CN201450447U

CN201450447U - 一种同步整流Buck-Flyback变换器

Info

Publication number: CN201450447U
Application number: CN2009200475306U
Authority: CN
Inventors: 周岩; 王柏林
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2010-05-05
Anticipated expiration: 2019-07-17

Abstract

本实用新型提供了一种同步整流Buck-Flyback变换器，适用于电源中各类控制芯片所需的原、副边隔离工作电压的辅助电源设计，包括同步整流Buck变换器、Flyback变换器以及Buck同步整流控制电路；其中同步整流Buck变换器的输出电压提供原边各类控制芯片所需的工作电压；Flyback变换器的输出电压提供副边各类控制芯片所需的隔离工作电压；Buck同步整流控制电路用于提供同步整流Buck变换器所需的同步整流控制信号。本实用新型不同于已有的拓扑只能提供单路原边或副边输出电压，其能同时提供原、副边隔离的输出电压，副边的输出电压幅值可由原边输出电压设定，电路结构简单，器件承受应力较低，在一定的负载条件下具有稳压效果好、效率高等优点。

Description

一种同步整流Buck-Flyback变换器

技术领域

本实用新型涉及一种直流开关电源变换器，具体涉及一种适用于DC/DC直流数字电源模块辅助电源的技术领域。

背景技术

随着电子设备的功能越来越复杂，针对更广泛的负载、更低的输出电压以及多种电源同步进行管理，DSP/FPGA控制的数字电源模块近年来成为热门的研究方向。数字电源虽然可提供更为强大的监控功能，但DSP/FPGA等数字控制芯片所需要的待机功率也大大增加。在待机时，数字电源不仅需要提供原边控制芯片所需的工作电压以满足通信与监控功能，包括故障管理、过电流保护以及避免停机等，以保证远程诊断确保持续的系统可靠性。另外还需提供副边数字芯片控制所需的工作电压，以提供如输出电压、时序控制、均流等功能。在高功率密度电源模块设计中PCB空间非常宝贵，如何设计既结构简单又效率高的辅助电源已经成为数字模块电源设计面临的关键问题之一。

实用新型内容

实用新型目的

本实用新型针对现代数字电源控制芯片静态工作电流大、待机功耗高、需为原副边各类控制芯片提供隔离输出电压的特点，提出了一种同步整流Buck-Flyback新型变换器以专门提供数字电源模块控制芯片所需的辅助电源，以简化设计并提高效率。

技术方案：

本实用新型为实现上述实用新型目的采用如下技术方案：

本实用新型的同步整流Buck-Flyback变换器，用于在电源中为各类控制芯片提供原、副边隔离的工作电压，包括同步整流Buck变换器、Flyback变换器以及Buck同步整流控制电路，其中同步整流Buck变换器的输出电压用于提供原边各类控制芯片所需的工作电压；Flyback变换器的输出电压用于提供副边各类控制芯片所需的隔离工作电压；Buck同步整流控制电路用于提供同步整流Buck变换器所需的同步整流控制信号；所述同步整流Buck-Flyback变换器还包括一个变压器L1，变压器L1有三个绕组且共用一个磁芯，即原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，所述变压器L1原边绕组设置在同步整流Buck变换器中、变压器L1第一副边绕组设置在Flyback变换器中，变压器L1第二副边绕组设置在Buck同步整流控制电路中，加在同步整流Buck变换器中变压器L1原边绕组上的电压通过变压器L1分别耦合到Flyback变换器中的变压器L1第一副边绕组以及Buck同步整流控制电路中的变压器L1第二副边绕组。

本实用新型同步整流Buck-Flyback变换器中的同步整流Buck变换器由开关控制芯片IC1、第一电容C1、第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2、第三电容C3、第三电阻R3、第四电阻R4、续流管Q1、第四电容C4和变压器L1原边绕组构成，其中第一电容C1的一端分别与电源正极、第一电阻R1的一端以及开关控制芯片IC1的第8引脚连接，第一电容C1的另一端分别与电源的负极、第二电阻R2的一端以及开关控制芯片IC1的第4引脚连接，第一电阻R1的另一端与开关控制芯片IC1的第6引脚连接，第二电阻R2的另一端与开关控制芯片IC1的第3引脚连接，第二电容C2的一端与开关控制芯片IC1的第7引脚连接，另一端接原边地；开关控制芯片IC1的第2引脚与第三电容C3的一端连接，第三电容C3的另一端分别与开关控制芯片IC1的第1引脚、变压器L1原边绕组的1端以及续流管Q1漏极连接，变压器L1原边绕组的2端分别与第三电阻R3的一端、第四电容C4的正极连接，第三电阻R3的另一端分别与开关控制芯片IC1的第5引脚、第四电阻R4的一端连接；第四电阻R4的另一端分别与第四电容C4的负极、续流管Q1的源极连接后接原边地，续流管Q1的栅极与Buck同步整流控制电路的输出端连接.

本实用新型同步整流Buck-Flyback变换器中的Flyback变换器由第三二极管D3，第六电容C6，变压器L1第一副边绕组依次串接组成，其中第三二极管D3的阳极与变压器L1第一副边绕组的4端连接，第三二极管D3的阴极与第六电容C6的正极相连，变压器L1第一副边绕组的3端与第六电容C6的负极相连后接副边地。

本实用新型同步整流Buck-Flyback变换器中的Buck同步整流控制电路由第一二极管D1、第二二极管D2，第五电容C5，第五电阻R5，PNP管Q2，变压器L1第二副边绕组组成，其中第一二极管D1的阴极分别与同步Back控制电路的输出端即Q1的栅极、PNP管Q2的发射极连接，第一二极管D1的阳极分别与第五电容C5的一端、第五电阻R5的一端以及第二二极管D2的阴极连接，第五电阻R5的另一端分别与第五电容C5的另一端、PNP管Q2的基极连接，第二二极管D2的阳极与变压器L1第二副边绕组的6端连接，变压器L1第二副边绕组的5端与PNP管Q2的集电极连接接原边地。

本实用新型的同步整流Buck-Flyback变换器，所述变压器L1原边绕组的1端、第一副边绕组的3端、第二副边绕组的5端为同名端。

按上述方案，所述的同步整流Buck-Flyback变换器由原边的同步整流Buck变换器、副边的Flyback变换器及Buck同步整流控制电路所组成。变压器L1不仅能提供原副边电气隔离功能，同时还作为同步整流Buck变换器的输出电感、Flyback变换器的储能电感和提供同步整流控制信号的功能。由于原边同步整流Buck变换器始终工作在电感电流连续的状态，其占空比D得到保证，即使同步整流Buck变换器或Flyback变换器工作在空载状态，其原、副边的输出电压也能保持稳定。同步整流Buck变换器的输出电压由其控制电路设定。副边Flyback变换器的输出电压受原边同步整流Buck变换器的输出电压控制，其副边的输出电压值大小可由变压器L1原边绕组和第一副边绕组之间的圈数变比来调整。

按上述方案，当同步整流Buck变换器的主开关管开通时，Flyback变换器的二极管D3承受反压，变压器L1不传送能量到副边。当同步整流Buck变换器的续流开关管开通时，Flyback变换器的二极管D3正向导通，变压器L1传送能量到副边。

有益效果

1、能同时提供原边和副边隔离的稳定输出电压以满足原副边各类控制芯片所需的工作电压。

2、由于该实用新型的辅助电源功率器件工作在开关模式而非线性模式，工作效率得到大幅提升。无论电源模块工作在待机模式或正常工作模式，都可直接使用该辅助电源供电，无需设计额外的辅助电源和切换电路。

3、副边输出电压无需复杂的控制电路设定，其幅值大小由原边输出电压通过线圈变比直接设定。

4、辅助电源工作器件少、功率器件电压应力低、设计简单，降低了成本和对PCB板空间要求。

附图说明

图1是现有技术传统辅助电源设计。

图2是本实用新型的电路原理框图。

图3是本实用新型的电路框图。

具体实施方式

以下结合说明附图进一步说明本实用新型的实施例：

如图1所示，传统辅助电源通过稳压管D1设定三极管的基极电压，让三极管或MOSFET管工作在线性区以获得原边控制芯片所需的供电电压，同时通过正激电路提供副边控制芯片所需的隔离工作电压，如附图1所示。由于数字控制芯片的静态工作电流在几十毫安，加上其它各类辅助控制芯片所需的工作电流，流过原边三极管的总静态电流约在0.1A左右。电源模块工作在宽输入电压范围(如36V～75V)，当输入电压为75V而模块电源工作在待机状态时，由于三极管工作在线性状态其所产生的功耗高达数瓦。另外为了提高电源模块的工作效率，当数字电源模块正常工作时，一般需设计一套额外的辅助电源电路来切换待机时的辅助电源以降低功耗。因此很难满足高功率密度数字电源模块对效率和PCB空间的要求。

如图2、图3所示，本实用新型的同步整流Buck-Flyback变换器，包括同步整流Buck变换器、Flyback变换器以及Buck同步整流控制电路，其中同步整流Buck变换器用于提供原边各类控制芯片所需的工作电压；Flyback变换器用于提供副边各类控制芯片所需的隔离工作电压；Buck同步整流控制电路用于提供同步整流Buck变换器所需的同步整流控制信号；输入电压进入同步整流Buck变换器的输入端，在原边产生10V的输出电压，所述同步整流Buck变换器的结构包括第一电容C1、开关控制芯片IC1内部MosFET(做为Buck变换器的上管)、用于固定导通时间定时的第一电阻R1、用于内部MosFET限流设置的第二电阻R2、用于内部MosFET驱动电路电源供电的第二电容C2、用于内部MosFET驱动电压升压的第三电容C3、输出电压采样电路的第三电阻R3和第四电阻R4、续流管Q1、用于输出电压滤波的第四电容C4和变压器L1的原边绕组等，原边的设定输出电压为10V。

续流管Q1的同步驱动控制信号电路，即Buck同步整流控制电路由第一二极管D1、第二二极管D2，第五电容C5，第五电阻R5，PNP管Q2，变压器L1第二副边绕组组成。

副边Flyback变换器的结构第三二极管D3，第六电容C6，变压器L1第一副边绕组依次串接组成，变压器L1第一副边绕组输出稳定的电压8V。

上述实施例采用高性能低价位集成芯片加上外围电路组成，开关控制芯片IC1是一种高频降压控制芯片LM5009，它的开关工作频率最大可达600Khz，输入电压允许范围为9.5V～95V，可输出最大150mA电流，其工作环境温度为-40度到+125度.该芯片内部包含了一个2％高精度2.5V基准的运算放大器，保证了输出电压的稳定性.电路采用了定时导通的电流滞环控制技术，无需补偿环路设计.同时该芯片内部集成了Buck上管MosFET、限流功能、待机功能等，降低了设计成本和外围电路的复杂性，降低了设计难度.

工作原理及工作过程：

同步整流Buck-Flyback变换器由同步整流Buck变换器、Flyback变换器和Buck同步整流控制电路所组成。图中变压器L1不仅提供电气隔离功能，同时变压器L1原边绕组作为同步整流Buck变换器的输出滤波电感、变压器L1第一副边绕组作为Flyback变换器的储能电感、变压器L1第二副边绕组提供同步整流Buck变换器的续流管Q1的同步整流自驱动的信号。变压器L1的原边绕组和两个副边绕组共用一个磁芯，其中变压器L1的三个绕组中1、3、5端为同名端。由于同步整流Buck-Flyback始终工作在电感电流连续的状态下，其占空比D相对较大。这就保证即使Buck或Flyback工作在空载状态，其输出电压V₀₂也能保持稳定。Flyback的输出电压V₀₂受原边Buck的输出电压V₀₁控制，其V₀₂的大小可由变压器L1的原边绕组和第一副边绕组之间的线圈变比来调整。

当续流管Q1关断时，加在同步整流Buck变换器中的变压器L1原边绕组上的电压V_L1(1，2)为V_in-V_ol，此时Flyback变换器中变压器L1的第一副边绕组上承受的电压V_L1(3，4)为正，因此使第三二极管D3截止，同时第三二极管D3上所承受的最大反向电压比传统Flyback变换器低，其副边的负载工作电流由第六电容C6提供。由于第二副边绕组产生正电压V_L1(5，6)，第五电容C5起到加速PNP管Q2导通的作用，因此在续流管Q1栅极上产生低电平而维持在关断状态。

当续流管Q1导通时，加在同步整流Buck变换器中的变压器L1原边绕组上的电压V_L1(1，2)为-V₀₁。同时Flyback变换器中变压器L1的第一副边绕组上承受的电压V_L1(3，4)为负，其幅值大小由原边输出电压设定，具体为原边输出电压-V₀₁除以变压器L1原边绕组与变压器L1第一副边绕组之间的线圈变比。此时第三二极管D3导通，储存在变压器L1磁场中的能量通过第三二极管D3释放，一方面给第六电容C6充电，另一方面向负载供电。当副边负载较轻时，Flyback变换器的电流处于临界或断续时，第三二极管D3都为零电流关断，可获得较高效率。变压器L1的第二副边绕组产生负电压V_L1(5，6)，第五电容C5起到加速PNP管Q2关闭的作用，同时变压器L1的第二副边绕组经过第一二极管D1、第二二极管D2在续流管Q1的栅极上产生负电压V_L1(5，6)，使续流管Q1导通。

本实用新型采用高性能低价位的集成控制芯片极大的降低了同步整流Buck-Flyback变换器的设计难度，用较少的外围电路获得较好的控制特性。由于此变换器工作在开关状态，辅助电源的效率得到了保证。因此无需设计主变换器在不同工作模态时辅助电源的切换电路，极大的节省了PCB板电路空间，特别适用于高功率密度的数字电源模块辅助电源设计。

Claims

1.一种同步整流Buck-Flyback变换器，用于在电源中为各类控制芯片提供原、副边隔离的工作电压，其特征在于：包括同步整流Buck变换器、Flyback变换器以及Buck同步整流控制电路，其中同步整流Buck变换器的输出电压用于提供原边各类控制芯片所需的工作电压；Flyback变换器的输出电压用于提供副边各类控制芯片所需的隔离工作电压；Buck同步整流控制电路用于提供同步整流Buck变换器所需的同步整流控制信号；所述同步整流Buck-Flyback变换器还包括一个变压器L1，变压器L1有三个绕组且共用一个磁芯，即原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，所述变压器L1原边绕组设置在同步整流Buck变换器中、变压器L1第一副边绕组设置在Flyback变换器中，变压器L1第二副边绕组设置在Buck同步整流控制电路中，加在同步整流Buck变换器中变压器L1原边绕组上的电压通过变压器L1分别耦合到Flyback变换器中的变压器L1第一副边绕组以及Buck同步整流控制电路中的变压器L1第二副边绕组。

2.根据权利要求1所述的同步整流Buck-Flyback变换器，其特征在于：同步整流Buck变换器由开关控制芯片IC1、第一电容C1、第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2、第三电容C3、第三电阻R3、第四电阻R4、续流管Q1、第四电容C4和变压器L1原边绕组构成，其中第一电容C1的一端分别与电源正极、第一电阻R1的一端以及开关控制芯片IC1的第8引脚连接，第一电容C1的另一端分别与电源的负极、第二电阻R2的一端以及开关控制芯片IC1的第4引脚连接，第一电阻R1的另一端与开关控制芯片IC1的第6引脚连接，第二电阻R2的另一端与开关控制芯片IC1的第3引脚连接，第二电容C2的一端与开关控制芯片IC1的第7引脚连接，另一端接原边地；开关控制芯片IC1的第2引脚与第三电容C3的一端连接，第三电容C3的另一端分别与开关控制芯片IC1的第1引脚、变压器L1原边绕组的1端以及续流管Q1漏极连接，变压器L1原边绕组的2端分别与第三电阻R3的一端、第四电容C4的正极连接，第三电阻R3的另一端分别与开关控制芯片IC1的第5引脚、第四电阻R4的一端连接；第四电阻R4的另一端分别与第四电容C4的负极、续流管Q1的源极连接后接原边地，续流管Q1的栅极与Buck同步整流控制电路的输出端连接。

3.根据权利要求1所述的同步整流Buck-Flyback变换器，其特征在于：Flyback变换器由第三二极管D3，第六电容C6，变压器L1第一副边绕组依次串接组成，其中第三二极管D3的阳极与变压器L1第一副边绕组的4端连接，第三二极管D3的阴极与第六电容C6的正极相连，变压器L1第一副边绕组的3端与第六电容C6的负极相连接后接副边地。

4.根据权利要求1所述的同步整流Buck-Flyback变换器，其特征在于：Buck同步整流控制电路由第一二极管D1、第二二极管D2，第五电容C5，第五电阻R5，PNP管Q2，变压器L1第二副边绕组组成，其中第一二极管D1的阴极分别与同步Buck控制电路的输出端即Q1的栅极、PNP管Q2的发射极连接，第一二极管D1的阳极分别与第五电容C5的一端、第五电阻R5的一端以及第二二极管D2的阴极连接，第五电阻R5的另一端分别与第五电容C5的另一端、PNP管Q2的基极连接，第二二极管D2的阳极与变压器L1第二副边绕组的6端连接，变压器L1第二副边绕组的5端与PNP管Q2的集电极连接后接原边地。

5.根据权利要求1所述的同步整流Buck-Flyback变换器，其特征在于：所述变压器L1原边绕组的1端、第一副边绕组的3端、第二副边绕组的5端为同名端。