CN219145264U - 一种带振铃抑制的三开关单端初级电感式dc-dc转换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及DC‑DC开关电源转化器领域，具体涉及一种带振铃抑制的三开关单端初级电感式DC‑DC转换器，包括振铃抑制电路和三开关SEPIC电路，所述振铃抑制电路通过电线接入三开关SEPIC电路上用于抑制三开关SEPIC电路的振铃现象，本实用新型的一种带振铃抑制的三开关单端初级电感式DC‑DC转换器，通过设计振铃抑制电路和三开关SEPIC电路能够解决现有技术中传统SEPIC转换器对输入侧保护薄弱问题和SEPIC转换器在低负载时产生振铃现象，影响电路正常工作的问题，通过设计三开关SEPIC电路，在保留了传统SEPIC电路的所有优点的基础上，使电路具有输入侧保护功能，提高了电路的可靠性，同时用MOS管Q2代替传统SEPIC电路中的二极管，提高了转换器的传输效率。

Description

一种带振铃抑制的三开关单端初级电感式DC-DC转换器

技术领域

本实用新型涉及DC-DC开关电源转化器领域，具体涉及一种带振铃抑制的三开关单端初级电感式DC-DC转换器。

背景技术

DC-DC变换器是电源管理系统的重要组成部分.在注重电路效率和功率的无线通信系统中开关电源尤其重要，近年来，便携式设备中要求更高效率，DC-DC开关电源转换器受到大家的关注，由于开关转换器自身的原因，在开关开和关时产生大量的纹波和噪声，特别是在断续模式(DCM)下，DC-DC开关电源转换器中的寄生电容和电感会产生严重的高频振荡，影响电路正常工作。

开关电源变换器主电路的拓扑结构有多种，如Buck，Boost，Buck-Boost，Cuk等，但前两种属于基本回路，其它绝大多数是从这两种结构派生出来，降压-升压变换器(Buck-Boost)由降压变换器和升压变换器级联而成，其输出电压极性反相；Cuk变换器由降压-升压变换器(Buck-Boost)派生，降压-升压变换器(Buck-Boost)和Cuk变换器都可以实现降压和升压，但它们有一个共同特点，那就是输出电压与输入电压极性相反，如果需要一种变换器，它既能够降压也能够升压，同时其输出极性也不反相，则SEPIC正好满足这种需求，在不要求主级电路和次级电路之间电气隔离且输入电压高于或者低于输出电压时，SEPIC是一种非常有用的拓扑，在要求短路电路保护时，可以使用它来代替升压转换器，SEPIC转换器的特点是单开关工作和连续输入电流，从而带来较低的电磁干扰(EMI)。

传统SEPIC转换器的SEPIC电路中采用单开关，对输入侧的保护较弱，当SEPIC电路出现故障时，可能会对输入侧造成影响，同时对于通信产品，其功率大小与工作忙闲状态有很大关系，为了满足日益严格的绿色环保节能降耗要求，通信产品在夜间闲时要处于节能待机状态，那么这时的开关电源的负载就比较轻，当负载比较小时，SEPIC电路中的电感电流可能会在一个周期内到零的情况，使SEPIC电路处在断续模式(DCM)下，转换器内会产生振铃现象，影响电路正常工作。

实用新型内容

本实用新型提供一种带振铃抑制的三开关单端初级电感式DC-DC转换器，其目的在于对传统的SEPIC电路进行改进，在保留了传统SEPIC电路的所有优点的基础上加强SEPIC转换器对输入侧的保护和解决SEPIC电路小负载情况下的断续模式在转换器内产生的振铃现象。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

提供一种带振铃抑制的三开关单端初级电感式DC-DC转换器，包括振铃抑制电路和三开关SEPIC电路，所述振铃抑制电路通过电线接入三开关SEPIC电路上用于抑制三开关SEPIC电路的振铃现象。

进一步的，所述三开关SEPIC电路包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、电容C1、电容C2、电阻和耦合电感L1，所述MOS管Q3的一端连接电源的正极，另一端连接耦合电感L1一侧的一端，所述耦合电感L1一侧的另一端分别与电容C1和MOS管Q1的一端相连接，所述MOS管Q1的另一端和电源的负极均与地相连接，所述MOS管Q1一侧的引脚连接PWM电路用于接受控制信号，所述电容C1的另一端与MOS管Q2的一端相连，所述电容C2的一端与MOS管Q2的另一端相连接，另一端接地，所述电阻并在电容C2的两端。

进一步的，所述耦合电感L1、电容C1和MOS管Q1引脚相连接处形成SWN节点，所述MOS管Q2、电容C1和耦合电感L1引脚相连接处形成SWP节点。

进一步的，所述振铃抑制电路包括系统抗振铃指令ANTI端、三极管P8、三极管P10、三极管N9、三极管N11、三极管HN605、三极管HN1、三极管HP2、三极管HP3、INV1、INV2、INV3、INV4和电阻R34，所述三极管N9的基极和INV1的输入端均通过电气连接在系统抗振铃指令ANTI端，所述三极管N9的集电极分别与三极管P8的集电极和三极管P10的基极相连，所述三极管P8的发射极和三极管P10的发射极分别与电源相连接，所述三极管P10的集电极和三极管N11的集电极均与三极管P8的基极相连，所述三极管N9的发射极和三极管N11的发射极均接地，所述INV1的输出端与三极管N11的基极均连接在三极管HN605的基极上，所述电阻R34的一端连接三极管HN605的集电极，另一端连接在SWP节点上，所述三极管HN605的发射极接地，所述三极管N11的集电极分别与INV2的输入端和INV4的输入端相连，所述INV3的输入端与INV2的输出端相连，INV3的输出端与三极管HP3的基极相连，所述INV3的集电极与三极管HP2的发射极相连，INV3的发射极连接电源，所述三极管HP2的集电极与SWN节点相连，三极管HP2的基极与三极管HN1的集电极相连，所述三极管HN1的发射极接地，三极管HN1的基极与INV4的输出端相连。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型的一种带振铃抑制的三开关单端初级电感式DC-DC转换器，通过设计振铃抑制电路和三开关SEPIC电路能够解决现有技术中传统SEPIC转换器对输入侧保护薄弱问题和SEPIC转换器在低负载时产生振铃现象，影响电路正常工作的问题。

2、通过设计三开关SEPIC电路，在保留了传统SEPIC电路的所有优点的基础上，使电路具有输入侧保护功能，提高了电路的可靠性，同时用MOS管Q2代替传统SEPIC电路中的二极管，提高了转换器的传输效率，经相关测试表明对于同步应用，转换效率可达90％以上，比传统的SEPIC要高5％左右。

3、通过设计振铃抑制电路解决开关管的振铃现象，特别是小负载情况下的DCM模式，简单方便，增加了电路的实用性，对比传统SEPIC电路，三开关SEPIC电路采用了耦合电感L1代替了原来的两个电感，耦合电感L1的体积和成本均小于两个单独的电感，耦合电感L1在SEPIC电路里更具价值，巧妙利用了耦合电感的漏感，变害为利。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方案或现有技术中的技术方案，下面将对实施方案或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型三开关SEPIC电路的整体示意图；

图2为本实用新型振铃抑制电路的整体示意图；

图3为本实用新型传统的SEPIC电路的整体示意图；

图4为本实用新型变换器效率的比较图；

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

参照图1、图2所示，一种带振铃抑制的三开关单端初级电感式DC-DC转换器，包括振铃抑制电路和三开关SEPIC电路，所述振铃抑制电路通过电线接入三开关SEPIC电路上用于抑制三开关SEPIC电路的振铃现象，DC-DC转换器主电路的拓扑结构有多种，如Buck、Boost、Buck-Boost等，这些电路有一个共同特点，那就是输出电压与输入电压极性相反，但在DC-DC转换器不要求主级电路和次级电路之间电气隔离且输入电压高于或者低于输出电压时，可以采用SEPIC拓扑结构，SEPIC拓扑结构既能够降压也能够升压，同时其输出极性也不反相，传统的SEPIC转换器的特点是单开关工作和连续输入电流，从而带来较低的电磁干扰(EMI)，三开关SEPIC电路保留了传统的SEPIC电路的所有优点，当接入转换器的负载比较大时，三开关SEPIC电路处在连续工作模式(CCM)，电路中没有振铃的产生，对于通信产品，其功率大小与工作忙闲状态有很大关系，为了满足日益严格的绿色环保节能降耗要求，通信产品在夜间闲时要处于节能待机状态，那么这时的开关电源的负载就比较轻，当接入转换器的负载比较小时，三开关SEPIC电路处在电流断续模式(DCM)，电路中产生振铃，连接在三开关SEPIC电路上的铃抑制电路抑制铃抑的产生。

参照图1、图3、图4所示，所述三开关SEPIC电路包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、电容C1、电容C2、电阻和耦合电感L1，所述MOS管Q3的一端连接电源的正极，另一端连接耦合电感L1一侧的一端，所述耦合电感L1一侧的另一端分别与电容C1和MOS管Q1的一端相连接，所述MOS管Q1的另一端和电源的负极均与地相连接，所述MOS管Q1一侧的引脚连接PWM电路用于接受控制信号，所述电容C1的另一端与MOS管Q2的一端相连，所述电容C2的一端与MOS管Q2的另一端相连接，另一端接地，所述电阻并在电容C2的两端，三开关SEPIC电路对比传统的SEPIC电路，增加了输入侧保护开关MOS管Q3，在电路发生故障(如输出短路等)的情况下，系统检测到后将断开MOS管Q3，使电路工作于保护模式下，开始工作时，控制系统检测各参数正常后，接通保护开关MOS管Q3；当控制系统检测有故障发生时，关断保护开关MOS管Q3进行隔离，保护输入侧，主(MOS管Q1)辅(MOS管Q2)开关管组成的三开关SEPIC电路和传统的SEPIC电路的工作原理相同，即当主开关管MOS管Q1接通时，辅助开关管MOS管Q2关断，Vbat(电源)-Q3-L1-Q1回路和C1-Q1-L1回路同时导通，L1储能；当开关MOS管Q1断开时，辅助开关MOS管Q2接通，Vbat-Q3-L1-C1-Q2-C2/R回路及L1-Q2-C2/R回路同时导通，电源Vbat和L1同时向负载和C2供电，其输入输出关系与传统的SEPIC电路相同，三开关SEPIC电路在设计时将传统的SEPIC电路上使用的二极管替换成MOS管Q2，传统的SEPIC电路上使用的二极管导通压降VD1≈0.6V，而开关MOS管Q2采用MOSFET，其导通压降VS2≈0.2V，由于MOS管Q2比二极管具有更低的导通电阻，所以三开关SEPIC电路构成的变换器效率比传统的SEPIC电路构成的变换器要高，在相同仿真条件下与传统的SEPIC变换器进行对比，通过电压-效率关系曲线，可以得出结论，采用三开关SEPIC电路变换器时，系统效率平均提高了5％左右，三开关SEPIC电路变换器的能量传输效率要明显优于传统的SEPIC变换器，三开关SEPIC电路对比传统的SEPIC电路除了增加输入侧保护开关MOS管Q3和将二极管替换成MOS管Q2外，还将传统的SEPIC电路中使用的两个单独电感替换成一个松散耦合电感，由于电感的电压波形类似，将两个单独电感替换成一个松散耦合电感，降低了三开关SEPIC电路变换器的体积和成本。

参照图1所示，所述耦合电感L1、电容C1和MOS管Q1引脚相连接处形成SWN节点，所述MOS管Q2、电容C1和耦合电感L1引脚相连接处形成SWP节点，根据电路规定，三条或三条以上支路的连接点称为节点，电路中的振铃(Ringing)是由于电路中过度的电容和电感引起的，在由电容和电感两种不同的储能元件构成的电路中，随着贮能在电场和磁场之间的往返转移，电路中的电流和电压不断地改变大小和极性，形成周而复始的振荡，在没有消耗能量时，这种振荡是一种等幅振荡，如果电路中存在电阻，那么贮能终将被电阻消耗，振荡不可能是等幅的，而是减幅，振幅将逐渐衰减而趋于零，这种振荡成为阻尼振荡或衰减振荡，振铃属于阻尼振荡，只是由于阻尼过小，属于欠阻尼，从而形成很明显的振铃现象，将阻尼增大可以增大振铃的衰减，根据电路图的设计，当负载比较大时，耦合电感L1电流在周期内不会到0，电路会处在连续工作模式(CCM)，当负载比较小时，耦合电感L1电流可能会在一个周期内有到零的情况，电路会处在电流断续模式(DCM)，当转换器进入断续模式时SWN/SWP节点会产生振铃。

参照图2所示，所述振铃抑制电路包括系统抗振铃指令ANTI端、三极管P8、三极管P10、三极管N9、三极管N11、三极管HN605、三极管HN1、三极管HP2、三极管HP3、INV1、INV2、INV3、INV4和电阻R34，所述三极管N9的基极和INV1的输入端均通过电气连接在系统抗振铃指令ANTI端，所述三极管N9的集电极分别与三极管P8的集电极和三极管P10的基极相连，所述三极管P8的发射极和三极管P10的发射极分别与电源相连接，所述三极管P10的集电极和三极管N11的集电极均与三极管P8的基极相连，所述三极管N9的发射极和三极管N11的发射极均接地，所述INV1的输出端与三极管N11的基极均连接在三极管HN605的基极上，所述电阻R34的一端连接三极管HN605的集电极，另一端连接在SWP节点上，所述三极管HN605的发射极接地，所述三极管N11的集电极分别与INV2的输入端和INV4的输入端相连，所述INV3的输入端与INV2的输出端相连，INV3的输出端与三极管HP3的基极相连，所述INV3的集电极与三极管HP2的发射极相连，INV3的发射极连接电源，所述三极管HP2的集电极与SWN节点相连，三极管HP2的基极与三极管HN1的集电极相连，所述三极管HN1的发射极接地，三极管HN1的基极与INV4的输出端相连，对于开关管上常见的振铃，常用的抑制方法，可以在MOS管栅极串入小电阻或磁珠，在漏极串入磁珠，漏源DS之间并20-1000pF电容，常用1kV470pF，通过设计振铃抑制电路，当系统进入断续模式时，流过电感的电流会过零，为了防止从输出电容回流至电源的反向电流，整流PMOS管会关断，贮留在晶体管和电感的寄生元件中的能量会在SWN/SWP节点形成振铃，设计的振铃抑制电路通过将SWN节点钳制在Vbat和SWP点钳制在GND，使得电感两端电流和电压精确为零来抑制振铃，系统在监测到MOS管Q1和MOS管Q2同时处于断开时，识别到此时电路处于DCM模式，从而发出的抗振铃指令ANTI(低电平有效)从系统抗振铃指令ANTI端输送进振铃抑制电路中，启动将耦合电感L1两端电压差强制到零的操作，三极管HP3、三极管HP2构成从SWN到Vbat的可控通路；三极管P8、三极管P10、三极管N9、三极管N11和INV1构成电平转移单元，将逻辑信号转换为以Vbat为电源的逻辑电平，当ANTI为低电平时，三极管HN1的基极为高电平，三极管HN1导通，三极管HP2的基极被拉至低电平而导通，此时三极管HP3的基极也为低电平，同时导通，因此SWN连接Vbat，外部耦合电感L1下面线圈被短接，可以有效地抑制该引脚的振铃；在ANTI为高电平时，三极管HN1、三极管HP2、三极管HP3均截止，SWN与Vbat隔离，三极管HN605、R34构成SWP到GND的可控通路，当ANTI为低电平时，三极管HN605导通，SWP连接GND，将外部耦合电感L1的上面线圈短接，有效抑制振铃；当ANTI为高电平时，三极管HN605截止，SWP与GND断开。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种带振铃抑制的三开关单端初级电感式DC-DC转换器，其特征在于，包括振铃抑制电路和三开关SEPIC电路，所述振铃抑制电路通过电线接入三开关SEPIC电路上用于抑制三开关SEPIC电路的振铃现象。

2.根据权利要求1所述的一种带振铃抑制的三开关单端初级电感式DC-DC转换器，其特征在于，所述三开关SEPIC电路包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、电容C1、电容C2、电阻和耦合电感L1，所述MOS管Q3的一端连接电源的正极，另一端连接耦合电感L1一侧的一端，所述耦合电感L1一侧的另一端分别与电容C1和MOS管Q1的一端相连接，所述MOS管Q1的另一端和电源的负极均与地相连接，所述MOS管Q1一侧的引脚连接PWM电路用于接受控制信号，所述电容C1的另一端与MOS管Q2的一端相连，所述电容C2的一端与MOS管Q2的另一端相连接，另一端接地，所述电阻并在电容C2的两端。

3.根据权利要求2所述的一种带振铃抑制的三开关单端初级电感式DC-DC转换器，其特征在于，所述耦合电感L1、电容C1和MOS管Q1引脚相连接处形成SWN节点，所述MOS管Q2、电容C1和耦合电感L1引脚相连接处形成SWP节点。

4.根据权利要求3所述的一种带振铃抑制的三开关单端初级电感式DC-DC转换器，其特征在于，所述振铃抑制电路包括系统抗振铃指令ANTI端、三极管P8、三极管P10、三极管N9、三极管N11、三极管HN605、三极管HN1、三极管HP2、三极管HP3、INV1、INV2、INV3、INV4和电阻R34，所述三极管N9的基极和INV1的输入端均通过电气连接在系统抗振铃指令ANTI端，所述三极管N9的集电极分别与三极管P8的集电极和三极管P10的基极相连，所述三极管P8的发射极和三极管P10的发射极分别与电源相连接，所述三极管P10的集电极和三极管N11的集电极均与三极管P8的基极相连，所述三极管N9的发射极和三极管N11的发射极均接地，所述INV1的输出端与三极管N11的基极均连接在三极管HN605的基极上，所述电阻R34的一端连接三极管HN605的集电极，另一端连接在SWP节点上，所述三极管HN605的发射极接地，所述三极管N11的集电极分别与INV2的输入端和INV4的输入端相连，所述INV3的输入端与INV2的输出端相连，INV3的输出端与三极管HP3的基极相连，所述INV3的集电极与三极管HP2的发射极相连，INV3的发射极连接电源，所述三极管HP2的集电极与SWN节点相连，三极管HP2的基极与三极管HN1的集电极相连，所述三极管HN1的发射极接地，三极管HN1的基极与INV4的输出端相连。

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