CN101594053A - 一种宽范围电压输入的电源转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽范围电压输入的电源转换器，包括：BUCK电路，反馈控制模块，逻辑电路，电子开关；所述的电源输入端连接BUCK电路的电压输入端；电源输入端正极经逻辑电路后接电子开关的开关控制信号和BUCK电路的开关管栅极；BUCK电路的电压输出端正极依次经过反馈控制模块和电子开关连接BUCK电路的控制信号输入端。优点在于，作为第一级转换器，将超宽电压输入压缩到原来的1/3左右输出，从而使得输入电压范围变宽很多，后级变压器的优化变得简单许多；另外采用逻辑电路判定后，本发明中通过占空比方式控制时，占空比的跨度比现有技术小很多，易于优化。

Description

一种宽范围电压输入的电源转换器

技术领域

本发明涉及一种电源转换器，尤其涉及一种超宽范围电压输入的电源转换器。

背景技术

目前，开关电源技术已经日趋成熟，高度集成的开关电源芯片品种多，成本低，应用范围非常广泛，但这些芯片基本上都是为90-264伏特交流情形的电压设计的，无法在更高的电压上直接应用。而有些特定场合的电子设备需要较高的输入电压范围，例如几十伏到一千伏左右的交流或者直流输入电压。

一般常用的降压转换电路采用BUCK电路，又称降压斩波电路，是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。图1为是一个最基本的BUCK变换电路图，其由开关管S，续流二极管D，电感L及电容C组成；输入电压正极连接开关管S源极，开关管S漏极依次通过电感L和电容C连接输入电压负极，开关管S栅极连接控制信号输出端；续流二极管D的阴极连接开关管S漏极，阳极连接输入电压负极；电容C两端作为电压输出端。

当开关管导通时，输入电压通过流过电感L的电流给负载供电及给电容C充电，此时二极管D承受反向电压而不导通；当开关管关闭时，由于电感L中的电流不能突变的原因所以电流方向不变，同时电容C通过放电以保持电流大小不变，这时候二极管D因承受正向电压而导通。通过控制开关管的导通时间和关断时间的长短，即改变占空比的方式，即可控制输出电压的大小。这种控制方式称为脉冲宽度调制控制方式(PWM)。

近年来，通过串联连接两个或多个DC-DC转换器的设计方法越来越得到人们的关注，这种DC-DC转换器称为两级转换器或多级变换器。其各级DC-DC转换可以采用相同的拓扑结构，也可采用不同的拓扑结构。以拓扑结构的各级配置不同，优点也各不相同。

可是，普通的开关电源变换器的输入电压范围只能满足大约1∶3的范围，对于如此宽的输入电压范围，其已经超过1∶10，普通的开关电源无法正常工作。但设计相应的开关电源至少有如下难点：(1)输入范围太宽，变压器无法优化；(2)超过1200V的开关管选择面很窄；(3)超高压的二极管和电容都不容易选择；(4)通过占空比方式控制时，若输入电压范围很宽，占空比的跨度就会过大，无法优化。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于宽范围电压输入的电源转换器，其输入电压范围可以变得更宽，将作为前级转换电路把超宽的输入电压限制在一个较常规的范围之内，使得后级转换器的输入(即前级转换器的输出)电压变化范围并不大，从而变压器的优化设计更容易。

本发明的目的可以通过以下方案实现：一种宽范围电压输入的电源转换器，包括：BUCK电路，用于降低输入电压；反馈控制模块，用于根据反馈电压通过脉宽调制控制输出电压占空比；其特征在于，还包括：逻辑电路，用于根据比较输入电压与参考电压的高低来控制BUCK电路的导通方式；电子开关，用于根据逻辑电路的开关信号，对反馈控制模块进行导通或断开动作；所述的电源输入端连接BUCK电路的电压输入端；电源输入端正极经逻辑电路后接电子开关的开关控制信号和BUCK电路的开关管栅极；BUCK电路的电压输出端正极依次经过反馈控制模块和电子开关连接BUCK电路的控制信号输入端；

通过逻辑电路判断电源输入端的采样电压是否高于设定的参考电压；如果采样电压高于参考电压，逻辑电路将输出相应开关信号，使反馈控制模块根据反馈信号的大小去控制BUCK电路的工作，以降低输出电压；如果输入电压低于参考电压，则逻辑电路相应开关信号使BUCK电路的持续导通，输入AC电压经过整流直接输出给后级变换器。

所述的BUCK电路中，开关管设于负电压输入端，电感设于正电压输入端；所述的开关管源极连接电压输入端负极，漏极依次经过电容和电感连接电压输入端正极，开关管栅极连接反馈控制模块的控制信号输出端；续流二极管阳极连接开关管漏极，阴极连接电压输入端正极；电容两端作为电压输出端。

所述的BUCK电路中，开关管和电感都设于正电压输入端；所述的电压输入端正极连接开关管源极，开关管漏极依次通过电感L和电容C连接输入电压负极，开关管栅极连接控制信号输出端；续流二极管的阴极连接开关管漏极，阳极连接输入电压负极；电容两端作为电压输出端。

所述的BUCK电路中，开关管和电感都设于负电压输入端；所述的电压输入端正极依次通过电容、电感连接开关管漏极，开关管源极连接电压输入端负极，开关管栅极连接反馈控制模块的控制信号输出端；续流二极管阳极连接开关管漏极，阴极连接电压输入端正极；电容两端作为电压输出端。

对于开关管设于负电压输入端的BUCK电路，所述的反馈控制模块包括：反馈电路、光耦隔离器和脉宽调制控制电路；所述反馈电路的反馈信号输入端连接BUCK电路的电压输出端正极，反馈电路的反馈信号输出端通过光耦隔离器连接脉宽调制控制电路的信号输入端，脉宽调制控制电路的控制信号输入端经过电子开关连接BUCK电路的开关管栅极。

对于开关管设于正电压输入端的BUCK电路，所述的反馈控制模块包括：反馈电路、脉宽调制控制电路和隔离驱动电路；所述反馈电路的反馈信号输入端连接BUCK电路的电压输出端正极，反馈电路的反馈信号输出端连接脉宽调制控制电路的信号输入端，脉宽调制控制电路的控制信号输出端经过电子开关连接隔离驱动电路的信号输入端，隔离驱动电路的驱动信号输出端连接BUCK电路的开关管栅极。

所述的电源转换器还包括隔离器件，用于隔离外电路对逻辑电路的信号干扰；所述的隔离器件采用二极管或常开型电子开关，所述二极管阳极或常开型电子开关第一触点连接逻辑电路的信号输出端，二极管阴极或常开型电子开关第二触点连接BUCK电路的开关管栅极。

所述的电子开关采用继电器或MOS管或三极管。

所述的BUCK电路中的开关管采用：金氧半场效晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极型功率管(IGBT)或门控晶闸管(GTO)或大功率晶体管(GTR)。

本发明相对现有技术优点在于，本发明可以作为第一级DC-DC转换器，将超宽电压输入压缩到原来的1/3左右输出，从而使得后级变换器的设计与传统变换器设计相类似，输入电压范围变宽很多。由于已经在第一级DC-DC转换器对宽输入的电压范围进行了范围缩小，相对于后级变换器来说，其输入电压已经并非超宽，所以在后级的DC-DC转换器设计时，变压器的优化变得简单许多。另外采用逻辑电路判定后，本发明中通过占空比方式控制时，占空比的跨度比现有技术小很多，易于优化。

说明书附图

图1是现有技术的BUCK电路图；

图2是本发明的电路原理框图；

图3是本发明的实施例一的电路原理图；

图4是本发明的实施例二的电路原理图；

图5是本发明的实施例三的电路原理图；

图6是本发明的实施例四的电路原理图。

图7是本发明的逻辑电路实现方式I的原理图；

图8是本发明的逻辑电路实现方式II的原理图；

具体实施方式

如图2所示，本发明主要包括了BUCK电路、逻辑电路、电子开关和反馈控制模块，电源输入端连接BUCK电路的电压输入端，BCUK电路的电压输出端连接到后级的直流-直流转换器的电压输入端。BUCK电路的电压输出端正极引出一路反馈信号到反馈控制模块的反馈信号输入端，反馈控制模块的信号输出端经过一个电子开关连接到BUCK电路的控制输入端。电源输入端正极引出一路参考信号到逻辑电路的信号输入端，逻辑电路的信号输出端分两路输出：一路经过连接到BUCK电路的控制输入端，另外一路连接到电子开关的开关控制端。为了防止BUCK电路对逻辑电路的信号干扰，在BUCK电路和逻辑电路间还加设一个隔离器件。

本发明实施例一

如图3所示，电源输入端依次经电感L1、电容C3后接开关管Q2漏极，开关管Q2源极接地，续流二极管D1阴极连接电源输入端，阳极连接开关管Q2漏极组成BUCK电路，电容C3两端作为BUCK电路输出端连接后级直流-直流转换器。BUCK电路输出端正极引出一路反馈信号到反馈电路，经过反馈电路和光耦隔离器U3后输入到脉宽调制电路，脉宽调制电路输出脉宽调制信号经过电子开关K1到BUCK电路开关管Q2栅极。电源输入端正极引出一路采样信号到逻辑电路，逻辑电路的信号输出端分两路输出，一路经过隔离器件二极管D2接开关管Q2栅极，另外一路接电子开关K1的开关控制端。另外还在电源输入端正负两端设有一个用于过滤交流信号的电容C1，电子开关K1是常闭型开关。

本实施例的BUCK电路在现有技术上作出修改，由于将开关管有输入端正极移到输入端负极，这样可以避免做隔离驱动，而隔离驱动在这样的高电压输入的场合是比较困难的。然而这样做会造成输出端的负极与输入端的负极不等电位，因此要在反馈控制模块中增加光耦隔离器U3作为隔离电路。本发明电压转换器输出信号先经过反馈电路，再经过光耦隔离器后才作为反馈信号输入脉宽调制电路。脉宽调制电路根据反馈信号的大小输出相应脉宽调制信号，通过BUCK电路开关管的栅极控制开关管的开通及关断，继而控制BUCK电路电压的输出。

本发明工作原理是：逻辑电路位于输入端，输入采样电压进入逻辑电路判断，根据电压的大小输出高电平或低电平。如果输入电压高于设定参考电压，逻辑电路的输出端口输出低电平，二极管D2截止而常闭开关K1导通，PWM驱动信号可以控制开关管工作；当输入采样电压低于这个参考电压，则通过逻辑电路的输出端口输出高电平，二极管D2导通而常闭开关断开，PWM芯片的驱动信号被隔离，而逻辑电路的输出端持续输出高电平驱动BUCK电路的开关管，让开关管恒定导通。这样的目的在于当输入电压高于参考电压时，通过PWM芯片改变占空比大小的方式，控制降压电路的输出电压；而输入电压低于参考电压时，则通过使逻辑电路输出端持续输出一个高于MOS管导通电压大小的电压，使MOS管处于一直导通。因此，在输出电容C3上可以得到常规的几十伏到三百伏左右的稳定直流输出电压，给后级DC-DC变换器的设计提供了相对稳定的常规电压输入。经过这样第一级电路，可以将几十伏～上千伏电压降低到几十到三百多伏，即最多降低了70％左右。例如输入1000V，则输出300V；输入端800V，则输出250V；输入500V，则输出200V等。

通过本发明作为第一级转换器电路，可以将几十伏～上千伏电压降低到几十到三百多伏，给后级直流-直流转换器提供了较小的输入电压范围。对于更大的电压输入范围，例如几十伏～两千伏，可以将本实施例两级电路变化为三级电路，即再增加一级本发明电路，这样以此类推，可以实现更宽的输入电压范围应用场合。

实施例二

如图4所示，工作原理和实施例一相同，相对实施例一不同点在于电感L1从BUCK电路输出端正极移到输出端负极。电源输入端依次经电容C3、电感L1后接开关管Q2漏极，开关管Q2源极接地，续流二极管D1阴极连接电源输入端，阳极连接开关管Q2漏极组成BUCK电路，电容C3两端作为BUCK电路输出端连接后级直流-直流转换器。

本实施例好处在于，因为输出端正极和输入端正极等电位，所以反馈电路中光耦隔离器隔离的是一个相对稳定的直流电压，对于反馈的稳定是有利的。

实施例三

如图5所示，工作原理和实施例一相同，相对实施例二不同点在于作为隔离器件的二极管D2可以用常开型电子开关K2代替。逻辑电路的输出端连接电子常开开关一个触点，电子开关K2另外一个触点连接BUCK电路开关管Q2的栅极。

常开开关K2和常闭开关K1是互补导通的。两个电子开关可以采用继电器、MOS管、带逻辑控制的开关电路或三极管等其他开关器件实现。

实施例四

如图6所示，工作原理和实施例一相同。电源输入端接开关管Q2源极，开关管Q2漏极依次经电感L1、电容C3后接地，续流二极管D1阳极连接地，阴极连接开关管Q2漏极组成BUCK电路，电容C3两端作为BUCK电路输出端连接后级直流-直流转换器。BUCK电路输出端正极引出一路反馈信号到反馈电路，经过反馈电路后输入到脉宽调制电路，脉宽调制电路输出脉宽调制信号经过常闭型电子开关K1到隔离驱动电路，隔离驱动电路的驱动信号输出端接BUCK电路开关管Q2栅极。电源输入端正极引出一路采样信号到逻辑电路，逻辑电路的信号输出端分两路输出，一路经过二极管D2接开关管Q2栅极，另外一路接常闭型电子开关K1的开关控制端。另外还在电源输入端正负两端设有一个用于过滤交流信号的电容C1。

隔离驱动电路可以实现脉冲驱动和恒定直流驱动的功能。这样就可以灵活地实现BUCK电路的PWM驱动以及让主开关管常闭两个状态的灵活切换，实现与图3电路中相同的功能。

上述各实施例中的开关管Q2可以采用金氧半场效晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型功率管(IGBT)、门控晶闸管(GTO)或大功率晶体管(GTR)可以达到同样的效果。上述各实施例中反馈控制模块采用脉宽调制的控制方式，脉宽调制电路主要采用UC284X、NCP1200、SG6849等通用的PWM芯片。

上述各实施例中逻辑电路的实现方式如下：

如图7所示，采样电压输入经过电阻R1、R2接地；电阻R1、R2的连接点分两路，一路接比较器U1的反相输入端2，另外一路依次经过电阻R4和二极管D3接比较器U1输出端6；工作电压输入端分别连接比较器U1同相输入端3、经过稳压二极管D1接地、连接比较器U1工作电压输入端正极7、经过电阻3连接比较器U1输出端6；比较器U1工作电压输入端负极接地。比较器U1输出端6是逻辑电路输出端。

本逻辑电路工作原理是通过稳压二极管得到比较器U1同相输入端3的固定电压作为参考电压。当输入电压经过分压电阻R1后小于参考电压，则比较器U1对外输出高阻状态，而辅助电源Vcc通过电阻R3，使BUCK电路的开关管导通。当采样电压经过分压电阻R1后大于参考电压，则比较器U1对外输出低阻状态；由于逻辑电路输出端与BUCK电路间设有隔离器件，当比较器U1输出低阻状态时，隔离器件不导通，相当于这一路与BUCK电路断开。

逻辑电路还可如图8所示，采样电压输入经过电阻R5、R6后接地，电阻R5、R6的连接点分两路，一路经过电阻R8、二极管D4连接到信号输出端，另外一路连接三端可调基准源的参考端，工作电压输入端经过电阻R9后连接三端可调基准源阴极，三端可调基准源阳极接地；三端可调基准源阴极是逻辑电路输出端；其中三端可调基准源采用TL431型。

本逻辑电路工作原理与图7的相似，输入电压经过分压电阻R5后与三端可调基准源TL431的内部2.5V基准电压进行比较，如果高于2.5V则输出低电平，反之则输出高电平。

通过本发明方案，可以大大降低减少电压的输入范围，使后级直流-直流转换器的优化难度相应减少；采用逻辑电路判定后，通过占空比方式控制时，占空比的跨度比现有技术小很多，更易于对电路进行优化。

由本发明引申或变形而来的不同于以上实施例的其他等效实施方式，都可实现本发明的目的，将同样属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1、一种宽范围电压输入的电源转换器，包括：BUCK电路，用于降低输入电压；反馈控制模块，用于根据反馈电压通过脉宽调制控制输出电压占空比；其特征在于，还包括：逻辑电路，用于根据比较输入电压与参考电压的高低来控制BUCK电路的导通方式；电子开关，用于根据逻辑电路的开关信号，对反馈控制模块进行导通或断开动作；所述的电源输入端连接BUCK电路的电压输入端；电源输入端正极经逻辑电路后接电子开关的开关控制信号和BUCK电路的开关管栅极；BUCK电路的电压输出端正极依次经过反馈控制模块和电子开关连接BUCK电路的控制信号输入端；

通过逻辑电路判断电源输入端的采样电压是否高于设定的参考电压；如果采样电压高于参考电压，逻辑电路将输出相应开关信号，使反馈控制模块根据反馈信号的大小去控制BUCK电路的工作，以降低输出电压；如果输入电压低于参考电压，则逻辑电路相应开关信号使BUCK电路的持续导通，使得输入电压不经过降压而直接输出给后级变换器。

2、根据权利要求1所述的一种宽范围电压输入的电源转换器，其特征在于，所述的BUCK电路中，开关管设于负电压输入端，电感设于正电压输入端；所述的开关管源极连接电压输入端负极，漏极依次经过电容和电感连接电压输入端正极，开关管栅极连接反馈控制模块的控制信号输出端；续流二极管阳极连接开关管漏极，阴极连接电压输入端正极；电容两端作为电压输出端。

3、根据权利要求1所述的一种宽范围电压输入的电源转换器，其特征在于，所述的BUCK电路中，开关管和电感都设于正电压输入端；所述的电压输入端正极连接开关管源极，开关管漏极依次通过电感L和电容C连接输入电压负极，开关管栅极连接控制信号输出端；续流二极管的阴极连接开关管漏极，阳极连接输入电压负极；电容两端作为电压输出端。

4、根据权利要求1所述的一种宽范围电压输入的电源转换器，其特征在于，所述的BUCK电路中，开关管和电感都设于负电压输入端；所述的电压输入端正极依次通过电容、电感连接开关管漏极，开关管源极连接电压输入端负极，开关管栅极连接反馈控制模块的控制信号输出端；续流二极管阳极连接开关管漏极，阴极连接电压输入端正极；电容两端作为电压输出端。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的一种宽范围电压输入的电源转换器，其特征在于，所述的反馈控制模块包括：反馈电路、光耦隔离器和脉宽调制控制电路；所述反馈电路的反馈信号输入端连接BUCK电路的电压输出端正极，反馈电路的反馈信号输出端通过光耦隔离器连接脉宽调制控制电路的信号输入端，脉宽调制控制电路的控制信号输入端经过电子开关连接BUCK电路的开关管栅极。

6、根据权利要求1或2或3或4所述的一种宽范围电压输入的电源转换器，其特征在于，所述的反馈控制模块包括：反馈电路、脉宽调制控制电路和隔离驱动电路；所述反馈电路的反馈信号输入端连接BUCK电路的电压输出端正极，反馈电路的反馈信号输出端连接脉宽调制控制电路的信号输入端，脉宽调制控制电路的控制信号输出端经过电子开关连接隔离驱动电路的信号输入端，隔离驱动电路的驱动信号输出端连接BUCK电路的开关管栅极。

7、根据权利要求1所述的一种宽范围电压输入的电源转换器，其特征在于，所述的电源转换器还包括隔离器件，用于隔离外电路对逻辑电路的信号干扰；所述的隔离器件采用二极管或常开型电子开关，所述二极管阳极或常开型电子开关第一触点连接逻辑电路的信号输出端，二极管阴极或常开型电子开关第二触点连接BUCK电路的开关管栅极。

8、根据权利要求1或7所述的一种宽范围电压输入的电源转换器，其特征在于，所述的电子开关或常开型电子开关采用继电器或MOS管或三极管。

9根据权利要求1所述的一种宽范围电压输入的电源转换器，其特征在于，所述的电子开关是常闭开关。

10、根据权利要求2或3或4所述的一种宽范围电压输入的电源转换器，其特征在于，所述的BUCK电路中的开关管采用：金氧半场效晶体管或绝缘栅双极型功率管或门控晶闸管或大功率晶体管。

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