CN105915063A - 一种带隔离输出的同步降压拓扑电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种带隔离输出的同步降压拓扑电路，包括开关电路、驱动电路、PWM控制电路、一次侧反馈电路、隔离输出电路；所述开关电路包括分别与驱动电路输出端连接的一个高边开关管和一个低边开关管，所述隔离输出电路包括耦合电感器、整流二极管、有极性电容，所述耦合电感器的一次侧同名端分别连接高边开关管的源极和低边开关管的漏极，耦合电感器的二次侧异名端与整流二极管的阳极连接，整流二极管的阴极与有极性电容的正极连接，有极性电容的负极与耦合电感器的二次侧同名端连接，有极性电容的正极为输出端，所述一次侧反馈电路的输入端接耦合电感器一次侧异名端，一次测反馈电路的输出端接PWM控制电路输入端，PWM控制电路输出端接驱动电路输入端。

Description

一种带隔离输出的同步降压拓扑电路
技术领域
本发明涉及一种电源电路技术，特别是一种带隔离输出的同步降压拓扑电路。
背景技术
在许多的应用场合，例如可编程逻辑控制器、数据采集系统以及工业控制设备，都需要为系统中的某部分电路提供隔离输出的电源以保证电气隔离和电气性能。现有的产生隔离输出电源的电路主要采用反激拓扑，如图1所示。然而设计反激拓扑的隔离输出电源所选择的开关管Q1需要有较高的电压裕量、需要较多数量的元件和复杂的反馈环路补偿，因而导致了较多的工作量、复杂的电路结构、占用较多的空间和较高的成本。具体如下：
首先，采用反激拓扑的隔离输出电源所选择的开关管Q1需要有较高的电压裕量。当采用反激拓扑的隔离输出电源的耦合电感器L1的二次侧绕组续流时，电源的二次侧输出VSEC按照耦合电感器L1的匝数比N折射到一次侧，与电源输入VIN叠加到开关管Q1的漏源极之间；同时，当开关管Q1关断时，由于变压器、开关管等元件的寄生参数造成的寄生振荡电压尖峰VPEAK也会叠加到开关管Q1的漏源极之间。
其次，采用反激拓扑的隔离输出电源需要较多数量的元件和复杂的反馈环路补偿。需要光电耦合器实现隔离的反馈环路补偿；需要根据输出电压和电流、开关频率等参数计算和设计反馈环路补偿参数，并使用较多数量的阻容元件和运算放大器实现反馈环路补偿；还需要在耦合电感器L1的一次侧添加RCD吸收电路，保证开关管Q1关断时不被寄生振荡电压尖峰VPEAK击穿。
因此，有必要提出一种有较少的工作量、简单的电路结构、占用更小空间的、低成本的隔离输出的电源电路，进而提高产品的研发速度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带隔离输出的同步降压拓扑电路，能够降低隔离输出电源的设计难度，提高产品的研发速度。
一种带隔离输出的同步降压拓扑电路，该拓扑电路由输入滤波电容C1、高边开关管Q1、低边开关管Q2、耦合电感器L1、输出滤波电容器C2、整流二极管D1、输出滤波电容器C3、驱动电路单元、PWM控制电路单元和一次侧反馈电路单元组成。开关管Q1、Q2均采用增强型N沟道MOSFET，耦合电感器L1为带辅助绕组的电感器；开关管Q1的漏极、输入滤波电容器C1的正极与电源输入VIN连接，输入滤波电容器C1的负极与电源地GND0连接；开关管Q1的源极、开关管Q2的漏极与耦合电感器L1的一次侧同名端连接，开关管Q2的源极与电源地GND0连接；耦合电感器L1的一次侧的异名端、输出滤波电容器C2的正极与一次侧输出VPRI连接，输出滤波电容器C2的负极与电源地GND0连接；耦合电感器L1的二次侧异名端与整流二极管D1的阳极连接，整流二极管D1的阴极、输出滤波电容器C3的正极与二次侧输出VSEC连接，输出滤波电容器C3的负极、耦合电感器L1的二次侧同名端与二次侧地GND1连接。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)开关管Q1、Q2只需要根据电源输入VIN选择电压裕量，不存在耦合电感器L1的二次侧续流时，二次侧输出VSEC按照匝数比N折射到一次侧和寄生振荡电压尖峰VPEAK同时与电源输入VIN叠加的问题，可以选取更低电压等级的开关管；(2)二次侧输出VSEC不需要光电耦合器实现隔离的反馈环路补偿，二次侧输出VSEC不需要计算反馈环路补偿参数便可紧密跟踪一次侧电压输出，只使用较少数量的阻容元件和运算放大器实现反馈环路补偿，没有寄生振荡电压尖峰VPEAK，不需要RCD吸收电路。
下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。
附图说明
图1是采用反激拓扑的隔离式输出电源电路的示意图。
图2是本发明的一种带隔离输出的同步降压拓扑电路的示意图。
具体实施方式
本发明提出一种有较少的工作量、简单的电路结构、占用更小空间的、低成本的带隔离输出的电源电路，能够提高产品的研发速度。只需要将常规的同步降压拓扑电路中的电感器更换为带辅助绕组的耦合电感器L1，增加整流二极管D1和输出滤波电容C3便可获得隔离的电源输出VSEC，该输出不需要额外的元件和反馈环路补偿便可紧密跟踪一次侧输出VPRI，如下式所示，其中N为耦合电感器L1的匝数比，VF为整流二极管D1的正向导通压降。
V S E C = V P R I N - V F
结合图2，为本发明的一种带隔离输出的同步降压拓扑电路的示意图。该拓扑电路由输入滤波电容器C1、高边开关管Q1、低边开关管Q2、耦合电感器L1、输出滤波电容器C2、整流二极管D1、输出滤波电容器C3、驱动电路单元、PWM控制电路单元和一次侧反馈电路单元组成，其特征在于中：开关管Q1、Q2均采用增强型N沟道MOSFET，耦合电感器L1为带辅助绕组的电感器；开关管Q1的漏极、输入滤波电容器C1的正极与电源输入VIN连接，输入滤波电容器C1的负极与电源地GND0连接；开关管Q1的源极、开关管Q2的漏极与耦合电感器L1的一次侧同名端连接，开关管Q2的源极与电源地GND0连接；耦合电感器L1的一次侧的异名端、输出滤波电容器C2的正极与一次侧输出VPRI连接，输出滤波电容器C2的负极与电源地GND0连接；耦合电感器L1的二次侧异名端与整流二极管D1的阳极连接，整流二极管D1的阴极、输出滤波电容器C3的正极与二次侧输出VSEC连接，输出滤波电容器C3的负极、耦合电感器L1的二次侧同名端与二次侧地GND1连接。
具体工作原理如下：
开关管Q1、Q2由驱动电路单元产生的带有死区的互补脉冲驱动，当开关管Q1导通而开关管Q2关断时，耦合电感L1的一次侧绕组的同名端电位高于其异名端，所以耦合电感L1的二次侧绕组的同名端电位高于其异名端，整流二极管D1反向偏置，输出滤波电容C3为二次侧的负载供电；当开关管Q1关断而开关管Q2导通时，耦合电感器L1的一次侧绕组的异名端电位高于其同名端，耦合电感器L1的一次侧绕组的电压差等于一次侧输出VPRI，所以耦合电感器L1的二次侧绕组的异名端电位高于其同名端，整流二极管D1正向导通，在耦合电感器L1的二次侧绕组获得的电磁感应电压VPRI/N为输出滤波电容器C3和二次侧的负载供电。当电路处于稳态时，一次侧输出VPRI由一次侧反馈电路保持稳定，由公式(1)可知，不需要光电耦合器实现二次侧的电气隔离和环路反馈，二次侧输出VSEC便可紧密跟踪一次侧输出VPRI，因此获得稳定的隔离的辅助电源。

Claims (3)

1.一种带隔离输出的同步降压拓扑电路，其特征在于，包括开关电路、驱动电路、PWM控制电路、一次侧反馈电路、隔离输出电路；
所述开关电路包括分别与驱动电路输出端连接的一个高边开关管(Q1)和一个低边开关管(Q2)；
所述隔离输出电路包括耦合电感器(L1)、整流二极管(D1)、有极性电容(C3)，所述耦合电感器(L1)的一次侧同名端分别连接高边开关管(Q1)的源极和低边开关管(Q2)的漏极，耦合电感器(L1)的二次侧异名端与整流二极管(D1)的阳极连接，整流二极管(D1)的阴极与有极性电容(C3)的正极连接，有极性电容(C3)的负极与耦合电感器(L1)的二次侧同名端连接，有极性电容(C3)的正极为输出端；
所述一次侧反馈电路的输入端接耦合电感器(L1)一次侧异名端，一次侧反馈电路的输出端接PWM控制电路输入端，PWM控制电路输出端接驱动电路输入端；
所述高边开关管(Q1)和低边开关管(Q2)由驱动电路单元产生的带有死区的互补脉冲驱动，当高边开关管(Q1)导通而低边开关管(Q2)关断时，耦合电感(L1)的一次侧绕组的同名端电位高于其异名端，整流二极管(D1)反向偏置，有极性电容(C3)为二次侧的负载供电；当高边开关管(Q1)关断而低边开关管(Q2)导通时，耦合电感(L1)的一次侧绕组的异名端电位高于其同名端，耦合电感(L1)的一次侧绕组的电压差等于一次侧输出电压，耦合电感(L1)的二次侧绕组的异名端电位高于其同名端，整流二极管(D1)正向导通，在耦合电感(L1)的二次侧绕组获得的电磁感应电压为有极性电容器(C3)和二次侧的负载供电。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述高边开关管(Q1)和低边开关管(Q2)均为N沟道MOS管，其中高边开关管(Q1)的漏极与电源输入连接，高边开关管(Q1)的源极和低边开关管(Q2)漏极与耦合电感器(L1)一次侧同名端连接，高边开关管(Q1)的栅极和低边开关管(Q2)的栅极分别连接驱动电路，低边开关管(Q2)的源极接地。
3.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述电路在电源输入端设置一个输入滤波电容器(C1)，其正极接电源输入，负极接地；所述电路在耦合电感(L1)一次侧绕组的异名端处设置一个输出滤波电容器(C2)，其正极接耦合电感(L1)一次侧绕组的异名端，负极接地。
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