電源轉換裝置的製作方法

2023-10-22 11:27:57 3

本實用新型涉及電路領域，具體而言，涉及一種電源轉換裝置。

背景技術：

自從1999年物聯網概念的提出，到現在「網際網路+」概念的盛行，網關的重要性不言而喻，工業網關主晶片及電源實現方式主要有以下3種：(1)以ARM為主晶片的工業網關，整機使用AC/DC轉換電源供電；(2)以ARM為主晶片的工業網關，使用直流電源(一般不高於36V)供電，但需要提供外接適配電源；(3)Quark平臺的工業網關一般使用直流5V供電，需要提供外接適配電源。

從工業網關發展的趨勢來看，現有的工業網關主晶片及電源實現方式存在如下不足：以ARM為主晶片的工業網關整機使用AC/DC轉換電源供電，使用專業的220V轉直流電源，此電源有安全防護，可提供高功率、高性能的直流電的優點，但體積較大，結構上會增加整機的體積、重量，對於器件小型化的發展趨勢而言顯得比較笨重；雖然高端ARM的處理能力很強大，但也需要提供專業的外接適配電源，其成本較高，而很多客戶希望獲得更高的性價比。

為了提高處理器的性價比，Intel推出了新架構Quark SOC x1000系列處理器，其主要針對物聯網應用，擁有更高的安全性和更強的可管理性，其強大的運算能力大大提高了工業網關的信號處理能力。基於Quark處理器的Quark平臺的工業網關一般使用直流電源供電，其使用的直流供電(如5V直流電源)，對網關外部條件有特定要求，如在外部沒有此直流電源時，需要另外加電源適配器，會增加客戶成本，且無法提供安全有效的電源安全防護。

針對相關技術中，工業網關的供電安全性較差的技術問題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術實現要素：

本實用新型實施例提供了一種電源轉換裝置，以至少解決相關技術中，工業網關的供電安全性較差的技術問題。

根據本實用新型實施例，提供了一種電源轉換裝置，該裝置包括：EMC防護模塊，與交流電源連接，其中，交流電源用於提供交流電；AC/DC轉換模塊，與EMC防護模塊連接，AC/DC轉換模塊用於將交流電轉換為第一直流電；濾波模塊，與AC/DC轉換模塊連接；DC/DC轉換模塊，分別與濾波模塊和處理器連接，DC/DC轉換模塊用於基於第一直流電為處理器提供多個電壓等級的直流電。

進一步地，EMC防護模塊包括：熔斷保護電路，熔斷保護電路的第一端與交流電源的正極連接；防電磁幹擾電路，防電磁幹擾電路的第一端與熔斷保護電路的第二端連接；穩壓電路，穩壓電路的第一端與防電磁幹擾電路的第二端連接，穩壓電路的第二端與AC/DC轉換模塊連接。

進一步地，防電磁幹擾電路包括：第一安規電容，第一安規電容的第一端與熔斷保護電路的第二端連接，第一安規電容的第二端與交流電源的負極連接；共模電感，共模電感的第一端與第一安規電容的第一端連接，共模電感的第二端與第一安規電容的第二端連接；第二安規電容，第二安規電容的第一端與共模電感的第三端連接，第二安規電容的第二端與共模電感的第四端連接。

進一步地，EMC防護模塊還包括：放電電路，放電電路分別與熔斷保護電路的第二端和交流電源的負極連接。

進一步地，放電電路包括：第一壓敏電阻，第一壓敏電阻的第一端與熔斷保護電路的第二端連接；第二壓敏電阻，第二壓敏電阻的第一端與交流電源的負極連接；放電管，放電管的第一端與第一壓敏電阻的第二端和第二壓敏電阻的第二端連接，放電管的第二端接地。

進一步地，AC/DC轉換模塊包括：全波整流電路，與EMC防護模塊連接；變壓電路，與全波整流電路連接，用於輸出第一直流電；反饋電路，與變壓電路連接，用於生成對應於第一直流電的監測信號；電源管理晶片，分別與變壓電路和反饋電路連接，用於基於監測信號控制變壓電路。

進一步地，全波整流電路包括：全波整流橋，全波整流橋的第一端與第二安規電容的第一端連接，全波整流橋的第二端與第二安規電容的第二端連接；第一電容，第一電容的第一端與全波整流橋的第三端連接，第一電容的第二端與全波整流橋的第四端連接。

進一步地，變壓電路包括：穩壓子電路，穩壓子電路的第一端與全波整流橋的第三端連接，穩壓子電路的第二端與全波整流橋的第四端連接；變壓器，變壓器的初級線圈的第一端與穩壓子電路的第一端連接，變壓器的初級線圈的第二端與穩壓子電路 的第二端連接，變壓器的第一次級線圈用於輸出第一直流電。

進一步地，反饋電路包括：光耦合器，光耦合器的第一端與第一次級線圈的第一端連接，光耦合器的第二端與第一次級線圈的第二端連接，光耦合器的第三端與電源管理晶片連接，光耦合器用於生成監測信號；供電電路，供電電路的第一端與變壓器的第二次級線圈的第一端連接，供電電路的第二端與光耦合器的第四端連接。

進一步地，第二次級線圈的第二端與電源管理晶片連接。

在本實用新型實施例中，交流電源提供交流電，EMC防護模塊與交流電源連接，以提供EMC防護；AC/DC轉換模塊與EMC防護模塊連接，將交流電轉換為第一直流電；濾波模塊與AC/DC轉換模塊連接，對第一直流電進行濾波；DC/DC轉換模塊分別與濾波模塊和處理器連接，將第一直流電轉換為多個電壓等級的直流電，以為處理供電，通過提供EMC防護，從而解決了相關技術中，工業網關的供電安全性較差的技術問題，實現了提高工業網關供電的安全防護性的技術效果。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分，本實用新型的示意性實施例及其說明用於解釋本實用新型，並不構成對本實用新型的不當限定。在附圖中：

圖1是根據本實用新型實施例的電源轉換裝置的示意圖；

圖2是根據本實用新型實施例的EMC防護模塊的示意圖；以及

圖3是根據本實用新型實施例的交直流電源轉換模塊的示意圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本實用新型方案，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分的實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本實用新型保護的範圍。

需要說明的是，本實用新型的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語「第一」、「第二」等是用於區別類似的對象，而不必用於描述特定的順序或先後次序。應該理解這樣使用的數據在適當情況下可以互換。此外，術語「包括」和「具有」以及他們的任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列電子元件或電氣元件 的系統、產品或設備不必限於清楚地列出的那些電子元件或電氣元件，而是可包括沒有清楚地列出的或對於這些系統、產品或設備固有的其它電子元件或電氣元件。

首先，在對本實用新型實施例進行描述的過程中出現的部分名詞或術語適用於如下解釋：

EMC：Electro Magnetic Compatibility，電磁兼容性，是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行並不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁幹擾的能力。

AC/DC：一般指電源的規格是交流輸入直流輸出，屬於開關電源分類中的一種。

DC/DC：是指將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，也稱為直流斬波器。

根據本實用新型實施例，提供了一種電源轉換裝置的實施例，圖1是根據本實用新型實施例的電源轉換裝置的示意圖，如圖1所示，該裝置包括：EMC防護模塊10、AC/DC轉換模塊30、濾波模塊50以及DC/DC轉換模塊70。

EMC防護模塊10，與交流電源連接，其中，交流電源用於提供交流電。

AC/DC轉換模塊30，與EMC防護模塊連接，AC/DC轉換模塊用於將交流電轉換為第一直流電。如產生5V直流電，以供Quark平臺使用。

濾波模塊50，與AC/DC轉換模塊連接。

DC/DC轉換模塊70，分別與濾波模塊和處理器連接，DC/DC轉換模塊用於基於第一直流電為處理器提供多個電壓等級的直流電。如將5V直流電轉換為1.5V和3.3V的直流電，以滿足處理器的各個引腳的電平需求。

通過上述實施例，交流電源提供交流電，EMC防護模塊與交流電源連接，以提供EMC防護；AC/DC轉換模塊與EMC防護模塊連接，將交流電轉換為第一直流電；濾波模塊與AC/DC轉換模塊連接，對第一直流電進行濾波；DC/DC轉換模塊分別與濾波模塊和處理器連接，將第一直流電轉換為多個電壓等級的直流電，以為處理供電，通過提供EMC防護，從而解決了相關技術中，工業網關的供電安全性較差的技術問題，實現了提高工業網關供電的安全防護性的技術效果。

如圖2所示，EMC防護模塊包括：熔斷保護電路(包括開關S和熔斷絲FU)，熔斷保護電路的第一端與交流電源的正極連接；防電磁幹擾電路(包括安規電容X和安規電容Y、共模電感L1)，防電磁幹擾電路的第一端與熔斷保護電路的第二端連接；穩壓電路(包括TVS管)，穩壓電路的第一端與防電磁幹擾電路的第二端連接，穩壓電路的第二端與AC/DC轉換模塊連接。

上述的防電磁幹擾電路包括：第一安規電容X，第一安規電容的第一端與熔斷保護電路的第二端連接，第一安規電容的第二端與交流電源的負極連接；共模電感L1，共模電感的第一端與第一安規電容的第一端連接，共模電感的第二端與第一安規電容的第二端連接；第二安規電容Y，第二安規電容的第一端與共模電感的第三端連接，第二安規電容的第二端與共模電感的第四端連接，第二安規電容的第三端接地。

可選地，EMC防護模塊還包括：放電電路，放電電路分別與熔斷保護電路的第二端和交流電源的負極連接。放電電路包括：第一壓敏電阻VDR1，第一壓敏電阻的第一端與熔斷保護電路的第二端連接；第二壓敏電阻VDR2，第二壓敏電阻的第一端與交流電源的負極連接；放電管GDT，放電管的第一端與第一壓敏電阻的第二端和第二壓敏電阻的第二端連接，放電管的第二端接地。

本申請的EMC防護綜合考慮了防護等級和體積的要求，採用兩級防護，為了避免開機時產生瞬間高壓，加入NTC負溫度係數電阻(其一端與電源負極連接，另一端與第一安規電容的第二端連接)，避免了開機對電源模塊的衝擊；還加入熔斷絲FU，可以消除由於各種不可預見性的過流或短路而出現的危險；防雷防浪湧則是通過壓敏電阻VDR1和VDR2與放電管GDT的配合，在出現高壓時，滯後放電管的反應時間，壓敏電阻和放電管均打開，將危險的高壓旁路到大地。

安規電容X和Y與共模電感L1形成π型濾波，對浪湧過來的殘壓，共模電感可阻止其突變，使得電壓或電流不能夠突變，π型濾波對快速脈衝群和快速瞬變均有較好的抑制作用；TVS管防護包括差模防護與共模防護，是在π型濾波後的殘壓依然超過了TVS管的觸發電壓時，TVS管將電壓鉗位，保證不損壞後級電壓模塊。

通過上述實施例，為了應付工業網關的工作環境多種多樣，本申請的電源轉換裝置可以為Quark平臺的工業網關的電源提供EMC4級防護，既保證了Quark平臺的工業網關電源的EMC防護等級，也符合工業網關對于越來越小型化的發展趨勢要求。

在上述實施例中，AC/DC電源轉換模塊，採用15W的AC/DC電源模塊，其體積較小(65*45*22.5mm)，輸入為85V至264V的交流電(頻率為50或60Hz)；如圖3所示，AC/DC轉換模塊包括：全波整流電路31，與EMC防護模塊連接；變壓電路33，與全波整流電路連接，用於輸出第一直流電；反饋電路35，與變壓電路連接，用於生成對應於第一直流電的監測信號；電源管理晶片37，分別與變壓電路和反饋電路連接，用於基於監測信號控制變壓電路。

可選地，全波整流電路31包括：全波整流橋Q，全波整流橋的第一端與第二安規電容的第一端連接，全波整流橋的第二端與第二安規電容的第二端連接；第一電容C1， 第一電容的第一端與全波整流橋的第三端連接，第一電容的第二端與全波整流橋的第四端連接。

可選地，變壓電路33包括：穩壓子電路(包括串聯的穩壓二極體VZ1和二極體VD1)，穩壓子電路的第一端與全波整流橋的第三端連接，穩壓子電路的第二端與全波整流橋的第四端連接；變壓器T，變壓器的初級線圈的第一端與穩壓子電路的第一端連接，變壓器的初級線圈的第二端與穩壓子電路的第二端連接，變壓器的第一次級線圈用於輸出第一直流電。

交流電源經過熔斷絲FU的保護，通過共模電感與電容的濾波之後進入電橋，全波整流將負電壓轉換為正電壓，電源IC(即電源管理晶片37)控制著變壓器初級通斷，變壓器次級感應產生的電流通過二極體VD2單向導通，電容C2和C3蓄能，電感L2蓄能後產生輸出電壓U0。

為了能得到穩定的輸出電壓，需要反饋進行，反饋電路35包括：光耦合器OC，光耦合器的第一端通過電阻R2與第一次級線圈的第一端連接，光耦合器的第二端通過穩壓二極體VZ2與第一次級線圈的第二端連接，光耦合器的第一端與第二端之間還串接有電阻R3，光耦合器的第三端與電源管理晶片連接，光耦合器用於生成監測信號；供電電路(主要包括二極體VD3和電容C5)，供電電路的第一端與變壓器的第二次級線圈的第一端連接，供電電路的第二端與光耦合器的第四端連接。反饋迴路通過變壓器次級感應線圈供電，光耦的採集，反饋給電源IC，電源IC通過比較反饋的結果去控制著變壓器初級線圈的通斷。

可選地，第二次級線圈的第二端與電源管理晶片連接，在穩壓二極體VZ2的兩端之間還設置有電容C4；電源管理晶片還通過電容C6與第一次級線圈的第二端連接，以對其進行監測；電阻R1和電容C7用於保護電源晶片的引腳。

需要說明的是，AC/DC電源轉換模塊產生的是5V直流電，為了減少電源的紋波和噪音對Quark及單板的影響，在濾波電路中添加260uf的固態電容，和1uf、0.1uf、1nf的陶瓷電容進行濾波。

在Quark的啟動過程中中，電源的工作流程可分為3個階段(由電源管理晶片控制實現)，S5階段、S3階段、S0階段。上電後電源開始進入S5階段，DC/DC電源產生3.3V和1.5V供Quark啟動，當S5階段安全通過後產生S3階段的允許信號S3_EN；S3_EN控制電源開關啟動產生S3階段的3.3V和1.5V，當S3階段安全通過後產生S0階段的允許信號S0_EN；S0_EN控制電源開關啟動產生S0階段的3.3V和1.5V，進入S0階段後產生power_good信號，進入S0階段也既Quark開始了正常工作。

如，在S5階段，為Quark處理器的管腳R10提供1.5V直流電，為管腳P5和P7提供3.3V直流電；在S3階段，為管腳AT12、AT16、AT18、AT23提供1.5V直流電，為管腳K14、K16提供3.3V直流電；在S0階段，為管腳AD5、AT28提供1.5V直流電，為管腳AA26、AB24、AD24提供3.3V直流電，為管腳AB14、AD14、V14、V16、AB18、AB20、Y18、V18、Y20、Y16、V20提供1V直流電，這些控制邏輯均由電源晶片控制產生，通過該裝置，可以為Quark平臺提供所需的電壓，並滿足其時序要求。

需要說明的是，上述DC/DC轉換模塊由三個子模塊組成，一個是5V轉3.3V的子模塊，一個是5V轉1.5V的子模塊，一個為5V轉1V的子模塊。

在上述實施例中，本申請的電源轉換裝置可用於Quark平臺的工業網關，在保證Quark平臺的工業網關功率需求下，選用小封裝的AC/DC電源轉換模塊，可以保證Quark平臺的工業網關的正常工作，也符合工業網關對于越來越小型化的發展趨勢要求，其功能可以達到預期要求，參數可以根據要求進行調整。可滿足在滿足Quark平臺的供電需求的情況下，降低供電模組的體積，保證供電安全，並降低用戶的投入成本。

上述本實用新型實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。

在本實用新型的上述實施例中，對各個實施例的描述都各有側重，某個實施例中沒有詳述的部分，可以參見其他實施例的相關描述。

本實用新型所要保護的電源轉換裝置以及構成該電源轉換裝置的各個模塊都是一種具有確定形狀、構造且佔據一定空間的實體產品。例如，EMC防護模塊、AC/DC轉換模塊、濾波模塊、DC/DC轉換模塊等都是可以獨立運行的、具有具體硬體結構的電路結構。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。