CN103078498A - 一种电压转换电路及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种电压转换电路及其使用方法，涉及电子领域，既节省电路板面积又减少电路功率消耗地减小了脉冲信号占空比，扩大了电压转换器工作范围。本发明的电压转换电路包括：控制开关、LC电路、电压误差放大信号输出模块、相移模块、逻辑模块和信号源；相移模块根据电压误差放大信号输出模块输出的电压误差放大信号，对信号源输出的信号进行相位延迟得到相位延迟后的信号；逻辑模块将相移模块输出的延迟后的信号与信号源输出的信号进行逻辑运算，得到具有期望的占空比的脉冲信号，以通过控制开关控制LC电路的充放电；信号源向相移模块和逻辑模块输出同源的信号。本发明的实施例主要用于电压转换的过程中。

Description

一种电压转换电路及其使用方法

技术领域

本发明涉及电子领域，尤其涉及一种电压转换电路及其使用方法。

背景技术

随着电源市场的发展与电子产品的多样化，电压转换器广泛应用于电力系统、各类仪表、电器及试验中。常用直流转换器按功能可分为：升压转换器(Boost)、降压转换器(Buck)、升降压转换器(Buck-Boost)。

以简单的Buck电路为例：Buck电路开关MOS管的控制电路通常是由误差放大器、电压比较器与逻辑门电路组成。误差放大器两端输入信号分别为主电路输出电压(Vo)和基准电压(Vref)，误差放大器输出信号为Vo与Vref的电压误差放大信号(V1)。电压比较器两端输入信号分别为：锯齿波形信号和V1，电压比较器对两端输入信号进行大小比较产生一个具有固定占空比的脉冲信号(P)，即V1比锯齿波形信号高的时候产生一个高脉冲，低的时候就产生一个低脉冲，脉冲信号(P)经过逻辑门运算输出数字信号来控制开关MOS管。其中脉冲信号(P)的占空比(D)＝脉冲高电平(T1)/脉冲周期(T)，输出电压(Vo)＝D*输入电压(Vin)。为了扩大电压转换器的工作范围，即在Vin不变的情况下降低Vo，通常可通过减小D来实现。

在现有技术中，减小脉冲信号(P)的信号占空比(D)有两种方法：

第一种方法是保持T1不变，增加P的周期(T)，通常采用增大锯齿波周期，电压比较器输出P的周期(T)也会随之增大，导致控制主电路充放电的开关频率降低。但是，为了适应高频率的充放电开关在LC电路中需要选用更大值和体积的电感(L)和电容(C)来滤除高次谐波，这样就会在电路板制作时会占据更大的面积。

第二种方法是提高电压比较器的工作功率，缩短电压比较器比较电压的工作时间，脉冲信号占空比计算公式中T1是由V1比锯齿波形信号电压高的时间决定的，若电压比较器比较V1与锯齿波形信号所用的时间越短，占空比越小。但是，增大电压比较器的工作功率，会造成电路功率消耗增大的问题。

发明内容

本发明的实施例提供一种电压转换电路及其使用方法，既节省电路板面积又减少电路功率消耗地减小了脉冲信号占空比，扩大了电压转换器工作范围。

本发明的第一方面提供一种电压转换电路，所述主电路包括：控制开关、LC电路和电压误差放大信号输出模块；

其中，所述控制开关用于在逻辑模块的控制下，控制所述LC电路的充放电；

所述LC电路，用于在所述控制开关的控制下进行充放电，输出主电路输出电压；

所述电压误差放大信号输出模块用于将所述LC电路输出的所述主电路输出电压与基准电压进行比较并将比较的结果放大，输出电压误差放大信号；

所述电压转换电路还包括：相移模块、所述逻辑模块和信号源；

所述相移模块的一个输入端连接主电路的电压误差放大信号输出模块，另一个输入端连接信号源的输出端，所述相移模块根据所述电压误差放大信号，对所述信号源输出的信号进行相位延迟得到相位延迟后的信号；

所述逻辑模块的一个输入端连接所述相移模块的输出端，另一个输入端连接信号源的输出端，所述逻辑模块的输出端连接主电路的控制开关，所述逻辑模块将所述相移模块输出的延迟后的信号与信号源输出的信号进行逻辑运算，得到具有期望的占空比的脉冲信号，以通过所述控制开关控制LC电路的充放电；

所述信号源，用于向所述相移模块和所述逻辑模块输出同源的信号。

结合本发明的第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述相移模块为：级联反相器、RC相移电路或自定义相移电路。

结合本发明的第一方面和第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述信号源输出的信号为：方波信号、锯齿波信号。

结合本发明的第一方面和上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述主电路为：升压转换电路(Boost)、降压转换电路(Buck)或升降压转换电路(Buck-Boost)。

进一步的，所述主电路包括：控制开关和LC电路。

其中，所述控制开关包括：开关逻辑模块；所述开关逻辑模块的输入端与所述逻辑模块的输出端连接，所述开关逻辑模块的输出端连接控制LC电路充放电的开关MOS管。

所述LC电路，用于在所述开关MOS管控制下进行充放电，输出主电路输出电压。

本发明的第二方面还提供一种电压转换电路的使用方法，包括：

依据误差放大信号对信号源输出的同源的信号进行相位延迟，得到相位延迟后的信号；

将所述相位延迟后的信号与所述信号源输出的同源的信号进行逻辑运算，得到占空比信号；

根据所述占空比信号控制主电路的充电和放电，输出主电路输出电压。

本发明实施例提供的电压转换电路及其使用方法，通过相移模块对信号源输出的同源脉冲信号进行相位延迟，逻辑模块将相位延迟后的脉冲信号与信号源输出的未发生相位变化的同源脉冲信号进行逻辑运算输出具有期望的占空比的脉冲信号，用于控制主电路充放电。本发明有效减小了控制开关脉冲信号的占空比，扩大了电压转换器的工作范围，与现有技术中通过增大主电路中电感L和电容C或者增大电压比较器功率的方法相比，无需增大主电路的电容和电感，节省了电路板面积，并且不用使用高功率的比较器，减少了电路功率消耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的一种电压转换电路组成示意图；

图2为本发明实施例中的另一种电压转换电路组成示意图；

图3为本发明实施例中的一种电压转换电路脉冲信号产生示意图；

图4为本发明实施例中的一种电压转换电路脉冲信号转换原理图；

图5为本发明实施例提供的一种电压转换电路的使用方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种电压转换电路，如图1所示，包括：用于转换电压的主电路11，所述主电路包括：控制开关112、LC电路113和电压误差放大信号输出模块111。

其中，所述控制开关112用于在逻辑模块13的控制下，控制所述LC电路113的充放电；

所述LC电路113，用于在所述控制开关112的控制下进行充放电，输出主电路输出电压；

所述电压误差放大信号输出模块111用于将所述LC电路113输出的所述主电路输出电压与基准电压进行比较并将比较的结果放大，输出电压误差放大信号。

本发明实施例提供的电压转换电路还包括：相移模块12、逻辑模块13和信号源14。

其中，所述相移模块12的一个输入端连接主电路11的电压误差放大信号V1输出模块111，另一个输入端连接信号源14的输出端，所述电压误差放大信号V1由主电路11输出电压Vo与基准电压Vref进行比较和放大得到，所述相移模块12根据所述电压误差放大信号，对所述信号源输出的信号进行相位延迟得到相位延迟后的信号。

所述逻辑模块13的一个输入端连接所述相移模块12的输出端，另一个输入端连接信号源14的输出端，所述逻辑模块13的输出端连接主电路11的控制开关112，所述逻辑模块13将所述相移模块12输出的延迟后的信号与信号源输出的信号进行逻辑运算，得到具有期望的占空比的脉冲信号，以通过所述控制开关112控制LC电路113的充放电。

所述信号源14，用于向所述相移模块12和所述逻辑模块13输出同源的信号。

具体的，主电路11输出的电压误差放大信号V1与信号源14输出的脉冲信号，两路信号输入相移模块12，相移模块12将电压误差放大信号V1转换为信号源14输出脉冲相应的相位延迟信号，电压误差放大信号V1的大小决定脉冲相位延迟的大小。相移模块12输出发生相位延迟的脉冲信号，发生相位延迟的脉冲信号与未发生相位变化的同源脉冲信号输入到逻辑13，逻辑模块13对两路脉冲信号进行逻辑运算，输出具有期望的占空比的脉冲信号，脉冲信号输入到主电路11的开关逻辑模块，开关逻辑模块对其进行数字逻辑运算，输出控制开关信号，实现对主电路11的自动开关。

以下仅以简单的直流降压转换器Buck为主电路11为例，如图2所示，主电路11中开关逻辑模块由逻辑门构成，P型MOS管和N型MOS管分别为主电路11输入端与电源、主电路11输入端与地的开关，L为电感，LX为电感的输入端，C为电容，ESR为电容上的等效串联电阻，R为外接负载电阻，A为集成运算放大器，Vo为电压转换电路输出电压，Vref为基准电压，信号源14为级联反相器Buffer和逻辑模块13提供同源脉冲信号，级联的反相器Buffer为相移模块12电路，逻辑模块13由数字逻辑门组成。

当P型OMS管导通N型MOS管关闭，电感L的输入端LX被连接到输入电压Vin上，流过电感L的电流增加，电容C充电，输出电压Vo增加。当P型MOS关闭N型MOS导通，流过电感L的电流下降，电容C放电，输出电压Vo下降。输出电压Vo与基准电压Vref输入集成运算放大器A进行电压比较，输出电压误差放大信号V1。当外接负载R发生变化，输出电压Vo也随之发生相应的变化，则电压误差放大信号V1也发生相应的变化。电压误差放大信号V1与信号源14输出的脉冲信号，两路脉冲信号输入级联反相器Buffer，级联反相器Buffer将电压误差放大信号V1转换为信号源14输出脉冲信号的相位延迟信号，即使信号源14输出的脉冲信号发生相应的相位延迟，V1的大小决定了脉冲相位延迟的大小。级联反相器Buffer输出发生相位延迟的脉冲信号，发生相位延迟的脉冲信号与未发生相位变化的同源脉冲信号输入到逻辑模块13，逻辑模块13对两路同源脉冲信号进行逻辑运算，输出具有期望的占空比的脉冲信号P，脉冲信号P输入到主电路11的开关逻辑模块，开关逻辑模块对其进行数字逻辑运算，输出控制开关信号，实现对主电路11的自动开关。

其中，所述相移模块12为：级联反相器、RC相移电路或自定义相移电路。自定义相移电路能够将电压误差放大信号V1转换为信号源14输出脉冲相应的相位延迟信号。其中，所述主电路11包括：控制开关、LC和电压误差放大信号输出模块。

具体的，所述控制开关包括：开关逻辑模块；所述开关逻辑模块的输入端与所述逻辑模块13的输出端连接，所述开关逻辑模块的输出端连接控制LC电路充放电的开关MOS管。所述LC电路，用于在所述开关MOS管控制下进行充放电，输出主电路输出电压。

进一步的，所述信号源14，用于向所述相移模块12和所述逻辑模块13输出同源脉冲信号。如图3所示，以方波信号为例来说明本发明脉冲信号占空比产生原理。

其中，信号源14输出两路同源脉冲信号P1，一路输入相移模块12，一路输入逻辑模块13，相移模块12将电压放大信号V1转换为信号源14输出脉冲信号P1的相位延迟信号并输出发生相位延迟的脉冲信号P2，相移模块12输出的发生相位延迟的脉冲信号P2输入到逻辑模块13，发生相位延迟的脉冲信号P2与未发生相位延迟的同源脉冲信号P1在逻辑模块13中进行逻辑运算，得到具有期望的占空比的脉冲信号P，具有期望的占空比的脉冲信号P输入到主电路11开关控制的逻辑模块，主电路11开关控制逻辑模块对脉冲信号P的占空比进行逻辑运算，输出控制主电路11开关MOS管的信号，实现主电路11自动开关。

进一步的，所述相移模块12为：级联反相器、RC相移电路或自定义相移电路。自定义相移电路能够将电压误差放大信号V1转换为信号源14输出脉冲P1相应的相位延迟信号。如图4所示，以一种级联反相器构成的Buffer为例，来说明本发明相移模块12信号转换原理。

在图4中，在反相器的数目、尺寸条件确定的情况下，输出延时(tp)将随反相器电源电压(VDD)的降低而增大。tp与相位延迟Δψ的关系为Δψ＝2πtp/T，其中T为信号源14输出时钟脉冲周期。如图2将电压误差放大信号V1作为级联反相器的电源VDD，当主电路11外接负载R发生大小改变时，输出电压Vo也随之发生相应的大小改变，进而输出电压Vo与基准电压Vref的电压误差放大信号V1也发生相应的大小改变，则电压误差放大信号V1的大小就决定了相位延迟Δψ的大小。级联反相器构成的Buffer使信号源14输出的时钟脉冲P1发生了相位延迟，则由级联反相器构成的Buffer输出发生相位延迟的脉冲信号P2。

进一步的，所述逻辑模块13由数字逻辑门组成，能够将发生相位延迟的脉冲信号P2与未发生相位误差的脉冲信号P1进行逻辑运算，输出具有期望的占空比的脉冲信号P，以一种异或逻辑门和与逻辑门组合而成的逻辑模块13为例，来说明本发明脉冲信号占空比产生原理。

异或逻辑门是数字逻辑中实现逻辑异或的逻辑门，有2个输入端、1个输出端。若两个输入的电平相异，则输出为高电平1；若两个输入的电平相同，则输出为低电平0。逻辑表达式：

表1为异或门真值表。

与逻辑门可有几个输入端，当所有的输入同时为高电平1是输出高电平1，否则输出均为低电平0.逻辑表达式：F＝A*B，表2为与门真值表。

A	B	输出Y
			0	0	0
0	1	1
			1	0	1
1	1	0

表1

A	B	输出Y
			0	0	0
0	1	0
			1	0	0
1	1	1

表2

按照组合逻辑门连接方式并结合图3，信号源14输出脉冲信号P1与相移模块12输出的发生相位延迟的脉冲信号P2进行异或逻辑运算，即脉冲信号P1与脉冲信号P2脉冲高低电平不同时输出高电平，相同时输出低电平，异或逻辑运算得到脉冲信号再与脉冲信号P1进行与逻辑运算，即异或逻辑运算得到的脉冲信号与脉冲信号P1同时为高电平时输出高电平，则组合逻辑门输出具有期望的占空比的脉冲信号P。

需要说明的是，本发明实施例所采用的主电路11可以为：升压转换器(Boost)、降压转换器(Buck)、升降压转换器(Buck-Boost)。本发明实施例仅以一种较为简单的降压转换电路为例进行描述，本发明实施例提供的电压转换电路也可以采用其他类型的主电路11，主电路11的类型包括但不局限于上述类型，本发明实施例对此不做限定。

本发明实施本发明实施例提供的电压转换电路，通过相移模块12对信号源14输出的同源脉冲信号P1进行相位延迟，逻辑模块13将相位延迟后的脉冲信号P2与信号源14输出的未发生相位变化的同源脉冲信号P1进行逻辑运算输出具有期望的占空比的脉冲信号P，用于控制主电路11充放电。本发明有效减小了控制开关脉冲信号P的占空比，扩大了电压转换器的工作范围，与现有技术中通过增大主电路11中电感L和电容C或者增大电压比较器功率的方法相比，无需增大主电路11的电容和电感，节省了电路板面积，并且不用使用高功率的比较器，减少了电路功率消耗。

本发明的另一实施例还提供一种电压转换电路的使用方法，如图5所示，该方法可以包括：

201、依据误差放大信号对信号源输出的同源的信号进行相位延迟，得到相位延迟后的信号；

202、将所述发生相位延迟后的信号与所述未发生相位延迟的所述信号源输出的同源的信号进行逻辑运算，得到占空比信号；

203、根据所述占空比信号控制主电路的充电和放电，输出主电路输出电压。

需要说明的是，本发明实施例提供的使用方法中各步骤的具体描述可以参考上述电压转换电路中的对应内容，本发明实施例这里不再一一赘述。

本发明实施例提供的电压转换电路的使用方法，通过对同源的信号进行相位延迟，将发生相位延迟后的信号与未发生相位延迟的同源的信号进行逻辑运算得到占空比信号，从而控制主电路的充电和放电，有效减小了控制开关脉冲信号P的占空比，扩大了电压转换器的工作范围，与现有技术中通过增大主电路中电感L和电容C或者增大电压比较器功率的方法相比，无需增大主电路的电容和电感，节省了电路板面积，并且不用使用高功率的比较器，减少了电路功率消耗。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种电压转换电路，包括用于转换电压的主电路，其特征在于，

所述主电路包括：控制开关、LC电路和电压误差放大信号输出模块；

其中，所述控制开关用于在逻辑模块的控制下，控制所述LC电路的充放电；

所述LC电路，用于在所述控制开关的控制下进行充放电，输出主电路输出电压；

所述电压误差放大信号输出模块用于将所述LC电路输出的所述主电路输出电压与基准电压进行比较并将比较的结果放大，输出电压误差放大信号；

所述电压转换电路还包括：相移模块、所述逻辑模块和信号源；

所述相移模块的一个输入端连接主电路的电压误差放大信号输出模块，另一个输入端连接信号源的输出端，所述相移模块根据所述电压误差放大信号，对所述信号源输出的信号进行相位延迟得到相位延迟后的信号；

所述逻辑模块的一个输入端连接所述相移模块的输出端，另一个输入端连接信号源的输出端，所述逻辑模块的输出端连接主电路的控制开关，所述逻辑模块将所述相移模块输出的延迟后的信号与信号源输出的信号进行逻辑运算，得到具有期望的占空比的脉冲信号，以通过所述控制开关控制LC电路的充放电；

所述信号源，用于向所述相移模块和所述逻辑模块输出同源的信号。

2.根据权利要求1所述的电压转换电路，其特征在于，所述相移模块为：级联反相器、RC相移电路或自定义相移电路。

3.根据权利要求1或2所述的电压转换电路，其特征在于，所述信号源输出的信号为：方波信号、锯齿波信号。

4.根据权利要求3所述的电压转换电路，其特征在于，所述主电路为：升压转换电路(Boost)、降压转换电路(Buck)、升降压转换电路(Buck-Boost)。

5.一种电压转换电路的使用方法，其特征在于，包括：

依据误差放大信号对信号源输出的同源的信号进行相位延迟，得到相位延迟后的信号；

将所述相位延迟后的信号与所述信号源输出的同源的信号进行逻辑运算，得到占空比信号；

根据所述占空比信号控制主电路的充电和放电，输出主电路输出电压。

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