CN110323932A - 一种基于缓冲电路的智能开关 - Google Patents

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Abstract

一种基于缓冲电路的智能开关,本发明涉及智能开关领域，其旨在解决现有技术智能开关存在功耗高，频率效应速度慢，上电过冲或缺乏电压补偿，特别是在上电过冲时，没有过冲反馈来及时通知控制芯片进行调试且输出电压逻辑固定等技术问题。包括输入电压转换电路，接收电源的输出电压；中级开关电路，接收输入电压转换电路输出的增益电压；输出电压转换电路，用于降压调制，其中包括线性补偿电路，接收中级开关电路输出的电压信号并隔离输出直流信号；过冲反馈调节电路；缓冲电路和负载群；本发明用于提供智能开关的稳定结构。

Description

一种基于缓冲电路的智能开关
技术领域
本发明涉及智能开关领域，具体涉及一种基于缓冲电路的智能开关。
背景技术
现有技术常常通过功率因数校正电路接收交流输入，一些智能开关中的线性稳压源的驱动管的栅极(基极)电压会变化异常，造成线性稳压源的上电过冲。即快速的智能开关上电，会造成线性稳压源的上电过冲，由此可见仅使用BOOST-BOOST和隔离器的弊端。如果过冲电压高于其负载耐压值，即使过冲宽度很窄，也会对负载造成致命性的破坏，降低了智能开关应用的可靠性；输入电压并不是一直为稳定幅值，对于BOOST-BUCK型的智能开关，缺少对应的BUCK转换电路的电压补偿，从而导致下位电路供电不足触发重启，造成不便。
此外，如果用于驱动栅极端子电容的电流很小，负载群功耗大，则输出NMOS的栅极端子电压和输出PMOS的栅极端子电压不能根据对输入端子的输入电压的突然变化而充电或放电。这就延迟了响应，并且因此延迟了来自输出端子的输出电压的响应。为了使来自输出端子的输出电压对输入端子的输入电压快速作出响应，需要增大用于驱动形成输出部分的输出NMOS和输出PMOS的栅极端子电容的电流。然而，因为电流总是流动，妨碍了电耗的降低。如上所述，因为智能开关中的低功耗和高速输出响应处于权衡关系，难以实现同时满足这两个特性的智能开关。
不同的系统需要不同的逻辑1/0阈值电压。在有些负载为处理器，电压小于5V意味着逻辑0，而大于15V意味着逻辑1，同时在有些负载为伺服驱动器中，电压小于1V意味着逻辑0，而大于4V意味着逻辑1，此时如果将处理器直接与伺服驱动器连接则会产生很大问题。
发明内容
针对上述现有技术，本发明目的在于提供一种基于缓冲电路的智能开关，其旨在解决现有技术存在功耗高，频率效应速度慢，上电过冲或缺乏电压补偿，特别是在上电过冲时，没有过冲反馈来及时通知控制芯片进行调试且输出电压逻辑固定等技术问题，本发明提供了一种基于缓冲电路的智能开关。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于缓冲电路的智能开关,包括电源，还包括输入电压转换电路，接收电源的输出电压；中级开关电路，接收输入电压转换电路输出的增益电压；输出电压转换电路，用于降压调制，其中包括线性补偿电路，接收中级开关电路输出的电压信号并隔离输出直流信号；过冲反馈调节电路，接收过冲的直流信号，并反馈过冲信号至输出电压转换电路和中级开关电路；所述的电压信号最大电压幅值范围为小于增益电压二倍幅值；数字输入电路，接收缓冲电路输出的直流电压信号。
上述方案中，所述的输入电压转换电路，包括第一编程控制器，用于升压调制；第一场效应管，用于升压调制开关，接收电源的输出电压，接收由第一编程控制器相对于电源输出电压所输出的相位同步调制时钟。
上述方案中，所述的输入电压转换电路，还包括第一电感，其一端连接电源且另一端连接第一场效应管；第一二极管，其高电极连接第一场效应管；第二二极管，其高电极连接电源且低电极连接第一二极管的低电极。
上述方案中，所述的中级开关电路，包括第二编程控制器，用于电压脉宽调制；第二场效应管，接收输入电压转换电路输出的增益电压，接收第二编程控制器输出的脉宽调制时钟并输出限定脉宽的电压信号；第二电感，对限定脉宽的电压信号滤波；第一电容，补偿滤波后的电压信号最低幅值。
上述方案中，所述的中级开关电路，还包括第一齐纳二极管，其低电极连接第二场效应管且高电极接地；第三场效应管，接收第二编程控制器输出的充电信号时钟并补偿第一电容的电荷。
上述方案中，所述的输出电压转换电路，包括第三编程控制器，用于降压调制；第四场效应管和第五场效应管，第四场效应管源极连接第五场效应管漏极，且均接收第三编程控制器输出的降压调制时钟；第二电容和第三电容，相互串联，并将空置端分别连接至第四场效应管和第五场效应管；第四场效应管、第五场效应管、第二电容和第三电容通过隔离器、第三二极管和第四二极管输出直流信号。
上述方案中，所述的输出电压转换电路，其线性补偿电路包括第四电容，其一端接地且另一端连接第四场效应管的漏极；第五二极管，其高电极接地且低电极连接第四场效应管的漏极；第六二极管，其高电极接地且低电极连接第四场效应管的源极；第七二极管，其高电极接地且低电极连接第五场效应管的源极。
上述方案中，所述的过冲反馈调节电路，包括第二齐纳二极管，其低电极接收过冲的直流信号；光耦器，其发光管高电极连接第二齐纳二极管的高电极且光敏管反馈过冲信号至输出电压转换电路和中级开关电路。
所述的缓冲电路，包括
输出单元，所述输出单元具有输出端子，所述输出端子用于输出基于输入的输入信号的输出信号，其中
上述方案中，所述输出单元包括：第一晶体管，其具有连接到所述输出端子的一个主电极；以及第二晶体管，其具有连接到所述输出端子、并且连接到所述第一晶体管的所述一个主电极的一个主电极，以及所述缓冲电路包括：第三晶体管，用于基于所述输入信号降低所述第一晶体管的控制电极的电压；第四晶体管，用于基于所述输入信号增大所述第二晶体管的控制电极的电压；第一电压差检测电路，用于检测所述输出信号以所述输入信号为基准的电压差；第二电压差检测电路，用于检测所述输入信号以所述输出信号为基准的电压差；第一电流提供单元，用于基于由所述第一电压差检测电路所检测的电压差的绝对值，增大在所述第三晶体管中流动的电流；以及第二电流提供单元，用于基于由所述第二电压差检测电路所检测的电压差的绝对值，增大在所述第四晶体管中流动的电流。
上述方案中，所述的数字输入电路，包括分压电路、比较电路和参考电压电路，所述的分压电路将串行信号限幅后发送给比较电路；所述的参考电压电路向比较电路提供能够变化的反相参考电压；所述的比较电路，其输出端还连接有RISC架构的8位闪存单片机；所述的参考电压电路，包括单刀双掷开关；所述的数字输入电路还连接有负载群。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
提供了具有电压补偿、过冲反馈的智能开关结构，提高智能开关的转换效率，对降压调制场效应管驱动结构的输出提供了稳定的线性补偿，显著减弱了由于非线性器件(如隔离器、电感)引入的噪声，智能开关输出更加稳定，基本消除由于供电不足造成的不断重启现象或由于过冲电流造成的波形抖动现象；实现同时满足具有相互权衡关系的降低功耗和转换速率特性的智能开关；阈值电压逻辑可提供不同参考电压，阈值电压逻辑1/0可调。
附图说明
图1为本发明的电路模块示意图；
图2为本发明的电路原理示意图；
图3为本发明缓冲电路原理示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合附图对本发明做进一步说明：
实施例1
所述的输入电压转换电路，包括第一编程控制器，用于升压调制；第一场效应管Q1，用于升压调制开关，接收电源的输出电压，接收由第一编程控制器相对于电源输出电压所输出的相位同步调制时钟。
所述的输入电压转换电路，还包括第一电感L1，其一端连接电源且另一端连接第一场效应管Q1；第一二极管D3，其高电极连接第一场效应管Q1；第二二极管D2，其高电极连接电源且低电极连接第一二极管D3的低电极。
所述的中级开关电路，包括第二编程控制器，用于电压脉宽调制；第二场效应管Q2，接收输入电压转换电路输出的增益电压，接收第二编程控制器输出的脉宽调制时钟并输出限定脉宽的电压信号；第二电感L2，对限定脉宽的电压信号滤波；第一电容C1，补偿滤波后的电压信号最低幅值。
所述的中级开关电路，还包括第一齐纳二极管D4，其低电极连接第二场效应管Q2且高电极接地；第三场效应管Q3，接收第二编程控制器输出的充电信号时钟并补偿第一电容C1的电荷。
所述的输出电压转换电路，包括第三编程控制器，用于降压调制；第四场效应管Q4和第五场效应管Q5，第四场效应管Q4源极连接第五场效应管Q5漏极，且均接收第三编程控制器输出的降压调制时钟；第二电容C2和第三电容C3，相互串联，并将空置端分别连接至第四场效应管Q4和第五场效应管Q5；第四场效应管Q4、第五场效应管Q5、第二电容C2和第三电容C3通过隔离器T1、第三二极管D6和第四二极管D7输出直流信号。
所述的输出电压转换电路，其线性补偿电路包括第四电容C5，其一端接地且另一端连接第四场效应管Q4的漏极；第五二极管D11，其高电极接地且低电极连接第四场效应管Q4的漏极；第六二极管D9，其高电极接地且低电极连接第四场效应管Q4的源极；第七二极管D10，其高电极接地且低电极连接第五场效应管Q5的源极。
所述的过冲反馈调节电路，包括第二齐纳二极管D8，其低电极接收过冲的直流信号；光耦器U1，其发光管高电极连接第二齐纳二极管D8的高电极且光敏管反馈过冲信号至输出电压转换电路和中级开关电路。
实施例2
缓冲电路的输出端子“Vo”连接有输出NMOS晶体管m1的源极端子和输出PMOS晶体管m2的源极端子，形成推挽型输出电路。在下面的描述中，为了简单起见，把每一个MOS晶体管简称为NMOS或PMOS。形成输出电路的输出NMOS m1的漏极端子与电源连接。栅极端子与从电源提供电流的电压-电流转换电路21、和PMOS m3的源极端子连接。分别地，PMOS m3的漏极端子与基准电位连接，并且栅极端子与输入端子“Vout”连接。在本实施例中，如稍后所描述的执行以下操作：通过电压-电流转换电路21的操作等等，响应于提升输入到输入端子“Vout”的输入电压来提升要从输出端子“Vo”输出的输出电压。形成另一输出电路的输出PMOS m2的漏极端子与基准电位连接，栅极端子与电压-电流转换电路22连接，所述电压-电流转换电路22向基准电位和NMOS m4的源极端子提供电流。分别地，NMOS m4的漏极端子与电源连接，并且栅极端子与输入端子“Vout”连接。在本实施例中，执行以下操作：通过电压-电流转换电路22的操作等等，响应于降低输入到输入端子“Vout”的输入电压来降低要从输出端子“Vo”输出的输出电压。提供电压差检测电路10，输入端子“Vout”和输出端子“Vo”与所述电压差检测电路10连接。电压差检测电路10检测输入端子“Vout”的输入电压Vout和输出端子“Vo”的输出电压Vo之间的电压差。
电压差检测电路10包括差分放大器电路11和差分放大器电路12。如图1所示，以与差分放大器电路12所输入的输入信号和输出信号的极性相反的极性向差分放大器电路11输入所述输入信号和输出信号。来自差分放大器电路11的输出与电压-电流转换电路21连接，并且来自差分放大器电路12的输出与电压-电流转换电路22连接。
实施例3
所述的参考电压电路包括一单刀双掷开关，该开关的切换可以导通与预置的第一反相参考电压或第二反相参考电压的连接，从而将所连接的该第一反相参考电压或该第二反相参考电压向所述比较电路提供，作为用以确定逻辑1/0的反相参考电压。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于缓冲电路的智能开关,包括电源，其特征在于，还包括
输入电压转换电路，接收电源的输出电压；
中级开关电路，接收输入电压转换电路输出的增益电压；
输出电压转换电路，用于降压调制，其中包括线性补偿电路，接收中级开关电路输出的电压信号并隔离输出直流信号；
过冲反馈调节电路，接收过冲的直流信号，并反馈过冲信号至输出电压转换电路和中级开关电路；
缓冲电路，用于平衡负载功耗与频率相应速度，接收输出电压转换电路输出的直流信号；
数字输入电路，接收缓冲电路输出的直流电压信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于缓冲电路的智能开关,其特征在于，所述的输入电压转换电路，包括
第一编程控制器，用于升压调制；
第一场效应管，用于升压调制开关，接收电源的输出电压，接收由第一编程控制器相对于电源输出电压所输出的相位同步调制时钟。
3.根据权利要求2所述的一种基于缓冲电路的智能开关,其特征在于，所述的输入电压转换电路，还包括
第一电感，其一端连接电源且另一端连接第一场效应管；
第一二极管，其高电极连接第一场效应管；
第二二极管，其高电极连接电源且低电极连接第一二极管的低电极。
4.根据权利要求1所述的一种基于缓冲电路的智能开关,其特征在于，所述的中级开关电路，包括
第二编程控制器，用于电压脉宽调制；
第二场效应管，接收输入电压转换电路输出的增益电压，接收第二编程控制器输出的脉宽调制时钟并输出限定脉宽的电压信号；
第二电感，对限定脉宽的电压信号滤波；
第一电容，补偿滤波后的电压信号最低幅值。
5.根据权利要求4所述的一种基于缓冲电路的智能开关,其特征在于，所述的中级开关电路，还包括
第一齐纳二极管，其低电极连接第二场效应管且高电极接地；
第三场效应管，接收第二编程控制器输出的充电信号时钟并补偿第一电容的电荷。
6.根据权利要求1所述的一种基于缓冲电路的智能开关,其特征在于，所述的输出电压转换电路，包括
第三编程控制器，用于降压调制；
第四场效应管和第五场效应管，第四场效应管源极连接第五场效应管漏极，且均接收第三编程控制器输出的降压调制时钟；
第二电容和第三电容，相互串联，并将空置端分别连接至第四场效应管和第五场效应管；
第四场效应管、第五场效应管、第二电容和第三电容通过隔离器、第三二极管和第四二极管输出直流信号。
7.根据权利要求1所述的一种基于缓冲电路的智能开关,其特征在于，所述的缓冲电路，包括
输出单元，所述输出单元具有输出端子，所述输出端子用于输出基于输入的输入信号的输出信号，其中
所述输出单元包括：
第一晶体管，其具有连接到所述输出端子的一个主电极；以及
第二晶体管，其具有连接到所述输出端子、并且连接到所述第一晶体管的所述一个主电极的一个主电极，以及
所述缓冲电路包括：
第三晶体管，用于基于所述输入信号降低所述第一晶体管的控制电极的电压；
第四晶体管，用于基于所述输入信号增大所述第二晶体管的控制电极的电压；
第一电压差检测电路，用于检测所述输出信号以所述输入信号为基准的电压差；
第二电压差检测电路，用于检测所述输入信号以所述输出信号为基准的电压差；
第一电流提供单元，用于基于由所述第一电压差检测电路所检测的电压差的绝对值，增大在所述第三晶体管中流动的电流；以及
第二电流提供单元，用于基于由所述第二电压差检测电路所检测的电压差的绝对值，增大在所述第四晶体管中流动的电流。
8.根据权利要求1所述的一种基于缓冲电路的智能开关,其特征在于，所述的过冲反馈调节电路，包括
第二齐纳二极管，其低电极接收过冲的直流信号；
光耦器，其发光管高电极连接第二齐纳二极管的高电极且光敏管反馈过冲信号至输出电压转换电路和中级开关电路。
9.根据权利要求1所述的一种基于缓冲电路的智能开关,其特征在于，所述的数字输入电路，包括分压电路、比较电路和参考电压电路，
所述的分压电路将串行信号限幅后发送给比较电路；
所述的参考电压电路向比较电路提供能够变化的反相参考电压；所述的比较电路，其输出端还连接有RISC架构的8位闪存单片机；
所述的参考电压电路，包括单刀双掷开关；
所述的数字输入电路还连接有负载群。
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