CN108418412A - 电感位于输入侧的自激式dc-dc变换器 - Google Patents
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Abstract
一种电感位于输入侧的自激式DC‑DC变换器，包括自激单元和续流模块。所述自激单元包括电阻Rs_1、电阻Rs_2、电阻Rs_3、电阻Rp_1、电阻Rp_2、电感Lp_1、电容Cs_1、电容Cp_1、NPN型BJT管Qs_1、NPN型BJT管Qp_1、二极管Ds_1和二极管Dp_1。其中，Rs_2和Rp_1是启动电阻。本发明通过构建易于起振的自激单元，可令电感位于输入侧的自激式DC‑DC变换器易于起振，降低对参与自激的元器件的要求；可构成的电感位于输入侧的自激式DC‑DC变换器形式多样，可满足多样化的功率变换需求。
Description
技术领域
本发明涉及电感位于输入侧的DC-DC变换器，尤其适合低电压输入的工作场合，如：能量收集、LED驱动、辅助电源等。
背景技术
常见的电感位于输入侧的DC-DC变换器包括Boost变换器、Cuk变换器、Sepic变换器和Flyback变换器。如图1所示，一种常见的适合低电压输入工作场合的自激式Boost变换器由电阻R1至R3、NPN型BJT管Q1和Q2、电感L、二极管D和电容Co组成。该变换器电路结构简单，但是整个变换器能否顺利起振与R2和R3的取值直接相关。当R2和R3设计不当时，将造成整个变换器无法顺利起振进而无法正常工作的后果。
发明内容
为了克服现有自激式Boost变换器的起振对个别元器件存在过渡依赖的问题，本发明提供一种电感位于输入侧的自激式DC-DC变换器，它不但起振容易，而且形式多样——可形成Boost变换器、Cuk变换器、Sepic变换器、Flyback变换器等。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种电感位于输入侧的自激式DC-DC变换器，包括自激单元和续流模块，所述自激单元包括电阻Rs_1、电阻Rs_2、电阻Rs_3、电阻Rp_1、电阻Rp_2、电感Lp_1、电容Cs_1、电容Cp_1、NPN型BJT管Qs_1、NPN型BJT管Qp_1、二极管Ds_1和二极管Dp_1。所述续流模块包括端口c_1、端口c_2、端口c_3和端口c_4，其作用是当NPN型BJT管Qp_1截止时为电感Lp_1提供电流通道；
所述电阻Rs_1的一端同时与电源Vi的正端和电感Lp_1的一端相连，电阻Rs_1的另一端同时与电容Cs_1的一端和NPN型BJT管Qs_1的集电极相连，NPN型BJT管Qs_1的基极同时与电阻Rs_2的一端、电阻Rs_3的一端和二极管Ds_1的阴极相连，电感Lp_1的另一端同时与电容Cp_1的一端、NPN型BJT管Qp_1的集电极和续流模块的端口c_1相连，电容Cp_1的另一端与电阻Rs_3的另一端相连，NPN型BJT管Qp_1的基极同时与电阻Rp_1的一端、电阻Rp_2的一端和二极管Dp_1的阴极相连，电阻Rp_2的另一端与电容Cs_1的另一端相连，续流模块的端口c_2与负载Z的一端相连，续流模块的端口c_4与负载Z的另一端相连，续流模块的端口c_3同时与电源Vi的负端、NPN型BJT管Qs_1的发射极、二极管Ds_1的阳极、NPN型BJT管Qp_1的发射极和二极管Dp_1的阳极相连；
电阻Rs_2的另一端与电阻Rs_1的另一端连接，电阻Rp_1的另一端与电感Lp_1的另一端连接；或者是：电阻Rs_2的另一端和电阻Rp_1的另一端均连接至电源Vi的正端；再或者是：电阻Rs_2的另一端和电阻Rp_1的另一端均连接至负载Z的一端。
进一步，所述续流模块的端口c_3和端口c_4相连。
作为续流模块的优选方案一：所述续流模块包括二极管Dc_a1和电容Cc_a1，二极管Dc_a1的阳极与续流模块的端口c_1相连，二极管Dc_a1的阴极同时与电容Cc_a1的一端和续流模块的端口c_2相连，电容Cc_a1的另一端同时与续流模块的端口c_3和端口c_4相连。所述续流模块令所述电感位于输入侧的自激式DC-DC变换器具有升压功能。
作为续流模块的优选方案二：所述续流模块包括电容Cc_b1、电容Cc_b2、电感Lc_b1、二极管Dc_b1和二极管Dc_b2，电容Cc_b1的一端与续流模块的端口c_1相连，电容Cc_b1的另一端同时与二极管Dc_b1的阳极和电感Lc_b1的一端相连，电感Lc_b1的另一端与二极管Dc_b2的阴极相连，二极管Dc_b2的阳极同时与电容Cc_b2的一端和续流模块的端口c_2相连，电容Cc_b2的另一端同时与续流模块的端口c_3和端口c_4以及二极管Dc_b1的阴极相连。所述续流模块令所述电感位于输入侧的自激式DC-DC变换器具有极性反转的升降压功能。
作为续流模块的优选方案三：所述续流模块包括电容Cc_c1、电容Cc_c2、电感Lc_c1、二极管Dc_c1和二极管Dc_c2，电容Cc_c1的一端与续流模块的端口c_1相连，电容Cc_c1的另一端同时与二极管Dc_c2的阳极和电感Lc_c1的一端相连，二极管Dc_c2的阴极同时与电容Cc_c2的一端和续流模块的端口c_2相连，电感Lc_c1的另一端与二极管Dc_c1的阴极相连，二极管Dc_c1的阳极同时与续流模块的端口c_3和端口c_4以及电容Cc_c2的另一端相连。所述续流模块令所述电感位于输入侧的自激式DC-DC变换器具有升降压功能。
作为续流模块的优选方案四：所述续流模块包括电感Lc_d1、二极管Dc_d1和电容Cc_d1，电感Lc_d1的一端与二极管Dc_d1的阳极相连，二极管Dc_d1的阴极同时与电容Cc_d1的一端和续流模块的端口c_2相连，电容Cc_d1的另一端同时与电感Lc_d1的另一端和续流模块的端口c_4相连，电感Lc_d1和电感Lp_1存在耦合关系，电感Lc_d1的另一端与所述电感Lp_1的一端是同名端。所述续流模块令所述电感位于输入侧的自激式DC-DC变换器具有电气隔离的升降压功能。
本发明的技术构思为：先构建易于起振的自激单元，再采用自激单元构成电感位于输入侧的自激式DC-DC变换器以解决启动问题，降低其对部分元器件的依赖度。
本发明的有益效果主要表现在：通过构建易于起振的自激单元，可令电感位于输入侧的自激式DC-DC变换器易于起振，降低对参与自激的元器件的要求；可构成的电感位于输入侧的自激式DC-DC变换器形式多样(包括Boost变换器、Cuk变换器、Sepic变换器、Flyback变换器等)，可满足多样化的功率变换需求。
附图说明
图1是一种常见的适合低电压输入工作场合的自激式Boost变换器。
图2是本发明实施例1的电路框图。
图3是本发明实施例2的电路框图。
图4是本发明实施例3的电路框图。
图5是适用于本发明的续流模块优选方案一的续流模块电路图。
图6是适用于本发明的续流模块优选方案二的续流模块电路图。
图7是适用于本发明的续流模块优选方案三的续流模块电路图。
图8是适用于本发明的续流模块优选方案四的续流模块电路图。
图9是本发明实施例1采用续流模块优选方案一时的仿真波形图。
图10是本发明实施例2采用续流模块优选方案二时的仿真波形图。
图11是本发明实施例3采用续流模块优选方案三时的仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1
参照图2，一种电感位于输入侧的自激式DC-DC变换器，包括自激单元和续流模块。所述自激单元包括电阻Rs_1、电阻Rs_2、电阻Rs_3、电阻Rp_1、电阻Rp_2、电感Lp_1、电容Cs_1、电容Cp_1、NPN型BJT管Qs_1、NPN型BJT管Qp_1、二极管Ds_1和二极管Dp_1。所述续流模块包括端口c_1、端口c_2、端口c_3和端口c_4，其作用是当NPN型BJT管Qp_1截止时为电感Lp_1提供电流通道。
所述电阻Rs_1的一端同时与电源Vi的正端和电感Lp_1的一端相连，电阻Rs_1的另一端同时与电容Cs_1的一端和NPN型BJT管Qs_1的集电极相连，NPN型BJT管Qs_1的基极同时与电阻Rs_2的一端、电阻Rs_3的一端和二极管Ds_1的阴极相连，电感Lp_1的另一端同时与电容Cp_1的一端、NPN型BJT管Qp_1的集电极和续流模块的端口c_1相连，电容Cp_1的另一端与电阻Rs_3的另一端相连，NPN型BJT管Qp_1的基极同时与电阻Rp_1的一端、电阻Rp_2的一端和二极管Dp_1的阴极相连，电阻Rp_2的另一端与电容Cs_1的另一端相连，续流模块的端口c_2与负载Z的一端相连，续流模块的端口c_4与负载Z的另一端相连，续流模块的端口c_3同时与电源Vi的负端、NPN型BJT管Qs_1的发射极、二极管Ds_1的阳极、NPN型BJT管Qp_1的发射极和二极管Dp_1的阳极相连，电阻Rs_2的另一端与电阻Rs_1的另一端连接，电阻Rp_1的另一端与电感Lp_1的另一端连接。
实施例1利用内部的不一致性，尤其是NPN型BJT管Qp_1和NPN型BJT管Qs_1的不一致性，产生所需的振荡。假设NPN型BJT管Qp_1率先导通。当Qp_1导通后，电感Lp_1充磁，电感电流iLp_1逐渐增加，电容Cp_1通过Ds_1、Rs_3和Qp_1进行放电，Vi通过Rs_1、Rp_2和Qp_1给Cs_1充电，Qp_1的基极电流逐渐减小，而Qp_1的集电极电流却逐渐增加，令Qp_1从饱和区进入截止区。当Qp_1截止后，电感Lp_1放磁，将能量通过续流模块输出至负载Z。同时，Qs_1导通，电容Cs_1通过Dp_1、Rp_2和Qs_1进行放电，Vi通过Lp_1、Rs_3和Qs_1给Cp_1充电，Qs_1的基极电流逐渐减小，令Qs_1从饱和区进入截止区。当Qs_1截止后，Qp_1再次导通。周而复始。Ds_1和Dp_1的作用是保护Qs_1和Qp_1并参与振荡。Rs_2和Rp_1是启动电阻。
参考图5，当采用续流模块优选方案一时，实施例1为一自激式Boost变换器，具有升压功能。所述续流模块包括二极管Dc_a1和电容Cc_a1，二极管Dc_a1的阳极与续流模块的端口c_1相连，二极管Dc_a1的阴极同时与电容Cc_a1的一端和续流模块的端口c_2相连，电容Cc_a1的另一端同时与续流模块的端口c_3和端口c_4相连。图9是实施例1采用续流模块优选方案一时的仿真波形图。由图9可知其的自激工作状态，vs1为Qs_1的基极-发射极电压，vs2为Qs_1的集电极-发射极电压，vp1为Qp_1的基极-发射极电压，vp2为Qp_1的集电极-发射极电压，其输出电压vo>Vi。
参考图6，当采用续流模块优选方案二时，实施例1为一自激式Cuk变换器，具有极性反转的升降压功能。所述续流模块包括电容Cc_b1、电容Cc_b2、电感Lc_b1、二极管Dc_b1和二极管Dc_b2，电容Cc_b1的一端与续流模块的端口c_1相连，电容Cc_b1的另一端同时与二极管Dc_b1的阳极和电感Lc_b1的一端相连，电感Lc_b1的另一端与二极管Dc_b2的阴极相连，二极管Dc_b2的阳极同时与电容Cc_b2的一端和续流模块的端口c_2相连，电容Cc_b2的另一端同时与续流模块的端口c_3和端口c_4以及二极管Dc_b1的阴极相连。
参考图7，当采用续流模块优选方案三时，实施例1为一自激式Sepic变换器，具有升降压功能。所述续流模块包括电容Cc_c1、电容Cc_c2、电感Lc_c1、二极管Dc_c1和二极管Dc_c2，电容Cc_c1的一端与续流模块的端口c_1相连，电容Cc_c1的另一端同时与二极管Dc_c2的阳极和电感Lc_c1的一端相连，二极管Dc_c2的阴极同时与电容Cc_c2的一端和续流模块的端口c_2相连，电感Lc_c1的另一端与二极管Dc_c1的阴极相连，二极管Dc_c1的阳极同时与续流模块的端口c_3和端口c_4以及电容Cc_c2的另一端相连。
参考图8，当采用续流模块优选方案四时，实施例1为一自激式Flyback变换器，具有电气隔离的升降压功能。所述续流模块包括电感Lc_d1、二极管Dc_d1和电容Cc_d1，电感Lc_d1的一端与二极管Dc_d1的阳极相连，二极管Dc_d1的阴极同时与电容Cc_d1的一端和续流模块的端口c_2相连，电容Cc_d1的另一端同时与电感Lc_d1的另一端和续流模块的端口c_4相连，电感Lc_d1和电感Lp_1存在耦合关系，电感Lc_d1的另一端与所述电感Lp_1的一端是同名端。
实施例2
参照图3，实施例2中的电阻Rs_2的另一端与电源Vi的正端相连，电阻Rp_1的另一端也与电源Vi的正端相连。实施例2的其他结构与实施例1相同，工作过程也与实施例1相似。
实施2适用续流模块优选方案一至四。图10是实施例2采用续流模块优选方案二时的仿真波形图。由图10可知其的自激工作状态，vs1为Qs_1的基极-发射极电压，vs2为Qs_1的集电极-发射极电压，vp1为Qp_1的基极-发射极电压，vp2为Qp_1的集电极-发射极电压，其输出电压vo<0。
实施例3
参照图4，实施例3中的电阻Rs_2的另一端与负载Z的一端相连，电阻Rp_1的另一端也与负载Z的一端相连。实施例3的其他结构与实施例2相同，工作过程也与实施例2相似。
实施3适用续流模块优选方案一至三。图11是实施例3采用续流模块优选方案三时的仿真波形图。由图11可知其的自激工作状态，vs1为Qs_1的基极-发射极电压，vs2为Qs_1的集电极-发射极电压，vp1为Qp_1的基极-发射极电压，vp2为Qp_1的集电极-发射极电压，其输出电压vo>0。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (6)
1.一种电感位于输入侧的自激式DC-DC变换器，其特征在于：所述电感位于输入侧的自激式DC-DC变换器包括自激单元和续流模块，所述自激单元包括电阻Rs_1、电阻Rs_2、电阻Rs_3、电阻Rp_1、电阻Rp_2、电感Lp_1、电容Cs_1、电容Cp_1、NPN型BJT管Qs_1、NPN型BJT管Qp_1、二极管Ds_1和二极管Dp_1。所述续流模块包括端口c_1、端口c_2、端口c_3和端口c_4，其作用是当NPN型BJT管Qp_1截止时为电感Lp_1提供电流通道；
所述电阻Rs_1的一端同时与电源Vi的正端和电感Lp_1的一端相连，电阻Rs_1的另一端同时与电容Cs_1的一端和NPN型BJT管Qs_1的集电极相连，NPN型BJT管Qs_1的基极同时与电阻Rs_2的一端、电阻Rs_3的一端和二极管Ds_1的阴极相连，电感Lp_1的另一端同时与电容Cp_1的一端、NPN型BJT管Qp_1的集电极和续流模块的端口c_1相连，电容Cp_1的另一端与电阻Rs_3的另一端相连，NPN型BJT管Qp_1的基极同时与电阻Rp_1的一端、电阻Rp_2的一端和二极管Dp_1的阴极相连，电阻Rp_2的另一端与电容Cs_1的另一端相连，续流模块的端口c_2与负载Z的一端相连，续流模块的端口c_4与负载Z的另一端相连，续流模块的端口c_3同时与电源Vi的负端、NPN型BJT管Qs_1的发射极、二极管Ds_1的阳极、NPN型BJT管Qp_1的发射极和二极管Dp_1的阳极相连；
电阻Rs_2的另一端与电阻Rs_1的另一端连接，电阻Rp_1的另一端与电感Lp_1的另一端连接；或者是：电阻Rs_2的另一端和电阻Rp_1的另一端均连接至电源Vi的正端；再或者是：电阻Rs_2的另一端和电阻Rp_1的另一端均连接至负载Z的一端。
2.如权利要求1所述的电感位于输入侧的自激式DC-DC变换器，其特征在于：所述续流模块的端口c_3和端口c_4相连。
3.如权利要求2所述的电感位于输入侧的自激式DC-DC变换器，其特征在于：所述续流模块包括二极管Dc_a1和电容Cc_a1，二极管Dc_a1的阳极与续流模块的端口c_1相连，二极管Dc_a1的阴极同时与电容Cc_a1的一端和续流模块的端口c_2相连，电容Cc_a1的另一端同时与续流模块的端口c_3和端口c_4相连。
4.如权利要求2所述的电感位于输入侧的自激式DC-DC变换器，其特征在于：所述续流模块包括电容Cc_b1、电容Cc_b2、电感Lc_b1、二极管Dc_b1和二极管Dc_b2，电容Cc_b1的一端与续流模块的端口c_1相连，电容Cc_b1的另一端同时与二极管Dc_b1的阳极和电感Lc_b1的一端相连，电感Lc_b1的另一端与二极管Dc_b2的阴极相连，二极管Dc_b2的阳极同时与电容Cc_b2的一端和续流模块的端口c_2相连，电容Cc_b2的另一端同时与续流模块的端口c_3和端口c_4以及二极管Dc_b1的阴极相连。
5.如权利要求2所述的电感位于输入侧的自激式DC-DC变换器，其特征在于：所述续流模块包括电容Cc_c1、电容Cc_c2、电感Lc_c1、二极管Dc_c1和二极管Dc_c2，电容Cc_c1的一端与续流模块的端口c_1相连，电容Cc_c1的另一端同时与二极管Dc_c2的阳极和电感Lc_c1的一端相连，二极管Dc_c2的阴极同时与电容Cc_c2的一端和续流模块的端口c_2相连，电感Lc_c1的另一端与二极管Dc_c1的阴极相连，二极管Dc_c1的阳极同时与续流模块的端口c_3和端口c_4以及电容Cc_c2的另一端相连。
6.如权利要求1所述的电感位于输入侧的自激式DC-DC变换器，其特征在于：所述续流模块包括电感Lc_d1、二极管Dc_d1和电容Cc_d1，电感Lc_d1的一端与二极管Dc_d1的阳极相连，二极管Dc_d1的阴极同时与电容Cc_d1的一端和续流模块的端口c_2相连，电容Cc_d1的另一端同时与电感Lc_d1的另一端和续流模块的端口c_4相连，电感Lc_d1和电感Lp_1存在耦合关系，电感Lc_d1的另一端与所述电感Lp_1的一端是同名端。
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