CN103731027B - 单级降压转换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单级降压转换电路，包括：一降压装置；一半导体元件，耦接该降压装置；一第一谐振电路，耦接该半导体元件，用以调整动作时间常数；以及一第二谐振电路，耦接该第一谐振电路，用以抑制涟波。

Description

单级降压转换电路
技术领域
本发明为一种单级降压转换电路，尤其是一种具有输入快速响应、低涟波输出电流与较长电路使用寿命的单级降压转换电路。
背景技术
由于降压型转换器的储能元件电感器感值其大小，将影响输入电流的响应速度以及输出电流涟波，若储能元件电感器的感值较小时，降压型转换器的输入电流响应速度较快，但是输出电流涟波较大，反之，若储能元件电感器的感值较大时，降压型转换器的输入电流响应速度较慢，但是可得到较小的输出电流涟波。源此，传统降压型转换器常使用较小感值的电感器与较大容值的输出电容器，以期达到较快的输入电流响应速度与较低输出电流涟波，然而较大容值的电容器，则必须使用电解电容，但是电解电容容易受到开关切换与温度等外在环境因素影响，使得其寿命较短，进而缩短转换器的使用寿命。
传统非隔离型降压型转换器中，如图1所示的理想降压(Buck)转换器为最基本传统降压型转换器，主要是由控制IC、开关元件、二极管、储能电感以及电容所组成。其动作原理为：当功率晶体(M)导通时，此时电压源对储能电感充电，同时对电容C充电并提供能量至输出负载，当功率晶体(M)截止时，储能电感将其储能经由二极管D对电容C充电，同时提供能量至输出负载。
图2所示为目前普遍使用的传统返驰式转换器，主要应用在100W以下的隔离型降压型转换器，由于电路简单成本低，电路中的返驰变压器又能兼作储能使用，且次级端仅需一个二极管及一个电容器，单从成本的角度来说，返驰式转换器电路在市场上极具竞争力。返驰式转换器电路主要是由控制IC、功率晶体(M)、返驰变压器(T)、二极管D、电容器(C)组成：通过控制IC来控制功率晶体(M)的导通与截止，经过返驰变压器的磁化电感进行储能与释能，并配合次级侧的二极管和电容，进行输出电压的整流与滤波，如此即可得到直流电压的输出，其基本动作原理为：该电路中通过返驰变压器T使其具有电气隔离、变压和储能电感的三重功能，从严谨的角度上来说，返驰变压器并非真正的变压器，而是耦合电感器。通过控制功率晶体(M)的导通与截止，将储存于返驰变压器的能量传递给次级侧，经由二极管对电容C充电，并维持直流电压于设定值。当功率晶体(M)导通时，此时电压源Vin对返驰变压器充电，并使二极管D反向偏压，同时电容C提供能量至输出端。当功率晶体(M)截止时，返驰变压器将能量经由二极管对电容C充电提供能量至输出端。
发明内容
在一实施例中，本发明提供一种单级降压转换电路，包括：一降压装置；一半导体元件，耦接该降压装置；一第一谐振电路，耦接该半导体元件，用以调整动作时间常数；以及一第二谐振电路，耦接该第一谐振电路，用以抑制涟波。
本发明通过LC共振电路计时方式，以控制电路结构改变的动作时间，且不需要主动元件可自动改变电路结构，且无需控制能量可自动平衡，可简化电路设计。另外，本发明具有负电压源特性，可克服负载电压的电位障壁问题，如LED顺向导通电压以及主动功因校正电路的零交越失真(Zero Crossing Distortion)，亦可实现共享储能与滤波元件的电路设计方式，达到输入快速响应、低涟波输出以及长寿命的有益效果。
附图说明
图1是基本传统降压型转换器；
图2是传统返驰式转换器；
图3是根据本发明一实施例的一单级降压转换器；
图4是应用本发明的一示例；
图5是图4的电路操作于工作模式一的示意图；
图6是图4的电路操作于工作模式二的示意图；
图7是图4的电路操作于工作模式三的示意图；以及
图8是代入表一的元件参数所得到的模拟波形。
【主要元件符号说明】
11 降压装置
12 半导体元件
13 第一谐振电路
14 第二谐振电路
Vin、VL1、VL2、VL3、VC1、VC2、Vo 电压
iL1、iL2、iL3、iD1、iD2、io 电流
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图3是根据本发明一实施例的一单级降压转换器。该单级降压转换器包括：一降压装置11、一半导体元件12、一第一谐振电路13与一第二谐振电路14。该半导体元件12可为一二极管，其用以控制降压电路动作，以改变降压电路结构，以改变降压电路向应速度与输出涟波。该第一谐振电路13，其耦接该半导体元件12，用以调整动作时间常数。该第二谐振电路14，耦接该第一谐振电路13，用以抑制涟波。且该降压装置11亦可为一降压转换器。
图4是应用本发明的一示例。在本示例中，该降压装置11包括一晶体管S、一第一二极管D1，其耦接该晶体管S以及一第一电感L1，其耦接该晶体管S，且与该第一二极管D1并联。该半导体元件12为一二极管D2。该第一谐振电路13包括一第一电容C1与一第二电感L2，且该第一电容C1与该第二电感L2并联，且该第一谐振电路13更包括一第二二极管D3，其耦接该第一电容C1，并与该第二电感串联L2。该第二谐振电路14更包括一第二电容C2与一第三电感L3，且该第二电容C2与该第三电感L3并联，且该第二谐振电路14更包括一第三二极管D4，其耦接该第二电容C2，并与该第三电感L3串联。前述的第二谐振电路14更包括一负载Load，其耦接该第二电容C2，并与该第三二极管D4串联。在本示例中，假设所有的电路元件均为理想，且负载为电阻R，其工作原理如下：
工作模式一：当功率晶体S导通时，电路进入工作模式一，输入电压Vin开始对第一电感L1与第一电容C1、第二电感L2、第三电感L3以及第二电容C2充电，同时提供能量至负载Load，如图5所示。而当第二二极管D3导通时，此时本发明的单级降压转换电路即进入工作模式二。
工作模式二：当晶体管S截止时，单级降压转换电路进入工作模式二，第一电感L1经过第一二极管D1进行充放电路释能，且第一电容C1与第二电感L2共振将能量快速传送至第二电容C2与第三电感L3，由此抑制因输入能量增加时造成的输出电流涟波，当二极管D2导通时，此时本发明的单级降压转换电路即进入工作模式三，如图6所示。
工作模式三：当二极管D2导通时，单级降压转换电路进入工作模式三，此时第一电容C1、第二电感L2经由二极管D2构成回路，配合第二电容C2与第三电感L3将储存能量传送至负载Load，抑制因输入能量停止时造成的输出电流涟波，如图7所示，当晶体管S再度导通时，即完成本发明的单级降压转换电路的一周期动作。
图8是代入表一的元件参数所得到的模拟波形。如图8所示，PWM为本发明的单级降压转换电路的控制信号、本发明的单级降压转换电路VOA为本发明的单级降压转换电路的输出电压、VOB为传统降压转换电路的输出电压、iL1为第一电感L1电流、iL为传统降压转换电路的电感器L的电流、iL2为第二电感L2电流、VC1为第一电容C1的电压、iOA为输出电流、iOB为传统降压转换电路的输出电流以及iD1与iD2为二极管D1与D2的电流。如图8所示，本发明的单级降压转换电路的输出电流涟波为1.3mA，而传统降压转换电路的输出电流涟波为21.8mA，因此，可得到传统降压转换电路的输出电流涟波为本发明电路的输出电流涟波的16.77倍。此外，由图8的模拟结果也可得到本发明的单级降压转换电路中电感器L1的电流iL1，当开关导通时iL1上升速率大于传统降压转换电路的电感器L的电流iL的上升速率，由此可知本发明的单级降压转换电路具有输入较快速的响应特性。
本发明所提出的单级降压转换电路，其主要电路架构为整合降压(Buck)转换器与电流型自动电荷抽放(Auto Charge Pump)电路，通过参数设计以及LC共振电路作用，使得电路具有可变电路结构特性，实现共享储能与滤波元件的电路设计方式，进而达到具有输入快速响应、低涟波输出电流与延长电路使用寿命。本发明电路结合电容器C1与电感器L2并联电路、另一个电容器C2、另一个电感器L3以及三个二极管，构成电流型自动电荷抽放电路，通过自动电荷抽放电路动作，可使得电感器L2、电感器L3、电容器C1与电容器C2间储存能量达到平衡。本发明通过电路设计与共振电路作用，使得各个电容与电感的充放电时间常数为所需值，进而控制二极管导通时间与电容的放电时间。此外，本发明电路工作于能量输入模式时，储能元件的电感器L1与L2则为储能元件，由于电流型自动电荷抽放电路作用，使得电容器C1上的跨压反转成为-Vo，因此可使输入电流具有更快速响应。另外，由于电容器C2的容值大于电容器C1的容值，所以输入电压通过电容分压原理，将大部分跨于电容器C1上，由此降低输出入电流造成的输出电流涟波。另外，当本发明电路工作于能量输入模式时，该电路的输入电流具有快速响应；而当电路工作于能量输出模式时，该电路的输出电压具有较低输出涟波，因此电路设计可使用较小容值的电容器，以避免使用电解电容，进而延长电路使用寿命。或者是，本发明电路的电路参数设计可选用感值较小的储能电感，使得电路具有输入快速响应，且通过自动改变电路结构的特性，输出滤波电路可共享电路的储能与滤波元件，以改变输出滤波电路的动作时间常数，使得电路具有低涟波输出电流，进而在电路设计上，得以避免使用电解电容，延长转换器的工作年限。
总而言之，本发明通过LC共振电路计时方式，以控制电路结构改变的动作时间，且不需要主动元件可自动改变电路结构，且无需控制能量可自动平衡，可简化电路设计。另外，本发明具有负电压源特性，可克服负载电压的电位障壁问题，如LED顺向导通电压以及主动功因校正电路的零交越失真(Zero Crossing Distortion)，亦可实现共享储能与滤波元件的电路设计方式，达到输入快速响应、低涟波输出以及长寿命的效果。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种单级降压转换电路，其特征在于，包括：
一降压装置；
一半导体元件，耦接该降压装置；
一第一谐振电路，耦接该半导体元件，用以调整动作时间常数；以及
一第二谐振电路，耦接该第一谐振电路，用以抑制涟波；
其中该降压装置更包括：一晶体管、一第一二极管及一第一电感；该第一二极管的阴极连接至该晶体管的一端及该第一电感的一端；
其中，该第一谐振电路更包括一第一电容、一第二电感和一第二二极管，且该第二电感的一端连接至该第一电容的一端，该第二电感的另一端连接至该第二二极管的阴极，该第一电容的另一端连接至该第二二极管的阳极；
其中，该第二谐振电路更包括一第二电容、一第三电感和一第三二极管，且该第三电感的一端连接至该第二电容的一端，该第三电感的另一端连接至该第三二极管的阴极，该第二电容的另一端通过一负载连接至该第三二极管的阳极；
其中，该晶体管导通后，输入电压开始对该第一电感、该第一电容、该第二电感、该第三电感和该第二电容充电；
该晶体管截止时，该第一电感经过该第一二极管进行充放电路释能，且该第一电容和该第二电感共振将能量传送至该第二电容和该第三电感；以及
该半导体元件导通时，该第一电容和该第二电感经由该半导体元件构成回路。
2.如权利要求1所述的单级降压转换电路，其中该第二谐振电路更包括一负载，其耦接该第二电容，并与该第三二极管串联。
3.如权利要求2所述的单级降压转换电路，其中该半导体元件为二极管，且用于控制降压电路动作，以改变降压电路结构，以改变降压电路响应速度与输出涟波。
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