CN107634652A - 交错并联式数字dc‑dc电源 - Google Patents
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Abstract
本发明提供交错并联式数字DC‑DC电源，涉及数字电源领域，括辅助电路、控制电路、驱动电路、BUCK降压电路和信号调理电路，所述辅助电路包括引脚PWR、引脚PGDN，所述引脚PWR连接到滤波电容C18的一端和DC‑DC电源转换器U3的1脚，所述引脚PGDN经电阻R16后连接到滤波电容C18的另一端和DC‑DC电源转换器U3的5脚、6脚、7脚、8脚；本发明具有电路设计结构合理紧凑、高效节能、输出纹波系数低、输出电压稳定、可靠性高的技术特点，本发明具体技术特点表现在：一、电路设计新颖，二、高效节能，发热量小，三、全贴片元件，无电解电容，四、能够实现稳定的较大功率输出。
Description
技术领域
本发明涉及数字电源领域，具体涉及交错并联式数字DC-DC电源。
背景技术
电子系统集成规模的不断加大，要求电源输出低电压大电流，同时还要求较高的功率密度，高效的DC-DC转换效率，极小的纹波系数等；电子系统工作频率的不断提高和工作电压的不断降低，要求电源的纹波越来越小；在有限的安装空间，要求电源设计中采用体积小、高度低的电感和电容。采用交错并联技术，可以提高电源的输出电流和输出功率，降低输出电压的纹波。同时，由于并联技术，需要的电感也更小，电感的体积和高度也更小，可以实现“轻薄”设计。采用同步技术，可以降低器件功率损耗，提高输功率出的效率。产品采用了一种两相交错并联电路的电流峰值控制设计方案。电流控制方式，实际上是双环PID控制，外环为PI电压环，内环为PI电流环。采用电流控制方式，可以更好地实现均流输出。
目前用在工业过程控制系统的电源很多，在大功率开关电源方面一些生产制造厂家虽然采用了新技术，但考虑到功率的因素，在元器件的选用上还是分立件过多，其中包括大量的电解电容。这样就使得开关电源整体结构难以体现新技术的优势，工作在大功率状态下其稳定性、可靠性难以保证，故障率高，特别是对环境温度要求比较高的自动化程度设备来说，这样的开关电源显然很难适应装备的需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了交错并联式数字DC-DC电源，使得具有高效节能的特点。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：交错并联式数字DC-DC电源，包括辅助电路、控制电路、驱动电路、BUCK降压电路和信号调理电路，所述辅助电路包括引脚PWR、引脚PGDN，所述引脚PWR连接到滤波电容C18的一端和DC-DC电源转换器U3的1脚，所述引脚PGDN经电阻R16后连接到滤波电容C18的另一端和DC-DC电源转换器U3的5脚、6脚、7脚、8脚；
所述DC-DC电源转换器U3的2脚经滤波蓄能电感L2连接到分压设定电阻R12的一端、电容C17的一端、电容C20的一端、滤波电容CT5的正极、稳压芯片U4的1脚和3脚，所述DC-DC电源转换器U3的2脚经续流二极管D1连接到DC-DC电源转换器U3的8脚；
所述DC-DC电源转换器U3的3脚连接到分压设定电阻R12的另一端、电容C17的另一端和分压设定电阻R14的一端；
所述DC-DC电源转换器U3的8脚连接到分压设定电阻R14的另一端、电容C20的另一端、滤波电容CT5的负极、稳压芯片U4的2脚、电阻R15的一端、滤波电容CT3的负极、电容C19的一端和电感L4的一端；
所述稳压芯片U4的5脚连接到电阻R13的一端、滤波电容CT3的正极、电容C19的另一端、电感L3的一端，所述稳压芯片U4的4脚连接到电阻R15的另一端和电阻R13的另一端，所述电感L3的另一端经滤波电容CT4的正极连接到电感L4的另一端。
优选地，所述DC-DC电源转换器U3的型号为XL7005A；所述稳压芯片U4的型号为SPX3819M5-L-3-3/TR。
优选地，所述控制电路包括处理器U6、高精度PWM发生器、高速AD数模转换模块、IO输入输出模块、仿真端口P2、串口通讯接口P3、RUN指示E2、故障指示E3、上电复位电容C34，所述处理器U6型号为ST意法半导体公司ARMCortex-M4高性能处理器STM32F334数模混MCU。
优选地，所述驱动电路包括MOS管驱动芯片U1和U2、自举电容CT1/CT2、退耦电容C15/C16、下拉电阻R8/R9/R10/R11，所述MOS管驱动芯片U1和U2的型号为TI的半桥驱动芯片UCC27211。
优选地，所述BUCK降压电路通过输入高电压通过并联T1(TVS)进行浪涌过电压保护，滤波电感L1、滤波电容C1-C7进行电源滤波，再进入Q1、Q2两MOS功率管、蓄能电感LA1、LB1以及Q3、Q4两MOS作为续流二极管功能，组成的BUCK降压同步整流电路，再通过输出并联滤波电容C8-C14对输出电流进行滤波，以及R7电阻进行输出电流采样，TVS二极管T2进行输出过电压浪涌保护。
本发明提供了交错并联式数字DC-DC电源，具有电路设计结构合理紧凑、高效节能、输出纹波系数低、输出电压稳定、可靠性高的技术特点。本发明具体技术特点表现在：一、电路设计新颖，二、高效节能，发热量小，三、全贴片元件，无电解电容，四、能够实现稳定的较大功率输出；实际测试输出电流可达6A/24V；电源开关频率400kHz，单相互补带死区驱动输出，两相并联180°交错控制，同时实现同步整流功能，输出电压24V输出电流6A，MOS管温升30℃左右无需散热片，MOS管BSC123N08NS3G同步整流正向压降仅为0.071V，只有肖特基二极管压降的五分之一不到，高效节能效果明显。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的辅助电路原理图；
图2为本发明的控制电路原理图；
图3为本发明的驱动电路原理图；
图4为本发明的BUCK降压电路原理图；
图5为本发明的信号调理电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限制，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
如图1所示，交错并联式数字DC-DC电源，包括辅助电路、控制电路、驱动电路、BUCK降压电路和信号调理电路，所述辅助电路包括引脚PWR、引脚PGDN，所述引脚PWR连接到滤波电容C18的一端和DC-DC电源转换器U3的1脚，所述引脚PGDN经电阻R16后连接到滤波电容C18的另一端和DC-DC电源转换器U3的5脚、6脚、7脚、8脚；
所述DC-DC电源转换器U3的2脚经滤波蓄能电感L2连接到分压设定电阻R12的一端、电容C17的一端、电容C20的一端、滤波电容CT5的正极、稳压芯片U4的1脚和3脚，所述DC-DC电源转换器U3的2脚经续流二极管D1连接到DC-DC电源转换器U3的8脚；
所述DC-DC电源转换器U3的3脚连接到分压设定电阻R12的另一端、电容C17的另一端和分压设定电阻R14的一端；
所述DC-DC电源转换器U3的8脚连接到分压设定电阻R14的另一端、电容C20的另一端、滤波电容CT5的负极、稳压芯片U4的2脚、电阻R15的一端、滤波电容CT3的负极、电容C19的一端和电感L4的一端；
所述稳压芯片U4的5脚连接到电阻R13的一端、滤波电容CT3的正极、电容C19的另一端、电感L3的一端，所述稳压芯片U4的4脚连接到电阻R15的另一端和电阻R13的另一端，所述电感L3的另一端经滤波电容CT4的正极连接到电感L4的另一端。
优选地，所述DC-DC电源转换器U3的型号为XL7005A；所述稳压芯片U4的型号为SPX3819M5-L-3-3/TR。
实施例2：
如图2所示，在实施例1的基础上，所述控制电路包括处理器U6、高精度PWM发生器、高速AD数模转换模块、IO输入输出模块、仿真端口P2、串口通讯接口P3、RUN指示E2、故障指示E3、上电复位电容C34，所述处理器U6型号为ST意法半导体公司ARMCortex-M4高性能处理器STM32F334数模混MCU。
实施例3：
如图3所示，在实施例2的基础上，所述驱动电路包括MOS管驱动芯片U1和U2、自举电容CT1/CT2、退耦电容C15/C16、下拉电阻R8/R9/R10/R11，所述MOS管驱动芯片U1和U2的型号为TI的半桥驱动芯片UCC27211。
实施例4：
如图4所示，在实施例3的基础上，所述BUCK降压电路通过输入高电压通过并联T1(TVS)进行浪涌过电压保护，滤波电感L1、滤波电容C1-C7进行电源滤波，再进入Q1、Q2两MOS功率管、蓄能电感LA1、LB1以及Q3、Q4两MOS作为续流二极管功能，组成的BUCK降压同步整流电路，再通过输出并联滤波电容C8-C14对输出电流进行滤波，以及R7电阻进行输出电流采样，TVS二极管T2进行输出过电压浪涌保护。
实施例5：
如图5所示，在实施例4的基础上，输入电压检测包括R22、R24分压电阻、滤波电容C23；输出电压检测包括U5C运放、电阻R29、R31、R34、R36、R32、滤波电容C25；远端电压测量包括U5B运放、电阻R25、R26、R28、R30、R33、R27、滤波电容C24；输出电流检测包括U5A运放、电阻R18、R20、R23、R19、R21、电容C21、C22，这些功能都是基于TLV2374运算放大器实现并且采用差分形式。
本发明的原理：本设计应用了STM32F334数模混MCU的PWM模块发出两路对称的PWM波驱动BUCK电路；通过PWM同步触发ADC模块采样输出电流，同时通过ADC模块采集直流母线电压，输出电压以及远端端电压测量，它可以解决大电流电缆电线的压降问题；预留一个串口通信接口，可以实现与上位机，操作面板等设备通信。并联交错式DC-DC转换电源特征在于：运用ST意法半导体公司ARMCortex-M4高性能处理器STM32F334通过程序算法来控制两路带死区控制互补对称输出的PWM波形来控制两对MOS管BSC123N08NS3G导通与关断，形成两路相位相差180°的电流输出，同时进行同步整流输出，进而形成两路180°交错叠加输出，既减小了MOS管的的电流应力，同时也降低了输出电流的纹波系数。BUCK同步降压系统由辅助电路、控制电路、驱动电路、BUCK电路、信号调理电路构成。其中辅助电路1提供一路12V直流电源给驱动电路提供电源，提供另外一路3.3V电源给控制电路和信号调理电路提供电源。控制电路2作为核心控制中枢，负责输入输出电压采集、输出电流同步采样、电流电压PID双环算法控制、过压欠压过流保护、人机交互输入输出等。驱动电路3作为MOS管驱动电路采用TI的半桥驱动芯片UCC27211，器件内部集成自举电容充电用二极管，耐压120V，驱动电流达4A，器件内部不带死区时间功能，为避免上下桥臂同时导通，死区时间有MCU上实现。信号调理电路4包含输入电压检测，输出电压检测，远端电压测量，输出电流检测等，这些功能都是基于TLV2374运算放大器实现，并且采用差分形式。同步BUCK功率电路4由经典的BUCK变换而来，具体是使用MOS替换二极管实现，输入端与输出端都采用LC滤波，使得输入输出电流连续，便于滤波，输出端采用电阻实现电流采样，并经过放大电路放大之后送入MCU的ADC口。这就使得我们得到一组较理想的紧凑、高效、节能型DC-DC转换电源，实现实用新型的目的，为工业过程控制提供了一种结构合理、输出稳定、高效节能、安全可靠性高的实用新型的一款开关电源。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.交错并联式数字DC-DC电源，其特征在于，包括辅助电路、控制电路、驱动电路、BUCK降压电路和信号调理电路，所述辅助电路包括引脚PWR、引脚PGDN，所述引脚PWR连接到滤波电容C18的一端和DC-DC电源转换器U3的1脚，所述引脚PGDN经电阻R16后连接到滤波电容C18的另一端和DC-DC电源转换器U3的5脚、6脚、7脚、8脚；
所述DC-DC电源转换器U3的2脚经滤波蓄能电感L2连接到分压设定电阻R12的一端、电容C17的一端、电容C20的一端、滤波电容CT5的正极、稳压芯片U4的1脚和3脚，所述DC-DC电源转换器U3的2脚经续流二极管D1连接到DC-DC电源转换器U3的8脚；
所述DC-DC电源转换器U3的3脚连接到分压设定电阻R12的另一端、电容C17的另一端和分压设定电阻R14的一端；
所述DC-DC电源转换器U3的8脚连接到分压设定电阻R14的另一端、电容C20的另一端、滤波电容CT5的负极、稳压芯片U4的2脚、电阻R15的一端、滤波电容CT3的负极、电容C19的一端和电感L4的一端；
所述稳压芯片U4的5脚连接到电阻R13的一端、滤波电容CT3的正极、电容C19的另一端、电感L3的一端，所述稳压芯片U4的4脚连接到电阻R15的另一端和电阻R13的另一端，所述电感L3的另一端经滤波电容CT4的正极连接到电感L4的另一端。
2.如权利要求1所述的交错并联式数字DC-DC电源，其特征在于，所述DC-DC电源转换器U3的型号为XL7005A；所述稳压芯片U4的型号为SPX3819M5-L-3-3/TR。
3.如权利要求1所述的交错并联式数字DC-DC电源，其特征在于，所述控制电路包括处理器U6、高精度PWM发生器、高速AD数模转换模块、IO输入输出模块、仿真端口P2、串口通讯接口P3、RUN指示E2、故障指示E3、上电复位电容C34，所述处理器U6型号为ST意法半导体公司ARMCortex-M4高性能处理器STM32F334数模混MCU。
4.如权利要求1所述的交错并联式数字DC-DC电源，其特征在于，所述驱动电路包括MOS管驱动芯片U1和U2、自举电容CT1/CT2、退耦电容C15/C16、下拉电阻R8/R9/R10/R11，所述MOS管驱动芯片U1和U2的型号为TI的半桥驱动芯片UCC27211。
5.如权利要求1所述的交错并联式数字DC-DC电源，其特征在于，所述BUCK降压电路通过输入高电压通过并联T1(TVS)进行浪涌过电压保护，滤波电感L1、滤波电容C1-C7进行电源滤波，再进入Q1、Q2两MOS功率管、蓄能电感LA1、LB1以及Q3、Q4两MOS作为续流二极管功能，组成的BUCK降压同步整流电路，再通过输出并联滤波电容C8-C14对输出电流进行滤波，以及R7电阻进行输出电流采样，TVS二极管T2进行输出过电压浪涌保护。
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