CN104467410A - 具有能量回收功能的直流-直流转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流-直流转换器，其包括输出电路、采样电源输出端的输出电压得到反馈电压的采样电路和负反馈控制电路。所述负反馈控制电路基于所述反馈电压输出驱动控制信号，控制输出电路将电源输入端的输入电压转换为电源输出端的输出电压。所述负反馈控制电路包括可控的设置于电源输入端和电源输出端的能量回收通路，在使能信号为无效且电源输出端的输出电压高于电源输入端的输入电压和预定阈值电压之和时，导通该能量回收通路，否则，断开该能量回收通路。本发明通过在电源输入端和电源输出端设置可控的能量回收通路，从而可以将输出电容C2上的能量和电荷部分回收，以节省能量。

Description

具有能量回收功能的直流-直流转换器

【技术领域】

本发明涉及电源转换技术领域，特别涉及一种具有能量回收功能的直流-直流转换器。

【背景技术】

传统的直流-直流转换器通常为单向传输能量，即总是从输入电源向输出负载传输能量，如图1所示。所述直流-直流转换器包括有输出电路110、采样电路120、负反馈控制电路130、电池BAT140和被供电电路150。为了节省能量，很多系统都采用间歇式工作方式，即图1中的直流-直流转换器被间歇式使能和关闭(系统间歇式工作和休眠)，当使能信号EN为高电平(有效)时，负反馈控制电路130工作，将输入电压VIN(例如4V)转换为输出电压VO(例如10V)，为被供电电路150提供工作电压。当使能信号EN为低电平时，负反馈控制电路130停止工作，输出电压VO被采样电阻R2和R1或被供电电路放电至零负，也有的设计中通过额外连接在电源输出端VO和地节点之间的开关将输出电容C2的电荷放掉。每次使能信号EN重新变为高电平时，输出电容C2被重新充电；每次使能信号EN变为低电平时，输出电容C2被完全放电。这样输出电容C2被反复充电和放电时，能量被完全浪费掉。

因此需要一种改进方案来克服上述技术问题的影响。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种直流-直流转换器，其能够回收输出电容C2上的部分能量，从而可以节省能量。

为了解决上述问题，本发明提供一种直流-直流转换器，其包括：输出电路，其连接于电源输入端和电源输出端之间，其包括功率开关；采样电路，其采样所述电源输出端的输出电压得到反馈电压；负反馈控制电路，用于基于所述反馈电压输出驱动控制信号给所述功率开关的控制端以控制所述功率开关在导通和截止之间不断交替，进而控制输出电路将电源输入端的输入电压转换为电源输出端的输出电压，所述负反馈控制电路包括可控的设置于电源输入端和电源输出端的能量回收通路，在所述负反馈控制电路的使能信号为无效且电源输出端的输出电压高于电源输入端的输入电压和预定阈值电压之和时，导通该能量回收通路，使得电流能够从电源输出端经过所述能量回收通路流至电源输入端，否则，断开该能量回收通路。

进一步的，所述直流-直流转换器还包括连接于所述电源输入端和地之间的电池和电容C1，被供电电路连接于所述电源输出端和地之间。

进一步的，所述输出电路包括电感L1、功率开关S1、功率开关S2和输出电容C2，电感L1、功率开关S2和输出电容C2依次串联于电源输入端和地之间，功率开关S1的一端与电感L1和功率开关S2的中间节点相连，另一端接地，功率开关S2和输出电容C2的中间节点作为所述电源输出端。

进一步的，所述负反馈控制电路还包括误差放大器、PWM比较器和输出逻辑驱动电路，所述误差放大器将所述反馈电压和参考电压的差进行放大得到误差放大信号，所述PWM比较器用于比较所述误差放大信号和三角波信号得到PWM控制信号，所述输出逻辑驱动电路基于PWM控制信号生成驱动控制信号，并将所述驱动控制信号输出至所述功率开关的控制端。

进一步的，所述输出逻辑驱动电路包括控制逻辑、与门AND5、与门AND2、第一驱动单元和第二驱动单元，所述控制逻辑的输入端接收所述PWM控制信号，基于PWM控制信号形成两路信号HDP和LDP，其第一输出端输出信号HDP，第二输出端输出信号LDP，所述与门AND5的一个输入端与控制逻辑的第一输出端相连，另一个输入端连接所述负反馈控制电路的使能信号，所述与门AND2的一个输入端与控制逻辑的第二输出端相连，另一个输入端连接所述负反馈控制电路的使能信号，第一驱动单元的输入端与所述与门AND5的输出端相连，其输出端连接至功率开关S1的控制端，第二驱动单元的输入端与所述与门AND2的输出端相连，其输出端连接至功率开关S2的控制端。

进一步的，所述能量回收通路包括有串联在电源输入端和电源输出端之间的二极管D3和控制开关S3，该二极管D3的阳极连接电源输出端，该二极管D3的阴极连接电源输输入端，所述预定阈值电压为所述二极管D3的导通阈值电压，在所述负反馈控制电路的使能信号为无效时，控制所述控制开关S3导通，所述负反馈控制电路停止工作，控制所述功率开关持续截止，在所述负反馈控制电路的使能信号为有效时，控制所述控制开关S3截止，所述负反馈控制电路正常工作，控制所述功率开关在导通和截止之间不断交替。

进一步的，所述能量回收通路包括有连接于电源输入端和电源输出端之间的控制开关S4，所述负反馈控制电路还包括有控制所述控制开关S4的能量回收控制电路，所述能量回收控制电路比较电源输入端的输入电压和电源输出端的输出电压，在所述负反馈控制电路的使能信号为有效时，控制所述控制开关S4截止，所述负反馈控制电路正常工作，控制所述功率开关在导通和截止之间不断交替，在所述负反馈控制电路的使能信号为无效且输出电压高于输入电压时，控制所述控制开关S4导通，所述负反馈控制电路停止工作，所述功率开关持续截止。

与现有技术相比，本发明通过在电源输入端和电源输出端设置可控的能量回收通路，从而可以将输出电容C2上的能量和电荷部分回收，以节省能量。

【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为现有的一种典型的直流-直流转换电路的电路示意图；

图2为本发明中的直流-直流转换电路在一个实施例中的电路示意图；

图3为图2中的负反馈控制电路在一个实施例中的电路示意图；

图4为图2中的负反馈控制电路在另一个实施例中的电路示意图。

【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。

图2为本发明中的直流-直流转换电路在一个实施例中的电路示意图。如图2所示，所述直流-直流转换器200包括输出电路210、采样电路220、负反馈控制电路230。

所述输出电路210连接于电源输入端VIN和电源输出端VO之间，其包括功率开关。如图2所示，所述输出电路210包括电感L1、功率开关S1、功率开关S2和输出电容C2，其中电感L1、功率开关S2和输出电容C2依次串联于电源输入端VIN和地之间，功率开关S1的一端与电感L1和功率开关S2的中间节点相连，另一端接地，功率开关S2和输出电容C2的中间节点作为所述电源输出端VO。

所述采样电路220采样所述电源输出端VO的输出电压得到反馈电压FB。如图2所示，所述采样电路220包括串联的采样电阻R2和R1，两个采样电阻之间的中间节点的电压就是反馈电压FB。

所述负反馈控制电路230用于基于所述反馈电压FB输出驱动控制信号给所述功率开关的控制端以控制所述功率开关在导通和截止之间不断交替，进而控制输出电路210将电源输入端VIN的输入电压转换为电源输出端VO的输出电压。如图2所示，负反馈控制电路230输出第一驱动控制信号NDV给所述功率开关S1的控制端，输出第二驱动控制信号PDV给所述功率开关S2的控制端，在驱动信号PDV和NDV的控制下，在所述功率开关S1导通时，所述功率开关S2截止，在所述功率开关S2导通时，所述功率开关S1截止，这样实现了功率开关S1和S2交替导通。

所述负反馈控制电路230接收使能信号EN。在使能信号EN有效时，所述负反馈控制电路230正常工作，输出驱动控制信号控制所述功率开关S1和S2在导通和截止之间不断交替。在使能信号EN无效时，所述负反馈控制电路停止工作，控制所述功率开关S1和S2持续截止。通过不断的使能和非使能所述负反馈控制电路230可以节省能量。

在一个实施例中，所述直流-直流转换器200还包括连接于所述电源输入端和地之间的电池240和电容C1。所述电池240给所述电源输入端VIN提供电源，所述电容C1可以稳定所述电源输入端VIN的电压。在其他实施例中，电池240和电容C1可以不被视为所述直流-直流转换器200的一部分，而可以被认为与直流-直流转换器200配合的其他电路，如外置的电路等。被供电电路250连接于所述电源输出端VO和地之间。

本发明的特点、优点或好处在于：所述负反馈控制电路230包括可控的设置于电源输入端和电源输出端的能量回收通路，在所述负反馈控制电路230的使能信号EN为无效且电源输出端的输出电压高于电源输入端的输入电压和预定阈值电压之和时，导通该能量回收通路，使得电流能够从电源输出端VO经过所述能量回收通路流至电源输入端VIN，否则，断开该能量回收通路。

这样，在转换器200处于非使能状态时，可以将输出电容C2上的能量和电荷部分回收，以节省能量。对于频繁启动和关闭的直流-直流转换器来说，每次将关闭后存储在输出电容C2上的能量进行回收，有助于提升效率。对于被供电电路250为容性负载(负载等效为电容特性)来说，能量回收的效果更佳。

图3为图2中的负反馈控制电路在一个实施例中的电路示意图。如图3所示，所述负反馈控制电路包括误差放大器EA、PWM(Pulse Width Modulation)比较器PWMC、输出逻辑驱动电路330、能量回收通路310和能量回收控制电路320。

如图3所示，所述能量回收通路310包括串联在电源输入端VIN和电源输出端VO之间的控制开关S3和二极管D3。该二极管D3的阳极连接电源输出端VO，该二极管D3的阴极经过控制开关S3连接电源输输入端VIN。

所述能量回收控制电路320基于所述使能信号EN控制所述控制开关S3的导通和截止。具体的，所述能量回收控制电路320为一个反相器INV1，使能信号EN连接至所述反相器INV1的输入端，所述反相器INV1的输出端连接所述控制开关S3的控制端。此时，使能信号EN是高电平有效，低电平无效。当然，在其他实施例中，所述使能信号EN也可以低电平有效，高电平无效。

在使能信号EN为无效时，控制所述控制开关S3导通，此时假如输入电压VO高于输入电压VIN和二极管D3的导通阈值电压之和，则二极管D3正向导通，即该能量回收通路310导通，这样使得电流能够从电源输出端VO经过所述能量回收通路310流至电源输入端VIN，实现了能量回收。此外，即便是所述控制开关S3导通，如果输入电压VO不高于输入电压VIN和二极管D3的导通阈值电压之和，则二极管D3也不会导通。在使能信号EN为有效时，控制所述控制开关S3关断，此时所述负反馈控制电路正常工作，给功率开关S1和S2正常输出驱动控制信号，所述输出电路210正常的将输入电压转换成输出电压。

所述误差放大器EA将所述反馈电压FB和参考电压REF的差进行放大得到误差放大信号EAO。所述PWM比较器PWMC用于比较所述误差放大信号EAO和三角波信号RAMP得到PWM控制信号。所述输出逻辑驱动电路233基于PWM控制信号生成PWM驱动信号，并将所述PWM驱动信号输出至所述功率开关S1和S2的控制端。所述使能信号EN连接至所述误差放大器EA和所述PWM比较器PWMC的使能端，在所述使能信号EN为无效时，所述误差放大器EA和所述PWM比较器PWMC停止工作，输出的驱动控制信号NDV和PDV使得功率开关S1和S2持续截止。

如图3所示，所述输出逻辑驱动电路233包括控制逻辑、与门AND5、与门AND2、第一驱动单元DRV1和第二驱动单元DRV2。

所述控制逻辑的输入端接收所述PWM控制信号，基于PWM控制信号形成两路信号HDP和LDP，其第一输出端输出信号HDP，第二输出端输出信号LDP。所述与门AND5的一个输入端与控制逻辑的第一输出端相连，另一个输入端连接使能信号EN。所述与门AND2的一个输入端与控制逻辑的第二输出端相连，另一个输入端连接所述负反馈控制电路的使能信号EN。第一驱动单元DRV1的输入端与所述与门AND5的输出端相连，其输出端连接至功率开关S1的控制端。第二驱动单元DRV2的输入端与所述与门AND2的输出端相连，其输出端连接至功率开关S2的控制端。

下面结合图2和图3所示，再次详细解释一下负反馈控制电路的工作原理。当EN为高电平时，其工作方式与传统的负反馈控制电路一样。当EN为高电平时，经过反相器INV1的信号ERS为低电平，控制开关S3处于关断状态，误差放大器EA和比较器PWMC处于使能状态。误差放大器EA比较反馈电压FB电压和参考电压REF，产生误差放大信号EAO。PWM比较器比较误差放大信号EAO信号和三角波信号RAMP，产生PWM控制信号。PWM控制信号经过控制逻辑后产生信号HDP和LDP。当EN为高电平时，与门AND5和AND2允许HDP和LDP信号通过，形成信号LDA和LDP，信号HDA与HDP完全一样，信号LDA和LDP完全一样，经过驱动单元DRV1和DRV2后产生驱动控制信号NDV和PDV，而驱动控制信号NDV和PDV控制功率开关S1和S2导通和关断。信号NDV和PDV基本为反相信号，即NDV为高电平时，PDV为低电平；NDV为低电平时，PDV为高电平。

当反馈电压FB高于参考电压REF时，上述负反馈控制电路230调整减小信号NDV的占空比，导致输出电压VO降低，则经过采样电路220分压的反馈电压FB也降低；当反馈电压FB低于参考电压REF时，上述负反馈控制电路230调整增加信号NDV的占空比，导致输出电压VO升高，则经过采样电路220分压的反馈电压FB也升高。这样的负反馈环路稳定时，反馈电压FB等于参考电压REF，环路才停止调整，此时输出电压VO＝VREF.(R1+R2)/R1，其中VO为电源输出端的电压值，VREF为参考电压REF的电压值，R1为电阻R1的电阻值，R2为电阻R2的电阻值。

当EN为低电平时，ERS为高电平，导致控制开关S3导通，如果输出电压高于VIN+VD3，则VO向VIN放电，VD3为二极管D3的导通阈值电压，此时输出电容C2上的部分能量给电源输入端VIN的电池BAT进行充电，对部分能量进行回收；当VO放电至低于VIN+VD3时，停止放电，能量回收动作结束。

图4为图2中的负反馈控制电路在另一个实施例中的电路示意图。如图所示，图4中的负反馈控制电路同样包括误差放大器EA、PWM比较器PWMC、输出逻辑驱动电路430、能量回收通路410和能量回收控制电路420。与图3中的负反馈控制电路的不同之处在于：能量回收通路410和能量回收控制电路420的具体结构，其余结构和其原理均与图3中的相同。

如图4所示，所述能量回收通路410包括连接在电源输入端VIN和电源输出端VO之间的控制开关S4。所述能量回收控制电路232包括比较器Comp2、反相器INV1和与门AND3，所述反相器INV1的输入端与使能信号EN相连，所述反相器INV1的输出端与所述与门AND3的一个输入端相连，所述比较器Comp2的一个输入端连接电源输出端VO，另一个输入端连接电源输入端VIN，其输出端连接与门AND3的另一个输入端，所述与门AND3的输出端连接控制开关S4的控制端。

在所述负反馈控制电路的使能信号EN为有效时，不论比较器Comp2的输出是高电平，还是低电平，都会控制所述控制开关S4截止，此时所述负反馈控制电路230正常工作，控制所述功率开关S1和S2在导通和截止之间不断交替。在所述负反馈控制电路的使能信号EN为无效且输出电压高于输入电压(此时所述比较器Comp2输出高电平)时，控制所述控制开关S4导通。此时，所述负反馈控制电路停止工作，控制所述功率开关S1和S2持续截止。此时，上文中提到的所述预定阈值电压可以被认为等于0。

具体的，如图4所示，当信号EN为高电平时，负反馈环路正常工作，将FB电压调整至参考电压REF，此时输出电压VO＝VREF.(R1+R2)/R1。当EN为低电平时，信号EN经过INV1后的ENB信号为高电平，此时当输出电压VO高于输入电压VIN时，比较器Comp2输出的信号COM2为高电平，经过与门AND3后的信号ERS为高电平，控制开关S4导通，这样输出电压VO经过控制开关S4对电源输入端的电池BAT进行充电，对输出电容C2上的部分能量进行回收。当比较器Comp2输出的信号COM2为低电平时，即输出电压VO低于输入电压VIN时，与门AND3的输出信号ERS为低电平，控制开关S4关断，能量回收动作结束。

在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，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 (7)

1.一种直流-直流转换器，其特征在于，其包括：

输出电路，其连接于电源输入端和电源输出端之间，其包括功率开关；

采样电路，其采样所述电源输出端的输出电压得到反馈电压；

负反馈控制电路，用于基于所述反馈电压输出驱动控制信号给所述功率开关的控制端以控制所述功率开关在导通和截止之间不断交替，进而控制输出电路将电源输入端的输入电压转换为电源输出端的输出电压，

所述负反馈控制电路包括可控的设置于电源输入端和电源输出端的能量回收通路，在所述负反馈控制电路的使能信号为无效且电源输出端的输出电压高于电源输入端的输入电压和预定阈值电压之和时，导通该能量回收通路，使得电流能够从电源输出端经过所述能量回收通路流至电源输入端，否则，断开该能量回收通路。

2.根据权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，其还包括连接于所述电源输入端和地之间的电池和电容C1，被供电电路连接于所述电源输出端和地之间。

3.根据权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述输出电路包括电感L1、功率开关S1、功率开关S2和输出电容C2，

电感L1、功率开关S2和输出电容C2依次串联于电源输入端和地之间，

功率开关S1的一端与电感L1和功率开关S2的中间节点相连，另一端接地，

功率开关S2和输出电容C2的中间节点作为所述电源输出端。

4.根据权利要求3所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述负反馈控制电路还包括误差放大器、PWM比较器和输出逻辑驱动电路，

所述误差放大器将所述反馈电压和参考电压的差进行放大得到误差放大信号，所述PWM比较器用于比较所述误差放大信号和三角波信号得到PWM控制信号，所述输出逻辑驱动电路基于PWM控制信号生成驱动控制信号，并将所述驱动控制信号输出至所述功率开关的控制端。

5.根据权利要求4所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述输出逻辑驱动电路包括控制逻辑、与门AND5、与门AND2、第一驱动单元和第二驱动单元，

所述控制逻辑的输入端接收所述PWM控制信号，基于PWM控制信号形成两路信号HDP和LDP，其第一输出端输出信号HDP，第二输出端输出信号LDP，

所述与门AND5的一个输入端与控制逻辑的第一输出端相连，另一个输入端连接所述负反馈控制电路的使能信号，

所述与门AND2的一个输入端与控制逻辑的第二输出端相连，另一个输入端连接所述负反馈控制电路的使能信号，

第一驱动单元的输入端与所述与门AND5的输出端相连，其输出端连接至功率开关S1的控制端，

第二驱动单元的输入端与所述与门AND2的输出端相连，其输出端连接至功率开关S2的控制端。

6.根据权利要求1-5任一所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述能量回收通路包括有串联在电源输入端和电源输出端之间的二极管D3和控制开关S3，该二极管D3的阳极连接电源输出端，该二极管D3的阴极连接电源输输入端，

所述预定阈值电压为所述二极管D3的导通阈值电压，

在所述负反馈控制电路的使能信号为无效时，控制所述控制开关S3导通，所述负反馈控制电路停止工作，控制所述功率开关持续截止，在所述负反馈控制电路的使能信号为有效时，控制所述控制开关S3截止，所述负反馈控制电路正常工作，控制所述功率开关在导通和截止之间不断交替。

7.根据权利要求1-5任一所述的直流-直流转换器，其特征在于，所述能量回收通路包括有连接于电源输入端和电源输出端之间的控制开关S4，

所述负反馈控制电路还包括有控制所述控制开关S4的能量回收控制电路，所述能量回收控制电路比较电源输入端的输入电压和电源输出端的输出电压，

在所述负反馈控制电路的使能信号为有效时，控制所述控制开关S4截止，所述负反馈控制电路正常工作，控制所述功率开关在导通和截止之间不断交替，

在所述负反馈控制电路的使能信号为无效且输出电压高于输入电压时，控制所述控制开关S4导通，所述负反馈控制电路停止工作，所述功率开关持续截止。