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CN113179016A - 一种开关电源电路 - Google Patents

一种开关电源电路 Download PDF

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CN113179016A CN202110402662.1A CN202110402662A CN113179016A CN 113179016 A CN113179016 A CN 113179016A CN 202110402662 A CN202110402662 A CN 202110402662A CN 113179016 A CN113179016 A CN 113179016A
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Abstract

本发明的一个实施例公开了一种开关电源电路，该开关电源电路包括：BUCK电源转换器和输出电压调节电路，其中所述BUCK电源转换器的输出端接地，所述开关电源电路的地作为输出端输出负电压；所述输出电压调节电路包括数模转换器和同相运算放大器电路，所述输出电压调节电路用于根据所述数模转换器接收的第一控制信号实现对开关电源电路输出负电压的数字调节。本发明电路结构简单，空间占比小，成本比较低；同时可以规避单一专用芯片供应商的带来的风险。并且不会像专用芯片那样受选型器件的影响，输出功率受限制。

Description

一种开关电源电路
技术领域
本发明涉及显示屏测试领域。更具体地，涉及一种用于显示屏测试的开关电源电路。
背景技术
在例如液晶模组的显示屏的检测设备中，需要给液晶模组提供一个负的电源电压。根据液晶模组的不同，需要的负电压也不同，功率也会有较大的变化。往往是模组的尺寸越大，需要的负电压的功率越大；而且可能不同规格的模组，其需求的负的电源电压值也不同，所以需要把负电压做成数字可调的。为液晶模组提供负的电源电压通常包括以下几种方式，
1：正常情况下，如果需要一个负的电源供电，可以提供一个隔离型的开关电源方案，将输出电压反接即可；
2：如果模组需要的功率不同，即负载电流很小，可以采用负电压输入，负电压输出的线性稳压器(LDO)来提供；
3：由电源芯片供应商提供有专有的可输出负电压的非隔离型反相变换器(inverting converter)开关电源芯片方案。
第1种方式是开关电源输出负电压的一种方式，但是这种隔离型开关电源需要引入隔离变压器，电源方案的电路结构负杂，体积也比较大，电源的效率也不高，而且成本也会高一些。第2种方式采用负电压的LDO，首先要提供一个负的电压源给负压LDO，然后因为LDO的功耗问题，注定不能提供大的电流负载，特别是在输出电压可调的情况下局限性更大。第3种方式，电源芯片供应商提供的专用芯片，因为是专用，芯片的价格比较高，并且需要一个通过电流不大的双绕组的电感器，而可以提供此类电感器的厂家不多，此种方案总体上成本会比较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开关电源电路。以解决现有技术存在的问题中的至少一个。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供了一种开关电源电路，该开关电源电路包括：BUCK电源转换器和输出电压调节电路，其中
所述BUCK电源转换器的输出端接地，所述开关电源电路的地作为输出端输出负电压；
所述输出电压调节电路包括数模转换器和同相运算放大器电路，所述输出电压调节电路用于根据所述数模转换器接收的第一控制信号实现对开关电源电路输出负电压的数字调节。
在一个具体实施例中，所述输出电压调节电路进一步包括
连接在所述BUCK电源转换器的输出端和反馈端之间的第一电阻器；
连接在所述BUCK电源转换器反馈端和所述开关电源电路输出端之间的第二电阻器；和
连接在所述同相运算放大器电路的输出端和所述BUCK电源转换器的反馈端之间的第三电阻器。
在一个具体实施例中，所述同相运算放大器电路包括：运算放大器、第四电阻器以及第五电阻器；
所述运算放大器的同相输入端与所述数模转换器相连接，所述运算放大器的反相输入端与所述第四电阻器的第二端以及第五电阻器的第一端相连接；
所述第四电阻器的第一端与所述运算放大器的输出端相连接；
所述第五电阻器的第二端接地；
所述运算放大器的输出端与所述第三电阻器的第二端相连接。
在一个具体实施例中，该开关电源电路进一步包括使能电路，该使能电路基于接收到第二控制信号使能所述BUCK电源转换器。
在一个具体实施例中，所述使能电路包括第一三极管、第二三极管以及第六电阻器，所述第一三极管的第一端和第二端分别连接BUCK电源转换器的输入端和使能端，第三端通过第六电阻器与第一端耦合；所述第二三级管的第一端作为所述接收第二控制信号的输入端，第二端与所述第一三极管的第三端耦合，第三端接地。
在一个具体实施例中，所述使能电路进一步包括连接BUCK电源转换器使能端和开关电源电路输出端的第七电阻器。
在一个具体实施例中，该开关电源电路进一步包括电容器，其一端与BUCK电源转换器输入端连接，另一端与BUCK电源转换器输出端连接且接地。
在一个具体实施例中，该开关电源电路进一步包括耦合在开关电源电路输出端和地之间的二极管。
在一个具体实施例中，所述开关电源电路输出的负电压为：
Figure BDA0003020915360000031
其中，Vref为BUCK电源转换器的FB管脚的基准电压；Vdac为同相运算放大器电路的输出电压；R1为第一电阻器的电阻值；R2为第二电阻器的电阻值；R3为第三电阻器的电阻值。
本发明的有益效果如下：
本发明公开了一种开关电源电路，通过对常用BUCK(降压式转换器)电源结构的电压输出端接地，可以实现负电压的输出；通过利用微处理器MCU输出的控制信号利用包括数模转换器DAC和同相比例放大器的电压调节电路实现具有负电源输出电压的数字可调功能的开关电源电路。本发明电路结构简单，空间占比小，成本比较低；同时可以规避单一专用芯片供应商所带来的风险。由于采用BUCK电源拓扑结构，电源的输出功率可以比较大，不会像专用芯片那样受选型器件的影响，输出功率受限制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中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。
图1示出常规BUCK型变换器的示意图。
图2是本发明实施例提供的一种开关电源电路的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的开关电源电路的另一结构示意图。
图4是本发明实施例提供的开关电源电路的另一结构示意图。
图5是本发明实施例提供的开关电源电路的另一结构示意图。
图6是本发明实施例提供的开关电源电路的另一结构示意图。
图7是本发明实施例提供的开关电源电路的另一结构示意图。
附图标记说明：110：使能电路、120：输出电压调节电路。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，为一用于与电源设备连接常规BUCK型变换器，包括BUCK电源转换器U1、第一电阻器R1、第二电阻器R2和第六电阻器R6。BUCK电源转换器U1的输入端VIN通过第六电阻器与使能端EN连接，反馈端FB通过第二电阻器与设备电源的地(也称地电位，GND)连接，输出端VOUT通过第一电阻器与反馈端连接。BUCK电源转换器与电源设备连接，输入端接收来自电源设备的输入电压，在输出端输出正电压Vout。
如图2所示，公开了根据本发明实施例的一种包括BUCK电源转换器开关电源电路，用于与设备电源连接输出电压数字可调的负电压。本发明的开关电源电路通过将图1所示的电压输出脚VOUT接地，将设备电源的地反相实现反接并作为开关电源电路的输出端，从而输出相对于输入电压为反相的负电压。
根据本发明的开关电源电路包括BUCK电源转换器U1和输出电压调节电路。BUCK电源转换器例如为与设备电源连接的电源芯片，包括电压输入脚VIN、电压输出脚VOUT、使能脚EN和反馈脚FB。本发明的实施例中电压输出脚VOUT接地，开关电源电路的输出端nVOUT与设备电源的地电位连接用于输出负电压。
所述BUCK电源转换器的VIN管脚接收正输入电压，所述输出电压调节电路的输入端接收来自单片机MCU的电压调节控制信号，所述输出电压调节电路的输出端与所述BUCK电源转换器的VOUT管脚以及FB管脚相连接。
输出电压调节电路包括串联连接的数模转换器DAC和同相运算放大器电路，数模转换器DAC接收来自单片机MCU的电压调节控制信号，同相运算放大器电路对数模转换器DAC输出的电压进行放大并经电阻器输出至BUCK电源转换器的反馈脚FB，实现对开关电源电路输出负电压nVout的数字调节。
本发明公开了一种开关电源电路，通过对常用BUCK电源结构的电压输出端接地，可以实现负电压的输出；通过利用微处理器MCU输出的控制信号利用包括数模转换器DAC和同相比例放大器的电压调节电路实现具有负电源输出电压的数字可调功能的开关电源电路。
可选的，图3为本发明实施例提供的开关电源电路的另一结构示意图。在上述实施例的基础上，如图3所示，输出电压调节电路包括数模转换器DAC U2、同相运算放大器电路、第一电阻器至第三电阻器R1～R3。同相运算放大器电路中，运算放大器U3的输出端通过第四电阻器R4与反相输入端连接，同相输入端与数模转换器DAC连接对接收到的信号进行放大，将放大的信号通过第三电阻器R3输出至反馈脚FB。反相输入端进一步通过第五电阻器R5接地。
更具体的，所述数模转换器在单片机MCU的控制下输出模拟电压；所述运算放大器的同相输入端接收所述模拟电压；所述运算放大器的反相输入端与所述第四电阻器的第二端以及第五电阻器的第一端相连接；所述第四电阻器的第一端与所述运算放大器的输出端相连接；所述第五电阻器的第二端接地。所述运算放大器的输出端与所述第三电阻器的第二端相连接；所述第一电阻器R1的第一端与所述BUCK电源转换器的VOUT管脚相连接地；所述第一电阻器的第二端、第二电阻器R2的第一端以及第三电阻器的第一端与所述BUCK电源转换器的FB管脚相连接。
在本实例中，本发明通过单片机MCU控制数模转换器经过同相运算放大器电路，实现了负电源输出电压的数字可调功能。具体的，实现输出负电压数字可调的过程包括：单片机MCU控制数模转换器输出一个0到2.048V的模拟电压，所述同相运算放大器电路将此模拟电压成比例放大后，得到同相比例放大器的增益电压值Vdac，通过第三电阻器R3接到BUCK电源转换器的输出电压反馈管脚FB上。利用输出电压反馈管脚FB的上分压电阻R1，下分压电阻R2，以及运算放大器输出串联电阻R3，通过数学运算便可以得到三个电阻的值。所述开关电源电路输出的负电压为：
Figure BDA0003020915360000051
其中，Vref为BUCK电源转换器的FB管脚的基准电压；Vdac为同相运算放大器电路的输出电压；R1为第一电阻器的电阻值；R2为第二电阻器的电阻值；R3为第三电阻器的电阻值。
可选的，图4为本发明实施例提供的开关电源电路的另一结构示意图。在上述实施例的基础上，参考图4，该开关电源电路还包括使能电路，该使能电路基于接收到第二控制信号使能所述BUCK电源转换器。本发明的使能脚EN的参考电压为输出电压nVout。单片机MCU输出使能信号，通过使能电路控制BUCK电源转换器的使能脚，使得BUCK电源芯片仅在使能控制信号为高电平时开关电路才有负电压输出。
在本实例中，当数模转换器输出0V的时候，电源输出负电压为最低值，当数模转换器输出2.048V时，电源输出负电压为最高值；设备刚上电时，数模转换器输出的是0V，而负电源的输出电压是最低值，比如-16V。如果设备刚上电，输出电压就是最低值，极有可能对客户产品造成伤害。为了避免误操作，就需要保证数模转换器还没有配制输出时，负电源的输出电压是最高值；比如-1V。此外因为BUCK电源转换器的EN管脚的参考电压是输出电压nVout，而不是系统地，打开电源的EN管脚电压会受到影响。给EN管脚施加一个数字信号控制的电平转换器即利用单片机MCU输出使能信号，通过使能电路控制BUCK电源转换器的使能脚，能很好地解决这些问题。
可选的，图5为本发明实施例提供的开关电源电路的另一结构示意图。在上述实施例的基础上，如图5所示，所述使能电路包括：第一三极管Q1、第二三极管Q2、第六电阻器R6以及第七电阻器R7。所述三极管Q2的基极接收所述单片机MCU输出的使能信号；所述三极管Q2的发射极接地；所述三极管Q2的集电极与所述三极管Q1的基极以及第六电阻器的第一端相连接；所述第六电阻器的第二端以及所述三极管Q1的发射极与所述BUCK电源转换器的VIN管脚相连接；所述三极管Q1的集电极所述BUCK电源转换器的EN管脚相连接；所述第七电阻器的第一端与所述BUCK电源转换器的EN管脚相连接；第七电阻器的第二端与所述第二电阻器的第二端和开关电源电路输出端相连接。在本实例中，所述三极管Q1为PNP型三极管，所述三极管Q2为NPN型三极管。
本发明通过单片机MCU输出使能信号，利用使能电路控制BUCK电源转换器的使能脚。当数模转换器DAC配制完成有电压输出且达到所需的负电源输出电压值时，再把使能脚使能来保证负电源输出电压值，从而解决了因设备刚上电，输出电压是最低值，极有可能对客户产品造成伤害的问题。
可选的，图6为本发明实施例提供的开关电源电路的另一结构示意图。在上述实施例的基础上，参考图6，该开关电源电路还包括电容器，所述电容器的第一端与BUCK电源转换器的VIN管脚连接，第二端与BUCK电源转换器的VOUT管脚以及第一电阻器的第一端相连接地。优选的，可以采用一个较大容量的电容器。本发明在该开关电源电路增加一个输入电源电容器，能够帮助抑制可能耦合到电路上的高频噪声，使系统保持稳定，具体的该电容器的电压需要满足整个电压范围的应力。
可选的，图7为本发明实施例提供的开关电源电路的另一结构示意图。在上述实施例的基础上，参考图7，该开关电源电路还包括二极管。因为考虑到BUCK电源转换器内部从VIN到nVOUT的电容器会引入一条交流路径，将VIN施加至电路时，旁路电容器两端的dV/dt会产生电流，该电流必须返回至设备电源的地GND以完成环路。该电流可能流过BUCK电源转换器内部低端MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)的体二极管和电感器，以返回设备电源的地GND。因此，在本实例中，所述二极管D1耦合在开关电源电路输出端和地之间。具体的，所述二极管的阳极与所述电路输出端相连接，所述二极管的阴极接地。优选的，所述二极管为肖特基二极管。
本发明公开了一种开关电源电路，通过对常用BUCK电源结构的电压输出端接地，可以实现负电压的输出；通过利用微处理器MCU输出的控制信号利用包括数模转换器DAC和同相比例放大器的电压调节电路实现具有负电源输出电压的数字可调功能的开关电源电路。本发明电路结构简单，空间占比小，成本比较低；同时可以规避单一专用芯片供应商所带来的风险。由于采用BUCK电源拓扑结构，电源的输出功率可以比较大，不会像专用芯片那样受选型器件的影响，输出功率受限制。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种开关电源电路，其特征在于，该开关电源电路包括：BUCK电源转换器和输出电压调节电路，其中
所述BUCK电源转换器的输出端接地，所述开关电源电路的地作为输出端输出负电压；
所述输出电压调节电路包括数模转换器和同相运算放大器电路，所述输出电压调节电路用于根据所述数模转换器接收的第一控制信号实现对开关电源电路输出负电压的数字调节。
2.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述输出电压调节电路进一步包括
连接在所述BUCK电源转换器的输出端和反馈端之间的第一电阻器；
连接在所述BUCK电源转换器反馈端和所述开关电源电路输出端之间的第二电阻器；和
连接在所述同相运算放大器电路的输出端和所述BUCK电源转换器的反馈端之间的第三电阻器。
3.根据权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，所述同相运算放大器电路包括：运算放大器、第四电阻器以及第五电阻器；
所述运算放大器的同相输入端与所述数模转换器相连接，所述运算放大器的反相输入端与所述第四电阻器的第二端以及第五电阻器的第一端相连接；
所述第四电阻器的第一端与所述运算放大器的输出端相连接；
所述第五电阻器的第二端接地；
所述运算放大器的输出端与所述第三电阻器的第二端相连接。
4.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，该开关电源电路进一步包括使能电路，该使能电路基于接收到第二控制信号使能所述BUCK电源转换器。
5.根据权利要求4所述的开关电源电路，其特征在于，所述使能电路包括第一三极管、第二三极管以及第六电阻器，所述第一三极管的第一端和第二端分别连接BUCK电源转换器的输入端和使能端，第三端通过第六电阻器与第一端耦合；所述第二三级管的第一端作为所述接收第二控制信号的输入端，第二端与所述第一三极管的第三端耦合，第三端接地。
6.根据权利要求5所述的开关电源电路，其特征在于，所述使能电路进一步包括连接BUCK电源转换器使能端和开关电源电路输出端的第七电阻器。
7.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，该开关电源电路进一步包括电容器，其一端与BUCK电源转换器输入端连接，另一端与BUCK电源转换器输出端连接且接地。
8.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，该开关电源电路进一步包括耦合在开关电源电路输出端和地之间的二极管。
9.根据权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，
所述开关电源电路输出的负电压为：
Figure FDA0003020915350000021
其中，Vref为BUCK电源转换器的FB管脚的基准电压；Vdac为同相运算放大器电路的输出电压；R1为第一电阻器的电阻值；R2为第二电阻器的电阻值；R3为第三电阻器的电阻值。
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