CN100355192C - 脉冲宽度调制开关电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种脉冲宽度调制开关电源电路，包括：脉冲宽度调制单元、第一场效应管、第二场效应管、滤波单元，所述脉冲宽度调制开关电源电路还包括第一电容单元，所述第一电容单元包括至少一个电容，该电容单元连接到所述第一场效应管的第一端子与所述第二场效应管的第三端子之间，所述第一电容单元所处的位置必须使得其放电电流在第一场效应管导通之前到达第一场效应管第一端。还包括第二电容单元，用于滤除脉冲宽度调制开关电源电路的噪音。本发明提供一种在PWM开关电源电路中电源输入侧的一种电容设计方式，通过滤波电容将噪音滤除，并通过大电容为电源供电，可以为MOSFET管提供足够电流，也可以有效的消除PWM开关电源电路对外部电源的噪音干扰。

Description

脉冲宽度调制开关电源电路

技术领域

本发明涉及开关电源电路，尤其涉及一种脉冲宽度调制开关电源电路。

背景技术

随着芯片制造工艺的发展，采用低电压、大电流工作的芯片大量出现，推动PWM(Pulse Wide Modulation，脉冲宽度调制)降压型电压控制芯片广泛应用。这种PWM电压控制芯片和MOSFET(metallic oxide semiconductor fieldeffecttransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)管、电感、电容等，组成PWM开关电源电路，为负载提供所需的各种电压。

PWM开关电源电路的工作原理是通过PWM电压控制芯片控制两个MOSFET管周期性导通及关闭的过程提供输出电压和电流。当MOSFET管瞬态导通时，外部电源提供电流，该电流通过MOSFET管，再经过电感和电容，提供给PWM开关电源电路后级的电源负载和负载周围的供电电容。MOSFET管瞬态导通时，电源负载的供电电容开始充电。一般情况下，电容充电时的电流远远大于电源负载的基本工作电流，这就要求MOSFET管瞬态导通时必须获得足够大的电流，以保证MOSFET管可以正常导通。

在现有技术中一般采用在PWM开关电源电路的电源输入端大量增加电容的方式，实现大电流供应。一种现有技术中的PWM开关电源电路如图1所示，包括脉冲宽度调制单元101，MOSFET管102、MOSFET管103(本例中都为N沟道型晶体管)，电感L1，输出滤波电容C1，输入电容C2’、C3’。Vin来自外部电源，与脉冲宽度调制单元101的VIN管脚相连；脉冲宽度调制单元101的GND管脚与地电位Gnd(也可以称为基准电位)相连；脉冲宽度调制单元101的第一控制信号输出端TS与MOSFET管102的栅极相连；脉冲宽度调制单元101的第二控制信号输出端BS与MOSFET管103的栅极相连；MOSFET管102的漏极与外部电源相连，MOSFET管103的源极与地相连，MOSFET管102的源极与MOSFET管103的漏极相连，并通过电感L1连接到PWM开关电源电路的电源输出端Vout，在L1和Vout之间点由C1接地，进行滤波；输入电容C2’、C3’的正极接在MOSFET管102的漏极处，负极接地，为负载提供大电流。

对于这种电路，在PCB板设计时，如果输入电容C2’、C3’距离MOSFET管102比较远，那么当MOSFET管102导通时，C2’和C3’就可能来不急向MOSFET管102供电，且如果PWM开关电源电路的电源负载需要很强的电容充电电流，则会导致MOSFET管102无法正常导通。另外，由于PWM芯片的开关频率一般在100KHz～1MHZ之间，而在100KHz～1MHz的频率范围内的噪音对给PWM开关电源电路供电的外部电源影响最大，当C2’、C3’的电容容值选择不合适时，由PWM开关电源电路产生的100KHz～1MHZ会通过MOSFET管串入外部电源中，形成干扰。

由于现有技术没有针对PWM开关电源电路的工作原理设计，PWM开关电源电路工作时通常会产生很强的噪音，在MOSFET管导通时，这种噪音途经MOSFET管，串入给MOSFET管供电的外部电源模块，可能给外部电源模块或其它使用同一供电电源的芯片造成干扰。另外，随着电容数量的增多，不仅抬高电子设备制造的成本，还可能增加了电子设备的体积。因此，无论是供电还是滤波都没有达到最好的效果。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种脉冲宽度调制开关电源电路，以克服现有的技术中供电和滤波效率低、成本高的缺陷。

为达到上述目的，本发明公开了一种脉冲宽度调制开关电源电路，包括：

脉冲宽度调制单元、第一场效应管、第二场效应管、滤波单元，

所述脉冲宽度调制单元包括：第一控制信号输出端子和第二控制信号输出端子，其中，所述第一控制信号输出端子与第一场效应管的第二端子相连，用于控制第一场效应管的导通或截止，所述第二控制信号输出端子与第二场效应管的第二端子相连，用于控制第二场效应管的导通或截止；所述第一场效应管的第一端子与外部电源相连，所述第二场效应管的第三端子与地电位相连，所述第一场效应管的第三端子与所述第二场效应管的第一端子相连，并通过所述滤波单元连接到电路输出端，

所述脉冲宽度调制开关电源电路还包括第一电容单元，所述第一电容单元包括至少一个电容，该电容单元的正极连接到所述第一场效应管的第一端子，该电容单元的负极连接到所述第二场效应管的第三端子，所述第一电容单元所处的位置必须使得其放电电流在第一场效应管导通之前到达第一场效应管第一端。

还包括第二电容单元，所述第二电容单元包括至少一个电容，该电容单元正极连接到第一场效应管的第一端子，负极连接到第二场效应管的第三端子，用于滤除脉冲宽度调制开关电源电路的噪音。

所述第一电容单元中的电容为表贴钽电容或插装电解电容。

所述表贴钽电容或插装电解电容的容值为220uF至1000uF。

所述第二电容单元中的电容为表贴陶瓷电容。

所述表贴陶瓷电容的容值为1uF至10uF。

在电路板上，所述第一场效应管的第一端子对应的芯片管脚与所述第二场效应管第三端子对应的芯片管脚的排列方向相同。

所述第二电容单元、所述第一电容单元、第一场效应管和第二场效应管在电路板的同一表面。

所述第二电容单元比第一电容单元靠近于所述第一场效应管和第二场效应管。

所述第一电容单元比第二电容单元靠近于所述第一场效应管和第二场效应管。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供一种在PWM开关电源电路中电源输入侧的一种电容设计方式，通过滤波电容将噪音滤除，并通过大电容为电源供电，可以为MOSFET管提供足够电流，也可以有效的消除PWM开关电源电路对外部电源的噪音干扰。

附图说明

图1是现有技术电路图；

图2是本发明基本原理结构图；

图3是本发明第一实施例结构图；

图4是本发明第二实施例结构图；

图5是本发明第三实施例结构图；

图6是本发明第四实施例结构图；

图7是本发明第五实施例结构图。

具体实施方式

本发明的基本结构如图2所示，包括：

脉冲宽度调制单元201、第一场效应管202、第二场效应管203、输出端滤波电感L1和输出端滤波电容C1构成的滤波单元，所述脉冲宽度调制单元201包括电源端子Vin、地端子Gnd、第一控制信号输出端子TS和第二控制信号输出端子BS，所述电源端子Vin与外部电源相连，所述地端子Gnd与地电位相连，所述第一控制信号输出端子TS与第一场效应管202的第二端子2相连，用于控制第一场效应管202的导通或截止，所述第二控制信号输出端子BS与第二场效应管203的第二端子2相连，用于控制第二场效应管203的导通或截止；所述第一场效应管202的第一端子1与外部电源相连，所述第二场效应管203的第三端子3与地电位相连，所述第一场效应管202的第三端子3与所述第二场效应管203的第一端子1相连，并通过所述输出端滤波电感L1连接到电路输出端Vout，在该电感L1与该输出端Vout之间通过所述输出端滤波电容C1连接到地电位。

还包括电容C2和电容C3，电容C2正极连接到第一场效应管202的第一端子1，负极连接到第二场效应管203的第三端子3，用于滤除脉冲宽度调制开关电源电路的噪音；电容C3的正极连接到所述第一场效应管202的第一端子1，负极连接到所述第二场效应管203的第三端子3，用于给第一场效应管202和第二场效应管203提供瞬态电流，且所述电容C3所处的位置必须使得其放电电流在第一场效应管202导通瞬间(即第一控制信号上升完成之前)到达第一场效应管202第一端。同样的道理，在第二场效应管203导通瞬间(即第二控制信号上升完成之前)，电容C3的放电电流到达第二场效应管203第三端。

本发明所述的第一场效应管和第二场效应管可以采用N沟道型晶体管或P沟道型晶体管。以下采用不同实施例进行说明。

当第一场效应管和第二场效应管都为N沟道型晶体管时，所述第一和第二场效应管的第一端子为漏极，第二端子为栅极，第三端子为源极。本发明的一个实施例的电路结构如图3所示：

包括脉冲宽度调制单元301，第一N沟道型晶体管302、第二N沟道型晶体管303，输出端滤波电感L1，输出端滤波电容C1。Vin是来自外部一次电源模块的外部电源，与脉冲宽度调制单元301的VIN管脚相连；脉冲宽度调制单元301的GND管脚与基准电位(地：Gnd)相连；脉冲宽度调制单元301的第一控制信号(Top_drive)输出端TS与第一N沟道型晶体管302的栅极相连，用于控制第一N沟道型晶体管302的导通或截止；脉冲宽度调制单元301的第二控制信号(bottom_drive)输出端BS与第二N沟道型晶体管303的栅极相连，用于控制第二N沟道型晶体管302的导通或截止；第一N沟道型晶体管302的漏极与外部电源Vin相连，第二N沟道型晶体管303的源极与地Gnd相连，第一N沟道型晶体管302的源极与第二N沟道型晶体管303的漏极相连，并通过输出端滤波电感L1连接到Vout，Vout是PWM开关电源电路的电源输出端，在L1和Vout之间接输出端滤波电容C1，向Gnd进行滤波。

电路中还包括电容C2和电容C3，电容C2一端(当使用有极性分别的电容来说，为正极)连接到第一N沟道型晶体管302的漏极，另一端(当使用有极性分别的电容来说，为负极)连接到第二N沟道型晶体管303的源极，用于滤除脉冲宽度调制开关电源电路的噪音；电容C3的正极连接到所述第一N沟道型晶体管302的漏极，该电容的负极连接到所述第二N沟道型晶体管303的源极，用于给第一N沟道型晶体管302和第二N沟道型晶体管303提供瞬态电流。所述电容C2比电容C3靠近于所述第一场效应管和第二场效应管；或所述电容C3比电容C2靠近于所述第一场效应管和第二场效应管。

电容C2为表贴陶瓷电容，也可以为其它种类的电容，容值在1uF至10uF(此容值为优选值，根据实际电路不同，可以变化)。电容C2选用表贴陶瓷电容，是因为陶瓷电容在100KHz～1MHz的频率范围内有良好的滤波效果，可以有效吸收来自PWM开关电源电路的噪音。电容C2选择表贴器件，是因为表贴电容可以很接近的焊接在第一N沟道型晶体管302和第二N沟道型晶体管303附近，减小引线电感、寄生电容等参数，有利于C2对噪音的滤波。

电容C3是容值为表贴钽电容或插装铝电解电容，也可以为其它种类的电容，容值在220uF至1000uF(此容值为优选值，根据实际电路不同，可以变化)。电容C3选用表贴钽电容或插装铝电解电容，可以做到随时给M1、M2提供足够的瞬态电流。C3具体的电容容值由实际功率决定。C3优先选用表贴的钽电容，因为钽电容采用表贴封装，可以非常靠近第一N沟道型晶体管302和第二N沟道型晶体管303，减小引线电感、寄生电容等参数。并且钽电容相对铝电解电容有更稳定的温度特性。而且MOSFET管工作时温度较高，造成周围环境温度上升。铝电解电容在这种环境中使用可能会降低使用寿命。当然，如果电子系统成本要求较高，也可以使用铝电解电容，但必须要考虑散热设计。

另外在PCB板设计时，电容C2应跨接在第一N沟道型晶体管302的漏极、第二N沟道型晶体管303的源极之间，并尽量靠近第一N沟道型晶体管302和第二N沟道型晶体管303。C2和C3在PCB电路板上的位置和第一N沟道型晶体管302、第二N沟道型晶体管303在同一面，滤波效果会更好，例如，如果第一N沟道型晶体管302、第二N沟道型晶体管303放置在PCB板的上表面，则C2、C3也放置在PCB板的上表面。如果第一N沟道型晶体管302、第二N沟道型晶体管303放置在PCB板的底面，则C2、C3也放置在PCB板的底面。再者，C2、C3和第一N沟道型晶体管302的漏极、第二N沟道型晶体管303的源极连接时，应该采用大片铜片连接，不能使用细线，可以有利于大电流的传输，并且不会引入寄生电感。应用上述的几种设计方式可以给电容提供最优的供电和滤波条件。

电容C2和电容C3的选择，还需要考虑外部一次电源的输入电压。电容C2、电容C3本身的耐电压值必须远大于输入电源的电压值。

本发明的另一个实施例的电路结构如图4所示，与第一实施例的区别为将电容C2用第二电容单元替换(包括电容C21和C22)，电容C3用第一电容单元替换(包括电容C31和C32)，第二电容单元中的C21和C22并联，一端(正极)连接到第一N沟道型晶体管402的漏极，另一端(负极)连接到第二N沟道型晶体管403的源极，用于滤除脉冲宽度调制开关电源电路的噪音；第一电容单元C31和C32并联，该电容单元的正极连接到所述第一N沟道型晶体管402的漏极，该电容单元的负极连接到所述第二N沟道型晶体管403的源极，用于给第一N沟道型晶体管402和第二N沟道型晶体管403提供瞬态电流。其中电容C21和C22和C31和C32的容值选择，类型选择与第一实施例中相同，也可以根据实际电路进行调整。另外，所述第二电容单元和第一电容单元中包含电容的数量可以根据电路设计要求进行改变。

当第一场效应管和第二场效应管都为P沟道型晶体管时，所述第一和第二场效应管的第一端子为源极，第二端子为棚极，第三端子为漏极，本发明的一个实施例的电路结构如图5所示：包括脉冲宽度调制单元501，第一P沟道型晶体管502、第二P沟道型晶体管503，输出端滤波电感L1，输出端滤波电容C1；还包括电容C2和电容C3，电容C2正极连接到第一P沟道型晶体管502的源极，负极连接到第二P沟道型晶体管503的漏极，用于滤除脉冲宽度调制开关电源电路的噪音；电容C3的正极连接到所述第一P沟道型晶体管502的源极，该电容的负极连接到所述第二P沟道型晶体管603的漏极，用于给第一P沟道型晶体管502和第二P沟道型晶体管603提供瞬态电流。

当第一场效应管为N沟道型晶体管，第二场效应管都为P沟道型晶体管时，所述第一场效应管的第一端子为漏极，第二端子为栅极，第三端子为源极；所述第二场效应管的第一端子为源极；第二端子为栅极，第三端子为漏极；本发明的一个实施例的电路结构如图6所示：包括脉冲宽度调制单元601，N沟道型晶体管602、P沟道型晶体管603，输出端滤波电感L1，输出端滤波电容C1；还包括电容C2和电容C3，电容C2正极连接到N沟道型晶体管602的漏极，负极连接到P沟道型晶体管603的漏极，用于滤除脉冲宽度调制开关电源电路的噪音；电容C3的正极连接到所述N沟道型晶体管602的漏极，该电容的负极连接到所述P沟道型晶体管603的漏极，用于给N沟道型晶体管602和P沟道型晶体管603提供瞬态电流。

当第一场效应管为P沟道型晶体管，第二场效应管都为N沟道型晶体管时，所述第一场效应管的第一端子为源极，第二端子为栅极，第三端子为漏极；所述第二场效应管的第一端子为漏极；第二端子为栅极，第三端子为源极。本发明的一个实施例的电路结构如图7所示：包括脉冲宽度调制单元701，N沟道型晶体管702、P沟道型晶体管703，输出端滤波电感L1，输出端滤波电容C1；还包括电容C2和电容C3，电容C2正极连接到N沟道型晶体管702的源极，负极连接到P沟道型晶体管703的源极，用于滤除脉冲宽度调制开关电源电路的噪音；电容C3的正极连接到所述N沟道型晶体管702的源极，该电容的负极连接到所述P沟道型晶体管703的源极，用于给N沟道型晶体管702和P沟道型晶体管703提供瞬态电流。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种脉冲宽度调制开关电源电路，包括：

脉冲宽度调制单元、第一场效应管、第二场效应管、滤波单元，

所述脉冲宽度调制单元包括：第一控制信号输出端子和第二控制信号输出端子，其中，所述第一控制信号输出端子与第一场效应管的第二端子相连，用于控制第一场效应管的导通或截止，所述第二控制信号输出端子与第二场效应管的第二端子相连，用于控制第二场效应管的导通或截止；所述第一场效应管的第一端子与外部电源相连，所述第二场效应管的第三端子与地电位相连，所述第一场效应管的第三端子与所述第二场效应管的第一端子相连，并通过所述滤波单元连接到电路输出端，

其特征在于，所述脉冲宽度调制开关电源电路还包括第一电容单元，所述第一电容单元包括至少一个电容，该电容单元的正极连接到所述第一场效应管的第一端子，该电容单元的负极连接到所述第二场效应管的第三端子，所述第一电容单元所处的位置必须使得其放电电流在第一控制信号上升完成之前到达第一场效应管第一端。

2.如权利要求1所述脉冲宽度调制开关电源电路，其特征在于，还包括第二电容单元，所述第二电容单元包括至少一个电容，该电容单元正极连接到第一场效应管的第一端子，负极连接到第二场效应管的第三端子，用于滤除脉冲宽度调制开关电源电路的噪音。

3、如权利要求2所述脉冲宽度调制开关电源电路，其特征在于，所述第一电容单元中的电容为表贴钽电容或插装电解电容。

4、如权利要求4所述脉冲宽度调制开关电源电路，其特征在于，所述表贴钽电容或插装电解电容的容值为220uF至1000uF。

5、如权利要求2所述脉冲宽度调制开关电源电路，其特征在于，所述第二电容单元中的电容为表贴陶瓷电容。

6、如权利要求5所述脉冲宽度调制开关电源电路，其特征在于，所述表贴陶瓷电容的容值为1uF至10uF。

7、如权利要求2所述脉冲宽度调制开关电源电路，其特征在于，在电路板上，所述第一场效应管的第一端子对应的芯片管脚与所述第二场效应管第三端子对应的芯片管脚的排列方向相同。

8、如权利要求2所述脉冲宽度调制开关电源电路，其特征在于，所述第二电容单元、所述第一电容单元、第一场效应管和第二场效应管在电路板的同一表面。

9、如权利要求2所述脉冲宽度调制开关电源电路，其特征在于，所述第二电容单元比第一电容单元靠近于所述第一场效应管和第二场效应管。

10、如权利要求2所述脉冲宽度调制开关电源电路，其特征在于，所述第一电容单元比第二电容单元靠近于所述第一场效应管和第二场效应管。

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