CN110999053B - 用于向功率开关控制设备供电的可调电源设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于功率开关驱动器电路的可调电源，其获取输入电压并在三个输出端子处生成输出电压。三个输出端子中的两个输出端子将栅极电压信号提供给功率开关控制设备，而第三个输出端子则连接到参考电压。可以使用第一外部电阻器和第二外部电阻器来调节输出电压，从而能够满足各种功率开关设备的功率要求。

Description

用于向功率开关控制设备供电的可调电源设备
技术领域
本申请涉及一种用于功率开关栅极驱动器的可调电源电路，尤其涉及一种能够与功率开关栅极驱动器电路的多种变型一起使用的可调电源电路。
背景技术
诸如DC到DC转换器和开关模式电源之类的功率电子设备利用高功率晶体管从给定的输入电源提供预定值的稳定输出电压。将晶体管导通和截止以调整输出电压。功率电子设备在不间断电源、马达驱动器、太阳能逆变器和电动汽车中的大电流切换中具有重要的应用，因此必须满足对其产生的输出电压的严格限制和要求。例如，输出电压偏离标称值超过预定公差可能是不可接受的。
功率电子设备可以为功率开关设备提供栅极驱动电位差。通常，诸如高功率晶体管之类的功率开关设备每个都需要25伏(V)的栅极驱动电位差。在公认的行业标准中，隔离栅双极晶体管需要连接至保持在+15V和-10V的电源轨；碳化硅晶体管需要连接至保持在+20V和-5V的电源轨；以及金属氧化物场效应晶体管需要连接至保持在+15V和-5V的电源轨。
但是，其他功率开关设备，尤其是新兴技术，例如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)，具有各种不同的功率要求。开关处所需的电压不一定是栅极驱动电源所需的电压这一事实更加剧了这一点。这是由于例如驱动器IC中的电压降的系统差异以及需要克服开关的源极或发射极连接中的电感所致的。这导致电源需要提供稍高的正负电压以克服这些电压降。
因此，需要单个可调电源，以用于需要各种输入电压的功率电子应用。
发明内容
本发明由独立权利要求限定，现在应对其进行参考。有利的特征在从属权利要求中提出。
在第一方面，提供了一种可调电源设备，用于对被配置为向功率开关设备提供控制信号的功率开关控制设备供电，所述可调电源设备包括：一对输入端子；开关电路，连接到所述输入端子；转换器电路，所述转换器电路包括一对中间端子和三个输出端子，所述三个输出端子用于向所述功率开关控制设备输出电力；变压器，所述变压器的一次侧绕组耦接到所述输入端子，并且所述变压器的二次侧绕组耦接到所述中间端子，其中，在所述中间端子之间产生的电位差通过分压电路分为施加在第一输出端子和第二输出端子之间的第一输出电压差和施加在第二输出端子和第三输出端子之间的第二输出电压差；
所述转换器电路包括用于调节所述第一输出电压差和所述第二输出电压差的第一调节电路，所述第一调节电路具有用于耦接到第一电阻元件的至少一个外部端子；所述开关电路包括用于调节在所述中间端子之间产生的电位差的第二调节电路，所述第二调节电路具有用于耦接到第二电阻元件的至少一个外部端子。所述第二输出端子被保持在参考电压；所述第一输出端子将所述第一输出电压差提供给所述功率开关控制设备的第一输入，并且所述第三输出端子将所述第二输出电压差提供给所述功率开关控制设备的第二输入。
可选地，开关电路还可以包括：开关控制器，耦接到开关并且耦接到所述一次侧绕组，用于控制流过所述一次侧绕组的电流。
可选地，所述第二调节电路的所述至少一个外部端子中的一个外部端子可以耦接到所述开关控制器。
可选地，所述第二调节电路的所述至少一个外部端子中的所述一个外部端子可以耦接到所述开关控制器的电压反馈引脚。
可选地，所述开关控制器的所述电压反馈引脚可以耦接到一次侧反馈绕组。
可选地，所述第二调节电路可以包括开关电路分压器，所述开关电路分压器至少具有连接在所述电压反馈引脚和所述一次侧反馈绕组之间的第一电阻器，以及连接在所述电压反馈引脚和地之间的第二电阻器，其中，所述开关控制器的所述电压反馈引脚连接到所述开关电路分压器。
可选地，所述第二调节电路可以具有一对外部端子，所述一对外部端子用于耦接到一对相应的外部连接件，所述一对相应的外部连接件被配置为在其间接收第一外部电阻元件，并且其中，所述一对外部端子中的另一个耦接到地，所述第一外部电阻元件在连接在一对外部连接件之间时，经由所述外部端子与所述开关电路分压器中的电阻器并联耦接。
可选地，所述第二调节电路可以通过调节所述开关控制器的占空比来调节在所述中间端子之间产生的电位差。
可选地，所述分压电路可以包括另一电阻元件。
可选地，所述第一调节电路的所述至少一个外部端子中的一个可以经由所述中间端子中的一个耦接到所述二次绕组的低压侧。
可选地，所述第一调节电路可以包括转换器电路分压器，所述转换器电路分压器至少具有并联连接在所述中间端子之间的第一电阻器和第二电阻器。
可选地，所述第一调节电路可以具有一对外部端子，所述一对外部端子用于耦接到一对外部连接件，所述一对外部连接件被配置为接收安装在其间的第二外部电阻元件。
可选地，所述一对外部端子中的另一个可以经由另一个中间端子和所述转换器电路分压器耦接到分压器电路和所述二次绕组的高压侧，使得所述第一外部电阻元件耦接到所述分压电路中的所述另一电阻元件。
可选地，所述另一电阻元件可以是晶体管。
可选地，所述一对外部端子中的另一个可以耦接到所述晶体管的基极/栅极。
可选地，所述晶体管可以并联连接在所述中间端子之间，使得所述晶体管的源极/发射极端子耦接到所述二次绕组的高压侧。
可选地，所述另一电阻元件可以具有可调节的电压降。
可选地，所述第一调节电路的节点可以连接到所述另一电阻元件，使得所述节点处的电压变化调节所述另一电阻元件两端的电压降。
可选地，所述第一调节电路可以通过调节所述另一电阻元件两端的电压降来调节所述第一输出电压差和所述第二输出电压差。
第二方面涉及一种设备，包括：插头座，所述插头座上安装有所述开关电路、所述转换器电路和所述变压器；其中，所述一对输入端子以及所述第一调节电路和所述第二调节电路的所述至少一个外部端子是在所述插头座的外表面上的用于与第三方电路板连接的连接件。
可选地，所述参考电压可以是所述功率开关设备的电源电压。
可选地，所述参考电压可以为零伏。
附图说明
现在将结合附图描述本发明的实施例，其中：
图1示出了已知的DC-DC转换器，其向栅极驱动器提供固定的电压；
图2示出了用于将栅极控制信号提供给晶体管的脉冲宽度调制控制器的简化图；
图3示出了用于向栅极驱动器提供可调电压的可调电源；
图4示出了用于向栅极驱动器提供可调电压的可调电源的替代实施例；
图5示出了一种电源单元，其包括插头座、平面变压器和安装在适当位置的印刷电路板。
具体实施方式
为了说明的目的，在附图中示出了反激转换器，但是其他DC-DC转换器配置，例如正向转换器，也是可以接受的。
图1示出了反激转换器配置中的DC-DC转换器100。该转换器接受相对于地电压的输入电压Vin，并配置为在输出端子131、132和133处提供三个固定电压，例如+20V、0V和-5V。
图1所示的DC-DC转换器100包括变压器TX1，连接到包括输入电压(Vin)端子和接地输入端子在内的一对输入端子的一次侧电路，以及连接到三个输出端子131、132和133的二次侧电路。图1所示的一次侧电路包括开关电路101，用于周期性地控制金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)Q5处于导通还是不导通状态。二次侧电路包括转换器电路102，并确保输出端子131、132和133之间正确地分担中间端子121和122之间提供的电位差。
变压器TX1包括变压器一次绕组P1和P2，以及变压器二次绕组S1，它们缠绕在变压器芯上。在一个实施例中，变压器芯由铁氧体制成，但是在替代布置中，芯可以使用其他材料，或者可以没有芯，在这种情况下绕组可以是空芯的。
输入电压端子Vin连接到一次绕组P1的高压侧，并且位于开关电路101中的金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)Q5的漏极连接到一次绕组P1的低压侧。反馈一次绕组P2连接到位于变压器TX1一次侧的反馈电路103，二次绕组S1连接到转换器电路102。电容器C6连接在输入端子Vin和地之间，并用作向晶体管Q5提供高峰值电流的短路旁路路径。
晶体管Q5具有漏极、源极和栅极。如上所述，晶体管Q5的漏极连接到一次变压器绕组P1的低压侧。晶体管Q5的源极经由晶体管源极电阻器R1接地。晶体管Q5的栅极连接到脉宽调制(PWM)开关控制器U3，使得Q5从PWM开关控制器U3接收栅极控制信号。
反馈一次绕组P2连接到反馈电路103，反馈电路103位于开关电路101内，并包括二极管D1、电容器C1和分压器电路R2、R3。一次绕组P2在节点111和112处连接到反馈电路103。另一个节点113位于分压器电路R2、R3的中点，并且连接到PWM开关控制器U3，从而将节点113处的电压提供给PWM开关控制器U3的输入引脚。
电容器C1连接在节点111和112之间，并且用作平滑电容器，如下文进一步所述。节点112接地，并且二极管D1连接在节点111与反馈一次绕组P2的低压侧之间，使得当晶体管Q5导通时，二极管D1被反向偏置。分压器电阻器R2和R3串联连接在节点111和节点114处的接地之间。反馈分压器的节点113在Vfb(电压反馈)引脚处连接到PWM开关控制器U3。
图1中所示的PWM开关控制器U3包括8个引脚：正电压引脚Vp；接地电压引脚Gnd；反馈电压引脚Vfb；参考电压引脚Ref；比较电压引脚Comp；电流检测电压引脚Sense；振荡器输入引脚Osc；以及输出电压引脚Vout。图1所示的PWM开关控制器U3可以作为包含在图1所示电路中的集成电路(IC)的一部分来设置。
尽管未在图1中示出，但是可以经由输入引脚Vp和Gnd将电源电压提供给PWM开关控制器U3。Gnd输入引脚经由节点115接地。反馈电路103中节点113的电压提供给Vfb引脚。由U3产生的栅极控制信号经由Vout引脚提供给晶体管Q5。尽管在图1中将Ref、Osc、Comp和Sense引脚描述为断开，但是应当理解，在一些实施例中，可以向这些引脚提供其他部件和信号。
转向变压器TX1的二次侧，二次侧电路102包括：二极管D2和电容器C2；中间端子121和122；电容性分压器C3、C4；电阻器和齐纳二极管分压器R4、D3；输出端子131、132和133。
二极管D2连接在中间端子121与变压器二次绕组S2的低压侧之间，使得当Q5处于导电模式时，D2被反向偏置。电容器C2设置在中间端子121和122之间，以使施加在中间端子121和122之间的电压变得平滑。因此，D2和C2用作具有平滑电容器的半波整流器电路，用于在中间端子121和122之间提供DC电压。
电容性分压器包括串联连接在中间端子121和122之间的电容器C3和C4。如图1所示，电容器C3经由节点123连接到端子121，并经由节点124连接到电容器C4。类似地，电容器C4经由节点125连接到端子122，并经由节点124连接到电容器C3。
图1所示的二次侧分压器包括电阻器R4和齐纳二极管D3，它们经由节点126和128串联连接在中间端子121和122之间。如图1所示，电阻器R4经由节点126和123连接到端子121。类似地，齐纳二极管D3经由节点128和125连接到端子122，并经由节点127连接到电阻器R4。
电阻器和齐纳二极管分压器以及电容性分压器在节点124和127之间进行连接，其结果是将这些节点固定在相同的电位上。
输出端子131经由节点126连接到电阻器和齐纳二极管分压器电路，并且经由节点126和123连接到电容性分压器电路。输出端子132经由节点127连接到电阻器和齐纳二极管分压器电路，并且经由节点127和124连接到电容性分压器电路。输出端子132还经由节点129连接到功率开关设备Q1的源极，并保持在参考电压Vsource。在一些实施例中，输出端子132保持在0V，使得输出端子132用作栅极驱动0V参考。输出端子133经由节点128连接到电阻器和齐纳二极管分压器电路，并经由节点128和125连接到电容性分压器电路。
在输出端子131、132和133处产生的电压可以经由诸如栅极驱动器集成电路(IC)U1之类的功率开关控制设备被提供给诸如晶体管Q1之类的功率开关设备。
在图1中，栅极驱动器IC U1包括：固定电源电压输入引脚(VCC)；接地输入引脚(COM)；控制输入引脚(IN)，用于从时钟信号发生器U2接收时钟信号；绝对电源电压输入引脚(VB)，连接到输出端子131，以接收第一高固定电压；偏置电源电压输入引脚(VS)，连接到输出端子133，以接收第二低固定电压；以及输出电压引脚(HO)，用于向Q1发送栅极驱动信号。IN、VS和VB引脚可以连接到逻辑电路，以在输出引脚HO处提供栅极驱动控制信号。
栅极驱动器IC U1由端子131和133提供的电位差供电。提供给功率开关设备Q1的栅极的栅极驱动波形将在端子131和133提供的第一固定电压和第二固定电压之间变化。例如，可以向功率开关设备Q1的栅极提供在+20V和-5V之间交替的信号。该信号响应于U2产生的时钟信号在第一固定电压和第二固定电压之间交替。
向栅极驱动器IC U1提供来自电源的第一固定电压信号和第二固定电压信号。第一固定电压信号可以从端子131提供给VB引脚，在特定实施例中，可以将其保持在+20V的电压电平，并且第二固定电压信号可以从端子133提供给VS引脚，在一个特定实施例中，可以将其保持在-5V的电压电平。
图1所示的栅极驱动器IC U1可以被提供为图1所示的电路内并入的集成电路(IC)的一部分。另外，本领域技术人员将意识到，可以在不同于图1所示的其他配置中包括功率开关设备Q1。例如，功率开关设备Q1可以直接接地，与负载串联连接，或者在半桥配置中与另一个晶体管串联连接。
如本领域技术人员将理解的，当晶体管Q5处于导通状态时，施加在变压器TX1的一次绕组上的输入电压Vin使电流在绕组中流动，并且由此将能量存储在由变压器TX1产生的磁场中。将Q5切换到非导通状态会在反馈绕组和二次变压器绕组上感应出电压。磁场中存储的能量被转换为电能，可用于为例如开关式电源或功率开关设备中的晶体管供电。
当晶体管Q5导通时，施加的电压Vin驱动电流流经变压器一次绕组P1，从而使绕组通电。当一次绕组P1通电时，流经变压器TX1的铁芯的磁通增加，从而在反馈一次绕组P2和二次绕组S1两端感应出电压。对于理想的变压器，在二次绕组和反馈绕组中感应的电压与二次绕组和反馈绕组上的匝数以及通过绕组的变化磁通量成正比。变压器绕组的极性使得当一次绕组P1通电时，二极管D1和D2被反向偏置，导致没有电流流过反馈绕组P2和二次绕组S1。因此，能量被存储在变压器内的磁场中，直到Q5关断。
当开关电路101通过关断开关Q5使一次绕组与输入电压断开时，一次绕组P1不再通电，变压器内的磁场崩溃，导致磁通量迅速下降。磁通量的这种快速下降在二次绕组和反馈绕组中感应出极性相反的电压。因此，当Q5关断时，二极管D1和D2变为正向偏置，从而导致电流流经绕组P2和S1。存储在磁场中的能量被转换为电能，并被传递到输出侧的中间端子121和122，并传递到输入侧的Vfb引脚。
反馈电路103使PWM开关控制器U3可以决定是增大还是减小栅极驱动脉冲的占空比。这样可以在中间端子121和122之间保持恒定的输出电压。
如前所述，当Q5关断时，由于磁通量减小，反馈绕组中的二极管D1变为正向偏置。存储在变压器中的能量被转换为电能，并通过反馈电路传输。平滑电容器C1确保电流和电压以恒定电平而不是脉冲形式通过反馈电路传递。因此，D1和C1用作带有平滑电容器的半波整流器电路，用于向节点111提供DC电压。电阻器R2和R3用作分压器，以经由节点113将适当的电压电平提供给开关晶体管Vfb引脚。
由于反馈线圈和二次线圈的匝数比之间具有固定的差异，因此电容器C1两端感应的电压与电容器C2两端以及中间端子121和122之间感应的电压成正比。因此，使用电容器C1和分压器R2、R3，无需单独的隔离反馈路径即可提供与变压器二次侧输出成比例的反馈。
如以下参考图2所描述的，调节节点113处的电压电平将改变PWM开关控制器IC U3的占空比。在图1中也出现的部件被分配了相同的标记。
图2描绘了用于将栅极控制信号提供给晶体管Q5的栅极的PWM开关控制器U3。在图2所示的示例中，U3包括误差放大器141、比较器142、置位-复位(SR)锁存器143和脉冲振荡器144。
反馈电路103的节点113经由Vfb引脚(未示出)连接到误差放大器141的负输入，使得节点113处的电压作为反馈电压被提供给误差放大器141。误差放大器141的正输入连接到参考电压Vref，并且Vfb和Vref之间的差被输出为误差信号Verror。
误差放大器141的输出连接到比较器142的负输入，并且比较器142的正输入连接到位于Q5的源极和电阻器R1之间的节点116，使得节点116向比较器142提供电压Vsense。
比较器142的输出被提供给SR锁存器143的复位输入R。SR锁存器143的置位输入S连接到脉冲振荡器144，脉冲振荡器144提供设定频率的信号。SR锁存器143的Q输出经由输出引脚Vout(未示出)连接到晶体管Q5的栅极。
Vsense的值取决于流过Q5的电流。由于一次变压器绕组P1中的电感效应，当Q5接通时，一次绕组中流动的电流(即流经Q5的电流)线性增加。因此，在R1两端建立了线性增加的电压Vsense。当Vsense等于Verror时，比较器142的输出为高(1)。这将复位RS锁存器并终止栅极驱动脉冲。当内部振荡器向RS锁存器的置位输入S提供高信号(1)时，RS锁存器的Q输出产生下一个栅极驱动信号。
当正确调节了开关占空比和电路电容时，在中间端子121和122之间将提供预定且基本恒定的电压。返回图1，当开关电路101为变压器TX1的绕组通电和断电时，通过存储在电容器C2中的电荷或通过在二次绕组中建立的相反电压，转换器电路102的中间端子121和122被交替地保持在一电位。电容器C2用于减小由于该循环而在中间端子121和122之间施加的电压的变化，从而提供可以被视为恒定DC输出的输出电压。
如果在二次绕组上感应的电压大于齐纳二极管的反向击穿电压，则将反向偏置的齐纳二极管D3放置在节点127和128之间会导致齐纳二极管D3两端的电压降接近恒定。因此，电阻器R4和齐纳二极管D3充当转换器电路分压器。应当理解，其他电阻性部件可以充当转换器电路内的分压器。
在电容性分压器中，电容器C3和C4是高频电容器，用于另外提供高峰值电流，以最小化当功率开关设备Q1导通或关断时的开关损耗。由于Q1的栅极具有相关联的电容，因此流入栅极的平均电流可能非常低。因此，附加电容器C3和C4具有在开关期间提供高峰值电流的附加功能。
将电阻性分压器的节点127连接到电容性分压器的节点124可确保节点124和127保持在相同的电位。同样，节点123和126被保持在第一固定电位，而节点125和128被保持在第二固定电位。
在图1所示的实施例中，节点124和127被保持在参考电压，例如在0V。由于二极管D2确保转换器电路中的电流只能在一个方向上流动，因此在节点125和128处产生固定的负电压，在节点123和126处产生固定的正电压。分压器配置产生的固定电压电平可以与功率开关设备的端子所需的电压电平相关联。
在特定示例中，二次绕组产生25V的电位差，并使用反向击穿电压为5.1V的齐纳二极管BZX79-5V1。当端子132保持在0V时，端子133将保持在大约-5V，端子131将保持在大约+20V。在此特定示例中产生的电压将适合为碳化硅晶体管供电。
然而，不能容易地调节如上所述的已知的DC-DC反激转换器以提供适合于具有不同功率要求的各种功率开关设备的电压电平。
图3示出了根据本发明的优选实施例的DC到DC反激转换器200。在图3中，PNP晶体管Q2取代了图1的齐纳二极管D3。包括电阻性分压器R5、R6，用于调节在输出端子131和133处产生的固定电压。因此，R5和R6充当如下所述的第一可调电路。如下面进一步描述的，根据本发明的实施例具有向功率开关栅极驱动器提供可调电源的优点。
图3所示的第一可调电路包括R5和外部电阻器R6，它们串联连接在中间端子121和122之间。如图3所示，电阻器R5经由节点221和123连接到中间端子121，并经由节点222和224连接到外部电阻器R6。外部电阻器R6经由节点223和224连接到转换器电路，并经由节点222连接到电阻器R5。
PNP晶体管Q2的基极端子经由节点222、电阻器R5和节点221连接到端子121，并经由节点222和224、外部电阻器R6和节点223连接到端子122。PNP晶体管Q2的发射极端子经由节点127、电阻器R4和节点126也连接到端子121。发射极端子还经由节点132连接到功率开关设备Q1的源极。PNP晶体管Q2的集电极端子经由节点128连接到端子122。
在图3所示的电路配置中，由于PNP晶体管两端的发射极-集电极电压降几乎恒定，节点127保持在参考电压，例如0V，并且节点126和128保持在恒定电压。在一个实施例中，通过建立大约5V的发射极电压将节点128保持在-5V。
发射极电压是晶体管的正向偏置的发射极-基极电压(约为0.6V)与节点222处电压之和。因此，可以通过在节点222处相对于节点128产生大约4.4V的电压来设置5V的发射极电压。
由于节点127固定为参考电压0V，因此可以通过设置分压电阻器R5和R6以在节点222处相对于节点128产生大约4.4V的电压，从而将节点128保持在-5V。一旦设置了节点222处的电压，即使C4两端的电压上升，发射极电压以及节点128处的电压也将保持在近似恒定的水平。
换句话说，电阻器R4和晶体管Q2用作将在中间端子121和122之间产生的电位差分为施加在输出端子131和132之间的第一输出电压差和施加在输出端子132和133之间的第二输出电压差的分压电路。晶体管Q2的电压降幅取决于节点222处的电压，节点222处的电压由包括外部电阻器R6在内的第一调节电路调节。
节点222处的电压等于：
其中VC2是电容器C2两端的电位差，换句话说，是中间端子121和122之间产生的电位差。
因此，在特定实施例中，对于在输出端子131和133处产生20V和-5V的25V电源的合适电阻器组合可以是R6＝4.3kΩ和R5＝20kΩ。
调节R6的电阻会影响在中间端子121和122之间施加的电压在R5和R6之间分配的比率，从而影响节点222处的电压。增加R6的电阻会导致节点222处的电压增加。节点222处的较大电压将导致较大的发射极-集电极电位差，并因此导致较大的发射极-集电极电压降。这具有调节输出端子132和133之间的电压差的效果，使得在输出端子133处产生更大的负电压。例如，增大R6的电阻值可能导致在输出端子133处产生的电压从-5V增加至-10V。
由于在中间端子121和122之间产生的电位差在输出端子131、132和133之间分担，因此调节输出端子132和133之间的电压差具有改变在输出端子131和132之间产生的电压差的效果。如果端子133处产生的电压增加，则端子131处产生的电压减少。在上面的示例中，端子133处的电压从-5V增加至-10V，将使得在端子131处的电压从+20V下降到+15V。
可以通过使用包括外部电阻器R7在内的第二调节电路来修改开关Q5的占空比，从而调节提供给功率开关设备的电源电压，如下文进一步描述的。
如上面关于图1和图2所描述的，中间端子121和122之间产生的电压取决于开关Q5的占空比，该占空比由节点113处的反馈电压Vfb调整。如果例如减小Vfb使得参考电压Vref和Vfb之间存在更大的差，则差信号Verror也将增加。这导致在RS锁存器143终止栅极驱动信号之前，Vsense能够线性地增加到更高的电平。因此，延长了U3的占空比，从而能够存储更多的能量并将其传递到中间端子121和122，从而传递到输出端子131和133。类似地，Vfb的增大导致U3的占空比减小。因此，改变节点113处的电压会改变U3的占空比，其具有调节输出端子131和132之间的输出电压差以及输出端子132和133之间的输出电压差的效果。因此，可以调节电源，为功率开关设备提供各种电源电压。例如，可以向功率开关设备提供15V、20V或25V电源。
在开关电路101和转换器电路102的外部提供外部电阻器R6和R7。R6和R7可以经由开关或转换器电路外部的外部连接或节点连接到电源。这样做的优点是无需进入电源电路即可轻松调节R6和R7的电阻。如图3所示，电阻器R6可以经由节点223和224连接到转换器电路，电阻器R7可以经由节点225和226连接到开关电路。节点223、224、225和226可以设置在可调电源的外部。这样无需进入电源电路就可以调节电阻器R6和R7。
调节R7的电阻会影响节点113处的反馈电压，从而调节出现在中间端子121和122之间的电位差的大小，从而允许调节提供给电源开关栅极驱动器的输出电压。R7与反馈电路电阻器R2和R3一起构成反馈电阻性分压器的一部分。增加R7的电阻具有增加节点113处的电压电平的效果。如上所述，如果节点113处的电压增加以使得Vfb与参考电压Vref之间的差减小，则PWM开关控制器U3的占空比被调节以减小施加在中间端子121和122之间的电压。
应当注意，对于诸如罗伊尔电路之类的某些固定输出的非稳压电源拓扑，可以通过改变输入电压来简单地调节提供给中间端子121和122的电压。
因此，调节外部电阻器R6和R7的电阻可以使转换器向负载提供可调节的输出电压电位差，还可以使转换器在输出端子131和133上提供宽范围的正电压和负电压。因此，本发明仅使用单个电源就可以有利地满足许多开关型号的电压要求。因此，体现本发明的产品具有减少认证时间，降低认证成本并能够适应未来发展的商业优势。
图4示出了根据本发明的替代实施例的DC至DC反激转换器300，其中图1的齐纳二极管D3被参考集成电路U4代替。对于图4所示的替代实施例，也存在与图3所示的实施例相关联的上述优点。
在图4的实施例中，电容器C3、电容器C4、电阻器R4和参考集成电路U4被连接以形成电容性分压器和电阻性分压器。与之前一样，在图4中，节点127保持在0V的参考电压，并经由节点129连接到功率开关设备Q1的源极端子。补偿电容器C5经由节点311连接到集成电路阴极引脚，并且经由节点312连接到Vref引脚。包括补偿电容器以稳定集成电路U4。
根据电阻器R4、R6和R8的电阻，在中间端子121和122之间产生的电位差分为施加在输出端子131和132之间的第一输出电压差和施加在输出端子132和133之间的第二输出电压差。R8是经由节点313和127连接到集成电路阴极引脚，并经由节点314和312连接到集成电路Vref引脚的内部电阻。R6是经由节点223、输出端子133和节点128连接到集成电路阳极引脚，并经由节点224、314和312连接到Vref引脚的外部电阻。
电阻器R4、R8和R6形成调节电路，由此节点314处的电压被保持在由集成电路在Vref引脚处提供的参考电压。在特定实施例中，集成电路可以是并联稳压器。例如，并联稳压器TL431可以用于将输出端子133保持在-5V。由于并联稳压器TL431在节点313和314之间维持约2.5V的电压降，因此可以选择外部电阻器R6的值以确定输出端子131和133处的固定电压。例如，如果R6的电阻与电阻器R8的电阻一致，则R6两端的电压降等于R8两端的电压降。当节点314通过U4保持在大约-2.5V时，节点223处的电压，即节点133处的电压，将保持在-5V。其余电压将分布在R4两端。例如，如果在中间端子121和122之间施加25V的电位差，则将输出端子133保持在-5V将确保输出端子131保持在+20V。
如前所述，调节外部电阻器R6的值将影响中间端子121和122之间的电位差如何在输出端子131和133之间分配。电阻器R6可以在电源外部进行调节，具有上面关于图3所述的优点，即向功率开关设备Q1提供可调的输出电压。
同样如以上关于图3所述，调节外部电阻器R7将调节PWM开关控制器U3的占空比，使得可以调节中间端子121和122之间的电位差。例如，在一个实施例中，电源输出可以在20V至30V的范围内。
图5图示了可以包括上述电源电路的电源单元10的示例。电源单元10包括插头座20、平面变压器30和主印刷电路板(PCB)40。如图5所示，插头座20包括多个侧壁21和电连接件22，电连接件22从插头座20的顶部穿通到底侧，并提供机械和电气连接，通过该机械和电气连接，平面变压器30和主PCB 40分别连接到插头座20并彼此连接。主PCB 40可以被安装到第三方PCT或母板(未示出)上。
平面变压器30包括基板31和围绕的磁芯32。磁芯可以由例如铁氧体材料制成，并且可以通过夹子33固定在插头座20中的适当位置20。基板31通常是从输入侧到输出侧穿过磁芯32的单件树脂类材料。
基板31在其由磁芯32包围的内部包含变压器绕组P1、P2和S1。在所示的示例中，变压器绕组布置具有垂直于基板的顶面和底面的绕组轴，从而形成平面变压器的绕组。线圈布置包括通过迹线(未示出)连接到插头座20的输入或一次侧连接件22的一次线圈绕组P1、P2，以及通过迹线(未示出)连接到插头座20的输出或二次侧连接件22的二次线圈绕组S1。连接件22可以在镀通孔34处穿过基板31。镀通孔34和连接件22从基板31的一侧穿到基板31的另一侧。
主PCB 40包括用于控制变压器的开关电路101和用于将产生的电位差转换为三个固定电压的转换器电路102。上面关于开关电路101和转换器电路102描述的部件可以安装在主PCB 40的上方和/或下方。
主PCB 40还包括用于连接至第三方PCB上的PCB焊盘的表面安装脚(未示出)。在一个实施例中，外部连接件223、224、225和226是主PCB 40表面安装脚，其连接到位于第三方PCB上的第一和第二外部电阻器。
因此，外部连接件223、224、225和226以及外部电阻器R6、R7在插头座20、开关电路101和转换器电路102的外部。在插头座20、开关电路101和转换器电路102外部提供连接件223、224、225和226具有以下优点：使得无需进入在插头座20内的主PCB 40上安装的开关或转换器电路，就能够调节外部电阻器R6和R7。因此，消费者可以以简单的方式调节提供给电源开关栅极驱动器的电压，而无需进入位于电源单元内的电路。
上述实施例不限于用于IGBT、SIC、MOS和GaN功率开关的电源，并且可以容易地用在其他功率开关技术中。此外，调节两个输出之间的分压的上述技术可以应用于任何电源拓扑，包括但不限于反激转换器、正激转换器、半桥、全桥、推挽、降压、升压、Sepic、Cuk或Zeta电路配置。
对上述实施例的各种修改是可能的，并且对于本领域技术人员而言将是容易想到的，而不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (22)

1.一种可调电源设备，用于对被配置为向功率开关设备提供控制信号的功率开关控制设备供电，所述可调电源设备包括：
一对输入端子；
开关电路，连接到所述输入端子；
转换器电路，所述转换器电路包括一对中间端子和三个输出端子，所述三个输出端子用于向所述功率开关控制设备输出电力；
变压器，所述变压器的一次侧绕组耦接到所述输入端子，并且所述变压器的二次侧绕组耦接到所述中间端子，
其中，在所述中间端子之间产生的电位差通过分压电路分为施加在第一输出端子和第二输出端子之间的第一输出电压差和施加在第二输出端子和第三输出端子之间的第二输出电压差；
所述转换器电路包括用于调节所述第一输出电压差和所述第二输出电压差的第一调节电路，所述第一调节电路具有用于耦接到第一电阻元件的至少一个外部端子；以及
所述开关电路包括用于调节在所述中间端子之间产生的电位差的第二调节电路，所述第二调节电路具有用于耦接到第二电阻元件的至少一个外部端子；
并且其中：
所述第二输出端子被保持在参考电压；以及
所述第一输出端子将所述第一输出电压差提供给所述功率开关控制设备的第一输入，并且所述第三输出端子将所述第二输出电压差提供给所述功率开关控制设备的第二输入。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述开关电路还包括：开关控制器，耦接到开关并且耦接到所述一次侧绕组，用于控制流过所述一次侧绕组的电流。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述第二调节电路的所述至少一个外部端子中的一个外部端子耦接到所述开关控制器。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述第二调节电路的所述至少一个外部端子中的所述一个外部端子耦接到所述开关控制器的电压反馈引脚。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述开关控制器的所述电压反馈引脚耦接到一次侧反馈绕组。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第二调节电路包括开关电路分压器，所述开关电路分压器至少具有连接在所述电压反馈引脚和所述一次侧反馈绕组之间的第一电阻器，以及连接在所述电压反馈引脚和地之间的第二电阻器，其中，所述开关控制器的所述电压反馈引脚连接到所述开关电路分压器。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述第二调节电路具有一对外部端子，所述一对外部端子用于耦接到一对相应的外部连接件，所述一对相应的外部连接件被配置为在其间接收第二外部电阻元件，并且其中，所述一对外部端子中的另一个耦接到地，所述第二外部电阻元件在连接在一对外部连接件之间时，经由所述外部端子与所述开关电路分压器中的电阻器并联耦接。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述第二调节电路通过调节所述开关控制器的占空比来调节在所述中间端子之间产生的电位差。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述分压电路包括另一电阻元件。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一调节电路的所述至少一个外部端子中的一个经由所述中间端子中的一个耦接到所述二次侧绕组的低压侧。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述第一调节电路包括转换器电路分压器，所述转换器电路分压器至少具有并联连接在所述中间端子之间的第一电阻器和第二电阻器。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述第一调节电路具有一对外部端子，所述一对外部端子用于耦接到一对外部连接件，所述一对外部连接件被配置为接收安装在其间的第一外部电阻元件。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述分压电路包括另一电阻元件，所述一对外部端子中的另一个耦接到所述分压电路，并且经由另一个中间端子和所述转换器电路分压器耦接到所述二次侧绕组的高压侧，使得所述第一外部电阻元件耦接到所述分压电路中的所述另一电阻元件。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述另一电阻元件是晶体管。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述一对外部端子中的另一个耦接到所述晶体管的基极/栅极。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述晶体管并联连接在所述中间端子之间，使得所述晶体管的源极/发射极端子耦接到所述二次侧绕组的高压侧。
17.根据权利要求9所述的设备，其中，所述另一电阻元件具有可调节的电压降。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述第一调节电路的节点连接到所述另一电阻元件，使得所述节点处的电压变化调节所述另一电阻元件两端的电压降。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述第一调节电路通过调节所述另一电阻元件两端的电压降来调节所述第一输出电压差和所述第二输出电压差。
20.根据权利要求1所述的设备，包括：
插头座，所述插头座上安装有所述开关电路、所述转换器电路和所述变压器；
其中，所述一对输入端子以及所述第一调节电路和所述第二调节电路的所述至少一个外部端子是在所述插头座的外表面上的用于与第三方电路板连接的连接件。
21.根据权利要求1所述的设备，其中，所述参考电压是所述功率开关设备的源极电压。
22.根据权利要求21所述的设备，其中，所述参考电压为零伏。
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