一种大功率开关电源的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种大功率开关电源，其包括PFC模块和DC-DC模块，所述PFC模块包括第一主电路、第一控制电路、和第一输出电流过流保护电路、输入电压过压、欠压保护电路、第一过温保护电路和输出电压过压保护电路中的至少一种保护电路，所述DC-DC模块包括第二主电路和第二控制电路，所述PFC模块包括与第一控制电路连接的第一无线发射模块，所述DC-DC模块包括与第二控制电路连接的第二无线发射模块，所述PFC模块与所述DC-DC模块分别通过第一无线发射模块和第二无线发射模块收发信息。通过无线发射模块可实现PFC模块、DC-DC模块和外部设备之间的通信，从而实现了外部设备对PFC模块和DC-DC模块的远程访问，便于对整个开关电源的维护。
【专利说明】一种大功率开关电源
【技术领域】
[0001]本发明涉及开关电源【技术领域】，尤其涉及一种利用无线通信的包括功率因数校正(PFC)模块和直流电压转直流电压(DC-DC)模块的大功率开关电源。
【背景技术】
[0002]大功率开关电源电路通常包括两个模块:前端PFC(功率因数校正)模块和后端DC-DC(直流电压转直流电压)模块。其中，PFC模块实现交流电压到直流电压的转换，t匕如，将220V交流电压转换为380-390V直流电压。DC-DC模块则实现PFC模块输出的直流电压到实际需要的直流电压的转换，比如，将380V直流电压转换为290V-360V直流电压。PFC模块通常具有过流保护、过压保护、欠压保护和过温保护等保护电路。当PFC模块通过这些保护电路检测到故障后需要将所出现故障对应的故障代码发送给后端的DC-DC模块，以便DC-DC模块根据PFC模块所发送的故障代码进行相应操作(比如关机)来实现系统的自我保护功能。因此，在传统的PFC模块与DC-DC模块之间通常布置有很多信号连接线，用于将PFC故障信息传输给DC-DC模块，从而导致整个开关电源内部走线复杂，不易组装。同时从系统故障诊断角度来看，也不易得知系统内部故障的具体位置。
【发明内容】
[0003]本发明公开了一种大功率开关电源，其包括功率因数校正模块和直流电压转直流电压模块，所述功率因数校正模块包括第一主电路、第一控制电路、和第一输出电流过流保护电路、输入电压过压、欠压保护电路、第一过温保护电路和输出电压过压保护电路中的至少一种保护电路，所述直流电压转直流电压模块包括第二主电路和第二控制电路，其特征在于，所述功率因数校正模块还包括与第一控制电路连接的第一无线发射模块，所述直流电压转直流电压模块还包括与第二控制电路连接的第二无线发射模块，所述功率因数校正模块与所述直流电压转直流电压模块分别通过第一无线发射模块和第二无线发射模块收发信息。
[0004]优选地，所述直流电压转直流电压模块还包括输入电流过流保护电路、第二输出电流过流保护电路和第二过温保护电路中的至少一种保护电路。
[0005]优选地，所述功率因数校正模块是主动式功率因数校正模块。
[0006]优选地，所述第一主电路包括第一整流桥、第一交错式储能电感、第二交错式储能电感、第一整流二极管、第二整流二极管、第一 MOS管、和第二 MOS管，所述第一交错式储能电感与所述第一整流二极管形成的串路与所述第二交错式储能电感与所述第二整流二极管形成的串路并接，所述第一整流桥的输出分别经第一交错式储能电感和第二交错式储能电感接入所述第一整流二极管的阳极和第二整流二极管的阳极，所述第一 MOS管和所述第二 MOS管的源级分别连接所述第一交错式储能电感和所述第二交错式储能电感的输出，所述第一 MOS管和所述第二 MOS管的漏极接地，所述第一 MOS管和所述第二 MOS管的栅极由所述第一控制电路控制。[0007]优选地，所述第一控制电路包括第一单片机和功率因数校正控制芯片，所述第一单片机和功率因数校正控制芯片互相连接，所述第一单片机与其所在的所述功率因数校正模块中的至少一种保护电路连接，所述功率因数校正控制芯片与第一主电路中的第一 MOS管和所述第二 MOS管的栅极连接，且所述第一单片机与所述第一无线发射模块连接。
[0008]优选地，所述第一单片机与所述第一无线发射模块通过SPI总线连接。
[0009]优选地，所述第二主电路包括由四个MOS管组成的H桥电路、变压器、第二整流桥、储能电感、第一储能兼滤波电容和第二储能兼滤波电容，所述第一主电路的输出电压经所述H桥电路接入所述变压器的初级，所述变压器的次级的输出经第二整流桥整流后，再经所述储能电感、所述第一储能兼滤波电容和所述第二储能兼滤波电容滤波后进行输出，且所述第二控制电路通过与所述H桥中的四个MOS管的栅极连接来控制所述H桥电路。
[0010]优选地，所述第二控制电路包括第二单片机、软开关控制芯片和H桥驱动芯片，所述第二单片机和软开关控制芯片互相连接，所述软开关控制芯片与H桥驱动芯片相互连接，所述H桥驱动芯片与所述第二主电路的H桥中所述四个MOS管的栅极连接，且所述第二单片机与其所在的所述直流电压转直流电压模块中的至少一种保护电路连接，所述软开关控制芯片通过所述H桥驱动芯片驱动控制所述第二主电路中的H桥电路，所述第二单片机与所述第二无线发射模块连接。
[0011]进一步优选地，所述第二单片机与所述第二无线发射模块通过SPI总线连接。
[0012]优选地，所述第一无线发射模块和第二无线发射模块采用NRF2401、NRF903或CC1020 芯片。
[0013]本发明通过在PFC模块和DC-DC模块内设置无线发射模块，并通过无线发射模块来收发代表内部具体故障的故障代码来实现PFC模块、DC-DC模块和故障诊断仪三者之间的故障代码传输，从而减少了 PFC模块与DC-DC模块之间的布线，方便了组装，同时也可提高系统故障的诊断效率。
[0014]本发明的技术效果如下:
[0015](I)减少了开关电源内部的连线，便于空间元件的布置；
[0016](2)将保护电路的采样结果(包括过流保护、过压保护、欠压保护和/或过温保护等的临界状态(阈值)及其相应操作)，通过单片机或者DSP利用无线发射模块实现PFC模块和DC-DC模块之间的通信；
[0017](3)通过PFC模块中的各保护电路和控制电路，实现PFC模块中主电路输出电流过流、输入电压过压及欠压、输出电压过压和/或过温保护功能；
[0018](4)通过DC-DC模块中的各保护电路和控制电路，实现DC-DC模块主电路的输入电流过流、输出电流过流和/或过温保护功能；以及
[0019](5)还可以利用无线发射模块向外部设备比如故障诊断仪发送信息，实现外部设备对PFC模块和DC-DC模块中保护电路工作情况的远程访问，实现PFC模块和DC-DC模块内部的故障点的远程诊断，便于对整个开关电源的维护；同时通过无线模块，可以在外部设备的监控界面上对PFC模块及DC-DC模块保护阀值进行编程。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]以下，将结合附图对根据本发明的【具体实施方式】进行详细说明，其中:[0021]图1是本发明实施例的APFC模块的电路原理图；
[0022]图2是本发明实施例的DC-DC模块的主电路的电路原理图；和
[0023]图3是本发明实施例的DC-DC模块的控制电路和无线发射模块的电路原理图。
【具体实施方式】
[0024]本发明中的功率因数校正(PFC)模块可以是有源功率因数校正(APFC)模块或者是无源功率因数校正(PPFC)模块，在此，以APFC模块为例进行说明。但是，应当理解的是，本发明也可应用于PPFC模块。
[0025]图1是APFC模块的电路原理图。如图1所示，APFC模块包括APFC主电路MC，APFC控制电路CC和无线发射模块RFl。其中，APFC主电路MC包括整流桥1、交错式储能电感L1、交错式储能电感L2、整流二极管D1、整流二极管D2、滤波电容C4、M0S管Q1、M0S管Q2。优选地，为了实现APFC的恒压输出，APFC主电路MC还包括由电阻R8和电阻R9组成的电压闭环控制采样电路。APFC控制电路CC包括交错式PFC控制芯片U3和单片机MCUl。
[0026]储能电感LI与整流二极管Dl形成的串路和储能电感L2与整流二极管D2形成的串路并接，交流电AC首先经整流桥I进行整流，整流后的电压分别经储能电感LI和储能电感L2接入整流二极管Dl和整流二极管D2的阳极，经整流二极管Dl和整流二极管D2整流后的电压输入滤波储能电容C4，滤波储能电容C4两端的电压经过电压闭环控制采样电路中的电阻R8和R9分压后输入到交错式PFC控制芯片U3的FB引脚。具体地，电压闭环控制采样电路中串联的电阻R8和R9与滤波电容C4形成并联电路，该并联电路的一端与二极管Dl和D2的阴极，另一端接至零电位。MOS管Ql和MOS管Q2的源级分别连接储能电感LI和储能电感L2的输出，MOS管Ql和MOS管Q2的漏极接地，MOS管Ql和MOS管Q2的栅极分别与交错式PFC控制芯片U3的⑶I引脚和⑶2引脚连接，以由交错式PFC控制芯片U3产生对MOS管Ql和MOS管Q2的控制信号，从而实现APFC模块的恒压输出。
[0027]优选地，APFC主电路MC还包括由电阻Rl2组成的APFC模块的输出电流过流检测电路。输出电流过流检测电路的电流采样信号(过流采样信号)CSl接入单片机MCUl的CSl引脚。当单片机MCUl检测到电流采样信号CSl的幅值超过单片机MCUl内预先设定的阈值时，单片机MCUl输出低电平信号至交错式PFC控制芯片U3的SS引脚，以关闭整个APFC模块。
[0028]优选地，APFC主电路MC还包括由电阻R13、R14组成的APFC模块的输入电压欠压、过压保护电路，该输入电压欠压、过压保护电路连接于整流桥I的输出端与地之间。具体地，经整流桥I整流后的电压经电阻R13和R14分压后产生电压采样信号(过压、欠压采样信号)，并接入到单片机MCUl的OVP / UVP引脚。
[0029]优选地，APFC主电路MC还包括由分压电阻R6和R7组成的APFC模块的输出电压过压保护电路，该输出电压过压保护电路并接于滤波电容C4的两端。具体地，APFC主电路MC的输出电压PFC经电阻R6和R7分压后产生电压采样信号，并接入到交错式PFC控制芯片U3的0VP2引脚。
[0030]优选地，APFC控制电路CC还包括由电阻R15和热敏电阻NTC2组成的APFC模块的过温保护电路，该过温保护电路连接于电压VCC和地之间。具体地，电压VCC经电阻R15和热敏电阻NTC2分压后产生电压采样信号(过温采样信号)，并接入到单片机MCUl的引脚ADO。热敏电阻NTC2优选采用负温度系数的热敏电阻。由于MOS管Ql和MOS管Q2是整个APFC模块中温度最高的部位，因此在具体实施中将热敏电阻NTC2贴在MOS管Ql或者MOS管Q2处，用于对MOS管Ql或MOS管Q2进行过温保护，从而实现对APFC模块的过温保护。
[0031]单片机MCUl与无线发射模块RFl之间采用SPI总线通信，单片机MCUl周期性地检测过温采样信号AD0、过流采样信号CS1、以及过压、欠压采样信号OVP / UVP，并将根据采样信息获得的故障信息通过无线发射模块RFl发送至故障诊断仪，便于故障诊断仪远程接收并在线实时诊断，同时提供给DC-DC模块相应的保护信号，以便DC-DC模块根据所接收的保护信号进行相应的(预设的)处理，比如关闭处理，从而保护好后端的DC-DC模块。优选地，在单片机MCUl中，可以对故障信息进行编码形成与故障信息对应的故障编码，并对故障编码进行存储。具体地，单片机MCUl可以根据采样信息获得的故障信息将对应的故障编码通过无线发射模块RFl发送至故障诊断仪，并提供给DC-DC模块。
[0032]在本实施例中，交错式PFC控制芯片U3优选采用R2A20104芯片，单片机MCUl优选采用XC878芯片。
[0033]DC-DC模块包括主电路、控制电路和无线发射模块RF2。
[0034]图2是DC-DC模块的主电路的电路原理图。如图2所示，DC-DC模块的主电路包括由MOS管Q3、M0S管Q4、M0S管Q5和MOS管Q6组成的H桥电路、变压器Tl、整流桥2、储能电感L3、以及储能兼滤波的电容C2和电容C3。将APFC主电路MC的输出电压PFC施加给H桥电路，H桥电路中各个MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5和MOS管Q6的栅极连接DC-DC模块的控制电路中的H桥驱动芯片(将在其后进行说明)，以由该驱动芯片控制驱动各个MOS管Q3、MOS管Q4、MOS管Q5和MOS管Q6。APFC主电路MC的输出电压PFC经H桥电路后所产生的电压输入到变压器Tl的初级，变压器Tl的次级所产生的电压由整流桥2整流，整流后的电压经储能电感L3和储能兼滤波的电容C2和电容C3滤波后输出为V0UT。
[0035]优选地，DC-DC模块的主电路还包括由Rl组成的DC-DC模块的输入电流过流保护电路。该DC-DC模块的输入电流过流保护电路产生电流采样信号(过流采样信号)CS3，并接入DC-DC模块控制电路中的单片机MCU2——CS3引脚。
[0036]优选地，DC-DC模块的主电路还包括由R2组成的DC-DC模块的输出电流过流保护电路，该DC-DC模块的输出电流过流保护电路连接于整流桥2的直流输出负极与零电位之间。该DC-DC模块的输出电流过流保护电路产生电流采样信号CS2，并接入DC-DC模块控制电路中的软开关控制芯片U4的CS2引脚。
[0037]图3是DC-DC模块的控制电路和无线发射模块RF2的电路原理图。如图3所示，DC-DC模块的控制电路包括单片机MCU2、软开关控制芯片U4和H桥驱动芯片。当单片机MCU2检测到电流采样信号CS3信号的幅值超过单片机MCU2内预先设置的阈值时，单片机MCU2将输出低电平信号至软开关控制芯片U4的SS引脚，将SS引脚拉低，从而通过H桥驱动芯片关闭整个DC-DC模块。当软开关控制芯片U4检测到电流采样信号CS2信号的幅值超过软开关控制芯片U4内预先设置的阈值时，软开关控制芯片U4立即将其DRl引脚、DR2引脚、DR3引脚和DR4引脚拉低，从而通过H桥驱动芯片关闭整个DC-DC模块。
[0038]此外，优选地，DC-DC模块的控制电路还包括由电阻R3、热敏电阻NTCl组成的DC-DC模块的过温保护电路，该过温保护电路连接于电压VCC和地之间。具体地，电压VCC经电阻R3和热敏电阻NTCl分压后产生电压采样信号(过温采样信号)，该电压采样信号(过温采样信号)接入单片机MCU2的ADO引脚。热敏电阻NTCl优选采用负温度系数的热敏电阻。实测测试中发现DC-DC模块的整个电路中MOS管Q4 (软开关移相H桥前臂管子)是DC-DC模块中温度最高的部位，因此，在实施例中将热敏电阻NTCl贴在MOS管Q4处，用于对MOS管Q4进行过温保护，从而实现对DC-DC模块的过温保护。单片机MCU2与无线发射模块RF2之间采用SPI总线通信，单片机MCU2周期性检测过温采样信号ADO和过流采样信号CS3，并将根据采样信息获得的故障信息通过无线发射模块RF2发送至故障诊断仪，便于故障诊断仪远程接收并在线实时诊断。类似地，单片机MCU2可以对故障信息进行编码形成故障编码并对故障编码进行存储。单片机MCU2可以根据采样信息获得的故障信息将对应的故障编码通过无线发射模块RF2发送至故障诊断仪。
[0039]本发明中，H桥驱动芯片优选采用Ucc27324芯片。软开关控制芯片U4优选采用UCC2895芯片。无线发射模块RFl和无线发射模块RF2优选采用NRF2401芯片、NRF903芯片或CC1020芯片。在上述实施例中，无线发射模块RFl和无线发射模块RF2采用的是NRF2401芯片并以2.4GH频段进行无线短距离通信。NRF2401芯片的外围电路配置简单，成本低廉，且频段2.4GH抗干扰性能强，因此适合用于开关电路源中作为数据通信的频段。
[0040]此外，在上述实施例中，单片机MCUl和单片机MCU2分别通过无线发射模块RFl和无线发射模块RF2传送根据采样信息获得的故障信息所对应的故障编码。由于对故障信息进行编码形成与该故障信息对应的故障编码并进行存储为现有技术，故此，在本文中未进行详细说明。应理解的是，单片机MCUl和单片机MCU2还可以一定的时间间隔，周期性地将根据采样信息获得的工作状态的信息(包括正常信息和故障信息)发送给外部监测装置(包括故障诊断仪和其它外部设备)，从而实现了外部监测装置对PFC模块和DC-DC模块的远程访问，以便更好地了解开关电源的工作状态。此外，应理解的是，通过无线模块，还可以在外部监测装置的监控界面上对PFC模块及DC-DC模块保护的阀值进行编程，从而对PFC模块及DC-DC模块保护的阀值进行修改和控制。由于对PFC模块及DC-DC模块保护的阀值进行编程为现有技术，故此，在此不予赘述。
[0041]以上已参照附图和实施例对本发明进行了详细描述，但是，应该理解，本发明并不限于以上所公开的示例性实施例。应该给予权利要求以最广泛的解释，以涵盖所公开的示例性实施例的所有变型、等同结构和功能。
【权利要求】
1.一种大功率开关电源，其包括功率因数校正模块和直流电压转直流电压模块，所述功率因数校正模块包括第一主电路、第一控制电路、和第一输出电流过流保护电路、输入电压过压、欠压保护电路、第一过温保护电路和输出电压过压保护电路中的至少一种保护电路，所述直流电压转直流电压模块包括第二主电路和第二控制电路，其特征在于，所述功率因数校正模块还包括与第一控制电路连接的第一无线发射模块，所述直流电压转直流电压模块还包括与第二控制电路连接的第二无线发射模块，所述功率因数校正模块与所述直流电压转直流电压模块分别通过第一无线发射模块和第二无线发射模块收发信息。
2.根据权利要求1所述的大功率开关电源，其特征在于，所述直流电压转直流电压模块还包括输入电流过流保护电路、第二输出电流过流保护电路和第二过温保护电路中的至少一种保护电路。
3.根据权利要求1或2所述的大功率开关电源，其特征在于，所述功率因数校正模块是主动式功率因数校正模块。
4.根据权利要求3所述的大功率开关电源，其特征在于，所述第一主电路包括第一整流桥、第一交错式储能电感、第二交错式储能电感、第一整流二极管、第二整流二极管、第一MOS管、和第二 MOS管，所述第一交错式储能电感与所述第一整流二极管形成的串路与所述第二交错式储能电感与所述第二整流二极管形成的串路并接，所述第一整流桥的输出分别经第一交错式储能电感和第二交错式储能电感接入所述第一整流二极管的阳极和第二整流二极管的阳极，所述第一 MOS管和所述第二 MOS管的源级分别连接所述第一交错式储能电感和所述第二交错式储 能电感的输出，所述第一 MOS管和所述第二 MOS管的漏极接地，所述第一 MOS管和所述第二 MOS管的栅极由所述第一控制电路控制。
5.根据权利要求4所述的大功率开关电源，其特征在于，所述第一控制电路包括第一单片机和功率因数校正控制芯片，所述第一单片机和功率因数校正控制芯片互相连接，所述第一单片机与其所在的所述功率因数校正模块中的至少一种保护电路连接，所述功率因数校正控制芯片与第一主电路中的第一 MOS管和所述第二 MOS管的栅极连接，且所述第一单片机与所述第一无线发射模块连接。
6.根据权利要求5所述的大功率开关电源，其特征在于，所述第一单片机与所述第一无线发射模块通过SPI总线连接。
7.根据权利要求1-6任一项所述的大功率开关电源，其特征在于，所述第二主电路包括由四个MOS管组成的H桥电路、变压器、第二整流桥、储能电感、第一储能兼滤波电容和第二储能兼滤波电容，所述第一主电路的输出电压经所述H桥电路接入所述变压器的初级，所述变压器的次级的输出经第二整流桥整流后，再经所述储能电感、所述第一储能兼滤波电容和所述第二储能兼滤波电容滤波后进行输出，且所述第二控制电路通过与所述H桥中的四个MOS管的栅极连接来控制所述H桥电路。
8.根据权利要求7所述的大功率开关电源，其特征在于，所述第二控制电路包括第二单片机、软开关控制芯片和H桥驱动芯片，所述第二单片机和软开关控制芯片互相连接，所述软开关控制芯片与H桥驱动芯片相互连接，所述H桥驱动芯片与所述第二主电路的H桥中所述四个MOS管的栅极连接，且所述第二单片机与其所在的所述直流电压转直流电压模块中的至少一种保护电路连接，所述软开关控制芯片通过所述H桥驱动芯片驱动控制所述第二主电路中的H桥电路，所述第二单片机与所述第二无线发射模块连接。
9.根据权利要求8所述的大功率开关电源，其特征在于，所述第二单片机与所述第二无线发射模块通过SPI总线连接。
10.根据权利要求1-6、8-9任一项所述的大功率开关电源，其特征在于，所述第一无线发射模块和第二无线发射模块采 用NRF2401、NRF903或CC1020芯片。
【文档编号】H02M1/42GK103780076SQ201410060884
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年2月21日 优先权日:2014年2月21日
【发明者】朱得亚 申请人:奇瑞汽车股份有限公司