CN108322045A - 一种基于buck电路的宽范围可调自通断电压源 - Google Patents

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Abstract

一种基于BUCK电路的宽范围可调自通断电压源，包括PWM控制电路、高速光耦隔离电路、图腾柱电路、BUCK主电路，通过CPLD芯片产生PWM脉冲信号进行输出，经过高速光耦进行输入输出隔离，再经图腾柱电路来为MOS管的结电容提供放电回路，增大驱动能力，最后通过BUCK主电路来形成谐振回路开关结构，判断电平信号高低控制整个电路的充放电及电压的稳定输出，最终输出可调的直流电压，可靠性高，稳定性好。

Description

一种基于BUCK电路的宽范围可调自通断电压源
技术领域
本发明涉及一种基于BUCK电路的宽范围可调自通断电压源，属于电源控制电路领域。
背景技术
开关电源是利用现代电力电子技术，控制功率半导体器件开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源相对于线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势，尤其是高频开关电源正变得更轻、更小、效率更高，也更可靠，这使得高频开关电源广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、工控设备、数码产品等领域。从开关电源的组成来看，它主要由两部分组成：功率级和控制级。功率级的主要任务是根据不同的应用场合及要求，选择不同的拓扑结构，同时兼顾半导体元件考虑设计成本；控制级的主要任务则是根据电路信号选择合适的控制方式，目前的开关电源以PWM控制方式居多。
开关电源最早起源于上世纪50年代初，美国宇航局以小型化、轻量化、为目标，为搭载火箭开发了开关电源。在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。
20世纪80年代，计算机全面实现了电源化，率先完成计算机的电源时代。20世纪90年代，开关电源在电子、电气设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展时期。
经过几十年的不断发展，现代开关电源技术有了重大的进步和突破。新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率MOSFET和IGBT可是中小型开关电源的工作频率达到400kHz(AC/DC)或1MHz(DC/DC)；软开关技术使高频开关电源的实现有了可能，它不仅可以减小电源的体积和重量，而且提高了电源的效率；控制技术的发展和专用芯片的生产，使电源开关电源的动态性能和可靠性大大提高；有源功率因数校正(APFC)技术的开发，提高了AC/DC开关电源的功率因数，及开关电源的整体效率。
开关电源向集成化方向发展是未来的主要趋势，功率密度将越来越大，对工艺的要求也会越来越高。在半导体器件和磁性材料没有新的突破之前，吸纳有技术多采用功率MOSFET和IGBT可是中小型开关电源，但现有技术中的电源模式多采用人工通断及信号通断等方式，不能根据信号自身特性进行电路的通断，同时市面现有开关的体积偏大，因电路设计导致的功率下降也不容忽视。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有技术中开关电源难以实现对接收信号特性进行识别并以此控制电路通断的问题，提出了一种基于BUCK电路的宽范围可调自通断电压源，克服了现有中小型开关电源因内部电路设计造成的功率下降的问题。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种基于BUCK电路的宽范围可调自通断电压源，包括PWM控制电路、高速光耦隔离电路、图腾柱电路、BUCK主电路，其中：
PWM控制电路：通过CPLD芯片产生PWM脉冲信号并作为高速光耦隔离电路的输入；
高速光耦隔离电路：接收来自PWM控制电路发送的PWM脉冲信号并转化为光信号进行内部传输，再将内部传输后得到的光信号转化为PWM脉冲信号作为图腾柱电路的输入；
图腾柱电路：接收来自高速光耦隔离电路发送的PWM脉冲信号，根据PWM脉冲信号的电平高低通过内部晶体管进行推挽输出，并将输出的PWM脉冲信号作为BUCK主电路的输入；
BUCK主电路：接收来自图腾柱电路发送的PWM脉冲信号，根据PWM脉冲信号电平高低控制内部MOS管导通情况并在导通时将PWM脉冲信号转化为电压信号作为输出。
所述高速光耦隔离电路包括第一分压电阻R24、第二分压电阻R26、高速光耦U3、电容C10，所述第一分压电阻R24、第二分压电阻R26共同组成分压电路，所述PWM控制电路的输出端与第一分压电阻R24的一端相连，第一分压电阻R24的另一端与高速光耦U3的正向输入端、第二分压电阻R26一端相连，第二分压电阻R26另一端与高速光耦U3的反向输入端相连，所述高速光耦U3输出端与电容C10一端相连，电容C10的另一端作为高速光耦隔离电路输出端。
所述图腾柱电路包括第一限流电阻R25、第二限流电阻R26、三极管Q4、三极管Q5，所述第一限流电阻R25一端与高速光耦隔离电路输出端相连，第一限流电阻R25另一端分别与三极管Q4、三极管Q5的b级相连，所述第二限流电阻R26的一端与外接电源正极相连，另一端与三极管Q4的c级相连，三极管Q5的c级接地，三极管Q4、三极管Q5的e级同时作为图腾柱电路的输出端。
所述BUCK主电路包括第三分压电阻R29、第四分压电阻R28、二极管D2、稳压二极管D1、MOS管U6、自恢复保险F0、电阻R30、二极管D0、电容C11、电容C12、电感L0，所述第三分压电阻R29两端分别与二极管D2两端相连并组成第一放电回路保证电流单向传输，所述第四分压电阻R28一端接地，第三分压电阻R29一端、第四分压电阻R28另一端均与MOS管U6的G级相连，所述稳压二极管D1一端、MOS管U6的S级一端接地，稳压二极管D1另一端与MOS管U6的G级连接，所述MOS管U6的D级与自恢复保险F0一端连接，所述自恢复保险F0另一端分别与电阻R30、二极管D0、充电电容C11、滤波电容C12一端相连，所述电感L0两端分别与二极管D0、充电电容C11另一端相连，电阻R30另一端与外接电压相连，电感L0与充电电容C11连接端及滤波电容C12另一端同时连接并作为BUCK主电路输出端。
所述BUCK主电路的输出电压范围为DC0V-DC110V。
所述MOS管U6型号为IRF640N。
所述自恢复保险F0型号为LVR055。
所述充电电容C11规格为47μf，250V。
所述滤波电容C12规格为104μf，250V。
优选的，所述二极管D0为FR3J二极管。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供的一种基于BUCK电路的宽范围可调自通断电压源，通过在BUCK主电路中加入MOS管实现现有开关电源不具备的识别PWM脉冲信号电平特性来控制电路通断的功能，可以通过PWM控制电路来改变输出电压大小，同时通过在BUCK主电路中加入放电回路保证了低电平电路断开时电容的持续放电，提高了电源工作的电压转换效率。
附图说明
图1为发明提供的电源电路工作流程图；
图2为发明提供的高速光耦隔离电路图；
图3为发明提供的图腾柱电路图；
图4为发明提供的BUCK主电路图；
具体实施方式
一种基于BUCK电路的宽范围可调自通断电压源，如图1所示，包括PWM控制电路、高速光耦隔离电路、图腾柱电路、BUCK主电路，其中：
PWM控制电路：通过CPLD芯片产生PWM脉冲信号并作为高速光耦隔离电路的输入；
高速光耦隔离电路：接收来自PWM控制电路发送的PWM脉冲信号并转化为光信号进行内部传输，再将内部传输后得到的光信号转化为PWM脉冲信号作为图腾柱电路的输入；
图腾柱电路：接收来自高速光耦隔离电路发送的PWM脉冲信号，根据PWM脉冲信号的电平高低通过内部晶体管进行推挽输出，并将输出的PWM脉冲信号作为BUCK主电路的输入；
BUCK主电路输入端：接收来自图腾柱电路发送的PWM脉冲信号，根据PWM脉冲信号电平高低控制内部MOS管导通情况并将PWM脉冲信号转化为电压信号作为输出。
高速光耦隔离电路，如图2所示，包括第一分压电阻R24、第二分压电阻R26、高速光耦U3、电容C10，所述第一分压电阻R24、第二分压电阻R26共同组成分压电路，所述PWM控制电路的输出端与第一分压电阻R24的一端相连，第一分压电阻R24的另一端与高速光耦U3的正向输入端、第二分压电阻R26一端相连，第二分压电阻R26另一端与高速光耦U3的反向输入端相连，所述高速光耦U3输出端与电容C10一端相连，经由电容C10滤波处理后的PWM脉冲信号作为图腾柱电路的输入。
PWM控制电路输出PWM脉冲信号作为高速光耦隔离电路的输入，PWM脉冲信号经过由电阻R24、电阻R26组成的分压电路分压后接入高速光耦U3的输入端，高速光耦U3的输出端输出PWM脉冲信号并接入电容C10进行滤波处理后接入图腾柱电路的输入端。
图腾柱电路，如图3所示，包括第一限流电阻R25、第二限流电阻R26、三极管Q4、三极管Q5，所述第一限流电阻R25一端与高速光耦隔离电路输出端相连，第一限流电阻R25另一端分别与三极管Q4、三极管Q5的b级相连，所述第二限流电阻R26的一端与外接电源正极相连，另一端与三极管Q4的c级相连，三极管Q5的c级接地，三极管Q4、三极管Q5的e级同时作为BUCK主电路的输入。
高速光耦隔离电路输出PWM脉冲信号，经过第一限流电阻R25并进入由三极管Q4、三极管Q5共同组成的推挽电路，当PWM脉冲信号为高电平信号时，三极管Q4导通，当PWM脉冲信号为低电平信号时，三极管Q5导通。
BUCK主电路，如图4所示，所述BUCK主电路包括第三分压电阻R29、第四分压电阻R28、二极管D2、稳压二极管D1、MOS管U6、自恢复保险F0、电阻R30、二极管D0、电容C11、电容C12、电感L0，其中，所述MOS管U6型号为IRF640N，自恢复保险F0型号为LVR055，所述充电电容C11规格为47μf，250V，所述滤波电容C12规格为104μf，250V，所述二极管D0为FR3J二极管。
所述第三分压电阻R29两端分别与二极管D2两端相连并组成第一放电回路保证电流单向传输，所述第四分压电阻R28一端接地，第三分压电阻R29一端、第四分压电阻R28另一端均与MOS管U6一端相连，所述稳压二极管D1一端接地，稳压二极管D1另一端与MOS管U6同一端连接，所述MOS管U6另一端与自恢复保险F0一端连接，所述自恢复保险F0另一端分别与电阻R30、二极管D0、充电电容C11、滤波电容C12一端相连，所述电感L0两端分别与二极管D0、充电电容C11另一端相连，电阻R30另一端与外接电压相连，电感L0与充电电容C11连接端及滤波电容C12另一端同时连接并作为BUCK主电路输出。
图腾柱电路输出的PWM脉冲信号经过第三分压电阻R29及与第三分压电阻R29并联的二极管D2形成的放电回路，再经过所述放电回路与第四分压电阻R28组成的分压电路分压后，与稳压二极管D1共同接入MOS管U6并将处理后的PWM脉冲信号作为输入，其中：
(1)当PWM脉冲信号为高电平信号时，MOS管U6导通且输出端与自恢复保险F0的一端连接，自恢复保险F0另一端与电阻R30输入端相连，电阻R30另一端同时与电感L0一端相连并通过L0另一端连接电容C11一端并为电容充电；
(2)当PWM脉冲信号为低电平信号时，电感L0两端分别与二极管D0、充电电容C11相连并形成放电回路，所述放电回路输出端经滤波电容C12滤波后向外输出滤波电压，输出电压的范围为DC0V-DC110V。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于BUCK电路的宽范围可调自通断电压源，其特征在于：包括PWM控制电路、高速光耦隔离电路、图腾柱电路、BUCK主电路，其中：
PWM控制电路：通过CPLD芯片产生PWM脉冲信号并作为高速光耦隔离电路的输入；
高速光耦隔离电路：接收来自PWM控制电路发送的PWM脉冲信号并转化为光信号进行内部传输，再将内部传输后得到的光信号转化为PWM脉冲信号作为图腾柱电路的输入；
图腾柱电路：接收来自高速光耦隔离电路发送的PWM脉冲信号，根据PWM脉冲信号的电平高低通过内部晶体管进行推挽输出，并将输出的PWM脉冲信号作为BUCK主电路的输入；
BUCK主电路：接收来自图腾柱电路发送的PWM脉冲信号，根据PWM脉冲信号电平高低控制内部MOS管导通情况并在导通时将PWM脉冲信号转化为电压信号作为输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于BUCK电路的宽范围可调自通断电压源，其特征在于：所述高速光耦隔离电路包括第一分压电阻R24、第二分压电阻R26、高速光耦U3、电容C10，所述第一分压电阻R24、第二分压电阻R26共同组成分压电路，所述PWM控制电路的输出端与第一分压电阻R24的一端相连，第一分压电阻R24的另一端与高速光耦U3的正向输入端、第二分压电阻R26一端相连，第二分压电阻R26另一端与高速光耦U3的反向输入端相连，所述高速光耦U3输出端与电容C10一端相连，电容C10的另一端作为高速光耦隔离电路输出端。
3.根据权利要求2所述的一种基于BUCK电路的宽范围可调自通断电压源，其特征在于：所述图腾柱电路包括第一限流电阻R25、第二限流电阻R26、三极管Q4、三极管Q5，所述第一限流电阻R25一端与高速光耦隔离电路输出端相连，第一限流电阻R25另一端分别与三极管Q4、三极管Q5的b级相连，所述第二限流电阻R26的一端与外接电源正极相连，另一端与三极管Q4的c级相连，三极管Q5的c级接地，三极管Q4、三极管Q5的e级同时作为图腾柱电路的输出端。
4.根据权利要求3所述的一种基于BUCK电路的宽范围可调自通断电压源，其特征在于：所述BUCK主电路包括第三分压电阻R29、第四分压电阻R28、二极管D2、稳压二极管D1、MOS管U6、自恢复保险F0、电阻R30、二极管D0、电容C11、电容C12、电感L0，所述第三分压电阻R29两端分别与二极管D2两端相连并组成第一放电回路保证电流单向传输，所述第四分压电阻R28一端接地，第三分压电阻R29一端、第四分压电阻R28另一端均与MOS管U6的G级相连，所述稳压二极管D1阳极、MOS管U6的S级一端接地，稳压二极管D1阴极与MOS管U6的G级连接，所述MOS管U6的D级与自恢复保险F0一端连接，所述自恢复保险F0另一端分别与电阻R30、充电电容C11、滤波电容C12一端及二极管D0阳极相连，所述电感L0两端分别与二极管D0阴极、充电电容C11另一端相连，电阻R30另一端与外接电压相连，电感L0与充电电容C11连接端及滤波电容C12另一端同时连接并作为BUCK主电路输出端。
5.根据权利要求1～4任一所述的一种基于BUCK电路的宽范围可调自通断电压源，其特征在于：所述BUCK主电路的输出电压范围为DC0V-DC110V。
6.根据权利要求4所述的一种基于BUCK电路的宽范围可调自通断电压源，其特征在于：所述MOS管U6型号为IRF640N。
7.根据权利要求4所述的一种基于BUCK电路的宽范围可调自通断电压源，其特征在于：所述自恢复保险F0型号为LVR055。
8.根据权利要求4所述的一种基于BUCK电路的宽范围可调自通断电压源，其特征在于：所述充电电容C11规格为47μf，250V。
9.根据权利要求4所述的一种基于BUCK电路的宽范围可调自通断电压源，其特征在于：所述滤波电容C12规格为104μf，250V。
10.根据权利要求4所述的一种基于BUCK电路的宽范围可调自通断电压源，其特征在于：所述二极管D0为FR3J二极管。
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