CN110474534A - 一种改进型非隔离式电压变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种改进型非隔离式电压变换器，连接在市电与用电电路之间，其特征在于，包括整流模块、控制芯片、储能放电模块；所述整流模块的输入端与市电的输出端电性连接，整流模块的输出端经储能放电模块与用电电路的一端电性连接；所述整流模块用于将市电的交流整合成直流，控制芯片用于控制储能放电模块储能或放电，以控制用电电路电压的升降。本发明设计合理、简单高效，输出电压直接从控制芯片的VIN端口进行采样，可保证该电路不受大地电性能的影响，便于实现低压差稳压；同时，控制芯片采用自取电采样方式，可降低工作成本。
Description
技术领域
本发明涉及隔离式开关电源应用领域，尤其涉及一种改进型非隔离式电压变换器。
背景技术
在小功率非隔离式电压变换器应用领域中，比较常用的有Buck降压电路、及Boost升压电路。而开关电源的控制方式，主要有PWM(脉冲宽度调制方式)、PFM(脉冲频率调制方式)、及PWM—PFM(脉冲宽度-频率调制方式)，三种方式分别适用于不同的工作环境。输出电压的检测方式最常用的是电压分阻的方式进行检测，适用于小功率电气中。
如图1所示，是基于Buck降压电路设计的常用的非隔离式电压变换器的电路结构，该电路U1为整流桥，用于将市电转换为直流电，U2为PFM集成MOS管的控制器，U2通过控制Q1的开关状态，以控制电感L1的充放电：当PFM控制信号(由单片机或控制芯片对Q1的栅极输入信号以控制上Q1开关)为高电平时，开关管Q1导通，此时对电感L1充电，反之，当控制信号为低电平时，开关管Q1关断，此时L1通过续流管D1进行放电。
同时，采用输出取电方式：即输出VOUT端通过一个二极管D2为控制器U2供电，U2通过电阻分压的方式采样该电压，与基准电压比较之后，进而控制改变PFM信号的频率，实现输出电源的智能控制。
但上述电路存在以下不足之处：
1)当Q1导通时，对电感L1进行充电储能，当Q1关断时，电感L1通过D1续流，对电容C3充电，同时，也通过D2对C2进行充电。而此时采样得到的U2的工作电压VCC＝VOUT+VD1-VD2，则有输出电压VOUT＝VCC+VD2-VD1。因为U2的采样电压是VCC，由于D1和D2的流过的电流不等，则VCC并不能真实反应VOUT，故输出有一定的误差；
2)由于U2采用输出取电的方式，采样电压VCC需低于输出电压VOUT，而U2的VCC启动阈值电压较高，则输出电压VOUT受VCC启动阈值电压影响，只能高于VCC启动阈值电压，则该电路不便广泛应用于不同工作电压的产品中；
3)输出取电方式使得外围电路需要多用一个高压续流二极管D2，成本高；
4)采用电阻分压的方式进行采样，当电路电流一旦有变化，可能会导致过电压或者欠电压，承载能力较弱，稳定性较差。
综上可知，所述非隔离式电压变换器，实际中存在不便的问题，所以有必要加以改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进型非隔离式电压变换器，该变换器电路设计合理、简单高效，输出电压直接从控制芯片的VIN端口进行采样，保证该电路不受大地电性能的影响，便于实现低压差稳压；同时，控制芯片采用自取电采样方式，可降低工作成本。
为实现上述目的，采用以下技术方案：
一种改进型非隔离式电压变换器，连接在市电与用电电路之间，包括整流模块、控制芯片、储能放电模块；所述整流模块的输入端与市电的输出端电性连接，整流模块的输出端经储能放电模块与用电电路的一端电性连接；所述控制芯片的SW端口与储能放电模块电性连接，控制芯片的VIN端口连接整流模块与储能放电模块的公共连接端；所述控制芯片的VCC端口连接储能放电模块与用电电路一端的公共连接端，控制芯片的GND端口接地；所述用电电路的另一端连接整流模块与控制芯片VIN端口的公共连接端；所述整流模块用于将市电的交流整合成直流，控制芯片用于控制储能放电模块储能或放电，以控制用电电路电压的升降。
进一步地，所述控制芯片包括主控模块、驱动模块、开关管模块、与主控模块电性连接的启动电源模块、及振荡电路；所述主控模块经驱动模块与开关管模块电性连接，主控模块用于经驱动模块控制开关管模块工作，开关管模块用于经SW端口控制储能放电模块储能或放电；所述振荡电路用于向主控模块输入驱动信号以经主控模块控制驱动模块工作，启动电源模块经VIN端口与整流模块电性连接，用于为控制芯片供电。
进一步地，所述控制芯片还包括与主控模块电性连接的基准电压模块、及采样比较模块；所述基准电压模块用于设置控制芯片的基准电压，采样比较模块用于经控制芯片的VIN端口、VCC端口采集用电电路的两端的电压差并与基准电压进行比较。
进一步地，所述采样比较模块包括分压电阻R1、分压电阻R2、调压电阻R3、MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3、MOS管M4、MOS管M5、MOS管M6；所述MOS管M1的栅极与MOS管M2的栅极相互连接，且MOS管M1的源极与MOS管M2的源极均接地；所述分压电阻R1的一端与控制芯片的VIN端口连接，分压电阻R1的另一端分别与MOS管M1的漏极、以及MOS管M1和MOS管M2的公共连接端连接；所述MOS管M3的栅极与MOS管M4的栅极相互连接，且MOS管M3的源极与MOS管M4的源极均接地；所述分压电阻R2的一端与控制芯片的VCC端口连接，分压电阻R2的另一端分别与MOS管M2的漏极、以及MOS管M3和MOS管M4的公共连接端连接；所述MOS管M3的漏极连接分压电阻R2与MOS管M3、MOS管M4的公共连接端；所述MOS管M5的栅极与MOS管M6的栅极相互连接，且MOS管M5的源极与MOS管M6的源极均与控制芯片的VCC端口连接；所述MOS管M4的漏极分别与MOS管M5的漏极、以及MOS管M5和MOS管M6的公共连接端连接；所述MOS管M6的漏极经调压电阻R3接地。
进一步地，所述储能放电模块包括储能电感L1、续流二极管D1；所述储能电感L1正向连接续流二极管D1，且储能电感L1的另一端与整流模块的输出端连接；所述控制芯片的VIN端口连接储能电感L1与整流模块的公共连接端，开关管模块经SW端口连接储能电感L1与续流二极管D1的公共连接端；所述用电电路一端与续流二极管D1的负极连接，另一端连接整流模块与控制芯片VIN端口的公共连接端。
进一步地，所述开关管模块包括开关管Q1；所述开关管Q1的漏极经SW端口连接储能电感L1与续流二极管D1的公共连接端，开关管Q1的源极接地，开关管Q1的栅极与驱动模块连接。
进一步地，所述整流模块与储能电感L1公共连接端经滤波电容C1接地，续流二极管D1的负极与用电电路一端之间设有滤波电容C2，控制芯片VCC端口与用电电路的公共连接端经滤波电容C3接地。
采用上述方案，本发明的有益效果是：
1)控制芯片采用自取电采样方式，减少电路布置所需零件的数量，进而降低成本；
2)控制芯片的输出端采用浮地方式，使输出电压不受大地电性能影响，便于实现低压差线性稳压；
3)通过改变调节电阻R3的电阻值，实现输出电压控制的调整，保证输出电压的稳定性；
4)采样比较模块采用差分采样方式，比电阻分压采样方式更稳定，带载能力强。
附图说明
图1为现有的非隔离式电压变换器的电路图；
图2为本发明的电路图；
图3为本发明的控制芯片的原理性框图；
图4为本发明的采样比较模块的电路图；
其中，附图标识说明：
1—市电； 2—用电电路；
3—整流模块； 4—控制芯片；
5—储能放电模块； 41—主控模块；
42—驱动模块； 43—开关管模块；
44—启动电源模块； 45—振荡电路；
46—基准电压模块； 47—采样比较模块。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
参照图2至4所示，本发明提供一种改进型非隔离式电压变换器，连接在市电1与用电电路2之间，包括整流模块3、控制芯片4、储能放电模块5；所述整流模块3的输入端与市电1的输出端电性连接，整流模块3的输出端经储能放电模块5与用电电路2的一端电性连接；所述控制芯片4的SW端口与储能放电模块5电性连接，控制芯片4的VIN端口连接整流模块3与储能放电模块5的公共连接端；所述控制芯片4的VCC端口连接储能放电模块5与用电电路2一端的公共连接端，控制芯片4的GND端口接地；所述用电电路2的另一端连接整流模块3与控制芯片4的VIN端口的公共连接端；所述整流模块3用于将市电1的交流整合成直流，控制芯片4用于控制储能放电模块5储能或放电，以控制用电电路2电压的升降。
其中，所述控制芯片4包括主控模块41、驱动模块42、开关管模块43、与主控模块41电性连接的启动电源模块44、及振荡电路45；所述主控模块41经驱动模块42与开关管模块43电性连接，主控模块41用于经驱动模块42控制开关管模块43工作，开关管模块43用于经SW端口控制储能放电模块5储能或放电；所述振荡电路45用于向主控模块41输入驱动信号以经主控模块41控制驱动模块42工作，启动电源模块44经VIN端口与整流模块3电性连接，用于为控制芯片4供电；所述控制芯片4还包括与主控模块41电性连接的基准电压模块46、及采样比较模块47；所述基准电压模块46用于设置控制芯片4的基准电压，采样比较模块47用于经控制芯片4的VIN端口、VCC端口采集用电电路2的两端的电压差并与基准电压进行比较。
所述采样比较模块47包括分压电阻R1、分压电阻R2、调压电阻R3、MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3、MOS管M4、MOS管M5、MOS管M6；所述MOS管M1的栅极与MOS管M2的栅极相互连接，且MOS管M1的源极与MOS管M2的源极均接地；所述分压电阻R1的一端与控制芯片4的VIN端口连接，分压电阻R1的另一端分别与MOS管M1的漏极、以及MOS管M1和MOS管M2的公共连接端连接；所述MOS管M3的栅极与MOS管M4的栅极相互连接，且MOS管M3的源极与MOS管M4的源极均接地；所述分压电阻R2的一端与控制芯片4的VCC端口连接，分压电阻R2的另一端分别与MOS管M2的漏极、以及MOS管M3和MOS管M4的公共连接端连接；所述MOS管M3的漏极连接分压电阻R2与MOS管M3、MOS管M4的公共连接端；所述MOS管M5的栅极与MOS管M6的栅极相互连接，且MOS管M5的源极与MOS管M6的源极均与控制芯片4的VCC端口连接；所述MOS管M4的漏极分别与MOS管M5的漏极、以及MOS管M5和MOS管M6的公共连接端连接；所述MOS管M6的漏极经调压电阻R3接地。
所述储能放电模块5包括储能电感L1、续流二极管D1；所述储能电感L1正向连接续流二极管D1，且储能电感L1的另一端与整流模块3的输出端连接；所述控制芯片4的VIN端口连接储能电感L1与整流模块3的公共连接端，开关管模块43经SW端口连接储能电感L1与续流二极管D1的公共连接端；所述用电电路2一端与续流二极管D1的负极连接，另一端连接整流模块3与控制芯片4的VIN端口的公共连接端；所述开关管模块43包括开关管Q1；所述开关管Q1的漏极经SW端口连接储能电感L1与续流二极管D1的公共连接端，开关管Q1的源极接地，开关管Q1的栅极与驱动模块42连接；一具体实施例中，所述整流模块3采用整流模块；所述整流模块3与储能电感L1公共连接端经滤波电容C1接地，续流二极管D1的负极与用电电路2一端之间设有滤波电容C2，控制芯片4的VCC端口与用电电路2的公共连接端经滤波电容C3接地。
本发明工作原理：
如图2所示，本发明的电路是基于boost升压电路而设计的，由开关管Q1的导通状态控制储能电感L1的储能及放电，进而实现对用电电路2的电压的控制；本发明的输出端采用浮地技术，即输出VB端直接从控制芯片4的VIN端口采样，使得VOUT＝VA-VIN，进而保证该电路不受大地电性能的影响，便于实现低压差稳压；同时，控制芯片4采用自取电采样方式(差分采样方式采样用电电路2的电压)，使得该电路相比图1中的电压分压采样方式，减少使用一个续流二极管，降低工作成本。
储能电感L1的一端连接整流模块3的输出端，即为控制芯片的4VIN端口的信号端，开关管Q1的漏极连接储能电感L1与续流二极管D1的公共连接端，开关管Q1的源极经控制芯片4的GND端口直接接地，开关管Q1的栅极与控制芯片4的驱动模块42连接，受振荡电路45产生的驱动信号而实现开闭；续流二极管D1的负极作为输出VOUT电压(输给用电电路2进行工作的输出电压VA)的VA端，储能电感L1与整流模块3相接的一端作为输出VOUT电压的VB端，VA端与VB端之间通过滤波电容C2进行滤波，控制芯片4的采样比较模块47采样VA端和VB端的信号，与基准电压模块46设置的基准电压进行比较，若有差异，则输出模块通过振荡电路45改变驱动信号的频率，以通过驱动模块42、开关管模块43控制输出电压的稳定。
本发明的工作的过程为：市电1通过整流模块3后，变成直流进入电路中，通过驱动模块42控制开关管Q1的开关状态，对储能电感L1进行储能或放电，当振荡电路45产生的驱动信号为高电平时，开关管Q1导通，则储能电感L1开始储能；当驱动信号为低电平时，开关管Q1关断，储能电感L1开始放电。
控制芯片4主要包括主控模块41、驱动模块42、开关管模块43、启动电源模块44、振荡电路45、基准电压模块46、采样比较模块47；其中，启动电源模块44经整流模块3与市电1连接，主要是为控制芯片4提供工作电源，以及检测输入电压是否达到开启电压，若没有，则会产生欠压锁定信号(控制芯片4就不会工作)；基准电压模块46正常工作时会产生一个基准电压(预设值，用于采样电压进行比较)；振荡电路45无需外围电路进行设置，用于产生驱动信号；采样比较模块47是对控制芯片4的输出电压进行采样，并与基准电压进行比较；主控模块41用对各模块产生的信号进行处理，并通过驱动模块42控制开关管模块43工作。
本发明采样比较模块47采用差分采样方式对输出电压进行采样，其内部电路如图4所示，其中VA和VB为采集的用电电路2两端待测的输出电压，△V为计算得到的用电电路2的电压差，V1为VA经分压电阻R1分压后的电压，V2为经分压电阻R2分压后的电压(VA和VB分别经分压电阻R1、分压电阻R2分压之后，MOS管Q1、MOS管Q2可以不使用高压管，减少了高压管的使用，降低成本)；假设图中所有同类型MOS管的尺寸均相同，则有：
流过MOS管M2的电流是对流过MOS管M1电流的镜像，即，
IM2＝IM1＝(VA-V1)/R1
MOS管M2和MOS管M3电流之和即为流过分压电阻R2的电流，即，
IR2＝IM3+IM2＝(VB-V2)/R2
MOS管M4的电流又是流过MOS管M3电流的镜像，流过MOS管M5的电流与流过MOS管M4的电流相同，流过MOS管M6的电流又是流过MOS管M5的电流的镜像，即，
IM3＝IM4＝IM5＝IM6
当求得流过MOS管M6的电流时，即可求得调压电阻R3上分得的电压，即为△V，
ΔV＝IM3·R3＝R3·[(VB-V2)/R2-(VA-V1)/R1]
通过改变调压电阻R3即可调整输出电压，增强输出电压的稳定性。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种改进型非隔离式电压变换器，连接在市电与用电电路之间，其特征在于，包括整流模块、控制芯片、储能放电模块；所述整流模块的输入端与市电的输出端电性连接，整流模块的输出端经储能放电模块与用电电路的一端电性连接；所述控制芯片的SW端口与储能放电模块电性连接，控制芯片的VIN端口连接整流模块与储能放电模块的公共连接端；所述控制芯片的VCC端口连接储能放电模块与用电电路一端的公共连接端，控制芯片的GND端口接地；所述用电电路的另一端连接整流模块与控制芯片VIN端口的公共连接端；所述整流模块用于将市电的交流整合成直流，控制芯片用于控制储能放电模块储能或放电，以控制用电电路电压的升降。
2.根据权利要求1所述的改进型非隔离式电压变换器，其特征在于，所述控制芯片包括主控模块、驱动模块、开关管模块、与主控模块电性连接的启动电源模块、及振荡电路；所述主控模块经驱动模块与开关管模块电性连接，主控模块用于经驱动模块控制开关管模块工作，开关管模块用于经SW端口控制储能放电模块储能或放电；所述振荡电路用于向主控模块输入驱动信号以经主控模块控制驱动模块工作，启动电源模块经VIN端口与整流模块电性连接，用于为控制芯片供电。
3.根据权利要求2所述的改进型非隔离式电压变换器，其特征在于，所述控制芯片还包括与主控模块电性连接的基准电压模块、及采样比较模块；所述基准电压模块用于设置控制芯片的基准电压，采样比较模块用于经控制芯片的VIN端口、VCC端口采集用电电路的两端的电压差并与基准电压进行比较。
4.根据权利要求3所述的改进型非隔离式电压变换器，其特征在于，所述采样比较模块包括分压电阻R1、分压电阻R2、调压电阻R3、MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3、MOS管M4、MOS管M5、MOS管M6；所述MOS管M1的栅极与MOS管M2的栅极相互连接，且MOS管M1的源极与MOS管M2的源极均接地；所述分压电阻R1的一端与控制芯片的VIN端口连接，分压电阻R1的另一端分别与MOS管M1的漏极、以及MOS管M1和MOS管M2的公共连接端连接；所述MOS管M3的栅极与MOS管M4的栅极相互连接，且MOS管M3的源极与MOS管M4的源极均接地；所述分压电阻R2的一端与控制芯片的VCC端口连接，分压电阻R2的另一端分别与MOS管M2的漏极、以及MOS管M3和MOS管M4的公共连接端连接；所述MOS管M3的漏极连接分压电阻R2与MOS管M3、MOS管M4的公共连接端；所述MOS管M5的栅极与MOS管M6的栅极相互连接，且MOS管M5的源极与MOS管M6的源极均与控制芯片的VCC端口连接；所述MOS管M4的漏极分别与MOS管M5的漏极、以及MOS管M5和MOS管M6的公共连接端连接；所述MOS管M6的漏极经调压电阻R3接地。
5.根据权利要求2所述的改进型非隔离式电压变换器，其特征在于，所述储能放电模块包括储能电感L1、续流二极管D1；所述储能电感L1正向连接续流二极管D1，且储能电感L1的另一端与整流模块的输出端连接；所述控制芯片的VIN端口连接储能电感L1与整流模块的公共连接端，开关管模块经SW端口连接储能电感L1与续流二极管D1的公共连接端；所述用电电路一端与续流二极管D1的负极连接，另一端连接整流模块与控制芯片VIN端口的公共连接端。
6.根据权利要求5所述的改进型非隔离式电压变换器，其特征在于，所述开关管模块包括开关管Q1；所述开关管Q1的漏极经SW端口连接储能电感L1与续流二极管D1的公共连接端，开关管Q1的源极接地，开关管Q1的栅极与驱动模块连接。
7.根据权利要求6所述的改进型非隔离式电压变换器，其特征在于，所述整流模块与储能电感L1公共连接端经滤波电容C1接地，续流二极管D1的负极与用电电路一端之间设有滤波电容C2，控制芯片VCC端口与用电电路的公共连接端经滤波电容C3接地。
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