CN111682764B - 一种可自动调节的dc-dc降压电路及控制方法 - Google Patents

一种可自动调节的dc-dc降压电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于降压电路领域，尤其涉及一种可自动调节的DC‑DC降压电路及控制方法，包括DC‑DC主电路，所述DC‑DC主电路包括电感模块、电容模块和负载模块，所述电容模块和所述负载模块并联后与所述电感模块串联；所述电感模块的电感值可调；控制电路，所述控制电路与所述DC‑DC主电路耦合；所述控制电路根据所述负载模块的电压值的变化情况来切换所述DC‑DC主电路的工作模式，并根据不同的工作模式调节所述电感模块接入电路中的电感值大小。本发明的DC‑DC降压电路能根据负载情况自动调节工作模式，提高电路的转换效率和较少控制器损耗。

Description

一种可自动调节的DC-DC降压电路及控制方法
技术领域
本发明属于降压电路领域，尤其涉及一种可自动调节的DC-DC降压电路及控制方法。
背景技术
DC-DC降压电路是一种比较常见的直流转换直流电路，等效电路如图1所示，由开关管(K1)，电感(L)，二极管(D1)和电解电容(C1)构成。当开关管导通时，输入电压通过开关管给电感储能，并给电容充电和负载供电；当开关管关断时，电感通过电容和续流二极管给负载放电。因此通过调节开关管的导通时间可以控制电压输出。输出电压不仅与开关管的占空比有关还与工作模式有关，一般DC—DC降压电路的工作模式有两种，分别是连续工作模式(CCM)和断续工作模式(DCM)，电路的工作模式与电感有关，连续工作模式，所需的电感值较大，电路转换效率较低，断续工作模式所需的电感值较小，其转换效率也比较高，但断续工作模式下，开关管的占空比较难计算，所以目前大多数DC—DC降压电路都采用连续工作模式，只有在某些需要提升电路效率的场合，才会使用断续工作模式。
专利号为201910925150.6的专利公开了一种大变比宽输入的降压电路及装置，可以使得输入电压在大范围内变化时，系统能保持高效的电能变换和稳定的电压输出，为负载进行供电。但是此电路输出电压不能根据负载变化自动调节，不能在连续工作模式(CCM)和断续工作模式(DCM)中切换，因此转换效率也不能得到有效的提升。
有鉴如此，特提出本发明。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提出一种能根据负载情况自动调节工作模式，提高电路的转换效率和较少控制器损耗的一种DC-DC降压电路。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种可自动调节的DC-DC降压电路，包括
DC-DC主电路，所述DC-DC主电路包括电感模块、电容模块和负载模块，所述电容模块和所述负载模块并联后与所述电感模块串联；所述电感模块的电感值可调；
控制电路，所述控制电路与所述DC-DC主电路耦合；所述控制电路根据所述负载模块的电压值的变化情况来切换所述DC-DC主电路的工作模式，并根据不同的工作模式调节所述电感模块接入电路中的电感值大小。
进一步可选地，所述电感模块包括电感L1、电感L2、开关管K2和开关管K3；
所述开关管K2与所述电感L2串联；所述开关管K3与所述开关管K2和电感L2的串联电路并联，所述电感L1与所述开关K2和开关管K3的并联电路串联；
所述控制电路通过控制所述开关管K2和所述开关管K3的开闭来调节所述电感模块接入电路中的电感值大小。
进一步可选地，所述控制电路包括减法器、第一比较器、第二比较器和第二触发器；
所述减法器用来输出DC-DC主电路的输出电压Uo与所述负载模块的电压变化值U的差值ΔU，ΔU＝Uo－U；
所述第一比较器用来输出差值ΔU与DC-DC主电路的输入电压Ui的比较结果；
所述第二比较器用来输出DC-DC主电路的输出电压Uo与电感L1的输入电压U1的比较结果；
所述第二触发器用来根据第一比较器和第二比较器的比较结果来控制开关管K2和开关管K3的开闭。
进一步可选地，还包括第一采样电路、第二采样电路和第三采样电路；
所述第一采样电路用来检测DC-DC主电路的输入电压Ui，并将检测的DC-DC主电路的输入电压Ui传递至第一比较器；
所述第二采样电路用来检测电感L1的输入电压U1，并将检测的电感L1的输入电压传递至第二比较器；
所述第三采样电路用来检测DC-DC主电路的输出电压Uo，并将检测的DC-DC主电路的输出电压Uo传递至减法器。
进一步可选地，所述DC-DC主电路还包括与所述电感模块串联的开关管K1，所述控制电路还包括定时器和第一触发器；
所述定时器根据所述开关管K2和所述开关管K3开闭的信号控制所述开关管K1的占空比，所述第一触发器根据占空比来控制所述开关管K1的开闭。
进一步可选地，所述DC-DC主电路还包括用来检测所述负载模块电压值变化的检测装置，所述检测装置将检测的所述负载模块的电压变化值U传递至减法器。
本发明还提出了一种降压电路的控制方法，控制电路根据负载模块电压值的变化情况来切换DC-DC主电路的工作模式，并根据不同的工作模式调节接入电路中电感值的大小。
包括
计算DC-DC主电路的输出电压UO与负载模块的电压变化值U的差值ΔU，ΔU＝Uo－U；将差值ΔU与DC-DC主电路的输入电压Ui进行比较；根据比较结果来判断是否切DC-DC主电路的工作模式。
进一步可选地，当ΔU＞Ui，则进一步通过比较DC-DC主电路的输出电压Uo与电感L1的电压U1的大小来决定是否切换为连续工作模式。
进一步可选地，当Uo＞U1时，则切换电路为连续工作模式，否则不动作。
进一步可选地，当ΔU≤Ui，则进一步通过比较DC-DC主电路的输出电压Uo与电感L1的电压U1的大小来决定是否切换为断续工作模式。
进一步可选地，当Uo＞U1时，则切换电路为断续工作模式，否则不动作。
进一步可选地，当降压电路的工作模式为连续工作模式时，控制开关管K2闭合，开关管K3断开；
当降压电路的工作模式为断续工作模式时，控制开关管K2断开，开关管K3闭合。
进一步可选地，定时器根据所述开关管K2和开关管K3的开闭信号控制开关管K1的占空比，所述第一触发器根据占空比控制开关管K1的开闭。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明的降压电路通过负载的电压变化情况来给定时器提供时间信号来控制占空比和输出电压。同时通过减法器到一个差值，将该差值与参考电压比较用于判断电路是处于CCM模式或DCM模式。当差值大于参考电压，开关管K2闭合，开关管K3断开，即增加电感量来切换为CCM模式；当差值小于参考电压，开关3导通，开关2关闭，即减小电感量来切换为DCM模式。即变化量较大使用CCM，变化量较小使用DCM，从而提高电路转换效率。
2、本发明的降压电路根据负载情况自动调节占空比和选择工作模式，不需要主控芯片控制，从而提高电路的转换效率，减少控制器损耗。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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附图。在附图中：
图1：为传统DC-DC降压型简化电路图。
图2：为本发明实施例的DC-DC降压型自动控制电路图。
图3：为本发明实施例的控制流程图。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本实施例提出了一种可自动调节的DC-DC降压电路，如图2所示的电路图，包括DC-DC主电路和控制电路，DC-DC主电路包括电感模块、电容模块和负载模块，电容模块和负载模块并联后与电感模块串联；电感模块的电感值可调；DC-DC主电路还包括一个续流二极管D1，该续流二极管D1与电感模块并联，当DC-DC主电路断开后，续流二极管D1为电感模块释放的能量提供续流通道，防止击穿其它电器元件。电感模块在电路中起到储能的作用，电容模块在电路通断过程中起到充放电的作用，电容模块包括一个电容器或多个电容器。如图2所示的电路图，电容模块包括电容器C1和电容器C2，电容器C1和电容器C2并联；负载模块侧接负载(如空调等),如图2所示，负载模块为负载RLOAD。当电路导通时，电源提供输入电压给电感模块储能，并给电容模块充电和对负载模块供电；当电路断开时，电感模块通过电容模块和续流二极管D1给负载模块放电。控制电路与DC-DC主电路耦合；控制电路根据负载模块的电压值的变化情况来切换DC-DC主电路的工作模式，并根据不同的工作模式调节电感模块接入电路中的电感值大小。当电压变化值越大，说明负载变化越大，图2中，当电压变化值超过电路输出电压采样值(即电压采样电路3采样值)，会让触发器2输出一个有效的控制信号让开关2闭合，开关3关断，这样电路中的电感为L1和L2之和，让电路从DCM模式切换成CCM模式。
因此，通过控制DC-DC主电路的通断时间可以控制电源电压输出，输出电压不仅与控制电路通断的开关管的占空比有关还与DC-DC主电路的工作模式有关，一般DC-DC主电路的工作模式有两种，分别是连续工作模式(CCM)和断续工作模式(DCM)，电路的工作模式与电感模块的电感值的大小有关，连续工作模式下所需的电感值较大，电路转换效率较低；断续工作模式下所需的电感值较小，其转换效率也比较高。
本实施例根据负载模块的电压值的变化情况来切换降压电路的工作模式提高了电路的转换效率，减少控制器损耗。
进一步可选地，电感模块的电感值可调的一种实施方式为：电感模块包括电感L1、电感L2、开关管K2和开关管K3；开关管K2与电感L2串联；开关管K3与开关管K2和电感L2的串联电路并联，电感L1与开关K2和开关管K3的并联电路串联；控制电路通过控制开关管K2和开关管K3的开闭来调节电感模块接入电路中电感值的大小。当控制开关管K2闭合，开关管K3断开时，接入电路中的电感值为电感L1和电感L2的电感值之和；当控制开关管K3闭合，开关管K2断开时，接入电路中的电感值为电感L1。
进一步可选地，控制电路包括减法器、第一比较器、第二比较器和第二触发器；图2中，第一比较器为比较器1，第二比较器为比较器2，第二触发器为触发器2；
减法器用来输出DC-DC主电路的输出电压Uo与负载模块的电压变化值U的差值ΔU，ΔU＝Uo－U；第一比较器用来输出差值ΔU与DC-DC主电路的输入电压Ui的比较结果，控制电路根据第一比较器的比较结果来确定DC-DC主电路的工作模式；当差值ΔU＞Ui时控制电路工作在连续工作模式，当差值ΔU≤Ui控制电路工作在断续工作模式。
第二比较器用来输出DC-DC主电路的输出电压Uo与电感L1的输入电压U1的比较结果；即根据第二比较器比较U1和Uo的大小来判断电感电流的过零点，当Uo＞U1时，说明DC-DC主电路处于断开状态，此时为电流过零点，可以切换CCM和DCM模式。当Uo≤U1时，说明DC-DC主电路处于导通状态，此时电流不为0，不可以切换CCM和DCM模式。本实施例通过在过零点切换工作模式，可以减少产生尖峰电压和尖峰电流，提高电路的抗干扰能力。
第二触发器用来根据第一比较器和第二比较器的比较结果来调控开关管K2和开关管K3的开闭。当第一比较器的比较结果为ΔU＞Ui，且第二比较器的比较结果为Uo＞U1时，则说明此时电路处于过零点可以切换工作模式为CCM模式，此时控制第二触发器输出控制信号2让开关管K2闭合，开关管K3断开；当第一比较器的比较结果为ΔU≤Ui，且第二比较器的比较结果为Uo＞U1时，则说明此时电路处于过零点可以切换工作模式为DCM模式，此时控制第二触发器输出控制信号3让开关管K3闭合，开关管K2断开。
当电路中的电压值小于第一比较器和第二比较器的最大承受电压值时，第一比较器和第二比较器可直接获取输入电压Ui、输出电压Uo和传感器L1电压U1。当电路中的电压值较大，超过第一比较器和第二比较器最大承受电压值时，需要通过其它方式来获取输入电压Ui、输出电压Uo和传感器L1电压U1。
一种可实施的方式为，DC-DC主电路还包括第一采样电路、第二采样电路和第三采样电路；图2中，第一采样电路为电压采样电路1，第二采样电路为电压采样电路2，第三采样电路为电压采样电路3.
第一采样电路并联在DC-DC主电路的输入端，产生一个输入电压参考值，即输入电压Ui，并将检测的输入电压Ui传递至第一比较器；第二电压采样电路并联在电感L1输入端，检测电感L1输入电压U1，并将获取的电感L1的输入电压U1传递至第二比较器；第三电压采样电路并联在DC-DC主电路的输出端，用于检测DC-DC主电路的输出电压Uo，并将获取的输出电压Uo传递至减法器。
进一步可选地，DC-DC主电路还包括与电感模块串联的开关管K1，优选的，如图2所示，开关管K1位于DC-DC主电路的输入端，与电感L1串联，用于控制电路的输入电压稳定，当开关管K1导通时，输入电压Ui通过开关管K1给电感模块储能，并给电容模块充电和负载模块供电；当开关管K1关断时，电感模块通过电容模块和续流二极管向负载放电。
控制电路还包括定时器和第一触发器；图2中，第一触发器为触发器1。定时器根据开关管K2和开关管K3开闭的信号控制开关管K1的占空比，第一触发器根据占空比来控制开关管K1的开闭。当第二触发器发出控制2信号用于控制开关管K2闭合时定时器按照连续工作模式设置占空比；当第二触发器控制3信号用于控制开关管K3闭合时定时器按照断续工作模式设置占空比。第一触发器用于给开关管K1触发控制信号来控制开关管K1的开闭。
进一步可选地，还包括用来检测负载模块电压值变化情况的检测装置，检测装置将检测的负载模块的电压变化值U传递至减法器。图2中，电压变化值U即为负载的电压变化值。该检测装置可选自温敏传感器或液位传感器，以温敏传感器为例，温敏传感器可将温度信号转化为电信号，由于不同的环境温度会对负载有不同的要求，当环境温度低负载轻通过温敏传感器产生一个电压值，当环境温度高负载重通过温敏传感器产生另一个电压值，不同环境温度下的两个电压差值即为负载模块的电压变化值U。
本实施例中的第一触发器和第二触发器可以使用普通RS触发器，也可以使用D触发器，JK触发器等触发器来替代也算本发明范围内。开关管K1、第二开关管K2、开关管K3可以使用三极管，MOS管，IGBT、继电器等开关器件来代替，也算本发明范围内。
本实施例还提出了上述降压电路的控制方法，根据负载模块电压值的变化情况来切换降压电路的工作模式，并根据不同的工作模式调节接入电路中电感值的大小。
进一步可选地，包括，计算电路的输出电压UO与负载模块的电压变化值U的的差值ΔU，ΔU＝Uo－U；将差值ΔU与输入电压Ui进行比较；根据比较结果来判断是否切换降压电路的工作模式。
进一步可选地，当ΔU＞Ui，则进一步通过比较输出电压Uo与电感L1电压U1的大小来决定是否切换为连续工作模式。当Uo＞U1时，则切换电路为连续工作模式，否则不动作。
进一步可选地，当ΔU≤Ui，则进一步比较输出电压Uo与输入电压Ui的大小来决定是否切换为断续工作模式。当Uo＞U1时，则切换电路为断续工作模式，否则不动作。
进一步可选地，降压电路的工作模式为连续工作模式时，控制开关管K2闭合，开关管K3断开；降压电路的工作模式为断续工作模式时，控制开关管K2断开，开关管K3闭合。
具体的，如图3所示的控制流程图，首先根据负载的电压变化反馈一个电压变化值U，该电压变化值U与通过第三采样电路获得的输出电压Uo经过减法器产生一个电压差值ΔU,ΔU＝Uo－U，该电压差值ΔU与输入电压参考值Ui进行比较，当比较结果为正时，电路工作在连续工作模式，当比较结果为负时，工作在断续工作模式。
电感L1输入电压U1可以通过第二采样电路得出，输出电压Uo可以通过第三采样电路得出，第二采样电路和第三采样电路分别检测电感L1输入电压U1和DC-DC主电路的输出电压Uo并传递至第二比较器，通过第二比较器输出一个控制信号，用于判断电流是否处于过零点，当Uo＞U1时，说明电流处于过零点，此时可进行工作模式切换。
当需要从DCM模式切换到CCM模式时，且电感电流处于过零点时，第二触发器输出一个开关信号让开关管K2闭合，开关管K3断开；当需要从CCM模式切换到DCM模式时，且电感电流处于过零点时，第二触发器输出一个开关信号让开关管K3闭合，开关管K2断开。也即控制信号2和控制信号3是“非”逻辑关系。
定时器在控制开关管K2闭合的信号有效时即按照连续工作模式设置开关管K1的占空比；定时器在控制开关管K3闭合的信号有效时即按照断续工作模式设置开关管K1的占空比。第一触发器用于根据占空比给开关管K1触发控制器信号。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种可自动调节的DC-DC降压电路，其特征在于，包括
DC-DC主电路，所述DC-DC主电路包括电感模块、电容模块和负载模块，所述电容模块和所述负载模块并联后与所述电感模块串联；所述电感模块的电感值可调；所述电感模块包括电感L1、电感L2、开关管K2和开关管K3；所述开关管K2与所述电感L2串联；所述开关管K3与所述开关管K2和电感L2的串联电路并联，所述电感L1与所述开关管K2和开关管K3的并联电路串联；
控制电路，与所述DC-DC主电路耦合；所述控制电路根据所述负载模块的电压值的变化情况来切换所述DC-DC主电路的工作模式，并根据不同的工作模式调节所述电感模块接入电路中的电感值大小；所述控制电路通过控制所述开关管K2和所述开关管K3的开闭来调节所述电感模块接入电路中的电感值大小；所述控制电路包括减法器、第一比较器、第二比较器和第二触发器；所述减法器用来输出DC-DC主电路的输出电压Uo与所述负载模块的电压变化值U的差值ΔU，ΔU＝Uo－U；所述第一比较器用来输出差值ΔU与DC-DC主电路的输入电压Ui的比较结果；所述第二比较器用来输出DC-DC主电路的输出电压Uo与电感L1的输入电压U1的比较结果；所述第二触发器用来根据第一比较器和第二比较器的比较结果来控制开关管K2和开关管K3的开闭。
2.根据权利要求1 所述的降压电路，其特征在于，还包括第一采样电路、第二采样电路和第三采样电路；
所述第一采样电路用来检测DC-DC主电路的输入电压Ui，并将检测的DC-DC主电路的输入电压Ui传递至第一比较器；
所述第二采样电路用来检测电感L1的输入电压U1，并将检测的电感L1的输入电压传递至第二比较器；
所述第三采样电路用来检测DC-DC主电路的输出电压Uo，并将检测的DC-DC主电路的输出电压Uo传递至减法器。
3.根据权利要求2所述的降压电路，其特征在于，所述DC-DC主电路还包括与所述电感模块串联的开关管K1，所述控制电路还包括定时器和第一触发器；
所述定时器根据所述开关管K2和所述开关管K3开闭的信号控制所述开关管K1的占空比，所述第一触发器根据占空比来控制所述开关管K1的开闭。
4.根据权利要求1-3任一所述的降压电路，其特征在于，所述DC-DC主电路还包括用来检测所述负载模块电压值变化的检测装置，所述检测装置将检测的所述负载模块的电压变化值U传递至减法器。
5.一种权利要求1、2、4任一所述降压电路的控制方法，其特征在于，控制电路根据负载模块电压值的变化情况来切换DC-DC主电路的工作模式，并根据不同的工作模式调节接入电路中电感值的大小。
6.根据权利要求5所述的降压电路的控制方法，其特征在于，包括
计算DC-DC主电路的输出电压UO与负载模块的电压变化值U的差值ΔU，ΔU＝Uo－U；将差值ΔU与DC-DC主电路的输入电压Ui进行比较；根据比较结果来判断是否切换DC-DC主电路的工作模式。
7.根据权利要求6所述的降压电路的控制方法，其特征在于，当ΔU＞Ui，则进一步通过比较DC-DC主电路的输出电压Uo与电感L1的电压U1的大小来决定是否切换为连续工作模式。
8.根据权利要求7所述的降压电路的控制方法，其特征在于，当Uo＞U1时，则切换电路为连续工作模式，否则不动作。
9.根据权利要求6所述的降压电路的控制方法，其特征在于，当ΔU ≤Ui，则进一步通过比较DC-DC主电路的输出电压Uo与电感L1的电压U1的大小来决定是否切换为断续工作模式。
10.根据权利要求9所述的降压电路的控制方法，其特征在于，当Uo＞U1时，则切换电路为断续工作模式，否则不动作。
11.根据权利要求5-10任一所述的降压电路的控制方法，其特征在于，当降压电路的工作模式为连续工作模式时，控制开关管K2闭合，开关管K3断开；
当降压电路的工作模式为断续工作模式时，控制开关管K2断开，开关管K3闭合。
12.一种权利要求3所述的降压电路的控制方法，其特征在于，定时器根据所述开关管K2和开关管K3的开闭信号控制开关管K1的占空比，所述第一触发器根据占空比控制开关管K1的开闭。
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