CN101162868B

CN101162868B - 一种输出连续可调的变换器

Info

Publication number: CN101162868B
Application number: CN2006100631339A
Authority: CN
Inventors: 张皖; 李伟; 王安山
Original assignee: Shenzhen Mindray Bio Medical Electronics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Mindray Scientific Co Ltd
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2026-10-13
Also published as: CN101162868A

Abstract

本发明公开了一种输出连续可调的变换器，包括一BOOST变换电路，一PWM控制器，PWM控制器的第一输入端连接变换器输出电压采样电路的采样端，其第二输入端为控制端，PWM控制器的输出信号用于控制BOOST变换电路中开关管的通断；BOOST变换电路的输出端串接一恒压电路，并且恒压电路的输出作为所述变换器的输出电压，该恒压电路用于产生固定压差，在一定的输入电压条件下，BOOST变换器通过恒压电路的补偿，实现了BUCK-BOOST电路的功能。本发明的优点是：电路简单可靠，电磁干扰低，成本低，并且实现了输出电压和控制电压之间成线性关系变化。

Description

一种输出连续可调的变换器

技术领域

本发明涉及电压变换器电路的改进，尤其涉及一种输出电压宽范围(线性)连续可调的变换器电路。

背景技术

在许多现代化设备的应用场景中都会涉及到在一定的输入电压条件下，要求输出电压宽范围连续可调，尤其在医疗设备超声系统中需要多路发射脉冲，发射脉冲由输出电压通过FPGA控制MOSFET开关得到，输出电压受控制电压控制，在一较大范围内连续可调，并且在其调节范围内，输出电压可能高于或低于输入电压。

目前宽输出电压的实现方案主要采用BUCK-BOOST变换器，该变换器既可以实现升压功能，又可以实现降压功能。图1是一种BUCK-BOOST电路，此变换器中Q1、Q2同时开通同时关断。当输入电压高于输出电压时，Q1的作用和BUCK开关一样，D1作续流二极管，Q1、Q2同时开通时，输入电压加到电感L1两端，电流上升；Q1、Q2关断时，电感电流换到D1上，D2自动正向导通，和BUCK变换器工作模式相同。当输入电压低于输出电压时，Q2的作用类似于反激式开关，同样Q1、Q2同时导通和关断，当Q1、Q2关断时，电感电流换到D2上，D1自动导通。从而可以实现，相同的主电路，不经过工作模式转换，既可以实现升压功能又可以实现降压功能，通过调整控制电压，完成宽范围电压的输出。但是，该BUCK-BOOST变换器具有以下的缺点：1)与BUCK或BOOST变换器相比，BUCK-BOOST能够实现更大的输出电压范围，但是它的输入电流是断续的，且脉动很大，这在超声供电系统中是不允许的，特别是输入电流的高频交流成分会产生严重的电磁干扰，影响超声图像质量。虽然可以在输入端增加低通滤波器缓解，但会带来电路体积增大，成本增加。2)驱动电路复杂。电路中需要有2个开关管Q1、Q2，Q1需要采用高边驱动，Q2采用低边驱动，通常采用门极驱动变压器来实现，增加了驱动电路的梯级、成本和复杂性，更重要的是，由于驱动变压器需要有复位时间，使得电路的最大占空比受到限制，同时输出电压受到限制。

另外还有一种比较常见的方法为降低输入电压，直接使用BOOST电路来实现，但在程控电压变换范围较大，最低输出电压较低的场合将因占空比过大，输入电流过大等难以实际实施。

发明内容

本发明的目的是，设计一种电压变换器电路，该电路能够实现BUCK-BOOST电路的功能，即在一定的输入电压条件下，通过控制电压，实现输出电压在低于或高于输入电压的较大范围内连续调节，并且电路简单可靠，干扰低。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种输出连续可调的变换器，包括一升压变换电路，一PWM控制器，所述PWM控制器的第一输入端连接变换器输出电压采样电路的采样端，其第二输入端为控制端，所述PWM控制器的输出信号用于控制升压变换电路中开关管的通断；所述升压变换电路的输出端串接一用于产生固定压差的恒压电路，并且所述恒压电路的输出为所述变换器的输出电压；

所述的变换器还包括一控制电压转换电路，所述控制电压转换电路的输入端接控制电压，其输出端与所述PWM控制器的控制端相连，所述控制电压转换电路用于使所述变换器的输出电压与所述控制电压成线性关系；

所述控制电压转换电路包括一运算放大器，一参考电压源；所述运算放大器同相输入端分成两支路，其中一支路经第一电阻连接所述控制电压，另一支路经第二电阻连接所述参考电压源；所述运算放大器反相输入端和输出端之间连接一反馈电阻，运算放大器反相输入端经第三电阻接地；并且所述变换器输出电压采样电路采用电阻分压方式。

所述的变换器，其中：所述恒压电路包括一稳压二极管、一调整管以及第六电阻，所述第六电阻连接在调整管的射极与基极之间，所述稳压二极管的阳极接调整管的集电极，其阴极接调整管的基极；所述调整管的射极作为恒压电路的输入端，其集电极作为恒压电路的输出端。

所述的变换器，其中：所述恒压电路包括一调整管、一可调分流基准源、第四和第五电阻以及第六电阻，所述调整管的射极与基极之间连接第六电阻，可调分流基准源的阳极连接调整管的集电极，其阴极连接调整管的基极；所述调整管射极与集电极之间串接第四和第五电阻，并且可调分流基准源的参考端与第四和第五电阻的连接点相接。

所述的变换器，其中：所述PWM控制器采用固定频率电压模式控制器。

所述的变换器，其中：所述PWM控制器采用TL594实现。

本发明的有益效果为：本发明和现有的BUCK-BOOST电路相比，本发明具有以下的优点：1)由于本发明的电压变换器是通过BOOST变换电路和恒压电路组合，实现BUCK-BOOST电路的功能，因此输入电流连续，降低了电路的电磁干扰，可以省掉输入滤波器，降低电路的体积和成本；2)由于主电路是BOOST变换电路，只需要一个开关管，可采用低边驱动，PWM控制器不需要附加额外的电路可直接驱动，电路简单可靠，成本低；3)由于采用了控制电压转换电路，通过控制电压转换电路和PWM控制器，实现了输出电压和控制电压之间成线性关系；4)当输出电压变化的范围较大时，通常的BUCK-BOOST变换器环路的稳定性变差，由于本发明的主电路只存在一种BOOST工作模式，变换器环路的稳定性更加直接简单，便于电路稳定性设计。

附图说明

图1为现有技术的BUCK-BOOST电路；

图2为本发明输出电压线性连续可调变换器电路示意图；

图3a为本发明第一种恒压电路；

图3b为本发明第二种恒压电路；

图4为本发明所采用的一种控制电压转换电路；

图5为本发明输出电压线性连续可调变换器一种优选方案的电原理图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

本发明的电压变换器如图2所示，主要由4部分电路组成，分别为BOOST变换电路(Boost Converter)、恒压电路(Fixed Voltage Regulator Circuit)、控制电压转换电路(Voltage Shift Circuit)和PWM控制器(PWM Controller)。BOOST变换电路实现升压的功能，恒压电路用于产生一固定压差以补偿BOOST电路固有的在最低输出电压和输入电压间的偏差，控制电压转换电路保证控制电压和输出电压成线形关系，PWM控制器用来实现反馈和控制功能。本发明的基本思想是在一定的输入电压条件下，BOOST变换器通过恒压电路的补偿，实现BUCK-BOOST电路的功能，并在实现该基本功能的基础上，通过增加的控制电压转换电路，使控制电压和变换器输出电压成线性关系。

如图2所示，BOOST变换电路与现有技术相同，DC为输入电压，当开关管Q2导通时，电感L1储存能量，当开关管Q2截至时，电感L1感应出左负右正的电压，该电压叠加在输入电压上经二极管D2向负载供电，使输出电压大于输入电压。恒压电路串接在BOOST变换电路输出端，并且恒压电路的输出作为本发明电压变换器的输出端。PWM控制器的一输入端作为控制端，用于施加控制电压，另一输入端连接变换器输出电压采样电路的采样端，输出电压采样电路由电阻R1、R2组成，R1、R2的连接点即为采样端，PWM控制器的输出用于控制BOOST变换电路中开关管Q2的通断，以便通过控制电压的变化实现对变换器输出电压的调控。当控制电压最低时，BOOST变换电路工作于最小占空比状态，BOOST电路的输出接近于输入电压。通过恒压电路产生一固定压差后，变换器的输出电压为低于输入电压的预期的最低输出电压；相反地，当控制电压为最高时，BOOST变换电路工作于最大占空比状态，BOOST变换电路输出经过恒压电路产生一固定压差之后，降低至预期的最高输出电压，从而实现大范围连续电压输出。由此可见，在控制电压的作用下，本发明的电压变换器通过BOOST变换电路和恒压电路的组合，实现了BUCK-BOOST电路功能。

恒压电路有多种实现方案，本发明仅列举2种优选实施方案。第一种优选方案如图3a所示，由一稳压二极管ZD1、一调整管Q3以及第六电阻R3组成，稳压二极管ZD1接在调整管Q3的基极和集电极之间，电阻R3接在调整管Q3的基极和发射极之间，该恒压电路的固定压降为V_ZD1+V_BE，这种实现方案简单、成本低，但稳压精度不高。另一种优选方案如图3b所示，是通过U1实现恒压电路，U1为三端可调分流基准源，具体可采用TL431。三端可调分流基准源接在调整管Q3的基极和集电极之间，其阳极接Q3的集电极，其阴极接Q3的基极，调整管Q3的发射极和集电极之间串接两个高精度电阻——第四电阻R4和第五电阻R5，三端可调分流基准源的参考端接在R4和R5的连接点上。该恒压电路的压降为(1+R4/R5)V_R，V_R为TL431的内部参考电压，通过选择高精度的电阻R4和R5，可实现较高的稳压精度。

由于本发明变换器的主电路是BOOST变换电路，只需要一个开关管，因此可采用低边驱动，PWM控制器不需要附加额外的电路，只用一路直接驱动即可。BOOST变换电路的控制可以由PWM控制器TL594实现，TL594是固定频率电压模式的控制器，可以工作于推挽驱动模式或单端驱动模式，两种驱动模式都可以直接驱动MOSFET。由于本发明BOOST变换电路中的开关管为MOSFET，其最大占空比可达0.9，因此选用单端驱动模式。采用了以上电路结构，本发明的变换器在一定的输入直流电压下，简单、稳定、可靠、高效地实现了较大范围变化的连续输出电压

为保证输出电压和控制电压成线性关系，本发明增加了控制电压转换电路，其优选方案如图4所示。控制电压转换电路包括一运算放大器LM324，一参考电压源V_REF，参考电压源可以独立设置产生；运算放大器LM324的同相输入端分成两支路，其中一支路经第一电阻R9连接控制电压，另一支路经第二电阻R8连接参考电压源，LM324反相输入端和输出端之间连接一反馈电阻R6，并且LM324反相输入端经第三电阻R7接地。根据运算放大器的特性，运算放大器LM324的输出电压V_OP与控制电压V_CONTROL关系为：

V_{OP} = \frac{R_{6} + R_{7}}{R_{7} (R_{8} + R_{9})} (R_{8} V_{CONTROL} + R_{9} V_{REF})

----------------------公式1

如图2所示，运算放大器的输出电压V_OP送到PWM控制器的误差放大器的反相输入端，变换器输出电压V_OUT(5V-80V输出)，经由电阻R1、R2构成的电压采样电路分压得到的电压采样信号送到PWM控制器误差放大器的同相输入端，在PWM控制器正常的占空比控制范围内，根据放大器的工作原理，变换器输出电压V_OUT和控制电压转换电路的运算放大器的输出电压V_OP关系为：

V_{OUT} = (1 + \frac{R_{1}}{R_{2}}) V_{OP}

---------------------------------公式2 把公式1带入到公式2中，可以得到输出电压V_OUT和控制电压V_CONTROL的关系为：

V_{OUT} = \frac{(R 1 + R_{2}) (R_{6} + R_{7})}{R_{2} R_{7} (R_{8} + R_{9})} (R_{8} V_{CONTROL} + R_{9} V_{REF})

---------------公式3

由公式3可以看出，变换器输出电压采样电路必须采用电阻分压方式，并且通过选择R1、R2、R6、R7、R8、R9合适的电阻值和V_REF，就可以实现控制电压V_CONTROL与输出电压V_OUT(5V-80V输出)成线性关系。由此可见，本发明既能实现低于或高于输入电压的大范围连续电压输出，又能实现输出电压和控制电压成线性关系。

本发明一种实际应用在彩超电源系统的PHV板的优选方案如图5所示，包括BOOST变换电路、恒压电路、电压采样电路、输出LC滤波、PWM控制器、控制电压转换电路以及参考电压源几部分。其中恒压电路采用第一种方案，由一稳压二极管D8、一调整管Q11以及电阻R41组成，电路简单；BOOST变换电路开关管Q1栅极接一三极管Q17，用于提高Q1的关断速度；参考电压源部分是单独设置的，为控制电压转换电路提供参考电压；控制电压转换电路是采用LM324加外围电路实现的，由于LM324包含两组运算放大器，因此其中一运算放大器作为控制电压转换电路的放大器，另一运算放大器作为参考电压源V_REF的缓冲输出。

应当理解的是，本发明所述的输出连续可调的变换器，上述针对较佳实施例的描述过于具体，并不能因此而理解为对本发明的专利保护范围的限制，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种输出连续可调的变换器，包括一升压变换电路，一PWM控制器，所述PWM控制器的第一输入端连接变换器输出电压采样电路的采样端，其第二输入端为控制端，所述PWM控制器的输出信号用于控制升压变换电路中开关管的通断；其特征在于：变换器还包括一用于产生固定压差的恒压电路，所述升压变换电路的输出端串接所述恒压电路，并且所述恒压电路的输出为所述变换器的输出电压，所述变换器还包括一控制电压转换电路，所述控制电压转换电路的输入端接控制电压，其输出端与所述PWM控制器的控制端相连，所述控制电压转换电路用于使所述变换器的输出电压与所述控制电压成线性关系；所述控制电压转换电路包括一运算放大器，一参考电压源；所述运算放大器同相输入端分成两支路，其中一支路经第一电阻连接所述控制电压，另一支路经第二电阻连接所述参考电压源；所述运算放大器反相输入端和输出端之间连接一反馈电阻，运算放大器反相输入端经第三电阻接地；并且所述变换器输出电压采样电路采用电阻分压方式。

2.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于：所述恒压电路包括一稳压二极管、一调整管以及第六电阻，所述第六电阻连接在调整管的射极与基极之间，所述稳压二极管的阳极接调整管的集电极，其阴极接调整管的基极；所述调整管的射极作为恒压电路的输入端，其集电极作为恒压电路的输出端。

3.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于：所述恒压电路包括一调整管、一可调分流基准源、第四和第五电阻以及第六电阻，所述调整管的射极与基极之间连接第六电阻，可调分流基准源的阳极连接调整管的集电极，其阴极连接调整管的基极；所述调整管射极与集电极之间串接第四和第五电阻，并且可调分流基准源的参考端与第四和第五电阻的连接点相接。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的变换器，其特征在于：所述PWM控制器采用固定频率电压模式控制器。

5.根据权利要求4所述的变换器，其特征在于：所述PWM控制器采用TL594实现。