一种电源转换方法、电源管理芯片及装置与流程

1.本发明涉及电源转换领域，特别是涉及一种电源转换方法、电源管理芯片及装置。


背景技术：

2.电源转换，将直流电变成交流电或另一种直流电压值的电路。
3.这种通过开关晶体管和功率mos型场效应晶体管等开关元件，控制其时间比来获得输出电压变换，故也称开关电源。开关元件若接近理想状态，电功率损耗很小，效率比工频稳压器高2～3倍，若提高开关频率，可使变压器和滤波电路小型化，重量和体积比减小4～10倍，因此在电器、信息、通信、卫星中被广泛使用。
4.在公开号“cn104682735b”公开的“电源转换电路”，本发明包括转换电路、开关电路、控制电路以及能量存储电路。转换电路用于将交流电转换为直流电，开关电路包括连接至控制电路的控制端口及分别连接至转换电路及能量存储电路的第一及第二受控端口。控制电路用于控制两个受控端口交替地断开及导通。能量存储电路和电感性负载在开关电路导通的时段内存储能量，并在开关电路断开的时段内向h桥驱动电路释放能量。
5.在上述发明中，电源转换电路中，由于开关电路是交替地断开及导通，感性负载充电时间较短，但是这样会导致输出电源不够稳定，转换电路的工作损耗较大，工作效率较低以及输电质量较低，而且功率器件的物理参数差异所导致的变换器输入母线不平衡问题和输出整流电路的输出电流不均衡。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种电源转换方法、电源管理芯片及装置，能够解决由于开关电路是交替地断开及导通，感性负载充电时间较短，但是这样会导致输出电源不够稳定，转换电路的工作损耗较大，工作效率较低以及输电质量较低，而且功率器件的物理参数差异所导致的变换器输入母线不平衡问题和输出整流电路的输出电流不均衡的问题：
7.本发明为一种电源转换方法，包括下列步骤：
8.s1、在电源转换电路中设置输入电源，并通过滤波器接收输入电源；
9.s2、在电源转换电路中设置直流检测电路，接收过滤后的输入电源并检测其电压：如果电压在默认电压范围内，判定输入电源为直流电源并导通直流开关，允许输入电源通过；如果电压不在默认电压范围内，则判定输入电源为交流电源并断开直流开关；
10.s3、接收过滤后的输入电源，并输出输入电源给转换线圈，转换线圈将输入电源转换为输出电源；
11.s4、输出电源连接整流器，整流器将输出电源转换为直流输出电压；
12.s5、光耦合器连接整流器，根据整流器输出的直流输出电压，透过光耦合产生1个光耦合信号，为电源管理芯片提供电流反馈；
13.s6、电源管理芯片连接光耦合器，根据光耦合器产生的光耦合信号，输出控制信号来持续切换控制开关，以控制输出到转换线圈的输入电源大小，从而控制输出电压稳定；
14.s7、dc/dc转换器接收由整流器或直流开关输出的直流输出电压，并将该直流输出电压转换为1个预设的特定电压，从而将输入电源转换为1个稳定电压的直流电源加以输出。
15.所述滤波器接收进入电源转换装置的输入电源，并过滤噪声；
16.其中，滤波器接收进入电源转换装置的输入电源，并过滤噪声，以提升后续电压判断的准确度，直流检测电路连接滤波器后端，接收过滤后的输入电源并检测其电压：如果电压在默认电压范围内，判定输入电源为直流电源并导通直流开关，允许输入电源通过，直接输出；如果电压不在默认电压范围内，则判定输入电源为交流电源并断开直流开关；控制开关也连接滤波器，接收过滤后的输入电源，转换线圈连接控制开关，将控制开关输出的输入电源，转换为输出电源，整流器连接转换线圈，将输出电源转换为直流输出电压，光耦合器连接整流器，可根据整流器输出的直流输出电压，透过光耦合产生1个光耦合信号，为电源管理芯片提供电流反馈，电源管理芯片连接光耦合器，可根据光耦合器产生的光耦合信号，输出控制信号来持续切换控制开关，以控制输出到转换线圈的输入电源大小，从而控制输出电压稳定，dc/dc转换器接收由整流器或直流开关输出的直流输出电压，并将该直流输出电压转换为1个预设的特定电压，从而将输入电源转换为1个稳定电压的直流电源加以输出，实现一个将输入电源转换为稳定电压的直流电源再加以输出的电源转换系统，可以为各种电子组件提供所需的稳定直流电源，降低了转换电路的工作损耗，提高了工作效率，提高了输电质量，直流电源同时该方法实施方便、电路简单、成本低廉，具有很好的社会效益和经济效益，提高了使用性能。
17.所述s2中，如果电压在默认电压范围内，判定输入电源为直流电源并导通直流开关，允许输入电源通过，此时直流输出电压直接被dc/dc转换器接收。
18.所述直流开关设置在直流检测电路与dc/dc转换器之间，所述直流开关的通断控制输入电源通过。
19.所述光耦合器为垂直光耦合器，光耦合器的亚波长光栅由高折射率材料和低折射率材料交替构成，周期为t，占空比定义为硅材料长度a与周期长度t的比值。
20.一种应用于电源转换方法的电源管理芯片，包括两个输出端out1以及out2、fb端、用于产生对温度和电源电压不敏感的内部基准电压电路、用于产生周期性的方波信号的振荡器电路、用于将振荡器产生的方波信号转换成锯齿波信号的锯齿波产生电路、误差放大器、pwm波形产生与输出电路、均流控制电路、电流检测电路以及保护电路；所述误差放大器用于将fb端反馈的电压信号与基准电压信号进行比较放大，产生的信号和锯齿波进行比较，产生相应的pwm调制信号；所述pwm波形产生与输出电路将锯齿波产生的锯齿波信号和反馈电压进行比较，产生相应的pwm调制信号；所述均流控制电路；所述均流控制电路通过输出电流的检测，并通过电流镜将两相检测的电流求和平均，用平均后的电流产生一个控制电压，该电压改变pwm控制信号的占空比，从而实现两相输出电流的平均；如果某个通道中的电流值比平均值大，平衡控制信号就会减小输出脉冲的宽度，以达到输出电流的平均；
21.其中，电源管理芯片系统有两个控制环路，一个是电流型的内环控制，一个是电压型的外环控制；
22.电流环内环控制主要是通过对输出电流进行采样，利用采样电流对锯齿波电压直流偏置，实现对两路输出电流的检测，并通过电流镜将两路检测电流相加平均，用平均后的
电流产生一个控制电压，该电压改变外部mosfet开关管控制信号的占空比，改变两路dc/dc转换模块的开关状态，从而实现两路输出电流的平均，用平均后的电流作为一个控制输出电流的信号；
23.电压环外环控制主要是对输出电压进行采样，将采样回来的反馈电压和内部基准电压比较后由误差放大器输出误差电压，然后由误差放大器输出误差电压，该误差电压和锯齿波电压比较，产生相应的pwm调制信号，控制mosfet外部开关状态，调整输出电压，产生所需要cpu的供电电压；
24.在功率变换器的输入端加入均衡电路以减小由功率器件的物理参数差异所导致的变换器输入母线不平衡问题和输出整流电路的输出电流不均衡问题，并对功率器件在母线失衡过大的情况下进行保护；可有效降低环流损耗、减少输入电流纹波，提高输出效率和功率密度，适用于直流充电桩等大功率高压直流输出应用场合。
25.所述电流检测电路将外部采样的电流信号，提供给内部电路；
26.其中，采样信号一般是在开关管的下边串连一个采样电路，通过采样电阻的压降将电流信号转化为电压信号，然后采样电阻的压降即为采样信号的大小，然后将采样的信号输入到保护电路进行过流检测，达到电路需要的标准后进入均流控制电路。
27.所述保护电路是电流采样电路通过自动检测每一通道电流的大小，一旦检测到某一通道中电流过流时，就会进入过流保护状态；
28.其中，保护电路为限流保护型，即当功率开关管的漏极电流超过额定电流时，关断功率开关管，实际电路是由一个简单的两级运算放大器构成的比较器。当采样回来的电流信号超过限定的电流范围后，将会关断开关管。采样cs信号一般是在开关管的下边串连一个采样电路，通过采样电阻的压降将电流信号转化为电压信号，然后采样电阻的压降即为cs值的大小。
29.一种电源转换装置，包括电路板，所述电路板包括绝缘层、电路基板以及绝缘基板，所述电路基板设置在绝缘层与所述绝缘基板之间，所述电路板上配置至少一个半导体驱动电路，所述电路板上设置有滤波器、控制开关、整流器、光耦合器、dc/dc转换器、电源管理芯片以及转换线圈。
30.一种电源转换装置包括电路板，所述电路板包括绝缘层、电路基板以及绝缘基板，所述电路基板设置在绝缘层与所述绝缘基板之间，所述电路板上配置至少一个电源转换电路，所述电源转换电路包括滤波器、控制开关、整流器、光耦合器、dc/dc转换器、电源管理芯片以及转换线圈；
31.其中，电路板上通过金属布线将滤波器、控制开关、整流器、光耦合器、dc/dc转换器、电源管理芯片以及转换线圈等按照电源转换电路一一连接。
32.若干所述电路板通过若干滑道一一设置在绝缘外壳中，所述绝缘外壳上还设置有若干插孔，若干所述插孔位置与电路板对应；
33.其中，绝缘外壳将电路板保护起来，通过插孔使电路板与外界的电器连接。
34.本发明具有以下有益效果：
35.1、本发明通过滤波器接收进入电源转换装置的输入电源，并过滤噪声，以提升后续电压判断的准确度，直流检测电路连接滤波器后端，接收过滤后的输入电源并检测其电压：如果电压在默认电压范围内，判定输入电源为直流电源并导通直流开关，允许输入电源
通过，直接输出；如果电压不在默认电压范围内，则判定输入电源为交流电源并断开直流开关；控制开关也连接滤波器，接收过滤后的输入电源，转换线圈连接控制开关，将控制开关输出的输入电源，转换为输出电源，整流器连接转换线圈，将输出电源转换为直流输出电压，光耦合器连接整流器，可根据整流器输出的直流输出电压，透过光耦合产生1个光耦合信号，为电源管理芯片提供电流反馈，电源管理芯片连接光耦合器，可根据光耦合器产生的光耦合信号，输出控制信号来持续切换控制开关，以控制输出到转换线圈的输入电源大小，从而控制输出电压稳定，dc/dc转换器接收由整流器或直流开关输出的直流输出电压，并将该直流输出电压转换为1个预设的特定电压，从而将输入电源转换为1个稳定电压的直流电源加以输出，实现一个将输入电源转换为稳定电压的直流电源再加以输出的电源转换系统，可以为各种电子组件提供所需的稳定直流电源，降低了转换电路的工作损耗，提高了工作效率，提高了输电质量，直流电源同时该方法实施方便、电路简单、成本低廉，具有很好的社会效益和经济效益，提高了使用性能。
36.2、本发明通过在电源管理芯片中加入均流控制电路以减小由功率器件的物理参数差异所导致的转换电路输入母线不平衡问题和输出整流电路的输出电流不均衡问题，并对功率器件在母线失衡过大的情况下进行保护；可有效降低环流损耗、减少输入电流纹波，提高输出效率和功率密度，适用于直流充电桩等大功率高压直流输出应用场合。
37.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1为本发明一种电源转换方法的控制框图；
40.图2为本发明一种电源转换方法的控制流程图；
41.图3为本发明一种电源转换方法的实施流程图；
42.图4为本发明一种应用于电源转换方法的电源管理芯片系统框图；
43.图5为本发明中均流控制电路设计模型图；
44.图6为本发明一种电源转换装置整体结构示意图；
45.图7为本发明一种电源转换装置正视结构示意图；
46.图8为本发明图7中a处局部放大图。
47.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
48.110、电路板；120、绝缘层；130、电路基板；140、绝缘基板；210、滑道；220、绝缘外壳；230、插孔。
具体实施方式
49.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它
实施例，都属于本发明保护的范围。
50.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“中”、“外”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
51.请参阅图1-8所示，本实施列一种电源转换方法，包括下列步骤：
52.s1、在电源转换电路中设置输入电源，并通过滤波器接收输入电源；
53.s2、在电源转换电路中设置直流检测电路，接收过滤后的输入电源并检测其电压：如果电压在默认电压范围内，判定输入电源为直流电源并导通直流开关，允许输入电源通过；如果电压不在默认电压范围内，则判定输入电源为交流电源并断开直流开关；
54.s3、接收过滤后的输入电源，并输出输入电源给转换线圈，转换线圈将输入电源转换为输出电源；
55.s4、输出电源连接整流器，整流器将输出电源转换为直流输出电压；
56.s5、光耦合器连接整流器，根据整流器输出的直流输出电压，透过光耦合产生1个光耦合信号，为电源管理芯片提供电流反馈；
57.s6、电源管理芯片连接光耦合器，根据光耦合器产生的光耦合信号，输出控制信号来持续切换控制开关，以控制输出到转换线圈的输入电源大小，从而控制输出电压稳定；
58.s7、dc/dc转换器接收由整流器或直流开关输出的直流输出电压，并将该直流输出电压转换为1个预设的特定电压，从而将输入电源转换为1个稳定电压的直流电源加以输出。
59.滤波器接收进入电源转换装置的输入电源，并过滤噪声；
60.其中，滤波器接收进入电源转换装置的输入电源，并过滤噪声，以提升后续电压判断的准确度，直流检测电路连接滤波器后端，接收过滤后的输入电源并检测其电压：如果电压在默认电压范围内，判定输入电源为直流电源并导通直流开关，允许输入电源通过，直接输出；如果电压不在默认电压范围内，则判定输入电源为交流电源并断开直流开关；控制开关也连接滤波器，接收过滤后的输入电源，转换线圈连接控制开关，将控制开关输出的输入电源，转换为输出电源，整流器连接转换线圈，将输出电源转换为直流输出电压，光耦合器连接整流器，可根据整流器输出的直流输出电压，透过光耦合产生1个光耦合信号，为电源管理芯片提供电流反馈，电源管理芯片连接光耦合器，可根据光耦合器产生的光耦合信号，输出控制信号来持续切换控制开关，以控制输出到转换线圈的输入电源大小，从而控制输出电压稳定，dc/dc转换器接收由整流器或直流开关输出的直流输出电压，并将该直流输出电压转换为1个预设的特定电压，从而将输入电源转换为1个稳定电压的直流电源加以输出，实现一个将输入电源转换为稳定电压的直流电源再加以输出的电源转换系统，可以为各种电子组件提供所需的稳定直流电源，降低了转换电路的工作损耗，提高了工作效率，提高了输电质量，直流电源同时该方法实施方便、电路简单、成本低廉，具有很好的社会效益和经济效益，提高了使用性能。
61.在具体实施过程中，在直流检测电路中设置电压范围为200v-750v，输入电源通过滤波器过滤噪声，如果电压在200v-750v内，判定输入电源为直流电源并导通直流开关，允许输入电源通过，直接输出；如果电压不在200v-750v内，则判定输入电源为交流电源并断开直流开关，此时，输入电源通过转换线圈，使电压转换成在200v-750v范围内，然后整流器
将交流电(ac)变成直流电(dc),经滤波后供给光耦合器，透过光耦合产生1个光耦合信号，为电源管理芯片提供电流反馈，根据光耦合器产生的光耦合信号，输出控制信号来持续切换控制开关，以控制输出到转换线圈的输入电源大小，从而控制输出电压稳定。
62.s2中，如果电压在默认电压范围内，判定输入电源为直流电源并导通直流开关，允许输入电源通过，此时直流输出电压直接被dc/dc转换器接收。
63.直流开关设置在直流检测电路与dc/dc转换器之间，直流开关的通断控制输入电源通过。
64.光耦合器为垂直光耦合器，光耦合器的亚波长光栅由高折射率材料和低折射率材料交替构成，周期为t，占空比定义为硅材料长度a与周期长度t的比值。
65.一种应用于电源转换方法的电源管理芯片，包括两个输出端out1以及out2、fb端、用于产生对温度和电源电压不敏感的内部基准电压电路、用于产生周期性的方波信号的振荡器电路、用于将振荡器产生的方波信号转换成锯齿波信号的锯齿波产生电路、误差放大器、pwm波形产生与输出电路、均流控制电路、电流检测电路以及保护电路；误差放大器用于将fb端反馈的电压信号与基准电压信号进行比较放大，产生的信号和锯齿波进行比较，产生相应的pwm调制信号；pwm波形产生与输出电路将锯齿波产生的锯齿波信号和反馈电压进行比较，产生相应的pwm调制信号；均流控制电路；均流控制电路通过输出电流的检测，并通过电流镜将两相检测的电流求和平均，用平均后的电流产生一个控制电压，该电压改变pwm控制信号的占空比，从而实现两相输出电流的平均；如果某个通道中的电流值比平均值大，平衡控制信号就会减小输出脉冲的宽度，以达到输出电流的平均；
66.其中，电源管理芯片系统有两个控制环路，一个是电流型的内环控制，一个是电压型的外环控制；
67.电流环内环控制主要是通过对输出电流进行采样，利用采样电流对锯齿波电压直流偏置，实现对两路输出电流的检测，并通过电流镜将两路检测电流相加平均，用平均后的电流产生一个控制电压，该电压改变外部mosfet开关管控制信号的占空比，改变两路dc/dc转换模块的开关状态，从而实现两路输出电流的平均，用平均后的电流作为一个控制输出电流的信号；
68.电压环外环控制主要是对输出电压进行采样，将采样回来的反馈电压和内部基准电压比较后由误差放大器输出误差电压，然后由误差放大器输出误差电压，该误差电压和锯齿波电压比较，产生相应的pwm调制信号，控制mosfet外部开关状态，调整输出电压，产生所需要cpu的供电电压；
69.在电源管理芯片中加入均流控制电路以减小由功率器件的物理参数差异所导致的转换电路输入母线不平衡问题和输出整流电路的输出电流不均衡问题，并对功率器件在母线失衡过大的情况下进行保护；可有效降低环流损耗、减少输入电流纹波，提高输出效率和功率密度，适用于直流充电桩等大功率高压直流输出应用场合。
70.在具体实施过程中，如图5所示，该图介绍了本次电流平均电路的设计思想模型，该思想是根据检测电压进行求和再平均，并产生控制输出电流平均调整信号的原理图，其中v1和v2巧分别是两相检测的电压信号，通过电流源将这两个电压信号转换成电流信号，并将两个电流求和得到总电流i，然后将求和后的总电流算数平均，再利用电流源把平均电流1/2i转换成控制调节开关占空比的电压控制信号i
c1
和i
c2
；在工作时，假如第一相的电流较
大，则采样电压v1也偏大，由转换得到的电流也偏大，那么通过求和再平均后的电流1/2i就是介于i1和i2之间，大于i2而小于i1，理想情况下，控制信号i
c1
和i
c2
此时相等的，因此i
c1
会控制第一相开关的占空比降低，从而减小第一相的输出电流，而i
c2
则会控制第二相的开关占空比升高，增大第二相的输出电流，最终实现了两相输出电流达到均衡。
71.电流检测电路将外部采样的电流信号，提供给内部电路；
72.其中，采样信号一般是在开关管的下边串连一个采样电路，通过采样电阻的压降将电流信号转化为电压信号，然后采样电阻的压降即为采样信号的大小，然后将采样的信号输入到保护电路进行过流检测，达到电路需要的标准后进入均流控制电路。
73.保护电路是电流采样电路通过自动检测每一通道电流的大小，一旦检测到某一通道中电流过流时，就会进入过流保护状态；
74.其中，保护电路为限流保护型，即当功率开关管的漏极电流超过额定电流时，关断功率开关管，实际电路是由一个简单的两级运算放大器构成的比较器。当采样回来的电流信号超过限定的电流范围后，将会关断开关管；采样cs信号一般是在开关管的下边串连一个采样电路，通过采样电阻的压降将电流信号转化为电压信号，然后采样电阻的压降即为cs值的大小。
75.一种电源转换装置，包括电路板110，电路板110包括绝缘层120、电路基板130以及绝缘基板140，电路基板130设置在绝缘层120与绝缘基板140之间，电路板110上配置至少一个电源转换电路，电源转换电路包括滤波器、控制开关、整流器、光耦合器、dc/dc转换器、电源管理芯片以及转换线圈；
76.其中，电路板110上通过金属布线将滤波器、控制开关、整流器、光耦合器、dc/dc转换器、电源管理芯片以及转换线圈等按照电源转换电路一一连接。
77.若干电路板110通过若干滑道210一一设置在绝缘外壳220中，绝缘外壳220上还设置有若干插孔230，若干插孔230位置与电路板110对应；
78.其中，绝缘外壳220将电路板110保护起来，通过插孔230使电路板110与外界的电器连接。
79.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。