专利名称：具有功率接收器的dc-dc转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种DC-DC转换器，尤其是一种具有功率接收器的DC-DC转换器。
背景技术：
目前，IEEE 802. 3af标准提出了以太网供电(Power over Ethernet,PoE)的标准 为所有数据终端设备(DTE)使用与数据相同的电缆线来接收功率，该标准规定了用未屏蔽 双绞线电缆传输48V直流电。这样，在以太网中就不需要本地电源。IEEE 802.3af标准及 IEEE 802. 3at标准提出了用已有电缆提供和接收电源的要求，包括给电缆提供电源的设备 (PSE)，以及功率接收器件(PD)。该标准定义了 PSE和PD之间的接口，也涉及相关探测和分 类协议。目前国外市场上同类产品只局限于普通的DC-DC转换器与功率接收器(PD)集成， 这些普通的DC-DC转换器包括电压型和电流型。它们的主要问题是1、需要复杂的频率补 偿设计；2、在低负载情况下，开关损耗相对较大而导致效率低；3、应用电压范围不够宽，在 设计应用和管理上给用户增加了不便。目前国内市场类似产品几乎是空白，都要依赖于进口。集成化的功率接收器(PD) 和DC-DC转换器集成电路在国内外的市场正在成指数式增加，其应用包括任何连接到以太 网端口的设备，如数据终端、无线接入点、网络摄像机(webcam)或网络电话等。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种具有功率接收器的DC-DC 转换器，其转换效率高，功耗低，体积小，成本低，应用方便，适用于宽输入电压范围和低输 出电压领域，特别适用于以太网供电系统的应用。按照本发明提供的技术方案，所述具有功率接收器的DC-DC转换器，包括DC-DC转 换器；所述DC-DC转换器的输入端与热插拔和开关控制模块、开关DK1相连；所述开关DK1 的控制端与热插拔和开关控制模块的输出端相连，开关DK1对应于与DC-DC转换器相连 的另一端与外部电源相连；所述热插拔和开关控制模块控制开关DK1的断开或闭合，并使 DC-DC转换器输出稳定的电压。所述开关DK1为M0S场效应管，所述M0S场效应管的栅极端与热插拔和开关控制 模块的输出端相连，M0S场效应管的源极端与DC-DC转换器的电源端，M0S场效应管的漏极 端与外部电源相连；热插拔和开关控制模块使M0S场效应管工作在正向导通时，DC-DC转换 器与外部电源相连。所述DC-DC转换器包括电阻R12及与所述电阻R12相串联的电阻R4，电阻R4对 应于与电阻R12相连的另一端接地；电阻R12对应于与电阻R4相连的端部与恒定导通时 间定时器T1的控制端相连，所述恒定导通时间定时器T1的输出端与驱动电路的输入端相 连；所述驱动电路的输入端还接收误差放大器A1输入的误差电压信号，并根据误差电压信 号与恒定导通时间定时器T1的定时信号，输出对应的驱动信号；驱动电路的输出端与逻辑门电路F1的输出端相连，逻辑门电路F1的输出端与开关DK2的控制端相连，开关DK2的两 端分别与R12、电感L及二极管D2的阴极端相连；所述二极管D2的阳极端接地；电感L与 电容C及电阻R5相连，电容C的另一端接地；电阻R5与电阻R6相串联，电阻R6的另一端 接地；电阻R5对应于与电阻R6相连的端部与误差放大器A1的反相端相连，误差放大器A1 的同相端分别与参考电压VKEF2，热插拔和开关控制模块的输出电压Vss相连；所述电阻R5对 应于与电容C、电感L相连的端部形成电压输出端V。ut，驱动电路根据误差放大器A1及恒定 导通时间定时器T1的输出，使输出电压V。ut保持在稳定状态；电阻R12对应于与开关DK2 相连的端部形成电压输入端Vinl。所述热插拔和开关控制模块包括时钟控制电路，所述时钟控制电路接收时钟信号 CLK与控制信号Control ；热插拔和开关控制模块还包括若干相串联的电阻R ；所述串联电 阻R的一端与参考电压VKEF相连，另一端接地；所述相串联电阻R内任意相连的电阻间设有 开关DK，所述开关DK的一端与串联电阻R内对应于两相连电阻的端部相连，开关DK的另一 端相互连接，形成输出电压Vss，所述开关DK的控制端均与时钟控制电路的输出端相连。所述热插拔和开关控制模块的输入端还设有过温保护模块。所述热插拔和开关控 制模块的输入端与过流保护模块相连。所述开关DK1对应于外部电源相连的端部与特征 电阻检测与电流等级信息模块相连，所述特征电阻检测与电流等级信息模块包括特征电阻 R1，所述特征电阻R1的一端与DK1相连，另一端与开关DK9相连。所述开关DK1对应于与 DC-DC转换器相连的另一端与过压保护模块相连，所述过压保护模块包括稳压二极管DW1。 所述稳压二极管DW1的稳压范围为44 57V。所述特征电阻R1的阻值为25KQ。本发明的优点DC_DC转换器包括恒定导通时间定时器T1，利用恒定导通时间定 时器T1达到恒定导通时间，不需要误差放大器，不需要外部频率补偿，使得外部负载应用 设计简化，瞬态响应加快。通过将DC-DC转换器与功率接收器(PD)集成在一起，具有高转 换效率，低功耗，体积小，成本低，应用方便，适用于宽输入电压范围和低输出电压领域，特 别适用于以太网供电系统的应用。
图1为本发明的结构框图。图2为本发明的具体实施原理图。图3为本发明DC-DC转换器的原理图。图4为本发明热插拔和开关控制模块的原理图。
具体实施例方式下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。如图1 图4所示在利用以太网供电系统供电时，根据IEEE标准的802. 3af与 802. 3at要求，以太网的电源输出端需要利用功率接收器(PD)和DC-DC转换器，达到对负载 进行供电的目的。如图1和图2所示所述以太网供电电缆分别与输入电压Vin的正极端与负极端 相连，根据以太网供电系统的要求，需要对特征电阻R1进行检测，以便使以太网的电源设 备PSE提供对应的电压与电流。利用特征电阻检测与电流等级信息模块实现对特征电阻R1的检测，所述特征电阻检测与电流等级信息模块包括特征电阻R1，所述特征电阻R1的一端 与输入电压Vin的正极端相连，特征电阻R1的另一端与开关DK9相连，所述开关DK9的另一 端与输入电压Vin的负极端相连，所述开关DK9的控制端与外部电源设备PSE相连。开关 DK9可以采用M0S场效应管；当开关DK9采用M0S场效应管时，可以根据外部电源设备PSE 的输入电压来控制开关DK9的开启或关断。当与外部电源设备PSE相连后，外部电源设备 PSE检测到特征电阻R1的存在，使开关DK9闭合，特征电阻R1与外部电源设备PSE间形成 闭合回路。根据IEEE标准，电流等级采用两级检测；外部电源设备PSE根据分级的电流大 小，确定输出的电流值，满足IEEE标准中的五类功率分级的要求。在输入电压Vin小于或等 于10V时，只需要10 y A的电流就能够实现特征电阻R1的检测，所述低电流的检测方法可 以确保检测的准确性。特征电阻R1的阻值为25KQ。在检测特征电阻R1时，采用两点差分 法检测，可以减少由整流二极管带来的误差，进一步提高检测的准确性。当输入电压在15V 和20V之间时，外部电源设备PSE根据流过特征电阻R1的电流信息，能够确定需要输出的 功率，能够达到IEEE标准要求的五类功率。电阻R3是一个电流检测电阻，起到过流保护功 能。 在外部电源设备PSE进行特征电阻和电流等级信息检测后，外部电源设备PSE向 热插拔和开关控制模块提供一个控制信号，使热插拔和开关控制模块输出对应的电压信 息，控制DC-DC转换器与外部电源设备PSE的连接。如图4所示所述热插拔和开关控制 模块包括时钟控制电路，所述时钟控制电路能够接收时钟信号CLK、控制信号Control、过 流保护信息与过温保护信息。所述时钟信号CLK与内部时钟信号相连，时钟信号CLK接收 时钟的频率一般采用800 1200KHZ。控制信号Control可以由外部电源设备PSE提供或 是内部提供，当外部电源设备PSE对特征电阻R1检测完后，外部电源设备PSE给时钟控制 电路的控制信号Control端提供高电平，使时钟控制电路能够输出对应的控制信号，从而 能够开启或关闭对应的开关DK。所述热插拔和开关控制模块还包括若干相串联电阻R，图 4中只表示五个电阻相串联；具体实施时，采用1000个1KQ的电阻相串联，构成串联电阻 R;所述参考电压VKEF为10V。所述串联电阻R的一端与参考电压VKEF相连，另一端接地。在 所述串联电阻R上设置开关DK，具体实施为串联电阻R内任意电阻的两端均设有开关DK， 开关DK的一端与两电阻相连，所有开关DK的另一端均相互连接，形成电压输出端Vss。所 述开关DK的控制端与时钟控制电路的输出端相连；所述时钟控制电路的输出端可以采用 总线的形式与所有开关DK的控制端相连。所述开关DK在具体实施时，可以采用M0S场效 应管。所述M0S场效应管的栅极端与时钟控制电路的输出端相连，所述M0S场效应管的漏 极端与源极端分别与对应的电阻、DC-DC转换器相连。图4中表示了五个电阻与六个开关 的连接关系。所述电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10与电阻R11相串联，电阻R7与电阻 R8间的虚线表示还有若干串联的电阻。电阻R11的两端分别设有开关DK8与开关DK7 ；开 关DK8的一端与参考电压VKEF相连，开关DK7的一端与电阻R11对应于设置开关DK9的另 一端相连。电阻R10的两端设有开关DK7与开关DK6 ；电阻R9的两端设有开关DK6与开关 DK5 ；电阻R8对应于与电阻R9相连的一端设有开关DK5 ；电阻R7的两端分别设有开关DK3 与开关DK4 ；所述电阻R7对应于与开关DK3相连的一端接地；电阻两端的开关DK对应于与 电阻相连的另一端均相互连接，形成电压输出端Vss。当控制信号Control为高电平，且时 钟信号CLK有时序信号时，根据时钟信号CLK的变化，时钟控制电路会将串联电阻R上的开关DK依次打开，具体实施时，将最先打开与地相连的DK，图4为开关DK3最先开关，这时输 出电压Vss为零；时钟控制电路会再依次将相邻的开关DK打开，图4中为开关DK3闭合后， 开关DK4再进行闭合；形成对应的串联输出电路。根据串联分压的原理可知，输出电压Vss 会不同，且开关依次闭合后，输出电压Vss会逐渐增大，所述输出电压Vss可以从零伏到参考 电压VKEF间变化。由于输出电压Vss既与开关DK1的控制端相连，又与DC-DC转换器的输出 端相连输出电压Vss与DC-DC转换器相连，因此输出电压Vss的缓慢变化既能够使开关DK1 缓慢闭合或断开，又能够让DC-DC转换器平稳的输出电压，让DC-DC转换器的输出电压平稳 上升。所述热插拔和开关控制模块通过对DC-DC转换器的输入电流进行控制，能够有效控 制电流上升的速率，使DC-DC转换器与外部电源设备PSE具有热插拔的功能。图4中，采用 1000个1KQ的电阻相串联，参考电压V■为10V，使输出电压Vss的台阶电压为10mV，充电 电压变化速率小，能够实现软启动。所述热插拔和开关控制模块的输出电压Vss还与开关DK1的控制端相连，所述开 关DK1的两端分别与外部电源设备PSE的电源端及DC-DC转换器相连，热插拔和开关控制 模块的输出电压Vss能够控制开关DK1的开启或关断，从而能够实现外部电源设备PSE与 DC-DC转换器的连接和软启动。具体实施时，开关DK1可以采用M0S场效应管；M0S场效应 管的栅极端与输出电压Vss相连，源极端与DC-DC转换器相连，漏极端与外部电源设备PSE 相连。所述热插拔和开关控制模块还与过温保护模块及过流保护模块相连。所述过温保护 模块能够检测电路的温度变化，所述过温保护模块的输出与时钟控制电路相连，当电路中 产生过温信息，时钟控制电路就会逐步闭合对应的开关DK，减少输出电压Vss的输出，直至 关闭DC-DC转换器。所述过流保护模块检测电路的过流信息，使时钟控制电路逐步对应的 闭合开关DK，减少输出电压Vss的输出，直至关闭DC-DC转换器。图2中给出了过温保护模 块与过流保护模块的具体实施方式
。如图2所示过流保护模块包括比较器BJ2，所述比较 器BJ2的同相端与反相端间设有电阻R3，电阻R3是一个电流检测电阻，例如所述电阻R3的 典型值为5m Q，比较器BJ2的反相端与开关DK1的一端相连，比较器BJ2的同相端与外部电 源设备PSE的输出电源端相连。所述过温保护模块包括电阻R2，所述电阻R2与比较器BJ1 的同相端相连，电阻R2对应于与比较器BJ2相连的另一端与比较器BJ1的反相端、二极管 D1的阳极端相连；二极管D1的阴极端与外部电源设备PSE的电源负极端相连。所述比较 器BJ1的同相端与参考电压％_相连，参考电压VKEF1*0.4V。比较器BJ1的输出端与时钟 控制电路相连。还包括过压保护模块，所述过压保护模块采用稳压二极管DW1，所述稳压二极管 DW1的阳极端与外部电源设备PSE的负极端相连，稳压二极管DW1的阴极端与外部电源设备 PSE的正极端相连。稳压二极管DW1的稳压范围为44 57V。如图3所示为DC-DC转换器的原理图。所述DC-DC转换器包括电阻R12及与所 述电阻R12相串联的电阻R4，电阻R4对应于与电阻R12相连的另一端接地；电阻R12对应 于与电阻R4相连的端部与恒定导通时间定时器T1的控制端相连，即恒定导通时间定时器 T1的占空比恒定。所述恒定导通时间定时器T1的输出端与驱动电路的输入端相连；所述 驱动电路的输入端还接收误差放大器A1输入的误差电压信号，并根据误差电压信号与恒 定导通时间定时器T1的定时信号，输出对应的驱动信号；驱动电路的输出端与逻辑门电路 F1的输出端相连，逻辑门电路F1的输出端与开关DK2(P型M0S开关)的控制端相连，开关DK2的两端分别与R12、电感L及二极管D2的阴极端相连；所述二极管D2的阳极端接地；电 感L与电容C及电阻R5相连，电容C的另一端接地；电阻R5与电阻R6相串联，电阻R6的 另一端接地；电阻R5对应于与电阻R6相连的端部与误差放大器A1的反相端相连，形成反 馈端VFB，误差放大器A1的同相端分别与参考电压热插拔和开关控制模块的输出电压Vss相 连；所述电阻R5对应于与电容C、电感L相连的端部形成电压输出端V。ut，驱动电路根据误 差放大器A1及恒定导通时间定时器T1的输出，使输出电压V-保持在稳定状态；电阻R12 对应于与开关DK2相连的端部形成电压输入端Vinl。所述参考电压VKEF2为0. 6V，恒定导通 时间定时器T1输出占空比一定的时钟信号。当输出电压Vss小于参考电压VKEF2时，误差放 大器A1将参考电压VKEF2与反馈电压VFB的差值输入到驱动电路，驱动电路接收电压差值和 恒定导通时间定时器T1的时序信号，并根据电压差值与恒定导通时间定时器T1的时序信 号，调整输出的驱动信号的时序，使DC-DC转换器的输出电压保持稳定；驱动电路的输出端 与逻辑门电路F1相连，逻辑门电路F1为非门电路，用于提高驱动电路的驱动能力。逻辑门 电路F1驱动开关DK2的控制端。当输出电压Vss大于参考电压VKEF2时，误差放大器A1将输 出电压Vss与反馈电压VFB的差值输入到驱动电路，驱动电路根据电压差值，调整输出对应驱 动信号的时序，使DC-DC转换器的输出电压保持稳定；驱动电路的输出端与逻辑门电路F1 相连，逻辑门电路F1为非门电路，用于提高驱动电路的驱动能力。逻辑门电路F1驱动开关 DK2的控制端。所述开关DK2也采用M0S场效应管，M0S场效应管的栅极端与逻辑门电路F1的输 出端相连。开关DK2与电感L、电容C、二极管D2、电阻R5与电阻R6构成降压型的DC-DC转 换器。所述输出电压V。ut能驱动负载，DC-DC转换器根据误差放大器A1、恒定导通时间定时 器T1的输入使输出电压V。ut保持稳定。上述参考电压VKEF、参考电压VKEF1、参考电压VKEF2均 可由内部偏置模块提供。输入电压的信号(Vin)采样通过电阻R12连接到输入端或者开关导通情况下的开 关端，这个电压信号在电路内部被转换成电流信号。所述电流信号控制内部的恒定导通时 间定时器T1。设定恒定导通时间定时器T1内的电容值，从而来实现一次性导通时间(Ton) 与输入电压成反比。这样在固定的输出电压Vout下，可以获得相对固定的开关频率(Fs)。 它们的相应公式如下占空比D = Vout/Vin根据占空比的定义D= Ton/ (Ton+Toff) = Ton*Fs因为Ton = K/Vin(K为常数)，所以Fs = Vout/K ；因此这样的电路可以实现固定 频率(Fs)的转换器。如图1所示所述热插拔和开关控制模块、开关DK1、过流保护模块、过压保护模 块、过温保护模块及特征电阻检测及电流等级信息构成功率接收器PD。所述功率接收器PD 通过开关DK1与DC-DC转换器相连，功率接收器PD能够控制开关DK1的闭合与断开，当开 关DK1断开后，DC-DC转换器断开了与外部电源设备PSE的连接。当开关DK1闭合后，DC-DC 转换器与外部电源设备PSE导通，热插拔和开关控制模块的输出电压Vss控制DC-DC的充 电电流，避免了 DC-DC转换器接通时存在大电流的冲击。使用时，将外部电源设备PSE的两 端加在稳压二极管DW1的两端，稳压二极管DW1能够将外部电源设备PSE的输出电压稳定 在44 57V。当功率接收器PD与外部电源设备PSE相连后，外部电源设备PSE检测功率接收器PD部分的特征电阻R1，根据特征电阻R1的阻值和特征电流的大小，外部电源设备PSE 能够提供需要的电源。当外部电源设备PSE对特征电阻R1与特征电流检测完成后，外部电 源设备PSE对热插拔和开关控制模块输出控制信号，使控制信号Contro 1为高电平，热插拔 和开关控制模块内时钟控制电路输出控制信号，将对应开关闭合，随着热插拔和开关控制 模块内对应的开关闭合，能够让开关DK1闭合，将外部电源设备PSE与DC-DC转换器连接。 DC-DC转换器根据热插拔和开关控制模块的输出电压Vss与反馈电压VFB，使输出电压Vout 保持稳定。 本发明DC-DC转换器包括恒定导通时间定时器T1，利用恒定导通时间定时器T1达 到恒定导通时间，不需要误差放大器，不需要外部频率补偿，使得外部负载应用设计简化， 瞬态响应加快。通过将DC-DC转换器与功率接收器(PD)集成在一起，具有高转换效率，低 功耗，体积小，成本低，应用方便，适用于宽输入电压范围和低输出电压领域，特别适用于以 太网供电系统的应用。
权利要求
一种具有功率接收器的DC-DC转换器，包括DC-DC转换器；其特征是所述DC-DC转换器的输入端与热插拔和开关控制模块、开关DK1相连；所述开关DK1的控制端与热插拔和开关控制模块的输出端相连，开关DK1对应于与DC-DC转换器相连的另一端与外部电源相连；所述热插拔和开关控制模块控制开关DK1的断开或闭合，并使DC-DC转换器输出稳定的电压。
2.根据权利要求1所述具有功率接收器的DC-DC转换器，其特征是所述开关DKl为 MOS场效应管，所述MOS场效应管的栅极端与热插拔和开关控制模块的输出端相连，MOS场 效应管的源极端与DC-DC转换器的电源端，MOS场效应管的漏极端与外部电源相连；热插拔 和开关控制模块使MOS场效应管工作在正向导通时，DC-DC转换器与外部电源相连。
3.根据权利要求1所述具有功率接收器的DC-DC转换器，其特征是所述DC-DC转换 器包括电阻R12及与所述电阻R12相串联的电阻R4，电阻R4对应于与电阻R12相连的另一 端接地；电阻R12对应于与电阻R4相连的端部与恒定导通时间定时器Tl的控制端相连，所 述恒定导通时间定时器Tl的输出端与驱动电路的输入端相连；所述驱动电路的输入端还 接收误差放大器Al输入的误差电压信号，并根据误差电压信号与恒定导通时间定时器Tl 的定时信号，输出对应的驱动信号；驱动电路的输出端与逻辑门电路Fl的输出端相连，逻 辑门电路Fl的输出端与开关DK2的控制端相连，开关DK2的两端分别与R12、电感L及二极 管D2的阴极端相连；所述二极管D2的阳极端接地；电感L与电容C及电阻R5相连，电容C 的另一端接地；电阻R5与电阻R6相串联，电阻R6的另一端接地；电阻R5对应于与电阻R6 相连的端部与误差放大器Al的反相端相连，误差放大器Al的同相端分别与参考电压VKEF2， 热插拔和开关控制模块的输出电压Vss相连；所述电阻R5对应于与电容C、电感L相连的 端部形成电压输出端V。ut，驱动电路根据误差放大器Al及恒定导通时间定时器Tl的输出， 使输出电压V。ut保持在稳定状态；电阻R12对应于与开关DK2相连的端部形成电压输入端 Vinl。
4.根据权利要求1所述具有功率接收器的DC-DC转换器，其特征是所述热插拔和开 关控制模块包括时钟控制电路，所述时钟控制电路接收时钟信号CLK与控制信号Control ； 热插拔和开关控制模块还包括若干相串联的电阻R ；所述串联电阻R的一端与参考电压Vkef 相连，另一端接地；所述相串联电阻R内任意相连的电阻间设有开关DK，所述开关DK的一 端与串联电阻R内对应于两相连电阻的端部相连，开关DK的另一端相互连接，形成输出电 压Vss，所述开关DK的控制端均与时钟控制电路的输出端相连。
5.根据权利要求1所述具有功率接收器的DC-DC转换器，其特征是所述热插拔和开 关控制模块的输入端还设有过温保护模块。
6.根据权利要求1所述具有功率接收器的DC-DC转换器，其特征是所述热插拔和开 关控制模块的输入端与过流保护模块相连。
7.根据权利要求1所述具有功率接收器的DC-DC转换器，其特征是所述开关DKl对 应于外部电源相连的端部与特征电阻检测与电流等级信息模块相连，所述特征电阻检测与 电流等级信息模块包括特征电阻Rl，所述特征电阻Rl的一端与开关DKl相连，另一端与开 关DK9相连。
8.根据权利要求1所述具有功率接收器的DC-DC转换器，其特征是所述开关DKl对 应于与DC-DC转换器相连的另一端与过压保护模块相连，所述过压保护模块包括稳压二极管 DW1。
9.根据权利要求8所述具有功率接收器的DC-DC转换器，其特征是所述稳压二极管 Dffl的稳压范围为44 57V。
10.根据权利要求7所述具有功率接收器的DC-DC转换器，其特征是所述特征电阻Rl 的阻值为25ΚΩ。
全文摘要
本发明涉及一种具有功率接收器的DC-DC转换器。其包括DC-DC转换器；所述DC-DC转换器的输入端与热插拔和开关控制模块、开关DK1相连；所述开关DK1的控制端与热插拔和开关控制模块的输出端相连，开关DK1对应于与DC-DC转换器相连的另一端与外部电源相连；所述热插拔和开关控制模块控制开关DK1的开关，并使DC-DC转换器输出稳定的电压。本发明DC-DC转换器包括恒定导通时间定时器T1，利用恒定导通时间定时器T1达到恒定导通时间，不需要误差放大器，不需要外部频率补偿，使得外部负载应用设计简化，瞬态响应加快。通过将DC-DC转换器与功率接收器(PD)集成在一起，具有高转换效率，低功耗，体积小，成本低，应用方便，适用于宽输入电压范围和低输出电压领域，特别适用于以太网供电系统的应用。
文档编号H02M3/156GK101888182SQ20101020786
公开日2010年11月17日 申请日期2010年6月24日 优先权日2010年6月24日
发明者汪涛, 王雅文, 范卫东, 范建林, 黄金彪 申请人:无锡新硅微电子有限公司