CN105226943B - 电源变换器及开关电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电源变换器及开关电源装置，该电源变换器包括储能后给负载供电的储能输出电路、导通时将输入电源供给储能输出电路的主开关、在主开关关断时给储能输出电路提供续流回路的续流开关、驱动主开关和续流开关按照预设的时钟频率切换导通的驱动电路以及检测电路和反馈电路，检测电路用于检测主开关和续流开关的连接节点上的电压，以使续流回路的电流不反向的情况下，通过储能输出电路给负载提供工作电压，使得电路在轻载时工作在频率调制模式，而延长主开关和续流开关的导通/关断周期。本发明减少了开关的导通/关断次数，使得开关损耗降低，并能够提高电源的利用效率。

Description

电源变换器及开关电源装置
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种电源变换器及开关电源装置。
背景技术
目前，降压型直流电源变换器因其电路工作频率高，电路比较稳定而得到广泛应用。
现有的降压型直流电源变换器基本上是采用脉宽调制模式进行驱动，因此，不管其供电的负载是处于重载模式，还是处于轻载模式下，输出电感都是工作在电流连续模式(CCM)，即电感电流始终大于零。在电感电流连续模式下时，开关管的导通周期(频率)不变，与时钟频率相同，电源变换器仅是通过调节输出占空比，来达到调节电路的输出功率的目的。
而开关管每次导通或者关断时，都需要消耗一定的功耗，如果能够减少开关管的导通次数，又能保证负载正常工作，那么就可以实现降低电路损耗的目的，但是现有并没有相应的方法去解决降压型直流电源变换器的开关损耗问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种电源变换器，旨在降低降压型直流电源变换器的开关损耗，并提高轻载效率。
为实现上述目的，本发明提供一种电源变换器，该电源变换器包括串联连接于一供电电源和地之间的主开关和续流开关、连接于所述主开关和续流开关的连接节点上的储能输出电路及驱动所述主开关和续流开关按照预设的时钟频率切换导通的驱动电路，所述主开关在导通时，使所述储能输出电路处于充电储能状态和输出状态；所述续流开关在导通时，使所述储能输出电路处于输出状态；所述储能输出电路处于输出状态时，给负载提供工作电压；
所述电源变换器还包括检测电路及反馈电路，所述检测电路的信号采集端与所述主开关和续流开关的连接节点连接，所述检测电路的输出端与所述驱动电路连接；所述反馈电路的信号采集端与所述储能电路的输出端连接，所述反馈电路的输出端与所述驱动电路的反馈端连接；
其中，所述检测电路，用于检测所述主开关和续流开关的连接节点上的电压，并在所述连接节点上的电压大于零时，输出第一控制信号至所述驱动电路，以使所述驱动电路控制所述续流开关从导通状态转变为关断状态，并通过所述储能输出电路储存的电压维持所述负载正常工作；
所述反馈电路，用于检测所述储能输出电路储存的电压，并在所述储能输出电路储存的电压小于第一预设电压值时，输出触发信号至所述驱动电路，以使所述驱动电路控制所述主开关从关断状态转变为导通状态，重新给所述储能装置充电储能。
优选地，所述负载包括供电端和接地端，所述供电端与所述储能输出电路的输出端连接，所述负载的接地端接地；所述储能输出电路包括第一电感及第一电容，所述第一电感的输入端与所述主开关和续流开关的连接节点连接，所述第一电感的输出端和第一电容的第一端连接，且所述第一电感的输出端和所述第一电容的第一端相连接的一端为所述储能输出电路的输出端；所述第一电容的第二端接地。
优选地，所述反馈电路包括第一电阻及第二电阻，所述第一电阻的第一端连接于所述储能输出电路的输出端和所述负载的供电端之间，所述第一电阻的第二端经所述第二电阻连接到地；所述第一电阻和所述第二电阻的连接节点为所述反馈电路的输出端。
优选地，所述驱动电路包括控制器、PWM控制电路及逻辑电路；所述PWM控制电路具有输入第一基准电压信号的第一端、输入第二基准电压信号的第二端；所述逻辑电路具有与所述PWM控制电路的输出端连接的第一端、用于接收所述第一控制信号的第二端、用于输入预设的时钟频率信号的第三端及输出端；所述逻辑电路的输出端与所述控制器连接；所述PWM控制电路，用于在所述逻辑电路接收到所述第一控制信号时，输出第一触发信号至所述控制器，以使所述控制器控制所述续流开关从导通状态转变为关断状态；所述PWM控制电路还用于在所述反馈电路反馈的结果为所述储能输出电路储存的电压小于第一预设电压值时，输出第二触发信号，并经过所述逻辑电路进行逻辑处理后输出至控制器，以使所述控制器控制所述主开关从关断状态转变为导通状态，重新给所述储能输出电路充电储能。
优选地，所述PWM控制电路包括误差放大器和第一电压比较器；所述逻辑电路包括第一与非门、第二与非门、第一反相器及第一触发器；所述误差放大器的正向输入端输入所述第一基准电压信号，所述第一电压比较器的正向输入端输入所述第二基准电压信号，所述第一触发器的时钟输入端输入所述预设的时钟频率信号；所述控制器包括第一驱动脚、第二驱动脚、第一输入脚及第二输入脚，所述第一驱动脚与所述主开关的受控端连接，所述控制器的第二驱动脚与所述续流开关的受控端连接，所述控制器的第一输入脚与所述第一触发器的输出端连接，所述控制器的第二输入脚与所述检测电路的输出端连接；所述误差放大器的反向输入端为所述驱动电路的反馈端，所述误差放大器的输出端与所述第一电压比较器的反向输入端连接；所述第一电压比较器的输出端与所述第一与非门的第一输入端连接，所述第一与非门的第二输入端与所述第二与非门的输出端连接，所述第一与非门的输出端经所述第一反相器与所述第一触发器的触发端连接；所述第二与非门的第一输入端与所述第一触发器的输出端连接，所述第二与非门的第二输入端与所述检测电路的输出端连接。
优选地，所述驱动电路还包括电流采样模块，所述电流采样模块的第一采集端与所述主开关的输入端连接，所述电流采样模块的第二采集端与所述主开关的输出端连接；所述电流采样模块采集所述主开关的输入端和输出端的电流信号，并输出与所述电流信号对应的电压信号；所述第一电压比较器的同向输入端与所述电流采样模块的输出端连接，以接收所述电流采样模块输出的电压信号，并作为所述第二基准电压信号。
优选地，所述检测电路包括第一直流电源、第一开关检测装置、电流镜电路、第一采样电路、第二采样电路、比较输出电路，所述电流镜电路包括启动端、输入端、第一输出端、第二输出端，所述电流镜电路的启动端与一外接电源连接，所述电流镜电路的输入端与所述第一直流电源连接，所述电流镜电路的第一输出端与所述第一采样电路连接，所述电流镜电路的第二输出端与所述第二采样电路连接；所述第一开关检测装置包括第一检测端、第二检测端和控制端，所述第一开关检测装置的第一检测端与所述主开关和续流开关的连接节点连接；所述第一开关检测装置的第二检测端与所述续流开关的受控端连接；所述第一开关检测装置的第一控制端与所述第一采样电路连接，所述第一开关检测装置的第二控制端与所述第二采样电路连接；其中，所述第一开关检测装置在检测到所述续流开关的受控端上的电压为高电平，且在检测到所述主开关和续流开关的连接节点上的电压大于零时，控制所述电流镜电路工作在第一输出模式，使所述第二采样电路采样到的电压值大于所述第一采样电路采样到的电压值；所述比较输出电路在所述第一采样电路采样到的电压大于所述第二采样电路采样到的电压时，输出所述第一控制信号。
优选地，所述第一开关检测装置包括第二反相器、第一开关管、第二开关管及第七开关管；所述电流镜电路包括第三开关管、第四开关管、第五开关管及第六开关管；所述比较输出电路包括第二电压比较器、第二触发器及第三反相器；所述第一采样电路包括第三电阻和第五电阻；所述第二采样电路包括第四电阻和第六电阻；所述第二反相器的输入端与所述续流开关的受控端连接，所述第二反相器的输出端与所述第一开关管的栅极连接；所述第一开关管的漏极接地，所述第一开关管的源极与所述第二开关管的漏极连接；所述第二开关管的栅极与所述续流开关的受控端连接，所述第二开关管的源极与所述主开关和续流开关的连接节点连接；所述第三开关管的栅极、所述第四开关管的栅极、所述第五开关管的栅极和所述第六开关管的栅极互连，且互连后与一控制所述第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管导通的外接电源连接；所述第三开关管的源极、所述第四开关管的源极、所述第五开关管的源极和所述第六开关管的源极互连，且互连后与所述第一直流电源连接，所述第三开关管的漏极与所述栅极连接；所述第四开关管的漏极与所述第三电阻的第一端连接；所述第五开关管的漏极与所述第七开关管的源极连接；所述第六开关管的漏极分别与所述第四电阻的第一端和第七开关管的漏极连接；所述第七开关管的栅极与所述续流开关的栅极连接；所述第三电阻的第二端与所述第五电阻的第一端连接；所述第五电阻的第二端与所述第一开关管的源极和所述第二开关管的漏极分别连接；所述第四电阻的第二端经所述第六电阻连接到地；所述第二电压比较器的正向输入端与所述第三电阻和第五电阻的连接节点连接，所述第二电压比较器的反向输入端与所述第四电阻和第六电阻的连接节点连接，所述第二电压比较器的输出端与所述第二触发器的输入端连接；所述第二触发器的触发端输入一外部触发信号，所述第二触发器的输出端与所述第三反相器的输入端连接，所述第三反相器的输出端为所述检测电路的输出端。
优选地，所述检测电路还包括用于触发所述主开关关断的延时模块，所述延时模块的输入端与所述控制器的第一输出脚和所述主开关的受控端分别连接，所述延时模块的输出端与所述第二触发器的触发端连接；所述延时模块用于所述主开关开启时，输出延时信号，以控制所述述检测电路在预设时间后输出所述第一控制信号。
优选地，所述延时模块包括储能装置和与该储能装置连接的第二开关检测装置，所述储能装置用于在所述第二开关检测装置检测到所述主开关开启时，进行储能，并在储能电压大于预设电压值时，输出所述延时信号。
优选地，所述第二开关检测装置包括第二直流电源、第四反相器、第五反相器、第八开关管及第九开关管；所述储能装置包括第六反相器、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管及第二电容，所述第四反相器的输入端与所述主开关的受控端连接，所述第四反相器的输出端与所述第五反相器的输入端连接，所述第五反相器的输出端与所述第八开关管的栅极连接；所述第八开关管的漏极接地，所述第八开关管的源极与所述第九开关管的漏极连接；所述第九开关管、第十开关管和第十一开关管的源极互连，且互连后与所述第二直流电源连接；所述第九开关管的栅极输入一控制所述第八开关管导通的外接电源；所述第十开关管的栅极接地，所述第十开关管的漏极与所述第十二开关管的漏极连接；所述第十一开关管的栅极与所述第三反相器的输出端连接，所述第十一开关管的漏极与所述第六反相器的输入端连接，所述第六反相器的输出端与所述第二触发器的触发端连接；所述第十二开关管的栅极、所述第八开关管的漏极、所述第九开关管的漏极和所述第二电容的第一端互连，所述第十二开关管的源极和第二电容的第二端分别接地。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种开关电源装置，所述开关电源装置包括如上所述的电源变换器；所述电源变换器包括串联连接于一供电电源和地之间的主开关和续流开关、连接于所述主开关和续流开关的连接节点上的储能输出电路及驱动所述主开关和续流开关按照预设的时钟频率切换导通的驱动电路，所述主开关在导通时，使所述储能输出电路处于充电储能状态和输出状态；所述续流开关在导通时，使所述储能输出电路处于输出状态；所述储能输出电路处于输出状态时，给负载提供工作电压；所述电源变换器还包括检测电路及反馈电路，所述检测电路的信号采集端与所述主开关和续流开关的连接节点连接，所述检测电路的输出端与所述驱动电路连接；所述反馈电路的信号采集端与所述储能电路的输出端连接，所述反馈电路的输出端与所述驱动电路的反馈端连接；其中，所述检测电路，用于检测所述主开关和续流开关的连接节点上的电压，并在所述连接节点上的电压大于零时，输出第一控制信号至所述驱动电路，以使所述驱动电路控制所述续流开关从导通状态转变为关断状态，并通过所述储能输出电路储存的电压维持所述负载正常工作；所述反馈电路，用于检测所述储能输出电路储存的电压，并在所述储能输出电路储存的电压小于第一预设电压值时，输出触发信号至所述驱动电路，以使所述驱动电路控制所述主开关从关断状态转变为导通状态，重新给所述储能装置充电储能。
本发明通过设置串联连接于一供电电源和地之间的主开关和续流开关、连接于所述主开关和续流开关的连接节点上的储能输出电路、驱动所述主开关和续流开关按照预设的时钟频率切换导通以给所述负载提供正常工作电压的驱动电路以及检测电路和反馈电路，其中，所述检测电路用于检测所述主开关和续流开关的连接节点上的电压，并在所述连接节点上的电压大于零时，输出第一控制信号至所述驱动电路，以使所述驱动电路控制所述续流开关关断，并通过所述储能输出电路储存的电压维持所述负载正常工作；并且，所述反馈电路用于检测所述储能输出电路储存的电压，并在所述储能输出电路储存的电压小于能够维持所述负载正常工作的最低工作电压时，输出触发信号至所述驱动电路，以使所述驱动电路控制所述主开关从关断状态转变为导通状态，重新给所述储能装置充电储能；可以理解的是，由于在续流开关关断时，并没立即开启主开关给负载供电，而是利用储能输出电路储存的电能继续给负载供电一段时间，使得主开关的关断周期增长，使得在同等时间内，开关的导通次数减少，从而降低了电路的开关损耗。
附图说明
图1为本发明电源变换器较佳实施例的电路结构示意图；
图2为本发明图1所示的电源变换器中检测电路的电路结构示意图；
图3为图2所示的检测电路中延时模块的电路结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种电源变换器。
参照图1至图3，在一实施例中，该电源变换器包括串联连接于一供电电源VCC和地之间的主开关K1和续流开关K2、连接于所述主开关K1和续流开关K2的连接节点LX上并在储能后给负载RL提供工作电压的储能输出电路10及驱动所述主开关K1和续流开关K2按照预设的时钟频率切换导通的驱动电路20；其中所述主开关K1在导通时，将供电电源VCC输入的直流电源输送给所述储能输出电路10，以控制所述储能输出电路10处于充电储能状态和输出状态；所述续流开关K2在所述主开关K1关断时导通，给所述储能输出电路10提供续流回路，以控制所述储能输出电路10处于输出状态；所述储能输出电路10处于输出状态时，给负载RL提供电源电压，以使所述负载RL正常工作。
为了降低开关的导通次数，以降低电路的开关损耗，所述电源变换器还包括检测电路30及反馈电路40，所述检测电路30用于检测所述主开关K1和续流开关K2的连接节点LX上的电压，并在所述连接节点LX上的电压大于零时，输出第一控制信号至所述驱动电路20，以使所述驱动电路20控制所述续流开关K2从导通状态转变为关断状态(此时，主开关K1也处于关断状态)，并通过所述储能输出电路10储存的电压维持所述负载RL正常工作；所述反馈电路40用于检测所述储能输出电路10储存的电压，并在所述储能输出电路10储存的电压小于第一预设电压值时，输出触发信号至所述驱动电路20，以使所述驱动电路20控制所述主开关K1从关断状态转变为导通状态，重新给所述储能输出装置10充电储能。可以理解的是，由于在续流开关K2关断时，并没立即开启主开关K1给负载RL供电，而是利用储能输出电路10储存的电能继续给负载RL供电一段时间，使得主开关K1的关断周期增长，使得在同等时间内，开关的导通次数减少，从而降低了电路的开关损耗。
具体地，所述检测电路30的信号采集端与所述主开关K1和续流开关K2的连接节点LX连接，所述检测电路30的输出端与所述驱动电路20连接；所述反馈电路40的信号采集端与所述储能输出电路10的输出端连接，所述反馈电路40的输出端与所述驱动电路20的反馈端连接。其中，第一预设电压值优选为维持所述负载RL正常工作的最低工作电压，该电压小于维持负载RL正常工作的最低工作电压，此处并不限定。
上述负载RL包括供电端和接地端，所述供电端与所述储能输出电路10的输出端连接，所述负载RL的接地端接地；上述主开关K1和续流开关K2可采用MOS管实现，其中主开关K1优选采用PMOS管，续流开关K2优选采用NMOS管。其中，HS为主开关K1的受控端和控制器的第一输出脚的连接节点，LS为续流开关K2的受控端与控制器的第二输出脚的连接节点；
上述储能输出电路10包括第一电感L1及第一电容C1。该第一电感L1在主开关K1导通时，接收供电电源VCC输入的电源电压而进行储能并输出给负载RL供电。该第一电容C1为储能电容，用于在主开关K1和续流开关K2都关断时，输出电能供给负载RL，以维持负载RL继续工作一段时间，负载RL能够继续工作的时间由第一电容C1存储的电荷量决定，即选择较大容量的电容时，可以使负载RL工作更长时间，从而使主开关K1在下一个周期的导通时间延后，即使整个开关的开/断周期延长，进而减少开关的导通次数，实现降低开关损耗的目的。
其中，所述第一电感L1的输入端与所述主开关K1和续流开关K2的连接节点LX连接，所述第一电感L1的输出端和第一电容C1的第一端连接，且所述第一电感L1的输出端和所述第一电容C1的第一端相连接的一端为所述储能输出电路10的输出端；所述第一电容C1的第二端接地。
上述反馈电路40包括第一电阻R1及第二电阻R2，所述第一电阻R1的第一端连接于所述储能输出电路10的输出端和所述负载RL的供电端之间，所述第一电阻R1的第二端经所述第二电阻R2连接到地；所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的连接节点为所述反馈电路40的输出端。该反馈电路40中，第一电阻R1及第二电阻R2组成分压电路，对第一电感L1输出的电源电压进行电压采样反馈。
上述驱动电路20可采用任意实现其功能的电路实现，在本优选实施例中，驱动电路20包括控制器U1、PWM控制电路21及逻辑电路22；所述PWM控制电路21具有输入第一基准电压信号VREF的第一端、输入第二基准电压信号ISEN的第二端；所述逻辑电路22具有与所述PWM控制电路21的输出端连接的第一端、用于接收所述第一控制信号的第二端、用于输入预设的时钟频率信号的第三端及输出端；所述逻辑电路22的输出端与所述控制器连接；所述PWM控制电路21用于在所述逻辑电路22接收到所述第一控制信号时，输出第一触发信号至所述控制器U1，以使所述控制器U1控制所述续流开关K2从导通状态转变为关断状态；所述PWM控制电路21还用于在所述反馈电路40反馈的结果为所述储能输出电路10储存的电压小于第一预设电压值时，输出第二触发信号，并经过所述逻辑电路22进行逻辑处理后输出至控制器U1，以使所述控制器U1控制所述主开关K1从关断状态转变为导通状态，重新给所述储能输出电路10充电储能。
该优选实施例中，PWM控制电路21包括误差放大器U2和第一电压比较器U3；所述逻辑电路22包括第一与非门I1、第二与非门I2、第一反相器I3及第一触发器RS1；所述误差放大器U2的正向输入端输入第一基准电压信号VREF，所述第一电压比较器U3的正向输入端输入第二基准电压信号ISEN，所述第一触发器RS1的时钟输入端输入所述预设的时钟频率信号；所述控制器U1包括第一驱动脚、第二驱动脚、第一输入脚及第二输入脚，所述第一驱动脚与所述主开关K1的受控端连接，所述控制器U1的第二驱动脚与所述续流开关K2的受控端连接，所述控制器U1的第一输入脚与所述第一触发器RS1的输出端连接，所述控制器U1的第二输入脚与所述检测电路30的输出端连接；所述误差放大器U2的反向输入端为所述驱动电路20的反馈端，所述误差放大器U2的输出端与所述第一电压比较器U3的反向输入端连接；所述第一电压比较器U3的输出端与所述第一与非门I1的第一输入端连接，所述第一与非门I1的第二输入端与所述第二与非门I2的输出端连接，所述第一与非门I1的输出端经所述第一反相器I3与所述第一触发器RS1的触发端连接；所述第二与非门I2的第一输入端与所述第一触发器RS1的输出端连接，所述第二与非门I2的第二输入端与所述检测电路的输出端连接。该驱动电路20中，控制器U1根据第一输入脚及第二输入脚输入的信号控制主开关K1和续流开关K2的开/断状态。其中，第一反相器I3可采用非门实现。
可以理解的是，上述驱动电路20的实施方式并不限于此，在本优选实施例中，所述驱动电路20还进一步包括电流采样模块23，所述电流采样模块23的第一采集端与所述主开关K1的输入端连接，所述电流采样模块23的第二采集端与所述主开关K1的输出端连接；所述电流采样模块23采集所述主开关K1的输入端和输出端的电流信号，并输出与所述电流信号对应的电压信号；所述第一电压比较器U3的同向输入端与所述电流采样模块23的输出端连接，以接收所述电流采样模块23输出的电压信号，并作为所述第二基准电压信号。通过电流采样模块23采集主开关K1的输入端和输出端的电流信号，并输出与所述电流信号对应的电压信号至驱动电路20的第一电压比较器U3，以作为前级驱动电路20控制主开关K1和续流开关K2的工作状态的参考信息，从而能够提高电路的关联性和工作的准确性。
上述检测电路30可采用任意实现其功能的电路实现，在本优选实施例中，检测电路30包括第一直流电源VDD1、第一开关检测装置31、电流镜电路32、第一采样电路33、第二采样电路34、比较输出电路35，所述电流镜电路32包括启动端、输入端、第一输出端、第二输出端，所述电流镜电路32的启动端与一外接电源连接，所述电流镜电路32的输入端与所述第一直流电源连接，所述电流镜电路32的第一输出端与所述第一采样电路33连接，所述电流镜电路32的第二输出端与所述第二采样电路34连接；所述第一开关检测装置31包括第一检测端、第二检测端和控制端，所述第一开关检测装置31的第一检测端与所述主开关K1和续流开关K2的连接节点连接；所述第一开关检测装置31的第二检测端与所述续流开关K2的受控端连接；所述第一开关检测装置31的第一控制端与所述第一采样电路33连接，所述第一开关检测装置31的第二控制端与所述第二采样电路34连接。该实施例中，所述第一开关检测装置31在检测到所述续流开关K2的受控端上的电压为高电平，且在检测到所述主开关K1和续流开关K2的连接节点上的电压大于零时，控制所述电流镜电路32工作在第一输出模式，使所述第二采样电路34采样到的电压值大于所述第一采样电路33采样到的电压值；所述比较输出电路35在所述第一采样电路33采样到的电压大于所述第二采样电路34采样到的电压时，输出所述第一控制信号。所述续流开关K2的受控端上的电压为高电平时，续流开关K2打开，给所述储能输出电路10提供续流回路，所述主开关K1和续流开关K2的连接节点上的电压大于零时，表示续流环流回路电流反向。
在该优选实施例中，所述第一开关检测装31置包括第二反相器I4、第一开关管M1、第二开关管M2及第七开关管M7；所述电流镜电路32包括第三开关管M3、第四开关管M4、第五开关管M5及第六开关管M6；所述比较输出电路33包括第二电压比较器U4、第二触发器RS2及第三反相器I5；所述第一采样电路34包括第三电阻R3和第五电阻R5；所述第二采样电路35包括第四电阻R4和第六电阻R5。
其中，所述第二反相器I4的输入端与所述续流开关K2的受控端连接，所述第二反相器I4的输出端与所述第一开关管M1的栅极连接；所述第一开关管M1的漏极接地，所述第一开关管M1的源极与所述第二开关管M2的漏极连接；所述第二开关管M2的栅极与所述续流开关K2的受控端连接，所述第二开关管M2的源极与所述主开关K1和续流开关K2的连接节点连接；所述第三开关管M3的栅极、所述第四开关管M4的栅极、所述第五开关管M5的栅极和所述第六开关管M6的栅极互连，且互连后与一控制所述第三开关管M3、第四开关管M4、第五开关管M5和第六开关管M6导通的外接电源连接；所述第三开关管M3的源极、所述第四开关管M4的源极、所述第五开关管M5的源极和所述第六开关管M6的源极互连，且互连后与所述第一直流电源VDD1连接，所述第三开关管M3的漏极与所述栅极连接；所述第四开关管M4的漏极与所述第三电阻R3的第一端连接；所述第五开关管M5的漏极与所述第七开关管M7的源极连接；所述第六开关管M6的漏极分别与所述第四电阻R4的第一端和第七开关管M7的漏极连接；所述第七开关管M7的栅极与所述续流开关K2的栅极连接；所述第三电阻R3的第二端与所述第五电阻R5的第一端连接；所述第五电阻R5的第二端与所述第一开关管M1的源极和所述第二开关管M2的漏极分别连接；所述第五电阻R5的第二端经所述第六电阻R6连接到地；所述第二电压比较器U4的正向输入端与所述第三电阻R3和第五电阻R5的连接节点A连接，所述第二电压比较器U4的反向输入端与所述第四电阻R4和第六电阻R6的连接节点B连接，所述第二电压比较器U4的输出端与所述第二触发器RS2的输入端连接；所述第二触发器RS2的触发端输入一外部触发信号，所述第二触发器RS2的输出端与所述第三反相器I5的输入端连接，所述第三反相器I5的输出端为所述检测电路的输出端。该检测电路30中，第二反相器I4可采用非门实现；第一开关管M1至第七开关管M7优选采用MOS管实现；其中第一开关管M1和第二开关管M2采用NMOS管，第三开关管M3、第四开关管M4、第五开关管M5、第六开关管M6、第七开关管M7采用PMOS管。
该检测电路30的目的是通过检测主开关K1和连接节点LX的电压是否大于零，从而判断续流回路中的电流是否反向，并以此调节电路的工作状态，使电路工作稳定。易于理解的是，在续流开关K2续流期间，主开关K1关断，第一电感L1将储存的电能供给负载RL，续流回路中的电流由地经续流开关K2向第一电感L1方向流动。而第一电感L1储存的电能有限，第一电感L1上的电流会随着时间的推移而慢慢下降，当第一电感L1上的电流下降为零时，就会反向流动，即由第一电感L1经续流开关K2向地流动；此时，需要关断续流开关K2，防止续流回路中的电流反向而使负载RL停止工作。而第一电感L1电流反向时，在电压上表现为主开关K1和续流开关K2的连接节点LX的电压大于零，因此，检测主开关K1和续流开关K2的连接节点LX的电压是否大于零时就可以知道续流回路中的电流是否反向。
该检测电路30中，bias1为一给定的基准信号，用于控制所述第三开关管M3导通；第三电阻R3和第四电阻R4的阻值相同，第五电阻R5和第六电阻R6的阻值相同；第三开关管M3、第四开关管M4、第五开关管M5和第六开关管M6采用PMOS管构成电流镜，使流过第四开关管M4和第五开关管M5及第六开关管M6的电流一致。第七开关管M7用于控制流过第四电阻R4和第六电阻R6支路的电流；其中，当第七开关管M7打开时，流过第四电阻R4和第六电阻R6支路中的电流为流过第三电阻R3和第五电阻R5支路中的电流的两倍，由于两个支路的电阻值相同，因此，图2中A点的电压也将小于B点的电压；当第七开关管M7关闭时，流过第四电阻R4和第六电阻R6支路中的电流与流过第三电阻R3和第五电阻R5支路中的电流相等，此时，图2中A、B两点的电压也相等。
其中，在控制器U1的第二输出脚与续流开关K2的连接节点LS上的电压为低电平时，检测电路30的第一开关管M1关断、第二开关管M2打开，同时第七开关管M7打开，此时流过第四电阻R4和第六电阻R6支路的电流为第三电阻R3和第五电阻R5支路的两倍，即第二电压比较器U4的正向输入端输入的电平低于其反向输入端输入的电压，第二电压比较器U4进行电压比较后输出低电平，该低电平经第二触发器RS2后输出高电平，再经过第三反相器I5反相，输出低电平的Load-info信号，此时负载RL处于重载状态；第一电感L1工作在电流连续模式，第一电感L1上的电感电流始终大于零，电流不会反向，电源变换器工作在脉宽调制模式(PWM)，在该脉宽调制模式下，电路的开关周期不变，通过调节主开关K1和续流开关K2的占空比来稳定输出功率，以供负载RL工作。
在控制器U1的第二输出脚与续流开关K2的连接节点LS上的电压为高电平时，第一开关管M1开启、第二开关管M2关断和第七开关管M7均关断，由于在第一开关管M1导通时，第五电阻R5的第二端的电压为连接节点LX的电压，此时流过第四电阻R4和第六电阻R6支路的电流与流过第三电阻R3和第五电阻R5支路的电流相等，使得第二电压比较器U4的正向输入端输入的电平等于其反向输入端输入的电平，此时第二电压比较器U4处于零界状态；且此时若连接节点LX的电压大于零(也即流过续流回路的电流反向)时，A点的电位就会大于B点的电位，即第二电压比较器U4的正向输入端输入的电平大于其反向输入端输入的电平，第二电压比较器U4输入的电平进行电压比较后输出高电平，该高电平经第二触发器RS2后，输出为低电平，再经过第三反相器I5反相后，输出高电平的Load-info信号，此时负载RL处于轻载状态，第一电感L1工作在电流断续模式，第一电感L1上的电感电流会下降至零及零以下，当下降至零以下时，电流就会反向，而通过检测电路30输出的高电平的Load-info信号，能够触发控制器U1使续流开关K2关断，而实现限制续流回路的电流反向，使得电路工作正常，并使第一电感L1工作在电流断续模式。第一电感L1处于电流断续模式时，整个电源变换器工作在频率调制模式(PFM)，在该频率调制模式下，主开关K1的导通时间不变，通过改变电路的开关周期，以调节输出功率，使负载RL工作。
可以理解的是，上述检测电路30的实施例并不限于此，在进一步的实施例中，所述检测电路30还包括用于触发所述主开关K1关断的延时模块36，所述延时模块36的输入端与所述控制器U1的第一输出脚和所述主开关K1的受控端分别连接，所述延时模块36的输出端与所述第二触发器RS2的触发端连接；该延时模块36在检测到所述主开关K1开启时，输出延时信号，以控制所述述检测电路30在预设时间后输出所述第一控制信号。具体地，延时模块36在主开关K1开启时触发，进行延时，在延时时间到时，控制主开关K1关断，即该延时模块36可以决定主开关K1的打开时长，也即该延时模块36能够决定第一电感L1的充电储能时长。
其中，延时模块36可采用任意具有延时功能的电路实现，在一优选实施例中延时模块36包括储能装置361和与该储能装置361连接的第二开关检测装置362，所述储能装置361用于在所述第二开关检测装置362检测到所述主开关K1开启时，进行储能，并在储能电压大于预设电压值时，输出所述延时信号。
具体地，所述第二开关检测装置362包括第二直流电源VDD2、第四反相器I6、第五反相器I7、第八开关管M8、第九开关管M9；所述储能装置361包括第六反相器I8、第十开关管M10、第十一开关管M11、第十二开关管M12及第二电容M2；其中，所述第四反相器I6的输入端与所述主开关K1的受控端连接，所述第四反相器I6的输出端与所述第五反相器I7的输入端连接，所述第五反相器I7的输出端与所述第八开关管M8的栅极连接；所述第八开关管M8的漏极接地，所述第八开关管M8的源极与所述第九开关管M9的漏极连接；所述第九开关管M9、第十开关管M10和第十一开关管M11的源极互连，且互连后与所述第二直流电源VDD2连接；所述第九开关管M9的栅极输入一控制所述第八开关管M8导通的外接电源；所述第十开关管M10的栅极接地，所述第十开关管M10的漏极与所述第十二开关管M12的漏极连接；所述第十一开关管M11的栅极与所述第三反相器I5的输出端连接，所述第十一开关管M11的漏极与所述第六反相器I8的输入端连接，所述第六反相器I8的输出端与所述第二触发器RS2的触发端连接；所述第十二开关管M12的栅极、所述第八开关管M8的漏极、所述第九开关管M9的漏极和所述第二电容M2的第一端互连，所述第十二开关管M12的源极和第二电容M2的第二端分别接地。
该延时模块36中，第二直流电源VDD2和上述第一直流电源VDD1可以是不同的电源，也可以是同一电源。当然，第一直流电源VDD1和第二直流电源VDD2为同一电源时，可以节省电路的硬件成本；其中bias2为一给定的基准信号，用于控制所述第九开关管M9导通，该bias2可与bias1为同一基准信号；第四反相器I6、第五反相器I7及第六反相器I8采用非门实现，用于对输入信号进行反向，第八开关管M8和第十二开关管M12为NMOS管，第九开关管M9、第十开关管M10、第十一开关管M11为PMOS管，延时模块的作用是产生一个设定的微秒级延迟，在主开关K1的栅极触发电压HS信号的下降沿(即主开关K1刚开始打开)开始，第八开关管M8截止，第九开关管M9开启给第二电容M2充电，当第二电容M2充电使其容电压大于第十二开关管M12的导通电压时，第十二开关管M12开启，将第六反相器I8的输入端接地，使其输出端输出Delay信号，该Delay信号为高电平，该Delay信号输送至检测电路30的第二触发器RS2的触发端，使第二触发器RS2输出高电平信号，经第三反相器I5反相后输出低电平Load-info信号，该低电平Load-info信号作为延迟触发信号输送至驱动电路20的第二与非门I2的第二输入端，使第一触发器RS1输出至控制器U1的高电平信号DRV通过，控制主开关K1关断，续流开关K2开启，负载RL通过续流回路继续供电。可以理解的是，在这个过程中，由于第二电容C2在充电的过程中，Delay信号由低到高变化，使得Load-info信号由高到低变化，而当Load-info信号变为低电平时，主开关K1就从导通状态转变为关断状态，因此，从主开关K1打开到Load-info信号拉低使主开关K1关断的这一段时间就是主开关K1的打开时间，也即第一电感L1的充电储能时间。
结合图1至图3，对本发明的电路原理进行进一步阐述：
当反馈电路40反馈的电压下降时，则误差放大器U2的输出端输出的COMP电压上升，当COMP电压上升并大于第一电压比较器U3的正向输入端输入的基准电压ISEN时，第一电压比较器U3的输出端PWM-OUT输出低电平信号至第一与非门I1的第一输入端，并依次经第二与非门I2和第一反相器I3后输出至第一触发器RS1的触发端，作为第一触发器RS1的输出触发信号OFF，此时该触发信号OFF为低电平，该触发信号用以在第一触发器RS1的输入端输入的时钟信号CLK为上升沿时触发，以使控制器U1控制主开关K1管导通；当主开关K1管导通时，第一电感L1和第一电容C1进行储能，反馈电路40反馈的电压逐渐上升，同时主开关K1的电流逐渐上升，ISEN电压逐渐上升，当上升到大于误差放大器U2的正向输入端输入的基准电压VREF时，误差放大器U2的输出端COMP电压下降，当ISEN电压大于COMP电压时，PWM-OUT为高电平，由于此时Load-info和DRV都为高电平，所以COMP电压不能立即传输到OFF，而是要等到Load-info拉低时才可以，从主开关K1打开到Load-info拉低的这一段时间就是主开关K1打开的时间，也就是说在轻载时，主开关K1导通的时间是不变的。当Load-info拉低以后，PWM-OUT的高电平传输到OFF，触发器RS1输出电压DRV为低电平，这时关闭主开关K1，同时打开续流开关K2，第一电感L1电流下降，此时通过检测电路30检测主开关K1和续流开关K2的连接节点LX的电压来判断出续流回路电流是否反向，并在回路电流反向时，检测电路30输出高电平的Load-info信号控制续流开关K2关断，此时，电感电流为零，此后状态一直持续，使电路又进入频率调制模式；此时反馈电压FB开始下降，由于负载电流很小，反馈电压FB下降的速度很慢，主开关K1和续流开关K2关断的持续时间很长，所以提高了电源转换器的工作效率；当反馈电压FB缓慢下降使得误差放大器U2的输出端COMP输出电压大于第一电压比较器U3的输入电压ISEN时，PWM-OUT输出低电平，因此OFF为低电平，在时钟信号CLK上升沿到来的时候，触发器RS1输出电压DRV为高电平，主开关K1打开，整个环路进入下个循环。
可以理解的是，电源变换器工作在频率调制模式(PFM)下，电感电流断续，主开关K1和续流开关K2一个工作周期Td大于其工作在脉宽调制模式(PWM)下的一个工作周期Tc，由于开关频率f与开关周期T有f＝1/T的关系，因此，在固定时间内，工作在频率调制模式下主开关K1和续流开关K2的开关次数要小于工作在脉宽调制模式的开关次数，因此降低了电路的开关损耗，提高了电源利用率。
本发明还提供一种开关电源装置，该开关电源装置包括上述电源变换器，所述电源变换器的详细结构可参照上述实施例，此处不再赘述；可以理解的是，由于在开关电源装置中使用了上述电源变换器，因此，该开关电源装置的实施例包括上述电源变换器全部实施例的全部技术方案，且所达到的技术效果也完全相同，在此不再赘述。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种电源变换器，其特征在于，包括串联连接于一供电电源和地之间的主开关和续流开关、连接于所述主开关和续流开关的连接节点上的储能输出电路及驱动所述主开关和续流开关按照预设的时钟频率切换导通的驱动电路，所述主开关在导通时，使所述储能输出电路处于充电储能状态和输出状态；所述续流开关在导通时，使所述储能输出电路处于输出状态；所述储能输出电路处于输出状态时，给负载提供工作电压；
所述电源变换器还包括检测电路及反馈电路，所述检测电路的信号采集端与所述主开关和续流开关的连接节点连接，所述检测电路的输出端与所述驱动电路连接；所述反馈电路的信号采集端与所述储能输出电路的输出端连接，所述反馈电路的输出端与所述驱动电路的反馈端连接；
其中，所述检测电路，用于检测所述主开关和续流开关的连接节点上的电压，并在所述连接节点上的电压大于零时，输出第一控制信号至所述驱动电路，以使所述驱动电路控制所述续流开关从导通状态转变为关断状态，并通过所述储能输出电路储存的电压维持所述负载正常工作；
所述反馈电路，用于检测所述储能输出电路储存的电压，并在所述储能输出电路储存的电压小于第一预设电压值时，输出触发信号至所述驱动电路，以使所述驱动电路控制所述主开关从关断状态转变为导通状态，重新给所述储能输出电路充电储能；
所述检测电路包括第一直流电源、第一开关检测装置、电流镜电路、第一采样电路、第二采样电路、比较输出电路，所述电流镜电路包括启动端、输入端、第一输出端、第二输出端，所述电流镜电路的启动端与一外接电源连接，所述电流镜电路的输入端与所述第一直流电源连接，所述电流镜电路的第一输出端与所述第一采样电路连接，所述电流镜电路的第二输出端与所述第二采样电路连接；所述第一开关检测装置包括第一检测端、第二检测端和控制端，所述第一开关检测装置的第一检测端与所述主开关和续流开关的连接节点连接；所述第一开关检测装置的第二检测端与所述续流开关的受控端连接；所述第一开关检测装置的第一控制端与所述第一采样电路连接，所述第一开关检测装置的第二控制端与所述第二采样电路连接；
所述第一开关检测装置在检测到所述续流开关的受控端上的电压为高电平，且在检测到所述主开关和续流开关的连接节点上的电压大于零时，控制所述电流镜电路工作在第一输出模式，使所述第二采样电路采样到的电压值大于所述第一采样电路采样到的电压值；
所述比较输出电路在所述第一采样电路采样到的电压大于所述第二采样电路采样到的电压时，输出所述第一控制信号。
2.如权利要求1所述的电源变换器，其特征在于，所述负载包括供电端和接地端，所述供电端与所述储能输出电路的输出端连接，所述负载的接地端接地；所述储能输出电路包括第一电感及第一电容，所述第一电感的输入端与所述主开关和续流开关的连接节点连接，所述第一电感的输出端和第一电容的第一端连接，且所述第一电感的输出端和所述第一电容的第一端相连接的一端为所述储能输出电路的输出端；所述第一电容的第二端接地。
3.如权利要求1所述的电源变换器，其特征在于，所述反馈电路包括第一电阻及第二电阻，所述第一电阻的第一端连接于所述储能输出电路的输出端和所述负载的供电端之间，所述第一电阻的第二端经所述第二电阻连接到地；所述第一电阻和所述第二电阻的连接节点为所述反馈电路的输出端。
4.如权利要求1所述的电源变换器，其特征在于，所述驱动电路包括控制器、PWM控制电路及逻辑电路；所述PWM控制电路具有输入第一基准电压信号的第一端、输入第二基准电压信号的第二端；所述逻辑电路具有与所述PWM控制电路的输出端连接的第一端、用于接收所述第一控制信号的第二端、用于输入预设的时钟频率信号的第三端及输出端；所述逻辑电路的输出端与所述控制器连接；所述PWM控制电路，用于在所述逻辑电路接收到所述第一控制信号时，输出第一触发信号至所述控制器，以使所述控制器控制所述续流开关从导通状态转变为关断状态；所述PWM控制电路还用于在所述反馈电路反馈的结果为所述储能输出电路储存的电压小于第一预设电压值时，输出第二触发信号，并经过所述逻辑电路进行逻辑处理后输出至控制器，以使所述控制器控制所述主开关从关断状态转变为导通状态，重新给所述储能输出电路充电储能。
5.如权利要求4所述的电源变换器，其特征在于，所述PWM控制电路包括误差放大器和第一电压比较器；所述逻辑电路包括第一与非门、第二与非门、第一反相器及第一触发器；所述误差放大器的正向输入端输入所述第一基准电压信号，所述第一电压比较器的正向输入端输入所述第二基准电压信号，所述第一触发器的时钟输入端输入所述预设的时钟频率信号；所述控制器包括第一驱动脚、第二驱动脚、第一输入脚及第二输入脚，所述第一驱动脚与所述主开关的受控端连接，所述控制器的第二驱动脚与所述续流开关的受控端连接，所述控制器的第一输入脚与所述第一触发器的输出端连接，所述控制器的第二输入脚与所述检测电路的输出端连接；所述误差放大器的反向输入端为所述驱动电路的反馈端，所述误差放大器的输出端与所述第一电压比较器的反向输入端连接；所述第一电压比较器的输出端与所述第一与非门的第一输入端连接，所述第一与非门的第二输入端与所述第二与非门的输出端连接，所述第一与非门的输出端经所述第一反相器与所述第一触发器的触发端连接；所述第二与非门的第一输入端与所述第一触发器的输出端连接，所述第二与非门的第二输入端与所述检测电路的输出端连接。
6.如权利要求5所述的电源变换器，其特征在于，所述驱动电路还包括电流采样模块，所述电流采样模块的第一采集端与所述主开关的输入端连接，所述电流采样模块的第二采集端与所述主开关的输出端连接；所述电流采样模块采集所述主开关的输入端和输出端的电流信号，并输出与所述电流信号对应的电压信号；所述第一电压比较器的同向输入端与所述电流采样模块的输出端连接，以接收所述电流采样模块输出的电压信号，并作为所述第二基准电压信号。
7.如权利要求1所述的电源变换器，其特征在于，所述第一开关检测装置包括第二反相器、第一开关管、第二开关管及第七开关管；所述电流镜电路包括第三开关管、第四开关管、第五开关管及第六开关管；所述比较输出电路包括第二电压比较器、第二触发器及第三反相器；所述第一采样电路包括第三电阻和第五电阻；所述第二采样电路包括第四电阻和第六电阻；所述第二反相器的输入端与所述续流开关的受控端连接，所述第二反相器的输出端与所述第一开关管的栅极连接；所述第一开关管的漏极接地，所述第一开关管的源极与所述第二开关管的漏极连接；所述第二开关管的栅极与所述续流开关的受控端连接，所述第二开关管的源极与所述主开关和续流开关的连接节点连接；所述第三开关管的栅极、所述第四开关管的栅极、所述第五开关管的栅极和所述第六开关管的栅极互连，且互连后与一控制所述第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管导通的外接电源连接；所述第三开关管的源极、所述第四开关管的源极、所述第五开关管的源极和所述第六开关管的源极互连，且互连后与所述第一直流电源连接，所述第三开关管的漏极与所述第三开关管的栅极连接；所述第四开关管的漏极与所述第三电阻的第一端连接；所述第五开关管的漏极与所述第七开关管的源极连接；所述第六开关管的漏极分别与所述第四电阻的第一端和第七开关管的漏极连接；所述第七开关管的栅极与所述续流开关的栅极连接；所述第三电阻的第二端与所述第五电阻的第一端连接；所述第五电阻的第二端与所述第一开关管的源极和所述第二开关管的漏极分别连接；所述第四电阻的第二端经所述第六电阻连接到地；所述第二电压比较器的正向输入端与所述第三电阻和第五电阻的连接节点连接，所述第二电压比较器的反向输入端与所述第四电阻和第六电阻的连接节点连接，所述第二电压比较器的输出端与所述第二触发器的输入端连接；所述第二触发器的触发端输入一外部触发信号，所述第二触发器的输出端与所述第三反相器的输入端连接，所述第三反相器的输出端为所述检测电路的输出端。
8.如权利要求7所述的电源变换器，其特征在于，所述检测电路还包括用于触发所述主开关关断的延时模块，所述延时模块的输入端与所述驱动电路的控制器的第一输出脚和所述主开关的受控端分别连接，所述延时模块的输出端与所述第二触发器的触发端连接；所述延时模块用于所述主开关开启时，输出延时信号，以控制所述述检测电路在预设时间后输出所述第一控制信号。
9.如权利要求8所述的电源变换器，其特征在于，所述延时模块包括储能装置和与该储能装置连接的第二开关检测装置，所述储能装置用于在所述第二开关检测装置检测到所述主开关开启时，进行储能，并在储能电压大于预设电压值时，输出所述延时信号。
10.如权利要求9所述的电源变换器，其特征在于，所述第二开关检测装置包括第二直流电源、第四反相器、第五反相器、第八开关管及第九开关管；所述储能装置包括第六反相器、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管及第二电容，所述第四反相器的输入端与所述主开关的受控端连接，所述第四反相器的输出端与所述第五反相器的输入端连接，所述第五反相器的输出端与所述第八开关管的栅极连接；所述第八开关管的漏极接地，所述第八开关管的源极与所述第九开关管的漏极连接；所述第九开关管、第十开关管和第十一开关管的源极互连，且互连后与所述第二直流电源连接；所述第九开关管的栅极输入一控制所述第八开关管导通的外接电源；所述第十开关管的栅极接地，所述第十开关管的漏极与所述第十二开关管的漏极连接；所述第十一开关管的栅极与所述第三反相器的输出端连接，所述第十一开关管的漏极与所述第六反相器的输入端连接，所述第六反相器的输出端与所述第二触发器的触发端连接；所述第十二开关管的栅极、所述第八开关管的漏极、所述第九开关管的漏极和所述第二电容的第一端互连，所述第十二开关管的源极和第二电容的第二端分别接地。
11.一种开关电源装置，其特征在于，所述开关电源装置包括如权利要求1至10任一项所述的电源变换器。
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