CN105262342B - 一种高效率的非隔离型升压电路 - Google Patents

一种高效率的非隔离型升压电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高效率的非隔离型升压电路，包括：输入电压源、输入滤波电容、第一开关管、第二开关管、升压变压器和滤波器；所述升压变压器包括第一源端线圈、第二源端线圈和副端线圈；所述输入电压源分别与输入滤波电容的一端、第一源端线圈的同名端以及第二源端线圈的异名端相连接；所述第一开关管的栅极连接至其驱动信号端，所述第一开关管的漏极分别与第一源端线圈的异名端和副端线圈相连接；所述第二开关管的栅极连接至其驱动信号端，所述第二开关管的漏极分别与第二源端线圈的同名端和副端线圈相连接；所述副端线圈的同名端和异名端均连接至所述滤波器。本发明能够提升2‑3个百分点的效率，且明显降低了其成本和体积。

Description

一种高效率的非隔离型升压电路
技术领域
本发明涉及一种升压电路，尤其涉及一种高效率的非隔离型升压电路。
背景技术
电源产品的升压电路对于产品质量来说，至关重要，随着科技的发展，电源产品也在不断地更新换代，现有对于尺寸更小、效率更高、热设计简单和降低成本一直是电源产品所需要不懈追求的目标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是减小体积、降低生产成本并提高效率的非隔离型升压电路。
对此，本发明提供一种高效率的非隔离型升压电路，包括：输入电压源、输入滤波电容、第一开关管、第二开关管、升压变压器和滤波器；所述升压变压器包括第一源端线圈、第二源端线圈和副端线圈；所述输入电压源的一端接地，所述输入电压源的另一端分别与输入滤波电容的一端、第一源端线圈的同名端以及第二源端线圈的异名端相连接，所述输入滤波电容的另一端接地；所述第一开关管的源极接地，所述第一开关管的栅极连接至所述第一开关管的驱动信号端，所述第一开关管的漏极分别与第一源端线圈的异名端和副端线圈的同名端相连接；所述第二开关管的源极接地，所述第二开关管的栅极连接至所述第二开关管的驱动信号端，所述第二开关管的漏极分别与第二源端线圈的同名端和副端线圈的异名端相连接；所述副端线圈的同名端和异名端均与所述滤波器相连接。
本发明的进一步改进在于，所述第二开关管的驱动信号相位滞后所述第一开关管的驱动信号相位的角度为180°，所述第二开关管的驱动信号和第一开关管的驱动信号的占空比宽度相等。
本发明的进一步改进在于，还包括第一整流二极管，所述第一源端线圈的异名端连接至所述第一整流二极管的阳极，所述副端线圈的同名端连接至所述第一整流二极管的阴极。
本发明的进一步改进在于，还包括第二整流二极管，所述第二源端线圈的同名端连接至所述第二整流二极管的阳极，所述副端线圈的异名端连接至所述第二整流二极管的阴极。
本发明的进一步改进在于，还包括第三整流二极管，所述副端线圈的同名端连接至所述第三整流二极管的阳极，所述第三整流二极管的阴极连接至所述滤波器。
本发明的进一步改进在于，还包括第四整流二极管，所述副端线圈的异名端连接至所述第四整流二极管的阳极，所述第四整流二极管的阴极连接至所述滤波器。
本发明的进一步改进在于，所述滤波器包括滤波电感和滤波电容，所述第三整流二极管的阴极和第四整流二极管的阴极分别连接至所述滤波电感的一端，所述滤波电感的另一端分别与所述滤波电容的一端和负载端相连接，所述滤波电容的另一端接地。
本发明的进一步改进在于，当所述第一开关管的驱动信号端开通，且所述第二开关管的驱动信号端关闭时，所述输入电压源流过所述第一源端线圈和第一开关管以形成通路，所述第一源端线圈的同名端电压为正，所述第一源端线圈的异名端电压为负；所述第二源端线圈的同名端和所述副端线圈的同名端的感应电压为正，所述第二源端线圈的异名端和所述副端线圈的异名端的感应电压为负，使所述第二整流二极管和所述第三整流二极管导通，所述第一整流二极管和第四整流二极管承受反压截止，则所述输入电压源通过所述第二源端线圈、第二整流二极管、副端线圈、第三整流二极管、滤波电感以及滤波电容输出至负载端；所述滤波电感的输入端电压VA为流过所述第一源端线圈的电流I1与流过所述副端线圈的电流 I3之间的关系为其中，Vsource为所述输入电压源的电压，N1为所述第一源端线圈的线圈匝数，N2为所述第二源端线圈的线圈匝数，N3为所述副端线圈的线圈匝数。
本发明的进一步改进在于，当所述第二开关管的驱动信号端开通，且所述第一开关管的驱动信号端关闭时，所述输入电压源流过所述第二源端线圈和第二开关管以形成通路，所述第二源端线圈的同名端电压为负，所述第二源端线圈的异名端电压为正；所述第一源端线圈的同名端和所述副端线圈的同名端的感应电压为负，所述第一源端线圈的异名端和所述副端线圈的异名端的感应电压为正，使所述第一整流二极管和第四整流二极管导通，所述第二整流二极管和所述第三整流二极管承受反压截止，则输入电压源通过所述第一源端线圈、第一整流二极管、副端线圈、第四整流二极管、滤波电感以及滤波电容输出至负载端，所述滤波电感的输入端电压VA为流过所述第二源端线圈的电流I2与流过所述副端线圈的电流 I3之间的关系为其中，Vsource为所述输入电压源的电压，N1为所述第一源端线圈的线圈匝数，N2为所述第二源端线圈的线圈匝数，N3为所述副端线圈的线圈匝数。
本发明的进一步改进在于，当N1＝N2且所述第二开关管的驱动信号和第一开关管的驱动信号的占空比宽度相等时，所述非隔离型升压电路的输出电压Vout为所述非隔离型升压电路的输出电流Iout为：其中，Vsource为所述输入电压源的电压，Duty为所述第一开关管的驱动信号的占空比宽度，N1为所述第一源端线圈的线圈匝数，N2为所述第二源端线圈的线圈匝数，N3为所述副端线圈的线圈匝数，I1为流过所述第一源端线圈的电流。
与现有技术相比，本发明的进一步改进在于：对传统推挽电路进行了改进，在同容量、同电压输出条件下，本发明的效率比传统推挽电路的输入电流大幅降低，能够使得整个非隔离型升压电路提升2-3个百分点的效率，且成本和体积下降明显；所述第一开关管和第二开关管的电流应力减小，导通损耗随之降低，而电流减小也有利于开关损耗降低，且变压器的第一源端线圈或第二源端线圈关断后，漏感能量可通过整流二极管馈送到副端线圈，进一步降低了第一开关管和第二开关管的开关损耗，同时，变压器和散热片的体积减小，为产品小型化提供可能性，也能够有利于电源产品降低成本。
附图说明
图1是本发明一种实施例的电路原理图；
图2是本发明一种实施例的第一开关管和第二开关管的驱动逻辑示意图；
图3是本发明一种实施例的第一开关管导通且第二开关管关闭的电路导通示意图；
图4是本发明一种实施例的第一开关管关闭且第二开关管导通的电路导通示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：
如图1所示，本例提供一种高效率的非隔离型升压电路，包括：输入电压源Vsource、输入滤波电容C1、第一开关管Q1、第二开关管Q2、升压变压器TX和滤波器；所述升压变压器TX包括第一源端线圈N1、第二源端线圈N2和副端线圈N3；所述输入电压源Vsource的一端接地，所述输入电压源Vsource的另一端分别与输入滤波电容C1的一端、第一源端线圈N1的同名端以及第二源端线圈N2的异名端相连接，所述输入滤波电容C1的另一端接地；所述第一开关管Q1的源极接地，所述第一开关管Q1的栅极连接至所述第一开关管Q1的驱动信号端，所述第一开关管Q1的漏极分别与第一源端线圈N1的异名端和副端线圈N3的同名端相连接；所述第二开关管Q2的源极接地，所述第二开关管Q2的栅极连接至所述第二开关管Q2的驱动信号端，所述第二开关管 Q2的漏极分别与第二源端线圈N2的同名端和副端线圈N3的异名端相连接；所述副端线圈N3的同名端和异名端均与所述滤波器相连接。
本例还包括第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3和第四整流二极管D4；所述第一源端线圈N1的异名端连接至所述第一整流二极管D1的阳极，所述副端线圈N3的同名端连接至所述第一整流二极管D1的阴极；所述第二源端线圈 N2的同名端连接至所述第二整流二极管D2的阳极，所述副端线圈N3的异名端连接至所述第二整流二极管D2的阴极；所述副端线圈N3的同名端连接至所述第三整流二极管D3的阳极，所述第三整流二极管D3的阴极连接至所述滤波器；所述副端线圈N3的异名端连接至所述第四整流二极管D4的阳极，所述第四整流二极管D4的阴极连接至所述滤波器。
本例所述滤波器包括滤波电感L和滤波电容C2，所述第三整流二极管D3的阴极和第四整流二极管D4的阴极分别连接至所述滤波电感L的一端，所述滤波电感L的另一端分别与所述滤波电容C2的一端和负载端相连接，所述滤波电容C2的另一端接地。
所述第一开关管Q1的驱动信号为PWMpush，所述第二开关管Q2的驱动信号为PWMpull，所述第一开关管Q1和第二开关管Q2均为MOSFET管；本例的第一开关管Q1 的驱动信号PWMpush和第二开关管Q2的驱动信号PWMpull的逻辑示意图如图2所示，所述第二开关管Q2的驱动信号PWMpull相位滞后所述第一开关管Q1的驱动信号 PWMpush相位的角度为180°，所述第二开关管Q2的驱动信号和第一开关管Q1的驱动信号的占空比宽度相等。
如图3所示，当所述第一开关管Q1的驱动信号端开通，且所述第二开关管Q2的驱动信号端关闭时，所述输入电压源Vsource流过所述第一源端线圈N1和第一开关管 Q1以形成通路，所述第一源端线圈N1的同名端电压为正，所述第一源端线圈N1的异名端电压为负；由于电磁感应原理，所述第二源端线圈N2的同名端和所述副端线圈N3 的同名端的感应电压为正，所述第二源端线圈N2的异名端和所述副端线圈N3的异名端的感应电压为负，使所述第二整流二极管D2和所述第三整流二极管D3导通，所述第一整流二极管D1和第四整流二极管D4承受反压截止，则所述输入电压源Vsource 通过所述第二源端线圈N2、第二整流二极管D2、副端线圈N3、第三整流二极管D3、滤波电感L以及滤波电容C2输出至负载端；所述滤波电感L的输入端电压VA为由于电磁感应原理，流过所述第一源端线圈N1的电流I1与流过所述副端线圈N3的电流I3之间的关系为其中，Vsource为所述输入电压源Vsource的电压，N1为所述第一源端线圈的线圈匝数，N2为所述第二源端线圈的线圈匝数，N3为所述副端线圈的线圈匝数。图3中，虚线所示的是当第一开关管导通且第二开关管关闭时的电路导通示意图，代表了电信号的流向。
如图4所示，当所述第二开关管Q2的驱动信号端开通，且所述第一开关管Q1的驱动信号端关闭时，所述输入电压源Vsource流过所述第二源端线圈N2和第二开关管 Q2以形成通路，所述第二源端线圈N2的同名端电压为负，所述第二源端线圈N2的异名端电压为正；由于电磁感应原理，所述第一源端线圈N1的同名端和所述副端线圈N3 的同名端的感应电压为负，所述第一源端线圈N1的异名端和所述副端线圈N3的异名端的感应电压为正，使所述第一整流二极管D1和第四整流二极管D4导通，所述第二整流二极管D2和所述第三整流二极管D3承受反压截止，则输入电压源Vsource通过所述第一源端线圈N1、第一整流二极管D1、副端线圈N3、第四整流二极管D4、滤波电感L以及滤波电容C2输出至负载端，所述滤波电感L的输入端电压VA为由于电磁感应原理，流过所述第二源端线圈N2的电流I2与流过所述副端线圈N3的电流I3之间的关系为图4中，虚线所示的是当第一开关管关闭且第二开关管导通时的电路导通示意图，代表了电信号的流向。
当N1＝N2且所述第二开关管Q2的驱动信号和第一开关管Q1的驱动信号的占空比宽度相等时，由于输出电压Vout与滤波电感L的输入端电压VA之间存在以下关系 Vout＝VA*Duty，则所述非隔离型升压电路的输出电压Vout为由于输出电流Iout与副端线圈N3的电流I3存在以下关系I3＝Iout*Duty，则能够得到所述非隔离型升压电路的输出电流Iout为即所述非隔离型升压电路的输出电流Iout为其中，Vsource为所述输入电压源Vsource的电压，Duty为所述第一开关管Q1的驱动信号的占空比宽度。
本例对传统推挽电路进行了改进，在同容量、同电压输出条件下，本例的效率比传统推挽电路的输入电流大幅降低，能够使得整个非隔离型升压电路提升2-3个百分点的效率，且成本和体积下降明显；所述第一开关管Q1和第二开关管Q2的电流应力减小，导通损耗随之降低，而电流减小也有利于开关损耗降低，且变压器的第一源端线圈N1或第二源端线圈N2关断后，漏感能量可通过整流二极管馈送到副端线圈N3，进一步降低了第一开关管Q1和第二开关管Q2的开关损耗，同时，变压器和散热片的体积减小，为产品小型化提供可能性，也能够有利于电源产品降低成本。
下面，本例将通过具体数值来说明和计算本例的效率提升效果：固定升压变压器TX的第一源端线圈N1、第二源端线圈N2和副端线圈N3的匝数比为N1:N2:N3＝1:1:2，借此以实际数据来比较本例与传统推挽变压器的区别，并进行效率评估。
本例所述的路输出电压Vout为输出电流Iout为即Vout＝4*Vsource*Duty，I1＝3*Iout*Duty。
若本例与现有技术的两种架构的输出功率Pout相同，输出电压Vout也相同，则推挽电路的变压器匝数比应为1:1:4，则，现有技术中的传统的推挽电路输入电流I1'满足以下等式：I1'＝4*Iout'*Duty'。
由本例的I1＝3*Iout*Duty与现有技术中传统的推挽电路的I1'＝4*Iout'*Duty'比较可知，在输出功率Pout相同，输出电压Vout相同的情况下，本例输入电流I1为传统推挽架构的I1'的3/4。
那么，从升压变压器TX看来，源端铜损耗为传统推挽架构的9/16，副端铜损耗为传统推挽架构的1/2。从第一开关管Q1和第二开关管Q2上看来，由于输入电流I1降低到3/4，故MOSFET的电流应力也减少，导通损耗降低到传统推挽电路的9/16，开关损耗也随之减少，且在第一开关管Q1和第二开关管Q2均关断时，源端线圈的漏感能量将随整流二极管的通路传递到输出，进一步降低开通损耗；从电源整体评估，其效率可提升2-3％。
由于损耗的降低，升压变压器TX和散热片的体积和重量也有较大的降低，便于选择更低电流等级的MOSFET，有利于电源产品的小型化设计，压缩整体成本，提升产品竞争力。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高效率的非隔离型升压电路，其特征在于，包括：输入电压源、输入滤波电容、第一开关管、第二开关管、升压变压器和滤波器；所述升压变压器包括第一源端线圈、第二源端线圈和副端线圈；所述输入电压源的一端接地，所述输入电压源的另一端分别与输入滤波电容的一端、第一源端线圈的同名端以及第二源端线圈的异名端相连接，所述输入滤波电容的另一端接地；所述第一开关管的源极接地，所述第一开关管的栅极连接至所述第一开关管的驱动信号端，所述第一开关管的漏极分别与第一源端线圈的异名端和副端线圈的同名端相连接；所述第二开关管的源极接地，所述第二开关管的栅极连接至所述第二开关管的驱动信号端，所述第二开关管的漏极分别与第二源端线圈的同名端和副端线圈的异名端相连接；所述副端线圈的同名端和异名端均与所述滤波器相连接；
还包括第一整流二极管和第二整流二极管，所述第一源端线圈的异名端连接至所述第一整流二极管的阳极，所述副端线圈的同名端连接至所述第一整流二极管的阴极；所述第二源端线圈的同名端连接至所述第二整流二极管的阳极，所述副端线圈的异名端连接至所述第二整流二极管的阴极；
还包括第三整流二极管和第四整流二极管，所述副端线圈的同名端连接至所述第三整流二极管的阳极，所述第三整流二极管的阴极连接至所述滤波器；所述副端线圈的异名端连接至所述第四整流二极管的阳极，所述第四整流二极管的阴极连接至所述滤波器。
2.根据权利要求1所述的高效率的非隔离型升压电路，其特征在于，所述第二开关管的驱动信号相位滞后所述第一开关管的驱动信号相位的角度为180°，所述第二开关管的驱动信号和第一开关管的驱动信号的占空比宽度相等。
3.根据权利要求1或2所述的高效率的非隔离型升压电路，其特征在于，所述滤波器包括滤波电感和滤波电容，所述第三整流二极管的阴极和第四整流二极管的阴极分别连接至所述滤波电感的一端，所述滤波电感的另一端分别与所述滤波电容的一端和负载端相连接，所述滤波电容的另一端接地。
4.根据权利要求3所述的高效率的非隔离型升压电路，其特征在于，当所述第一开关管的驱动信号端开通，且所述第二开关管的驱动信号端关闭时，所述输入电压源流过所述第一源端线圈和第一开关管以形成通路，所述第一源端线圈的同名端电压为正，所述第一源端线圈的异名端电压为负；所述第二源端线圈的同名端和所述副端线圈的同名端的感应电压为正，所述第二源端线圈的异名端和所述副端线圈的异名端的感应电压为负，使所述第二整流二极管和所述第三整流二极管导通，所述第一整流二极管和第四整流二极管承受反压截止，则所述输入电压源通过所述第二源端线圈、第二整流二极管、副端线圈、第三整流二极管、滤波电感以及滤波电容输出至负载端；所述滤波电感的输入端电压VA为流过所述第一源端线圈的电流I1与流过所述副端线圈的电流I3之间的关系为其中，Vsource为所述输入电压源的电压，N1为所述第一源端线圈的线圈匝数，N2为所述第二源端线圈的线圈匝数，N3为所述副端线圈的线圈匝数。
5.根据权利要求3所述的高效率的非隔离型升压电路，其特征在于，当所述第二开关管的驱动信号端开通，且所述第一开关管的驱动信号端关闭时，所述输入电压源流过所述第二源端线圈和第二开关管以形成通路，所述第二源端线圈的同名端电压为负，所述第二源端线圈的异名端电压为正；所述第一源端线圈的同名端和所述副端线圈的同名端的感应电压为负，所述第一源端线圈的异名端和所述副端线圈的异名端的感应电压为正，使所述第一整流二极管和第四整流二极管导通，所述第二整流二极管和所述第三整流二极管承受反压截止，则输入电压源通过所述第一源端线圈、第一整流二极管、副端线圈、第四整流二极管、滤波电感以及滤波电容输出至负载端，所述滤波电感的输入端电压VA为流过所述第二源端线圈的电流I2与流过所述副端线圈的电流I3之间的关系为其中，Vsource为所述输入电压源的电压，N1为所述第一源端线圈的线圈匝数，N2为所述第二源端线圈的线圈匝数，N3为所述副端线圈的线圈匝数。
6.根据权利要求3所述的高效率的非隔离型升压电路，其特征在于，当N1＝N2且所述第二开关管的驱动信号和第一开关管的驱动信号的占空比宽度相等时，所述非隔离型升压电路的输出电压Vout为所述非隔离型升压电路的输出电流Iout为：其中，Vsource为所述输入电压源的电压，Duty为所述第一开关管的驱动信号的占空比宽度，N1为所述第一源端线圈的线圈匝数，N2为所述第二源端线圈的线圈匝数，N3为所述副端线圈的线圈匝数，I1为流过所述第一源端线圈的电流。
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