CN103532380B - 一种直流-直流转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流-直流转换电路，其包括电压输入端、第一电压输出端、第二电压输出端、第一开关、第二开关、第一二极管、第二二极管、电感、电容和占空比控制电路。电压输入端与第二电压输出端相连；电容连接于第一电压输出端和第二电压输出端之间；第一开关和第一二极管串联于电压输入端和地节点之间；第二二极管和第二开关串联于第一电压输出端和地节点之间；电感连接于第一开关和第一二极管的负极的连接节点与第二开关和第二二极管的正极的连接节点之间，占空比控制电路驱动第一开关和第二开关同时导通或者关断。与现有技术相比，本发明中的直流-直流转换电路可以满足有时需要正电压有时又需要负电压的电路系统的需要。

Description

一种直流-直流转换电路

【技术领域】

本发明涉及电路设计领域，特别涉及一种基于电感的直流-直流转换电路。

【背景技术】

传统的直流-直流转换器一般只能产生正电压或只能产生负电压。请参考图1所示，其为现有技术中的一种降压型直流-直流转换器的电路示意图。该降压型直流-直流转换器包括连接于电压输入端VIN和地节点之间的开关S1、电感L1和电容C1，以及二极管D1，其中，二极管D1的正极接地节点，二极管D1的负极与开关S1和电感L1之间的连接节点相连；电感L1和电容C1之间的连接节点作为该降压型直流-直流转换器的电压输出端VO。图1所示的直流-直流转换器的电压输出端VO的电压值为正值，且小于电压输入端VIN的电压值。理想情况下，输出电压VO（即电压输出端VO的电压）与输入电压VIN（即电压输入端VIN的电压）的关系为：VO=D.VIN，其中VO为输出电压的电压值，VIN为输入电压的电压值，D为驱动信号DRV1的开关占空比。

请参考图2所示，其为现有技术中的一种产生负电压的直流-直流转换器的电路示意图。该直流-直流转换器包括连接于电压输入端VIN和地接点之间的开关S1、二极管D1和电容C1，以及电感L1。其中，电感L1的一端接地节点，另一端与开关S1和二极管D1的负极之间的连接节点相连，二极管D1的正极和电容C1之间的连接节点作为该直流-直流转换器的电压输出端VO，该直流-直流转换器的电压输出端VO的电压值为负值。理想情况下，输出电压VO（即电压输出端VO的电压）与输入电压VIN（即电压输入端VIN的电压）的关系为：VO=-VIN.D/(1-D)，其中VO为输出电压的电压值，VIN为输入电压的电压值，D为驱动信号DRV1的占空比。

但有些场合需要既能产生正电压，又能产生负电压，例如，驱动转子转动，若需转子逆时针方向转动，则产生正电压驱动；若需转子顺时针方向转动，则产生负电压驱动，这样，在现有技术中，就需要两套转换电路，以分别产生正电压和负电压且需要进行组合控制，从而导致电路结构复杂。

因此，有必要提供一种改进的技术方案来克服上述问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种直流-直流转换电路，其输出电压可以为正电压也可以为负电压，且电路结构简单。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，本发明提供一种直流-直流转换电路，其包括电压输入端、第一电压输出端、第二电压输出端、第一开关、第二开关、第一二极管、第二二极管、电感、电容和占空比控制电路。电压输入端与第二电压输出端相连；电容连接于第一电压输出端和第二电压输出端之间；第一开关和第一二极管串联于电压输入端和地节点之间；第二二极管和第二开关串联于第一电压输出端和地节点之间；电感连接于第一开关和第一二极管的负极之间的连接节点与第二开关和第二二极管的正极之间的连接节点之间，所述占空比控制电路输出驱动信号给所述第一开关的控制端和第二开关的控制端，以驱动第一开关和第二开关同时导通或者同时关断。

进一步的，所述直流-直流转换电路的输出电压VX=VO1-VO2，则

VX=VIN.(2D-1)/(1-D)，

其中，VX为输出电压的电压值，VIN为电压输入端的电压值，D为驱动信号的占空比，VO1为第一电压输出端VO1的电压值，VO2为第二电压输出端的电压值且等于电压输入端的电压值VIN。

进一步的，当0＜D＜1/2时，输出电压VX为负电压；当D=1/2时，输出电压VX为零；当1/2＜D＜1时，输出电压VX为正电压。

进一步的，当1/2＜D＜2/3时，输出电压VX小于电压输入端的电压值VIN；当2/3＜D＜1时，输出电压VX大于电压输入端的电压值VIN。

根据本发明的另一方面，本发明提供另一种直流-直流转换电路，其包括电压输入端、第一电压输出端、第二电压输出端、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、电感、电容和占空比控制电路。电压输入端与第二电压输出端相连；电容连接于第一电压输出端和第二电压输出端之间；第一开关和第三开关串联于电压输入端和地节点之间；第四开关和第二开关串联于第一电压输出端和地节点之间；电感连接于第一开关和第三开关之间的连接节点与第二开关和第四开关之间的连接节点之间，所述占空比控制电路输出驱动信号控制第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的导通或关断，其中，在控制第一开关和第二开关同时导通时，控制第三开关和第四开关同时关断；在控制第一开关和第二开关同时关断时，控制第三开关和第四开关同时导通。

进一步的，所述直流-直流转换电路的输出电压VX=VO1-VO2，则

VX=VIN.(2D-1)/(1-D)

其中，VX为输出电压的电压值，VIN为电压输入端的电压值，D为驱动信号的占空比，VO1为第一电压输出端VO1的电压值，VO2为第二电压输出端的电压值且等于电压输入端的电压值VIN。

进一步的，所述占空比控制电路输出的驱动信号包括第一驱动信号和第二驱动信号，所述第一驱动信号与第一开关的控制端和第二开关的控制端相连,，以控制第一开关和第二开关同时导通或者同时关断；第二驱动信号与第三开关的控制端和第四开关的控制端相连，以控制第三开关和第四开关同时导通或者同时关断。

进一步的，所述四个开关都为MOS晶体管，第一驱动信号和第二驱动信都为时钟信号。

进一步的，所述第一驱动信号和第二驱动信号的相位相反，且所述第一驱动信号和第二驱动信号之间存在死区时间，以避免所述四个开关同时导通。

与现有技术相比，本发明提供一种直流-直流转换电路，其输出电压可以为正电压也可以为负电压，以满足有时需要正电压有时又需要负电压的电路系统的需要，且电路结构简单，从而节省电路的设计和制造成本。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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它的附图。其中：

图1为现有技术中的一种降压型直流-直流转换器的电路示意图；

图2为现有技术中的一种产生负电压的直流-直流转换器的电路示意图；

图3为本发明在一个实施例中的直流-直流转换电路的示意图；

图4为本发明在另一个实施例中的直流-直流转换电路的示意图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。

请参考图3所示，其为本发明在一个实施例中的直流-直流转换电路的示意图。所述直流-直流转换电路包括电压输入端VIN、第一电压输出端VO1、第二电压输出端VO2、第一开关S1、第二开关S2，第一二极管D1、第二二极管D2、电感L1、电容C1和占空比控制电路210。

电压输入端VIN与第二电压输出端VO2直接相连；电容C1连接于第一电压输出端VO1和第二电压输出端VO2之间；第一开关S1和第一二极管D1串联于电压输入端VIN和地节点之间，其中第一二极管D1的正极接地；第二二极管D2和第二开关S2串联于第一电压输出端VO1和地节点之间，其中第二二极管D2的阴极接第一电压输出端VO1；电感L1连接于第一开关S1和第一二极管D1的负极之间的连接节点与第二开关S2和第二二极管D2的正极之间的连接节点之间。

所述占空比控制电路210输出驱动信号DRV给所述第一开关S1的控制端和第二开关S2的控制端，以驱动第一开关S1和第二开关S2同时导通或者关断。具体为，当所述驱动信号DRV为第一电平时，所述占空比控制电路驱动开关S1和S2同时导通，当所述驱动信号DRV为第二电平时，所述占空比控制电路驱动开关S1和S2同时关断。驱动信号DRV的开关占空比为D，其等于一个驱动信号DRV周期（即开关周期）中的第一电平（即驱动开关S1导通的电平信号）持续时间与该驱动信号DRV周期的比值，且0＜D＜1。

图3所示的直流-直流转换电路的输出电压为所述第一电压输出端VO1与第二电压输出端VO2之间的电压差，可以将转子连接于第一电压输出端VO1和第二电压输出端VO2之间，由该直流-直流转换电路产生的输出电压驱动转子转动。

以下介绍图3所示的直流-直流转换电路的工作原理。

当所述占空比控制电路210驱动开关S1和S2同时导通时，由电压输入端VIN的电压（即输入电压VIN）对电感L1进行储能；当所述占空比控制电路210驱动开关S1和S2同时关断时，第一二极管D1和第二二极管D2导通，电感L1释放能量。

假设图3所示的直流-直流转换电路的输出电压VX=VO1-VO2，

则VO1=VO2+VX=VIN+VX(1)

根据稳态下，电感伏-秒平衡法则可知：

D.VIN+(1-D).[-(VIN+VX)]=0(2)

联合公式(1)、(2)求解可得:

VX=VIN.(2D-1)/(1-D)(3)

其中，VX为输出电压的电压值，VIN为电压输入端VIN的电压值，D为驱动信号DRV的占空比，VO1为第一电压输出端VO1相对于地节点的电压值，VO2为第二电压输出端VO2相对于地节点的电压值（其等于电压输入端VIN的电压值）。

由公式（3）可知：当0＜D＜1/2时，VX/VIN为负值，表示输出电压VX为负电压；当D=1/2时，输出电压VX为零；当1/2＜D＜1时，VX/VIN为正值，表示输出电压VX为正电压，其中，若1/2＜D＜2/3时，0<VX/VIN<1，表述输出电压VX小于电压输入端VIN的电压值，所述直流-直流转换电路产生降压效果；当2/3＜D＜1时，VX/VIN>1，表述输出电压VX大于电压输入端VIN的电压值，所述直流-直流转换电路产生过升压效果。

综上可知，图3所示的直流-直流转换电路可以通过改变所述驱动信号DRV的开关占空比，以使其输出电压VX可以为正电压或者为负电压，且通过改变所述驱动信号DRV的开关占空比可以改变其输出电压VX与输入电压VIN的比值。

请参考图4所示，其为本发明在另一个实施例中的直流-直流转换电路的示意图。与图3相比其区别在于，将第一二极管D1和第二二极管D2分别替换为第三开关S3和第四开关S4，且所述占空比控制电路220输出的驱动信号控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4的导通或关断，其中，在控制第一开关S1和第二开关S2同时导通时，控制第三开关S3和第四开关S4同时关断；在控制第一开关S1和第二开关S2同时关断时，控制第三开关S3和第四开关S4同时导通。具体为，所述占空比控制电路220输出的驱动信号包括第一驱动信号DRV1和第二驱动信号DRV2，其中，第一驱动信号DRV1与第一开关S1的控制端和第二开关S2的控制端相连,，以控制第一开关S1和第二开关S2同时导通或者同时关断；第二驱动信号DRV2与第三开关S3的控制端和第四开关S4的控制端相连，以控制第三开关S3和第四开关S4同时导通或者同时关断。

图4所示的直流-直流转换电路的工作原理与图3所述相同，当所述占空比控制电路220控制第一开关S1和第二开关S2同时导通，且控制第三开关S3和第四开关S4同时关断时，电感L1储能；当所述占空比控制电路220控制第一开关S1和第二开关S2同时关断，且控制第三开关S3和第四开关S4同时导通时，电感L1释放能量。理想情况下，其输出电压VX仍遵循公式(3)。由于开关S3和S4的导通损耗比图3中的二极管D1和D2的导通损耗低，因此，图4实施方式比图3实施方式的转换效率更高。

在一个具体实施例中，开关S1-S4都为MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)晶体管，第一驱动信号DRV1和第二驱动信DRV2都为时钟信号，所述第一驱动信号DRV1和第二驱动信号DRV2的相位相反，且所述第一驱动信号DRV1和第二驱动信号DRV2之间存在死区时间，以避免开关S1-S4同时导通。

综上所述，本发明中的直流-直流转换电路包括电压输入端VIN、第一电压输出端VO1、第二电压输出端VO2，第一开关S1和第二开关S2，第一二极管D1和第二二极管D2，电感L1，电容C1和占空比控制电路210。理想情况下，VX=VIN.(2D-1)/(1-D)，其中，VX为输出电压的电压值，VIN为电压输入端VIN的电压值，D为驱动信号DRV1的占空比，VO1为第一电压输出端VO1相对于地节点的电压值，VO2为第二电压输出端相对于地节点的电压值（其等于输入电压VIN的电压值）。与现有技术相比，本发明中的直流-直流转换电路可以通过改变所述驱动信号DRV的开关占空比，以使其输出电压VX可以为正电压或者为负电压，以满足有时需要正电压有时又需要负电压的电路系统的需要，且电路结构简单，从而节省电路的设计和制造成本。

本发明中的在本发明中，“连接”、相连、“连”、“接”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。

需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (9)

1.一种直流-直流转换电路，其特征在于，其包括电压输入端、第一电压输出端、第二电压输出端、第一开关、第二开关、第一二极管、第二二极管、电感、电容和占空比控制电路，

电压输入端与第二电压输出端相连；电容连接于第一电压输出端和第二电压输出端之间；第一开关和第一二极管串联于电压输入端和地节点之间；第二二极管和第二开关串联于第一电压输出端和地节点之间；电感连接于第一开关和第一二极管的负极之间的连接节点与第二开关和第二二极管的正极之间的连接节点之间，

所述占空比控制电路输出驱动信号给所述第一开关的控制端和第二开关的控制端，以驱动第一开关和第二开关同时导通或者同时关断。

2.根据权利要求1所述的直流-直流转换电路，其特征在于，

所述直流-直流转换电路的输出电压VX＝VO1-VO2，则

VX＝VIN*(2D-1)/(1-D)，

其中，VX为输出电压的电压值，VIN为电压输入端的电压值，D为驱动信号的占空比，VO1为第一电压输出端的电压值，VO2为第二电压输出端的电压值且等于电压输入端的电压值VIN。

3.根据权利要求2所述的直流-直流转换电路，其特征在于，当0＜D＜1/2时，输出电压VX为负电压；当D＝1/2时，输出电压VX为零；当1/2＜D＜1时，输出电压VX为正电压。

4.根据权利要求3所述的直流-直流转换电路，其特征在于，当1/2＜D＜2/3时，输出电压VX小于电压输入端的电压值VIN；当2/3＜D＜1时，输出电压VX大于电压输入端的电压值VIN。

5.一种直流-直流转换电路，其特征在于，其包括电压输入端、第一电压输出端、第二电压输出端、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、电感、电容和占空比控制电路，

电压输入端与第二电压输出端相连；电容连接于第一电压输出端和第二电压输出端之间；第一开关和第三开关串联于电压输入端和地节点之间；第四开关和第二开关串联于第一电压输出端和地节点之间；电感连接于第一开关和第三开关之间的连接节点与第二开关和第四开关之间的连接节点之间，

所述占空比控制电路输出驱动信号控制第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的导通或关断，其中，在控制第一开关和第二开关同时导通时，控制第三开关和第四开关同时关断；在控制第一开关和第二开关同时关断时，控制第三开关和第四开关同时导通。

6.根据权利要求5所述的直流-直流转换电路，其特征在于，

所述直流-直流转换电路的输出电压VX＝VO1-VO2，则

VX＝VIN*(2D-1)/(1-D)

其中，VX为输出电压的电压值，VIN为电压输入端的电压值，D为驱动信号的占空比，VO1为第一电压输出端的电压值，VO2为第二电压输出端的电压值且等于电压输入端的电压值VIN。

7.根据权利要求5所述的直流-直流转换电路，其特征在于，所述占空比控制电路输出的驱动信号包括第一驱动信号和第二驱动信号，

所述第一驱动信号与第一开关的控制端和第二开关的控制端相连，以控制第一开关和第二开关同时导通或者同时关断；第二驱动信号与第三开关的控制端和第四开关的控制端相连，以控制第三开关和第四开关同时导通或者同时关断。

8.根据权利要求7所述的直流-直流转换电路，其特征在于，第一开关、第二开关、第三开关和第四开关都为MOS晶体管，第一驱动信号和第二驱动信都为时钟信号。

9.根据权利要求8所述的直流-直流转换电路，其特征在于，所述第一驱动信号和第二驱动信号的相位相反，且所述第一驱动信号和第二驱动信号之间存在死区时间，以避免第一开关、第二开关、第三开关和第四开关同时导通。