CN108448886A

CN108448886A - 一种Buck变换器自举驱动电路

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Publication number: CN108448886A
Application number: CN201810341803.1A
Authority: CN
Inventors: 肖文勋; 沈锐耿; 胡建雨; 张波; 黄子田
Original assignee: FUHUA ELECTRONIC Co Ltd; South China University of Technology SCUT
Current assignee: FUHUA ELECTRONIC Co Ltd; South China University of Technology SCUT
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2018-08-24
Anticipated expiration: 2038-04-17
Also published as: CN108448886B

Abstract

本发明公开了一种Buck变换器自举驱动电路，包括主电路、辅助电源、控制电路、驱动芯片、自举电路、以及自举充电控制电路；所述控制电路为驱动芯片提供信号方波，所述驱动芯片根据信号方波输出相应的驱动信号给主电路和自举充电控制电路；所述自举电路与驱动芯片相连接并为驱动输出提供相应的电平转换，所述自举充电控制电路为自举电路提供充电回路。本发明的自举充电控制电路可以在电路启动过程中为自举电路中的自举电容提供充电回路，实现自举电路的自启动功能，且自启动功能不受负载条件的影响，同时自举充电控制电路仅在系统启动的时候才投入工作，避免了自启动电路的无条件工作，降低了系统的损耗，提升了系统的效率。

Description

一种Buck变换器自举驱动电路

技术领域

本发明属于Buck拓扑的开关电源领域，特别地涉及一种Buck变换器自举驱动电路。

背景技术

Buck电路作为电力电子中最基本的直流-直流变换器之一，其现阶段的发展已经非常成熟。由于其拓扑简单、元件数量少且参数易于设计等优点，被广泛应用于各类现代工业产品中，比如军工设备、航天领域、医疗设备、电力设备、通信设备、LED驱动、仪器仪表、工控设备以及一些中大功率的消费级电子产品或家用电器等众多领域。然而伴随Buck电路而来的缺点则是其电路拓扑中的开关管源极不接地，这不便于其驱动电路的设计，因为随着开关管开关状态的变化，其源极电位也随之不断跳变。现阶段Buck电路常用的驱动电路为自举驱动电路，并且已有多种发展成熟的自举驱动芯片供设计人员选择，然而为了使驱动电路可以自启动，这些自举驱动电路除了接辅助电源外，自举电容往往还需要从主电源取电，并且启动过程结束后，这一部分用于自启动的辅助回路往往还在工作中，这增加了系统的功率损耗，降低了系统的效率。并且在一些低压或者特殊负载等极端应用场合上，自举驱动电路往往不能完成自启动，导致电路无法正常工作。因此需要一种功耗低、能有效自启动的驱动电路来解决上述问题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种Buck变换器自举驱自举动电路，该电路是一种功耗低、能有效自启动的驱动电路。

为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：

一种Buck变换器自举驱动电路，包括主电路和驱动电路,所述驱动电路包括辅助电源、控制电路、驱动芯片、自举电路、以及自举充电控制电路；所述控制电路连接驱动芯片和辅助电源；所述驱动芯片连接辅助电源、主电路、自举电路、以及自举充电控制电路；所述自举电路还与主电路和自举充电控制电路连接；

所述控制电路为驱动芯片提供控制信号V_G1和控制信号V_G2的信号方波，所述驱动芯片根据信号方波输出相应的驱动信号给主电路和自举充电控制电路；所述自举电路与驱动芯片相连接并为驱动输出提供相应的电平转换，所述自举充电控制电路为自举电路提供充电回路。

作为优选的技术方案，所述自举充电控制电路包括第二Mos管M₂、第二二极管D₂、第一电阻R₁和第二电阻R₂；所述第二二极管D₂的阳极分别连接主电路的节点V_s和驱动芯片的VS脚，所述第二二极管D₂的阴极连接第一电阻R₁的一端连接，所述第一电阻R₁的另一端连接第二Mos管M₂的漏极，所述第二Mos管M₂的源极与地相连接，第二Mos管M₂的门极连接第二电阻R₂的一端，所述第二电阻R₂的另一端连接驱动芯片的LO脚。

作为优选的技术方案，所述驱动电路具体包括第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄、第五电容C₅、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第五稳压二极管D₅、第三电阻R₃、第四电阻R₄、驱动芯片T₁、辅助电源、以及自举充电控制电路；所述驱动芯片T₁采用通用的双输入的半桥驱动芯片，其引脚包括VCC脚、VB脚、VS脚、HO脚、LO脚、IN脚、SD脚、以及COM脚；

所述辅助电源的输出端分别连接第三电容C₃的一端、第三二极管D₃的阳极、驱动芯片T₁的VCC脚，第三电容C₃的另一端接地，所述第三二极管D₃的阴极分别连接驱动芯片T₁的VB脚、第二电容C₂的一端和第五稳压二极管D₅的一端，所述第二电容C₂的另一端和第五稳压二极管D₅的另一端均分别连接驱动芯片T₁的VS脚和主电路的节点V_s；所述驱动芯片T₁的HO脚分别连接第三电阻R₃的一端和第四电阻R₄的一端，所述第四电阻R₄的另一端连接第四二极管D₄的阴极，所述第三电阻R₃的另一端连接第四二极管D₄的阳极，最后形成电压输出端V_drive，所述驱动芯片T₁的LO脚连接自举充电控制电路的输入端，所述驱动芯片T₁的IN脚和SD脚分别接控制驱动输出HO脚的控制信号V_G1和LO脚的控制信号V_G2，COM脚接地；所述第四电容C₄的一端连接驱动芯片T₁的IN脚，另一端连接数字地；所述第五电容C₅的一端连接驱动芯片T₁的SD脚，另一端连接数字地。

作为优选的技术方案，所述自举充电控制电路，在系统电路启动过程中为自举电路中的自举第二电容C₂提供充电回路，实现自举电路的自启动功能；自举充电控制电路在系统电路启动的时候控制第二Mos管M₂导通，此时节点V_s通过第二二极管D₂和第一电阻R₁拉低电位，故辅助电源通过自举电路对自举第二电容C₂迅速充电，从而为驱动主电路的开关管提供充足的能量，完成Buck电路的自启动。

作为优选的技术方案，所述自举充电控制电路在完成启动功能后停止工作；在检测到输出的负载电压V_o低于阈值V_th时，将自举充电控制电路投入工作，完成系统电路的启动，从而主电路的输出逐渐建立起所需的电压；在检测到输出的负载电压V_o大于阈值V_th时，即系统电路已经进入正常工作状态，则让自举充电控制电路停止工作，即关断第二Mos管M₂。

作为优选的技术方案，设置自举充电控制电路投入工作与否的阈值电压V_th＝0.5V_o。

本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：

(1)本发明的驱动电路能有效地完成自启动功能，且仅在启动的时候才投入工作，电源系统正常工作的时候能将自举充电控制电路停止工作，避免了自举充电控制电路的无条件工作，降低了系统的损耗，提升了系统的效率。

(2)本发明的自举充电控制电路的功能不受到负载条件的影响，对于任意负载，无论是轻载、重载还是电池负载等，都能有效地完成自启动功能。

附图说明

图1为本发明Buck变换器自举驱动电路的原理示意图；

图2(a)-图2(b)为本发明的一个具体实施例；其中图2(a)为Buck变换器的主电路，图2(b)为改进的Buck变换器驱动电路；

图3为本实施例的Buck变换器自举驱动电路的输出电压V_o的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例

如图1所示，一种Buck变换器自举驱动电路，包括主电路和驱动电路，所述驱动电路包括辅助电源、控制电路、驱动芯片、自举电路、以及自举充电控制电路；所述控制电路连接驱动芯片和辅助电源；所述驱动芯片连接辅助电源、主电路、自举电路、以及自举充电控制电路；所述自举电路还与主电路和自举充电控制电路连接；

如图2(a)为Buck变换器的主电路，所述主电路包括第一Mos管M₁、输入电源V_in、第一二极管D₁、LC低通滤波器、以及负载R_L，所述LC低通滤波器包括第一电容C₁和第一电感L，所述第一Mos管M₁的漏极连接输入电源V_in的正极，所述第一Mos管M₁的源极、第一电感L的一端和第一二极管D₁的阴极这三端相连接于节点V_s，所述第一电感L的另一端分别连接第一电容C₁的一端和负载R_L的一端，所述第一二极管D₁的阳极分别连接输入电源V_in的负极、第一电容C₁的另一端和负载R_L的另一端；所述负载R_L两端的电压为V_o，所述第一Mos管M₁的门极连接驱动电路的电压输出端V_drive。

图2(b)所示为改进的Buck变换器驱动电路，包括第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄、第五电容C₅、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第五稳压二极管D₅、第三电阻R₃、第四电阻R₄、驱动芯片T₁、辅助电源、以及自举充电控制电路；所述驱动芯片T₁的引脚包括VCC脚、VB脚、VS脚、HO脚、LO脚、IN脚、SD脚、以及COM脚；

在本实施例中，所述驱动芯片T₁采用通用的双输入的半桥驱动芯片，在本实施例中，根据系统电路的工作频率和驱动频率等参数来选取驱动芯片T₁的具体型号；

在本实施例中，所述辅助电源为12V，在其他实际应用中，可灵活选择；

所述辅助电源的输出端分别连接第三电容C₃的一端、第三二极管D₃的阳极、驱动芯片T₁的VCC脚，第三电容C₃的另一端接地进行滤波，所述第三二极管D₃的阴极分别连接驱动芯片T₁的VB脚、第二电容C₂的一端和第五稳压二极管D₅的一端，所述第二电容C₂的另一端和第五稳压二极管D₅的另一端均分别连接驱动芯片T₁的VS脚和主电路的节点V_s；所述驱动芯片T₁的HO脚分别连接第三电阻R₃的一端和第四电阻R₄的一端，所述第四电阻R₄的另一端连接第四二极管D₄的阴极，所述第三电阻R₃的另一端连接第四二极管D₄的阳极，最后形成第一Mos管M₁的驱动输出V_drive，所述驱动芯片T₁的LO脚连接自举充电控制电路的输入端，所述驱动芯片T₁的IN脚和SD脚分别接控制驱动输出HO脚的控制信号V_G1和LO脚的控制信号V_G2，COM脚接地；所述第四电容C₄的一端连接驱动芯片T₁的IN脚，另一端连接数字地；所述第五电容C₅的一端连接驱动芯片T₁的SD脚，另一端连接数字地。

所述自举充电控制电路包括第二Mos管M₂、第二二极管D₂、第一电阻R₁和第二电阻R₂；所述第二二极管D₂的阳极分别连接主电路的节点V_s和驱动芯片的VS脚，所述第二二极管D₂的阴极连接第一电阻R₁的一端连接，所述第一电阻R₁的另一端连接第二Mos管M₂的漏极，所述第二Mos管M₂的源极与地相连接，第二Mos管M₂的门极连接第二电阻R₂的一端，所述第二电阻R₂的另一端连接驱动芯片的LO脚。

在本实施例中，在系统电路启动过程中为自举电路中的自举电容C₂提供充电回路，实现自举电路的自启动功能；自举充电控制电路在系统电路启动的时候控制第二Mos管M₂导通，此时节点V_s通过二极管D₂和电阻R₁拉低电位，故辅助电源通过自举电路对自举电容C₂迅速充电，从而为驱动主电路的第一Mos管M₁提供充足的能量，完成Buck电路的自启动；所述第二Mos管M₂在第一Mos管M₁关断的时候才允许导通，且二者之间设置一定死区时间。

设置自举充电控制电路投入工作与否的阈值电压V_th＝0.5V_o，系统不断检测当前输出端电压u_o，当u_o＜V_th时，将自举充电控制电路投入工作；当u_o＞V_th时，第二Mos管M₂一直关断，即将自举充电控制电路退出工作。自举充电控制电路投入工作时，控制信号V_G1和控制信号V_G2由主电路的控制算法给定，当控制信号V_G1为低电平时，所述主电路的控制算法给控制信号V_G2一个固定的低占空比的脉冲信号，并且保证任何情况下控制信号V_G1和控制信号V_G2之间存在一定的死区时间，以保护输入电源V_in。

本实施例中改进的Buck变换器驱动电路的具体工作过程如下，当系统启动的时候，输出的负载电压V_o为零，即此时V_o＜V_th，控制系统将自举充电控制电路投入工作，当第二Mos管M₂导通时，辅助电源通过第三二极管D₃、自举第二电容C₂、第二二极管D₂、第一电阻R₁和第二Mos管M₂回路对自举第二电容C₂迅速充电，从而为驱动第一Mos管M₁提供充足的能量，第一Mos管M₁被正常驱动，输出端电压不断抬升，直到V_o＞V_th，控制系统将自举充电控制电路停止工作以降低功率损耗，此时电感L上的电流不为零，第一二极管D₁导通续流，将节点V_s拉低到低电位，此时辅助电源通过第三二极管D₃、自举第二电容C₂以及地形成回路对自举第二电容C₂充电，维持电路的正常工作。

本实施例中Buck变换器的输出电压V_o的波形图如图3所示，在额定负载下系统正常工作，t₁时刻负载切出或轻载，自举电路无法正常工作，故输出电压V_o逐渐下降，直到降为阈值电压V_th也即t₂时，自举充电控制电路投入工作，输出电压迅速恢复至额定值，然后自举充电控制电路退出工作，输出电压V_o再次逐渐下降，循环反复。自举充电控制电路在t₂，t₃和t₄时投入工作，直到t₅时刻再次接入额定负载，系统恢复正常工作。

以上所述实施例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权利要求所述为准。

Claims

1.一种Buck变换器自举驱动电路，其特征在于，包括主电路和驱动电路,所述驱动电路包括辅助电源、控制电路、驱动芯片、自举电路、以及自举充电控制电路；所述控制电路连接驱动芯片和辅助电源；所述驱动芯片连接辅助电源、主电路、自举电路、以及自举充电控制电路；所述自举电路还与主电路和自举充电控制电路连接；

2.根据权利要求1所述的Buck变换器自举驱动电路，其特征在于，所述自举充电控制电路包括第二Mos管(M₂)、第二二极管(D₂)、第一电阻(R₁)和第二电阻(R₂)；所述第二二极管(D₂)的阳极分别连接主电路的节点(V_s)和驱动芯片的VS脚，所述第二二极管(D₂)的阴极连接第一电阻(R₁)的一端连接，所述第一电阻(R₁)的另一端连接第二Mos管(M₂)的漏极，所述第二Mos管(M₂)的源极与地相连接，第二Mos管(M₂)的门极连接第二电阻(R₂)的一端，所述第二电阻(R₂)的另一端连接驱动芯片的LO脚。

3.根据权利要求1所述的Buck变换器自举驱动电路，其特征在于，所述驱动电路具体包括第二电容(C₂)、第三电容(C₃)、第四电容(C₄)、第五电容(C₅)、第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)、第五稳压二极管(D₅)、第三电阻(R₃)、第四电阻(R₄)、驱动芯片(T₁)、辅助电源、以及自举充电控制电路；所述驱动芯片T₁采用通用的双输入的半桥驱动芯片，其引脚包括VCC脚、VB脚、VS脚、HO脚、LO脚、IN脚、SD脚、以及COM脚；

所述辅助电源的输出端分别连接第三电容(C₃)的一端、第三二极管(D₃)的阳极、驱动芯片(T₁)的VCC脚，第三电容(C₃)的另一端接地，所述第三二极管(D₃)的阴极分别连接驱动芯片(T₁)的VB脚、第二电容(C₂)的一端和第五稳压二极管(D₅)的一端，所述第二电容(C₂)的另一端和第五稳压二极管(D₅)的另一端均分别连接驱动芯片(T₁)的VS脚和主电路的节点(V_s)；所述驱动芯片(T₁)的HO脚分别连接第三电阻(R₃)的一端和第四电阻(R₄)的一端，所述第四电阻(R₄)的另一端连接第四二极管(D₄)的阴极，所述第三电阻(R₃)的另一端连接第四二极管(D₄)的阳极，最后形成电压输出端V_drive，所述驱动芯片(T₁)的LO脚连接自举充电控制电路的输入端，所述驱动芯片(T₁)的IN脚和SD脚分别接控制驱动输出HO脚的控制信号V_G1和LO脚的控制信号V_G2，COM脚接地；所述第四电容(C₄)的一端连接驱动芯片(T₁)的IN脚，另一端连接数字地；所述第五电容(C₅)的一端连接驱动芯片(T₁)的SD脚，另一端连接数字地。

4.根据权利要求1所述的Buck变换器自举驱动电路，其特征在于，所述自举充电控制电路，在系统电路启动过程中为自举电路中的自举第二电容(C₂)提供充电回路，实现自举电路的自启动功能；自举充电控制电路在系统电路启动的时候控制第二Mos管(M₂)导通，此时节点(V_s)通过第二二极管(D₂)和第一电阻(R₁)拉低电位，故辅助电源通过自举电路对自举第二电容(C₂)迅速充电，从而为驱动主电路的开关管提供充足的能量，完成Buck电路的自启动。

5.根据权利要求1所述的Buck变换器自举驱动电路，其特征在于，所述自举充电控制电路在完成启动功能后停止工作；在检测到输出的负载电压V_o低于阈值V_th时，将自举充电控制电路投入工作，完成系统电路的启动，从而主电路的输出逐渐建立起所需的电压；在检测到输出的负载电压V_o大于阈值V_th时，即系统电路已经进入正常工作状态，则让自举充电控制电路停止工作，即关断第二Mos管(M₂)。

6.根据权利要求5所述的Buck变换器自举驱动电路，其特征在于，设置自举充电控制电路投入工作与否的阈值电压V_th＝0.5V_o。