CN109067174A - 一种开关变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关变换器，包括整流滤波电路、第一降压电路、第二降压电路、启动电路、控制及驱动电路和控制及驱动供电电路；本发明采用两级级联降压电路，第一降压电路的输出作为第二降压电路和控制及驱动供电电路的输入，同时，第一降压电路的输出经控制及驱动供电电路控制处理后作为控制及驱动电路的输出提供工作电压，控制及驱动电路实时采集第一降压电路和第二降压电路的输出电压用以驱动控制两级级联降压电路中的功率管的开通与关断，调节两联级降压电路的占空比，实现输出电压可调，既能满足高降压比要求，又可以避免过小、过窄的占空比现象，还能极大地降低空载功耗，提升了电路性能。

Description

一种开关变换器
技术领域
本发明涉及一种开关变换器，特别涉及一种高降压比的非隔离型降压开关变换器。
背景技术
功率变换器在实际的应用场合中，在部分场合对输入/输出之间没有电气隔离要求，但对电路的性能和空载功耗有着较高的要求。需要将整流后的市电直接转换为低压电给负载供电，比如输出电压5V，同时要求电路的空载功耗满足开关电源六级能效标准。
一般地，功率变换器的输入交流电压范围为85V～265V，经整流滤波后的直流电压约为100V～375V。若仅采用单级降压变换器，当电路稳态工作时，其占空比的变化范围为1.3％～5％(假设电路工作在CCM(Continuous ConductionMode)时，输出电压为5V)。然而，过小、过窄的占空比容易导致控制不稳定、功率管无法可靠开通等问题，从而使得电路性能极大地下降。另外一个问题是：控制及驱动一般采用12V左右电压进行供电，若仅采用一级降压变换器，只能从整流滤波后的高压侧进行降压取电，或者从输出低压侧进行升压取电，为控制及驱动提供电压，这样会增加成本及降低电路效率。从上述两个问题来看，仅采用一级降压变换器拓扑，难以满足性能及空载功耗的要求，从而使得其应用范围受限。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是克服现有方法的不足，提出一种开关变换器的电路方案，既能实现高降压比功能，避免过小、过窄的占空比问题，也能使得空载功耗满足电源六级能效标准，从而可满足实际应用需求。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种开关变换器，包括整流滤波电路、第一降压电路、第二降压电路、启动电路、控制及驱动电路和控制及驱动供电电路；整流滤波电路的输入端作为开关变换器的输入端，整流滤波电路的输出端连接第一降压电路的输入端和启动电路的输入端；第一降压电路的输出端连接第二降压电路的输入端、控制及驱动供电电路的输入端、控制及驱动电路的第一输入端；第二降压电路的输出端连接控制及驱动电路的第二输入端，并作为开关变换器的输出端；启动电路的输出端和控制及驱动供电电路的输出端同时连接控制及驱动电路的第三输入端；控制及驱动电路的第一输出端和第二输出端分别连接第一降压电路的控制端和第二降压电路的控制端；
整流滤波电路用于接收输入交流电压进行整流滤波后输出平滑的直流电压；第一降压电路用于接收该直流电压并经过降压处理后为第二降压电路和控制及驱动供电电路提供输入电压；第二降压电路接收该输入电压进行降压处理得到最终输出电压；启动电路用于为控制及驱动电路提供启动电压；控制及驱动供电电路用于为控制及驱动电路提供启动后的工作电压；控制及驱动电路采集第一降压电路和第二降压电路的输出电压信号并分别输出两路控制信号至第一降压电路和第二降压电路用于调整第一降压电路和第二降压电路的占空比。
优选地，整流滤波电路由整流桥和第一电容组成；整流桥的输入正作为整流滤波电路的输入端正，整流桥的输入负作为整流滤波电路的输入端负，整流桥的输出正作为整流滤波电路的输出端，整流桥的输出负作为开关变换器的公共地，第一电容并联在整流桥的输出正和输出负之间。
优选地，启动电路为线性稳压电路或为可控恒流源供电电路。
优选地，作为控制及驱动供电电路的一种实施方案，由第五电阻、第一稳压管、第一三极管、第四电容、第五电容组成；第五电阻的一端与第一三极管的集电极连接，连接点作为控制及驱动供电电路的输入端，第五电阻的另一端与第一稳压管的阴极、第一三极管的基极、第四电容的一端连接；第一稳压管的阳极与第四电容的另一端、第五电容的一端、公共地连接；第五电容的另一端连接三极管的发射极，此连接点作为控制及驱动供电电路的输出端。
优选地，作为控制及驱动供电电路的另一种实施方案，由恒流源、控制电路、开关、第六电容组成；恒流源的输入端作为控制及驱动供电电路的输入端，恒流源的输出端与开关的一端连接，开关的另一端与第六电容的一端、控制电路的第一输入端连接，此连接点作为控制及驱动供电电路的输出端，第六电容的另一端与控制电路的第二输入端、公共地连接，控制电路的输出端与开关的控制端连接。
优选地，第一降压电路和第二降压电路为采用二极管续流的降压电路或为采用同步整流的降压电路。
优选地，第二降压电路为高侧驱动或低侧驱动的降压电路。
优选地，第一降压电路由第一功率管、第一二极管、第二电容、第一电感组成；第一功率管的漏极作为第一降压电路的输入端；第一功率管的栅极作为第一降压电路的控制端，第一功率管的源极与第一二极管的阴极、第一电感的一端连接，第一二极管的阴极连接公共地；第一电感的另一端连接第二电容的一端，并作为第一降压电路的输出端，第二电容的另一端连接公共地。
优选地，作为第二降压电路的一种实施方案，由第二功率管、第二二极管、第三电容和第二电感组成；第二二极管的阴极与第三电容的一端连接，此连接点同时作为第二降压电路的输入端和输出端，第二二极管的阳极与第二功率管的漏极、第二电感的一端连接；第二功率管的源极连接公共地，第二功率管的栅极作为第二降压电路的控制端；第三电容的另一端与第二电感的另一端连接，接出为输出地。
优选地，作为第二降压电路的另一种实施方案，第二功率管、第三功率管、第三电容和第二电感组成；第二功率管的漏极作为第二降压电路的输入端，第二功率管的源极与第三功率管的漏极、第二电感的一端连接，第三功率管的源极同时连接公共地和输出地，第二电感的另一端作为第二降压电路的输出端，第三电容并联在第二降压电路的输出端与输出地之间，第一功率管和第二功率管的栅极分别作为第二降压电路的两路控制端。
优选地，控制及驱动电路的第二输出端包括第二输出第一端和第二输出第二端，第二降压电路的两路控制端包括控制第一端和控制第二端；第一功率管的栅极作为第二降压电路的控制第一端连接控制及驱动电路的第二输出第一端；第二功率管的栅极作为第二降压电路的控制第二端连接控制及驱动电路的第二输出第二端。
优选地，第一功率管、第二功率管、第三功率管为N-MOS管或IGBT。
本发明所提的方案的工作原理在具体实施例进行详细介绍，综合工作原理，本发明克服了现有降压开关变换器的不足，其有益效果为：
(1)可避免过小、过窄的占空比控制问题，极大地提高电路稳定性；
(2)可通过一个控制IC实现第一降压电路和第二降压电路的控制，节省控制电路回成本；
(3)通过利用第一降压电路输出电压作为控制及驱动供电电路的输入电压，极大地降低电路的空载功耗，满足电源六级能效标准要求。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明开关变换器的第一实施例电路原理图；
图3为本发明的第一实施例的控制及驱动供电电路第一种实施方式的电路原理图；
图4为本发明的第一实施例的控制及驱动供电电路第二种实施方式的电路原理图；
图5为本发明开关变换器的第二实施例电路原理图。
具体实施方式
图1为本发明的原理框图，包括整流滤波电路、第一降压电路、第二降压电路、启动电路、控制及驱动电路和控制及驱动供电电路；整流滤波电路的输入端作为开关变换器的输入端，整流滤波电路的输出端连接第一降压电路的输入端和启动电路的输入端；第一降压电路的输出端同时连接第二降压电路的输入端、控制及驱动供电电路的输入端、控制及驱动电路的第一输入端；第二降压电路的输出端连接控制及驱动电路的第二输入端，并作为开关变换器的输出端；启动电路的输出端和控制及驱动供电电路的输出端同时连接控制及驱动电路的第三输入端；控制及驱动电路的第一输出端和第二输出端分别连接第一降压电路的控制端和第二降压电路的控制端；
整流滤波电路用于接收输入交流电压进行整流滤波后输出平滑的直流电压；第一降压电路用于接收该直流电压并经过降压处理后为第二降压电路和控制及驱动供电电路提供输入电压；第二降压电路接收该输入电压进行降压处理得到最终输出电压；启动电路用于为控制及驱动电路提供启动电压；控制及驱动供电电路用于为控制及驱动电路提供启动后的工作电压；控制及驱动电路采集第一降压电路和第二降压电路的输出电压信号并分别输出两路控制信号至第一降压电路和第二降压电路用于调整第一降压电路和第二降压电路的占空比。
本发明的发明构思为采用两个降压拓扑级联构成大降压比电路，第一降压电路的输出作为控制及驱动供电电路和第二降压电路的输入，控制及驱动供电电路的输出作为控制及驱动电路的输入为其提供工作电压，控制及驱动电路分别检测采集两级级联降压电路的输出进而控制两级级联降压电路的占空比，拓宽电路占空比的范围，实现大降压比功能，两级级联降压拓扑的占空比为又因第一降压电路输出电压(相对于输入端高压)较低，经过控制及驱动供电电路控制处理后输出至控制及驱动电路，能够满足控制及驱动供电要求，极大地降低电路的空载功耗。
以下结合附图及实施例，对本发明进行说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
第一实施例
图2为本发明开关变换器第一实施例电路原理图，各模块的组成及连接关系如下：
整流滤波电路：包括整流桥DB1和电容C1，整流桥DB1的输入正作为整流滤波电路的输入端，整流桥DB1的输入负作为整理滤波电路的输入地，整流桥DB1的输出正作为整流滤波电路的输出端，整流桥DB1的输出负作为整流滤波电路的输出地，并作为开关变换器的公共地Vin-，电容C1连接在整流桥DB1的输出正与输出负之间；整流滤波电路接收输入交流电压AC经过整流滤波处理为后级电路的提供稳定的直流输入电压Vin。
第一降压电路，为采用二极管续流的降压电路，包括MOS管Q1、二极管D1、电感L1和电容C2；MOS管Q1的漏极作为第一降压电路的输入端接收输入电压Vin，MOS管Q1的源极连接电感L1的一端和二极管D1的阴极，MOS管的栅极作为第一降压电路的控制端，电感L1的另一端作为第一降压电路的输出端输出电压V1，二极管D1的阳极连接公共地Vin-，电容C2的一端连接电感L1的另一端，电容C2的另一端连接公共地Vin-。
第二降压电路，为采用二极管续流的降压电路，包括MOS管Q2、二极管D2、电感L2和电容C3；二极管D2的阴极作为第二降压电路的输入端连接电感L1的另一端，同时还作为第二降压电路的输出端，二极管的阳极连接MOS管Q2的漏极和电感L2的一端，MOS管Q2的源极连接公共地Vin-，MOS管Q2的栅极作为第二降压电路的控制端，电感L2的另一端连接输出地，电容C3并联连接在第二降压电路的输出端和输出地之间；第二降压电路接收第一降压电路输出的输出电压V1经过降压处理后得到输出电压Vo。
由于经过的两级降压拓扑的降压处理，输出电压Vo与输入电压Vin相比电压很小，两级级联降压拓扑的占空比为：采用两级级联降压拓扑大大拓宽了电路占空比的范围，实现了电路大降压比功能。
控制及驱动供电电路，其中一种实施方式，如图3所示：包括三极管Q3、稳压管D3、电阻R5、二极管C4和二极管C5；电阻R5的一端与三极管Q3的集电极连接作为控制及驱动供电电路的输入端获取电压V1，电阻R5的另一端连接稳压管D3的阴极、三极管Q3的基极、电容C4的一端，稳压管D3的另一端连接电容C4的另一端，该连接点连接公共地Vin-，稳压管D3的另一端经过电容C5连接三极管Q3的发射极，此节点作为控制及驱动电路的输出端；控制及驱动供电电路为控制及驱动电路提供工作电压VDD。此电路的工作原理为：
电压V1经稳压管D3稳压在稳压管D3的阴极获得一稳定电压并由三极管Q3的发射极输出，为控制及驱动电路提供电压VDD，由于三极管Q3本身构成一个射极跟随器，电压VDD与稳压管D3的阴极电压相比仅相差三极管Q3的基极-发射极的导通压降，通过稳压管选型能够获得不同的输出电压VDD。
控制及驱动供电电路的另一种实施方式，如图4所示：包括恒流源、开关S1、控制电路和电容C6；恒流源的输入端作为控制及驱动供电电路的输入端获得电压V1，恒流源的输出端连接开关S1的一端，开关S1的另一端与控制电路的第一输入端、电容C6的一端连接，此连接点作为控制及驱动电路的输出端输出电压VDD，电容C6的另一端与控制电路的第二输入端、输入负vin-连接，控制电路的输出端与开关S1的控制端连接，电路工作原理为：
第一降压电路输出电压V1经恒流源给电容C6充电，控制及驱动供电电路为后级电路提供工作电压VDD，当电容C6上的电压上升到控制及驱动电路设置的关断电压时，控制电路将关断开关S1，该时由电容C6放电为后级控制及驱动电路供电输出电压VDD；当电容C6上的电压下降到控制及驱动电路设置的开启电压时，控制电路重新控制开关S1开通，由恒流源为电容C6充电，由恒流源为控制及驱动电路供电。
控制及驱动电路：利用单片机输出两路PWM控制信号，再通过驱动芯片分别对第一降压电路和第二降压电路的功率管进行驱动，实现功率管的开通和关断控制。电路启动工作后，电路实时采集第一降压电路的输出电压V1和第二降压电路的输出电压Vo，控制端GS1和控制端GS2分别连接第一降压电路的控制端和第二降压电路的控制端并输出两路控制信号，调整第一降压电路和第二降压电路的输出占空比。
该实施例的开关变换器的工作原理描述如下：
输入交流电压AC经整理滤波电路的整流滤波后在其输出端获得较为稳定的高压直流电Vin；该高压直流电经Vin经第一降压电路降压后，获得稳定的低压直流电压V1(电压值可设定在24V～40V之间)；第一降压电路输出的低压直流电压V1作为第二降压电路的输入电压并经过第二降压电路降压后获得更为稳定的低压直流电Vo(5V或3.3V)；启动电路在控制及驱动电路的启动过程提供启动电压，待控制及驱动电路启动完成后，该启动电路不再工作，如此有利于降低开关变换器的电路功耗；待控制及驱动电路启动完成后，控制及驱动供电电路接收第一降压电路输出的低压直流信号V1经过控制处理后输出控制及驱动电路工作所需的电压VDD(一般为12V)，控制及驱动电路正常工作，并实时检测采集第一降压电路和第二降压电路的输出端电压，控制调整第一降压电路与第二降压电路的占空比，用以实现开关变换器的稳压输出。
第二实施例
图5为本实施例的开关变换器的电路原理图，与第一实施例不同的是：第二降压电路采用了同步整流方式，实现第一降压电路和第二降压电路同一参考地，有利于控制及驱动电路对第一、第二降压电路的采样与控制。第二降压电路包括MOS管Q2、MOS管Q3、电容C3和电感L2，其连接关系为：MOS管Q2的漏极为第二降压电路的输入端，MOS管Q2的源极同时连接MOS管Q3的漏极和电感L2的一端；MOS管Q2的栅极作为第二降压电路的第一路控制端；电感L2的另一端相连于电容C3的一端，并作为第二降压电路的输出端；电容C3的另一端连接MOS管Q3的源极，并作为第二降压电路的输出地；MOS管Q3的栅极作为第二降压电路的第二路控制端。第二降压电路输出第一、第二控制端对应连接至控制及驱动电路的控制端GS2、GS3。本实施例其他电路功能原理与第一实施例一致，在此不再累述。
需要说明的是，第一实施中的控制及驱动供电电路的两种实施方案同样适用于本实施例的电路。
以上仅是本发明优选的实施方式，本发明所属领域的技术人员还可以对上述具体实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体控制方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (12)

1.一种开关变换器，其特征在于：包括整流滤波电路、第一降压电路、第二降压电路、启动电路、控制及驱动电路和控制及驱动供电电路；整流滤波电路的输入端作为开关变换器的输入端，整流滤波电路的输出端连接第一降压电路的输入端和启动电路的输入端；第一降压电路的输出端连接第二降压电路的输入端、控制及驱动供电电路的输入端、控制及驱动电路的第一输入端；第二降压电路的输出端连接控制及驱动电路的第二输入端，并作为开关变换器的输出端；启动电路的输出端和控制及驱动供电电路的输出端同时连接控制及驱动电路的第三输入端；控制及驱动电路的第一输出端和第二输出端分别连接第一降压电路的控制端和第二降压电路的控制端；
整流滤波电路用于接收输入交流电压进行整流滤波后输出平滑的直流电压；第一降压电路用于接收该直流电压并经过降压处理后为第二降压电路和控制及驱动供电电路提供输入电压；第二降压电路接收该输入电压进行降压处理得到最终输出电压；启动电路用于为控制及驱动电路提供启动电压；控制及驱动供电电路用于为控制及驱动电路提供启动后的工作电压；控制及驱动电路采集第一降压电路和第二降压电路的输出电压信号并分别输出两路控制信号至第一降压电路和第二降压电路用于调整第一降压电路和第二降压电路的占空比。
2.根据权利要求1所述的开关变换器，其特征在于：整流滤波电路由整流桥和第一电容组成；整流桥的输入正作为整流滤波电路的输入端正，整流桥的输入负作为整流滤波电路的输入端负，整流桥的输出正作为整流滤波电路的输出端，整流桥的输出负作为开关变换器的公共地，第一电容并联在整流桥的输出正和输出负之间。
3.根据权利要求1所述的开关变换器，其特征在于：启动电路为线性稳压电路或为可控恒流源供电电路。
4.根据权利要求2所述的开关变换器，其特征在于：控制及驱动供电电路由第五电阻、第一稳压管、第一三极管、第四电容、第五电容组成；第五电阻的一端与第一三极管的集电极连接，连接点作为控制及驱动供电电路的输入端，第五电阻的另一端与第一稳压管的阴极、第一三极管的基极、第四电容的一端连接；第一稳压管的阳极与第四电容的另一端、第五电容的一端、公共地连接；第五电容的另一端连接三极管的发射极，此连接点作为控制及驱动供电电路的输出端。
5.根据权利要求2所述的开关变换器，其特征在于：控制及驱动供电电路由恒流源、控制电路、开关、第六电容组成；恒流源的输入端作为控制及驱动供电电路的输入端，恒流源的输出端与开关的一端连接，开关的另一端与第六电容的一端、控制电路的第一输入端连接，此连接点作为控制及驱动供电电路的输出端，第六电容的另一端与控制电路的第二输入端、公共地连接，控制电路的输出端与开关的控制端连接。
6.根据权利要求2所述的开关变换器，其特征在于：第一降压电路和第二降压电路为采用二极管续流的降压电路或为采用同步整流的降压电路。
7.根据权利要求2所述的开关变换器，其特征在于：第二降压电路为高侧驱动或低侧驱动的降压电路。
8.根据权利要求6所述的开关变换器，其特征在于：第一降压电路由第一功率管、第一二极管、第二电容、第一电感组成；第一功率管的漏极作为第一降压电路的输入端；第一功率管的栅极作为第一降压电路的控制端，第一功率管的源极与第一二极管的阴极、第一电感的一端连接，第一二极管的阴极连接公共地；第一电感的另一端连接第二电容的一端，并作为第一降压电路的输出端，第二电容的另一端连接公共地。
9.根据权利要求7所述的开关变换器，其特征在于：第二降压电路由第二功率管、第二二极管、第三电容和第二电感组成；第二二极管的阴极与第三电容的一端连接，此连接点同时作为第二降压电路的输入端和输出端，第二二极管的阳极与第二功率管的漏极、第二电感的一端连接；第二功率管的源极连接公共地，第二功率管的栅极作为第二降压电路的控制端；第三电容的另一端与第二电感的另一端连接，接出为输出地。
10.根据权利要求7所述的开关变换器，其特征在于：第二降压电路由第二功率管、第三功率管、第三电容和第二电感组成；第二功率管的漏极作为第二降压电路的输入端，第二功率管的源极与第三功率管的漏极、第二电感的一端连接，第三功率管的源极同时连接公共地和输出地，第二电感的另一端作为第二降压电路的输出端，第三电容并联在第二降压电路的输出端与输出地之间，第一功率管和第二功率管的栅极分别作为第二降压电路的两路控制端。
11.根据权利要求10所述的开关变换器，其特征在于：控制及驱动电路的第二输出端包括第二输出第一端和第二输出第二端，第二降压电路的两路控制端包括控制第一端和控制第二端；第一功率管的栅极作为第二降压电路的控制第一端连接控制及驱动电路的第二输出第一端；第二功率管的栅极作为第二降压电路的控制第二端连接控制及驱动电路的第二输出第二端。
12.根据权利要求8至11任意一项所述的开关变换器，其特征在于：第一功率管、第二功率管、第三功率管为N-MOS管或IGBT。
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