专利名称：一种基于单输入的正负双电源系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电源领域，具体涉及一种基于单输入的正负双电源系统。
背景技术：
每一个电子产品可能由各个部分组成，但有一个共同点就是都少不了供电系统。 在设计供电系统的时候，很多情况下都会受到各种各样的限制，这和实际应用条件有很大 关系。其中一个比较典型的限制就是输入电源。 举例来说，当一个系统需要一个+5V和一个-5V两路供电，且两路电源共地时，可 以有多种设计方案。但当限制输入为单一直流电源的情况下，且整个系统共地，则可选方案 就少了很多(这是一个比较常见的应用)。通常最常用的是方案是(正电源产生比较简单， 仅以负电源为例说明)，用一个电荷泵电路将+5乂转换为_5V。但电荷泵的缺点是负载能力 太弱，一般不超过200mA，稍微大一些的电路就不能支撑。综合考虑成本、体积、性能等要素， 构建一个合适的电源系统并不容易。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于单输入的正负双电源系统，在单直流电 源输入的情况下，可输出正负两路直流电源，可同时兼顾输出负载能力、成本、电压稳定度 和体积的需要。 为了解决上述问题，本发明提供了一种基于单输入的正负双电源系统，包括
电源输入单元，用于产生输入直流电源； 同步时钟发生单元，用于产生同步的第一时钟信号和第二时钟信号；所述第一时 钟信号为正、第二时钟信号为负； 正电压输出电路，包括第一输出端和第一参考地端，用于以所述第一时钟信号作 为同步时钟信号，根据所述输入直流电源在所述第一输出端和第一参考地端之间产生第一 电压； 负电压输出电路，包括第二输出端和第二参考地端，用于以所述第二时钟信号作 为同步时钟信号，根据所述输入直流电源在所述第二输出端和第二参考地端之间产生第二 电压； 所述正电压输出电路的第一参考地端连接至所述负电压输出单元的第二输出端， 作为所述系统的共同参考地端，第一输出端作为所述系统的正电源输出端，输出第一直流 电源；所述负电压输出电路的第二参考地端作为所述系统的负电源输出端，输出第二直流 电源。 进一步地，所述同步时钟发生单元包括 稳压电路、施密特触发电路和时钟极性翻转电路； 所述稳压电路用于提供芯片供电电压给所述施密特触发电路； 所述施密特触发电路用于自震荡产生正极性的第一时钟信号；
所述时钟极性翻转电路用于根据所述第一时钟信号产生与第一时钟信号幅度相
同、相位相同、负极性的第二时钟信号。 进一步地，所述时钟极性翻转电路包括 高速光电耦合器、第一电阻和第二电阻； 所述高速光电耦合器包括输入端、输出端、集电极、使能端和接地端； 所述集电极和使能端通过所述第二电阻接所述共同参考地端DGND ;所述输入端
接收所述第一时钟信号，并通过所述第一电阻接收所述芯片供电电压；所述接地端连接所
述负电源输出端；所述输出端用于输出所述第二时钟信号。 进一步地，所述高速光电耦合器为6N137芯片；输入端为引脚2和3，输出端为引 脚6，集电极为引脚8，使能端为引脚7，接地端为引脚5。 进一步地，所述正电压输出电路包括相连的第一 BUCK电路和第一 LC滤波电路；
所述负电压输出电路包括相连的第二 BUCK电路和第二 LC滤波电路；
所述第一、第二BUCK电路分别以第一、第二时钟信号作为同步信号，用于以高速 开关方式将所述输入直流电源转换为第一、第二方波信号； 所述第一 LC滤波电路用于平滑所述第一方波信号，输出所述第一电压；
所述第二 LC滤波电路用于平滑所述第二方波信号，输出所述第二电压。
进一步地，所述第一 LC滤波电路包括
电感(Ll)、平滑滤波电容(C3)和高频滤波电容(C4); 所述平滑滤波电容(C3)和高频滤波电容(C4)并联，并联后的一端与所述电感 (Ll)的第一端相连，作为所述第一输出端，另一端作为所述第一参考地端；
所述电感(Ll)的第二端与所述第一 BUCK电路的输出端相连；
所述第二 LC滤波电路包括 电感(L2)、平滑滤波电容(C8)和高频滤波电容(C9); 所述平滑滤波电容(C8)和高频滤波电容(C9)并联，并联后的一端与所述电感 (L2)的第一端相连，作为所述第二输出端，并连接至所述第一参考地端，另一端作为所述第 二参考地端； 所述电感(L2)的第二端与所述第二 BUCK电路的输出端相连。 进一步地，所述平滑滤波电容(C3)和(C8)为电解电容，其正极分别连接所述电感
L1、L2的第一端。 进一步地，所述第一 BUCK电路包括 — boost芯片、两个二极管、一电阻、电容(Cl)和电容(C5); 所述boost芯片包括同步引脚、输入引脚、输出引脚、接地引脚、C引脚以及反馈引 所述同步引脚通过所述电容(C5)接收所述第一时钟信号，并通过所述电阻与所 述接地引脚相连； 所述输入引脚与所述电源输入单元相连，接收所述输入直流电源；
所述C引脚通过所述电容(Cl)与所述输出引脚相连；
所述反馈引脚连接至所述电感(Ll)的第二端；
所述输出引脚连接至所述电感(Ll)的第一端；
所述两个二极管并联，正极与所述接地引脚相连，负极与所述输出引脚相连； 所述接地引脚连接至所述第一参考地端。 进一步地，所述第二 BUCK电路包括 — boost芯片、两个二极管、一电阻、电容(C6)和电容(CIO); 所述boost芯片包括同步引脚、输入引脚、输出引脚、接地引脚、C引脚以及反馈引 所述同步引脚通过所述电容(C10)接收所述第二时钟信号，并通过所述电阻与所 述接地引脚相连； 所述输入引脚与所述电源输入单元相连，接收所述输入直流电源；
所述C引脚通过所述电容(C6)与所述输出引脚相连；
所述反馈引脚连接至所述电感(L2)的第二端；
所述输出引脚连接至所述电感(L2)的第一端； 所述两个二极管并联，正极与所述接地引脚相连，负极与所述输出引脚相连；
所述接地引脚连接至所述第二参考地端。 本发明的技术方案中，系统输入为一个直流稳压源，输出可提供一组正电源输出 和一组负电源输出，正负电源共地沐发明具有低成本、小体积、大功率和高精度的特点，解 决了单电源输入系统中，在要求正负双轨电源输出都提供大负载电流和较高稳定度情况下 的设计难题，为类似应用提供了性价比很高的解决方案。本发明的一个实施例中采用反向 并联BUCK芯片的方式，通过两个极性相反、频率相同的同步时钟，既可以控制输出的电压 纹波频率，还可以使输出的正负两路电源的纹波电流相位相反，从而相互抵消(绝对值降 低)，提高电源的输出稳定度；由于BUCK电路采用高速开关原理进行电源变换，效率极高， 系统本身损耗很小，因此输出的正负两路电源均可以做到大电流供给，突破传统设计瓶颈。
图1是实施例一中基于单输入的正负双电源系统的示意框图
图2是实施例一中时钟极性翻转的电路图；
图3是实施例一中电源输出单元的示意框图。
具体实施例方式
下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。 需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结
合，均在本发明的保护范围之内。 实施例一，一种基于单输入的正负双电源系统，如图1所示，包括
电源输入单元，用于产生输入直流电源VIN; 同步时钟发生单元，用于产生同步的第一时钟信号Sync clkl和第二时钟信号 Sync clk2;所述第一时钟信号为正、第二时钟信号为负；所述第一、第二时钟信号频率相 同； 电源输出单元，包括正、负电压输出电路； 所述正电压输出电路包括第一输出端V+。ut和第一参考地端GND+，用于以所述第一时钟信号作为同步时钟信号，根据所述输入直流电源在所述第一输出端V+。ut和第一参考地 端GND+之间产生第一电压； 所述负电压输出电路包括第二输出端V—。ut和第二参考地端GND—，用于以所述第二 时钟信号作为同步时钟信号，根据所述输入直流电源在所述第二输出端V—。ut和第二参考地 端GND—之间产生第二电压； 所述正电压输出电路的第一参考地端GND+连接至所述负电压输出单元的第二输 出端V—。ut，作为所述系统的共同参考地端DGND ; 所述正电压输出电路的第一输出端V+。ut作为所述系统的正电源输出端，输出第一 直流电源V0UT+ ; 所述负电压输出电路的第二参考地端作为所述系统的负电源输出端，输出第二直 流电源VOUT-。 可见看出，本实施例中，所述第一、第二直流电源分别为一组共地的正、负电源；所 述第一、第二直流电源的幅度(绝对值)可以但不限于相等。 上述正、负电压输出电路连接方式为反向并联方式，所述正、负电压输出电路共同 的输入即为所述输入直流电源VIN，所述输入直流电源VIN也以所述参考地端DGND为参考。
本实施例中，通过所述第一、第二时钟信号可以控制所述正、负电压输出电路输出 的电压纹波频率，还可以使输出的所述第一、第二直流电源的纹波电流相位相反，从而相互 抵消，提高输出稳定度。 本实施例中，所述同步时钟发生单元具体可以包括
稳压电路、施密特触发电路和时钟极性翻转电路。 所述稳压电路用于提供芯片供电电压CLKVCC给所述施密特触发电路； 所述施密特触发电路用于自震荡产生正极性的第一时钟信号，频率范围
280KHZ 380KHZ ; 所述时钟极性翻转电路用于根据所述第一时钟信号产生负极性的第二时钟信号， 此第二时钟信号与第一时钟信号幅度相同、相位相同、极性相反。 鉴于时钟信号为高速信号，采用一个高速光电耦合器搭建所述时钟极性翻转电
路，高速光电耦合器的输入和输出两级电气完全隔离，因此，将高速光电耦合器输出集电极
连接所述共同参考地DGND，发射极连接所述负电源输出端，即可输出与第一时钟信号极性
相反、频率相同的第二时钟信号；且集电极上拉电阻可用来调节输出信号的负载能力。 所述时钟极性翻转电路具体可以包括 高速光电耦合器、第一电阻Rl和第二电阻R2 ; 所述高速光电耦合器包括输入端、输出端、集电极、使能端和接地端； 所述集电极和使能端通过所述第二电阻接所述共同参考地端DGND ;所述输入端
接收所述第一时钟信号，并通过所述第一电阻接收所述芯片供电电压CLKVCC ;所述接地端
连接所述负电源输出端；所述输出端用于输出所述第二时钟信号。 所述高速光电耦合器可以但不限于为6N137芯片。 此时如图2所示，高速光电耦合器的输入端为引脚2(AN)禾P引脚3 (CA)，输出端为 引脚6 (OUT)，集电极为引脚8 (VCC)，使能端为弓|脚7 (EN)，接地端为弓|脚5 (GND);引脚1和 4不用。
在实际应用中，所述高速光电耦合器规格可根据需要选择；对应不同的频率和负 载大小，也可调整所述第二电阻使输出的第二时钟信号满足需要。 本实施例中，所述电源输出单元中，所述正、负电压输出电路的核心分别为第一、 第二BUCK电路，所述第一、第二BUCK电路以反向并联方式连接。 在实际应用中，根据输出电压需要、负载电流需要可选择合适的BUCK芯片搭建所 述第一、第二BUCK电路，也可以使用分立元件实现。 所述正电压输出电路包括相连的第一 BUCK电路和第一 LC滤波电路； 所述负电压输出电路包括相连的第二 BUCK电路和第二 LC滤波电路； 所述第一、第二BUCK电路分别以第一、第二时钟信号作为同步信号，用于以高速
开关方式将所述输入直流电源VIN转换为第一、第二方波信号； 所述第一 LC滤波电路用于平滑所述第一方波信号，输出所述第一电压； 所述第二 LC滤波电路用于平滑所述第二方波信号，输出所述第二电压。 本实施例中，如图3所示，所述第一 LC滤波电路具体可以包括 电感Ll、平滑滤波电容C3和高频滤波电容C4 ; 所述平滑滤波电容C3和高频滤波电容C4并联，并联后的一端与所述电感Ll的第 一端相连，作为所述第一输出端(也就是所述正电源输出端)，另一端作为所述第一参考地 端(也就是所述共同参考地端DGND); 所述电感Ll的第二端与所述第一 BUCK电路的输出端相连； 所述第二 LC滤波电路具体可以包括 电感L2、平滑滤波电容C8和高频滤波电容C9 ; 所述平滑滤波电容C8和高频滤波电容C9并联，并联后的一端与所述电感L2的 第一端相连，作为所述第二输出端，并连接至所述第一参考地端(也就是共同参考地端 DGND)，另一端作为所述第二参考地端(也就是所述负电源输出端)；
所述电感L2的第二端与所述第二 BUCK电路的输出端相连。 本实施例中，所述平滑滤波电容C3和C8可以为电解电容，其正极分别连接所述电 感L1、L2的第一端。 本实施例中，所述第一 BUCK电路具体可以包括 — boost芯片、二极管D1、二极管D2、一电阻、电容C1和电容C5 ; 所述boost芯片包括同步引脚(引脚5，SYNC)、输入引脚(引脚2， IN)、输出引脚
(弓I脚1，SW)、接地引脚(弓I脚4，GND)、C引脚(引脚3，C)以及反馈引脚(引脚6， FB); 所述同步引脚通过所述电容C5接收所述第一时钟信号，并通过所述电阻与所述
接地引脚相连； 所述输入引脚与所述电源输入单元相连，接收所述输入直流电源VIN ;
所述C引脚通过所述电容C1与所述输出引脚相连；
所述反馈引脚连接至所述电感Ll的第二端；
所述输出引脚连接至所述电感L1的第一端； 所述二极管D1、D2并联，正极与所述接地引脚相连，负极与所述输出引脚相连；
所述接地弓|脚连接至所述第一参考地端。
所述第二 BUCK电路具体可以包括
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— boost芯片、二极管D3、二极管D4、一电阻、电容C6和电容C10 ; 所述boost芯片包括同步引脚(引脚5，SYNC)、输入引脚(引脚2， IN)、输出引脚
(弓I脚1，SW)、接地引脚(弓I脚4，GND)、C引脚(引脚3，C)以及反馈引脚(引脚6， FB); 所述同步引脚通过所述电容C10接收所述第一时钟信号，并通过所述电阻与所述
接地引脚相连； 所述输入引脚与所述电源输入单元相连，接收所述输入直流电源VIN;
所述C引脚通过所述电容C6与所述输出引脚相连；
所述反馈引脚连接至所述电感L2的第二端；
所述输出引脚连接至所述电感L2的第一端； 所述二极管D3、 D4并联，正极与所述接地引脚相连，负极与所述输出引脚相连；
所述接地弓|脚连接至所述第二参考地端。
实际应用时，也可以采用其它具体电路实现。 本实施例中，所述第一、第二BUCK电路中boost芯片的同步引脚SYNC为同步时钟 引脚。第一 BUCK电路以所述共同参考地端DGND为输出电压参考基准；第二 BUCK电路以所 述负电源输出端为输出电压参考基准，其同步信号的参考电位也相应变为第二直流电源。
本实施例中，由负极性的第二时钟信号作为第二BUCK电路的同步信号，第一、第 二直流电源和的纹波电流相位相反，从而可以相互抵消(绝对值降低)。提高了电源稳定 度；由于所述第一、第二BUCK电路采用高速开关原理进行电源变换，效率极高，系统本身损 耗很小，因此第一直流电源和第二直流电源均可以做到大电流供给，突破传统设计瓶颈。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟 悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变 形都应属于本发明的权利要求的保护范围。
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权利要求
一种基于单输入的正负双电源系统，其特征在于，包括电源输入单元，用于产生输入直流电源；同步时钟发生单元，用于产生同步的第一时钟信号和第二时钟信号；所述第一时钟信号为正、第二时钟信号为负；正电压输出电路，包括第一输出端和第一参考地端，用于以所述第一时钟信号作为同步时钟信号，根据所述输入直流电源在所述第一输出端和第一参考地端之间产生第一电压；负电压输出电路，包括第二输出端和第二参考地端，用于以所述第二时钟信号作为同步时钟信号，根据所述输入直流电源在所述第二输出端和第二参考地端之间产生第二电压；所述正电压输出电路的第一参考地端连接至所述负电压输出单元的第二输出端，作为所述系统的共同参考地端，第一输出端作为所述系统的正电源输出端，输出第一直流电源；所述负电压输出电路的第二参考地端作为所述系统的负电源输出端，输出第二直流电源。
2. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述同步时钟发生单元包括稳压电路、施密特触发电路和时钟极性翻转电路；所述稳压电路用于提供芯片供电电压给所述施密特触发电路；所述施密特触发电路用于自震荡产生正极性的第一时钟信号；所述时钟极性翻转电路用于根据所述第一时钟信号产生与第一时钟信号幅度相同、相位相同、负极性的第二时钟信号。
3. 如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述时钟极性翻转电路包括高速光电耦合器、第一电阻和第二电阻；所述高速光电耦合器包括输入端、输出端、集电极、使能端和接地端；所述集电极和使能端通过所述第二电阻接所述共同参考地端DGND ;所述输入端接收所述第一时钟信号，并通过所述第一电阻接收所述芯片供电电压；所述接地端连接所述负电源输出端；所述输出端用于输出所述第二时钟信号。
4. 如权利要求3所述的系统，其特征在于所述高速光电耦合器为6N137芯片；输入端为引脚2和3，输出端为引脚6，集电极为引脚8，使能端为引脚7，接地端为引脚5。
5. 如权利要求1到4中任一项所述的系统，其特征在于所述正电压输出电路包括相连的第一 BUCK电路和第一 LC滤波电路；所述负电压输出电路包括相连的第二 BUCK电路和第二 LC滤波电路；所述第一、第二BUCK电路分别以第一、第二时钟信号作为同步信号，用于以高速开关方式将所述输入直流电源转换为第一、第二方波信号；所述第一 LC滤波电路用于平滑所述第一方波信号，输出所述第一电压；所述第二 LC滤波电路用于平滑所述第二方波信号，输出所述第二电压。
6. 如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一 LC滤波电路包括电感(Ll)、平滑滤波电容(C3)和高频滤波电容(C4);所述平滑滤波电容(C3)和高频滤波电容(C4)并联，并联后的一端与所述电感(Ll)的第一端相连，作为所述第一输出端，另一端作为所述第一参考地端；所述电感(LI)的第二端与所述第一 BUCK电路的输出端相连；所述第二LC滤波电路包括电感(L2)、平滑滤波电容(C8)和高频滤波电容(C9);所述平滑滤波电容(C8)和高频滤波电容(C9)并联，并联后的一端与所述电感(L2)的第一端相连，作为所述第二输出端，并连接至所述第一参考地端，另一端作为所述第二参考地端；所述电感(L2)的第二端与所述第二 BUCK电路的输出端相连。
7. 如权利要求6所述的系统，其特征在于所述平滑滤波电容(C3)和(C8)为电解电容，其正极分别连接所述电感L1、 L2的第一丄山顺。
8. 如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一 BUCK电路包括一 boost芯片、两个二极管、一电阻、电容(CI)和电容(C5);所述boost芯片包括同步引脚、输入引脚、输出引脚、接地引脚、C引脚以及反馈引脚；所述同步引脚通过所述电容(C5)接收所述第一时钟信号，并通过所述电阻与所述接地引脚相连；所述输入引脚与所述电源输入单元相连，接收所述输入直流电源；所述C引脚通过所述电容(CI)与所述输出引脚相连；所述反馈引脚连接至所述电感(LI)的第二端；所述输出引脚连接至所述电感(LI)的第一端；所述两个二极管并联，正极与所述接地引脚相连，负极与所述输出引脚相连；所述接地引脚连接至所述第一参考地端。
9. 如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第二 BUCK电路包括一 boost芯片、两个二极管、一电阻、电容(C6)和电容(CIO);所述boost芯片包括同步引脚、输入引脚、输出引脚、接地引脚、C引脚以及反馈引脚；所述同步引脚通过所述电容(CIO)接收所述第二时钟信号，并通过所述电阻与所述接地引脚相连；所述输入引脚与所述电源输入单元相连，接收所述输入直流电源；所述C引脚通过所述电容(C6)与所述输出引脚相连；所述反馈引脚连接至所述电感(L2)的第二端；所述输出引脚连接至所述电感(L2)的第一端；所述两个二极管并联，正极与所述接地引脚相连，负极与所述输出引脚相连；所述接地引脚连接至所述第二参考地端。
全文摘要
一种基于单输入的正负双电源系统，包括电源输入单元，用于产生输入直流电源；同步时钟发生单元，用于产生同步的第一时钟信号和第二时钟信号；所述第一/第二时钟信号为正/负；正/负电压输出电路，包括第一/第二输出端和第一/第二参考地端，用于以所述第一/第二时钟信号作为同步时钟信号，根据所述输入直流电源在所述第一/第二输出端和第一/第二参考地端之间产生第一/第二电压；所述第一参考地端连接至所述第二输出端，作为所述系统的共同参考地端，所述第一输出端作为所述系统的正电源输出端，输出第一直流电源；所述第二参考地端作为所述系统的负电源输出端，输出第二直流电源。
文档编号H02M3/08GK101764517SQ20101011204
公开日2010年6月30日 申请日期2010年2月11日 优先权日2010年2月11日
发明者吴安, 娄山林, 李超 申请人:浪潮(北京)电子信息产业有限公司