CN112994451A - 一种可实现升压、保持和降压的预稳压输出电路及控制方法 - Google Patents

一种可实现升压、保持和降压的预稳压输出电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可实现升压、保持和降压的预稳压输出电路及控制方法，所述预稳压输出电路采用功率开关与升压电路级联而成，即在升压电路前端串联功率开关，通过功率开关与升压电路工作状态的组合控制，实现输出升压、保持和降压的三种模式变换。可实现对超宽输入电压的预稳压输出，且在设定电压范围内实现输入电压高效率保持输出。

Description

一种可实现升压、保持和降压的预稳压输出电路及控制方法
技术领域
本发明涉及功率结构电路，具体为一种可实现升压、保持和降压的预稳压输出电路及控制方法。
背景技术
宽输入电源电压稳压方法通常采用升降压DC/DC变换器功率拓扑结构，具体可分为非隔离式(BUCK-BOOST)，隔离式(单端反激、单端正激、推挽等)拓扑结构。
(1)非隔离式升降压BUCK-BOOST拓扑结构，原理如图1所示，该线路为四管升降压拓扑结构，其采用BUCK结构与BOOST结构级联而成。电路工作时，通过对输入电压的检测进而控制开关(MOS管)通断，来确定电路工作于升压模式或者降压模式。升压模式时，S1闭合、S2断开，S3、S4以PWM方式交替工作。当降压模式时，S3断开、S4闭合，S1、S2以PWM方式交替工作。由此可实现输出升降压功能。但该线路存在以下问题：①电路始终工作于升压或降压的开关模式，开关切换时产生较大的开关损耗，②使用MOS管数量较多，控制线路复杂；③电感参数的设计需兼容升压与降压工作模式，所需电感尺寸和容量较大。
(2)隔离式升降压拓扑结构(单端正激、单端反激等)，采用变压器实现前后隔离和升压，再通过占空比降压调节，进而实现输入输出升降压变换。此方案存在以下问题：①能量传递需经过电能→磁能→电能的两次转换，在转换过程中会产生磁芯损耗而影响转换效率；②能量始终通过开关模式传递输出，无保持(直通)模式，转换效率低；③前后级控制信号的隔离传递线路比较复杂，损耗也相对较大。
以单端正激变换为例进行说明，原理如图2所示。输出电压与输入电压关系式：
Figure BDA0002962522490000011
其中，Np为变压器初级绕组匝数，Ns为变压器次级绕组匝数，D为变换器占空比，对于谐振复位的单端正激变换器，占空比D取值范围可达到0～0.65之间。
当
Figure BDA0002962522490000021
D≥0.5时，Vo≥Vin，变换器为升压模式；
当
Figure BDA0002962522490000022
D≤0.5时，Vo≤Vin，变换器为降压模式。
发明内容
针对现有技术中非隔离式升降压BUCK-BOOST变换器和隔离式升降压变换器均存在电路始终工作在开关模式，损耗大、控制复杂、升降压调节范围窄的缺点，本发明提供一种可实现升压、保持和降压的预稳压输出电路及控制方法，可实现对超宽输入电压的预稳压输出，且在设定电压范围内实现输入电压高效率保持输出。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种可实现升压、保持和降压的预稳压输出电路，包括检测控制电路、功率开关和升压电路；
检测控制电路用于采集输入电压值，并将输入电压值与低门限阈值和高门限阈值进行比较，若输入电压值小于低门限阈值，则控制功率开关和升压电路工作，输入电压依次经功率开关和升压电路后输出；若输入电压值大于等于低门限阈值且小于等于高门限阈值，则控制功率开关工作，升压电路不工作，输入电压经功率开关输出；若输入电压值大于高门限阈值，则控制功率开关工作并对功率开关的栅极电压进行稳压，升压电路不工作，输入电压经功率开关输出。
优选的，功率开关包括功率开关管Q1，升压电路包括功率开关管Q2、肖特基二极管D1、储能电感Lo和滤波电容C1；
功率开关管Q1的漏极接输入端，功率开关管Q1的源极接储能电感Lo的一端，储能电感Lo的另一端与肖特基二极管D1的阳极和功率开关管Q2的漏极相连，功率开关管Q2的源极接地，肖特基二极管D1的阴极和滤波电容C1的一端共同接输出端，滤波电容C1的另一端接地；功率开关管Q1和功率开关管Q2的栅极接检测控制电路。
进一步的，检测控制电路包括：采样电路、选择控制电路、保持控制电路、降压控制电路、升压控制电路、线性稳压电路和PWM控制器；
采样电路采集输入端的输入电压值VTH；该输入电压值VTH的信号进入选择控制电路，选择控制电路将输入电压值VTH与预先设定的低门限阈值VL和高门限阈值VH进行比较：若VTH＜VL，则升压控制电路工作，保持控制电路和降压控制电路不工作，升压控制电路控制功率开关管Q1持续开通，且使PWM控制器开始工作，功率开关管Q2、肖特基二极管D1、储能电感Lo、滤波电容C1构成升压电路，对输入电压进行升压输出；若VL≤VTH≤VH，保持控制电路开始工作，升压控制电路和降压控制电路不工作，保持控制电路控制功率开关管Q1持续开通，并使PWM控制器关闭，功率开关管Q2关断，对输入电压保持输出；若VTH>VH，则降压控制电路开始工作，降压控制电路使线性稳压电路工作，升压控制电路和保持控制电路不工作，线性稳压电路通过控制功率开关管Q1栅极电压，使得功率开关管Q1工作在放大区，实现线性稳压，PWM控制器关闭，功率开关管Q2关断，对输入电压稳压输出。
再进一步的，功率开关管Q1的栅极接升压控制电路、保持控制电路和线性稳压电路，功率开关管Q2的栅极接PWM控制器。
所述的可实现升压、保持和降压的预稳压输出电路的控制方法，其特征在于，通过检测控制电路采集输入端的输入电压值，并将输入电压值与低门限阈值和高门限阈值进行比较，若输入电压值小于低门限阈值，则控制功率开关和升压电路工作，输入电压依次经功率开关和升压电路后输出；若输入电压值大于等于低门限阈值且小于等于高门限阈值，则控制功率开关工作，升压电路不工作，输入电压经功率开关输出；若输入电压值大于高门限阈值，则控制功率开关工作并对功率开关的栅极电压进行稳压，升压电路不工作，输入电压经功率开关输出。
优选的，若输入电压值小于低门限阈值，输出电压：
Figure BDA0002962522490000041
Vin为输入电压，D为占空比；若输入电压值大于等于低门限阈值且小于等于高门限阈值，输出电压：Vo＝Vin；若输入电压值大于高门限阈值，输出电压：Vo＝Vz，Vz为输出电压稳压值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明所述预稳压输出电路采用功率开关与升压电路级联而成，即在升压电路(BOOST拓扑)前端串联功率开关，通过功率开关与升压电路工作状态的组合控制，实现输出升压、保持和降压的三种模式变换。相对于非隔离式和隔离式拓扑结构，本发明通过输入电压检测控制，可实现在一定电压范围内，电路保持输出，此时电路输出损耗仅为功率开关管Q1和二极管D1的导通损耗，转换效率极高；通过功率开关管Q1与功率开关管Q2的选择控制，可实现极低输入电压的升压输出与极高输入电压下的降压稳压输出，具有超宽输入电压预稳压输出的优势，适应输入电压范围远超现有非隔离式和隔离式拓扑结构。当与后端DC/DC变换器连接使用时，可大范围扩展后端DC/DC的输入电压范围，同时确保在DC/DC变换器额定输入电压范围内高效率转换。
附图说明
图1为四管升降压变换器；
图2为单端正激功率拓扑；
图3为本发明电路原理框图；
图4为本发明稳压调节过程；
图5为本发明电路工作流程图；
图6为本发明电路工作电压波形图；
图7为本发明应用实例。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明所述的具有升压、保持和降压功能的宽输入电压预稳压输出功率电路，通过功率开关(Q1)与升压电路(BOOST)级联形成。具体控制方式为：对电源输入电压检测，控制主功率电路的工作模式。当输入电压低于低门限阈值时，主功率电路工作在升压模式；输入电压高于高门限阈值时，主功率电路工作在线性稳压模式；输入电压处在两个阈值电压之间时，主功率电路工作在保持(直通)模式。本发明适用于宽范围电源电压预稳压输出场合。
具体的，本发明所述的预稳压输出电路如图3所示，包括检测控制电路、功率开关和升压电路。功率开关包括功率开关管Q1，升压电路具体包含：功率开关管Q2、肖特基二极管D1、储能电感Lo和滤波电容C1。功率开关管Q1的漏极接电路的输入端、源极接储能电感Lo的一端，储能电感Lo的另一端与肖特基二极管D1的阳极和功率开关管Q2的漏极相连，功率开关管Q2的源极接地，肖特基二极管D1的阴极和滤波电容C1的一端共同接输出端，滤波电容C1的另一端接地。功率开关管Q1和功率开关管Q2的栅极分别接相应的检测控制电路。
检测控制电路包含：采样电路、选择控制电路、保持控制电路、降压控制电路、升压控制电路、线性稳压电路和PWM控制器七部分。采样电路对输入端的输入电压进行采样，获得采样信号；该采样信号进入选择控制电路，选择控制电路将采样信号与预先设定的两个阈值电压(低门限阈值和高门限阈值)进行比较，可获得三种状态信号；其中两路状态信号分别通过升压控制电路、保持控制电路对PWM控制器和功率开关管Q1的工作状态进行控制，进而实现功率电路升压或保持输出；另一路状态信号通过降压控制电路和线性稳压电路对功率开关管Q1的栅极电压(Vg1)进行稳压，进而稳定Q1源极电压(Vs1)。由于Q1处于正母线回路，通常Q1开通时Vgs＝Vg1-Vs1，且Vgs下降会使得Vds上升。(Vgs：Q1的栅源电压、Vg1：Q1的栅极电压、Vs1：Q1的源极电压、Vds：Q1的漏源电压)，因此可以看出，当Vin升高引起Vs1升高，使得Vgs下降，进而使得Vds升高，从而稳定Vs1，具体调节过程如图4所示。
功率开关管Q1的栅极接升压控制电路、保持控制电路和线性稳压电路，功率开关管Q2的栅极接PWM控制器。
具体工作方式如图5所示：首先由采样电路对输入电压Vin进行采样，获得采样信号(VTH)，VTH＝Vin。在选择控制电路中设定两个电压阈值，分别为低门限阈值(VL)和高门限阈值(VH)。通过模拟电路对采样信号(VTH)与两个阈值门限电压(VL、VH)进行比较，获得三种状态信息：①若VTH＜VL，则升压控制电路工作，保持控制电路和降压控制电路不工作，升压控制电路控制功率开关管Q1持续开通，且使PWM控制器开始工作，功率开关管Q2、二极管D1、储能电感Lo、滤波电容C1构成升压变换电路，对输入电压Vin进行升压输出，输出电压：
Figure BDA0002962522490000061
D为占空比；②若VL≤VTH≤VH，保持控制电路开始工作，升压控制电路和降压控制电路不工作，保持控制电路控制功率开关管Q1持续开通，并使PWM控制器关闭，功率开关管Q2关断，功率电路工作在常通模式；③若VTH>VH，则降压控制电路开始工作，线性稳压电路工作，升压控制电路和保持控制电路不工作，功率开关管Q1持续开通并工作在线性稳压模式，PWM控制器关闭，功率开关管Q2关断，功率电路工作在线性稳压模式。
工作波形图如图6所示。
(1)t0>t，输入电压低于欠压保护点，电路处于欠压保护状态，输出电压Vo为0；
(2)t0＜t＜t1，Vin＜VL，电路处于升压状态，
Figure BDA0002962522490000071
(3)t1≤t≤t2，VL≤Vin≤VH，电路处于保持状态，Vo＝Vin；
(4)t2＜t，VH≤Vin，电路处于稳压状态，Vo＝Vz，Vz为输出电压稳压值，该值由图4中线性稳压模块控制。
实施例
如图7所示，本发明与DC/DC电源模块可以配合使用。
DC/DC变换器：Vin：16V～40V，Vo：5V，Io：3A；本发明中预稳压电路：输入电压阈值分别为VL：17V，VH：38V，输入欠压保护点为8V，最高输入电压为100V。
Vin＜8V，Vo1＝0，Vo＝0；
8V≤Vin＜17V，Vo1＝19V，Vo＝5V；
17V≤Vin≤38V，Vo1＝Vin，Vo＝5V；
38V＜Vin＜100，Vo1＝38V，Vo＝5V。
由此可见，本发明可大范围扩展DC/DC变换器的输入电压范围。

Claims (6)

1.一种可实现升压、保持和降压的预稳压输出电路，其特征在于，包括检测控制电路、功率开关和升压电路；
检测控制电路用于采集输入电压值，并将输入电压值与低门限阈值和高门限阈值进行比较，若输入电压值小于低门限阈值，则控制功率开关和升压电路工作，输入电压依次经功率开关和升压电路后输出；若输入电压值大于等于低门限阈值且小于等于高门限阈值，则控制功率开关工作，升压电路不工作，输入电压经功率开关输出；若输入电压值大于高门限阈值，则控制功率开关工作并对功率开关的栅极电压进行稳压，升压电路不工作，输入电压经功率开关输出。
2.根据权利要求1所述的可实现升压、保持和降压的预稳压输出电路，其特征在于，功率开关包括功率开关管Q1，升压电路包括功率开关管Q2、肖特基二极管D1、储能电感Lo和滤波电容C1；
功率开关管Q1的漏极接输入端，功率开关管Q1的源极接储能电感Lo的一端，储能电感Lo的另一端与肖特基二极管D1的阳极和功率开关管Q2的漏极相连，功率开关管Q2的源极接地，肖特基二极管D1的阴极和滤波电容C1的一端共同接输出端，滤波电容C1的另一端接地；功率开关管Q1和功率开关管Q2的栅极接检测控制电路。
3.根据权利要求2所述的可实现升压、保持和降压的预稳压输出电路，其特征在于，检测控制电路包括：采样电路、选择控制电路、保持控制电路、降压控制电路、升压控制电路、线性稳压电路和PWM控制器；
采样电路采集输入端的输入电压值VTH；该输入电压值VTH的信号进入选择控制电路，选择控制电路将输入电压值VTH与预先设定的低门限阈值VL和高门限阈值VH进行比较：若VTH＜VL，则升压控制电路工作，保持控制电路和降压控制电路不工作，升压控制电路控制功率开关管Q1持续开通，且使PWM控制器开始工作，功率开关管Q2、肖特基二极管D1、储能电感Lo、滤波电容C1构成升压电路，对输入电压进行升压输出；若VL≤VTH≤VH，保持控制电路开始工作，升压控制电路和降压控制电路不工作，保持控制电路控制功率开关管Q1持续开通，并使PWM控制器关闭，功率开关管Q2关断，对输入电压保持输出；若VTH>VH，则降压控制电路开始工作，降压控制电路使线性稳压电路工作，升压控制电路和保持控制电路不工作，线性稳压电路通过控制功率开关管Q1栅极电压，使得功率开关管Q1工作在放大区，实现线性稳压，PWM控制器关闭，功率开关管Q2关断，对输入电压稳压输出。
4.根据权利要求3所述的可实现升压、保持和降压的预稳压输出电路，其特征在于，功率开关管Q1的栅极接升压控制电路、保持控制电路和线性稳压电路，功率开关管Q2的栅极接PWM控制器。
5.权利要求1-4任一项所述的可实现升压、保持和降压的预稳压输出电路的控制方法，其特征在于，通过检测控制电路采集输入端的输入电压值，并将输入电压值与低门限阈值和高门限阈值进行比较，若输入电压值小于低门限阈值，则控制功率开关和升压电路工作，输入电压依次经功率开关和升压电路后输出；若输入电压值大于等于低门限阈值且小于等于高门限阈值，则控制功率开关工作，升压电路不工作，输入电压经功率开关输出；若输入电压值大于高门限阈值，则控制功率开关工作并对功率开关的栅极电压进行稳压，升压电路不工作，输入电压经功率开关输出。
6.根据权利要求5所述的可实现升压、保持和降压的预稳压输出电路的控制方法，其特征在于，若输入电压值小于低门限阈值，输出电压：
Figure FDA0002962522480000021
Vin为输入电压，D为占空比；若输入电压值大于等于低门限阈值且小于等于高门限阈值，输出电压：Vo＝Vin；若输入电压值大于高门限阈值，输出电压：Vo＝Vz，Vz为输出电压稳压值。
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