CN100461594C - 直流电源稳压变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流稳压电源，具体涉及一种适应超宽范围输入电压的DC/DC直流电源稳压变换器。包括直流输入电路和直流变换稳压输出电路，其不同之处在于设置有输入电压实时监控电路，输入电压实时监控电路连接自动转换电路，自动转换电路的控制开关与双回路线性低压差稳压器相联接。本发明的有益效果在于：组合应用多种稳压变换技术，设计了电压实时监控和自动切换电路，完全解决了输入电压大范围波动的难题，在输入电压从5.85到40V范围内电源都能稳定可靠的工作，能适应超宽范围电压输入的要求。同时具有多路电压输出能力，能充分满足多种移动电子设备对工作电源的要求，尤其是在特别应用环境中的要求。

Description

直流电源稳压变换器

技术领域

本发明涉及一种直流稳压电源，具体涉及一种适应宽范围输入电压的DC/DC直流电源稳压变换器。

背景技术

移动电子设备的正常工作，需要为其提供具有稳定输出电压的直流稳压电源，在许多较为特别的应用环境中，常常会遇到给电子设备供电的输入电压在设备运行中发生大大超出常规范围变化的情况，像坦克、装甲车、特种工程车、通讯指挥车、导弹运载发射车等各种车载供电系统所提供的电压就是如此。而上述车辆中都大量使用着计算机、数字信息系统、指控系统和各种电子设备，为了保证这些设备的正常工作，就必须配备能适应超宽范围输入电压变化的加固型多路稳压电源，即在输入电压出现超低值时仍能提供稳定的输出电压。此外，电源还需要满足小型轻量模块化的要求和在恶劣环境下可靠工作的能力，以节省宝贵的用户空间并确保装备电子系统的可靠性。

目前，世界各国所生产的众多DC/DC直流电源稳压变换器，对其输入电压变化的适应能力，普遍只能做到1∶2，比如从9V到18V，从18V到36V、从36V到76V等等，迄今能适应较宽范围输入电压并已面市的DC/DC电源模块如法国某公司的产品，其输入电压适应能力虽已接近为1∶5，但不能适应超宽范围电压输入(从5.85V到40V，其输入电压适应能力接近1∶7)及多路电压输出的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而研制一种适应宽范围输入电压的DC/DC直流电源稳压变换器。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案是：包括直流输入电路和直流变换稳压输出电路，其不同之处在于设置有输入电压实时监控电路，输入电压实时监控电路连接自动转换电路，自动转换电路的控制开关与双回路线性低压差稳压器相联接，经由直流输入电路的直流输入电压为+5.85～40V。

按上述方案，所述的直流输入电路为防输入反接及尖峰抑制电路；所述的直流变换稳压输出电路包括有两路，一路经高频串联储能式开关稳压器接线性低压差稳压器，输出+3.3V电压；另一路通过双回路高频串联储能式开关稳压器与双回路线性低压差稳压器的输出端并接，输出+5V电压，并接的输出端同时与一双路输出变换器连接，输出±12V两路电压。

按上述方案，经由输入电路的直流输入电压为+5.85～40V，当输入电压为+7.5～40V时，双回路线性低压差稳压器开路(不工作)，由双回路高频串联储能式开关稳压器输出+5V电压；当输入电压为+5.85～7.5V时，通过自动转换电路的切换使双回路线性低压差稳压器接通输入电压，输出+5V电压，而双回路高频串联储能式开关稳压器被同时偏置(不工作)。

本发明的有益效果在于：

1、组合应用多种稳压变换技术，设计了电压实时监控和自动切换电路，确保DC/DC稳压变换器能实时监控输入电压、自动切换、分段组合工作，完全解决了输入电压大范围波动的难题，在输入电压从5.85到40V范围内电源都能稳定可靠的工作，输入电压适应能力接近1∶7，能适应超宽范围电压输入的要求。

2、具有多路电压输出能力，输出电压种类+3.3V、+5V、+12V、-12V，输出总功率可达75W。能充分满足多种移动电子设备对工作电源的要求，尤其是在特别应用环境中的要求。

3、设计的电路可采用标准3U尺寸插件式模块化结构，结构紧凑、散热良好，比目前的模块化电源具有更高的性能价格比，并具备对恶劣环境较强的适应能力。

附图说明

图1为本发明一个实施例的电路框图。

图2为本发明一个实施例的电路原理图。

具体实施方式

以下结合说明书附图进一步说明本发明的实施例：不稳定的输入电压经过防输入反接及尖峰抑制电路后分路进入变换器的直流变换稳压输出电路，防输入反接及尖峰抑制电路由瞬变电压抑制第一二极管V₁组成。直流变换稳压输出电路分成两路，一路经过高频串联储能式开关稳压器后再经线性低压差稳压器输出稳定的3.3V电压，所述的高频串联储能式开关稳压器由高频串联开关控制芯片U₅及其外围储能滤波电路构成，储能滤波电路包括输入端的第九滤波电容C₉、输出端的第六二极管V₆、第三电感L₃和第十电容C₁₀，高频串联开关控制芯片U₅外围还设有第八补偿电容C₈、第十一补偿电阻R₁₁、第十二反馈电阻R₁₂；其中第九滤波电容C₉与高频串联开关控制芯片U₅的输入端相并接，第八补偿电容C₈与第十一补偿电阻R₁₁串联后接入高频串联开关控制芯片U₅的补偿端，第六二极管V₆并接于高频串联开关控制芯片U₅的输出端，并与第三电感L₃和第十电容C₁₀组成的滤波电路相接；所述的线性低压差稳压器由线性低压差串联稳压控制芯片U₆和与线性低压差串联稳压控制芯片U₆输出端相并接的第十三负载电阻R₁₃、第十一输出滤波电容C₁₁构成。另一路通过双回路高频串联储能式开关稳压器，在输入电压高于7.5V时提供+5V电压输出，输出的+5V电压经由双路输出变换器后提供±12V电压输出；所述的双回路高频串联储能式开关稳压器由两个并接的高频串联开关控制芯片U1、U2及其配置的储能滤波电路构成，其中第一高频串联开关控制芯片U1的外围电路由第一滤波电容C₁、第二补偿电容C₂、第七补偿电阻R₇、第八反馈电阻R₈以及第四二极管V₄、第一电感L₁组成，第二高频串联开关控制芯片U₂的外围电路由第五滤波电容C₅、第四补偿电容C₄、第九补偿电阻R₉、第十反馈电阻R₁₀以及第五二极管V₅、第二电感L₂组成，两芯片的输出口共接第三滤波电容C₃；其中第一滤波电容C₁、第五滤波电容C₅分别与第一高频串联开关控制芯片U1、第二高频串联开关控制芯片U₂的输入端相连，第二补偿电容C₂与第七补偿电阻R₇相串接连于第一高频串联开关控制芯片U1的反馈补偿端，且通过第八反馈电阻R₈与第一电感L₁的输出端相接，第一高频串联开关控制芯片U1的输出端与第四二极管V₄的阴极、第一电感L₁的输入端相连，第四二极管V₄的阳极与第一高频串联开关控制芯片U1的地端相连；第四补偿电容C₄与第九补偿电阻R₉相串接连于第二高频串联开关控制芯片U2的反馈补偿端，且通过第十反馈电阻R₁₀与第二电感L₂的输出端相接，第二高频串联开关控制芯片U2的输出端与第五二极管V₅的阴极、第二电感L₂的输入端相连，第五二极管V₅的阳极与第二高频串联开关控制芯片U2的地端相连；第一电感L₁的输出端与第二电感L₂的输出端并接后连接第三滤波电容C₃，并与+5V的正输出端、第七芯片U₇的正输入端相连；所述的双路输出变换器由第七芯片U₇和分别并接于第七芯片U₇的两个输出端口的第十二滤波电容C₁₂和第十三滤波电容C₁₃构成，输出+12V和-12V电压。与防输入反接及尖峰抑制电路相通的第三路为输入电压实时监控电路，输入电压实时监控电路对输入电压实施实时监控并对自动切换电路实施控制，以实现根据输入电压的变化，按设定的组合方案完成供电结构的自动切换，在输入电压低于7.5V时，直接经双回路线性低压差稳压器输出+5V电压；所述的输入电压实时监控电路由电压比较器N₁及其外围电路组成，外围电路包含提供稳定工作电压的第二稳压管V₂、提供基准电压的第三稳压管V₃及第一限流电阻R₁、第四限流电阻R₄、第二电阻R₂、第三电阻R₃两个分压电阻、第五反馈电阻R₅，所述的自动转换电路由驱动电路和小型继电器J构成，驱动电路包含三极管V₈和第七电容C₇、第六限流电阻R₆，其中电压比较器N₁的一个输入端口与第四限流电阻R₄和第三稳压管V₃相接端相连，电压比较器N₁的另一个输入端口与第二电阻R₂和第三电阻R₃连接端相接，且第二电阻R₂和第三电阻R₃相接的两端与第二稳压管V₂相跨接，电压比较器N₁的输出端接第五反馈电阻R₅、第七电容C₇和第六限流电阻R₆；电压比较器N₁的两个电源端口与第二稳压管V₂两端相接，第六限流电阻R₆与三极管V₈的基极连接，小型继电器J与第七二极管V₇相并接后串接于三极管V₈的集电极，小型继电器的触头串接于第三稳压控制芯片U₃的输入端。自动切换电路在输入电压超低时接通双回路线性低压差稳压器，双回路线性低压差稳压器由两块线性低压差串联稳压控制芯片U₃、U₄并接而成，其输入端接有共用的第六电容C₆，双回路线性低压差稳压器输出+5V电压，并与双路输出变换器的输入口相接。

上述实施例采用两种高性能低价位集成芯片加上优化设计的外围电路组成，U₁、U₂、U₅是一种高频串联开关控制芯片MC33167，它的开关工作频率为72KHZ，输入电压允许范围为7.5V～40V，最小输出稳定电压为U_in-2V，其工作环境温度为-40℃～+85℃，储存温度为-65℃～+150℃。设计了优化的储能滤波及电压检测反馈等外围电路，构成了高效的高频串联开关稳压器单元，并确保其在输入电压从7.5V到40V范围内稳定可靠地工作。采用了由U₁、U₂组成的双回路并联功率倍增方案以扩大输出功率的能力。对于U₅回路，则直接串联了线性低压差稳压器，保证输入电压在全范围变化(5.85V～40V)时输出稳定的3.3V电压供给负载。电路中的U₃、U₄、U₆为低压差串联线性稳压控制芯片(U₃、U₄为MIC29500-5.0BT，U₆为MIC29500-3.3BT)，其工作温度范围(结温)为-40℃～125℃。设计了外围电路构成了低压差线性串联稳压变换器，此变换器维持稳压输出的最小压差为0.4V，其最高输入电压为26V。由电压比较器N₁和小型继电器J组成了输入电压监控及自动切换电路，当输入电压在7.5V～40V范围时，J断开，U₁、U₂、U₅、U₆、U₇工作，U₃、U₄处于开路(休眠)状态，输出稳定的四路电压。当输入电压降低，进入5.85V～7.5V范围时，J闭合，输入电压直接通过双回路线性低压差稳压器U₃、U₄提供稳定的5V电压，而双回路高频串联开关U₁、U₂由于输入电压低于其维持正常工作范围，其输出电压降低而被U₃、U₄的输出电压偏置，由于U₃、U₄、U₅、U₆、U₇工作，同样保证稳定的四路电压输出。这样，实现了DC/DC稳压变换器对超宽范围电压变化(从5.85V～40V)的适应能力，保证了电源工作的稳定性和可靠性。V₁为瞬变电压抑制二极管，其作用是对输入电压尖峰实施抑制和防止输入电压极性反接。

本发明可进行系统的加固设计，变换器模块采用标准3U插件式结构，机壳采用铝合金整体切削加工、导电氧化工艺，发热器件紧贴机壳，用二级传导方式散热，这种机壳结构散热及屏蔽效果良好。小型模块化的要求和插件式结构留给元器件极小的空间，为此，设计了两层双面印刷电路板元器件安装方案，两板之间采用高可靠接插件互联，这样既提高了组装密度，又便于调试与维护，还增强了结构强度和提高整机对冲击、振动的耐受性能及对恶劣环境的适应能力。

本发明组合应用高频串联开关稳压变换技术及线性低压差稳压控制技术，采用高性能低价位的集成控制芯片，为高频串联式开关电路设计了高效的储能、滤波回路和优化完整的外围电路；设计了双回路功率倍增电路，可根据用户需求灵活扩充功率；为线性低压差电路设计了合适的外围补偿电路；高性能低价位集成控制芯片的优化应用，除使新型多路稳压变换器对输入电压变化的适应能力大大拓宽外，还使其成本显著降低，极大地提高了稳压电源的性价比。

Claims (8)

1.一种直流电源稳压变换器，包括直流输入电路和直流变换稳压输出电路，其特征在于设置有输入电压实时监控电路，输入电压实时监控电路连接自动转换电路，自动转换电路的控制开关与双回路线性低压差稳压器相联接，经由直流输入电路的直流输入电压为+5.85～40V。

2.根据权利要求1所述的直流电源稳压变换器，其特征在于所述的直流输入电路为防输入反接及尖峰抑制电路。

3.根据权利要求1或2所述的直流电源稳压变换器，其特征在于所述的直流变换稳压输出电路包括有两路，一路经高频串联储能式开关稳压器接线性低压差稳压器，输出+3.3V电压；另一路通过双回路高频串联储能式开关稳压器与双回路线性低压差稳压器的输出端并接，输出+5V电压，并接的输出端同时与一双路输出变换器输入端连接，输出±12V两路电压。

4.根据权利要求3所述的直流电源稳压变换器，其特征在于当直流输入电压为+7.5～40V时，双回路线性低压差稳压器开路，由双回路高频串联储能式开关稳压器输出+5V电压；当直流输入电压为+5.85～7.5V时，通过自动转换电路的切换使双回路线性低压差稳压器接通输入电压，输出+5V电压，而双回路高频串联储能式开关稳压器被同时偏置。

5.根据权利要求3所述的直流电源稳压变换器，其特征在于所述的高频串联储能式开关稳压器由高频串联开关控制芯片(U₅)及其外围储能滤波电路构成，储能滤波电路包括输入端的第九滤波电容(C₉)、输出端的第六二极管(V₆)、第三电感(L₃)和第十电容(C₁₀)，高频串联开关控制芯片(U₅)外围还设有第八补偿电容(C₈)、第十一补偿电阻(R₁₁)、第十二反馈电阻(R₁₂)；其中第九滤波电容(C₉)与高频串联开关控制芯片(U₅)的输入端相并接，第八补偿电容(C₈)与第十一补偿电阻(R₁₁)串联后接入高频串联开关控制芯片(U₅)的补偿端，第六二极管(V₆)并接于高频串联开关控制芯片(U₅)的输出端，并与第三电感(L₃)和第十电容(C₁₀)组成的滤波电路相接；所述的线性低压差稳压器由线性低压差串联稳压控制芯片(U₆)和与线性低压差串联稳压控制芯片(U₆)输出端相并接的第十三负载电阻(R₁₃)、第十一输出滤波电容(C₁₁)构成。

6.根据权利要求3所述的直流电源稳压变换器，其特征在于所述的双回路高频串联储能式开关稳压器由两个并接的高频串联开关控制芯片(U1、U2)及其配置的储能滤波电路构成，其中第一高频串联开关控制芯片(U1)的外围电路由第一滤波电容(C₁)、第二补偿电容(C₂)、第七补偿电阻(R₇)、第八反馈电阻(R₈)以及第四二极管(V₄)、第一电感(L₁)组成，第二高频串联开关控制芯片(U₂)的外围电路由第五滤波电容(C₅)、第四补偿电容(C₄)、第九补偿电阻(R₉)、第十反馈电阻(R₁₀)以及第五二极管(V₅)、第二电感(L₂)组成，两芯片的输出口共接第三滤波电容(C₃)；其中第一滤波电容(C₁)、第五滤波电容(C₅)分别与第一高频串联开关控制芯片(U1)、第二高频串联开关控制芯片(U₂)的输入端相连，第二补偿电容(C₂)与第七补偿电阻(R₇)相串接连于第一高频串联开关控制芯片(U1)的反馈补偿端，且通过第八反馈电阻(R₈)与第一电感(L₁)的输出端相接，第一高频串联开关控制芯片(U1)的输出端与第四二极管(V₄)的阴极、第一电感(L₁)的输入端相连，第四二极管(V₄)的阳极与第一高频串联开关控制芯片(U1)的地端相连；第四补偿电容(C₄)与第九补偿电阻(R₉)相串接连于第二高频串联开关控制芯片(U2)的反馈补偿端，且通过第十反馈电阻(R₁₀)与第二电感(L₂)的输出端相接，第二高频串联开关控制芯片(U2)的输出端与第五二极管(V₅)的阴极、第二电感(L₂)的输入端相连，第五二极管(V₅)的阳极与第二高频串联开关控制芯片(U2)的地端相连；第一电感(L₁)的输出端与第二电感(L₂)的输出端并接后连接第三滤波电容(C₃)，并与+5V的正输出端、第七芯片(U₇)的正输入端相连；所述的双路输出变换器由第七芯片(U₇)和分别并接于第七芯片(U₇)的两个输出端口的第十二滤波电容(C₁₂)和第十三滤波电容(C₁₃)构成，输出+12V和-12V电压。

7.根据权利要求1或2所述的直流电源稳压变换器，其特征在于所述的输入电压实时监控电路由电压比较器(N₁)及其外围电路组成，外围电路包含提供稳定工作电压的第二稳压管(V₂)、提供基准电压的第三稳压管(V₃)及第一限流电阻(R₁)、第四限流电阻(R₄)、第二电阻(R₂)、第三电阻(R₃)两个分压电阻、第五反馈电阻(R₅)，所述的自动转换电路由驱动电路和小型继电器(J)构成，驱动电路包含三极管(V₈)和第七电容(C₇)、第六限流电阻(R₆)，其中电压比较器(N₁)的一个输入端口与第四限流电阻(R₄)和第三稳压管(V₃)相接端相连，电压比较器(N₁)的另一个输入端口与第二电阻(R₂)和第三电阻(R₃)连接端相接，且第二电阻(R₂)和第三电阻(R₃)相接的两端与第二稳压管(V₂)相跨接，电压比较器(N₁)的输出端接第五反馈电阻(R₅)、第七电容(C₇)和第六限流电阻(R₆)；电压比较器(N₁)的两个电源端口与第二稳压管(V₂)两端相接，第六限流电阻(R₆)与三极管(V₈)的基极连接，小型继电器(J)与第七二极管(V₇)相并接后串接于三极管(V₈)的集电极，小型继电器的触头串接于第三稳压控制芯片(U₃)的输入端。

8.根据权利要求3所述的直流电源稳压变换器，其特征在于双回路线性低压差稳压器由第三稳压控制芯片(U₃)和第四稳压控制芯片(U₄)两块线性低压差串联稳压控制芯片并接而成，其输入端接有共用的第六电容(C₆)，双回路线性低压差稳压器输出+5V电压，并与双路输出变换器的输入端相接。

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