CN105281568B - 降压电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种降压电路，包括：串联于一直流电源和一负载之间的开关；开关控制电路，被配置为当所述负载两端的电压高于预定的第一阀值时使所述开关截止，当所述负载两端的电压低于所述第一阀值时使所述开关导通；储能单元，被配置为当所述开关导通时由所述直流电源充电，所述开关截止时向所述负载供电；以及过流保护电路，被配置为当所述开关的输入电流高于预定的第二阀值时使所述开关截止，当所述输入电流低于所述第二阀值时所述开关由所述开关控制电路控制。本发明的降压电路具有能耗低、效率高的优点。

Description

降压电路
【技术领域】
本发明涉及一种直流降压电路，该电路尤其适用于高效率、低待机功耗的无刷直流电机的驱动器。
【背景技术】
传统的直流降压转换电路采用串接电阻的方式，负载电流(输出电流)与输入电流相同，此种转换电路的转换效率通常在50％以下(转换效率等于输出电压与输入电压的比值)，有些电路的转换效率甚至只有30％左右。此外，因为电能损耗率极高，产生大量的热量，需要设置散热器来排热。
因此，亟需一种改进的方案。
【发明内容】
本发明提供一种降压电路，包括：
串联于一直流电源和一负载之间的开关；
开关控制电路，被配置为当所述负载两端的电压高于预定的第一阀值时使所述开关截止，当所述负载两端的电压低于所述第一阀值时使所述开关导通；
储能单元，被配置为当所述开关导通时由所述直流电源充电，所述开关截止时向所述负载供电；以及
过流保护电路，被配置为当所述开关的输入电流高于预定的第二阀值时使所述开关截止，当所述输入电流低于所述第二阀值时所述开关由所述开关控制电路控制。
依据一个较佳实施例，所述过流保护电路包括第一比较器，所述第一比较器的一个输入端连接第一参考电压，另一个输入端连接对应于所述输入电流的第一电压检测信号，所述输出端向所述开关的受控端输出控制信号。
所述开关控制电路包括第二比较器，所述第二比较器的一个输入端连接第二参考电压，另一输入端连接对应于所述负载两端电压的第二电压检测信号，输出端向所述开关的受控端输出控制信号。
较佳的，所述开关的受控端为低电平时开关导通，为高电平时开关截止；所述第一比较器的同相输入端连接所述第一参考电压，反相输入端与串联于所述直流电源和开关之间的采样电阻的一端连接，输出端经第一单向二极管向所述开关的受控端输出控制信号；当所述第一比较器的反相输入端的电压检测信号高于所述第一参考电压时，所述第一单向二极管截止，所述开关由所述开关控制电路控制，当所述第一比较器的反相输入端的电压检测信号低于所述第一参考电压时，所述第一单向二极管导通，所述第一比较器的输出端输出的控制信号使所述开关截止。
较佳的，还包括与所述负载并联的分流支路，所述分流支路包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述第二比较器的反相输入端连接所述第二参考电压，同相输入端连接至所述第一分压电阻和第二分压电阻的联接点。
较佳的，所述第一比较器的输出端与所述第一单向二极管的阳极连接，所述第一单向二极管的阴极与所述第二比较器的同相输入端连接。
较佳的，所述第二比较器的同相输入端经第三电阻与第二比较器的输出端连接。
较佳的，所述储能单元包括与所述负载并联的电容，所述电路还包括电感和第二单向二极管，所述电感串联于所述开关的输出端与所述电容的正极之间，所述第二单向二极管的阴极连接所述开关的输出端，所述第二单向二极管的阳极连接所述电容的负极。
较佳的，所述开关为PNP三极管，所述三极管的发射极经采样电阻连接到所述直流电源，集电极作为输出端，基极第四电阻与第二比较器的输出端连接。
较佳的，所述PNP三极管的基极经第五电阻连接到所述直流电源。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
【附图说明】
图1是本发明提供的直流降压电路的结构框图；
图2是本发明一个实施例提供的直流降压电路的电路图。
【具体实施方式】
参考图1，本发明提供的直流降压电路连接在电压输入电路20与负载60之间。该直流降压电路包括连接到电压输入电路20的开关电路30、以及连接在开关电路30与负载60之间的滤波续流电路50。其中，电压输入电路20可以是恒压直流电源，或者是其他的恒压输出电路。开关电路30控制供电电路的通断，并与滤波续流电路50配合将输入电压Vin转换成想要的输出电压Vout。负载60例如可以是但不限于无刷直流电机。下面将结合图2对本发明提供的开关电路进行更详细的说明。
电压输入电路20的输出电压(即开关电路30的输入电压Vin)例如可以为15伏(V)，负载60两端的电压Vout例如可以是5伏。由两电阻R1和R2组成的分流支路与负载60并联。滤波续流电路50中设有与负载60并联的电容C1作为储能单元。开关电路30包括开关Q1、开关控制电路33、以及过流保护电路35。开关控制电路33被配置当负载60两端的电压高于预定的第一阀值时使开关Q1截止，当负载60两端的电压低于所述第一阀值时使开关Q1导通；开关Q1导通时电压Vin通过电感L1给电容C1充电，开关Q1截止时电容C1放电以给负载60供电。过流保护电路35被配置为当开关Q1的输入电流Iin高于预定的第二阀值时开关Q1截止，开关Q1的输入电流Iin低于所述第二阀值时开关Q1由开关控制电路33控制。
本实施例中，开关Q1较佳的为PNP三极管，用于控制电压Vin与负载60之间电路的通断(即导通与断开)。滤波续流电路50包括电感L1、电容C1以及单向二极管D2。电容C1与负载60并联，其负极接地。三极管Q1的发射极通过采样电阻Rsc连接到输入电压Vin。电感L1串联于三极管Q1的集电极与电容C1的正极之间。单向二极管D2的阴极连接三极管Q1的集电极，阳极连接电容C1的负极。
开关控制电路33包括比较器U1A。比较器U1A的同相输入端V2连接至两电阻R1和电阻R2的联接点，反相输入端V1接入参考电压Vref2，输出端O2通过电阻R4连接到开关三极管Q1的基极B，并经电阻R3与比较器U1A的同相输入端V2连接，形成正反馈，产生滞环作用。开关三极管Q1的基极B与输入电压Vin之间还串接有电阻R5。初始状态下，开关三极管Q1截止，输入电流Iin为0安培，输出电压Vout为0V。比较器U1A的同相输入端V2的检测的输出反馈电压也为0V(V2＝Vout*R2/(R1+R2))。此时，同相输入端V2的电压小于反相输入端V1的输入电压(即参考电压Vref2)，比较器U1A的输出端O2输出低电平，使开关三极管Q1导通，从而使输入电压Vin给负载60供电，并给电容C1充电，在此过程中，输出电压Vout以及比较器U1A的同相输入端V2检测的输出反馈电压都逐渐增大。
当比较器U1A的同相输入端V2检测的输出反馈电压增加至大于参考电压Vref2时，比较器U1A的输出端O2输出高电平，使开关三极管Q1截止。电感L1通过二极管D2续流，电容C1放电从而给负载60供电。随着电容C1的不断放电，输出电压Vout慢慢下降，因此，比较器U1A的同相输入端V2的检测电压也逐渐减小。当输入端V2的检测电压降至小于参考电压Vref2时，比较器U1A的输出端O2输出低电平，开关三极管Q1重新导通使电源Vin向负载60供电，并重新给电容C1充电。
如此，在比较器U1A的控制下，开关三极管Q1周期性地导通与截止，并在续流电路50的作用下，将输入电压15V变换成想要的输出电压5V。
过流保护电路35包括比较器U1B。比较器U1B的同相输入端V3连接参考电压Vref1，反相输入端V4连接到开关三极管Q1的发射极E，输出端O1与单向二极管D1的阳极连接。单向二极管D1的阴极与比较器U1A的同相输入端V2连接。
在初始状态下，输入电流Iin为0安培，比较器U1B的反相输入端V4的电流转换电压等于Vin(V4＝Vin-Iin*Rsc)。由于Vref1小于Vin，因此，比较器U1B的输出端O1输出低电平，单向二极管D1截止，
在电路正常工作状态下，输入电流相对较小，比较器U1B的同相输入端V3的参考电压Vref1的值被设置为始终小于比较器U1B的反相输入端V4的电流转换电压，比较器U1B的输出端O1输出低电平，单向二极管D1截止。因此，在初始状态和正常工作状态下，比较器U1B均不参与对开关三极管Q1的控制。
在负载M短路或者电流过大的情况下，负载M两端的电压Vout较小，此时，比较器U1A的同相输入端检测到的电压V2也较小(通常小于Vref2)，若不设过流保护电路，比较器U1A依然会导通开关三极管Q1，这样，会恶化短路状况，或者进一步地导致负载的电流过大。在设置过流保护电路的情况下，随着电流Iin的增大，比较器U1B的反相输入端V4检测到的电压V4是减小的，当电流Iin增大至反相输入端V4的检测电压小于Vref1时，比较器U1B的输出端O1输出高电平，由于此时比较器U1A的同相输入端V2的检测电压较低，因此，单向二极管D1导通，比较器U1B输出的高电平使开关三极管Q1断开，从而及时断开供电，起到短路保护、过流保护的作用。
本电路的主要损耗在于三极管的开关损耗以及分压电阻R1和R2。通过合理的设置三极管的开关频率以及较大阻值的R1和R2，可把损耗降到较低。本发明一个实施例中，在输入电流Iin＝0.02A的情况下，流经负载M的电流(输出电流)Iout为0.05A，因此，电路的转换效率高达83.3％，是传统线性直流变换电路的转换效率的2～3倍。
实施本发明提供的直流降压电路，三极管开关在导通与截止状态之间切换，减少了热量的产生，则可以省去为电路配备散热器的程序，符合新时代节约能源的要求。本发明提高了效率，降低了能耗，而且简化了电路设计，同时具有过流保护功能。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种降压电路，包括：
串联于一直流电源(Vin)和一负载(60)之间的开关(Q1)；
开关控制电路(33)，被配置为当所述负载(60)两端的电压高于预定的第一阀值时使所述开关(Q1)截止，当所述负载(60)两端的电压低于所述第一阀值时使所述开关(Q1)导通；
储能单元(C1)，被配置为当所述开关(Q1)导通时由所述直流电源(Vin)充电，所述开关(Q1)截止时向所述负载(60)供电；以及
过流保护电路(35)，被配置为当所述开关(Q1)的输入电流(Iin)高于预定的第二阀值时使所述开关(Q1)截止，当所述输入电流(Iin)低于所述第二阀值时所述开关(Q1)由所述开关控制电路(33)控制；
所述过流保护电路(35)包括第一比较器(U1B)，所述开关(Q1)的受控端为低电平时开关导通，为高电平时开关截止；所述第一比较器(U1B)的同相输入端(V3)连接第一参考电压(Vref1)，反相输入端(V4)与串联于所述直流电源(Vin)和开关(Q1)之间的采样电阻(Rsc)的一端连接，输出端(O1)经第一单向二极管(D1)向所述开关的受控端(B)输出控制信号。
2.如权利要求1所述的降压电路，其特征在于，所述开关控制电路(33)包括第二比较器(U1A)，所述第二比较器(U1A)的一个输入端(V1)连接第二参考电压(Vref2)，另一输入端(V2)连接对应于所述负载(60)两端电压的第二电压检测信号，输出端(O2)向所述开关的受控端(B)输出控制信号。
3.如权利要求2所述的降压电路，其特征在于，当所述第一比较器的反相输入端(V4)的电压检测信号高于所述第一参考电压(Vref1)时，所述第一单向二极管(D1)截止，所述开关(Q1)由所述开关控制电路(33)控制，当所述第一比较器的反相输入端(V4)的电压检测信号低于所述第一参考电压(Vref1)时，所述第一单向二极管(D1)导通，所述第一比较器的输出端(O1)输出的控制信号使所述开关(Q1)截止。
4.如权利要求3所述的降压电路，其特征在于，还包括与所述负载(60)并联的分流支路，所述分流支路包括第一分压电阻(R1)和第二分压电阻(R2)，所述第二比较器的反相输入端(V1)连接所述第二参考电压，同相输入端(V2)连接至所述第一分压电阻(R1)和第二分压电阻(R2)的联接点。
5.如权利要求4所述的降压电路，其特征在于，所述第一比较器的输出端(O1)与所述第一单向二极管(D1)的阳极连接，所述第一单向二极管(D1)的阴极与所述第二比较器的同相输入端(V2)连接。
6.如权利要求5所述的降压电路，其特征在于，所述第二比较器的同相输入端(V2)经第三电阻(R3)与第二比较器的输出端(O2)连接。
7.如权利要求1至6任一项所述的降压电路，其特征在于，所述储能单元包括与所述负载(60)并联的电容(C1)，所述电路还包括电感(L1)和第二单向二极管(D2)，所述电感(L1)串联于所述开关的输出端(C)与所述电容(C1)的正极之间，所述第二单向二极管(D2)的阴极连接所述开关的输出端(C)，所述第二单向二极管(D2)的阳极连接所述电容(C1)的负极。
8.如权利要求2至6任一项所述的降压电路，其特征在于，所述开关(Q1)为PNP三极管，所述三极管的发射极(E)经采样电阻(Rsc)连接到所述直流电源(Vin)，集电极(C)作为输出端，基极(B)经第四电阻(R4)与第二比较器的输出端(O2)连接。
9.如权利要求8所述的降压电路，其特征在于，所述PNP三极管的基极(B)经第五电阻(R5)连接到所述直流电源(Vin)。
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