CN109494989B - 一种小功率电压补偿组合式dc/dc变换器电路及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小功率电压补偿组合式DC/DC变换器电路及其工作方法，包括辅助功率变换电路和主功率变换电路，辅助功率变换电路采用固定占空比工作的单端正激变换结构；主功率变换电路为BUCK结构，通过辅助功率变换电路的功率补偿，实现主功率变换电路在输入电压设定阈值以下升压输出，输入电压在设定阈值以上关断辅助功率变换电路，用于主功率变换电路自主完成降压输出。本发明采用简单易控的线路结构在保证高效率降压的同时实现了输入低电压时升压转换，解决了现有升降压变换器在转换效率、线路复杂度方面的兼容性。
Description
技术领域
本发明属于电压补偿技术领域，具体涉及一种小功率电压补偿组合式DC/DC变换器电路及其工作方法，适用于有升降压、高效率需求的开关电源应用场合。
背景技术
升降压DC/DC变换器功率拓扑结构可分为隔离式或非隔离式，隔离式又分为：反激式、正激式或推挽拓扑结构等；非隔离式主要为BUCK-BOOST级联结构或BOOST-BUCK结构。
(1)隔离式拓扑结构由于变压的存在可实现输出升降压功能，但同时能量通过变压器传递会带来固有的磁芯损耗而影响转换效率，此外前后级信号的隔离传递线路比较复杂，损耗也相对较大。
(2)非隔离升降压BUCK-BOOST拓扑结构原理如图1所示，该线路为四管升降压拓扑结构，其采用BUCK结构与BOOST结构级联而成。电路工作时，通过对输入电压的检测来确定电路工作与升压模式或者降压模式。当升压模式时，S1闭合、S2断开，S3、S4以PWM方式交替工作。当降压模式时，S3断开、S4闭合，S1、S2以PWM方式交替工作。可实现输出升降压功能。但该线路存在以下问题：①功率拓扑的级联影响转换效率；②使用MOS管数量较多，控制线路复杂；③电感参数的设计需兼容升压与降压工作模式，所需电感尺寸容量较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种小功率电压补偿组合式DC/DC变换器电路及其工作方法，实现主功率电路的升降压、高效率转换。
本发明采用以下技术方案：
一种小功率电压补偿组合式DC/DC变换器电路，包括辅助功率变换电路和主功率变换电路，辅助功率变换电路采用固定占空比工作的单端正激变换结构；主功率变换电路为BUCK结构，通过辅助功率变换电路的功率补偿，实现主功率变换电路在输入电压设定阈值以下升压输出，输入电压在设定阈值以上关断辅助功率变换电路，用于主功率变换电路自主完成降压输出。
具体的，辅助功率变换电路包括：输入滤波电容C1、VDMOS管Q1、RCD磁芯复位电路、输出整流二极管D1、输出续流二极管D2、变压器T1，C1的一端与RCD磁芯复位电路、T1初级侧同名端接输入电压Vin的正端，另一端接地；RCD磁芯复位电路与Q1的漏极、T1初级侧异名端相连；Q1的源极接地，Q1的栅极接外部固定占空比的驱动信号；T1的次级同名端接二极管D1的阳极，D1的阴极与D2的阴极接入到主功率变换电路中Q2的漏极；D2的阳极接T1次级侧异名端，并接入到Vin端。
进一步的，RCD磁芯复位电路包括D3、C2和R1，C2、R1初级侧同名端接输入电压Vin的正端，电阻R1另一端分别与电容C2的另一端和D3的阴极相连，D3的阳极与Q1的漏极、T1初级侧异名端相连。
具体的，主功率变换电路包括：MOS管Q2、续流二极管D4、电感L1、输出电容Co、输出负载电阻RL；MOS管Q2漏极接辅助功率变换电路的输出整流二极管D1、输出续流二极管D2的阴极，Q2的源极与D4的阴极连接到电感L1的一端；Q2的栅极连接到主功率变换电路的PWM控制器，D4阴极接地，L2的另一端、Co与输出负载电阻RL相连，Co与RL另一端接地。
具体的，主功率变换电路为开关式降压三端稳压电路。
一种小功率电压补偿组合式DC/DC变换器电路的工作方法，当输入电压Vin小于设定值时，辅助功率变换电路对主功率变换电路进行功率补偿，实现主功率变换电路的升压输出；当输入电压Vin大于设定值时，关断辅助功率变换电路，a、b节点通过二极管D2直接连通，主功率变换电路工作于BUCK降压模式。
具体的，当输入电压Vin小于设定值时，具体步骤如下：
辅助功率变换电路的VDMOS管Q1与主功率变换电路的MOS管Q2的开关频率同步，Q2占空比根据输出电压Vo进行PWM调制；
每个周期内当Q1、Q2同时开通时，辅助功率变换电路将产生补偿功率并通过主功率变换电路中a、b点接入，形成Vab串联到Vin回路中；
在ton时间内，主功率变换电路输入电压为Vin+Vab，最后通过Q2的PWM调制将Vin+Vab稳定到Vo，实现低端输入时升压变换。
进一步的，Q1工作于固定占空比45％。
进一步的，主功率变换电路中a点电压的Va为补偿电压Vab与Vin之和。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种小功率电压补偿组合式DC/DC变换器电路，采用一降压变换电路BUCK作为主功率变换电路，通过一辅助功率变换电路对主功率变换电路进行升压阶段小功率电压补偿，实现在低压输入时升压变换。当输入电压在设定值以上时关断辅助功率变换电路，切断其功率补偿，实现高效率降压变换。
进一步的，主功率变换电路为BUCK拓扑结构，只能实现降压输出，为了满足同时具备输出升压、降压的需求，通过辅助功率变换电路的功率补偿可以使主功率变换电路实现输出升压或降压功能。
进一步的，由于辅助功率变换电路采用单端正激拓扑结构，当MOS管Q1开通时，输入电压Vin试驾与变压器T1初级绕组，变压器磁芯正向励磁，并且通过二极管D1输出能量，当MOS管Q1关断时，变压器励磁能量必须通过RCD复位电路进行释放，从而实现磁芯磁通复位。
进一步的，主功率变换电路为BUCK拓扑结构，可实现降压输出，结构简单、转换效率高。
进一步的，采用开关式降压三端稳压电路，具备输出降压功能，转换效率高。
本发明还公开了一种小功率电压补偿组合式DC/DC变换器电路的工作方法，当输入电压Vin大于设定值时，关断辅助功率变换电路，a、b节点通过二极管D2直接连通，主功率变换电路工作于BUCK降压模式。由于辅助功率变换电路关断，此部分的开关损耗、变压器磁芯损耗、整流损耗降为0，使得输入电压在设定值以上时保持高效率转换，工作电压波形同BUCK变换器一致。
进一步的，当输入电压Vin小于设定值时，打开辅助功率变换电路，辅助功率变换电路接入主功率变换电路中节点a、b，形成Vab串联到Vin回路中，完成对主功率变换电路的功率补偿，实现主功率变换电路升压转换，辅助功率变换电路只有在输入电压较低时启动，在输入为典型及以上电压时，辅助功率变换电路不工作，实现整体转换功率最优化。
进一步的，辅助功率变换电路采用单端正激拓扑结构，采用RCD方式进行磁芯复位，根据单端正激变换器伏秒平衡原则，需保证MOS管Q1占空比小于50％，一般经验值为45％。
综上所述，本发明采用简单易控的线路结构在保证高效率降压的同时实现了输入低电压时升压转换，解决了现有升降压变换器在转换效率、线路复杂度方面的兼容性。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为四管升降压变换器；
图2为小功率补偿组合式、高效率DC/DC电路；
图3为辅助功率补偿时各节点电压波形；
图4为本发明应用实例图；
图5为Vin＝8V时，补偿后a点电压波形；
图6为Vin＝9V时，补偿后a点电压波形；
图7为小功率电压补偿组合式DC/DC变换器扩展电路。
其中：1.辅助功率变换电路；2.主功率变换电路。
具体实施方式
本发明提供了一种小功率电压补偿组合式DC/DC变换器电路及其工作方法，通过辅助功率变换电路的功率补偿，实现主功率变换电路在输入电压设定阈值以下升压输出，输入电压在设定阈值以上关断辅助功率变换电路，主功率变换电路自主完成降压输出。
请参阅图2，本发明一种小功率电压补偿组合式DC/DC变换器电路，包括辅助功率变换电路1和主功率变换电路2，辅助功率变换电路1采用固定占空比工作的单端正激变换结构；主功率变换电路2为BUCK结构，采用三端降压稳压电路。
辅助功率变换电路1包括：输入滤波电容C1、VDMOS管Q1、RCD磁芯复位电路(D3、C2、R1)、输出整流二极管D1、输出续流二极管D2、变压器T1。
C1一端与C2、R1、T1初级侧同名端接输入电压Vin的正端，C1的另一端接地；电阻R1另一端接电容C2的另一端与D3的阴极相连，D3的阳极与Q1的漏极、T1初级侧异名端相连；Q1的源极接地，Q1的栅极接外部固定占空比的驱动信号；T1的次级同名端接二极管D1的阳极，D1的阴极与D2的阴极接入到主功率变换电路2中Q2的漏极；D2的阳极接T1次级侧异名端，并接入到Vin端。
主功率变换电路2包括：MOS管Q2、续流二极管D4、电感L1、输出电容Co、输出负载电阻RL。
MOS管Q2漏极接辅助功率变换电路D1、D2的阴极，Q2的源极与D4的阴极连接到电感L1的一端；Q2的栅极连接到主功率变换电路的PWM控制器，D4的阴极接地，L2的另一端、Co与输出负载电阻RL相连，Co与RL另一端接地。
具体工作方式：辅助功率变换电路1为具有使能控制的固定占空比工作的单端正激结构，主功率变换电路2为开关式降压三端稳压电路(BUCK)。
(1)当输入电压Vin小于设定值时，辅助功率变换电路1对主功率变换电路2进行功率补偿，实现主功率变换电路(BUCK电路)的升压输出。
MOS管Q1与Q2的开关频率同步，Q1工作于固定占空比，约45％，Q2占空比根据输出电压Vo进行PWM调制。
每个周期内当Q1、Q2同时开通时，辅助功率变换电路1将产生一补偿功率通过主功率变换电路中a、b点接入，形成Vab串联到Vin回路中。
在ton时间内，主功率变换电路输入电压为Vin+Vab。最后通过Q2的PWM调制将Vin+Vab稳定到Vo。实现低端输入时升压变换。
波形如图3所示，Q1G为辅助功率补偿MOS驱动，固定占空比(45％)，Vab为辅助功率补偿电路补偿的电压，Va为主功率变换电路中a点电压，该点电压为补偿电压Vab与Vin之和，Q2G为主功率变换电路PWM调节驱动波形，Vc为主功率变换电路中c点电压。
(2)当输入电压Vin大于设定值时，关断辅助功率变换电路1，a、b节点通过二极管D2直接连通，主功率变换电路工作于BUCK降压模式。
由于辅助功率变换电路关断，此部分的开关损耗、变压器磁芯损耗、整流损耗降为0，使得输入电压在设定值以上时保持高效率转换，工作电压波形同BUCK变换器一致。
补偿原理：
请参阅图5和图6，假设输入电压Vin＝8V，补偿电压为Vab，补偿后电压为Vs，输出电压为9V，PWM占空比D最大为90％，补偿电压占空比为45％。根据BUCK变换器变换公式Vs＝Vo/D，Vs＝10V，因此在Ton时间段内需补偿的电压为Vs-Vin＝2V，折算到45％的占空比中，Vab＝(2×0.45)/0.9＝4V，波形如图5所示。当输入电压上升为9V时，补偿电压Vab为4.5V，波形如图6所示。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
通过试验进行效果验证
请参阅图4，用于实验的电路参数为：
输入电压8V-15，输出9V/2.5A，输出功率为22.5W。
当Vin：8～9V，升压变换，Vo：9V，Io：2.5A。
当Vin：9～15V，降压变换，Vo：9V，Io：2.5A，转换效率86％。
应用于输入电压8V-15V，典型输入电压12V，输出电压9V，输出功率为22.5W的DC/DC变换器中。
通过辅助功率变换电路1对主功率变化电路2进行功率补偿，在Vin小于设定阈值条件下，对主功率变换电路进行功率补偿，实现输出升压；当Vin大于设定阈值时，关断辅助功率变换电路，仅靠主功率变换电路输出降压。该线路中二极管D1、D2、D4可采用VDMOS管替代，通过同步整流方式进一步提升转换效率。
辅助功率变换电路也可串接到输出电感L1与Vo之间进行功率补偿，具体线路如图7所示，输出电压的稳定通过主功率变换电路Q2的PWM调节进行稳压。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种小功率电压补偿组合式DC/DC变换器电路的工作方法，其特征在于，小功率电压补偿组合式DC/DC变换器电路，包括辅助功率变换电路(1)和主功率变换电路(2)，辅助功率变换电路(1)采用固定占空比工作的单端正激变换结构；主功率变换电路(2)为BUCK结构，通过辅助功率变换电路(1)的功率补偿，实现主功率变换电路(2)在输入电压设定阈值以下升压输出，输入电压在设定阈值以上关断辅助功率变换电路，用于主功率变换电路(2)自主完成降压输出；
辅助功率变换电路(1)包括：输入滤波电容C1、VDMOS管Q1、RCD磁芯复位电路、输出整流二极管D1、输出续流二极管D2、变压器T1，C1的一端与RCD磁芯复位电路、T1初级侧同名端接输入电压Vin的正端，另一端接地；RCD磁芯复位电路与Q1的漏极、T1初级侧异名端相连；Q1的源极接地，Q1的栅极接外部固定占空比的驱动信号；T1的次级同名端接二极管D1的阳极，D1的阴极与D2的阴极接入到主功率变换电路(2)中Q2的漏极；D2的阳极接T1次级侧异名端，并接入到Vin端；
主功率变换电路(2)为开关式降压三端稳压电路，包括：MOS管Q2、续流二极管D4、电感L1、输出电容Co、输出负载电阻RL；MOS管Q2漏极接辅助功率变换电路(1)的输出整流二极管D1、输出续流二极管D2的阴极，Q2的源极与D4的阴极连接到电感L1的一端；Q2的栅极连接到主功率变换电路(1)的PWM控制器，D4阴极接地，L2的另一端、Co与输出负载电阻RL相连，Co与RL另一端接地，RCD磁芯复位电路包括D3、C2和R1，C2、R1初级侧同名端接输入电压Vin的正端，电阻R1另一端分别与电容C2的另一端和D3的阴极相连，D3的阳极与Q1的漏极、T1初级侧异名端相连，当输入电压Vin小于设定值时，辅助功率变换电路对主功率变换电路进行功率补偿，实现主功率变换电路的升压输出；当输入电压Vin大于设定值时，关断辅助功率变换电路，a、b节点通过二极管D2直接连通，主功率变换电路工作于BUCK降压模式，Q1工作于固定占空比45％，主功率变换电路中a点电压的Va为补偿电压Vab与Vin之和；
当输入电压Vin小于设定值时，具体步骤如下：
辅助功率变换电路的VDMOS管Q1与主功率变换电路的MOS管Q2的开关频率同步，Q2占空比根据输出电压Vo进行PWM调制；
每个周期内当Q1、Q2同时开通时，辅助功率变换电路将产生补偿功率并通过主功率变换电路中a、b点接入，形成Vab串联到Vin回路中；
在ton时间内，主功率变换电路输入电压为Vin+Vab，最后通过Q2的PWM调制将Vin+Vab稳定到Vo，实现低端输入时升压变换。
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