CN104467422B - 恒流Buck变换器及其恒流控制电路 - Google Patents

恒流Buck变换器及其恒流控制电路 Download PDF

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Abstract

本申请公开了恒流Buck变换器及其恒流控制电路，该电路包括开关触发及关断自锁电路、采样电路、基准电路和比较驱动电路，其中：开关触发及关断自锁电路，用于检测电感或二极管两端电压，当检测到的电压与其在MOS导通时的电压方向相反时，向比较驱动电路输出自锁控制信号，反之输出导通控制信号；采样电路，用于采样MOS的电流信号，并输出电流采样信号给比较驱动电路；基准电路，用于向比较驱动电路输出电流基准信号；比较驱动电路，用于在电流采样信号不小于电流基准信号时驱动MOS关断；MOS关断后，在接收到自锁控制信号后对MOS进行关断自锁；以及在接收到导通控制信号后驱动MOS导通，以避免深度连续模式中存在的各种问题。

Description

恒流Buck变换器及其恒流控制电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及恒流Buck变换器及其恒流控制电路。
背景技术
恒流Buck变换器包括主电路和恒流控制电路。现有的恒流Buck变换器分两大类：一类是主电路采用MOS管源级浮地、二极管阳极接地，但恒流控制电路需要高压驱动MOS管，成本较高，线路较复杂；另一类是主电路采用MOS管源级接地，虽然驱动简单，但恒流控制电路无法直接检测MOS管关断期间的电感电流，目前只能通过以下给出的两种深度连续模式实现间接检测：
一种是定频模式，将电流采样做平均处理，在内部做计算来调整占空比，前提是电感电流必须连续，否则就偏差很大。当输出电压变化时，电感的纹波率会变化，如果想要在很大范围内保持连续状态需要有较大的感量。
另一种是定纹波率模式，通过在MOS管开通瞬间检测采样电阻电压来获取谷底电流值，再控制下个周期的关断时间。这种控制方式尽管纹波率可控，但非常容易受二极管反向电流影响，需要设置采样死区时间，并且不同的二极管反向恢复时间不同。此外，在这两种深度连续模式中，二极管反向恢复电流会造成很强的电磁干扰。
发明内容
有鉴于此，本发明提供恒流Buck变换器及其恒流控制电路，以避免深度连续模式中存在的各种问题。
一种恒流控制电路，应用于主电路采用MOS管源极接地的恒流Buck变换器，该恒流控制电路包括开关触发及关断自锁电路、采样电路、基准电路和比较驱动电路，其中：
所述开关触发及关断自锁电路，用于检测所述主电路中的电感或二极管两端电压，当检测到的电压与其在所述MOS管导通时的电压方向相反时，向所述比较驱动电路输出自锁控制信号，反之，向所述比较驱动电路输出导通控制信号；
所述采样电路，用于采样所述MOS管上的电流信号，并输出电流采样信号给所述比较驱动电路；
所述基准电路，用于向所述比较驱动电路输出电流基准信号；
所述比较驱动电路，用于在判断得到所述电流采样信号不小于所述电流基准信号时，驱动所述MOS管关断；在接收到所述自锁控制信号后，对所述MOS管进行关断自锁；以及在接收到所述导通控制信号后，驱动所述MOS管导通。
其中，所述比较驱动电路为第一比较器；所述第一比较器的同相输入端接所述基准电路，其反相输入端接所述采样电路，其输出端接所述MOS管的栅极。
其中，所述开关触发及关断自锁电路包括二极管和第二比较器，其中：
所述第二比较器的同相输入端接所述主电路中的二极管的阳极，其反相输入端接所述主电路中的二极管的阴极；
所述开关触发及关断自锁电路中的二极管的阳极接所述第二比较器的输出端，其阴极接所述第一比较器的反相输入端。
其中，所述开关触发及关断自锁电路包括二极管和第二比较器，其中：
所述第二比较器的反相输入端接所述主电路中的电感的第一端，其同相输入端接所述主电路中的电感的第二端；在所述MOS管导通时，所述主电路中的电感的第一端电位高于其第二端电位；
所述开关触发及关断自锁电路中的二极管的阳极接所述第二比较器的输出端，其阴极接所述第一比较器的反相输入端。
其中，所述采样电路为采样电阻；所述采样电阻的一端接所述主电路的输入电压的负极，其另一端接所述MOS管的源极。
可选地，所述基准电路还包括二极管；所述基准电路中的二极管的阳极连接所述基准电路的输出端，其阴极连接PWM信号源，以使得所述PWM信号源通过所述恒流控制电路实现PWM调光功能。
可选地，所述采样电路还包括二极管；所述采样电路中的二极管的阴极连接所述采样电路的输出端，其阳极连接PWM信号源，以使得所述PWM信号源通过所述恒流控制电路实现PWM调光功能。
可选地，所述基准电路还包括电阻；所述基准电路中的电阻一端连接所述基准电路的输出端，另一端连接0～10V信号源，以使得所述0～10V信号源通过所述恒流控制电路实现0～10V调光功能。
可选地，所述采样电路还包括电阻；所述采样电路中的电阻一端连接所述采样电路的输出端，另一端连接0～10V信号源，以使得所述0～10V信号源通过所述恒流控制电路实现0～10V调光功能。
一种恒流Buck变换器，包括主电路和上述任一种恒流控制电路。
从上述的技术方案可以看出，本发明利用开关触发及关断自锁电路检测电感或二极管两端电压信号，用以判断电感能量释放起止时刻，从而在电感能量释放期间(即MOS管关断期间)输出自锁控制信号给比较驱动电路，控制MOS管关断自锁，在电感能量释放完毕后向比较驱动电路输出导通控制信号，控制MOS管导通；相较于现有技术，本发明实现了Buck变换器的临界模式的恒流输出控制，避免了深度连续模式中存在的各种问题。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a为本发明实施例公开的一种恒流控制电路结构示意图；
图1b为本发明实施例公开的又一种恒流控制电路结构示意图；
图2a为本发明实施例公开的又一种恒流控制电路结构示意图；
图2b为本发明实施例公开的又一种恒流控制电路结构示意图；
图3a为本发明实施例公开的又一种恒流控制电路结构示意图；
图3b为本发明实施例公开的又一种恒流控制电路结构示意图。
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做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。
参见图1a-图1b，本发明实施例公开了一种恒流控制电路，应用于主电路采用MOS管Q1源极接地的恒流Buck变换器，以避免深度连续模式中存在的各种问题，包括开关触发及关断自锁电路100、采样电路200、基准电路300和比较驱动电路400，其中：
开关触发及关断自锁电路100，用于检测所述主电路中的电感L1(如图1a所示)或二极管D1(如图1b所示)两端电压，当检测到的电压与其在MOS管Q1导通时的电压方向相反时，向比较驱动电路400输出自锁控制信号，反之，向比较驱动电路400输出导通控制信号；
采样电路200，用于采样MOS管Q1上的电流信号，并输出电流采样信号Vs给比较驱动电路400；
基准电路300，用于向比较驱动电路400输出电流基准信号Vref；
比较驱动电路400，用于在判断得到电流采样信号Vs不小于电流基准信号Vref时，驱动MOS管Q1关断；在接收到所述自锁控制信号后，对MOS管Q1进行关断自锁；以及在接收到所述导通控制信号后，驱动MOS管Q1导通。
下面，结合恒流Buck变换器的主电路拓扑结构及其工作原理，对本实施例所述的技术方案进行详述。
恒流Buck变换器的主电路包括MOS管Q1、二极管D1、电感L1和电容C1，其中MOS管Q1的源极接地。此处的“地”是指恒流Buck变换器输入电压的参考地。
所述主电路的工作原理如下(为便于描述，首先记电感L1与负载端Vo的负极相连的这一端为电感L1的第一端，其与MOS管Q1的漏极相连的这一端为电感L1的第二端)：
当MOS管Q1导通时，电流从电源端Vin的正极输出，经电容C1、电感L1的第一端、电感L1的第二端、MOS管Q1的漏极、MOS管Q1的源极流回电源端Vin的负极。此过程中，电感L1储能，其第一端电位高于第二端电位；二极管D1截止，其阴极电位高于阳极电位。
当MOS管Q1关断时，电感L1开始续流、释放能量，电流从电感L1的第二端流出，经二极管D1的阳极、二极管D1的阴极、电容C1流回电感L1的第一端。在电感L1释放能量期间，电感L1的第一端电位低于第二端电位；二极管D1导通，其阴极电位低于阳极电位；在电感L1能量释放完毕时刻，二极管D1上电流为零，电感L1两端电压瞬间下降直至零，二极管D1的状态随之变为阴极电位高于阳极电位。
由此可见，在MOS管Q1通断的瞬间，电感L1、二极管D1两端电压即刻反向，且当电感L1能量释放完毕时刻，二极管D1两端电压再次反向，电感L1两端电压瞬间下降直至零。本实施例正是基于电感L1和二极管D1的这一特性，利用开关触发及关断自锁电路100检测电感L1或二极管D1两端电压信号Vd，从而根据Vd方向的变化来判断电感L1能量释放的起始时刻；在电感L1能量释放期间(即MOS管Q1关断期间)输出自锁控制信号给比较驱动电路400，控制MOS管Q1关断自锁；在电感L1能量释放完毕后，输出导通控制信号给比较驱动电路400，控制MOS管Q1导通。相较于现有技术，本实施例能够实时检测MOS管Q1关断期间的电感L1的参数变化，实现了Buck变换器的临界模式的恒流输出控制，从而避免了深度连续模式中存在的各种问题。
具体的，仍参见图1a-图1b，所述恒流控制电路的各组成模块可采用如下拓扑结构实现，但并不局限。
1)采样电路200可采用采样电阻Rs，采样电阻Rs的一端接电源端Vin的负极，其另一端接MOS管Q1的源极。
2)比较驱动电路400可采用第一比较器U1；第一比较器U1的同相输入端接基准电路300，其反相输入端接采样电路200，其输出端接MOS管Q1的栅极。
3)开关触发及关断自锁电路100包括二极管D2和第二比较器U2，其中：
如图1a所示，第二比较器U2的同相输入端接二极管D1的阳极，其反相输入端接二极管D1的阴极；二极管D2的阳极接第二比较器U2的输出端，其阴极接第一比较器U1的反相输入端。
或者，如图1b所示，第二比较器U2的反相输入端接电感L1的第一端，其同相输入端接电感L1的第二端；二极管D2的阳极接第二比较器U2的输出端，其阴极接第一比较器U1的反相输入端。
第一比较器U1在MOS管Q1导通期间，将采样电阻Rs输出的采样信号Vs与基准电路300输出的基准信号Vref作比较，当Vs≥Vref时，第一比较器U1输出低电平或零电平，控制MOS管Q1关断。MOS管Q1关断后，电感L1和二极管D1开始续流，其两端电压瞬间反向，此时不论是在图1a中还是在图1b中，都满足第二比较器U2的反向输入电压低于同相输入电压，因此第二比较器U2输出高电平，并通过二极管D2输出至第一比较器U1的反相输入端，使得第一比较器U1维持输出低电平或零电平状态，实现了MOS管Q1的关断自锁。
当续流结束时刻，电感L1和二极管D1中电流为零，电感L1两端电压开始下降，随着电感L1两端电压的下降二极管D1两端电压反向，电感L1两端电压下降直至零，这样，在图1a-图1b中，第二比较器U2的正相输入端电压不高于反相输入端电压，使第二比较器U2输出低电平或零电平，进而，第一比较器U1的反相输入端电压低于正相输入端电压，使第一比较器U1输出高电平，控制MOS管Q1导通，从而实现了Buck变换器的临界模式的恒流输出控制，避免了深度连续模式中存在的各种问题；并且本方案驱动简单，控制方便，成本低廉，可适用于高压驱动场合。
优选的，所述恒流Buck变换器还接受PWM调光控制，用以调控所述恒流Buck变换器的输出电流值。对应的两种实施方案分别为：
1)如图2a所示，基准电路300还包括二极管D3，其中：
二极管D3的阳极连接基准电路300的输出端，其阴极连接PWM信号源，以使得所述PWM信号源通过所述恒流控制电路实现PWM调光功能。
2)如图2b所示，采样电路200还包括二极管D4，其中：
二极管D4的阴极连接采样电路200的输出端，其阳极连接PWM信号源，以使得所述PWM信号源通过所述恒流控制电路实现PWM调光功能。
或者，所述恒流Buck变换器也可以接受0～10V调光控制，用以调控所述恒流Buck变换器的输出电流值。对应的两种实施方案分别为：
1)如图3a所示，基准电路300还包括电阻R1，其中：
电阻R1一端连接基准电路300的输出端，另一端连接0～10V信号源，以使得所述0～10V信号源通过所述恒流控制电路实现0～10V调光功能。
2)如图3b所示，采样电路200还包括电阻R2，其中：
电阻R2一端连接采样电路200的输出端，另一端连接0～10V信号源，以使得所述0～10V信号源通过所述恒流控制电路实现0～10V调光功能。
需要说明的是，上述优选方案同样可以基于图1a所示电路拓扑结构实现，其原理与基于图1b所示电路拓扑结构实现的原理相同，此处不再赘述。
此外，本发明实施例还公开了一种恒流Buck变换器，包括主电路和上述任一种恒流控制电路。
综上所述，本发明利用开关触发及关断自锁电路检测电感或二极管两端电压信号，用以判断电感能量释放起止时刻，从而在电感能量释放期间(即MOS管关断期间)输出自锁控制信号给比较驱动电路，控制MOS管关断自锁，在电感能量释放完毕后向比较驱动电路输出导通控制信号，控制MOS管导通；相较于现有技术，本发明实现了Buck变换器的临界模式的恒流输出控制，避免了深度连续模式中存在的各种问题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种恒流控制电路，应用于主电路采用MOS管源极接地的恒流Buck变换器，其特征在于，所述恒流控制电路包括开关触发及关断自锁电路、采样电路、基准电路和比较驱动电路，其中：
所述开关触发及关断自锁电路，用于检测所述主电路中的电感或二极管两端电压，当检测到的电压与其在所述MOS管导通时的电压方向相反时，向所述比较驱动电路输出自锁控制信号，反之，向所述比较驱动电路输出导通控制信号；
所述采样电路，用于采样所述MOS管上的电流信号，并输出电流采样信号给所述比较驱动电路；
所述基准电路，用于向所述比较驱动电路输出电流基准信号；
所述比较驱动电路，用于在判断得到所述电流采样信号不小于所述电流基准信号时，驱动所述MOS管关断；所述MOS管关断后，在接收到所述自锁控制信号后，对所述MOS管进行关断自锁；以及在接收到所述导通控制信号后，驱动所述MOS管导通。
2.根据权利要求1所述的恒流控制电路，其特征在于，所述比较驱动电路为第一比较器；所述第一比较器的同相输入端接所述基准电路，其反相输入端接所述采样电路，其输出端接所述MOS管的栅极。
3.根据权利要求2所述的恒流控制电路，其特征在于，所述开关触发及关断自锁电路包括二极管和第二比较器，其中：
所述第二比较器的同相输入端接所述主电路中的二极管的阳极，其反相输入端接所述主电路中的二极管的阴极；
所述开关触发及关断自锁电路中的二极管的阳极接所述第二比较器的输出端，其阴极接所述第一比较器的反相输入端。
4.根据权利要求2所述的恒流控制电路，其特征在于，所述开关触发及关断自锁电路包括二极管和第二比较器，其中：
所述第二比较器的反相输入端接所述主电路中的电感的第一端，其同相输入端接所述主电路中的电感的第二端；在所述MOS管导通时，所述主电路中的电感的第一端电位高于其第二端电位；
所述开关触发及关断自锁电路中的二极管的阳极接所述第二比较器的输出端，其阴极接所述第一比较器的反相输入端。
5.根据权利要求1所述的恒流控制电路，其特征在于，所述采样电路为采样电阻；所述采样电阻的一端接所述主电路的输入电压的负极，其另一端接所述MOS管的源极。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的恒流控制电路，其特征在于，所述基准电路还包括二极管；所述基准电路中的二极管的阳极连接所述基准电路的输出端，其阴极连接PWM信号源，以使得所述PWM信号源通过所述恒流控制电路实现PWM调光功能。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的恒流控制电路，其特征在于，所述采样电路还包括二极管；所述采样电路中的二极管的阴极连接所述采样电路的输出端，其阳极连接PWM信号源，以使得所述PWM信号源通过所述恒流控制电路实现PWM调光功能。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的恒流控制电路，其特征在于，所述基准电路还包括电阻；所述基准电路中的电阻一端连接所述基准电路的输出端，另一端连接0～10V信号源，以使得所述0～10V信号源通过所述恒流控制电路实现0～10V调光功能。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的恒流控制电路，其特征在于，所述采样电路还包括电阻；所述采样电路中的电阻一端连接所述采样电路的输出端，另一端连接0～10V信号源，以使得所述0～10V信号源通过所述恒流控制电路实现0～10V调光功能。
10.一种恒流Buck变换器，其特征在于，包括主电路和权利要求1-9中任一项所述的恒流控制电路。
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