CN114649944A - 谐振槽电路、宽电压输入输出电源和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种谐振槽电路以及采用该谐振槽电路的宽电压输入输出电源和电子设备，主要包括：可变匝数变压器单元，具有输入端线圈和输出端线圈，输入端线圈包括至少两个第一连接端和一个第二连接端，每个第一连接端和第二连接端之间的线圈匝数不相等；开关切换单元，具有控制端、一个第一输入端和至少两个第一输出端，第一输出端的数量与第一连接端的数量相等，并且第一输出端与第一连接端一对一电连接，开关切换单元用于根据控制端所接收的控制信号接通至少两个第一输出端中的其中之一与第一输入端之间的电路连接。本发明实现了在上电过程中，根据工频交流电网的电压值和用电负载的预设工作电压值的宽范围的适应性调节。

Description

谐振槽电路、宽电压输入输出电源和电子设备
技术领域
本发明涉及电源控制技术领域，特别涉及一种谐振槽电路、宽电压输入输出电源和电子设备。
背景技术
当前的电子设备，特别是虚拟货币矿机中，其内部芯片的制备工艺越来越先进，同时芯片之间在性能上也存在着较大的差异。基于此，同型号的芯片进一步细分出了更多的等级，这种情况下，即使采用同样的电路制造出的不同整机设备之间，所需要的工作电压范围的差异也比较大，因此，同一种型号的整机设备所需要的工作电压范围并不一定完全相同。同时，不同型号的整机设备因为电路设计、芯片型号等各方面的不同，所需要的工作电压范围也并不一定相同。这种情况下，要满足多种相同设备、不同设备的工作电压的要求，电源就需要能够根据所安装的设备确保能够输出所需要的工作电压。
当前的电源技术中，为了兼顾效率，都只能对较小的电压范围进行效率优化，同一款调压电源在输出不同大小的工作电压时，存在较大的效率偏差，因此，同一款调压电源很难同时兼容不同批次的电子设备的需求。所以，为了兼顾效率，当前的电子设备不得已只能根据不同的设计和用料(如芯片等)而采用不同的调压电源，以确保所输出电压段范围能够保证电子设备的正常工作。这就造成了电源型号种类众多而难以管理的问题。
除了兼顾输出电压范围和效率的同时，调压电源还要兼顾输入电压的范围，这又导致了同一款电源无法同时适用于多种电压的工频交流电网的情况，这就需要进一步增加不同款电源来满足相应的工频交流电网的适配，这又进一步增加了电源型号种类数量，进一步增加了电源管理难度。
因此，采用同一种电源以同时满足工频交流电网的电压适配需求并且能够输出宽幅的工作电压以支持各种不同工作电压，确保同一种电源适用于多种电子设备的正常工作，便成为亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种谐振槽电路、宽电压输入输出电源和电子设备，以实现能够满足工频交流电网的电压适配需求并且能够输出宽幅的工作电压以支持各种不同工作电压，确保同一种电源适用于多种电子设备的正常工作，进而缩减电源型号种类，降低对电源数量种类进行管理的难度。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种谐振槽电路，包括：
可变匝数变压器单元，所述可变匝数变压器单元具有输入端线圈和输出端线圈，所述输入端线圈包括至少两个第一连接端和一个第二连接端，其中，每个所述第一连接端均与所述第二连接端通过所述输入端线圈连接，并且，每个所述第一连接端和所述第二连接端之间的线圈匝数不相等；
开关切换单元，所述开关切换单元具有控制端、一个第一输入端和至少两个第一输出端，所述第一输出端的数量与所述第一连接端的数量相等，并且所述第一输出端与所述第一连接端一对一电连接，所述开关切换单元用于根据所述控制端所接收的控制信号接通所述至少两个第一输出端中的其中之一与所述第一输入端之间的电路连接。
进一步地，所述开关切换单元为继电器。
进一步地，所述输入端线圈为一个；
所述输入端线圈的一个端部为所述至少两个第一连接端的其中之一；
所述输入端线圈的另一个端部为所述第二连接端；
除所述输入端线圈的一个端部的第一连接端以外的其它第一连接端由所述输入端线圈的中段部分引出。
一种宽电压输入输出电源，包括：
如上任一项所述的谐振槽电路；
方波直流产生电路，所述方波直流产生电路电连接于所述第二连接端和所述第一输入端，所述直流方波产生电路用于接入工频交流电网并将所述工频交流电网的交流供电调整为方波直流电并输出给所述谐振槽电路；
整流电路，所述整流电路电连接于所述输出端线圈，所述整流电路用于接入用电负载并将所述输出端线圈所输出的电能调整为直流电并输出给所述用电负载；以及，
控制模块，所述控制模块电连接于所述控制端，所述控制模块用于根据所接入的工频交流电网的电压值和所述用电负载的预设工作电压值产生所述控制信号。
进一步地，所述方波直流产生电路包括：
PFC单元，所述PFC单元用于接入工频交流电网并将所述工频交流电网的交流点调整直流电；
桥式电路单元，所述桥式电路单元电连接于所述PFC单元和所述谐振槽电路之间，所述桥式电路单元用于将所述PFC单元输出的直流电调整为方波直流电并输出给所述谐振槽电路。
一种电子设备，包括：
如上任一项所述的宽电压输入输出电源；
用电负载，所述用电负载电连接于所述整流电路；
负载电压提供单元，所述负载电压提供单元电连接于所述控制模块，以将所述工频交流电网的电压值和所述用电负载的预设工作电压值发送给所述控制模块。
进一步地，所述电子设备为虚拟货币矿机，所述用电负载为算力板，所述负载电压提供单元为控制板。
进一步地，所述控制板与所述算力板通信连接；
所述算力板设有用于存储其性能参数的非易失存储器，所述算力板的预设工作电压值包含于所述性能参数中；
所述控制板通过读取所述非易失存储器中的性能参数而获取所述算力板的预设工作电压值。
进一步地，所述宽电压输入输出电源还包括：
控制板供电电路，所述控制板供电电路电连接于所述控制板，所述控制板供电电路用于接入所述工频交流电网并对所述控制板供电。
从上述方案可以看出，采用本发明的谐振槽电路、宽电压输入输出电源和电子设备，实现了在上电过程中，根据工频交流电网的电压值和用电负载的预设工作电压值的宽范围的适应性调节，调节方式是在变压器部分的输入端线圈增加多个连接端，并利用开关切换单元在多个连接端之间进行切换以改变变压器部分的输入端线圈和输出端线圈之间的匝数比，从而在上电过程中可以利用PFC电压转换出所需要的用电负载工作电压，进而实现将工频交流电网的电压值调节至用电负载的工作电压值的目的，确保了开机后用电负载的正常运行。本发明通过对输入端线圈的连接端数量的设置以及匝数比的设置能够兼容工频交流电网的宽电压范围和多个电负载的工作电压范围，实现了宽电压范围的输入输出调节，本发明可满足宽范围工频交流电网的电压值和用电负载工作电压值的使用需求，确保了同一种电源适用于多种电子设备的正常工作，缩减了电源型号种类，降低了对电源数量种类进行管理的难度。
附图说明
图1为本发明实施例的谐振槽电路的结构示意图；
图2为本发明实施例的宽电压输入输出电源的结构示意图；
图3为本发明实施例的电子设备的结构示意图；
图4为采用发明实施例的宽电压输入输出电源的虚拟货币矿机的电路框图。
附图中，各标号所代表的部件名称如下：
1、可变匝数变压器单元
L1、输入端线圈
L2、输出端线圈
U1、第一连接端
U2、第一连接端
U3、第二连接端
2、开关切换单元
C1、控制端
I1、第一输入端
O1、第一输出端
O2、第一输出端
10、谐振槽电路
20、方波直流产生电路
21、PFC单元
22、桥式电路单元
30、整流电路
40、控制模块
50、用电负载
60、负载电压提供单元
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，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。
LLC谐振电路是一种通过控制开关频率(频率调节)来实现输出电压恒定的谐振电路，其中L为电感符号、C为电容符号，LLC谐振电路广泛应用于电子设备的电源当中，LLC电路一般是应用于前级带PFC的场合。谐振槽电路是LLC电路中的一个组成部分，其中包含了变压器元件。变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈(或输入端线圈)、次级线圈(或输出端线圈)和铁芯，其主要功能包括电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离等。变压器对交流电压的改变是利用初级线圈和次级线圈之间的匝数比实现的。
LLC电路一般包括带有MOSFET的控制器、一个谐振网络(谐振槽电路)和一个整流电路。控制器以50％的占空比交替为两个MOSFET提供门信号，随负载变化而改变工作频率，调节输出电压，这称为脉冲频率调制(PFM)。在实际设计中，谐振网络可由变压器构成。整流电路是对谐振网络产生的正弦波形进行整流，然后传输到输出级以向负载供电。
由于变压器是利用初级线圈和次级线圈之间的匝数比实现交流电压的改变，因此，在LLC电路中，可利用对变压器的初级线圈和次级线圈之间的匝数比的调整而实现在前级PFC输出相对较小的电压范围内使后级DC-DC(直流-直流)电路获得更宽的输出电压范围。基于此，本申请发明人提出以下可实现宽电压输入输出的电源中所使用的谐振槽电路以及宽电压输入输出电源和电子设备。
如图1所示，本发明实施例的谐振槽电路主要包括可变匝数变压器单元1和开关切换单元2。其中，可变匝数变压器单元1具有输入端线圈L1和输出端线圈L2，输入端线圈L1包括至少两个第一连接端(例如图1所示中的U1、U2)和一个第二连接端U3，其中，每个第一连接端均与第二连接端U3通过输入端线圈L1连接，并且，每个第一连接端和第二连接端U3之间的线圈匝数不相等，例如图1所示中，第一连接端U1和第二连接端U3之间的线圈匝数与第一连接端U2和第二连接端U3之间的线圈匝数不相等，进而若将第一连接端U1和第二连接端U3之间的输入端线圈L1和输出端线圈L2之间的匝数比称作第一匝数比，将第一连接端U2和第二连接端U3之间的输入端线圈L1和输出端线圈L2之间的匝数比称作第二匝数比，则第一匝数比与第二匝数比不相等。
开关切换单元2具有控制端C1、一个第一输入端I1和至少两个第一输出端(例如图1所示中的O1和O2)，其中，第一输出端的数量与输入端线圈L1的第一连接端的数量相等，并且第一输出端与输入端线圈L1的第一连接端一对一电连接，例如图1所示中，第一输出端与第一连接端均为两个，第一输出端O1与第一连接端U1电连接，第二输出端O2与第二连接端U2电连接。开关切换单元2用于根据其控制端C1所接收的控制信号接通至少两个第一输出端中的其中之一与第一输入端I1之间的电路连接，例如图1所示中，开关切换单元2根据其控制端C1所接收的控制信号接通第一输出端O1和第一输出端O2的其中之一与第一输入端I1之间的电路连接。第一输入端I1和第二连接端U3电连接于前级的方波直流产生电路。
在可选实施例中，本发明实施例的谐振槽电路中还可进一步包括电感、电容等电子元件，例如在第一输入端I1和前级的方波直流产生电路之间串联电感，在第二连接端U3和前级的方波直流产生电路之间串联电容。
在可选实施例中，开关切换单元为继电器。在其他可选实施例中，开关切换单元还可以采用MOS管一类的电子开关器件。
如图1所示，在可选实施例中，输入端线圈L1为一个，输入端线圈L1的一个端部为至少两个第一连接端的其中之一，例如图1所示中输入端线圈L1的一个端部为第一连接端U1，输入端线圈L1的另一个端部为第二连接端U3，除输入端线圈L1的一个端部的第一连接端以外的其它第一连接端由输入端线圈L1的中段部分引出，例如图1所示中，第一连接端U2由输入端线圈L1的中段部分引出。
采用上述谐振槽电路，实现了可变匝数变压器单元1的初、次级线圈之间的匝数比的调节控制，进而可通过对不同第一连接端(U1、U2)的接通实现输出端线圈L2一侧输出电压的调整，从而可根据输入端线圈L1侧的电压和所需要获得的输出端线圈L2一侧的输出电压来接通不同第一连接端以实现输入电压的宽电压范围(例如220V至380V)和输出电压的宽电压范围(例如12V至24V)的调节。
基于上述实施例的谐振槽电路，本发明实施例还提供了一种宽电压输入输出电源，如图2所示，其包括谐振槽电路10、方波直流产生电路20、整流电路30和控制模块40。结合图1所示，其中，谐振槽电路10为上述实施例的谐振槽电路。方波直流产生电路20电连接于谐振槽电路10中的第二连接端U3和第一输入端I1，方波直流产生电路20用于接入工频交流电网并将工频交流电网的交流供电调整为方波直流电并输出给谐振槽电路10。整流电路30电连接于谐振槽电路10中的输出端线圈L2，整流电路30用于接入用电负载并将输出端线圈L2所输出的电能调整为直流电并输出给用电负载。控制模块40电连接于谐振槽电路10中的控制端C1，控制模块40用于根据所接入的工频交流电网的电压值和用电负载的预设工作电压值产生控制信号。其中，整流电路30可采用现有整流电路实现，例如由二极管组成的电桥电路等，此处不再赘述。控制模块40可采用现有的相关控制电路实现。
在可选实施例中，控制模块40在获得工频交流电网的电压值和用电负载的预设工作电压值后，可通过查表的方式得到输入端线圈L1和输出端线圈L2之间的匝数比，而各个第一连接端与第二连接端接通时所得到的输入端线圈和输出端线圈之间的匝数比是确定的(在制造可变匝数变压器单元1时便已确定)，进而控制模块40可以通过查表的方式确定出接通哪个第一连接端(即对应于输入端线圈和输出端线圈之间的匝数比)，在一个可选实施例中，在所查询的表格中记载的信息可以包括工频交流电网的电压值和用电负载的预设工作电压值的组合以及与之对应的需要接通的哪个第一连接端，可参见表1所示。
表1查询的表格内容
Figure BDA0002842446230000071
表1中，Z1、Z2表示具体的工频交流电网的电压值，z1、z2表示具体的用电负载的预设工作电压值。
利用上述实施例的宽电压输入输出电源，便可实现在宽范围输入电压到宽范围输出的电压的转换。在实际用例中，可以实现200V至300V的宽范围的工频交流电网的电压值到12V至24V的宽范围用电负载的预设工作电压值的转换，例如，可实现220V到12V、220V到15V、277V到12V、277V到15V等电压的转换。
以图1所示的两个第一连接端(U1、U2)的实施例为例，将第一连接端U1和第二连接端U3之间的匝数与第一连接端U2和第二连接端U3之间的匝数之间的比值设定为17:15，并将第一连接端U1和第二连接端U3之间的匝数与输出线圈的匝数之间的比值设定为16:1，则对应于工作电压值为12V左右的用电负载来说，通过控制信号接通第一连接端U1或者第二连接端U2便可使接入277V和220V的工频交流电网时电源都处于最优的效率点。推而广之，通过增加更多的第一连接端和相应的匝数比(包括各个第一连接端与第二连接端之间的匝数与输出线圈匝数的比值)便可兼容多种电压值的工频交流电网和多种工作电压值的用电负载。
如图2所示，在可选实施例中，方波直流产生电路20包括PFC单元21和PWM(脉冲宽度调制)单元22。其中，PFC单元21用于接入工频交流电网并将工频交流电网的交流电调整为直流电。桥式电路单元22电连接于PFC单元21和谐振槽电路10之间，桥式电路单元22用于将PFC单元21输出的直流电调整为方波直流电并输出给谐振槽电路10。其中，桥式电路单元22可包括全桥电路和/或半桥电路。其中，PFC单元21和桥式电路单元22均可直接采用现有技术实现。
如图3所示，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括上述实施例说明的宽电压输入输出电源、用电负载50和负载电压提供单元60。其中，用电负载50电连接于整流电路30。负载电压提供单元60电连接于控制模块40，以将工频交流电网的电压值和用电负载的预设工作电压值发送给控制模块40。
在一个具体的实施例中，电子设备为虚拟货币矿机，其中，用电负载50为算力板，负载电压提供单元60为控制板。
图4示出了采用发明实施例的宽电压输入输出电源的虚拟货币矿机的电路框图。其中，宽电压输入输出电源为图4中的AC-DC电源部分。其中，控制板与算力板通信连接。算力板设有用于存储其性能参数的非易失存储器(存储)，算力板的预设工作电压值包含于性能参数中。控制板通过读取非易失存储器(存储)中的性能参数而获取算力板的预设工作电压值。
在可选实施例中，算力板的性能参数可以为算力板的型号，其中型号直接对应于算力板的性能或者性能标识在型号中以约定的格式存储。在可选实施例中，控制板通过算力板的型号获得算力板的预设工作电压值，其中，可选地，算力板的性能参数直接含有算力板的预设工作电压值，可选地，算力板的性能参数不含有算力板的预设工作电压值，在控制板中存储有与算力板的性能参数对应的算力板的预设工作电压值。
进一步地，在可选实施例中，如图4所示，宽电压输入输出电源(AC-DC电源)还包括控制板供电电路(辅路输出)，控制板供电电路(辅路输出)电连接于控制板，控制板供电电路(辅路输出)用于接入工频交流电网并对控制板供电。需要说明的是，控制板供电电路是单独的一路供电，单独的变压器，因为功率较小，其不一定是工作在最优效率点，损耗占比不大，所以在功能上没有问题，只是效率不是最优的，但在整个电源效率中仅占有极小份额，并不影响到整个电源效率。
进一步地，在可选实施例中，如图4所示，宽电压输入输出电源(AC-DC电源)中的控制模块用于控制AC-DC电源中各个部分，包括PFC单元、DC-DC单元，其中，对PFC单元的控制由控制模块中的PFC控制部分实现，对DC-DC单元的控制由DC-DC控制部分实现。其中，桥式电路单元、谐振槽电路和整流滤波(或者整流电路)部分共同构成DC-DC单元，控制模块中的DC-DC控制部分分别实现对桥式电路单元和整流滤波的控制，同时，控制模块中的DC-DC控制部分也用于实现对谐振槽电路中的开关切换单元的控制。
其中，图4所示中，PFC单元和桥式电路组成前述实施例中所述的方波直流产生电路。
在这里，PFC单元的实际功能有很多，包括工频交流电接入之后的前级滤波、整流滤波、升压等，最终输出高压直流。PFC单元后面的DC-DC，是把PFC单元输出的高压直流电通过开关的控制转换成高压脉冲，经过变压器转换成低压脉冲，经过后侧的整流滤波，再把低压脉冲转换成低压直流。辅路输出是控制板的电源，上电默认就是处于打开状态。控制板上电后开机启动，并给算力板上的存储单元供电，同时读取存储单元里面的信息，获取算力板的型号，查找出相对应的主路电压值，把需要的配置信息发送给电源的控制模块。控制模块根据控制板提供的信息控制开关切换单元，以将可变匝数变压器单元切换到所需要的匝比，然后控制板在需要的时候发开机指令，电压会打开主路输出电压。
本发明实施例还提供了一种宽电压输入输出方法，该方法用于上述实施例的虚拟货币矿机，该宽电压输入输出方法主要包括以下步骤：
步骤a1、控制板供电电路(辅路输出)接通电源，矿机控制板启动，读取算力板的非易失存储器(存储)，获得算力板的预设工作电压值；
步骤a2、控制板根据算力板的预设工作电压值生成配置信息并发送给AC-DC电源的控制模块；
步骤a3、AC-DC电源的控制模块根据控制板发来的配置信息控制开关切换单元接通相应的第一连接端；
步骤a4、控制板向AC-DC电源的控制模块发送开机指令，在控制模块控制下，PFC单元通入工频交流电网供电，并经由桥式电路、谐振槽电路和整流滤波得到驱动算力板工作的直流电以驱动算力板上电；
步骤a5、算力板在整流电路输出的直流电的供电电压下工作。
采用本发明实施例的谐振槽电路、宽电压输入输出电源和电子设备，实现了在上电过程中，根据工频交流电网的电压值和用电负载的预设工作电压值的宽范围的适应性调节，调节方式是在变压器部分的输入端线圈增加多个连接端，并利用开关切换单元在多个连接端之间进行切换以改变变压器部分的输入端线圈和输出端线圈之间的匝数比，从而实现了在上电过程中将工频交流电网的电压值调节至用电负载的工作电压值，确保了开机后用电负载的正常运行。本发明实施例，通过对输入端线圈的连接端数量的设置以及匝数比的设置能够兼容多个工频交流电网的电压值和多个电负载的工作电压值，实现了宽电压范围的输入输出调节，本发明实施例可满足宽范围工频交流电网的电压值和用电负载工作电压值的使用需求，确保了同一种电源适用于多种电子设备的正常工作，缩减了电源型号种类，降低了对电源数量种类进行管理的难度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种谐振槽电路，其特征在于，包括：
可变匝数变压器单元，所述可变匝数变压器单元具有输入端线圈和输出端线圈，所述输入端线圈包括至少两个第一连接端和一个第二连接端，其中，每个所述第一连接端均与所述第二连接端通过所述输入端线圈连接，并且，每个所述第一连接端和所述第二连接端之间的线圈匝数不相等；
开关切换单元，所述开关切换单元具有控制端、一个第一输入端和至少两个第一输出端，所述第一输出端的数量与所述第一连接端的数量相等，并且所述第一输出端与所述第一连接端一对一电连接，所述开关切换单元用于根据所述控制端所接收的控制信号接通所述至少两个第一输出端中的其中之一与所述第一输入端之间的电路连接。
2.根据权利要求1所述的谐振槽电路，其特征在于：
所述开关切换单元为继电器。
3.根据权利要求1所述的谐振槽电路，其特征在于：
所述输入端线圈为一个；
所述输入端线圈的一个端部为所述至少两个第一连接端的其中之一；
所述输入端线圈的另一个端部为所述第二连接端；
除所述输入端线圈的一个端部的第一连接端以外的其它第一连接端由所述输入端线圈的中段部分引出。
4.一种宽电压输入输出电源，其特征在于，包括：
如权利要求1所述的谐振槽电路；
方波直流产生电路，所述方波直流产生电路电连接于所述第二连接端和所述第一输入端，所述方波直流产生电路用于接入工频交流电网并将所述工频交流电网的交流供电调整为方波直流电并输出给所述谐振槽电路；
整流电路，所述整流电路电连接于所述输出端线圈，所述整流电路用于接入用电负载并将所述输出端线圈所输出的电能调整为直流电并输出给所述用电负载；以及，
控制模块，所述控制模块电连接于所述控制端，所述控制模块用于根据所接入的工频交流电网的电压值和所述用电负载的预设工作电压值产生所述控制信号。
5.根据权利要求4所述的宽电压输入输出电源，其特征在于，所述方波直流产生电路包括：
PFC单元，所述PFC单元用于接入工频交流电网并将所述工频交流电网的交流电调整为直流电；
桥式电路单元，所述桥式电路单元电连接于所述PFC单元和所述谐振槽电路之间，所述桥式电路单元用于将所述PFC单元输出的直流电调整为方波直流电并输出给所述谐振槽电路。
6.一种电子设备，其特征在于，包括：
如权利要求4或5所述的宽电压输入输出电源；
用电负载，所述用电负载电连接于所述整流电路；
负载电压提供单元，所述负载电压提供单元电连接于所述控制模块，以将所述工频交流电网的电压值和所述用电负载的预设工作电压值发送给所述控制模块。
7.根据权利要求6所述的电子设备，其特征在于：
所述电子设备为虚拟货币矿机，所述用电负载为算力板，所述负载电压提供单元为控制板。
8.根据权利要求7所述的电子设备，其特征在于：
所述控制板与所述算力板通信连接；
所述算力板设有用于存储其性能参数的非易失存储器，所述算力板的预设工作电压值包含于所述性能参数中；
所述控制板通过读取所述非易失存储器中的性能参数而获取所述算力板的预设工作电压值。
9.根据权利要求8所述的电子设备，其特征在于，所述宽电压输入输出电源还包括：
控制板供电电路，所述控制板供电电路电连接于所述控制板，所述控制板供电电路用于接入所述工频交流电网并对所述控制板供电。
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