CN218006566U - 基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及车灯电路技术领域，尤其涉及一种基于buck‑boost电路的低边NMOS驱动控制系统，包括：单片机、buck‑boost电路、第一驱动电路、第二驱动电路、第一开关元件、第二开关元件、日行灯和转向灯，单片机连接有buck‑boost电路和第一驱动电路，buck‑boost电路连接日行灯的正极，第一驱动电路通过第一开关元件连接日行灯的负极，单片机连接有buck‑boost电路和第二驱动电路，buck‑boost电路连接转向灯的正极，第二驱动电路通过第二开关元件连接转向灯的负极。本实用新型的基于buck‑boost电路的低边NMOS驱动控制系统，在单片机和低边NMOS之间设置驱动电路，使得在buck‑boost拓扑中使用低边nmos管代替高边pmos做开关，有效节省电路成本。

Description

基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统

技术领域

本实用新型涉及车灯电路技术领域，尤其涉及一种基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统。

背景技术

目前，在汽车信号灯中分时复用驱动电路已经成为主流。前信号灯：日行灯/位置灯与转向灯的分时复用；后信号灯：制动/位置灯与后转向灯的分时复用；分时复用电路的共同点是当转向灯开启时，其他颜色的信号灯不工作；若其他信号灯工作会导致跟转向灯颜色串扰，最终会导致行人或者驾驶员辨别信号灯发生错误，引发交通事故。

现有常用的技术手段是不同功能的信号灯采用同一路DCDC分时驱动，单片机采样输入的信号来判断需要工作的状态，单片机输出口直接驱动控制LED灯串中的nmos开关管，控制mos管在不同时间来点亮需要工作的信号灯。其中在LED功率比较小的情况下，DCDC电路也有用线性驱动或者功率管(三极管或者稳压管)等驱动方式，原理图类同。如图1描述了现技术的功能框图。其中日行灯与位置灯共用灯珠，单片机输入pwm信号波形调节DCDC电路的输出电流；电流大时为高亮状态的日行灯，电路小时为低亮的位置灯。

如图1中功能框图所示，led的负极都是对地的，采用低边nmos作为开关来控制整个灯串。mos管的源极接地，只要单片机输出的高电平给mos管的栅极，mos管就能满足打开条件Vgs＞Vgsth；led负极对地采用的拓扑结构有buck降压电路、boost升压电路、sepic升降压电路等，但是对于buck-boost升降压电路就存在问题，因为在buck-boost电路驱动的led灯串中led的负极(LED-网络)是连接到输入电源的正极，如图2所示。电源输入电压减去整流二极管的导通压降Vf(约0.7v)，LED负极电压约DC12.8v，单片机无法输出很高的电压，让低边nmos管打开。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：为了解决现有技术对于buck-boost升降压电路，单片机无法输出较高的电压让低边nmos管打开的技术问题。本实用新型提供一种基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统，在单片机和低边NMOS之间设置驱动电路，使得在buck-boost拓扑中使用低边nmos管代替高边pmos做开关，有效节省电路成本。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统，包括：

单片机、buck-boost电路、第一驱动电路、第二驱动电路、第一开关元件、第二开关元件、日行灯和转向灯，所述单片机连接有buck-boost电路和第一驱动电路，所述buck-boost电路连接日行灯的正极，所述第一驱动电路通过第一开关元件连接日行灯的负极，所述单片机连接有buck-boost电路和第二驱动电路，所述buck-boost电路连接转向灯的正极，所述第二驱动电路通过第二开关元件连接转向灯的负极。

进一步地，所述第一开关元件为NMOS管M2，所述第二开关元件为NMOS管M3，NMOS管M2和NMOS管M3均为低边驱动。

进一步地，所述第一驱动电路包括：NPN型三极管Q2，NPN型三极管Q2的基极连接单片机的I/O口，NPN型三极管Q2的发射极接地，NPN型三极管Q2的集电极分别连接电阻R1一端、稳压二极管D3的负极和第一推挽电路的输入端，电阻R1的另一端连接LED正极电压，稳压二极管D3的正极连接LED负极电压，第一推挽电路的输出端连接第一开关元件。

进一步地，所述第一推挽电路包括：NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q3，NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q3的基极均连接NPN型三极管Q2的集电极，NPN型三极管Q1的集电极连接LED正极电压，PNP型三极管Q3的集电极连接LED负极电压，NPN型三极管Q1的发射极连接PNP型三极管Q3的发射极，NPN型三极管Q1的发射极连接NMOS管M2的栅极。

进一步地，所述第二驱动电路包括：NPN型三极管Q5，NPN型三极管Q5的基极连接单片机的I/O口，NPN型三极管Q5的发射极接地，NPN型三极管Q5的集电极分别连接电阻R8一端、稳压二极管D5的负极和第二推挽电路的输入端，电阻R8的另一端连接LED正极电压，稳压二极管D5的正极连接LED负极电压，第二推挽电路的输出端连接第二开关元件。

进一步地，所述第二推挽电路包括：NPN型三极管Q4和PNP型三极管Q6，NPN型三极管Q4和PNP型三极管Q6的基极均连接NPN型三极管Q5的集电极，NPN型三极管Q4的集电极连接LED正极电压，PNP型三极管Q6的集电极连接LED负极电压，NPN型三极管Q4的发射极连接PNP型三极管Q6的发射极，NPN型三极管Q4的发射极连接NMOS管M3的栅极。

进一步地，所述的基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统，还包括：日行灯和转向灯电源电路，所述日行灯和转向灯电源电路通过滤波电路和所述buck-boost电路的电源输入端连接。

进一步地，所述日行灯和转向灯电源电路还包括：供电电源和防反接二极管，所述防反接二极管的正极和所述供电电源连接，所述防反接二极管的负极和所述滤波电路的输入端相连。

进一步地，所述防反接二极管的负极通过稳压电路为单片机供电。

本实用新型的有益效果是，本实用新型的基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统，在分时电路设计中，采用价格便宜的nmos管代替价格昂贵的pmos管，在实际设计车灯模组中节省电路成本，通过在单片机和nmos之间设置驱动电路，当nmos管源极电压高于5V时，单片机的输出端口仍能够驱动nmos管，在调光时，采用推挽输出，增加栅极电流，使mos导通速度加快，进一步地减少mos管的导通损耗。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是现有技术的汽车信号灯中分时复用驱动电路；

图2是本实用新型的基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统；

图3是本实用新型的基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统psice仿真原理图；

图4是仿真中关键网络点的波形图。

图5是本实用新型的汽车信号灯电路流程图。

图中：

1、单片机；2、buck-boost电路；3、第一驱动电路；31、第一推挽电路；4、第二驱动电路；41、第二推挽电路；5、第一开关元件；6、第二开关元件；7、日行灯；8、转向灯；9、日行灯和转向灯电源电路；10、滤波电路；11、稳压电路；

V2、V3为模拟单片机输出口输出的方波脉冲波形；

V1为模拟芯片内部PWM信号的信号源，提供功率mos管占空比；

Vs1：恒压源；M1：开关管；

L1：功率电感；D：肖特基管；

C1：输出电容；

R5：低阻抗性负载；

D2与D4：分别为日行/位置灯与转向灯LED二极管(模拟中为4颗灯珠，VF＝3.0v)；

M2与M3分别为日行灯与转向灯切换的低边nmos管；

Q1与Q3三极管、Q4与Q6三极管为两个推挽输出的mos管驱动电路；

Q2与Q5三极管共射极放大输出波形。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图2所示，是本实用新型的最优实施例，一种基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统，包括：

单片机1、buck-boost电路2、第一驱动电路3、第二驱动电路4、第一开关元件5、第二开关元件6、日行灯7和转向灯8，单片机1连接有buck-boost电路2和第一驱动电路3，buck-boost电路2连接日行灯7的正极，第一驱动电路3通过第一开关元件5连接日行灯7的负极，单片机1连接有buck-boost电路2和第二驱动电路4，buck-boost电路2连接转向灯8的正极，第二驱动电路4通过第二开关元件6连接转向灯8的负极。

具体地，第一开关元件5为NMOS管M2，第二开关元件6为NMOS管M3，NMOS管M2和NMOS管M3均为低边驱动。

具体地，如图2所示，第一驱动电路3包括：NPN型三极管Q2，NPN型三极管Q2的基极连接单片机1的I/O口，NPN型三极管Q2的发射极接地，NPN型三极管Q2的集电极分别连接电阻R1一端、稳压二极管D3的负极和第一推挽电路31的输入端，电阻R1的另一端连接LED正极电压，稳压二极管D3的正极连接LED负极电压，第一推挽电路31的输出端连接第一开关元件5。

第一推挽电路31包括：NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q3，NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q3的基极均连接NPN型三极管Q2的集电极，NPN型三极管Q1的集电极连接LED正极电压，PNP型三极管Q3的集电极连接LED负极电压，NPN型三极管Q1的发射极连接PNP型三极管Q3的发射极，NPN型三极管Q1的发射极连接NMOS管M2的栅极。

第二驱动电路4包括：NPN型三极管Q5，NPN型三极管Q5的基极连接单片机1的I/O口，NPN型三极管Q5的发射极接地，NPN型三极管Q5的集电极分别连接电阻R8一端、稳压二极管D5的负极和第二推挽电路41的输入端，电阻R8的另一端连接LED正极电压，稳压二极管D5的正极连接LED负极电压，第二推挽电路41的输出端连接第二开关元件6。

第二推挽电路41包括：NPN型三极管Q4和PNP型三极管Q6，NPN型三极管Q4和PNP型三极管Q6的基极均连接NPN型三极管Q5的集电极，NPN型三极管Q4的集电极连接LED正极电压，PNP型三极管Q6的集电极连接LED负极电压，NPN型三极管Q4的发射极连接PNP型三极管Q6的发射极，NPN型三极管Q4的发射极连接NMOS管M3的栅极。

基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统，还包括：日行灯和转向灯电源电路9，日行灯和转向灯电源电路9通过滤波电路10和buck-boost电路2的电源输入端连接。

日行灯和转向灯电源电路9还包括：供电电源和防反接二极管，防反接二极管的正极和供电电源连接，防反接二极管的负极和滤波电路10的输入端相连，防反接二极管的负极通过稳压电路11为单片机1供电。

如图3所示是本实用新型的psice仿真原理图，输入恒压源Vs1电压为DC12v时，恒压输出约为12V(相对于电源)，负载D2或D4的导通压降VF约12v的led负载(模拟4颗vf为3.0v的LED串联)。D2为日行/位置灯led二极管；D4为转向灯led二极管；在此模拟日行/位置灯M2开关管支路驱动电路波形。

仿真中关键网络点的波形，如图4所示，带有方形图案线为三极管Q2基极波形，带有圆形图案线为三极管Q1与Q3的基极波形，带有三角形图案线为三极管Q1与Q3的发射极波形，带有三角形图案的波浪线为DCDC输出正极波形。

基于buck-boost分时复用的低边NMOS驱动原理：

由于日行灯驱动模块与转向灯原理类似，在此以日行灯模块做详细说明；

DC/DC拓扑模块由Vs1、V1、R3、M1、D1、C1、L1与负载组成buck-boost拓扑结构，M1栅极PWM信号脉冲占空比为0.5，根据buck-boost计算公式D＝(V0-Vin)/Vo(忽略肖特基D1的压降)；

当Vin为12v时，Vo输出恒定电压约24v(相对于GND)；当V2脉冲为高电平时，三极管Q2的基极电压大于0.7v，计算约为2.7v，由图4可以读出，三极管Q2导通。由于LED负极电压为12V也就是推挽电路的负电源端节点电压约为12V，使其D3稳压管的正向偏置，三极管Q2的集电极电位电压约为V(LED-)-0.6v＝11.4v；当V2脉冲输出低电平时，三极管Q2截止，由于三极管Q2集电极电压由恒压DCDC24v供电，使其D3稳压管反向击穿钳位，此时三极管Q2的集电极电位电压约为V(LED-)+Vzd＝22v；

在三极管Q1与三极管Q3组成的推挽电路输出，当三极管Q2的集电极电压为11.4v时，推挽输出电压约12.1v；当三极管Q2的集电极电压为22v时，推挽输出电压约21.3v，使得当nmos管M2、M3源极电压高于5V时，单片机的输出端口仍能够驱动nmos管M2、M3，实现M2、M3的导通。

进一步的，由于负载的负极电压为电源电压12V，所以进一步推挽输出高低电平控制M2的开关动作。此电路需要合理地计算选择R2阻值与Q1三极管的额定功率。由于推挽输出电流大，使其nmos管M2工作在交越区的时间比较短，进而增强mos的驱动能力。

如图5所述，是本实用新型的日行灯/位置灯和转向灯的控制流程图，输入端有日行灯电源输入正极，位置灯电源输入正极以及转向灯电源输入正极，由于日行灯与位置灯是同一组LED，通过调节电流通过的大小，实现LED的明暗，日行灯亮度较高(白天用)，位置灯亮度较低(夜间用)，单片机检测电源输入信号，优先检测转向灯电源输入信号，转向灯电源输入信号为高电平，mos管M3导通，转向灯点亮，日行/位置灯均不亮，若是汽车转弯，转向灯亮起，日行灯还亮着的话会干扰后面行人的判断，进而容易引发交通事故，当单片机没有检测到转向灯电源输入信号，会进一步判断日行灯以及位置灯是否有电源输入信号，若有日行灯或位置灯电源输入信号，mos管M2导通，实现位日行灯或位置灯的点亮。

综上所述，本实用新型的基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统，在buck-boost拓扑中设计一种电路结构驱动低边nmos管，在buck-boost拓扑中使用低边nmos管代替高边pmos做开关，节省成本，且通过设计推挽电路，有效减小mos管的交越时间，降低导通损耗，提高驱动效率。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要如权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统，其特征在于，包括：

单片机(1)、buck-boost电路(2)、第一驱动电路(3)、第二驱动电路(4)、第一开关元件(5)、第二开关元件(6)、日行灯(7)和转向灯(8)，所述单片机(1)连接有buck-boost电路(2)和第一驱动电路(3)，所述buck-boost电路(2)连接日行灯(7)的正极，所述第一驱动电路(3)通过第一开关元件(5)连接日行灯(7)的负极，所述单片机(1)连接有buck-boost电路(2)和第二驱动电路(4)，所述buck-boost电路(2)连接转向灯(8)的正极，所述第二驱动电路(4)通过第二开关元件(6)连接转向灯(8)的负极。

2.如权利要求1所述的基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统，其特征在于，所述第一开关元件(5)为NMOS管M2，所述第二开关元件(6)为NMOS管M3，NMOS管M2和NMOS管M3均为低边驱动。

3.如权利要求2所述的基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统，其特征在于，所述第一驱动电路(3)包括：

NPN型三极管Q2，NPN型三极管Q2的基极连接单片机(1)的I/O口，NPN型三极管Q2的发射极接地，NPN型三极管Q2的集电极分别连接电阻R1一端、稳压二极管D3的负极和第一推挽电路(31)的输入端，电阻R1的另一端连接LED正极电压，稳压二极管D3的正极连接LED负极电压，第一推挽电路(31)的输出端连接第一开关元件(5)。

4.如权利要求3所述的基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统，其特征在于，所述第一推挽电路(31)包括：

NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q3，NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q3的基极均连接NPN型三极管Q2的集电极，NPN型三极管Q1的集电极连接LED正极电压，PNP型三极管Q3的集电极连接LED负极电压，NPN型三极管Q1的发射极连接PNP型三极管Q3的发射极，NPN型三极管Q1的发射极连接NMOS管M2的栅极。

5.如权利要求2所述的基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统，其特征在于，所述第二驱动电路(4)包括：

NPN型三极管Q5，NPN型三极管Q5的基极连接单片机(1)的I/O口，NPN型三极管Q5的发射极接地，NPN型三极管Q5的集电极分别连接电阻R8一端、稳压二极管D5的负极和第二推挽电路(41)的输入端，电阻R8的另一端连接LED正极电压，稳压二极管D5的正极连接LED负极电压，第二推挽电路(41)的输出端连接第二开关元件(6)。

6.如权利要求5所述的基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统，其特征在于，所述第二推挽电路(41)包括：

NPN型三极管Q4和PNP型三极管Q6，NPN型三极管Q4和PNP型三极管Q6的基极均连接NPN型三极管Q5的集电极，NPN型三极管Q4的集电极连接LED正极电压，PNP型三极管Q6的集电极连接LED负极电压，NPN型三极管Q4的发射极连接PNP型三极管Q6的发射极，NPN型三极管Q4的发射极连接NMOS管M3的栅极。

7.如权利要求1所述的基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统，其特征在于，还包括：日行灯和转向灯电源电路(9)，所述日行灯和转向灯电源电路(9)通过滤波电路(10)和所述buck-boost电路(2)的电源输入端连接。

8.如权利要求7所述的基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统，其特征在于，所述日行灯和转向灯电源电路(9)还包括：供电电源和防反接二极管，所述防反接二极管的正极和所述供电电源连接，所述防反接二极管的负极和所述滤波电路(10)的输入端相连。

9.如权利要求8所述的基于buck-boost电路的低边NMOS驱动控制系统，其特征在于，所述防反接二极管的负极通过稳压电路(11)为单片机(1)供电。

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