CN217741575U - 一种经济型dc-dc开关电源内整流方式自切换电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种经济型DC‑DC开关电源内整流方式自切换电路，包括功率开关电路、主控制电路、次级驱动电路、电流采样电路，主控制电路单向连接次级驱动电路，次级驱动电路单向连接功率开关电路，功率开关电路经电流采样电路单向连接次级驱动电路，技术效果是电路简单，外围器件少，成本较低，可在空载状态下大幅降低电源模块的空载损耗，并保证重载条件下模块的工作效率，兼具两种输出整流方式的优势于一身，提高了模块可靠性，并且适用范围广，可显著减轻设计人员的设计难度等。

Description

一种经济型DC-DC开关电源内整流方式自切换电路

技术领域

本实用新型涉及一种开关电源，特别涉及一种经济型DC-DC开关电源内整流方式自切换电路。

背景技术

DC-DC开关电源被广泛应用于几乎所有电子设备中。目前，DC-DC开关电源虽然体积小，工作稳定，能量密度日渐提高，但是传统DC-DC开关电源依旧存在一个整流方式选择困难的问题。若选择普通整流方式，则具备的优势为拥有很低的空载损耗，但重载条件下效率低发热量大；若选择同步整流方式，则具备的优势为重载条件下效率很高发热量小，但空载时损耗将较普通整流方式有明显提高。故给设计开发人员在产品设计过程中带来很大困扰和局限性。

发明内容

为了克服了上述传统DC-DC开关电源在整流方式技术上的局限性，本实用新型提供了一种隔离DC-DC开关电源内所使用的整流方式自切换电路，基于电流采样芯片的输出电流采样方式，且电源整流方式可随着采样到的输出电流大小自动切换的技术，使得搭载此技术的DC-DC开关电源同时具备两种整流方式的优势，具体的技术方案如下：由主功率开关管、高频变压器、储能电感、整流功率开关管与续流功率开关管组成的功率开关电路；由集成主控芯片及一些外围电路组成的主控制电路；由驱动变压器、驱动调理电路以及驱动芯片组成的次级驱动电路；由电流采样芯片及一些外围电路组成的电流采样电路，其特征在于：主控制电路单向连接次级驱动电路，次级驱动电路单向连接功率开关电路，功率开关电路经电流采样电路单向连接次级驱动电路。

进一步地，功率开关电路包括高频变压器T1、主功率开关管Q1、整流功率开关管Q2、续流功率开关管Q3、储能电感L1，所述高频变压器T1，包括原边NP、副边NS，高频变压器T1原边NP的同名端与电源直流输入端相连，高频变压器T1原边NP的异名端与主功率开关管Q1的漏极相连，高频变压器T1副边NS的同名端与续流功率开关管Q3的漏极以及储能电感L1相连，续流功率开关管Q3的源极与整流功率开关管Q2的源极以及输出地相连，整流功率开关管Q2的漏极与高频变压器T1副边NS的异名端相连。

进一步地，主控制电路包括集成主控芯片U1，电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25，电容C14、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18以及稳压二极管D7，所述的集成主控芯片U1的UNLO脚通过电阻R22连接至电阻R23、电阻R24以及电容C14的一端，电阻R24以及电容C14的另一端连接至输入地，电阻R23的另一端连接至稳压二极管D7的阳极，电容C15的一端连接至输入地，另一端与稳压二极管D7的阴极以及电阻R22一端相连并连接至电源直流输入端，电阻R22另一端连接至集成主控芯片U1的CS脚，集成主控芯片U1的RES脚通过电容C16连接至输入地、TIME脚通过电阻R25连接至输入地、REF脚通过电容C17连接至输入地、VCC脚连接至辅助供电VCC并通过电容C17连接至输入地、OUT_A脚连接至次级驱动电路的输入端、PGND脚和AGND脚连接至输入地。

进一步地，次级驱动电路包括驱动变压器T2, 二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6,开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7、开关管Q8、驱动芯片U3、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20和电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13，所述驱动变压器有原边绕组NS,副边绕组NA、副边绕组NB，原边绕组NS同名端通过电容C1和电阻R1与集成主控芯片U1的OUT_A脚相连，驱动变压器的副边绕组NA同名端与输出地相连，驱动变压器的副边绕组NB同名端与电容C10相连，驱动变压器的副边绕组NA异名端与电容C11相连，驱动变压器的副边绕组NB异名端与输出地相连，驱动变压器副边绕组NA异名端通过电容C11与二极管D3阴极和二极管D6的阳极相连，二极管D3与电阻R13并联之后阳极接输出地，驱动变压器副边绕组NB同名端通过电容C10与二极管D4阴极和二极管D5的阳极相连，二极管D4与电阻R12并联之后阳极连接输出地，二极管D5、D6的阴极相连在一起后串联电阻R16、电阻R17接到输出地，电阻R17与电容C12并联，电阻R14连接在二极管D3的阴极，电阻R15连接在二极管D4的阴极，电阻R14与开关管Q5、 Q6的栅极相连，开关管Q5源极串联电阻R19与开关管Q6源极相连并连接到驱动芯片U3的INA脚，开关管Q5漏极与电容C12相连，开关管Q6漏极与输出地相连，电阻R15与开关管Q7、开关管 Q8的栅极相连，开关管Q7源极串联电阻R18与开关管Q8源极相连并连接到驱动芯片U3的INB脚，开关管Q7漏极与电容C12相连，开关管Q8漏极与输出地相连，由辅助供电VCC连接到驱动芯片U3的VDD脚和ENA脚，然后通过电阻R20连接至输出地，电容C13并联在电阻R20两端，驱动芯片U3的ENB脚连接到电流采样电路的输出端，驱动芯片U3的OUTA脚连接到整流功率开关管Q2栅极, 驱动芯片U3的OUTB脚连接到续流功率开关管Q3栅极。

进一步地，电流采样电路包括电流采样芯片U2，电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6，电容C5、电容C6、电容C7，所述的电流采样芯片U2的VP脚通过电阻R5以及电容C5连接至电流采样芯片U2的VM脚，电流采样芯片U2的VP脚通过电阻R4连接至采样电阻R3的一端，电流采样芯片U2的VM脚连接至采样电阻R3的另一端，采样电阻R3串在模块输出端电流通路中，电流采样芯片U2的VCC脚连接至辅助供电VCC并通过电容C6连接至输出地，电流采样芯片U2的OUT脚通过电阻R6连接至电流采样电路的输出端，电流采样电路的输出端通过电容C7连接至电流采样芯片U2的GND脚并连接至输出地。

进一步地，所述的功率开关电路的高频变压器T1为贴片式高频变压器。

进一步地，所述的主控制电路的集成主控芯片U1为开关电源所用PWM控制类芯片。

进一步地，所述的电流采样电路中的电流采样芯片U2为贴片式芯片，封装形式为SOT23-5。

本实用新型的有益效果是，DC-DC开关电源的核心优势是功耗与效率的最佳平衡，由于其具备的更小的空载损耗以及满载效率更高的特点，故使得电源的整体发热量更小，使得设计者在电源设计时可以缩小电源的外壳体积，或提高同体积下电源的功率密度，增加设计自由度，从而加快产品开发周期。此外，在实现过程中所用到的元器件较少，成本低，实现难度低，具有很高的性价比，且经过实验，该技术稳定性良好，可靠性高，具备大规模可用性。

附图说明

图1是本实用新型的电路结构示意图；

图2是本实用新型的功率开关电路以及电流采样电路原理图；

图3是本实用新型的主控制电路原理图；

图4是本实用新型的次级驱动电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种经济型DC-DC开关电源内整流方式自切换电路，包括由主功率开关管、高频变压器、储能电感、整流功率开关管与续流功率开关管组成的功率开关电路；由集成主控芯片LM5026及一些外围电路组成的主控制电路；由驱动变压器、驱动调理电路以及驱动芯片UCC27524组成的次级驱动电路；由电流采样芯片TSC101及一些外围电路组成的电流采样电路，主控制电路输出端与次级驱动电路输入端相连，所述的电流采样电路的输入端与功率开关电路的输出端相连，所述的电流采样电路的输出端与次级驱动电路相连，所述的次级驱动电路输出端与功率开关电路中的整流功率开关管和续流功率开关管的栅极相连。

如图2所示，功率开关电路包括高频变压器T1、主功率开关管Q1、整流功率开关管Q2、续流功率开关管Q3、储能电感L1，所述高频变压器T1，包括原边NP、副边NS，高频变压器T1原边NP的同名端与电源直流输入端相连，高频变压器T1原边NP的异名端与主功率开关管Q1的漏极相连，高频变压器T1副边NS的同名端与续流功率开关管Q3的漏极以及储能电感L1相连，续流功率开关管Q3的源极与整流功率开关管Q2的源极以及输出地相连，整流功率开关管Q2的漏极与高频变压器T1副边NS的异名端相连,所述副边NS用于给负载供电。

如图2所示，电流采样电路包括电流采样芯片U2，电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6，电容C5、电容C6、电容C7，所述的电流采样芯片U2的VP脚通过电阻R5以及电容C5连接至电流采样芯片U2的VM脚，电流采样芯片U2的VP脚通过电阻R4连接至采样电阻R3的一端，电流采样芯片U2的VM脚连接至采样电阻R3的另一端，采样电阻R3串在模块输出端电流通路中，电流采样芯片U2的VCC脚连接至辅助供电VCC并通过电容C6连接至输出地，电流采样芯片U2的OUT脚通过电阻R6连接至电流采样电路的输出端，电流采样电路的输出端通过电容C7连接至电流采样芯片U2的GND脚并连接至输出地。

如图3所示，主控制电路包括集成主控芯片U1，电阻R21、R22、R23、R24、R25，电容C14、C15、C16、C17、C18以及稳压二极管D7.集成主控芯片U1的UNLO脚通过电阻R22连接至电阻R23、R24以及电容C14的一端，电阻R24以及电容C14的另一端连接至输入地，电阻R23的另一端连接至稳压二极管D7的阳极，电容C15的一端连接至输入地，另一端与稳压二极管D7的阴极以及电阻R22一端相连并连接至电源直流输入端，电阻R22另一端连接至集成主控芯片U1的CS脚。集成主控芯片U1的RES脚通过电容C16连接至输入地，集成主控芯片U1的TIME脚通过电阻R25连接至输入地，集成主控芯片U1的REF脚通过电容C17连接至输入地，集成主控芯片U1的VCC脚连接至辅助供电VCC并通过电容C17连接至输入地, 集成主控芯片U1的OUT_A脚连接至次级驱动电路的输入端，集成主控芯片U1的PGND脚和AGND脚连接至输入地。

如图4所示，次级驱动电路包括驱动变压器T2, 二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6,开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7、开关管Q8、驱动芯片U3、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20和电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13，所述驱动变压器有原边绕组NS,副边绕组NA、副边绕组NB，原边绕组NS同名端通过电容C1和电阻R1与集成主控芯片U1的OUT_A脚相连，驱动变压器的副边绕组NA同名端与输出地相连，驱动变压器的副边绕组NB同名端与电容C10相连，驱动变压器的副边绕组NA异名端与电容C11相连，驱动变压器的副边绕组NB异名端与输出地相连，驱动变压器副边绕组NA异名端通过电容C11与二极管D3阴极和二极管D6的阳极相连，二极管D3与电阻R13并联之后阳极接输出地，驱动变压器副边绕组NB同名端通过电容C10与二极管D4阴极和二极管D5的阳极相连，二极管D4与电阻R12并联之后阳极连接输出地，二极管D5、D6的阴极相连在一起后串联电阻R16、电阻R17接到输出地，电阻R17与电容C12并联，电阻R14连接在二极管D3的阴极，电阻R15连接在二极管D4的阴极，电阻R14与开关管Q5、 Q6的栅极相连，开关管Q5源极串联电阻R19与开关管Q6源极相连并连接到驱动芯片U3的INA脚，开关管Q5漏极与电容C12相连，开关管Q6漏极与输出地相连，电阻R15与开关管Q7、开关管 Q8的栅极相连，开关管Q7源极串联电阻R18与开关管Q8源极相连并连接到驱动芯片U3的INB脚，开关管Q7漏极与电容C12相连，开关管Q8漏极与输出地相连，由辅助供电VCC连接到驱动芯片U3的VDD脚和ENA脚，然后通过电阻R20连接至输出地，电容C13并联在电阻R20两端，驱动芯片U3的ENB脚连接到电流采样电路的输出端，驱动芯片U3的OUTA脚连接到整流功率开关管Q2栅极, 驱动芯片U3的OUTB脚连接到续流功率开关管Q3栅极。

工作原理：

电流采样电路在主控制电路及功率开关电路正常工作后，功率传输由高频变压器T1、主功率开关管Q1、整流功率开关管Q2、续流功率开关管Q3、储能电感L1实现。在此基础上，电流采样电路通过串接在输出端高边通路中的感测电阻R3将通路中的负载电流量采集转化为电压信号，并输入给电流采样芯片U2的3脚、4脚，通过倍数放大后从电流采样芯片U2的1脚进行输出，当模块负载电流空载或极低时，经电流采样芯片U2采集放大后输出电压信号伏值仍很低，经驱动芯片U3的8脚输入后不能达到驱动芯片U3内的门限电压，故无驱动信号输出，在此状态下续流功率开关管Q3无法导通，但其内部存在体二极管，可以进行能量传输，故最终效果相当于以普通整流方式进行工作，空载损耗较低；当负载电流较高或满载运行状态下时，经感测电阻R3以及电流采样芯片U2采集放大后输出电压信号伏值较高，经驱动芯片U3的8脚输入后高于驱动芯片U3内的门限电压，故有驱动信号输出，整流功率开关管Q2、续流功率开关管Q3正常工作，为同步整流方式，使重载或满载条件下的电源模块效率大大提高。

特点：

（1）、所述的整流方式自切换电路在实现过程中所使用到的元器件除感测电阻外均无特殊精度要求，实现成本极低，可靠性高；

（2）、所述的高频变压器为贴片式高频变压器，所述的集成主控芯片类型为开关电源所用PWM控制类芯片，适用范围较广；

（3）、所述的电流采样电路中的电流采样芯片为贴片式，封装形式多为SOT23-5，具有体积小、采样精度高的特点；

上述实施例为本专利较佳的实施例，并非用来限制本实用新型的实施范围，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的，本领域的技术人员在未脱离本实用新型原理的前提下，所作的改进、变化、组合、替代等，均属于本实用新型权利要求所要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种经济型DC-DC开关电源内整流方式自切换电路，包括由主功率开关管、高频变压器、储能电感、整流功率开关管与续流功率开关管组成的功率开关电路，由集成主控芯片及一些外围电路组成的主控制电路，由驱动变压器、驱动调理电路以及驱动芯片组成的次级驱动电路，由电流采样芯片及一些外围电路组成的电流采样电路，其特征在于：主控制电路单向连接次级驱动电路，次级驱动电路单向连接功率开关电路，功率开关电路经电流采样电路单向连接次级驱动电路。

2.根据权利要求1所述的一种经济型DC-DC开关电源内整流方式自切换电路，其特征在于，所述的主控制电路包括集成主控芯片U1，电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25，电容C14、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18以及稳压二极管D7，所述的集成主控芯片U1的UNLO脚通过电阻R22连接至电阻R23、电阻R24以及电容C14的一端，电阻R24以及电容C14的另一端连接至输入地，电阻R23的另一端连接至稳压二极管D7的阳极，电容C15的一端连接至输入地，另一端与稳压二极管D7的阴极以及电阻R22一端相连并连接至电源直流输入端，电阻R22另一端连接至集成主控芯片U1的CS脚，集成主控芯片U1的RES脚通过电容C16连接至输入地、TIME脚通过电阻R25连接至输入地、REF脚通过电容C17连接至输入地、VCC脚连接至辅助供电VCC并通过电容C17连接至输入地、OUT_A脚连接至次级驱动电路的输入端、PGND脚和AGND脚连接至输入地。

3.根据权利要求1所述的一种经济型DC-DC开关电源内整流方式自切换电路，其特征在于，所述的功率开关电路包括高频变压器T1、主功率开关管Q1、整流功率开关管Q2、续流功率开关管Q3、储能电感L1，所述高频变压器T1，包括原边NP、副边NS，高频变压器T1原边NP的同名端与电源直流输入端相连，高频变压器T1原边NP的异名端与主功率开关管Q1的漏极相连，高频变压器T1副边NS的同名端与续流功率开关管Q3的漏极以及储能电感L1相连，续流功率开关管Q3的源极与整流功率开关管Q2的源极以及输出地相连，整流功率开关管Q2的漏极与高频变压器T1副边NS的异名端相连。

4.根据权利要求1所述的一种经济型DC-DC开关电源内整流方式自切换电路，其特征在于，所述的次级驱动电路包括驱动变压器T2, 二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6,开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7、开关管Q8、驱动芯片U3、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20和电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13，所述驱动变压器有原边绕组NS,副边绕组NA、副边绕组NB，原边绕组NS同名端通过电容C1和电阻R1与集成主控芯片U1的OUT_A脚相连，驱动变压器的副边绕组NA同名端与输出地相连，驱动变压器的副边绕组NB同名端与电容C10相连，驱动变压器的副边绕组NA异名端与电容C11相连，驱动变压器的副边绕组NB异名端与输出地相连，驱动变压器副边绕组NA异名端通过电容C11与二极管D3阴极和二极管D6的阳极相连，二极管D3与电阻R13并联之后阳极接输出地，驱动变压器副边绕组NB同名端通过电容C10与二极管D4阴极和二极管D5的阳极相连，二极管D4与电阻R12并联之后阳极连接输出地，二极管D5、D6的阴极相连在一起后串联电阻R16、电阻R17接到输出地，电阻R17与电容C12并联，电阻R14连接在二极管D3的阴极，电阻R15连接在二极管D4的阴极，电阻R14与开关管Q5、 Q6的栅极相连，开关管Q5源极串联电阻R19与开关管Q6源极相连并连接到驱动芯片U3的INA脚，开关管Q5漏极与电容C12相连，开关管Q6漏极与输出地相连，电阻R15与开关管Q7、开关管 Q8的栅极相连，开关管Q7源极串联电阻R18与开关管Q8源极相连并连接到驱动芯片U3的INB脚，开关管Q7漏极与电容C12相连，开关管Q8漏极与输出地相连，由辅助供电VCC连接到驱动芯片U3的VDD脚和ENA脚，然后通过电阻R20连接至输出地，电容C13并联在电阻R20两端，驱动芯片U3的ENB脚连接到电流采样电路的输出端，驱动芯片U3的OUTA脚连接到整流功率开关管Q2栅极, 驱动芯片U3的OUTB脚连接到续流功率开关管Q3栅极。

5.根据权利要求1所述的一种经济型DC-DC开关电源内整流方式自切换电路，其特征在于，所述的电流采样电路包括电流采样芯片U2，电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6，电容C5、电容C6、电容C7，所述的电流采样芯片U2的VP脚通过电阻R5以及电容C5连接至电流采样芯片U2的VM脚，电流采样芯片U2的VP脚通过电阻R4连接至采样电阻R3的一端，电流采样芯片U2的VM脚连接至采样电阻R3的另一端，采样电阻R3串在模块输出端电流通路中，电流采样芯片U2的VCC脚连接至辅助供电VCC并通过电容C6连接至输出地，电流采样芯片U2的OUT脚通过电阻R6连接至电流采样电路的输出端，电流采样电路的输出端通过电容C7连接至电流采样芯片U2的GND脚并连接至输出地。

6.根据权利要求1所述的一种经济型DC-DC开关电源内整流方式自切换电路，其特征在于：所述的功率开关电路的高频变压器T1为贴片式高频变压器。

7.根据权利要求1所述的一种经济型DC-DC开关电源内整流方式自切换电路，其特征在于：所述的主控制电路的集成主控芯片U1为开关电源所用PWM控制类芯片。

8.根据权利要求1所述的一种经济型DC-DC开关电源内整流方式自切换电路，其特征在于：所述的电流采样电路中的电流采样芯片U2为贴片式芯片，封装形式为SOT23-5。

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