CN110098740A - 降压电路及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种降压电路及电子设备，该一种降压电路，包括直流输入接口、储能单元、降压变换单元、直流输出接口以及控制单元；直流输入接口经由储能单元和降压变换单元连接到直流输出接口；降压变换单元包括第一开关管，控制单元与第一开关管的控制端连接，并向所述第一开关管输出导通和关断信号；储能单元在第一开关管关断时储存来自直流输入接口的电能，并在第一开关管导通时将储存的电能释放到降压变换单元，使降压变换单元实现降压输出。本发明实施例通过采用新型双开关非隔离变换器结构，实现多倍降压效果。

Description

降压电路及电子设备
技术领域
本发明实施例涉及电力电子领域，更具体地说，涉及一种降压电路及电子设备。
背景技术
在新能源电动汽车、不间断电源、工业仪器仪表、航天航空电源等应用领域，降压电路发挥着重要的功率变换作用。传统的降压电路(buck电路)，通过电感对能量进行储存与释放，通过控制储存时间，达到降压的目的。
但传统的降压电路在高降压比情况下，即开关管占空比趋于零时，存在着开关器件利用率低、器件电压和电流应力大、dv/dt大导致的EMI(ElectromagneticInterference，电磁干扰)严重、整体电路损耗过大、抗输入电压扰动能力差、以及动态性能差等问题。
通过在传统的降压电路降压比基础上加入了耦合电感的匝数比这一控制变量，达到了近一步降压的目的。但带有耦合电感的电路由于磁芯、骨架的加入，存在电路体积过大，由于电路漏感的存在导致器件应力增大，且容易引起电磁干扰等相关问题。
不同于以上两种非隔离电路，在传统的降压电路基础上加入变压器，组成隔离式降压电路，达到降压、电气隔离的目的。但带有变压器的电路由于磁芯、骨架的加入，存在电路体积过大，由于电路漏感的存在导致器件应力增大，且容易引起电磁干扰等相关问题。
或采用线性稳压器进行降压，但在高降比要求情况下，损耗过大，器件发热严重。
发明内容
本发明实施例提供一种降压电路及电子设备，旨在解决上述现有技术中传统的降压电路存在着开关器件利用率低、电路损耗过大的问题；带有耦合电感或者变压器的降压电路，电路体积过大，且容易引起电磁干扰等相关问题；采用线性稳压器进行降压，损耗过大，器件发热严重等问题。
本发明实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种降压电路，包括直流输入接口、储能单元、降压变换单元、直流输出接口以及控制单元；所述直流输入接口经由所述储能单元和降压变换单元连接到所述直流输出接口；所述降压变换单元包括第一开关管，所述控制单元与所述第一开关管的控制端连接，并向所述第一开关管输出导通和关断信号；所述储能单元在所述第一开关管关断时储存来自所述直流输入接口的电能，并在所述第一开关管导通时将储存的电能释放到所述降压变换单元，使所述降压变换单元实现降压输出。
在本发明实施例所述的降压电路中，所述储能单元包括第二开关管、第一支路、第二支路和续流子单元；其中：
所述第二开关管连接在所述直流输入接口的正极和所述降压变换单元的正输入端之间；
所述第一支路和第二支路分别连接在所述直流输入接口的负极和所述降压变换单元的正输入端之间；
所述续流子单元的第一端连接到所述第一支路，所述续流子单元的第二端连接接到所述第二支路。
在本发明实施例所述的降压电路中，所述控制单元与所述第二开关管的控制端连接，并向所述第二开关管输出导通和关断信号；且所述控制单元向所述第一开关管和第二开关管输出的导通和关断信号为互补信号。
在本发明实施例所述的降压电路中，所述第一支路包括依次串联连接在所述直流输入接口的负极与所述降压变换单元的正输入端之间的第一二极管和第一电容；
所述第二支路包括依次串联连接在所述直流输入接口的负极与所述降压变换单元的正输入端之间的第二电容和第二二极管；
所述续流子单元的第一端连接到所述第一电容与第一二极管的连接点，所述续流子单元的第二端连接接到所述第二二极管与第二电容的连接点。
在本发明实施例所述的降压电路中，述续流子单元由第一电感构成，且所述第一二极管的阴极经由所述第一电感连接到所述第二二极管的阳极。
在本发明实施例所述的降压电路中，所述续流子单元包括第三支路和两个第二电感，所述第三支路连接在所述直流输入接口的负极和所述降压变换单元的正输入端之间；
所述第三支路包括依次串联连接在所述直流输入接口的负极与所述降压变换单元的正输入端之间的第一中间二极管、第一中间电容和第二中间二极管；
所述第一二极管的阴极还经由其中一个所述第二电感连接到所述第二中间二极管的阳极，所述第一中间二极管的阴极经由另一第二电感连接到所述第二二极管的阳极。
在本发明实施例所述的降压电路中，所述续流子单元包括N个第四支路和N+1个第三电感，所述N为大于或等于2的整数；
每一所述第四支路包括依次串联连接在所述直流输入接口的负极与所述降压变换单元的正输入端之间的第三中间二极管、第二中间电容和第四中间二极管；且所述第一二极管的阴极经由一个所述第三电感连接到位于所述续流子单元首端的所述第四支路的第四中间二极管的阳极，位于所述续流子单元尾端的所述第四支路的第三中间二极管的阴极经由一个所述第三电感连接到所述第二二极管的阳极，除了位于所述续流子单元的尾端的第四支路之外的每一所述第四支路的第三中间二极管的阴极分别经由一个所述第三电感连接到后一所述第四支路的第四中间二极管的阳极。
在本发明实施例所述的降压电路中，所述降压变换单元还包括第三二极管、第四电感和第三电容，所述第一开关管和第四电感依次串联连接在所述降压变换单元的正输入端和正输出端，所述降压变换单元的正输出端连接到所述直流输出接口的正极；所述第三二极管连接在所述第一开关管和第四电感的连接点与所述直流输入接口的负极之间；所述第三电容连接在所述直流输出接口的正极和负极之间。
本发明实施例还提供一种电子设备，包括如上所述的降压电路。
本发明实施例的一种降压电路及电子设备，通过采用新型双开关非隔离变换器结构，在实现多倍降压效果的同时，解决了开关器件利用率过低、避免了采用线性稳压器产生的损耗过大问题；避免了引入磁性元件产生的电磁干扰问题；改善了传统降压电路开关管占空比大小限制的问题。
附图说明
图1是本发明提供的降压电路第一实施例的示意图；
图2是本发明实施例提供的降压电路的开关管工作波形示意图；
图3是本发明提供的降压电路第二实施例的示意图；
图4是本发明实施例提供的降压电路的开关管和电感电流工作波形示意图；
图5是本发明实施例提供的降压电路的第一工作模态示意图；
图6是本发明实施例提供的降压电路的第二工作模态示意图；
图7是本发明实施例提供的降压电路与传统降压电路的增益关系示意图；
图8是本发明提供的降压电路第三实施例的示意图；
图9是本发明提供的降压电路第三实施例与第二实施的增益关系示意图；
图10是本发明提供的降压电路第四实施例的示意图。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
如图1所示，是本发明提供的降压电路第一实施例的示意图，该降压电路可应用于直流电源的高降压应用场合，为双开关、非隔离降压电路。该降压电路包括直流输入接口、储能单元1、降压变换单元2、直流输出接口以及控制单元。其中，直流输入接口经由储能单元1和降压变换单元2连接到直流输出接口；降压变换单元2包括第一开关管S1，控制单元与第一开关管S1的控制端连接，并向第一开关管S1输出导通和关断信号；且储能单元1在第一开关管S1关断时储存来自直流输入接口的电能，并在第一开关管S1导通时将储存的电能释放到降压变换单元2，使降压变换单元2实现降压输出。
具体地，上述储能单元1包括第二开关管S2、第一支路11、第二支路12和续流子单元13；其中：
上述第二开关管S2连接在直流输入接口的正极和降压变换单元2的正输入端之间。
上述控制单元与第二开关管S2的控制端连接，并向第二开关管S2输出导通和关断信号。如图2所示，是本发明实施例提供的降压电路的开关管工作波形示意图，控制单元向第一开关管S1和第二开关管S2输出的导通和关断信号为互补信号。
上述第一支路11和第二支路12分别连接在直流输入接口的负极和降压变换单元2的正输入端之间。
上述续流子单元13的第一端连接到第一支路11，续流子单元13的第二端连接接到第二支路12。
具体地，上述第一支路11包括依次串联连接在直流输入接口的负极与降压变换单元2的正输入端之间的第一二极管D1和第一电容C1。
上述第二支路12包括依次串联连接在直流输入接口的负极与降压变换单元2的正输入端之间的第二电容C2和第二二极管D2。
上述续流子单元13的第一端连接到第一电容C1与第一二极管D1的连接点，续流子单元13的第二端连接接到第二二极管D2与第二电容C2的连接点。
上述降压变换单元2还包括第三二极管D3、第四电感L4和第三电容C3，其中，第一开关管S1和第四电感L4依次串联连接在降压变换单元2的正输入端和正输出端，降压变换单元2的正输出端连接到直流输出接口的正极；第三二极管D3连接在第一开关管S1和第四电感L4的连接点与直流输入接口的负极之间；第三电容C3连接在直流输出接口的正极和负极之间。
本发明实施例提供的降压电路，通过采用新型双开关非隔离变换器结构，在实现多倍降压效果的同时，解决了开关器件利用率过低、避免了采用线性稳压器产生的损耗过大问题；避免了引入磁性元件产生的电磁干扰问题；改善了传统降压电路开关管占空比大小限制的问题。
如图3所示，是本发明提供的降压电路第二实施例的示意图，上述续流子单元13具体可由第一电感L1构成，且第一二极管D1的阴极经由第一电感L1连接到第二二极管D2的阳极。
如图4所示，是本发明实施例提供的降压电路的开关管和电感电流工作波形示意图，上述控制单元向第一开关管S1和第二开关管S2输出的导通和关断信号为互补信号。当第二开关管S2导通，第一开关管S1关断时，如图5所示，是本发明实施例提供的降压电路的第一工作模态示意图，输入能量通过第二开关管S2向第一电感L1储能，第一电感L1电流iL1上升，第一电容C1和第二电容C2通过第二开关管S2存储电荷，第四电感L4通过第三二极管D3续流，第四电感L4电流iL4下降。当第二开关管S2关断，第一开关管S1导通时，如图6所示，是本发明实施例提供的降压电路的第二工作模态示意图，第一电感L1通过第一二极管D1和第二二极管D2续流，第一电容C1和第二电容C2通过第一二极管D1和第二二极管D2放电，能量通过第一开关管S1向输出端传递，第一电感L1电流下降，第四电感L4通过第一开关管S1储能，第四电感L4电流上升。
本发明第二实施例提供的降压电路的增益表达式为：
其中，Vo为输出电压，Vin为输入电压，D为第二开关管S2的占空比大小。
与传统降压电路BUCK相比，增益关系如图7所示，相较于传统降压电路的增益关系3，本发明第二实施例提供的降压电路的增益关系4，在相同占空比(第二开关管S2)情况下，电压增益显著减小，降压效果更好，改善了传统降压电路开关管占空比大小限制的问题。
如图8所示，是本发明提供的降压电路第三实施例的示意图，上述续流子单元13包括第三支路131和两个第二电感L2，该第三支路131连接在直流输入接口的负极和降压变换单元2的正输入端之间。
具体地，上述第三支路131包括依次串联连接在直流输入接口的负极与降压变换单元2的正输入端之间的第一中间二极管d1、第一中间电容C’1和第二中间二极管d2。且第一二极管D1的阴极还经由其中一个第二电感L2连接到第二中间二极管d2的阳极，第一中间二极管d1的阴极经由另一第二电感L2连接到第二二极管D2的阳极。
其中控制单元向第一开关管S1和第二开关管S2输出的导通和关断信号为互补信号。具体电路工作与第二实施例类似。降压效果在第二实施例的基础上进一步减小。
本发明第三实施例提供的降压电路的增益表达式为：
其中，Vo为输出电压，Vin为输入电压，D为第二开关管S2的占空比大小。
与本发明提供的降压电路第二实施例相比，相同条件下的增益关系如图9所示，其中曲线5为第二实施的减压电路对应的电压增益曲线，曲线6为第三实施的减压电路对应的电压增益曲线。相较于第二实施例，所提出的第三实施例在相同占空比(第二开关管S2)情况下，电压增益进一步减小，降压效果更好。
如图10所示，是本发明提供的降压电路第四实施例的示意图，上述续流子单元13还可包括N个第四支路132和N+1个第三电感L3，其中N为大于或等于2的整数。
具体地，每一第四支路132包括依次串联连接在直流输入接口的负极与降压变换单元2的正输入端之间的第三中间二极管d3、第二中间电容C’2和第四中间二极管d4，且各个第四支路132在第一支路11和第二支路12之间顺序排列；第一二极管D1的阴极经由一个第三电感L3连接到位于续流子单元13首端的第四支路132的第四中间二极管d4的阳极，位于续流子单元13尾端的第四支路132的第三中间二极管d3的阴极经由一个第三电感L3连接到第二二极管D2的阳极，除了位于续流子单元13的尾端的第四支路132之外的每一第四支路132的第三中间二极管d3的阴极分别经由一个第三电感L3连接到后一第四支路132的第四中间二极管d4的阳极。
与本发明提供的降压电路第三实施例相比，所提出的第四实施例在相同占空比(第二开关管S2)情况下，电压增益将进一步减小，降压效果更好。
本发明实施例提供的降压电路，电路拓扑和控制方法具有一定可移植性，不仅适用于降压电路，亦适用于其他电路拓扑结构。
本发明实施例还提供一种电子设备，包括如上所述的降压电路。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明实施例的保护范围之内。因此，本发明实施例的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种降压电路，其特征在于，包括直流输入接口、储能单元、降压变换单元、直流输出接口以及控制单元；所述直流输入接口经由所述储能单元和降压变换单元连接到所述直流输出接口；所述降压变换单元包括第一开关管，所述控制单元与所述第一开关管的控制端连接，并向所述第一开关管输出导通和关断信号；所述储能单元在所述第一开关管关断时储存来自所述直流输入接口的电能，并在所述第一开关管导通时将储存的电能释放到所述降压变换单元，使所述降压变换单元实现降压输出。
2.根据权利要求1所述的降压电路，其特征在于，所述储能单元包括第二开关管、第一支路、第二支路和续流子单元；其中：
所述第二开关管连接在所述直流输入接口的正极和所述降压变换单元的正输入端之间；
所述第一支路和第二支路分别连接在所述直流输入接口的负极和所述降压变换单元的正输入端之间；
所述续流子单元的第一端连接到所述第一支路，所述续流子单元的第二端连接接到所述第二支路。
3.根据权利要求2所述的降压电路，其特征在于，所述控制单元与所述第二开关管的控制端连接，并向所述第二开关管输出导通和关断信号；且所述控制单元向所述第一开关管和第二开关管输出的导通和关断信号为互补信号。
4.根据权利要求3所述的降压电路，其特征在于，所述第一支路包括依次串联连接在所述直流输入接口的负极与所述降压变换单元的正输入端之间的第一二极管和第一电容；
所述第二支路包括依次串联连接在所述直流输入接口的负极与所述降压变换单元的正输入端之间的第二电容和第二二极管；
所述续流子单元的第一端连接到所述第一电容与第一二极管的连接点，所述续流子单元的第二端连接接到所述第二二极管与第二电容的连接点。
5.根据权利要求4所述的降压电路，其特征在于，所述续流子单元由第一电感构成，且所述第一二极管的阴极经由所述第一电感连接到所述第二二极管的阳极。
6.根据权利要求4所述的降压电路，其特征在于，所述续流子单元包括第三支路和两个第二电感，所述第三支路连接在所述直流输入接口的负极和所述降压变换单元的正输入端之间；
所述第三支路包括依次串联连接在所述直流输入接口的负极与所述降压变换单元的正输入端之间的第一中间二极管、第一中间电容和第二中间二极管；
所述第一二极管的阴极还经由其中一个所述第二电感连接到所述第二中间二极管的阳极，所述第一中间二极管的阴极经由另一第二电感连接到所述第二二极管的阳极。
7.根据权利要求4所述的降压电路，其特征在于，所述续流子单元包括N个第四支路和N+1个第三电感，所述N为大于或等于2的整数；
每一所述第四支路包括依次串联连接在所述直流输入接口的负极与所述降压变换单元的正输入端之间的第三中间二极管、第二中间电容和第四中间二极管；且所述第一二极管的阴极经由一个所述第三电感连接到位于所述续流子单元首端的所述第四支路的第四中间二极管的阳极，位于所述续流子单元尾端的所述第四支路的第三中间二极管的阴极经由一个所述第三电感连接到所述第二二极管的阳极，除了位于所述续流子单元的尾端的第四支路之外的每一所述第四支路的第三中间二极管的阴极分别经由一个所述第三电感连接到后一所述第四支路的第四中间二极管的阳极。
8.根据权利要求1所述的降压电路，其特征在于，所述降压变换单元还包括第三二极管、第四电感和第三电容，所述第一开关管和第四电感依次串联连接在所述降压变换单元的正输入端和正输出端，所述降压变换单元的正输出端连接到所述直流输出接口的正极；所述第三二极管连接在所述第一开关管和第四电感的连接点与所述直流输入接口的负极之间；所述第三电容连接在所述直流输出接口的正极和负极之间。
9.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的降压电路。
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