CN203827177U - 一种降压式变换电路及电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电力电子功率变换技术领域，提供了一种降压式变换电路及电子设备；降压式变换电路包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、电感、第二电容以及电源；第一开关管的输入端连接第一二极管的阴极，第一开关管的输出端连接第二二极管的阴极和电感的第一端；第一二极管的阳极连接电源的正极，第二二极管的阳极连接第二开关管的输出端，电感的第二端连接第二电容的第一端，第二开关管的输入端连接第二电容的第二端和电源的负极。本实用新型利用二极管的单向导电性保护系统的直流供电电源，提高了系统的硬件自我保护性能，很大程度上增加了系统的安全性和可靠性。

Description

一种降压式变换电路及电子设备

技术领域

本实用新型属于电力电子功率变换技术领域，尤其涉及一种降压式变换电路及电子设备。

背景技术

在各种电子设备中，普遍采用降压式变换电路(BUCK电路)，现有技术中的BUCK电路如图1所示的传统的BUCK变换电路和图2所示的带同步整流的BUCK变换电路，而以上两种拓扑结构都存在着一些缺点：首先，都没有直流电源的反接保护功能；其次，带同步整流的BUCK变换电路没有硬件防开关管直通电路；再次，两种拓扑结构都存在由于开关器件的作用使输出端电压的变化导致输入端的电压也跟着变化，最终会影响跟踪的电压精度；最后，存在两种BUCK变换电路不能共用在一个电路中的缺陷。综上所述，现有技术中存在无法对直流电源进行保护、传统的两种BUCK变换电路不能共用在一个电路中以及跟踪电压精度低的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种降压式变换电路，旨在解决现有技术所存在的无法对直流电源进行保护、传统的两种BUCK变换电路不能共用在一个电路中以及跟踪电压精度低的问题。

本实用新型是这样实现的，一种降压式变换电路，其包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、电感、第二电容以及电源；

所述第一开关管的输入端连接所述第一二极管的阴极，所述第一开关管的输出端连接所述第二二极管的阴极和所述电感的第一端，所述第一开关管的控制端接入第一脉宽调制信号；

所述第一二极管的阳极连接所述电源的正极，所述第二二极管的阳极连接所述第二开关管的输出端，所述电感的第二端连接所述第二电容的第一端，所述第二开关管的输入端连接所述第二电容的第二端和所述电源的负极，所述第二开关管的控制端接入控制电平或者第二脉宽调制信号；

当所述第一开关管和所述第二开关管分别接入所述第一脉宽调制信号和所述控制电平时，所述第二开关管根据所述控制电平处于持续导通状态，所述第一开关管根据所述第一脉宽调制信号对所述电源的输出电压进行降压变换处理；

当所述第一开关管和所述第二开关管分别接入所述第一脉宽调制信号和所述第二脉宽调制信号时，所述第一开关管和所述第二开关管分别根据所述第一脉宽调制信号和所述第二脉宽调制信号对所述电源的输出电压进行同步整流降压变换处理。

所述降压式变换电路还包括第一电容，所述第一电容的第一端连接所述第一二极管的阴极，所述第一电容的第二端连接所述电源的负极。

所述第一开关管为场效应管、三极管或IGBT，所述第二开关管为场效应管、三极管或IGBT。

所述第一开关管为第一场效应管，所述第一场效应管的漏极、源极以及栅极分别为所述第一开关管的输入端、输出端以及控制端；

所述第二开关管为第二场效应管，所述第二场效应管的漏极、源极以及栅极分别为所述第一开关管的输出端、输入端以及控制端。

所述第一开关管为第一三极管，所述第一三极管的集电极、发射极以及基极分别为所述第一开关管的输入端、输出端以及控制端；

所述第二开关管为第二三极管，所述第二三极管的集电极、发射极以及基极分别为所述第二开关管的输出端、输入端以及控制端。

所述第一开关管为第一IGBT，所述第一IGBT的集电极、发射极以及栅极分别为所述第一开关管的输入端、输出端以及控制端；

所述第二开关管为第二IGBT，所述第二IGBT的集电极、发射极以及栅极分别为所述第二开关管的输出端、输入端以及控制端。

本实用新型的另一目的还在于提供一种电子设备，所述电子设备包括上述的降压式变换电路。

本实用新型提供的降压式变换电路在电路中增加了第一二极管、第二二极管和第二开关管，利用二极管的单向导电性保护系统的直流供电电源，提高了系统的硬件自我保护性能，很大程度上增加了系统的安全性和可靠性，同时通过第二二极管和第二开关管配合在一个电路中实现了传统BUCK电路和同步整流BUCK电路两种工作模式，使系统的通用性得到很大的提高，解决了现有技术所存在的无法对直流电源进行保护、传统的两种BUCK变换电路不能共用在一个电路中以及跟踪电压精度低的问题。

附图说明

图1是现有技术中传统BUCK电路的电路图；

图2是现有技术中同步整流BUCK电路的电路图；

图3是本实用新型实施例提供的降压式变换电路的示意图；

图4是本实用新型实施例提供的降压式变换电路的电路图；

图5是本实用新型实施例提供的降压式变换电路的第一种工作模式的等效电路图；

图6是本实用新型实施例提供的降压式变换电路的第一种工作模式的第一个工作状态示意图；

图7是本实用新型实施例提供的降压式变换电路的第一种工作模式的第二个工作状态示意图；

图8是本实用新型实施例提供的降压式变换电路的第二种工作模式的第一个工作状态示意图；

图9是本实用新型实施例提供的降压式变换电路的第一种工作模式的第二个工作状态示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例提供一种降压式变换电路，请参阅图3，其包括第一开关管101、第二开关管102、第一二极管D1、第二二极管D2、电感L1、第二电容C2以及电源VDC。

第一开关管101的输入端连接第一二极管D1的阴极，第一开关管101的输出端连接第二二极管D2的阴极和电感L1的第一端，第一开关管101的控制端接入第一脉宽调制信号PWM1；

第一二极管D1的阳极连接电源VDC的正极，第二二极管D2的阳极连接第二开关管102的输出端，电感L1的第二端连接第二电容C2的第一端，第二开关管102的输入端连接第二电容C2的第二端和电源VDC的负极，第二开关管102的控制端接入控制电平S1或者第二脉宽调制信号PWM2。

当第一开关管101和第二开关管102分别接入第一脉宽调制信号PWM1和控制电平S1时，第二开关管102根据控制电平S1处于持续导通状态，第一开关管101根据第一脉宽调制信号PWM1对电源VDC的输出电压进行降压变换处理；

当第一开关管101和第二开关管102分别接入第一脉宽调制信号PWM1和第二脉宽调制信号PWM2时，第一开关管101和第二开关管102分别根据第一脉宽调制信号PWM1和第二脉宽调制信号PWM2对电源VDC的输出电压进行同步整流降压变换处理。

第二电容C2的两端并联负载R1并与储能电感L1共同构成输出LC滤波电路。

优选的，降压式变换电路还包括第一电容C1，第一电容C1的第一端连接第一二极管D1的阴极，第一电容C1的第二端连接电源VDC的负极。

具体的，请参阅图4，第一开关管101和第二开关管102具体可为场效应管、三极管或IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。

第一开关管101和第二开关管102的第一种实施方式均为三极管，其中，第一开关管101为第一三极管，第一三极管的集电极、发射极以及基极分别为第一开关管101的输入端、输出端以及控制端；

第二开关管102为第二三极管，第二三极管的集电极、发射极以及基极分别为第二开关管102的输出端、输入端以及控制端。

第一开关管101和第二开关管102的第二种实施方式均为IGBT，其中，第一开关管101为第一IGBT，第一IGBT的集电极、发射极以及栅极分别为所述第一开关管101的输入端、输出端以及控制端；

第二开关管102为第二IGBT，第二IGBT的集电极、发射极以及栅极分别为第二开关管102的输出端、输入端以及控制端。

第一开关管101和第二开关管102的第三种实施方式均为场效应管，其中，第一开关管101为第一场效应管Q1，第一场效应管Q1的漏极、源极以及栅极分别为第一开关管101的输入端、输出端以及控制端；

第二开关管102为第二场效应管Q2，所述第二场效应管Q2的漏极、源极以及栅极分别第二开关管102的输出端、输入端以及控制端。

其中，第一场效应管Q1为主控开关管，其作用是斩波控制输入电压得到所需的输出电压。

第二场效应管Q2是辅助开关管，其作用是控制降压式变换电路的工作模式，第一场效应管Q1的栅极和第二场效应管Q2的栅极用于接入控制信号，当第二场效应管Q2根据所接收的控制电平S1持续导通时，降压式变换电路可实现传统的BUCK变换，当第一场效应管Q1的栅极和第二场效应管Q2的栅极输入一对互补的第一脉宽调制信号PWM1和第二脉宽调制信号PWM2进行控制时，降压式变换电路工作于同步整流BUCK变换，即实现了对电源VDC的输出电压进行同步整流变换。

其中，第一脉宽调制信号PWM1、控制电平S1以及第二脉宽调制信号PWM2为由控制器发出的控制信号，控制电平S1为使第二场效应管Q2持续导通的高电平，第一脉宽调制信号PWM1和第二脉宽调制信号PWM2为一对互补的脉宽调制信号。

控制器可以为微控制器、单片机、DSP或者特定用途集成电路等现有控制芯片。

第一二极管D1用于利用自身的单向导电性为直流电源提供一种反接保护功能。

第二二极管D2当降压式变换电路工作于传统BUCK变换时(第二二极管Q2一直导通)，其主要作用是续流，当工作于同步整流BUCK变换时(第一二极管Q1与第二二极管Q2接入一对互补的PWM波控制信号)，其主要作用是防止第一二极管Q1和第二二极管Q2直通而造成直流电源的短路，同时构成续流通路。

电感L1是储能电感，主要作用是储存输入能量，并且电感L1和第二C2构成输出滤波电路，主要作用是使输出得到平滑的电压和电流波形。

第一电容器C1的作用是使输入端电压保持稳定，使输出电压的精度得到提高。

下面具体介绍本实用新型降压式变换电路的如下2种工作模式：

第一种工作模式中所述降压式变换电路相当于改进了的传统BUCK变换模式，此时第二场效应管Q2的工作状态是一直导通，第二二极管D2的阳极与直流电源的负极之间相当于通路，即第二场效应管Q2相当于短路，所述降压式变换电路的等效电路可参阅图5。

此时所述降压式变换电路工作过程具体可分为两个状态，第一个工作状态是对电感L1的充电状态，请参阅图6，该工作状态中第一场效应管Q1导通，第一二极管D1处于正向偏置导通状态，第二二极管D2处于反向偏置截止状态，电流从直流电源的正极经导通的第一二极管D1和导通的第一场效应管Q1流经电感L1，流向直流电源的负极并形成充电回路。

第二个工作状态是电感L1的放电状态，请参阅图7，该工作状态中第一场效应管Q1截止，第一二极管D1处于反向偏置截止状态，第二二极管D2处于正向偏置导通状态，由楞次定律可知电感中的电流将阻碍负载电流的变化，此时电感L1相当于一个能量释放源，电流从其右端流出，流经负载R1和导通的第二二极管D2，最后流进电感L1并形成放电回路。

第二种工作模式中所述降压式变换电路相当于同步整流BUCK变换模式，此时第一场效应管Q1与第二场效应管Q2通过一对互补的PWM波控制，使所述降压式变换电路工作于改进了的同步BUCK变换模式。

此时所述降压式变换电路的工作过程具体可分为两个状态，第一个工作状态是电感L1的充电状态，请参阅图8，该工作状态中第一场效应管Q1导通，第二场效应管Q2截止，第一二极管D1处于正向偏置导通状态，第二二极管D2的阳极与直流电源的负极之间由于第二场效应管Q2的截止而处于开路状态，第二二极管D2处于反向偏置截止状态，电流从直流电源的正极经导通的第一二极管D1和导通的第一场效应管Q1流经电感L1流向直流电源的负极并形成充电回路。

第二个工作状态是电感L1的放电状态，请参阅图9，该工作状态中第一场效应管Q1截止，第二场效应管导通，第一二极管D1处于反向偏置截止状态，第二二极管D2处于正向偏置导通状态，由楞次定律可知电感中的电流将阻碍负载电流的变化，此时电感L1相当于一个能量释放源，电流从其右端流出，流经负载R1和导通的第二二极管D2，最后流进电感L1的左端并形成放电回路。

本实用新型降压式变换电路与现有技术相比，增加了一个第一二极管D1，第一二极管D1的作用是提供直流电源一种反接保护功能，如果没有第一二极管D1，降压式变换电路就没有一种对直流电源进行反接保护的功能，当发生故障或操作失误时很有可能导致直流电源发生短路，严重时会烧坏直流电源以及相关的器件，造成不必要的损失。在电路中加入第一二极管D1，在没有增加太多成本的基础上，利用二极管的单向导电性保护系统的直流供电电源，提高了产品的硬件自我保护性能，很大程度上增加了产品的安全性和可靠性。

本实用新型另一个新增组成部件为第一电容C1，如果没有第一电容C1，当开关器件工作时会使输出端电压变化导致输入端的电压也跟着变化，最终影响了输出电压的精度。在电路中加入第一电容C1，在没有增加太多成本的基础上，利用第一电容C1的两端电压不能突变的原理，保持输入端电压的稳定，从而提高了输出端输出电压的精度。

本实用新型另一个改进点是将第二场效应管Q2和第二二极管D2连接在一起形成一个支路，当第二场效应管Q2一直导通时降压式变换电路工作于传统BUCK变换模式，此时第二二极管D2的作用是自然续流；当第二场效应管Q2和第一开关Q1配合工作时降压式变换电路工作于同步整流BUCK变换模式，此时第二二极管D2的作用是防止第一场效应管Q1和第二场效应管Q2直通而造成直流电源的短路，并且与第二场效应管Q2一起构成续流通路，提高了系统的硬件自我保护性能，很大程度上增加了系统的安全性和可靠性，所以通过控制第二场效应管Q2的工作状态能使同一个电路能工作两种BUCK变换模式，使系统的通用性得到很大的提高。

本实用新型另一实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括上述的降压式变换电路。

本实用新型提供的降压式变换电路在电路中增加了第一二极管、第二二极管和第二开关管，利用二极管的单向导电性保护系统的直流供电电源，提高了系统的硬件自我保护性能，很大程度上增加了系统的安全性和可靠性，同时通过第二二极管和第二开关管配合在一个电路中实现了传统BUCK电路和同步整流BUCK电路两种工作模式，使系统的通用性得到很大的提高，解决了现有技术所存在的无法对直流电源反接进行保护、传统的两种BUCK变换电路不能共用在一个电路中以及跟踪电压精度低的问题。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种降压式变换电路，其特征在于，包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、电感、第二电容以及电源；

所述第一开关管的输入端连接所述第一二极管的阴极，所述第一开关管的输出端连接所述第二二极管的阴极和所述电感的第一端，所述第一开关管的控制端接入第一脉宽调制信号；

所述第一二极管的阳极连接所述电源的正极，所述第二二极管的阳极连接所述第二开关管的输出端，所述电感的第二端连接所述第二电容的第一端，所述第二开关管的输入端连接所述第二电容的第二端和所述电源的负极，所述第二开关管的控制端接入控制电平或者第二脉宽调制信号；

当所述第一开关管和所述第二开关管分别接入所述第一脉宽调制信号和所述控制电平时，所述第二开关管根据所述控制电平处于持续导通状态，所述第一开关管根据所述第一脉宽调制信号对所述电源的输出电压进行降压变换处理；

当所述第一开关管和所述第二开关管分别接入所述第一脉宽调制信号和所述第二脉宽调制信号时，所述第一开关管和所述第二开关管分别根据所述第一脉宽调制信号和所述第二脉宽调制信号对所述电源的输出电压进行同步整流降压变换处理。

2.如权利要求1所述的降压式变换电路，其特征在于，还包括第一电容，所述第一电容的第一端连接所述第一二极管的阴极，所述第一电容的第二端连接所述电源的负极。

3.如权利要求2所述的降压式变换电路，其特征在于，所述第一开关管和所述第二开关管为场效应管、三极管或IGBT。

4.如权利要求3所述的降压式变换电路，其特征在于：

所述第一开关管为第一场效应管，所述第一场效应管的漏极、源极以及栅极分别为所述第一开关管的输入端、输出端以及控制端；

所述第二开关管为第二场效应管，所述第二场效应管的漏极、源极以及栅极分别为所述第二开关管的输出端、输入端以及控制端。

5.如权利要求3所述的降压式变换电路，其特征在于：

所述第一开关管为第一三极管，所述第一三极管的集电极、发射极以及基极分别为所述第一开关管的输入端、输出端以及控制端；

所述第二开关管为第二三极管，所述第二三极管的集电极、发射极以及基极分别为所述第二开关管的输出端、输入端以及控制端。

6.如权利要求3所述的降压式变换电路，其特征在于：

所述第一开关管为第一IGBT，所述第一IGBT的集电极、发射极以及栅极分别为所述第一开关管的输入端、输出端以及控制端；

所述第二开关管为第二IGBT，所述第二IGBT的集电极、发射极以及栅极分别为所述第二开关管的输出端、输入端以及控制端。

7.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1至6中任意一项所述的降压式变换电路。