CN204290718U - 一种Buck变换器及其反流控制电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于开关电源技术领域,提供了一种Buck变换器及其反流控制电路。该反流控制电路是在输出功率电感L1与负载的正极之间连接一饱和电感L2,利用输出功率电感L1的最大电流值小于饱和电感L2的饱和电流值时、在饱和电感L2两端出现的交变电压,驱动通断控制电路动作,以强制关断同步开关管Q2,从而避免了反流现象的发生,可有效解决预偏置情况下软启动反流问题,提高电路运行稳定性和器件使用寿命,并可有效解决空载及轻载条件下的能量双向流动问题,从而提高了转换效率。
Description
技术领域
本实用新型属于开关电源技术领域,尤其涉及一种Buck变换器及其反流控制电路。
背景技术
目前,在开关电源领域,普遍采用同步整流(Synchronous Rectification,SR)技术,但采用了SR技术的开关电源的各类拓扑电路中,往往存在能量双向流动的问题。
以采用SR技术的降压型(Buck)变换器为例,如图1所示。典型的Buck变换器包括主开关管Q1、同步开关管Q2、输出功率电感L1、滤波电容C1、以及控制电路。控制电路用以驱动主开关管Q1和同步开关管Q2以互补形式交替导通。在该Buck变换器中,若输出功率电感L1在同步开关管Q2开通阶段的伏秒积大于其在主开关管Q1开通阶段的伏秒积时,电流将会由输出端流向输入端,出现电流反向流动的现象。
这种电流反向流动的现象在实际应用时可能造成一些问题,特别是当Buck变换器在预偏置情况下软启动时,即Buck变换器在输出端已经存在一定电压的情况下启动,且主开关管Q1的驱动信号占空比由0%逐渐增大、而同步开关管Q1的驱动信号占空比由100%逐渐减小时,假设在启动前输出功率电感L1中的电流为IL,由于是软启动,启动后主开关管Q1的驱动信号占空比很小,主开关管Q1的导通时间很短,电流IL逐渐上升一个较小的值。之后,主开关管Q1关断而同步开关管Q2导通,受到输出端预偏置电压的作用,输出功率电感L1中储存的能量经过同步开关管Q2释放,使得电流IL下降。由于电流IL值较小,在将为零后,同步开关管Q2持续导通,使得电流IL变为负值,即出现电流反向,如图2示出了Buck变换器在预偏置且采用软启动技术时,主开关管Q1的驱动信号Vgs1、同步开关管Q2的驱动信号Vgs2、以及输出功率电感的电流IL之间的波形关系图。若反向电流太大,则可能造成器件应力过大而导致失效。
另外,采用SR技术的Buck变换器在正常工作时处于连续电流模式(Continuous Current Mode,CCM),当负载降低而出现空载或轻载时,在每个开关周期,主开关管Q1导通时,输入端向负载输出的能量大于负载实际所需的能量,因此,通过同步开关管Q2的导通,使得输出电压对输出功率电感L1反向激磁,将多余的能量储存在电感中,以保证输出电压平衡在设定值,如图3示出了Buck变换器在空载条件下,主开关管Q1的驱动信号Vgs1、同步开关管Q2的驱动信号Vgs2、以及输出功率电感的电流IL之间的波形关系图。虽然这部分多余的能量并未消耗在负载上,但由于能量在双向传递过程中会带来额外的铜损,从而使得空载和轻载条件下的转换效率降低,同时,由于主开关管Q1和同步开关管Q2在每个开关周期均工作,开关功耗大,进一步降低了系统效率。特别是在采用SR技术的隔离型直流-直流变换器中,如果产生负向电流的能量不能通过变压器有效馈回到原边母线,那么这个能量将会在同步开关管Q2的漏极-源极上形成电压应力,严重时会使器件造成过电压应力击穿。
综上所述,现有的Buck变换器中,由于同步开关管Q2在主开关管Q1关断期间,在输出功率电感L1中的电流降为零后持续导通,而出现电流反向流动的现象,使得系统效率降低,且容易造成器件失效。
实用新型内容
本实用新型实施例的目的在于提供一种Buck变换器的反流控制电路,旨在解决现有的Buck变换器中,由于同步开关管Q2在主开关管Q1关断期间,在输出功率电感L1中的电流降为零后持续导通,而出现电流反向流动的现象,使得系统效率降低,且容易造成器件失效的问题。
本实用新型实施例是这样实现的,一种Buck变换器的反流控制电路,所述Buck变换器包括主开关管Q1、同步开关管Q2、输出功率电感L1、滤波电容C1,所述输出功率电感L1的第一端连接所述主开关管Q1,所述滤波电容C1的第一端作为所述Buck变换器的正输出端,所述反流控制电路包括:
饱和电感L2,所述饱和电感L2的第一端连接所述输出功率电感L1的第二端,所述饱和电感L2的第二端连接所述滤波电容C1的第一端;
检测所述饱和电感L2两端的交变电压,当所述输出功率电感L1的最大电流值小于所述饱和电感L2的饱和电流值而在所述饱和电感L2两端出现交变电压时,向所述同步开关管Q2输出驱动信号,以强制关断所述同步开关管Q2的通断控制电路。
本实用新型实施例的另一目的在于提供一种Buck变换器,包括主开关管Q1、同步开关管Q2、输出功率电感L1、滤波电容C1,所述输出功率电感L1的第一端连接所述主开关管Q1,所述滤波电容C1的第一端作为所述Buck变换器的正输出端,所述Buck变换器还包括一Buck变换器的反流控制电路,所述反流控制电路是如上所述的Buck变换器的反流控制电路。
本实用新型实施例提供的Buck变换器及其反流控制电路是在输出功率电感L1与负载的正极之间连接一饱和电感L2,利用输出功率电感L1的最大电流值小于饱和电感L2的饱和电流值时、在饱和电感L2两端出现的交变电压,驱动通断控制电路动作,以强制关断同步开关管Q2,从而避免了反流现象的发生,可有效解决预偏置情况下软启动反流问题,提高电路运行稳定性和器件使用寿命,并可有效解决空载及轻载条件下的能量双向流动问题,从而提高了转换效率。
附图说明
图1是现有技术提供的Buck变换器的典型电路图;
图2是现有技术中,Buck变换器在预偏置且采用软启动技术时,主开关管的驱动信号、同步开关管的驱动信号、以及输出功率电感的电流之间的波形关系图;
图3是现有技术中,Buck变换器在空载条件下,主开关管的驱动信号、同步开关管的驱动信号、以及输出功率电感的电流之间的波形关系图;
图4是本实用新型实施例提供的Buck变换器的反流控制电路的电路原理图;
图5是图4的一种详细电路图;
图6是图4的另一种详细电路图;
图7是图4的再一种详细电路图;
图8是本实用新型实施例中,Buck变换器在CCM模式下输出功率电感的电流波形图。
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出的Buck变换器的反流控制电路是在输出功率电感L1与负载的正极之间连接一饱和电感,利用输出功率电感L1的最大电流值小于饱和电感的饱和电流值时、在饱和电感两端出现的交变电压,驱动通断控制电路动作,以强制关断同步开关管Q2。
图4是本实用新型实施例提供的Buck变换器的反流控制电路的电路原理,为了便于说明,仅示出了与本实用新型实施例相关的部分。
其中,Buck变换器的电路包括:主开关管Q1、同步开关管Q2、输出功率电感L1、滤波电容C1、以及控制电路,主开关管Q1和同步开关管Q2均为N型的MOS管。主开关管Q1的漏极连接电源Vg的正极,主开关管Q1的源极连接输出功率电感L1的第一端和同步开关管Q2的漏极,主开关管Q1的栅极连接控制电路的第一驱动端;同步开关管Q2的源极连接电源Vg的负极,同步开关管Q2的栅极连接控制电路的第二驱动端;滤波电容C1的第一端作为Buck变换器的正输出端而连接负载的正输入端,滤波电容C1的第二端作为Buck变换器的负输出端而连接负载的负输入端和电源Vg的负极。
则,本实用新型实施例提供的Buck变换器的反流控制电路包括:饱和电感L2和通断控制电路11。其中,饱和电感L2的第一端连接输出功率电感L1的第二端,饱和电感L2的第二端连接滤波电容C1的第一端;通断控制电路11,用于检测饱和电感L2两端的交变电压,当输出功率电感L1的最大电流值小于饱和电感L2的饱和电流值而在饱和电感L2两端出现交变电压时,向同步开关管Q2输出驱动信号,以强制关断同步开关管Q2。而当输出功率电感L1的最小电流值大于饱和电感L2的饱和电流值时,通断控制电路11不动作,同步开关管Q2正常工作。
在一种情况下,如图5所示,通断控制电路11可包括:第一电阻R1、第二电阻R2、第一开关管Q3、第二开关管Q4、第一二极管D1、第一电容C2。第一开关管Q3的高端作为通断控制电路11的第二端而连接饱和电感L2的第二端,第一开关管Q3的驱动端连接第一二极管D1的阳极,第一二极管D1的阴极连接第一电阻R1的第一端,第一电阻R1的第二端作为通断控制电路11的第一端而连接饱和电感L2的第一端,第一开关管Q3的低端连接第二开关管Q4的驱动端、第一电容C2的第一端以及第二电阻R2的第一端;第二开关管Q4的高端作为通断控制电路11的第三端而连接同步开关管Q2的栅极,第二开关管Q4的低端、第一电容C2的第二端以及第二电阻R2的第二端共同作为通断控制电路11的第四端而连接滤波电容C1的第二端。
如图5所示的电路在进行工作时,在同步开关管Q2的导通时间内,若输出功率电感L1的最大电流值小于饱和电感L2的饱和电流值,则在饱和电感L2两端出现相应大小的交变电压,该交变电压使得第一开关管Q3和第二开关管Q4饱和导通,继而强制关断同步开关管Q2。若输出功率电感L1的最小电流值大于饱和电感L2的饱和电流值,则饱和电感L2的电感系数为零,饱和电感L2两端不会出现交变电压,第一开关管Q3和第二开关管Q4均截止,同步开关管Q2正常工作。
进一步地,第一开关管Q3可以为PNP型的三极管,第一开关管Q3的发射极作为第一开关管Q3的高端,第一开关管Q3的集电极作为第一开关管Q3的低端,第一开关管Q3的基极作为第一开关管Q3的驱动端。第二开关管Q4可以为N型的MOS管,第二开关管Q4的漏极作为第二开关管Q4的高端,第二开关管Q4的源极作为第二开关管Q4的低端,第二开关管Q4的栅极作为第二开关管Q4的驱动端。
在另一种情况下,如图6所示,通断控制电路11可包括:第三电阻R3、第四电阻R4、第三开关管Q5、第四开关管Q6、第二二极管D2、第二电容C3。第三开关管Q5的高端作为通断控制电路11的第一端而连接饱和电感L2的第一端,第三开关管Q5的驱动端连接第二二极管D2的阳极,第二二极管D2的阴极连接第三电阻R3的第一端,第三电阻R3的第二端作为通断控制电路11的第二端而连接饱和电感L2的第二端,第三开关管Q5的低端连接第四开关管Q6的驱动端、第二电容C3的第一端以及第四电阻R4的第一端;第四开关管Q6的高端作为通断控制电路11的第三端而连接同步开关管Q2的栅极,第四开关管Q6的低端、第二电容C3的第二端以及第四电阻R4的第二端共同作为通断控制电路11的第四端而连接滤波电容C1的第二端。该电路的工作原理与图5所示相似,不赘述。
进一步地,第三开关管Q5可以为PNP型的三极管,第三开关管Q5的发射极作为第三开关管Q5的高端,第三开关管Q5的集电极作为第三开关管Q5的低端,第三开关管Q5的基极作为第三开关管Q5的驱动端。第四开关管Q6可以为N型的MOS管,第四开关管Q6的漏极作为第四开关管Q6的高端,第四开关管Q6的源极作为第四开关管Q6的低端,第四开关管Q6的栅极作为第四开关管6的驱动端。
在再一种情况下,如图7所示,通断控制电路11可包括:第五电阻R5、第六电阻R6、第五开关管Q7、第六开关管Q8、由第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6构成的整流桥电路、第三电容C4、与饱和电感L2耦合的线圈L3。第五开关管Q7的高端作为通断控制电路11的第二端而连接饱和电感L2的第二端,第五开关管Q7的驱动端连接第五电阻R5的第一端,第五电阻R5的第二端连接整流桥电路的负输出端,整流桥电路的正输出端连接饱和电感L2的第二端,整流桥电路的两个交流输入端分别对应连接线圈L3的两端,第五开关管Q7的低端连接第六开关管Q8的驱动端、第三电容C4的第一端以及第六电阻R6的第一端;第六开关管Q8的高端作为通断控制电路11的第三端而连接同步开关管Q2的栅极,第六开关管Q8的低端、第三电容C4的第二端以及第六电阻R6的第二端共同作为通断控制电路11的第四端而连接滤波电容C1的第二端。该电路的工作原理与图5所示相似,不赘述。
进一步地,第五开关管Q7可以为PNP型的三极管,第五开关管Q7的发射极作为第五开关管Q7的高端,第五开关管Q7的集电极作为第五开关管Q7的低端,第五开关管Q7的基极作为第五开关管Q7的驱动端。第六开关管Q8可以为N型的MOS管,第六开关管Q8的漏极作为第六开关管Q8的高端,第六开关管Q8的源极作为第六开关管Q8的低端,第六开关管Q8的栅极作为第四开关管6的驱动端。
为了使得前述电路的工作原理更加明晰,以下将对同步开关管Q2的导通和强制关断条件进行详细分析:
本实用新型实施例中,输出功率电感L1的最大电流值可表示为:
ILmax=Io_OFF+ΔIL/2(1)
输出功率电感L1的最小电流值可表示为:
ILmin=Io_ON-ΔIL/2(2)
其中,ILmax为输出功率电感L1的最大电流值,ILmin为输出功率电感L1的最小电流值,Io_OFF为保证同步开关管Q2强行关断的输出负载电流,Io_ON为保证同步开关管Q2正常工作的输出负载电流,ΔIL为电感电流中的交变分量,如图6示出了CCM模式下输出功率电感L1的电流波形图,该波形图中的实线部分波形表示输出功率电感L1的最大电流值小于饱和电感L2的饱和电流值的情形,该波形图中的虚线部分波形表示输出功率电感L1的最小电流值大于饱和电感L2的饱和电流值的情形,且有:
其中,Vo为Buck变换器的输出电压,Vg为电源Vg的电压,fsw为开关频率,Isat为饱和电感L2的饱和电流值,Lchoke为输出功率电感L1的电感值,Lsat为饱和电感L2的电感值,L满足L=Lchoke+Lsat。
另外,由于本实用新型实施例中,通断控制电路11是利用同步开光管Q2导通时,饱和电感L2两端的交变电压VB_A来触发动作的,通过如下两式可确定在主开关管Q1导通时饱和电感L2两端的电压VA_B、以及在同步开关管Q2导通时饱和电感L2两端的电压VB_A:
以下将对饱和电感L2的磁芯选择和线性化分析方法进行详细说明:
由于饱和电感L2的实际磁芯材料的B-H关系高度非线性,并具有迟滞和饱和特性,为简化分析,有必要对其进行线性化处理,以求取饱和电流值Isat和饱和电感L2的电感值Lsat。以型号为TDK HS72UU10.5的铁氧体磁芯为例,首先利用PSIM仿真工具生成其B-H曲线,之后对该B-H进行线性化处理后,得到磁通密度Bm的分段函数,表示为:
其中,H为磁场强度,Bsat为饱和磁密,μ为磁导率。之后由安培环路定律推导出磁芯开始饱和时的饱和电流值Isat,表示为:
其中,lm为磁路长度,N为线圈匝数。一般地,为便于饱和电感L2的生产制作和减小其传导损耗,建议取值N=1。另外,饱和电感L2的电感值Lsat可由下式得出:
Lsat=AL*N2 (10)
本实用新型实施例还提供了一种Buck变换器,包括:主开关管Q1、同步开关管Q2、输出功率电感L1、滤波电容C1、控制电路、以及如上所述的Buck变换器的反流控制电路,不赘述。
综上所述,本实用新型实施例提供的Buck变换器及其反流控制电路是在输出功率电感L1与负载的正极之间连接一饱和电感L2,利用输出功率电感L1的最大电流值小于饱和电感L2的饱和电流值时、在饱和电感L2两端出现的交变电压,驱动通断控制电路11动作,以强制关断同步开关管Q2,从而避免了反流现象的发生,可有效解决预偏置情况下软启动反流问题,提高电路运行稳定性和器件使用寿命,并可有效解决空载及轻载条件下的能量双向流动问题,从而提高了转换效率。
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 (10)
1.一种Buck变换器的反流控制电路,所述Buck变换器包括主开关管Q1、同步开关管Q2、输出功率电感L1、滤波电容C1,所述输出功率电感L1的第一端连接所述主开关管Q1,所述滤波电容C1的第一端作为所述Buck变换器的正输出端,其特征在于,所述反流控制电路包括:
饱和电感L2,所述饱和电感L2的第一端连接所述输出功率电感L1的第二端,所述饱和电感L2的第二端连接所述滤波电容C1的第一端;
检测所述饱和电感L2两端的交变电压,当所述输出功率电感L1的最大电流值小于所述饱和电感L2的饱和电流值而在所述饱和电感L2两端出现交变电压时,向所述同步开关管Q2输出驱动信号,以强制关断所述同步开关管Q2的通断控制电路。
2.如权利要求1所述的Buck变换器的反流控制电路,其特征在于,所述通断控制电路包括:第一电阻R1、第二电阻R2、第一开关管Q3、第二开关管Q4、第一二极管D1、第一电容C2;
所述第一开关管Q3的高端连接所述饱和电感L2的第二端,所述第一开关管Q3的驱动端连接所述第一二极管D1的阳极,所述第一二极管D1的阴极连接所述第一电阻R1的第一端,所述第一电阻R1的第二端连接所述饱和电感L2的第一端,所述第一开关管Q3的低端连接所述第二开关管Q4的驱动端、所述第一电容C2的第一端以及所述第二电阻R2的第一端,所述第二开关管Q4的高端连接所述同步开关管Q2,所述第二开关管Q4的低端、所述第一电容C2的第二端以及所述第二电阻R2的第二端连接所述滤波电容C1的第二端,所述滤波电容C1的第二端作为所述Buck变换器的负输出端。
3.如权利要求2所述的Buck变换器的反流控制电路,其特征在于,所述第一开关管Q3为PNP型的三极管,所述第一开关管Q3的发射极作为所述第一开关管Q3的高端,所述第一开关管Q3的集电极作为所述第一开关管Q3的低端,所述第一开关管Q3的基极作为所述第一开关管Q3的驱动端;
所述第二开关管Q4为N型的MOS管,所述第二开关管Q4的漏极作为所述第二开关管Q4的高端,所述第二开关管Q4的源极作为所述第二开关管Q4的低端,所述第二开关管Q4的栅极作为所述第二开关管Q4的驱动端。
4.如权利要求1所述的Buck变换器的反流控制电路,其特征在于,所述通断控制电路包括:第三电阻R3、第四电阻R4、第三开关管Q5、第四开关管Q6、第二二极管D2、第二电容C3;
所述第三开关管Q5的高端连接所述饱和电感L2的第一端,所述第三开关管Q5的驱动端连接所述第二二极管D2的阳极,所述第二二极管D2的阴极连接所述第三电阻R3的第一端,所述第三电阻R3的第二端连接所述饱和电感L2的第二端,所述第三开关管Q5的低端连接所述第四开关管Q6的驱动端、所述第二电容C3的第一端以及所述第四电阻R4的第一端,所述第四开关管Q6的高端连接所述同步开关管Q2的栅极,所述第四开关管Q6的低端、所述第二电容C3的第二端以及所述第四电阻R4的第二端共同连接所述滤波电容C1的第二端,所述滤波电容C1的第二端作为所述Buck变换器的负输出端。
5.如权利要求4所述的Buck变换器的反流控制电路,其特征在于,所述第三开关管Q5为PNP型的三极管,所述第三开关管Q5的发射极作为所述第三开关管Q5的高端,所述第三开关管Q5的集电极作为所述第三开关管Q5的低端,所述第三开关管Q5的基极作为所述第三开关管Q5的驱动端;
所述第四开关管Q6为N型的MOS管,所述第四开关管Q6的漏极作为所述第四开关管Q6的高端,所述第四开关管Q6的源极作为所述第四开关管Q6的低端,所述第四开关管Q6的栅极作为所述第四开关管Q6的驱动端。
6.如权利要求1所述的Buck变换器的反流控制电路,其特征在于,所述通断控制电路包括:第五电阻R5、第六电阻R6、第五开关管Q7、第六开关管Q8、由第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6构成的整流桥电路、第三电容C4、与所述饱和电感L2耦合的线圈L3;
所述第五开关管Q7的高端连接所述饱和电感L2的第二端,所述第五开关 管Q7的驱动端连接所述第五电阻R5的第一端,所述第五电阻R5的第二端连接所述整流桥电路的负输出端,所述整流桥电路的正输出端连接所述饱和电感L2的第二端,所述整流桥电路的两个交流输入端分别对应连接所述线圈L3的两端,所述第五开关管Q7的低端连接所述第六开关管Q8的驱动端、所述第三电容C4的第一端以及所述第六电阻R6的第一端,所述第六开关管Q8的高端连接所述同步开关管Q2的栅极,所述第六开关管Q8的低端、所述第三电容C4的第二端以及所述第六电阻R6的第二端共同连接所述滤波电容C1的第二端,所述滤波电容C1的第二端作为所述Buck变换器的负输出端。
7.如权利要求1至6任一项所述的Buck变换器的反流控制电路,其特征在于,所述饱和电感L2的磁芯为铁氧体磁芯。
8.一种Buck变换器,包括主开关管Q1、同步开关管Q2、输出功率电感L1、滤波电容C1,所述输出功率电感L1的第一端连接所述主开关管Q1,所述滤波电容C1的第一端作为所述Buck变换器的正输出端,其特征在于,所述Buck变换器还包括一Buck变换器的反流控制电路,所述反流控制电路是如权利要求1至6任一项所述的Buck变换器的反流控制电路。
9.如权利要求8所述的Buck变换器,其特征在于,所述所述主开关管Q1和所述同步开关管Q2均为N型的MOS管,所述Buck变换器还包括控制电路;
所述主开关管Q1的漏极连接电源的正极,所述主开关管Q1的源极连接所述输出功率电感L1的第一端和所述同步开关管Q2的漏极,所述主开关管Q1的栅极连接所述控制电路的第一驱动端,所述同步开关管Q2的源极连接所述电源的负极,所述同步开关管Q2的栅极连接所述控制电路的第二驱动端,所述滤波电容C1的第二端作为所述Buck变换器的负输出端。
10.如权利要求8或9所述的Buck变换器,其特征在于,所述饱和电感L2的磁芯为铁氧体磁芯。
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