CN105553286B - 自适应低噪声dcdc隔离电源 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自适应低噪声DCDC隔离电源，包括变压器隔离单元，所述变压器隔离单元包括原边线圈与副边线圈，还包括电压衰减单元、控制单元和开关管驱动单元；所述电压衰减单元用以自所述原边线圈所处的变压器回路获得电压信号，对其进行衰减后反馈至所述控制单元；所述控制单元用以依据所述电压衰减单元反馈的信号进行判断，若该电压信号显示所述原边线圈所处变压器回路处于振铃状态，则依据振铃的变化，输出相应频率的PWM信号至所述开关管驱动单元，使得所述开关管驱动单元依据所述PWM信号导通所述原边线圈工作。
Description
技术领域
本发明涉及高精密测量仪器的供电领域，尤其涉及一种自适应低噪声DCDC隔离电源。
背景技术
传统的DCDC隔离电源都是通过改变开关的频率来达到稳压的作用，没有过多的考虑开关噪声的抑制。
现阶段的DCDC隔离电源已经比较成熟，但大部分的应用场合，对噪声要求不是很高，而在测量仪器中，对噪声的需求较高，要求将噪声控制的很低，本发明可控制开关噪声峰值在100uV以内，主要可以适应在隔离变压器电感值一致性差，负载发生变化，器件老化的情况下，电源可以自动将噪声水平调到极低状态。一般的DCDC电源如图1所示，推挽变压器T的驱动开关K1,K2的开关频率定值，电路设计完成就固定不变。变压器原副边的的电压波形有振铃，并且振铃的大小与开关频率有关
当K1，K2开关闭合与打开时，由于回路电流的瞬间变化导致电压的振铃现象存在，继而感应到副边线圈产生振铃现象，振铃存在使得输出U0的噪声存在如图2所示，输出电压存在振铃形式的开关噪声。在副边的整流电路中二极管D1、D2的导通和截止也会产生振铃形式的开关噪声。
如图3所示，当***达到最佳状态时，回路的电压上升或者下降比较缓慢，不存在振铃形式的开关噪声。
电源源输出为如图4所示，噪声峰峰值优于100uV。
当***参数发生变化时，例如变压器感值发生变化，开关已有的频率会使得开关电压波形发生变化。如图5所示在开关管打开或者闭合时，回路电压存在振铃现象，从而导致电源输出存在较大的噪声，如图6所示。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何抑制振铃现象。
为了解决这一技术问题，本发明提供了一种自适应低噪声DCDC隔离电源，包括变压器隔离单元，所述变压器隔离单元包括原边线圈与副边线圈，还包括电压衰减单元、控制单元和开关管驱动单元；
所述电压衰减单元用以自所述原边线圈所处的变压器回路获得电压信号，对其进行衰减后反馈至所述控制单元；
所述控制单元用以依据所述电压衰减单元反馈的信号进行判断，若该电压信号显示所述原边线圈所处变压器回路处于振铃状态，则依据振铃的变化，输出相应频率的PWM信号至所述开关管驱动单元，使得所述开关管驱动单元依据所述PWM信号导通所述原边线圈工作。
可选的，所述开关管驱动单元包括导通所述原边线圈工作的驱动开关，所述驱动开关根据所述PWM信号导通所述原边线圈工作。
可选的，所述原边线圈的数量为两个，分别为第一原边线圈与第二原边线圈，所述驱动开关的数量为两个，分别为导通所述第一原边线圈工作的第一驱动开关和导通所述第二原边线圈工作的第二驱动开关，所述第一驱动开关与第二驱动开关根据所述PWM信号交替导通所述第一原边线圈和第二原边线圈产生电流。
可选的，所述开关管驱动单元还包括反相器电路，所述第一驱动开关依据经PWM信号导通所述第一原边线圈，所述第二驱动开关依据所述反相电路反相后的PWM信号导通所述第一原边线圈。
可选的，所述开关管驱动单元还包括延迟电路，所述延迟电路的数量与所述驱动开关的数量匹配，所述延迟电路用以接收所述PWM信号或反相后的PWM信号，经延迟后驱动所述驱动开关工作。
可选的，所述延迟电路包括与非门/与门电路，所述PWM信号或反相后的PWM信号自所述与非门/与门电路的第一输入端输入；所述与非门/与门电路的第二输入端通过电容接参考地，且所述PWM信号或反相后的PWM信号的电流传至该电容，所述与非门/与门电路的输出端连接对应的所述驱动开关。
可选的，所述电压衰减单元采用差动输入电压放大器电路对采集的电压进行衰减后反馈至所述控制单元。
可选的，所述的自适应低噪声DCDC隔离电源还包括整流单元，所述整流单元用以对副边线圈感应得到的交变电流进行整流。
可选的，所述整流单元包括整流驱动芯片和三极管，所述整流驱动芯片的输出端连接所述三极管的控制极，所述整流驱动芯片用以依据所述副边线圈感应得到的交变电流控制所述三极管，从而使得所述三极管对自所述副边线圈传至所述三极管的集电极的交变电流进行整流后，通过所述三极管的发射极输出。
可选的，所述副边线圈包括第一类副边线圈和第二类副边线圈，所述第一类副边线圈用以自所述原边线圈感应得到交变电流后输入所述整流驱动芯片的输入端和三极管的集电极，所述第二类副边线圈用以自所述原边线圈感应得到交变电流后为所述整流驱动芯片供电。
可选的，所述整流驱动芯片的输出端还通过电容接地。
可选的，所述整流驱动芯片和三极管的数量均为两个，每个所述整流驱动芯片的输入端连接一个所述副边线圈，每个所述整流驱动芯片的输出端连接一个所述三极管，两个所述三极管被控制交替整流、输出电流。
可选的，所述的自适应低噪声DCDC隔离电源还包括滤波单元，所述滤波单元用以将自所述整流单元接收到的直流电进行滤波处理。
本发明通过控制单元、电压衰减单元、开关驱动单元、变压器隔离单元组成的闭合回路有效的减小变压器回路中的电压振铃的幅度，进而减小输出电压的开关噪声。在进一步具体的可选方案中，还引入了整流单元，采用整流单元将传统的二极管改为晶体三极管，并能有效的控制晶体三极管的开关速率，有效减小传统二极管产生的开关噪声，进而减小输出电压的开关噪声。
附图说明
图1是现有技术中DCDC隔离电源的示意图；
图2是现有技术中振铃存在时输出U0的波形图；
图3是现有技术中不存在振铃现象的回路电压波形；
图4是现有技术中不存在振铃现象的电源输出波形图；
图5是现有技术中开关管打开闭合时存在振铃现象的回路电压波形图；
图6是现有技术中开关管打开闭合时存在振铃现象的电源输出波形图；
图7是本发明一实施例提供的自适应低噪声DCDC隔离电源的原理示意图；
图8是本发明一实施例提供的自适应低噪声DCDC隔离电源的电路图。
具体实施方式
以下将结合图7和图8对本发明提供的自适应低噪声DCDC隔离电源进行详细的阐述，其为本发明可选的实施例，可以认为，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。
请参考图本发明提供了一种自适应低噪声DCDC隔离电源，包括变压器隔离单元，所述变压器隔离单元包括原边线圈与副边线圈，还包括电压衰减单元、控制单元和开关管驱动单元；
所述电压衰减单元用以自所述原边线圈所处的变压器回路获得电压信号，对其进行衰减后反馈至所述控制单元；
所述控制单元用以依据所述电压衰减单元反馈的信号进行判断，若该电压信号显示所述原边线圈所处变压器回路处于振铃状态，则依据振铃的变化，输出相应频率的PWM信号至所述开关管驱动单元，使得所述开关管驱动单元依据所述PWM信号导通所述原边线圈工作。
本发明通过控制单元、电压衰减单元、开关驱动单元、变压器隔离单元组成的闭合回路有效的减小变压器回路中的电压振铃的幅度，进而减小输出电压的开关噪声。
以下对各单元展开阐述：
关于所述电压衰减单元：
其作用也可表述为：电压衰减单元将变压器隔离单元电压信号进行衰减合适控制单元允许的范围，适合于控制单元ADC的采集。在本发明图8示意的实施例中，所述电压衰减单元采用差动输入电压放大器电路对采集的电压进行衰减后反馈至所述控制单元。进一步来说，在本发明可选的实施例中，对于电压衰减单元，控制单元的模数转换器的基准电压为2.5V,而隔离变压器回路电压最高电压不超过25V,所以衰减器需要将0～25V的电压衰减10倍，所以由R1,R2,A1组成的反向放大倍数为-1/10。
关于所述控制单元：
其作用也可表述为：控制单元通过接收电压衰减单元的电压信号，并对电压信号进行分析处理，根据电压衰减器输入的信号选择合适开关的频率输出给开关驱动单元；在本发明图7示意的实施例中，其配置有模数转换器。
进一步具体来说，在电源工作时，控制单元初时状态设定为200kHz,控制单元通过电压衰减单元测量变压器回路电压是否处于非振铃状态(如图3所示)，否则增大开关频率，并再次检测输入电压情况，如果振铃变大，则减小输出频率，经过多次反馈调节最终将变压器回路电压的波形调整到图3状态。
有关所述开关管驱动单元：
所述开关管驱动单元包括导通所述原边线圈工作的驱动开关，所述驱动开关根据所述PWM信号导通所述原边线圈工作。
在本发明可选的实施例中，请参考图8，所述原边线圈的数量为两个，分别为第一原边线圈L1与第二原边线圈L2，所述驱动开关的数量为两个，分别为导通所述第一原边线圈L1工作的第一驱动开关Q1和导通所述第二原边线圈L2工作的第二驱动开关Q2，所述第一驱动开关Q1与第二驱动开关Q2根据所述PWM信号交替导通所述第一原边线圈L1和第二原边线圈L2产生电流。正常工作时Q1、Q2交替导通，可以避免第一驱动开关Q1与第二驱动开关Q2同时导通导致电路烧毁，。
在此之上的进一步可选方案中，所述开关管驱动单元还包括反相器电路，所述第一驱动开关依据PWM信号导通所述第一原边线圈，所述第二驱动开关依据所述反相电路反相后的PWM信号导通所述第一原边线圈。在图8示意的实施例中，反相器电路采用双反相器电路，但也不限于此，所述第一驱动开关Q1依据经所述双反相电路两次反相后的PWM信号导通所述第一原边线圈L1，所述第二驱动开关Q2依据所述双反相电路一次反相后的PWM信号导通所述第一原边线圈L2。再进一步具体来说，所述的双反相电路包括双反相器U1，其一个输入端均接控制单元，接收PWM信号，一个输出端接至通过相应的延迟电路接至第一驱动开关Q1，实现一次反相，同时，该输出端还接至双反相器U1的另一个输入端，进而使得与该输入端对应的输出端输出两次反相的PWM信号，进而通过相应的延迟电路传至第二驱动开关Q2。
有关上文提到的延迟电路，在本发明可选的实施例中，所述开关管驱动单元还包括延迟电路，所述延迟电路的数量与所述驱动开关的数量匹配，所述延迟电路用以接收所述PWM信号或反相后的PWM信号，经延迟后驱动所述驱动开关工作。在本发明图8示意的实施例中，所述延迟电路包括与非门/与门电路U2和U3，所述PWM信号或反相后的PWM信号自所述与非门/与门电路U2和U3的第一输入端输入；所述与非门/与门电路U2和U3的第二输入端通过电容C2和C3分别接参考地，且所述PWM信号或反相后的PWM信号的电流传至该电容C2和C3，所述与非门/与门电路U2和U3的输出端连接对应的所述驱动开关Q1和Q2。
可见，双反相器U1输出两路相位相反的开关信号，与非门U2与R5,R6,C2组成延时电路A，与非门U3与R7,R8,C3组成延时电路B,延时电路A、B构成了驱动变压器的驱动四区，避免变压器驱动开关Q1、Q2同时导通导致电路烧毁，正常工作时Q1、Q2交替导通。
有关所述变压器隔离单元：
其在开关管驱动单元的作用下，将变压器原边的电能量传送至副边，并能够完成变压器原副边的电气隔离；具体来说，在图8示意的实施例中，如前文提到，其包括两个原边线圈，分别是第一源边线圈L1和第二源边线圈L2；还包括三个副边线圈，分别为副边线圈L3，L4和L5，其中，副边线圈L3和副边线圈L5又可定义为下文提到的第一类副边线圈，副边线圈L4又可定义为下文提到的第二类副边线圈。变压器隔离单元在第一驱动开关Q1、第二驱动开关Q2交替导通下，在第一原边线圈L1和第二原边线圈L2交替产生电流，使得副边线圈产生感应电流，从而将能量从原边耦合到副边。
在图7和图8示意的实施例中，所述的自适应低噪声DCDC隔离电源还包括整流单元，所述整流单元用以对副边线圈感应得到的交变电流进行整流。
在本发明可选的实施例中，所述整流单元包括整流驱动芯片U4(U5)和三极管Q3(Q4)，所述整流驱动芯片U4(U5)的输出端连接所述三极管Q3(Q4)的控制极，所述整流驱动芯片U4(U5)用以依据所述副边线圈感应得到的交变电流控制所述三极管Q3(Q4)，从而使得所述三极管Q3(Q4)对自所述副边线圈传至所述三极管Q3(Q4)的集电极的交变电流进行整流后，通过所述三极管Q3(Q4)的发射极输出。
在本发明可选的实施例中，所述副边线圈包括第一类副边线圈和第二类副边线圈，所述第一类副边线圈L3(L5)用以自所述原边线圈感应得到交变电流后输入所述整流驱动芯片U4(U5)的输入端和三极管Q3(Q4)的集电极，所述第二类副边线圈用以自所述原边线圈感应得到交变电流后为所述整流驱动芯片供电。其中，所述整流驱动芯片U4(U5)的输出端还通过电容C5(C6)接地。
在本发明可选的实施例中，所述整流驱动芯片和三极管的数量均为两个，分别为整流驱动芯片U4、U5，三极管Q3、Q4。每个所述整流驱动芯片的输入端连接一个所述副边线圈，具体可参考图8，每个所述整流驱动芯片的输出端连接一个所述三极管，两个所述三极管被控制交替整流、输出电流。
可见，副边线圈L3、L5提供能量的输出，而副边线圈L4产生高压为整流模块开关管Q3，Q4的驱动芯片U4，U5提供电源，由于驱动电流非常小，二极管D1产生的振铃非常小，可以忽略对***的影响。当感应电流由副边线圈L3流出流向三极管Q3时，整流驱动芯片U4，电阻R9，电容C5组成的延时缓启动电路使得三极管Q3缓慢打开，电流由三极管Q3缓慢流出注入电容C7进行储能，而此时三极管Q4关闭；当感应电流由副边线圈L4流出流向三极管Q4时，整流驱动芯片U5，电阻R10，电容C6组成的延时缓启动电路使得三极管Q4缓慢打开，电流由三极管Q4缓慢流出注入C7进行储能。交变电流被整流并在电容C7得到存储。由于三极管Q3、Q4的缓慢打开，使得开关噪声得到有效的控制。
所以，本发明可选方案中，采用整流单元将传统的二极管改为晶体三极管，并能有效的控制晶体三极管的开关速率，有效减小传统二极管产生的开关噪声，进而减小输出电压的开关噪声。
在本发明图7和图8示意的实施例中，所述的自适应低噪声DCDC隔离电源还包括滤波单元，所述滤波单元用以将自所述整流单元接收到的直流电进行滤波处理。具体来说，滤波单元将整流单元传过来的电流进行滤波处理，其中包括带磁芯的电感器E1、电感器L6和两个电容C8和C9，电感器E1用以滤除高频率噪声，电感器L6与电容C8、C9构成pi型滤波，具体来说，电容C8的一端连接所述电感器L6的一端，另一端接地，电容C9的一端连接电感器L6的另一端，另一端接地，所述电感器L6的连接电感器E1，通过该设计，使得电流中的低频噪声得到进一步的减小。
可见，本发明可选方案中，隔离变压器在控制单元的控制下将原边的能量传送到副边，副边线圈输出的交变电流整流模块后变为直流电流，在经滤波单元滤波后供给负载。
还需指出的是，通过实验的方法得到变压器由于参数的变化，以及***负载的变化，其最佳工作频率的范围为190kHz到260kHz之间。
有关本发明的应用背景，其牵涉到本发明具体的发明目的。对于精密测量仪器，其供电要求具有非常低的噪声，以提高测量仪器的测量精度。本发明的技术方案应用在高精密测量仪器，需要提高测量精度，本发明由于具有自矫正功能，可以应对器件不一致性，以及器件老化参数变换带来的性能恶化的问题。通过初级侧电路就可检测次级电路的噪声情况。
通过变压器线圈中磁场的互相抑制振铃的产生，从源头减低开关噪声。在高精密仪器中，由于电源的性能直接影响到仪器的测量精度，该发明使得DCDC电源输出具有较低的开关噪声，提高了测量仪器的测量精度。本发明可选方案的的噪声峰峰值可达100uV以内(负载电流200mA时)，提高了***的分辨率。
综上所述，本发明通过控制单元、电压衰减单元、开关驱动单元、变压器隔离单元组成的闭合回路有效的减小变压器回路中的电压振铃的幅度，进而减小输出电压的开关噪声。在进一步具体的可选方案中，还引入了整流单元，采用整流单元将传统的二极管改为晶体三极管，并能有效的控制晶体三极管的开关速率，有效减小传统二极管产生的开关噪声，进而减小输出电压的开关噪声。
Claims (11)
1.一种自适应低噪声DCDC隔离电源，包括变压器隔离单元，所述变压器隔离单元包括原边线圈与副边线圈，其特征在于：还包括电压衰减单元、控制单元和开关管驱动单元；
所述电压衰减单元用以自所述原边线圈所处的变压器回路获得电压信号，对其进行衰减后反馈至所述控制单元；
所述控制单元用以依据所述电压衰减单元反馈的信号进行判断，若该电压信号显示所述原边线圈所处变压器回路处于振铃状态，则依据振铃的变化，输出相应频率的PWM信号至所述开关管驱动单元，使得所述开关管驱动单元依据所述PWM信号导通所述原边线圈工作；
所述开关管驱动单元包括导通所述原边线圈工作的驱动开关，所述驱动开关根据所述PWM信号导通所述原边线圈工作；
所述开关管驱动单元还包括延迟电路，所述延迟电路的数量与所述驱动开关的数量匹配，所述延迟电路用以接收所述PWM信号或反相后的PWM信号，经延迟后驱动所述驱动开关工作。
2.如权利要求1所述的自适应低噪声DCDC隔离电源，其特征在于：所述原边线圈的数量为两个，分别为第一原边线圈与第二原边线圈，所述驱动开关的数量为两个，分别为导通所述第一原边线圈工作的第一驱动开关和导通所述第二原边线圈工作的第二驱动开关，所述第一驱动开关与第二驱动开关根据所述PWM信号交替导通所述第一原边线圈和第二原边线圈产生电流。
3.如权利要求2所述的自适应低噪声DCDC隔离电源，其特征在于：所述开关管驱动单元还包括反相器电路，所述第一驱动开关依据PWM信号导通所述第一原边线圈，所述第二驱动开关依据所述反相器电路反相后的PWM信号导通所述第二原边线圈。
4.如权利要求1所述的自适应低噪声DCDC隔离电源，其特征在于：所述延迟电路包括与非门/与门电路，所述PWM信号或反相后的PWM信号自所述与非门/与门电路的第一输入端输入；所述与非门/与门电路的第二输入端通过电容接参考地，且所述PWM信号或反相后的PWM信号的电流传至该电容，所述与非门/与门电路的输出端连接对应的所述驱动开关。
5.如权利要求1所述的自适应低噪声DCDC隔离电源，其特征在于：所述电压衰减单元采用差动输入电压放大器电路对采集的电压进行衰减后反馈至所述控制单元。
6.如权利要求1所述的自适应低噪声DCDC隔离电源，其特征在于：还包括整流单元，所述整流单元用以对副边线圈感应得到的交变电流进行整流。
7.如权利要求6所述的自适应低噪声DCDC隔离电源，其特征在于：所述整流单元包括整流驱动芯片和三极管，所述整流驱动芯片的输出端连接所述三极管的控制极，所述整流驱动芯片用以依据所述副边线圈感应得到的交变电流控制所述三极管，从而使得所述三极管对自所述副边线圈传至所述三极管的集电极的交变电流进行整流后，通过所述三极管的发射极输出。
8.如权利要求7所述的自适应低噪声DCDC隔离电源，其特征在于：所述副边线圈包括第一类副边线圈和第二类副边线圈，所述第一类副边线圈用以自所述原边线圈感应得到交变电流后输入所述整流驱动芯片的输入端和三极管的集电极，所述第二类副边线圈用以自所述原边线圈感应得到交变电流后为所述整流驱动芯片供电。
9.如权利要求7所述的自适应低噪声DCDC隔离电源，其特征在于：所述整流驱动芯片的输出端还通过电容接地。
10.如权利要求7所述的自适应低噪声DCDC隔离电源，其特征在于：所述整流驱动芯片和三极管的数量均为两个，每个所述整流驱动芯片的输入端连接一个所述副边线圈，每个所述整流驱动芯片的输出端连接一个所述三极管，两个所述三极管被控制交替整流、输出电流。
11.如权利要求6所述的自适应低噪声DCDC隔离电源，其特征在于：还包括滤波单元，所述滤波单元用以将自所述整流单元接收到的直流电进行滤波处理。
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