CN113271019B - 一种微电路dc-dc变换器及其变换方法 - Google Patents

一种微电路dc-dc变换器及其变换方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种微电路DC‑DC变换器及其变换方法。所述变换器包括输入保护电路、输出保护电路、输入单元、逆变单元、谐振单元、变压器组合单元、整流单元、输出单元以及第一反馈支路和第二反馈支路；所述第一反馈支路的输入端与所述第二反馈支路的输出端通过偏置支路连接；所述输入保护电路连接所述第一反馈支路的输出端和所述输入单元；所述输出保护电路连接所述第二反馈支路的输入端和所述输出单元；在所述逆变单元和所述谐振单元之间，连接有前置控制单元，所述前置控制单元通过启动电路连接至基准源电路；所述基准源电路同时连接所述第一反馈支路和所述第二反馈支路。本发明还介绍了基于所述变换器实现的DC‑DC变换方法。

Description

一种微电路DC-DC变换器及其变换方法
技术领域
本发明属于微电路技术领域，尤其涉及一种微电路DC-DC变换器及其变 换方法。
背景技术
一切电器设备、电子设备都离不幵电源提供能量，随着电能应用领域的不 断延伸，电源系统的稳定性和可靠性越来越受到人们的关注。在当今社会中， 作为用电设备必不可或缺的核心，稳压电源电路主要采用了电力电子技术和功 率半导体器件。所有电子设备都有电源，但是不同的系统对电源的要求不同。 为了发挥电子系统的最佳性能，就需要选择最适合的DC/DC变换器。
日常生活中所用的电能是来自电网中的交流电，但实际上大多数的电子设 备，例如电脑及其外部设备、计算器、电视机、LED照明设备和Hi-Fi设备， 及各种电子仪器都是由直流电源供电的。直流电源可以是电池或者有源电源。 大多数这类设备要求的不仅是经过有效滤波和稳压后的电压，而且在设备运行 中需要转换成一定的电压值。日前，各种用电池供电的设备如手机、数字播放 器、便携游戏机等功能越来越强大，所消耗的电能也越来越多，它们至少都需 要一套电池和工作电压相互转换的DC/DC电源转换器；此外，在直流电网中， 大容量DC/DC变换器是进行不同电压等级互联、大规模可再生能源汇集以及 实现中压直流配电网向低压直流微网发展所不可缺少的关键设备。
DC/DC变换器，又称DC/DC开关电源或者DC/DC开关电路、转换器、 转换电路等，以下简称开关电源或者开关变换器。
申请号为CN202110113985.9的中国发明专利申请提出一种DC-DC转换 器的控制方法、装置、系统、处理器、终端及介质。所述方法包括：通信模式 下，获取当前通信频段；判断所述当前通信频段是否为预设高风险通信频段； 在所述当前通信频段为预设高风险通信频段时，调整所述DC-DC转换器的时 钟信号相关参数值，以降低所述当前通信频段的电磁干扰。应用上述方案，可 以在降低电磁干扰的同时，兼顾硬件成本及电源效率。
然而，发明人发现，现有的DC/DC变换器在安全保护和反馈控制方面仍 存在较大缺陷，尤其是在小功率微电路的应用上，现有的DC/DC变换器不能 适应功率变化需求，不能输出稳定的低电压。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种微电路DC-DC变换器及其变换 方法。所述变换器包括输入保护电路、输出保护电路、输入单元、逆变单 元、谐振单元、变压器组合单元、整流单元、输出单元以及第一反馈支路 和第二反馈支路；所述第一反馈支路的输入端与所述第二反馈支路的输出 端通过偏置支路连接；所述输入保护电路连接所述第一反馈支路的输出端 和所述输入单元；所述输出保护电路连接所述第二反馈支路的输入端和所述输出单元；在所述逆变单元和所述谐振单元之间，连接有前置控制单元， 所述前置控制单元通过启动电路连接至基准源电路；所述基准源电路同时 连接所述第一反馈支路和所述第二反馈支路。
本发明的变换器采用多重保护电路与多种反馈电路和输入单元的配合， 能够使得输出电压稳定并且确保变换器的工作安全。
具体而言，在本发明的技术方案中，所述输入单元连接输入DC源母线，所述输入单元包括电感L、电容C1与多个电阻R、R1、R2、R3与R4；
其中，所述电感L的第一端连接至DC母线，所述电感的第二端和所述启动电路和所述电容C1连接；
电容C1的第一端连接电感L的第二端，电容C的第二端连接电阻R的第一端且连接至逆变单元；电阻R的第二端连接至DC母线；所述电阻R的第一端连接电阻R1的第一端且连接至所述逆变单元；所述电阻R1的第二端连接电阻R2的第一端且连接至输入保护电路；所述电阻R2的第二端连接电阻R4且连接至所述电阻R3的第一端；电阻R3的第二端连接电容C2的第一端，电容C2的第二端连接R4的第二端且连接至接地端。
所述基准源电路连接至所述第一反馈支路和所述第二反馈支路的正相 输入端；
所述第一反馈支路为误差比较器；所述第二反馈支路为误差放大器。
所述启动电路连接所述前置控制单元；
所述前置控制单元获取所述偏置支路产生的偏置反馈信号生成亚阈电 流，作为所述基准源电路的前置控制信号。
所述输入保护电路为过温保护电路；所述过温保护电路包括温度检测电 路；
所述温度检测电路检测输入单元的温度，当温度超过预设值时，关闭所 述启动电路。
在另一个方面，本发明还提出一种微电路DC-DC变换方法，所述方法 基于前述的微电路DC-DC变换器实现。在步骤上，所述方法包括：
S901：将所述变换器的输入单元接入DC源母线；
S902：响应于所述DC源母线的输入端电压，激活所述输入保护单元， 并为所述启动电路供电；
S903：所述第二反馈支路基于输出单元反馈的输出信号，生成第二反馈 输出信号，作为所述第一反馈支路的输入；
S904：所述偏置支路产生偏置反馈信号发送至所述前置控制单元，所述 前置控制单元产生亚阈电流；
S905：响应于所述亚阈电流，所述基准源电流产生基准电压信号；
S906：基于基准电压信号，所述反馈单元激活所述输出保护电路。
本发明至少在安全保护和反馈控制等方面对现有技术进行了改进，并且 在效果上体现为可以稳定输出适合于各种低功耗电子设备的DC低电压， 同时确保了电路安全。
本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细 体现。
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是通常的DC/DC变换器的结构原理示意图
图2是基于图1所述结构原理实现的DC/DC变换器的某现有技术实施例
图3是本发明一个实施例的一种用于小功率微电路系统的DC/DC变换器的 结构原理图
图4是基于图3所述结构原理实现的DC/DC的输入单元具体实施例
图5是图4中所述DC/DC变换器的使用的反馈单元的部分结构示意图
图6是基于图3中所述DC/DC变换器实现的DC-DC变换方法的主体流程 示意图
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。
图1是通常的开关变换器的基本构造原理框架图，图1来自于某现有技术 文献，对此简单介绍如下：
在图1中，输入端经过滤波电路，部分电流为控制芯片启动时供电，主功 率大电流经过模块电源的功率回路，控制芯片通过调整功率电路中幵关管在固 定周期里的导通时间，将直流输入变为可控的脉动电流，该电流流经变压器初 级侧，通过改变变压器的初次级线圈阻数比，在变伍器的输出侧得到合适的脉 动方波电压，该电压经整流滤波后得到带有交流分量的直流电正。整流后的输 出电压信号通过反馈电路将反馈信号提供给控制器，控制器通过监测该信号调 整主开关管的导通时间，以此达到稳定输出电的目的。
基于图1，可以概括为一个DC-DC变换过程，至少包括逆变电路、谐振 电路、变压器以及整流电路。
图2示出了上述结构实现的一种DC-DC变换器的具体电路结构图。图2 也来自于某现有技术，因此本发明对其具体电路元器件不做展开说明，其含义 遵从本领域的惯常表达。图1-图2均可以理解为本发明的改进基础，但是图 1-图2不影响本发明的技术方案的实质；不过，可以理解的是，在后续的改进 方案中，某些模块可以直接使用图1或图2已有的框架。
基于图1-图2的框架和原理，申请人在实践过程中发现所述结构仍存在如 申请人在背景技术提到的缺陷，因此，需要进一步改进。
从图3开始，介绍本申请的技术方案具体实施例介绍如下：
在图3中，提出一种微电路DC-DC变换器，所述变换器包括输入单元、 逆变单元、谐振单元、变压器组合单元、整流单元、输出单元以及反馈单元；
具体的，所述变换器还包括输入保护电路和输出保护电路；所述逆变单元 通过所述谐振单元连接所述变压器组合单元；所述变压器组合单元通过所述整 流单元连接至输出单元。
所述启动电路连接所述前置控制单元；
所述前置控制单元获取所述偏置支路产生的偏置反馈信号生成亚阈电流， 作为所述基准源电路的前置控制信号。
作为进一步的改进之一，在图3基础上，参见图4。
所述输入单元连接输入DC源母线，所述输入单元包括电感L、电容C1与多个电阻R、R1、R2、R3与R4；
其中，其中，所述电感L的第一端连接至DC母线，所述电感的第二端和所述启动电路和所述电容C1连接； 电容C1的第一端连接电感L的第二端，电容C的第二端连接电阻R的第一端且连接至逆变单元；电阻R的第二端连接至DC母线；
所述电阻R的第一端连接电阻R1的第一端且连接至所述逆变单元；所述电阻R1的第二端连接电阻R2的第一端且连接至输入保护电路；所述电阻R2的第二端连接电阻R4且连接至所述电阻R3的第一端；电阻R3的第二端连接电容C2的第一端，电容C2的第二端连接R4的第二端且连接至接地端。
作为进一步的改进之二，在图3中，所述反馈单元包括第一反馈支路和第 二反馈支路；所述第一反馈支路的输入端与所述第二反馈支路的输出端通过偏 置支路连接；
更具体的，可参见图5。
所述变换器还包括输入保护电路和输出保护电路；所述输入保护电路连接 所述第一反馈支路的输出端和所述输入单元；所述输出保护电路连接所述第二 反馈支路的输入端和所述输出单元；
在所述逆变单元和所述谐振单元之间，连接有前置控制单元，所述前置控 制单元通过启动电路连接至基准源电路；
所述基准源电路同时连接所述第一反馈支路和所述第二反馈支路。
在图5中，所述基准源电路连接至所述第一反馈支路和所述第二反馈支路 的正相输入端；
优选的，所述第一反馈支路为误差比较器；所述第二反馈支路为误差放大 器。
所述启动电路连接所述前置控制单元；
所述前置控制单元获取所述偏置支路产生的偏置反馈信号生成亚阈电流， 作为所述基准源电路的前置控制信号。
作为进一步的优选，所述反馈单元还包括功率因素校正电路；所述功率因 素校正电路连接所述输出单元，用于探测所述输出单元连接的负载设备的功 率，基于所述探测的功率，校正所述输出保护电路检测到的输出电压。
显然，进一步优选方案能够自适应不同输出设备负载，从而使得输出电压 能够自适应性调整。
由于存在两个反馈支路之间偏置和前置控制，所述启动电路连接所述前置 控制电路，从所述反馈支路中获取所述偏置支路产生的偏置反馈信号，并将输 出的亚阈电流作为所述基准源电路的前置控制电路的输入信号得到前置控制 信号。
在上述实施例中，优选的，所述逆变单元包括多级逆变器，所述多级逆变 器中的最后一级为全桥逆变电路。
与此对应的，所述谐振单元为LLC谐振电路；所述LLC谐振电路与所述 全桥逆变电路并联，全桥逆变与LLC配合并联实现，可以减少谐波干扰。
此外，所述逆变单元通过所述谐振单元连接所述变压器组合单元；所述 变压器组合单元通过所述整流单元连接至输出单元；所述第二反馈支路基于输 出单元反馈的输出信号，生成第二反馈输出信号，作为所述第一反馈支路的输 入。
图6给出了部分流程图，所述部分流程图展示了DC/DC变换器的工作原 理的主要部分，但是全部顺序或者全部方法，图6的实施例仅包括了其中几个 主要涉及改进的步骤，其他未涉及等步骤可以参照图1-图2所述现有技术结 构。
在图6中，所述方法包括：
S901：将所述变换器的输入单元接入DC源母线；
S902：响应于所述DC源母线的输入端电压，激活所述输入保护单元，并 为所述启动电路供电；
S903：所述第二反馈支路基于输出单元反馈的输出信号，生成第二反馈输 出信号，作为所述第一反馈支路的输入；
S904：所述偏置支路产生偏置反馈信号发送至所述前置控制单元，所述前 置控制单元产生亚阈电流；
S905：响应于所述亚阈电流，所述基准源电流产生基准电压信号；
S906：基于基准电压信号，所述反馈单元激活所述输出保护电路。
作为具体的保护方式，
所述输入保护电路为过温保护电路；所述过温保护电路包括温度检测电 路；所述温度检测电路检测输入单元的温度，当温度超过预设值时，关闭所述 启动电路。
所述输出保护电路为过压保护电路，所述过压保护电路包含电压检测电 路；所述电压检测电路检测所述DC/DC变换器的输出电压，当所述输出电压 的变化值高于预设范围时，发送预警信号给所述第二反馈支路，使得所述第二 控制反馈支路通过所述前置控制电路调节所述逆变电路中的开关器件的状态。
相对现有技术的普通原理性DC-DC框架，本发明至少在安全保护和反馈 控制等方面结合输入单元对现有技术进行了改进，并且在效果上体现为可以稳 定输出适合于各种低功耗电子设备的DC低电压，同时确保了电路安全。
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 (10)

1.一种微电路DC-DC变换器，所述变换器包括输入单元、逆变单元、谐振单元、变压器组合单元、整流单元、输出单元以及反馈单元；
其特征在于：
所述反馈单元包括第一反馈支路和第二反馈支路；
所述第一反馈支路的输入端与所述第二反馈支路的输出端通过偏置支路连接；
所述变换器还包括输入保护电路和输出保护电路；
所述输入保护电路连接所述第一反馈支路的输出端和所述输入单元；
所述输出保护电路连接所述第二反馈支路的输入端和所述输出单元；
在所述逆变单元和所述谐振单元的公共连接端，连接有前置控制单元，启动电路连接前置控制单元，所述前置控制单元连接基准源电路；
所述基准源电路同时连接所述第一反馈支路和所述第二反馈支路。
2.如权利要求1所述的一种微电路DC-DC变换器， 其特征在于：
所述输入单元连接输入DC源母线，所述输入单元包括电感L、电容C1与多个电阻R、R1、R2、R3与R4；
其中，所述电感L的第一端连接至DC母线，所述电感的第二端和所述启动电路和所述电容C1连接；
电容C1的第一端连接电感L的第二端，电容C1的第二端连接电阻R的第一端且连接至逆变单元；电阻R的第二端连接至DC母线；
所述电阻R的第一端连接电阻R1的第一端且连接至所述逆变单元；所述电阻R1的第二端连接电阻R2的第一端且连接至输入保护电路；
所述电阻R2的第二端连接电阻R4且连接至所述电阻R3的第一端；电阻R3的第二端连接电容C2的第一端，电容C2的第二端连接R4的第二端且连接至接地端。
3.如权利要求1所述的一种微电路DC-DC变换器，
其特征在于：
所述逆变单元包括多级逆变器，所述多级逆变器中的最后一级为全桥逆变电路。
4.如权利要求1所述的一种微电路DC-DC变换器，
其特征在于：
所述逆变单元通过所述谐振单元连接所述变压器组合单元；
所述变压器组合单元通过所述整流单元连接至输出单元。
5.如权利要求3所述的一种微电路DC-DC变换器，
其特征在于：
所述谐振单元为LLC谐振电路；
所述LLC谐振电路与所述全桥逆变电路并联。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种微电路DC-DC变换器，
其特征在于：
所述基准源电路连接至所述第一反馈支路和所述第二反馈支路的正相输入端；
所述第一反馈支路为误差比较器；所述第二反馈支路为误差放大器。
7.如权利要求1-5任一项所述的一种微电路DC-DC变换器，
其特征在于：
所述启动电路连接所述前置控制单元；
所述前置控制单元获取所述偏置支路产生的偏置反馈信号生成亚阈电流，作为所述基准源电路的前置控制信号。
8.如权利要求1-5任一项所述的一种微电路DC-DC变换器，
其特征在于：
所述反馈单元还包括功率因素校正电路；
所述功率因素校正电路连接所述输出单元，用于探测所述输出单元连接的负载设备的功率，基于所述探测的功率，校正所述输出保护电路检测到的输出电压。
9.一种微电路DC-DC变换方法，所述方法基于权利要求1-8任一项所述的微电路DC-DC变换器实现，
其特征在于，所述方法包括：
S901：将所述变换器的输入单元接入DC源母线；
S902：响应于所述DC源母线的输入端电压，激活所述输入保护电路，并为所述启动电路供电；
S903：所述第二反馈支路基于输出单元反馈的输出信号，生成第二反馈输出信号，作为所述第一反馈支路的输入；
S904：所述偏置支路产生偏置反馈信号发送至所述前置控制单元，所述前置控制单元产生亚阈电流；
S905：响应于所述亚阈电流，所述基准源电路产生基准电压信号；
S906：基于基准电压信号，所述反馈单元激活所述输出保护电路。
10.如权利要求9所述的一种微电路DC-DC变换方法，
其特征在于：
所述输入保护电路为过温保护电路；所述过温保护电路包括温度检测电路；
所述温度检测电路检测输入单元的温度，当温度超过预设值时，关闭所述启动电路。
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