CN112421963A - 一种输出高压宽范围可调的零伏起调隔离型dcdc电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种输出高压宽范围可调的零伏起调隔离型DCDC电源，包括依次连接的输入整流滤波模块、第一DCDC转换器、第二DCDC转换器和输出滤波模块，所述DCDC电源还包括控制模块，所述控制模块的输入端分别与第一DCDC转换器、第二DCDC转换器的输出端连接，所述控制模块的输出端分别与第一DCDC转换器、第二DCDC转换器的控制端连接，所述控制模块的输入端还用于接收外部调压信号；本发明实现了电源大功率输出、输出0V起调、高压宽范围可调的效果；第一DCDC转换器采用隔离型DCDC转换器实现了电源输入输出隔离，由于无需另外加装工频变压器减小了电源系统整体的体积，增加了电源的工作效率并提高了电源工作的可靠性。

Description

一种输出高压宽范围可调的零伏起调隔离型DCDC电源
技术领域
本发明属于可调电源设备技术领域，具体是一种输出高压宽范围可调的零伏起调隔离型DCDC电源。
背景技术
DC/DC是开关电源的一种，指直流变换为直流,其核心为DC/DC转换器。通过控制开关管导通和关断的时间比，维持稳定输出电压的一种电源，DC/DC器件一般由脉宽控制器(PWM)电路和MOSFET构成。目前，DC/DC以小型、轻便、高效的特点被广泛应用在几乎所有的电子设备中。
现有很多实验室电源都要求输出范围很宽，功率很大，而且要求输出电压要0V起调。目前市面上所提供的0V起调稳压源是基于线性电源方式，将交流电通过工频变压器进行降压，得到低压的交流电，然后进行整流得到所需的直流电，此种方法占用空间较大、效率较低，功率做不大，输出电压也做不高，且需要额外增加散热装置，不能够满足设备中对体积要求的限制；目前也有用开关电源实现的接近0V起调，但受限于电源输出占空比太宽会导致电源环路不稳定，所以输出范围做不宽。加上开关电源普遍存在占空比丢失等问题，很难做到输出调到0V。
发明内容
本发明的目的是提供一种输出高压宽范围可调的零伏起调隔离型DCDC电源，解决现有技术中电源无法实现0V起调和输入输出隔离，以及功率小、体积大、效率低、电源可靠性差等问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种输出高压宽范围可调的零伏起调隔离型DCDC电源，包括依次连接的输入整流滤波模块、第一DCDC转换器、第二DCDC转换器和输出滤波模块，所述DCDC电源还包括控制模块，所述控制模块的输入端分别与第一DCDC转换器、第二DCDC转换器的输出端连接，所述控制模块的输出端分别与第一DCDC转换器、第二DCDC转换器的控制端连接，所述控制模块的输入端还用于接收外部调压信号；
所述输入整流滤波模块用于接入市电，并将市电经过整流、滤波后得到高压直流电压；
所述第一DCDC转换器为隔离型DCDC转换器，用于将所述输入整流滤波模块输出的高压直流电压转换为隔离的高压直流电压；
所述第二DCDC转换器为非隔离型DCDC转换器，用于调节DCDC电源的输出电压，其输出占空比最低为0％，输出电压最低为0V；
所述输出滤波模块用于对第二DCDC转换器输出的直流电压进行滤波处理；
所述控制模块用于对第一DCDC转换器/第二DCDC转换器的输出电压电流进行采样，并结合外部调压信号对第一DCDC转换器/第二DCDC转换器进行脉宽调制，调整DCDC电源的输出电压。
具体地，所述控制模块包括全桥控制芯片和BUCK控制芯片，所述全桥控制芯片的输入端与第一DCDC转换器的输出端连接，所述全桥控制芯片的输出端与第一DCDC转换器的控制端连接；所述BUCK控制芯片的输入端与第二DCDC转换器的输出端连接，所述BUCK控制芯片的输出端与第二DCDC转换器的控制端连接。
进一步地，所述第一DCDC转换器包括脉宽调制电路和高频变压电路，所述脉宽调制电路的控制端与全桥控制芯片连接，所述脉宽调制电路的输出端与高频变压电路的输入端连接。
进一步地，所述第二DCDC转换器包括降压斩波电路，所述降压斩波电路的控制端与BUCK控制芯片连接，所述降压斩波电路的输出端与输出滤波模块连接。
进一步地，所述脉宽调制电路采用ZVS全桥拓扑结构，包括超前桥臂和滞后桥臂。
具体地，所述全桥控制芯片的输入端与第一DCDC转换器的输出端之间设有第一输出反馈比较电路，所述第一输出反馈比较电路用于将外部调压信号与第一DCDC转换器输出的采样电压信号进行比较，所述全桥控制芯片根据比较结果调整脉宽调制电路的输出占空比，从而调整第一DCDC转换器的输出电压。
进一步地，所述第一输出反馈比较电路的基准电压信号包括两路，一路为外部调压信号，另一路为最低输出限制基准信号；当外部调压信号低于设定阈值时，外部调压信号失效，由最低输出限制基准信号作为比较的基准电压信号；当外部调压信号高于设定阈值时，由外部调压信号作为比较的基准电压信号。
具体地，所述BUCK控制芯片的输入端与第二DCDC转换器的输出端之间设有第二输出反馈比较电路，所述第二输出反馈比较电路用于将外部调压信号与第二DCDC转换器输出的采样电压信号进行比较，所述BUCK控制芯片根据比较结果调整降压斩波电路的输出占空比，从而调整第二DCDC转换器的输出电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过结合第一DCDC变换器与第二DCDC变换器对电源电压进行调节，同时通过结合输出电压反馈信号和外部调压信号来调整第一DCDC变换器和第二DCDC变换器的输出占空比，实现了本发明电源大功率输出、输出0V起调、高压宽范围可调的效果；第一DCDC转换器采用隔离型DCDC转换器实现了电源输入输出隔离，由于无需另外加装工频变压器减小了电源系统整体的体积，增加了电源的工作效率并提高了电源工作的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例一种输出高压宽范围可调的零伏起调隔离型DCDC电源的原理框图；
图2为本发明实施例中DCDC电源的主回路拓扑原理示意图；
图3为本发明实施例中DCDC电源的控制环路原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供了一种输出高压宽范围可调的零伏起调隔离型DCDC电源，包括依次连接的输入整流滤波模块、第一DCDC转换器、第二DCDC转换器和输出滤波模块，所述DCDC电源还包括控制模块，所述控制模块的输入端分别与第一DCDC转换器、第二DCDC转换器的输出端连接，所述控制模块的输出端分别与第一DCDC转换器、第二DCDC转换器的控制端连接，所述控制模块的输入端还用于接收外部调压信号；
所述输入整流滤波模块用于接入市电，并将市电经过整流、滤波后得到高压直流电压；
所述第一DCDC转换器为隔离型DCDC转换器，用于将所述输入整流滤波模块输出的高压直流电压转换为隔离的高压直流电压；
所述第二DCDC转换器为非隔离型DCDC转换器，用于调节DCDC电源的输出电压，其输出占空比最低为0％，输出电压最低为0V；
所述输出滤波模块用于对第二DCDC转换器输出的直流电压进行滤波处理；
所述控制模块用于对第一DCDC转换器/第二DCDC转换器的输出电压电流进行采样，并结合外部调压信号对第一DCDC转换器/第二DCDC转换器进行脉宽调制，调整DCDC电源的输出电压。
具体地，所述控制模块包括全桥控制芯片和BUCK控制芯片，所述全桥控制芯片的输入端与第一DCDC转换器的输出端连接，所述全桥控制芯片的输出端与第一DCDC转换器的控制端连接；所述BUCK控制芯片的输入端与第二DCDC转换器的输出端连接，所述BUCK控制芯片的输出端与第二DCDC转换器的控制端连接。
进一步地，所述第一DCDC转换器包括脉宽调制电路和高频变压电路，所述脉宽调制电路的控制端与全桥控制芯片连接，所述脉宽调制电路的输出端与高频变压电路的输入端连接。
进一步地，所述第二DCDC转换器包括降压斩波电路，所述降压斩波电路的控制端与BUCK控制芯片连接，所述降压斩波电路的输出端与输出滤波模块连接。
进一步地，所述脉宽调制电路采用ZVS全桥拓扑结构，包括超前桥臂V3和滞后桥臂V4。
如图2所示，本实施例DCDC电源的主回路拓扑原理为：
所述输入整流滤波模块包括整流模块DB1和滤波支撑电容C11，整流模块DB1将交流市电(220VAC或380VAC)进行整流，由滤波支撑电容C11进行滤波得到高压直流电压，V3、V4(V3/V4可采用IGBT或MOSFET)由全桥控制芯片N1发出驱动脉冲控制，将前级(由C11滤波输出的)高压直流电压进行脉宽调制变成高频、高压、交变的直流方波。而高频高压直流方波通过高频变压器T1进行隔离变压得到所需的高频、高压、交变的直流方波，输出范围为0～250V(该电压可以根据输出电压要求对变压器的匝比进行调整)；二极管D1、D3、D4、D7和输出电感L2、电容C12将变压器T1输出的高频、高压、交变的直流方波进行整流滤波，得到所需的高压直流电压。V5(可采用IGBT或MOSFET)、二极管D5、电感L4组成降压斩波电路，其作用是将前级的高压直流电进行斩波降压，通过BUCK控制芯片发出驱动脉冲，调节输出占空比(占空比0～99％可调)，来驱动V5进行斩波降压，最后得到最终所需的输出电压。第一DCDC转换器采用全桥隔离变换可以得到高压隔离的直流输出，第二DCDC转换器采用降压斩波可以使得输出调到0V。
具体地，所述全桥控制芯片的输入端与第一DCDC转换器的输出端之间设有第一输出反馈比较电路，所述第一输出反馈比较电路用于将外部调压信号与第一DCDC转换器输出的采样电压信号进行比较，所述全桥控制芯片根据比较结果调整脉宽调制电路的输出占空比，从而调整第一DCDC转换器的输出电压。
进一步地，所述第一输出反馈比较电路的基准电压信号包括两路，一路为外部调压信号，另一路为最低输出限制基准信号；当外部调压信号低于设定阈值时，外部调压信号失效，由最低输出限制基准信号作为比较的基准电压信号；当外部调压信号高于设定阈值时，由外部调压信号作为比较的基准电压信号。
具体地，所述BUCK控制芯片的输入端与第二DCDC转换器的输出端之间设有第二输出反馈比较电路，所述第二输出反馈比较电路用于将外部调压信号与第二DCDC转换器输出的采样电压信号进行比较，所述BUCK控制芯片根据比较结果调整降压斩波电路的输出占空比，从而调整第二DCDC转换器的输出电压。
如图3所示，本实施例中DCDC电源的控制环路原理为：
所述第一DCDC转换器的控制电路包括全桥控制芯片N1及其外围电路，(全桥拓扑控制器种类很多，可以根据实际需求选取)；该电路根据第一DCDC转换器输出反馈回来的电压信号VO-F1和外部调压信号，来调整PWM控制信号，最终通过PWM控制信号来控制图2中V3、V4开通或关断的相关占空比达到调整第一DCDC转换器输出电压的目的。
所述第二DCDC转换器的控制电路包括BUCK控制芯片N2及其外围电路，(降压斩波控制器种类很多，可以根据实际需求选取)；该电路根据第二DCDC转换器输出反馈回来的电压信号VO-F2和外部调压信号，来调整PWM控制信号，最终通过PWM控制信号来控制图2中V5开通或关断的相关占空比达到调整第二DCDC转换器输出电压的目的。
所述第二输出反馈电路包括运算放大器N4B及其外围电路，运算放大器N4B用于对第二DCDC转换器的控制电路进行反馈调节；N4B的6脚为电压反馈脚(用于接入第二DCDC转换器输出的反馈电压信号)、5脚为电压基准脚、7脚为输出脚，电压基准脚用于接入外部调压信号(例如0～2.5V)，当电压基准脚的电压发生变化时，N4B会将5脚的电压与6脚的反馈电压进行比较，当N4B的5脚的电压比6脚的电压高时，会使得BUCK控制芯片增大第二DCDC转换器的输出占空比来增大输出电压；反之，当N4B的5脚的电压比6脚的电压低时，会使得BUCK控制芯片减小第二DCDC转换器的输出占空比来减小输出电压，最低可将输出电压将到0V，实现真正的0V起调。
所述第一输出反馈比较电路包括运算放大器N3B及其外围电路，运算放大器N3B用于对第一DCDC转换器的控制电路进行反馈调节；N3B的6脚为电压反馈脚(用于接入第一DCDC转换器输出的反馈电压信号)、5脚为电压基准脚、7脚为输出脚，电压基准脚用于接入外部调压信号(例如0～2.5V)，当电压基准脚的电压发生变化时，N3B会将5脚的电压与6脚的反馈电压进行比较，当N3B的5脚的电压比6脚的电压高时，会使得全桥控制芯片增大第一DCDC转换器的输出占空比来增大输出电压；反之，当N3B的5脚的电压比6脚的电压低时，会使得全桥控制芯片减小第一DCDC转换器的输出占空比来减小输出电压；为了避免第一DCDC转化器因输出占空比过低出现不稳定的问题，本实施例中在N3B的5脚还另设有一个最低输出限制基准电压，由R35、R36对VREF1进行分压得到的电压(该电压可以根据实际情况设定)，所述最低输出限制基准电压和外部调压信号(例如0～2.5V)通过二极管D8并在N3B的5脚上；当外部调压信号低于设定阈值时(该设定阈值即为R35、R36对VREF1的分压值)，外部调压信号对N3B的调整就不起作用了，此时由R35、R36对VREF1进行分压得到的电压(即最低输出限制基准电压)作为比较的基准电压信号起作用；此时，第一DCDC转换器无法对电源进行降压了，只能通过第二DCDC转换器对电源的输出进行降压；本实施例中，所述外部调压信号同时接到N4B的5脚和N3B的5脚，当调整第二DCDC转换器输出的同时，也在调整第一DCDC转换器的输出，按固定比例进行调节，电路稳定可靠；当外部调压信号低于设定阈值时，第一DCDC转换器按最低输出电压进行输出，第二DCDC转换器继续下调输出，直到输出为0V；这样，既限制了第一DCDC转换器的最低输出电压，避免其因占空比过低出现不稳定的问题，同时又能通过第二DCDC转换器来实现电源的0V起调。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种输出高压宽范围可调的零伏起调隔离型DCDC电源，其特征在于，包括依次连接的输入整流滤波模块、第一DCDC转换器、第二DCDC转换器和输出滤波模块，所述DCDC电源还包括控制模块，所述控制模块的输入端分别与第一DCDC转换器、第二DCDC转换器的输出端连接，所述控制模块的输出端分别与第一DCDC转换器、第二DCDC转换器的控制端连接，所述控制模块的输入端还用于接收外部调压信号；
所述输入整流滤波模块用于接入市电，并将市电经过整流、滤波后得到高压直流电压；
所述第一DCDC转换器为隔离型DCDC转换器，用于将所述输入整流滤波模块输出的高压直流电压转换为隔离的高压直流电压；
所述第二DCDC转换器为非隔离型DCDC转换器，用于调节DCDC电源的输出电压，其输出占空比最低为0％，输出电压最低为0V；
所述输出滤波模块用于对第二DCDC转换器输出的直流电压进行滤波处理；
所述控制模块用于对第一DCDC转换器/第二DCDC转换器的输出电压电流进行采样，并结合外部调压信号对第一DCDC转换器/第二DCDC转换器进行脉宽调制，调整DCDC电源的输出电压。
2.根据权利要求1所述的一种输出高压宽范围可调的零伏起调隔离型DCDC电源，其特征在于，所述控制模块包括全桥控制芯片和BUCK控制芯片，所述全桥控制芯片的输入端与第一DCDC转换器的输出端连接，所述全桥控制芯片的输出端与第一DCDC转换器的控制端连接；所述BUCK控制芯片的输入端与第二DCDC转换器的输出端连接，所述BUCK控制芯片的输出端与第二DCDC转换器的控制端连接。
3.根据权利要求2所述的一种输出高压宽范围可调的零伏起调隔离型DCDC电源，其特征在于，所述第一DCDC转换器包括脉宽调制电路和高频变压电路，所述脉宽调制电路的控制端与全桥控制芯片连接，所述脉宽调制电路的输出端与高频变压电路的输入端连接。
4.根据权利要求2所述的一种输出高压宽范围可调的零伏起调隔离型DCDC电源，其特征在于，所述第二DCDC转换器包括降压斩波电路，所述降压斩波电路的控制端与BUCK控制芯片连接，所述降压斩波电路的输出端与输出滤波模块连接。
5.根据权利要求3所述的一种输出高压宽范围可调的零伏起调隔离型DCDC电源，其特征在于，所述脉宽调制电路采用ZVS全桥拓扑结构，包括超前桥臂和滞后桥臂。
6.根据权利要求2所述的一种输出高压宽范围可调的零伏起调隔离型DCDC电源，其特征在于，所述全桥控制芯片的输入端与第一DCDC转换器的输出端之间设有第一输出反馈比较电路，所述第一输出反馈比较电路用于将外部调压信号与第一DCDC转换器输出的采样电压信号进行比较，所述全桥控制芯片根据比较结果调整脉宽调制电路的输出占空比，从而调整第一DCDC转换器的输出电压。
7.根据权利要求6所述的一种输出高压宽范围可调的零伏起调隔离型DCDC电源，其特征在于，所述第一输出反馈比较电路的基准电压信号包括两路，一路为外部调压信号，另一路为最低输出限制基准信号；当外部调压信号低于设定阈值时，外部调压信号失效，由最低输出限制基准信号作为比较的基准电压信号；当外部调压信号高于设定阈值时，由外部调压信号作为比较的基准电压信号。
8.根据权利要求2所述的一种输出高压宽范围可调的零伏起调隔离型DCDC电源，其特征在于，所述BUCK控制芯片的输入端与第二DCDC转换器的输出端之间设有第二输出反馈比较电路，所述第二输出反馈比较电路用于将外部调压信号与第二DCDC转换器输出的采样电压信号进行比较，所述BUCK控制芯片根据比较结果调整降压斩波电路的输出占空比，从而调整第二DCDC转换器的输出电压。
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