通过调节装置来控制的方式、即以不受调节的方式将输入电压变换成第二输出电压，并且用于在第二供电输出端处提供第二输出电压。

升压调节器部分包括：第一电感和第一二极管的串联电路，所述第一电感和第一二极管在第一连接点处彼此电连接；以及调节装置和通过该调节装置可控制的开关装置，该开关装置用于以被控制的方式断开或者闭合在该开关装置的第一接触点与该开关装置的第二接触点之间的电连接。开关装置的第一接触点与第一连接点电连接，并且开关装置的第二接触点直接地或者经由第一电阻与地电连接。第一二极管被布置为具有如下导通方向：所述第一二极管的导通方向为从第一连接点到第一供电输出端。

电压变换部分包括：第二电感和第二二极管的串联电路，所述第二电感和第二二极管在第二连接点处直接彼此电连接；并且此外还包括将第一连接点和第二连接点电耦合的耦合电容器。第二二极管被布置为具有如下导通方向：所述第二二极管的导通方向为从第二连接点到第二供电输出端。

升压调节器部分被构造用于以受调节的方式对输入电压进行升压，由此控制开关装置的断开和闭合。在此，升压通过调节装置基于在第一供电输出端处提供的第一输出电压来调节，该第一输出电压被引回给该调节装置。

而作为本发明的重要组成部分，电压变换部分不是为了调节在第二供电输出端处提供的第二输出电压被构造，而是由升压调节器部分的开关装置以经由耦合电容器来耦合的方式控制在第二供电输出端处提供的电压。第二供电输出端因此未受调节，并且附带完成（mitlaufen）通过升压调节器部分的开关装置来控制。

本发明的该重要组成部分的原因在于，已知的升压调节器和已知的SEPIC转换器的输入部分与相应的调节装置和开关装置在结构上是相同的，并且可以以有利的方式被组合。本发明的直流电压转换器系统因此通过升压调节器和SEPIC转换器的功能组合来构造，其中其分别在结构上或在功能上彼此相对应的部分（尤其是第一或第二电感）和相应的开关装置仅仅被提供一次，以用于组合式使用。

本发明的用于提供两个输出电压的具有单个开关装置和单个调节装置的直流电压转换器系统因此使得能够特别节省空间和低成本地实现具有优化的EMV行为的直流电压转换器系统。

术语“二极管”在本发明的范围内应被理解成一种设备、尤其是被构造成优选地具有pn结的半导体器件，该设备具有第一和第二接线端子端部（Anschlussende），所述第一和第二接线端子端部在其从第一接线端子端部到第二接线端子端部的导通方向上实现电连接或理想化地实现短路，并且在其从第二接线端子端部到第一接线端子端部的截止方向上电截止或理想化地实现中断。术语“地”或“接地”标明本领域技术人员常见的统一的参考电势。术语“电连接”标明以理想化形式通过短路表示的导电的或能导电的连接，该连接使得电流能够通过该连接流动。

根据本发明的直流电压转换器系统的有利的改进方案，该直流电压转换器系统此外还包括第三二极管，该第三二极管的阳极与直流电压转换器系统的输入端和/或第一电感的背离第一连接点的端部电连接，并且该第三二极管的阴极与第二二极管的背离第二连接点的端部（尤其是该第二二极管的阴极）和/或第二供电接线端子电连接。因此第三二极管被布置为具有如下导通方向：所述第三二极管的导通方向为从直流电压转换器系统的输入接线端子到第二二极管的阴极。

通过第二二极管与第三二极管的接线（Verschaltung），以有利的方式实现了：在第二供电输出端处提供的输出电压不低于所要求的最低电压值。在较大输入电压的情况下，第二供电输出端的供电通过输入接线端子、即通过第三二极管进行。在较小输入电压的情况下，在第二供电输出端处的输出电压经由第二二极管来提供。

根据本发明的直流电压转换器系统的另一有利的改进方案，除了第三二极管以外，该直流电压转换器系统包括第四二极管，该第四二极管的阳极与第二供电接线端子、第二二极管的背离第二连接点的端部（尤其是所述第二二极管的阴极）和/或第三二极管的阴极电连接，并且所述第四二极管的阴极与第一供电接线端子和/或第一二极管（D1）的背离第一连接点（P1）的端部（尤其是所述第一二极管的阴极）电连接。第四二极管在快速负载改变的情况下充当过压保护装置。

根据本发明的直流电压转换器系统的特别有利的改进方案，该直流电压转换器系统此外还配备有线性调节器，该线性调节器尤其是被构造成低压降调节器（Low-Drop-Regler）或低压降稳压器（Low-Dropout-Regler），该线性调节器的输入侧与第二和第三二极管（D2，D3）的阴极并且优选地与第四二极管（D4）的阳极电连接，并且该线性调节器的输出侧构造已稳定的第二供电接线端子，以便作为第二输出电压提供恒定的直流电压。

附图说明

在附图图1至图3中示例性地阐明了本发明的优选实施方式，其中针对相同的或者彼此相对应的部件遍及附图地（figurenuebergreifend）使用相同的附图标记。为此：

图1示出了有利的直流电压转换器系统的第一实施方式；

图2示出了直流电压转换器系统的有利的改进方案；

图3示出了另一有利的直流电压转换器系统；

图4示出了升压转换器；以及

图5示出了SEPIC转换器。

具体实施方式

图1示出了有利的直流电压转换器系统1的第一实施方式，所述直流电压转换器系统1具有用于馈入输入电压U_in的输入端In、升压调节器部分2和电压变换部分3。

升压调节器部分2由下列各项形成：第一电感L1；第一二极管D1；输入电容器C1；第一输出电容器C2；通过MOSFET来体现的开关装置T1，该开关装置T1具有第一和第二接触点K1和K2；通过IC来体现的调节装置S1；第一电阻R1和第一供电输出端Out1；以及串联连接为分压器的电阻R2和R3。输入端In与第一电感L1的一个端部和接地的输入电容器C1电连接。第一电感L1的另一端部在第一连接点P1处与第一二极管D1的阳极以及与开关装置T1的第一接触点K1连接。第一供电输出端Out1与第一二极管D1的阴极、同地连接的第一输出电容器C2和分压器R2+R3的电阻R2电连接。在形成分压器的串联连接的电阻R2和R3的连接点处，分接了与在第一供电输出端处Out1处提供的电压有关的电压，并且所述电压作为第一输出电压U_out1的调节标准或调节参量而被输送给调节装置S1。调节装置S1被构造用于控制开关装置T1的断开和闭合（这对应于在开关装置T1的接触点K1和K2之间的电连接的断开和闭合），使得在第一供电输出端Out1处提供的电压U_out1被调节到预先给定的输出电压、例如30V DC。

电压变换部分3包括在一个端部接地的第二电感L2、二极管D2、耦合电容器C3和接地的第二输出电容器C4以及第二供电输出端Out2。第二电感L2的另一端部和二极管D2的阳极在第二连接点P2处彼此电连接。二极管D2的阴极与第二供电输出端Out2和第二输出电容器C4电连接。耦合电容器C3连接在第一连接点P1与第二连接点P2之间。第二供电输出端Out2未被调节。在那里提供的电压U_out2与输入电压U_in、在第一供电输出端Out1处的负载电流和在第二供电输出端Out2处的负载电流有关。

根据本发明的具体实施例被构造为使得在第二供电输出端Out2处提供的第二输出电压U_out2随着在6伏特到27伏特之间变化的输入电压在大约2.5伏特和25伏特的范围内变化。在此，最大的输出电压U_out2在最小输入电压U_in的情况下出现，并且反之亦然。

在图2中示例性地示出了之前解释的并且在图1中阐明的实施方式的有利的改进方案。除了已经在图1中示出的并且解释的在图2中用相同附图标记来表征的部件以外，该第二实施方式的根据本发明的直流电压电压系统1'包括第三二极管D3、第四二极管D4和线性调节器LDO，该线性调节器LDO优选地被构造成低压降调节器。二极管D3在其导通方向上将直流电压转换器系统的输入端与第二二极管D2的阴极电连接。也就是说，第二和第三二极管D2和D3的阴极彼此电连接。在已经从在图1中阐明的实施方式中得知的第二供电输出端Out2上连接有被构造成低压降调节器或低压降稳压器的线性调节器LDO。线性调节器LDO在其输出端Out2'（该输出端Out2'在该实施方式中充当直流电压转换器系统1'的第二供电输出端）处提供已稳定的直流电压U_out2'、例如12V DC，以作为上面提到的具体实施例的衍生。由于低压降调节器LDO的为大约2伏特的所选择的最大压降电压，其输入电压必须大于等于14伏特。这在从6伏特至27伏特的总输入电压范围上经由具有共同的阴极的第二和第三二极管D2和D3的接线来实现。在较小输入电压U_in的情况下，对线性调节器LDO的供电借助于流经第二二极管D2的通过电流进行；在较大输入电压U_in的情况下，对线性调节器LDO的供电借助于流经第三二极管D3的通过电流、即通过输入电压U_in的继续传导（Weiterfuehrung）来进行。在快速负载改变的情况下，在导通方向方面被布置为从第二和第三二极管D2和D3的阴极到第一供电输出端Out1的第四二极管D4充当过压保护装置。

为了解释清楚本发明是基于升压调节器和SEPIC转换器与具有单个开关装置和调节装置形式的修改方案的特别有利的组合，图3示出了一种公知的升压调节器，并且图4示出了一种公知的SEPIC转换器，其中在图3和图4中使用的附图标记动用或溯源于在图1和图2中所使用的附图标记。

图1或图2与图4和图5的比较解释清楚了：在根据本发明的直流电压转换器系统的示例性示出的实施方式中，通过用耦合电容器C3和第二电感L2来扩展公知的升压调节器，SEPIC电路可以被集成到升压调节器中。

在图3中阐明了有利的直流电压转换器系统50（其由根据本发明的直流电压转换器系统51和由该直流电压转换器系统51用在从14至27伏特的范围内变化的直流电压供电的线性转换器52形成）。直流电压转换器系统50由载客汽车车载电网55经由例如由开关、保护电路和/或滤波器构造的输入网络56来馈送在从6至27伏特的范围内波动的输入电压，并且在其两个供电输出端53和54处提供为30伏特和12伏特的已稳定的直流电压。

Claims (10)

1.一种直流电压转换器系统（1，1'），其包括：

用于馈入输入电压（U_in）的输入端（In）；以及

升压调节器部分（2），用于以受调节的方式将所述输入电压（U_in）升压成经调节的第一输出电压（U_out），并且用于在第一供电输出端（Out1）处提供所述第一输出电压（U_out1），其中所述升压调节器部分此外还具有第一电感（L1）和第一二极管（D1）的串联电路，所述第一电感（L1）和所述第一二极管（D1）在第一连接点（P1）处彼此电连接，其中所述第一二极管（D1）被布置为具有如下导通方向：所述第一二极管（D1）的导通方向为从所述第一连接点（P1）到所述第一供电输出端（Out1）；以及所述升压调节器部分此外还具有调节装置（S1）和通过所述调节装置可控制的开关装置（T1），所述开关装置（T1）用于以被控制的方式断开或者闭合在所述开关装置的第一接触点（K1）与所述开关装置（T1）的第二接触点（K2）之间的电连接，其中所述开关装置的所述第一接触点（K1）与所述第一连接点（P1）电连接，并且所述开关装置的所述第二接触点（K2）直接地或者经由第一电阻（R1）与地电连接；

其特征在于，

所述直流电压转换器系统（1，1'）此外还具有电压变换部分（3），用于以通过所述调节装置（S1）控制的方式将所述输入电压（U_in）变换成第二输出电压（U_out2），并且用于在第二供电输出端（Out2）处提供所述第二输出电压（U_out2），其中所述电压变换部分（3）具有第二电感（L2）和第二二极管（D2）的串联电路，所述第二电感（L2）和所述第二二极管（D2）在第二连接点（P2）处彼此电连接，其中所述第二二极管（D2）被布置为具有如下导通方向：所述第二二极管（D2）的导通方向为从所述第二连接点（P2）到所述第二供电输出端（Out2）；以及所述电压变换部分（3）具有将所述第一连接点（P1）和所述第二连接点（P2）电耦合的耦合电容器（C3）。

2.根据权利要求1所述的直流电压转换器系统，其特征在于，所述直流电压转换器系统的所述输入端与输入电容器（C1）电连接，所述输入电容器（C1）直接地或者经由电阻接地；和/或所述第一供电输出端和/或所述第一二极管（D1）的背离所述第一连接点（P1）的端部与第一输出电容器（C2）连接，所述第一输出电容器（C2）直接地或者经由电阻接地；和/或所述第二二极管（D2）的背离所述第二连接点（P2）的端部与第二输出电容器（C4）连接，所述第二输出电容器（C4）直接地或者经由电阻接地。

3.根据权利要求1或者2所述的直流电压转换器系统，其特征在于，所述第一二极管（D1）的阳极与所述第一连接点（P1）电连接，并且所述第一二极管（D1）的阴极与所述第一供电输出端和/或与所述第一输出电容器（C2）电连接；和/或所述第二二极管（D2）的阳极与所述第二连接点（P2）电连接，并且所述第二二极管（D2）的阴极与所述第二供电输出端和/或与所述第二输出电容器（C4）电连接。

4.根据前述权利要求之一所述的直流电压转换器系统，其特征在于，所述开关装置（T1）通过场效应晶体管、双极晶体管或者IGBT来构造。

5.根据前述权利要求之一所述的直流电压转换器系统（1'），所述直流电压转换器系统（1'）此外还具有第三二极管（D3），所述第三二极管（D3）的阳极与所述直流电压转换器系统的所述输入端和/或所述第一电感（L1）的背离所述第一连接点（P1）的端部电连接，并且所述第三二极管（D3）的阴极与所述第二二极管（D2）的背离所述第二连接点（P2）的端部、尤其是所述第二二极管（D2）的阴极和/或所述第二供电接线端子电连接，并且所述直流电压转换器系统（1'）此外还优选地具有第四二极管（D4），所述第四二极管（D4）的阳极与第二供电接线端子、所述第二二极管（D2）的背离所述第二连接点（P2）的端部、尤其是所述第二二极管（D2）的阴极和/或所述第三二极管（D3）的所述阴极电连接，并且所述第四二极管（D4）的阴极与第一供电接线端子和/或所述第一二极管（D1）的背离所述第一连接点（P1）的端部、尤其是所述第一二极管（D1）的阴极电连接。

6.根据前述权利要求之一所述的直流电压转换器系统（1，1'），其特征在于，所述直流电压转换器系统（1，1'）通过升压调节器和SEPIC转换器的功能性组合来构造，其中所述升压调节器和SEPIC转换器的分别在结构上彼此相对应的部分、尤其是所述第一电感（L1）和所述开关装置（T1）仅仅被提供一次，以用于组合式使用。

7.根据权利要求5或者6所述的直流电压转换器系统（1'），其特征此外还在于线性调节器（LDO），所述线性调节器（LDO）尤其是被构造成低压降调节器，所述低压降调节器的输入侧与所述第二和第三二极管（D2，D3）的所述阴极电连接，并且优选地与所述第四二极管（D4）的所述阳极电连接，并且所述低压降调节器的输出侧构造已稳定的第二供电接线端子，以便作为第二输出电压而提供恒定的直流电压。

8.根据前述权利要求之一所述的用于车辆的直流电压转换器系统（1，1'），其特征在于，所述直流电压转换器系统被设计用于在从6至27伏特直流电压的范围内的输入电压，以用于将所述第一输出电压提供为30伏特直流电压并且将所述第二输出电压提供为12伏特直流电压。

9.一种用于车辆的直流电压供电系统，其具有至少一个要从所述车辆的车载电网（55，56）中来馈送的根据前述权利要求之一所述的直流电压转换器系统（1，1'），其中所述直流电压供电系统被构造用于以如下直流电压给所述车辆的电开关设备和/或控制设备进行供电：所述直流电压为来自所述车辆的至少一个车载电网蓄能器、尤其是具有12伏特标称电压的载客汽车电池的至少一个已稳定的较高的直流电压、尤其是30伏特和已稳定的较低的直流电压、尤其是12伏特。

10.一种用于根据权利要求6至8之一所述的直流电压转换器系统的印刷电路板，其特征在于，所述印刷电路板被构造为使得：通过拆卸或不装配分配给电压变换部分的器件并且使第四二极管（D4）的极性接线反向，能够实现将由升压转换器部分提供的尤其是30伏特直流电压的第一输出电压馈入给线性调节器。