一種基於單輸入的正負雙電源系統的製作方法

2023-05-31 10:04:16 7

專利名稱：一種基於單輸入的正負雙電源系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及電源領域，具體涉及一種基於單輸入的正負雙電源系統。
背景技術：
每一個電子產品可能由各個部分組成，但有一個共同點就是都少不了供電系統。 在設計供電系統的時候，很多情況下都會受到各種各樣的限制，這和實際應用條件有很大 關係。其中一個比較典型的限制就是輸入電源。 舉例來說，當一個系統需要一個+5V和一個-5V兩路供電，且兩路電源共地時，可 以有多種設計方案。但當限制輸入為單一直流電源的情況下，且整個系統共地，則可選方案 就少了很多(這是一個比較常見的應用)。通常最常用的是方案是(正電源產生比較簡單， 僅以負電源為例說明)，用一個電荷泵電路將+5乂轉換為_5V。但電荷泵的缺點是負載能力 太弱，一般不超過200mA，稍微大一些的電路就不能支撐。綜合考慮成本、體積、性能等要素， 構建一個合適的電源系統並不容易。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種基於單輸入的正負雙電源系統，在單直流電 源輸入的情況下，可輸出正負兩路直流電源，可同時兼顧輸出負載能力、成本、電壓穩定度 和體積的需要。 為了解決上述問題，本發明提供了一種基於單輸入的正負雙電源系統，包括
電源輸入單元，用於產生輸入直流電源； 同步時鐘發生單元，用於產生同步的第一時鐘信號和第二時鐘信號；所述第一時 鍾信號為正、第二時鐘信號為負； 正電壓輸出電路，包括第一輸出端和第一參考地端，用於以所述第一時鐘信號作 為同步時鐘信號，根據所述輸入直流電源在所述第一輸出端和第一參考地端之間產生第一 電壓； 負電壓輸出電路，包括第二輸出端和第二參考地端，用於以所述第二時鐘信號作 為同步時鐘信號，根據所述輸入直流電源在所述第二輸出端和第二參考地端之間產生第二 電壓； 所述正電壓輸出電路的第一參考地端連接至所述負電壓輸出單元的第二輸出端， 作為所述系統的共同參考地端，第一輸出端作為所述系統的正電源輸出端，輸出第一直流 電源；所述負電壓輸出電路的第二參考地端作為所述系統的負電源輸出端，輸出第二直流 電源。 進一步地，所述同步時鐘發生單元包括 穩壓電路、施密特觸發電路和時鐘極性翻轉電路； 所述穩壓電路用於提供晶片供電電壓給所述施密特觸發電路； 所述施密特觸發電路用於自震蕩產生正極性的第一時鐘信號；
所述時鐘極性翻轉電路用於根據所述第一時鐘信號產生與第一時鐘信號幅度相
同、相位相同、負極性的第二時鐘信號。 進一步地，所述時鐘極性翻轉電路包括 高速光電耦合器、第一電阻和第二電阻； 所述高速光電耦合器包括輸入端、輸出端、集電極、使能端和接地端； 所述集電極和使能端通過所述第二電阻接所述共同參考地端DGND ;所述輸入端
接收所述第一時鐘信號，並通過所述第一電阻接收所述晶片供電電壓；所述接地端連接所
述負電源輸出端；所述輸出端用於輸出所述第二時鐘信號。 進一步地，所述高速光電耦合器為6N137晶片；輸入端為引腳2和3，輸出端為引 腳6，集電極為引腳8，使能端為引腳7，接地端為引腳5。 進一步地，所述正電壓輸出電路包括相連的第一 BUCK電路和第一 LC濾波電路；
所述負電壓輸出電路包括相連的第二 BUCK電路和第二 LC濾波電路；
所述第一、第二BUCK電路分別以第一、第二時鐘信號作為同步信號，用於以高速 開關方式將所述輸入直流電源轉換為第一、第二方波信號； 所述第一 LC濾波電路用於平滑所述第一方波信號，輸出所述第一電壓；
所述第二 LC濾波電路用於平滑所述第二方波信號，輸出所述第二電壓。
進一步地，所述第一 LC濾波電路包括
電感(Ll)、平滑濾波電容(C3)和高頻濾波電容(C4); 所述平滑濾波電容(C3)和高頻濾波電容(C4)並聯，並聯後的一端與所述電感 (Ll)的第一端相連，作為所述第一輸出端，另一端作為所述第一參考地端；
所述電感(Ll)的第二端與所述第一 BUCK電路的輸出端相連；
所述第二 LC濾波電路包括 電感(L2)、平滑濾波電容(C8)和高頻濾波電容(C9); 所述平滑濾波電容(C8)和高頻濾波電容(C9)並聯，並聯後的一端與所述電感 (L2)的第一端相連，作為所述第二輸出端，並連接至所述第一參考地端，另一端作為所述第 二參考地端； 所述電感(L2)的第二端與所述第二 BUCK電路的輸出端相連。 進一步地，所述平滑濾波電容(C3)和(C8)為電解電容，其正極分別連接所述電感
L1、L2的第一端。 進一步地，所述第一 BUCK電路包括 — boost晶片、兩個二極體、一電阻、電容(Cl)和電容(C5); 所述boost晶片包括同步引腳、輸入引腳、輸出引腳、接地引腳、C引腳以及反饋引 所述同步引腳通過所述電容(C5)接收所述第一時鐘信號，並通過所述電阻與所 述接地引腳相連； 所述輸入引腳與所述電源輸入單元相連，接收所述輸入直流電源；
所述C引腳通過所述電容(Cl)與所述輸出引腳相連；
所述反饋引腳連接至所述電感(Ll)的第二端；
所述輸出引腳連接至所述電感(Ll)的第一端；
所述兩個二極體並聯，正極與所述接地引腳相連，負極與所述輸出引腳相連； 所述接地引腳連接至所述第一參考地端。 進一步地，所述第二 BUCK電路包括 — boost晶片、兩個二極體、一電阻、電容(C6)和電容(CIO); 所述boost晶片包括同步引腳、輸入引腳、輸出引腳、接地引腳、C引腳以及反饋引 所述同步引腳通過所述電容(C10)接收所述第二時鐘信號，並通過所述電阻與所 述接地引腳相連； 所述輸入引腳與所述電源輸入單元相連，接收所述輸入直流電源；
所述C引腳通過所述電容(C6)與所述輸出引腳相連；
所述反饋引腳連接至所述電感(L2)的第二端；
所述輸出引腳連接至所述電感(L2)的第一端； 所述兩個二極體並聯，正極與所述接地引腳相連，負極與所述輸出引腳相連；
所述接地引腳連接至所述第二參考地端。 本發明的技術方案中，系統輸入為一個直流穩壓源，輸出可提供一組正電源輸出 和一組負電源輸出，正負電源共地沐發明具有低成本、小體積、大功率和高精度的特點，解 決了單電源輸入系統中，在要求正負雙軌電源輸出都提供大負載電流和較高穩定度情況下 的設計難題，為類似應用提供了性價比很高的解決方案。本發明的一個實施例中採用反向 並聯BUCK晶片的方式，通過兩個極性相反、頻率相同的同步時鐘，既可以控制輸出的電壓 紋波頻率，還可以使輸出的正負兩路電源的紋波電流相位相反，從而相互抵消(絕對值降 低)，提高電源的輸出穩定度；由於BUCK電路採用高速開關原理進行電源變換，效率極高， 系統本身損耗很小，因此輸出的正負兩路電源均可以做到大電流供給，突破傳統設計瓶頸。


圖1是實施例一中基於單輸入的正負雙電源系統的示意框圖
圖2是實施例一中時鐘極性翻轉的電路圖；
圖3是實施例一中電源輸出單元的示意框圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖及實施例對本發明的技術方案進行更詳細的說明。 需要說明的是，如果不衝突，本發明實施例以及實施例中的各個特徵可以相互結
合，均在本發明的保護範圍之內。 實施例一，一種基於單輸入的正負雙電源系統，如圖1所示，包括
電源輸入單元，用於產生輸入直流電源VIN; 同步時鐘發生單元，用於產生同步的第一時鐘信號Sync clkl和第二時鐘信號 Sync clk2;所述第一時鐘信號為正、第二時鐘信號為負；所述第一、第二時鐘信號頻率相 同； 電源輸出單元，包括正、負電壓輸出電路； 所述正電壓輸出電路包括第一輸出端V+。ut和第一參考地端GND+，用於以所述第一時鐘信號作為同步時鐘信號，根據所述輸入直流電源在所述第一輸出端V+。ut和第一參考地 端GND+之間產生第一電壓； 所述負電壓輸出電路包括第二輸出端V—。ut和第二參考地端GND—，用於以所述第二 時鐘信號作為同步時鐘信號，根據所述輸入直流電源在所述第二輸出端V—。ut和第二參考地 端GND—之間產生第二電壓； 所述正電壓輸出電路的第一參考地端GND+連接至所述負電壓輸出單元的第二輸 出端V—。ut，作為所述系統的共同參考地端DGND ; 所述正電壓輸出電路的第一輸出端V+。ut作為所述系統的正電源輸出端，輸出第一 直流電源V0UT+ ; 所述負電壓輸出電路的第二參考地端作為所述系統的負電源輸出端，輸出第二直 流電源VOUT-。 可見看出，本實施例中，所述第一、第二直流電源分別為一組共地的正、負電源；所 述第一、第二直流電源的幅度(絕對值)可以但不限於相等。 上述正、負電壓輸出電路連接方式為反向並聯方式，所述正、負電壓輸出電路共同 的輸入即為所述輸入直流電源VIN，所述輸入直流電源VIN也以所述參考地端DGND為參考。
本實施例中，通過所述第一、第二時鐘信號可以控制所述正、負電壓輸出電路輸出 的電壓紋波頻率，還可以使輸出的所述第一、第二直流電源的紋波電流相位相反，從而相互 抵消，提高輸出穩定度。 本實施例中，所述同步時鐘發生單元具體可以包括
穩壓電路、施密特觸發電路和時鐘極性翻轉電路。 所述穩壓電路用於提供晶片供電電壓CLKVCC給所述施密特觸發電路； 所述施密特觸發電路用於自震蕩產生正極性的第一時鐘信號，頻率範圍
280KHZ 380KHZ ; 所述時鐘極性翻轉電路用於根據所述第一時鐘信號產生負極性的第二時鐘信號， 此第二時鐘信號與第一時鐘信號幅度相同、相位相同、極性相反。 鑑於時鐘信號為高速信號，採用一個高速光電耦合器搭建所述時鐘極性翻轉電
路，高速光電耦合器的輸入和輸出兩級電氣完全隔離，因此，將高速光電耦合器輸出集電極
連接所述共同參考地DGND，發射極連接所述負電源輸出端，即可輸出與第一時鐘信號極性
相反、頻率相同的第二時鐘信號；且集電極上拉電阻可用來調節輸出信號的負載能力。 所述時鐘極性翻轉電路具體可以包括 高速光電耦合器、第一電阻Rl和第二電阻R2 ; 所述高速光電耦合器包括輸入端、輸出端、集電極、使能端和接地端； 所述集電極和使能端通過所述第二電阻接所述共同參考地端DGND ;所述輸入端
接收所述第一時鐘信號，並通過所述第一電阻接收所述晶片供電電壓CLKVCC ;所述接地端
連接所述負電源輸出端；所述輸出端用於輸出所述第二時鐘信號。 所述高速光電耦合器可以但不限於為6N137晶片。 此時如圖2所示，高速光電耦合器的輸入端為引腳2(AN)禾P引腳3 (CA)，輸出端為 引腳6 (OUT)，集電極為引腳8 (VCC)，使能端為弓|腳7 (EN)，接地端為弓|腳5 (GND);引腳1和 4不用。
在實際應用中，所述高速光電耦合器規格可根據需要選擇；對應不同的頻率和負 載大小，也可調整所述第二電阻使輸出的第二時鐘信號滿足需要。 本實施例中，所述電源輸出單元中，所述正、負電壓輸出電路的核心分別為第一、 第二BUCK電路，所述第一、第二BUCK電路以反向並聯方式連接。 在實際應用中，根據輸出電壓需要、負載電流需要可選擇合適的BUCK晶片搭建所 述第一、第二BUCK電路，也可以使用分立元件實現。 所述正電壓輸出電路包括相連的第一 BUCK電路和第一 LC濾波電路； 所述負電壓輸出電路包括相連的第二 BUCK電路和第二 LC濾波電路； 所述第一、第二BUCK電路分別以第一、第二時鐘信號作為同步信號，用於以高速
開關方式將所述輸入直流電源VIN轉換為第一、第二方波信號； 所述第一 LC濾波電路用於平滑所述第一方波信號，輸出所述第一電壓； 所述第二 LC濾波電路用於平滑所述第二方波信號，輸出所述第二電壓。 本實施例中，如圖3所示，所述第一 LC濾波電路具體可以包括 電感Ll、平滑濾波電容C3和高頻濾波電容C4 ; 所述平滑濾波電容C3和高頻濾波電容C4並聯，並聯後的一端與所述電感Ll的第 一端相連，作為所述第一輸出端(也就是所述正電源輸出端)，另一端作為所述第一參考地 端(也就是所述共同參考地端DGND); 所述電感Ll的第二端與所述第一 BUCK電路的輸出端相連； 所述第二 LC濾波電路具體可以包括 電感L2、平滑濾波電容C8和高頻濾波電容C9 ; 所述平滑濾波電容C8和高頻濾波電容C9並聯，並聯後的一端與所述電感L2的 第一端相連，作為所述第二輸出端，並連接至所述第一參考地端(也就是共同參考地端 DGND)，另一端作為所述第二參考地端(也就是所述負電源輸出端)；
所述電感L2的第二端與所述第二 BUCK電路的輸出端相連。 本實施例中，所述平滑濾波電容C3和C8可以為電解電容，其正極分別連接所述電 感L1、L2的第一端。 本實施例中，所述第一 BUCK電路具體可以包括 — boost晶片、二極體D1、二極體D2、一電阻、電容C1和電容C5 ; 所述boost晶片包括同步引腳(引腳5，SYNC)、輸入引腳(引腳2， IN)、輸出引腳
(弓I腳1，SW)、接地引腳(弓I腳4，GND)、C引腳(引腳3，C)以及反饋引腳(引腳6， FB); 所述同步引腳通過所述電容C5接收所述第一時鐘信號，並通過所述電阻與所述
接地引腳相連； 所述輸入引腳與所述電源輸入單元相連，接收所述輸入直流電源VIN ;
所述C引腳通過所述電容C1與所述輸出引腳相連；
所述反饋引腳連接至所述電感Ll的第二端；
所述輸出引腳連接至所述電感L1的第一端； 所述二極體D1、D2並聯，正極與所述接地引腳相連，負極與所述輸出引腳相連；
所述接地弓|腳連接至所述第一參考地端。
所述第二 BUCK電路具體可以包括
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— boost晶片、二極體D3、二極體D4、一電阻、電容C6和電容C10 ; 所述boost晶片包括同步引腳(引腳5，SYNC)、輸入引腳(引腳2， IN)、輸出引腳
(弓I腳1，SW)、接地引腳(弓I腳4，GND)、C引腳(引腳3，C)以及反饋引腳(引腳6， FB); 所述同步引腳通過所述電容C10接收所述第一時鐘信號，並通過所述電阻與所述
接地引腳相連； 所述輸入引腳與所述電源輸入單元相連，接收所述輸入直流電源VIN;
所述C引腳通過所述電容C6與所述輸出引腳相連；
所述反饋引腳連接至所述電感L2的第二端；
所述輸出引腳連接至所述電感L2的第一端； 所述二極體D3、 D4並聯，正極與所述接地引腳相連，負極與所述輸出引腳相連；
所述接地弓|腳連接至所述第二參考地端。
實際應用時，也可以採用其它具體電路實現。 本實施例中，所述第一、第二BUCK電路中boost晶片的同步引腳SYNC為同步時鐘 引腳。第一 BUCK電路以所述共同參考地端DGND為輸出電壓參考基準；第二 BUCK電路以所 述負電源輸出端為輸出電壓參考基準，其同步信號的參考電位也相應變為第二直流電源。
本實施例中，由負極性的第二時鐘信號作為第二BUCK電路的同步信號，第一、第 二直流電源和的紋波電流相位相反，從而可以相互抵消(絕對值降低)。提高了電源穩定 度；由於所述第一、第二BUCK電路採用高速開關原理進行電源變換，效率極高，系統本身損 耗很小，因此第一直流電源和第二直流電源均可以做到大電流供給，突破傳統設計瓶頸。
當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟 悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變 形都應屬於本發明的權利要求的保護範圍。
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權利要求
一種基於單輸入的正負雙電源系統，其特徵在於，包括電源輸入單元，用於產生輸入直流電源；同步時鐘發生單元，用於產生同步的第一時鐘信號和第二時鐘信號；所述第一時鐘信號為正、第二時鐘信號為負；正電壓輸出電路，包括第一輸出端和第一參考地端，用於以所述第一時鐘信號作為同步時鐘信號，根據所述輸入直流電源在所述第一輸出端和第一參考地端之間產生第一電壓；負電壓輸出電路，包括第二輸出端和第二參考地端，用於以所述第二時鐘信號作為同步時鐘信號，根據所述輸入直流電源在所述第二輸出端和第二參考地端之間產生第二電壓；所述正電壓輸出電路的第一參考地端連接至所述負電壓輸出單元的第二輸出端，作為所述系統的共同參考地端，第一輸出端作為所述系統的正電源輸出端，輸出第一直流電源；所述負電壓輸出電路的第二參考地端作為所述系統的負電源輸出端，輸出第二直流電源。
2. 如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述同步時鐘發生單元包括穩壓電路、施密特觸發電路和時鐘極性翻轉電路；所述穩壓電路用於提供晶片供電電壓給所述施密特觸發電路；所述施密特觸發電路用於自震蕩產生正極性的第一時鐘信號；所述時鐘極性翻轉電路用於根據所述第一時鐘信號產生與第一時鐘信號幅度相同、相位相同、負極性的第二時鐘信號。
3. 如權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述時鐘極性翻轉電路包括高速光電耦合器、第一電阻和第二電阻；所述高速光電耦合器包括輸入端、輸出端、集電極、使能端和接地端；所述集電極和使能端通過所述第二電阻接所述共同參考地端DGND ;所述輸入端接收所述第一時鐘信號，並通過所述第一電阻接收所述晶片供電電壓；所述接地端連接所述負電源輸出端；所述輸出端用於輸出所述第二時鐘信號。
4. 如權利要求3所述的系統，其特徵在於所述高速光電耦合器為6N137晶片；輸入端為引腳2和3，輸出端為引腳6，集電極為引腳8，使能端為引腳7，接地端為引腳5。
5. 如權利要求1到4中任一項所述的系統，其特徵在於所述正電壓輸出電路包括相連的第一 BUCK電路和第一 LC濾波電路；所述負電壓輸出電路包括相連的第二 BUCK電路和第二 LC濾波電路；所述第一、第二BUCK電路分別以第一、第二時鐘信號作為同步信號，用於以高速開關方式將所述輸入直流電源轉換為第一、第二方波信號；所述第一 LC濾波電路用於平滑所述第一方波信號，輸出所述第一電壓；所述第二 LC濾波電路用於平滑所述第二方波信號，輸出所述第二電壓。
6. 如權利要求5所述的系統，其特徵在於，所述第一 LC濾波電路包括電感(Ll)、平滑濾波電容(C3)和高頻濾波電容(C4);所述平滑濾波電容(C3)和高頻濾波電容(C4)並聯，並聯後的一端與所述電感(Ll)的第一端相連，作為所述第一輸出端，另一端作為所述第一參考地端；所述電感(LI)的第二端與所述第一 BUCK電路的輸出端相連；所述第二LC濾波電路包括電感(L2)、平滑濾波電容(C8)和高頻濾波電容(C9);所述平滑濾波電容(C8)和高頻濾波電容(C9)並聯，並聯後的一端與所述電感(L2)的第一端相連，作為所述第二輸出端，並連接至所述第一參考地端，另一端作為所述第二參考地端；所述電感(L2)的第二端與所述第二 BUCK電路的輸出端相連。
7. 如權利要求6所述的系統，其特徵在於所述平滑濾波電容(C3)和(C8)為電解電容，其正極分別連接所述電感L1、 L2的第一丄山順。
8. 如權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述第一 BUCK電路包括一 boost晶片、兩個二極體、一電阻、電容(CI)和電容(C5);所述boost晶片包括同步引腳、輸入引腳、輸出引腳、接地引腳、C引腳以及反饋引腳；所述同步引腳通過所述電容(C5)接收所述第一時鐘信號，並通過所述電阻與所述接地引腳相連；所述輸入引腳與所述電源輸入單元相連，接收所述輸入直流電源；所述C引腳通過所述電容(CI)與所述輸出引腳相連；所述反饋引腳連接至所述電感(LI)的第二端；所述輸出引腳連接至所述電感(LI)的第一端；所述兩個二極體並聯，正極與所述接地引腳相連，負極與所述輸出引腳相連；所述接地引腳連接至所述第一參考地端。
9. 如權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述第二 BUCK電路包括一 boost晶片、兩個二極體、一電阻、電容(C6)和電容(CIO);所述boost晶片包括同步引腳、輸入引腳、輸出引腳、接地引腳、C引腳以及反饋引腳；所述同步引腳通過所述電容(CIO)接收所述第二時鐘信號，並通過所述電阻與所述接地引腳相連；所述輸入引腳與所述電源輸入單元相連，接收所述輸入直流電源；所述C引腳通過所述電容(C6)與所述輸出引腳相連；所述反饋引腳連接至所述電感(L2)的第二端；所述輸出引腳連接至所述電感(L2)的第一端；所述兩個二極體並聯，正極與所述接地引腳相連，負極與所述輸出引腳相連；所述接地引腳連接至所述第二參考地端。
全文摘要
一種基於單輸入的正負雙電源系統，包括電源輸入單元，用於產生輸入直流電源；同步時鐘發生單元，用於產生同步的第一時鐘信號和第二時鐘信號；所述第一/第二時鐘信號為正/負；正/負電壓輸出電路，包括第一/第二輸出端和第一/第二參考地端，用於以所述第一/第二時鐘信號作為同步時鐘信號，根據所述輸入直流電源在所述第一/第二輸出端和第一/第二參考地端之間產生第一/第二電壓；所述第一參考地端連接至所述第二輸出端，作為所述系統的共同參考地端，所述第一輸出端作為所述系統的正電源輸出端，輸出第一直流電源；所述第二參考地端作為所述系統的負電源輸出端，輸出第二直流電源。
文檔編號H02M3/08GK101764517SQ20101011204
公開日2010年6月30日 申請日期2010年2月11日 優先權日2010年2月11日
發明者吳安, 婁山林, 李超 申請人:浪潮(北京)電子信息產業有限公司