CN101599698A - 一种微功率dc-dc电源及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种微功率DC－DC电源及其制造方法，其中所述电源包括：驱动控制电路接收输入电压，产生幅值相等，相位相差180°的两组脉宽调制PWM驱动波形，所述PWM驱动波形用于驱动与所述驱动控制电路连接的推挽变换电路中的推挽开关交替导通；所述推挽变换电路通过自身推挽开关的交替导通使所述功率输出变压器实现电压转换；所述功率输出变压器与输出整流电路相连，通过输出整流电路输出直流电压，不需要利用所述功率输出变压器磁芯的饱和特性来实现自激振荡电路翻转，所述功率输出变压器工作在不饱和状态，从而能够以最高的效率进行能量传递。

Description

一种微功率DC-DC电源及其制造方法

技术领域

本发明涉及电路控制技术领域，尤其涉及一种微功率DC-DC电源及其制造方法。

背景技术

微功率DC-DC模块电源以体积小、功率密度高、、效率高、可靠性高等诸多优点被广泛应用于以计算机为主导的各种工业控制设备、现场总线、仪器仪表、医疗设备、RS485/232等通信接口电路以及大功率电源的辅助电源等电子设备中，具有重要的应用价值，是当今电子信息产品飞速发展不可缺少的一种电源方式。尤其随着数据业务的快速发展和分布式电源***的不断推广，同时也推动了微功率低功耗DC-DC模块电源的飞速发展。但随着现代电子产品的市场竞争激烈，低成本、小型化以及便携式的发展需求明显，要求模块电源的效率高、体积更小、成本更低、加工周期更短。

目前常用微功率DC-DC模块电源的封装形式有灌封、塑封、包封等，常用的内部电路大都采用分立元件的Royar电路和Jensen电路。

Royar电路原理图如图1所示，其工作原理如下：输入电压时，经电阻Rb1、Rb2分压后，由电阻R1、R2为晶体管TR、TR2提供正向偏置电压，变压器T利用磁芯的饱和特性形成自激振荡和自驱动，能量经过变压器T1的原边输入绕组N1、N2绕组传递至副边输出绕组N3、N4，再经过二极管D1、D2整流后输出给负载，完成电压的转换输出。电路的自激振荡频率由变压器T的铁芯磁饱和程度和三极管集-射极间的电压决定。

从Royar电路的电路原理可以看出，电路特性要求变压器既要进行能量传递，又要利用磁芯的饱和特性形成自激振荡电路翻转，这样增加了磁芯的物理损耗，降低了变压器能量传输的效率。由于电路结构简单，电路性能参数难以实现均衡优化、转换效率相对较低，当输入电压较高时，变压器圈数较多，产品体积无法缩小，对磁芯尺寸要求较大，而且小磁芯都无法实现。

Jensen电路在Royar电路的基础上提出了将电路振荡翻转和功率传输分开由振荡变压器和主功率变压器分别实现。电路原理图如图2所示，其工作原理如下：输入电压时，由振荡变压器T1利用磁芯的饱和特性形成自激振荡频率，驱动晶体管的交替导通，而由主功率变压器T2将能量由输入端传至输出端，再通过二极管整流后输出给负载，实现电压的转换输出和电路的隔离。而变压器T2工作在不饱和状态，从而实现更高的能量传输效率至输出端。

发明人通过研究发现，Jensen电路提高了电路的转换效率，缩小了产品的体积，可能实现比较高的输入电压，可以方便的实现电路性能优化，但是电路结构较Royar电路稍复杂，增加了一个变压器，成本提高，装配工艺也相对较复杂，增加了产品的加工工序，降低了产品的生产加工效率，这些因素无形中影响着产品生产的品质稳定性。

此外，目前微功率DC-DC模块电源大都采用灌封的封装形式，其生产工艺方法如下：采用Royar电路或Jensen电路作为电源电路，首先将漆包线按双线并绕的方式将输入绕组和输出绕组均匀的缠绕在环型磁芯上，具体变压器的示意图如图3中所示。然后将电子元器件贴片到PCB板的相应焊盘位置上，在把变压器的输入、输出绕组以及反馈绕组按图3所示方法焊接在PCB板上，插上输入输出引脚端子后，将整个半成品装入一外壳中，并灌入一定的树脂，待树脂固化后，一个完整的产品制作完毕。这种生产工艺采用分立元件的自激推挽式电路，其电路工作频率相对较低，根据频率与变压器圈数成反比的关系，在相同截面积的条件下，则变压器需要更多的圈数才能满足要求，这样导致因为圈数多使得变压器的制作相对较为困难，半成品变压器的测试也很复杂，批量测试半成品变压器的性能有一定难度，又因为半成品装配过程中需要手工焊接，半成品变压器在灌封、测试等生产过程中容易断线，使成品的不良率升高、生产工序复杂，不能实现机械自动化生产，产品的品质受到影响。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种微功率DC-DC电源及其制造方法，使得本发明实施例所提供的电源结构简单、体积小巧，而且其加工工艺简单，可以实现机械自动化生产，产品的品质不会受到加工过程的影响。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种微功率DC-DC电源，包括：

驱动控制电路接收输入电压，产生幅值相等，相位相差180°的两组PWM驱动波形，所述PWM驱动波形用于驱动与所述驱动控制电路连接的推挽变换电路中的推挽开关交替导通；

所述推挽变换电路通过自身推挽开关的交替导通使所述功率输出变压器实现电压转换；

所述功率输出变压器与输出整流电路相连，通过输出整流电路输出直流电压。

所述驱动控制电路为一驱动控制芯片IC，所述推挽开关为两个MOS管，其中：

所述驱动控制IC的接地端接地，电源输出端通过去耦电容接地，电源输入端接入输入电压，第一PWM控制信号输出端和第二PWM控制信号输出端分别接到第二MOS管的栅极和第一MOS管的栅极，控制端与第一MOS管的源极和第二MOS管的源极相连，然后经第一电阻接地。

所述第二MOS管的漏极和所述第一MOS管的漏极分别连接所述功率输出变压器的第二绕组的同名端和第一绕组的异名端，所述功率输出变压器的第一绕组的同名端和第二绕组的异名端相连组成的公共抽头接输入电压正端。

所述功率输出变压器的第三绕组的同名端和第四绕组的异名端分别连接第一二极管和第二二极管的正极；

所述功率输出变压器第三绕组的异名端和第四绕组的同名端相连，接到输出电压的负端；

所述第一二极管的负极与所述第二二极管的负极相连后，接到输出电压的正端。

优选地，所述功率输出变压器副边具有至少一组由所述第三绕组和第四绕组组成的次级输出绕组。

优选地，所述电源还包括：

输入滤波电容，并接在输入电压和地之间。

优选地，所述电源还包括：

输出滤波电容，并接在输出电压的正负端之间。

优选地，所述电源还包括：

输出电阻，并接在输出电压的正负端之间。

优选地，所述电源还包括：

稳压电路，包括稳压器和输入、输出滤波电容，所述输入、输出滤波电容分别并联在所述稳压器的输入和输出电压的正负端之间；所述输出整流电路的输出电压的正端与所述稳压器的输入端相连，所述稳压器的输出电压作为所述微功率DC-DC电源的输出电压。

一种微功率DC-DC电源的制造方法，包括：

在由环形磁芯绕制的环形功率输出变压器的磁芯骨架中灌入树脂形成贴片式功率输出变压器；

将驱动控制电路、推挽变换电路以及输出整流电路的电子元器件和所述功率输出变压器贴片贴到PCB板的相应位置，并***输入输出引脚端子进行装配。

可见，在本发明实施例所提供的电源通过驱动控制电路接收输入电压，产生幅值相等，相位相差180°的两组PWM驱动波形，所述PWM驱动波形用于驱动与所述驱动控制电路连接的推挽变换电路中的推挽开关交替导通；所述推挽变换电路通过自身推挽开关的交替导通使所述功率输出变压器实现电压转换；所述功率输出变压器与输出整流电路相连，通过输出整流电路输出直流电压，不需要利用所述功率输出变压器磁芯的饱和特性来实现自激振荡电路翻转，所述功率输出变压器工作在不饱和状态，从而能够以最高的效率进行能量传递；同时，本发明实施例所提供的一种微功率DC-DC电源的制造方法使得环型变压器实现了贴片化，简化了生产工序，大大提高了生产效率，更好的保证了产品品质的稳定性。

附图说明

图1为现有技术中自激推挽式Royar电路变换器的原理图；

图2为现有技术中自激推挽式Jensen电路变换器的原理图；

图3为现有技术中DC-DC模块电源的加工示意图；

图4为本发明一实施例所提供的原理框图；

图5为本发明一实施例所提供的电源的电路原理图；

图6为本发明另一实施例所提供的电源的电路原理图；

图7为本发明一实施例所提供的电源贴片变压器的半剖底视图；

图8为本发明一实施例所提供的方法的加工示意图1；

图9为本发明另一实施例所提供的方法的加工示意图2。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种微功率DC-DC电源及其制造方法，为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

图4为基于本发明所提供装置的一实施例的结构图。

本发明一实施例所提供的微功率DC-DC电源包括驱动控制电路、推挽变换电路、功率输出变压器、输出整流电路组成。

所述驱动控制电路接收输入电压，产生幅值相等，相位相差180°的两组脉宽调制(PWM)驱动波形，所述PWM驱动波形用于驱动与所述驱动控制电路连接的推挽变换电路中的推挽开关交替导通；

所述推挽变换电路通过自身推挽开关的交替导通使所述功率输出变压器实现电压转换；

所述功率输出变压器与输出整流电路相连，通过输出整流电路输出直流电压。

优选地，在本发明的另一实施例中，为了保证输入电压的平滑稳定，在驱动电路的输入端可以并联一个输入滤波电容形成输入滤波电路。

优选地，在本发明的又一实施例中，为了保证输出电压的平滑稳定，可以在输出整流电路的输出端并联一个输出滤波电容形成输出滤波电路。

在本发明一实施例中，所述驱动控制电路由一款驱动控制芯片(IC)来实现，直接驱动、控制推挽变换电路。

在本发明一实施例中，所述推挽开关管采用一对共封装体的集成式MOS管。当输入电压时，驱动控制IC产生幅值相等，相位相差180°的两组PWM驱动波形，分别驱动所述推挽变换电路内集成式的两个MOS管交替导通，形成一定的开关频率。

功率输出变压器将能量从输入端传至输出端，实现电压的转换功能和输入输出的电气隔离。所述功率输出变压器T可以为由环行磁芯绕制、固定在一个磁芯骨架上的贴片型变压器。

下面，结合图5对本发明实施例所提供的装置做详细的说明。

图5所示的电源电路包括：输入滤波电路501、驱动控制电路502、推挽变换电路503、功率输入变压器504、输出整流电路505以及输出滤波电路506。其中，驱动控制电路502由驱动控制IC来实现，所示推挽开关管可以采用两个独立的MOS管，也可以采用一对共封装体的集成式MOS管。两者只是形式上的区别，功能上完全相同。图5中选用的是一对共封装体的集成式MOS管。

其中，各部分电路的连接具体为：

输入滤波电容C1连接于电压输入正端与输入地之间，对输入电压进行滤波。滤波后的输入电压Vin接入驱动控制IC的第3管管脚(Vin)，为驱动控制IC供电。驱动控制IC的第2管管脚(电源输出端Vout)输出一个稳定的电压作为驱动控制IC内部电路供电电源。去耦电容C3并接在Vout和GND端，用于减少因输入电压的变化所带来的噪声。驱动控制IC的第1管脚(接地端GND)接地。驱动控制IC的第4管管脚(第一PWM控制信号输出端D1)和第6管脚(第二PWM控制信号输出端D2)分别接到第二MOS管栅极(即该集成式MOS管的第3管脚G2)和第一MOS管的栅极(即该集成式MOS管的第1管脚G1)，驱动控制IC的第5管脚控制端(控制端CS)与第一MOS管的源极(即该集成式MOS管的第2管脚S1)和第二MOS管的源极(即该集成式MOS管的第5管脚S2)相连，然后经电阻R1接地；所述第二MOS管的漏极(即该集成式MOS管的第4管脚D2)和所述第一MOS管的漏极(即该集成式MOS管的第6管脚D1)分别连接变压器的第二绕组(N2)的同名端和第一绕组(N1)的异名端；变压器的第一绕组的同名端和第二绕组的异名端相连组成的公共抽头P1接输入电压正端；变压器的第三绕组(N3)的同名端和第四绕组(N4)的异名端分别连接二极管D1和D2的正极；变压器第三绕组(N3)的异名端和第四绕组(N4)的同名端相连，接到输出电压Vo的负端；二极管D1、D2的负极相连，接到输出电压Vo的正端；输出电容C2并接在输出电压的正负端。

图5所示的电路图的工作原理为：输入电压经第一电容C1滤波后接入驱动控制IC的Vin端，为驱动控制IC供电，驱动控制IC将会从第4管脚(D2)和第6管脚(D1)输出两组幅值相等，相位相差180°的两组PWM驱动波形，分别驱动两个主功率MOS管。由于驱动控制IC所输出PWM波形在相位上相差180°，两个功率MOS开关管交替地导通与截止，即：

当第一MOS管导通时，输入电压Vin加到第一绕组N1上，所有同名端“·”电位为正，第二MOS管的漏极D2由于变压器的耦合作用承受2Vin的电压。副边绕组第三绕组同名端电压为正，经二极管D1整流后、C2滤波后，电流输出到负载上；当第一MOS关断、第二MOS管开始导通时，由于能量的存储和漏电感的原因，第一MOS管漏极电压升高，通过变压器耦合，第二MOS管的漏极电压下降。此时变压器上的电压开始反向，变压器副边第四绕组异名端为正，经二极管D2整流、C2滤波后输出到负载。

由功率变压器T将能量由输入端传至输出端，实现电压的转换以及输入输出的电气隔离。

由于采用集成控制IC作为驱动控制电路，使本发明实施例所提供的微功率DC-DC电源具有了短路保护功能；同时，所述集成式MOS管的开关频率由驱动控制IC输出的PWM波形的频率决定。因为驱动控制IC输出的PWM波形周期小，频率高，使整个电路的工作频率高。由电路工作频率与变压器圈数和磁芯截面积成反比的关系可知，截面积相同的情况下，由于本发明实施例所提供的变压器工作时的频率高，使变压器的圈数可以大大减少，这样就减小了生产加工工艺难度，同时可以缩小磁芯的截面积，进而使得磁芯体积也可以大大减小，这样就可以缩小产品的体积；而且对于同样尺寸的磁芯，本发明实施例可以设计出更高的输入电压要求的产品。

同时，由于集成式MOS管的通态电阻比普通三极管小很多，从而使本发明实施例所提供的电源与现有的Jensen电路或Royar电路相比，整体效率有了很大的提高。

当输出端短路时，MOS管的漏源电流I_DS急剧增大，使感应电阻上的电压降达到开启IC保护功能的阀值电压时，IC自动调节占空比，电路进入保护状态，从而实现了输出短路保护功能。

从上面的分析可知，通过对电路中电子元器件的性能参数进行优化匹配，便可方便的实现电路工作性能的最优化，达到提高电路转换效率，缩小产品体积的目的。

图6为本发明另一实施例所提供的微功率DC-DC电源的电路原理图，图6所示的实施例中的电路与图5所示的实施例中的电路基本相同，不同之处在于图6所示的电路中，在输出整流电路和输出滤波电路之间串接了稳压回路，具体为：整流二极管D1、D2的阳极分别接功率变压器副边绕组的两端，整流二极管D1、D2的阴极连接在一起，功率变压器的副边绕组的中心抽头连接到输出电压的负端(Vo-)，输入滤波电容C3的一端连接到整流二极管D1、D2的公共阴极端，另一端连接变压器副边抽头P2，经滤波电容输入C3滤波后的输出电压接入稳压器的第1引脚(输入端Vin)，稳压器的第2引脚(接地端Gnd)与输出电压的负端(Vo-)相连，稳压器的第3引脚(输出端Vout)连接到输出电压的正端(Vo+)，输出滤波电容C2并接在经稳压器稳压后的输出电压的正负端。稳压器可以是普通线形稳压器，也可以是LDO(低压差稳压器)。由于稳压器的性能稳定，稳压效果好，在经过稳压器稳压后，可提高产品输出电压的稳定性，提高输出电压的精度，减小输出纹波，改善输出性能。

优选地，同样还可以在功率输出变压器的副边增加另一组次级输出绕组，同样在该输出绕组上连接与上述实施例相同的输出整流滤波电路和输出稳压回路，作为另一路输出回路，即可实现两路隔离输出的稳压电源。

优选地，在实际应用中，可以根据实际需要在所述功率输出变压器的副边增加次级输出绕组，例如在副边增加两组或者三组次级输出绕组等等。同样在每组所述次级输出绕组上连接与上述实施例相同的输出整流滤波电路和输出稳压回路，作为另一路输出回路，即可实现多路隔离输出的稳压电源。

与微功率DC-DC电源相对应，本发明实施例还提供一种制作微功率DC-DC电源方法，该方法包括：

步骤S1：制作贴片变压器。

如图7所示，所述贴片变压器的制作步骤具体为：

首先按变压器输入、输出四个绕组(N1、N2、N3、N4)将漆包线缠绕在环型磁芯上，然后将缠绕好的环型变压器置于方型磁芯骨架中，并把环型变压器对应的输入输出引线分别连接到骨架对应的引脚上，并在磁芯骨架中灌入一定树脂待其固化后，一个完整的贴片变压器制作完毕。

步骤S2：产品组装。

如图8和图9所示，所述产品组装过程包括：

先将电子元器件和贴片变压器贴到PCB板的相应的焊盘位置，***输入输出引脚端子。最后，整个产品的装配完毕，去除引脚连筋，就制成了一个开放式的微功率DC-DC模块电源产品。

由于环型变压器实现了贴片化，使变压器的测试方便了很多，所有电子元器件都采用表面贴装(SMT)技术，可全部实现机械化操作，减少了人为因素的影响，最重要的是简化了生产工序，大大提高了生产效率，更好的保证了产品品质的稳定性。

同时，因为整个产品无须封装，节约了塑料外壳和灌封料树脂等原材料成本，达到更高的环保要求。

本发明实施例所提供的方法制造的微功率DC-DC电源可形成具有单列直插引脚(SIP)、双列直插引脚(DIP)和双排表面贴装式(SMD)的开放式DC-DC模块电源产品。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种微功率DC-DC电源，其特征在于，包括：

驱动控制电路接收输入电压，产生幅值相等，相位相差180°的两组脉宽调制PWM驱动波形，所述PWM驱动波形用于驱动与所述驱动控制电路连接的推挽变换电路中的推挽开关交替导通；

所述推挽变换电路通过自身推挽开关的交替导通使所述功率输出变压器实现电压转换；

所述功率输出变压器与输出整流电路相连，通过输出整流电路输出直流电压。

2、根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述驱动控制电路为一集成驱动控制芯片IC，所述推挽开关为两个MOS管，其中：

所述驱动控制IC的接地端接地，电源输出端通过去耦电容接地，电源输入端接入输入电压，第一PWM控制信号输出端和第二PWM控制信号输出端分别接到第二MOS管的栅极和第一MOS管的栅极，控制端与第一MOS管的源极和第二MOS管的源极相连，然后经第一电阻接地。

3、根据权利要求2所述的电源，其特征在于，

所述第二MOS管的漏极和所述第一MOS管的漏极分别连接所述功率输出变压器的第二绕组的同名端和第一绕组的异名端，所述功率输出变压器的第一绕组的同名端和第二绕组的异名端相连组成的公共抽头接输入电压正端。

4、根据权利要求3所述的电源，其特征在于，

所述功率输出变压器的第三绕组的同名端和第四绕组的异名端分别连接第一二极管和第二二极管的正极；

所述功率输出变压器第三绕组的异名端和第四绕组的同名端相连，接到输出电压的负端；

所述第一二极管的负极与所述第二二极管的负极相连后，接到输出电压的正端。

5、根据权利要求4所述的电源，其特征在于，所述功率输出变压器的副边具有至少一组由所述第三绕组和第四绕组组成的次级输出绕组。

6、根据权利要求1～5任意一项所述的电源，其特征在于，还包括：

输入滤波电容，并接在输入电压和地之间。

7、根据权利要求1～5任意一项所述的电源，其特征在于，还包括：

输出滤波电容，并接在输出电压的正负端之间。

8、根据权利要求1～5任意一项所述的电源，其特征在于，还包括：

输出电阻，并接在输出电压的正负端之间。

9、根据权利要求1～4任意一项所述的电源，其特征在于，还包括：

稳压电路，包括稳压器和输入、输出滤波电容，所述输入、输出滤波电容分别并联在所述稳压器的输入和输出电压的正负端之间；所述输出整流电路的输出电压的正端与所述稳压器的输入端相连，所述稳压器的输出电压作为所述微功率DC-DC电源的输出电压。

10、一种微功率DC-DC电源的制造方法，其特征在于，包括：

在由环形磁芯绕制的环形功率输出变压器的磁芯骨架中灌入树脂形成贴片式功率输出变压器；

将驱动控制电路、推挽变换电路以及输出整流电路的电子元器件和所述功率输出变压器贴片贴到PCB板的相应位置，并***输入输出引脚端子进行装配。

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