CN110299842A - 一种增压续流低压差Buck型开关电源装置 - Google Patents

一种增压续流低压差Buck型开关电源装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种增压续流低压差Buck型开关电源装置，包括电源输入端、电源输出端、开关单元、储能电感单元、负反馈单元、PWM调整单元、续流二极管一单元、续流二极管二单元、辅助电源单元和电压设置单元；通过增加辅助电源单元及续流二极管二单元，为储能电感在流期间提供一个高电压的续流通路，减小储能电感在续流期间电流减小的程度，克服了传统降压型开关电源从负极续流的缺点，从而减小降压型开关电源在最大占空比受限的情况下实现更低的电压差要求，实现低压差功能，满足低压差应用场景的要求。并且在低压差的情况下，实现更高的工作效率，提升开关电源性能。

Description

一种增压续流低压差Buck型开关电源装置
技术领域
本发明涉及非隔离直流稳压电源领域，特别涉及一种增压续流低压差Buck型开关电源装置。
背景技术
开关模式的直流稳压电源也称开关电源，工作于高频开关变换模式。相对于线性电源，开关电源具有转换效率高、体积小、重量轻、成本低等优点。
开关电源从输入与输出是否隔离进行区分可分为隔离式和非隔离式。
非隔离式开关电源通常由滤波电容、控制电路、开关管、续流二极管、储能电感等基本部分构成。工作原理为：开关管在导通期间在储能电感上施加电压，增加储能电感中的电流，当开关管关断后续流二极管为储能电感提供续流通路，储能电感中的电流流向输出端。由于电感器件中的电流不能突变，所以储能电感中的电流是连续变化的，调整开关管的导通与关断时间可以线性地调整输出的电流，从而调整输出电流的大小或输出电压的高低。
非隔离式开关电源有升压(Boost)模式和降压(Buck)模式2种基本工作模式。
降压(Buck)模式后称Buck型。
在Buck型开关电源中，开关管一般采用高速的双极性晶体管、场效应管、IGBT等器件作为开关器件，而通常更多采用场效应管、IGBT器件，一个重要的原因是它们非常容易被驱动。其中，场效应管又分为P沟道型和N沟道型，P沟道型为负电压驱动，在降压模式的开关电源中使用方便，但P沟道型由于现有材料和制造工艺问题，无法达到高的耐压，也无法达到大的工作电流，一般仅在低电压、小电流场合中使用。因此在实际的应用中，多采用N沟道型场效应管和IGBT作为开关管。
N沟道型场效应管和IGBT可以做到大电流、高耐压，但需要正电压驱动，在Buck型开关电源中，需要一个额外的高于输入电压的供电电压给驱动电路。现行的通用做法是采用一种叫自举升压的方法产生高于输入电压的供电电压。
自举升压的方法简单，但由于自举升压的过程由开关管的导通和关断2个过程组成，因此开关管必须存在一个关断的时间，导致开关管无法工作于100％导通的状态。如果开关管不能达到100％占空比时，Buck型开关电源的输出电压与输入电压之间就必须存在一个电压差(后称电压差)。
现在的开关电源的开关频率的发展趋势是高频化的，即向更高频率的方向发展。因为开关电源的优势就在于高频开关可以降低电容、电感的体积，减小尺寸和重量。而越高的开关频率(即更短的开关周期)下，开关管关断时间对占空比的影响就更显著。以500KHz的开关频率为例，采用N沟道型场效应管和IGBT、以及自举升压方法的降压型开关电源的开关管的最高占空比通常只能做到95％左右。5％的关断时间将会造成5％的压差。
而在某些应用中就要求输出电压和输入电压之间的电压差足够小，以便达到某些性能，显然，采用N沟道型场效应管和IGBT、以及自举升压方法的降压型开关电源无法满足这种要求。
另外，现行的Buck型开关电源在输入电压与输出电压差较小时，开关管依然承受着与输入电压等幅的电压摆幅，依然有明显的开关损耗，因为开关电源的开关损耗与开关管的电压摆幅成正比关系。而此时电压差比较小，依然有明显的开关损耗不太理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以实现极低压差(输入电压和输出电压之间的电压差)的降压型开关电源装置。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种增压续流低压差Buck型开关电源装置，包括电源输入端、电源输出端、开关单元、储能电感单元、负反馈单元、PWM调整单元和续流二极管一单元，所述电源输入端与开关单元的一端连接，所述开关单元的另一端与储能电感单元的一端连接，所述储能电感单元的另一端与电源输出端连接，所述负反馈单元的一端与电源输出端连接，所述负反馈单元的另一端与PWM调整单元连接，所述PWM调整单元的一端与开关单元连接，所述续流二极管一单元与储能电感单元的输入端连接，还包括续流二极管二单元、电压设置单元和辅助电源单元；所述辅助电源单元一端与电源输入端连接，所述辅助电源单元另一端与电压设置单元连接，所述续流二极管二单元一端与辅助电源单元连接，所述续流二极管二单元另一端与开关单元的输出端连接。
所述电源输入端与电源输入端的电压差的计算公式为：Vdrop＝(1/Duty-1)*(Vout-Vaux)，其中Vdrop：电压差，Duty：导通占空比，Vout：输出电压值，Vaux：辅助电源输出的电压值。
所述电压设置单元为辅助电源单元提供电压设定信号，调节辅助电源单元输出的电压。
所述辅助电源单元为续流二极管二单元提供电压，当辅助电源单元的输出电压大于0V时，续流二极管二单元会优先为储能电感单元提供续流电流。
本发明的有益效果为：
本发明的增压续流低压差降压型开关电源装置，通过增加辅助电源单元及续流二极管二单元，在储能电感续流期间提供一个高电压的续流通路，减小储能电感在续流期间电流减小的程度，克服了传统降压型开关电源从负极续流的缺点，从而减小降压型开关电源在最大占空比受限的情况下实现更低的电压差要求，实现低压差功能，满足低压差应用场景的要求。并且在低压差的情况下，实现更高的工作效率，提升开关电源性能。
附图说明
图1是本发明方框原理图；
图2是现有的Buck型开关电源开关管输出电压波形；
图3是本发明的增压续流低压差Buck型开关电源开关管输出电压波形；
图4是现有技术中典型开关管的开关损耗波形图；
图5是本发明的Buck型开关电源储能电感中的电流波形图；
图6是本发明的辅助电源采用P沟道场效应管的原理示意图；
图7是本发明的辅助电源采用N沟道场效应管的原理示意图；
图8是本发明的辅助电源采用P沟道场效应管的局部原理示意图；
图9是本发明的辅助电源采用N沟道场效应管的局部原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步说明：
如图1到图9所示的，一种增压续流低压差Buck型开关电源装置包括电源输入端、电源输出端、开关单元1、储能电感单元2、负反馈单元3、PWM调整单元4、续流二极管一单元6、续流二极管二单元5、辅助电源单元7和电压设置单元8；开关单元1连接电源输入端和储能电感单元2，且受PWM调整单元4控制；PWM调整单元4接受负反馈单元3的信号而调整PWM控制信号；负反馈单元3则检测电源输出端的输出电压和电流信号，并将电压或电流的误差进行处理后，送至PWM调整单元4；续流二极管一单元6和续流二极管二单元5为储能电感单元2提供电流续流通路；辅助电源单元7为续流二极管二单元5提供一个预定的电压，它接受电压设置单元8的信号；电压设置单元8为辅助电源单元7提供一个电压设定信号；当开关单元1导通时，电源输入的电压通过开关单元1施加到储能电感单元2的一端，储能电感单元2的另一端与电源输出端相连；当开关单元1关断时，储能电感2中的电流通过续流二极管一单元6和/或续流二极管二单元5进行续流；当辅助电源单元7输出的电压大于0V，续流二极管二单元5会优先为储能电感单元2提供续流电流。
所述辅助电源单元7为采用P沟道场效应管。
如图8所示的，所述辅助电源单元7包括第三开关管Q3、第二储能电感L2、第三电源转换管理(IC)U3、第四续流二极管D4、第三电阻R3、第五可调电阻R5、第七电容C7和第八电容C8，所述第三开关管Q3与第二储能电感L2连接，所述第三电源转换管理(IC)U3分别与第三开关管Q3、第八电容C8、第五可调电阻R5连接，所述第三电阻R3一端与第二储能电感L2连接，所述第三电阻R3另一端与第五可调电阻R5连接，所述第七电容C7一端与第二储能电感L2连接，所述第七电容C7另一端与第五可调电阻R5连接。
所述辅助电源单元7为采用N沟道场效应管。
如图9所示，所述辅助电源单元7包括第八电源转换管理(IC)U8、第六开关管Q6、第六储能电感L6、第二十三电容C23、第二十电容C20、第二十一电容C21、第十二自举升压二极管D12、第十一续流二极管D11、第十一电阻R11、第十三可调电阻R13和第二十四电容C24，所述第八电源转换管理(IC)U8分别与第六开关管Q6、第六储能电感L6、第十三可调电阻R13、第十二自举升压二极管D12连接，所述第二十三电容C23与第八电源转换管理(IC)U8连接，所述第二十电容C20分别连接在第八电源转换管理(IC)U8的VB脚和第八电源转换管理(IC)U8的SW脚，所述第二十一电容C21与第八电源转换管理(IC)U8的VCC端连接，所述第十一续流二极管D11与第六储能电感L6连接，所述第十一电阻R11一端与第六储能电感L6连接，所述第十一电阻R11另一端与第十三可调电阻R13连接，所述第二十四电容C24一端与第六储能电感L6连接，所述第二十四电容C24另一端与第十三可调电阻R13连接。
当辅助电源单元7的输出电压大于0V时，续流二极管二单元5会优先为储能电感单元2提供续流电流，此时在开关单元1关断期间储能电感单元2上承受的电压差不再等于输出电压，而是小于输出电压，随着辅助电源单元7的输出电压的提高，这个电压差可以减小至接近于0V。因此，在续流期间储能电感单元2中的电流减小的程度可以变小甚至极小。由于在续流期间，储能电感单元2中的电流减小的程度非常小，因此在开关单元1导通期间，只要储能电感单元2中的电流少量增加即可补偿续流期间电流减小的值，而保持储能电感单元2中一直维持大电流。因此，只需要输入电压比输出电压略高即可满足储能电感单元2的大电流状态，即可以使电源正常输出大电流。这就降低了对输入电压与输出电压之间的电压差的要求，实现了低压差的功能。
通过公式进行说明占空比与输入电压和输出电压之间的关系，以及如何实现低压差。
公式名称意义：
Vin：输入电压值
Vout：输出电压值
Vaux：辅助电源输出的电压
Vcont：续流期间储能电感两端电压
Vdrop：电压差(导通期间储能电感两端电压)
Duty：导通占空比
Ton：导通时间
Toff：关断时间(即续流时间)
Tp：开关周期
L：电感量
△Ion：开关单元导通期间电流变化量(储能电感中的)
△Ioff：开关单元关断期间电流变化量(储能电感中的)
变量关系:
△Ion＝(Vin–Vout)*Ton/L
△Ioff＝Vcont*Toff/L
Tp＝Toff+Ton
Vdrop＝Vin–Vout
Vcont＝Vout-Vaux
Duty＝Ton/Tp＝Ton/(Ton+Toff)
Ton＝Duty*Tp
公式推导：
当输出电流稳定之后，必然△Ion＝△Ioff，因此，
(Vin–Vout)*Ton/L＝Vcont*Toff/L
＝>(Vin–Vout)*Ton＝Vcont*Toff
＝>Vdrop*Ton＝Vcont*Toff
＝>Vdrop/Vcont＝Toff/Ton
＝>Vdrop＝Toff/Ton*Vcont
＝>Vdrop＝(Ton+Toff-Ton)/Ton*Vcont
＝>Vdrop＝(1/Duty-1)*Vcont
＝>Vdrop＝(1/Duty-1)*(Vout-Vaux)
从上述公式看出，Vout、Duty(最大值)确定的情况下，(1/Duty-1)也确定，Vdrop与Vaux是反向变化关系，即增加Vaux的值，Vdrop将允许下降。
实例比较(理想情况，不考虑内阻、二极管压降等非理想因素)：
设定1：Vout＝24V，Duty＝0.95，Vaux＝0V，则
Vdrop＝(1/Duty-1)*(Vout-Vaux)＝1.26V
即Vdrop≥1.26V时才能维持稳定的电压和电流输出。
设定2：Vout＝24V，Duty＝0.95，Vaux＝23V，则
Vdrop＝(1/Duty-1)*(Vout-Vaux)＝0.053V
即Vdrop≥0.053V时能即够维持稳定的电压和电流输出。
可见，Vaux可以显著降低Vdrop的要求，即提高辅助电源单元7输出的电压即可显著降低输入电压与输出电压之间的电压差，实现本发明的增压续流低压差Buck型开关电源装置的低压差目标。
同时本发明的增压续流低压差Buck型开关电源装置还具有高转换效率的优点，尤其是低压差时开关损耗的显著降低。
开关电源的开关损耗一般指开关管在导通与关断状态的转变过程中产生的损耗，是由于作为开关管的元器件不是理想的，导通与关断状态的转变过程需要时间，在没有完全关断或者没有完全导通之前，开关管会经过一个线性区。在开关管由关断状态向导通状态转变的过程中，通过的电流从0开始快速增加，继而开关管两端的电压开始快速下降，直到开关管完全导通。在开关管由导通状态向关断状态转变的过程中，通过的电流从当前值开始快速减小，继而开关管两端的电压从0(理想情况)开始快速增加，直到开关管完全关断。在上述2个过程中都存在开关管即有电流通过又承受着一定电压的短暂的过程，因为电压、电流同时存在并且方向相同，电压、电流的乘积的积分为正，所以开关管将产生功率消耗，这个功率消耗就是开关损耗。
开关损耗是电压、电流的乘积的积分，因此开关损耗与开关管承受的电压成正比关系，降低开关管承受的电压即能同比例降低开关损耗。
准确的说，上述的开关管承受的电压是开关管两端承受的电压，是开关管一端与另一端之间的电压差，即输入端与输出端之间的电压差。
本发明的增压续流低压差Buck型开关电源装置设置有辅助电源单元7和续流二极管二单元5，由于辅助电源单元7和续流二极管二单元5的作用，开关管输出端的最低电压不会低于辅助电源单元7输出的电压，即开关管在任意状态时两端所承受的电压差将介于输入电源的电压和辅助电源单元7输出的电压之间，那么在开关过程中开关管承受的电压也将介于输入电源的电压和辅助电源单元7输出的电压之间。在电源输入电压、储能电感中的电流、开关管的特性等参数保持不变的情况下，增加辅助电源单元7输出的电压即可减小开关管承受的电压差。因为开关损耗与开关管承受的电压成正比关系，降低开关管承受的电压即降低了开关损耗。
通过公式进行说明开关损耗与辅助电源单元7输出的电压之间的关系，以及如何降低开关损耗。
公式名称意义：
Vin：输入电压值
Vsw：开关管输出电压值
Iout：开关管输出电流
Vdiff：开关管承受的电压
Vaux：辅助电源输出的电压
Pd：开关损耗
t：时间
变量关系:
Vdiff＝Vin-Vsw
Pd＝∫(Vdiff*Iout)dt
(注：数学符号说明：∫是积分符号，d微分符号)
公式推导：
Pd＝∫(Vdiff*Iout)dt＝∫((Vin-Vsw)*Iout)dt
从上述公式看出，在Vin、Iout保持不变的情况下，提高Vsw即可减小Vdiff的值，继而减小Pd的值。
由于Vsw介于Vin和Vaux之间，提高Vaux则提高Vsw的最低值，减小Vdiff的区间范围，从而减小∫(Vdiff*Iout)dt的值，即减小了Pd的值。
可见，Vaux可以显著降低Pd，即提高辅助电源单元7输出的电压即可显著降低开关损耗，实现本发明的增压续流低压差Buck型开关电源装置的高转换效率目标。
本发明设有电压设置单元8，可以根据输入电压和输出电压的具体情况，设定电压设置单元8的参数，从而调节辅助电源单元7输出的电压，优化工作状态。在电压差已经比较大的情况下减小辅助电源单元7输出的电压，从而减小辅助电源单元7的功率负担，减小对辅助电源单元7功率容量的要求。只有在电压差比较低的情况下再提高辅助电源单元7输出的电压，使得在最大占空比受限的情况下实现稳定的电压和电流输出。
其中续流二极管一单元6与续流二极管二单元5可以是但并不限定于二极管，也可以是实现续流功能的电路等。
如图6和图8所示的，本发明的辅助电源单元7采用P沟道场效应管；
U1：N沟道型BUCK型第一电源转换管理(IC)。IC内部包集成了反馈电路、PWM调节电路、稳压电压电路。
其VCC脚为输出的一路供IC自身工作的稳压电压，用于自举升压后在第一电容C1上建立高于输入电压的电压，为IC内部的N沟道场效应管驱动电路供电。
U2：电荷泵，可以将第二电容C2两端的电荷转移到第六电容C6两端，在第六电容C6上建立电压。
U3：P沟道型BUCK型第三电源转换管理(IC)。IC内部包集成了反馈电路、PWM调节电路。
Q1：第一开关管，N沟道场效应管。
Q3：第三开关管，P沟道场效应管。
L1、L2：第一储能电感、第二储能电感。
D2、D3、D4：第二续流二极管、第三续流二极管、第四续流二极管。
D1：第一自举升压二极管。
R5：电位器，第五可调电阻，用于调节辅助电源的输出电压。原理图中简单地用电位器调节辅助电源的输出电压，在具体实施中有多种办法。
如图7和图9所示的，本发明的辅助电源单元7采用N沟道场效应管：
U5：N沟道型BUCK型第五电源转换管理(IC)。IC内部包集成了反馈电路、PWM调节电路、稳压电压电路。
其VCC脚为输出的一路供IC自身工作的稳压电压，用于自举升压后在第十三电容C13上建立高于输入电压的电压，为IC内部的N沟道场效应管驱动电路供电。
U7：电荷泵，可以将第十六电容C16两端的电荷转移到第二十二电容C22两端，在第二十二电容C22上建立电压。
U8：N沟道型BUCK型第八电源转换管理(IC)。IC内部包集成了反馈电路、PWM调节电路、稳压电压电路。
其VCC脚为输出的一路供IC自身工作的稳压电压，用于自举升压后在第二十电容C20上建立高于输入电压的电压，为IC内部的N沟道场效应管驱动电路供电。
Q5：第五开关管，N沟道场效应管。
Q6：第六开关管，N沟道场效应管。
L5、L6：第五储能电感、第六储能电感。
D6、D9、D11：第六续流二极管、第九续流二极管、第十一续流二极管。
D10、D12：第十自举升压二极管、第十二自举升压二极管。
C13：第十三自举升压电容。
R13：电位器，第十三可调电阻，用于调节辅助电源的输出电压。原理图中简单地用电位器调节辅助电源的输出电压，在具体实施中有多种办法。
以上所述并非对本发明的技术范围作任何限制，凡依据本发明技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种增压续流低压差Buck型开关电源装置，包括电源输入端、电源输出端、开关单元、储能电感单元、负反馈单元、PWM调整单元和续流二极管一单元，所述电源输入端与开关单元的一端连接，所述开关单元的另一端与储能电感单元的一端连接，所述储能电感单元的另一端与电源输出端连接，所述负反馈单元的一端与电源输出端连接，所述负反馈单元的另一端与PWM调整单元连接，所述PWM调整单元的一端与开关单元连接，所述续流二极管一单元与储能电感单元的输入端连接，其特征在于：还包括续流二极管二单元、电压设置单元和辅助电源单元；所述辅助电源单元一端与电源输入端连接，所述辅助电源单元另一端与电压设置单元连接，所述续流二极管二单元一端与辅助电源单元连接，所述续流二极管二单元另一端与开关单元的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种增压续流低压差Buck型开关电源装置，其特征在于：所述电源输入端与电源输入端的电压差的计算公式为：Vdrop＝(1/Duty-1)*(Vout-Vaux)，其中Vdrop：电压差，Duty：导通占空比，Vout：输出电压值，Vaux：辅助电源输出的电压值。
3.根据权利要求1所述的一种增压续流低压差Buck型开关电源装置，其特征在于：所述电压设置单元为辅助电源单元提供电压设定信号，调节辅助电源单元输出的电压。
4.根据权利要求1所述的一种增压续流低压差Buck型开关电源装置，其特征在于：所述辅助电源单元为续流二极管二单元提供电压，当辅助电源单元的输出电压大于0V时，续流二极管二单元会优先为储能电感单元提供续流电流。
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