CN207559856U - 一种开关控制电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种开关控制电路,适用于BOOST电路,包括:输入电压检测电路、输入电压比较与控制电路,以及输出电压检测电路;输入电压检测电路检测BOOST电路的输入电压,输出输入电压信号;输入电压比较与控制电路比较输入电压信号与参考电压信号的大小,控制输出电压检测电路是否工作;输出电压检测电路执行相关指示,当其工作时,检测BOOST电路的输出电压,并输出输出电压信号至BOOST电路PWM控制器的反馈引脚,控制BOOST电路是否工作,本实用新型通过分段控制的方法对宽输入电压进行预处理,从而化解了高输入电压变比合温升难以兼顾的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及开关控制电路及其控制方法,特别涉及一种适用于Boost电路的开关控制电路及其控制方法。
背景技术
高压供电电源为一种开关变换器,用于为光伏太阳能、风力发电、无功补偿装置SVG、中央空调等控制***、加热***提供稳定、可靠的直流电压。目前,更高输入电压,更宽输入电压范围的电源需求剧增,行业发展迅速。例如输入电压变化为7.5:1的200V-1500VDC的45W或者输入电压变比为10:1的120V-1200VDC的15W电源市场需求逐年递增,显示了良好的前景。
针对上述市场需求,工程技术人员常采用单级正激或反激拓扑作为主电路拓扑,随着输入电压变比越来越宽,采用单级电路的缺点也越来越明显。主功率开关管占空比变化范围同步增加,导致如下两个问题:
1)高压输入时满载条件下占空比较小,但变换器一般工作于断续模式,主功率变压器温升难以处理;
2)低压输入时,样机满载工作,需要较大占空比,容易导致开关管损耗大,温升较高。
为应对宽输入电压范围带来的挑战,可采用两级式功率电路,具体思路为第一级Boost电路将输入宽范围的高电压升高为变化范围较窄的高电压。第二级采用软开关技术DC/DC的电路,既克服了谐振软开关电路不适用于宽输入电压范围的缺点,同时实现了开关管ZVS,又提升了整机效率。
升压Boost变换器为三种基本功率拓扑之一,该变换器可实现输出电压高于输入电压的整流与变换,电路原理图如附图1所示,包括电感L1、MOS管Q1、二极管D1电容C1、电阻R4和PWM控制器组成的BOOST电路1,以及电阻R7和电阻R8组成的输出电压检测电路4,其基本工作原理参考人民邮电出版社出版的第二版《精通开关电源设计》第37页,该书ISBN号为9787115367952,由于为本领域技术人员个公知常识,此处不详述。
现有Boost电路的控制技术在实际应用时面临较大挑战,下面结合具体应用、技术参数说明。
某车载控制***要求输入电压范围150~1000VDC,输出直流电压包括24V、220V等,总功率为数百瓦。前级控制电路主要思路为:采用第一级Boost电路将输入电压调整为600V~1000V,当输入电压为150V~600V之间时通过第一级Boost电路将输入电压升高为600V。当输入电压为600V~1000V时,BOOST电路的开关管常开,输入电压经升压电感直接输入至第二级软开关技术DC/DC的电路。
上述控制方式存在的问题:对于BOOST电路,根据输入、输出电压与占空比关系可直接计算出占空比大小。当输入电压为580V~600V即输入电压低于输出电压但较为接近输出电压时,输入电压值越接近输出电压,占空比越小,此时BOOST电路开关管开通、关断损耗成倍骤增,温升难以处理。
针对上述现实需求,本专利实用新型人对电路的控制逻辑进行深入分析创新,本案由此产生。
实用新型内容
有鉴如此,为了应对上述挑战,本实用新型提供一种适用于BOOST电路的开关控制电路及其控制方法,实现控制方案简单、可靠,且实际电路灵活、实用。
包括BOOST主功率电路及PWM控制器、BOOST输入、输出电压检测电路、输入电压比较、控制电路、采样信号控制电路。
本实用新型的开关控制电路技术方案如下:
一种开关控制电路,适用于包括有BOOST主功率电路及PWM控制器的BOOST电路,包括:输入电压检测电路、输入电压比较与控制电路,以及输出电压检测电路;
输入电压检测电路,用于检测BOOST电路的输入电压,并输出输入电压信号至输入电压比较与控制电路;
输入电压比较与控制电路,用于将输入电压信号与参考电压信号进行比较;当比较结果高于第一预设值时,控制BOOST电路工作并将输入电压升压至第一额定电压;当比较结果高于第二预设值时,控制BOOST电路工作并将输入电压升压至第二额定电压;
输出电压检测电路,用于检测BOOST电路的输出电压,并输出输出电压信号至BOOST电路PWM控制器的反馈引脚,PWM控制器根据输出电压信号控制BOOST电路是否工作。
优选的,输入电压比较与控制电路还有第N预设值,N为大于2的整数;当输入电压信号与参考电压信号的比较结果高于第N-1预设值时,控制BOOST电路工作并将输入电压升压至第N-1额定电压;当输入电压信号与参考电压信号的比较结果高于第N预设值时,控制BOOST电路不工作,输入电压信号经BOOST电路后输出。
优选的,第一额定电压、第二额定电压依次增加。
输入电压检测电路的一种具体的实施方式,由电阻R1、电阻R2和电阻R3串联组成,串联后的一端用于连接输入电压Vin,串联后的另一端用于连接输入电压Vin-。
作为输入电压比较与控制电路的第一种具体的实施方式,由比较器U1A、参考电压信号Vref、电阻R5和NPN型三极管Q3组成;比较器U1A的同向输入端连接电阻R1与电阻R2的串联节点,比较器U1A的反向输入端连接参考电压信号Vref,比较器U1A的输出端经电阻R5后与输出电压检测电路连接,电阻R5还依次经三极管Q3的集电极、三极管Q3的发射极后与公共地信号连接,三极管Q3的基极连接电阻R2与电阻R3的串联节点。
作为输入电压比较与控制电路的第二种具体的实施方式,由比较器U1A、参考电压信号Vref、比较器U2A、参考电压信号Vref2、电阻R5和二极管D2组成;比较器U1A的同向输入端连接电阻R1与电阻R2的串联节点,比较器U1A的反向输入端连接参考电压信号Vref,比较器U1A的输出端经电阻R5后作为输出端与输出电压检测电路连接,电阻R5还依次经二极管D2的阳极、二极管D2的阴极后与比较器U2A的输出端连接,比较器U2A的反向输入端连接电阻R2与电阻R3的串联节点,比较器U2A的同向输入端连接参考电压信号Vref2。
作为输出电压检测电路的一种具体的实施方式,由电阻R6、电阻R7、电阻R8及N沟道MOS管Q2组成;电阻R7和电阻R8串联后一端用于连接输出电压Vo+、另一端用于连接输出电压Vo-,电阻R7和电阻R8的连接点用于连接BOOST电路PWM控制器的反馈引脚,电阻R7和电阻R8的连接点还连接电阻R6的一端,电阻R6的另一端依次经MOS管Q2的漏极、MOS管Q2的源极后用于与公共地信号连接,MOS管Q2的栅极连接输入电压比较与控制电路。
本实用新型的开关控制电路对应的控制方法技术方案如下:
一种开关控制方法,适用于包括有BOOST主功率电路及PWM控制器的BOOST电路,包括如下步骤:
(1)输入电压检测电路检测BOOST电路的输入电压,并输出输入电压信号至输入电压比较与控制电路;
(2)输入电压比较与控制电路将输入电压信号与参考电压信号进行比较,并根据比较结果控制输出电压检测电路是否工作;
(3)输出电压检测电路执行输入电压比较与控制电路的指示,当输入电压比较与控制电路指示其工作时,输出电压检测电路检测BOOST电路的输出电压,并输出输出电压信号至BOOST电路PWM控制器的反馈引脚,PWM控制器根据输出电压信号控制BOOST电路是否工作。
优选地,将BOOST电路的输入电压由小至大划分为N个区间,N为大于2的整数;针对N个输入电压区间给BOOST电路设定N-1目标升压值,分别定义为第一额定电压、第二额定电压、第N额定电压;当输入电压位于第一区间时,BOOST电路工作,将输入电压升压至第一额定电压;当输入电压位于第二区间时,BOOST电路工作,将输入电压升压至第二额定电压;当输入电压位于N区间时,BOOST电路不工作。
优选地,第一额定电压值等于第二区间的最大电压值,第二额定电压值位于第三区间之间,第N-1额定电压值位于第N区间之内。
本实用新型总的构思为:对于宽输入电压范围的应用需求,通过分段控制的方法对宽输入电压进行预处理,化解高输入电压变比和温升难以兼顾的问题,其工作过程将在具体实施方式部分进行详细分析。本实用新型与现有技术相比,本实用新型具有如下有益效果:
1)本方案解决了BOOST电路工作于升压状态,当输入电压低于输出电压但较为接近输出电压时,其开关管开通、关断损耗成倍骤增,温升难以处理的问题。
2)提高了高输入电压变比的BOOST电路可靠性。
3)本方案电路元器件数目少,结构简单,有成本优势。
附图说明
图1为背景技术引用原理图;
图2为本实用新型第一实施例原理图;
图3为本实用新型第二实施例原理图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本实用新型的技术方案,下面将结合附图作详细地介绍,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,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
第一实施例
图2示出了本实用新型第一实施例开关控制电路的原理框图,以将BOOST电路的输入电压由小到大分为3个区间,设置3个预设值、定义2个额定电压为例进行说明。为了体现其应用,将BOOST电路1也进行了绘制,本实施例的开关控制电路包括:输入电压检测电路2、输入电压比较与控制电路3,以及输出电压检测电路4。
输入电压检测电路,用于检测BOOST电路的输入电压,并输出输入电压信号至输入电压比较与控制电路;
输入电压比较与控制电路,用于将输入电压信号与参考电压信号进行比较,当比较结果高于第一预设值时,控制BOOST电路工作并将输入电压升压至第一额定电压;当比较结果高于第二预设值时,控制BOOST电路工作并将输入电压升压至第二额定电压;
输出电压检测电路,用于检测BOOST电路的输出电压,并输出输出电压信号至BOOST电路PWM控制器的反馈引脚,PWM控制器根据输出电压信号控制BOOST电路是否工作。
输入电压比较与控制电路还有第三预设值,当输入电压信号与参考电压信号的比较结果高于第三预设值时,控制BOOST电路不工作,输入电压信号经BOOST电路后输出;其中第一额定电压、第二额定电压依次增加。
其中,BOOST电路1与背景技术的图1相同,由功率电感L1、二极管D1、N沟道MOS管Q1、滤波电容C1、PWM控制器和驱动电阻R4构成;输入电压Vin+经电感L1后与二极管D1的阳极相连,二极管D1的阴极与电容C1的正极相连,电容C1的阴极与MOS管Q1的源极相连后连接至公共地信号;PWM控制器(为常见的控制IC如UC3842,此处仅画出简图说明原理即可)内部的误差运放反向输入端FB引脚连接至输出电压检测电路,特别的,误差运放同向输入端为内部参考电平;
PWM控制器的驱动输出引脚drv经电阻R4与MOS管Q1的栅极相连,MOS管Q1的漏极连接至电感L1和二极管D1的公共节点;
特别的,输入电压Vin-与BOOST输出Vo-、公共地信号为等电位点。
其中,输入电压检测电路2由电阻R1、R2、R3组成,其中电阻R1的一端与输入电压Vin+相连,另一端经电阻R2与电阻R3串联,电阻R3的另一端连接输入电压Vin-。
其中,输入电压比较与控制电路3由比较器U1A、参考电压信号Vref,电阻R5、NPN型三极管Q3组成。其中,参考电压信号Vref连接至比较器U1A的反向输入端,比较器U1A的同向输入端与电阻R1和电阻R2的公共节点相连,比较器U1A的输出引脚经电阻R5、三极管Q3的集电极和三极管Q3的发射极后连接至输出电压Vo-,三极管Q3的基极连接至电阻R1和电阻R2的公共节点。
其中,输出电压检测电路4由电阻R6、R7、R8及N沟道MOS管Q2组成,BOOST电路1的输出电压Vo+经电阻R7后与电阻R8的一端相连,电阻R8的另一端连接至BOOST电路1的输出电压Vo-;BOOST电路1的PWM控制器的FB引脚与电阻R6的一端相连后还连接至电阻R7和电阻R8的公共节点,电阻R6的另一端与MOS管Q2的漏极相连,MOS管Q2的源级连接至输出电压Vo-。
本实施例的控制控制方法如下:
根据客户需求的输入规格,对BOOST电路1的输入电压范围选取由小至大的A、B、C、D四个电压值,这四个电压值将输入电压范围分割为三个工作区间,即A~B、B~C和C~D;
进一步的,针对输入电压范围给BOOST电路1设定两个目标升压值,分别定义为第一额定电压和第二额定电压,特别的,第一额定电压值等于C的电压值,第二额定电压值位于C、D之间;
当输入电压位于A~B区间时,BOOST电路1工作,将输入电压升压至第一额定电压;当输入电压位于B~C区间时,BOOST电路1工作,将输入电压升压至第二额定电压;当输入电压位于C~D区间时,BOOST电路1不工作,MOS管Q1处于断开状态,输入电压经BOOST电路1的电感L1和输出电容C1组成的滤波电路滤波后输出。
以下结合上述具体电路及控制方法进一步阐述其具体工作过程:
当输入电压位于A~B区间时,电阻R3两端的采样电压低于三极管Q3的基极开启电压,三极管Q3的发射极反偏截止,三极管Q3的集电极和发射极之间断开;此时,BOOST电路1工作于升压状态,其升压后的输出电压Vo+由输出采样电路4决定,具体为:
比较器U1A将采样的输入电压信号与参考电压信号Vref相比较,当采样的输入电压信号低于参考电压信号Vref时,则比较器U1A输出低电平信号,MOS管Q2的栅极为低电平信号,MOS管Q2关断,电阻R6与MOS管Q2的漏源极组成的支路断开,BOOST电路1的输出电压Vo+经电阻R7和电阻R8串联分压后将输出采样信号传输至PWM控制器的FB脚,与PWM控制器内部的误差运放反向输入端参考电平相比较,进而调整PWM引脚占空比大小,进一步间接控制BOOST电路1的输出电压幅值;
记PWM控制器内部的误差运放反向输入端内部参考电平为Vref1,则BOOST电路1的输出电压Vboost1可通过如下公式计算;
特别的,C值代表的电压值与Vboost1代表的电压值相等。
当输入电压位于B~C区间时,电阻R3两端的采样电压低于三极管Q3的基极开启电压,三极管Q3的发射结反偏截止,三极管Q3的集电极和发射极之间断开;此时,BOOST电路1工作于升压状态,其升压后的输出电压Vo+由输出采样电路4决定,具体为:
比较器U1A将采样的输入电压信号与参考电压信号Vref相比较,当采样电压信号高于参考电压信号Vref,则比较器U1A输出高电平信号,MOS管Q2的栅极为高电平信号,MOS管Q2饱和导通,电阻R6与MOS管Q2的漏源极组成的支路与电阻R8相并联;
需要说明的是,MOS管Q2饱和导通,MOS管Q2两端的导通电压可忽略不计,电阻R6与MOS管Q2漏源极组成的支路可等效为R6与R8相并联;
BOOST电路1的输出电压Vo+经电阻R7、电阻R6和电阻R8串并联分压后与PWM控制器内部的误差运放反向输入端参考电平相比较,则BOOST电路1的输出电压Vboost2可通过如下公式计算;
特别的,Vboost2代表的电压值位于C值与D值代表的电压值之间。
当输入电压位于C~D区间时,电阻R3两端的采样电压高于三极管Q3的基极开启电压,三极管Q3的发射结和集电结均正偏导通,三极管Q3的集电极和发射极之间的导通电压忽略不计。比较器U1A输出高电平信号经电阻R5等效输出到公共地,MOS管Q2的栅极为低电平信号,MOS管Q2关断,电阻R6与MOS管Q2的漏源极组成的支路断开,BOOST电路1的输出电压Vo+经电阻R7和电阻R8串联分压后的输出采样信号始终高于PWM控制器内部的误差运放反向输入端参考电平,PWM引脚输出占空比为0,MOS管Q1保持关断状态;此时,BOOST电路1不工作,输入电压Vin+经电感L1、电容组成的滤波电路滤波后输出为Vo+,此时Vin+与Vo+近似相等。
第二实施例
图3示出了本实用新型第二实施例原理框图,与图2所示的第一实施例相比,差别仅在于输入电压比较与控制电路2,将第一实施例中的三极管Q3由参考电压信号Vref2、比较器U2A和二极管D2代替即为第二实施例,参考电压信号Vref2、比较器U2A和二极管D2组成的电路功能与三极管Q3在电路中的功效一致。
同样将将输入电压范围分割为三个工作区间:A~B、B~C和C~D。
当输入电压位于A~B区间时,比较器U1A输出低电平信号,MOS管Q2的工作状态与实施例一相同;电阻R3两端的采样电压低于参考电压信号Vref2,比较器U2A输出高电平信号,二极管D2反偏截止。BOOST电路1工作于升压状态,工作状态与实施例一对应输入电压区间相同。
当输入电压位于B~C区间时,U1A输出高电平信号,MOS管Q2的工作状态与实施例一相同;电阻R3两端的采样电压低于参考电压信号Vref2,比较器U2A输出高电平信号,二极管D2同样反偏截止。BOOST电路1工作于升压状态,工作状态与实施例一对应输入电压区间相同。
当输入电压位于C~D区间时,比较器U1A输出高电平信号,电阻R3两端的采样电压高于参考电压信号Vref2,比较器U2A输出低电平信号,二极管D2正偏导通;比较器U1A输出高电平信号经电阻R5、二极管D2后下拉到地,MOS管Q2栅源级电压为低电平,此时,BOOST电路1不工作,工作状态与实施例一对应输入电压区间相同。
第三实施例
与第一实施例和第二实施例不同的是,控制方法上做了调整,将BOOST电路的输入电压范围分割为多个工作区间,A~B作为第一区间、B~C作为第二区间和C~D作为第三区间,还有第N区间,N大于等于3。
其工作原理与第一实施例和第二实施例相同,当输入电压位于第一区间时,BOOST电路工作,将输入电压升压至第一额定电压;当输入电压位于第二区间时,BOOST电路工作,将输入电压升压至第二额定电压;当输入电压位于N区间时,BOOST电路不工作。
以上仅是本实用新型的优选实施方式,应当指出的是,上述优选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,这里不再用实施例赘述,本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (7)
1.一种开关控制电路,适用于包括有BOOST主功率电路及PWM控制器的BOOST电路,包括:输入电压检测电路、输入电压比较与控制电路,以及输出电压检测电路;
输入电压检测电路,用于检测BOOST电路的输入电压,并输出输入电压信号至输入电压比较与控制电路;
输入电压比较与控制电路,用于将输入电压信号与参考电压信号进行比较;当比较结果高于第一预设值时,控制BOOST电路工作并将输入电压升压至第一额定电压;当比较结果高于第二预设值时,控制BOOST电路工作并将输入电压升压至第二额定电压;
输出电压检测电路,用于检测BOOST电路的输出电压,并输出输出电压信号至BOOST电路PWM控制器的反馈引脚,PWM控制器根据输出电压信号控制BOOST电路是否工作。
2.根据权利要求1所述的开关控制电路,其特征在于:所述的输入电压比较与控制电路还有第N预设值,N为大于2的整数;当输入电压信号与参考电压信号的比较结果高于第N-1预设值时,控制BOOST电路工作并将输入电压升压至第N-1额定电压;当输入电压信号与参考电压信号的比较结果高于第N预设值时,控制BOOST电路不工作,输入电压信号经BOOST电路后输出。
3.根据权利要求2所述的开关控制电路,其特征在于:所述的第一额定电压、所述的第二额定电压依次增加。
4.根据权利要求1所述的开关控制电路,其特征在于:输入电压检测电路由电阻R1、电阻R2、和电阻R3串联组成,其中电阻R1串联后的一端与输入电压Vin+相连,另一端经电阻R2与电阻R3串联,电阻R3串联后的另一端连接输入电压Vin-。
5.根据权利要求4所述的开关控制电路,其特征在于:输入电压比较与控制电路由比较器U1A、参考电压信号Vref、电阻R5和NPN型三极管Q3组成;比较器U1A的同向输入端连接电阻R1与电阻R2的串联节点,比较器U1A的反向输入端连接参考电压信号Vref,比较器U1A的输出端经电阻R5后作为输出端与输出电压检测电路连接,电阻R5还依次经三极管Q3的集电极、三极管Q3的发射极后与公共地信号连接,三极管Q3的基极连接电阻R2与电阻R3的串联节点。
6.根据权利要求4所述的开关控制电路,其特征在于:输入电压比较与控制电路由比较器U1A、参考电压信号Vref、比较器U2A、参考电压信号Vref2、电阻R5和二极管D2组成;比较器U1A的同向输入端连接电阻R1与电阻R2的串联节点,比较器U1A的反向输入端连接参考电压信号Vref,比较器U1A的输出端经电阻R5后作为输出端与输出电压检测电路连接,电阻R5还依次经二极管D2的阳极、二极管D2的阴极后与比较器U2A的输出端连接,比较器U2A的反向输入端连接电阻R2与电阻R3的串联节点,比较器U2A的同向输入端连接参考电压信号Vref2。
7.根据权利要求1所述的开关控制电路,其特征在于:输出电压检测电路由电阻R6、电阻R7、电阻R8及N沟道MOS管Q2组成;BOOST电路输出电压Vo+经电阻R7后与电阻R8的一端相连,电阻R8的另一端连接至BOOST电路输出Vo-;PWM控制器的FB引脚与电阻R6的一端相连后进一步的连接至R7、R8的公共节点,电阻R6的另一端与N沟道MOS管Q2的漏极相连,N沟道MOS管Q2的源级连接至BOOST电路输出Vo-;、N沟道MOS管Q2的源极后用于与公共地信号连接,N沟道MOS管Q2的栅极连接输入电压比较与控制电路的输出端。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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GR01 | Patent grant | ||
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