CN109004825A - 一种可降压也可升压的直流开关电源转换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可降压也可升压的直流开关电源转换电路，属于开关电源技术领域，包括输入正极、输入负极、升降压控制端、PWM控制端、电阻R1‑R3、二极管D1、D2、D3、D4、D5、运算放大器N1A、N1B、电感L1、电容C1、N沟道场效应管V2、P沟道场效应管V1、输出负极以及输出正极，所述升降压控制端输入低电平时可以通过二极管D5将运算放大器N1B的正向输入端拉低，使电路工作在BUCK降压模式；升降压控制端输入高电平时可以通过二极管D4将运算放大器N1A的反向输入端拉高，使电路工作在BOOST升压状态，本发明实现了既能降压也能升压的功能，具有实用性好、经济性高、效率高的优点。

Description

一种可降压也可升压的直流开关电源转换电路
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，具体的说涉及一种可降压也可升压的直流开关电源转换电路。
背景技术
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源电路具有功耗小、变换效率高、线性变化小、工作稳定等特点，因此被广泛应用于工业控制、通信办公、家庭消费等各种电子设备中。
开关电源中最为常见的非隔离式开关电源转换方式为BUCK降压变换与BOOST升压变换两种，不太常用的还有BUCK-BOOST降压升压和SEPIC单端初级电感变换两类。
现有的非隔离式开关电源转换方式中，单纯的BUCK变换电路只能实现降压变换，而BOOST变换电路只能实现升压变换，当输出电压波动范围较大或负载电压变化要求较大，在一些应用场合会无法应用，例如有些多功能锂离子电池充电器产品要求能对1节串联至6节串联的锂离子电池充电，其输入电源采用市场上常见的电源，输入电压范围是7V～19V，产品要求既能对1节串联的锂电池进行充电(充电电压4.2V)，又要求能对6节串联的锂离子电池进行充电，充电电压为25.2V，这时就会需要充电器的内部转换电路既能降压也要能升压，单独的BUCK变换电路和BOOST变换电路都无法满足要求。而如果采用BUCK-BOOST降压升压拓朴结构的话，由于它的输入电压与输出电压是反相的，输入输出不共地，在电压与电流控制上会变得很复杂，难以应用；如果采用SEPIC单端初级电感变换电路的话，虽然可以达到既能升压也能降压的目的，但由于电路中需要用到两个电感和1个电容来进行能量转移，控制电路复杂，功率器件多，损耗较大，转换效率不高，产生的电磁干扰也会较大，因此SEPIC电路在实际应用中很少使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可降压也可升压的直流开关电源转换电路，用以克服上述问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种可降压也可升压的直流开关电源转换电路，包括输入正极、输入负极、升降压控制端、PWM控制端、电阻R1-R3、二极管D1、D2、D3、D4、D5、运算放大器N1A、N1B、电感L1、电容C1、N沟道场效应管V2、P沟道场效应管V1、输出正极、输出负极，所述二极管D3为稳压二极管，所述输入正极与电阻R1的一端、运算放大器N1A的正电源端以及场效应管V1的S极相连接；电阻R1的另一端与稳压二极管D3的负极以及运算放大器N1A的正向输入端和运算放大器N1B的反向输入端相连接；运算放大器N1A的输出端与场效应管V1的栅极连接；场效应管V1的漏极与电感L1的一端及二极管D1的负极相连接；电感L1的另一端与场效应管V2的漏极以及二极管D2的正极相连接；二极管D2的负极与电容C1的正极以及输出正极相连接；升降压控制端与二极管D4的正极以及二极管D5的负极相连接；二极管D4的负极与电阻R2的一端以及运算放大器N1A的反向输入端相连接；二极管D5的正极与电阻R3的一端以及运算放大器N1B的正向输入端相连接；PWM控制端与电阻R2的另一端及电阻R3的另一端相连接；运算放大器N1B的输出端与场效应管V2的栅极连接；输入负极与稳压二极管D3的正极、运算放大器N1的电源负端、二极管D1的正极、场效应管V2的源极以及电容C1的负极相连接，构成共地连接，电路中电阻R1和稳压二极管D3产生稳定的参考电压Vref提供给两个运算放大器的输入端，升降压控制端输入低电平时可以通过二极管D5将运算放大器N1B的正向输入端拉低，使电路工作在BUCK降压模式；升降压控制端输入高电平时可以通过二极管D4将运算放大器N1A的反向输入端拉高，使电路工作在BOOST升压状态；当降压状态工作时，PWM控制端通过电阻R2和运算放大器N1A驱动场效应管V1处于PWM开关工作状态，这时由场效应管V1、二极管D1、电感L1、二极管D2和电容C1构成BUCK降压输出电路；当升压状态工作时，PWM控制端通过电阻R3和运算放大器N1B驱动场效应管V2处于PWM开关工作状态，这时由场效应管V2、电感L1、二极管D2和电容C1构成BOOST升压输出电路。
进一步的，所述参考电压Vref大小为1-4V，由电阻R1和稳压二极管D3分压产生，也可以由电阻或电位器分压产生。
进一步的，所述P通道场效应管V1可以用PNP三极管替代，所述N沟道场效应管V2可以用NPN三极管替代。
进一步的，所述运算放大器N1A、N1B可以用比较器代替。
进一步的，所述输入正极的电压为7V-18V。
进一步的，所述升降压控制端与单片机或FPGA连接。
进一步的，所述PWM控制端的幅值为5V。
本发明的有益效果是：
(1)本发明具有结构简单、设计合理、安装维护快捷的优点；
(2)本发明的技术方案中，本电路既可以降压输出，也可以升压输出，输入与输出极性相同并且为共地连接，在控制方法上容易实现；
(3)本发明的技术方案中，电路中的能量转移器件只有一个电感，电源转换效率高，在一些要求输入电压很宽或者输出电压范围很宽的应用场合，具有良好的实用性和经济性。
附图说明
图1是本发明的电路示意图；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，图1是本发明的电路结构示意图。
图1示出了根据本发明的实施例的结构框图，从图中可以看出，一种可降压也可升压的直流开关电源转换电路，包括包括输入正极、输入负极、升降压控制端、PWM控制端、电阻R1-R3、二极管D1、D2、D3、D4、D5、运算放大器N1A、N1B、电感L1、电容C1、N沟道场效应管V2、P沟道场效应管V1、输出正极、输出负极，所述二极管D3为稳压二极管，所述输入正极与电阻R1的一端、运算放大器N1A的正电源端以及场效应管V1的S极相连接；电阻R1的另一端与稳压二极管D3的负极以及运算放大器N1A的正向输入端和运算放大器N1B的反向输入端相连接；运算放大器N1A的输出端与场效应管V1的栅极连接；场效应管V1的漏极与电感L1的一端及二极管D1的负极相连接；电感L1的另一端与场效应管V2的漏极以及二极管D2的正极相连接；二极管D2的负极与电容C1的正极以及输出正极相连接；升降压控制端与二极管D4的正极以及二极管D5的负极相连接；二极管D4的负极与电阻R2的一端以及运算放大器N1A的反向输入端相连接；二极管D5的正极与电阻R3的一端以及运算放大器N1B的正向输入端相连接；PWM控制端与电阻R2的另一端及电阻R3的另一端相连接；运算放大器N1B的输出端与场效应管V2的栅极连接；输入负极与稳压二极管D3的正极、运算放大器N1的电源负端、二极管D1的正极、场效应管V2的源极以及电容C1的负极相连接，构成共地连接。电路中电阻R1和稳压二极管D3产生稳定的参考电压Vref提供给两个运算放大器的输入端，升降压控制端输入低电平时可以通过二极管D5将运算放大器N1B的正向输入端拉低，使电路工作在BUCK降压模式；升降压控制端输入高电平时可以通过二极管D4将运算放大器N1A的反向输入端拉高，使电路工作在BOOST升压状态；当降压状态工作时，PWM控制端通过电阻R2和运算放大器N1A驱动场效应管V1处于PWM开关工作状态，这时由场效应管V1、二极管D1、电感L1、二极管D2和电容C1构成BUCK降压输出电路；当升压状态工作时，PWM控制端通过电阻R3和运算放大器N1B驱动场效应管V2处于PWM开关工作状态，这时由场效应管V2、电感L1、二极管D2和电容C1构成BOOST升压输出电路。
所述参考电压Vref大小为1-4V，由电阻R1和稳压二极管D3分压产生，也可以由电阻或电位器分压产生。
所述P通道场效应管V1可以用PNP三极管替代，所述N沟道场效应管V2可以用NPN三极管替代。
所述运算放大器N1A、N1B可以用比较器代替。
所述输入正极的电压为7V-18V。
所述升降压控制端与单片机或FPGA连接。
所述PWM控制端的幅值为5V。
工作原理：该稳压电源电路的工作过程分析如下：
1、当电路的输入正极和输入负极接入输入电源时，输入电源经过电阻R1，在稳压二极管D3上产生稳定的参考电压Vref，Vref可以是1V～4V之间的某个值，典型如2.4V；Vref电压提供给运算放大器N1A的正向输入端和运算放大器N1B的反向输入端作为比较电压；
2、当升降压控制端输入低电平时，会通过二极管D5将运算放大器N1B的正向输入端拉低，此时运算放大器N1B的反向输入端电压(2.4V)大于正向输入端电压，运算放大器N1B的输出为低电平，使场效应管V2处于截止关断状态；这时如果PWM控制端输出PWM波形，PWM信号经过电阻R2加到了运算放大器N1A的反向输入端，此时由于升降压控制端为低电平，二极管D4处于反向截止状态，由于PWM的信号幅值为5V，大于Vref电压值，当PWM信号为高电平时，运算放大器N1A的反向输入端电压会高于运算放大器N1A正向输入端的Vref电压，这时运算放大器N1A输出低电平，使P沟道场效应管V1饱和导通；当PWM信号为低电平时，运算放大器N1A的反向输入端电压会低于运算放大器N1A正向输入端的Vref电压，这时运算放大器N1A输出高电平，使P沟道场效应管V1截止关断；因此P沟道场效应管V1受控于PWM信号，此时由于场效应管V2处于截止关断状态不起作用，由场效应管V1、二极管D1、电感L1、二极管D2和电容C1构成了BUCK降压输出电路，电源电路工作在BUCK降压模式；
3、当升降压控制端输入高电平(5V)时，会通过D4将运算放大器N1A的反向输入端拉到高电平，此时运算放大器N1A的反向输入端电压大于正向输入端电压(2.4V)，N1A运算放大器的输出为低电平，使场效应管V1处于完全导通状态，相当于输入电源直接连接到了电感L1；这时如果PWM控制端输出PWM波形，PWM信号经过电阻R3加到了运算放大器N1B的正向输入端，此时由于升降压控制端为高电平，二极管D5处于反向截止状态，由于PWM的信号幅值为5V，大于Vref电压值，当PWM信号为高电平时，运算放大器N1B的正向输入端电压会高于运算放大器N1B反向输入端的Vref电压，这时运算放大器N1B输出高电平，使N沟道场效应管V2饱和导通；当PWM信号为低电平时，运算放大器N1B的正向输入端电压会低于运算放大器N1B反向输入端的Vref电压，这时运算放大器N1B输出低电平，使N沟道场效应管V2截止关断；因此N沟道场效应管V2受控于PWM信号，此时由于场效应管V1处于完全导通状态，由场效应管V2、电感L1、二极管D2和电容C1构成了BOOST升压输出电路，电源电路工作在BOOST升压工作模式；由以上可知，当升降压控制端输入低电平时，该开关电源电路工作于BUCK降压工作状态，开关电源电路的输出电压大小由PWM控制端的脉冲宽度大小控制；当升降压控制端输入高电平时，该开关电源电路工作于BOOST升压工作状态，开关电源电路的输出电压大小由PWM控制端的脉冲宽度大小控制；因此该电路既可以实现降压转换功能，也可以实现升压转换功能。
实际应用中，以多功能锂离子电池充电器应用为例，采用该电路可以构成一个1节锂离子电池至6节串联锂离子电池的充电电路，输入电源电压为9V～15V，电路中稳压二极管D3采用2.4V的稳压值，采用一个单片机的IO口作为升降压控制端，采用单片机的PWM输出口作为PWM控制端，单片机的供电电压为5V，当接入的被充电电池的电压小于输入电源电压时，单片机可以控制升降压控制端为低电平，使电路工作于BUCK降压方式对电池进行充电；当接入的被充电电池的电压大等于输入电源电压时，单片机可以控制升降压控制端为高电平，使电路工作于BOOST升压方式对电池进行充电，这样无论接入的是单节3.6V的锂离子电池组还是6节串联的22.2V锂离子电池组，该充电电路都可以正常充电，具有适用范围广的特点。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (7)

1.一种可降压也可升压的直流开关电源转换电路，包括输入正极、输入负极、升降压控制端、PWM控制端、电阻R1-R3、二极管D1、D2、D3、D4、D5、运算放大器N1A、N1B、电感L1、电容C1、N沟道场效应管V2、P沟道场效应管V1、输出负极以及输出正极，其特征在于：所述二极管D3为稳压二极管，所述输入正极与电阻R1的一端、运算放大器N1A的正电源端以及场效应管V1的S极相连接；电阻R1的另一端与稳压二极管D3的负极以及运算放大器N1A的正向输入端和运算放大器N1B的反向输入端相连接；运算放大器N1A的输出端与场效应管V1的栅极连接；场效应管V1的漏极与电感L1的一端及二极管D1的负极相连接；电感L1的另一端与场效应管V2的漏极以及二极管D2的正极相连接；二极管D2的负极与电容C1的正极以及输出正极相连接；升降压控制端与二极管D4的正极以及二极管D5的负极相连接；二极管D4的负极与电阻R2的一端以及运算放大器N1A的反向输入端相连接；二极管D5的正极与电阻R3的一端以及运算放大器N1B的正向输入端相连接；PWM控制端与电阻R2的另一端及电阻R3的另一端相连接；运算放大器N1B的输出端与场效应管V2的栅极连接；输入负极与稳压二极管D3的正极、运算放大器N1的电源负端、二极管D1的正极、场效应管V2的源极以及电容C1的负极相连接，构成共地连接，电路中电阻R1和稳压二极管D3产生稳定的参考电压Vref提供给两个运算放大器的输入端，升降压控制端输入低电平时可以通过二极管D5将运算放大器N1B的正向输入端拉低，使电路工作在BUCK降压模式；升降压控制端输入高电平时可以通过二极管D4将运算放大器N1A的反向输入端拉高，使电路工作在BOOST升压状态；当降压状态工作时，PWM控制端通过电阻R2和运算放大器N1A驱动场效应管V1处于PWM开关工作状态，这时由场效应管V1、二极管D1、电感L1、二极管D2和电容C1构成BUCK降压输出
电路；当升压状态工作时，PWM控制端通过电阻R3和运算放大器N1B驱动场效应管V2处于PWM开关工作状态，这时由场效应管V2、电感L1、二极管D2和电容C1构成BOOST升压输出电路。
2.根据权利要求1所述的一种可降压也可升压的直流开关电源转换电路，其特征在于：所述参考电压Vref大小为1-4V，由电阻R1和稳压二极管D3分压产生，也可以由电阻或电位器分压产生。
3.根据权利要求1所述的一种可降压也可升压的直流开关电源转换电路，其特征在于：所述P通道场效应管V1可以用PNP三极管替代，所述N沟道场效应管V2可以用NPN三极管替代。
4.根据权利要求1所述的一种可降压也可升压的直流开关电源转换电路，其特征在于：所述运算放大器N1A、N1B可以用比较器代替。
5.根据权利要求1所述的一种可降压也可升压的直流开关电源转换电路，其特征在于：所述输入正极的电压为7V-18V。
6.根据权利要求1所述的一种可降压也可升压的直流开关电源转换电路，其特征在于：所述升降压控制端与单片机或FPGA连接。
7.根据权利要求1所述的一种可降压也可升压的直流开关电源转换电路，特征在于：所述PWM控制端的幅值为5V。
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