CN206948181U - 一种耐高温大功率dc‑dc转换电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种耐高温大功率DC‑DC转换电路，利用耐高温分立电子元器件，通过适当组合和连接实现整体耐高温大功率DC‑DC电源转换。本实用新型技术要点：包括启动电源电路、供电电源电路、电源切换电路以及大功率直流产生电路。所述启动电源电路接收第一直流电压，用于将第一直流电压转换为第二直流电压；所述供电电源电路接收大功率直流产生电路输出的大功率直流电压，用于将所述大功率直流电压转换为第三直流电压；电源切换电路用于在系统启动阶段向系统内的各芯片提供第二直流电压，在系统稳定工作阶段向系统内的各芯片提供第三直流电压；大功率直流产生电路用于产生大功率直流电压并向外界的用电设备提供工作电压等。

Description

一种耐高温大功率DC-DC转换电路

技术领域

本实用新型涉及一种耐高温大功率DC-DC（直流-直流）电源转换电路，尤其涉及一种利用耐高温分立电子元器件，通过适当组合和连接，从而实现整体耐高温大功率DC-DC电源转换。

背景技术

在石油随钻测量中，需要给安装在钻头附近的随钻电子设备和泥浆脉冲头提供电力。为了持续不断地提供稳定电力，越来越多的随钻测量设备舍弃电池，采用井下小型发电机，利用钻井中泥浆流的冲刷带动发电机转动发电。由于空间狭小而变压器体积庞大，产生的交流电不能通过变压器降压，只能经简单整流变成电压较高的直流电（DC）后，通过DC-DC电压转换, 变成随钻电子设备和泥浆脉冲头所需要的各种不同伏值的直流电。

目前公知的DC-DC电源转换电路由一块DC-DC电源转换芯片和外围电路构成。DC-DC电源转换芯片从功能上包含了PWM（脉冲宽度调制）控制器、自举电路等。外围电路包括MOS（金属氧化物硅）管、电感、二极管、电容等。有的DC-DC电源转换芯片内部也集成了一个MOS管，因此外围电路就不需要MOS管。

公知的DC-DC电源转换电路优点是所需器件少，缺点是由于芯片集成度高，从而在大功率工作下散热性能差。当井下温度较高、电源电压高、输出功率大时，公知的DC-DC电源转换电路可靠性差。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于解决电路系统在高温下的可靠性问题。本实用新型的改进点主要在于将其功能模块按供电电压的高低、功率大小进行了划分，然后采用多芯片解决方案，不同模块对应不同芯片。其中，仅输出级芯片连接高电压，输出高功率，其余芯片均连接低电压，输出低功率，从而提高了高温下系统的可靠性。

为了实现上述技术目的，本实用新型的技术方案具体如下：

包括启动电源电路、供电电源电路、电源切换电路以及大功率直流产生电路；

所述启动电源电路接收第一直流电压，用于将第一直流电压转换为第二直流电压；

所述供电电源电路接收大功率直流产生电路输出的大功率直流电压，用于将所述大功率直流电压转换为第三直流电压；

电源切换电路用于在系统启动阶段向系统内的各芯片提供第二直流电压，在系统稳定工作阶段向系统内的各芯片提供第三直流电压；

大功率直流产生电路用于产生大功率直流电压并向外界的用电设备提供工作电压；

第二直流电压、第三直流电压、大功率直流电压均小于第一直流电压；第二直流电压、第三直流电压均小于大功率直流电压。

进一步，所述大功率直流产生电路包括PWM控制电路、反相电路、高边驱动器、开关管、电感及电容；

PWM控制电路的反馈端接收反映大功率直流电压大小的反馈信号，并输出占空比与反馈信号成正比的PWM信号；

反相电路用于接收所述PWM信号并将其反相；

高边驱动器接收反相PWM信号，用于输出占空比与反相PWM信号相同且幅值大于第一直流电压的驱动信号；

开关管的栅极接收所述驱动信号，漏极连接第一直流电压，源极通过电感连接输出端；

所述输出端还通过电容接地。

进一步，第二直流电压小于第三直流电压；

电源切换电路包括两个二极管，两个二极管的阴极相连作为电源切换电路的输出端；其中一个二极管的阳极接收第二直流电压，另一个二极管的阳极接收第三直流电压。

进一步，所述反相电路包括比较器；所述比较器的正相输入端连接阈值电压，反相输入端连接PWM信号，比较器的输出端通过弱上拉电阻连接电源切换电路的输出电压；

所述阈值电压通过对电源切换电路的输出电压分压得到。

进一步，系统内的芯片包括启动电源电路中的DC-DC电源转换芯片、供电电源电路中的DC-DC电源转换芯片、大功率直流产生电路中的PWM控制器芯片、比较器以及高边驱动器芯片。

进一步，所述开关管为NMOS管。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、将系统内的功能模块按供电电压的高低、功率大小进行了划分，然后采用多芯片解决方案，不同模块对应不同芯片。这种分立式设计相较于单芯片解决方案具有更好的散热效果。

2、本实用新型中，仅输出级芯片连接高电压，输出高功率，其余芯片均连接低电压，输出低功率，从而提高了高温下系统的可靠性。

3、本实用新型包含启动电源电路，启动电源电路将高压转换为低压为系统内芯片供电（电路可靠性较差，仅在系统启动时工作），并在系统正常工作后，自动关断启动电源，转而由供电电源提供工作电压，由于供电电源电路是将远低于高压的大功率直流电压转换为低压，电路可靠性更佳。

4、采用导通电阻低的NMOS管，而不是公知方案中导通电阻高的PMOS管，作为控制开关，提高了输出级的有效性。

5、采用高边驱动电路提高NMOS管的栅极驱动电压，克服了NMOS管在导通高电压时存在的输出电压低于输入电压的问题。

附图说明

图1：启动电源电路的电路原理图。

图2：供电电源电路的电路原理图。

图3：电源切换电路的电路原理图。

图4：PWM控制电路的电路原理图。

图5：反相电路的电路原理图。

图6：高边驱动和DC-DC输出级电路。

图中标记： 1.DC-DC电源转换芯片1，2. DC-DC电源转换芯片2，3.PWM控制器，4.比较器，5.高边驱动器。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型包括启动电源电路、供电电源电路、电源切换电路以及大功率直流产生电路。

所述启动电源电路接收第一直流电压，用于将第一直流电压转换为第二直流电压。

所述供电电源电路接收大功率直流产生电路输出的大功率直流电压，用于将所述大功率直流电压转换为第三直流电压。

电源切换电路用于在系统启动阶段向系统内的各芯片提供第二直流电压，在系统稳定工作阶段向系统内的各芯片提供第三直流电压。

大功率直流产生电路用于产生大功率直流电压并向外界的用电设备提供工作电压。

第二直流电压、第三直流电压、大功率直流电压均小于第一直流电压；第二直流电压、第三直流电压均小于大功率直流电压。

下面逐一介绍本实用新型具体实施例中，启动电源电路、供电电源电路、电源切换电路以及大功率直流产生电路的实现方式。

本实用新型一个具体实施例的目的在于将高压直流电VccHigh（例如120V）转换成中等电压且大功率输出的直流电VccMid（例如32V，3A输出）。要求所有元器件在正常工作时必须能耐受高温（例如150摄氏度）。

首先，在图1中，采用公知的单芯片DC-DC电源转换方案，将高压直流电VccHigh转换成低压直流电VccLow1（例如12V）。VccLow1是启动电源，只给各芯片在启动时提供电源，并不向输出级提供功率，因此这里的DC-DC芯片1尽管输入为大电压，但功率很小，放宽了对芯片选型的要求。目前市场上，能够采购到满足这一电压和功率以及耐高温要求的DC-DC芯片（例如LTC7138HMSE）。

其次，各芯片供电电源还有另外一个来源VccLow2。在图2中，当系统输出电压VccMid（后面会描述产生VccMid的电路）稳定后，其通过一个公知的单芯片DC-DC芯片2，产生另一个低电压、低功率的输出电压VccLow2。与产生VccLow1的芯片相似，由于芯片输出低功率，放宽了对芯片选型的要求。目前市场上，能够采购到满足这一电压和功率以及耐高温要求的DC-DC芯片（LTC3637MPMSE）。VccLow2比VccLow1略高（例如15V），但是仍小于各芯片供电电源电压所允许的最大值。

然后，在图3中，VccLow1和VccLow2通过两个二极管相连，产生电压VccLow。VccLow为各芯片提供供电电源。当系统刚启动时，VccLow2的产生电路尚未正常工作，此时VccLow1高于VccLow2，因此二极管D3导通，D4截止，VccLow1与VccLow连通，为各芯片提供启动电源。当系统正常工作时，VccLow2高于VccLow1，因此二极管D3截止，D4导通，VccLow2与VccLow连通，VccLow1不再与VccLow连通，VccLow1完成启动电源的任务，不再向各芯片供电。

下面描述电路的核心部分：产生中等电压且大功率输出的直流电VccMid。

VccMid是由一个包含若干芯片的负反馈电路产生的。由于负反馈电路是一个信号首尾相接的环形电路，因此我们对电路的描述可以从环中的任意一个节点开始。

在图4中，电路的输出VccMid作为反馈信号与PWM（Pulse Width Modulation, 即脉冲宽度）控制器芯片3的输入端相连。该芯片的作用是，输出一个脉冲宽度（或占空比）可调的周期性方波VGDRV。当VccMid向高方向偏离预设值（通过电阻R5和R6的比值设定预设值）时，输出脉冲宽度增加（即电压为高的时间变长）。当VccMid向低方向偏离预设值时，输出脉冲宽度减小（即电压为高的时间变短）。PWM控制器供电与输入输出均为低电压，并且无大电流输出，因此芯片选型要求低，很容易采购到耐高温型号（例如TPS40200HD）。

由于后面控制NMOS管开关的需要，即当VccMid向高方向偏离预设值时，我们需要减少NMOS管导通的时间（即减少NMOS管栅极驱动电压为高的时间），从而负反馈地减小VccMid；当VccMid向低方向偏离预设值时，我们需要增加NMOS管导通的时间，从而负反馈地增加VccMid。然而，上面描述的PWM控制器产生的脉冲波极性恰好相反，因此我们需要将PWM波极性取反。

在图5中，PWM波VGDRV通过一个比较器4产生一个极性相反的PWM波VHIN。比较器的阈值由VccLow通过两个电阻R7和R8分压产生。输出端通过弱上拉电阻R9与电源VccLow相连，使得比较器的输出电压高值为VccLow，低值为0。比较器供电和输入输出电压均为低电压，并且输出低功率、结构简单，很容易采购到耐高温型号，例如LM139ADR。

在图6中，高电压VccHigh与NMOS管的漏极相连M1，NMOS管的源极与电感L3的一端连接，电感L3的另一端为输出端，所述输出端通过电容C4接地。

通过不断接通和断开NMOS管，在NMOS的源端（VL）产生PWM波，即：当NMOS管接通时，VL电压为VccHigh；当NMOS管断开时，二极管D6的续流作用使得VL电压为0。L3和C4通过滤波，滤掉PWM波中的交流成分，产生出稳定的直流输出VccMid，VccMid等于PWM波VL的平均值。

控制NMOS管接通和关断的关键在于：为了保证NMOS管接通时，其源极和漏极电压相同，必须使NMOS管的栅极驱动电压超过源端和漏端电压（即高电压VccHigh）。本方案采用了高边驱动器5（例如IR2113STRPBF），将图5中产生的低压PWM波控制信号VHIN，通过高边驱动器5内部的自举电路将VHIN的电压幅值增加，产生出与VHIN占空比完全相同而电压幅值超过VccHigh的PWM波VHO。VHO连接在NMOS管的栅极，控制NMOS管的接通和关断。由于自举电路内部的特殊设计，尽管输出电压为高电压，供电电压却为低电压，因此高电压对其可靠性影响有限，市场上容易采购到满足性能指标的耐高温型号芯片（例如IR2113STRPBF）。

NMOS管承受着高电压和大电流，因而输出大功率，但是因为目前高功率NMOS管技术已经很成熟，因此市场上容易采购到满足性能的耐高温型号（例如IPD600N25N3G）。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种耐高温大功率DC-DC转换电路，其特征在于，包括启动电源电路、供电电源电路、电源切换电路以及大功率直流产生电路；

所述启动电源电路接收第一直流电压，用于将第一直流电压转换为第二直流电压；

所述供电电源电路接收大功率直流产生电路输出的大功率直流电压，用于将所述大功率直流电压转换为第三直流电压；

电源切换电路用于在系统启动阶段向系统内的各芯片提供第二直流电压，在系统稳定工作阶段向系统内的各芯片提供第三直流电压；

大功率直流产生电路用于产生大功率直流电压并向外界的用电设备提供工作电压；

第二直流电压、第三直流电压、大功率直流电压均小于第一直流电压；第二直流电压、第三直流电压均小于大功率直流电压。

2.根据权利要求1所述的一种耐高温大功率DC-DC转换电路，其特征在于，所述大功率直流产生电路包括PWM控制电路、反相电路、高边驱动器、开关管、电感及电容；

PWM控制电路的反馈端接收反映大功率直流电压大小的反馈信号，并输出占空比与反馈信号成正比的PWM信号；

反相电路用于接收所述PWM信号并将其反相；

高边驱动器接收反相PWM信号，用于输出占空比与反相PWM信号相同且幅值大于第一直流电压的驱动信号；

开关管的栅极接收所述驱动信号，漏极连接第一直流电压，源极通过电感连接输出端；

所述输出端还通过电容接地。

3.根据权利要求1所述的一种耐高温大功率DC-DC转换电路，其特征在于，第二直流电压小于第三直流电压；

电源切换电路包括两个二极管，两个二极管的阴极相连作为电源切换电路的输出端；其中一个二极管的阳极接收第二直流电压，另一个二极管的阳极接收第三直流电压。

4.根据权利要求2所述的一种耐高温大功率DC-DC转换电路，其特征在于，所述反相电路包括比较器；所述比较器的正相输入端连接阈值电压，反相输入端连接PWM信号，比较器的输出端通过弱上拉电阻连接电源切换电路的输出电压；

所述阈值电压通过对电源切换电路的输出电压分压得到。

5.根据权利要求4所述的一种耐高温大功率DC-DC转换电路，其特征在于，系统内的芯片包括启动电源电路中的DC-DC电源转换芯片、供电电源电路中的DC-DC电源转换芯片、大功率直流产生电路中的PWM控制器芯片、比较器以及高边驱动器芯片。

6.根据权利要求2所述的一种耐高温大功率DC-DC转换电路，其特征在于，所述开关管为NMOS管。