CN107370388A - 一种用于高压转低压的dc‑dc电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子技术领域，提供了一种用于高压转低压的DC‑DC电源，包括分压电阻串并联的若干转换电路和15V供电电路、信号电路以及输出短路保护电路，各转换电路分别通过分压电阻与高压源连接并包括消峰单元、振荡单元、整流滤波单元以及激励变压器和驱动单元，各分压电阻之间为串联，整流滤波单元为并联；驱动单元包括第一、第二路驱动桥模块，第一、第二路驱动桥模块连接信号电路，15V供电电路在整流滤波单元与信号电路之间连接，输出短路保护电路在整流滤波单元与15V供电电路之间连接，藉由前述构造解决了直流高压难以直接利用的技术问题，达成了结构简单，转化效率高的效果。

Description

一种用于高压转低压的DC-DC电源

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其指提供一种用于高压转低压的DC-DC电源。

背景技术

目前，由于市场上还没有或者还没有具备性能可靠的耐高压开关管。如MOS管或IGBT都无法完全满足单管或者双管，且达到10kV耐压的要求。所以开关管的串联使用成了本课题中整个电路设计焦点和难点。至于开关管选用，一般采用常用的500V-1000V耐压MOS管。实际上即使同一个型号同一生产批次的MOS管也很难保证它的内阻和导通时间完全一致，这就决定了MOS管的串联不能简单采用(如电阻、电容这类器件)直接串联使用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种用于高压转低压的DC-DC电源。本产品DC-DC电源采用双管正激多模块串联，用SG3525芯片产生的方波信号同时作用多个震荡模块，以此达到多路模块同时同步工作的目的，从而解决了mos管无法直接串联使用的难题。同时，低压直流输出端并联使用可以提供较大的输出电路，增加电源的输出功率。

为达成上述目的，本发明应用的技术方案是：提供了一种用于高压转低压的DC-DC电源，其包括通过分压电阻均压相串并联的若干转换电路和一15V供电电路、一信号电路以及一输出短路保护电路，各转换电路分别通过分压电阻与高压源建立连接，并分别包括消峰单元、振荡单元、整流滤波单元以及激励变压器和驱动单元，各分压电阻之间为串联，整流滤波单元之间为并联，其中：分压电阻在高压源与消峰单元之间连接，振荡单元在消峰单元与整流滤波单元之间连接，同时激励变压器在驱动单元与振荡单元之间建立连接，驱动单元包括第一、第二路驱动桥模块，第一、第二路驱动桥模块连接信号电路，同时15V供电电路在整流滤波单元与信号电路之间连接，且输出短路保护电路在整流滤波单元与15V供电电路之间连接。

在本发明实施例中优选：分压电阻连接消峰单元并形成的分压消峰模块。

在本发明实施例中优选：分压消峰模块分压电阻，电容C12、C13、C14，电阻R14和电感L3，其中：高压源为10kv，高压源分压电阻、电容C12及电感L3的一端连接，电容C13、C14分别的一端均连接电感L3的另一端，电容C13的另一端与电阻R14连接，分压电阻另一端经电容C12的另一端，再经电阻R14的另一端后与电容C14的另一端相连。

在本发明实施例中优选：震荡模块包场效应管Q2、Q4，二极管D2、D5、D10、D12，电阻R4、R6、R17、R18及变压器T2，其中：场效应管Q2、Q4为N沟道的场效应管，场效应管Q2的漏极与变压器T2的一端相接，变压器T2的另一端与场效应管Q4的源极相接。

在本发明实施例中优选：滤波单元与变压器T2的次级相连，并包括二极管D6、D9，有极性电容C10、C11及电感L4，其中：二极管D6正极与变压器T2的次级相连，负极与电感L4相连，有极性电容C11正端连接电感L4的另一端并提供24V电源，负端接地GND，在二极管D6与电感L4之间的线路中连接有二极管D9的负极和有极性电容C10正端，而二极管D9的正极和有极性电容C10负端接地GND。

在本发明实施例中优选：激励变压器包括第一、第二连接端QA、QB，第一、第二连接端QA、QB分别连接第一、第二驱动桥模块的输出端；第一驱动桥模块包括芯片一，第二驱动桥模块包括芯片三，芯片一及芯片三均采用ICL 7667型芯片，第一、第二驱动桥模块分别包括第1至8脚，其中：芯片一第2脚INA与芯片一第4脚INB连通，芯片一第3脚V-接地，同时芯片一第5、7脚OUTB、OUTA合并形成输出端QA，芯片一第6脚V+连接15V为芯片一供电，有极性电容C2正端连接第6脚V+，负端接地；芯片三第2脚INA与芯片三第4脚INB连通，芯片三第3脚V-接地，同时芯片三第5、7脚OUTB、OUTA合并形成第6脚V+，芯片三第6脚V+连接15V为芯片三供电，有极性电容C17正端连接输出端QB，负端接地。

在本发明实施例中优选：信号电路包括芯片二及周边的电阻R2、R5、R7、R11、R12、R13，电容C3、C4、C15、C16及C18，其中：芯片二的频率采用28kHz，其包括第1至第16脚，其中：电阻R2一端连接电压输出端OUT并与电阻R5形成分压电路，该分压电路在与该第1脚连接时通过电容C16与第9脚相连；电阻R11一端与第6脚连接，另一端接地；电容C15一端分别连接第5脚及电阻R12一端，电容C15另一端接地，电阻R12另一端连接第7脚；电容C4一端分别与该第2脚和第16脚连接，电容C4另一端接地；电容C18一端与第8脚连接，电容C18另一端与连地；电阻R7一端分别与第15脚及15V供电连接，电阻R7另一端与第13脚连接；电阻R13一端与第10脚连接，电阻R13另一端与接地；第11脚、第14脚分别为芯片二的两个信号输出端口A、B；第12脚与接地。

在本发明实施例中优选：15V供电电路通过外加启动电源启动，然后利用电源自身所转化的直流低压，通过三端稳压器实现15V供电电路，直流电路包括继电器、有极性电容C1和三端稳压器，其中：外接启动电源经继电器开关脚分别连接在启动电源与三端稳压器输入端之间，三端稳压器接地端接地并连接继电器接地脚，有极性电容C1的正端连接在继电器开关脚与三端稳压器输入端之间且负端接地，使三端稳压器输出端输出15V稳定电源，三端稳压器输出端连接芯片二的第15脚，继电器为24V继电器。

在本发明实施例中优选：输出电路包括三极管QT1、QT2和电阻R66、R68、R69，其中当输出电流正常时，通过电阻R67、R68分压，使得三极管QT1的发射极电位高于基极电位，发射极反偏，于是三极管QT1处于截至状态，使三极管QT2处于导通状态；当输出端发生短路时，输出电压接近为零，看作三极管QT1发射极接地，此时三极管QT1导通，使三极管QT2基极电压接近零三极管QT2开路。

在本发明实施例中优选：输出电路具有24V连接端，继电器及电感L4分别具有24V端脚，其中：24V连接端在连接继电器24V端脚时也连接电感L424V端脚。

本发明与现有技术相比，其有益的效果是：该DC-DC电源用于高压直流输电线路，将直流高压转换为用电设备所需的低压直流。其应用于随线馈电光纤复合架空地线，用于远程高压直流(10KV)供电的用电设备，同时也为野外无市电无人值守的用电设备提供安全低压电源，安装使用简单，解决了直流高压难以直接利用的难题，有着广阔的市场发展前景。

附图说明

图1是本发明实施例的方框结构示意图。

图2是本发明实施例的电路结构示意图。

图3是图2中分压消峰模块的电路示意图。

图4是图2中震荡单元的电路示意图。

图5是图2中输出单元的电路示意图。

图6是图2中激励变压器的电路示意图。

图7a及图7b组成图2中的驱动单元，其中：图7a是第一驱动桥模块示意图，图7b是第二驱动桥模块示意图。

图8是图2中信号电路的示意图。

图9是图2中直流电路的示意图。

图10是图2中输出电路的示意图。

具体实施方式

尽管本发明可以容易地表现为不同形式的实施例，但在附图中示出并且在本说明书中将详细说明的仅仅是其中一些具体实施例，同时可以理解的是本说明书应视为是本发明原理的示范性说明，而并非旨在将本发明限制到在此所说明的那样。

由此，本说明书中所指出的一个特征将用以说明本发明的一个实施例的其中一个特征，而不是暗示本发明的每个实施例必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的***设计，但是这些特征也可用于其它的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。

在附图所示的实施例中，方向的指示(诸如上、下、左、右、前和后)用以解释本发明的各种组件的结构和运动不是绝对的而是相对的。当这些组件处于附图所示的位置时，这些说明是合适的。如果这些组件的位置的说明发生改变时，则这些方向的指示也相应地改变。

以下结合本说明书的附图，对本发明的较佳实施例予以进一步地详尽阐述。

请参阅图1并结合参阅图2所示，图1是本发明实施例的方框结构示意图，图2是本发明实施例的电路结构示意图。图中包括通过分压电阻均压相串并联的若干转换电路10和一15V供电电路(以下简称“供电电路”)20、一信号产生电路(以下简称“信号电路”)30以及一输出短路保护电路(以下简称“输出电路”)40，其中：各转换电路10分别通过分压电阻11与高压源HV建立连接，各分压电阻11之间为串联，各整流滤波单元14之间为并联，在本实施例中，各转换电路10均包括消峰单元12、振荡单元13、整流滤波单元(以下简称“整流滤波单元”或简称“滤波单元”)14以及激励变压器15和驱动单元16，其中：分压电阻11在高压源HV与消峰单元12之间建立连接，依序振荡单元13在消峰单元12与滤波单元14之间建立连接，同时激励变压器15在驱动单元16之间建立连接，驱动单元16包括第一、第二路驱动桥模块161、162，第一、第二路驱动桥模块161、162分别连接信号电路30的不同端脚(如图2)，同时供电电路20在滤波单元14与信号电路30之间建立连接，且输出电路40在滤波单元14与供电电路20之间连接，藉由此等结构构造可有效地将直流高压转化为直流低压，从而解决了开关管耐压的技术问题。

请参阅图1和图2并结合参阅图3所示，图3是图2中分压电阻11连接消峰单元12形成的分压消峰模块(也称电阻电容分压消峰电路)的结构示意图，分压消峰模块的作用是直流高压分压和消峰滤波，由于本实施例是由若干分压消峰模块及若干震荡单元13组成，为保证每个震荡模块13上的分压均匀，需通过分压电阻11R9)为每个震荡单元13分压，其余器件(如电容C12、C13和C14以及电阻14、电感L3)的作用是消峰、滤波，且避免当输入高压有突然的变化时造成震荡单元13的损坏，其电路形式为：高压源(为10kv电压)与分压电阻11、电容C12及电感L3的一端连接，电容C13、C14的一端均连接电感L3的另一端，电容C13的另一端与电阻R14连接，分压电阻11另一端经电容C12的另一端，再经电阻R14的另一端后与电容C14的另一端相连。

请参阅图1和图2并结合参阅图4所示，图4是图2中震荡单元13的电路结构图，震荡模块20包场效应管Q2、Q4和二极管D2、D5、D10、D12以及电阻R4、R6、R17、R18及变压器T2，其中：场效应管Q2、Q4为N沟道的场效应管，场效应管Q2的漏极与变压器T2的一端相接，变压器T2的另一端与场效应管Q4的源极相接。二极管D2、电阻R4、R6为场效应管Q2的驱动电路，D12、R17、R18为场效应管Q4的驱动电路。本实施例中所采用的变压器T2为高频变压器，可将震荡单元13上的直流高压转化为所需要的直流低压。变压器T2的耐压需要高于输入电压，否则会导致变压器T2击穿，损坏其他元器件导致无法使用。在本实施例中，二极管D5、D10为正激变压器的续流二极管，在每一振荡周期内对变压器T2进行磁复位，防止变压器T2发生磁饱和，以此确保震荡组件正常工作。

请参阅图1和图2并结合参阅图5所示，图5是图2中滤波单元14的电路结构示意图。图中滤波单元14与(图4)震荡单元13的高频变压器T2的次级相连(使之形成半波整流)，二极管D9防止反向电压损坏电路，最终得到稳定的纹波小的直流低压，其电路形式包括二极管(为整流二极管)D6、D9，有极性电容C10、C11及电感L4，其中：二极管D6正极与高频变压器T2的次级相连，负极与电感L4相连，有极性电容C11正端连接电感L4的另一端并提供24V电源，负端接地GND，在二极管D6与电感L4之间的线路中连接有二极管D9的负极和有极性电容C10正端，而二极管D9的正极和有极性电容C10负端接地GND。

请参阅图1和图2并结合参阅图6所示，图5是图2中激励变压器15的电路结构示意图，图中激励变压器15包括第一、第二连接端QA、QB，第一、第二连接端QA、QB分别连接第一、第二驱动桥模块(或分别称“第一、第二驱动桥集成电路”)161、162的输出端QA、QB，使之激励变压器15的两组次级线圈产生完全一致的驱动波形。达到较小驱动电流和隔离高压驱动的目的，以此提高电路的可靠程度。激励变压器15的初次级耐压需高于输入电压。

请参阅图1和图2并结合参阅图7a及图7b所示，图7a及图7b分别是第一、第二驱动桥模块161、162电路结构示意图，这二者共同组成驱动单元16，第一、第二驱动桥模块161、162分别的驱动桥信号均来自图2中信号电路30中的芯片二IC2的两个信号输出端，它们形成波形互补。由于芯片二IC2的驱动能力有限，无法直接驱动过多的场效应管Q2、Q4……，驱动单元16的作用就是为驱动若干个场效应管，并以此提供足够的电流且真实无损失地传递震荡信号，其驱动单元16的电路形式为：分别的第一、第二驱动桥模块161、162，第一驱动桥模块161包括芯片一IC1，第二驱动桥模块162包括芯片二IC2，芯片一IC1及芯片二IC2均采用ICL 7667型芯片，第一、第二驱动桥模块161、162各包括第1至8脚，其中：第一驱动桥模块161的结构形式为芯片一IC1的第2脚INA与芯片一IC1第4脚INB连通，芯片一IC1第3脚V-接地，同时芯片一IC1第5、7脚OUTB、OUTA合并形成输出端QA，芯片一第6脚V+连接供电模块15V为芯片供电；有极性电容C2正端连接第6脚V+，负端接地；第二驱动桥模块162的结构形式基于第一驱动桥模块161的结构形式，唯一区别是有极性电容C17替代有极性电容C2，其正端连接第6脚V+，负端接地。

请参阅图1和图2并结合参阅图8所示，图8是信号电路结构示意图，图中信号电路20包括芯片二IC2及周边的多个电阻(如R2、R5、R7、R11、R12、R13)和多个电容(C3、C4、C15、C16及C18)，其中：本实施例芯片二IC2的频率采用28kHz；电阻R2、R5为反馈电阻，分压后通过芯片二IC2内部放大器比较对输出方波的占空比进行调节，芯片二IC2采用SG3525型芯片，包括第1至第16脚，其与周边的多个电阻和多个电容的电路形式为：电阻R2的一端连接电压输出端OUT并与电阻R5形成分压反馈电路，分压反馈电路在与第1脚INV INPUP连接时也通过电容C16与第9脚COM相连；然而电阻R11为可调电阻与C15决定信号的频率，电阻R12决定死区时间，其电路形式为：电阻R11的一端与第6脚RT连接，另一端接地；电容C15一端分别连接第5脚CT及连接电阻R12的一端，电容另一端接地，电阻R12另一端连接第7脚DISCHARGE；电容C4一端分别与第2脚NONINV INPUT和第16脚VREF连接，电容C4另一端接地；电容C18一端与第8脚SOFT START连接，电容C18)另一端与地连接；电阻R7一端分别与第15脚VCC和供电模块15V连接，电阻R7另一端与第13脚VCC连接；电阻R13一端与第10脚SHUTDOWN连接，电阻R13另一端与地链接；第11脚OUTPUT A、第14脚OUTPUTB分别为芯片的两个信号输出端口A、B；第12脚GROND与地连接。

请参阅图1和图2并结合参阅图9所示，图9是供电电路20结构示意图，供电电路20是15V供电电路。由于本发明DC-DC电源为直流高电压直接供电，因此芯片IC2(型号SG3525)及震荡单元13所需的15V电压难以获得，故需外加启动电源。当电路启动后，再利用电源自身所转化的直流低压，通过三端稳压器(型号78L15或7815)来获得稳定的15V。接通直流高压后，启动电源仅工作几秒钟时间，待电路正常工作后，随即切换为自身直流低压供电，继续维持震荡电路的工作，从而延长启动电源的使用寿命。在本实施例中，供电电路20的组成及结构形式包括：继电器Relay-spdt外接启动电源VCC，一有极性电容C1(有极性电容C1采用35v470uf型)和三端稳压器VR1(型号78L15或7815)，其中：外接启动电源经继电器开关K1脚分别连接在启动电源与三端稳压器输入端Vin之间，三端稳压器接地端GND接地并连接继电器接地脚，有极性电容C1的正端连接在继电器开关K1脚与三端稳压器输入端Vin之间且负端接地，因此使三端稳压器输出端Vout输出15V稳定电源，在本实施例中，三端稳压器输出端连接芯片二的第15脚，以此为芯片提供稳定电源，在本实施例中，Relay-spdt继电器为24V继电器。

请参阅图1及图2并结合参阅图10所示，图10是图2中电源的输出短路保护线路的结构示意图，简称“输出电路”，输出电路40的过流保护是由三极管QT1、QT2，电阻R66、R68、R69组成。输出电流正常时，通过R67、R68的分压作用，使得三极管QT1的发射极电位高于基极电位，发射极反偏，于是三极管QT1处于截至状态，三极管QT2处于导通状态。当输出端发生短路时，输出电压接近为零可看作三极管QT1发射极接地，此时三极管QT1导通，从而使三极管QT2基极电压接近零三极管QT2开路，从而达到短路保护的目的，在本实施例中，输出电路40为连接电感L4的24V电源，同时输出电路40向继电器输入24V电源，以此实现短路保护的目的。

Claims (10)

1.一种用于高压转低压的DC-DC电源，包括通过分压电阻均压相串并联的若干转换电路和一15V供电电路、一信号电路以及一输出短路保护电路，其中：各转换电路分别通过分压电阻与高压源建立连接，并分别包括消峰单元、振荡单元、整流滤波单元以及激励变压器和驱动单元，各分压电阻之间为串联，整流滤波电路之间为并联，其特征是：分压电阻在高压源与消峰单元之间连接，振荡单元在消峰单元与整流滤波单元之间连接，同时激励变压器在驱动单元与振荡单元之间建立连接，驱动单元包括第一、第二路驱动桥模块，第一、第二路驱动桥模块连接信号电路，同时15V供电电路在整流滤波单元与信号电路之间连接，且输出短路保护电路在整流滤波单元与15V供电电路之间连接。

2.如权利要求1所述的DC-DC电源，其特征是：分压电阻连接消峰单元并形成的分压消峰模块。

3.如权利要求2所述的DC-DC电源，其特征是：分压消峰模块分压电阻，电容C12、C13、C14，电阻R14和电感L3，其中：高压源为10kv，高压源与分压电阻、电容C12及电感L3的一端连接，电容C13、C14的一端均连接电感L3的另一端，电容C13的另一端与电阻R14连接，分压电阻另一端经电容C12的另一端，再经电阻R14的另一端后与电容C14的另一端相连。

4.如权利要求3所述的DC-DC电源，其特征是：震荡模块包场效应管Q2、Q4，二极管D2、D5、D10、D12，电阻R4、R6、R17、R18及变压器T2，其中：场效应管Q2、Q4为N沟道的场效应管，场效应管Q2的漏极与变压器T2的一端相接，变压器T2的另一端与场效应管Q4的源极相接。

5.如权利要求4所述的DC-DC电源，其特征是：整流滤波单元与变压器T2的次级相连，并包括二极管D6、D9，有极性电容C10、C11及电感L4，其中：二极管D6正极与变压器T2的次级相连，负极与电感L4相连，有极性电容C11正端连接电感L4的另一端并提供24V电源，负端接地，在二极管D6与电感L4之间的线路中连接有二极管D9的负极和有极性电容C10正端，而二极管D9的正极和有极性电容C10负端接地。

6.如权利要求5所述的DC-DC电源，其特征是：激励变压器包括第一、第二连接端QA、QB，第一、第二连接端QA、QB分别连接第一、第二驱动桥模块的输出端；第一驱动桥模块包括芯片一，第二驱动桥模块包括芯片三，芯片一及芯片三均采用ICL 7667型芯片，第一、第二驱动桥模块分别包括第1至8脚，其中：芯片一第2脚与芯片一第4脚连通，芯片一第3脚接地，同时芯片一第5、7脚合并形成输出端QA，芯片一第6脚连接15V为芯片一供电，有极性电容C2正端连接第6脚V+，负端接地；芯片三第2脚与芯片三第4脚连通，芯片三第3脚接地，同时芯片三第5、7脚合并形成输出端QB，芯片三第6脚连接15V为芯片三供电，有极性电容C17正端连接第6脚V+，负端接地。

7.如权利要求6所述的DC-DC电源，其特征是：信号电路包括芯片二及周边的电阻R2、R5、R7、R11、R12、R13，电容C3、C4、C15、C16及C18，其中：芯片二的频率采用28kHz，其包括第1至第16脚，其中：电阻R2一端连接电压输出端并与电阻R5形成分压电路，该分压电路在与芯片二第1脚连接时通过电容C16与第9脚相连；电阻R11一端与芯片二第6脚连接，另一端接地；电容C15一端分别连接芯片二第5脚及电阻R12一端，电容C15另一端接地，电阻R12另一端连接芯片二第7脚；电容C4一端分别与芯片二第2脚和第16脚连接，电容C4另一端接地；电容C18一端与芯片二第8脚连接，电容C18另一端与连地；电阻R7一端分别与第15脚及15V供电连接，电阻R7另一端与第13脚连接；电阻R13一端与第10脚连接，电阻R13另一端与接地；第11脚、第14脚分别为芯片二的两个信号输出端口A、B；第12脚与接地。

8.如权利要求7所述的DC-DC电源，其特征是：15V供电电路通过外加启动电源启动，然后利用电源自身所转化的直流低压，通过三端稳压器实现15V供电电路，直流电路包括继电器、有极性电容C1和三端稳压器，其中：外接启动电源经继电器开关脚分别连接在启动电源与三端稳压器输入端之间，三端稳压器接地端接地并连接继电器接地脚，有极性电容C1的正端连接在继电器开关脚与三端稳压器输入端之间且负端接地，使三端稳压器输出端输出15V稳定电源，三端稳压器输出端连接芯片二的第15脚，继电器为24V继电器。

9.如权利要求8所述的DC-DC电源，其特征是：输出短路保护电路包括三极管QT1、QT2和电阻R66、R68、R69，其中当输出电流正常时，通过电阻R67、R68分压，使得三极管QT1的发射极电位高于基极电位，发射极反偏，于是三极管QT1处于截至状态，使三极管QT2处于导通状态；当输出端发生短路时，输出电压接近为零，看作三极管QT1发射极接地，此时三极管QT1导通，使三极管QT2基极电压接近零三极管QT2开路。

10.如权利要求9所述的DC-DC电源，其特征是：输出电路具有24V连接端，继电器及电感L4分别具有24V端脚，其中：24V连接端在连接继电器24V端脚时也连接电感L424V端脚。