CN202750008U

CN202750008U - 低纹波大电流dc-dc开关模块电源

Info

Publication number: CN202750008U
Application number: CN 201220313349
Authority: CN
Inventors: 刘志模; 张贺; 李平; 王新怀; 刘永珊
Original assignee: BEIJING HUAYUAN LINGJIN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2022-06-28

Abstract

本实用新型公开了一种低纹波大电流DC-DC开关模块电源，包括低纹波开关电源变换芯片和输入/输出滤波电路；在芯片输入端接入滤波电路，使本实用新型的电源的电磁兼容特性得到保证，性能得到提高；在芯片输出端接入滤波电路，使本实用新型的电源的输出纹波小于2mV（V_pp），可以满足多种电子产品的需要，使这些电子产品的设计性能得到提高。本实用新型还可扩展为多个芯片并联连接，其单个芯片输出纹波小于20mV（V_pp），使模块能输出n倍单个芯片的电流，并依靠同步电路和均流电路保证各个支路的电流、电压的一致性以及模块输出的低纹波特性。本实用新型将电源的全部电路封装在标准的外壳内，进一步提高了电源的可靠性和可用性。

Description

低纹波大电流DC-DC开关模块电源

技术领域

本实用新型主要涉及DC-DC变换电源，尤其涉及一种低纹波大电流的DC-DC开关变换模块电源。

背景技术

当今，DC-DC变换电源应用非常普遍，几乎所有电子产品都要用到电源变换装置。随着电子线路集成度越来越高，电子产品的体积也越来越小，它们所采用的电源变换装置也逐渐采用模块化方式，且电源模块也越来越小，逐步形成了若干种类的DC-DC模块电源系列。

DC-DC模块电源主要分线性模块电源和开关模块电源两大类。

线性DC-DC模块电源的优点是输出纹波低，一般在2mV以下，但缺点是变换模块功耗大，发热大，能源浪费大。由于其纹波低，它在通信、雷达、医疗电子、自动控制、弱信号采集和处理等领域仍较有市场。但变换模块功耗大带来的问题是电源装置发热大，在一些大功率场合不得不采用强迫冷却手段；此外，由于电源模块本身功耗大，造成能源浪费，特别是在一些便携式产品中，节电是一项重要指标，因而限制了它们的使用。

开关DC-DC模块电源正好与线性模块电源相反，它们的效率高，一般在80％以上，有的甚至达到95％以上。变换效率高是这类电源装置的突出优点，使它们在各类电子产品中得到了普遍使用。但开关变换的DC-DC电源装置的输出纹波大，一般在100mV以上。一些改进后的开关电源模块也能作到50mV左右，如国内现在大量使用的美国Vicor公司的电源模块；国内厂商自己生产的模块，纹波多数在150mV左右。由于其纹波较大，使得在许多场合要采取各种滤波措施，来保证电子设备的正常工作和满足电磁兼容性测试要求；此外，也限制了它们在一些需要采用低纹波电源的场合的应用。

为了降低开关电源模块的输出纹波，一些公司从芯片级进行改进，使开关芯片本身的输出纹波大大降低，现已达到5mV（RMS）左右，如Linear Technology公司的LT8033芯片。但其单芯片输出的电流小，限制了它们的直接使用范围。

实用新型内容

本实用新型的目的是要为需要效率高、纹波低的DC-DC模块电源场合提供一种极低纹波的模块电源产品。

本实用新型的技术方案为：一种低纹波大电流DC-DC开关模块电源，包括低纹波开关电源变换芯片、输入滤波器、输出滤波器，输入滤波器与低纹波开关电源变换芯片的输入端电性连接，输出滤波器与低纹波开关电源变换芯片的输出端电性连接；并设置有时钟电路和采样电路，时钟电路与所述低纹波开关电源变换芯片的RT端和SYNC端，以及输入滤波器连接；采样电路和所述低纹波开关电源变换芯片的输出端和ADJ端，以及输出滤波器连接；当需要较大的输出电流时，可采用两个或两个以上低纹波开关电源变换芯片并联连接的方式，比如，2、3、4、5、6个芯片的并联，理论上，可以获得2、3、4、5、6倍单个芯片输出的电流，针对两个及以上的低纹波开关电源变换芯片，可用同步电路和均流电路代替时钟电路和采样电路。时钟电路/同步电路与所述低纹波开关电源变换芯片的RT端和SYNC端，以及输入滤波器连接；采样电路/均流电路和所述低纹波开关电源变换芯片的输出端和ADJ端，以及输出滤波器连接。

所述芯片为输出纹波≤20mV（V_pp）的芯片。

所述输入滤波器和输出滤波器为能滤除差模和共模干扰的滤波器。在输入端采取滤波措施，可尽量降低本模块电源内部的噪声通过输入电路干扰共用输入电源的其它电子设备，使本模块能满足电磁兼容测试的相关要求；在输出端采取适当的滤波措施，可使输出纹波达到低于2mV（V_pp）的纹波水平。

所述同步电路能使各芯片的开关工作频率和切换时间同步，使并联工作的各个芯片工作状态尽量一致、输出均衡，同时也使输出纹波一致，避免差频干扰影响；均流电路能使并联的各个芯片的输出电流尽量一致，避免因相互间的电流不均衡而使个别芯片负担偏重，导致因不均衡地长时间工作而温升不均、个别芯片温度过高损坏芯片。

所述同步电路包括一时钟发生器、一同步驱动电路和一阻容网络（RC网络）。时钟发生器与同步驱动电路连接，时钟发生器产生时钟信号，同步驱动电路将时钟信号放大后输送到各芯片的SYNC端；这个时钟信号就是芯片的外部开关时钟信号，当该开关时钟的频率高于芯片内部时钟的频率时，芯片由该开关时钟控制，从而保证各个芯片的开关工作频率相同和切换时间固定；RC网络与芯片的RT端连接，向所述芯片的内部时钟提供所需的RC参数值。

所述DC-DC开关模块电源还包括一外壳，所述电源的全部组成器件通过导热胶封装在外壳内，主芯片通过良好的散热通道将芯片热量传导到外壳上；所述外壳为金属外壳。

所述电源还包括印刷电路板，所述电源的整体电路所需的电器均集成在印刷电路板上。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果表现为：

本实用新型的低纹波大电流DC-DC开关模块电源采用两个或两个以上低纹波开关电源变换芯片并联，其输出纹波小于20mV(V_pp)，且能输出n倍单个芯片的电流（n为芯片的数量），可以满足多种电子产品的需要，使这些电子产品的设计性能得到提高。

在芯片输入端接入滤波电路，使本实用新型的电源的电磁兼容特性得到保证，节电性能得到提高。

在芯片输出端接入滤波电路，可使本实用新型的电源的输出纹波小于2mV(V_pp)。

本模块电源采用高性能、小型化元器件，同时采用紧凑设计，将电源的全部电路封装在标准的外壳内，进一步提高了电源的可靠性和可用性。

本电源同时进行了热设计考虑，采用导热胶将各电路封装在外壳中，使电源内部的电路产生的热量能迅速传递到外壳，最大限度的降低电源内部温度，使电源的可靠性得到保证。

附图说明

图1是本实用新型采用2个低纹波开关电源变换芯片并联的电路原理图；

图2是本实用新型图1中的同步电路原理图；

图3是本实用新型图1中的均流电路原理图；

图4是本实用新型DC-DC开关模块电源结构示意图；

图5是本实用新型DC-DC开关模块电源另一种结构示意图；

图6是本实用新型采用n个低纹波开关电源变换芯片并联的原理图；

图7是本实用新型采用单个低纹波开关电源变换芯片并联的电路原理图。

其中：

101-外壳； 102-主模块； 103-印刷电路板；

104-引出电极； 105-其它元器件； 106-导热胶。

具体实施例方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型主要采用低纹波开关电源变换芯片作为主模块1、主模块2、……主模块n构建基本单元电路。该芯片是低噪声的，其输出纹波小于20mV(V_pp)。它具有以下引出端子：

V_IN：DC输入。

V_OUT：DC输出，经变换芯片变换。

GND：芯片接地端。

SHARE：芯片并联控制端，当各个主模块并联使用时，各芯片的SHARE端需连接在一起（按采用芯片的要求决定是否连接）。

RT：外接阻容网络端。当芯片采用自身内部时钟工作时，外接阻容网络确定了芯片工作的开关频率。

SYNC：外部时钟输入端。同步端子，当芯片采用外部时钟工作时，由此输入外部时钟。

ADJ：误差信号输入端。芯片输出电压调节的输入端，由此端子控制输出电压值。

这种电源变换芯片是一种以开关方式工作的DC-DC转换芯片，其开关工作时钟可由内部的时钟电路产生，工作频率由RT输入端提供的电阻、电容值确定，这时SYNC端需接地或一高电平；当SYNC端接有外部时钟源，且其频率高于内部时钟电路产生的频率时，其开关工作时钟由SYNC端输入的外部时钟确定。

由低纹波开关电源变换芯片构成的主模块，其单个电路变换输出的纹波低；且能实现并联工作，以扩大整个电源变换模块的负载能力，达到实现大电流输出的目的。

本实用新型的电源在结构上采用标准的砖型结构标准，便于该电源在多种电子设备中安装使用。

实施例一

因本实用新型要实现的最佳效果是满足输出低纹波电压输出的同时，能提供较大的电流，故以多个芯片并联的电路为重点进行说明。图1是2个以低纹波开关电源变换芯片为主模块的电路原理图，主模块1和主模块2选用低噪声DC-DC电源转换芯片。

具体的连接方式和工作原理如下：

电源总的输入为V_I，输出为V_O。

参见图1，输入DC电压V_I由输入滤波器（滤波器1）的1、2端接入，经滤波器1滤波后，加载到主模块1和主模块2的V_IN端。滤波器1是能滤除差模和共模干扰的滤波器，其作用是：滤除外部干扰，防止外部干扰信号通过模块传递到输出端；同时也阻断电源内部开关频率产生的噪声信号通过电源输入线馈出，影响使用V_I的其它电子设备；换言之，滤波器1的主要作用是改善电源的电磁兼容性能，同时也可降低输入噪声对输出纹波的影响。滤波器1的带宽特性参数的选择应根据电源的电磁兼容性能相关指标要求确定。

与此同时，主模块1和主模块2通过SHARE端子并联连接在一起，其SYNC端和RT端均与同步电路连接，通过同步电路控制两个主模块同步工作，输出相同纹波。

同步电路的原理图如图2所示。同步电路包括一时钟发生器、一同步驱动电路和一阻容网络（RC网络）。时钟发生器与同步驱动电路连接，时钟发生器产生时钟信号，同步驱动电路将时钟信号放大后输送到各芯片；RC网络向所述芯片的内部时钟提供所需的RC参数值。

主模块1、2由同步电路提供外同步时钟信号，作为各主模块的开关控制信号；两个主模块同步工作，同步接通和关断，从而具备相同的开关工作频率和固定的切换时间，一方面使整个变换模块的输出端不会产生其它频率成分，纹波频谱单一，便于输出环节滤波，保证了输出纹波在预期范围内；另一方面两个主模块同步工作，也在主模块之间起到了较好的均流作用。

结合图1和图2来看，同步电路由端子9与滤波器1的端子3相连，对其供电。同步电路的6、7端子分别向两个主模块的SYNC端提供外部时钟控制信号。6、7端子的时钟信号实际上是同一个同步信号，它是由同步电路的时钟发生器产生，再经同步驱动电路功率放大后输出的，该时钟信号的频率高于主模块内部时钟的频率。同步电路的端子5和8分别接到主模块的RT端，为主模块内部时钟源提供必需的RC参数值，这是主模块芯片本身的要求，只需按要求提供即可。

主模块1和主模块2的V_IN电压经变换后由各自芯片的V_OUT端输出，再经均流电路的14端接入到输出滤波器（滤波器2）的输入端15。V_OUT由滤波器2对其滤波后，最后由V_O端子输出。滤波器2的主要作用是对电源模块内部所产生的开关噪声进行滤波，其带宽特性由电源内部的同步电路时钟源确定。滤波器2同滤波器1一样也是能滤除差模和共模干扰的滤波器，其对模块内部所产生的开关噪声进行滤波的插损不低于50dB。这里选用的主模块的纹波≤20mV（V_pp），经滤波器2后，最后的输出纹波要求≤2mV（V_pp）。

众所周知，主模块实现并联的好处是负载能力增强，但出现的问题是模块间的均流问题突出，因此，主模块1和主模块2还需连接均流电路，均流电路的原理图如图3所示。其中，10、11分别连接到主模块1和2的电压调节端ADJ端，提供调节主模块输出电压的反馈信号；12、13分别连接到两个主模块的输出端V_OUT，同时又经两个“或”连接的二极管输出到14，最后连接到滤波器2的输入端。均流机理如下：首先选择调节电阻R₁、R₂、R₃、R₄的阻值，使两个主模块未并联时的输出电压V_OUT值相同，这是均流的基础条件；其次，选择的两个二极管D1、D2应是压降较小，特性配对的二极管，当两个主模块的输出电压不相同时，输出电压较大的那一路电流增大，二极管的作用即是可抵消其电压的部分增量，使经二极管输出的电流值基本相同，起到一定的均流效果。均流电路使并联的各个芯片的输出电流尽量一致，避免因相互间的电流不均衡而使个别芯片负担偏重，导致因不均衡地长时间工作而温升不均、个别芯片温度过高损坏芯片。

图4为本实用新型模块电源结构设计图。图4中，101为导热良好的金属外壳，通常选用铝材，外壳101与两个主模块102之间通过导热良好的导热胶106粘接，使主模块102工作时产生的热量通过导热胶106能迅速传递到外壳101上，降低芯片温度。两块主模块102的另一侧固定在印刷电路板103上，滤波器、同步电路、均流电路等其他器件105亦固定在印刷电路板103上，导热胶106以填充物方式填满外壳101安装印刷电路板103后的整个腔体，用来将印刷电路板103、主模块102、滤波器、同步电路和均流电路等其他器件105封装并固定于外壳101中，同时将印刷电路板103上的各电路产生的热量高效传递到模块电源外部，降低电源使用时的温度，提高电源的可靠性。从图4中可以看到，印刷电路板103上还安装有引出电极104，其末端置于导热胶外。采用金属外壳的好处是：一方面为模块提供了良好的散热条件；另一方面对模块起到了很好的电磁屏蔽作用，保证了模块使用时的电磁兼容性能。

图5为本实用新型模块电源另一种结构设计图。图5中，主模块102通过印刷电路板103上的导热孔和导热层将热量传递到外壳101上，取得良好的散热效果。

实施例二

参见图6，本实用新型的电源还可以采用两个以上的低纹波开关电源变换芯片为主模块并联，即将主模块拓展到n个，n个主模块的V_IN端与滤波器1连接，电压经变换后从V_OUT端输出后再经均流电路均流后输出到滤波器2。同时，同步电路通过主模块的SYNC端向各主模块提供外部时钟控制信号。通过主模块的RT端向主模块内部时钟源提供必需的RC参数值。

由于采用了n个低纹波开关电源变换芯片并联，原则上整个电源的电流驱动能力可以提高到单个主模块额定电流的n倍，但考虑到电路的可靠性，在实际应用中应降额使用。

实施例三

作为N个主模块并联的特殊情况，当电路中所需的输出电流较小时，可以只选用一个主模块和输入滤波器、输出滤波器，与时钟电路和采样电路构成整体电路。时钟电路与输入滤波器和主模块的RT端和SYNC端连接，负责为主模块提供外部时钟信号；采样电路与输出滤波器和主模块的V_OUT端和ADJ端连接，对主模块的输出电压进行采样反馈；通过调控预设参数来实现低波纹电压输出。

本实用新型虽以实施例揭露如上，然而其仅为范例参考，任何熟习此项技艺者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰。因此上述实施例并非用来限定本实用新型的范围，本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.一种低纹波大电流DC-DC开关模块电源，其特征在于，包括低纹波开关电源变换芯片、输入滤波器、输出滤波器，输入滤波器与低纹波开关电源变换芯片的输入端电性连接，输出滤波器与低纹波开关电源变换芯片的输出端电性连接。

2.如权利要求1所述的DC-DC开关模块电源，其特征在于，还包括时钟电路和采样电路，时钟电路与所述低纹波开关电源变换芯片的RT端和SYNC端，以及输入滤波器连接；采样电路和所述低纹波开关电源变换芯片的输出端和ADJ端，以及输出滤波器连接。

3.如权利要求1所述的DC-DC开关模块电源，其特征在于，还包括同步电路和均流电路，所述低纹波开关电源变换芯片为两个及以上；同步电路与所述各个低纹波开关电源变换芯片的RT端和SYNC端，以及输入滤波器连接；均流电路和所述各个低纹波开关电源变换芯片的输出端和ADJ端，以及输出滤波器连接。

4.如权利要求1所述的DC-DC开关模块电源，其特征在于，所述芯片的输出纹波小于20mVpp。

5.如权利要求1所述的DC-DC开关模块电源，其特征在于，所述输入滤波器和输出滤波器为能滤除差模和共模干扰的滤波器。

6.如权利要求3所述的DC-DC开关模块电源，其特征在于，所述同步电路包括一时钟发生器、一同步驱动电路和一RC网络，时钟发生器与同步驱动电路连接，同步驱动电路与芯片的SYNC端连接， RC网络与芯片的RT端连接。

7.如权利要求6所述的DC-DC开关模块电源，其特征在于，当时钟发生器产生的时钟频率高于芯片内部时钟的频率时，芯片由时钟发生器提供时钟频率。

8.如权利要求1至3任一项所述的DC-DC开关模块电源，其特征在于，所述DC-DC开关模块电源包括一外壳，所述电源的全部组成器件通过导热胶封装在外壳内。

9.如权利要求1至3任一项所述的DC-DC开关模块电源，其特征在于，还包括印刷电路板，所述电源的整体电路所需的电器均集成在印刷电路板上。

10.如权利要求8所述的DC-DC开关模块电源，其特征在于，所述外壳为金属外壳。