CN117767754A - 一种双极性Buck输出正负可调控电流电路 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种双极性Buck输出正负可调控电流电路，包括第一Buck电路、第二Buck电路及反馈电路，所述第一Buck电路和第一Buck电路结构相同、输入端同接电源输入Vin,所述第一Buck电路的输出端Vcs与所述第二Buck电路的输出端Vos2之间串联设置第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻相邻端之间输出反馈电压Vos1并与反馈电路相连接，本文设计的电路主要针对于TEC温控芯片，双Buck电路通过电流的方向决定其温控芯片处于加热或是制冷状态，控制其大小决定其加热或者制冷的多少，整体反馈是电流反馈模式，通过采样流过TEC电阻的电流大小从而反馈控制环路，即使在轻载情况下都能够实现良好的线性化电流输出，消除了非线性因素。
Description
技术领域
本申请涉及双向直流变换技术领域，特别涉及一种双极性Buck输出正负可调控电流电路。
背景技术
Buck型DC-DC转换器作为开关电源的一种，它是将高的输入电压转化为低的输出电压的直流变化器，通常工作在一定的时钟频率下，每个时钟周期经逻辑电路来控制功率管的开启和关断，再利用芯片外围电感电容元器件的储能特性不停的充放电，最终将高输入直流电压转变为地输出的稳定电压。
但在现有技术中的普通Buck电路及带反馈电路的Buck电路均不能控制电流方向。
有鉴于此，目前亟需一种双极性Buck输出正负可调控电流电路。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请提出一种双极性Buck输出正负可调控电流电路，解决了现有技术中普通Buck电路及带反馈电路的Buck电路均不能控制电流方向问题。
本申请为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种双极性Buck输出正负可调控电流电路，包括第一Buck电路、第二Buck电路及反馈电路，其中：所述第一Buck电路和第一Buck电路结构相同、输入端同接电源输入Vin,所述第一Buck电路的输出端Vcs与所述第二Buck电路的输出端Vos2之间串联设置第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻相邻端之间输出反馈电压Vos1并与反馈电路相连接；
所述反馈电路包括第一运放电路和第二运放电路，其中：所述第一运放电路被配置为：第一输入端接参考电压、第二输入端接控制电压、第三输入端接反馈电压Vos1、第四输入端接所述第一Buck电路的输出端Vcs，输出端接第一放大器的负极输入端；
所述第一放大器的正极输入端接参考电压、输出端同时接第三电容的一端与第二运放电路的第三输入端，所述第三电容的另一端接地；
所述第二运放电路被配置为：第一输入端接二分之一电源电压Vdd、第二输入端接参考电压，第一输出端接第一PWM发生器的负极输入端、第二输出端接第二PWM发生器的负极输入端；
所述第一PWM发生器的正极输入端接三角波发生器，输出端接第一Buck电路并控制所述第一Buck电路中的功率开关管；所述第二PWM发生器的正极输入端接三角波发生器，输出端接第二Buck电路并控制所述第二Buck电路中的功率开关管。
本文设计的电路主要针对于TEC温控芯片，双Buck电路通过电流的方向决定其温控芯片处于加热或是制冷状态，控制其大小决定其加热或者制冷的多少，整体反馈是电流反馈模式，通过采样流过TEC电阻的电流大小从而反馈控制环路；能够实现双极性电流输出，通过电流反馈更能够消除电流浪涌现象，在低负载电流下，真正的双极性操作控制输出电流，没有死区或者其他非线性的出现。能够实现正负电流的输出，该电路多用于温度传感器电路中，能够通过采样Rtec电流大小，从而进行反馈到VCTL端口进行TEC外环路的反馈电路的构建。
作为一种可选的技术方案，所述电源输入Vin的值与所述电源电压Vdd的值相同。
作为一种可选的技术方案，所述第一Buck电路和第一Buck电路结构相同，其中：
所述第一Buck电路包括P型功率开关管和N型功率开关管，所述P型功率开关管的栅极接第一PWM发生器的输出端、源极接电源输入Vin的正极、漏极接第一电感的一端和N型功率开关管的漏极，所述第一电感的的另一端接输出端Vcs和第一电容的一端，所述第一电容的另一端同时接电源输入Vin的负极、N型功率开关管的源极和地；所述N型功率开关管的栅极接第一PWM发生器的输出端。
作为一种可选的技术方案，所述第一运放电路的第一输入端接参考电压Vref、第二输入端接控制电压Vctl、第三输入端接反馈电压Vos1、第四输入端接所述第一Buck电路的输出端Vcs，输出端为V0接第一放大器的负极输入端，其中：
。
作为一种可选的技术方案，所述第二运放电路的第一输入端接Vdd/2、第二输入端接参考电压Vref、第三输入端接所述第一放大器的输出端Vint,第一输出端V1接第一PWM发生器的负极输入端、第二输出端V2接第二PWM发生器的负极输入端，其中：
。
作为一种可选的技术方案，当控制电压Vctl大于参考电压Vref时，电流从输出端Vos2流向输出端Vcs。
作为一种可选的技术方案，当控制电压Vctl小于参考电压Vref时，电流从输出端Vcs流向输出端Vos2。
作为一种可选的技术方案，当控制电压Vctl等于参考电压Vref时，输出端Vcs和出端Vos2之间的电流处于静止状态。
本申请的有益效果包括：
本文设计的电路对比普通Buck电路来说，由于其电流采样和双极性控制，其即使在轻载情况下都能够实现良好的线性化电流输出，消除了非线性因素。
本文设计的电路使得电流反馈使得控制更加精确和稳定。
本申请的其他有益效果或优势将在具体实施方式中结合具体结构进行详细描述。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。此外，应当理解，本说明书附图中的各个部件的比例关系不代表实际选材设计时的比例关系，其仅仅为结构或者位置的示意图，其中：
图1为现有技术中带二极管的普通Buck电路100结构示意图；
图2为现有技术中不带二极管的普通Buck电路200结构示意图；
图3为现有技术中带反馈电路的Buck电路300结构示意图；
图4为本申请中双极型Buc电路输出正负可调控电流电路400结构示意简图；
图5为本申请中双极型Buc电路输出正负可调控电流电路500结构示图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，所使用的术语，例如“顶部”和“底部”，指的是本申请在使用状态下靠近上方的部分为顶部，靠近下方的部分为底部；所使用的术语，例如“第一”和“第二”，仅是为了区分表述，而不是指示或暗示其具有重要性或顺序性的区别；所使用的术语，如“内”、“外”，指的是具体轮廓的内和外。上述术语的使用仅是为了便于清楚且简单地表述本申请的技术方案，不能理解为对本申请的限制。
实施例：
本方案至少公开了一种双极性Buck输出正负可调控电流电路，包括第一Buck电路、第二Buck电路及反馈电路，其中：所述第一Buck电路和第一Buck电路结构相同、输入端同接电源输入Vin,所述第一Buck电路的输出端Vcs与所述第二Buck电路的输出端Vos2之间串联设置第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻相邻端之间输出反馈电压Vos1并与反馈电路相连接；
所述反馈电路包括第一运放电路和第二运放电路，其中：所述第一运放电路被配置为：第一输入端接参考电压、第二输入端接控制电压、第三输入端接反馈电压Vos1、第四输入端接所述第一Buck电路的输出端Vcs，输出端接第一放大器的负极输入端；
所述第一放大器的正极输入端接参考电压、输出端同时接第三电容的一端与第二运放电路的第三输入端，所述第三电容的另一端接地；所述第二运放电路被配置为：第一输入端接二分之一电源电压Vdd、第二输入端接参考电压，第一输出端接第一PWM发生器的负极输入端、第二输出端接第二PWM发生器的负极输入端；
所述第一PWM发生器的正极输入端接三角波发生器，输出端接第一Buck电路并控制所述第一Buck电路中的功率开关管；所述第二PWM发生器的正极输入端接三角波发生器，输出端接第二Buck电路并控制所述第二Buck电路中的功率开关管。
可理解的是：所述电源输入Vin的值与所述电源电压Vdd的值相同。
如图5电路500及如图2电路200所示，所述第一Buck电路和第一Buck电路结构相同，其中具体的结构与现有技术中不带二极管的普通Buck电路相同，本方案在现有技术的基础上重新设计了一套反馈电路，以实现双极性Buck输出正负可调控电流的目的；
具体的结构为：所述第一Buck电路包括P型功率开关管和N型功率开关管，所述P型功率开关管的栅极接第一PWM发生器的输出端、源极接电源输入Vin的正极、漏极接第一电感的一端和N型功率开关管的漏极，所述第一电感的的另一端接输出端Vcs和第一电容的一端，所述第一电容的另一端同时接电源输入Vin的负极、N型功率开关管的源极和地；所述N型功率开关管的栅极接第一PWM发生器的输出端。
该结构是在现有技术中带二极管的普通Buck电路上的一个改进，现有技术中带二极管的普通Buck电路如图1电路100所示；
为了便于理解，现对电路100和电路200简单解释：
电路100中，Buck型DC-DC转换器的主要回路由电源输入Vin，P型功率管M1，续流二极管D，电感L，电容C和电阻RL组成，Vout表示输出电压信号；
当逻辑信号VC控制P型功率管M1导通时，续流二极管D此时为反向截至状态，电感L和电容C此时为充电状态，输出Vout电压上升；
当逻辑信号VC控制P型功率管M1关断时，因电感L电流不能突变，所以其电流方向不变，电感L此时作为电路中的电源继续给电容C以及电阻RL供电，整个环路（由续流二极管D，电感L，电容C，电阻RL构成的）形成，续流二极管D导通，电感L电流以固定斜率下降。因为续流二极管D正向压降较大（一般0.7V），在续流二极管D导通的时候其导通电流流过续流二极管D会导致不能将电压1：1传输过去，会导致0.7V的电压的能量损耗，所以也可将续流二极管D换成N型功率管M2,更换以后如电路200所示。
电路100及电路200中的逻辑信号VC为外部给的一个信号。
可以理解的是：本文记载的所述反馈电路包括第一运放电路和第二运放电路，与图3电路300所示的现有技术中带反馈电路的Buck电路完全不同；
同样地，为了便于理解，现对电路300简单解释：
电路300中：电路相较于电路200多了环路控制部分：误差放大器，第一反馈电阻RFB1，第二反馈电阻RFB2，以及PWM产生器；PWM产生器的输出端作为外部输入的逻辑信号VC控制电路中的P型功率管M1和N型功率管M2；
当时候，误差放大器输出Vo为高电平，经过PWM发生器输出Vpulse信号为低电平，进入VC占空比控制电路会让M1导通，M2关闭，VIN对电感充电使得Vout电压抬升；
当时候，误差放大器输出Vo为低电平，经过PWM发生器输出Vpulse信号为高电平，进入VC占空比控制电路会让M2导通，M1关闭，电感电流会慢慢降低，输出Vout电压会慢慢降低。
而本文记载的电路主要针对于TEC温控芯片，双Buck电路通过电流的方向决定其温控芯片处于加热或是制冷状态，控制其大小决定其加热或者制冷的多少，整体反馈是电流反馈模式，通过采样流过TEC电阻的电流大小从而反馈控制环路，电路的参数性能对比如表1所示：
表1
更具体地，所述第一运放电路的第一输入端接参考电压Vref、第二输入端接控制电压Vctl、第三输入端接反馈电压Vos1、第四输入端接所述第一Buck电路的输出端Vcs，输出端为V0接第一放大器的负极输入端，其中：
。
进一步地，Vctl的电压值可以控制其输出电流大小：
式中，RSENSE为电路400及电路500中所述的第一电阻，第一电阻的一端与输出端Vcs连接，另一端与第二电阻Rtec连接。
由于整个系统是负反馈电路，其积分器运放的输入在系统稳定后一定相等，所以：V0=Vref
由此，可以得到输出电流I tec ：
所述第二运放电路的第一输入端接Vdd/2、第二输入端接参考电压Vref、第三输入端接所述第一放大器的输出端Vint,第一输出端V1接第一PWM发生器的负极输入端、第二输出端V2接第二PWM发生器的负极输入端，其中：
因此可以得出：
第一种状态：当控制电压Vctl大于参考电压Vref时，电流从输出端Vos2流向输出端Vcs，具体过程为：
Vctl＞Vref，其固定斜率线性增大，其V1电压会线性减小，V2电压会线性增大，经过第一PWM发生器后，第一PWM发生器的输出端Vout1波形的占空比是高电平多于低电平，反之第二PWM发生器输出端Vout2波形的占空比是低电平多于高电平；因此输出端Vout1控制的第一Buck电路的输出端Vcs电压降低，反之输出端Vout2控制的第二Buck电路的输出端Vos2电压升高，所以经过电流线性增大，系统稳定后，电流会达到稳定值大小。
第二种状态：当控制电压Vctl小于参考电压Vref时，电流从输出端Vcs流向输出端Vos2，具体过程为：
Vctl＜Vref，其固定斜率线性减小，其V1电压会线性增大，V2电压会线性减小，经过第一PWM发生器后，第一PWM发生器的输出端Vout1波形的占空比是低电平多于高电平，反之第二PWM发生器的输出端Vout2波形的占空比是高电平多于低电平，因此输出端Vout1控制的第一Buck电路的输出端Vcs电压升高，反之输出端Vout2控制的第二Buck电路的输出端Vos2电压降低，所以经过电流线性增大，系统稳定后，电流会达到稳定值大小。
第三种状态：当控制电压Vctl等于参考电压Vref时，输出端Vcs和出端Vos2之间的电流处于静止状态。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种双极性Buck输出正负可调控电流电路，其特征在于，包括第一Buck电路、第二Buck电路及反馈电路，其中：
所述第一Buck电路和第一Buck电路结构相同、输入端同接电源输入Vin,所述第一Buck电路的输出端Vcs与所述第二Buck电路的输出端Vos2之间串联设置第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻相邻端之间输出反馈电压Vos1并与反馈电路相连接；
所述反馈电路包括第一运放电路和第二运放电路，其中：
所述第一运放电路被配置为：第一输入端接参考电压、第二输入端接控制电压、第三输入端接反馈电压Vos1、第四输入端接所述第一Buck电路的输出端Vcs，输出端接第一放大器的负极输入端；
所述第一放大器的正极输入端接参考电压、输出端同时接第三电容的一端与第二运放电路的第三输入端，所述第三电容的另一端接地；
所述第二运放电路被配置为：第一输入端接二分之一电源电压Vdd、第二输入端接参考电压，第一输出端接第一PWM发生器的负极输入端、第二输出端接第二PWM发生器的负极输入端；
所述第一PWM发生器的正极输入端接三角波发生器，输出端接第一Buck电路并控制所述第一Buck电路中的功率开关管；
所述第二PWM发生器的正极输入端接三角波发生器，输出端接第二Buck电路并控制所述第二Buck电路中的功率开关管。
2.如权利要求1所述的可调控电流电路，其特征在于，所述电源输入Vin的值与所述电源电压Vdd的值相同。
3.如权利要求1所述的可调控电流电路，其特征在于，所述第一Buck电路和第一Buck电路结构相同，其中：
所述第一Buck电路包括P型功率开关管和N型功率开关管，所述P型功率开关管的栅极接第一PWM发生器的输出端、源极接电源输入Vin的正极、漏极接第一电感的一端和N型功率开关管的漏极，所述第一电感的的另一端接输出端Vcs和第一电容的一端，所述第一电容的另一端同时接电源输入Vin的负极、N型功率开关管的源极和地；所述N型功率开关管的栅极接第一PWM发生器的输出端。
4.如权利要求1所述的可调控电流电路，其特征在于，所述第一运放电路的第一输入端接参考电压Vref、第二输入端接控制电压Vctl、第三输入端接反馈电压Vos1、第四输入端接所述第一Buck电路的输出端Vcs，输出端为V0接第一放大器的负极输入端，其中：
。
5.如权利要求4所述的可调控电流电路，其特征在于，所述第二运放电路的第一输入端接Vdd/2、第二输入端接参考电压Vref、第三输入端接所述第一放大器的输出端Vint,第一输出端V1接第一PWM发生器的负极输入端、第二输出端V2接第二PWM发生器的负极输入端，其中：
。
6.如权利要求5所述的可调控电流电路，其特征在于，当控制电压Vctl大于参考电压Vref时，电流从输出端Vos2流向输出端Vcs。
7.如权利要求5所述的可调控电流电路，其特征在于，当控制电压Vctl小于参考电压Vref时，电流从输出端Vcs流向输出端Vos2。
8.如权利要求5所述的可调控电流电路，其特征在于，当控制电压Vctl等于参考电压Vref时，输出端Vcs和出端Vos2之间的电流处于静止状态。
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