CN100373754C - 低输入电压开关变换器 - Google Patents

Abstract

一种应用于由单电池供电的便携式设备的低输入电压开关变换器，主要包括：变换器主电路，用于将电池提供的低电压，转换为便携式设备正常工作所需的直流电压；启动电路，用于在没有外接辅助电源和电路的情况下，使变换器的输出电压能够满足控制电路的启动，并在变换器启动后，将控制信号切换到控制电路；控制电路，根据采样电压反馈，改变控制脉冲信号的占空比，控制输出电压的稳定。经试用表明：本发明低输入电压开关变换器具有开关变换快速、变换器体积小、重量轻和成本低等特点。

Description

低输入电压开关变换器

技术领域

本发明涉及开关变换器，特别是一种具有在输入电压很低的情况下，利用启动电路实现变换器的正常工作的低输入电压开关变换器，它使用升压型(Boost)主电路，在启动电路的作用下，使控制电路获得足够的工作电压驱动变换器工作。

背景技术

近年来，随着手机、个人数字助手(PDA)等便携式设备的广泛使用，其电源供电问题成为人们研究的热点问题。主要研究方向为：转换低的输入电压为设备的正常工作电压；简化电路结构，减小电源体积，满足便携性的要求；提高电源转换效率，延长设备的工作时间。便携式设备通常由单个电池供电，一般所使用的电池，其峰值输出电压在1.5V左右.但在使用中，随着电池储能的减少，其输出电压往往在1V左右，在重载情况下甚至低于0.5V。一般的模拟电路和数字电路，在这种电压下将无法正常工作。所以研究如何使电池输出的低电压转换为设备可正常工作的电压尤为重要。

与传统线形电源相比，开关型电源具有体积小、重量轻、效率高等特点，所以在便携式设备电源中得到了广泛使用。其中变换器主电路一般采用Boost升压变换电路。该电路为单开关管电路，电感在输入端。在开关管导通期间，电源对电感充电，在开关管关断期间，电感对负载放电，以实现电能的传输和转换。由于电感上的感应电压通常高于输入电压，加上二极管的隔离作用，使Boost变换器的输出电压高于输入电压。控制电路根据反馈电压，控制开关管的开通时间和关断时间的比值(占空比)，使主变换器的输出端可以得到设计电压。在启动电路设计方面，目前有几种方案。一种方案是将电池排列成阵列，以提高电池组的输出电压。这种方案需要精确的计算和监控，同时大大增加了系统的体积，所以只在某些特殊情况下使用，如只能用太阳能电池供电的设备。一种方案是外加辅助变压器，这种方案由于变压器及其外围电路的加入，增加了体积和成本。另外一种被广泛使用的方案是辅助电池。在电路启动阶段，由辅助电池对控制电路供电，当变换器正常工作后，再将输出电压切换给控制电路。这种方案需要辅助电路实现控制电路电源的切换，而且在辅助电池电压过低时是无法实现电路的正常启动，尤其在对变换器体积要求严格的情况下，不太适合。

发明内容

考虑上述背景技术，本发明的目的在于提供一种新型的低输入电压开关变换器，它应在单电池低电压供电的情况下，实现变换器正常启动，输出用电设备正常工作的电压，并满足开关变换快速、变换器体积小、重量轻和成本低等要求。

本发明的技术解决方案如下：

一种低输入电压开关变换器，包括升压变换器电路和控制电路，特点是还有一启动电路，本低输入电压变换器的构成是：

一输入电源，正极接储能电感，负极接地，所述的储能电感的另一端接开关管的负极，该开关管的正极接地，启动开关与开关串联电阻串联后与开关管并联在储能电感和地之间，二极管的正极接储能电感、开关管和启动开关的节点，其负极接滤波电容、负载电阻和辅助开关的节点，该滤波电容和负载电阻的另一端接地，所述的辅助开关的另一端接所述开关管的控制极，所述的辅助开关与启动开关联动；

所述的开关管的正极经输入电阻接第一运算放大器的正向输入端，开关管的负极接第一运算放大器的负向输入端，电容跨接在第一运算放大器的正向输入端和输出端之间，该第一运算放大器的输出端接第三运算放大器的负向输入端；

在负载电阻的正端和地之间并联一由两电阻串联构成的输出电压的取样电阻，两电阻之间的连接点与第二运算放大器的负向输入端相连，该第二运算放大器的正向输入端与基准电压源的正极连接，该基准电压源的负端接地，第二运算放大器的输出端接第三运算放大器的正向输入端，所述的第三运算放大器的输出端接所述的开关管的控制极。

所述的启动开关S11的启动时间Δt、串联电阻Rs11、启动电路输出电压Uo11与输入电压Ui11、储能电感L11、滤波电容C11的关系应满足以下公式：

$U_{c11}\left(t\right)=\frac{V_{l11}(L_{11}+2R_{s11}\mathrm{\Δt})}{R_{s11}\mathrm{\Δt}}\cosh \left(\sqrt{\frac{1}{L_{11}{C}_{11}}t}\right)-\frac{V_{l11}(L_{11}+R_{s11}\mathrm{\Δt})}{R_{s11}\mathrm{\Δt}}---\left(1\right).$

所述的开关管为全氧化半导体场效应晶体管。

本发明的主电路采用Boost电路。在开关管上并联启动电路。主电路由控制电路控制能量传输。本发明的工作情况如下：

Boost主电路，由开关管、二极管、储能电感和输出滤波电容组成。当开关管导通时，能量从输入电源流入，并储存于储能电感中，由于开关管导通期间正向饱和管压降很小，故这时二极管反偏，负载由滤波电容供给能量。当开关管截止时，储能电感中的电流不能突变，它所产生的感应电势阻止电流减少，感应电势的极性为下正上负，二极管导通，储能电感中的能量经二极管流入输出滤波电容，并供给负载。由电路工作原理可知，在输出电流连续的情况下，电压增益与关断占空比成反比，所以由控制电路控制占空比，可使变换器输出较高的输出电压。

启动电路由储能电感、开关电阻和启动开关、辅助开关组成。当电路启动时，按下电源启动开关，开关接通后，输入电流通过储能电感、开关电阻和启动开关对储能电感进行充电。电感值和电阻值决定充电电流的大小和电流上升速率。启动开关设计为具有一定的导通时间Δt后关闭。开关导通时间Δt决定了储能电感中所储存的能量。启动开关关断后，联动的辅助开关闭合，储能电感中存储的能量通过二极管给滤波电容和控制电路供电。根据公式1设计电路参数，可以得到控制电路正常运行所需的电压。控制电路正常工作后，联动开关断开。

在控制电路没有产生控制信号PWM以前，由输出电路产生的脉冲Uo11作为控制信号，输入到开关管的控制端，使变换器工作。当输出电压Uo11的幅度能满足控制电路的要求时，切换控制电路的脉宽调制信号到开关管的控制端，控制开关管的开通和关断。

变换器的输出电压，经取样后引入控制电路的反馈端。控制电路根据输出电压反馈，与基准电压比较，经第二运算放大器放大后产生控制电压。该控制电压与锯齿波电压比较，经第三运算放大器放大后产生脉宽调制波形Vpwm控制开关管的开通和关断。当采样电压低于基准电压时，输出的控制电压变小，与锯齿波电压比较后，产生的脉宽调制方波的占空比增加，即开关管开通时间增加，使下一个周期的输出电压增加。当采样电压高于基准电压时，脉宽调制方波的占空比减少，输出电压降低。因此，输出电压保持动态稳定。其脉宽调制波形占空比变化过程参考图2。其中基准电压由电池提供。开关管的开通与关闭在开关管两端产生方波，利用此方波，与外围元件组成锯齿波发生电路，其频率由方波频率决定，其幅度由外围电路决定。其输出脉宽调制电压(Vpwm)的幅值(>1.8V)要求能驱动开关管的正常开通。

本发明的技术效果：

本发明低输入电压开关变换器，包括变换器主电路、控制电路和启动电路，采用变换器主电路，可将电池提供的低电压，转换为便携式设备正常工作所需的直流电压；启动电路在没有外接辅助电源和电路的情况下，使变换器的输出电压能够满足控制电路的启动，并在变换器启动后，将控制信号切换到控制电路；控制电路，根据采样电压反馈，改变控制脉冲信号的占空比，控制输出电压的稳定。本发明用于单电池供电的便携式设备，经试用表明：本发明低输入电压开关变换器具有开关变换快速、变换器体积小、重量轻和成本低等特点。

附图说明

图1是本发明低输入电压开关变换器实施例的电路图

图2是脉宽调制波形图

图3变换器启动阶段启动开关中的电流波形

图4是变换器启动过程中输出电压波形图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参考图1，图1是本发明低输入电压开关变换器实施例的电路图，由图可见，本发明低输入电压开关变换器，包括升压变换器电路和控制电路，还有一启动电路，主电路采用Boost电路，在开关管上并联启动电路，主电路由控制电路控制能量传输。

本低输入电压变换器的构成是：

一输入电源Vi11，正极接储能电感L11，负极接地，所述的储能电感L11的另一端接开关管K11的负极，该开关管K11的正极接地，启动开关S11与开关串联电阻Rs11串联后与开关管K11并联在储能电感L11和地之间，二极管D11的正极接储能电感L11、开关管K11和启动开关S11的节点，其负极接滤波电容C11、负载电阻R11和辅助开关Sc11的节点，该滤波电容C11和负载电阻R11的另一端接地，所述的辅助开关Sc11的另一端接所述开关管K11的控制极，所述的辅助开关Sc11与启动开关S11联动；

所述的开关管K11的正极经输入电阻R21接第一运算放大器O21的正向输入端，开关管K11的负极接第一运算放大器O21的负向输入端，电容C21跨接在第一运算放大器的正向输入端和输出端之间，该第一运算放大器O21的输出端接第三运算放大器O32的负向输入端；

在负载电阻R11的正端和地之间并联一由电阻R31和电阻R32串联构成的输出电压的取样电阻，电阻R31与电阻R32的连接点与第二运算放大器O31的负向输入端相连，该第二运算放大器O31的正向输入端与基准电压源V31的正极连接，该基准电压源V31的负端接地，第二运算放大器O31的输出端接第三运算放大器O32的正向输入端，所述的第二运算放大器O21的输出端接所述的开关管K11的控制极。

所述的开关管K11为全氧化半导体场效应晶体管。

考虑到本变换器的低输入电压以及便携性的特性，在本实施例中器件选择方面有更充分的考虑。主开关管K11选用低电阻、低电压驱动MOSTFET。由于该种晶体管的特性，开关频率为200K，开关频率太高会因此而需要较大的储能电感L11。同时，储能电感L11在保证输出电流连续的前提下，还要保证输出电流纹波足够小(<10％)。从效率方面考虑，电感的电阻也需要尽可能的小。启动电路开关S11 ，与辅助开关Sc11为联动开关：即同时开通和关断。启动开关要求开通一定的时间，其长短由电路结构与器件参数决定。同时，开关的电阻也需特殊计算。在实际应用中，可由公式(1)计算确定：

$U_{c11}\left(t\right)=\frac{V_{l11}(L_{11}+2R_{s11}\mathrm{\&Delta;t})}{R_{s11}\mathrm{\&Delta;t}}\cosh \left(\sqrt{\frac{1}{L_{11}{C}_{11}}t}\right)-\frac{V_{l11}(L_{11}+R_{s11}\mathrm{\&Delta;t})}{R_{s11}\mathrm{\&Delta;t}}---\left(1\right)$

其中U_cH(t)为变换器输出电压，V_l11为变换器输入电压，L₁₁为储能电感，

R_v11为启动开关内阻，Δt为启动时间，c₁₁为输出滤波电容。

图3为开关过程中启动开关中的电流波形图。公式(1)在推导时假定开关过程中启动开关中的电流为线性变化。但在图3中可以看出，在开关的启动和结束阶段，电流波形不完全是线形变化，所以图4中的输出滤波电容电压Vc11在启动过程中的波形与理论计算在开关的启动和结束阶段由微小误差。

在电路正常启动后，启动电路关断，并将输出电压切换到负载。

对于所要求的输出电压4.5V、纹波电压10％、输出电流1A，在给定的输入电压下晶体管的开关频率200K，就能算出滤波电容C11的值。

控制电路包括锯齿波发生器和PWM发生器。

本发明变换器工作原理是：

在变换器工作时，开关管K11工作在开关状态，所以，开关管K11两端为矩形波V21。所以锯齿波发生器的矩形波输入端接到开关管K11的两端。电阻R21、电容C21的值根据锯齿波的设计要求确定 $(C_{21}\frac{d{V}_{22}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{21}}{R_{21}}).$ 输出电压Vo11经采样电路后，产生的采样电压V3ref与电池提供的基准电压V31比较后，经第二运算放大器O31比较放大后产生控制电压。该控制电压与锯齿波发生器产生的锯齿波V22，经第三运算放大器O3)比较放大后产生脉宽调制控制信号Vpwm。当输出电压较高时，产生的反馈控制电压V3ref亦较高。与锯齿波V22比较后，产生的脉宽调制信号Vpwm的占空比减小，使开关管K11在下一个导通周期里的导通时间减少，从而使输出电压Vo11降低。当输出电压Vo11较小时，增大脉宽调制信号Vpwm的占空比。由此通过采样电压V3ref的反馈来调节控制信号的占空比，使输出电压Vo11保持稳定。其输出的PWM波形的幅度应满足开关管K11的开通电压>1.8V。

上述运算放大器的电压由变换器的输出电压Vo11供给。运算放大器的工作频率不应低于晶体管的开关频率200K。

本发明低输入电压开关变换器用于单电池供电的便携式设备，经试用表明：本发明低输入电压开关变换器具有开关变换快速、变换器体积小、重量轻和成本低等特点。

Claims (3)

1.一种低输入电压开关变换器，包括——升压变换器电路和控制电路，特征在于还有一启动电路，本低输入电压开关变换器的构成是：

一输入电源(Vi11)，正极接储能电感(L11)，负极接地，所述的储能电感(L11)的另一端接开关管(K11)的负极，该开关管(K11)的正极接地，启动开关(S11)与开关串联电阻(Rs11)串联后与开关管(K11)并联在储能电感(L11)和地之间，二极管(D11)的正极接储能电感(L11)、开关管(K11)和启动开关(S11)的节点，其负极接滤波电容(C11)、负载电阻(R11)和辅助开关(Sc11)的节点，该滤波电容(C11)和负载电阻(R11)的另一端接地，所述的辅助开关(Sc11)的另一端接所述开关管(K11)的控制极，所述的辅助开关(Sc11)与启动开关(S11)联动；

所述的开关管(K11)的正极经输入电阻(R21)接第一运算放大器(O21)的正向输入端，开关管(K11)的负极接第一运算放大器(O21)的负向输入端，电容(C21)跨接在第一运算放大器的正向输入端和输出端之间，该第一运算放大器(O21)的输出端接第三运算放大器(O32)的负向输入端；

在负载电阻(R11)的正端和地之间并联一由两电阻(R31、R32)串联构成的输出电压的取样电阻，该两电阻(R31、R32)的连接点与第二运算放大器(O31)的负向输入端相连，该第二运算放大器(O31)的正向输入端与基准电压源(V31)的正极连接，该基准电压源(V31)的负端接地，第二运算放大器(O31)的输出端接第三运算放大器(O32)的正向输入端，所述的第三运算放大器(O31)的输出端接所述的开关管(K11)的控制极。

2.根据权利要求1所述的低输入电压开关变换器，其特征在于启动开关(S11)的启动时间Δt、开关串联电阻R_s11、启动电路输出电压U_c11与输入电压V_i11、储能电感L₁₁、滤波电容C₁₁的关系应满足以下公式：

$U_{c11}\left(t\right)=\frac{V_{i11}(L_{11}+{2R}_{s11}\mathrm{\&Delta;t})}{R_{s11}\mathrm{\&Delta;t}}\cosh \left(\sqrt{\frac{1}{L_{11}{C}_{11}}}t\right)-\frac{V_{i11}(L_{11}+R_{s11}\mathrm{\&Delta;t})}{R_{s11}\mathrm{\&Delta;t}}.$

3.根据权利要求1或2所述的低输入电压开关变换器，其特征在于所述的开关管(K11)为全氧化半导体场效应晶体管。

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