CN115800991A - 一种开关电源用的电平转换控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供开关电源用的电平转换控制电路，应用于开关电源控制电路技术领域，包括依次电性连接的开关电源控制模块、调节模块和输出模块；开关电源控制模块包括用于输出脉冲信号的开关电源控制单元，脉冲信号为PWM信号。调节模块包括用于将开关电源控制单元输出的脉冲信号分离成a波形和b波形的波形分离单元、用于将a波形和b波形分别对应转换成c波形和d波形电平转换单元和用于将c波形和d波形合并产生e波形并传输至上管驱动单元波形合并单元；输出模块包括上管驱动单元和下管驱动单元。通过波形分离单元和波形合并单元对输入信号进行处理，使开关电源的导通时间缩短。

Description

一种开关电源用的电平转换控制电路

技术领域

本发明属于开关电源控制电路技术领域，具体涉及一种开关电源用的电平转换控制电路。

背景技术

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源被广泛的应用于各种电子设备中，为系统提供高质量，高效率的供电电源。许多场合希望开关电源的驱动脉冲的导通时间尽量小，因为开关电源的导通时间更小可以实现更大的占空比，具有更宽的输入电压范围，更广泛的应用场合。

目前已知的，流行的开关电源产品，大部分的导通时间在100纳秒的量级。越小的导通时间会消耗更多的功率，或者需要更特殊的加工工艺，导致成本很高。

因此，需要提出一种具有极短导通时间，且成本较低、功耗较低的开关电源。

发明内容

鉴于现有技术中存在上述问题，本发明的目的是提供一种开关电源用的电平转换控制电路，通过波形分离单元和波形合并单元对输入信号进行处理，使开关电源的导通时间缩短。

一种开关电源用的电平转换控制电路，包括依次电性连接的开关电源控制模块、调节模块和输出模块；所述开关电源控制模块包括用于输出脉冲信号的开关电源控制单元；

所述调节模块包括：

波形分离单元，与开关电源控制单元电性连接，用于将开关电源控制单元输出的脉冲信号分离成a波形和b波形；

至少一个电平转换单元，与波形分离单元电性连接，用于将a波形和b波形分别对应转换成c波形和d波形；

波形合并单元，与电平转换单元电性连接，用于将c波形和d波形合并产生e波形并传输至上管驱动单元；

所述输出模块包括上管驱动单元和下管驱动单元，所述上管驱动单元与调节模块电性连接，所述下管驱动单元与开关电源控制单元电性连接；

所述上管驱动单元与MOS管M1A的栅极电性连接，MOS管M1A的源极分别与电感一L1、MOS管M2A的漏极电性连接，所述电感一L1的另一端分别连接有电容C1A和电阻R1A，所述电容C1A的另一端接地，电阻R1A的另一端分别与电阻R2A、开关电源控制单元的FB引脚连接，所述电阻R2A的另一端接地，所述MOS管M2A的源极接地，MOS管M2A的栅极与下管驱动单元连接。

为了分离出a波形，所述脉冲信号通过MOS管一M1，MOS管二M2，电阻一R1，电容一C1构成的上升沿扩展电路，再经过MOS管三M3，MOS管四M4反相整形出a波形，所述a波形控制MOS管Ma的通断。

为了分离出b波形，所述脉冲信号通过MOS管五M5，MOS管六M6，MOS管七M7，MOS管八M8，电阻二R2，电容二C2构成的下降沿扩展电路，再经过MOS管九M9，MOS管十反相器整形出b波形，所述b波形控制MOS管Mb的通断。

所述电平转换单元设置有两个，分别为低速电平转换单元一和低速电平转换单元二，所述MOS管Ma的漏极与低速电平转换单元一电性连接，所述低速电平转换单元一输出c波形，所述低速电平转换单元一包括电阻三R3、MOS管十一M11、MOS管十二M12、二极管一D1；所述MOS管Mb的漏极与低速电平转换单元二电性连接，所述低速电平转换单元二输出d波形，所述低速电平转换单元二包括电阻四R4，MOS管十三M13，MOS管十四M14和二极管二D2。

所述脉冲信号输入至MOS管一M1、MOS管二M2、MOS管五M5、MOS管六M6的栅极，所述MOS管一M1、MOS管二M2的栅极相互连接，MOS管五M5、MOS管六M6的栅极相互连接，所述MOS管一M1、MOS管三M3、MOS管五M5、MOS管七M7、MOS管九M9的源极分别与电压源连接，所述MOS管二M2、MOS管四M4、MOS管Ma、MOS管六M6、MOS管八M8、MOS管十、MOS管Mb的源极分别与地连接；

所述MOS管一M1的漏极通过电阻一R1与MOS管二M2的漏极连接，所述MOS管二M2的漏极、MOS管四M4的栅极、MOS管三M3的栅极均与电容一C1的一端连接，所述电容一C1的另一端接地，所述MOS管三M3的漏极、MOS管四M4的漏极均与MOS管Ma的栅极连接；

所述MOS管五M5的漏极、MOS管六M6的漏极、MOS管七M7的栅极和MOS管八M8的栅极相互连接，所述MOS管七M7的漏极通过电阻二R2与MOS管八M8的漏极连接，所述MOS管八M8的漏极、MOS管九M9的栅极、MOS管十M10的栅极均与电容二C2的一端连接，所述电容二C2的另一端接地，所述MOS管九M9的漏极、MOS管十M10的漏极均与MOS管Mb的栅极连接。

为了输出c波形，所述MOS管Ma的漏极分别与二极管一D1的负极、电阻三R3、MOS管十一M11的栅极、MOS管十二M12的栅极电性连接，所述电阻三R3的另一端与MOS管十一M11的源极连接，二极管一D1的正极与MOS管十二M12的源极连接，所述MOS管十一M11的漏极和MOS管十二M12的漏极相互连接并与波形合并单元连接。

为了输出d波形，所述MOS管Mb的漏极分别与二极管二D2的负极、电阻四R4、MOS管十三M13的栅极、MOS管十四M14的栅极电性连接，所述电阻四R4的另一端与MOS管十三M13的源极连接，二极管二D2的正极与MOS管十四M14的源极连接，所述MOS管十三M13的漏极和MOS管十四M14的漏极相互连接并与波形合并单元连接。

为了输出e波形，所述波形合并单元包括：

数字反相器X1，用于输出与输入反相的数字信号，所述数字反相器X1的输入端与MOS管十三M13的漏极、MOS管十四M14的漏极连接，输出端和与门X2的第一输入端连接；

与门X2，用于通过逻辑运算将c波形和d波形合并输出e波形，所述与门X2的第二输出端与MOS管十一M11的漏极、MOS管十二M12的漏极连接，输出端与缓冲器X3的输入端连接；

缓冲器X3，用于放大输入信号的驱动能力。

所述脉冲信号为PWM信号。

本发明的有益效果是：该开关电源用的电平转换控制电路，通过波形分离单元将开关电源控制单元输出的脉冲信号分离成a波形和b波形，并通过电平转换单元将a波形和b波形对应调整为c波形和d波形，再通过波形合并单元将c波形和d波形合并为e波形并输出，通过波形分离、电平转换和波形合并操作，使该电路能够输入宽度最小为10ns的PWM信号，相较于现有电路能输入宽度最小为100ns的PWM信号，该电路能够使开关电源的导通时间缩短，具有较大的占空比，输入电压的范围更广，因此，适用范围更广；同时，该电路的结构简单，成本较低且功耗较低，有利于推广使用。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有开关电源的电路图；

图2是现有开关电源的电平转换单元的电路图；

图3是本发明的电路图；

图4是本发明的调节模块的电路图；

图5是本发明的波形图。

具体实施方式

如图1所示，现有开关电源电路包括开关电源控制单元、一个电平转换单元、上管驱动单元和下管驱动单元，其中，开关电源控制单元的输出端分别与电平转换单元和下管驱动单元连接，所述电平转换单元与上管驱动单元连接，所述上管驱动单元与MOS管M1A的栅极电性连接，MOS管M1A的源极分别与电感一L1、MOS管M2A的漏极电性连接，所述电感一L1的另一端分别连接有电容C1A和电阻R1A，所述电容C1A的另一端接地，电阻R1A的另一端分别与电阻R2A、开关电源控制单元的FB引脚连接，所述电阻R2A的另一端接地，所述MOS管M2A的源极接地，MOS管M2A的栅极与下管驱动单元连接。

如图2所示，现有开关电源电路中的电平转换单元包括二极管DX、MOS管MX和缓冲器X0，用于实现电平转换。现有开关电源电路输入信号的宽度最小为100ns，导通时间较长，输入电压范围较小，占空比较大。

实施例一

如图3所示，一种开关电源用的电平转换控制电路，包括依次电性连接的开关电源控制模块、调节模块和输出模块；

开关电源控制模块包括用于输出脉冲信号的开关电源控制单元，脉冲信号为PWM信号。

调节模块包括用于将开关电源控制单元输出的脉冲信号分离成a波形和b波形的波形分离单元、用于将a波形和b波形分别对应转换成c波形和d波形电平转换单元和用于将c波形和d波形合并产生e波形并传输至上管驱动单元波形合并单元；

输出模块包括上管驱动单元和下管驱动单元。

如图3所示，具体的，开关电源控制单元的输出端分别与波形分离单元、下管驱动单元连接，所述波形分离单元分别与两个电平转换单元连接，两个电平转换单元的另一端均与波形合并单元连接，波形合并单元与上管驱动单元连接，上管驱动单元与MOS管M1A的栅极电性连接，MOS管M1A的源极分别与电感一L1、MOS管M2A的漏极电性连接，电感一L1的另一端分别连接有电容C1A和电阻R1A，电容C1A的另一端接地，电阻R1A的另一端分别与电阻R2A、开关电源控制单元的FB引脚连接，电阻R2A的另一端接地，MOS管M2A的源极接地，MOS管M2A的栅极与下管驱动单元连接。

如图4、图5所示，波形分离单元包括上升沿扩展电路和下降沿扩展电路；其中，通过脉冲信号产生a波形的过程包括：脉冲信号通过MOS管一M1M1，MOS管二M2，电阻一R1，电容一C1构成的上升沿扩展电路，再经过MOS管三M3，MOS管四M4反相整形出a波形，a波形控制MOS管Ma的通断。

通过脉冲信号产生b波形的过程包括：脉冲信号通过MOS管五M5，MOS管六M6，MOS管七M7，MOS管八M8，电阻二R2，电容二C2构成的下降沿扩展电路，再经过MOS管九M9，MOS管十反相器整形出b波形，b波形控制MOS管Mb的通断。

如图5所示，PWM信号的上升沿生成a波形的上升沿，PWM信号的下降沿生成b波形的上升沿，a波形和b波形的宽度最短为100ns。

具体的，如图4所示，脉冲信号输入至MOS管一M1、MOS管二M2、MOS管五M5、MOS管六M6的栅极，MOS管一M1、MOS管二M2的栅极相互连接，MOS管五M5、MOS管六M6的栅极相互连接，MOS管一M1、MOS管三M3、MOS管五M5、MOS管七M7、MOS管九M9的源极分别与电压源连接，MOS管二M2、MOS管四M4、MOS管Ma、MOS管六M6、MOS管八M8、MOS管十、MOS管Mb的源极分别与地连接；

MOS管一M1的漏极通过电阻一R1与MOS管二M2的漏极连接，MOS管二M2的漏极、MOS管四M4的栅极、MOS管三M3的栅极均与电容一C1的一端连接，电容一C1的另一端接地，MOS管三M3的漏极、MOS管四M4的漏极均与MOS管Ma的栅极连接；

MOS管五M5的漏极、MOS管六M6的漏极、MOS管七M7的栅极和MOS管八M8的栅极相互连接，MOS管七M7的漏极通过电阻二R2与MOS管八M8的漏极连接，MOS管八M8的漏极、MOS管九M9的栅极、MOS管十M10的栅极均与电容二C2的一端连接，电容二C2的另一端接地，所述MOS管九M9的漏极、MOS管十M10的漏极均与MOS管Mb的栅极连接。

如图4、图5所示，电平转换单元设置有两个，分别为低速电平转换单元一和低速电平转换单元二，上升沿扩展电路与低速电平转换单元一连接，下降沿扩展电路与低速电平转换单元二连接，MOS管Ma的漏极与低速电平转换单元一电性连接，低速电平转换单元一输出c波形，低速电平转换单元一包括电阻三R3、MOS管十一M11、MOS管十二M12、二极管一D1；MOS管Mb的漏极与低速电平转换单元二电性连接，低速电平转换单元二输出d波形，所述低速电平转换单元二包括电阻四R4，MOS管十三M13，MOS管十四M14和二极管二D2。

如图5所示，c波形和d波形的宽度分别与a波形和b波形相同，c波形和d波形的最低点电压经电平转换单元处理后高于a波形和b波形的最低点电压。例如图5所示，a波形和b波形信号的最低点为0V，c波形、d波形分别是经过电平转换单元转换过后的信号，最低点高于0V。

如图4所示，具体的，MOS管Ma的漏极分别与二极管一D1的负极、电阻三R3、MOS管十一M11的栅极、MOS管十二M12的栅极电性连接，电阻三R3的另一端与MOS管十一M11的源极连接，二极管一D1的正极与MOS管十二M12的源极连接，MOS管十一M11的漏极和MOS管十二M12的漏极相互连接并与波形合并单元连接。

MOS管Mb的漏极分别与二极管二D2的负极、电阻四R4、MOS管十三M13的栅极、MOS管十四M14的栅极电性连接，所述电阻四R4的另一端与MOS管十三M13的源极连接，二极管二D2的正极与MOS管十四M14的源极连接，所述MOS管十三M13的漏极和MOS管十四M14的漏极相互连接并与波形合并单元连接。

如图4所示，波形合并单元包括数字反相器X1、与门X2和缓冲器X3；其中，数字反相器X1用于输出与输入反相的数字信号；与门X2用于通过逻辑运算将c波形和d波形合并输出e波形；缓冲器X3用于放大输入信号的驱动能力，便于驱动后级电路。

具体的，所述数字反相器X1的输入端与MOS管十三M13的漏极、MOS管十四M14的漏极连接，输出端和与门X2的第一输入端连接，所述与门X2的第二输出端与MOS管十一M11的漏极、MOS管十二M12的漏极连接，输出端与缓冲器X3的输入端连接。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种开关电源用的电平转换控制电路，其特征在于，包括依次电性连接的开关电源控制模块、调节模块和输出模块；所述开关电源控制模块包括用于输出脉冲信号的开关电源控制单元；

所述调节模块包括：

波形分离单元，与开关电源控制单元电性连接，用于将开关电源控制单元输出的脉冲信号分离成a波形和b波形；

至少一个电平转换单元，与波形分离单元电性连接，用于将a波形和b波形分别对应转换成c波形和d波形，电平转换单元使输出的c波形与输入的a波形、输出的d波形与输入的b波形的波形保持一致，电平高度变化；

波形合并单元，与电平转换单元电性连接，用于将c波形和d波形合并产生e波形并传输至上管驱动单元；

所述输出模块包括上管驱动单元和下管驱动单元，所述上管驱动单元与调节模块电性连接，所述下管驱动单元与开关电源控制单元电性连接。

2.根据权利要求1所述的开关电源用的电平转换控制电路，其特征在于，所述上管驱动单元与MOS管M1A的栅极电性连接，MOS管M1A的源极分别与电感一L1、MOS管M2A的漏极电性连接，所述电感一L1的另一端分别连接有电容C1A和电阻R1A，所述电容C1A的另一端接地，电阻R1A的另一端分别与电阻R2A、开关电源控制单元的FB引脚连接，所述电阻R2A的另一端接地，所述MOS管M2A的源极接地，MOS管M2A的栅极与下管驱动单元连接。

3.根据权利要求1所述的开关电源用的电平转换控制电路，其特征在于，所述脉冲信号通过MOS管一M1，MOS管二M2，电阻一R1，电容一C1构成的上升沿扩展电路，再经过MOS管三M3，MOS管四M4反相整形出a波形，所述a波形控制MOS管Ma的通断。

4.根据权利要求1所述的开关电源用的电平转换控制电路，其特征在于，所述脉冲信号通过MOS管五M5，MOS管六M6，MOS管七M7，MOS管八M8，电阻二R2，电容二C2构成的下降沿扩展电路，再经过MOS管九M9、MOS管十M10反相整形出b波形，所述b波形控制MOS管Mb的通断。

5.根据权利要求3或4所述的开关电源用的电平转换控制电路，其特征在于，所述电平转换单元设置有两个，分别为低速电平转换单元一和低速电平转换单元二，所述MOS管Ma的漏极与低速电平转换单元一电性连接，所述低速电平转换单元一输出c波形，所述低速电平转换单元一包括电阻三R3、MOS管十一M11、MOS管十二M12、二极管一D1；所述MOS管Mb的漏极与低速电平转换单元二电性连接，所述低速电平转换单元二输出d波形，所述低速电平转换单元二包括电阻四R4，MOS管十三M13，MOS管十四M14和二极管二D2。

6.根据权利要求5所述的开关电源用的电平转换控制电路，其特征在于，所述脉冲信号输入至MOS管一M1、MOS管二M2、MOS管五M5、MOS管六M6的栅极，所述MOS管一M1、MOS管二M2的栅极相互连接，MOS管五M5、MOS管六M6的栅极相互连接，所述MOS管一M1、MOS管三M3、MOS管五M5、MOS管七M7、MOS管九M9的源极分别与电压源连接，所述MOS管二M2、MOS管四M4、MOS管Ma、MOS管六M6、MOS管八M8、MOS管十M10、MOS管Mb的源极分别与地连接；

所述MOS管一M1的漏极通过电阻一R1与MOS管二M2的漏极连接，所述MOS管二M2的漏极、MOS管四M4的栅极、MOS管三M3的栅极均与电容一C1的一端连接，所述电容一C1的另一端接地，所述MOS管三M3的漏极、MOS管四M4的漏极均与MOS管Ma的栅极连接；

所述MOS管五M5的漏极、MOS管六M6的漏极、MOS管七M7的栅极和MOS管八M8的栅极相互连接，所述MOS管七M7的漏极通过电阻二R2与MOS管八M8的漏极连接，所述MOS管八M8的漏极、MOS管九M9的栅极、MOS管十M10的栅极均与电容二C2的一端连接，所述电容二C2的另一端接地，所述MOS管九M9的漏极、MOS管十M10的漏极均与MOS管Mb的栅极连接。

7.根据权利要求5所述的开关电源用的电平转换控制电路，其特征在于，所述MOS管Ma的漏极分别与二极管一D1的负极、电阻三R3、MOS管十一M11的栅极、MOS管十二M12的栅极电性连接，所述电阻三R3的另一端与MOS管十一M11的源极连接，二极管一D1的正极与MOS管十二M12的源极连接，所述MOS管十一M11的漏极和MOS管十二M12的漏极相互连接并与波形合并单元连接。

8.根据权利要求5所述的开关电源用的电平转换控制电路，其特征在于，所述MOS管Mb的漏极分别与二极管二D2的负极、电阻四R4、MOS管十三M13的栅极、MOS管十四M14的栅极电性连接，所述电阻四R4的另一端与MOS管十三M13的源极连接，二极管二D2的正极与MOS管十四M14的源极连接，所述MOS管十三M13的漏极和MOS管十四M14的漏极相互连接并与波形合并单元连接。

9.根据权利要求1所述的开关电源用的电平转换控制电路，其特征在于，所述波形合并单元包括：

数字反相器X1，用于输出与输入反相的数字信号，所述数字反相器X1的输入端与MOS管十三M13的漏极、MOS管十四M14的漏极连接，输出端和与门X2的第一输入端连接；

与门X2，用于通过逻辑运算将c波形和d波形合并输出e波形，所述与门X2的第二输出端与MOS管十一M11的漏极、MOS管十二M12的漏极连接，输出端与缓冲器X3的输入端连接；

缓冲器X3，用于放大输入信号的驱动能力。

10.根据权利要求1所述的开关电源用的电平转换控制电路，其特征在于，所述脉冲信号为PWM信号。

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