CN104038061A - 输入自适应自激式Buck变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种输入自适应自激式Buck变换器,包括主回路和用于自适应限流保护的输入自适应控制电路,所述主回路包括输入电容Ci、电感L、PNP型BJT管Q3、输出电容Co、用于驱动PNP型BJT管Q3的驱动电路和用于降低续流导通损耗的续流子电路,所述驱动电路包括NPN型BJT管Q2、电阻R2、电阻R4、电阻R6和二极管D1,所述输入自适应控制电路包括NPN型BJT管Q1、二极管D2、电阻R1、电阻R3和电阻R5;本发明通过输入自适应控制电路控制电感L的电流或PNP型BJT管Q3的集电极电流,具有输入自适应特征的限流功能,并且,通过输入自适应控制电路还实现了较小的电流检测损耗;续流子电路降低了Buck变换器的续流导通损耗,非常适合辅助开关电源、LED驱动、能量收集等方面的应用。
Description
技术领域
本发明涉及自激式直流-直流变换器技术领域,尤其涉及一种输入自适应自激式Buck变换器。
背景技术
中国专利ZL201210154711.5公开了一种“主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Buck变换器”,如图1所示,它包括由输入电容Ci、PNP型BJT管Q1、二极管D、电感L和电容Co组成的主回路以及由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、NPN型BJT管(双极结型晶体管)Q2和PNP型BJT管Q3组成的主开关管Q1的驱动单元,还包括由电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C2、二极管D1和NPN型BJT管Q4组成的电流反馈支路。该种Buck变换器具有降压的电压变换功能,电路结构简单、元器件数目少,不需要耦合电感参与电路的自激工作。但是,上述Buck变换器的电流反馈支路采用电阻R6直接检测电感L的电流,损耗较大;同时,主回路采用二极管D用于续流,续流导通损耗较大,从而变换器的总损耗高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有自激式Buck变换器在电流检测损耗、重要器件限流保护能力、续流导通损耗等方面的不足,提供了一种具有输入自适应的限流保护能力、电流检测损耗较小和续流导通损耗较小的输入自适应自激式Buck变换器。
为解决上述问题,本发明的技术方案是:
一种输入自适应自激式Buck变换器,所述Buck变换器包括主回路和用于自适应限流保护的输入自适应控制电路,所述主回路包括输入电容Ci、电感L、PNP型BJT管Q3、输出电容Co、用于驱动PNP型BJT管Q3的驱动电路和用于降低续流导通损耗的续流子电路,所述驱动电路包括NPN型BJT管Q2、电阻R2、电阻R4、电阻R6和二极管D1,所述输入自适应控制电路包括NPN型BJT管Q1、二极管D2、电阻R1、电阻R3和电阻R5;
所述输入电容Ci并联在直流电压源Vi的两端,输出电容Co两端电压为直流 输出电压Vo,直流电压源Vi的正端与PNP型BJT管Q3的发射极以及电阻R1的一端相连,PNP型BJT管Q3的集电极与电感L的一端、二极管D1的阴极以及电阻R2的一端相连,电感L的另一端与电阻R6的一端以及直流输出电压Vo的正端相连,直流输出电压Vo的负端与电阻R5的一端和电阻R3的一端相连,电阻R5的另一端与电阻R4的一端、NPN型BJT管Q1的发射极以及直流电压源Vi的负端相连,NPN型BJT管Q1的基极与电阻R1的另一端和电阻R3的另一端相连,NPN型BJT管Q1的集电极与二极管D2的阴极相连,二极管D2的阳极与二极管D1的阳极、电阻R2的另一端以及NPN型BJT管Q2的基极相连,NPN型BJT管Q2的发射极与电阻R4的另一端相连,NPN型BJT管Q2的集电极与PNP型BJT管Q3的基极以及电阻R6的另一端相连,续流子电路连接在PNP型BJT管Q3的集电极与直流输出电压Vo的负端之间。
优选地,所述电阻R1的阻值、电阻R2的阻值以及NPN型BJT管Q1的直流增益β1满足下列条件时,电感L的电流最大值iLm或PNP型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m根据直流电压源Vi的大小进行自适应调节;当(R1-β1R2)<0时,所述Buck变换器具有输入自适应的负特性,电感L的电流最大值iLm或PNP型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m与直流电压源Vi成负线性关系;当(R1-β1R2)>0时,所述Buck变换器具有输入自适应的正特性,电感L的电流最大值iLm或PNP型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m与直流电压源Vi成正线性关系;当(R1-β1R2)=0时,所述Buck变换器具有输入自适应的零特性,电感L的电流最大值iLm或PNP型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m与直流电压源Vi无关。
优选地,所述续流子电路包括PNP型BJT管Q5、NPN型BJT管Q4、电阻R7和电阻R9,PNP型BJT管Q3的集电极与NPN型BJT管Q4的发射极和电阻R9的一端相连,电感L的另一端与PNP型BJT管Q5的发射极相连,直流输出电压Vo的负端与NPN型BJT管Q4的集电极相连,NPN型BJT管Q4的基极与电阻R7的一端相连,电阻R7的另一端与PNP型BJT管Q5的集电极相连,PNP型BJT管Q5的基极与电阻R9的另一端相连。
优选地,所述续流子电路还包括电阻R8、电阻R10、电容C3和电容C4,电 阻R8的一端与直流输出电压Vo的负端相连,电阻R8的另一端与NPN型BJT管Q4的基极相连,电阻R10并联在PNP型BJT管Q5的发射极与基极之间,电容C3并联在电阻R7的两端,电容C4并联在电阻R9的两端。
优选地,所述输入自适应控制电路还包括电容C2,电容C2的一端与直流输出电压Vo的负端相连,电容C2的另一端与NPN型BJT管Q1的基极相连。
优选地,所述驱动电路还包括电容C1,电容C1的一端与PNP型BJT管Q3的集电极相连,电容C1的另一端与二极管D2的阳极相连。
优选地,所述驱动电路还包括二极管D3,二极管D3的阴极与直流电压源Vi的正端相连,二极管D3的阳极与PNP型BJT管Q3的集电极相连。
优选地,所述驱动电路还包括稳压管Z,稳压管Z的阴极与NPN型BJT管Q2的基极相连,稳压管Z的阳极与直流电压源Vi的负端相连。
相比较于现有技术,本发明的输入自适应自激式Buck变换器通过输入自适应控制电路控制电感L的电流或PNP型BJT管Q3的集电极电流,具有输入自适应特征的限流功能,并且,通过输入自适应控制电路还实现了较小的电流检测损耗;续流子电路降低了Buck变换器的续流导通损耗,非常适合辅助开关电源、LED驱动、能量收集等方面的应用。
附图说明
图1是现有技术中Buck变换器的电路图。
图2是本发明输入自适应自激式Buck变换器的电路图。
图3是本发明输入自适应自激式Buck变换器实施例1的电路图。
图4是本发明输入自适应自激式Buck变换器实施例1稳态时电感电流iL临界连续模式下的仿真工作波形图。
图5是本发明输入自适应自激式Buck变换器实施例2的电路图。
图6是本发明输入自适应自激式Buck变换器实施例2稳态时电感电流iL临界连续模式下的仿真工作波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明,但本发明的保护范围并不限于此。
参照图2,本发明的输入自适应自激式Buck变换器包括主回路和用于自适 应限流保护的输入自适应控制电路,所述主回路包括输入电容Ci、电感L、PNP型BJT管Q3、输出电容Co、用于驱动PNP型BJT管Q3的驱动电路和用于降低续流导通损耗的续流子电路,所述驱动电路包括NPN型BJT管Q2、电阻R2、电阻R4、电阻R6和二极管D1,所述输入自适应控制电路包括NPN型BJT管Q1、二极管D2、电阻R1、电阻R3和电阻R5。
所述输入电容Ci并联在直流电压源Vi的两端,输出电容Co两端电压为直流输出电压Vo,负载R并联在输出电容Co的两端,直流电压源Vi的正端与PNP型BJT管Q3的发射极以及电阻R1的一端相连,PNP型BJT管Q3的集电极与电感L的一端、二极管D1的阴极以及电阻R2的一端相连,电感L的另一端与电阻R6的一端以及直流输出电压Vo的正端相连,直流输出电压Vo的负端与电阻R5的一端和电阻R3的一端相连,电阻R5的另一端与电阻R4的一端、NPN型BJT管Q1的发射极以及直流电压源Vi的负端相连,NPN型BJT管Q1的基极与电阻R1的另一端和电阻R3的另一端相连,NPN型BJT管Q1的集电极与二极管D2的阴极相连,二极管D2的阳极与二极管D1的阳极、电阻R2的另一端以及NPN型BJT管Q2的基极相连,NPN型BJT管Q2的发射极与电阻R4的另一端相连,NPN型BJT管Q2的集电极与PNP型BJT管Q3的基极以及电阻R6的另一端相连,续流子电路连接在PNP型BJT管Q3的集电极与直流输出电压Vo的负端之间。
本发明具有限流功能,在Buck变换器处于稳态时电感电流iL临界连续模式下,电感L的电流最大值iLm或PNP型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m都满足下式:
其中,ic3m为PNP型BJT管Q3的集电极电流最大值,ib3为PNP型BJT管Q3的基极电流,β3为PNP型BJT管Q3的直流增益,ic1为NPN型BJT管Q1的集电极电流,β1为NPN型BJT管Q1的直流增益,ic2为NPN型BJT管Q2的集电极电流,ib2为NPN型BJT管Q2的基极电流,β2为NPN型BJT管Q2的直流增益,VBE1为NPN型BJT管Q1的基极-发射极导通压降,VBE2为NPN型 BJT管Q2的基极-发射极导通压降,VEC3为PNP型BJT管Q3的发射极-集电极饱和导通电压。
简化上述表达式,可得如下式(1):
其中,β1是NPN型BJT管Q1的直流增益,β2是NPN型BJT管Q2的直流增益,β3是PNP型BJT管Q3的直流增益,VBE1是NPN型BJT管Q1的基极-发射极导通压降,VBE2是NPN型BJT管Q2的基极-发射极导通压降,VEC3是PNP型BJT管Q3的发射极-集电极饱和导通压降。
所述电阻R1的阻值、电阻R2的阻值以及NPN型BJT管Q1的直流增益β1满足下列条件时,电感L的电流最大值iLm或PNP型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m根据直流电压源Vi的大小进行自适应调节;当(R1-β1R2)<0时,所述Buck变换器具有输入自适应的负特性,电感L的电流最大值iLm或PNP型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m与直流电压源Vi成负线性关系;当(R1-β1R2)>0时,所述Buck变换器具有输入自适应的正特性,电感L的电流最大值iLm或PNP型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m与直流电压源Vi成正线性关系;当(R1-β1R2)=0时,所述Buck变换器具有输入自适应的零特性,电感L的电流最大值iLm或PNP型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m与直流电压源Vi无关。
实施例1:
参照图3,实施例1包括主回路和用于自适应限流保护的输入自适应控制电路,所述主回路包括输入电容Ci、电感L、PNP型BJT管Q3、输出电容Co、用于驱动PNP型BJT管Q3的驱动电路和用于降低续流导通损耗的续流子电路;所述驱动电路包括NPN型BJT管Q2、电阻R2、电阻R4、电阻R6、二极管D1、电 容C1和二极管D3;所述输入自适应控制电路包括NPN型BJT管Q1、二极管D2、电阻R1、电容C2、电阻R3和电阻R5;所述续流子电路包括PNP型BJT管Q5、NPN型BJT管Q4、电阻R7、电阻R9、电阻R8、电阻R10、电容C3和电容C4。二极管D3的作用是将多余的寄生振荡能量回馈给直流电压源Vi,电容C1的作用是改善NPN型BJT管Q2的开关速度,电容C3的作用是改善NPN型BJT管Q4的开关速度,电容C4的作用是改善PNP型BJT管Q5的开关速度,电容C2的作用是改善输入自适应控制电路的动态性能,R8的作用是防止NPN型BJT管Q4反向导通,电阻R10的作用是优化PNP型BJT管Q5的开关时间点。
所述输入电容Ci与直流电压源Vi并联,所述输出电容Co两端电压为直流输出电压Vo,负载R与所述输出电容Co并联,直流电压源Vi的正端与二极管D3的阴极、PNP型BJT管Q3的发射极以及电阻R1的一端相连,PNP型BJT管Q3的集电极与电感L的一端、NPN型BJT管Q4的发射极、二极管D3的阳极、二极管D1的阴极、电阻R2的一端、电容C1的一端、电容C4的一端以及电阻R9的一端相连,电感L的另一端与电阻R6的一端、PNP型BJT管Q5的发射极、电阻R10的一端以及直流输出电压Vo的正端相连,直流输出电压Vo的负端与电阻R8的一端、NPN型BJT管Q4的集电极、电阻R5的一端、电阻R3的一端以及电容C2的一端相连,电阻R5的另一端与电阻R4的一端、NPN型BJT管Q1的发射极以及直流电压源Vi的负端相连,NPN型BJT管Q4的基极与电阻R8的另一端、电阻R7的一端以及电容C3的一端相连,电阻R7的另一端与电容C3的另一端以及PNP型BJT管Q5的集电极相连,PNP型BJT管Q5的基极与电阻R10的另一端、电阻R9的另一端以及电容C4的另一端相连,NPN型BJT管Q1的基极与电阻R1的另一端、电阻R3的另一端以及电容C2的另一端相连,NPN型BJT管Q1的集电极与二极管D2的阴极相连,二极管D2的阳极与二极管D1的阳极、电阻R2的另一端、电容C1的另一端以及NPN型BJT管Q2的基极相连,NPN型BJT管Q2的发射极与电阻R4的另一端相连,NPN型BJT管Q2的集电极与PNP型BJT管Q3的基极以及电阻R6的另一端相连。
本发明的技术构思为:输入自适应的自激式Buck变换器采用由NPN型BJT管Q1、二极管D2、电阻R1、电阻R3、电容C2、电阻R5组成的输入自适应控制单元,可获得具有输入自适应特征的限流功能和较小的电流检测损耗;采用由 PNP型BJT管Q5、NPN型BJT管Q4、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C3、电容C4组成的续流子电路,可获得较小的续流导通损耗。
参照图4,实施例1的工作原理如下:
一个稳态工作周期(t11至t13)内,实施例1处于电感电流iL临界连续模式下的工作状态大致可分成2个阶段:t11至t12阶段和t12至t13阶段。下面为阐述方便,省略本实施例中各元器件的中文名称,仅以符号表示。
当实施例1处于t11至t12阶段时,Q3、Q2饱和导通,Q1线性放大导通,D2导通,D1、Q4、Q5截止,Vi、Q3、L、Co、R和R5构成一个回路,L充电,L的电流iL和Q3的集电极电流ic3均从0开始增加,Q3的集电极电压vc3也随之从Vi开始减小,同时Q3的基极电流ib3逐渐减小。
当实施例1处于t12至t13阶段时,D1导通,Q4、Q5饱和导通,Q3、Q2、D2截止,Q1的基极-发射极导通情况视Vi而定,Q4、L、Co和R构成一个回路,L放电,电感电流iL和Q4的集电极电流ic4均减小直至0,Q3的集电极电压vc3约等于0,Q2的基极电压vb2约等于0,同时Q3的基极电流ib3为0。
实施例1具有限流功能,若不考虑电容C2的影响,L的电流最大值iLm或Q3的集电极电流最大值ic3m都满足式(1),即
当(R1-β1R2)<0时,实施例1具有输入自适应的负特性,L的电流最大值iLm或Q3的集电极电流最大值ic3m与直流电压源Vi成负线性关系。当(R1-β1R2)>0时,实施例1具有输入自适应的正特性,L的电流最大值iLm或Q3的集电极电流最大值ic3m与直流电压源Vi成正线性关系。当(R1-β1R2)=0时,实施例1具有输入自适应的零特性,L的电流最大值iLm或Q3的集电极电流最大值ic3m与直流电压源Vi无关。
实施例2:
参照图5,实施例2在实施例1的基础上还包括稳压管Z,稳压管Z的阴极与NPN型BJT管Q2的基极相连,稳压管Z的阳极与直流电压源Vi的负端相连,稳压管Z具有拓宽电路工作范围的作用。
参照图6,实施例2的电路工作原理与实施例1相似,也具有输入自适应的限流功能。一个稳态工作周期(t21至t23)内,实施例2处于电感电流iL临界 连续模式下的工作状态大致可分成2个阶段:t21至t22阶段和t22至t23阶段。不同之处主要在于:当实施例2处于t21至t22阶段时,Q2的基极电压vb2等于稳压管Z的反向导通压降VZ。
上述说明中,凡未加特别说明的,均采用现有技术中的常规技术手段。
Claims (8)
1.一种输入自适应自激式Buck变换器,其特征在于,所述Buck变换器包括主回路和用于自适应限流保护的输入自适应控制电路,所述主回路包括输入电容Ci、电感L、PNP型BJT管Q3、输出电容Co、用于驱动PNP型BJT管Q3的驱动电路和用于降低续流导通损耗的续流子电路,所述驱动电路包括NPN型BJT管Q2、电阻R2、电阻R4、电阻R6和二极管D1,所述输入自适应控制电路包括NPN型BJT管Q1、二极管D2、电阻R1、电阻R3和电阻R5;
所述输入电容Ci并联在直流电压源Vi的两端,输出电容Co两端电压为直流输出电压Vo,直流电压源Vi的正端与PNP型BJT管Q3的发射极以及电阻R1的一端相连,PNP型BJT管Q3的集电极与电感L的一端、二极管D1的阴极以及电阻R2的一端相连,电感L的另一端与电阻R6的一端以及直流输出电压Vo的正端相连,直流输出电压Vo的负端与电阻R5的一端和电阻R3的一端相连,电阻R5的另一端与电阻R4的一端、NPN型BJT管Q1的发射极以及直流电压源Vi的负端相连,NPN型BJT管Q1的基极与电阻R1的另一端和电阻R3的另一端相连,NPN型BJT管Q1的集电极与二极管D2的阴极相连,二极管D2的阳极与二极管D1的阳极、电阻R2的另一端以及NPN型BJT管Q2的基极相连,NPN型BJT管Q2的发射极与电阻R4的另一端相连,NPN型BJT管Q2的集电极与PNP型BJT管Q3的基极以及电阻R6的另一端相连,续流子电路连接在PNP型BJT管Q3的集电极与直流输出电压Vo的负端之间。
2.根据权利要求1所述的输入自适应自激式Buck变换器,其特征在于,所述电阻R1的阻值、电阻R2的阻值以及NPN型BJT管Q1的直流增益β1满足下列条件时,电感L的电流最大值iLm或PNP型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m根据直流电压源Vi的大小进行自适应调节;当(R1-β1R2)<0时,所述Buck变换器具有输入自适应的负特性,电感L的电流最大值iLm或PNP型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m与直流电压源Vi成负线性关系;当(R1-β1R2)>0时,所述Buck变换器具有输入自适应的正特性,电感L的电流最大值iLm或PNP型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m与直流电压源Vi成正线性关系;当(R1-β1R2)=0时,所述Buck变换器具有输入自适应的零特性,电感L的电流最大值iLm或PNP型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m与直流电压源Vi无关。
3.根据权利要求1所述的输入自适应自激式Buck变换器,其特征在于,所述续流子电路包括PNP型BJT管Q5、NPN型BJT管Q4、电阻R7和电阻R9,PNP型BJT管Q3的集电极与NPN型BJT管Q4的发射极和电阻R9的一端相连,电感L的另一端与PNP型BJT管Q5的发射极相连,直流输出电压Vo的负端与NPN型BJT管Q4的集电极相连,NPN型BJT管Q4的基极与电阻R7的一端相连,电阻R7的另一端与PNP型BJT管Q5的集电极相连,PNP型BJT管Q5的基极与电阻R9的另一端相连。
4.根据权利要求3所述的输入自适应自激式Buck变换器,其特征在于,所述续流子电路还包括电阻R8、电阻R10、电容C3和电容C4,电阻R8的一端与直流输出电压Vo的负端相连,电阻R8的另一端与NPN型BJT管Q4的基极相连,电阻R10并联在PNP型BJT管Q5的发射极与基极之间,电容C3并联在电阻R7的两端,电容C4并联在电阻R9的两端。
5.根据权利要求1所述的输入自适应自激式Buck变换器,其特征在于,所述输入自适应控制电路还包括电容C2,电容C2的一端与直流输出电压Vo的负端相连,电容C2的另一端与NPN型BJT管Q1的基极相连。
6.根据权利要求1所述的输入自适应自激式Buck变换器,其特征在于,所述驱动电路还包括电容C1,电容C1的一端与PNP型BJT管Q3的集电极相连,电容C1的另一端与二极管D2的阳极相连。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的输入自适应自激式Buck变换器,其特征在于,所述驱动电路还包括二极管D3,二极管D3的阴极与直流电压源Vi的正端相连,二极管D3的阳极与PNP型BJT管Q3的集电极相连。
8.根据权利要求7中任意一项所述的输入自适应自激式Buck变换器,其特征在于,所述驱动电路还包括稳压管Z,稳压管Z的阴极与NPN型BJT管Q2的基极相连,稳压管Z的阳极与直流电压源Vi的负端相连。
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