CN102497101B - 一种自激式Buck电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自激式Buck电路，包括：电感L1、电容C1、二极管D1、开关管V1和输出采样电阻R11、R12，其中，电感L1、电容C1、二极管D1、开关管V1构成Buck主电路，输出采样电阻R11和R12相互串联后并联于负载端，同时还包括：电流采样电阻R1、PNP三极管Q1，PI调节电路、自激驱动电路。采用本发明解决了现有自激型Buck电路中输出电压稳定度不够的问题。

Description

一种自激式Buck电路

技术领域

本发明涉及一种自激式Buck电路。 

背景技术

在中小功率应用场合，与他激式DC/DC变换器和线性稳压电路相比，自激式DC/DC变换器具有电路简单，元器件少，效率高，成本低等优点。 

目前自激式Buck变换器的主开关管一般采用双极型晶体管实现；通过对输出滤波电感增加辅助绕组实现对开关管的开通控制；通过对输出电压采样后的信号与三极管的电压Vbe比较，通过一定的电路实现对开关管的关断控制，进而达到输出电压稳定的目的。 

中国ZL99108088.2号专利公开了一种自激式Buck变换器电路，如图1所示。Vi、Vo分别为变换器的直流输入、输出电压，由PNP晶体管Q1、耦合电感L1、二极管D1和电容C2构成Buck变换器的主电路。输出电压通过电阻R5、R6分压后接到NPN型晶体管Q3的基极，Q3的集电极通过电阻R1、R2与输入电压正相连，Q3的发射极直接与主电路的地相连。PNP型晶体管Q2的发射极与集电极分别于晶体管Q1的发射极和基极相连，Q2的基极与电阻R1和R2的连接点相连。耦合电感L2与电容C1和电阻R3串联后与晶体管Q1的发射极和基极。晶体管Q1的基极通过电阻R4与主电路的地相连。该电路的工作原理如下：当输入电压刚上电时，Q1饱和导通，D1截止，耦合电感L2上达到最大电压，L1、C2开始充电储能。充电过程中，L1电流增加，输出电压增加，Q1的发射极电压也随之增加，Q1的工作点逐渐退出饱和区，随之L1两端电压开始下降，耦合电感L2上两端电压逐渐下降，同时加大了对Q1基极电流的分流量，造成Q1的积极电流和集电极电流减小，进一步增加 Q1的发射极电压，电路进入正反馈，进而导致Q1的集电极电流迅速减小，当小于L1电流时D1导通为L1续流，Q1截止。此后L1放电释能，L1电流逐渐减小，待L1放电结束其电流为零时，D1截止，Q1又重新饱和导通，进入下一个自激周期。每一个自激周期都会使输出电压有一定的提高，若干周期后，当输出电压达到设定的输出电压时，电压反馈支路R5、R6、Q3、R1、R2、和Q2开始工作。当输出电压高于设定值时，输出电压通过R5、R6分压后使得Q3导通，电阻R1、R2上电压增加，进而Q2导通并分流一部分Q1的基极电流，达到缩短Q1导通时间、延长Q1管段时间的。当输出电压低于设定值时，Q3截止，Q2截止，Q1的开关时间又恢复原样。由此原理，电路实现输出电压的稳定。该电路的不足之处在于： 

(1)由于主开关管Q1使用PNP型晶体管，正常工作时导通和关断时间较长，深度饱和时导通压降大，导致变换器的效率不高。 

(2)输出电压通过电阻分压后与晶体管的Vbe导通电压比较，进而实现输出电压的稳定，而晶体管的导通压降在环境温度变化时变化很大，导致该电路的输出电压随着环境温度的变化而变化。 

发明内容

本发明的技术解决问题是：一种自激式Buck电路。采用本发明解决了现有自激型Buck电路中输出电压稳定度不够的问题。 

本发明的技术解决方案是： 

一种自激式Buck电路，包括：电感L1、电容C1、二极管D1、开关管V1和输出采样电阻R11、R12，其中，电感L1、电容C1、二极管D1、开关管V1构成Buck主电路，输出采样电阻R11和R12相互串联后并联于负载端，还包括：电流采样电阻R1、PNP三极管Q1，PI调节电路、自激驱动电路； 

所述电流采样电阻R1的一端与PNP三极管Q1的发射极与输入电压相连；所述电流采样电阻R1的另一端与开关管V1漏极相连；同时又与所述PI调节 电路的输出端连接于PNP三极管Q1的基极；所述PI调节电路的输入端与输出采样电阻R11和R12相连；所述PNP三极管Q1的输出电流用于控制开关管V1的关断； 

所述自激驱动电路连接于开关管V1的栅极和源极。 

所述PI调节电路包括基准稳压器。 

所述自激驱动电路由耦合电感、电容和电阻相互串联组成；所述耦合电感与电感L1采用同一磁芯。 

在所述自激驱动电路的两端并联有一个二极管。 

本发明与现有技术相比有益效果为： 

(1)在本发明的PI调节电路中采用基准稳压器实现对输出电压的反馈和闭环控制，比现有自激Buck变换技术控制更稳定，输出电压调整率更好，即使在温度变化范围很大的场合中也能保证变换器的恒压输出。 

(2)在本发明的自激驱动电路中通过耦合电感实现电路中开关管的开通控制，在该部分电路中增加了一个二极管，使耦合电感在开关管关断后能够为驱动电容C3充电，进而减少了耦合电感匝数，自激电路更容易实现。 

(3)本发明利用电流采样电阻R1对Buck主电路电流进行采样并与PI调节电路相结合进行控制，当主电路发生过流或者短路故障时，能够通过降低输出电压，实现对Buck电路和负载的保护。 

附图说明

图1为自激式Buck变换器电路图； 

图2为本发明示意图； 

图3为工作原理图。 

具体实施方式

下面就结合附图对本发明具体实施方式作进一步介绍。 

如图2所示，本发明为所述的自激式Buck变换电路，包括：电感L1、电容C1、二极管D1、开关管V1和输出采样电阻R11、R12，还包括电流采样 电阻R1、PNP三极管Q1，PI调节电路、自激驱动电路。PI调节电路包括基准稳压器D3、电容C2和电阻R6、R8。自激驱动电路包括耦合电感L2、电容C3、电阻R10。 

在电路中，Vi、Vo分别为变换器的输入、输出电压。电感L1、电容C1、二极管D1、开关管V1构成Buck主电路。在Buck主电路中，电流采样电阻R1串联于Buck主电路中。其中，电流采样电阻R1的一端与PNP三极管Q1的发射极和输入电压正端相连，电流采样电阻R1的另一端通过与开关管V1漏极相连，利用电流采样电阻R1实现对变换器主电路电流的采样。 

PI调节电路中，电阻R8和电容C2串联连接于基准稳压器D3的基准端和阴极端，用于实现变换器的反馈控制，实现对输出电压的稳定。D3的基准端和电容C2与输出端的分压电阻R12相连。基准稳压器D3的阴极端分别通过电阻R3和R6与PNP三极管Q1的基极和发射极相连，基准稳压器D3的阳极直接连接于Bcuk主电路中，从而保证对基准稳压器D3的供电。这部分电路可以实现开关管V1的关断时刻控制。 

自激驱动电路的两端分别与开关管V1的栅极和源极相连，二极管D2的阳极和阴极分别于三极管Q3的集电极和发射极相连。耦合电感L1标记同名端侧与二极管D1的阴极相连，耦合电感L2与电感L1采用同一磁芯。耦合电感L2未标记同名端侧与V1的源极相连，L2标记同名端侧与电阻R10和电容C3串联后接于D2的阴极，实现开关管的开通时刻控制。 

上述的PNP三极管Q1的集电极通过电阻R4与NPN三极管Q2的基极相连，Q1的基通过电阻R2连接于MOS管V1的漏极上极。与Q1的集电极相连的电阻R4通过电阻R5连接于输入的负端。三极管Q2的发射极连接于Bcuk主电路中，集电极与NPN三极管Q3的基极相连。三极管Q3的集电极和发射极分别与自激驱动电路的两端相连。在Q3的基极与发射极之间还连接有电阻R9。在开关管V1的栅极和输入的正端连接有电阻R7。 

下面结合图3说明该自激式Buck变换器的工作原理： 

t0时刻，输入电压Vi接入电源，输入电压通过电阻R7为开关管V1提供驱动电压，电容C3充电，达到V1开启门限电压后V1导通，加在耦合电感L1上电压为Vi，耦合后电感L2标记同名端侧电压为正，该电压与电容C3上电压叠加，维持V1导通。此后电感L1进入储能阶段，其电流上升，电容C1进入充电阶段，输出电压Vo上升，采样反馈后基准稳压器D3阴极电压VK由最大值下降，采样电阻R1两端电压VR1上升，Vi与Vk经电阻R1、R2、R3分压后的信号再与VR1叠加，电阻R1和R2上分得的电压逐渐增加，即Q1发射极与基极间电压Veb逐渐增加。 

t1时刻，Veb大于三极管Q1的开启电压Vebth，Q1进入放大工作状态，R4迅速驱动三极管Q2进而导通三极管Q3，将V1栅源极电压拉低，V1截止，同时二极管D1导通，为电感L1续流。此后，L1上电压反向，耦合电感L2上电压反向，二极管D2导通，为电感L2续流，同时电容C3充电。由于V1截止，电阻R1上电流为零，三极管Q1、Q2、Q3均截止。此后电感L1上电流逐渐减小，输出电压增加。 

t2时刻，电感L1上电流降为零时，二极管D1截止，电感L1、L2上电压均为零，电容C3上的电压触发V1导通，进入下一自激周期。以后的每个自激周期中V1均是由电容C3上的电压触发开通，V1的关断则是通过触发Q1导通而引起的。 

每一个自激周期都会使输出电压有一定的提高，若干周期后，输出电压增加到设定值。当输出电压超过设定值时，基准稳压器阴极电流增加，Vk下降，则R1、R2上分得的电压增加，而此时电阻R1从主电路上采样的电压三角波斜率不变，则叠加后的电压增加，Q1导通时刻提前，进而变换器占空比减小，使输出电压降低；当输出电压降低时，D3上电流减小，Vk增加，则R1、R2上分得的电压减小，电阻R1从主电路上采样的三角波斜率仍然不变，则叠加 后的电压减小，Q1饱和导通时刻滞后，进而变换器占空比增加，使输出电压增加，最终变换器达到输出电压稳定的状态。 

本电路具有电流保护功能，通过改变电阻R1的值，可以实现对过流保护点的设定。当主电路电流增大时，电阻R1上压降增加，当R1上电压足以开启Q1时，进入电流保护状态；之后负载电流继续增大，输出电压随之降低，直到输出电压恒定，此时电路工作在输出短路保护状态。 

本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。 

Claims (1)

1.一种自激式Buck电路，包括：电感L1、电容C1、二极管D1、开关管V1和输出采样电阻R11、R12，其中，电感L1、电容C1、二极管D1、开关管V1构成Buck主电路，输出采样电阻R11和R12相互串联后并联于负载端，其特征在于还包括：电流采样电阻R1、PNP三极管Q1，PI调节电路、自激驱动电路；所述开关管V1为N沟道MOS管；

所述电流采样电阻R1的一端与PNP三极管Q1的发射极与输入电压相连；所述电流采样电阻R1的另一端与开关管V1漏极相连；同时又与所述PI调节电路的输出端连接于PNP三极管Q1的基极；所述PI调节电路的输入端与输出采样电阻R11和R12相连；所述PNP三极管Q1的输出电流用于控制开关管V1的关断；

所述自激驱动电路连接于开关管V1的栅极和源极；

所述PI调节电路包括基准稳压器、电阻R8、电容C2，电阻R8和电容C2串联连接于基准稳压器D3的基准端和阴极端；

所述自激驱动电路由耦合电感、电容和电阻相互串联组成；所述耦合电感与电感L1采用同一磁芯；

在所述自激驱动电路的两端并联有一个二极管。