CN109586564A - 一种高稳定度cuk电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高稳定度CUK电路，包括第一耦合电感、第三电感、场效应晶体管、第一电容、第四电容、第一二极管、第一电阻、第三电阻、第十电阻和第十一电阻，还包括：用于实现对输出电压的高稳定度控制、同时保证整个CUK电路的稳定运行的环路补偿电路；用于实现对场效应晶体管关断时刻控制的叠加电路；用于实现对场效应晶体管的开通时刻控制的震荡发生电路。本发明的CUK电路比现有自激式CUK变换电路控制更稳定，输出电压调整率更好，即使在温度变化范围很大的场合中也能保证变换器输出电压的稳定。同时无需辅助电源，驱动电路和比较器等集成芯片，电路简单，可靠性高，成本低。

Description

一种高稳定度CUK电路

技术领域

本发明涉及直流-直流变换器领域，具体地，涉及一种高稳定度CUK电路。

背景技术

在中小功率应用场合，与他激式DC/DC变换器和线性稳压电路相比，自激式DC/DC变换器具有电路简单、元器件少、效率高、成本低等显著优点。

目前自激式CUK变换器一般通过滞环比较器实现对功率开关管的开通控制；通过对输出电压采样后的信号与三极管的电压Vbe比较，再通过一定的电路实现对开关管的关断控制，进而达到输出电压稳定的目的。

中国CN201110373892.6号专利公开了基于MOSFET的自激式CUK变换器，如图1所示。图中输入电容Ci、电感L1、N型MOSFET M1、电容C、二极管D、电感L2及输出电容Co构成CUK变换器的主功率回路，还包括辅助电源U1、驱动电路U2和滞环比较器U3，辅助电源U1用于提供驱动电路U2和滞环比较器U3工作所需的各种直流电源电压，驱动电路U2为N型MOSFET M1的开通和关断提供必要的驱动，滞环比较器U3能够根据电容C1的电压值实现对功率MOSFETM1的开通时刻和关断时刻控制。工作原理如下：输出电压通过分压电阻R6与电阻R7分得电压与PNP三极管Q2的开启电压比较，当输出电压超过设定值时，三极管Q2导通，电容C1上电压通过电阻R4、三极管Q2支路加速放电，电容C1上的电压加速降低，当其降低至滞环比较器下限值时N型MOSFET M1关断，达到输出电压降低的目的，当N型MOSFET M1关断后，PNP三极管Q2基极电压降低，三极管Q2截止，电容C1通过二极管D1及电阻R1支路充电，当充电电压达到滞环比较器U3上限值时，N型MOSFET M1开启，进入下一个开关周期。

该电路的不足之处在于：

(1)输出电压通过电阻R6和电阻R7分压后与晶体管的基极电压比较，实现输出电压的稳定，而晶体管的导通电压在环境温度变化时变化很大，导致该电路的输出电压稳定度不高。

(2)需要增加辅助电源、驱动电路、滞环比较器等集成芯片，电路实现较复杂，成本高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种自激式CUK变换电路，以解决现有的自激式CUK变换电路输出电压稳定度不够的问题，同时去掉辅助电源和集成芯片，降低成本。

本发明采用的技术方案包括：一种高稳定度CUK电路，其特征在于，包括：第一耦合电感、第三电感、第一电阻、环路补偿电路、场效应晶体管、第一电容、第四电容、第一二极管、叠加电路、震荡发生电路、第三电阻、第十电阻、以及第十一电阻，其中，第一耦合电感的同名端和第一电阻的一端并联连接至外部输入电源的正极端，第一耦合电感的异名端连接至场效应晶体管的漏极，第一电阻的另一端与场效应晶体管的栅极连接；第四电容的一端连接至场效应晶体管的漏极，第四电容的另一端连接至第一二极管的阳极端，第一二极管的阴极端连接至外部输入电源的负极端；第三电感的一端连接于第一二极管的阳极端，另一端通过第一电容连接至外部输入电源的负极端；第三电阻的一端与场效应晶体管的源极相连，另一端连接至外部输入电源的负极端；第十电阻的一端连接至外部输入电源的负极端，其另一端与第十一电阻的一端串接，而第十一电阻的另一端连接至外部输出电压的负极端。

所述震荡发生电路包括第二耦合电感、第二电容、第二电阻、及第二二极管，其中，第二耦合电感与第一耦合电感采用同一磁芯，第二耦合电感的同名端顺序地与第二电容、第二电阻串联后连接于第二二极管的阴极端，同时连接至场效应晶体管的栅极，第二耦合电感的异名端与第二二极管的正极端并联连接至外部输入电源的负极端；震荡发生电路用于提供场效应晶体管开启所必要的电压。

所述环路补偿电路包括基准稳压器、第三电容、第八电阻及第九电阻，其中，第三电容与第八电阻串联后接于基准稳压器的基准端与阴极端之间；第九电阻的两端分别连接于输入电源负极端与基准稳压器的阴极端之间；基准稳压器的基准端还连接于第十电阻与第十一电阻之间；基准稳压器的阳极端还与输入电源的正极端相连。环路补偿电路用于实现对输出电压的高稳定度控制，同时保证整个CUK电路的稳定运行。

所述叠加电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、NPN型三极管、以及PNP型三极管，其中，第四电阻的一端连接至场效应晶体管的源极；第四电阻的另一端与第五电阻的一端共同连接至NPN型三极管的基极；NPN型三极管的发射极连接至外部输入电源的负极端，其集电极连接至场效应晶体管的栅极；第五电阻的另一端连接至PNP型三极管的集电极；第六电阻的一端和第七电阻的一端共同连接至PNP型三极管的基极，第六电阻的另一端与PNP型三极管的发射极联连接至输入电源的正极端，而第七电阻的另一端连接至所述环路补偿电路中基准稳压器的阴极端。叠加电路用于将环路补偿电路的输出信号与第三电阻两端的电压串联叠加后，实现对场效应晶体管关断时刻的控制。

有益效果

与现有技术相比，根据本发明的高稳定独CUK电路具备有益的技术效果：

(1)在本发明的环路补偿电路中，采用基准稳压器实现对输出电压的反馈和闭环控制，比现有自激式CUK变换电路控制更稳定，输出电压调整率更好，即使在温度变化范围很大的场合中也能保证变换器稳定的输出电压。

(2)在本发明的震荡发生电路中，无需外部辅助电源既能够实现对场效应管的驱动和开关控制，即同时通过耦合电感实现电路中场效应晶体管的开通控制，在该部分电路中增加了一个二极管，使耦合电感在场效应晶体管关断后能够为驱动电容第二电容C2充电，进而减少了耦合电感的匝数，自激电路更容易实现。

(3)无需辅助电源，驱动电路和比较器等集成芯片，电路简单，可靠性高，成本低。

附图说明

图1为现有技术中的自激式CUK变换器的电路图；

图2为根据本发明的高稳定CUK电路的电路示意图；

图3为根据本发明的高稳定CUK电路的工作原理图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的高稳定CUK电路做进一步详细的说明。

如图2所示，根据本发明的高稳定CUK电路包括第一耦合电感L1、第三电感L3、第一电阻R1、环路补偿电路3、场效应晶体管V1、第一电容C1、第四电容C4、第一二极管D1、叠加电路2、震荡发生电路1、第三电阻R3、第十电阻R10、以及第十一电阻R11。第一耦合电感L1的同名端和第一电阻R1的一端并联连接至外部输入电源的正极端，第一耦合电感L1的异名端连接至场效应晶体管V1的漏极，第一电阻R1的另一端与场效应晶体管V1的栅极连接；第四电容C4的一端连接至场效应晶体管V1的漏极，第四电容C4的另一端连接至第一二极管D1的阳极端，第一二极管D1的阴极端连接至外部输入电源的负极端；第三电感L3的一端连接于第一二极管D1的阳极端，另一端通过第一电容C1连接至外部输入电源的负极端；第三电阻R3的一端与场效应晶体管V1的源极相连，另一端连接至外部输入电源的负极端；第十电阻R10的一端连接至外部输入电源的负极端，其另一端与第十一电阻R11的一端串接，而第十一电阻R11的另一端连接至外部输出电压Vo的负极端。

在本发明的电路中，Vi(即外部输入电源电压)和Vo(即第十电阻和第十一电阻两端的电压)分别为变换器(即本发明的高稳定度CUK电路)的输入、输出电压。第一耦合电感L1、第三电感L3、第一电容C1、第四电容C4、第一二极管D1、场效应晶体管V1构成CUK主电路。在CUK主电路中，第三电阻R3串联在场效应晶体管V1的源极与外部输入电源的负极之间。其中，第三电阻R3与场效应晶体管V1的源极相连的一端与分压电阻第四电阻R4相连后与叠加电路的NPN型三极管Q1的基极相连，利用第三电阻R3实现对变换器主电路电流的采样，同时起过流保护作用。

在如图2所示的具体实施例中，环路补偿电路3用于实现输出电压高稳定度的控制，同时保证整个CUK电路的稳定运行，包括基准稳压器Z2、第三电容C3、第八电阻R8及第九电阻R9，其中，第三电容C3与第八电阻R8串联后接于基准稳压器Z2的基准端与阴极端之间；第九电阻R9的两端分别连接于输入电源负极端与基准稳压器Z2的阴极端之间；基准稳压器Z2的基准端还连接于第十电阻R10与第十一电阻R11之间；基准稳压器Z2的阳极端还与输入电源的正极端相连。

在如图2所示的具体实施例中，叠加电路2用于将环路补偿电路3中基准稳压器Z2的阴极端电压及第三电阻R3两端的电压处理后，实现对场效应晶体管V1关断时刻的控制，包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、NPN型三极管Q1、以及PNP型三极管Q2，其中，第四电阻R4的一端连接至场效应晶体管V1的源极；第四电阻R4的另一端与第五电阻R5的一端共同连接至NPN型三极管Q1的基极；NPN型三极管Q1的发射极连接至外部输入电源的负极端，其集电极连接至场效应晶体管V1的栅极；第五电阻R5的另一端连接至PNP型三极管Q2的集电极；第六电阻R6的一端和第七电阻R7的一端共同连接至PNP型三极管Q2的基极，第六电阻R6的另一端与PNP型三极管Q2的发射极联连接至输入电源的正极端，而第七电阻R7的另一端连接至所述环路补偿电路3中基准稳压器Z2的阴极端。

在如图2所示的具体实施例中，震荡发生电路1用于实现对场效应晶体管V1的开通时刻控制，包括第二耦合电感L2、第二电容C2、第二电阻R2、及第二二极管D2。其中，第二耦合电感L2与第一耦合电感L1采用同一磁芯，第二耦合电感L2的同名端顺序地与第二电容C2、第二电阻R2串联后连接于第二二极管D2的阴极端，同时第二二极管D2的阴极端与叠加电路2中的NPN型三极管Q1的集电极相连。第二耦合电感L2的异名端与第二二极管D2的正极端并联连接至外部输入电压的负极端。

下面结合图3说明根据本发明的自激式CUK电路的工作原理：

t0时刻，输入电压Vi接入电源，第一二极管D1导通，第四电容C4电压迅速充到输入电压Vi。同时，输入电压通过第一电阻R1为场效应晶体管V1提供栅极驱动电压，场效应晶体管V1开通，同时输入电压Vi通过第一电阻R1和第二电阻R2给第二电容C2充电，加在第一耦合电感L1上的电压为Vi(同名端为正)，耦合后第二耦合电感L2的电压(同名端为正)与第二电容C2上的电压叠加为Vi，维持场效应晶体管V1的导通，此后第一耦合电感L1进入充电储能阶段，其电感电流iL1上升，第四电容C4通过场效应晶体管V1给第一电容C1和电三电感L3放电，所以第四电容C4两端电压Uc4下降，第一电容C1两端电压(输出电压)上升，第三电感电流iL3上升储能。输出电压同时通过第九电阻R9给基准稳压器Z2供电，但是由于此时电压太小，基准稳压器Z2不能导通，基准稳压器Z2的阴极和阳极之间的电压Vk等于输出电压。采样电阻第三电阻两端电压随着电感电流iL1的增大而逐渐上升，即NPN型三极管Q1的基极和发射极间的电压逐渐增大。

t1时刻，NPN型三极管Q1的基极和发射极间的电压达到三极管Q1的开启电压Vbeth，三极管Q1开通，MOSFET场效应晶体管V1的栅源极电压降到0，从而V1关断，第一二极管D1续流导通；此后，第一耦合电感L1中电流通过第一二极管D1给第四电容C4充电，第一耦合电感L1的能量逐渐转移到第四电容C4中，C4两端电压逐渐上升。同时，第三电感L3中的储能通过第一二极管D1与第一电容C1一起给负载供电，所以第三电感电流iL3和输出电压Vo有所下降。

t2时刻，第一耦合电感L1中电流完全释放，电流完成了一个自激周期的工作，此后，输入电压通过第一电阻R1为场效应晶体管V1提供栅极驱动电压，电路重复t0-t2阶段的工作模式。每一个自激周期都会使第四电容C4两端的电压Vc4和输出电压Vo有一定的提高。

t3时刻时，输出电压已经接近稳态电压DVi/(1-D),D为占空比，即场效应晶体管V1的开通时间占整个周期时间的比值，第四电容C4两端的电压Vc4已经超过稳态平均电压Vi/(1-D)。此时，前一个自激周期结束，开始新的自激周期，输入电压通过第一电阻R1为场效应晶体管V1提供栅极驱动电压，场效应晶体管V1开通，耦合后第二耦合电感L2的电压(同名端为正)与第二电容C2上的电压叠加为Vi，维持场效应晶体管V1的导通，此后第一耦合电感L1进入充电储能阶段，其电感电流iL1上升，第四电容C4通过场效应晶体管V1给第一电容C1和电三电感L3放电，所以第四电容C4两端电压Uc4下降，第一电容C1两端电压(输出电压)上升，达到设定值，基准稳压器Z2阴极电流增加从而开通，基准稳压器Z2的阴极和阳极之间的电压Vk从输出电压迅速下降，第6电阻R6上分得电压增加，PNP型三极管Q2导通并工作于放大状态，三极管Q2的集电极电流使得分压电阻第四电阻R4上的电压增加，该电压与采样电阻第三电阻R3上的电压叠加，使得NPN型三极管Q1导通，场效应晶体管V1关断。

此后，理想情况下输出电压稳定，当输出电压变高超过设定值时，通过闭环PI调节，基准稳压器阴极电流增加，阴极电位降低，即基准稳压器Z2的阴极与阳极电压Vk下降，第七分压电阻R7上的电压增大，相应流过电流增大，即PNP型三极管Q2的基极电流增大，导通能力增强，所以PNP型三极管Q2的集电极电流增大，导致分压电阻R4上分得的电压增加，第三采样电阻R3上采样的电压上升斜率不变，则叠加后的Vbe增大，三极管Q1的导通时刻提前，进而变换器的占空比D减小，使得输出电压降低，从而保持稳定。当输出电压变低，低于设定值时，通过闭环PI调节，基准稳压器阴极电流减小，阴极电位增高，即基准稳压器Z2的阴极与阳极电压Vk增大，第七分压电阻R7上的电压减小，相应流过电流减小，即PNP型三极管Q2的基极电流减小，导通能力减弱，所以PNP型三极管Q2的集电极电流减小，导致分压电阻R4上分得的电压减小，第三采样电阻R3上采样的电压上升斜率不变，则叠加后的Vbe减小，三极管Q1的导通时刻延后，进而变换器的占空比D增大，使得输出电压升高，从而保持稳定。由于基准稳压器Z2内部基准特别稳定，加上外部的闭环调节，能够保证变换器在高低温等环境恶劣的条件下具有稳定的输出电压。

本电路具有电流保护功能，通过改变第三电阻R3的值，可以实现对过流保护点的设定。当主电路电流增大时，第三电阻R3上压降增加，当第三电阻R3上的电压足以开启三极管Q1时，进入电流保护状态，之后负载电流继续增大，输出电压随之降低，直到输出电压恒定，此时电路工作在输出短路保护状态。

在此，需要说明的是，本说明书中未详细描述的内容，是本领域技术人员通过本说明书中的描述以及现有技术能够实现的，因此，不做赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高稳定度CUK电路，包括：由第一耦合电感、第三电感、场效应晶体管、第一电容、第四电容、第一二极管的主电路，以及第一电阻、第三电阻、第十电阻和第十一电阻，其中，所述第一耦合电感的同名端和所述第一电阻的一端并联连接至外部输入电源的正极端，所述第一耦合电感的异名端连接至所述场效应晶体管的漏极，所述第一电阻的另一端与所述场效应晶体管的栅极连接；所述第四电容的一端连接至所述场效应晶体管的漏极，所述第四电容的另一端连接至所述第一二极管的阳极端，所述第一二极管的阴极端连接至所述外部输入电源的负极端；所述第三电感的一端连接于所述第一二极管的阳极端，所述第三电感的另一端通过所述第一电容连接至所述外部输入电源的负极端；所述第三电阻的一端与所述场效应晶体管的源极相连，所述第三电阻的另一端连接至所述外部输入电源的负极端；所述第十电阻的一端连接至所述外部输入电源的负极端，所述第十电阻的另一端与所述第十一电阻的一端串接，而所述第十一电阻的另一端连接至外部输出电压的负极端；其特征在于：所述高稳定度CUK电路还包括环路补偿电路，用于实现对输出电压的高稳定度控制，同时保证整个CUK电路的稳定运行。

2.根据权利要求1所述一种高稳定度CUK电路，其特征在于：所述环路补偿电路包括基准稳压器、第三电容、第八电阻及第九电阻，其中，所述第三电容与所述第八电阻串联后接于所述基准稳压器的基准端与阴极端之间；所述第九电阻的两端分别连接于所述输入电源负极端与所述基准稳压器的阴极端之间；所述基准稳压器的基准端还连接于所述第十电阻与所述第十一电阻之间；所述基准稳压器的阳极端还与所述输入电源的正极端相连。

3.根据权利要求2所述一种高稳定度CUK电路，其特征在于：所述高稳定度CUK电路还包括叠加电路，用于实现对所述场效应晶体管关断时刻的控制。

4.根据权利要求3所述一种高稳定度CUK电路，其特征在于：所述所述叠加电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、NPN型三极管、以及PNP型三极管，其中，所述第四电阻的一端连接至所述场效应晶体管的源极；所述第四电阻的另一端与所述第五电阻的一端共同连接至所述NPN型三极管的基极；所述NPN型三极管的发射极连接至所述外部输入电源的负极端，其集电极连接至所述场效应晶体管的栅极；所述第五电阻的另一端连接至所述PNP型三极管的集电极；所述第六电阻的一端和所述第七电阻的一端共同连接至所述PNP型三极管的基极，所述第六电阻的另一端与所述PNP型三极管的发射极联连接至所述输入电源的正极端，所述第七电阻的另一端连接至所述环路补偿电路中所述基准稳压器的阴极端。

5.根据权利要求1所述一种高稳定度CUK电路，其特征在于：所述高稳定度CUK电路还包括震荡发生电路，用于实现对所述场效应晶体管开通时刻的控制。

6.根据权利要求5所述一种高稳定度CUK电路，其特征在于：所述震荡发生电路包括第二耦合电感、第二电容、第二电阻、及第二二极管，所述第二耦合电感的同名端顺序地与所述第二电容、所述第二电阻串联后连接于所述第二二极管的阴极端，同时连接至所述场效应晶体管的栅极，所述第二耦合电感的异名端与所述第二二极管的正极端并联连接至所述外部输入电源的负极端。

7.根据权利要求6所述一种高稳定度CUK电路，其特征在于：所述第二耦合电感与所述第一耦合电感采用同一磁芯。

8.根据权利要求4所述一种高稳定度CUK电路，其特征在于：所述第三电阻与所述场效应晶体管的源极相连的一端与所述第四电阻相连后与所述叠加电路的所述NPN型三极管的基极相连，实现对所述高稳定度CUK电路主电路电流的采样，同时起过流保护作用。