CN101630911A - 一种直流/直流变换器及其预偏置开关机电路 - Google Patents

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本发明公开了一种直流/直流变换器及其预偏置开关机电路,预偏置开关机电路包括P型开关管、开关管驱动信号提供模块和续流管驱动器驱动信号产生模块,开关管驱动信号提供模块的第一输入端接有开关机控制信号、开关管驱动信号提供模块在开关机控制信号的控制下为P型开关管提供驱动信号、使P型开关管从工作在线性区逐步进入饱和区,P型开关管的输出端接续流管驱动器驱动信号产生模块的第一输入端,续流管驱动器驱动信号产生模块的第二输入端还接有直流/直流变换器的脉宽调制控制器输出的续流管控制信号,续流管驱动器驱动信号产生模块的输出端输出峰值电压不断升高的三角波信号至直流/直流变换器的续流管驱动器。本发明可单调起机。

Description

一种直流/直流变换器及其预偏置开关机电路技术领域本发明涉及一种直流/直流(DC/DC)变换器的预偏置开关机电路,本 发明还涉及一种使用该预偏置开关机电路的直流/直流变换器。 背景技术近几十年来,随着功率变换器向高频化、高效化的不断发展,以金属 氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, 简称MOSFET)为开关器件的同步整流技术逐渐代替传统的二极管整流技 术,在功率变换器中得到了越来越广泛的应用。然而,由于MOSFET是双向开关器件,其作为续流管使用时也带来一 些新的问题。如图1所示,以降压式推挽(BUCK+PUSH-PULL)变换器 为例。在开关机时,续流管QF导通,输出电容,电感和续流管QF形成 回路。如图2所示, 一方面,电路的输出波形不单调,有突降的特性;另 一方面,开关机时电路中瞬间电流变化较大,电感线圈会产生较大的反向 电流,使流过续流管的反向电流非常大。当超过额定值时,会使续流管和 负载损坏。如图3和图4所示,对于推挽部分(PUSH-PULL)来说,原边 开关管Q1、 Q2也流过很大的反向电流。如图5所示,此时其等效工作在 原边短路情况下,副边开关管Q3、 Q4也会有很高的应力。 发明内容本发明所要解决的技术问题就是为了克服以上的不足,提出了一种直 流/直流变换器的预偏置开关机电路及使用其的直流/直流变换器,这样当 变换器在开机有偏置电压时可以单调起机,消除开机时电路中的反向电流。本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决: 一种直流/直流变换 器的预偏置开关机电路,包括P型开关管、开关管驱动信号提供模块和续 流管驱动器驱动信号产生模块,开关管驱动信号提供模块的第一输入端接 有开关机控制信号、所述开关管驱动信号提供模块在开关机控制信号的控 制下为P型开关管提供电压、使P型开关管从工作在线性区逐步进入饱和 区,P型开关管的输出端接续流管驱动器驱动信号产生模块的第一输入端, 续流管驱动器驱动信号产生模块的第二输入端接有直流/直流变换器的脉4宽调制控制器输出的续流管控制信号,续流管驱动器驱动信号产生模块的 输出端输出峰值电压不断升高的三角波信号至直流/直流变换器的续流管 驱动器。
所述开关管驱动信号提供模块包括单向导通器件、第一电容和第一电 阻,所述开关管驱动信号提供模块的第一输入端即所述单向导通器件的第 一端,所述单向导通器件的第二端与所述P型开关管的第一输入端相连, 所述第一电容的第一端接有源电压,所述第一电容的第二端与所述第一电 阻第一端、所述P型开关管的第一输入端分别相连,所述第一电阻第二端 接地。
所述单向导通器件为第一二极管,所述单向导通器件的第一端为第一 二极管的阳极,所述单向导通器件的第二端为第一二极管的阴极。
所述单向导通器件为第二 P型场效应管,所述单向导通器件的第一端 为所述第二 P型场效应管的栅极,所述单向导通器件的第二端为所述第二 P型场效应管的漏极,所述第二 P型场效应管的源极接有源电压。
所述单向导通器件为第二 P型三极管,所述单向导通器件的第一端为 所述第二 P型三极管的基极,所述单向导通器件的第二端为所述第二 P型 三极管的集电极,所述第二P型三极管的射极接有源电压。
所述续流管驱动器驱动信号产生模块包括第二电阻、第二二极管和第 二电容,所述续流管驱动器驱动信号产生模块的第一输入端为所述第二电 阻第一端,所述续流管驱动器驱动信号产生模块的第二输入端为所述第二 二极管的阴极,所述第二二极管的阳极接第二电阻第二端、所述第二电容 第一端,所述第二电容第二端接地,所述续流管驱动器驱动信号产生模块 的输出端为第二电容第一端。
所述P型开关管为第一 P型场效应管,所述P型开关管的输出端为第 一P型场效应管的漏极、所述第一P型场效应管源极接有源电压、所述第 一 P型场效应管栅极接开关管驱动信号提供模块的输出;或者所述P型开 关管为第一 P型三极管,所述P型开关管的输出端为第一 P型三极管的集 电极、所述第一P型三极管的发射极接有源电压、所述第一P型三极管基 极接开关管驱动信号提供模块的输出。在直流/直流变换器开机时所述开关 机控制信号维持高电平;在直流/直流变换器开机过程中,所述开关机控制 信号从高电平变为低电平;在直流/直流变换器关机时所述开关机控制信号 又变为高电平。本发明还提供了一种直流/直流变换器,包括上述的预偏置开关机电路。
本发明与现有技术对比的有益效果是:本发明能使在直流/直流变换器开机时,续流管驱动器驱动信号产生模块的输出端输出峰值电压不断升高的三角波信号至直流/直流变换器的续流管驱动器,续流管驱动器从而输出一占空比逐渐展开的续流管驱动信号给直流/直流变换器的续流管(场效应管),续流管由体内二极管续流模式逐步过渡到完全同步续流模式,避免了输出跌坑,消除了开机时MOS管的反向电流,消除了副边开关管应力。即:续流管在变换器开机时和进入稳态时分别工作在二极管续流模式和同步续流模式下,从而使直流/直流变换器在输出端有预偏置电压的情况下能单调起机,直流/直流变换器进入稳定工作状态时,也能同步续流。
本发明还能使直流/直流变换器在关机时,通过拉低续流管驱动,让续流管再次工作在二极管续流模式,消除了关机时MOS管的反向电流和应力。
本发明只影响直流/直流变换器在开关机时的暂态过,呈,而并不影直流/直流变换器的稳态特性,提高了电路的稳定性。附图说明
图1是背景技术中降压式推挽变换器电路图;图2是图1所示的电路在开机时的输出波形图;
图3是图1所示的电路在开机时开关管Q1的反向电流波形图;图4是图1所示的电路在关机时开关管Q1的反向电流波形图;
图5是图1所示的电路在关机时开关管Q3的应力波形图;
图6是本发明实施例1的结构示意图;
图7是本发明实施例2的结构示意图;
图8是本发明实施例2的工作波形示意图;
图9是本发明实施例3的结构示意图;
图10是本发明实施例4的结构示意图;
图11是本发明实施例5的结构示意图;
图12是本发明实施例6的结构示意图;
图13是图12所示的电路在开机时的输出波形图;
图14是图12所示的电路在关机时续流管的应力波形图。具体实施方式
下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。 实施例l
如图6所示, 一种直流/直流变换器的预偏置开关机电路,包括P型开 关管、开关管驱动信号提供模块和续流管驱动器驱动信号产生模块。开关 管驱动信号提供模块的第一输入端接有控制信号Singal。开关管驱动信号 提供模块的输出端接P型开关管的第一输入端。开关管驱动信号提供模块 和P型开关管分别由有源电压VCC提供电源电压。P型开关管的输出端接 续流管驱动器驱动信号产生模块的第一输入端,续流管驱动器驱动信号产 生模块的第二输入端接有直流/直流变换器的脉宽调制控制器(PWM控制 器)输出的续流管控制信号LD。续流管驱动器驱动信号产生模块的输出 端接直流/直流变换器的续流管驱动器。
上述直流/直流变换器的预偏置开关机电路的工作原理简述如下: 当直流/直流变换器开机后,开关机控制信号Signal维持高电平,开关 管驱动信号模块不能提供让P型开关管导通的条件,续流管驱动器输入低 电平,直流/直流变换器的续流管无驱动,此时变换器工作在续流管体内二 极管续流模式。
当开关机控制信号Signal由高变低后,开关管驱动信号提供模块给P 型开关管提供缓慢变化的驱动信号,使得P型开关管工作在线性区,为续 流管驱动器驱动信号产生模块提供一个幅值逐渐升高的电压,这个电压与 续流管控制信号LD共同作用于续流管驱动器驱动信号产生模块,产生一 个幅值逐渐升高的三角波驱动信号,这个信号输入到续流管驱动器,最终 得到一个占空比逐渐增大的续流管驱动,使得直流/直流变换器在开机工作 的过程中,从二极管续流模式逐渐向完全同步续流模式过渡,避免了反向 电流的产生,输出也平滑的上升。
直流/直流变换器关机后,开关机控制信号Signal再次维持高电平,由 于开关管驱动信号提供模块不能提供让P型开关管导通的条件,续流管驱 动器输入低电平,直流/直流变换器的续流管无驱动,此时直流/直流变换 器又工作在续流管体内二极管续流模式,避免了关机时反向电流的产生, 消除了关机时MOSFET应力。
上述直流/直流变换器优选为buck及buck衍生的两级拓扑变换器。实施例2
如图7所示,本实施例中,上述预偏置开关机电路的开关管驱动信号提供模块具体包括单向导通器件、第一电容C1和第一电阻R1。上述预偏置开关机电路的续流管驱动器驱动信号产生模块具体包括第二二极管D2、第二电阻R2和第二电容C2。
如图7所示,单向导通器件的第一端(对应于开关管驱动信号提供模块的第一输入端)接有开关机控制信号Signal、第二端与P型开关管第一输入端相连,单向导通器件在开关机控制信号为高电平时导通。在直流/直流变换器开机时开关机控制信号Signal维持高电平;在直流/直流变换器开机过程中,开关机控制信号Signal从高电平变为低电平;在直流/直流变换器关机时开关机控制信号Signal又变为高电平。
第一电容Cl的第一端(对应于上述开关管驱动信号提供模块的第二输入端)与有源电压VCC相连,第一电容C1的第二端与第一电阻R1第一端、P型开关管第一输入端分别相连,第一电阻R1第二端接地。
如图7所示,在本实施例中,单向导通器件具体为第一二极管D1,第一二极管Dl阳极即为单向导通器件的第一端、阴极即为单向导通器件的
第_^端。
如图7所示,在本实施例中,P型开关管为第一P型场效应管Qll,其源极接有源电压VCC、其栅极即对应上述P型开关管的第一输入端,漏极即为上述P型开关管的输出端。
如图7所示,第二二极管D2阴极接有直流/直流变换器的脉宽调制控制器输出的续流管控制信号LD,第二二极管D2阳极接第二电阻R2第二端、第二电容C2第一端。第二电阻R2第一端与第一 P型场效应管Qll漏极相连,第二电容C2第二端接地。续流管驱动器驱动信号产生模块的输出端即为第二电容C2的第一端。续流管驱动器驱动信号产生模块在一个控制周期内,当直流/直流变换器的脉宽调制控制器输出的续流管控制信号LD为高时,有源电压VCC通过第一P型场效应管Qll、第二电阻R2给第二电容C2充电,当直流/直流变换器的脉宽调制控制器输出的续流管控制信号LD为低时,第二电容C2通过第二二极管D2放电,使第二电容C2上得到一个与LD同频同相变化的信号。
如图8所示,本实施例的工作原理简述 下:在模块开机后,开关机控制信号Signal维持一个高电平,第一P型场效应管Qll关断,预偏置开关机电路不起作用;在模块起机过程中,开关机控制信号Signal的电平从高变低。第一电容C1通过第一电阻R1充电,第一电阻R1上电压逐渐降低,达到第一P型场效应管的Qll阀值时,使得第一 P型场效应管Qll工作在线性区,第一 P型场效应管Qll慢慢导通。在第一 P型场效应管Ql慢慢导通的过程中,有源电压VCC通过第一 P型场效应管Qll和第二电阻R2给第二电容C2充电,第二电容C2上的三角波电压慢慢升高,逐渐的越过续流管驱动器的门限电压。从而使续流管驱动器的输出LO的占空比从0慢慢的扩展到正常的占空比输出。从而避免了在开机过程中由于占空比从0突然到最大的变化而造成的DC/DC变换器输出电压跌落。在模块关机时,开关机控制信号Signal电平再次变高,第一 P型场效应管Qll关断,预偏置开关机电路不起作用,工作状态同开机暂态过程一样,续流管驱动器的输出LO为低电平,直流/直流变换器的续流管关断,避免了在关机时,由于续流管的导通拉低偏置电压,形成较大的反向电流和应力。
实施例3
如图9所示,本实施例与实施例2的不同之处在于:本实施例中,单
向导通器件为第二 P型场效应管Q21,第二 P型场效应管Q21源极与有源电压VCC相连、第二 P型场效应管Q21漏极与第一 P型场效应管Qll栅极相连、第二 P型场效应管Q21栅极(即对应于开关管驱动信号提供模块的第一输入端)接有开关机控制信号Signal。实施例4
如图IO所示,本实施例与实施例2的不同之处在于:本实施例中,单向导通器件为第二 P型三极管Q22,第二 P型三极管Q22发射极接有电源电压VCC、第二 P型三极管Q22集电极与第一 P型场效应管Qll栅极相连、第二 P型三极管Q22基极(对应于开关管驱动信号提供模块的第一输入端)接有开关机控制信号Signal。
实施例5
如图11所示,本实施例与实施例2的不同之处在于:在本实施例中,
P型开关管为第一P型三极管Q12,其发射极接有源电压VCC、其集电极对应上述P型开关管的输出端、其基极对应上述P型幵关管的第一输入端。实施例6
如图12所示,本实施例与上述实施例的不同之处在于:本实施例公开了一种直流/直流变换器,包括上述实施例的预偏置开关机电路。直流/直 流变换器优选为buck及buck衍生的两级拓扑变换器。
如图13所示,使用本发明后,直流/直流变换器在开机时,输出可以 平滑起机而不产生跌坑。图13中,Chl为直流/直流变换器的输出信号, Ch2为续流管驱动信号。
如图14所示,使用本发明后,直流/直流变换器在关机后,续流管没 有产生很高的尖峰应力。图14中,Chl为直流/直流变换器的输出信号, Ch2为续流管源漏极电压Vds。
本发明提出了一种新颖的预偏置开关机电路。起机时,关断续流管的 驱动,起机过程中,利用控制电路中MOSFET在阀值附近的线性特性, 让续流管驱动慢慢展开,实现从二极管续流到同步续流的软切换,做到了 在有预偏置电压情况下,变换器单调起机;关机时,利用控制电路MOSFET 的开关特性,关断续流管的驱动。
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 千简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种直流/直流变换器的预偏置开关机电路,其特征在于:包括P型开关管、开关管驱动信号提供模块和续流管驱动器驱动信号产生模块,开关管驱动信号提供模块的第一输入端接有开关机控制信号、所述开关管驱动信号提供模块在开关机控制信号的控制下为P型开关管提供驱动信号、使P型开关管从工作在线性区逐步进入饱和区,P型开关管的输出端接续流管驱动器驱动信号产生模块的第一输入端,续流管驱动器驱动信号产生模块的第二输入端接有直流/直流变换器的脉宽调制控制器输出的续流管控制信号,续流管驱动器驱动信号产生模块的输出端输出峰值电压不断升高的三角波信号至直流/直流变换器的续流管驱动器。
2. 根据权利要求1所述的直流/直流变换器的预偏置开关机电路,其特征 在于:所述开关管驱动信号提供模块包括单向导通器件、第一电容和第一 电阻,所述开关管驱动信号提供模块的第一输入端即所述单向导通器件的 第一端,所述单向导通器件的第二端与所述P型开关管的第一输入端相连, 所述第一电容的第一端接有源电压,所述第一电容的第二端与所述第一电 阻第一端、所述P型开关管的第一输入端分别相连,所述第一电阻第二端 接地。
3. 根据权利要求2所述的直流/直流变换器的预偏置开关机电路,其特征 在于:所述单向导通器件为第一二极管,所述单向导通器件的第一端为第 一二极管的阳极,所述单向导通器件的第二端为第一二极管的阴极。
4. 根据权利要求2所述的直流/直流变换器的预偏置开关机电路,其特征 在于:所述单向导通器件为第二P型场效应管,所述单向导通器件的第一 端为所述第二 P型场效应管的栅极,所述单向导通器件的第二端为所述第 二 P型场效应管的漏极,所述第二 P型场效应管的源极接有源电压。
5. 根据权利要求2所述的直流/直流变换器的预偏置开关机电路,其特征 在于:所述单向导通器件为第二P型三极管,所述单向导通器件的第一端 为所述第二 P型三极管的基极,所述单向导通器件的第二端为所述第二 P 型三极管的集电极,所述第二P型三极管的射极接有源电压。
6. 根据权利要求1所述的直流/直流变换器的预偏置开关机电路,其特征 在于:所述续流管驱动器驱动信号产生模块包括第二电阻、第二二极管和 第二电容,所述续流管驱动器驱动信号产生模块的第一输入端为所述第二电阻第一端,所述续流管驱动器驱动信号产生模块的第二输入端为所述第 二二极管的阴极,所述第二二极管的阳极接第二电阻第二端、所述第二电 容第一端,所述第二电容第二端接地,所述续流管驱动器驱动信号产生模 块的输出端为第二电容第一端。
7. 根据权利要求2-6任一所述的直流/直流变换器的预偏置开关机电路, 其特征在于:所述P型开关管为第一P型场效应管,所述P型开关管的输出端为第一 p型场效应管的漏极、所述第一 p型场效应管源极接有源电压、 所述第一 p型场效应管栅极接开关管驱动信号提供模块的输出;或者所述 p型开关管为第一 p型三极管,所述p型开关管的输出端为第一 p型三极 管的集电极、所述第一p型三极管的发射极接有源电压、所述第一p型三 极管基极接开关管驱动信号提供模块的输出。
8. 根据权利要求7所述的直流/直流变换器的预偏置开关机电路,其特征 在于:在直流/直流变换器开机时所述开关机控制信号维持高电平;在直流 /直流变换器开机过程中,所述开关机控制信号从高电平变为低电平;在直 流/直流变换器关机时所述开关机控制信号又变为高电平。
9. 一种直流/直流变换器,其特征在于:包括如权利要求1-6任一所述的预 偏置开关机电路。
10. —种直流/直流变换器,其特征在于:包括如权利要求7所述的预偏置 开关机电路。
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