CN110768530B - 多路稳压电源电路及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多路稳压电源电路及包括该多路稳压电源电路的电子设备，该多路稳压电源电路包括功率变换电路、多个正激变压器及多个次级稳压电路，其中各正激变压器的初级绕组互相并联，且分别连接功率变换电路的输出端；各正激变压器的次级绕组分别连接一次级稳压电路。上述多路稳压电源电路具有多个互相独立的次级稳压电路，由于不同的次级绕组回路通过不同的变压器磁通实现磁耦合，因此可消除各输出回路之间的电流冲击干扰，而且由于变压器的可配置数量较多，因此次级输出回路的总功率较大，能够显著提升整个系统的功率容量。

Description

多路稳压电源电路及电子设备
技术领域
本发明涉及电力变换技术领域，特别是涉及一种多路稳压电源电路及包括该多路稳压电源电路的电子设备。
背景技术
双管正激多路输出变换器是常见的多路输出稳压电源，结构如图1所示。根据图1，传统的多路输出稳压电源在开关S'1和开关S'2开通期间，正激变压器Tr'的初级绕组进行励磁，正激变压器Tr'的各次级绕组向负载输出脉冲功率。在开关S'1和开关S'2关断期间，正激变压器Tr'初级绕组的等效励磁电感L'm通过二极管D'1和二极管D'2向电源U'in放电，实现变压器磁复位。由正激变压器次级绕组N's所在的次级回路包括整流滤波电路和电压闭环调节电路，实现系统控制和主要的隔离稳压输出。正激变压器的其他次级回路为独立隔离辅助输出回路，不能参与到正激变换器的系统控制中，因此各独立辅助输出回路只能外加稳压器实现稳压输出。
上述传统的多路输出稳压电源由于不同的次级绕组回路通过同一个变压器磁通实现磁耦合，因此各输出回路之间有电流冲击干扰，而且各输出回路的功率之和受限于变压器的功率容量，使得整个系统的功率容量较小。
发明内容
基于此，有必要提供一种多路稳压电源电路及包括其的电子设备，能够以高频脉冲母线为基础自由扩展多正激变压器和多次级输出电源路数，并具有独立稳压调节功能。
本发明第一方面提供一种多路稳压电源电路，其包括：功率变换电路、多个正激变压器及多个次级稳压电路，其中：各所述正激变压器的初级绕组互相并联，且分别连接所述功率变换电路的输出端；各所述正激变压器的次级绕组分别连接一所述次级稳压电路。
可选地，所述多路稳压电源电路还包括高频脉冲母线，各所述正激变压器的初级绕组一端分别通过所述高频脉冲母线正极连接所述功率变换电路的第一输出端，各所述正激变压器的初级绕组另一端通过所述高频脉冲母线负极连接所述功率变换电路的第二输出端。
可选地，所述功率变换电路包括第一开关、第二开关和励磁复位电路，所述第一开关的两端分别连接所述励磁复位电路的第一端和第三端，所述第二开关两端分别连接所述励磁复位电路的第二端和第四端，所述励磁复位电路的第一端和第四端分别用于连接预设电源的正极和负极。
可选地，所述励磁复位电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管和箝位电容，其中：所述第一二极管与所述第二二极管正向串联，所述第三二极管和所述第四二极管正向串联，并且所述箝位电容连接在所述第一二极管与所述第二二极管的连接节点和所述第三二极管与所述第四二极管的连接节点之间；所述第一二极管的阴极作为所述励磁复位电路的第一端连接所述预设电源的正极，所述第二二极管的阳极作为所述励磁复位电路的第二端通过所述第二开关连接所述预设电源的负极；所述第四二极管的阴极作为所述励磁复位电路的第三端通过所述第一开关连接所述预设电源的正极，所述第三二极管的阳极作为所述励磁复位电路的第四端连接所述预设电源的负极。
可选地，所述多路稳压电源电路还包括多个保护二极管，各所述正激变压器的初级绕组一端各通过一所述保护二极管连接所述高频脉冲母线正极。
可选地，所述多个次级稳压电路包括第一次级稳压电路，所述第一次级稳压电路包括依序串联的第一整流电路、第一滤波电路和稳压器，其中所述第一整流电路的输入端连接一所述正激变压器的次级绕组，所述稳压器的输出端为所述次级稳压电路的输出端。
可选地，所述多个次级稳压电路包括第二次级稳压电路，所述第二次级稳压电路包括依序串联的磁放大器稳压电路、第二整流电路和第二滤波电路，其中，所述磁放大器稳压电路的输入端连接一所述正激变压器的次级绕组，所述第二滤波电路的输出端为所述次级绕组的输出端。
可选地，所述磁放大器稳压电路包括磁饱和电抗器、第五二极管、电流源控制电路和误差放大电路，其中：所述误差放大电路的输入端连接所述滤波电路的输出端，所述误差放大电路的输出端依序通过所述电流源控制电路和所述第五二极管连接所述磁饱和电抗器的一端，所述磁饱和电抗器的另一端连接一所述次级绕组。
可选地，所述电流源控制电路包括第一电阻、第二电阻和三极管，所述误差放大电路包括采样电路、放大器和比例-积分PI调节电路，其中：所述放大器的第一输入端通过所述采样电路连接所述第二滤波电路的输出端，所述放大器的第二输入端用于连接预设的参考电压源；所述PI调节电路连接在所述放大器的第一输入端和输出端之间，所述放大器的输出端连接所述三极管的基极，所述放大器的输出端还通过串联的第二电阻和第一电阻连接所述三极管的发射极，所述三极管的集电极通过所述第五二极管连接所述所述磁饱和电抗器的一端；所述第二电阻和所述第一电阻的连接节点连接所述第二滤波电路。
本申请另一方面提供一种电子设备，所述电子设备包括上述任一项所述的多路稳压电源电路。
本申请的多路稳压电源电路及包括其的电子设备具有多个互相独立的次级稳压电路，由于不同的次级绕组回路与高频脉冲母线之间通过不同的变压器磁通实现磁耦合能量传输，因此可消除各输出回路之间的电流冲击干扰，而且由于可自由连接变压器的数量较多，因此次级输出回路的总功率较大，能够显著提升整个系统的功率容量。
附图说明
图1为相关技术中的多路稳压电源电路的电路图；
图2为本发明一实施例的多路稳压电源电路的电路结构示意图；
图3为本发明另一实施例的多路稳压电源电路的电路结构示意图；
图4为本发明又一实施例的多路稳压电源电路的电路结构示意图；
图5为本发明又一实施例的多路稳压电源电路的电路结构示意图；
图6为本发明一实施例的多路稳压电源电路的工作时序波形示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在一个实施例中，提供一种多路稳压电源电路20，如图2所示，该多路稳压电源电路包括功率变换电路210、多个正激变压器Tr1-Trn及多个次级稳压电路221-22n，其中：每个正激变压器的初级绕组互相并联，且分别连接功率变换电路的输出端；每个正激变压器的次级绕组分别连接一次级稳压电路。其中，该功率变换电路的输入端用于连接预设电源Uin。可选地，该预设电源Uin可以是多路稳压电源电路20的内部电源或外部电源。
本实施例中，功率变换电路210可产生高频脉冲，该高频脉冲产生的能量通过不同的正激变压器传递到不同的次级稳压电路，并可由不同的次级稳压电路输出到各自独立的多路稳定电压，从而形成分布式的多路稳压电源。由于不同的次级绕组回路与高频脉冲母线之间通过不同的变压器磁通实现磁耦合能量传输，因此可消除各输出回路之间的电流冲击干扰，而且由于变压器的可配置数量较多，因此次级输出回路的总功率较大，能够显著提升整个系统的功率容量。此外，分布式的多个正激变压器及其次级稳压电路构成多个独立的输出电源通道，数量便于配置。而一次侧共用功率变换电路，可节省成本。
可选地，上述多路稳压电源电路20可适用于电子设备机箱内的不同电路板之间灵活配置的多路辅助电源；还可适用于全桥功率开关器件驱动电路所需要的多路隔离辅助电源以及如LED大屏幕亮化工程等大型电路所需要的大量多路分布式独立驱动电源。
在一个实施例中，如图2所示，多路稳压电源电路还包括高频脉冲母线正极Bus+和高频脉冲母线负极Bus-，每个正激变压器的初级绕组一端分别通过高频脉冲母线正极Bus+连接功率变换电路210的第一输出端，每个正激变压器的初级绕组另一端通过高频脉冲母线负极Bus-连接功率变换电路210的第二输出端。本实施例中，采用高频脉冲母线传输功率变换电路210输出的高频脉冲功率，相比普通导线而言，可靠性更高。
在一个实施例中，如图3所示，功率变换电路210包括第一开关S1、第二开关S2和励磁复位电路211，第一开关S1的两端分别连接励磁复位电路211的第一端a1和第三端a3，第二开关S2两端分别连接励磁复位电路的第二端a2和第四端a4，励磁复位电路的第一端a1和第四端a4分别用于连接预设电源Uin的正极和负极。
可选地，第一开关S1和第二开关S2为单向开关，例如在第一开关S1和第二开关S2两端分别并联二极管Dc1和二极管Dc2以组合成单向开关。图3中第一开关S1两端并联的电容Cc1和第二开关S2两端并联的电容Cc2分别为第一开关S1和第二开关S2的寄生电容与外加电容之和。可选地，第一开关S1和第二开关S2可采用GTR、MOSFET、IGBT和SiC与GaN等功率开关器件。
本实施例中，当第一开关S1和第二开关S2同时导通时，产生正极性的功率脉冲，该正极性的功率脉冲的传输通路为从输入电源Uin依次经过第一开关S1、高频脉冲母线正极Bus+、各正激变压器的初级绕组、高频脉冲母线负极Bus-、第一开关S2再回到输入电源Uin。当第一开关S1和第二开关S2同时关断时，正激变压器产生磁复位反向电流，该反向电流从各正激变压器初级绕组输出，依序通过高频脉冲母线负极Bus-、励磁复位电路、高频脉冲母线正极Bus+，传导至各正激变压器的初级绕组。
在一个实施例中，励磁复位电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和箝位电容Cm，其中：第一二极管D1与第二二极管D2正向串联，第三二极管D3和第四二极管D4正向串联，并且箝位电容Cm连接在第一二极管D1与第二二极管D2的连接节点a5和第三二极管D3与第四二极管D4的连接节点a6之间；第一二极管D1的阴极作为励磁复位电路211的第一端连接预设电源的正极，第二二极管D2的阳极作为励磁复位电路211的第二端通过第二开关S2连接预设电源的负极；第四二极管的阴极作为励磁复位电路的第三端通过第一开关S1连接预设电源的正极，第三二极管D3的阳极作为励磁复位电路211的第四端连接预设电源的负极。
具体地，第一至第四二极管D1、D2、D3和D4为通用快恢复二极管。箝位电容Cm用于吸收高频母线上各正激变压器磁复位产生的反馈电流。当箝位电容Cm的电压高于输入预设电源Uin的输入电压时，箝位电容Cm自动通过第一二极管D1和第三二极管D3向预设电源放电，使箝位电容Cm的电压不高于预设电压。本实施例中，功率变换电路210的励磁复位电流路211通过箝位电容Cm吸收高频母线上各正激变压器磁复位产生的反馈电流，其电场能可以重复利用，提高了系统效率。
在一些实施例中，如图4所示，多路稳压电源电路20还包括多个保护二极管Dp1-Dpn，每个正激变压器的初级绕组一端各通过一保护二极管连接高频脉冲母线正极。具体地，该多个保护二极管Dp1-Dpn可采用通用快恢复二极管，通过在各正激变压器初级绕组上串接保护二极管，可阻止其它正激变压器初级绕组的励磁复位电流进入本正激变压器的初级绕组，消除各正激变压器初级磁复位反馈电流的互相串扰。
在一些实施例中，如图5所示，上述多个次级稳压电路包括第一次级稳压电路221，第一次级稳压电路221包括依序串联的第一整流电路2211、第一滤波电路2212和稳压器2213，其中第一整流电路的输入端连接一正激变压器的次级绕组，稳压器2213的输出端为次级稳压电路的输出端。本实施例中，第一次级稳压电路221采用“先整流后稳压”的方法实现稳压输出。其中，该第一次级稳压电路221所在的稳压输出通道包括：串联的保护电路二极管Dp1，正激变压器Tr1，通用快恢复二极管D11和D12，滤波电感L11，滤波电容C11和C12，和独立稳压器，该通道可稳压输出电压Vs1。其中，该独立稳压器2213可实现输出电压稳压调节功能。
在一些实施例中，如图5所示，上述多个次级稳压电路包括第二次级稳压电路222，第二次级稳压电路222包括依序串联的磁放大器稳压电路2221、第二整流电路2222和第二滤波电路2223，其中，磁放大器稳压电路2221的输入端连接一正激变压器的次级绕组，第二滤波电路的输出端为次级绕组的输出端。具体的，磁放大器稳压电路2221包括磁饱和电抗器Lx1、第五二极管Dx5、电流源控制电路和误差放大电路，其中：误差放大电路的输入端连接滤波电路的输出端，误差放大电路的输出端依序通过电流源控制电路和第五二极管连接磁饱和电抗器的一端，磁饱和电抗器的另一端连接一次级绕组。电流源控制电路包括第一电阻Rx1、第二电阻Rx2和三极管Qx1，误差放大电路包括采样电路、放大器Ae和PI(比例-积分)调节电路，其中：放大器Ae的第一输入端通过采样电路连接第二滤波电路的输出端，放大器Ae的第二输入端用于连接预设的参考电压源；PI调节电路连接在放大器的第一输入端和输出端之间，放大器Ae的输出端连接三极管的Qx1基极，放大器的输出端Ae还通过串联的第二电阻Rx2和第一电阻Rx1连接三极管Qx1的发射极，三极管Qx1的集电极通过第五二极管Dx5连接磁饱和电抗器Lx1的一端；第二电阻Rx2和第一电阻Rx1的连接节点连接第二滤波电路2223。
本实施例中，第二次级稳压电路222通过“先稳压后整流”的方法实现稳压输出。该第二次级稳压电路222所在的稳压输出通道包括：串联的保护电路二极管Dpx，正激变压器Trx，通用快恢复二极管Dx1和Dx2、滤波电感Lx2、滤波电容Cx1和磁放大器稳压电路2221，该通道可实现稳压输出电压Vsx。
其中，磁放大器稳压电路2221在第一开关S1和第二开关S2关断时，通过第五二极管Dx5给磁饱和电抗器Lx1加载一个磁复位电流，使磁饱和电抗器磁通向反方向复位在一个调节值，从而使磁饱和电抗器Lx1在下一个开关周期的开关导通时区，调节其电压的脉冲宽度，从而实现PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)调节稳压功能。误差放大电路主要由电压取样电路、误差放大器Ae和其PI调节网络组成。采样电路给出反馈电压到放大器Ae的负输入端，设定电压Vref到误差放大器Ae的正输入端，误差放大器Ae通过PI调节后输出稳定的控制电压给电流源控制电路，控制磁复位电流。
设三极管Qx1为PNP型三极管，三极管Qx1的发射极和基极导通电压为VEB，电流控制方程为：ixc≈(uc-VEB)/Rx1。误差放大电路和电流源控制电路的辅助供电电源是Vxc，也可以直接连接到输出电压Vsx。在开关周期的开关关断时区，正激变压器的二次侧电压usx为反向脉冲电压，此时反向脉冲电压有利于向磁饱和电抗器Lx1加载磁复位电流。在开关周期的开关导通时区，正激变压器的二次侧电压为正向脉冲电压，此时正向脉冲电压(通常大于电压Vxc或Vsx)阻止磁复位电流的产生，同时二极管Dx5保护三极管Qx1不受正向脉冲电压的影响。
本实施例的输出电源通道使用“磁放大器PWM稳压调节方法”，具有成本低，效率高，控制灵活的特点。
下面以一个具体案例对本发明的多路稳压电源电路的工作流程进行详细说明。本实施例中，以图5所示的电路结构和图6所示的工作时序波形为例，该多路稳压电源电路在各时区的工作模态分析如下：
(1)时区[t0,t1]：
t0时刻开关S1和开关S2同时导通，输入电源经功率变换电路210产生正极性功率脉冲，正极性功率脉冲通过高频脉冲母线加到各正激变压器的一次侧，使正激变压器二次侧感应出与该正极性功率脉冲相应的脉冲电压。此时磁饱和电抗器承受全部脉冲电压，磁芯的磁状态工作点沿B-H回线增磁(正向磁化)。磁饱和电抗器饱和前相当于开路，磁饱和电抗器端电压近似等于正激变压器的二次侧电压。
(2)时区[t1,t2]：
t1时刻，磁饱和电抗器进入饱和，等效电感接近于零，磁饱和电抗器端相当于短路。正向脉冲电压经二极管Dx1加载到后级整流和滤波电路。流过滤波电感Lx2的电流增加。
(3)时区[t2,t3]：
t2时刻，开关S1和开关S2同时关断，在正激变换器的磁复位电流作用下，正激变换器的一次侧和二次侧同时产生负极性脉冲。高频脉冲母线输出负极性脉冲电压，负极性脉冲的幅值被箝位电容Cm的电压箝位。此时二极管Dx5承受正偏置电压而导通，电流源控制电路中PNP型三极管Qx1正常工作，电流源控制电路输出磁复位电流并加载到给磁饱和电抗器Lx1，使得磁饱和电抗器Lx1磁通向反方向复位，此时磁通退出正向饱和状态并建立反向磁通，该反向磁通的大小(即动态调节值：-Bx)由PI调节电路的输出控制电压决定。这期间快恢复二极管Dx1截止，快恢复二极管Dx2导通续流。
(4)时区[t3,t4]：
t3时刻，正激变换器的磁复位过程结束，高频母线电压和正激变压器二次侧电压在下一周期到来前已经降为零。磁饱和电抗器磁通反向励磁稳定在动态调节值-Bx上，为下个脉冲周期做好准备。
在本实施例中，由于不同的次级绕组回路与高频脉冲母线之间通过不同的变压器磁通实现磁耦合能量传输，因此可消除各输出回路之间的电流冲击干扰，而且由于变压器的可配置数量较多，因此次级输出回路的总功率较大，能够显著提升整个系统的功率容量。此外，分布式的多个正激变压器及其次级稳压电路构成多个独立的输出电源通道，数量便于配置。而一次侧共用功率变换电路，可节省成本。
本发明还提供一种电子设备，该电子设备包括如上述任一实施例上述的多路稳压电源电路。可选地，该电子设备为多路稳压电源，或该电子设备中包括多路稳压电源。通过所述多路稳压电源电路，该电子设备可实现多路稳压信号的稳定输出，从而同时为多个其他设备或为多个模块供电。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种多路稳压电源电路，其特征在于，包括：功率变换电路、多个正激变压器及多个次级稳压电路，其中：
各所述正激变压器的初级绕组互相并联，且分别连接所述功率变换电路的输出端；各所述正激变压器的次级绕组分别连接一所述次级稳压电路；所述多路稳压电源电路还包括高频脉冲母线，各所述正激变压器的初级绕组一端分别通过所述高频脉冲母线正极连接所述功率变换电路的第一输出端，各所述正激变压器的初级绕组另一端通过所述高频脉冲母线负极连接所述功率变换电路的第二输出端；
所述功率变换电路包括第一开关、第二开关和励磁复位电路，所述第一开关的两端分别连接所述励磁复位电路的第一端和第三端，所述第二开关两端分别连接所述励磁复位电路的第二端和第四端，所述励磁复位电路的第一端和第四端分别用于连接预设电源的正极和负极；所述励磁复位电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管和箝位电容；
所述第一二极管与所述第二二极管正向串联，所述第三二极管和所述第四二极管正向串联，并且所述箝位电容连接在所述第一二极管与所述第二二极管的连接节点和所述第三二极管与所述第四二极管的连接节点之间；
所述第一二极管的阴极作为所述励磁复位电路的第一端连接所述预设电源的正极，所述第二二极管的阳极作为所述励磁复位电路的第二端通过所述第二开关连接所述预设电源的负极；
所述第四二极管的阴极作为所述励磁复位电路的第三端通过所述第一开关连接所述预设电源的正极，所述第三二极管的阳极作为所述励磁复位电路的第四端连接所述预设电源的负极。
2.根据权利要求1所述的多路稳压电源电路，其特征在于，所述多路稳压电源电路还包括多个保护二极管，各所述正激变压器的初级绕组一端各通过一所述保护二极管连接所述高频脉冲母线正极。
3.根据权利要求1所述的多路稳压电源电路，其特征在于，所述多个次级稳压电路包括第一次级稳压电路，所述第一次级稳压电路包括依序串联的第一整流电路、第一滤波电路和稳压器，其中所述第一整流电路的输入端连接一所述正激变压器的次级绕组，所述稳压器的输出端为所述次级稳压电路的输出端。
4.根据权利要求1所述的多路稳压电源电路，其特征在于，所述多个次级稳压电路包括第二次级稳压电路，所述第二次级稳压电路包括依序串联的磁放大器稳压电路、第二整流电路和第二滤波电路，其中，所述磁放大器稳压电路的输入端连接一所述正激变压器的次级绕组，所述第二滤波电路的输出端为所述次级绕组的输出端。
5.根据权利要求4所述的多路稳压电源电路，其特征在于，所述磁放大器稳压电路包括磁饱和电抗器、第五二极管、电流源控制电路和误差放大电路，其中：
所述误差放大电路的输入端连接所述滤波电路的输出端，所述误差放大电路的输出端依序通过所述电流源控制电路和所述第五二极管连接所述磁饱和电抗器的一端，所述磁饱和电抗器的另一端连接一所述次级绕组。
6.根据权利要求5所述的多路稳压电源电路，其特征在于，所述电流源控制电路包括第一电阻、第二电阻和三极管，所述误差放大电路包括采样电路、放大器和比例-积分PI调节电路，其中：
所述放大器的第一输入端通过所述采样电路连接所述第二滤波电路的输出端，所述放大器的第二输入端用于连接预设的参考电压源；
所述PI调节电路连接在所述放大器的第一输入端和输出端之间，所述放大器的输出端连接所述三极管的基极，所述放大器的输出端还通过串联的第二电阻和第一电阻连接所述三极管的发射极，所述三极管的集电极通过所述第五二极管连接所述所述磁饱和电抗器的一端；
所述第二电阻和所述第一电阻的连接节点连接所述第二滤波电路。
7.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1-6任一项所述的多路稳压电源电路。
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