CN100352153C - 一种低压输入开关变换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低压输入开关变换装置，包括：输入电路、功率变换电路、输出电路、反馈电路、控制电路和升压电路，输入电路电压信号经滤波后连接到功率变换电路进行功率变换，同时，输入电路连接到升压电路提供输入电压，升压电路把输入电压升高后，连接到控制电路提供辅助电源，控制电路连接到功率变换电路进行功率变换，功率变换电路连接到输出电路进行整流滤波并输出变换后的电压，输出电路连接到反馈电路，提供反馈电压，反馈电路连接到控制电路，实现闭环控制，满足低压情况的需要。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源领域的低压输入隔离/非隔离模块电源，特别涉及一种能实现低压输入开关变换的装置。
背景技术
在低压输入模块电源中，由于输入电压过低(可达3.0VDC)，为了满足控制芯片的工作电压和功率开关管的驱动要求，一般需要采用专用控制芯片进行变换和驱动。这种变换方式的缺点为：(1)控制芯片目前均为独家供货，采购困难，成本较高。(2)采用这种控制芯片在输入电压低于4VDC时，必须采用逻辑驱动功率开关器件。
为了兼顾考虑生产和采购问题，设计时要采用两套方案同时进行，造成研发周期过长，开发成本过高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种为了能实现低压输入开关变换的装置，能有效地利用了功率MOSFET的允许驱动电压范围和主控芯片的工作电压范围较大的特点，达到性价比的最优化。
为了实现上述目的，本发明公开了一种低压输入开关变换装置，包括：输入电路、功率变换电路、输出电路、反馈电路、控制电路和开环升压电路，输入电路电压信号经滤波后连接到功率变换电路进行功率变换，同时，输入电路连接到升压电路提供输入电压，升压电路把输入电压升高后，连接到控制电路提供辅助电源，控制电路连接到功率变换电路进行功率变换，功率变换电路连接到输出电路提供经过功率变换后的电压，输出电路将经过功率变换后的电压进行整流滤波并输出，输出电路连接到反馈电路，提供反馈电压，反馈电路连接到控制电路，实现闭环控制。
进一步地，上述功率变换电路包括由输入滤波电容、主开关管、续流二极管、输出滤波电感、输出滤波电容组成的主功率变换回路；输入滤波电容负极、续流二极管阳极和输出滤波电容负极并联接地，输入滤波电容的正极和主开关管的漏极连接到功率变换电路输入正端，主开关管的源极和续流二极管的阴极连接到输出滤波电感的一端，输出滤波电容正极和输出滤波电感的另一端连接到功率变换电路输出端。
进一步地，上述升压电路为开环BOOST变换电路。
进一步地，上述开环BOOST变换电路通过倍压输入电压提供控制电路的辅助电源。
上述开环BOOST升压电路为由恒频脉冲发生器、第二电感、第二二极管、第二输出滤波电容、第二开关管组成的BOOST变换器；恒频脉冲发生器分别连接第二电感一端和第二开关管基极；第二开关管集电极和第二电感另一端连接到第二二极管的阳极；第二开关管发射极和第二输出滤波电容的一端接地；第二二极管的阴极和第二输出滤波电容的另一端连接到BOOST变换电路的输出端。
上述开功率变换电路包含有第三输入滤波电容、多个开关器件、第三电容、时钟和第三控制电路、第三输出滤波电容；通过所述时钟和第三控制电路分阶段控制对所述开关器件进行通断，从而分别给所述第三电容和第三输出滤波电容充电。
进一步地，上述控制电路为PWM控制电路。
进一步地，上述PWM控制电路在接收所述反馈电路的反馈信号后通过PWM变换直接驱动主开关管实现降压BUCK变换。
上述PWM控制电路采用呈阻抗特性的控制芯片。
采用本发明所述装置，与现有技术相比，采用非隔离升压变换提供辅助电源为控制芯片和反馈电路供电，降低了低压输入时对控制芯片和功率变换电路的驱动要求。降低了设计难度，避免了器件的独家供货问题，节省了设计费用，提高了变换器的成本竞争力。
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施例
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2A是本发明的一个实施例，采用BOOST升压的VRM模块原理框图；
图2B是恒频BOOST变换的一种实施例；
图3A是本发明的另一个实施例，采用充电泵进行升压的VRM模块原理框图；
图3B是充电泵的一种实施例。
具体实施方式
本发明公开的低压输入开关变换装置，参见图1。主要由以下几部分组成：输入电路101、功率变换电路102、输出电路105、反馈电路106、控制电路104和开环升压电路103。输入电路101电压信号经滤波后连接到功率变换电路102进行功率变换，同时，101连接到开环升压电路103提供输入电压，开环升压电路103把输入电压升高后，连接到控制电路104提供辅助电源，控制电路104连接到功率变换电路102进行功率变换，功率变换电路102连接到输出电路105进行整流滤波并输出变换后的电压。输出电路105连接到反馈电路106，提供反馈电压，反馈电路106连接到控制电路104，实现闭环控制。
图2A表示了一种低压输入降压VRM模块的实施例，该变换装置是由输入滤波电容30、主开关管31、续流二极管34、输出滤波电感32、输出滤波电容33组成的主功率变换回路，通过开环BOOST升压变换203组成的辅助电源回路、PWM控制电路202和反馈回路106。
输入滤波电容30负极、续流二极管34阳极和输出滤波电容33负极并联接地，输入滤波电容30的正极和主开关管31的漏极连接到变换器输入正端，主开关管31的源极和续流二极管34的阴极连接到输出滤波电感的一端，输出滤波电容33正极和输出滤波电感32的另一端连接到变换器输出端。在本实施例中，PWM控制电路202采用控制芯片UC2843，这种控制芯片耗电呈阻抗特性，由BOOST变换特性可知，无论在连续或断续模式下，电路203均可以很容易通过调节BOOST开环升压电路的开关频率，占空比和升压电感来实现固定放大倍数的DC-DC变换。电路203通过倍压输入电压，提供控制电路202的辅助电源，电路202接收反馈电路106的反馈信号，通过PWM变换驱动主开关管31实现降压BUCK变换。在一般的BUCK变换中，主功率管31需要采取隔离或自举的方式进行驱动，但在本发明中，由于PWM控制电路202的驱动电压高于输入电压，可以不用隔离而直接驱动。简化了驱动设计，降低了设计成本。在本实施例中，主开关管31应根据倍压的最大值(决定驱动电压大小)选择，如输入电压变化不大，可以选择逻辑控制MOSFET，但一般应用建议选择非逻辑控制芯片。
参考图2B，图2B是图2A开环BOOST升压电路203的一种实施例。包括恒频脉冲发生器201和电感10、二极管11、输出滤波电容13、开关管14组成的BOOST变换器。恒频脉冲发生器按照设计要求提供BOOST变换器所需的驱动脉冲。BOOST把输入电压按照一定比例倍压输入电压，用以给图2A中控制电路202供电。
其中，恒频脉冲发生器分别连接所述电感10一端和开关管14基极；开关管14集电极和电感10另一端连接到二极管11的阳极；开关管发射极和输出滤波电容13的一端接地；二极管11的阴极和输出滤波电容13的另一端连接到BOOST变换电路的输出端。
图3A表示了另一种低压输入降压VRM模块的实施例。如图3A中所示，变换器包括输入滤波电容30、主开关管31、续流二极管34、输出滤波电感32、输出滤波电容33组成的主功率变换回路，通过充电泵303组成的辅助电源回路，PWM控制电路202和反馈回路106。
本实施例的工作原理和图2A相同，区别在于升压电路采用充电泵进行变换。
参考图3B，图3B是图3A充电泵升压电路303的一种实施例。包含输入滤波电容50，开关器件51、52、53、54，时钟和控制电路56，输出滤波电路55。该充电泵输出电压为2倍输入电压。工作过程包含两个阶段，在第一个阶段52，53闭合，给电容57充电，同时电容55给负载供电。在第二个阶段，开关51，54闭合，输入电压VIN和电容57电压串联，给电容55补充能量，同时给负载供电。相对图2B，采用分离器件，这种电路成本较高。
从以上附图中可知，上述实施例中的低压输入开关变换装置，消除了常规低压输入开关变换采用专用芯片的缺点，简化了功率管的驱动，降低了设计成本，提高了产品的竞争力。以上实施例以降压VRM模块为例进行阐述，此变换方式同样适用于其他低压输入的开关变换。
本领域的技术人员在不脱落权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。
Claims (11)
1.一种低压输入开关变换装置，其特征在于：包括：输入电路、功率变换电路、输出电路、反馈电路、控制电路和开环升压电路，所述输入电路的电压信号经滤波后连接到所述功率变换电路进行功率变换，同时，所述输入电路连接到所述升压电路提供输入电压，所述升压电路把输入电压升高后，连接到所述控制电路提供辅助电源，所述控制电路连接到所述功率变换电路进行功率变换，所述功率变换电路连接到所述输出电路提供经过功率变换后的电压，所述输出电路将所述经过功率变换后的电压进行整流滤波并输出，所述输出电路连接到所述反馈电路，提供反馈电压，所述反馈电路连接到所述控制电路，实现闭环控制。
2.如权利要求1所述的低压输入开关变换装置，其特征在于，所述功率变换电路包括由输入滤波电容、主开关管、续流二极管、输出滤波电感、输出滤波电容组成的主功率变换回路；所述输入滤波电容负极、续流二极管阳极和输出滤波电容负极并联接地，所述输入滤波电容的正极和所述主开关管的漏极连接到所述功率变换电路输入正端，所述主开关管的源极和所述续流二极管的阴极连接到所述输出滤波电感的一端，所述输出滤波电容正极和所述输出滤波电感的另一端连接到所述功率变换电路输出端。
3.如权利要求1或2所述的低压输入开关变换装置，其特征在于，所述升压电路为开环BOOST变换电路或充电泵。
4、如权利要求3所述的低压输入开关变换装置，其特征在于，所述开环BOOST变换电路通过倍压输入电压提供控制电路的辅助电源。
5.如权利要求3所述的低压输入开关变换装置，其特征在于，所述开环BOOST变换电路为由恒频脉冲发生器、第二电感、第二二极管、第二输出滤波电容、第二开关管组成的BOOST变换器；所述恒频脉冲发生器分别连接所述第二电感一端和所述第二开关管基极；所述第二开关管集电极和所述第二电感另一端连接到所述第二二极管的阳极；所述第二开关管发射极和所述第二输出滤波电容的一端接地；所述第二二极管的阴极和所述第二输出滤波电容的另一端连接到BOOST变换电路的输出端。
6.如权利要求3所述的低压输入开关变换装置，其特征在于，所述充电泵进一步包含有第三输入滤波电容、多个开关器件、第三电容、时钟和第三控制电路、第三输出滤波电容；通过所述时钟和第三控制电路分阶段控制对所述开关器件进行通断，从而分别给所述第三电容和第三输出滤波电容充电。
7.如权利要求1所述的低压输入开关变换装置，其特征在于，所述控制电路为PWM控制电路。
8.如权利要求2所述的低压输入开关变换装置，其特征在于，所述控制电路为PWM控制电路。
9.如权利要求7或8所述的低压输入开关变换装置，其特征在于，所述PWM控制电路采用呈阻抗特性的控制芯片。
10、如权利要求8所述的低压输入开关变换装置，其特征在于，所述PWM控制电路在接收所述反馈电路的反馈信号后通过PWM变换直接驱动主开关管实现降压BUCK变换。
11.如权利要求10所述的低压输入开关变换装置，其特征在于，所述PWM控制电路采用呈阻抗特性的控制芯片。
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