CN107370367A - 一种新型buck拓扑自适应结构控制装置 - Google Patents

一种新型buck拓扑自适应结构控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种新型BUCK拓扑自适应结构控制装置，包括电容降压电路、采样电路、反馈电路，所述采样电路并联于电容降压电路，所述反馈电路连接于采样电路的输出端，所述反馈电路的输出端连接于电容降压电路的控制端；所述电容降压电路，包括输入电压VIN、降压电容C1、输出电容C2、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4；所述采样电路并联于输出电容C2两端；所述反馈电路包括电压比较器PWM、参考电压Vref及反向器INV，所述电压比较器PWM连接于开关S1、开关S3的控制端，反向器INV连接开关S2、开关S4的控制端，所述参考电压Vref输入到电压比较器PWM的输入端；藉此，其具有架构简单、可实现性强、反应速度快、利用空间小、制造成本低等优点。

Description

一种新型BUCK拓扑自适应结构控制装置
技术领域
本发明涉及电路领域技术，尤其是指一种新型BUCK拓扑自适应结构控制装置。
背景技术
如图1所示，一种传统的BUCK拓扑开关型电路结构，其主要包括输入电压VIN、电感L1、续流二极管D1、输出电容C1、控制开关K1、输出采样电路，误差放大器EA和PWM比较器组成；其中VIN的一端连接电感L1和续流二极管D1的阴极，另一端接地；电感L1的另外一端连接输出电容C1正极和输出采样电路；输出电容C1的负极连接开关K1、负载的另一端和续流二极管D1的阳极；输出采样电路的另外一端连接开关K1、输出电容C1的负极和续流二极管D1的阳极；续流二极管D1的阳极连接开关K1、采样电路的另一端和输出电容C1的负极；误差放大器EA负端输入连接采样电路的输出，负端输入连接参考电平Vref, 误差放大器EA输出端连接PWM比较器的正端输入，PWM比较器的负端输入连接固定周期信号CLK；PWM比较器输出连接开关K1的控制端；开关K1的另外一端接地。
其中，图2是图1的BUCK拓扑电压变换原理图。IL为BUCK 拓扑中电感L1的电流；开关K1导通时，输入电压VIN，电感L1、输出电容C1和采样电路、开关K1组成导通回路，输入电压VIN通过电感L1给输出电容C1和采样电路充电，同时把能量输入到电感L1。开关K1关断时，输入电压VIN不提供能量，电感L1、输出电容C1和输出采样电路、续流二极管D1组成导通回路，电感L1储存的能量通过续流二极管D1传递给输出。采样电路采样输出电压，采样电压Vsample通过误差放大器EA与参考电平Vref比较，产生误差电压Vea；误差电压Vea输入到电压比较器PWM与固定周期信号CLK比较，产生开关K1的控制信号；
上述传统的BUCK拓扑开关型电路结构，反馈环路工作原理是：若输入电压VIN稍升高，则输出电压升高，输出电压升高则输出采样电压升高，采样电压Vsample和Vref通过误差放大器比较，输出电压Vea降低；Vea降低与固定时钟周期CLK（锯齿波）比较，交点提前，开关K1的导通时间缩短，使输出电压下降；同理，若输入电压VIN下降，则开关K1导通时间延长，使输出电压保持不变，实现输出电压恒定。
这种控制方式由于结构简单，其应用广泛，但其存在以下问题：含有一个功率电感L1，导致整体体积大；且含有一个快速反应二极管D1，使得成本高；整个反馈回路不仅需要提供参考电平Vref，还需提供固定周期信号CLK(锯齿波信号)；对一些应用场合，如PCB可利用空间小、不能有大体积的元器件、高频率的应用不能使用功率电感等，有较大的局限性。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种新型BUCK拓扑自适应结构控制装置，其具有架构简单、可实现性强、反应速度快、利用空间小、制造成本低等优点。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
一种新型BUCK拓扑自适应结构控制装置，包括电容降压电路、采样电路、反馈电路，所述采样电路并联于电容降压电路，所述反馈电路连接于采样电路的输出端，所述反馈电路的输出端连接于电容降压电路的控制端；
所述电容降压电路，包括输入电压VIN、降压电容C1、输出电容C2、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4；所述采样电路并联于输出电容C2两端；所述输入电压VIN的正极连接开关S1的一端，输入电压VIN的负极接地，开关S1的另一端连接开关S2和降压电容C1的一端，开关S2的另一端连接开关S3、输出电容C2和采样电路的一端，输出电容C2另一端连接输入电压VIN的负极，采样电路另一端连接输入电压VIN的负极；开关S3的另一端连接降压电容C1的另一端和开关S4，开关S4的另一端连接输入电压VIN的负极；
所述反馈电路，包括电压比较器PWM、参考电压Vref及反向器INV，所述参考电压Vref输入到电压比较器PWM的输入端；采样电路的输出端连接电压比较器PWM的负输入端，电压比较器PWM的正输入端连接参考电压Vref，电压比较器PWM的输出端连接开关S1、开关S3的控制端及反向器INV的输入端，反向器INV的输出端连接开关S2、开关S4的控制端。
作为一种优选方案，所述开关S1和开关S3为同相开关，开关S2和开关S4为同相开关，开关S1和开关S2为反相开关；
当开关S1和开关S3导通，开关S2和开关S4断开时，降压电容C1和输出电容C2串联，输入电压VIN对降压电容C1、输出电容C2充电，并提供负载电流；
当开关S1和开关S3断开，开关S2和开关S4导通时，降压电容C1和输出电容C2并联，降压电容C1、输出电容C2放电并提供负载电流。
作为一种优选方案，所述开关S1、开关S2、开关S3、开关S4为NMOS管开关、MOS管开关或者FET管开关。
作为一种优选方案，所述采样电路包括相串联的电阻R1、电阻R2，所述采样电路通过电阻比例分压输出电压值；电压比较器PWM的参考电压Vref和电阻比例确定输出电压值Vout=Vref(R1+R2)/R1。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，其主要是通过电容和开关相结合控制的方式，无需功率电感和续流二极管，使得整体体积小，及降低了成本；通过两个电容的串联与并联实现输入电压的降压，利用反馈回路，稳定输出电压；整体反应速度快，使输出电压不受负载的影响；小体积的电容实现BUCK拓扑结构，自适应调整功能实现了输入电压与输出电压纹波抑制作用，有效的降低了纹波对输出负载的影响。
为更清楚地阐述本发明的结构特征、技术手段及其所达到的具体目的和功能，下面结合附图与具体实施例来对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是一种传统的BUCK 拓扑电路结构；
图2是图1拓扑电路的电压变换原理图；
图3是本发明之实施例的电路功能框图；
图4是本发明之实施例的具体的电路结构；
图5是本发明之实施例的电压变换原理图。
附图标识说明：
10、电容降压电路
20、采样电路
30、反馈电路。
具体实施方式
请参照图3至图5所示，其显示出了本发明之实施例的具体结构；其包括电容降压电路10、采样电路20、反馈电路30，所述采样电路20并联于电容降压电路10，所述反馈电路30连接于采样电路20的输出端，所述反馈电路30的输出端连接于电容降压电路10的控制端。
其中，所述电容降压电路10，包括输入电压VIN、降压电容C1、输出电容C2、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4；所述采样电路20并联于输出电容C2两端；所述反馈电路30包括电压比较器PWM、参考电压Vref及反向器INV，所述电压比较器PWM连接于开关S1、开关S3的控制端及反向器INV，反向器INV连接开关S2、开关S4的控制端，所述参考电压Vref输入到电压比较器PWM的输入端。
具体而言，所述输入电压VIN的正极连接开关S1的一端，输入电压VIN的负极接地，开关S1的另一端连接开关S2和降压电容C1的一端，开关S2的另一端连接开关S3、输出电容C2和采样电路的一端，输出电容C2另一端连接输入电压VIN的负极，采样电路另一端连接输入电压VIN的负极；开关S3的另一端连接降压电容C1的另一端和开关S4，开关S4的另一端连接输入电压VIN的负极；
采样电路20的输出端连接电压比较器PWM的负输入端，电压比较器PWM的正输入端连接参考电压Vref，电压比较器PWM的输出端连接反向器INV的输入端和开关S1、开关S3的控制端，反向器INV的输出端连接开关S2、开关S4的控制端；另外，于本实施例中，所述采样电路20包括相串联的电阻R1、电阻R2。
如图4与图5所示，通过电压比较器PWM控制4个开关管，在一个动作时间内，开关个S1和开关S3同相，开关S2和开关S4同相，其中开关S1和开关S2反相；开关S1和开关S3导通时间为Ton，开关S2和开关S4导通时间为Toff；在开关S1和开关S3导通，开关S2和开关S4关断时，即Ton时间段内，降压电容C1和输出电容C2串联，输入电压VIN对2个电容充电，并且提供负载所需的电流；在开关S2和开关S4导通，开关S1和开关S3关断时，即Toff时间段内，降压电容C1和输出电容C2并联，2个电容放电，对负载提供Ton时间段内存储的能量；
于本实施例中，反馈电路决定输出电压值的大小；在采样电路中，通过电阻比例分压输出电压值；电压比较器PWM的参考电压Vref和电阻比例确定输出电压值Vout=Vref(R1+R2)/R1；若输出电压Vout上升，输出电压采样的采样电平与Vref交点提前，缩短了开关S1和S3的导通时间Ton；同理，输出电压Vout下降，则延长了开关S1和S3的导通时间Ton；Toff由输入电压、输出电压、电容C1和C2确定；若实际负载情况的变化也可改变Toff值，故Ton+Toff时间是一个变化值，即为频率变化调节；重载时频率较大，若降压电容C1和输出电容C2相等，忽略负载具有电容性的影响，其控制信号占空比为50%。
此外，于本实施例中，所述的4个开关S1，S2，S3，S4由NMOS组成，也可由MOS或FET管实现；由于降压电容C1和输出电容C2始终存在整体的充电放电回路中，则可以采用等效串联电阻ESR较小的电容来提高转换效率；采用合适的电容可提高效率，使输出功率达到所需的目标值。
综上所述，本发明的设计重点在于，其主要是通过电容和开关相结合控制的方式，无需功率电感和续流二极管，使得整体体积小，及降低了成本；通过两个电容的串联与并联实现输入电压的降压，利用反馈回路，稳定输出电压；整体反应速度快，使输出电压不受负载的影响；小体积的电容实现BUCK拓扑结构，自适应调整功能实现了输入电压与输出电压纹波抑制作用，有效的降低了纹波对输出负载的影响。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种新型BUCK拓扑自适应结构控制装置，其特征在于：包括电容降压电路、采样电路、反馈电路，所述采样电路并联于电容降压电路，所述反馈电路连接于采样电路的输出端，所述反馈电路的输出端连接于电容降压电路的控制端；
所述电容降压电路，包括输入电压VIN、降压电容C1、输出电容C2、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4；所述采样电路并联于输出电容C2两端；所述输入电压VIN的正极连接开关S1的一端，输入电压VIN的负极接地，开关S1的另一端连接开关S2和降压电容C1的一端，开关S2的另一端连接开关S3、输出电容C2和采样电路的一端，输出电容C2另一端连接输入电压VIN的负极，采样电路另一端连接输入电压VIN的负极；开关S3的另一端连接降压电容C1的另一端和开关S4，开关S4的另一端连接输入电压VIN的负极；
所述反馈电路，包括电压比较器PWM、参考电压Vref及反向器INV，所述参考电压Vref输入到电压比较器PWM的输入端；采样电路的输出端连接电压比较器PWM的负输入端，电压比较器PWM的正输入端连接参考电压Vref，电压比较器PWM的输出端连接开关S1、开关S3的控制端及反向器INV的输入端，反向器INV的输出端连接开关S2、开关S4的控制端。
2.根据权利要求1所述的一种新型BUCK拓扑自适应结构控制装置，其特征在于：所述开关S1和开关S3为同相开关，开关S2和开关S4为同相开关，开关S1和开关S2为反相开关；
当开关S1和开关S3导通，开关S2和开关S4断开时，降压电容C1和输出电容C2串联，输入电压VIN对降压电容C1、输出电容C2充电，并提供负载电流；
当开关S1和开关S3断开，开关S2和开关S4导通时，降压电容C1和输出电容C2并联，降压电容C1、输出电容C2放电并提供负载电流。
3.根据权利要求1所述的一种新型BUCK拓扑自适应结构控制装置，其特征在于：所述开关S1、开关S2、开关S3、开关S4为NMOS管开关、MOS管开关或者FET管开关。
4.根据权利要求1所述的一种新型BUCK拓扑自适应结构控制装置，其特征在于：所述采样电路包括相串联的电阻R1、电阻R2，所述采样电路通过电阻比例分压输出电压值；电压比较器PWM的参考电压Vref和电阻比例确定输出电压值Vout=Vref(R1+R2)/R1。
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