一种单输入多输出DC‑DC开关变换器的制作方法

本发明涉及一种开关变换器，尤其是涉及一种单输入多输出dc-dc开关变换器。

背景技术：

随着当代计算机和通信领域的发展，单输入多输出dc-dc开关变换器被广泛应用。高功率密度、高效率和低emi成为单输入多输出dc-dc开关变换器发展主要趋势。其中具有双开关结构正激变换器，凭借着成本低、稳定性高、开关管承受电压低、输入输出电气隔离和结构简单的优势，广泛应用于中小功率开关电源系统中。设n为变压器变比、d为开关管占空比，则输入电压vin输出电压vout关系可表示为vout＝vin·d/n。当需要多输出电压时，工程中常用多出头变压器提供多种变比n的方法来输出多路vout。然而现实中多出头变压器的漏感、导线电阻和寄生电容等参数更不理想。电路效率严重下降，电磁干扰增大，开关器件的电压或电流应力也增加。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种单输入多输出dc-dc开关变换器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种单输入多输出dc-dc开关变换器，包括输入电路、变压器和多个输出电路，所述输入电路通过变压器与所有输出电路连接，所述输出支路包括整流支路、续流支路和滤波支路，所述整流支路的输入端与变压器的副边线圈连接，输出端与滤波支路连接，所述续流支路设于整流支路和滤波支路之间，所述滤波支路用于连接负载，所有输出电路均与变压器的同一副边线圈连接，且任一输出电路的整流支路和续流支路之间设有能量反馈电感。

所述变压器为单出头变压器。

所述变压器为隔离变压器。

所述整流支路包括整流二极管，所述续流支路包括输出侧续流二极管，

所述整流二极管的阳极与副边线圈连接，阴极与能量反馈电感的一端连接，所述能量反馈电感的另一端分别与输出侧续流二极管的阴极和滤波支路连接，所述续流二极管的阴极分别与副边线圈和滤波支路连接。

所述滤波支路包括滤波电感和滤波电容，所述滤波电容和负载并联，且滤波电容的一端通过所述滤波电感连接至输出侧续流二极管的阴极，另一端连接至副边线圈。

所述输入电路包括电源、第一半桥开关、第二半桥开关、第一输入侧续流二极管和第二输入侧续流二极管，所述第一输入侧续流二极管的阴极通过第一半桥开关分别与第二输入侧续流二极管的阴极和变压器的原边线圈连接，所述第二输入侧续流二极管的阳极通过第二半桥开关分别与第一输入侧续流二极管的阳极和变压器的原边线圈连接，所述电源的两端分别与第一输入侧续流二极管的阴极和第二输入侧续流二极管的阳极对应连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)在原来的双开关结构正激变换器的输出电流最好能够增加一个能量反馈电感，构成电能反馈回路，通过不同回路中电能反馈电感和输出滤波电感感值比例的不同，实现反馈不同的能量，最终实现输出不同的电压，使得可以在不增加开关管的前提下使用单出头变压器实现多电压输出，同时有效减小开关变换器引起的电磁污染和噪声等。

2)使用单出头变压器绕组少，设计简单成本低。

3)使用单出头变压器电阻低、电磁干扰小。

4)相比多出头变压器漏感小，使得开关应力减小，开关损耗和开关噪声降低。

附图说明

图1为现有开关变换器的结构示意图；

图2为本发明开关变换器的结构示意图；

图3(a)～(d)分别为本发明工作于四种模态的等效电路图；

图4为本发明一路输出电路上的主要波形示意图；

图5为输出电压和电感比在对数坐标系下的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1为传统多出头变压器多输出降压电路，图2为本发明开关变换器的结构示意图，

图中符号含义如下：

vin为输入电压；ds1为第一输入侧续流二极管，ds2为输入侧续流二极管，q1为第一半桥开关，可采用mosfet或者igbt，q2为第二半桥开关，也可采用mosfet或者igbt；t1和t均为变压器；d11/d21/d31为整流二极管，d12/d22/d32为输出侧续流二极管，l11/l21/l31为能量返馈电感，l12/l22/l3为滤波电感，co1/co2/co3为滤波电容，ro1/ro2/ro3为负载。

一种单输入多输出dc-dc开关变换器，包括输入电路、变压器和多个输出电路，输入电路通过变压器与所有输出电路连接，输出支路包括整流支路、续流支路和滤波支路，整流支路的输入端与变压器的副边线圈连接，输出端与滤波支路连接，续流支路设于整流支路和滤波支路之间，滤波支路用于连接负载，所有输出电路均与变压器的同一副边线圈连接，且任一输出电路的整流支路和续流支路之间设有能量反馈电感。其中：变压器为单出头变压器，变压器为隔离变压器。

在原来的双开关结构正激变换器的输出电流最好能够增加一个能量反馈电感，构成电能反馈回路，通过不同回路中电能反馈电感和输出滤波电感感值比例的不同，实现反馈不同的能量，最终实现输出不同的电压，使得可以在不增加开关管的前提下使用单出头变压器实现多电压输出，同时有效减小开关变换器引起的电磁污染和噪声等。

本发明中，输入电路采用经典电路，输入电路包括电源、第一半桥开关、第二半桥开关、第一输入侧续流二极管和第二输入侧续流二极管，第一输入侧续流二极管的阴极通过第一半桥开关分别与第二输入侧续流二极管的阴极和变压器的原边线圈连接，第二输入侧续流二极管的阳极通过第二半桥开关分别与第一输入侧续流二极管的阳极和变压器的原边线圈连接，电源的两端分别与第一输入侧续流二极管的阴极和第二输入侧续流二极管的阳极对应连接。

整流支路包括整流二极管，续流支路包括输出侧续流二极管，整流二极管的阳极与副边线圈连接，阴极与能量反馈电感的一端连接，能量反馈电感的另一端分别与输出侧续流二极管的阴极和滤波支路连接，续流二极管的阴极分别与副边线圈和滤波支路连接。此外，滤波支路包括滤波电感和滤波电容，滤波电容和负载并联，且滤波电容的一端通过滤波电感连接至输出侧续流二极管的阴极，另一端连接至副边线圈。

对于本申请的任一输出电路分四种模态进行分析(假设从t0时刻到t4时刻为一个开关周期ts)，相应的等效电路如图3所示。每一个开关周期从t0开始，在一个开关周期内，考虑到输入电感和输出电容足够大，输出滤波电感l12上电流不断流；设电路中所有的电路元件都是理想器。主要的波形如图4所示。

其中，各参数含义如下：iin为输入电流；il11/il21/il31为能量返馈电感电流；vd1/vd2/vd3为输出侧续流二极管阴极对地电压；n为变压器变比；d为开关管占空比；vout1/vout2/vout3为输出电压；iout1/iout2/iout3为滤波电感电流；ts为一个开关周期总时间；fs为开关频率；vs为变压器二次侧电压；vgs为开关管门级电压；vds为开关管管压降；n1为l11/l12的比值

模态1：[t0<t<t1]如图3(a)所示，在t0时刻，半桥开关q1、q2同时导通，整流二极管d11、输出侧续流d12正向导通，能量返馈电感电流il11<输出滤波电感电流iout1，能量返馈电感l11充电，能量返馈电感il11从零开始线性增加，同时滤波电感l12通过输出电压vout1放电，输出滤波电感电流iout1通过输出侧续流d12续流并逐渐降低。此模态在t1时刻结束。有如下公式。

模态2：[t1<t<t2]如图3(b)所示，在t1时刻能量返馈电感电流il11＝输出滤波电感电流iout1，整流二极管d11正向导通，输出侧续流二极管d12反向关断，滤波电感l12、能量返馈电感l11同时充电，且形成il11＝iout1，il11、iout1以相同速率增加。可得到如下公式。

vd可通过如下公式求出。

令解公式得。

模态3：[t2<t<t3]如图3(c)所示，在t2时刻，半桥开关q1、q2同时关断，l11通过输出侧续流二极管d12、变压器t1、第一输入侧续流二极管ds1、输入电压vin、第二输入侧续流二极管ds2和整流二极管d11向vin反馈电流，l11电流线性减少到零。同时l12通过vout1放电，输出电流iout1逐渐减小。可得到如下公式。此模态在il11＝0时结束即t3时刻。

模态4：[t3<t<t4]如图3(d)所示，在t3时刻，il11＝0，l12通过vout1放电，输出电流iout1继续减小。可得到如下公式。

il11(t)＝0

基于以上分析可得输出电压关系公式。

vout1²(2n1²l12fs+n1ro1)+vsvout1[2n1l12fs-ro1(2n1d-2-n1)]-2ro1dvs²＝0

图5为l12、fs、ro1、d和vs不变时vout1和n1在对数坐标系下的关系图。横坐标为vout1，纵坐标为n1。由图可知，单出头变压器多输出降压电路通过改变能量返馈电感和输出滤波电感的比值即n的大小，可以改变输出电压vout1的大小。使得可以使用单出头变压器输出多路不同的电压，实现单出头变压器多降压电平输出的功能。