CN104143908B - 热平衡转换电路 - Google Patents

Abstract

一种热平衡转换电路，用于将外部电源直流电压转换成负载所需的驱动电压，热平衡转换电路包括电压转换电路、温度侦测电路、脉冲宽度调制控制器、信号整合控制器。电压转换电路包括多个电压转换单元，每一电压转换单元用于将外部电源直流电压转换为驱动电压。温度侦测电路包括多个温度侦测单元，用于分别侦测多个电压转换单元的温度。脉冲宽度调制控制器用于根据每一电压转换单元对应输出多个相位不同的脉冲宽度调制信号。信号整合控制器用于控制每一电压转换单元进行电压转换。上述热平衡转换电路通过侦测各电压转换单元的温度，以控制各电压转换单元的工作状态，从而实现各回路达到温度平衡，降低功率损耗。

Description

热平衡转换电路

技术领域

本发明涉及热平衡电路，尤其涉及一种多相位热平衡转换电路。

背景技术

当前，多相位高功率电源主要运用于高功率产品中，然而由于外界环境因素或电源线路布局导致电源各回路风流与散热不均，会造成某回路发热严重，其功率损耗相当大。因此，急需一种改进的技术方案来克服上述缺点。

发明内容

有鉴于此，需提供一种热平衡转换电路，其能使各回路达到温度平衡，降低功率损耗。

本发明一实施方式提供一种热平衡转换电路，用于将外部电源的直流电压转换成负载所需的驱动电压，所述热平衡转换电路包括电压转换电路、温度侦测电路、脉冲宽度调制控制器、信号整合控制器。电压转换电路电性连接于所述外部电源与所述负载之间，包括多个电压转换单元，每一电压转换单元用于将所述外部电源直流电压转换为驱动电压，以驱动所述负载。温度侦测电路包括多个温度侦测单元，所述多个温度侦测单元分别用于侦测所述多个电压转换单元的温度。脉冲宽度调制控制器，用于根据每一电压转换单元对应输出多个相位不同的脉冲宽度调制信号。信号整合控制器电性连接于所述温度侦测电路、所述脉冲宽度调制控制器及所述电压转换电路，用于根据每一温度侦测单元侦测的温度产生对应的电压转换单元的温度侦测信号，比较所述多个温度侦测信号并找出最大值及最小值，以将单位周期内最大值对应的电压转换单元的脉冲宽度调制信号转移至最小值对应的电压转换单元的脉冲宽度调制信号，以控制每一所述电压转换单元进行电压转换。其中，所述电压转换电路根据所述信号整合控制器输出的多个脉冲宽度调制信号将所述外部电源的直流电压进行转换并输出所述驱动电压。

优选地，所述电压转换电路还用于电性连接所述脉冲宽度调制控制器，所述脉冲宽度调制控制器还根据所述多个电压转换单元输出的驱动电压调节输出的多个脉冲宽度调制信号的占空比，以调节每一电压转换单元输出的驱动电压。

优选地，所述信号整合控制器还用于判断所述多个温度侦测信号是否大于预设值，并在所述多个温度侦测信号不大于预设值时，将所述脉冲宽度调制控制器输出的多个相位不同的脉冲宽度调制信号传送至对应的电压转换单元，以控制每一所述电压转换单元进行电压转换。

优选地，所述信号整合控制器在所述多个温度侦测信号其中的一个或多个大于预设值时，对所述多个温度侦测信号进行比较以找出所述多个温度侦测信号的最大值与最小值。

优选地，每一电压转换单元均包括压变电路、滤波电路。压变电路用于将所述外部电源输出的直流电压进行电压转换。滤波电路用于对转换后的电压进行滤波，以得到所述驱动电压。

优选地，所述压变电路包括第一开关、第二开关、电感。第一开关包括第一端、第二端及第三端，所述第一端电性连接于所述信号整合控制器，所述第二端电性连接于所述外部电源，所述第三端电性连接于所述负载。第二开关包括第一端、第二端及第三端，所述第一端电性连接于所述信号整合控制器，所述第二端电性连接于所述第一开关与所述负载的公共端，所述第三端接地。电感电性连接于所述第一开关的第三端与所述负载之间。

优选地，所述滤波电路包括第一电容、第二电容。第一电容一端电性连接于所述电感与所述负载的公共端，另一端接地。第二电容一端电性连接于所述电感与所述负载的公共端，另一端接地。

优选地，每一温度侦测单元用于侦测所述第一开关、第二开关及电感的温度。

优选地，所述信号整合控制器根据所述第一开关、第二开关及电感的温度计算得出一均值温度，以根据所述均值温度产生对应的电压转换单元的温度侦测信号。

优选地，每一温度侦测单元包括三个温度传感器，用于分别侦测所述第一开关、所述第二开关、所述电感的温度。

上述热平衡转换电路通过侦测各电压转换单元的温度，以控制各电压转换单元的工作状态，从而实现各回路达到温度平衡，降低功率损耗。

附图说明

图1为本发明热平衡转换电路一实施方式的模块图。

图2为本发明热平衡转换电路一实施方式的电路图。

图3为本发明一实施方式中脉冲宽度调制信号的波形图。

图4为本发明一实施方式中经过信号整合控制器调整后的脉冲宽度调制信号的波形图。

主要元件符号说明

外部电源 10

热平衡转换电路 20

电压转换电路 202

电压转换单元 202a、202b

温度侦测电路 204

温度侦测单元 204a、204b

脉冲宽度调制控制器 206

信号整合控制器 208

负载 30

第一开关 Q1、Q3

第二开关 Q2、Q4

电感 L1、L2

第一电容 C1、C3

第二电容 C2、C4

温度传感器 RT1、RT2、RT3、RT4、RT5、

RT6

脉冲宽度调制信号 PWM1、PWM2、PWM3、

PWM4

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

图1为本发明热平衡转换电路20一实施方式的模块图，用于将外部电源10直流电压转换成负载30所需的驱动电压。在本实施方式中，热平衡转换电路20包括电压转换电路202、温度侦测电路204、脉冲宽度调制控制器206及信号整合控制器208。

在本实施方式中，电压转换电路202电性连接于外部电源10与负载30之间，包括多个电压转换单元202a、202b，每一电压转换单元202a、202b将外部电源10输出的直流电压转换为驱动电压，以驱动负载30。温度侦测电路204包括多个温度侦测单元204a、204b，每一温度侦测单元204a、204b侦测每一电压转换单元202a、202b的温度。脉冲宽度调制控制器206根据每一电压转换单元202a、202b对应输出多个相位不同的脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4。信号整合控制器208电性连接于温度侦测电路204、脉冲宽度调制控制器206及电压转换电路202，根据每一温度侦测单元204a、204b侦测的温度产生对应的电压转换单元202a、202b的温度侦测信号，比较多个温度侦测信号并找出最大值及最小值，以将单位周期内最大值对应的电压转换单元202b的脉冲宽度调制信号PWM3、PWM4转移至最小值对应的电压转换单元202a的脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2上，以控制每一电压转换单元202a、202b进行电压转换。电压转换电路202根据信号整合控制器208输出的多个脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4将外部电源10直流电压进行转换并输出驱动电压。

作为对本发明一实施方式的进一步改进，电压转换电路202还电性连接脉冲宽度调制控制器206，脉冲宽度调制控制器206还根据多个电压转换单元202a、202b输出的驱动电压调节输出的多个脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4的占空比，以调节每一电压转换单元202a、202b输出的驱动电压。

作为对本发明一实施方式的进一步改进，信号整合控制器208还用于判断多个温度侦测信号是否大于预设值，并在多个温度侦测信号不大于预设值时，将脉冲宽度调制控制器206输出的多个相位不同的脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4传送至对应的电压转换单元202a、202b，以控制每一电压转换单元202a、202b进行电压转换。在多个温度侦测信号大于预设值时，对多个温度侦测信号进行比较以找出多个温度侦测信号的最大值与最小值，以将单位周期内最大值对应的电压转换单元202b的脉冲宽度调制信号PWM3、PWM4转移至最小值对应的电压转换单元202a的脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2上，以控制每一电压转换单元202a、202b进行电压转换。

图2为本发明热平衡转换电路20一实施方式的电路图。在本实施方式中，电压转换电路202包括多个电压转换单元202a、202b(在本实施方式中，仅以两个为例，但是不以两个为限，可以包含多于两个电压转换单元)，每一电压转换单元202a、202b之间的电路图与工作原理相似。故以下将以电压转换单元202a做详细介绍。电压转换单元202a包括第一开关Q1、第二开关Q2、电感L1、第一电容C1、第二电容C2。第一开关Q1包括第一端、第二端及第三端，第一开关Q1的第一端电性连接于信号整合控制器208，第一开关Q1的第二端电性连接于外部电源10，第一开关Q1的第三端电性连接于负载30。第二开关Q2包括第一端、第二端及第三端，第二开关Q2的第一端电性连接于信号整合控制器208，第二开关Q2的第二端电性连接于第一开关Q1与负载30的公共端，第二开关Q2的第三端接地。电感L1电性连接于第一开关Q1的第三端与负载30之间。第一电容C1一端电性连接于电感L1与负载30的公共端，另一端接地。第二电容C2一端电性连接于电感L1与负载30的公共端，另一端接地。第一开关Q1、第二开关Q2及电感L1构成压变电路，将外部电源10输出的直流电压进行电压转换。第一电容C1及第二电容C2构成滤波电路，对转换后的电压进行滤波以得到驱动电压，从而驱动负载30。在本实施方式中，当第一开关Q1导通时，第二开关Q2截止，电感L1进行储能，此时外部电源10输出的直流电压通过第一开关Q1、电感L、第一电容C1及第二电容C2传送至负载30，当第二开关Q2导通时，第一开关Q1截止，电感L1放电，此时电感L1的感应电压通过第二开关Q2、第一电容C1及第二电容C2传送至负载30。

需要注意的是，每一电压转换单元202a、202b输出的驱动电压的电压值相等但相位不同。在本实施方式中，电压转换电路202以两个电压转换单元202a、202b为例，故每一电压转换单元202a、202b输出的驱动电压相位差为(360/2=180)度。若电压转换电路202包括三个电压转换单元202a、202b，每一电压转换单元202a、202b输出的驱动电压相位差应为(360/3=120)度，以此类推，若电压转换电路202包括四个电压转换单元202a、202b，每一电压转换单元202a、202b输出的驱动电压相位差应为(360/4=90)度。

举例而言，第一开关Q1为N型金属氧化物半导体场效应管，第一开关Q1的第一端为栅极，第一开关Q1的第二端为漏极，第一开关Q1的第三端为源极。第二开关Q2为N型金属氧化物半导体场效应管，第二开关Q2的第一端为栅极，第二开关Q2的第二端为漏极，第二开关Q2的第三端为源极。在其他实施例中，第一开关Q1及第二开关Q2也可以为P型金属氧化物半导体场效应管或晶体三极管。

在本实施方式中，温度侦测电路204包括多个温度侦测单元204a、204b，在本实施方式中，温度侦测单元204a、204b的数量与电压转换单元202a、202b的数量相对应，因在本实施方式中电压转换单元202a、202b以两个为例，故温度侦测单元204a、204b亦为2个。每一温度侦测单元204a、204b对应侦测每一电压转换单元202a、202b的温度。每一温度侦测单元204a、204b之间的电路图与工作原理相似。故以下将以温度侦测单元204a做详细介绍。温度侦测单元204a设于电压转换单元202a处，用于侦测电压转换单元202a主要发热元器件的温度。在本实施方式中温度侦测单元204a分别侦测第一开关Q1、第二开关Q2、电感L1的温度，温度侦测单元204a包括三个温度传感器RT1、RT2、RT3，每一温度传感器RT1、RT2、RT3用于对应侦测第一开关Q1、第二开关Q2、电感L1的温度。温度传感器RT1、RT2、RT3可以为热敏电阻、热电偶、热敏二极管的任意一种，也可以为其他类型的温度传感器件。

在本实施方式中，脉冲宽度调制控制器206根据多个电压转换单元202a、202b输出多个相位不同的脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4，脉冲宽度调制控制器206输出的脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4的数量与电压转换电路202所包含的开关数量相对应，每一脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4用于控制每一个开关的导通与断开。在本实施方式中，脉冲宽度调制控制器206输出4个相位不同的脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4，其波形如图3所示。为了使得每一电压转换单元202a、202b输出的电压相等，脉冲宽度调制信号PWM1的占空比与脉冲宽度调制信号PWM3的占空比相同，脉冲宽度调制信号PWM2的占空比与脉冲宽度调制信号PWM4的占空比相同。

需要注意的是，脉冲宽度调制控制器206还根据多个电压转换单元202a、202b输出的驱动电压进行微调节输出的多个相位不同的脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4的占空比，从而保证电压转换单元202a、202b输出的驱动电压处于稳定状态。

在本实施方式中，信号整合控制器208接收多个温度侦测单元204a、204b侦测的温度及脉冲宽度调制控制器206输出的多个相位不同的脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4。在本实施方式中，信号整合控制器208接收温度传感器RT1、RT2、RT3、RT4、RT5、RT6所侦测的温度。信号整合控制器208对温度传感器RT1、RT2、RT3侦测的温度进行运算并得到均值温度，根据该均值温度产生与电压转换单元202a对应的温度侦测信号，同样对温度传感器RT4、RT5、RT6侦测的温度进行运算并得到均值温度，根据该均值温度产生与电压转换单元202b对应的温度侦测信号，在本实施方式中，其均值温度越高，产生的温度侦测信号值越大。在本实施方式中，热平衡转换电路20处于正常工作模式时，亦即信号整合控制器208判断多个温度侦测信号均不大于预设值时，信号整合控制器208将从脉冲宽度调制控制器206接收到的多个相位不同的脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4传送至多个电压转换单元202a、202b，以控制第一开关Q1、Q3及第二开关Q2、Q4轮流导通。换言之，信号整合控制器208控制第一开关Q1导通，第二开关Q2、Q4及第一开关Q3均处于截止状态；信号整合控制器208控制第二开关Q2导通，第二开关Q4及第一开关Q1、Q3均处于截止状态；信号整合控制器208控制第一开关Q3导通，第二开关Q2、Q4及第一开关Q1均处于截止状态；信号整合控制器208控制第二开关Q4导通，第二开关Q2及第一开关Q1、Q3均处于截止状态；第一开关Q1、Q3及第二开关Q2、Q4重复上述动作。在本实施方式中，信号整合控制器208可以为中央处理器，在其他实施方式中，信号整合控制器208也可以为微控制单元、单片机等具有数据处理功能之芯片。

需要注意的是，热平衡转换电路工作一个周期即为第一开关Q1、Q3及第二开关Q2、Q4轮流导通一次。

当热平衡转换电路20处于热平衡调节模式时，亦即信号整合控制器208判断多个温度侦测信号存在有大于预设值时，可以是一个或一个以上。信号整合控制器208比较多个温度侦测信号并找出最大值及最小值，将单位周期内最大值对应的电压转换单元202b的脉冲宽度调制信号PWM3、PWM4转移至最小值对应的电压转换单元202a的脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2上，从而使得在该单位周期内，最小值对应的电压转换单元202a替代最大值对应的电压转换单元202b进行电压转换。如图4所示，为经过信号整合控制器208调整的多个脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4的波形图，在本实施方式中，电压转换电路202以两个电压转换单元202a、202b为例，脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2传送至电压转换单元202a、脉冲宽度调制信号PWM3、PWM4传送至电压转换单元202b。在开始两周期的电压转换中，热平衡转换电路20处于正常工作模式，电压转换单元202a、202b轮流处于工作状态，输出驱动电压相位差为180度。当热平衡转换电路20进入第三周期的电压转换时，亦即PWM1处于T13、PWM2处于T23时，信号整合控制器208侦测到多个温度侦测信号存在有大于预设值，亦即存在一个或一个以上的电压转换单元202a、202b超过温度上限，且此时电压转换单元202b的温度大于电压转换单元202a的温度，信号整合控制器208将当前周期PWM3对应的T33取消并让PWM1在该相位节点上产生一T33，亦即将PWM3对应的T33波形转移至PWM1；同时信号整合控制器208将当前周期PWM4对应的T43取消并让PWM2在该相位节点上产生一T43，亦即将PWM4对应的T43波形转移至PWM2，从而实现在第三周期的电压转换时，电压转换单元202a代替电压转换单元202b进行电压转换，使得电压转换单元202a一直处于工作状态，而电压转换单元202b处于暂停工作状态，进而电压转换单元202a的温度升高，电压转换单元202b的温度降低，从而使得电压转换单元202a的温度与电压转换单元202b的温度趋近于热平衡状态。当热平衡转换电路20进入第四周期的电压转换，信号整合控制器208重新进行判断，故此不再详述。

需要注意的是，在本实施方式中，电压转换电路202包括两个电压转换单元202a、202b，对于三个或三个以上的电压转换单元202a、202b，其工作原理与两个电压转换单元202a、202b相似，当信号整合控制器208判断不大于预设值时，每一电压转换单元202a、202b轮流导通，其输出的驱动电压相位差为360/n（n为电压转换电路202包含的电压转换单元202a、202b的数量），当信号整合控制器208判断多个温度侦测信号存在有大于预设值时，信号整合控制器208比较多个温度侦测信号并找出最大值及最小值，将单位周期内最大值对应的电压转换单元202b的脉冲宽度调制信号PWM3、PWM4转移至最小值对应的电压转换单元202a的脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2上，从而使得在该单位周期内，最小值对应的电压转换单元202a替代最大值对应的电压转换单元202b进行电压转换，同时由于热平衡转换电路20的开关频率一般为20kHZ-100kHZ，其单位周期时间很短，其在1s时间内可以进行千次以上的热平衡调节，进而使得每一电压转换单元202a、202b的温度趋近于热平衡状态。

上述热平衡转换电路通过侦测各电压转换单元的温度，以控制各电压转换单元的工作状态，从而实现各回路达到温度平衡，降低功率损耗。

Claims (8)

1.一种热平衡转换电路，用于将外部电源的直流电压转换成负载所需的驱动电压，其特征在于，所述热平衡转换电路包括：

电压转换电路，用于电性连接于所述外部电源与所述负载之间，包括多个电压转换单元，每一电压转换单元用于将所述外部电源的直流电压转换为驱动电压，以驱动所述负载；

温度侦测电路，包括多个温度侦测单元，所述多个温度侦测单元分别用于侦测所述多个电压转换单元的温度；

脉冲宽度调制控制器，用于根据每一电压转换单元对应输出多个相位不同的脉冲宽度调制信号；及

信号整合控制器，用于电性连接于所述温度侦测电路、所述脉冲宽度调制控制器及所述电压转换电路，用于根据每一温度侦测单元侦测的温度产生对应的电压转换单元的温度侦测信号，比较所述多个温度侦测信号并找出最大值及最小值，以将单位周期内最大值对应的电压转换单元的脉冲宽度调制信号转移至最小值对应的电压转换单元的脉冲宽度调制信号上，以使最小值对应的电压转换单元替代最大值对应的电压转换单元进行电压转换；

其中，所述电压转换电路根据所述信号整合控制器输出的多个脉冲宽度调制信号将所述外部电源的直流电压进行转换并输出所述驱动电压。

2.如权利要求1所述的热平衡转换电路，其特征在于，所述电压转换电路还用于电性连接所述脉冲宽度调制控制器，所述脉冲宽度调制控制器还根据所述多个电压转换单元输出的驱动电压调节输出的多个脉冲宽度调制信号的占空比，以调节每一电压转换单元输出的驱动电压。

3.如权利要求1所述的热平衡转换电路，其特征在于，每一电压转换单元均包括：

压变电路，用于将所述外部电源输出的直流电压进行电压转换；及

滤波电路，用于对转换后的电压进行滤波，以得到所述驱动电压。

4.如权利要求3所述的热平衡转换电路，其特征在于，所述压变电路包括：

第一开关，包括第一端、第二端及第三端，所述第一端电性连接于所述信号整合控制器，所述第二端电性连接于所述外部电源，所述第三端电性连接于所述负载；

第二开关，包括第一端、第二端及第三端，所述第一端电性连接于所述信号整合控制器，所述第二端电性连接于所述第一开关与所述负载的公共端，所述第三端接地；及

电感，电性连接于所述第一开关的第三端与所述负载之间。

5.如权利要求4所述的热平衡转换电路，其特征在于，所述滤波电路包括：

第一电容，一端电性连接于所述电感与所述负载的公共端，另一端接地；及

第二电容，一端电性连接于所述电感与所述负载的公共端，另一端接地。

6.如权利要求4所述的热平衡转换电路，其特征在于，每一温度侦测单元用于侦测所述第一开关、第二开关及电感的温度。

7.如权利要求6所述的热平衡转换电路，其特征在于，所述信号整合控制器根据所述第一开关、所述第二开关及所述电感的温度计算得出均值温度，以根据所述均值温度产生对应的电压转换单元的温度侦测信号。

8.如权利要求6所述的热平衡转换电路，其特征在于，每一温度侦测单元包括三个温度传感器，用于分别侦测所述第一开关、所述第二开关、所述电感的温度。