CN104092370B - 一种自激式Boost电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自激式Boost电路,包括第一耦合电感、第一电阻、PI调节电路、场效应晶体管、第一电容、第一二极管、控制电路、自激驱动电路、第三电阻、第十电阻、以及第十一电阻。PI调节电路用于实现输出电压高稳定度的控制,同时保证整个自激式Boost电路的稳定。控制电路用于将PI调节电路的输出信号与第三电阻两端的电压处理后,实现对场效应晶体管关断时刻的控制。本发明的电路能够通过降低输出电压,实现对Boost电路和负载的保护,输出电压调整率更好,即使在温度变化范围很大的场合中也能保证变换器稳定的输出电压。

Description

一种自激式Boost电路
技术领域
本发明涉及直流-直流变换器,应用于中小功率直流电源领域,具体地,涉及一种自激式Boost电路。
背景技术
在中小功率应用场合,与他激式DC/DC变换器和线性稳压电路相比,自激式DC/DC变换器具有电路简单、元器件少、效率高、成本低等显著优点。
目前,自激式Boost变换器的主场效应晶体管一般采用双极型晶体管实现,通过对升压电感增加辅助绕组实现对场效应晶体管的开通控制;通过对输出电压采样后的信号与三极管的基极电压进行比较,通过一定的电路实现对场效应晶体管的关断控制,进而达到输出电压稳定的目的。例如,申请号为201110374766.2的中国专利申请公开了一种自激式Boost变换器电路,如图1所示,Vi、Vo分别为变换器的直流输入、输出电压。由N型场效应晶体管M1、二极管D、电感L、电容Ci和Co构成Boost变换器的主电路。输入电容Ci与输入电源Vi并联,输出电容Co两端的电压为直流输出电压Vo。
该电路的不足之处在于:输出电压通过电阻R6和电阻R7分压后与晶体管的基极电压比较,实现输出电压的稳定,而晶体管的导通电压在环境温度变化时变化很大,导致该电路的输出电压稳定度不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,针对现有技术的不足,提供一种自激式Boost电路,以解决现有的自激Boost电路输出电压稳定度不够的问题。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案包括:
一种自激式Boost电路,其特征在于,包括:第一耦合电感、第一电阻、PI调节电路、场效应晶体管、第一电容、第一二极管、控制电路、自激驱动电路、第三电阻、第十电阻、以及第十一电阻,其中,第一耦合电感的同名端和第一电阻的一端并联连接至外部输入电源的正极端,第一耦合电感的异名端连接至场效应晶体管的漏极,第一电阻的另一端与场效应晶体管的门极连接;第一二极管的阳极端连接至场效应晶体管的漏极,其阴极端通过第一电容连接至外部输入电源的负极端;第三电阻的一端与场效应晶体管的源极相连,另一端连接至外部输入电源的负极端;第十电阻的一端连接至第一二极管的阴极端,其另一端与第十一电阻的一端串接,而第十一电阻的另一端连接至外部输入电源的负极端;
所述自激驱动电路包括第二耦合电感、第二电容、第二电阻、及第二二极管,其中,第二耦合电感与第一耦合电感采用同一磁芯,第二耦合电感的同名端顺序地与第二电容、第二电阻串联后连接于第二二极管的阴极端,第二耦合电感的异名端与第二二极管的正极端并联连接至外部输入电压的负极端;所述PI调节电路的输入端连接于第十电阻与第十一电阻之间,PI调节电路的输出端与控制电路的第一输入端相连,PI调节电路还与第一二极管的阴极端相连,PI调节电路用于实现输出电压高稳定度的控制,同时保证整个自激式Boost电路的稳定;所述控制电路的第一输入端连接于PI调节电路的输出端,控制电路的第二输入端连接至场效应晶体管的源极,控制电路的输出端连接在场效应晶体管的门极与外部输入电源的负极端之间,控制电路还与第一二极管的阴极端相连,控制电路用于将PI调节电路的输出信号与第三电阻两端的电压处理后,实现对场效应晶体管关断时刻的控制。
进一步地,所述PI调节电路包括基准稳压器、第三电容、第八电阻及第九电阻,其中,第三电容与第八电阻串联后接于基准稳压器的基准端与阴极端之间;第九电阻的两端分别连接于第一二极管的阴极端与基准稳压器的阴极端之间;并且基准稳压器的基准端作为所述PI调节电路的输入端,基准稳压器的阴极端作为所述PI调节电路的输出端。
进一步地,控制电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、NPN型三极管、以及PNP型三极管,其中,第四电阻的一端作为所述控制电路的第二输入端连接至场效应晶体管的源极;第四电阻的另一端与第五电阻的一端共同连接至NPN型三极管的基极;NPN型三极管的发射极作为所述控制电路的第一输出端连接至外部输入电源的阴极端,其集电极作为所述控制电路的第二输出端连接至场效应晶体管的门极;第五电阻的另一端连接至PNP型三极管的发射极;第六电阻的一端和第七电阻的一端共同连接至PNP型三极管的基极,第六电阻的另一端连接至PNP型三极管的集电极,而第七电阻的另一端作为所述控制电路的第一输入端连接至所述PI调节电路的输出端。
与现有技术相比,根据本发明的自激式Boost电路具备有益的技术效果:
(1)在本发明的PI调节电路中,采用基准稳压器实现对输出电压的反馈和闭环控制,比现有自激Boost变换技术控制更稳定,输出电压调整率更好,即使在温度变化范围很大的场合中也能保证变换器稳定的输出电压。
(2)在本发明的自激驱动电路中,通过耦合电感实现电路中场效应晶体管的开通控制,在该部分电路中增加了一个二极管,使耦合电感在场效应晶体管关断后能够为驱动电容第二电容C2充电,进而减少了耦合电感的匝数,自激电路更容易实现。
(3)本发明利用电流采样电阻对Boost主电路电流进行采样并与PI调节电路相结合进行控制,当主电路发生过流或者短路故障时,能够通过降低输出电压,实现对Boost电路和负载的保护。
附图说明
图1为现有技术中的自激式Boost变换器的电路图;
图2为根据本发明的自激式Boost电路的电路示意图;
图3为根据本发明的自激式Boost电路的工作原理图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的自激式Boost电路做进一步详细的说明。
如图2所示,根据本发明的自激式Boost电路包括第一耦合电感L1、第一电阻R1、PI调节电路1、场效应晶体管V1、第一电容C1、第一二极管D1、控制电路2、自激驱动电路3、第三电阻R3、第十电阻R10、以及第十一电阻R11。
第一耦合电感L1的同名端和第一电阻R1的一端并联连接至外部输入电源的正极端,第一耦合电感L1的异名端连接至场效应晶体管V1的漏极,第一电阻R1的另一端与场效应晶体管V1的门极连接;第一二极管D1的阳极端连接至场效应晶体管V1的漏极,其阴极端通过第一电容C1连接至外部输入电源的负极端;第三电阻R3的一端与场效应晶体管V1的源极相连,另一端连接至外部输入电源的负极端;第十电阻R10的一端连接至第一二极管D1的阴极端,其另一端与第十一电阻R11的一端串接,而第十一电阻R11的另一端连接至外部输入电源的负极端。
在根据本发明的电路中,Vi(即外部输入电源)和Vo(即第十电阻和第十一电阻两端的电压)分别为变换器(即本发明的自激式BOOST电路)的输入、输出电压。第一耦合电感L1、第一电容C1、第一二极管D1、场效应晶体管V1构成Boost主电路。在Boost主电路中,第三电阻R3串联在场效应晶体管V1的源极与外部输入电源的负极之间。其中,第三电阻R3的与场效应晶体管V1的源极相连的一端与分压电阻第四电阻R4相连后与Q1的基极相连,利用第三电阻R3实现对变换器主电路电流的采样。
PI调节电路1用于实现输出电压高稳定度的控制,同时保证整个自激式Boost电路的稳定。PI调节电路1的输入端连接于第十电阻R10与第十一电阻R11之间,PI调节电路1的输出端与控制电路2的第一输入端相连,PI调节电路1还与第一二极管D1的阴极端相连。
具体地,在如图2所示的具体实施例中,PI调节电路包括基准稳压器Z2、第三电容C3、第八电阻R8及第九电阻R9。其中,第三电容C3与第八电阻R8串联后接于基准稳压器Z2的基准端与阴极端之间;第九电阻R9的两端分别连接于第一二极管D1的阴极端与基准稳压器Z2的阴极端之间;并且基准稳压器Z2的基准端作为所述PI调节电路的输入端,基准稳压器Z2的阴极端作为所述PI调节电路的输出端。控制电路2的第一输入端连接于PI调节电路的输出端,控制电路2的第二输入端连接至场效应晶体管V1的源极,控制电路2的输出端连接在场效应晶体管V1的门极与外部输入电源的负极端之间,控制电路2还与第一二极管D1的阴极端相连,控制电路2用于将PI调节电路1的输出信号与第三电阻R3两端的电压处理后,实现对场效应晶体管V1关断时刻的控制。
在如图2所示的PI调节电路中,第八电阻R8和第三电容C3串联连接于基准稳压器Z2的基准端与阴极端之间,用于实现输出电压反馈的控制,实现输出电压的稳定。基准稳压器Z2的基准端和第三电容C3一起与输出分压电阻第十电阻R10相连。基准稳压器Z2的阴极端通过第七电阻R7与PNP三极管Q2的基极相连。第九电阻连接于第一二极管(D1)的阴极端与基准稳压器Z2的阴极之间。基准稳压器的阳极直接接于Boost主电路中,从而保证基准稳压器的供电,这部分电路可以实现场效应晶体管V1的关断时刻控制。
自激驱动电路3包括第二耦合电感L2、第二电容C2、第二电阻R2、及第二二极管D2。其中,第二耦合电感L2与第一耦合电感L1采用同一磁芯,第二耦合电感L2的同名端顺序地与第二电容C2、第二电阻R2串联后连接于第二二极管D2的阴极端,第二耦合电感L2的异名端与第二二极管D2的正极端并联连接至外部输入电压的负极端。
自激驱动电路的两端(即第二二极管D2的负极端和正极端)分别与NPN型三极管Q1的集电极和发射极相连。第二耦合电感L2和第一耦合电感L1采用同一磁芯。第二耦合电感L2的异名端侧与外部输入电压的负极相连,第二耦合电感L2的标记同名端与电容C2和电阻R2串联后接于第二二极管D2的阴极,实现对场效应晶体管的开通时刻控制。
控制电路包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、NPN型三极管Q1、以及PNP型三极管Q2,其中,第四电阻R4的一端作为所述控制电路的第二输入端连接至场效应晶体管V1的源极;第四电阻R4的另一端与第五电阻R5的一端共同连接至NPN型三极管Q1的基极;NPN型三极管Q1的发射极作为所述控制电路的第一输出端连接至外部输入电源的阴极端,其集电极作为所述控制电路的第二输出端连接至场效应晶体管V1的门极;第五电阻R5的另一端连接至PNP型三极管Q2的发射极;第六电阻R6的一端和第七电阻R7的一端共同连接至PNP型三极管Q2的基极,第六电阻R6的另一端连接至PNP型三极管Q2的集电极,而第七电阻R7的另一端作为所述控制电路的第一输入端连接至所述PI调节电路的输出端。
上述的PNP型三极管Q2的发射极通过第五电阻R5与NPN型三极管Q1的基极相连,三极管Q2的基极通过第六电阻R6与输出电压正极相连,三极管Q2的集电极连接于Boost主电路中。三极管Q1的集电极和发射极分别与自激驱动电路的两端相连。场效应晶体管的栅极与输入电压的正极端之间连接有第一电阻R1。
下面结合图3说明根据本发明的自激式Boost电路的工作原理:
t0时刻,输入电压Vi接入电源,第一二极管D1导通,输出电压Vo与输入电压Vi相等。输入电压通过第一电阻R1为场效应晶体管V1提供驱动电压,第二电容C2充电,达到场效应晶体管V1的开启门限电压后,场效应晶体管V1导通,加在第一耦合电感L1上的电压为Vi,耦合后第二耦合电感L2的标记同名端侧电压为正,该电压与第二电容C2上的电压叠加,维持场效应晶体管V1的导通,此后第一耦合电感L1进入储能阶段,其电流上升,输出电压Vo维持在输入电压Vi,通过第九电阻为采样反馈后基准稳压器Z2供电,采样电阻第三电阻R3两端的电压上升,即PNP型三极管Q2的基极与发射极间电压逐渐增加。
t1时刻,PNP型三极管Q2的基极与发射极间电压大于三极管Q2的开启电压,
PNP型三极管Q2导通,MOSFET场效应晶体管V1截止,第一二极管D1继续导通;此后,第一耦合电感L1中电流通过第一二极管D1释放能量,为负载供电,同时第一电容C1开始充电,输出电压Vo逐渐增加,第一耦合电感L1持续放电。
t2时刻,第一耦合电感L1中电流完全释放,电流完成了一个自激周期的工作,此后,输入电压通过第一电阻R1为场效应晶体管V1提供驱动电压,电路重复t0-t2阶段工作模式。每一个自激周期都会使输出电压Vo有一定的提高。
t3时刻,输出电压Vo经过若干周期的增加,达到设定值。基准稳压器阴极电流增加,基准稳压器Z2的阴极与阳极之间的电压Vk电压由输出电压值迅速下降,第九电阻上电压增加,第六电阻R6上分得电压增加,PNP型三极管Q2导通并工作于放大状态,分压电阻第四电阻R4上分得电压增加,该电压与采样电阻第三电阻R3上的电压叠加,使NPN型三极管Q1导通,场效应晶体管V1关断。
此后,理想情况下输出电压稳定,当输出电压变高超过设定值时,基准稳压器阴极电流增加,基准稳压器Z2的阴极与阳极之间的电压Vk电压下降,第九电阻R9上的电压增加,第六电阻R6上分得的电压增加,PNP型三极管Q2的导通能力加强,PNP型三极管Q2集电极的电流增大,分压电阻第五电阻R5上分得的电压增加,第三电阻R3上采样的电压三角波斜率不变,则叠加后的电压Vbe增加,三极管Q1导通时刻提前,进而变换器占空比减小,使输出电压降低;当输出电压降低时,基准稳压器Z2基极电流减小,基准稳压器Z2的阴极与阳极之间的电压Vk增加,则第六电阻R6上分得的电压减小,PNP型三极管Q2的导通能力下降,集电极电流减小,分压电阻第四电阻R4的电压下降,第三电阻R3从主电路上采样的三角波斜率仍然不变,则叠加后的电压减小,三极管Q1饱和导通时刻滞后,进而变换器占空比增加,使输出电压增加,最终变换器达到输出电压稳定的状态。由于基准稳压器Z2内部基准特别稳定,能够保证变换器在高低温等环境恶劣条件下具有稳定的输出电压。
本电路具有电流保护功能,通过改变第三电阻R3的值,可以实现对过流保护点的设定。当主电路电流增大时,第三电阻R3上压降增加,当第三电阻R3上的电压足以开启三极管Q1时,进入电流保护状态,之后负载电流继续增大,输出电压随之降低,直到输出电压恒定,此时电路工作在输出短路保护状态。
在此,需要说明的是,本说明书中未详细描述的内容,是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的,因此,不做赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说,在不付出创造性劳动的前提下,可以对本发明做出若干的修改和替换,所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种自激式Boost电路,其特征在于,包括:第一耦合电感(L1)、第一电阻(R1)、PI调节电路(1)、场效应晶体管(V1)、第一电容(C1)、第一二极管(D1)、控制电路(2)、自激驱动电路(3)、第三电阻(R3)、第十电阻(R10)、以及第十一电阻(R11),其中,
第一耦合电感(L1)的同名端和第一电阻(R1)的一端并联连接至外部输入电源的正极端,第一耦合电感(L1)的异名端连接至场效应晶体管(V1)的漏极,第一电阻(R1)的另一端与场效应晶体管(V1)的门极连接;第一二极管(D1)的阳极端连接至场效应晶体管(V1)的漏极,其阴极端通过第一电容(C1)连接至外部输入电源的负极端;第三电阻(R3)的一端与场效应晶体管(V1)的源极相连,另一端连接至外部输入电源的负极端;第十电阻(R10)的一端连接至第一二极管(D1)的阴极端,其另一端与第十一电阻(R11)的一端串接,而第十一电阻(R11)的另一端连接至外部输入电源的负极端;
所述自激驱动电路(3)包括第二耦合电感(L2)、第二电容(C2)、第二电阻(R2)、及第二二极管(D2),其中,第二耦合电感(L2)与第一耦合电感(L1)采用同一磁芯,第二耦合电感(L2)的同名端顺序地与第二电容(C2)、第二电阻(R2)串联后连接于第二二极管(D2)的阴极端,第二耦合电感(L2)的异名端与第二二极管(D2)的正极端并联连接至外部输入电压的负极端;
所述PI调节电路(1)的输入端连接于第十电阻(R10)与第十一电阻(R11)之间,PI调节电路(1)的输出端与控制电路(2)的第一输入端相连,PI调节电路(1)还与第一二极管(D1)的阴极端相连,PI调节电路(1)利用高精度的基准实现对输出电压高稳定度的控制,同时保证整个自激式Boost电路工作的稳定;
所述控制电路(2)的第一输入端连接于PI调节电路的输出端,控制电路(2)的第二输入端连接至场效应晶体管(V1)的源极,控制电路(2)的输出端连接在场效应晶体管(V1)的门极与外部输入电源的负极端之间,控制电路(2)还与第一二极管(D1)的阴极端相连,控制电路(2)用于将PI调节电路(1)的输出信号与第三电阻(R3)两端的电压处理后,实现对场效应晶体管(V1)关断时刻的控制,完成自激式Boost电路占空比的;
所述控制电路包括第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、NPN型三极管(Q1)、以及PNP型三极管(Q2);其中,第四电阻(R4)的一端作为所述控制电路的第二输入端连接至场效应晶体管(V1)的源极;第四电阻(R4)的另一端与第五电阻(R5)的一端共同连接至NPN型三极管(Q1)的基极;NPN型三极管(Q1)的发射极作为所述控制电路的第一输出端连接至外部输入电源的阴极端,其集电极作为所述控制电路的第二输出端连接至场效应晶体管(V1)的门极;第五电阻(R5)的另一端连接至PNP型三极管(Q2)的发射极;第六电阻(R6)的一端和第七电阻(R7)的一端共同连接至PNP型三极管(Q2)的基极,第六电阻(R6)的另一端连接至PNP型三极管(Q2)的集电极,而第七电阻(R7)的另一端作为所述控制电路的第一输入端连接至所述PI调节电路的输出端。
2.如权利要求1所述的自激式Boost电路,其特征在于,所述PI调节电路包括基准稳压器(Z2)、第三电容(C3)、第八电阻(R8)及第九电阻(R9),其中,
第三电容(C3)与第八电阻(R8)串联后接于基准稳压器(Z2)的基准端与阴极端之间;第九电阻(R9)的两端分别连接于第一二极管(D1)的阴极端与基准稳压器(Z2)的阴极端之间;并且
基准稳压器(Z2)的基准端作为所述PI调节电路的输入端,基准稳压器(Z2)的阴极端作为所述PI调节电路的输出端。
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