CN107086780A - 一种宽范围输入输出的dc‑dc变换电源电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种宽范围输入输出的DC‑DC变换电源电路，包括：DC输入单元、DC输出单元、储能元件、第一开关电路、第二开关电路、第一驱动电路、第二驱动电路、方波发生器、输入电压采样电路、输出电压反馈电路；本发明的DC‑DC变换电源电路由方波发生器通过两个驱动电路去控制两个开关电路协同储能元件完成电压变换，方波发生器可以根据加在储能元件上的伏/秒值，在保证储能元件不饱和以及纹波满足要求的前提下，尽量降低两个开关电路中的开关管的工作频率，从而减少了开关管的损耗，降低了发热量，提升了转换效率。并且低的工作频率减少了电磁干扰，容易通过EMI测试。
Description
技术领域
本发明涉及DC-DC电源领域，特别涉及一种适用于车载充电器的宽范围输入输出的DC-DC变换电源电路。
背景技术
车载充电器要要达到TYPE-C协议要求，必须要具备宽范围输入，宽范围输出的功能。通常是采用的是DC-DC的专用控制芯片来控制四个开关管来达成，而这些控制芯片的设计技术目前由还在半导体巨头如LINEAR、TI等公司掌握，造成芯片单价极高，而且芯片数量有限，出现一片难求的局面。
并且，此类芯片的工作频率固定，不能根据不同的输入、输出条件选择适当的工作频率，不能带来最优的转换效率。由于工作频率是固定的，这个工作频率只能保证在最大伏/秒值加在储能元件上，储能元件不饱和，不能在小的伏/秒值时降低工作频率，优化不了转换效率，同时也带了较强的电磁干扰。
另外，现有的方案技术，在输入输出相等的情形下，降压模式和升压模式交替出现，在输出端呈现出较大的纹波电压，如果要减小此纹波电压，必须要增大输出电容，不利于实现成品小型化，也增加了成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种宽范围输入输出的DC-DC变换电源电路，可以大幅降低了成本，摆脱控制器选择的局限，控制器有多重选择性。并且，可以根据不同的输入、输出条件给变换器选择最优的工作频率，提升了变换效率；通过改变开关电路的开通时间，解决了目前方案在输入输出相等时，输出纹波电压大的缺点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种宽范围输入输出的DC-DC变换电源电路，包括：DC输入单元、DC输出单元、储能元件、第一开关电路、第二开关电路、第一驱动电路、第二驱动电路、方波发生器、输入电压采样电路、输出电压反馈电路；
所述DC输入单元的输入正端依次连接所述输入电压采样电路和所述方波发生器连接，所述DC输出单元的输出正端依次连接所述输出电压反馈电路和所述方波发生器，所述方波发生器的信号输出端还分别与所述第一驱动电路的输入端和所述第二驱动电路的输入端连接，所述第一驱动电路输出控制信号控制所述第一开关电路的通断，所述第二驱动电路输出控制信号控制所述第二开关电路的通断，所述第一开关电路和所述第二开关电路之间串联有储能元件；所述第一开关电路还与所述DC输入单元的输入正端连接，所述第二开关电路还与所述DC输出单元的输出正端连接。
作为进一步优选的方案，所述DC输入单元包括若干个依次并联连接的输入电容。
作为进一步优选的方案，所述DC输出单元包括若干个依次并联连接的输出电容。
作为进一步优选的方案，所述第一开关电路包括第一MOS管、第二MOS管和第一电阻；
所述第一MOS管的D极与所述DC输入单元的输入正端连接，S极与所述第二MOS管的D极连接，所述第一MOS管的G极与所述第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端与所述第一驱动电路的一输出端连接；
所述第二MOS管的G极与所述第一驱动电路的另一输出端连接，所述第二MOS管的S极接地。
作为进一步优选的方案，所述第二开关电路包括第三MOS管、第四MOS管和第二电阻；
所述第四MOS管的D极与所述DC输出单元连接，S极与所述第三MOS管的D极连接，所述第四MOS管的G极与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述第二驱动电路的一输出端连接；
所述第三MOS管的G极与所述第二驱动电路的另一输出端连接，所述第三MOS管的S极接地。
作为进一步优选的方案，所述第一驱动电路包括第一驱动芯片U1、第一二极管、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻和第三电容；
所述第一二极管的阳极与所述第一驱动芯片U1的4脚连接，阴极与所述第一驱动芯片U1的1脚连接；所述第三电容的一端与所述第一驱动芯片U1的1脚连接，另一端与所述第一驱动芯片U1的7脚连接；所述第一驱动芯片U1的4脚接一5V供电电源；
所述第三电阻的一端与所述方波发生器的一输出端连接，另一端与所述第一驱动芯片U1的2脚连接，所述第一驱动芯片U1的2脚还与所述第四电阻连接后接地；
所述第五电阻的一端与所述方波发生器的另一输出端连接，另一端与所述第一驱动芯片U1的3脚连接，所述第一驱动芯片U1的3脚还与所述第六电阻连接后接地。
作为进一步优选的方案，所述第二驱动电路包括第二驱动芯片U2、第二二极管、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻和第四电容；
所述第二二极管的阳极与所述第二驱动芯片U2的4脚连接，阴极与所述第二驱动芯片U2的1脚连接；所述第四电容的一端与所述第二驱动芯片U2的1脚连接，另一端与所述第二驱动芯片U2的7脚连接；所述第二驱动芯片U2的4脚接一5V供电电源；
所述第十电阻的一端与所述方波发生器的一输出端连接，另一端与所述第二驱动芯片U2的2脚连接，所述第二驱动芯片U2的2脚还与所述第十一电阻连接后接地；
所述第八电阻的一端与所述方波发生器的另一输出端连接，另一端与所述第二驱动芯片U2的3脚连接，所述第二驱动芯片U2的3脚还与所述第九电阻连接后接地。
作为进一步优选的方案，所述输入电压采样电路包括第十二电阻、第十三电阻和第五电容；
所述第十三电阻的一端作为检测端与所述DC输入单元的输入正端连接，另一端分别与所述第十二电阻和所述方波发生器的一输入端连接，所述第十二电阻的另一端接地，所述第五电容与所述第十二电阻的两端并联连接。
作为进一步优选的方案，所述输出电压反馈电路包括第十四电阻、第十五电阻和第六电容；
所述第十五电阻的一端作为反馈端与所述DC输出单元的输出正端连接，另一端分别与所述第十四电阻和所述方波发生器的另一输入端连接，所述第十四电阻的另一端接地，所述第六电容与所述第十四电阻的两端并联连接。
作为进一步优选的方案，所述储能元件为电感。
本发明相比于现有技术的优点及有益效果如下：
1、本发明的DC-DC变换电源电路由方波发生器通过两个驱动电路去控制两个开关电路协同储能元件完成电压变换，方波发生器可以根据加在储能元件上的伏/秒值，在保证储能元件不饱和以及纹波满足要求的前提下，尽量降低两个开关电路中的开关管的工作频率，从而减少了开关管的损耗，降低了发热量，提升了转换效率。并且低的工作频率减少了电磁干扰，容易通过EMI测试。
2、本发明提供了一种宽范围输入输出的DC-DC变换电源电路，降低了原件成本，提升了转换效率，解决了输入输出相等的情况下，输出纹波电压大的问题。
3、本发明通过改变开关电路的开通时间，解决了目前方案在输入输出相等时，输出纹波电压大的缺点。
4、本发明的技术方案的适用性强，结构简单，易于实施。具有很大的成本优势，而且控制器的选择更多样、更灵活。
附图说明
图1为本发明的宽范围输入输出的DC-DC变换电源电路的原理框图；
图2为图1所述电源的DC输入单元的电路图；
图3为图1所述电源的DC输出单元的电路图；
图4为图1所述电源的第一开关电路的电路图；
图5为图1所述电源的第二开关电路的电路图；
图6为图1所述电源的第一驱动电路的电路图；
图7为图1所述电源的第二驱动电路的电路图；
图8为图1所述电源的输入电压采样电路的电路图；
图9为图1所述电源的输出电压反馈电路的电路图；
图10为本发明的宽范围输入输出的DC-DC变换电源电路的电路原理图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例
请参阅图1，一种宽范围输入输出的DC-DC变换电源电路100，包括：DC输入单元1、DC输出单元2、储能元件3、第一开关电路4、第二开关电路5、第一驱动电路6、第二驱动电路7、方波发生器8、输入电压采样电路9、输出电压反馈电路10。
所述DC输入单元1的输入正端依次连接所述输入电压采样电路9和所述方波发生器8连接，所述DC输出单元2的输出正端依次连接所述输出电压反馈电路10和所述方波发生器8，所述方波发生器8的信号输出端还分别与所述第一驱动电路6的输入端和所述第二驱动电路7的输入端连接，所述第一驱动电路6输出控制信号控制所述第一开关电路4的通断，所述第二驱动电路7输出控制信号控制所述第二开关电路5的通断，所述第一开关电路4和所述第二开关电路5之间串联有储能元件3；所述第一开关电路4还与所述DC输入单元1的输入正端连接，所述第二开关电路5还与所述DC输出单元2的输出正端连接。
DC输入单元1用于滤除输入电压的波纹；DC输出单元2用于滤除输出电压的波纹；储能元件3用于储存能量；第一开关电路4和第二开关电路5协同储能元件3进行储能和释放能量的动作；第一驱动电路6用于驱动控制第一开关电路4的通断，第二驱动电路7用于驱动控制第二开关电路5的通断；输入电压采样电路9用于采集输入电压的幅值，输出电压反馈电路10用于检测输出电压的幅值；方波发生器8根据输入、输出电压的幅值进行比较后，输出一串适当的频率及占空比给第一驱动电路6和第二驱动电路7。
请参阅图2-10。所述DC输入单元1包括若干个依次并联连接的输入电容。所述DC输出单元2包括若干个依次并联连接的输出电容。
所述第一开关电路4包括第一MOS管Q1、第二MOS管Q2和第一电阻R1；所述第一MOS管Q1的D极与所述DC输入单元1的输入正端连接，S极与所述第二MOS管Q2的D极连接，所述第一MOS管Q1的G极与所述第一电阻R1的一端连接，所述第一电阻R1的另一端与所述第一驱动电路6的一输出端连接；所述第二MOS管Q2的G极与所述第一驱动电路6的另一输出端连接，所述第二MOS管Q2的S极接地。
所述第二开关电路5包括第三MOS管Q3、第四MOS管Q4和第二电阻R2；所述第四MOS管Q4的D极与所述DC输出单元2连接，S极与所述第三MOS管Q3的D极连接，所述第四MOS管Q4的G极与所述第二电阻R2的一端连接，所述第二电阻R2的另一端与所述第二驱动电路7的一输出端连接；所述第三MOS管Q3的G极与所述第二驱动电路7的另一输出端连接，所述第三MOS管Q3的S极接地。
所述第一驱动电路6包括第一驱动芯片U1、第一二极管D1、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和第三电容C3；所述第一二极管D1的阳极与所述第一驱动芯片U1的4脚连接，阴极与所述第一驱动芯片U1的1脚连接；所述第三电容C3的一端与所述第一驱动芯片U1的1脚连接，另一端与所述第一驱动芯片U1的7脚连接；所述第一驱动芯片U1的4脚接一5V供电电源；所述第三电阻R3的一端与所述方波发生器8的一输出端连接，另一端与所述第一驱动芯片U1的2脚连接，所述第一驱动芯片U1的2脚还与所述第四电阻R4连接后接地；所述第五电阻R5的一端与所述方波发生器8的另一输出端连接，另一端与所述第一驱动芯片U1的3脚连接，所述第一驱动芯片U1的3脚还与所述第六电阻R6连接后接地。所述第一驱动芯片U1的型号为ADP3110A。
所述第二驱动电路7包括第二驱动芯片U2、第二二极管D2、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11和第四电容C4；所述第二二极管D2的阳极与所述第二驱动芯片U2的4脚连接，阴极与所述第二驱动芯片U2的1脚连接；所述第四电容C4的一端与所述第二驱动芯片U2的1脚连接，另一端与所述第二驱动芯片U2的7脚连接；所述第二驱动芯片U2的4脚接一5V供电电源；所述第十电阻R10的一端与所述方波发生器8的一输出端连接，另一端与所述第二驱动芯片U2的2脚连接，所述第二驱动芯片U2的2脚还与所述第十一电阻R11连接后接地；所述第八电阻R8的一端与所述方波发生器8的另一输出端连接，另一端与所述第二驱动芯片U2的3脚连接，所述第二驱动芯片U2的3脚还与所述第九电阻R9连接后接地。所述第二驱动芯片U2的型号为ADP3110A。
所述输入电压采样电路9包括第十二电阻R12、第十三电阻R13和第五电容C5；所述第十三电阻R13的一端作为检测端与所述DC输入单元1的输入正端连接，另一端分别与所述第十二电阻R12和所述方波发生器8的一输入端连接，所述第十二电阻R12的另一端接地，所述第五电容与所述第十二电阻R12的两端并联连接。
所述输出电压反馈电路10包括第十四电阻R14、第十五电阻R15和第六电容C6；所述第十五电阻R15的一端作为反馈端与所述DC输出单元2的输出正端连接，另一端分别与所述第十四电阻R14和所述方波发生器8的另一输入端连接，所述第十四电阻R14的另一端接地，所述第六电容C6与所述第十四电阻R14的两端并联连接。
工作过程：
步骤一：由输入电压采样电路检测输入正端的电压幅值，送到方波发生器，再与预期想要得的输出电压比较，方波发生器就输出一串适当的频率，适当占空比的方波送到第一驱动电路和第二驱动电路。
步骤二：第一驱动电路由第一驱动芯片U1的2脚接收到方波后，第一驱动芯片U1的8脚和5脚输出两列互补的方波给到第一开关电路。第二驱动电路由第二驱动单元U2的2脚接收到方波后，第二驱动单元U2的8脚和5脚输出二列互补方波给到第二开关电路。
步骤三：第一开关电路和第二开关电路分别接收到第一驱动单元和第二驱动单元的互补方波后，第一开关电路和第二开关电路协同储能元件进行储能和释放能量的动作。
要说明的是，输入电压采样电路采集到的输入正端的电压记为Vin，预期输出正端的电压记为Vout，四个开关管(第一MOS管Q1，第二MOS管Q2，第三MOS管Q3和第四MOS管Q4)的开关频率记为Fsw，导通时间占比分别记为D1、D2、D3、D4。
在Vin＝Vout情况下，出现D1＝1或者D3＝0，造成开关电路没有开关动作，第三电容C3、第四电容C4不能被充电，第一MOS管Q1和第二MOS管Q2无法开通，则无输出。为了避免出现此情形，依Vin和Vout的关系，分为三个阶段：
阶段一，Vin≥Vout+1V为降压模式，则满足关系式：Vout＝Vin*D1/1-D3。其中，D3是一个固定值不可调节，能使C4正常充电即可，调节D1来满足输出。
阶段二，Vin≤Vout-1V为升压模式，则满足关系式：Vout＝Vin*D1/1-D3。其中，D1是一个固定值不可调节能使C3正常充电即可，调节D3来满足输出。
阶段三，Vout-1<Vin<Vout+1V为升压模式，则满足关系式：Vout＝Vin*D1/1-D3。其中，D1是一个固定值不可调节，但必须满足D1<Vout/Vin，调节D3来满足输出。
步骤四：储能元件释放的能量由DC输出单元平滑后经由输出正端输出。
步骤五：输出正端的电压送到输出电压反馈电路检测其幅值后，再送给方波发生器与预期输出电压比较，方波发生器就输出一串适当的频率，适当占空比的方波送到第一驱动电路和第二驱动电路。
依次循环步骤1,2,3,4,5就能在很宽输入范围里得到一个稳定的直流电压。
本发明的宽范围输入输出的DC-DC变换电源，由两个开关电路和一个储能元件把DC输入单元和DC输出单元连接起来，通过输入电压采样电路和输出反馈电路来控制方波发生器，方波发生器产生一串频率可变、占空比可调的方波，经由第一驱动电路和第二驱动电路整形和放大后去分别驱动第一开关电路和第二开关电路，最终在输出正端获得预期的直流电压。由于方波发生器的频率和占空比可变，在不同输入电压和不同的输出预期情况下，能自动的调节方波的频率和占空比，实现最优的变换效率和稳定的直流输出。
本发明的DC-DC变换电源电路由方波发生器通过两个驱动电路去控制两个开关电路协同储能元件完成电压变换，方波发生器可以根据加在储能元件上的伏/秒值，在保证储能元件不饱和以及纹波满足要求的前提下，尽量降低四个开关管(第一MOS管Q1，第二MOS管Q2，第三MOS管Q3和第四MOS管Q4)的工作频率，从而减少了开关管的损耗，降低了发热量，提升了转换效率。并且低的工作频率减少了电磁干扰，容易通过EMI测试。
以上所述实施方式仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，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 (10)
1.一种宽范围输入输出的DC-DC变换电源电路，其特征在于，包括：DC输入单元、DC输出单元、储能元件、第一开关电路、第二开关电路、第一驱动电路、第二驱动电路、方波发生器、输入电压采样电路、输出电压反馈电路；
所述DC输入单元的输入正端依次连接所述输入电压采样电路和所述方波发生器连接，所述DC输出单元的输出正端依次连接所述输出电压反馈电路和所述方波发生器，所述方波发生器的信号输出端还分别与所述第一驱动电路的输入端和所述第二驱动电路的输入端连接，所述第一驱动电路输出控制信号控制所述第一开关电路的通断，所述第二驱动电路输出控制信号控制所述第二开关电路的通断，所述第一开关电路和所述第二开关电路之间串联有储能元件；所述第一开关电路还与所述DC输入单元的输入正端连接，所述第二开关电路还与所述DC输出单元的输出正端连接。
2.根据权利要求1所述的宽范围输入输出的DC-DC变换电源电路，其特征在于，所述DC输入单元包括若干个依次并联连接的输入电容。
3.根据权利要求1所述的宽范围输入输出的DC-DC变换电源电路，其特征在于，所述DC输出单元包括若干个依次并联连接的输出电容。
4.根据权利要求1所述的宽范围输入输出的DC-DC变换电源电路，其特征在于，所述第一开关电路包括第一MOS管、第二MOS管和第一电阻；
所述第一MOS管的D极与所述DC输入单元的输入正端连接，S极与所述第二MOS管的D极连接，所述第一MOS管的G极与所述第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端与所述第一驱动电路的一输出端连接；
所述第二MOS管的G极与所述第一驱动电路的另一输出端连接，所述第二MOS管的S极接地。
5.根据权利要求1所述的宽范围输入输出的DC-DC变换电源电路，其特征在于，所述第二开关电路包括第三MOS管、第四MOS管和第二电阻；
所述第四MOS管的D极与所述DC输出单元连接，S极与所述第三MOS管的D极连接，所述第四MOS管的G极与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述第二驱动电路的一输出端连接；
所述第三MOS管的G极与所述第二驱动电路的另一输出端连接，所述第三MOS管的S极接地。
6.根据权利要求1所述的宽范围输入输出的DC-DC变换电源电路，其特征在于，所述第一驱动电路包括第一驱动芯片U1、第一二极管、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻和第三电容；
所述第一二极管的阳极与所述第一驱动芯片U1的4脚连接，阴极与所述第一驱动芯片U1的1脚连接；所述第三电容的一端与所述第一驱动芯片U1的1脚连接，另一端与所述第一驱动芯片U1的7脚连接；所述第一驱动芯片U1的4脚接一5V供电电源；
所述第三电阻的一端与所述方波发生器的一输出端连接，另一端与所述第一驱动芯片U1的2脚连接，所述第一驱动芯片U1的2脚还与所述第四电阻连接后接地；
所述第五电阻的一端与所述方波发生器的另一输出端连接，另一端与所述第一驱动芯片U1的3脚连接，所述第一驱动芯片U1的3脚还与所述第六电阻连接后接地。
7.根据权利要求1所述的宽范围输入输出的DC-DC变换电源电路，其特征在于，所述第二驱动电路包括第二驱动芯片U2、第二二极管、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻和第四电容；
所述第二二极管的阳极与所述第二驱动芯片U2的4脚连接，阴极与所述第二驱动芯片U2的1脚连接；所述第四电容的一端与所述第二驱动芯片U2的1脚连接，另一端与所述第二驱动芯片U2的7脚连接；所述第二驱动芯片U2的4脚接一5V供电电源；
所述第十电阻的一端与所述方波发生器的一输出端连接，另一端与所述第二驱动芯片U2的2脚连接，所述第二驱动芯片U2的2脚还与所述第十一电阻连接后接地；
所述第八电阻的一端与所述方波发生器的另一输出端连接，另一端与所述第二驱动芯片U2的3脚连接，所述第二驱动芯片U2的3脚还与所述第九电阻连接后接地。
8.根据权利要求1所述的宽范围输入输出的DC-DC变换电源电路，其特征在于，所述输入电压采样电路包括第十二电阻、第十三电阻和第五电容；
所述第十三电阻的一端作为检测端与所述DC输入单元的输入正端连接，另一端分别与所述第十二电阻和所述方波发生器的一输入端连接，所述第十二电阻的另一端接地，所述第五电容与所述第十二电阻的两端并联连接。
9.根据权利要求1所述的宽范围输入输出的DC-DC变换电源电路，其特征在于，所述输出电压反馈电路包括第十四电阻、第十五电阻和第六电容；
所述第十五电阻的一端作为反馈端与所述DC输出单元的输出正端连接，另一端分别与所述第十四电阻和所述方波发生器的另一输入端连接，所述第十四电阻的另一端接地，所述第六电容与所述第十四电阻的两端并联连接。
10.根据权利要求1所述的宽范围输入输出的DC-DC变换电源电路，其特征在于，所述储能元件为电感。
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