一种基于毫米波的开关电源的制作方法

1.本实用新型涉及开关电源技术，尤其涉及一种基于毫米波隔离器芯片的开关电源。


背景技术：

2.开关电源是一种高频化电能转换装置，通常是将输入的交流电源转化成特定形式的直流电源，以供负载设备充电，通过控制开关的闭合与关断，来控制电源变压器的工作功率，从而满足不同功率电路的需求。开关电源广泛应用在自动化控制、军工设备、科研设备、led照明、工控设备、通讯设备、电力设备等领域。
3.大功率开关电源常用半桥或全桥拓扑结构，逻辑控制及反馈常用电容式隔离器或线圈式隔离器；电容式电路需要特别的氧化层材料，线圈电路有面积等问题；随着第三代半导体广泛应用于大功率开关电源，对效率提出更高的要求，更低延迟，来实现信号逻辑控制处理；当开关频率越来越高时，电容式隔离器或线圈式隔离器必然越做越小而间距就越来越小，从而无法满足隔离要求。正因频率和电容电感的特性关系使开关电源设计到达了瓶颈，很难往上突破，针对高频率的大功率开关电源设计成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本实用新型提供一种基于毫米波的开关电源，利用毫米波信号的传输特性，控制高频信号高效传输，从而满足开关电源高效、快速地工作，以解决现有半桥式开关电源的瞬态控制差、工作效率低以及受频率限制等问题。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型采用的一种技术方案为：
6.一种基于毫米波的开关电源，包括输入电压电路、变压器初级绕组的上桥和下桥llc电路、毫米波开关控制芯片以及输出电压电路，其中，所述上桥llc 电路包括第一电容c1、电感l1以及所述毫米波开关控制芯片的输入端、输出端，所述下桥llc电路包括第二电容c2、所述电感l1以及所述毫米波开关控制芯片的输出端、接地端；
7.所述输入电压电路的输出端分别与所述第一电容c1的第一端、所述毫米波开关控制芯片的输入端相连；
8.所述毫米波开关控制芯片的输出端与所述电感l1的第一端相连；
9.所述电感l1的第二端与所述变压器初级绕组的第一端相连；
10.所述第一电容c1的第二端分别与所述第二电容c2的第一端、所述变压器初级绕组的第二端相连；
11.所述第二电容c2的第二端、所述毫米波开关控制芯片的接地端分别与地相连。
12.本实用新型的有益效果在于：基于毫米波隔离器芯片在半桥式开关电源的应用，采用毫米波作为载波的短距离传输方式，带宽能够达到100kbps到10gbps，速度快，通过天线既可以实现高频传输，不需要光耦及额外的隔离层。并且即便产品被击穿，天线也不会造成金属短路，能够实现信号的隔离，从而在实现良好的隔离的同时能够保证信号传输速度
快、延时小、效率高，并且更加安全。
附图说明
13.图1为本实用新型实施例的一种毫米波开关电源的结构示意图；
14.图2为本实用新型实施例的一种基于毫米波开关控制芯片的结构示意图；
15.图3为本实用新型实施例的毫米波隔离器芯片的一种结构示意图；
16.图4为本实用新型实施例的一种毫米波隔离器的第一种电路的结构示意图；
17.图5为本实用新型实施例的一种毫米波隔离器的第二种电路的结构示意图；
18.图6为本实用新型实施例的上桥驱动电路结构示意图；
19.图7为本实用新型实施例的一种毫米波开关电源的一种实现方式的结构示意图；
具体实施方式
20.为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
21.本技术上述基于毫米波隔离器芯片的开关电源，能够适用于大功率半桥式开关电源中，比如高压电路中低压区电路与高压区电路之间的隔离；以及开关电源中数字逻辑控制电路与反馈回路之间的隔离，以下通过具体实施方式进行说明：
22.在一个可选的实施方式中，如图1所示，一种基于毫米波的开关电源，包括输入电压电路、变压器初级绕组的上桥和下桥llc电路、毫米波开关控制芯片以及输出电压电路，其中，所述上桥llc电路包括第一电容c1、电感l1以及所述毫米波开关控制芯片的输入端、输出端，所述下桥llc电路包括第二电容 c2、所述电感l1以及所述毫米波开关控制芯片的输出端、接地端；
23.所述输入电压电路的输出端分别与所述第一电容c1的第一端、所述毫米波开关控制芯片的输入端相连；
24.所述毫米波开关控制芯片的输出端与所述电感l1的第一端相连；
25.所述电感l1的第二端与所述变压器初级绕组的第一端相连；
26.所述第一电容c1的第二端分别与所述第二电容c2的第一端、所述变压器初级绕组的第二端相连；
27.所述第二电容c2的第二端、所述毫米波开关控制芯片的接地端分别与地相连。
28.基于毫米波隔离器芯片在半桥式开关电源的应用，采用毫米波作为载波的短距离传输方式，带宽能够达到100kbps到10gbps，速度快，通过天线既可以实现高频传输，不需要光耦及额外的隔离层。并且即便产品被击穿，天线也不会造成金属短路，能够实现信号的隔离，从而在实现良好的隔离的同时能够保证信号传输速度快、延时小、效率高，并且更加安全。
29.其中，如图2所示，所述毫米波开关控制芯片包括输入逻辑控制电路、毫米波隔离器芯片、上桥驱动电路、下桥驱动电路、上桥开关q1、下桥开关q2；
30.所述输入逻辑控制电路的第一输入端接第一脉冲宽度调制信号pwm1输入、第二输入端接逻辑控制信号logic输入、第三输入端接第二脉冲宽度调制信号 pwm2输入；
31.所述输入逻辑控制电路的第一输出端与所述毫米波隔离器芯片的第一输入端相
连、第二输出端与所述毫米波隔离器芯片的第二输入端相连；
32.所述毫米波隔离器芯片的第一输出端与所述上桥驱动电路的输入端相连、第二输出端与所述下桥驱动电路的输入端相连；
33.所述上桥驱动电路的输出端与所述上桥开关q1的输入端相连；
34.所述下桥驱动电路的输出端与所述下桥开关q2的输入端相连；
35.所述上桥开关q1的第一输出端与所述毫米波开关控制芯片的输入端相连；
36.所述上桥开关q1的第二输出端分别与所述下桥开关q2的第一输出端、所述毫米波开关控制芯片的输出端相连，且连接点即为所述毫米波开关控制芯片的输出端；
37.所述下桥开关q2的第二输出端与所述毫米波开关控制芯片的接地端相连。
38.其中，基于毫米波的开关控制芯片为pip/rf合封芯片，毫米波电路应用于安全隔离电路，安全区的两路pwm信号即pwm1和pwm2信号，以及逻辑控制信号logic信号，由相应的控制程序上执行的微型控制器，比如mcu，或者所述开关电源的充电协议芯片所产生，当所述pwm1、pwm2、logic输入到所述输入逻辑控制电路后，经由逻辑控制分别输出到所述毫米波隔离器芯片中，pwm1信号和输出第一逻辑信号logic1经所述毫米波隔离器芯片后，输出并经所述上桥驱动电路，输出并驱动所述开关q1；pwm2信号和输出第二逻辑信号logic2经所述毫米波隔离器芯片后，输出并经所述下桥驱动电路，输出并驱动所述开关q2。所述上桥开关q1、下桥开关q2的接入开关电路时的工作状态，分别由所述输入的logic信号经由所述输入逻辑控制电路输出的第一逻辑信号logic1、第二逻辑信号logic2逻辑状态决定。所述pwm1信号、所述pwm2信号分别控制所述上桥开关q1、下桥开关q2的闭合与断开，通过q1、q2的交替闭合，影响上下桥llc电路中的交替变化电流，从而产生谐振频率，影响输出电压电路的充电功率。而所述上桥开关q1、下桥开关q2在电路中，由所述安全区输入的逻辑控制信号来决定其工作状态，只能一个开关在启动工作周期时，另一个处于未启动状态。从而保证所述半桥式电源开关高效率工作。
39.在一可选实施例中，所述上桥开关q1、下桥开关q2为大功率开关半导体器件。因为在实际开关电源中，所述开关导通时，所在电路为高压电路，需要较大承受大电流或者大电压器件，此时该半导体开关可以为场效应晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfets),碳化硅(sic)，氮化镓(gan)。
40.在一可选实施方式中，如图3所示，所述毫米波隔离器芯片为集成两个毫米波隔离器结构的芯片，所述上桥毫米波隔离器的输入端与所述输入逻辑控制电路的第一输出端相连、输出端与所述上桥驱动电路输入端相连；所述下桥毫米波隔离器的输入端与所述输入逻辑控制电路的第二输出端相连、输出端与所述下桥驱动电路输入端相连。为保证电路稳定性，所述两个毫米波隔离器为相同结构的隔离器，且两个毫米波隔离器相互隔离，中间传输毫米波信号时互不干扰。所述两个毫米波隔离器应用于安全隔离电路。
41.进一步地，如图4所示，所述毫米波隔离器一结构为，包括毫米波发送端与毫米波接收端，所述毫米波发送端包括数模转换器、第一基带放大器、第一混频器、第一锁相环和第一功率放大器和第一滤波器以及毫米波发送天线；所述毫米波接受端包括第二滤波器、第二功率放大器、第二混频器、第二锁相环、第二基带放大器和模数转换器以及毫米波接收天线。所述数模转换器输入端与所述输入逻辑控制电路的输入端连接、输出端与所述第一混频器的第一输入端连接；所述第一混频器的第二输入端与所述锁相环的输出端连接，输
出端与所述第一功率放大器的输入端连接；所述第一功率放大器的输出端与所述第一滤波器的输入端连接；所述第一滤波器的输出端与所述毫米波发送天线连接；所述第二滤波器的输入端与所述毫米波接收天线输出端连接、输出端与所述第二功率放大器的输入端连接；所述第二功率放大器的输出端与所述第二混频器的第一输入端连接；所述第二混频器的第二输入端与所述第二锁相环的输出端连接，输出端与所述第二基带滤波器的输入端连接；所述第二基带滤波器的输出端与所述模数转换器的输入端连接；所述模数转换器的输出端与所述输入逻辑控制电路相连。
42.进一步地，如图5所示，所述毫米波隔离器另一结构为，包括毫米波发送端与毫米波接收端，
43.所述毫米波发送端包括振荡器、调制器、第三功率放大器和发送天线；
44.所述毫米波接收端包括第四功率放大器、包络检波器和接收天线；
45.所述振荡器的输出端与所述调制器的第一输入端连接；
46.所述调制器的第二输入端为所述毫米波隔离器的输入端，输出端与所述第三功率放大器的输入端连接；
47.所述第三功率放大器的输出端与所述发送天线连接；
48.所述第四功率放大器的输入端与所述接收天线连接，输出端与所述包络检波器的输入端连接；
49.所述包络检波器的输出端为所述毫米波隔离器的输出端；
50.本实施方式中，脉冲宽度调制信号和逻辑控制信号进入调制器(modulator) 调制信号后经放大通过发送天线发出，接收天线接收信号后经放大再由包络检波器(envelopedetector)检波后进入驱动电路。
51.图4、5所示为上述两种不同的毫米波隔离器的结构图，本方案不对改毫米波隔离器具体结构做限制，通过毫米波作为载波，传输信号的毫米波隔离器亦可作为毫米波隔离器的结构。从而达到防止高压击穿电路，以及频率过高造成对电路元器件的设计要求。
52.在一个可选的实施例中，所述上桥驱动电路、下桥驱动电路采用相同的电路结构，以上桥驱动电路为例，如图6所示，包括uvlo输出欠压锁定、上桥逻辑驱动电路以及场效应晶体管m1、场效应晶体管m2，所述上桥逻辑驱动电路的第一输出端与所述场效应晶体管m1的输入端相连、所述上桥逻辑驱动电路的第二输出端与所述场效应晶体管m2的输入端相连；所述场效应晶体管m1的第一输出端接所述uvlo输入端；所述场效应晶体管m1的第二输出端、所述场效应晶体管m2的第一输出端分别与所述上桥开关q1的输入端相连；所述场效应晶体管m2的第二输出端与所述毫米波开关控制芯片的输出端相连。所述上桥逻辑驱动电路是在相应的控制程序上执行的微型控制器，比如专用集成电路(asic) 或者现场可编程门阵列(fpga)，用于产生逻辑信号，从而驱动场效应晶体管执行相应操作。下桥驱动电路工作原理类似，所述下桥驱动电路包括uvlo输出欠压锁定、下桥逻辑驱动电路以及场效应晶体管m3、场效应晶体管m4，所述下桥逻辑驱动电路的第一输出端与所述场效应晶体管m3的输入端相连、所述下桥逻辑驱动电路的第二输出端与所述场效应晶体管m4的输入端相连；所述场效应晶体管m3的第一输出端接所述uvlo输入端；所述场效应晶体管m3的第二输出端、所述场效应晶体管m4的第一输出端分别与所述下桥开关q2的输入端相连；所述场效应晶体管m4的第二输出端与所述毫米波开关控制芯片的接地端相连。
53.在一个可选的实施例中，如图7所示，所述输入电压电路包括滤波电路、整流电路、储能电路；所述滤波电路的输入端与交流电源端连接、输出端与所述整流电路的输入端连接，用于对所述交流电源滤波；所述整流电路的输出端分别与所述储能电路的第一端、所述充电电路的初级线圈绕组第二端连接，用于对所述交流电源进行整流以输出直流电；所述整流电路的第三端、所述储能电路的第二端分别与地相连。所述输出电压电路包括所述变压器的初级绕组、变压器的次级绕组、整流二极管、滤波电容，所述变压器的次级绕组第一端与所述整流二极管的第一端相连，所述整流二极管的第二端与所述滤波电容的第一端相连，所述滤波电容的第二端与地相连。所述滤波电容的第一端与第二端作为输出端，给负载供电以实现电压输出。图7所示为一种基于毫米波的开关电源的结构图，本方案不对输入电压电路、输出电压电路具体结构做限制，实现相同功能的输入电压、输出电压的电路结构即可。
54.综上所述，本实用新型提供的一种基于毫米波的开关电源，借助毫米波收发器实现电路的隔离，在半桥式开关电源的开关电路中，采用毫米波作为载波的短距离传输方式，带宽能够达到100kbps到10gbps，速度快，通过天线既可以实现高频的传输，也能够实现信号的隔离，并且通过芯片的设计能够很好地实现集成化，不需要光耦及额外的隔离层，可以采用标准cmos工艺以及标准的封装工艺进行产品化生成，生成成本低，标准化的封装工艺容易集成在消费品类产品中，并且即便产品被击穿，天线也不会造成金属短路，从而在实现良好的隔离的同时能够保证信号传输速度快、延时小、效率高，并且更加安全。
55.以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。