CN108322053B - 一种降压式变换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降压式变换电路，用于给控制电路供电，包括主开关管、开关管和变压器；所述主开关管的输入端接入工作脉冲信号，使所述主开关管由截止转为导通；所述主开关管的输出端与所述变压器连接，以启动所述变压器；所述开关管的输入端在电路轻载时接入窄脉冲信号，使所述开关管由截止转为导通；所述开关管的输出端与所述变压器连接，迫使所述变压器的反射电压达到输出电压，以提供稳定辅助电源。本发明能够在电路轻载时，提供稳定辅助电源，为控制电路等供电。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种降压式变换电路。
背景技术
工作电压较高的BUCK降压型电路，为了工作的可靠，需要使用额外的辅助电源，为高侧场效应管的驱动电路、控制电路分别供电。为了简化电路，降低成本，可利用启动电阻实现上电启动，以及利用输出电感上的辅助绕组持续供电。
但是，对于现有的降压型电路，在输出空载时(几乎只有电压反馈的采样电阻作为负载)，工作的占空比极小，变压器的电流也较小。在电路由导通转为关断后，变压器续流，由变压器的电流对寄生电容进行充电，使变压器的反射电压达不到输出电压。与此电压成比例的各辅助绕组，整流后的电压也较低，使得控制电路和驱动电路将无法维持正常工作。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提供了一种降压式变换电路，能够在电路轻载时，提供稳定辅助电源，为控制电路等供电。
本发明就上述技术问题而提出的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种降压式变换电路，用于给控制电路供电，包括主开关管、开关管和变压器；
所述主开关管的输入端接入工作脉冲信号，使所述主开关管由截止转为导通；所述主开关管的输出端与所述变压器连接，以启动所述变压器；
所述开关管的输入端在电路轻载时接入窄脉冲信号，使所述开关管由截止转为导通；所述开关管的输出端与所述变压器连接，迫使所述变压器的反射电压达到输出电压，以提供稳定辅助电源。
进一步地，所述窄脉冲信号的接入时间与所述工作脉冲信号的接入时间之间相隔一个死区时间；
所述主开关管接入所述工作脉冲信号导通后，所述变压器的电流上升到最大值，所述主开关管截止；所述变压器的电流在所述死区时间内线性下降；在所述死去时间结束后，所述开关管接入所述窄脉冲信号导通，所述变压器的电流逐渐下降为0后反向上升为最大值，所述开关管截止；所述变压器的电流由反向电流进行续流，直至所述反向电流下降为0。
进一步地，所述窄脉冲信号的持续时间为t3，所述变压器的电感量为L，所述输出电压为UO，所述变压器电流的反向最大值为
以使所述变压器的反射电压达到所述输出电压，以提供稳定辅助电源。
进一步地，所述电路还包括输出电容；
所述输出电容与所述变压器连接，用于在所述开关管周期性的导通过程中，通过所述变压器的电流进行充电，并在输入断电时，将存储的电压加载到所述变压器上，以维持电路工作。
进一步地，所述电路还包括输入电容；
所述输入电容与所述变压器连接，用于在所述主开关管周期性的导通过程中，通过所述变压器的电流进行充电，并在输入断电时，将存储的电压加载到所述变压器上，以维持电路工作。
进一步地，所述主开关管和所述开关管均为场效应管。
进一步地，所述电路还包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一隔离驱动器和第二隔离驱动器；所述变压器包括原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组；
所述主开关管的漏极连接电源正极，所述主开关管的源极分别与所述变压器的原边绕组的同名端、所述第一副边绕组的同名端、所述第一隔离驱动器的第三端、所述第一二极管的负极、所述开关管的漏极连接，所述主开关管的栅极与所述第一隔离驱动器的第一端连接，所述第一隔离驱动器的第二端与所述第三二极管的负极连接，所述第三二极管的正极与所述变压器的第一副边绕组的异名端连接，所述第一隔离驱动器的第四端与所述控制电路连接；
所述开关管的源极、所述第一二极管的正极、所述第二隔离驱动器的第三端、所述变压器的第二副边绕组的同名端分别与电源负极连接，所述开关管的栅极与所述第二隔离驱动器的第一端连接，所述第二隔离驱动器的第二端分别与所述第二二极管的负极、所述控制电路连接，所述第二隔离驱动器的第四端与所述控制电路连接，所述第二二极管的正极与所述变压器的第二副边绕组的异名端连接；
所述输入电容的一端连接电源正极，所述输入电容的另一端连接电源负极；所述输出电容的一端与所述变压器的原边绕组的异名端连接，所述输出电容的另一端连接电源负极。
进一步地，所述电路还包括第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻、负载电阻、传感器和电压传感器；
所述第一电容的一端与所述第三二极管的负极连接，所述第一电容的另一端与所述主开关管的源极连接；所述第二电容的一端与所述第二二极管的负极连接，所述第二电容的另一端连接电源负极；所述第一电阻的一端、所述第二电阻的一端分别连接电源正极，所述第一电阻的另一端连接所述第二二极管的负极；所述第二电阻的另一端与所述第三二极管的负极连接；
所述传感器的第一端与所述变压器的原边绕组的异名端连接，所述传感器的第二端与所述控制电路连接，所述传感器的第三端分别与所述电压传感器的第二端、所述输出电容的一端、所述负载电阻的一端连接；所述电压传感器的第三端、所述负载电阻的另一端分别连接电源负极，所述电压传感器的第一端与所述控制电路连接。本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
在电路中增加开关管，在电路轻载时，额外接入一个窄脉冲信号，导通开关管，迫使变压器的反射电压等于输出电压，各个辅助绕组即能输出成比例的电压，为控制电路、驱动电路提供稳定的直流电压，完美的解决了轻载、空载的问题，无需另外的辅助电源，成本低，且简化电路，可靠性高；工作脉冲信号和窄脉冲信号的输入方式，使电路轻载时变压器只有小电流的反向励磁，整个电路待机消耗功率较低；输出电容存储的能量也能用于维持变压器各绕组的供电输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的降压式变换电路的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的降压式变换电路轻载时工作脉冲信号在前、窄脉冲信号在后的工作波形图；
图3是本发明实施例一提供的降压式变换电路轻载时窄脉冲信号在前、工作脉冲信号在后的工作波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种降压式变换电路，参见图1，用于给控制电路1供电，包括主开关管Q1、开关管Q2和变压器T1；
所述主开关管Q1的输入端接入工作脉冲信号，使所述主开关管Q1由截止转为导通；所述主开关管Q1的输出端与所述变压器T1连接，以启动所述变压器T1；
所述开关管Q2的输入端在电路轻载时接入窄脉冲信号，使所述开关管Q2由截止转为导通；所述开关管Q2的输出端与所述变压器T1连接，迫使所述变压器T1的反射电压达到输出电压，以提供稳定辅助电源。
需要说明的是，开关管Q2为一个小功率开关管，其容量为主开关管Q1容量的1/2～1/4。主开关管Q1和开关管Q2通过控制器(图中未示出)接入脉冲信号。
在电路轻载时，控制器额外输出一个窄脉冲到开关管Q2，以导通开关管Q2，迫使变压器T1的反射电压等于输出电压，变压器T1的各个辅助绕组即能输出成比例的电压，为控制电路、驱动电路等提供稳定的直流电压。
进一步地，所述窄脉冲信号的接入时间与所述工作脉冲信号的接入时间之间相隔一个死区时间；
所述主开关管接入所述工作脉冲信号导通后，所述变压器的电流上升到最大值，所述主开关管截止；所述变压器的电流在所述死区时间内线性下降；在所述死去时间结束后，所述开关管接入所述窄脉冲信号导通，所述变压器的电流逐渐下降为0后反向上升为最大值，所述开关管截止；所述变压器的电流由反向电流进行续流，直至所述反向电流下降为0。
需要说明的是，控制器与常规电流模式或者电压模式PWM控制器的环路基本相同，只是发波方式不同，需在每个工作脉冲信号的上升沿之前或者下降沿之后，增加一个窄脉冲信号，并与原来工作脉冲信号保持合理的死区。
电路轻载时工作脉冲信号VH在前、窄脉冲信号VL在后的工作波形如图2所示。在开关管的每个开关周期，电路具有4个状态：控制器输出工作脉冲信号，主开关管Q1导通，变压器T1的电流上升，达到最大值，然后关断主开关管Q1，其中主开关管Q1的持续时间为t1；为防止直通，设置死区时间，在死区时间内变压器T1的电流线性下降，其中死区时间为t2；在死区时间结束后，开关管Q2驱动脉冲(宽度约500ns)，此时变压器T1的电流继续下降到0，然后反向上升为最大值，开关管Q2关断，其中开关管Q2的导通时间为t3；变压器T1处于续流状态，电流由反向电流续流，并逐渐下降到0，其中变压器T1续流状态所持续的时间为t4。在变压器T1电流下降到0，直至下一个开关周期的期间，主开关管Q1和开关管Q2均在截止状态。
电路轻载时窄脉冲信号VL在前、工作脉冲信号VH在后的工作波形如图3所示，其工作方式与工作脉冲信号VH在前、窄脉冲信号VL在后的工作方式大体相同，再次不在详细赘述。
进一步地，所述窄脉冲信号的持续时间为t3，所述变压器的电感量为L，所述输出电压为UO，所述变压器电流的反向最大值为
以使所述变压器的反射电压达到所述输出电压，以提供稳定辅助电源。
需要说明的是，在设置了t2、t3的时间长度后，t1、t4的时间由输入输出电压决定。本实施例中的Ipk比现有技术中不加开关管Q2时的空载情况要大得多，是满负载的2.5％左右，且开关管Q2可以硬开通，强迫变压器T1两端电压达到输出电压，因此变压器T1的各辅助绕组均能整流取电。
进一步地，所述电路还包括输出电容C1；
所述输出电容C1与所述变压器T1连接，用于在所述开关管周期性的导通过程中，通过所述变压器T1的电流进行充电，并在输入断电时，将存储的电压加载到所述变压器T1上，以维持电路工作。
进一步地，所述电路还包括输入电容C2；
所述输入电容C2与所述变压器T1连接，用于在所述主开关管周期性的导通过程中，通过所述变压器T1的电流进行充电，并在输入断电时，将存储的电压加载到所述变压器T1上，以维持电路工作。
其中，在输入电容C2或输出电容C1有能量存储的情况下，开关管Q2的周期性导通，能够将存储的能量转移到输入端，以维持变压器T1各绕组的供电而保持电路工作。
进一步地，所述主开关管Q1和所述开关管Q2均为场效应管。
其中，开关管Q2还可由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，或者MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)构成(MOSFET最好再串联一个低压肖特基二极管)。
进一步地，所述电路还包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一隔离驱动器U1和第二隔离驱动器U2；所述变压器T1包括原边绕组L1、第一副边绕组L2和第二副边绕组L3；
所述主开关管Q1的漏极连接电源V正极，所述主开关管Q1的源极分别与所述变压器T1的原边绕组L1的同名端、所述第一副边绕组L2的同名端、所述第一隔离驱动器U1的第三端、所述第一二极管D1的负极、所述开关管Q2的漏极连接，所述主开关管Q1的栅极与所述第一隔离驱动器U1的第一端连接，所述第一隔离驱动器U1的第二端与所述第三二极管D3的负极连接，所述第三二极管D3的正极与所述变压器T1的第一副边绕组L2的异名端连接，所述第一隔离驱动器U1的第四端与所述控制电路1连接；
所述开关管Q2的源极、所述第一二极管D1的正极、所述第二隔离驱动器U2的第三端、所述变压器T1的第二副边绕组L3的同名端分别与电源V负极连接，所述开关管Q2的栅极与所述第二隔离驱动器U2的第一端连接，所述第二隔离驱动器U2的第二端分别与所述第二二极管D2的负极、所述控制电路1连接，所述第二隔离驱动器U2的第四端与所述控制电路1连接，所述第二二极管D2的正极与所述变压器T1的第二副边绕组L3的异名端连接；
所述输入电容C2的一端连接电源V正极，所述输入电容C2的另一端连接电源V负极；所述输出电容C1的一端与所述变压器T1的原边绕组L1的异名端连接，所述输出电容C1的另一端连接电源V负极。
进一步地，所述电路还包括第一电容C3、第二电容C4、第一电阻Rboot1、第二电阻Rboot2、负载电阻R1、传感器ISEN1和电压传感器VSEN1；
所述第一电容C3的一端与所述第三二极管D3的负极连接，所述第一电容C3的另一端与所述主开关管Q1的源极连接；所述第二电容C4的一端与所述第二二极管D2的负极连接，所述第二电容C4的另一端连接电源V负极；所述第一电阻Rboot1的一端、所述第二电阻Rboot2的一端分别连接电源V正极，所述第一电阻Rboot1的另一端连接所述第二二极管D2的负极；所述第二电阻Rboot2的另一端与所述第三二极管D3的负极连接；
所述传感器ISEN1的第一端与所述变压器T1的原边绕组L1的异名端连接，所述传感器ISEN1的第二端与所述控制电路1连接，所述传感器ISEN1的第三端分别与所述电压传感器VSEN1的第二端、所述输出电容C1的一端、所述负载电阻R1的一端连接；所述电压传感器VSEN1的第三端、所述负载电阻R1的另一端分别连接电源V负极，所述电压传感器VSEN1的第一端与所述控制电路1连接。
另外，需要说明的是，电路轻载时，开关管Q2会有一定的开关断损耗，具体取决于t3的长度。t3较长时，由于变压器T1的Ipk相对较大，足以在死区时间内，给主开关管Q1、开关管Q2、第一二极管D1的寄生电容C2充电，Q2可以实现软开通，但会有关断损耗。t3较短时，变压器T1的Ipk也较小，不足以给寄生电容C2充电，开关管Q2实现部分软开通，有部分开通损耗，同时有关断损耗。由于开关管Q2工作的脉宽极短，对电路的控制环路基本不产生影响，另外变压器T1的电流峰值较小，所造成的磁芯损耗也极低。
在满载或者稍微带一些负载时，有效占空比大于由t2决定的占空比时，开关管Q2将软开通，关断时，由于续流未结束，由第一二极管D1维持导通，也没有关断损耗，与没有Q2时的工作状况完全一致。
本发明实施例能够在电路中增加开关管，在电路轻载时，额外接入一个窄脉冲信号，导通开关管，迫使变压器的反射电压等于输出电压，各个辅助绕组即能输出成比例的电压，为控制电路、驱动电路提供稳定的直流电压，完美的解决了轻载、空载的问题，无需另外的辅助电源且无需假负载，成本低，且简化电路，可靠性高，且输出电压稳定，有一定的带负载(控制电路及驱动电路)能力，与负载关系不大；开关管工作电流较小，对于稍大负载的情况，开关管即可实现ZVS(Zero Voltage Switch，零电压开关)和ZCS(Zero CurrentSwitch，零电流开关)，对主电路完全不产生影响；工作脉冲信号和窄脉冲信号的输入方式，使电路轻载时变压器只有小电流的反向励磁，整个电路待机消耗功率较低(例如2kW的电路，输入310Vdc，输出120Vdc，其待机功耗实测只有～3W)；输出电容存储的能量也能用于维持变压器各绕组的供电输出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种降压式变换电路，用于给控制电路供电，其特征在于，包括主开关管、开关管和变压器；
所述主开关管的输入端接入工作脉冲信号，使所述主开关管由截止转为导通；所述主开关管的输出端与所述变压器连接，以启动所述变压器；
所述开关管的输入端在电路轻载时接入窄脉冲信号，使所述开关管由截止转为导通；所述开关管的输出端与所述变压器连接，迫使所述变压器的反射电压达到输出电压，以提供稳定辅助电源；
所述窄脉冲信号的接入时间与所述工作脉冲信号的接入时间之间相隔一个死区时间；
所述主开关管接入所述工作脉冲信号导通后，所述变压器的电流上升到最大值，所述主开关管截止；所述变压器的电流在所述死区时间内线性下降；在所述死区时间结束后，所述开关管接入所述窄脉冲信号导通，所述变压器的电流逐渐下降为0后反向上升为最大值，所述开关管截止；所述变压器的电流由反向电流进行续流，直至所述反向电流下降为0；
所述电路还包括输入电容；
所述输入电容与所述变压器连接，用于在所述主开关管周期性的导通过程中，通过所述变压器的电流进行充电，并在输入断电时，将存储的电压加载到所述变压器上，以维持电路工作；
所述主开关管和所述开关管均为场效应管；
所述电路还包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一隔离驱动器和第二隔离驱动器；所述变压器包括原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组；
所述主开关管的漏极连接电源正极，所述主开关管的源极分别与所述变压器的原边绕组的同名端、所述第一副边绕组的同名端、所述第一隔离驱动器的第三端、所述第一二极管的负极、所述开关管的漏极连接，所述主开关管的栅极与所述第一隔离驱动器的第一端连接，所述第一隔离驱动器的第二端与所述第三二极管的负极连接，所述第三二极管的正极与所述变压器的第一副边绕组的异名端连接，所述第一隔离驱动器的第四端与所述控制电路连接；
所述开关管的源极、所述第一二极管的正极、所述第二隔离驱动器的第三端、所述变压器的第二副边绕组的同名端分别与电源负极连接，所述开关管的栅极与所述第二隔离驱动器的第一端连接，所述第二隔离驱动器的第二端分别与所述第二二极管的负极、所述控制电路连接，所述第二隔离驱动器的第四端与所述控制电路连接，所述第二二极管的正极与所述变压器的第二副边绕组的异名端连接；
所述输入电容的一端连接电源正极，所述输入电容的另一端连接电源负极；输出电容的一端与所述变压器的原边绕组的异名端连接，所述输出电容的另一端连接电源负极。
2.如权利要求1所述的降压式变换电路，其特征在于，所述窄脉冲信号的持续时间为t3，所述变压器的电感量为L，所述输出电压为UO，所述变压器电流的反向最大值为
以使所述变压器的反射电压达到所述输出电压，以提供稳定辅助电源。
3.如权利要求1所述的降压式变换电路，其特征在于，所述电路还包括输出电容；
所述输出电容与所述变压器连接，用于在所述开关管周期性的导通过程中，通过所述变压器的电流进行充电，并在输入断电时，将存储的电压加载到所述变压器上，以维持电路工作。
4.如权利要求1所述的降压式变换电路，其特征在于，所述电路还包括第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻、负载电阻、传感器和电压传感器；
所述第一电容的一端与所述第三二极管的负极连接，所述第一电容的另一端与所述主开关管的源极连接；所述第二电容的一端与所述第二二极管的负极连接，所述第二电容的另一端连接电源负极；所述第一电阻的一端、所述第二电阻的一端分别连接电源正极，所述第一电阻的另一端连接所述第二二极管的负极；所述第二电阻的另一端与所述第三二极管的负极连接；
所述传感器的第一端与所述变压器的原边绕组的异名端连接，所述传感器的第二端与所述控制电路连接，所述传感器的第三端分别与所述电压传感器的第二端、所述输出电容的一端、所述负载电阻的一端连接；所述电压传感器的第三端、所述负载电阻的另一端分别连接电源负极，所述电压传感器的第一端与所述控制电路连接。
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