CN104917384A - 一种降压型转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降压型转换器，其包括电压输入端、输出端正极、输出端负极、第一开关、二极管、电感、输出电容和占空比控制电路。所述电感连接于所述电压输入端和输出端正极之间；所述输出电容连接于所述输出端正极和输出端负极之间；所述第一开关连接于所述输出端负极和接地端之间；所述二极管的正极与所述输出端负极相连，所述二极管的负极与所述电压输入端相连，所述占空比控制电路输出驱动信号给第一开关的控制端，以控制第一开关导通或关断。与现有技术相比，本发明提供的降压型转换器可以直接采用NMOS晶体管作为开关使用，且不需要设置额外的自举电路，从而使得电路结构简单、成本低。

Description

一种降压型转换器

【技术领域】

本发明涉及电路设计领域，特别涉及一种基于电感的降压型转换器。

【背景技术】

请参考图1所示，其为现有技术中的一种降压型转换器的电路示意图。该降压型转换器包括输入电容C1、输出电容C2、开关S1、二极管D1和电感L1，其中，开关S1、电感L1和输出电容C2依次连接于电压输入端VIN和接地端GND之间，电感L1和输出电容C2之间的连接节点作为该降压型转换器的输出端VO；负载Load连接于输出端VO和接地端GND之间；输入电容C1连接于电压输入端VIN和接地端GND之间；二极管D1的负极与开关S1和电感L1之间的连接节点LX相连，二极管D1的正极与接地端GND相连；开关S1的控制端与驱动信号DV相连，驱动信号DV为占空比为D的周期信号。

一般图1所示的降压型转换器的开关S1为PMOS(P-Channel Metal OxideSemiconductor)晶体管，当驱动信号DV为低电平时，PMOS晶体管导通；当驱动信号DV为高电平时，PMOS晶体管关断。当开关S1导通时，节点LX的电压等于电压输入端VIN的电压；当开关S1关断时，二极管D1导通，节点LX的电压接近于地电平，LX信号表现为高电平为VIN、低电平为零的方波信号，其占空比与开关S1的占空比相同。LX信号经过由电感L1和输出电容C1构成的低通滤波器，产生直流的输出信号VO，该输出端VO的电压等于节点LX上的平均电压，即VO＝D*VIN，其中，VO为输出端VO的电压值，VIN为电压输入端VIN的电压值，D为驱动信号DV的开关占空比，由于D为0～1之间的值，因此，D*VIN小于或等于VIN，即图1所示的降压型转换器表现为降压功能。

由于PMOS晶体管的价格昂贵，因此，第一开关S1用PMOS晶体管实现，会使得图1所示的降压型转换器具有较高的成本。一般NMOS(N-Channel MetalOxide Semiconductor)晶体管比PMOS晶体管成本低，如果图1中的开关S1用NMOS晶体管实现，则驱动信号DV的高电平需要大于(VIN+Vth)才能让NMOS晶体管完全导通(其中，VIN为电压输入端VIN的电压值，Vth为NMOS晶体管的阈值电压)，因此，就需要设置额外的自举(Boot-strap)电路产生特殊的驱动信号，从而导致电路结构复杂(一般至少需要额外的驱动电路和片外较大的电容)，成本也较高。

因此，有必要提供一种改进的技术方案来解决上述问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种降压型转换器，其可以直接采用NMOS晶体管作为开关使用，且不需要设置额外的自举电路，从而使得电路结构简单、成本低。

为了解决上述问题，本发明提供一种降压型转换器，其包括电压输入端、输出端正极、输出端负极、第一开关、二极管、电感、输出电容和占空比控制电路。所述电感连接于所述电压输入端和输出端正极之间；所述输出电容连接于所述输出端正极和输出端负极之间；所述第一开关连接于所述输出端负极和接地端之间；所述二极管的正极与所述输出端负极相连，所述二极管的负极与所述电压输入端相连，所述占空比控制电路输出驱动信号给第一开关的控制端，以控制第一开关导通或关断。

进一步的，所述降压型转换器还包括输入电容，所述输入电容连接于所述电压输入端和接地端之间。

进一步的，所述第一开关为PMOS晶体管或NMOS晶体管。

进一步的，所述二极管为肖特基二极管。

进一步的，所述降压型转换器的输出电压VO＝VOP-VON，则VO＝D*VIN，其中，VO为输出电压的电压值，VIN为电压输入端VIN的电压值，D为驱动信号的占空比，VOP为所述输出端正极的电压值，VON所述输出端负极VON的电压值。

为了解决上述问题，本发明提供另一种降压型转换器，其包括电压输入端、输出端正极、输出端负极、第一开关、第二开关、电感、输出电容和占空比控制电路，所述电感连接于所述电压输入端和输出端正极之间；所述输出电容连接于所述输出端正极和输出端负极之间；所述第一开关连接于所述输出端负极和接地端之间；第二开关连接于所述输出端负极和所述电压输入端之间，所述占空比控制电路输出驱动信号控制第一开关和第二开关交替导通。

进一步的，所述降压型转换器还包括输入电容，所述输入电容连接于所述电压输入端和接地端之间。

进一步的，所述第一开关S1为PMOS晶体管或NMOS晶体管；或所述第二开关S2为PMOS晶体管或NMOS晶体管。

进一步的，所述占空比控制电路输出的驱动信号包括第一驱动信号和第二驱动信号，所述第一驱动信号与第一开关的控制端相连，以控制第一开关的导通或关断；所述第二驱动信号与第二开关的控制端相连，以控制第二开关的导通或关断，所述第一驱动信号和第二驱动信号之间存在死区时间，以避免第一开关和第二开关同时导通。

进一步的，所述降压型转换器的输出电压VO＝VOP-VON，则VO＝D*VIN，其中，VO为输出电压的电压值，VIN为电压输入端VIN的电压值，D为第一驱动信号的占空比，VOP为所述电压输出端正极VOP的电压值，VON所述电压输出端负极VON的电压值。

与现有技术相比，本发明调整了现有的降压型转换器中的开关和二极管在电路中的位置，以在实现降压功能的同时，降低开关导通或关断时需要的驱动信号的电压值，从而使本发明的降压型转换器中的开关可以直接采用NMOS晶体管实现，且不需要额外设置可产生较高电压驱动信号的自举电路，从而使电路结构简单、成本低。

【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为现有技术中的一种降压型转换器的电路示意图；

图2为本发明在第一个实施例中的降压型转换器的电路示意图；

图3为本发明在第二个实施例中的降压型转换器的电路示意图。

【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。

请参考图2所示，其为本发明在第一个实施例中的降压型转换器的电路示意图。图2中的降压型转换器与图1的区别在于，调整了图1中的降压型转换器中的开关S1和二极管D1在电路中的位置。

图2所示的降压型转换器包括电压输入端VIN、输出端正极VOP、输出端负极VON、第一开关S1、二极管D1、电感L1、输入电容C1、输出电容C2和占空比控制电路210。

所述输入电容C1连接于所述电压输入端VIN和接地端GND之间：所述电感L1连接于所述电压输入端VIN和输出端正极VOP之间；所述输出电容C2连接于所述输出端正极VOP和输出端负极VON之间；所述第一开关S1连接于所述输出端负极VON和接地端GND之间；所述二极管D1的正极与所述输出端负极VON相连，所述二极管D1的负极与所述电压输入端VIN相连。

所述占空比控制电路210输出驱动信号DV1给第一开关S1的控制端，驱动信号DV1为周期性的占空比信号，控制第一开关S1以占空比D间歇式导通和关断。其中，驱动信号DV1的占空比D等于一个驱动信号DV1周期(即开关周期)中的第一电平(即驱动第一开关S1导通的电平信号)持续时间与该驱动信号DV1周期的比值，且0＜D＜1。

图2所示的降压型转换器的输出电压为所述输出端正极VOP和输出端负极VON之间的电压差，可以将负载Load连接于输出端正极VOP和输出端负极VON之间，由该降压型转换器产生的输出电压给负载Load供电。

以下介绍图2所示的降压型转换器的工作原理。

在第一阶段，所述占空比控制电路210控制第一开关S1导通，电感L1进行储能，电流由电压输入端VIN流向电感L1，再流向负载Load和输出电容C2，最后经第一开关S1流到接地端GND，此时，二极管D1处于截止状态；在第二阶段，所述占空比控制电路210控制第一开关S1关断，电感L1释放能量，电流由电压输入端VIN流向电感L1，再经过负载Load和输出电容C2流向二极管D1，再回到电压输入端VIN，形成释放能量的回路。

在稳定平衡状态，根据电感磁通量守恒原理：

(VIN-VO)*D*Ts+(VIN-(VIN+VO))*(1-D)*Ts＝0  (1)，

其中，VIN为输入电压VIN的电压值；VO为输出电压的电压值，且VO＝VOP-VON，其中，VOP为输出端正极VOP的电压值，VON为输出端负极VON的电压值；D为驱动信号DV1的占空比(或第一开关S1导通的占空比)，Ts为开关周期。

对公式(1)化简整理得:

VO＝D*VIN  (2)。

综上可知，图2所示的降压型转换器与图1的电压转换效果相同。

在一个实施例中，图2中的第一开关S1可以为PMOS晶体管或NMOS晶体管。为了提高效率，所述二极管D1可以采用导通压降较小的肖特基二级管。

需要特别说明的是，图1中的开关S1连接于电压输入端VIN和电感L1的一端之间，而图2中的开关S1连接于输出端负极VON和接地端GND之间，可见，图2中的开关S1在电路中所处的电势位低于图1中的开关S1在电路中所处的电势位，因此，在图1和图2中的开关S1为相同的MOS管的前提下，与图1相比，图2可以降低开关S1导通或关断时需要的驱动信号的电压值。

例如，当图1和图2中的开关S1都为NMOS晶体管时，图1中使NMOS晶体管导通的驱动信号DV的高电平需要大于(VIN+Vth)，而图2中使NMOS晶体管导通的驱动信号DV1的高电平需要大于(VON+Vth)即可，其中，VIN为电压输入端的电压值，VON为输出端负极VON的电压值，Vth为NMOS晶体管的阈值电压。由于VIN明显大于VON，因此，图2中使NMOS晶体管导通的驱动信号DV1的高电平低于图1中使NMOS晶体管导通的驱动信号DV的高电平。同理，图2中使NMOS晶体管关断的驱动信号DV1的低电平也低于图1中使NMOS晶体管导通的驱动信号DV的低电平。由于图2中使NMOS晶体管导通的驱动信号DV1的高电平的电压值较低，因此，图2所示的降压型转换

可以直接采用NMOS晶体管作为开关S1，无需额外设置可产生较高电压驱动信号的自举电路。另外，一般相同导通电阻的NMOS晶体管的价格要低于PMOS晶体管的价格，因此，本发明中直接采用NMOS晶体管作为开关S1的降压型转换器与图1相比，电路结构简单、成本低。

请参考图3所示，其为本发明在第二个实施例中的降压型转换器的电路示意图。与图2相比其区别在于，采用第二开关S2替换了图2中的二极管D1，且所述占空比控制电路310输出的驱动信号控制第一开关S1和第二开关S2交替导通。在一个实施例中，所述第二开关S2可以为MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)晶体管，比如，NMOS晶体管或PMOS晶体管。

图3所示的降压型转换器的工作原理与图2所述相同，在第一阶段，所述占空比控制电路310控制第一开关S1导通，第二开关S2关断，电感L1进行储能，电流由电压输入端VIN流向电感L1，再流向负载load和输出电容C2，最后经第一开关S1流到接地端GND；在第二阶段，所述占空比控制电路310控制第一开关S1关断，第二开关S2导通，电感L1释放能量，电流由电压输入端VIN流向电感L1，再经过负载Load和输出电容C2流向第二开关S2，再回到电压输入端VIN，形成释放能量的回路。理想情况下，其输出电压VO仍遵循公式(2)。

虽然图3所示的实施例中采用第二开关S2代替了图2中的二极管D1，其成本比图2所示的实施例高，但是，可以实现更高的能量转换效率，其原因在于，第二开关S2可以实现比二极管D1更低的导通压降。

在图3所示的实施例中，所述占空比控制电路310输出的驱动信号包括第一驱动信号DV1和第二驱动信号DV2，其中，第一驱动信号DV1与第一开关S1的控制端相连，以控制第一开关S1的导通或关断；第二驱动信号DR2与第二开关S2的控制端相连，以控制第二开关S2的导通或关断。需要说明的是，第一驱动信号DV1和第二驱动信号DV2之间需要存在死区时间，以避免第一开关S1和第二开关S2同时导通。例如，开关S1和S2都为NMOS晶体管，驱动信号为高电平时使对应的开关导通，驱动信号为低电平时，使对应的开关关断，第一驱动信号DV1和第二驱动信号DV2为不交叠时钟(或存在死区时间)：即当第一驱动信号DV1为高电平时，第二驱动信号DV2为低电平；当第二驱动信号DV2为高电平时，第一驱动信号DV1为低电平，为了避免两个开关同时导通，一般第一驱动信号DV1为高电平与第二驱动信号DV2为高电平时段之间存在一个小死区时间，在此死区时间内，第一驱动信号DV1和第二驱动信号DV2同时为低电平，以使第一开关S1和第二开关S2同时关断。

在本发明中，“连接”、相连、“连”、“接”等表示电性相连的词语，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 (10)

1.一种降压型转换器，其特征在于，包括电压输入端、输出端正极、输出端负极、第一开关、二极管、电感、输出电容和占空比控制电路，

所述电感连接于所述电压输入端和输出端正极之间；所述输出电容连接于所述输出端正极和输出端负极之间；所述第一开关连接于所述输出端负极和接地端之间；所述二极管的正极与所述输出端负极相连，所述二极管的负极与所述电压输入端相连，

所述占空比控制电路输出驱动信号给第一开关的控制端，以控制第一开关导通或关断。

2.根据权利要求1所述的降压型转换器，其特征在于，其还包括输入电容，所述输入电容连接于所述电压输入端和接地端之间。

3.根据权利要求1所述的降压型转换器，其特征在于，

所述第一开关为PMOS晶体管或NMOS晶体管。

4.根据权利要求3所述的降压型转换器，其特征在于，

所述二极管为肖特基二极管。

5.根据权利要求1所述的降压型转换器，其特征在于，

所述降压型转换器的输出电压VO＝VOP-VON，则

VO＝D*VIN，

其中，VO为输出电压的电压值，VIN为电压输入端VIN的电压值，D为驱动信号的占空比，VOP为所述输出端正极的电压值，VON所述输出端负极VON的电压值。

6.一种降压型转换器，其特征在于，其包括电压输入端、输出端正极、输出端负极、第一开关、第二开关、电感、输出电容和占空比控制电路，

所述电感连接于所述电压输入端和输出端正极之间；所述输出电容连接于所述输出端正极和输出端负极之间；所述第一开关连接于所述输出端负极和接地端之间；第二开关连接于所述输出端负极和所述电压输入端之间，

所述占空比控制电路输出驱动信号控制第一开关和第二开关交替导通。

7.根据权利要求6所述的降压型转换器，其特征在于，其还包括输入电容，所述输入电容连接于所述电压输入端和接地端之间。

8.根据权利要求6所述的降压型转换器，其特征在于，

所述第一开关S1为PMOS晶体管或NMOS晶体管；或

所述第二开关S2为PMOS晶体管或NMOS晶体管。

9.根据权利要求6所述的降压型转换器，其特征在于，

所述占空比控制电路输出的驱动信号包括第一驱动信号和第二驱动信号，

所述第一驱动信号与第一开关的控制端相连，以控制第一开关的导通或关断；所述第二驱动信号与第二开关的控制端相连，以控制第二开关的导通或关断，所述第一驱动信号和第二驱动信号之间存在死区时间，以避免第一开关和第二开关同时导通。

10.根据权利要求9所述的降压型转换器，其特征在于，

所述降压型转换器的输出电压VO＝VOP-VON，则

VO＝D*VIN，

其中，VO为输出电压的电压值，VIN为电压输入端VIN的电压值，D为第一驱动信号的占空比，VOP为所述电压输出端正极VOP的电压值，VON所述电压输出端负极VON的电压值。