CN114157147B - 基于自激式降压变换器的高功率密度辅助电源 - Google Patents

基于自激式降压变换器的高功率密度辅助电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高功率密度的自激式降压变换器辅助电源电路。该辅助电源包括：降压主回路(1)、复位驱动电路(2)、限流保护电路(3)、稳压电路(4)；其中，降压主回路(1)的输入端接限流保护电路(3)，降压主回路(1)的输出端接稳压电路(4)，稳压电路(4)的输出端即输出电压(Vout)接负载(Load)，限流保护电路(3)的输入端接输入电压(Vin2)；复位驱动电路(2)的一端接限流保护电路(3)，另一端接输出电压(Vout)。本发明解决了现有自激式降压变换器功率密度低、接受输入电压不够宽泛、工作频率不够高、输出纹波高、噪声高的问题，同时也实现了过压保护和过流保护以及自适应软启动的功能。

Description

基于自激式降压变换器的高功率密度辅助电源
技术领域
本发明涉及一种高功率密度的自激式直流-直流降压变换器辅助电源，可适用于高电压输入低电压输出的应用场合。
背景技术
在一些小功率电源应用场合，自激式变换器相比于线性稳压器和他激式变换器相比，具有电路结构简单，高效率，低成本等优点。
传统的自激式降压变换器的主开关管以及各个控制管通常采用双极型晶体管实现。中国专利ZL99108088.2公开了一种双极性晶体管形自激式直流-直流变换器如图1所示。包括由PNP晶体管Q1，电感L1，二极管D1和电容C2构成的降压变换器电路，Vo是直流输出电压，Vi是直流输入电压，Vi的负端与Vo的负端直接相连，R7是输出负载，电容C2并联在负载R7两端。耦合电感L2分别通过电容C1和电阻R3与晶体管Q1的发射极和基极相连接，与晶体管Q2的发射极和集电极相连接。晶体管Q1的基极通过电阻R4连接至直流输入与直流输出的负端。晶体管Q2分别通过电阻R1和电阻R2与晶体管Q1的发射极和晶体管Q3的集电极连接。电阻R5和电阻R6通过串联支路并联于负载R7两端，R5、R6之间的连接点与晶体管Q3的基极相连。晶体管Q3的发射极连接于直流输入与直流输出的负端。该双极性晶体管形自激式直流-直流变换器工作原理如下：输入电压上电，此时Q1饱和导通，二极管D1、晶体管Q2均截止，Q1、L1、C2、R7、R5、R6形成回路，使电感L1和电容C2处于充能状态。在充能过程中，通过L1的电流逐渐增加，输出电压同时增加，相应地晶体管Q1的发射极-集电极电压随之增加，使得晶体管Q1的工作点逐渐退出饱和区，L1两端的电压下降，通过耦合电感L2两端的电压也随之减小，加大了对晶体管Q1基极电流的分流量，造成Q1的基极电流和集电极电流迅速减小，此现象会使Q1的发射极-集电极电压进一步增长，由此该回路进入了一种深度的正反馈状态。该状态导致的结果是通过晶体管Q1的集电极电流迅速减小，当该电流小于电感L1的电流时，二极管D1导通为L1续流，随后Q1截止。此时，L1、C2、R7、R5、R6、D1形成回路，进入释能状态。待电感L1放电结束，二极管D1截止，Q1重新饱和导通，进入下一自激周期。若干工作周期后，输出电压Vo达到设定电压值，电压反馈电路R5、R6、Q3、R1、R2开始工作。当输出电压值高于设定电压值时，晶体管Q3进入导通状态，导致Q2导通并分流一部分Q1的基极电流，使得晶体管Q1提前关断，从而使Q1导通时间下降、关断时间上升；当输出电压值低于设定电压值时，晶体管Q3处于截止状态，则晶体管Q2也截止，Q1的导通时间和关断时间恢复原状，由此实现稳压输出的状态。该电路存在不足之处：首先该电路必须通过耦合电感L2参与自激工作，由于耦合电感的制作复杂，不利于电子产品制作的小型化并且容易产生电磁干扰以及额外的寄生效应，同时不能实现较高的功率密度。此外，该产品使用双极性晶体管作为开关管，不利于电路的集成和精简化，并且由于双极性晶体管的工作特点，在高频高压的条件下工作容易受到限制。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种高功率密度的自激式降压变换器辅助电源。采用本发明解决了现有自激式降压变换器中功率密度不够高、电压输入不够宽泛、工作频率不够高、电路结构复杂的问题。
技术方案：本发明的一种高功率密度的自激式降压变换器辅助电源包括：降压主回路、复位驱动电路、限流保护电路、稳压电路；其中，降压主回路的输入端接限流保护电路，降压主回路的输出端接稳压电路，稳压电路的输出端即输出电压接负载，限流保护电路的输入端接输入电压；复位驱动电路的一端接限流保护电路，另一端接输出电压。
其中，
所述降压主回路包括第八电容、第九电容，第六二极管，第二电感，第五PMOS管；其中，降压主回路通过第五PMOS管源极连接限流保护电路，降压主回路的漏极接第八电容、第六二极管，通过第二电感连接于输出电压正端。
所述复位驱动电路包括第十一电容、第十三电容，第十电阻、第十一电阻，第八NMOS管，第五二极管、第七二极管以及一个控制信号接口；复位驱动电路通过第五二极管连接于第六PMOS管，通过第十三电容连接于输出电压正端；第八NMOS管的栅极通过第十一电容接控制端,第八NMOS管的漏极连接第十三电容、第十电阻，源极接地。
所述限流保护电路包括第九电阻、第十二电阻、第八电阻以及第六PMOS管；第六PMOS管的栅极接第八电阻和第七NMOS管漏极，第六PMOS管的漏极接第五PMOS管的栅极，第六PMOS管的源极接第十二电阻，第十二电阻的另一端连接于降压主回路第五PMOS管的漏极，第八电阻的另一端接电流采样电阻即第十二电阻。
所述稳压电路包括第七电容、第七PMOS管和稳压二极管；稳压电路通过第七NMOS管漏极连接于限流保护电路，第七NMOS管栅极连接电压输出正端，第七NMOS管源极连接第七电容、稳压二极管。
所述第六电容作为输入滤波电容并联于输入电压正端和负端。
有益效果：本发明与现有技术相比有益效果主要表现在：
(1)本发明具有可接受宽范围输入的特点。
(2)本发明的复位驱动电路中具有一个主控芯片的控制信号接口。该控制信号在控制降压变换器主电路的开启的同时，可以决定降压变换器的工作频率上限。同时本发明中的降压变换器可以工作在较高的工作频率上，具有低纹波、低噪声的特性，并且产生的电磁干扰较低。
(3)本发明的主功率管以及各个控制管全为金属氧化物半导体场效应晶体管，易于集成。并且无需采用耦合电感参与电路的自激工作，可以较好地简化电路的复杂程度，实现较高的功率密度。非常适合应用于小功率开关电源中的辅助电源电路等应用场景。
(4)本发明实现了过压保护和过流保护以及自适应软启动的功能。
附图说明
图1是现有的自激式降压变换器电路图；
图2为本发明电路图；
图3为本发明工作在某负载下的工作波形图；
图4为本发明工作在不同负载模式下的工作波形图；
图中有：降压主回路1、复位驱动电路2、限流保护电路3、稳压电路4；输入电压Vin2、输出电压Vout、第八电容C8、第九电容C9，第六二极管D6，第二电感L2，第五PMOS管Q5、第十一电容C11、第十三电容C13，第十电阻R10、第十一电阻R1，第八NMOS管Q8，第五二极管D5、第七二极管D7、控制信号接口Control；第九电阻R9、第十二电阻R12、第八电阻R8、第六PMOS管Q6；第七电容C7、第七PMOS管Q7、稳压二极管D8、第六电容C6。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步介绍。
如图2所示，本发明为一种自激式降压变换器。本发明电路结构包括：降压主回路1、复位驱动电路2、限流保护电路3、稳压电路4；其中，降压主回路1的输入端接限流保护电路3，降压主回路1的输出端接稳压电路4，稳压电路4的输出端即输出电压Vout接负载Load，限流保护电路3的输入端接输入电压Vin2；复位驱动电路2的一端接限流保护电路3，另一端接输出电压Vout。降压主回路包括第八电容C8、第九电容C9，第六二极管D6，第二电感L2，第五PMOS管Q5。复位驱动电路包括第十一电容C11、第十三电容C13，第十电阻R10、第十一电阻R11，第八NMOS管Q8，第五二极管D5、第七二极管D7以及一个控制信号接口。限流保护电路包括第九电阻R9、第十二电阻R12、第八电阻R8以及第六PMOS管Q6。稳压电路包括第七电容C7、第七PMOS管Q7和稳压第八二极管D8。第六电容C6作为输入滤波电容并联于输入电压正端和输入电压负端。
在本发明电路图中，输入电压Vin2是供给电源电路工作的电路输出电压。主功率第五PMOS管Q5、第二电感L2和第六二极管D6构成降压变换器主电路。降压变换器主电路前串接电流采样第十二电阻R12和第五二极管D5，第五二极管D5的阳极与输入电压正端相连。
复位驱动电路中，第八NMOS管Q8栅极接第十一电容C11和第十一电阻R11，源极接地，漏极接第十三电容C13和第十电阻R10。第十一电容C11的另一端接主控芯片信号以对第八NMOS管Q8的导通状态进行控制，第十一电阻R11的另一端接地，与第十一电容C11构成一滤波电路。第十电阻R10和第五二极管D5串接于限流与控制电路中第六PMOS管Q6的漏极，第十三电容C13的另一端接输出电压正端。该电路用于将降压变换器主电路中的主功率第五PMOS管Q5周期性拉低开启。
限流与控制电路中，第六PMOS管Q6栅极接第八电阻R8和稳压电路中第七PMOS管Q7的漏极，漏极接第五二极管D5的阴极，第八电阻R8的另一端接电流采样第十二电阻R12。该电路用于在稳压控制与限流控制被触发时拉高主功率第五PMOS管Q5以结束当前工作周期。
稳压电路中，第七PMOS管Q7的栅极接输出电压正端，源极接稳压管即第八二极管D8的阴极。该电路用于进行对输出电压的稳定进行控制。
本发明中采用的开关管以及控制管全为金属氧化物半导体场效应晶体管，易于集成在减小电源体积，增加功率密度上有较好的应用价值。
下面结合图3说明该发明电路的工作原理：
在图3所示的工作波形图中，t0时刻，主功率第五PMOS管Q5的栅极和源极电压接近输入电压，第五PMOS管Q5的栅极-源极电压未达到阈值电压从而电路未开启工作。此时主控芯片给予开启信号至复位启动第八PMOS管Q8栅极，第八PMOS管Q8被打开并将第五PMOS管Q5的栅极电压拉低。此时主功率第五PMOS管Q5的栅极-源极电压达到阈值电压并被开启，第二电感L2的电流上升。
限流与控制电路中的第十二电阻R12采样第二电感L2的电流，如果该电流输出超过了设定值，则会使第十二电阻R12的分压超过限流控制第六PMOS管Q6的阈值电压，如图中t1时刻，第六PMOS管Q6会被开启以拉高主功率管第五PMOS管Q5的栅极电压使其关闭，关闭该工作周期并等待主控芯片给予下一个开启信号以进入下一工作周期。由此，可以通过检测通过第二电感L2的电流而达到使主功率管第五PMOS管Q5开启时间下降，关断时间上升的目的。
在每一个工作周期中，第九电容C9都会获得或失去一定的电荷量，从而使输出电压有一定的改变。若在某一周期中，增加至超过稳压二极管D8的参考电压值与稳压控制第七PMOS管Q7的阈值电压之和时，开启稳压调节，稳压控制第七PMOS管Q7被开启，使第六PMOS管Q6的栅极-源极电压达到阈值电压并被开启，从而关闭主功率管第五PMOS管Q5关闭当前工作周期。此时等待主控芯片给予下一个开启信号以进入下一工作周期。由此，可以通过检测输出电压值达到使主功率管第五PMOS管Q5开启时间下降，关断时间上升的目的。当输出电压重新回退到设定值以下时，第七PMOS管Q7关断使得第六PMOS管Q6关断，主功率管第五PMOS管Q5的导通时间和关断时间又恢复正常，由此达到了稳定电压的目的。
如图4所示，当本发明工作在轻载模式下时，将会自动在较低的工作频率上工作，从而进入DCM模式。在该模式下，通过第二电感L2的电流在主功率管关断时将会下降至0，由此可以达到减小开关损耗的目的。当本发明工作在重载模式下时，将会自动在较高的工作频率上工作，从而进入CCM模式，由此可以有效地减小输出纹波。
本发明未公开技术属于本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种高功率密度的自激式降压变换器辅助电源，其特征在于，该辅助电源包括：降压主回路（1）、复位驱动电路（2）、限流保护电路（3）、稳压电路（4）；其中，降压主回路（1）的输入端接限流保护电路（3），降压主回路（1）的输出端接稳压电路（4），稳压电路（4）的输出端即输出电压（Vout）接负载（Load）， 限流保护电路（3）的输入端接输入电压（Vin2）；复位驱动电路（2）的一端接限流保护电路（3），另一端接输出电压（Vout）；
所述降压主回路（1）包括第八电容（C8）、第九电容（C9），第六二极管（D6），第二电感（L2），第五PMOS管（Q5）；其中，降压主回路（1）通过第五PMOS管（Q5）源极连接限流保护电路（3），第五PMOS管（Q5）的漏极接第八电容（C8）、第六二极管（D6），通过第二电感（L2）连接于输出电压（Vout）正端；
所述复位驱动电路（2）包括第十一电容（C11）、第十三电容（C13），第十电阻（R10）、第十一电阻（R11），第八NMOS管（Q8），第五二极管（D5）、第七二极管（D7）以及一个控制信号接口（Control）；复位驱动电路（2）通过第五二极管（D5）连接于第六PMOS管（Q6），通过第十三电容（C13）连接于输出电压（Vout）正端；第八NMOS管（Q8）的栅极接第十一电阻（R11）和第十一电容（C11），通过第十一电容（C11）接控制端（Control）, 第八NMOS管（Q8）的漏极连接第十三电容（C13）、第十电阻（R10），源极接地；第七二极管（D7）的正极接第五二极管（D5）的负极，第七二极管（D7）的负极接限流保护电路(3)的正电源；
所述限流保护电路(3)包括第九电阻（R9）、第十二电阻（R12）、第八电阻（R8）以及第六PMOS管（Q6）；第六PMOS管（Q6）的栅极接第八电阻（R8）和第七NMOS管（Q7）漏极，第六PMOS管（Q6）的漏极接第五PMOS管（Q5）的栅极，第六PMOS管（Q6）的源极接第十二电阻（R12），第十二电阻（R12）的另一端连接于降压主回路（1）第五PMOS管（Q5）的漏极，第八电阻（R8）的另一端接电流采样电阻即第十二电阻（R12）；
所述稳压电路（4）包括第七电容（C7）、第七NMOS管（Q7）和稳压二极管（D8）；稳压电路（4）通过第七NMOS管（Q7）漏极连接于限流保护电路（3），第七NMOS管（Q7）栅极连接电压输出（Vout）正端，第七NMOS管（Q7）源极连接第七电容（C7）、稳压二极管（D8）。
2.根据权利要求1所述的高功率密度的自激式降压变换器辅助电源，其特征在于，第六电容（C6）作为输入滤波电容并联于输入电压（Vin2）正端和负端。
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三类自激变换器及其解析结果;孙定浩;《空间控制技术与应用》;第第36卷卷(第第2期期);第55-57, 62页 *

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