一种基于PCB无磁芯变压器的驱动电源的制作方法

一种基于pcb无磁芯变压器的驱动电源
技术领域
1.本发明涉及隔离电源技术领域，尤其涉及一种基于pcb无磁芯变压器的驱动电源。


背景技术：

2.驱动电路的隔离电源是一种特殊的电源设计，旨在使驱动电路与其它电路相互隔离，从而避免电路间的干扰和损坏。这种电源通常使用变压器，将输入电源通过隔离变压器转换成安全的低电压信号，以供驱动电路使用。
3.现有技术的隔离电源可以分为两种类型：基于变压器的隔离电源和基于光耦的隔离电源。
4.基于光耦的隔离电源使用光耦器件来实现隔离。光耦器件包括一个发光二极管和一个光敏二极管，它们通过一个透明的隔离材料相隔离。当发光二极管接收到输入信号时，它会发出光信号，这个光信号会被透明隔离材料传递给光敏二极管，从而实现信号隔离。基于光耦的隔离电源通常比基于变压器的隔离电源更便宜和轻便，但是它们可能会受到光线干扰和温度变化的影响，因此在设计时需要考虑这些因素。
5.基于变压器的隔离电源是一种传统的隔离电源设计，它使用一个变压器将输入电源转换成安全的低电压信号。这种电源设计非常可靠，因为变压器可以提供高效的电气隔离，并且可以减少噪声和电磁干扰。但是，基于变压器的隔离电源通常比基于光耦的隔离电源更昂贵和笨重。
6.现有的基于变压器的隔离电源通常采用带磁芯的变压器，使得隔离电源的体积较大，成本较大。


技术实现要素：

7.为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种成本低且损耗小的基于pcb无磁芯变压器的驱动电源。
8.本发明公开了一种基于pcb无磁芯变压器的驱动电源，包括第一电路、第二电路和无磁芯变压器，所述第一电路设于所述无磁芯变压器的原边绕组侧、且与直流电源耦合，所述第二电路设于所述无磁芯变压器的副边绕组侧；所述第一电路包括控制信号发生器、mos管、和第一电容，所述控制信号发生器与所述mos管连接用于向mos管输出信号；所述第一电容与所述mos管连接，且所述第一电容与所述无磁芯变压器的原边绕组谐振；所述第二电路设有稳压组件；所述主mos管的开通阶段，所述第一电路将能量存储在原边绕组中；所述主mos管的关闭阶段，所述原边绕组和所述第一电容发生谐振以将所述能量传递至副边绕组，并通过所述稳压组件提供恒定输出电压。
9.优选的，所述第一电容与所述mos管并联后与所述无磁芯变压器的原边绕组连接以进行谐振。
10.优选的，所述第一电容与所述mos管串联，所述第一电容与所述无磁芯变压器的原边绕组连接以进行谐振。
11.优选的，所述mos管采用0电压换流模式。
12.优选的，所述信号发生器包括施密特触发器、单片机信号发生器、比较器、预放信号装置；所述信号发生器用于输出高电平持续时间和低电平持续时间可控的方波信号；所述mos管的开通阶段对应所述信号发生器输出高电平信号，所述mos管的关闭阶段对应所述信号发生器输出低电平信号。
13.优选的，所述高电平持续时间由所述无磁芯变压器的原边绕组的电感量、和所述驱动电源的输出功率(开关管)确定；所述高电平持续时间为100-500ns。
14.优选的，所述低电平持续时间由所述无磁芯变压器的原边绕组的电感量、和所述第一电容的容值确定；所述低电平持续时间为50-300ns。
15.优选的，所述无磁芯变压器的原边绕组的电感量为3-5uh。
16.优选的，所述第一电容的容值由所述无磁芯变压器的原副边的耦合系数、副边绕组的最大输出电压以及所述mos管的开通时间确定。
17.优选的，所述稳压组件组件包括稳压管和低压差线性稳压器；所述第二电路还包括整流二极管和第二电容，所述第二电容与所述无磁芯变压器的副边绕组连接，所述整流二极管设于所述第二电容和所述副边绕组之间；所述第二电容的最小电压≥电容正压+电容负压+1v。
18.采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：
19.1.通过采用无磁芯隔离变压器，取消带磁芯隔离变压器，降低高度及成本；利用pcb为载体来构建变压器原副边绕组，电源电路利用反激高频谐振将低耦合度的无磁芯变压器原边能量传递至副边，相比较与现有技术的半桥或全桥方案，降低了控制复杂度；
20.2.mos管采用0电压换流模式，损耗低，降低了对开关mos管的功率需求，使得元器件选型自由度高；
21.3.所述无磁芯变压器的副边绕组侧的第二电路采用稳压管和低压差线性稳压器对输出电压进行稳压，避免了无磁芯变压器的输出电压随负载变化较大的问题，更适用于sic应用。
附图说明
22.图1为本发明提供的第一电容与mos管并联的驱动电源的电路结构示意图；
23.图2为本发明提供的第一电容与mos管串联的驱动电源的电路结构示意图；
24.图3为本发明提供的驱动电源的各器件的电压随时间的变化关系示意图。
具体实施方式
25.以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。
26.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
27.在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数
形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
28.应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
29.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。
30.在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
31.在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。
32.参见附图1，一种基于pcb无磁芯变压器的驱动电源，包括第一电路、第二电路和无磁芯变压器，第一电路设于无磁芯变压器的原边绕组侧、且与直流电源耦合。第一电路包括控制信号发生器、mos管q1、和第一电容c1，控制信号发生器与mos管q1连接用于向mos管q1输出信号；第一电容c1与mos管q1连接，且第一电容c1与无磁芯变压器的原边绕组谐振。第一电路用于将直流电源的直流信号转换成开关信号，并通过第一电容c1与无磁芯变压器的原边绕组的振谐处理将开关信号在原边绕组上形成交流信号。
33.第二电路设于无磁芯变压器的副边绕组侧，隔离变压器将原边绕组上的交流信号耦合至副边绕组，并在副边绕组上形成交流信号。第二电路设有稳压组件和整流二极管d1，通过整流二极管d1将副边绕组上形成交流信号转换为直流信号，接着通过稳压组件对输出电压进行稳压后输出。
34.具体的，主mos管q1的开通阶段，第一电路将能量(直流信号)存储在原边绕组中；主mos管q1的关闭阶段，原边绕组和第一电容c1发生谐振以将能量(交流信号)传递至副边绕组，并通过稳压组件提供恒定输出电压，避免了无磁芯变压器的输出电压随负载变化较大的问题。
35.一种优选的，参见附图1，第一电容c1与mos管q1并联，且第一电容c1与无磁芯变压器的原边绕组连接以进行谐振。
36.另一种优选的，第一电容c1与mos管q1串联，且第一电容c1与无磁芯变压器的原边绕组连接以进行谐振。
37.上述两种第一电容c1与mos管q1的连接方式都不影响第一电容c1与无磁芯变压器的原边绕组谐振，可根据具体情况选择设置。
38.进一步的，mos管q1采用0电压换流模式，该换流模式损耗低，降低了对开关mos管q1的功率需求，使得元器件选型自由度高。
39.进一步的，信号发生器可以选择施密特触发器、单片机信号发生器、比较器、预放信号装置中的一种，并且并不限定于此，只要可可根据电路参数输出高电平持续时间和低电平持续时间可控的方波信号即可。
40.具体的，参见附图3，mos管q1的开通阶段对应信号发生器输出高电平信号，mos管q1的关闭阶段对应信号发生器输出低电平信号。图中，ton则是mos管q1的开通阶段，toff则是mos管q1的关闭阶段。在mos管q1的开通阶段，信号发生器输出高电平信号，此时该高电平信号被储存在无磁芯变压器的原边绕组上，第一电容c1未与无磁芯变压器的原边绕组发生振谐，故此时第一电容c1和无磁芯变压器的原边绕组都无输出电压，从而无磁芯变压器的副边绕组也没有输出电压。在mos管q1的关闭阶段，信号发生器输出低电平信号，此时第一电容c1与无磁芯变压器的原边绕组发生振谐，将储存在无磁芯变压器的原边绕组上的能量(直流信号)通过振谐转换为交流信号，并耦合至无磁芯变压器的副边绕组上，故此时第一电容c1和无磁芯变压器的原边绕组都输出交流信号，无磁芯变压器的副边绕组也输出交流信号。
41.进一步的，无磁芯变压器的副边绕组侧的第二电路上的稳压组件组件包括稳压管dz1和低压差线性稳压器ldo，以对输出电压进行稳压。
42.第二电路还包括整流二极管d1和若干个支撑电容，本发明提供的优选实施例中，若干个支撑电容包括第二电容c2、第三电容c3第四电容c4。第二电容c2与无磁芯变压器的副边绕组连接，整流二极管d1设于第二电容c2和副边绕组之间，用于将副边绕组上的交流信号整流为直流信号。
43.其中，基于第二电容c2负压大小来选择稳压管dz1的参数。对于第二电容c2，电源的输出功率越大，则第二电容c2的电压越低，但第二电容c2需要满足：在最大负载下(即输出功率最大情况下)，第二电容c2≥电容正压+电容负压+1v，即第二电容c2的最小电压不能小于电容正压、电容负压之和。
44.进一步的，信号发生器输出的高电平持续时间由无磁芯变压器的原边绕组的电感量、和驱动电源的输出功率(开关管)来确定，一种优选的，高电平持续时间为100-500ns。低电平持续时间由无磁芯变压器的原边绕组的电感量、和第一电容c1的容值来确定，一种优选的，低电平持续时间为50-300ns。
45.其中，一种优选的，无磁芯变压器的原边绕组的电感量为3-5uh。第一电容c1的容值由无磁芯变压器的原副边的耦合系数、副边绕组的最大输出电压以及mos管q1的开通时间确定。
46.本发明提供的一种基于pcb无磁芯变压器的驱动电源，适用于隔离小功率输出且对高度和成本敏感的隔离电源。电路在mos开通阶段将能量存储在原边绕组中，并在mos关闭阶段通过原边绕组和第一电容c1的谐振将能量传递至副边，副边通过稳压器提供恒定输出电压。其中，无磁芯变压器的原边绕组和副边绕组基于pcb板形成，具体的，原边绕组封装结构(原边芯片)和副边绕组封装结构(副边芯片)在pcb基板上采用隔离变压器的磁芯处正对的方式放置，使得原边绕组和副边绕组1:1正对放置。
47.一种优选的，本发明的基于pcb无磁芯变压器的驱动电源可应用于车辆的电机控
制器。
48.应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种基于pcb无磁芯变压器的驱动电源，其特征在于，包括第一电路、第二电路和无磁芯变压器，所述第一电路设于所述无磁芯变压器的原边绕组侧、且与直流电源耦合，所述第二电路设于所述无磁芯变压器的副边绕组侧；所述第一电路包括控制信号发生器、mos管、和第一电容，所述控制信号发生器与所述mos管连接用于向mos管输出信号；所述第一电容与所述mos管连接，且所述第一电容与所述无磁芯变压器的原边绕组谐振；所述第二电路设有稳压组件；所述主mos管的开通阶段，所述第一电路将能量存储在原边绕组中；所述主mos管的关闭阶段，所述原边绕组和所述第一电容发生谐振以将所述能量传递至副边绕组，并通过所述稳压组件提供恒定输出电压。2.根据权利要求1所述的基于pcb无磁芯变压器的驱动电源，其特征在于，所述第一电容与所述mos管并联后与所述无磁芯变压器的原边绕组连接以进行谐振。3.根据权利要求1所述的基于pcb无磁芯变压器的驱动电源，其特征在于，所述第一电容与所述mos管串联，所述第一电容与所述无磁芯变压器的原边绕组连接以进行谐振。4.根据权利要求1所述的基于pcb无磁芯变压器的驱动电源，其特征在于，所述mos管采用0电压换流模式。5.根据权利要求1所述的基于pcb无磁芯变压器的驱动电源，其特征在于，所述信号发生器包括施密特触发器、单片机信号发生器、比较器、预放信号装置；所述信号发生器用于输出高电平持续时间和低电平持续时间可控的方波信号；所述mos管的开通阶段对应所述信号发生器输出高电平信号，所述mos管的关闭阶段对应所述信号发生器输出低电平信号。6.根据权利要求5所述的基于pcb无磁芯变压器的驱动电源，其特征在于，所述高电平持续时间由所述无磁芯变压器的原边绕组的电感量、和所述驱动电源的输出功率(开关管)确定；所述高电平持续时间为100-500ns。7.根据权利要求5所述的基于pcb无磁芯变压器的驱动电源，其特征在于，所述低电平持续时间由所述无磁芯变压器的原边绕组的电感量、和所述第一电容的容值确定；所述低电平持续时间为50-300ns。8.根据权利要求6或7所述的基于pcb无磁芯变压器的驱动电源，其特征在于，所述无磁芯变压器的原边绕组的电感量为3-5uh。9.根据权利要求7所述的基于pcb无磁芯变压器的驱动电源，其特征在于，所述第一电容的容值由所述无磁芯变压器的原副边的耦合系数、副边绕组的最大输出电压以及所述mos管的开通时间确定。10.根据权利要求1所述的基于pcb无磁芯变压器的驱动电源，其特征在于，所述稳压组件组件包括稳压管和低压差线性稳压器；所述第二电路还包括整流二极管和第二电容，所述第二电容与所述无磁芯变压器的副边绕组连接，所述整流二极管设于所述第二电容和所述副边绕组之间；所述第二电容的最小电压≥电容正压+电容负压+1v。

技术总结
本发明提供了一种基于PCB无磁芯变压器的驱动电源，包括第一电路、第二电路和无磁芯变压器，第一电路设于无磁芯变压器的原边绕组侧、且与直流电源耦合。第一电路包括控制信号发生器、MOS管Q1、和第一电容C1，控制信号发生器与MOS管Q1连接用于向MOS管Q1输出信号；第一电容C1与MOS管Q1连接，且第一电容C1与无磁芯变压器的原边绕组谐振。第一电路用于将直流电源的直流信号转换成开关信号，并通过第一电容C1与无磁芯变压器的原边绕组的振谐处理将开关信号在原边绕组上形成交流信号。关信号在原边绕组上形成交流信号。关信号在原边绕组上形成交流信号。


技术研发人员：任康乐 黄磊
受保护的技术使用者：臻驱科技（上海）有限公司
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/10/15