CN107959419A - 一种降压式变换电路 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种降压式变换电路，包括：电源模块，第一开关模块，第二开关模块，开关控制模块，第一储能模块，第二储能模块和负载模块；上述电源模块、第一开关模块、第二开关模块、第一储能模块、第二储能模块和负载模块按照一般的降压式变换电路(Buck电路)连接，上述第一开关模块包括：第一开关管和二极管，该第一开关管和二极管串联。实施本申请实施例，可以在省去零电流检测ZC的情况下，防止在断续模式DCM中电感电流降低为负值，降低了降压式变换电路的功耗和成本。

Description

一种降压式变换电路
技术领域
本申请涉及电子电路技术领域，具体涉及一种降压式变换电路。
背景技术
在如今的电子设备中，降压式变换电路(Buck电路)得到了广泛的应用，这种降压式变换电路由高位开关，低位开关，储能电感，输出电容组成。其中，高/低位开关的闭合和断开由控制芯片控制，高位开关往往使用双极结型晶体管BJT或者金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，低位开关可以使用二极管DIODE或者金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。其中，低位开关使用二极管DIODE的降压式变换电路称为异步降压式变换电路(Nonsynchronous Buck)，低位开关使用金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的降压式变换电路称为同步降压式变换电路(Synchronous Buck)。
为了提升降压式变换电路(Buck电路)的效率往往使用同步降压式变换电路。但是在同步降压式变换电路中，既要防止高位开关和低位开关同时导通，又要防止在断续模式DCM时电感电流降低为负值，因此需要增加零电流检测ZC，这样增加了降压式变换电路的功耗和成本。
发明内容
本申请实施例提供一种降压式变换电路，可以省去原来降压式变换电路(Buck电路)中的零电流检测部分，降低了降压式变换电路的功耗和成本。
本申请实施例提供了一种降压式变换电路，包括：电源模块，第一开关模块，第二开关模块，开关控制模块，第一储能模块，第二储能模块和负载模块；
所述电源模块、所述第二开关模块、所述第一储能模块和所述负载模块依次串联；所述第二开关模块和所述第一储能模块的公共端与所述第一开关模块的第一端连接，所述第一开关模块远离所述第一储能模块的第二端与所述电源模块的负极连接；所述第一储能模块与所述负载模块的公共端与所述第二储能模块的一端连接，所述第二储能模块远离所述第一储能模块的另一端与所述直流电源模块的负极连接；所述开关控制模块的检测端与所述第一储能模块和所述负载模块的公共端连接，用于检测所述负载模块的电压或电流；所述开关控制模块的两个输出端分别与所述第一开关模块和所述第二开关模块的控制端连接，用于根据所述检测端的检测结果控制所述第一开关模块和所述第二开关模块的闭合与断开；其中，所述第一开关模块包括：第一开关管和二极管，所述第一开关管和所述二极管串联，所述第一开关管远离所述二极管的一端为所述第一开关模块的第一端，所述第一开关管的控制端为所述第一开关模块的控制端，所述二极管远离所述第一开关管的一端为所述二极管的正极，所述二极管的正极与所述电源模块的负极连接。
本申请实施例中，在原来降压式变换电路(Buck电路)的上述第一开关模块中加入了二极管，该二极管与上述第一开关管串联，用于在上述第一开关模块闭合，上述第二开关模块断开的情况下，防止电流从上述第一开关模块的第一端流向第二端(即防止在断续模式DCM时电感电流降低为负值)，因此，本申请实施例可以在省去零电流检测ZC的情况下，防止在断续模式DCM中电感电流降低为负值，降低了降压式变换电路的功耗和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
图1A是本申请提供的一种降压式变换电路的示意图；
图1B是本申请提供的一种异步降压式变换电路的示意图；
图1C是本申请提供的一种同步降压式变换电路的示意图；
图2是本申请实施例提供的一种降压式变换电路的示意图；
图3是本申请实施例提供的另一种降压式变换电路的示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本申请的一部分实施方式，而不是全部实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都应属于本申请保护的范围。
在如今的电子设备中，降压式变换电路(Buck电路)得到了广泛的应用。参见图1A，图1A是本申请提供的一种降压式变换电路的示意图，从图中可以看出，降压式变换电路(Buck电路)由电源模块、第一开关模块S1、第二开关模块S2、电感L、电容Co和负载模块组成。在第一开关模块S1断开，第二开关模块S2闭合的情况下，电源模块为上述负载模块供电，并为上述电感L和电容Co充电；在第一开关模块S1闭合，第二开关模块S2断开的情况下，上述电感L和电容Co将储存的电能释放出来，继续为负载模块供电，在该电能消耗到一定程度时再次断开第一开关模块S1，闭合第二开关模块S2，如此反复使得输出电压Vo较于输入电压Vi有所降低。
其中，第一开关模块S1和第二开关模块S2的闭合和断开一般由控制芯片控制，第二开关模块S2往往使用双极结型晶体管BJT或者金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，第一开关模块S1可以使用二极管DIODE或者金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。其中，第一开关模块S1使用二极管DIODE的降压式变换电路称为异步降压式变换电路(Nonsynchronous Buck)，如图1B所示，开关控制模块的检测端a用于检测负载模块的电压或电流，开关控制模块的输出端b用于根据该检测结果对第二开关模块S2进行断开和闭合的控制；第一开关模块S1使用金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的降压式变换电路称为同步降压式变换电路(Synchronous Buck)，如图1C所示，开关控制模块的检测端a用于检测负载模块的电压或电流，开关控制模块的输出端b1和b2分别用于根据该检测结果对第以开关模块S1和第二开关模块S2进行断开和闭合的控制。
异步降压式变换电路buck的控制模块简单，成本也比较低，但是作为第一开关模块的二极管在导通时会有很大的压降，这样会降低效率。因此，为了提升降压式变换电路(Buck电路)的效率往往使用同步降压式变换电路。但是在同步降压式变换电路中，既要防止第一开关模块S1和第二开关模块S2同时导通，又要防止在断续模式DCM时电感电流降低为负值，因此需要增加零电流检测ZC，这样增加了降压式变换电路的功耗和成本。
本申请实施例提供一种降压式变换电路，可以在省去零电流检测ZC的情况下，防止在断续模式DCM中电感电流降低为负值，降低了降压式变换电路(Buck电路)的功耗和成本。以下进行详细说明。
请参见图2，图2是本申请实施例提供的一种降压式变换电路的示意图。该降压式变换电路200包括：电源模块，第一开关模块S1，第二开关模块S2，开关控制模块，第一储能模块，第二储能模块和负载模块；上述电源模块、上述第二开关模块S2、上述第一储能模块和上述负载模块依次串联；上述第二开关模块S2和上述第一储能模块的公共端与上述第一开关模块S1的第一端c1连接，上述第一开关模块S1远离上述第一储能模块的第二端c2与上述电源模块的负极连接；上述第一储能模块与上述负载模块的公共端与上述第二储能模块的一端连接，上述第二储能模块远离上述第一储能模块的另一端与上述直流电源模块的负极连接；上述开关控制模块的检测端a与上述第一储能模块和上述负载模块的公共端d连接，用于检测上述负载模块的电压或电流；上述开关控制模块的两个输出端b1和b2分别与上述第一开关模块和上述第二开关模块的控制端e1和e2连接，用于根据上述检测端的检测结果控制上述第一开关模块S1和上述第二开关模块S2的闭合与断开；上述第一开关模块S1包括：第一开关管Q1和二极管D1，上述第一开关管Q1和上述二极管D1串联，上述第一开关管Q1远离上述二极管D1的一端为上述第一开关模块的第一端c1，上述第一开关管的控制端为上述第一开关模块的控制端e1，上述二极管D1远离上述第一开关管的一端为上述二极管D1的正极，上述二极管D1的正极与上述电源模块的负极连接。
在本实施例中，上述电源模块一般为直流电源模块，在上述第一开关模块断开，第二开关模块闭合的情况下(充电情况)，电源模块为上述负载模块供电，并为第一储能模块和第二储能模块充电；上述第一开关模块闭合，第二开关模块断开的情况下(放电情况)，第一储能模块和第二储能模块同时释放电能继续为上述负载模块供电。其中开关控制模块通过对负载模块的电压或者电流的监控开判断此时应该闭合或者断开上述第一开关模块或第二开关模块。
在本实施例中，上述第一开关模块包括串联的第一开关管和二极管，其中第一开关管用于执行第一开关模块的断开和闭合，二极管用于防止上述放电情况中第一储能模块的电流I1为负值，即第一储能模块的电流I1反向时无法通过该二极管形成回路。
可以理解，本申请实施例中，在原来降压式变换电路(Buck电路)的上述第一开关模块中加入了二极管，该二极管与上述第一开关管串联，用于在上述第一开关模块闭合，上述第二开关模块断开的情况下，防止电流从上述第一开关模块的第一端流向第二端(即防止在断续模式DCM时电感电流降低为负值)，因此，本申请实施例可以在省去零电流检测ZC的情况下，防止在断续模式DCM中电感电流降低为负值，降低了降压式变换电路(Buck电路)的功耗和成本。
作为一种可选的实施方式，上述第一开关管为N型金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，上述第一开关管的漏极D为上述第一开关模块的第一端e1，上述第一开关管的栅极G为上述第一开关模块的控制端，上述第一开关管的源极S与上述二极管的负极连接。
在本实施例中，开关控制模块的第一输出端b1向第一开关管的栅极G为高电平时该第一开关管即闭合。
作为一种可选的实施方式，上述电源模块包括：直流电源和第一电容，上述直流电源与上述第一电容并联，上述直流电源的正极为上述电源模块的正极，上述直流电源的负极为上述电源模块的负极。在本实施方式中，该第一电容起到稳压作用。
作为一种可选的实施方式，上述第二开关模块S2包括：第三开关管，上述第三开关管的控制端与上述开关控制模块的一个输出端连接，上述第三开关管的一端与上述电源模块的正极连接，上述第三开关管的另一端与上述第一储能模块连接。
作为一种可选的实施方式，上述第三开关管为P型金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，上述第三开关管的漏极D与上述电源模块的正极连接，上述第三开关管的栅极G为上述第二开关模块的控制端，上述第三开关管的源极S与上述第一开关模块的第一端连接。
在本实施例中，开关控制模块的第二输出端b2向第二开关管的栅极G为低电平时该第二开关管即闭合。
作为一种可选的实施方式，上述开关控制模块包括：脉冲控制芯片，上述脉冲控制芯片的检测端与上述第一储能模块和上述负载模块的公共端连接，用于检测上述负载模块的电压或电流；上述脉冲控制芯片的两个输出端分别与上述第一开关模块和上述第二开关模块的控制端连接，用于根据上述检测端的检测结果向两个输出端输出不同的脉冲来控制上述第一开关模块和上述第二开关模块的闭合与断开。
作为一种可选的实施方式，上述第一储能模块包括：电感，上述电感的一端与上述第一开关模块的第一端连接，上述电感的另一端与上述负载模块连接。
作为一种可选的实施方式，上述第二储能模块包括：第二电容，上述第二电容与上述负载模块并联，上述第二电容的一端与上述第一储能模块和上述负载模块的公共端连接，上述第二电容的另一端与上述电源模块的负极连接。
可以理解，上述两个实施方式中，电感和第二电容都起到储电功能，即在上述第一开关模块断开，第二开关模块闭合的情况下(充电情况)，电源模块为上述负载模块供电，并为上述电感和上述第二电容充电；上述第一开关模块闭合(放电情况)，第二开关模块断开的情况下，上述电感和上述第二电容同时释放电能继续为上述负载模块供电。
请参见图3，图3是本申请实施例提供的一种降压式变换电路的示意图。该降压式变换电路300包括：电源模块，第一开关模块S1，第二开关模块S2，开关控制模块，第一储能模块，第二储能模块和负载模块；该电源模块、第二开关模块S2、第一储能模块和负载模块依次串联；第二开关模块S2和第一储能模块的公共端与第一开关模块S1的第一端c1连接，第一开关模块S1远离上述第一储能模块的第二端c2与上述电源模块的负极连接；上述第一储能模块与上述负载模块的公共端与上述第二储能模块的一端连接，上述第二储能模块远离上述第一储能模块的另一端与上述直流电源模块的负极连接；上述开关控制模块的检测端a与上述第一储能模块和上述负载模块的公共端d连接，用于检测上述负载模块的电压或电流；上述开关控制模块的两个输出端b1和b2分别与上述第一开关模块S1和上述第二开关模块S2的控制端连接，用于根据上述检测端a的检测结果控制上述第一开关模块和上述第二开关模块的闭合与断开；上述第一开关模块包括：第一开关管Q1、二极管D1和第二开关管Q2，上述第一开关管Q1和上述二极管D1串联，上述第一开关管Q1远离上述二极管D1的一端为上述第一开关模块S1的第一端c1，上述第一开关管Q1的控制端为上述第一开关模块的控制端e1，上述二极管D1远离上述第一开关管Q1的一端为上述二极管的正极，上述二极管D1的正极与上述电源模块的负极连接，上述第二开关管Q2的第一端q1与上述第一开关模块的第一端c1连接，上述第二开关管的控制端与上述二极管的负极连接，上述第二开关管Q2远离上述第一开关模块S1的第一端c1的第二端q2与上述二极管的正极连接，上述第二开关管用于阻止电流从上述第二开关管的第一端q1流向上述第二开关管的第二端q2。
在本实施例中，上述电源模块一般为直流电源模块，在上述第一开关模块断开，第二开关模块闭合的情况下(充电情况)，电源模块为上述负载模块供电，并为第一储能模块和第二储能模块充电；上述第一开关模块闭合，第二开关模块断开的情况下(放电情况)，第一储能模块和第二储能模块同时释放电能继续为上述负载模块供电。其中开关控制模块通过对负载模块的电压或者电流的监控开判断此时应该闭合或者断开上述第一开关模块或第二开关模块。
在本实施例中，上述第一开关模块闭合，第二开关模块断开的情况下(放电情况)，二极管D1具有导通电压(例如为0.7V)，由于第二开关管Q3的控制端与该二极管D1的负极连接，因此第二开关管Q3也会导通，此时第一开关管Q1和二极管的串联电路和第二开关管Q3的电路相并联共同为负载模块供电。由于两电路相并联，其内阻相比之前更小，因此电路的功耗会更低。
在本实施例中，上述第一开关模块闭合，第二开关模块断开的情况下(放电情况)，进入断续模式DCM后，若第一储能模块的电流I1反向，则第二开关管Q3会关断，电流无法通过二极管D1形成回路，因此可以省去原来的零电流检测ZC。
可以理解，本申请实施例中，在原来降压式变换电路(Buck电路)的上述第一开关模块中加入了二极管和第二开关管。该二极管与上述第一开关管串联，用于在上述第一开关模块闭合，上述第二开关模块断开的情况下，防止电流从上述第一开关模块的第一端流向第二端(即防止在断续模式DCM时电感电流降低为负值)；该第二开关管与该第一开关管和二极管的串联电路并联，可以降低电路的阻抗和功耗。因此，本申请实施例可以在省去零电流检测ZC的情况下，防止在断续模式DCM中电感电流降低为负值，且进一步地降低了降压式变换电路(Buck电路)的功耗和成本。
作为一种可选的实施方式，上述第一开关管为N型金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，上述第一开关管的漏极D为上述第一开关模块的第一端e1，上述第一开关管的栅极G为上述第一开关模块的控制端，上述第一开关管的源极S与上述二极管的负极连接。
在本实施例中，开关控制模块的第一输出端b1向第一开关管的栅极G为高电平时该第一开关管即闭合。
作为一种可选的实施方式，上述第二开关管为P型金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，上述第二开关管的漏极D与上述第一开关模块的第一端连接，上述第二开关管的栅极G与上述二极管的负极连接，上述第二开关管的源极S与上述电源模块的负极连接。
作为一种可选的实施方式，上述电源模块包括：直流电源和第一电容，上述直流电源与上述第一电容并联，上述直流电源的正极为上述电源模块的正极，上述直流电源的负极为上述电源模块的负极。在本实施方式中，该第一电容起到稳压作用。
作为一种可选的实施方式，上述第二开关模块S2包括：第三开关管，上述第三开关管的控制端与上述开关控制模块的一个输出端连接，上述第三开关管的一端与上述电源模块的正极连接，上述第三开关管的另一端与上述第一储能模块连接。
作为一种可选的实施方式，上述第三开关管为P型金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，上述第三开关管的漏极D与上述电源模块的正极连接，上述第三开关管的栅极G为上述第二开关模块的控制端，上述第三开关管的源极S与上述第一开关模块的第一端连接。
在本实施例中，开关控制模块的第二输出端b2向第二开关管的栅极G为低电平时该第二开关管即闭合。
作为一种可选的实施方式，上述开关控制模块包括：脉冲控制芯片，上述脉冲控制芯片的检测端与上述第一储能模块和上述负载模块的公共端连接，用于检测上述负载模块的电压或电流；上述脉冲控制芯片的两个输出端分别与上述第一开关模块和上述第二开关模块的控制端连接，用于根据上述检测端的检测结果向两个输出端输出不同的脉冲来控制上述第一开关模块和上述第二开关模块的闭合与断开。
作为一种可选的实施方式，上述第一储能模块包括：电感，上述电感的一端与上述第一开关模块的第一端连接，上述电感的另一端与上述负载模块连接。
作为一种可选的实施方式，上述第二储能模块包括：第二电容，上述第二电容与上述负载模块并联，上述第二电容的一端与上述第一储能模块和上述负载模块的公共端连接，上述第二电容的另一端与上述电源模块的负极连接。
可以理解，上述两个实施方式中，电感和第二电容都起到储电功能，即在上述第一开关模块断开，第二开关模块闭合的情况下(充电情况)，电源模块为上述负载模块供电，并为上述电感和上述第二电容充电；上述第一开关模块闭合(放电情况)，第二开关模块断开的情况下，上述电感和上述第二电容同时释放电能继续为上述负载模块供电。
以上对本发明实施例所提供的一种降压式变换电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上上述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种降压式变换电路，其特征在于，包括：电源模块，第一开关模块，第二开关模块，开关控制模块，第一储能模块，第二储能模块和负载模块；
所述电源模块、所述第二开关模块、所述第一储能模块和所述负载模块依次串联；所述第二开关模块和所述第一储能模块的公共端与所述第一开关模块的第一端连接，所述第一开关模块远离所述第一储能模块的第二端与所述电源模块的负极连接；所述第一储能模块与所述负载模块的公共端与所述第二储能模块的一端连接，所述第二储能模块远离所述第一储能模块的另一端与所述直流电源模块的负极连接；所述开关控制模块的检测端与所述第一储能模块和所述负载模块的公共端连接，用于检测所述负载模块的电压或电流；所述开关控制模块的两个输出端分别与所述第一开关模块和所述第二开关模块的控制端连接，用于根据所述检测端的检测结果控制所述第一开关模块和所述第二开关模块的闭合与断开；
所述第一开关模块包括：第一开关管和二极管，所述第一开关管和所述二极管串联，所述第一开关管远离所述二极管的一端为所述第一开关模块的第一端，所述第一开关管的控制端为所述第一开关模块的控制端，所述二极管远离所述第一开关管的一端为所述二极管的正极，所述二极管的正极与所述电源模块的负极连接。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一开关管为N型金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，所述第一开关管的漏极D为所述第一开关模块的第一端，所述第一开关管的栅极G为所述第一开关模块的控制端，所述第一开关管的源极S与所述二极管的负极连接。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一开关模块还包括：第二开关管，所述第二开关管的第一端与所述第一开关模块的第一端连接，所述第二开关管的控制端与所述二极管的负极连接，所述第二开关管远离所述第一开关模块的第一端的第二端与所述二极管的正极连接，所述第二开关管用于阻止电流从所述第二开关管的第一端流向所述第二开关管的第二端。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述第二开关管为P型金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，所述第二开关管的漏极D与所述第一开关模块的第一端连接，所述第二开关管的栅极G与所述二极管的负极连接，所述第二开关管的源极S与所述电源模块的负极连接。
5.根据权利要求1至4任一项所述的电路，其特征在于，所述电源模块包括：直流电源和第一电容，所述直流电源与所述第一电容并联，所述直流电源的正极为所述电源模块的正极，所述直流电源的负极为所述电源模块的负极。
6.根据权利要求1至4任一项所述的电路，其特征在于，所述第二开关模块包括：第三开关管，所述第三开关管的控制端与所述开关控制模块的一个输出端连接，所述第三开关管的一端与所述电源模块的正极连接，所述第三开关管的另一端与所述第一储能模块连接。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述第三开关管为P型金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，所述第三开关管的漏极D与所述电源模块的正极连接，所述第三开关管的栅极G为所述第二开关模块的控制端，所述第三开关管的源极S与所述第一开关模块的第一端连接。
8.根据权利要求1至4任一项所述的电路，其特征在于，所述开关控制模块包括：脉冲控制芯片，所述脉冲控制芯片的检测端与所述第一储能模块和所述负载模块的公共端连接，用于检测所述负载模块的电压或电流；所述脉冲控制芯片的两个输出端分别与所述第一开关模块和所述第二开关模块的控制端连接，用于根据所述检测端的检测结果向两个输出端输出不同的脉冲来控制所述第一开关模块和所述第二开关模块的闭合与断开。
9.根据权利要求1至4任一项所述的电路，其特征在于，所述第一储能模块包括：电感，所述电感的一端与所述第一开关模块的第一端连接，所述电感的另一端与所述负载模块连接。
10.根据权利要求1至4任一项所述的电路，其特征在于，所述第二储能模块包括：第二电容，所述第二电容与所述负载模块并联，所述第二电容的一端与所述第一储能模块和所述负载模块的公共端连接，所述第二电容的另一端与所述电源模块的负极连接。
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