CN208424202U - 一种基于Sepic的单管可升降压的正负输出的DC-DC电源结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于电源供电技术领域,为基于Sepic的单管可升降压的正负输出的DC‐DC电源结构,其Sepic变换结构包括输入直流电源、电感L1、电容C4、电感L3、二极管D1、开关管及蓄能滤波电容C2;在电容C4和二极管D1的串联节点插入相串联的二极管D5、D4,D5阳极与D1阳极连接,D4阴极连接到电感L1和电容C4的串联节点;在D5和D4的串联节点接入相串联的滤波电容C1和整流二极管D2;在C1和D2的串联节点接入相串联的二极管D3、电感L2以及蓄能滤波电容C3,D3阴极与C1连接,并从C3两端引出负电压的两个输出端。本实用新型不需要额外增加开关管或者开关控制芯片,电路结构简单,成本低,具有比较强的电流输出能力,而且电流脉动还比较小,正负电压几乎对称。
Description
技术领域
本实用新型涉及电源供电技术领域,具体为一种基于Sepic的单管可升降压的正负输出的DC-DC电源结构。
背景技术
在绝大部分的电子电路当中一般都是使用单电源供电,而且为了能更好的发挥放大电路的精准度,在输出电流不是很大的情况下,一般都需要用到不同电压的正负电源供电系统。目前的解决方案一般都是采用Boost、Buck-Boost,Cuk、Sepic等电路变换结构,其中Boost是正升压变换结构,Sepic是正升降压结构,Cuk、Buck-Boost是负升压结构,而且这些变换结构至少要用到一个或者以上的开关管(或开关控制芯片)、电感L、二极管D、电容C。这样大大增加了体积和成本,尤其是在负电压输出不需要很大电流的情况下。
发明内容
为了解决现有技术所存在的问题,本实用新型提出一种基于Sepic的单管可升降压的正负输出的DC-DC电源结构,不需要额外增加开关管或者开关控制芯片,电路结构简单,成本低,具有比较强的电流输出能力,而且电流脉动还比较小,正负电压几乎对称。
本实用新型采用如下技术方案来实现:一种基于Sepic的单管可升降压的正负输出的DC-DC电源结构,包括Sepic变换结构,所述Sepic变换结构包括输入直流电源、电感L1、电容C4、电感L3、二极管D1、开关管、蓄能滤波电容C2及输出负载RL1,输入直流电源正极经电感L1与开关管的集电极连接,输入直流电源负极与开关管的发射极连接,电容C4和二极管D1串联在开关管的集电极与Sepic变换结构的正输出端之间,电感L3连接在电容C4和二极管D1的串联节点与输入直流电源负极之间,蓄能滤波电容C2并联在输出负载RL1两端;
在电容C4和二极管D1之间的串联节点插入相串联的二极管D5和二极管D4,二极管D5阳极与二极管D1阳极连接,二极管D4阴极连接到电感L1和电容C4之间的串联节点;并在二极管D5和二极管D4之间的串联节点接入相串联的滤波电容C1和整流二极管D2,整流二极管D2阴极接输入直流电源负极;还在滤波电容C1和整流二极管D2之间的串联节点接入相串联的二极管D3、电感L2以及蓄能滤波电容C3,二极管D3阴极与滤波电容C1连接,并从蓄能滤波电容C3的两端引出负电压的两个输出端,其中滤波电容C1、电感L2和蓄能滤波电容C3组成LC滤波电路。
优选地,在所述LC滤波电路中串联阻尼电阻R1。阻尼电阻R1取值范围的计算公式如下:
优选地,所述电感L2的取值均比电感L1、电感L3的取值小。电感L2的取值范围如下:
其中Vn为负电压输出端上负载的电压降,VC3(MAX)-VC3=Vn。
与现有技术相比,本实用新型所提出的基于Sepic的单管可升降压的正负输出的DC-DC电源结构,既能升压也能降压,仅仅在Sepic单管变换结构的基础上增加一个小电感L2、一个电阻R1、四个二极管D2、D3、D4、D5和两个电容C1、C3,就完成了负电源的升压过程。不仅有比较强的电流输出能力,而且电流脉动比较小,正负电压相差不大,几乎对称。最重要的是还节省了一个开关管(或开关控制芯片),且增加的电感L数值相对来说比较小,所以不仅仅节约了成本,还节省了不少的宝贵空间。
附图说明
图1是本实用新型的变换电路结构图;
图2是开关管导通(Ton)和关闭(Toff)的时间关系图;
图3是本实用新型在开关管导通期间的负升压等效电路图;
图4是本实用新型在开关管关闭期间的负升压等效电路图。
具体实施方式
本实用新型的变换电路结构如图1所示,包括典型的Sepic变换结构,所述典型的Sepic变换结构包括输入直流电源Vin、电感L1、电容C4、电感L3、二极管D1、开关管Q1、蓄能滤波电容C2以及输出负载RL1。输入直流电源Vin的正极经电感L1与开关管Q1的集电极连接,输入直流电源Vin的负极与开关管Q1的发射极连接,开关管Q1的基极输入方波信号,电容C4和二极管D1串联在开关管Q1的集电极与Sepic变换结构的正输出端之间,电感L3连接在电容C4和二极管D1的串联节点与输入直流电源Vin的负极之间,蓄能滤波电容C2并联在输出负载RL1两端。
本实用新型在SEPIC变换结构的电容C4和二极管D1之间的串联节点插入相串联的二极管D5和二极管D4,二极管D5和二极管D4首尾相连,二极管D5的阳极与二极管D1的阳极连接,二极管D4阴极连接到电感L1和电容C4之间的串联节点;并在二极管D5和二极管D4之间的串联节点接入相串联的滤波电容C1和整流二极管D2,整流二极管D2的阴极接输入直流电源的负极;还在滤波电容C1和整流二极管D2之间的串联节点再接入相串联的二极管D3、阻尼电阻R1、电感L2以及蓄能滤波电容(也叫输出滤波电容)C3,二极管D3的阴极与滤波电容C1连接,并从蓄能滤波电容C3的两端引出负电压的两个输出端,就形成了负升压输出结构。其中,滤波电容C1、电感L2和蓄能滤波电容C3组成LC滤波电路。
图2是开关管导通(Ton)和关闭(Toff)的时间关系。本实用新型的工作过程,详细叙述如下:
开关管导通(Ton)期间(图2的t0-t1阶段),电容C4、电感L1、二极管D4阴极之间的节点电位等于输入直流电源的负极电位,输入直流电源Vin的电压全部加在电感L1上,输入电源电流流过L1,电流慢慢增加;由于电容C4的电压等于输入直流电压Vin,电容C4的电压Vin也全部加在电感L3上,电容C4通过电感L3放电,L3电流慢慢增加。
在开关管导通期间,二极管D1阳极连接电容C4的负极,C4的负极电位相对于输入直流电源的负极为-Vin,二极管D1反向偏置。二极管D5阻止电容C1向电容C4的负极、输入直流电源负极、输出滤波电容C3、负载RL2、电感L2、阻尼电阻R1及二极管D3形成电流回路。电容C1正常工作的时候,其两端的电压是(+Vo)-VD5,其中VD5是二极管D5的压降,电容C1两端的电压VC1比正输出滤波电容VC2少一个二极管的压降0.6V,VC1=VC2-VD5=VC2-0.6。
在开关管导通期间,当负电压输出|-Vo|=Vc3=Vc1-VD3-VD4时,电容C1不会通过二极管D4、输入直流电源负极、输出滤波电容C3、负载RL2、电感L2、阻尼电阻R1及二极管D3形成电流回路,此时VC3≈VC2-VD3-VD4-VD5,其中VD3、VD4、VD5均是二极管的正向压降,对于肖基特二极管正向压降电压约为0.6V,负电压输出|-Vo|=Vc3=Vc2-1.8达到最大值,负电压输出处于空载状态。当负电压输出|-Vo|=Vc3,Vc3<Vc2-1.8时,电容C1通过二极管D4、输入直流电源负极、输出滤波电容C3、负载RL2、电感L2、阻尼电阻R1及二极管D3形成电流回路,如图3所示。
开关管关闭(Toff)期间(t1-t2阶段),电感L1电流从输入直流电源正极沿着电容C4、二极管D1、输出滤波电容C2、输出负载RL1回到输入直流电源的负极;电感L1电流还从输入电源正极沿着电容C4、二极管D5、滤波电容C1、二极管D2回到输入直流电源的负极;电感L3电流从二极管D1、输出滤波电容C2、输出负载RL1回到输入直流电源的负极;电感L3电流还从二极管D5、滤波电容C1、二极管D2回到输入直流电源的负极。
如果在t0-t1阶段(开关管导通时),电容C1通过二极管D4、输入直流电源负极、输出滤波电容C3、负载RL2、电感L2、阻尼电阻R1、二极管D3形成电流回路,那么在t1-t2阶段(开关管关闭时),电感L2的电流通过阻尼电阻R1、二极管D3、二极管D2、输入直流电源负极、输出电压滤波电容C3以及输出负载RL2进行续流,电流回路如图4所示。如果在t0-t1阶段(开关管导通时),电容C1没有通过二极管D4、输入直流电源负极、输出滤波电容C3、负载RL2、电感L2、阻尼电阻R1、二极管D3形成电流回路,电感L2电流为0;那么在t1-t2阶段(开关管关闭时),电感L2的电流为0,没有续流动作。
二极管D3的作用:如果在t0-t1阶段(开关管导通时),电感L1电流从输入直流电源正极沿着电容C4、二极管D5、滤波电容C1、二极管D2回到输入直流电源的负极,二极管D2的阳极电位比输入直流电源的负极高0.6V左右,如果电感L2没有电流通过阻尼电阻R1、二极管D3、二极管D2、输出滤波电容C3及负载RL2所形成的回路,二极管D3的阴极电位是0.6V,二极管D3阳极电位是-Vo,二极管D3反偏,阻止二极管D2的阳极高电位向低电位-Vo流过电流。可见,二极管D3在电路中起到整流作用。
电阻R1的作用:负电压输出结构是接入闭环控制,为了防止电容C1、电感L2、电容C3所组成的滤波电路结构产生振荡,本实施例接入阻尼电阻R1。阻尼电阻R1取值范围的计算公式如下:
电感L2的电感量和体积估算:开关管导通期间二极管D4的阴极短接到地,在输出电压|-Vo|=Vc3,Vc3<Vc2-1.8时,电容C1通过二极管D4、输入直流电源负极、输出滤波电容C3、负载RL2、电感L2、阻尼电阻R1及二极管D3所形成的电流回路。假设负输出接上负载后,电压下降为Vn,即:(|-Vo|=Vc3=Vc2-1.8);电感L2的取值范围如下:
其中Vn为负电压输出端上负载的电压降,VC3(MAX)-VC3=Vn。由于电感L2的取值均比电感L1、L3小得多;所以在同等电流情况下,电感L2的体积会比较小,节省了空间。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式,但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于Sepic的单管可升降压的正负输出的DC‐DC电源结构,包括Sepic变换结构,所述Sepic变换结构包括输入直流电源、电感L1、电容C4、电感L3、二极管D1、开关管、蓄能滤波电容C2及输出负载RL1,输入直流电源正极经电感L1与开关管的集电极连接,输入直流电源负极与开关管的发射极连接,电容C4和二极管D1串联在开关管的集电极与Sepic变换结构的正输出端之间,电感L3连接在电容C4和二极管D1的串联节点与输入直流电源负极之间,蓄能滤波电容C2并联在输出负载RL1两端;其特征在于:
在电容C4和二极管D1之间的串联节点插入相串联的二极管D5和二极管D4,二极管D5阳极与二极管D1阳极连接,二极管D4阴极连接到电感L1和电容C4之间的串联节点;并在二极管D5和二极管D4之间的串联节点接入相串联的滤波电容C1和整流二极管D2,整流二极管D2阴极接输入直流电源负极;还在滤波电容C1和整流二极管D2之间的串联节点接入相串联的二极管D3、电感L2以及蓄能滤波电容C3,二极管D3阴极与滤波电容C1连接,并从蓄能滤波电容C3的两端引出负电压的两个输出端,其中滤波电容C1、电感L2和蓄能滤波电容C3组成LC滤波电路。
2.根据权利要求1所述的基于Sepic的单管可升降压的正负输出的DC‐DC电源结构,其特征在于,在所述LC滤波电路中串联阻尼电阻R1。
3.根据权利要求2所述的基于Sepic的单管可升降压的正负输出的DC‐DC电源结构,其特征在于,所述阻尼电阻R1取值范围的计算公式如下:
4.根据权利要求1所述的基于Sepic的单管可升降压的正负输出的DC‐DC电源结构,其特征在于,所述电感L2的取值均比电感L1、电感L3的取值小。
5.根据权利要求4所述的基于Sepic的单管可升降压的正负输出的DC‐DC电源结构,其特征在于,所述电感L2的取值范围如下:
其中Vn为负电压输出端上负载的电压降,VC3(MAX)-VC3=Vn。
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