CN102624209A - 一种降压式变换器控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种降压式变换器控制装置，其相应原理是将现有的降压式集成变换器中的控制单元与功率器件单元分离开，控制单元即本发明描述的降压式变换器控制单元。由于将功率器件分离出来便给系统设计者更多的设计空间，可以选用更低导通电阻、更高击穿电压的开关器件，从而进一步降低开关损耗，提高变换器的转换效率，同时也提高了整个变换器的输入电压。由于引入输入输出电压检测，可以选择合适的电压作为其控制单元的供电电压。采用自举电路作为开关管的驱动单元，功率开关单元可以方便地采用更低导通电阻的N沟道栅型MOS管。可以通过单元中PWM波控制单元来对工作频率进行设定，从而可以更方便地对外围单元器件进行设计。

Description

一种降压式变换器控制装置

技术领域

本发明属于电力电子应用技术领域，具体的提供了一种降压式变换器控制装置。

背景技术

随着开关式集成稳压器诞生以来，在航空、航天、医疗电子、消费电子等各个领域得到了广泛的应用。但是随着应用层面的不断拓宽对其提出了更为严峻的要求。比如更大的输出电流，更宽的输入电压范围，更高的转换效率，更高的功率密度。

面对上述的种种挑战，一单元公司推出了更宽范围输入电压的开关式集成稳压器。也有设计者用分离器件进行设计，如一个控制器加一个驱动器再加相应功率器件等方案来对此问题进行解决。但现有的控制器普遍结构为：做成一个集成器件，将开关管Q1与控制部分全部做在一起。输出的整流管D1与电感L1等外接。有些可以改变其频率，有些是固定其频率。但是其存在以下不足：1、其输出电流具有限制性；2、输入电压也具有限制性；3、由于无法灵活选择开关管Q1,就无法选择更低损耗的开关管来设计出更高效率的电源。

且对于上述的解决方案，更宽范围的输入电压还是具有相对性，同时很难满足输出电流，输入电压，转换效率，功率密度这几者的完美结合。用分离器件毫无疑问是可以做出来的，但是由于增加了驱动单元，无形之中增加了电路的调试的不确定性。也不利于功率密度的提高。

因此，需要对这个问题提供一种解决方案，特别是能同时满足这个时代所提出的要求。即更大的输出电流、更宽的输入电压范围、更高的转换效率、更高的功率密度。

发明内容   

本发明的目的在于提供一种针对现有集成降压变换器电路问题的解决方案。其中，将开关器件与控制单元分离，从而设计者可以根据外围器件的选型从而设计出更宽的输入电压、更高的效率、更大的输出电流等更高品质的降压式变换器。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种降压式变换器控制装置，包括PWM波控制单元、驱动单元、为PWM波控制单元和驱动单元提供电能VCC的电源单元，其特征在于：

所述电源单元包括，选择开关、自启动单元、线性稳压器，所述选择开关输入端选择接通输入电压V0或者输入电压Vin，所述选择开关输出端接所述线性稳压器的输入端，所述自启动单元包括电容C5和电阻R1，所述电容C5一端接地，另一端串联电阻R1，电容C5和电阻R1串联端接输出端，电阻R1另一端接输入电压Vin；

所述PWM波控制单元包括，电压采集单元、误差放大器、振荡器、脉宽调制比较器、推挽单元，所述电压采集单元将得到的电压送往误差放大器与内部已设定的好的基准电压进行处理，再将处理后的信号送往脉宽调制比较器后得脉冲宽度可以改变的PWM波，再将PWM波经推挽单元输出给驱动单元；

   所述驱动单元包括，施密特触发器、脉冲触发单元、电平转换单元、RS锁存器、推挽结构、自举电容，所述施密特触发器对输入的PWM波进行整形后传送给脉冲触发单元进行脉冲触发，然后在将经过脉冲触发的波形信号送给电平转换单元进行电平转换，然后将经过电平转换的波送给RS锁存器处理，RS锁存器控制推挽结构进行推挽输出。

所述电压采集单元包括并联在一起的电阻R2和电容C7，电阻R2和电容C7的一端接输出电压V0，另一端一方面与误差放大器的异向端连接，另一方面与一端接地的电阻R3连接。

所述推挽单元包括三极管Q4和三极管Q5，非门U5，所述三极管Q4的发射极和三极管Q5集电极的连接作为PWM波的输出端，三极管Q4的集电极接VCC，三极管Q5发射极接地，Q4的基极通过非门U5与脉宽调制比较器连接，三极管Q5基极与脉宽调制比较器连接。

所述推挽结构包括N沟道栅型场效应管和P沟道栅型场效应管，所述P沟道栅型场效应管的漏极与N沟道栅型场效应的漏极连接作为栅极驱动输出，P沟道栅型场效应管的源极接电源单元输出电压VCC，电压输出单元电压VCC接自举电容的一端，自举电容另一端与N沟道栅型场效应的源极连接作为源极驱动输出。

本发明具有以下有益效果：

一、本发明，采用选择输入电压V0时，因为降压式变换器控制单元接入的输入电压V0的大小为零，且电源单元的自启动模块产生一个VCC, PWM波控制部分开始工作，稳定后输出电压Vo经过线性稳压器U1向PWM波控制部分与驱动部分供电，而后自启动电路失去作用。即采用V0为控制单元供电，使得其即使是在较大的Vin的输入下降压式变换器也能正常工作，从而可以在很宽范围内对输入电压进行选择。

二、本发明，将开关管Q1从控制单元引出，从而用户可以根据设计的对功率要求的不同选用不同的开关管。用户可以选择更低导通电阻的开关管Q1，从而设计出更高效率的降压式变换器。

三，本发明采用线性电源对各单元供电，而且供电来源输入输出可以选择。所以很好地保证各单元的正常工作。

四、本发明采用自举驱动，所以在设计时不需要考虑任何关于驱动方面的问题。

五、采用本发明作为降压式变换器的控制单元，可以很轻松的设计不同输出电流的降压式变换器。

附图说明

图1为降压式变换器整体结构图；

图2为本降压式变换器控制模块组成方框图；

图3为本发明电源单元电路图；

图4为本发明PWM波控制单元电路图；

图5为本发明驱动单元电路图；

图6为本发明PWM波控制单元相应时序图；

图7为整个部分输入电压Vin、输出电压Vo以及工作模块的工作电压VCC的电压波形图。

具体实施方式   

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

其相应原理是将现有的降压式集成变换器中的控制单元与功率器件单元分离开，控制单元即本发明描述的降压式变换器控制单元。由于将功率器件分离出来便给系统设计者更多的设计空间，可以选用更低导通电阻、更高击穿电压的开关器件，从而进一步降低开关损耗，提高变换器的转换效率，同时也提高了整个变换器的输入电压。由于引入输入输出电压检测，可以选择合适的电压作为其控制单元的供电电压。采用自举电路作为开关管的驱动单元，功率开关单元可以方便地采用更低导通电阻的N沟道增强型MOS管。可以通过PWM波控制单元来对工作频率进行设定，从而可以更方便地对外围单元器件进行设计。

本发明主要由电源单元、PWM波控制单元、驱动单元构成。

为了让降压变换器能够在更宽的输入电压范围内很好的工作，本发明将降压器的输出电压Vo引入作为电源单元的输入电压，这样控制单元采就能在更宽范围的输入电压下，采用稳定电压Vo对控制单元进行供电，控制开关管Q1的工作。但是由于降压变换器需要控制单元的控制才能输出电压Vo，而控制单元需要电压Vo才能控制降压式变换器输出Vo，这就陷入了一种矛盾。为解决这个矛盾，本发明设计了自启动单元该自启动单元，如图3所示，该自启动电源由电阻R1与电容C5构成，电阻R1一端接Vin一端串联一个接地的电容，电阻和电容连接端引出VCC，刚开机时输入电压Vin通过电阻R1对电容C5进行充电，当电容C5上的电压达到VCC时，PWM波控制单元开始工作，稳定后输出电压Vo经过线性稳压器U1向PWM波控制单元与驱动单元供电，而后自启动电路失去作用。

当在输入电压Vin不是很高时，可以直接采用输入电压Vin为线性稳压器供电。而此时将不使用自启动电路。基根本目的还是为了让整个系统在更宽的电压范围内进行工作，而且具有较高的转换效率。因为我们知道线性稳压器其实是电阻分压式稳压，其输入电压与输出电压相差越小，其转换效率越高。

电源单元：

电源单元电路原理图如图3所示。此单元的目的，得到一个稳定的输出电压VCC作为PWM波控制单元与驱动单元的供电电源。图中开关S1为选择开关，选择合适的电压作为线性稳压器U1的输入电压（Vin或Vo）。当采用Vo作为线性稳压器的输入电压时，电阻R1与电容C5构成自启动电路，刚开机时输入电压Vin通过电阻R1对电容C5进行充电，当电容C5上的电压达到VCC时，PWM波控制单元开始工作，稳定后输出电压Vo经过线性稳压器U1向PWM波控制单元与驱动单元供电，而后自启动电路失去作用；当采用输入电压Vin作为线性稳压器U1的输入电压时，电阻R1与电容C5构成的自启动电路无效。D2为线性稳压器U1输入保护稳压管，C3、C4为线性稳压器U1输入输出滤波电容。D3为稳压管，为了防止电容C5上的充电电压过高从而损坏PWM波控制单元与驱动单元。D4为肖特基二极管，防止电流的反向流动，即防止电容C5上的电流流向线性稳压器U1的输出端。

整个单元输入电压Vin、输出电压Vo以及工作单元的工作电压VCC的电压波形图如图7所示。图中Ts为开关周期。

PWM波控制单元：

此单元的电路结构图如图4所示，此单元的目的，产生一个PWM波信号作为开关器件的控制信号。并能通过对输出电压的取样对其导通时间进行控制，相应时序图如图6所示。图4中RT、CT为振荡器的定时电阻与定时电容，通过对这个两个器件的设定可以对振荡器的频率进行设定，即让整个单元工作于不同的开关频率下。通过电阻R2与R3对输出电压进行采样（电容C7为补偿电容），将得到的电压送往误差放大器与内部已设定的好的基准电压进行处理。再将处理后的信号送往脉宽调制比较器，从而得脉冲宽度可以改变的PWM波。再将这个PWM波经由Q4、Q5构成的推挽式电路输出。由于采用推挽式输出，所以此时该PWM波具有一定的驱动能力。

驱动单元：

此单元的电路结构如图5所示，由图1可知PWM波控制单元输出的PWM波是不能直接驱动图1所示的N沟道增强型开关管Q1的。所以此单元的目的是对PWM波控制单元输出的PWM波的电位进行自举，提高到开关管Q1的源极（S极）高度，便于驱动N沟道增强型开关管Q1。各个单元的信号波形如图6所示，图中Ts为开关周期。

如图所示，先对输入的PWM波用施密特触发器进行整形，即把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。再对此信号进行脉冲触发与电平转换，以便于后面自举单元RS锁存器的处理。场效应管Q2、场效应管Q3构成推挽式输出，电容C6为自举电容。图中G、S分别接到图1所示所示N沟道增强型开关管Q1的栅极驱动（G极）与源极驱动（S极）。由于采用此种电路结构作为驱动单元的设计，很大程度上降低了成本与电路的复杂程度。

根据上面记述的本发明，由于对功率器件与控制单元进行了分离，使得设计者在应用时拥有更多的选择余地，更好地对了降压式变换器进行设计。所以具有如下结果：

本发明，可以很轻松的设计不同输出电流的降压式变换器。

本发明，可以在很宽范围内对输入电压进行选择。

本发明，可以选择更低导通电阻的开关管Q1，从而设计出更高效率的降压式变换器。

本发明采用线性电源对各单元供电，而且供电来源输入输出可以选择。所以很好地保证各单元的正常工作。

本发明采用自举驱动，所以在设计时不需要考虑任何关于驱动方面的问题。

虽然这里结合具体的实施例对本发明进行了描述，但是对本领域技术人员来说，很多其它的变化、改进以及应用将是很明显的。因此，本发明不应当受此处特定公开的限制，而应由附加的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种降压式变换器控制装置，包括PWM波控制单元、驱动单元、为PWM波控制单元和驱动单元提供电能VCC的电源单元，其特征在于：

所述电源单元包括，选择开关、自启动单元、线性稳压器，所述选择开关输入端选择接通输入电压V0或者输入电压Vin，所述选择开关输出端接所述线性稳压器的输入端，所述自启动单元包括电容C5和电阻R1，所述电容C5一端接地，另一端串联电阻R1，电容C5和电阻R1串联端接输出端，电阻R1另一端接输入电压Vin；

所述PWM波控制单元包括，电压采集单元、误差放大器、振荡器、脉宽调制比较器、推挽单元，所述电压采集单元将得到的电压送往误差放大器与内部已设定的好的基准电压进行处理，再将处理后的信号送往脉宽调制比较器后得脉冲宽度可以改变的PWM波，再将PWM波经推挽单元输出给驱动单元；

   所述驱动单元包括，施密特触发器、脉冲触发单元、电平转换单元、RS锁存器、推挽结构、自举电容，所述施密特触发器对输入的PWM波进行整形后传送给脉冲触发单元进行脉冲触发，然后在将经过脉冲触发的波形信号送给电平转换单元进行电平转换，然后将经过电平转换的波送给RS锁存器处理，RS锁存器控制推挽结构进行推挽输出。

2.根据权利要求1所述的一种降压式变换器控制装置，其特征在于：所述电压采集单元包括并联在一起的电阻R2和电容C7，电阻R2和电容C7的一端接输出电压V0，另一端一方面与误差放大器的异向端连接，另一方面与一端接地的电阻R3连接。

3.根据权利要求1所述的一种降压式变换器控制装置，其特征在于：所述推挽单元包括三极管Q4和三极管Q5，非门U5，所述三极管Q4的发射极和三极管Q5集电极的连接作为PWM波的输出端，三极管Q4的集电极接VCC，三极管Q5发射极接地，Q4的基极通过非门U5与脉宽调制比较器连接，三极管Q5基极与脉宽调制比较器连接。

4.根据权利要求1所述的一种降压式变换器控制装置，其特征在于：所述推挽结构包括N沟道栅型场效应管和P沟道栅型场效应管，所述P沟道栅型场效应管的漏极与N沟道栅型场效应的漏极连接作为栅极驱动输出，P沟道栅型场效应管的源极接电源单元输出电压VCC，电压输出单元电压VCC接自举电容的一端，自举电容另一端与N沟道栅型场效应的源极连接作为源极驱动输出。

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