CN117477954A - 多路输出电压可调式电源模块 - Google Patents

多路输出电压可调式电源模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电子精密设备供电领域，尤其涉及一种多路输出电压可调式电源模块，包括供电电源、升压转换器、分流调节器、第一降压转换器、第二降压转换器、反相降压转换器、微控制单元和电压输出电路，供电电源用于输出初始输入电压；第一降压转换器用于对初始输入电压进行降压，向微控制单元的芯片供电；升压转换器用于对初始输入电压进行升压，向第二降压转换器、反相降压转换器及电压输出电路供电；第二降压转换器用于向分流调节器供电，分流调节器用于向微控制单元及其内部的DAC供电；通过微控制单元调节电压输出电路的输出电压，为电子精密设备内的各部件供电。本发明只需一个供电电源，简化了供电系统的体积，并降低了供电系统的供电成本。

Description

多路输出电压可调式电源模块
技术领域
本发明涉及电子精密设备供电技术领域，尤其涉及一种多路输出电压可调式电源模块。
背景技术
电子精密设备需要可靠和高效的供电系统才能实现最佳性能。供电系统包括多个控制电路和多个供电电源，每个供电电源为每个控制电路产生所需的初始输入电压，每个控制电路基于输入的初始输入电压产生固定的输出电压，通过多个控制电路产生多个固定的输出电压，为电子精密设备内的各个部件供电，多个供电电源与控制电路不仅会增加供电系统的供电成本，还会增加整个供电系统的体积。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出一种多路输出电压可调式电源模块，通过微控制单元的控制输出多路可调电压，以简化整个供电系统的体积，并降低供电系统的供电成本。
本发明提供的多路输出电压可调式电源模块包括供电电源、升压转换器、分流调节器、第一降压转换器、第二降压转换器、反相降压转换器、微控制单元、第一电压输出电路、第二电压输出电路和第三电压输出电路；其中，
供电电源用于输出2.5V~6V的初始输入电压；
第一降压转换器用于接收2.5V~6V的初始输入电压，并转换为1.8V电压；
升压转换器用于接收2.5V~6V的初始输入电压，当初始输入电压为2.5V~5.5V时，升压转换器将其转换为5.5V电压，当初始输入电压为5.5V~6V时，升压转换器进入旁路模式；
第二降压转换器用于接收升压转换器输出的5.5V电压并转换为3.3V电压；
分流调节器用于接收第二降压转换器输出的3.3V电压并转换为2.8V电压；
反相降压转换器用于接收升压转换器输出的5.5V电压并转化为-2.5V电压；
微控制单元的VDD引脚接入第一降压转换器输出的1.8V电压，微控制单元的VDDA引脚和VREF+引脚分别接入分流调节器输出的2.8V电压；微控制单元包括DAC模块，DAC模块用于接收分流调节器输出的2.8V电压，并输出一路0.86V偏置电压和三路基准电压；
第一电压输出电路包括第一低压差线性稳压器、第一电阻和第一电容，第一低压差线性稳压器的SNS和OUT引脚耦合用于输出电压，向电子精密设备内的部件供电，第一低压差线性稳压器的IN引脚接入升压转换器输出的5.5V电压，第一低压差线性稳压器的EN引脚接入使能信号，第一低压差线性稳压器的NR/SS引脚分别接入第一低压差线性稳压器内部的电流源及第一电容与第一电阻的一端，第一电阻与第一电容的另一端分别接入DAC模块的输出端，通过微控制单元调节DAC模块输出的第一路基准电压，从而调节第一电压输出电路的输出电压；
第二电压输出电路包括第二低压差线性稳压器和第二电容，第二低压差线性稳压器的SNS和OUT引脚耦合用于输出电压，向电子精密设备内的部件供电，低压差线性稳压器的IN引脚接入升压转换器输出的5.5V电压，低压差线性稳压器的EN引脚接入使能信号，低压差线性稳压器的GND引脚接入DAC模块的输出端，低压差线性稳压器的GND引脚还通过第二电容接地，通过微控制单元控制DAC模块输出的第二路基准电压，从而调节第二电压输出电路的输出电压；
第三电压输出电路包括运算放大器、第二电阻、第三电阻、第四电阻和MOS管，运算放大器的电源正极接入第二降压转换器输出的3.3V电压，运算放大器的电源负极接入反相降压转换器输出的-2.5V电压，运算放大器的同相输入端接入DAC模块输出的0.86V偏置电压，运算放大器的反向输入端通过第二电阻接入DAC模块输出的第三路基准电压，运算放大器的反向输入端还通过第三电阻接入运算放大器的输出端，运算放大器的使能端通过第四电阻接入反相降压转换器输出的-2.5V电压，运算放大器的使能端还通过MOS管接入微控制单元的GPIO引脚，通过微控制单元控制DAC模块输出的第三路基准电压，从而调节第三电压输出电路的输出电压。
优选地，DAC模块为R-2R型DAC。
优选地，分流调节器的型号为ATL431LI，升压转换器的型号为MIC2877，第一降压转换器的型号为XCL232，第二降压转换器的型号为XCL206，反相降压转换器的型号为TPS63710。
优选地，第一低压差线性稳压器的型号为TPS7A94，第一低压差线性稳压器的型号为ADP7112ACBZ-2.5-R7。
优选地，MOS管为N型MOS管或P型MOS管。
优选地，第一电压输出电路的输出电压Vout1=VDAC1+I*R1；其中，VDAC为DAC模块输出的第一路基准电压，I为电流源的电流值，R1为第一电阻的阻值。
优选地，第二电压输出电路的输出电压Vout2=2.5V +VDAC；其中，VCH为DAC模块输出的第二路基准电压。
优选地，第三电压输出电路的输出电压；其中，R2为第二电阻的阻值，R3为第三电阻的阻值，Vbias为0.86V偏置电压。
与现有技术相比，本发明通过一个微控制单元与多个电压输出电路即可根据供电电源输出的初始输入电压生成多路可调的输出电压，为电子精密设备内的各个部件供电，因此本发明只需要一个供电电源，从而简化整个供电系统的体积，并降低供电系统的供电成本。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的多路输出电压可调式电源模块的逻辑结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的第一电压输出电路的电路结构示意图；
图3是根据本发明实施例提供的第二电压输出电路的电路结构示意图；
图4是根据本发明实施例提供的第三电压输出电路的电路结构示意图。
附图标记：供电电源1、升压转换器2、第一降压转换器3、第二降压转换器4、分流调节器5、反相降压转换器6、微控制单元7、DAC模块71、第一电压输出电路8、第一低压差线性稳压器81、电流源82、第一电阻83、第一电容84、第二电压输出电路9、第二低压差线性稳压器91、第二电容92、第三电压输出电路10、运算放大器101、第二电阻102、第三电阻103、第四电阻104和MOS管105。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的多路输出电压可调式电源模块的逻辑结构。
如图1所示，本发明实施例提供的多路输出电压可调式电源模块包括供电电源1、升压转换器2、第一降压转换器3、第二降压转换器4、分流调节器5、反相降压转换器6、微控制单元7、第一电压输出电路8、第二电压输出电路9和第三电压输出电路10；其中，
供电电源1用于输出2.5V~6V的电压，作为电源模块的初始输入电压；升压转换器2的型号为MIC2877，用于接收2.5V~6V的初始输入电压，当初始输入电压为2.5V~5.5V时，升压转换器2将其转换为5.5V电压，为第二降压转换器4、第一电压输出电路8、第二电压输出电路9提供输入电压，当初始输入电压为5.5V~6V时，升压转换器2进入旁路模式，有效地连接输入与升压转换器2的输出；第一降压转换器3的型号为 XCL232，用于接收2.5V~6V的初始输入电压，并转换为1.8V电压，为微控制单元7的VDD引脚提供输入电压；第二降压转换器4 的型号为XCL206，用于将升压转换器2输出的5.5V电压转换为3.3V电压，为分流调节器5提供输入电压，分流调节器5的型号为ATL431LI，用于将第二降压转换器4输出的3.3V电压转换为2.8V电压，为微控制单元7的VDDA引脚和VREF+引脚以及微控制单元7内部的DAC模块71提供输入电压，还为第三电压输出电路10提供正输入电压；反相降压转换器6用于接收升压转换器2输出的5.5V电压转换为-2.5V电压，为第三电压输出电路10提供负输入电压；微控制单元7可以调节第一电压输出电路8、第二电压输出电路9和第三电压输出电路10的输出电压，从而适用于不同类型的电子精密设备，为不同类型的电子精密设备内的各个部件供电。
微控制单元7包括DAC模块71（数模转换芯片），该DAC模块71具有多路输出，根据微控制单元7的控制信号将接收到分流调节器5输出的2.8V电压转换为多路电压输出至第一电压输出电路8、第二电压输出电路9和第三电压输出电路10。
第一电压输出电路8、第二电压输出电路9和第三电压输出电路10为三种不同电路结构的电压输出电路，每一种电压输出电路的数量为至少一个，即第一电压输出电路8、第二电压输出电路9和第三电压输出电路10的数量分别为至少一个，第一电压输出电路8、第二电压输出电路9和第三电压输出电路10的数量根据电子精密设备内的部件的数量确定。下面分别对第一电压输出电路8、第二电压输出电路9和第三电压输出电路10的电路结构及工作原理进行详述。
图2示出了根据本发明实施例提供的第一电压输出电路的电路结构。
如图2所示，第一电压输出电路包括第一低压差线性稳压器81、电流源82、第一电阻83和第一电容84，第一低压差线性稳压器81的型号为TPS7A9401DSCR，电流源82位于第一低压差线性稳压器81的内部，第一低压差线性稳压器81的SNS引脚和OUT引脚耦接在一起，用于输出电压Vout1，该电压Vout1作为第一电压输出电路的输出电压，向电子精密设备内的部件供电，第一低压差线性稳压器81的IN引脚接入升压转换器输出的5.5V电压，第一低压差线性稳压器81的EN引脚接入使能信号EN，第一低压差线性稳压器81的NR/SS引脚分别接入电流源82及第一电容84与第一电阻83的一端，第一电阻83与第一电容84的另一端分别接入DAC模块71的输出端，第一低压差线性稳压器81的GND引脚接地。
该第一低压差线性稳压器81使用一个超低噪声的电流参考值，经过第一电阻83后输出2.4V电压，DAC模块71输出的第一路基准电压VDAC1被连接到第一电阻83的另一端，因此当第一电压输出电路输出电压时，2.4V电压会被DAC模块71输出的第一路基准电压VDAC1提高，最高能提高到5.2V，即第一电压输出电路可以输出2.4V到5.2V之间的电压。
在图2中，节点1的电压与节点2的电压相同，节点2的电压即为第一电压输出电路的输出电压Vout1，节点1的电压=DAC模块71输出的第一路基准电压VDAC1+电流源82的电流值I（例如150mA）*第一电阻83的阻值R1（例如16kΩ），也就是说，第一电压输出电路的输出电压。
通过微控制单元7调节DAC模块71的输出电压，从而调节第一电压输出电路的输出电压Vout1= DAC模块71输出的第一路基准电压VDAC1+电流源82的电流值I*第一电阻83的阻值R1。
由此可见，本发明可以通过微控制单元7调节DAC模块71的输出电压，以此来调节第一电压输出电路的输出电压Vout1。
作为优选的实时方式，DAC模块71采用R-2R型DAC。由于R-2R型DAC的架构具有低噪声的特点，所以2.4V电压可以被提高而不会向电路注入额外的噪声。而提高输出电压会引入高噪声的问题，通常是一个标准LDO稳压器与反馈电阻的GND端绑定时所必须面对的情况，本发明可以避免此情况的发生。
图3示出了根据本发明实施例提供的第二电压输出电路的电路结构。
如图3所示，第二电压输出电路包括第二低压差线性稳压器91和第二电容92，第二低压差线性稳压器91的型号为ADP7112ACBZ-2.5-R7，第二低压差线性稳压器91的SNS引脚和OUT引脚耦接在一起，用于输出电压Vou2，该电压Vou2作为第二电压输出电路的输出电压，向电子精密设备内的部件供电，第二低压差线性稳压器91的IN引脚接入升压转换器输出的5.5V电压，第二低压差线性稳压器91的EN引脚接入使能信号EN，第二低压差线性稳压器91的GND引脚接入DAC模块71的输出端，第二低压差线性稳压器91的GND引脚还通过第二电容92接地。
将DAC模块71的输出电压直接接入第二低压差线性稳压器91的GND引脚，而不是输出或滤波器接地，输出电压Vou2=2.5V+DAC模块71输出的第二路基准电压VDAC2。
通过微控制单元7调节DAC模块71输出的第二路基准电压VDAC2，即可调节第二电压输出电路的输出电压Vou2。
任何出现在感应引脚或参考电压上的噪声都会注入到输出中。常规的设计方案是采用稳压器与电阻分压器，这样输出电压是参考电压的倍数，那么噪声将按相同的比例放大（例如，假设参考电压为1V，参考电压源和反馈引脚之间存在1mV的噪声，通过反馈电阻设置输出为2.5:1，即从1V参考电压输出2.5V，则输出中携带的噪声被放大到2.5mV）。与此相比，本发明的参考电压为2.5V，输出引脚可以直接连接到SNS反馈引脚，输出中携带的噪声是1mV。想要获得高于2.5V的电压，GND引脚可以提升电压以获得Vou2=2.5V+VDAC2。VDAC2的噪声将被注入到输出中，本发明中该噪声经过滤波并具有正确的低噪声架构，被降至忽略的程度。
图4示出了根据本发明实施例提供的第三电压输出电路的电路结构。
如图4所示，第三电压输出电路包括运算放大器101、第二电阻102、第三电阻103、第四电阻104和MOS管105，运算放大器101的电源正极接入第二降压转换器输出的3.3V电压，运算放大器101的电源负极接入反相降压转换器输出的-2.5V电压，第二降压转换器输出的3.3V电压与反相降压转换器输出的-2.5V电压能够为运算放大器101提供-2.5V至3.3V之间的轨到轨电压；运算放大器101的同相输入端与DAC模块71的输出端连接，运算放大器101的反向输入端通过第二电阻102接入DAC模块71的输出端，运算放大器101的反向输入端还通过第三电阻103接入运算放大器101的输出端，第二电阻102与第三电阻103的设置为第三电压输出电路提供初始增益，可以通过在第三电阻103的两端并联电阻，以减小第三电阻103与并联电阻的总阻值，从而提高运算放大器101的输出精度；运算放大器101的使能端通过第四电阻104接入反相降压转换器输出的-2.5V电压，运算放大器101的使能端还通过MOS管105接入微控制单元7的GPIO引脚，MOS管105的输入端接入第一降压转换器输出的1.8V电压，MOS管105的输出端接入运算放大器101的使能端（用于控制运算放大器101的禁用或激活），MOS管105的控制端接入微控制单元7的GPIO引脚。
MOS管105可以为N型MOS管或P型MOS管，当采用N型MOS管时，漏级接入第一降压转换器输出的1.8V电压，源极连接运算放大器101的使能端，栅极连接微控制单元7的GPIO引脚；当采用P型MOS管时，源极接入第一降压转换器输出的1.8V电压，漏级连接运算放大器101的使能端，栅极连接微控制单元7的GPIO引脚。
第四电阻104作为下拉电阻，在MOS管105关闭时向运算放大器101提供-1.9V电压，以关闭运算放大器101。
由于反相降压转换器输出的是-2.5V电压，若想要关闭运算放大器101，使能端需要小于-2.5+0.6（运算放大器的性质）V=-1.9V。但微控制单元7不能输出负电压，所以需要使用第四电阻104将电压拉到-1.9V。
对于第三电压输出电路，微控制单元7控制DAC模块71输出0.86V的偏置电压Vbias和第三路基准电压VDAC3，Vbias为固定电压，输出至运算放大器101的同相输入端，第二电阻102与第三电阻103之间节点的电压为Vbias，第三路基准电压VDAC3输出至运算放大器101的输出端。
运算放大器101的输出电压Vout3的计算公式如下：
；
其中，R2为第二电阻102的阻值（例如10KΩ），R3为第三电阻103的阻值（例如16KΩ）。
通过微控制单元7调节DAC模块71输出的第三路基准电压VDAC3的电压值，即可调节第三电压输出电路的输出电压Vout3。
微控制单元7调节DAC模块71输出基准电压的方式为现有技术，故在发明中不再赘述。
第一电压输出电路8、第二电压输出电路9和第三电压输出电路10三者的不同之处体现在体积和成本上，第三电压输出电路10的成本比第一电压输出电路8、第二电压输出电路9的成本低，但第三电压输出电路10的体积大于第一电压输出电路8、第二电压输出电路9的体积，第二电压输出电路9的体积小于第一电压输出电路8的体积，而第二电压输出电路9的成本低于第一电压输出电路8的成本，用户可根据实际需求进行选择。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多路输出电压可调式电源模块，其特征在于，包括供电电源、升压转换器、分流调节器、第一降压转换器、第二降压转换器、反相降压转换器、微控制单元、第一电压输出电路、第二电压输出电路和第三电压输出电路；其中，
所述供电电源用于输出2.5V~6V的初始输入电压；
所述第一降压转换器用于接收所述2.5V~6V的初始输入电压，并转换为1.8V电压；
所述升压转换器用于接收所述2.5V~6V的初始输入电压，当初始输入电压为2.5V~5.5V时，所述升压转换器将其转换为5.5V电压，当初始输入电压为5.5V~6V时，所述升压转换器进入旁路模式；
所述第二降压转换器用于接收所述升压转换器输出的5.5V电压并转换为3.3V电压；
所述分流调节器用于接收所述第二降压转换器输出的3.3V电压并转换为2.8V电压；
所述反相降压转换器用于接收所述升压转换器输出的5.5V电压并转化为-2.5V电压；
所述微控制单元的VDD引脚接入所述第一降压转换器输出的1.8V电压，所述微控制单元的VDDA引脚和VREF+引脚分别接入所述分流调节器输出的2.8V电压；所述微控制单元包括DAC模块，所述DAC模块用于接收所述分流调节器输出的2.8V电压，并输出一路0.86V偏置电压和三路基准电压；
所述第一电压输出电路包括第一低压差线性稳压器、第一电阻和第一电容，所述第一低压差线性稳压器的SNS和OUT引脚耦合用于输出电压，向电子精密设备内的部件供电，所述第一低压差线性稳压器的IN引脚接入所述升压转换器输出的5.5V电压，所述第一低压差线性稳压器的EN引脚接入使能信号，所述第一低压差线性稳压器的NR/SS引脚分别接入所述第一低压差线性稳压器内部的电流源及所述第一电容与所述第一电阻的一端，所述第一电阻与所述第一电容的另一端分别接入所述DAC模块的输出端，通过所述微控制单元调节所述DAC模块输出的第一路基准电压，从而调节所述第一电压输出电路的输出电压；
所述第二电压输出电路包括第二低压差线性稳压器和第二电容，所述第二低压差线性稳压器的SNS和OUT引脚耦合用于输出电压，向电子精密设备内的部件供电，所述低压差线性稳压器的IN引脚接入所述升压转换器输出的5.5V电压，所述低压差线性稳压器的EN引脚接入使能信号，所述低压差线性稳压器的GND引脚接入所述DAC模块的输出端，所述低压差线性稳压器的GND引脚还通过所述第二电容接地，通过所述微控制单元控制所述DAC模块输出的第二路基准电压，从而调节所述第二电压输出电路的输出电压；
所述第三电压输出电路包括运算放大器、第二电阻、第三电阻、第四电阻和MOS管，所述运算放大器的电源正极接入所述第二降压转换器输出的3.3V电压，所述运算放大器的电源负极接入所述反相降压转换器输出的-2.5V电压，所述运算放大器的同相输入端接入所述DAC模块输出的0.86V偏置电压，所述运算放大器的反向输入端通过所述第二电阻接入所述DAC模块输出的第三路基准电压，所述运算放大器的反向输入端还通过所述第三电阻接入所述运算放大器的输出端，所述运算放大器的使能端通过所述第四电阻接入所述反相降压转换器输出的-2.5V电压，所述运算放大器的使能端还通过所述MOS管接入所述微控制单元的GPIO引脚，通过所述微控制单元控制所述DAC模块输出的第三路基准电压，从而调节所述第三电压输出电路的输出电压。
2.根据权利要求1所述的多路输出电压可调式电源模块，其特征在于，所述DAC模块为R-2R型DAC。
3.根据权利要求1所述的多路输出电压可调式电源模块，其特征在于，所述分流调节器的型号为ATL431LI，所述升压转换器的型号为MIC2877，所述第一降压转换器的型号为XCL232，所述第二降压转换器的型号为XCL206，所述反相降压转换器的型号为TPS63710。
4.根据权利要求1所述的多路输出电压可调式电源模块，其特征在于，所述第一低压差线性稳压器的型号为TPS7A94，所述第二低压差线性稳压器的型号为ADP7112ACBZ-2.5-R7。
5.根据权利要求1所述的多路输出电压可调式电源模块，其特征在于，所述MOS管为N型MOS管或P型MOS管。
6.根据权利要求1所述的多路输出电压可调式电源模块，其特征在于，所述第一电压输出电路的输出电压Vout1=VDAC1+I*R1；其中，VDAC1为所述DAC模块输出的第一路基准电压，I为所述电流源的电流值，R1为所述第一电阻的阻值。
7.根据权利要求1所述的多路输出电压可调式电源模块，其特征在于，所述第二电压输出电路的输出电压Vout2=2.5V +VDAC2；其中，VDAC2为所述DAC模块输出的第二路基准电压。
8.根据权利要求1所述的多路输出电压可调式电源模块，其特征在于，所述第三电压输出电路的输出电压；其中，R2为所述第二电阻的阻值，R3为所述第三电阻的阻值，Vbias为0.86V偏置电压，VDAC3为所述DAC模块输出的第三路基准电压。
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