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双输出dc-dc电源

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Abstract

具有半块砖(half-brick)尺寸的多输出电源(10)包括一个正向(Forward)变换器电路(100),它接受一个直流输入电压(V

Description

双输出DC-DC电源

发明背景本发明涉及开关电源,特别是涉及多输出DC-DC开关电源。

大约有14个基本拓扑结构(基本框图)被常用于实现开关电源。每一拓扑结构都有其特点,使得它适合于一种特定应用。

开关电源最基本的拓扑结构之一是降压变换器(或称buck变换器)或压降开关调整器。降压变换器包括一个开关,通常是一个晶体管,它的“开”时间受控,使得一系列宽度可变的矩形电压脉冲可以被适当的滤波,以提供一个良好稳压的平均直流输出。

其它开关电源拓扑结构更适合于用作DC-DC变换器。DC-DC变换器是一种装置,它将某一电平的直流电压变换到另一电平的直流电压。典型的变换器包括一个变压器,初级线圈和次级线圈绕在同一个磁芯上。将初级线圈断开和闭合适当的时间,就实现了对初级线圈和次级线圈之间能量传输的控制。变压器提供了一个交变电压,其幅度可以通过改变初级线圈和次级线圈的匝数而得到调整。而且变压器为变换器的输入和输出提供了直流隔离。

最常用的DC-DC变换器的拓扑结构之一是正向(Forward)变换器。当闭合初级线圈给正向变换器的初级线圈加上电压时,能量就被立即传送到次级线圈。

最近,在开关电源领域,更多地注意紧凑性、效率和更高性能。由于集成电路将更多的功能集成在一个更小的体积里,缩小系统电源的尺寸也变得越来越重要。此外,由于系统电路的不同部件需要不同的电源电压,许多系统的复杂性都增加了。所以,电源设计者面临的问题是提供具有多输出和更高性能的更小的电源。

美国专利(专利号:4,628,426)描述了一个单直流电源开关变换器,其从两个变压器次级绕组供给两个直流负载电路,次级线圈的输出电压采用一个单电源开关级来控制。

美国专利(专利号:4,680,688)描述了一个可产生多种输出电压的DC-DC变换器,该DC-DC变换器包括一个变压器,其具有一个主线圈和多个次级线圈,以及一个平滑电路,其用于整流和平滑在次级线圈获得的交流(AC)电压。该DC-DC变换器还包括一个控制电路,其适用于接收来自整流和平滑电路的最低直流输出电压,并控制开关电路的开关(ON-OFF),以使最低电压保持一个稳定电平。

发明概述本发明的多输出电源,其特征是包括安装在只有半块砖(half-brick)尺寸的机架里的独立控制的正向和降压变换器。

总的来说,该多输出电源包括,接受直流输入电压并产生第一直流输出电压的一个正向变换器;控制第一直流输出电压的电平的第一控制电路;接受第一直流输出电压并产生第二直流输出电压的一个降压变换器;控制第二直流输出电压电平的第二控制电路;和尺寸为半块砖大小的机架,其中安置有该正向变换器、该降压变换器、该第一控制电路和该第二控制电路。

本发明组合了一对独立控制的开关直流电路拓扑结构,它们可以放置在“半块砖”大小相对紧凑的机架内。正向变换器和降压变换器的独立控制保证了每一个变换器的输出都是良好稳压的。这些拓扑结构用一种方式互相连接,从而允许输出功率灵活地分配给这一对电压输出。

优选的实施方案有以下特点。多输出电源有一个同步电路,它保证在第一控制电路的第一控制信号加在正向变换器的几乎同时,第二控制电路的第二控制信号也加在降压变换器上。多输出电源也包括一个在机架内的电压调整电路,它跟正向变换器和降压变换器相连,以保证第一直流输出电压和第二直流输出电压的差小于一个预定阈值。

另一方面,在本发明中,产生第一和第二直流输出电压给相应负载的多输出电源,包括一个半块砖大小的机架和分别对应于第一和第二直流输出电压的第一、第二对电压输出端子。在一个最优选实施方案中,第一对输出端子的每个脚相互相邻,第二对输出端子的每个脚也都相互相邻。

由于第一对输出端子的每个脚相互相邻,第二对输出端子的每个脚也都相互相邻,因此与电路的物理布局相关的每一对端子的引线长度就被缩短了。

本发明的其它特征和优点可以从以下优选实施方案的描述和权利要求变得明了。

附图简述图1A是内装有双输出电源的半块砖封装体的平面图。

图1B是图1A中内装有双输出电源的半块砖封装体的侧视图。

图2是本发明的双输出电源的功能框图。

图3A和3B是图2中双输出电源的详细框图。

图4A和4B是图3A和3B中双输出电源的正向变换器和降压变换器部分的原理图。

图5A~5D是图3A和3B中双输出电源控制部分的详细原理图。

优选实施方案参考图1A和1B,尺寸跟标准的“半块砖”模块相同的铸模封装体6里有一个双输出电源10。半块砖模块的宽、长、高分别为2.28、2.4和0.5英寸。如同下文将详细讨论的一样,电源10包括一个单独的正向变换器和一个稳压的降压变换器,用来产生一对输出电压。电源10可以通过这一对输出产生高达60瓦的输出功率。

封装体6有四个输入端子的脚7a~7d,包括+Vin、-Vin、GND和遥控ON/OFF脚。脚+Vin和脚-Vin上可以加一个范围相对较宽的34~75伏的电压。封装6还有六个输出端子的脚8a~8f,包括+Vout1、-Vout1、+Vout2、-Vout2、Trim1和Trim2。端子的脚被这样组合,使得+Vout1和-Vout1相邻以保证交流环路较短。相似地,+Vout2和-Vout2脚也相邻。通过这种“管脚伸出”的特别安排(下文将详述),与每对输出相关的电路的物理布局都被控制在一个较小的区域内,与每一电路相关的引线长度也都缩短了。减小引线长度也就减小了与这些引线的物理布局相关的电磁感应;因此,在输出端的滤波就更加有效。脚Trim(调整)1和Trim2允许用户在出厂设置的90%到110%之间调整输出直流电压电平。

参考图2,电源10在输入脚7d(+Vin)接受直流输入电压(例如48V),并在输出脚8d和8a分别产生5V和3.3V的直流输出。连接在输入端7d和输出端8d之间的是正向变换器100,它接受直流输入电压并产生5V的第一直流电压输出给第一个负载(没有画出)。从正向变换器100来的第一直流输出电压(Vout1)也送给降压变换器200,在那里它向下降到第二直流输出电压(3.3V)并通过输出端8a供给第二个负载(没有画出)。电源10也包括控制和内务处理电路18,用于为一些辅助电路供电以保证电源10的正常功能。

参考图3A和3B,该图画出了双输出电源10的基本功能框图,下面将详细介绍。在图3A和3B中每一个功能模块使用的电路的原理图,在图4A、4B和5A~5D中虚线框中表示,其参考数字和图4A、4B、图5A~5D中一样。

正向变换器100包括一个LC输入滤波器102用来平滑加在输入端7a的直流输入电压。滤波后的电压供给受开关控制的变压器106的初级线圈104,变压器的次级线圈108则提供一系列幅度取决于初级和次级线圈匝数比的交流脉冲。在序号No.08/693878的待审申请中介绍了适合于正向变换器的变压器的一个实例,这里供作参考,该发明已被转让给受让人。方波脉冲序列通过整流器110变换回整流了的直流电压,再由输出滤波器112平滑。

参考图4A和4B,更特别地,变压器106的初级线圈104上串联了MOSFET晶体管(金属氧化物半导体场效应晶体管)开关114。当开关114闭合时,初级线圈104的能量就通过次级线圈108、整流器110和输出滤波器112传送给负载(没有画出)。输出滤波器112包括一个变压器的电感线圈116和一组电容118。如同下文将讨论的一样,输出滤波器112产生Vout1直流电压(5V),它等于未处理的输入直流电压经占空比调制后的平均值。断开开关114时,前向能量传输就被单向二极管119所截止,该二极管跟输出滤波器112并联,它允许储存于滤波器的电感线圈116里的能量释放到电容118。

跟正向变换器100的输出滤波器114并联的是具有MOSFET晶体管开关的降压变换器200,它接受正向变换器100的直流电压Vout1。开关202受到控制从而产生占空比可调的输出直流电压Vout2(3.3V),再送给由变压器208的电感线圈206和电容组210的输出滤波器204。

再参考图3A和3B,双输出电源10包括一个控制电路120,它控制加在开关晶体管114的栅极上的脉冲串的占空比,从而控制直流电压Vout1的电平。当控制电路工作于常数频率时,“斩波”的周期不变,“开”的时间在变。正因为脉冲宽度在变,这种控制就叫做脉宽调制(PWM)控制。另外,控制电路也可以工作于变频方式,此时“开”或“关”的时间不变而斩波的频率却在改变。这种控制叫做调频控制。

降压变换器200包括它自己的独立的控制电路212,该控制电路212跟控制电路120以同样的方式工作,它控制加在开关晶体管202栅极上的脉冲串的占空比,从而控制直流电压Vout2的电平。

同步电路29接受来自控制电路120的定时信号,它给出正向变换器100的开关时间。作为对定时信号的响应,同步电路29产生一个同步信号给控制电路212,以保证正向变换器100和降压变换器200的脉冲串同时开关。同时开关变换器,将开关噪声限制在过渡期,因此将电源的总噪声降低到了最小。

由于降压变换器200跟正向变换器100是级联的,因此不需要两个单独的电源组,从而使两个变换器需要的空间缩到了最小。这样,两个变换器可以装在一个相对较小的半块砖大小的封装体6里(图1A和1B)。此外,降压变换器和正向变换器的这种级联方式还允许双输出电源60W功率更加灵活的分配。例如,在一种应用中,5V直流电压(Vout1)产生6A电流,3.3V直流电压(Vout2)产生9A电流。而在另一种应用中,可以获得的60W功率可以这样分配,使得5V直流电压产生大约8A电流,3.3V直流电压(Vout2)产生6A电流。

控制和内务处理(housekeeping)电路18(图2)包括有一个集成电路电压源20,用来给那些电源组里的元件(例如MOSFET开关管)供电,也给控制电路和其它辅助电路供电。启动电路22用于电源10初始启动时给IC电压源20提供电力;然后需要的所有电力都由IC电压源20提供。软启动电路23用于在初始启动时,跟启动电路22一起产生一个逐渐上升的电压供给IC电压源20。

由于同步电路29维持对用于正向变换器100和降压变换器200的脉冲串开关的精确控制,5V直流电压(Vout1)和3.3V直流电压(Vout2)之间的电压差相对来说是常数(即大约1.7V)。但是电压源初始启动时,由于Vout2需要时间来达到稳态,因此Vout1和Vout2之间的差可能大于1.7V。在一些应用中,大于4.0V的电压差可能损坏由它驱动的电路。这样,在输出端8d和降压变换器200的输入端连接了一个线性调整器34,用来保证输出的电压差小于2.0V。线性调整器34一般包括一个简单的电阻分压网络,它工作时会产生热损耗,但只在Vout2到达其稳态值3.3V的短暂过程中产生。线性调整器34包括一个可变电阻(没有画出),用于调整需要的规则电压。

控制和内务处理电路18还包括一个欠压保护(UVL)电路24,它检测直流输入的电平。如果该电平低于一个预选阈值,UVL电路24就产生一个信号给IC电压源20,以关断双输出电源10。相似地,过压保护(OVL)电路26检测直流电压电平Vout1。如果该电压电平大于预定最大阈值,OVL电路26就判定正向变换器100或它的控制电路出了故障,并产生一个信号给IC电压源20以关掉双输出电源10。调整/补偿电路28和31跟正向变换器100和降压变换器200相连,通过8f脚和8c脚(图1A)分别调节直流电压Vout1和Vout2的电平。

电流检测电路30用于连续检测流经初级线圈104的电流。当电流超过预定阈值时,电流检测电路30就产生一个控制信号给控制电路120(通过第二限流电路32),通过变压器106抑制一个脉冲方波的产生。如果电流值持续一段时间超过阈值(例如电路短路情形),那么第二限流电路32就产生一个信号来抑制一段预定时间里的一串方波脉冲。这段预定时间结束时再测量电流,如果它低于阈值,那么就重新启动变压器106的方波脉冲。

其它的实施方案也属于本发明的权利要求范围。例如前面介绍的双输出电源10产生5V和3.3V的输出电压。本发明还可适用于输出其它电压组合例如3.3V/2.5V或2.5V/2.1V的双输出电源。

Claims (5)

1.一种多输出电源,它产生第一和第二直流输出电压给相应的负载,所述电源包括:一个正向变换器,接受直流输入电压并产生第一直流输出电压;一个第一控制电路,控制第一直流输出电压的电平;一个降压变换器,从正向变换器电路接受第一直流输出电压并产生第二直流输出电压;一个第二控制电路,它控制第二直流输出电压的电平;以及一个具有半块砖尺寸的机架,该正向变换器、该降压变换器、该第一控制电路和该第二控制电路都被安装在该机架里。
2.根据权利要求1的多输出电源,它还包括装在所述机架内的一个同步电路,以保证在第一控制信号加在正向变换器的几乎同时,第二控制信号也加在降压变换器上。
3.根据权利要求1的多输出电源,它还包括装在所述机架内并跟该正向变换器和该降压变换器相连的一个电压调整电路,以保证该第一直流输出电压和该第二直流输出电压的差小于一个预定阈值。
4.一种多输出电源,用于产生第一和第二直流输出电压给相应的负载,所述电源包括具有半块砖尺寸的机架和分别对应于该第一、第二直流输出电压的第一、第二对电压输出端子。
5.根据权利要求4的多输出电源,其中第一对电压输出端子互相邻近,第二对电压输出端子互相邻近。
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