CN104753318B - 一种降压负升压的开关电源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种降压负升压（BNB，Buck Negative Boost）的开关电源。电源转换模块包括一设置有第一储能元件的正电压工作电路，一设置有第二储能元件的负电压工作电路，一开关器件组，在一脉宽调制信号作用下控制正电压工作电路与负电压工作电路的切换；开关器件组包括第一开关器件组，用以于脉宽调制信号作用下控制正电压工作电路于充电模式和放电模式之间交替切换，第二开关器件组，用以于脉宽调制信号作用下控制负电压工作电路于充电模式和放电模式之间交替切换。本发明采用一种电路结构，可切换地输出正电压或者负电压。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种降压负升压（BNB，Buck NegativeBoost）的开关电源。
背景技术
随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备的小型化和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向发展，开关电源是对公用电网或某种电能进行变换和控制，并向各种用电负载提供电能的供电设备，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性。
现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源两大类，线性稳压电源，是其调整管工作在放大区，这种稳压电源不会引入额外的干扰，但是体积较大，功率主要取决于变压器和功率管，且变换效率低；开关电源与线性稳压电源相比，具有功耗小、体积小、稳压范围宽等特点，开关电源利用现代电力电子技术，控制开关器件导通和关断的时间比率，维持稳定输出电压，现有的开关电源一种电路结构只能输出单一的正电压或负电压，同时结构复杂，效率不高，限制了开关电源的小型化和高效率。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种降压负升压的开关电源，解决以上技术问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种降压负升压的开关电源，其中，包括一电源转换模块，所述电源转换模块包括：
一输入端；
一输出端；
一接地端；
一交汇结点；
一设置有第一储能元件的正电压工作电路，可切换的连接于所述输入端、所述输出端、所述交汇结点及所述接地端之间；
一设置有第二储能元件的负电压工作电路，可切换的连接于所述输入端、所述输出端、所述交汇结点及所述接地端之间；
一开关器件组，设置于所述输入端、所述输出端、所述交汇结点及所述接地端之间的电路上，在一脉宽调制信号作用下控制所述正电压工作电路与所述负电压工作电路的切换；
所述开关器件组包括：
第一开关器件组，用以当所述正电压工作电路工作时，于所述脉宽调制信号作用下控制所述正电压工作电路于充电模式和放电模式之间交替切换，
第二开关器件组，用以当所述负电压工作电路工作时，于所述脉宽调制信号作用下控制所述负电压工作电路于充电模式和放电模式之间交替切换。
优选地，所述正电压工作电路包括：
第一充电控制支路，连接于所述输入端与所述交汇结点之间；
第一充放电支路，连接于所述交汇结点与所述输出端之间；
第一放电控制支路，连接于所述交汇结点与所述接地端之间；
所述第一储能元件串联于所述第一充放电支路上；
所述正电压工作电路于充电模式时，所述第一开关器件组控制所述第一充电控制支路及所述第一充放电支路导通，并控制所述第一放电控制支路断开，使所述输入端输入的电流对所述第一储能元件充电；
所述正电压工作电路于放电模式时，所述第一开关器件组控制所述第一放电控制支路及所述第一充放电支路导通，并控制所述第一充电控制支路断开，使所述第一储能元件对所述输出端放电。
优选地，所述负电压工作电路包括：
第二充电控制支路，连接于所述输入端与所述交汇结点之间；
第二充放电支路，连接于所述交汇结点与所述接地端之间；
第二放电控制支路，连接于所述交汇结点与所述输出端之间；
所述第二储能元件串联于所述第二充放电支路上；
所述负电压工作电路于充电模式时，所述第二开关器件组控制所述第二充电控制支路及所述第二充放电支路导通，并控制所述第二放电控制支路断开，使所述输入端输入的电流对所述第二储能元件充电；
所述负电压工作电路于放电模式时，所述第二开关器件组控制所述第二放电控制支路及所述第二充放电支路导通，并控制所述第二充电控制支路断开，使所述第二储能元件对所述输出端放电。
优选地，所述负电压工作电路包括：
第二充电控制支路，所述第二充电控制支路与所述第一充电控制支路共用同一物理线路结构；
第二充放电支路，连接于所述交汇结点与所述接地端之间；
第二放电控制支路，连接于所述交汇结点与所述输出端之间；
所述第二储能元件串联于所述第二充放电支路上；
所述负电压工作电路于充电模式时，所述第二开关器件组控制所述第一充电控制支路及所述第二充放电支路导通，并控制所述第二放电控制支路断开，使所述输入端输入的电流对所述第二储能元件充电；
所述负电压工作电路于放电模式时，所述第二开关器件组控制所述第二放电控制支路及所述第二充放电支路导通，并控制所述第一充电控制支路断开，使所述第二储能元件对所述输出端放电。
优选地，所述正电压工作电路工作时，所述第二充放电支路、所述第二放电控制支路断开；所述负电压工作电路工作时，所述第一充放电支路、所述第一放电控制支路断开。
优选地，所述电源转换模块还包括：
一反馈网络，连接于所述输出端与所述接地端之间，用以产生一电压反馈信号；
一电流检测电路，可控制的并联于所述输入端与所述交汇结点之间，用以根据所述脉宽调制信号产生一电流检测信号；
一控制单元，与所述反馈网络及所述电流检测电路连接，用以根据所述电压反馈信号、所述电流检测信号及一参考控制信号生成所述脉宽调制信号。
优选地，所述反馈网络主要由一电阻分压电路形成，所述电阻分压电路包括预订数量且相互串联地连接于所述输出端与所述接地端之间的分压电阻，所述分压电阻间相连接的点形成分压节点；
所述电压反馈信号自预定的分压节点处引出。
优选地，所述电流检测电路包括：
一检测电阻，串联于所述电流检测电路上；
一检测单元，连接所述检测电阻的两端，用以检测流过所述检测电阻的电流；
一受所述脉宽调制信号控制通断的检测控制开关，连接于所述电流检测电路上。
优选地，所述控制单元包括：
一误差放大器，用于对所述反馈网络输出的电压反馈信号与所述参考控制信号进行比较，得到一误差放大信号；
一比较器，用以对所述电流检测电路获得的电流检测信号及所述误差放大信号进行比较，产生一比较信号；
一时钟信号产生器；所述时钟信号产生器用于产生时钟信号，所述时钟信号连接所述电流检测电路；
一PWM控制器，用于依据所述比较信号产生脉宽调制信号，所述PWM控制器还连接所述时钟信号。
优选地，所述电压反馈信号经过一电平转换电路输入所述控制单元。
优选地，所述第一开关器件组包括一第一开关器件、一第二开关器件、一第三开关器件；
所述第一开关器件连接于所述第一充电控制支路上；
所述第二开关器件连接于所述第一充放电支路上，与所述第一储能元件串联连接，并位于所述交汇结点与所述第一储能元件之间；
所述第三开关器件连接于第一放电控制支路上。
优选地，所述开关器件组包括P沟道MOSFET，所述开关器件组还包括N沟道MOSFET。
优选地，所述控制单元分别通过一选通电路连接所述开关器件组的控制端。
优选地，所述第二开关器件组包括所述第一开关器件，还包括一第四开关器件、一第五开关器件；
所述第四开关器件连接于所述第二放电控制支路上；
所述第五开关器件连接于所述第二充放电支路上，与所述第二储能元件串联连接，并位于所述交汇结点与所述第二储能元件之间。
有益效果：由于采用以上技术方案，本发明采用一种电路结构，可切换地输出正电压或者负电压，易于实现开关电源的小型化和高效率。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图；
图2是本发明的输出端输出正电压时，充电周期内电流的流向示意图；
图3是本发明的输出端输出正电压时，放电周期内电流的流向示意图；
图4是本发明的输出端输出负电压时，充电周期内电流的流向示意图；
图5是本发明的输出端输出负电压时，放电周期内电流的流向示意图。
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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
参照图1，本发明提供一种降压负升压的开关电源，包括一电源转换模块，电源转换模块包括：
一输入端（VDD）；
一输出端（Vout）；
一接地端（GND）；
一交汇结点（A）；
一设置有第一储能元件（L1）的正电压工作电路，可切换的连接于输入端（VDD）、输出端（Vout）、交汇结点（A）及接地端（GND）之间；
一设置有第二储能元件（L2）的负电压工作电路，可切换的连接于输入端（VDD）、输出端（Vout）、交汇结点（A）及接地端（GND）之间；
一开关器件组，设置于输入端（VDD）、输出端（Vout）、交汇结点（A）及接地端（GND）之间的电路上，在一脉宽调制信号作用下控制正电压工作电路与负电压工作电路的切换；
开关器件组包括：
第一开关器件组，用以当正电压工作电路工作时，于脉宽调制信号作用下控制正电压工作电路于充电模式和放电模式之间交替切换，
第二开关器件组，用以当负电压工作电路工作时，于脉宽调制信号作用下控制负电压工作电路于充电模式和放电模式之间交替切换。
本发明的电源转换模块为一切换电路结构，采用一种电路结构，于充电模式和放电模式之间交替切换，可切换地工作于正电压工作电路和负电压工作电路；易于实现开关转换器的小型化和高效率。
作为本发明的一种优选的实施例，本发明的正电压工作电路包括：
第一充电控制支路，连接于输入端（VDD）与交汇结点（A）之间；
第一充放电支路，连接于交汇结点（A）与输出端（Vout）之间；
第一放电控制支路，连接于交汇结点（A）与接地端（GND）之间；
第一储能元件串联于第一充放电支路上；
参照图2，正电压工作电路于充电模式时，第一开关器件组控制第一充电控制支路及第一充放电支路导通，并控制第一放电控制支路断开，使输入端（VDD）输入的电流对第一储能元件充电；图中箭头所示方向为充电方向；
参照图3，正电压工作电路于放电模式时，第一开关器件组控制第一放电控制支路及第一充放电支路导通，并控制第一充电控制支路断开，使第一储能元件对输出端（Vout）放电；图中箭头所示方向为放电方向；
作为本发明的一种优选的实施例，本发明的负电压工作电路包括：
第二充电控制支路，连接于输入端（VDD）与交汇结点（A）之间；
第二充放电支路，连接于交汇结点（A）与接地端（GND）之间；
第二放电控制支路，连接于交汇结点（A）与输出端（Vout）之间；
第二储能元件串联于第二充放电支路上；
参照图4，负电压工作电路于充电模式时，第二开关器件组控制第二充电控制支路及第二充放电支路导通，并控制第二放电控制支路断开，使输入端（VDD）输入的电流对第二储能元件充电；图中箭头所示方向为充电方向；
参照图5，负电压工作电路于放电模式时，第二开关器件组控制第二放电控制支路及第二充放电支路导通，并控制第二充电控制支路断开，使第二储能元件对输出端（Vout）放电；图中箭头所示方向为放电方向。
作为本发明的再一种优选的实施例，本发明的负电压工作电路包括：
第二充电控制支路，第二充电控制支路与第一充电控制支路共用同一物理线路结构；
第二充放电支路，连接于交汇结点（A）与接地端（GND）之间；
第二放电控制支路，连接于交汇结点（A）与输出端（Vout）之间；
第二储能元件串联于第二充放电支路上；
负电压工作电路于充电模式时，第二开关器件组控制第一充电控制支路及第二充放电支路导通，并控制第二放电控制支路断开，使输入端（VDD）输入的电流对第二储能元件充电；
负电压工作电路于放电模式时，第二开关器件组控制第二放电控制支路及第二充放电支路导通，并控制第一充电控制支路断开，使第二储能元件对输出端（Vout）放电。
作为本发明的再一种优选的实施例，正电压工作电路工作时，第二充放电支路、第二放电控制支路断开；负电压工作电路工作时，第一充放电支路、第一放电控制支路断开。
作为本发明的一种优选的实施例，电源转换模块还可以包括：
一反馈网络，连接于输出端（Vout）与接地端（GND）之间，用以产生一电压反馈信号（Vfb）；
一电流检测电路，可控制的并联于输入端（VDD）与交汇结点（A）之间，用以根据脉宽调制信号产生一电流检测信号；
一控制单元，与反馈网络及电流检测电路连接，用以根据电压反馈信号、电流检测信号及参考控制信号生成脉宽调制信号。
作为本发明的一种优选的实施例，反馈网络主要由一电阻分压电路形成，电阻分压电路包括预订数量且相互串联地连接于输出端（Vout）与接地端（GND）之间的分压电阻，分压电阻间相连接的点形成分压节点；电压反馈信号（Vfb）自预定的分压节点处引出。一种优选的实施例，电阻分压电路包括两个串联的分压电阻（R1、R2），从两个串联的分压电阻相连接的点引出电压反馈信号（Vfb）。
本发明的输出端（Vout）与接地端（GND）之间还并联一滤波电容（C1）。
作为本发明的一种优选的实施例，电流检测电路包括：
一检测电阻（R3），串联于电流检测电路上；
一检测单元6，连接检测电阻（R3）的两端，用以检测流过检测电阻（R3）的电流；
一受脉宽调制信号控制通断的检测控制开关（Mp3），连接于电流检测电路上。
作为本发明的一种优选的实施例，控制单元包括：
一误差放大器3，用于对反馈网络输出的电压反馈信号与参考控制信号进行比较，得到一误差放大信号；
一比较器2，用以对电流检测电路获得的电流检测信号及误差放大信号进行比较，产生一比较信号；
一时钟信号产生器5；时钟信号产生器5用于产生时钟信号，时钟信号连接电流检测电路；
一PWM控制器1，用于依据比较信号产生脉宽调制信号，PWM控制器1还连接时钟信号。
一种优选的实施例，电压反馈信号（Vfb）经过一电平转换电路4输入控制单元。经过转换后的电压反馈信号（Vfb′）输入误差放大器3的反相输入端（-），参考控制信号（Vref）通过一参考电压产生电路产生，输入误差放大器3的同相输入端（+），误差放大信号输入比较器2的同相输入端（+），电流检测信号输入比较器2的反相输入端（-），比较器2产生一比较信号进入PWM控制器1。
作为本发明的一种优选的实施例，第一开关器件组包括一第一开关器件（Mp0）、一第二开关器件（Mp1）、一第三开关器件（Mn1）；
第一开关器件（Mp0）连接于第一充电控制支路上；
第二开关器件（Mp1）连接于第一充放电支路上，与第一储能元件（L1）串联连接，并位于交汇结点（A）与第一储能元件（L1）之间；
第三开关器件（Mn1）连接于第一放电控制支路上。
第二开关器件（Mp1）组包括第一开关器件（Mp0），还包括一第四开关器件（Mp2）、一第五开关器件（Mn2）；
第四开关器件（Mp2）连接于第二放电控制支路上；
第五开关器件（Mn2）连接于第二充放电支路上，与第二储能元件（L2）串联连接，并位于交汇结点（A）与第二储能元件之间。本发明的开关器件组可以包括P沟道MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化层-半导体场效晶体管），开关器件组还可以包括N沟道MOSFET。作为本发明的优选实施例，第一开关器件（Mp0）、第二开关器件（Mp1）、第四开关器件（Mp2）采用P沟道MOSFET，第三开关器件（Mn1）和第五开关器件（Mn2）采用N沟道MOSFET。检测控制开关（Mp3）也可以采用P沟道MOSFET；本发明的第一储能元件（L1）、第二储能元件（L2）可以采用电感元件，PWM控制器1可以设有第一信号输出端、第二信号输出端，第一信号输出端分别通过选通电路连接P沟道MOSFET的栅极；第二信号输出端分别通过选通电路连接N沟道MOSFET的栅极，选通电路可以采用传输门电路实现。附图中PG0，PG1，PG2，NG1，NG2分别为一选通电路；优选地，PG0，PG1，PG2，NG1，NG2可以是同一选通电路的不同输出端。N沟道MOSFET的衬底还分别连接一选通电路（Mnb1，Mnb2）。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (13)
1.一种降压负升压的开关电源，其特征在于，包括一电源转换模块，所述电源转换模块包括：
一输入端；
一输出端；
一接地端；
一交汇结点；
一设置有第一储能元件的正电压工作电路，可切换的连接于所述输入端、所述输出端、所述交汇结点及所述接地端之间；
一设置有第二储能元件的负电压工作电路，可切换的连接于所述输入端、所述输出端、所述交汇结点及所述接地端之间；
一开关器件组，设置于所述输入端、所述输出端、所述交汇结点及所述接地端之间的电路上，在一脉宽调制信号作用下控制所述正电压工作电路与所述负电压工作电路的切换；
所述开关器件组包括：
第一开关器件组，用以当所述正电压工作电路工作时，于所述脉宽调制信号作用下控制所述正电压工作电路于充电模式和放电模式之间交替切换，
第二开关器件组，用以当所述负电压工作电路工作时，于所述脉宽调制信号作用下控制所述负电压工作电路于充电模式和放电模式之间交替切换；
所述正电压工作电路包括：
第一充电控制支路，连接于所述输入端与所述交汇结点之间；
第一充放电支路，连接于所述交汇结点与所述输出端之间；
第一放电控制支路，连接于所述交汇结点与所述接地端之间；
所述第一储能元件串联于所述第一充放电支路上；
所述正电压工作电路于充电模式时，所述第一开关器件组控制所述第一充电控制支路及所述第一充放电支路导通，并控制所述第一放电控制支路断开，使所述输入端输入的电流对所述第一储能元件充电；
所述正电压工作电路于放电模式时，所述第一开关器件组控制所述第一放电控制支路及所述第一充放电支路导通，并控制所述第一充电控制支路断开，使所述第一储能元件对所述输出端放电。
2.根据权利要求1所述的一种降压负升压的开关电源，其特征在于，所述负电压工作电路包括：
第二充电控制支路，连接于所述输入端与所述交汇结点之间；
第二充放电支路，连接于所述交汇结点与所述接地端之间；
第二放电控制支路，连接于所述交汇结点与所述输出端之间；
所述第二储能元件串联于所述第二充放电支路上；
所述负电压工作电路于充电模式时，所述第二开关器件组控制所述第二充电控制支路及所述第二充放电支路导通，并控制所述第二放电控制支路断开，使所述输入端输入的电流对所述第二储能元件充电；
所述负电压工作电路于放电模式时，所述第二开关器件组控制所述第二放电控制支路及所述第二充放电支路导通，并控制所述第二充电控制支路断开，使所述第二储能元件对所述输出端放电。
3.根据权利要求1所述的一种降压负升压的开关电源，其特征在于，
所述负电压工作电路包括：
第二充电控制支路，所述第二充电控制支路与所述第一充电控制支路共用同一物理线路结构；
第二充放电支路，连接于所述交汇结点与所述接地端之间；
第二放电控制支路，连接于所述交汇结点与所述输出端之间；
所述第二储能元件串联于所述第二充放电支路上；
所述负电压工作电路于充电模式时，所述第二开关器件组控制所述第一充电控制支路及所述第二充放电支路导通，并控制所述第二放电控制支路断开，使所述输入端输入的电流对所述第二储能元件充电；
所述负电压工作电路于放电模式时，所述第二开关器件组控制所述第二放电控制支路及所述第二充放电支路导通，并控制所述第一充电控制支路断开，使所述第二储能元件对所述输出端放电。
4.根据权利要求3所述的一种降压负升压的开关电源，其特征在于，所述正电压工作电路工作时，所述第二充放电支路、所述第二放电控制支路断开；所述负电压工作电路工作时，所述第一充放电支路、所述第一放电控制支路断开。
5.如权利要求1所述的一种降压负升压的开关电源，其特征在于，所述电源转换模块还包括：
一反馈网络，连接于所述输出端与所述接地端之间，用以产生一电压反馈信号；
一电流检测电路，可控制的并联于所述输入端与所述交汇结点之间，用以根据所述脉宽调制信号产生一电流检测信号；
一控制单元，与所述反馈网络及所述电流检测电路连接，用以根据所述电压反馈信号、所述电流检测信号及一参考控制信号生成所述脉宽调制信号。
6.根据权利要求5所述的一种降压负升压的开关电源，其特征在于，所述反馈网络主要由一电阻分压电路形成，所述电阻分压电路包括预订数量且相互串联地连接于所述输出端与所述接地端之间的分压电阻，所述分压电阻间相连接的点形成分压节点；
所述电压反馈信号自预定的分压节点处引出。
7.根据权利要求5所述的一种降压负升压的开关电源，其特征在于，所述电流检测电路包括：
一检测电阻，串联于所述电流检测电路上；
一检测单元，连接所述检测电阻的两端，用以检测流过所述检测电阻的电流；
一受所述脉宽调制信号控制通断的检测控制开关，连接于所述电流检测电路上。
8.根据权利要求5所述的一种降压负升压的开关电源，其特征在于，所述控制单元包括：
一误差放大器，用于对所述反馈网络输出的电压反馈信号与所述参考控制信号进行比较，得到一误差放大信号；
一比较器，用以对所述电流检测电路获得的电流检测信号及所述误差放大信号进行比较，产生一比较信号；
一时钟信号产生器；所述时钟信号产生器用于产生时钟信号，所述时钟信号连接所述电流检测电路；
一PWM控制器，用于依据所述比较信号产生脉宽调制信号，所述PWM控制器还连接所述时钟信号。
9.根据权利要求5所述的一种降压负升压的开关电源，其特征在于，所述电压反馈信号经过一电平转换电路输入所述控制单元。
10.根据权利要求3所述的一种降压负升压的开关电源，其特征在于，所述第一开关器件组包括一第一开关器件、一第二开关器件、一第三开关器件；
所述第一开关器件连接于所述第一充电控制支路上；
所述第二开关器件连接于所述第一充放电支路上，与所述第一储能元件串联连接，并位于所述交汇结点与所述第一储能元件之间；
所述第三开关器件连接于第一放电控制支路上。
11.根据权利要求1所述的一种降压负升压的开关电源，其特征在于，所述开关器件组包括P沟道MOSFET，所述开关器件组还包括N沟道MOSFET。
12.根据权利要求5所述的一种降压负升压的开关电源，其特征在于，所述控制单元分别通过一选通电路连接所述开关器件组的控制端。
13.根据权利要求10所述的一种降压负升压的开关电源，其特征在于，所述第二开关器件组包括所述第一开关器件，还包括一第四开关器件、一第五开关器件；
所述第四开关器件连接于所述第二放电控制支路上；
所述第五开关器件连接于所述第二充放电支路上，与所述第二储能元件串联连接，并位于所述交汇结点与所述第二储能元件之间。
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