CN104869737B - 一种软开关型dc‑dc变换电路及其车载hid灯镇流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软开关型DC‑DC变换电路，包括电源电路、变压器、开关管、开关管驱动电路、电压检测电路和控制电路。电源电路的输出端与变压器的初级线圈的一端连接，初级线圈的另一端与开关管的第一导通端连接；电压检测电路的输出端与控制电路的信号输入端连接；控制电路的第一控制输出端与电压检测电路的控制输入端连接，第二控制输出端与开关管驱动电路的输入端连接，开关管驱动电路的输出端与开关管的控制输入端连接。本发明还公了采用上述软开关型DC‑DC变换电路的车载HID灯镇流器。

Description

一种软开关型DC-DC变换电路及其车载HID灯镇流器

技术领域

本发明涉及DC-DC变换电路的软开关技术，尤其涉及一种软开关型DC-DC变换电路及其车载HID灯镇流器。

背景技术

汽车现在越来越普遍，也越来越受消费者的欢迎，当下，不少汽车厂家使用氙气灯来作为汽车照明灯，氙气灯（High intensity Discharge） 是指内部充满包括氙气在内的惰性气体混合体，没有卤素灯（halogen lamp）所具有的灯丝的高压气体放电灯，简称HID氙气灯或HID灯，实际使用中，HID氙气灯需要DC-DC变换电路来作为控制电路，然而实际工作中， 存在以下问题之一：DC-DC变换电路通常采用硬开关的工作方式，这种硬开关的工作方式会在DC-DC变换电路中的开关管的导通和关断过程中产生较大的损耗，噪声也大，使得工作效率低，制造成本也较高。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种软开关型DC-DC变换电路，包括电源电路、变压器、开关管、开关管驱动电路、电压检测电路和控制电路；电源电路的输出端与变压器的初级线圈的一端连接，变压器的初级线圈的另一端与开关管的第一导通端连接；电压检测电路的输出端与控制电路的信号输入端连接，电压检测电路用于检测所述开关管的第一导通端与第二导通端之间的电压，并在开关管的第一导通端与第二导通端之间的电压低于一预定值时向控制电路输出一触发信号；控制电路的第一控制输出端与电压检测电路的控制输入端连接，控制电路的第二控制输出端与开关管驱动电路的输入端连接，开关管驱动电路的输出端与所述开关管的控制输入端连接；控制电路用于向开关管驱动电路输出PWM信号以控制所述开关管的导通和断开，在PWM信号由第二电平向第一电平跳变时，开关管驱动电路控制开关管导通，控制电路禁能电压检测电路；在PWM信号由第一电平向第二电平跳变时，开关管驱动电路控制开关管断开，控制电路使能所述电压检测电路，在PWM信号处于第二电平期间，当控制电路收到电压检测电路发送的触发信号时，控制电路输出的PWM信号由第二电平向第一电平跳变；其中，当PWM信号处于第一电平时，开关管导通，当PWM信号处于第二电平时，开关管关断。

本发明的另一实施例还提供了一种包括上述软开关型DC-DC变换电路的车载HID灯镇流器。

本发明至少达到以下的有益效果之一：

1、本发明的一种软开关型DC-DC变换电路实现了开关管的软开关，减小了开关管的工作损耗，并且，由于本发明的DC-DC变换电路在开关管处于导通期间阻止电压检测电路向控制电路输出信号，从而可防止误触发，提高了电路的可靠性和安全性；

2、本发明的控制电路可以采用通用的单片机实现，因而适用范围更加广泛，实施成本也更加低廉。这一优点在该软开关型DC-DC变换电路应用于车载HID灯镇流器时因无需采用专用芯片而表现得尤为明显。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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他的附图。

图1示出了根据本发明一实施例的一种软开关型DC-DC变换电路的原理框图；

图2示出了根据本发明一实施例的电压检测电路和控制电路的原理图；

图3示出了采用根据本发明一实施例的软开关型DC-DC变换电路的车载HID灯镇流器的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步说明。

氙气灯（High intensity Discharge） 是指内部充满包括氙气在内的惰性气体混合体，没有卤素灯（halogen lamp）所具有的灯丝的高压气体放电灯，简称HID氙气灯，其发光原理是通过启动器和电子镇流器，将电压提高至23000V以上电击氙气从而导致氙气在两个电极之间形成电弧并发光。研究人员发现，对于车载镇流器,需要应对很宽的、复杂多变的电源电压，还要考虑到整体电路的转换效率，而现有技术中，要实现反激式或耦合升压电路拓扑的PWM软开关，通常需要半导体厂商的专用芯片，或者是专用的单片机，如此，就造成了单片机或者HID控制器中的至少其中之一的通用性不强、可替换性较低，进而造成制造生产成本的上升，换句话说，现有技术中，通常有两种情况，一种情况是会在单片机以外，再设置一个专用的芯片，还有一种情况是，将专用的芯片集成在专用的单片机里，这两种情况，都是单片机必须和特定定制的芯片配套使用才行，这就使得单片机的通用替换性较低，从而使得HID控制器（也叫车载镇流器或电子镇流器、车载HID镇流器）产品的成本上升。

图1示出了根据本发明一实施例的一种软开关型DC-DC变换电路的原理框图。如图1所示，该软开关型DC-DC变换电路，包括电源电路1、变压器2、整流电路3、开关管4、开关管驱动电路5、电压检测电路6和控制电路7。

电源电路1的输出端与变压器2的初级线圈的一端连接，变压器的初级线圈的另一端与开关管4的第一导通端连接，开关管4的第二导通端接地。变压器2的次级线圈与整流电路3的输入端连接。

电压检测电路6的输出端与控制电路7的信号输入端连接，该电压检测电路6用于检测开关管4的第一导通端与第二导通端之间的电压VDS，并在开关管4的第一导通端与第二导通端之间的电压VDS低于一预定值时向控制电路7输出一触发信号，通常，预定值与两个因素有关，第一因素：电源电路1的电压；第二因素：变压器2的初级线圈与次级线圈的圈数比，预定值的设定为本领域公知技术，本实施例在此不再赘述，本领域技术人员可以根据实际需求合理设置。

控制电路7的第一控制输出端与电压检测电路6的控制输入端连接。控制电路7的第二控制输出端与开关管驱动电路5的输入端连接，开关管驱动电路5的输出端与开关管4的控制输入端连接。控制电路7用于向开关管驱动电路5输出PWM信号，以使得开关管驱动电路5控制开关管4的导通和断开，具体来说，在该PWM信号由第二电平向第一电平跳变时，开关管驱动电路5控制开关管4导通，且控制电路7禁能电压检测电路6，亦即使得压检测电路6不对开关管4的第一导通端与第二导通端之间的电压VDS进行检测；在该PWM信号由第一电平向第二电平跳变时，开关管驱动电路5控制开关管断开，且控制电路7使能电压检测电路6，亦即使得电压检测电路6对开关管4的第一导通端与第二导通端之间的电压VDS进行检测；在PWM信号处于第二电平期间，当控制电路7收到电压检测电路6发送的触发信号时，控制电路7输出的PWM信号由第二电平向第一电平跳变，以使得控制开关管驱动电路5控制开关管4导通；亦即，PWM信号处于第一电平时，开关管4导通，PWM信号处于第二电平时，开关管4关断。

在本实施例中，前述的开关管4可以为NMOS管，NMOS管的栅极（即所述开关管4的控制输入端）与开关管驱动电路5的输出端连接，NMOS管的漏极（即所述开关管4的第一导通端）与变压器2的初级线圈的另一端连接，NMOS管的源极（即所述开关管4的第二导通端）接地。开关管4的第一导通端与第二导通端之间的电压VDS即为该NMOS管的漏极与源极之间的压差。本实施例中，所述PWM信号的第一电平为高电平，所述PWM信号的第二电平为低电平，亦即，所述PWM信号的第一电平大于所述PWM信号的第二电平。

需要说明的是，在其他实施例中，开关管4还可以为PMOS管，则PMOS管的栅极（即所述的开关管4的控制输入端）与开关管驱动电路5的输出端连接，PMOS管的漏极即所述开关管4的第一导通端）与变压器2的初级线圈的另一端连接，PMOS管的源极（即所述开关管4的第二导通端）接地，开关管4的第一导通端与第二导通端之间的电压VDS即为该NMOS管的漏极与源极之间的压差，在此实施例中，所述PWM信号的第一电平为低电平，所述PWM信号的第二电平为高电平。本实施例不对开关管4的类型做任何限制。

进一步的，前述的控制电路7为控制器，其可采用单片机或MCU（micro-controlunit，微控制器），单片机型号包括但不限于为XC836。 前述的电源电路1通常可以是由蓄电池构成，但不限于此。

图2进一步示出了根据本发明一实施例的电压检测电路6和控制电路7的原理图。

如图1和图2所示，电压检测电路6包括第一滤波电容C1、参考电压产生电路60、上拉电阻R1、第一三极管T1、第一限流电阻R2和第二三极管T2。图中，第一三极管T1为PNP三极管，第二三极管T2为NPN三极管。

第一滤波电容C1的一端连接于变压器2的初级线圈和开关管4的第一导通端，第一滤波电容C1的另一端与第一三极管T1的基极连接。参考电压产生电路60的输出分为两路，一路通过上拉电阻R1连接于第一三极管T1的基极，另一路与第一三极管T1的发射极连接；第一三极管T1的集电极通过第一限流电阻R2接地；第一三极管T1的集电极与第一限流电阻R2还均连接于第二三极管T2的集电极; 第二三极管T2的基极与控制电路7的第一控制输出端连接，第二三极管T2的集电极还与控制电路7的信号输入端连接，第二三极管T2的发射极接地。

优选地，电压检测电路6还包括第二滤波电容C2，第二滤波电容C2与第一限流电阻R2并联。

优选地，电压检测电路6还包括二极管D1，二极管D1的正极连接于上拉电阻R1的一端与第一三极管T1的基极，二极管D1的负极连接于上拉电阻R1的另一端和第一三极管T1的发射极。

优选地，电压检测电路6还可以包括第二限流电阻R3， 第一三极管T1的集电极与第一限流电阻R2通过第二限流电阻R3连接于第二三极管T2的集电极。

进一步的，控制电路7包括PWM信号产生单元71、检测信号接收单元72、检测电路控制单元73和主控制单元74。

检测信号接收单元72的输入端与电压检测电路6的输出端连接，检测信号接收单元72的输出端与主控制单元74的输入端连接。主控制单元74的第一输出端与PWM信号产生单元71的输入端连接，主控制单元74的第二输出端与检测电路控制单元73的输入端连接。PWM信号产生单元71的输出端与开关管驱动电路5的输入端连接，检测电路控制单元73的输出端与电压检测电路6的控制输入端连接。

PWM信号产生单元71用于产生PWM信号，并将PWM信号传输给开关管驱动电路5。检测信号接收单元72连接于第二三极管T2的集电极，检测信号接收单元72用于接收电压检测电路6输出的信号（亦即触发信号）。检测电路控制单元73连接于第二三极管T2的基极，用于向电压检测电路6输出使能信号或禁能信号；其中，使能信号用于允许电压检测电路6向检测信号接收单元72输出信号（亦即输出触发信号），禁能信号用于阻止电压检测电路6向检测信号接收单元72输出信号。主控制单元74用于在PWM信号产生单元71输出的PWM信号由第二电平向第一电平跳变时，控制检测电路控制单元73输出禁能信号，并且在PWM信号产生单元71输出的PWM信号由第一电平向第二电平跳变时，控制检测电路控制单元73输出使能信号；在PWM信号产生单元71输出的PWM信号为第二电平期间，当检测信号接收单元72接收到电压检测电路6发出的触发信号时，主控制单元74控制PWM信号产生单元71输出的PWM信号由第二电平向第一电平跳变，以使得开关管驱动电路5控制开关管4导通。

根据本发明一实施例的一种软开关型DC-DC变换电路的工作过程如下：

A、主控制单元74控制PWM信号产生单元71输出PWM信号到开关管驱动电路5，此时的PWM信号已经处于第一电平，换句话说，此时PWM信号已经由第二电平跳变到第一电平了，如此使得开关管驱动电路5控制开关管4导通，与此同时，主控制单元74控制检测电路控制单元73输出禁能信号给第二三极管T2（亦即，主控制单元74控制检测电路控制单元73向电压检测电路6输出禁能信号），以使得第二三极管T2导通，从而使检测信号接收单元72接收到的电平为0，从而阻止检测信号接收单元72接收电压检测电路6发出的触发信号；

B、PWM信号产生单元71输出的PWM信号的第一电平在达到一设定时间后自动跳变到第二电平，从而使得开关管驱动电路5控制开关管4断开，在PWM信号由第一电平跳变到第二电平的同时，主控制单元74控制检测电路控制单元73输出使能信号给第二三极管T2，使得第二三极管T2关断，从而使检测信号接收单元72能够接收到电压检测电路6发出的触发信号。需要说明的是，本实施例不对上述设定时间的长短做任何限制，本领域技术人员可以按需合理设置；

C、在PWM信号为第二电平期间，开关管4的第一导通端与第二导通端之间的电压VDS先是在变压器2和电源电路1的共同作用下，处于一个高于电源电路输出电压的水平，而待变压器2的能量由原边转换到副边结束后，开关管4的第一导通端与第二导通端之间的电压VDS会开始下降，当电压检测电路6检测到开关管4的第一导通端与第二导通端之间的电压VDS下降到低于一预定值时，作为高通滤波器的第一滤波电容C1输出低电平信号，使得第一三极管T1导通，由于参考电压产生电路60输出一个高电平信号，因此使得电压检测电路6输出一个由低电平跳变到高电平的触发信号给检测信号接收单元72；

D、当检测信号接收单元72接收到该触发信号时，主控制单元74控制PWM信号产生单元71输出的PWM信号由第二电平向第一电平跳变，然后重新从步骤A开始执行。

本发明实施例还提供了一种车载HID灯镇流器，包括前述的根据本发明实施例的软开关型DC-DC变换电路，通常，车载HID灯镇流器也叫做HID控制器。图3示出了采用该软开关型DC-DC变换电路的车载HID灯镇流器的原理框图。图中，电源电路1为一蓄电池。要使氙气灯点亮需要通过DC-DC变换电路将蓄电池的电压转换成400V左右的高压，同时使得升压电路8达到-800V，从而使得高压点火装置9产生可达到23KV的高压，在灯管10的两极之间建立电弧。DC-DC变换电路继续工作维持电弧，DC-AC变换器11交换两极上的电流方向，延长灯管的寿命。根据灯的状态，将灯管上的功率缓慢降至灯管的标称功率35W或25W。这些过程都是由控制电路7根据当前状态与监测到的电压电流，控制变压器2和DC-AC变换器11来达到目的。

本发明实施例的控制电路可以采用通用的单片机实现，无需使用专用芯片，本发明实施例至少达到以下的有益效果之一：1、本发明实施例的一种软开关型DC-DC变换电路实现了开关管的软开关，减小了开关管的工作损耗，并且，由于本发明的DC-DC变换电路在开关管处于导通期间阻止电压检测电路向控制电路输出信号，从而可防止误触发，提高了电路的可靠性和安全性；2、本发明实施例的控制电路可以采用通用的单片机实现，因而适用范围更加广泛，实施成本也更加低廉。这一优点在该软开关型DC-DC变换电路应用于车载HID灯镇流器时因无需采用专用芯片而表现得尤为明显，如此，提高了单片机的通用性和可替换性，进而使得该车载HID灯镇流器实施成本更加低廉，降低了生产成本。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种软开关型DC-DC变换电路，包括电源电路、变压器、开关管、开关管驱动电路、电压检测电路和控制电路；

所述电源电路的输出端与所述变压器的初级线圈的一端连接，所述变压器的初级线圈的另一端与所述开关管的第一导通端连接；

所述电压检测电路的输出端与所述控制电路的信号输入端连接，所述电压检测电路用于检测所述开关管的第一导通端与第二导通端之间的电压，并在所述开关管的第一导通端与第二导通端之间的电压低于一预定值时向所述控制电路输出一触发信号；

所述控制电路的第一控制输出端与所述电压检测电路的控制输入端连接，所述控制电路的第二控制输出端与所述开关管驱动电路的输入端连接，所述开关管驱动电路的输出端与所述开关管的控制输入端连接；所述控制电路用于向所述开关管驱动电路输出PWM信号以控制所述开关管的导通和断开，在所述PWM信号由第二电平向第一电平跳变时，所述开关管驱动电路控制所述开关管导通，所述控制电路禁能所述电压检测电路；在所述PWM信号由第一电平向第二电平跳变时，所述开关管驱动电路控制所述开关管断开，所述控制电路使能所述电压检测电路，在所述PWM信号处于第二电平期间，当所述控制电路收到所述电压检测电路发送的触发信号时，所述控制电路输出的所述PWM信号由第二电平向第一电平跳变；其中，当所述PWM信号处于第一电平时，所述开关管导通，当PWM信号处于第二电平时，所述开关管关断。

2.如权利要求1所述的一种软开关型DC-DC变换电路，其特征在于，所述控制电路包括：

PWM信号产生单元，用于产生所述PWM信号；

检测信号接收单元，用于接收所述电压检测电路输出的信号；

检测电路控制单元，用于向所述电压检测电路输出使能信号或禁能信号；所述使能信号用于允许所述电压检测电路向所述检测信号接收单元输出信号，所述禁能信号用于阻止所述电压检测电路向所述检测信号接收单元输出信号；

主控制单元，用于在所述PWM信号产生单元输出的PWM信号由第二电平向第一电平跳变时，控制检测电路控制单元输出禁能信号，并且在PWM信号产生单元输出的PWM信号由第一电平向第二电平跳变时，控制检测电路控制单元输出使能信号；在PWM信号产生单元输出的PWM信号为第二电平期间，当检测信号接收单元接收到所述的触发信号时，控制所述的PWM信号产生单元输出的PWM信号由第二电平向第一电平跳变。

3.如权利要求2所述的一种软开关型DC-DC变换电路，其特征在于，所述检测信号接收单元的输入端与所述电压检测电路的输出端连接，所述检测信号接收单元的输出端与所述主控制单元的输入端连接；所述主控制单元的第一输出端与所述PWM信号产生单元的输入端连接，所述主控制单元的第二输出端与所述检测电路控制单元的输入端连接；所述PWM信号产生单元的输出端与所述开关管驱动电路的输入端连接，所述检测电路控制单元的输出端与所述电压检测电路的控制输入端连接。

4.如权利要求1或2所述的一种软开关型DC-DC变换电路，其特征在于，所述的电压检测电路包括第一滤波电容、参考电压产生电路、上拉电阻、第一三极管、第一限流电阻和第二三极管；

所述第一滤波电容的一端连接于所述变压器的初级线圈和所述开关管的第一导通端，第一滤波电容的另一端与所述第一三极管的基极连接；所述参考电压产生电路的输出分为两路，一路通过所述上拉电阻连接于所述第一三极管的基极，另一路与所述第一三极管的发射极连接；所述第一三极管的集电极通过所述第一限流电阻接地；所述第一三极管的集电极与所述第一限流电阻还均连接于所述第二三极管的集电极；所述第二三极管的基极与所述控制电路的第一控制输出端连接，所述第二三极管的集电极还与所述控制电路的信号输入端连接，所述第二三极管的发射极接地；

其中，所述第一三极管为PNP三极管，所述第二三极管为NPN三极管。

5.如权利要求4所述的一种软开关型DC-DC变换电路，其特征在于，所述的电压检测电路包括第二滤波电容，所述第二滤波电容与所述第一限流电阻并联。

6.如权利要求4所述的一种软开关型DC-DC变换电路，其特征在于，所述电压检测电路包括二极管，所述二极管的正极连接于所述上拉电阻的一端与第一三极管的基极，所述二极管的负极连接于所述上拉电阻的另一端和所述第一三极管的发射极。

7.如权利要求4所述的一种软开关型DC-DC变换电路，其特征在于，所述的电压检测电路包括第二限流电阻，所述第一三极管的集电极与所述第一限流电阻通过所述第二限流电阻连接于所述第二三极管的集电极。

8.如权利要求1或2所述的一种软开关型DC-DC变换电路，其特征在于，所述的控制电路由单片机构成。

9.如权利要求1或2所述的一种软开关型DC-DC变换电路，其特征在于，所述开关管为NMOS管，所述NMOS管的栅极与所述开关管驱动电路的输出端连接，所述NMOS管的漏极与所述变压器的初级线圈的另一端连接，所述NMOS管的源极接地；

所述PWM信号的第一电平大于所述PWM信号的第二电平。

10.一种车载HID灯镇流器，包括如权利要求1至9中任意一项所述的软开关型DC-DC变换电路。