CN218526237U - 一种升降压变换电路及开关电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种升降压开关变换电路及开关电源，其中一个实施例包括：变压器、第一开关管、次级侧开关单元、第二开关管、第一至第三电容以及五个端口；初级侧绕组一端接输入电压端、另一端接第一开关管一端和第一电容一端，第一开关管另一端接输入接地端；次级侧绕组一端接第一电容另一端和次级侧开关单元一端，次级侧开关单元另一端接第一输出电压端和第三电容一端，第三绕组一端接第二输出电压端和第二电容一端，第三绕组另一端接第二开关管一端，第二开关管另一端、次级侧绕组另一端、第二电容另一端和第三电容另一端接输出接地端。本实用新型通过第三绕组实现第一开关管零电压开通，以实现低成本、小体积和高效率。

Description

一种升降压变换电路及开关电源

技术领域

本实用新型属于开关电源领域，具体涉及一种升降压变换电路及开关电源。

背景技术

在不间断电源、光伏发电及风力发电系统中高效率DC-DC升降压变换器的研究已经成为电力电子领域热点之一。

隔离型反激拓扑具有器件成本低的优势，但由于变压器无法完全耦合，存在漏磁损耗，并且变压器初级侧和次级侧不连续的电流模式，导致变压器损耗进一步增加。所以该拓扑适用于低成本、小功率场合。非隔离型的四管BUCK-BOOST拓扑，能够实现较高的效率要求，但其成本较高。基本单端初级电感式转换器(SEPIC)能够减小输入电流纹波，降低电流有效值以提高效率。但存在两个独立电感和一个飞跨电容，增加了电路体积和成本。

另一方面，高压应用场合和高频化需求都对开关器件提出了软开关的要求，软开关的目的在于减小开关过程中带来的损耗，减小温升、提高效率。在文献“Designoptimization of soft-switched insulated DC/DC converters”文献中公开了一种基本SEPIC电路有源钳位方案，但仍然存在体积大和成本高的问题。

实用新型内容

有鉴如此，本实用新型要解决的技术问题是提供一种升降压开关变换电路及开关电源，以实现低成本、小体积和高效率要求。

作为本实用新型的第一个方面，所提供的升降压开关变换电路的实施例如下：

一种升降压变换电路，包括：变压器、第一开关管、次级侧开关单元、第二开关管、第一电容、第二电容、第三电容以及五个端口；所述变压器包括初级侧绕组、次级侧绕组和第三绕组；所述五个端口分别为输入电压端、输入接地端、第一输出电压端、第二输出电压端和输出接地端；所述初级侧绕组一端藕接所述输入电压端，所述初级侧绕组另一端同时耦接所述第一开关管一端和所述第一电容一端，所述第一开关管另一端藕接所述输入接地端；所述次级侧绕组一端同时藕接所述第一电容另一端和所述次级侧开关单元一端，所述次级侧开关单元另一端同时藕接所述第一输出电压端和所述第三电容一端，所述第三绕组一端同时藕接所述第二输出电压端和所述第二电容一端，所述第三绕组另一端藕接所述第二开关管一端，所述第二开关管另一端、所述次级侧绕组另一端、所述第二电容另一端和所述第三电容另一端同时藕接所述输出接地端。

优选地，所述第二开关管为NMOS管，所述第二开关管的一端为所述NMOS管的漏极，所述第二开关管的另一端为所述NMOS管的源极。

进一步地，所述第二开关管的两端并联有一二极管，所述二极管的阳极连接所述第二开关管一端，所述二极管的阴极连接所述第二开关管另一端。

优选地，所述次级侧开关单元为二极管或同步整流管。

一种升降压变换电路，其特征在于，包括：变压器、第一开关管、次级侧开关单元、第二开关管、第一电容、第二电容、第三电容以及五个端口；所述变压器包括初级侧绕组、次级侧绕组和第三绕组；所述五个端口分别为输入电压端、输入接地端、第一输出电压端、第二输出电压端和输出接地端；所述初级侧绕组一端藕接所述输入电压端，所述初级侧绕组另一端同时耦接所述第一开关管一端和所述第一电容一端，所述第一开关管另一端藕接所述输入接地端；所述次级侧绕组一端同时藕接所述第一电容另一端和所述次级侧开关单元一端，所述次级侧开关单元另一端同时藕接所述第一输出电压端和所述第三电容一端，所述第三绕组一端藕接所述第二开关管一端，所述第二开关管另一端藕接所述第二输出电压端和所述第二电容一端，所述第三绕组另一端、所述次级侧绕组另一端、所述第二电容另一端和所述第三电容另一端同时藕接所述输出接地端。

优选地，所述第二开关管为PMOS管，所述第二开关管的一端为所述PMOS管的源极，所述第二开关管的另一端为所述PMOS管的漏极。

进一步地，所述第二开关管的两端并联有一二极管，所述二极管的阳极连接所述第二开关管另一端，所述二极管的阴极连接所述第二开关管一端。

优选地，所述次级侧开关单元为二极管或同步整流管。

作为本实用新型的第二个方面，所提供的开关电源的实施例如下：

一种开关电源，包括上述升降压开关变换电路的任一个实施例。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型实施例突破现有技术SEPIC电路常被用于低压输入且工作于CCM模式，开关损耗占比较小，无需零电压导通的技术偏见，将第三绕组钳位电路应用于耦合电感的SEPIC电路，基于耦合电感SEPIC电路实现了输入输出电压的直流变换，有利于减小输入电流纹波，降低电流有效值以提高效率；基于第三绕组钳位对耦合电感SEPIC电路的开关管进行钳位，有利于实现主功率开关管零电压导通，进一步提高效率，从而实现了一种低成本、高效率、小体积的非隔离升降压变换电路及开关电源。

附图说明

图1为本实用新型的第一实施例升降压变换电路/开关电源的电路结构图；

图2为本实用新型升降压变换电路/开关电源的时序逻辑示意图；

图3为本实用新型的第二实施例升降压变换电路/开关电源的电路结构图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合具体实施方式和说明书附图对本实用新型及其有益效果作进一步详细说明，但是，本实用新型的具体实施方式并不局限于此。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中描述的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列元器件、单元电路或控制时序不必限于清楚地列出的那些元器件、单元电路或控制时序，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些电路固有的元器件、单元电路或控制时序。

另外，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应该理解的是，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“藕接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件；当描述有步骤接续至另一步骤时，该步骤可直接接续至该另一步骤，或者通过第三步骤接续至该另一步骤。

第一实施例

图1为本发明第一实施例的升降压变换电路/开关电源的电路结构图，请参见图1，包括：变压器TX1、第一开关管Q1、次级侧开关单元、第二开关管Q2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3以及五个端口；变压器TX1包括初级侧绕组P1、次级侧绕组S2和第三绕组S3；五个端口分别为输入电压端Vin、输入接地端、第一输出电压端Vout、第二输出电压端Vout2和输出接地端；初级侧绕组P1一端藕接输入电压端Vin，初级侧绕组P1另一端同时耦接第一开关管Q1一端和第一电容C1一端，第一开关管Q1另一端藕接输入接地端；次级侧绕组S2一端同时藕接第一电容C1另一端和次级侧开关单元一端，次级侧开关单元另一端同时藕接第一输出电压端Vout和第三电容C3一端，第三绕组S3一端同时藕接第二输出电压端Vout2和第二电容C2一端，第三绕组S3另一端藕接第二开关管Q2一端，第二开关管Q2另一端、次级侧绕组S2另一端、所述第二电容C2另一端和第三电容C3另一端同时藕接输出接地端。

需要说明的是，由于SEPIC电路为非隔离电路，输入接地端和输出接地端可以各自单独接地，也可以连接在一起后接地，或者将这两个端子合并为一个端子，本领域的技术人员可以根据实际情况选择如何实现这两个端子的接地，无论是否将输入接地端和输出接地端合并，都属于本申请的保护范围。

其中初级侧的一端、次级侧的另一端与第三绕组另一端为同名端。

其中，第二开关管Q2为NMOS管，第二开关管的一端为NMOS管的漏极，第二开关管的另一端为NMOS管的源极。

进一步地，第二开关管Q2的两端还可以并联一个二极管，二极管的阳极连接第二开关管Q2一端，二极管的阴极连接第二开关管Q2另一端。并联二极管的目的在于，减小第二开关管体二极管导通带来的损耗。

其中，次级侧开关单元为二极管，次级侧开关单元的一端为二极管的阳极，次级侧开关单元的另一端为二极管的阴极，为了提高效率，本领域的技术人员也常将次级侧开关单元设计为同步整流管。次级侧开关单元具体采用何种方案，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择，本实施例不做规定。

其中，第二输出电压端Vout2可以作为开关电源内部的辅助供电电压输出端，也可以作为开关电源外部的供电电压输出端。

图2为本实用新型升降压变换电路/开关电源的时序逻辑示意图，其中Vds_Q1为第一开关管Q1漏源极电压，Q1为第一开关管驱动信号，Q2为第二开关管驱动信号，I_Lm为变压器励磁电感中的电流，Q1和Q2为高电平表示相应的开关管开通，Q1和Q2为低电平表示相应的开关管关断。

请参见图2，开关电源的每一个驱动周期开始于变压器TX1去次结束之后，在开关电源的每一个驱动周期的初始时刻，第一开关管Q1、第二开关管Q2均关断，图2中的t0-t5示出了一个完整的驱动周期，以t0-t5期间的控制时序为例讲述本实施例的工作原理如下：

t0时刻，第二开关管Q2导通，第二电容C2中存储的能量通过第二开关管Q2给变压器TX1进行反向励磁储能；

t1时刻，第二开关管Q2关断，初级侧绕组P1产生流向输入电压端Vin的负向电流，并抽取第一开关管Q1的寄生电容中的电荷；

t2时刻，在负向电流方向发生翻转之前第一开关管Q1导通，变压器TX1通过第一开关管Q1和第一电容C1进行激磁储能，

t3时刻，第一开关管Q1关断，变压器通过第一电容C1和次级侧绕组S2进行去磁，将存储的能量通过次级侧开关单元传递给输出，同时变压器TX1中储存的能量通过第三绕组S3和第二开关管Q2传递给第二电容C2。

作为优选，第二开关管Q2在其漏源极电压谐振到波谷时开通，即在第一开关管Q1漏源极电压谐振到波峰处开通第二开关管，从而可以减小第二开关管Q2的开通损耗。

作为优选，通过检测第一开关管Q1漏源极电压调节第二开关管Q2的导通时间，使得第一开关管Q1漏源极电压能够谐振到零，从而实现第一开关管Q1的零电压导通；也可通过检测输入电压调节第二开关管Q2的导通时间，使得第二开关管Q2的导通时间随输入电压增加而增加，从而实现第一开关管的零电压导通，即间接检测第一开关管Q1漏源极电压实现第一开关管Q1的零电压导通；也可通过检测第三绕组负电流与(随输入电压增加)变化的阈值进行比较来控制第二开关管的导通时间，也是间接检测第一开关管Q1漏源极电压实现第一开关管Q1的零电压导通。

作为优选，在第二开关管Q2关断和第一开关管Q2开通之间存在可调死区时间，即t1-t2期间第二开关管Q2和第一开关管Q2均处于关断状态，目的是为了避免第二开关管Q2和第一开关管Q2共通，烧毁开关电源。

需要说明的是，针对图2的时序逻辑示意图，开关电源工作于非连续模式，可以获得更高的效率，当开关电源的输入电压小于或等于输出电压时或处于轻载工况时，第二开关管的开通时长可以为零。

本实施例将第三绕组钳位电路应用于耦合电感的SEPIC电路，基于耦合电感SEPIC电路实现了输入输出电压的直流变换，有利于减小输入电流纹波，降低电流有效值以提高效率；基于第三绕组钳位对耦合电感SEPIC电路的开关管进行钳位，有利于实现主功率开关管零电压导通，进一步提高效率，从而实现了一种低成本、高效率、小体积的非隔离升降压变换电路及开关电源。

第二实施例

图3为本实用新型的第二实施例升降压变换电路/开关电源的电路结构图，请参见图3，包括变压器TX1、第一开关管Q1、次级侧开关单元、第二开关Q2管、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3以及五个端口；变压器TX1包括初级侧绕组P1、次级侧绕组S2和第三绕组S3；五个端口分别为输入电压端Vin、输入接地端、第一输出电压端Vout、第二输出电压端Vout2和输出接地端；初级侧绕组P1一端藕接输入电压端Vin，初级侧绕组P1另一端同时耦接第一开关管Q1一端和第一电容C1一端，第一开关管Q1另一端藕接输入接地端；次级侧绕组S2一端同时藕接第一电容C1另一端和次级侧开关单元一端，次级侧开关单元另一端同时藕接第一输出电压端Vout和第三电容C3一端，第三绕组S3一端藕接第二开关管Q2一端，第二开关管Q2另一端藕接第二输出电压端Vout2和第二电容C2一端，第三绕组S3另一端、次级侧绕组S2另一端、第二电容C2另一端和第三电容C3另一端同时藕接输出接地端。

其中，第二开关管Q2为PMOS管，第二开关管Q2的一端为PMOS管的源极，第二开关管Q2的另一端为所述PMOS管的漏极。

进一步地，第二开关管Q2的两端并联有一二极管，二极管的阳极连接第二开关管Q2另一端，二极管的阴极连接第二开关管Q2一端。

其中，次级侧开关单元为二极管或同步整流管。

其中，第二输出电压端Vout2可以作为开关电源内部的辅助供电电压输出端，也可以作为开关电源外部的供电电压输出端。

图3所示电路与第一实施例的图1不同之处在于，图3的第三绕组钳位电路中的第二开关Q2为上钳位接线方式，而图1的第三绕组钳位电路中的第二开关Q2为下钳位接线方式，两者工作原理与有益效果一致，故不赘述。

以上仅是本实用新型的实施方式，需要特别指出的是，上述实施方式不应视为对本实用新型的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种升降压变换电路，其特征在于，包括：变压器、第一开关管、次级侧开关单元、第二开关管、第一电容、第二电容、第三电容以及五个端口；所述变压器包括初级侧绕组、次级侧绕组和第三绕组；所述五个端口分别为输入电压端、输入接地端、第一输出电压端、第二输出电压端和输出接地端；所述初级侧绕组一端藕接所述输入电压端，所述初级侧绕组另一端同时耦接所述第一开关管一端和所述第一电容一端，所述第一开关管另一端藕接所述输入接地端；所述次级侧绕组一端同时藕接所述第一电容另一端和所述次级侧开关单元一端，所述次级侧开关单元另一端同时藕接所述第一输出电压端和所述第三电容一端，所述第三绕组一端同时藕接所述第二输出电压端和所述第二电容一端，所述第三绕组另一端藕接所述第二开关管一端，所述第二开关管另一端、所述次级侧绕组另一端、所述第二电容另一端和所述第三电容另一端同时藕接所述输出接地端。

2.根据权利要求1所述升降压变换电路，其特征在于：所述第二开关管为NMOS管，所述第二开关管的一端为所述NMOS管的漏极，所述第二开关管的另一端为所述NMOS管的源极。

3.根据权利要求2所述升降压变换电路，其特征在于：所述第二开关管的两端并联有一二极管，所述二极管的阳极连接所述第二开关管一端，所述二极管的阴极连接所述第二开关管另一端。

4.根据权利要求1至3任一项所述升降压变换电路，其特征在于：所述次级侧开关单元为二极管或同步整流管。

5.一种升降压变换电路，其特征在于，包括：变压器、第一开关管、次级侧开关单元、第二开关管、第一电容、第二电容、第三电容以及五个端口；所述变压器包括初级侧绕组、次级侧绕组和第三绕组；所述五个端口分别为输入电压端、输入接地端、第一输出电压端、第二输出电压端和输出接地端；所述初级侧绕组一端藕接所述输入电压端，所述初级侧绕组另一端同时耦接所述第一开关管一端和所述第一电容一端，所述第一开关管另一端藕接所述输入接地端；所述次级侧绕组一端同时藕接所述第一电容另一端和所述次级侧开关单元一端，所述次级侧开关单元另一端同时藕接所述第一输出电压端和所述第三电容一端，所述第三绕组一端藕接所述第二开关管一端，所述第二开关管另一端藕接所述第二输出电压端和所述第二电容一端，所述第三绕组另一端、所述次级侧绕组另一端、所述第二电容另一端和所述第三电容另一端同时藕接所述输出接地端。

6.根据权利要求5所述升降压变换电路，其特征在于：所述第二开关管为PMOS管，所述第二开关管的一端为所述PMOS管的源极，所述第二开关管的另一端为所述PMOS管的漏极。

7.根据权利要求6所述升降压变换电路，其特征在于：所述第二开关管的两端并联有一二极管，所述二极管的阳极连接所述第二开关管另一端，所述二极管的阴极连接所述第二开关管一端。

8.根据权利要求5至7任一项所述升降压变换电路，其特征在于：所述次级侧开关单元为二极管或同步整流管。

9.一种开关电源，其特征在于，所述开关电源包括权利要求1至6任一项所述升降压变换电路。

10.根据权利要求9所述开关电源，其特征在于：所述第二输出电压端为所述开关电源内部的辅助供电电压输出端；或者所述第二输出电压端为所述开关电源外部的供电电压输出端。

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