Dc-dc轉(zhuǎn)換器、包括其的i/o模塊以及用于控制dc-dc轉(zhuǎn)換器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的實(shí)施例涉及DC-DC轉(zhuǎn)換的領(lǐng)域，尤其涉及一種DC-DC轉(zhuǎn)換器，一種包括該 DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出（I/O)模塊，以及一種用于控制DC-DC轉(zhuǎn)換器的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 離散控制系統(tǒng)（DCS)和現(xiàn)場(chǎng)儀器被廣泛用作工業(yè)自動(dòng)化的主要組件。考慮到安全 和能量效率，24V的DC供電電壓目前成為了 DCS和現(xiàn)場(chǎng)儀器的I/O模塊的供電電壓的主要 選擇。由于DCS和現(xiàn)場(chǎng)儀器的I/O模塊主要用于處理現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)并且經(jīng)由通信接口從控制器 接收/發(fā)送數(shù)據(jù)，所以該I/O模塊自身能夠被劃分為兩個(gè)主要部分，例如系統(tǒng)部分和現(xiàn)場(chǎng)部 分。該系統(tǒng)部分在正常情況下包含諸如微控制單元（MCU)支持、固件存儲(chǔ)和執(zhí)行之類的功 能，而現(xiàn)場(chǎng)部分在正常情況下則被設(shè)計(jì)為用于現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采樣/輸出。通常，系統(tǒng)部分和現(xiàn) 場(chǎng)部分的供電電壓彼此有所不同。由于不同供電電壓的要求，24V的DC供電電壓需要被轉(zhuǎn) 換為所期望的供電電壓。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)的用于I/O模塊中的DC-DC轉(zhuǎn)換的解決方案使用標(biāo)準(zhǔn)的DC-DC變流器。 然而，標(biāo)準(zhǔn)DC-DC變流器是昂貴的。標(biāo)準(zhǔn)DC-DC變流器的另一個(gè)缺陷在于其輸出電壓是固 定的，并且在一些其它組件也需要不同的供電電壓的時(shí)候是不靈活的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 因此，為了克服以上所提到的現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)或多個(gè)缺陷，本發(fā)明的實(shí)施例的目 的中的至少一個(gè)是要提供一種DC-DC轉(zhuǎn)換器。
[0005] 本發(fā)明的實(shí)施例的另一個(gè)目標(biāo)是提供一種包括DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出（I/O) 豐旲塊。
[0006] 本發(fā)明的實(shí)施例的另外的目標(biāo)是提供一種用于控制DC-DC轉(zhuǎn)換器的方法。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)方面，提供了一種DC-DC轉(zhuǎn)換器。該DC-DC轉(zhuǎn)換器可以 包括：平面變壓器；連接在該平面變壓器的初級(jí)繞組的一端與接地電勢(shì)之間的第一開關(guān)元 件；和連接至該平面變壓器的初級(jí)繞組的另一端與接地電勢(shì)之間的第二開關(guān)元件。該第一 和第二開關(guān)元件分別被控制為交替閉合。
[0008] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，該平面變壓器具有在其初級(jí)繞組提供的第一抽頭。該第 一抽頭連接至DC電源。
[0009] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，該轉(zhuǎn)換器可以進(jìn)一步包括開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，其用于生成用 于控制該第一和第二開關(guān)元件的閉合和打開的信號(hào)。
[0010] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，該驅(qū)動(dòng)電路可以包括第一邏輯電路，其具有用于接收基 準(zhǔn)頻率信號(hào)的第一輸入，用于接收第一分頻信號(hào)的第二輸入，和用于輸出控制該第一開關(guān) 元件的閉合和打開的信號(hào)的輸出。該驅(qū)動(dòng)電路可以進(jìn)一步包括第二邏輯電路，其具有用于 接收基準(zhǔn)頻率信號(hào)的第一輸入，用于接收第二分頻信號(hào)的第二輸入，和用于輸出控制該第 二開關(guān)元件的閉合和打開的信號(hào)的輸出。在該實(shí)施例中，該第一分頻信號(hào)和第二分頻信號(hào) 具有相反的相位，并且具有該基準(zhǔn)頻率信號(hào)的分?jǐn)?shù)頻率。
[0011] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，該第一分頻信號(hào)和第二分頻信號(hào)具有該基準(zhǔn)頻率信號(hào)的 半頻。
[0012] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，該轉(zhuǎn)換器可以進(jìn)一步包括振蕩器，其用于生成該基準(zhǔn)頻 率信號(hào)以及該第一分頻信號(hào)和第二分頻信號(hào)。該振蕩器可以是多諧振蕩器，其可以生成具 有某個(gè)頻率的方波。
[0013] 根據(jù)示例性實(shí)施例，該振蕩器可以包括RC電路，后者包括電阻和電容器。
[0014] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，該第一和第二邏輯電路是與（AND)邏輯電路。控制該第 一開關(guān)元件的信號(hào)由該基準(zhǔn)頻率信號(hào)和該第一分頻信號(hào)之間的與運(yùn)算所生成。控制該第二 開關(guān)元件的信號(hào)由該基準(zhǔn)頻率信號(hào)和該第二分頻信號(hào)之間的與運(yùn)算所生成。在該實(shí)施例 中，避免了兩個(gè)控制信號(hào)的高電平的重疊，從而兩個(gè)開關(guān)元件能夠交替閉合而并不會(huì)出現(xiàn) 這兩個(gè)開關(guān)元件的同時(shí)閉合。
[0015] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，該第一和第二邏輯電路是或非（NOR)邏輯電路?？刂圃?第一開關(guān)元件的信號(hào)由該基準(zhǔn)頻率信號(hào)和該第一分頻信號(hào)之間的或非運(yùn)算所生成?？刂圃?第二開關(guān)元件的信號(hào)由該基準(zhǔn)頻率信號(hào)和該第二分頻信號(hào)之間的或非運(yùn)算所生成。在該實(shí) 施例中，避免了兩個(gè)控制信號(hào)的高電平的重疊，從而兩個(gè)開關(guān)元件能夠交替閉合而并不會(huì) 出現(xiàn)這兩個(gè)開關(guān)元件的同時(shí)閉合。
[0016] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，該第一和第二開關(guān)元件可以是具有開關(guān)功能的任意類型 的常見電氣元件，諸如MOSFET、IGBT或晶閘管。
[0017] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，在該平面變壓器的次級(jí)繞組提供有第二抽頭而使得該平 面變壓器的輸出電壓能夠通過移動(dòng)該第二抽頭而進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0018] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，該轉(zhuǎn)換器可以進(jìn)一步包括處于該平面變壓器的次級(jí)繞組 一側(cè)的整流電路。
[0019] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，該轉(zhuǎn)換器可以進(jìn)一步包括處于該平面變壓器的次級(jí)繞組 一側(cè)的濾波電容器。
[0020] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，該轉(zhuǎn)換器被集成在PCB板中。因此，該轉(zhuǎn)換器的大小能夠 被最小化，并且該轉(zhuǎn)換器能夠輕易地在有限空間中使用。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例另一個(gè)方面，提供了一種包括如以上所描述的DC-DC轉(zhuǎn)換器 的設(shè)備。
[0022] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，該設(shè)備可以是I/O模塊或儀器。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另外的方面，提供了一種用于控制DC-DC轉(zhuǎn)換器的方法。該 DC-DC轉(zhuǎn)換器可以包括平面變壓器，其具有在其初級(jí)繞組提供并且連接至DC電源的第一抽 頭，處于該平面變壓器的初級(jí)繞組的一端與接地電勢(shì)之間的第一開關(guān)元件，和處于該平面 變壓器的初級(jí)繞組的另一端和接地電勢(shì)之間的第二開關(guān)元件。該方法可以包括將該第一和 第二開關(guān)元件分別控制為交替地進(jìn)行閉合。
[0024] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，該方法可以進(jìn)一步包括：通過在基準(zhǔn)頻率信號(hào)和第一分 頻信號(hào)之間執(zhí)行第一邏輯運(yùn)算而生成控制該第一開關(guān)元件的閉合和打開的信號(hào)，并且通過 在該基準(zhǔn)頻率信號(hào)和第二分頻信號(hào)之間執(zhí)行第二邏輯運(yùn)算而生成控制該第二開關(guān)元件的 閉合和打開的信號(hào)。在該示例性實(shí)施例中，該第一分頻信號(hào)和第二分頻信號(hào)具有相反的相 位，并且具有該基準(zhǔn)頻率信號(hào)的分?jǐn)?shù)頻率。
[0025] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，該第一分頻信號(hào)和第二分頻信號(hào)具有該基準(zhǔn)頻率信號(hào)的 半頻。
[0026] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，該第一和第二邏輯運(yùn)算是與邏輯運(yùn)算。
[0027] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，該第一和第二邏輯運(yùn)算是或非邏輯運(yùn)算。
[0028] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，該DC-DC轉(zhuǎn)換器可以進(jìn)一步包括在該平面變壓器的次級(jí) 繞組提供的第二抽頭。該方法可以進(jìn)一步包括通過移動(dòng)該第二抽頭對(duì)該平面變壓器的輸出 電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0029] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，該第一和第二開關(guān)元件從MOSFET、IGBT或晶閘管中進(jìn)行 選擇。
[0030] 依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在該DC-DC轉(zhuǎn)換器中使用平面變壓器，并且該解決方案不 僅有利于減少產(chǎn)品尺寸和成本，而且還有利于降低模塊復(fù)雜度并節(jié)約PCB布局時(shí)間。
[0031] 另外，依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，避免了兩個(gè)控制信號(hào)的高電平的重疊，從而兩個(gè)開關(guān) 元件能夠交替閉合而并不會(huì)出現(xiàn)這兩個(gè)開關(guān)元件的同時(shí)閉合。
[0032] 此外，受益于其小的尺寸和簡單的結(jié)構(gòu)，該DC-DC轉(zhuǎn)換組件能夠輕易地被分布至 I/O自身，從而消除了額外電源的風(fēng)險(xiǎn)。
【附圖說明】
[0033] 當(dāng)參考附圖閱讀以下有關(guān)示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的目標(biāo)、特征和優(yōu) 勢(shì)是顯而易見的，其中
[0034] 圖1圖示了本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中的DC-DC轉(zhuǎn)換器的示意性電路圖。
[0035] 圖2圖示了用于根據(jù)圖1的實(shí)施例的平面變壓器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0036] 圖3圖示了本發(fā)明另一個(gè)示例性實(shí)施例中的DC-DC轉(zhuǎn)換器的示意性電路圖。
[0037] 圖4圖示了用于根據(jù)圖3的實(shí)施例的平面變壓器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 隨后，將在對(duì)本發(fā)明的機(jī)制和精神進(jìn)行的描述中引用到示例性實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解 的是，這些實(shí)施例僅是被提供用來幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員理解并進(jìn)而實(shí)施本發(fā)明，而并非用 于以任何方式對(duì)本發(fā)明的范圍加以限制。
[0039] 這里通過參考附圖以示例性的方式對(duì)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施