CN101436078B - 宽范围调压电路及宽范围调压的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽范围调压电路及宽范围调压的实现方法，该电路包括控制回路、降压变换单元、升压变换单元；控制回路分别输出控制信号连接降压变换单元和升压变换单元；降压变换单元和升压变换单元共用母线电压；降压变换单元输出端与升压变换单元的输出端相接；本发明采用降压变换单元实现低压段和升压变换单元实现高压段，低压输出和高压输出合成一路输出给发射电路供电；进一步地，通过向升压变换单元预充电升压，使低压到高压电路实现柔性切换，避免从低压电路往高压电路切换时出现大的冲击电流，避免损坏器件或造成母线电压跌落。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种调压电路。
【背景技术】
很多电子仪器设备对供电有较高的要求。例如，在超声系统中探头发射有两种工作模式，连续波发射及脉冲波发射，连续波发射时电压较低，而脉冲波发射时电压较高，因此对发射电路的供电有相应要求：输出电压要求宽范围连续可调，且低输出电压时负载电流大，高输出电压时负载电流小。针对此类要求，现有非隔离的输出电压连续可调的拓扑结构主要有几种，如图1和图2所示。
如图1所示，该调压电路包括四个MOS管和一个电感。通过控制4个MOS管的导通时间和导通时序来实现输出电压的调节，可以实现升压或降压功能。
如图2所示，该调压电路包括两个MOS管、两个二极管和一个电感。通过控制2个MOS管的导通时间和导通时序来实现输出电压的调节，可以实现升压或降压功能。
上述现有技术的缺点主要有：
1.控制环路设计困难。因为输入电压是固定的，当输出电压和负载的变动范围都非常大时，要保证系统在所有输出电压和负载条件下的稳定性是非常困难的。
2.磁芯器件和开关管等功率器件的选型困难。如果采用图1和图2中的方案，低压时的大电流和高压时的高电压就要求部分功率器件(图1中MOS管D和C、图2中Q12和D12)必须同时满足大电流和高电压，选型困难。另外，电感的线径既要满足低压输出时的大电流，又必须具备较大的电感量来避免高压输出时饱和，这样电感的体积就比较大。
【发明内容】
本发明的主要目的是：首先，提供一种可实现宽范围可调输出的宽范围调压电路及其实现方法；次之，实现该宽范围调压电路的平稳输出。
为实现上述目的，本发明提出一种宽范围调压电路，包括控制回路、输出可调的降压变换单元、输出可调的升压变换单元；所述控制回路的控制信号输出端分别连接所述降压变换单元和升压变换单元；所述降压变换单元和升压变换单元的输入端共接于母线，共用母线电压；降压变换单元输出端与升压变换单元的输出端相接，实现宽范围的可调电压输出。
上述宽范围调压电路，所述降压变换单元还设有第二输出端与所述升压变换单元输入端连接，在低压输出至高压输出切换时，所述降压变换单元第二输出端向所述升压变换单元充电至接近母线电压，所述控制回路再启动所述升压变换单元工作。
上述的宽范围调压电路，所述输出可调的降压变换单元为Buck变换器，所述输出可调的升压变换单元为Boost变换器。
上述的宽范围调压电路，还包括高低压隔离单元；所述Buck变换器输出通过该高低压隔离单元与Boost变换器的输出相连。还包括输入隔离单元，Boost变换器输入通过该输入隔离单元与母线电压隔离。还包括预充电单元，其输入端与所述Buck变换器第二输出端连接，其输出端与所述Boost变换器的输入端连接；当从低压输出往高压输出切换时，所述Buck变换器第二输出端通过该预充电单元向所述Boost变换器的输入电容和输出电容充电至接近母线电压。
上述的宽范围调压电路，所述高低压隔离单元包括隔离二极管，其阳极连接所述Buck变换器的输出端，阴极连接所述Boost变换器的输出端。所述输入隔离单元包括隔离MOS管，所述Boost变换器的输入通过所述MOS管与母线电压隔离。所述预充电单元包括预充电二极管，其阳极连接所述Buck变换器第二输出端，阴极连接所述Boost变换器的输入端。
上述的宽范围调压电路，所述Boost变换器包括电感、输入电容和输出电容、MOS管、二极管，所述输入电容一端与所述电感输入端共接，另一端与所述输出电容一端、MOS管的D极或S极之一共接，所述MOS管的D极或S极之另一极与所述电感输出端、二极管阳极共接；所述输出电容另一端与所述二极管阴极共接。
上述的宽范围调压电路，所述Buck变换器包括电感、输入电容和输出电容、MOS管、二极管；所述输入电容一端与母线连接，另一端与所述输出电容一端、二极管阳极共接；所述输出电容另一端与所述Boost变换器输入端耦合；所述MOS管的D极或S极之一与母线连接，所述MOS管的D极或S极之另一极与所述电感输入端、二极管阴极共接；所述电感输出端与所述Boost变换器输出端耦合。
同时，本发明提出了一种宽范围调压的实现方法，由降压变换单元实现低于或等于母线电压的低压输出，由升压变换单元实现高于或等于母线电压的高压输出；降压变换单元、升压变换单元共线输出，实现宽范围的可调电压输出。
上述的宽范围调压的实现方法，在低压输出至高压输出切换时，由降压变换单元的低压输出向升压变换单元充电至接近母线电压时，控制回路启动升压变换单元工作，实现高压输出。
上述的宽范围调压的实现方法，所述降压变换单元采用Buck变换器，所述升压变换单元采用Boost变换器。
上述的宽范围调压的实现方法，在低压输出至高压输出切换时，逐步增加Buck变换器的低压输出，通过预充电隔离单元向Boost变换器的输入电容和输出电容充电至接近母线电压，控制回路启动Boost变换器工作，实现高于等于母线电压的高压输出。上述的宽范围调压的实现方法，Boost变换器的输入通过输入隔离单元与母线电压隔离，控制回路启动Boost变换器工作同时或之前开通该输入隔离单元。Buck变换器输出通过高低压隔离单元与Boost变换器的输出隔离。
本发明的调压电路和实现方法，采用降压变换单元实现低压段和升压变换单元实现高压段，低压输出和高压输出合成一路输出给发射电路供电，实现宽范围的连续可调电压输出。
本发明通过向升压变换单元预充电升压，使低压到高压电路实现柔性切换，避免从低压电路往高压电路切换时出现大的冲击电流，避免损坏器件或造成母线电压跌落。因此，其输出更为平稳可靠。
本发明的调压电路，其控制环路的设计简单，系统容易稳定。本发明中，将宽范围的输出电压分成两段，分别由Buck变换器和Boost变换器来实现，Buck变换器和Boost变换器的控制环路只需要保证在各自的输出电压范围内稳定，整个系统控制环路设计的难度大大降低。
本发明的调压电路，其器件的选型更容易。本发明中，降压Buck变换器可以选用电压低、电流大的器件，而升压Boost变换器可以选择电压高、电流小的器件，不需要同时满足高压和大电流的要求，器件的选型更加容易；另外，电感虽然变成了两个，但是单个电感的体积却可以大幅减小。
【附图说明】
图1是传统的四MOS管升降压电路原理框图；
图2是传统的两MOS管、两二极管升降压电路原理框图；
图3是本发明实施例的电路原理框图；
图4是本发明实施例的一种宽范围调压电路局部原理图。
【具体实施方式】
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
请参考图3的本例的原理框图，该宽范围调压电路包括控制回路、升压变换单元、降压变换单元、高低压隔离单元、输入隔离单元、预充电单元；控制回路分别输出控制信号连接降压变换器和升压变换器、输入隔离单元；降压变换器和升压变换器共用母线电压，升压变换器输入通过该输入隔离单元与母线电压隔离；降压变换器输出端与升压变换器的输出端通过高低压隔离单元相连；降压变换器还设有第二输出端与通过预充电单元与升压变换器输入端连接，在低压输出至高压输出切换时，降压变换器第二输出端向升压变换器输入电容和输出电容充电至接近母线电压，再启动升压变换器工作。
在本例的具体电路实现中，升压变换单元可以采用输出可调的Boost变换器，降压变换单元采用输出可调的Buck变换器。请参考图4的本例的局部电路原理图，Boost变换器包括电感L1、输入电容C2、输出电容C3、MOS管Q2和二极管D1；输入电容C2一端与电感L1输入端共接，另一端与输出电容C3一端、MOS管Q2的S极共接，MOS管Q2的D极与电感L1输出端、二极管D1阳极共接；输出电容C3另一端与二极管D1阴极共接。
Buck变换器包括电感L2、输入电容C1、输出电容C4、MOS管Q3和二极管D2；输入电容C1一端与母线连接，另一端与输出电容C4一端、二极管D2阳极共接；输出电容C4另一端与Boost变换器输入端耦合；MOS管Q3的S极与母线连接，MOS管Q3的D极与电感L2输入端、二极管D2阴极共接；电感L2输出端与Boost变换器输出端耦合。
高低压隔离单元采用隔离二极管D3，其阳极连接Buck变换器的输出端即电感L2的输出端，阴极连接Boost变换器的输出端。输入隔离单元采用隔离MOS管Q1，Boost变换器的输入通过MOS管与母线电压隔离。预充电单元采用预充电二极管D4，其阳极连接Buck变换器的第二输出端即输出电容C4的一端，阴极连接Boost变换器的输入端即输入电容C2的一端。
控制回路分别输出控制信号连接上述Boost变换器MOS管Q2、Buck变换器MOS管Q3、隔离MOS管Q1的G极。
当要求输出电压小于或等于母线电压+12V时，Buck变换器工作，Boost变换器不工作且输入隔离MOS管Q1关断；当要求输出电压高于或等于母线电压+12V时，Boost变换器工作，Buck变换器可以工作或不工作。此时，Buck变换器是否工作不影响整个电路的输出，输出电压由Boost变换器的输出决定，隔离二极管D3承受反压截止。
Buck变换器和Boost变换器的输出电压都是可以通过控制回路的控制信号来进行调节的，是连续可调的。Buck变换器可以实现[0，+12V]输出，Boost变换器可以实现[+12V，Thv_max]输出，其中Thv_max是Boost电路输出电压的上限值，可以通过控制回路的控制信号来设定，Buck变换器和Boost变换器的输出合成之后就能实现发射电压的宽范围[0，Thv_max]的连续可调。
从低压输出往高压输出切换时，先逐步增加Buck变换器的输出电压，低压输出通过D4给Boost电路的输入电容C2和输出电容C3充电，C2和C3的电压跟随低压输出逐步增加，当C2和C3的电压被充电到接近+12V时，开通隔离MOS管Q1同时启动Boost变换器。
上述要求的从低压输出往高压输出的切换时序及预充电二极管D4，可以保证隔离MOS管Q1开通时Q1的D、S两端的压降最小，从而避免Q1开通时造成很大的冲击电流，该冲击电流可能损坏器件且会造成+12V电压的跌落。
本发明的技术方案，在超声系统中应用，经实验验证完全可行，性能可靠。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。例如，本发明中的母线电压+12V可以是任何等级的直流电压；本发明中的Q1、Q2、Q3均可以是N沟道MOS管或者P沟道MOS管；本发明中的D2可以换成MOS管且降压电路采用同步整流方式工作；本发明中的输出电压也可以是连续可调、分段连续可调或者是低压连续可调而高压输出电压固定；本发明中升压Boost变换器工作时，降压Buck变换器可以处于工作状态或者停止工作；本发明中的升压电路可以采用其他具有升压功能的拓扑结构，不局限于Boost电路；本发明中的降压电路可以采用其他具有降压功能的拓扑结构，不局限于Buck电路。
Claims (15)
1.一种宽范围调压电路，其特征是：包括控制回路、输出可调的降压变换单元、输出可调的升压变换单元；所述控制回路的控制信号输出端分别连接所述降压变换单元和升压变换单元；所述降压变换单元和升压变换单元的输入端共接于母线，共用母线电压；所述降压变换单元输出端与升压变换单元输出端相接，实现宽范围的可调电压输出，所述降压变换单元还设有第二输出端与所述升压变换单元输入端连接，在低压输出至高压输出切换时，所述降压变换单元第二输出端向所述升压变换单元充电至接近母线电压，所述控制回路再启动所述升压变换单元工作。
2.如权利要求1所述的宽范围调压电路，其特征是：所述输出可调的降压变换单元为Buck变换器，所述输出可调的升压变换单元为Boost变换器。
3.如权利要求2所述的宽范围调压电路，其特征是：还包括高低压隔离单元；所述Buck变换器输出通过该高低压隔离单元与Boost变换器的输出相连。
4.如权利要求2所述的宽范围调压电路，其特征是：还包括输入隔离单元，所述Boost变换器输入通过该输入隔离单元与母线电压隔离。
5.如权利要求2所述的宽范围调压电路，其特征是：还包括预充电单元，其输入端与所述Buck变换器第二输出端连接，其输出端与所述Boost变换器的输入端连接；当从低压输出往高压输出切换时，所述Buck变换器第二输出端通过该预充电单元向所述Boost变换器的输入电容和输出电容充电至接近母线电压。
6.如权利要求3所述的宽范围调压电路，其特征是：所述高低压隔离单元包括隔离二极管，其阳极连接所述Buck变换器的输出端，阴极连接所述Boost变换器的输出端。
7.如权利要求4所述的宽范围调压电路，其特征是：所述输入隔离单元包括隔离MOS管，所述Boost变换器的输入通过所述MOS管与母线电压隔离。
8.如权利要求5所述的宽范围调压电路，其特征是：所述预充电单元包括预充电二极管，其阳极连接所述Buck变换器第二输出端，阴极连接所述Boost变换器的输入端。
9.如权利要求2-8中任一项所述的宽范围调压电路，其特征是：所述Boost变换器包括电感(L1)、输入电容(C2)、输出电容(C3)、MOS管(Q2)和二极管(D1)；所述输入电容(C2)一端与所述电感(L1)输入端共接，另一端与所述输出电容(C3)一端、MOS管(Q2)的D极或S极之一共接，所述MOS管(Q2)的D极或S极之另一极与所述电感(L1)输出端、二极管(D1)阳极共接；所述输出电容(C3)另一端与所述二极管(D1)阴极共接。
10.如权利要求2-8中任一项所述的宽范围调压电路，其特征是：所述Buck变换器包括电感(L2)、输入电容(C1)、输出电容(C4)、MOS管(Q3)和二极管(D2)；所述输入电容(C1)一端与母线连接，另一端与所述输出电容(C4)一端、二极管(D2)阳极共接；所述输出电容(C4)另一端与所述Boost变换器输入端耦合；所述MOS管(Q3)的D极或S极之一与母线连接，所述MOS管(Q2)的D极或S极之另一极与所述电感(L2)输入端、二极管(D1)阴极共接；所述电感(L2)输出端与所述Boost变换器输出端耦合。
11.一种宽范围调压的实现方法，其特征是：由降压变换单元实现低于或等于母线电压的低压输出，由升压变换单元实现高于或等于母线电压的高压输出；降压变换单元、升压变换单元共线输出，实现宽范围的可调电压输出，在低压输出至高压输出切换时，由降压变换单元的低压输出向升压变换单元充电至接近母线电压时，控制回路启动升压变换单元工作，实现高压输出。
12.如权利要求11所述的宽范围调压的实现方法，其特征是：所述降压变换单元采用Buck变换器，所述升压变换单元采用Boost变换器。
13.如权利要求12所述的宽范围调压的实现方法，其特征是：在低压输出至高压输出切换时，逐步增加Buck变换器的低压输出，通过预充电隔离单元向Boost变换器的输入电容和输出电容充电至接近母线电压，控制回路启动Boost变换器工作，实现高于等于母线电压的高压输出。
14.如权利要求13所述的宽范围调压的实现方法，其特征是：Boost变换器的输入通过输入隔离单元与母线电压隔离，控制回路启动Boost变换器工作同时或之前开通该输入隔离单元。
15.如权利要求13所述的宽范围调压的实现方法，其特征是：Buck变换器输出通过高低压隔离单元与Boost变换器的输出隔离。
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