CN110719027A

CN110719027A - 一种适用于高压输入的dc-dc电路

Info

Publication number: CN110719027A
Application number: CN201911234239.4A
Authority: CN
Inventors: 柯乃泉; 王纪周; 毛昭祺
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2020-01-21
Also published as: WO2021109538A1

Abstract

本发明公开了一种适用于高压输入的DC‑DC电路，涉及DC‑DC电路技术领域。本发明包括：第一电感、第二电感、输出电容、输入端、串联在输入端的第一输入电容和第二输入电容、串联在第一输入电容两端的第一开关管和第一二极管、串联在第二输入电容两端的第二开关管和第二二极管。本发明通过输入端的两个电容的串联连接将输入电压分压，即将输入电压进行降压给后级电路，实现本申请的DC‑DC可高压输入；通过两个开关管、两个二极管，可以形成多个电感的储能回路，和一个释能回路，通过两个开关管不同工作状态的组合，形成多种转换模式，可以使转换能量多样化，使本申请的DC‑DC电路可以适用于宽输出范围的场合中。

Description

一种适用于高压输入的DC-DC电路

技术领域

本发明属于DC-DC电路技术领域，特别是涉及一种适用于高压输入的DC-DC电路。

背景技术

在开关电源中，非隔离DC-DC电路以其成本低、电路简单被广泛使用在小功率电源中。常用的非隔离DC-DC电路，如Buck电路，用于将输入电压降压至适宜使用的场合中。但当输入电压为高压输入甚至超高压输入，而输出电压由过低时，BUCK电路将工作在占空比极低的状态下，这种状态下会导致电路的工作效率也低，损耗高。因此，一般的Buck电路往往用于输出电压窄范围的场合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于高压输入的DC-DC电路，通过输入端的两个电容的串联连接将输入电压分压，即将输入电压进行降压给后级电路，实现本申请的DC-DC可高压输入；通过两个开关管、两个二极管，可以形成多个电感的储能回路，和一个释能回路，通过两个开关管不同工作状态的组合，形成多种转换模式，可以使转换能量多样化，使本申请的DC-DC电路可以适用于宽输出范围的场合中，解决了现有的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种适用于高压输入的DC-DC电路，包括：

第一电感、第二电感、输出电容、输入端；

串联在输入端的第一输入电容、第二输入电容；

串联在第一输入电容两端的第一开关管、第一二极管；

串联在第二输入电容两端的第二开关管、第二二极管；

响应于第一开关管和/或第二开关管导通，第一电感、第二电感储存能量；

响应于第一开关管、第二开关管关断，第一电感、第二电感释放能量给输出电容。

可选的，响应于第一开关管导通、第二开关管关断，第一输入电容、第一开关管、第一电感、输出电容、第二电感、第二二极管形成回路。

可选的，响应于第一开关管关断、第二开关管导通，第二输入电容、第一二极管、第一电感、输出电容、第二电感、第二开关管形成回路。

可选的，响应于第一开关管、第二开关管关断，第一二极管、第一电感、输出电容、第二电感、第二二极管形成回路。

可选的，响应于第一开关管、第二开关管导通，第一输入电容、第二输入电容、第一开关管、第一电感、输出电容、第二电感、第二开关管形成回路。

可选的，第一二极管、第一电感、输出电容、第二电感、第二二极管之间串联，输出电容两端作为所述DC-DC电路的输出端，且该两端的电压为所述DC-DC电路的输出电压。

可选的，还包括控制电路，控制电路用于生成第一驱动信号并输出至第一开关管的控制端、生成第二驱动信号并输出至第二开关管的控制端。

可选的，第一驱动信号、第二驱动信号的占空比和周期均相等。

可选的，响应于输出电压小于1/2输入电压，第一驱动信号和第二驱动信号的相位差等于90°，并控制占空比的值与输出电压的幅值成正比例关系。

可选的，响应于输出电压大于1/2输入电压，第一驱动信号和第二驱动信号的相位差小于90°，并控制相位差的值与输出电压的幅值成反比例关系。

本发明的实施例具有以下有益效果：

本发明的一个实施例通过在输入端的两个电容的串联连接将输入电压分压，即将输入电压进行降压给后级电路，实现本申请的DC-DC可高压输入；通过两个开关管、两个二极管，可以形成多个电感的储能回路，和一个释能回路，通过两个开关管不同工作状态的组合，形成多种转换模式，可以使转换能量多样化，使本申请的DC-DC电路可以适用于宽输出范围的场合中。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的DC-DC电路结构示意图；

图2为本发明一实施例的驱动信号波形图；

图3为本发明另一实施例的驱动信号波形图；

图4为本发明其它实施例的驱动信号波形图。

图5为本发明实施例1的电路结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

为了保持本发明实施例的以下说明清楚且简明，本发明省略了已知功能和已知部件的详细说明。

请参阅图1所示，在本实施例中提供了一种适用于高压输入的DC-DC电路，包括：

第一电感L1、第二电感L2、输出电容Co、输入端；

串联在输入端的第一输入电容C1、第二输入电容C2；

串联在第一输入电容C1两端的第一开关管S1、第一二极管D1；

串联在第二输入电容C2两端的第二开关管S2、第二二极管D2；

响应于第一开关管S1和/或第二开关管S2导通，第一电感L1、第二电感L2储存能量；

响应于第一开关管S1、第二开关管S2关断，第一电感L1、第二电感L2释放能量给输出电容Co。

具体的，在本实施例中，该DC-DC电路的工作过程包括以下：

响应于第一开关管S1导通、第二开关管S2关断，第一输入电容C1、第一开关管S1、第一电感L1、输出电容Co、第二电感L2、第二二极管D2形成回路，第一电感L1、第二电感L2储存能量。该过程中，第一输入电容C1为第一电感L1和第二电感L2充电，使DC-DC电路的输出电容Co上的电压为第一输入电容C1的电压和电感电压之差。其中，电感电压为第一电感L1和第二电感L2的电压之和。当第一输入电容C1和第二输入电容C2的容值相等时，第一输入电容上C1上的为输入电压Vin的一半。

响应于第一开关管S1关断、第二开关管S2导通，第二输入电容C2、第一二极管D1、第一电感L1、输出电容Co、第二电感L2、第二开关管S2形成回路，第一电感L1、第二电感L2储存能量。该过程中，第二输入电容C2为第一电感L1和第二电感L2充电，使DC-DC电路的输出电容Co上的电压为第二输入电容C2的电压和电感电压之差。其中，电感电压为第一电感L1和第二电感L2的电压之和。当第一输入电容C1和第二输入电容C2的容值相等时，第二输入电容上C2上的为输入电压Vin的一半。

响应于第一开关管S1、第二开关管S2关断，第一二极管D1、第一电感L1、输出电容Co、第二电感L2、第二二极管D2形成回路，第一电感L1、第二电感L2释放能量给输出电容Co。该过程中，第一电感L1和第二电感L2上的电流开始减小，该电流为输出电容Co充电，DC-DC电路将前一阶段存储在电感的能量释放给输出电容Co，完成输入功率到输出功率的转换，即DC-DC转换。

响应于第一开关管S1、第二开关管S2导通，第一输入电容C1、第二输入电容C2、第一开关管S1、第一电感L1、输出电容Co、第二电感L2、第二开关管S2形成回路，第一电感L1、第二电感L2储存能量。该过程中，第一输入电容C1第一输入电容C2为第一电感L1和第二电感L2充电，使DC-DC电路的输出电容Co上的电压为输入电压Vin和电感电压之差。其中，电感电压为第一电感L1和第二电感L2的电压之和。第一开关管S1和第二开关管S2皆导通，由两个输入电容C1和C2为电感充电，因此，此时存储的能量相比于前面第一开关管S1或第二开关管S2单独导通时存储的能量要多。

另外，需要说明的是，上述几个工作过程中，第一输入电容C1或第二输入电容C2作为能量存储的提供者，由于第一输入电容C1和第二输入电容C2串联在DC-DC电路的输入端，因此，可以理解的是，第一输入电容C1和第二输入电容C2的能量是DC-DC电路的输入端提供的，DC-DC电路处理的仍然是输入端的直流电源，将其转换为输出端所需的直流电源，而输入电容用于起到滤波和均压的作用。

本实施例通过输入端的两个电容的串联连接将输入电压分压，即将输入电压进行降压给后级电路，实现本申请的DC-DC可高压输入；通过两个开关管、两个二极管，可以形成多个电感的储能回路，和一个释能回路，通过两个开关管不同工作状态的组合，形成多种转换模式，可以使转换能量多样化，使本申请的DC-DC电路可以适用于宽输出范围的场合中。

在本实施例的一个方面中，该DC-DC电路的第一二极管D1、第一电感L1、输出电容Co、第二电感L2、第二二极管D2之间串联，输出电容Co两端为输出电压Vo。具体的，第一二极管D1依次串联第一电感L1、输出电容Co、第二电感L2和第二二极管D2。

在本实施例的另一方面中，如图2所示，该DC-DC电路还包括控制电路，控制电路用于生成第一驱动信号Vd1并输出至第一开关管S1的控制端、生成第二驱动信号Vd2并输出至第二开关管S2的控制端。控制电路根据检测输出电压、根据检测信号大小生成第一驱动信号Vd1、第二驱动信号Vd2。该控制电路的输入端为DC-DC电路的输出电压Vo。

在本实施例的一个方面中，控制电路控制第一驱动信号Vd1、第二驱动信号Vd2的占空比和周期均相等。本实施例提供了该控制电路的实施方式：

响应于输出电压Vo<1/2输入电压Vin，第一驱动信号Vd1和第二驱动信号Vd2的相位差t＝90°，并控制占空比的值与输出电压Vo的幅值成正比例关系，具体的，占空比的值随输出电压Vo的幅值增大而增大、减小而减小。通过占空比的变化，闭环调节DC-DC电路的输出电压Vo的稳定。

如图3所示，第一驱动信号Vd1、第二驱动信号Vd2在二者的相位差t不变的情况下改变占空比，图3所示由于输出电压Vo的降低，控制电路使第一驱动信号Vd1、第二驱动信号Vd2的占空比从50％减小为40％。通过占空比的变化，闭环调节DC-DC电路的输出电压Vo的稳定。

当输入电压Vin固定不变时，占空比与输出电压Vo成正比例关系。

响应于输出电压Vo>1/2输入电压Vin，第一驱动信号Vd1和第二驱动信号Vd2的相位差t<90°，并控制相位差t的值与输出电压Vo的幅值成反比例关系，具体的，相位差t的值随输出电压Vo的幅值增大而减小、减小而增大。通过相位差的变化，闭环调节DC-DC电路的输出电压Vo的稳定。

如图4所示，第一驱动信号Vd1、第二驱动信号Vd2在占空比D1和D2不变的情况下改变二者的相位差、且相位差在小于90°范围内变化，图4为调节相位差t＝60°。通过相位差的变化，闭环调节DC-DC电路的输出电压Vo的稳定。

实施例1：

如图5所示，在本实施例中，控制电路通过电压环电路和控制芯片实现闭环调整的。

以输入电压Vin为400V直流电压为例，欲得到输出电压Vo为100V直流电压时，此时输出电压Vo小于输入电压Vin的1/2，通过第一驱动信号Vd1和第二驱动信号Vd2的相位差t＝90°方式输出，并闭环调整驱动信号的占空比D1和D2的值，使输出电压Vo为设定值。如图3中示出的占空比变化。具体的工作原理：

电压环电路中，集成运放U1正相输入端输入一个基准信号Vref，负相输入端输入的信号为输出电压Vo的采样信号，通过R1和R2分压获得，通过补偿网络R3、Cx使集成运放U1为负反馈电路，这样集成运放U1的输出电压V1的幅值与正相输入端和负相输入端的电压差值相关，也即随着输出电压Vo的采样信号与基准信号Vrfe之间的差值变化而变化。例如输出电压Vo升高，使其采样值高于基准信号Vref，则集成运放U1的输出电压V1的幅值将降低；

控制芯片接收到电压V1之后，控制其输出的驱动信号Vd1和Vd2的占空比D1和D2随着电压V1的幅值变化而变化，如上例中，当集成运放U1的输出电压V1的幅值降低时，控制芯片将调整驱动信号Vd1和Vd2的占空比D1和D2减小，具体的占空比被调整到满足该关系式D1＝D2＝Vo/Vin时，整个电路系统处于稳定状态，集成运放V1的幅值相对不变，控制芯片输出的驱动信号相对恒定。

以输入电压Vin为400V直流电压为例，欲得到输出电压Vo为300V直流电压时，此时输出电压Vo大于输入电压Vin的1/2，通过第一驱动信号Vd1和第二驱动信号Vd2的占空比D1＝D2＝50％方式输出，并闭环调整驱动信号的相位差t的值，使输出电压Vo为设定值。如图4中示出的相位差为60°，与图3中相位差为90°相比，可以看出相位差的变化。具体的工作原理：

电压环电路的工作原理同上，集成运放U1的输出电压V1随着输出电压Vo的采样信号与基准信号Vrfe之间的差值变化而变化。例如输出电压Vo升高，使其采样值高于基准信号Vref，则集成运放U1的输出电压V1的幅值将降低；

控制芯片接收到电压V1之后，控制其输出的驱动信号Vd1和Vd2的相位差t随着电压V1的幅值变化而变化，如上例中，当集成运放U1的输出电压V1的幅值降低时，控制芯片将调整驱动信号Vd1和Vd2的相位差t增大，当相位差t＝0°时Vo＝Vin、当相位差t＝90°时Vo＝1/2Vin(以占空比近似等于99％为例)，因此，当相位差在[0°，90°]之间变化时，输出电压Vo的幅值在[1/2Vin,Vin]的区间内变化。当相位差被调整到在该区间中的对应输出电压幅值的某一值，使输出电压Vo的采样值等于基准信号Vref时，整个电路系统处于稳定状态，集成运放V1的幅值相对不变，控制芯片输出的驱动信号相对恒定。

本实施例中的占空比包括第一占空比D1、第二占空比D2，第一占空比D1为第一驱动信号Vd1的占空比，第二占空比D2为第二驱动信号Vd2的占空比。本实施例中的周期包括第一周期T1、第二周期T2，第一周期T1为第一驱动信号Vd1的周期，第二周期T2为第二驱动信号Vd2的周期。

上述实施例可以相互结合。

需要注意的是，在本说明书的描述中，诸如“第一”、“第二”等的描述仅仅是用于区分各特征，并没有实际的次序或指向意义，本申请并不以此为限。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种适用于高压输入的DC-DC电路，其特征在于，包括：

第一电感、第二电感、输出电容、输入端；

串联在输入端的第一输入电容、第二输入电容；

串联在第一输入电容两端的第一开关管、第一二极管；

串联在第二输入电容两端的第二开关管、第二二极管；

2.如权利要求1所述的一种适用于高压输入的DC-DC电路，其特征在于，响应于第一开关管导通、第二开关管关断，第一输入电容、第一开关管、第一电感、输出电容、第二电感、第二二极管形成回路。

3.如权利要求1所述的一种适用于高压输入的DC-DC电路，其特征在于，响应于第一开关管关断、第二开关管导通，第二输入电容、第一二极管、第一电感、输出电容、第二电感、第二开关管形成回路。

4.如权利要求1所述的一种适用于高压输入的DC-DC电路，其特征在于，响应于第一开关管、第二开关管关断，第一二极管、第一电感、输出电容、第二电感、第二二极管形成回路。

5.如权利要求1所述的一种适用于高压输入的DC-DC电路，其特征在于，响应于第一开关管、第二开关管导通，第一输入电容、第二输入电容、第一开关管、第一电感、输出电容、第二电感、第二开关管形成回路。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种适用于高压输入的DC-DC电路，其特征在于，第一二极管、第一电感、输出电容、第二电感、第二二极管之间串联，输出电容两端作为所述DC-DC电路的输出端，且该两端的电压为所述DC-DC电路的输出电压。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种适用于高压输入的DC-DC电路，其特征在于，还包括控制电路，控制电路用于生成第一驱动信号并输出至第一开关管的控制端、生成第二驱动信号并输出至第二开关管的控制端。

8.如权利要求7所述的一种适用于高压输入的DC-DC电路，其特征在于，第一驱动信号、第二驱动信号的占空比和周期均相等。

9.如权利要求8所述的一种适用于高压输入的DC-DC电路，其特征在于，响应于输出电压小于1/2输入电压，第一驱动信号和第二驱动信号的相位差等于90°，并控制占空比的值与输出电压的幅值成正比例关系。

10.如权利要求8所述的一种适用于高压输入的DC-DC电路，其特征在于，响应于输出电压大于1/2输入电压，第一驱动信号和第二驱动信号的相位差小于90°，并控制相位差的值与输出电压的幅值成反比例关系。