CN110299820A - 一种具有固定导通时间的buck电路 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种具有固定导通时间的buck电路，属于电源变换器设计技术领域。在现有buck电路的电感处并联有纹波补偿电路，所述纹波补偿电路包括串联的电阻及第一电容，所述电阻与第一电容之间连接有第二电容，所述第二电容的另一端连接至所述纹波产生电路的输出线路上，用于对纹波产生电路产生的纹波信号进行补偿，同时，对现有的开关节点设置成在输出纹波到达下基准电平时接通，在接通后持续设定时间后断开。本申请不需要考虑大电容负载带来的稳定性问题，也没有额外的反馈环路稳定设计，同时能够产生较低的输出纹波。

Description

一种具有固定导通时间的buck电路

技术领域

本申请属于电源变换器设计技术领域，特别涉及一种具有固定导通时间的buck电路。

背景技术

传统buck变换器采用PWM控制方式，需要使用到详细的稳定补偿设计。这导致设计过程复杂，元器件数量偏多，成本偏高。为此需要提供一种低成本、简单易用的buck电路。

Buck电路工作原理简述(下图2)：①开关与点1导通，输入电源Vg向电感L充电，并提供输出能量。在导通期间电感电流上升，储存在电感内的能量上升△P。②开关切换，与点2导通，与输入电源关断。电感充当能量源向输出供电。关断期间电感电流下降，储存在电感内的能量下降△P，这就达到了平衡状态。

当出现输入电压或者负载变化，通过输出电压反馈到控制器，调节导通占空比，来达到新的平衡。此外，还需要设计频率补偿网络，以增强电路的稳定性，抑制干扰。

在所有电压控制方式中，迟滞控制是最简单的方式。这种控制方法只是在反馈电压低于下基准电平时打开开关，当反馈电压略高于上基准电平时关闭开关。因此输出电压就是一个有上下范围的波形。

迟滞控制一个主要的缺点就是随着输入电压的变化，开关频率变化很大。固定导通时间控制方式在这基础上提供了更好的频率控制，而只简单增加控制器有限的复杂性。当检测到反馈电压低于阈值时，开始导通固定的一段时间后关闭，这里不再有上基准电平。

这里对于输出电容有要求，不同于一般拓扑要求低ESR电容(输出纹波小，并且避免频率补偿设计时在带宽内出现的ESR零点)，必须留有一定阻抗比例的ESR，否则反馈电压信号上没有足够的纹波幅度，信噪比降低，无法在干扰噪声中正常地触发下基准电平。

这里就引来了一对矛盾，设计者对于输出电压希望的是纹波尽量小，但纹波太小可能导致反馈信号无法使控制器正常工作。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种具有固定导通时间的buck电路，通过在buck电路的反馈电路上增加一路补偿信号，来实现电路稳定性。本申请buck电路的电感并联有纹波补偿电路，所述纹波补偿电路包括串联的电阻及第一电容，所述电阻与第一电容之间连接有第二电容，所述第二电容的另一端连接至所述纹波产生电路的输出线路上，用于对纹波产生电路产生的纹波信号进行补偿，所述开关节点被设置成在输出纹波到达下基准电平时接通，在接通后持续设定时间后断开。

优选的是，所述电阻、第一电容以及第二电容的大小设置为在开关节点变换时所产生的容抗小于所述纹波产生电路的分压电阻阻值。

优选的是，所述电阻、第一电容以及第二电容的大小设置为在开关节点变换时所产生的容抗为所述纹波产生电路的分压电阻阻值1％-10％。

优选的是，所述电阻、第一电容以及第二电容的大小设置为在最小输入电压时所产生的纹波幅度大于检测纹波幅度。

优选的是，所述设定时间为Ts*D，其中，Ts为buck电路工作周期，D为buck电路占空比。

优选的是，所述第二电容C2的取值为3C1～4C1，其中，C1为第一电容取值。

基于本申请的buck电路设计不需要考虑大电容负载带来的稳定性问题，也没有额外的反馈环路稳定设计，同时产生较低的输出纹波。

附图说明

图1是本申请具有固定导通时间的buck电路结构示意图。

图2是现有技术中buck电路示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，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方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请提供了一种具有固定导通时间的buck电路，如图1所示，主要包括：开关节点、电感以及反馈电路，所述反馈电路包括纹波产生电路。

结合图1及现有技术(图2)，图2中R等价于图1中R1、R2及R3，其中，R3为输出电容的ESR电阻。

基于背景技术的缺陷，本申请在图2的基础上增加了波纹补偿电路，

参考图1，纹波补偿电路并联在电感L1上，所述纹波补偿电路包括串联的电阻R4及第一电容C1，所述电阻R4与第一电容C1之间连接有第二电容C2，所述第二电容C2的另一端连接至所述纹波产生电路的输出线路上，用于对纹波产生电路产生的纹波信号进行补偿，所述开关节点被设置成在输出纹波到达下基准电平时接通，在接通后持续设定时间后断开。

本实施例中，电感器L1上导通阶段电流线性上升，关断阶段线性下降，从而就形成了三角形电流波形。产生的电流流过输出电容的ESR，就产生一个类三角形的电压纹波，再通过分压电阻R1、R2提供反馈信号。

通过与电感器L1并联器件R4、C1，同样是导通阶段施加正相电压(Vin-Vout),关断阶段施加反向电压Vout。可以简单的把R4看做是一个电流源，与C1组成一个三角波发生器，构造出近似的纹波。由R1、R2提供直流偏置，通过C2交流耦合进纹波信号，向控制器反馈引脚提供信号。

通过上述方法人为生成控制器所需的纹波信号，可选择ESR小的输出电容，使得输出纹波可以任意小，而且有正常的电路功能。

在一些可选实施方式中，所述电阻R4、第一电容C1以及第二电容C2的大小设置为在开关节点变换时所产生的容抗小于所述纹波产生电路的分压电阻阻值。

在一些可选实施方式中，所述电阻R4、第一电容C1以及第二电容C2的大小设置为在开关节点变换时所产生的容抗为所述纹波产生电路的分压电阻阻值1％-10％。

在一些可选实施方式中，所述电阻R4、第一电容C1以及第二电容C2的大小设置为在最小输入电压时所产生的纹波幅度大于检测纹波幅度。

在一些可选实施方式中，所述设定时间为Ts*D，其中，Ts为buck电路工作周期，D为buck电路占空比。

在一些可选实施方式中，所述第二电容C2的取值为3C1～4C1，其中，C1为第一电容取值。

电阻R4、第一电容C1以及第二电容C2的计算案例如下：

现假设输入电压Vin＝30V，输出电压Vout＝10V，工作频率Fs＝1MHz，周期Ts＝1/Fs＝1us；控制器基准电平Vref＝2.5V，反馈分压电阻R1＝3kΩ，R2＝1kΩ；假设控制器所需的纹波电压峰峰值ΔV＝50mV。

根据上述条件可以推出：占空比D＝Vout/Vin≈0.66,导通时间Ton＝Ts*D＝660ns；

由于在开关频率时C1、C2的容抗，应小于分压电阻R1的阻值，不能影响到正常的直流偏置，因此选取C1的值1/jωC1<R1,取C1＝3300pF；充电电容遵循公式I/C1＝dV/dt，I＝3300pF*50mV/660ns＝250uA；R4＝(Vin-Vout)/I＝80kΩ；交流耦合电容C2一般取值为(3∽4)*C1，可取值0.01uF。

新增元器件R4、C1、C2取值大致如此。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种具有固定导通时间的buck电路，包括开关节点、电感以及反馈电路，所述反馈电路包括纹波产生电路，其特征在于：所述电感并联有纹波补偿电路，所述纹波补偿电路包括串联的电阻及第一电容，所述电阻与第一电容之间连接有第二电容，所述第二电容的另一端连接至所述纹波产生电路的输出线路上，用于对纹波产生电路产生的纹波信号进行补偿，所述开关节点被设置成在输出纹波到达下基准电平时接通，在接通后持续设定时间后断开。

2.如权利要求1所述的具有固定导通时间的buck电路，其特征在于，所述电阻、第一电容以及第二电容的大小设置为在开关节点变换时所产生的容抗小于所述纹波产生电路的分压电阻阻值。

3.如权利要求2所述的具有固定导通时间的buck电路，其特征在于，所述电阻、第一电容以及第二电容的大小设置为在开关节点变换时所产生的容抗为所述纹波产生电路的分压电阻阻值1％-10％。

4.如权利要求1所述的具有固定导通时间的buck电路，其特征在于，所述电阻、第一电容以及第二电容的大小设置为在最小输入电压时所产生的纹波幅度大于检测纹波幅度。

5.如权利要求1所述的具有固定导通时间的buck电路，其特征在于，所述设定时间为Ts*D，其中，Ts为buck电路工作周期，D为buck电路占空比。

6.如权利要求1所述的具有固定导通时间的buck电路，其特征在于，所述第二电容C2的取值为3C1～4C1，其中，C1为第一电容取值。