CN210405090U - 一种buck变换器电路及应用此电路的直流降压装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种BUCK变换器电路及应用此电路的直流降压装置，主要包括：开关管、储能电感、续流二极管、滤波电容、控制电路、过压保护器、启动电路、振荡反馈电路；其中控制电路包括驱动电路、加速电路，进一步，在输出电路中加入电压采样电路和电流采样电路及比较电路，实现了一种超宽电压输入、超低功耗、较高效率、电路拓扑简单易于实现的BUCK变换器和具有过流、短路保护及稳定输出电压的直流降压装置。

Description

一种BUCK变换器电路及应用此电路的直流降压装置

技术领域

本实用新型属于电子产品技术领域，涉及一种具有超宽电压输入和低功耗高效率特性的BUCK变换器及应用此电路的直流降压装置。

背景技术

在各种开关电源中，对于非隔离降压电源通常采用BUCK电路进行设计，在市场上现有的DC-DC电路中，主要采用：

1.专用电源芯片，这样的电路应用简单，但成本较高，并且输入电源电压范围受到限制，没法从几伏到几百伏的输入电源电压范围内都能正常工作，待机功耗也大，通常高达几十甚至上百毫瓦，不能满足产品低功耗要求，而且在轻载（如输出1mA）工作条件下电源转换效率很低，一般只有 15% ～30%，无法满足低功耗条件下高效率的应用需求。

2.分立元件，如RCC电路等，优点：电路结构简单，只需要少数分立元件就可以得到需专用芯片才能实现的电压输出性能；RCC缺点：效率低，变压器要求高（参数很难保证）导致生产成品不良率高。

3.其他一些BUCK电路，上电启动启动电路和正常工作偏置电路共用，直接与输入电源端连接，这样即使在上电启动完成后，仍然是由前级输入电源端供电给控制电路提供偏置，使输入电压范围无法做到足够宽，并且损耗较大限制了效率的提升空间。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种超宽电压输入、超低功耗、较高效率的BUCK变换器电路及应用此电路的直流降压装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

构造一种BUCK变换器电路，主要包括：开关管2、储能电感3、续流二极管4、滤波电容5、过压保护器9、控制电路6、启动电路7、振荡反馈电路8，其中控制电路包括驱动电路61、加速电路62；所述开关管2的源极S与输入电源端VIN连接，所述开关管2的漏极D与储能电感3的一端和续流二极管4的阴极K连接，储能电感3的另一端与滤波电容5的正极端、低压直流电源端VCC连接，续流二极管4的阳极A、滤波电容5的负极、控制电路6的接地端与电源公共地GND连接，所述控制电路6的输入端NET2与所述启动电路7的一端、所述振荡反馈电路8的一端连接，所述控制电路6的输出端分别与所述开关管2的源极S和栅极G连接，所述启动电路7的另一端与输入电源端VIN连接，所述振荡反馈电路8的一另端与开关管2与储能电感3的连接点NET1连接，所述过压保护器9的两端并接于开关管2的栅极G与源极S之间，所述启动电路7的第三端与后级低压直流输出端连接。

进一步的，在输出电路中加入电压采样电路或电流采样电路及比较电路，实现了一种超宽电压输入、超低功耗、较高效率、电路拓扑简单易于实现的BUCK变换器和具有过流、短路保护及稳定输出电压的直流降压装置。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1. 超宽输入电压范围：实现输入工作电压范围5V至600V，适应各种宽范围供电电压的应用需求。

2. 超低功耗：典型轻载（输出1mA）时输入功率小于5毫瓦，微载（输出100uA）时输入功率小于1毫瓦，满足对功耗极其严格产品的需要，可以实现 "零 " 功耗待机电源。

3. 满载最高效率达90以上，轻载应用时也具有较高的转换效率，高达65%以上，满足低功耗高效率应用需求。

4.不需要专用电源芯片和变压器，在一定程度上降低了生产成本。

5.上电启动完成后就自动断开的上电启动电路及连接于后级低压直流输出端的反馈偏置电路结构，进一步拓宽了输入电压范围并有效降低了损耗提升了转化效率。

附图说明

图 1 为本实用新型BUCK变换器电路及应用此电路的直流降压装置实施例的原理框图。

图 2 为本实用新型BUCK变换器电路及应用此电路的直流降压装置实施例的电路结构图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解本实用新型的技术方案，以下结合附图对本实用新型作进一步的详细说明，实施例提及的内容并非对本实用新型的限定。

如图1所示，本实用新型的BUCK变换器电路1，包括：开关管2、储能电感3、续流二极管4、滤波电容5、控制电路6；

所述开关管2的源极S与输入电源端VIN连接，所述开关管2的漏极D与储能电感3的一端和续流二极管4的阴极K连接，储能电感3的另一端与滤波电容5的正极端连接，续流二极管4的阳极A、滤波电容5的负极与电源公共地GND连接，所述控制电路6的输出端与所述开关管2的栅极G连接；

所述BUCK变换器电路1还包括：过压保护器9、启动电路7、振荡反馈电路8；

所述控制电路6包括驱动电路61、加速电路62；

所述控制电路6的接地端与电源公共地GND连接；

所述控制电路6的输入端NET2与所述启动电路7的一端、所述振荡反馈电路8的一端连接，所述控制电路6的供电端与所述开关管2的源极S连接，所述启动电路7的另一端与输入电源端VIN连接，所述振荡反馈电路8的一另端与开关管2与储能电感3的连接点NET1连接，所述过压保护器9的两端并接于开关管2的栅极G与源极S之间；

所述开关管2包括P沟道场效应管，或者PNP三极管；

所述续流二极管4包括快速恢复二极管或者肖特基二极管；

所述启动电路7的第三端与后级低压直流输出端连接；

低压直流电源端VCC与后级负载连接；

所述启动电路7包括上电启动电路71、低压偏置电路72；

所述上电启动电路71由电阻和电容串联组成，或者只由电阻组成，上电启动电路的一端与控制电路的输入端连接，上电启动电路的另一端与输入电源端连接；

所述低压偏置电路72由电阻和二极管串联组成，或者只由电阻组成，低压偏置电路72的一端与控制电路6的输入端NET2连接，低压偏置电路72的另一端与后级低压直流输出端连接；

所述后级低压直流输出端包括直接或者间接来至于所述滤波电容5上的直流输出电压，包括但不限于：低压直流电源端VCC，输出电压端VOUT。

所述过压保护器9包括瞬态电压抑制器 TVS，或者稳压二极管，或者压敏电阻，或者 ESD 抑制器，或者陶瓷气体放电管；

所述驱动电路61包括三极管构成的恒流电路，或者三极管构成的开关电路，或者场效应管构成的开关电路；

所述加速电路62由三极管、电阻、二极管构成，或者只由电阻构成；

所述振荡反馈电路8由电阻和电容串联构成；

进一步的，在上述BUCK变换器电路的基础之上，再在输出电路中加入电压采样电路、电流采样电路及比较电路，实现了一种超宽电压输入、超低功耗、较高效率、电路拓扑简单易于实现的BUCK变换器和具有过流、短路保护及稳定输出电压的直流降压装置。

以下结合实施例的电路结构图详细说明每部分电路的实现方式：

如图2所示，

所述开关管2包括开关管Q1，包括但不限于：P沟道场效应管，或者PNP三极管。

所述储能电感3包括电感器L1，包括但不限于：贴片功率电感，或者磁胶电感，或者一体成型电感，或者工字电感，或者变压器电感。

所述续流二极管4包括续流二极管D2，包括但不限于：快速恢复二极管，或者肖特基二极；

所述滤波电容5包括电容器C3，包括但不限于：电解电容，或者钽电容；

所述过压保护器9包括瞬态电压抑制器 TVS Z1 ，或者用其他类似功能器件代替，包括但不限于：括瞬态电压抑制器 TVS，或者稳压二极管，或者压敏电阻，或者ESD 抑制器，或者瞬态电压抑制器 TVS，或者陶瓷气体放电管；

所述驱动电路61包括由三极管Q3、Q5和电阻R2组成的恒流电路，或者只用电阻R2和三极管Q3（三极管Q5不用），或者只用电阻R2和三极管Q3且用场效应管代替三极管；

所述加速电路62包括三极管Q2、电阻R1、二极管D1，或者只包括电阻R1；

所述启动电路7包括上电启动电路71、低压偏置电路72；

所述上电启动电路71由电阻R3和电容C5串联组成，电阻R3的一端与控制电路6的输入端NET2连接，电阻R3的另一端与电容C5的一端连接，电容C5的另一端与输入电源端VIN连接；

所述低压偏置电路72由电阻R9和二极管D3串联组成，电阻R9的一端与控制电路6的输入端NET2连接，电阻R9的另一端与二极管D3的阴极连接，二极管D3的阳极与低压直流电源端VCC连接；

所述振荡反馈电路8包括电阻R5和电容C2串联组成，连接于控制电路6的输入端NET2与开关管与储能电感的连接点NET1之间。

过压保护器9：

过压保护器9包括瞬态电压抑制器 TVS，或者用其他类似功能器件代替，包括但不限于：瞬态电压抑制器 TVS，或者稳压二极管，或者压敏电阻，或者 ESD 抑制器，或者陶瓷气体放电管。

具体实施例：

过压保护器9包括瞬态电压抑制器TVS Z1，瞬态电压抑制器Z1的阳极、阴极两端分别并接于开关管2的栅极G与源极S之间，用于保护开关管2不会因为输入电源端VIN的电压超过开关管2的VGS极限值而损坏。

控制电路6:

由非专用电源芯片组成，结合启动电路7、振荡反馈电路8，实现了BUCK变换器的优化控制，特别在超宽输入电压范围、超低功耗、轻载应用时具有较高的转换效率等三个方面性能超过了专用电源芯片；

控制电路6包括驱动电路61、加速电路62组成。

驱动电路61 ：

所述驱动电路61包括由三极管构成的恒流电路，或者三极管构成的开关电路，或者场效应管构成的开关电路。

具体实施例：

驱动电路61由三极管 Q3、Q5 和电阻 R2 组成，基本连接关系：三极管 Q3 的发射极与三极管 Q5 的基极、电阻 R2 的一端连接，三极管Q5的发射极与电阻R2的另一端连接到电源公共地GND，三极管Q3的基极与三极管Q5 的集电极、启动电阻 R3 的一端、振荡反馈电阻 R5 的一端、比较电路10的输出端、控制电路6的输入端NET2连接，三极管 Q3 的集电极与加速电路中 R1 的一端、加速电路中 Q1 的基极、加速电路中 D1 的阴极连接。其工作过程：三极管 Q3用于推动开关管 Q1，电阻 R2 和三极管 Q5 用于限制开关管 Q1 的最大驱动电流；

所述第三号三极管Q3包括达林顿复合管，或者由两只三极管构成的复合管，或者单只三极管；

所述第五号三极管Q5包括NPN三极管或者N沟道场效应管。

加速电路62：

所述加速电路62包括三极管、电阻、二极管，或者只包括电阻。

具体实施例：

加速电路62由三极管 Q2、电阻 R1、二极管 D1组成，基本连接关系：三极管 Q2 的基极与电阻 R1 的一端、二极管 D1 的阴极、驱动电路61中三极管Q3的集电极连接，电阻R1 的另一端与三极管 Q2 的集电极、开关管2 的源极S、输入电源端VIN连接，二极管 D1的阳极与三极管 Q2 的发射极、开关管2 的栅极G连接；

其工作过程：用于加速开关管 Q1 截止时的速度，降低了损耗并提高了转换效率。所述三极管Q2包括达林顿复合管，或者由两只三极管构成的复合管，或者单只三极管。

启动电路 7：

所述启动电路7包括上电启动电路71、低压偏置电路72。

上电启动电路71与输入电源端VIN连接，在上电瞬间给驱动电路61中三极管 Q3提供偏置，启动完成后上电启动电路71因电容C5两端充满电而失效，驱动电路61中三极管 Q3的偏置由低压偏置电路72提供，低压直流电源端VCC经过二极管D3、电阻R9送至控制电路6的输入端NET2。

上电启动完成后就自动断开的上电启动电路及连接于低压直流端的低压偏置电路72结构，进一步拓宽了输入电压范围并有效降低了损耗。

上电启动电路71：

上电启动电路71由电阻R3和电容C5串联组成，电容C5 一端与输入电源端VIN、开关管 Q1 的源极S连接，电容C5 另一端与电阻 R3的一端连接，电阻 R3的另一端与控制电路6的输入端NET2连接，其工作过程：上电后电压经过电容C5并通过启动电阻 R3限流后送入到控制电路6的输入端NET2，即驱动电路 61 中三极管 Q3的导通从而驱动开关管 Q1 导通。开关管 Q1 导通后续流二极管D2截止，输入电源端VIN向储能电感L1充磁，同时提供能量给滤波电容C3和后级负载。

低压偏置电路72：

所述低压偏置电路72由电阻R9和二极管D3串联组成，电阻R9的一端与控制电路6的输入端NET2连接，电阻R9的另一端与二极管D3的阴极连接，二极管D3的阳极与低压直流电源端VCC连接。

振荡反馈电路8 ：

振荡反馈电路8由电容C2和电阻R5串联组成，基本连接关系：电容 C2 的一端与开关管 Q1 的漏极、储能电感L1的一端、续流二极管D2 的阴极连接，电容C2另一端与电阻R5连接，电阻R5的另一端与控制电路 6 的输入端NET2连接，储能电感L1的另一端与滤波电容C3 的正极、低压直流电源端VCC连接，滤波电容C3的负极、续流二极管D2 的阳极与电源公共地 GND 连接。工作过程：开关管 Q1 导通后其输出电压经振荡反馈电路 5反馈到控制电路6的输入端NET2经三极管 Q3 去控制开关管 Q1 的导通，当电容 C2 充满电时，三极管Q3截止，开关管 Q1 随即截止；当开关管Q1截止后续流二极管D2导通，储能电感L1把前一阶段贮存的能量全部释放给滤波电容C3和后级负载。

比较电路10：

比较电路10包括三极管组成的电路、或运算放大器芯片组成的电路、或比较器芯片组成的电路。

具体实施例：

比较电路10包括三极管Q6和电阻R6，基本连接关系：电阻R6一端与三极管Q6的基极连接，电阻R6的另外一端与电流采样和电压采样的输出信号连接，三极管Q6的发射极与电源公共地GND连接，三极管Q6的集电极即比较电路10的输出端与控制电路的输入端NET2连接；

所述三极管Q6包括NPN三极管或者N沟道场效应管。

输出稳压电路：

所述输出稳压电路由电压采样电路和比较电路实现，所述电压采样电路由稳压二极管和限流电阻串联构成，或者由两只分压电阻构成，所述电压采样电路连接于输出电压端和接地端之间，电压取样信号从电压采样电路的中心接点取出。

具体实施例：

所述输出稳压电路由电压采样电路12和比较电路10实现，其中电压采样电路12包括稳压二极管Z2和限流电阻R7串联组成，基本连接关系：稳压二极管Z2 的阴极与输出电压端 VOUT 连接，稳压二极管 Z2 的阳极、限流电阻R7的一端与比较电路10 的输入端连接，限流电阻R7的另一端与电源公共地GND连接。

其工作过程：当输出电压端VOUT的直流输出电压高于稳压二极管 Z2 的击穿稳压值时，输出电压端VOUT的直流输出电压在限流电阻上获得一个取样电压信号，经比较电路10 后输出低电平送入控制电路6的输入端NET2，即驱动电路61中三极管Q3的基极，使三极管Q3截止，开关管Q1也随即截止，开关管 Q1 截止后，输出电压端VOUT的直流输出电压紧接着下降；输出电压端VOUT的直流输出电压低于稳压二极管 Z2 稳压值时 Z2 截止，此时比较电路10 输出高电平，送至控制电路6的输入端NET2，即驱动电路61中三极管Q3的基极，使三极管Q3 导通，从而驱动开关管 Q1 导通，输出电压端VOUT的直流输出电压上升，不断自动重复上述过程从而实现直流输出电压稳定。

过流保护电路：

过流保护电路由电流采样电路和比较电路实现，所述电流采样电路包括电流采样电阻、三极管、偏置电阻，所述电流采样电阻的两端分别与所述三极管的发射极和所述偏置电阻的一端连接，所述三极管的基极与所述偏置电阻的另一端连接，所述三极管的集电极与比较电路的输入端连接；所述三极管包括PNP三极管。

进一步的，可以在电流采样电路中三极管的基极和电源公共地GND之间接入一个电容。

具体实施例：

过流保护电路由电流采样电路11和比较电路10实现，其中电流采样电路11包括电流采样电阻 R8 和三极管Q7、电阻R9 组成，基本连接关系：电阻R8的一端与储能电感L1的一端、低压直流电源端VCC、三极管Q7的发射极连接，电阻R8 的另一端与电阻R9的一端、输出电压端VOUT连接，所述三极管Q7的基极与所述电阻R9的另一端连接，所述三极管Q7的集电极与比较电路10的输入端连接；所述三极管Q7包括PNP三极管。

进一步的，可以在电流采样电路中三极管的基极和电源公共地GND之间接入一个电容C6。

其工作过程：当输出电流大于一定值时，此时电流采样电阻R8上的电压差信号经三极管Q7和比较电路10 后

输出高低电平，送入控制电路6的输入端NET2，即驱动电路61中三极管Q3的基极，使三极管 Q3 截止，开关管 Q1 也随即截止，输出电压端VOUT的直流输出电压紧接着下降，引起输出电流也相应变小。

以上所述，仅是本实用新型的较佳的具体实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质（技术方案及其实用新型构思）对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种BUCK变换器电路（1），包括：开关管（2）、储能电感（3）、续流二极管（4）、滤波电容（5）、控制电路（6）；所述开关管（2）的源极（S）与输入电源端（VIN）连接，所述开关管（2）的漏极（D）与储能电感（3）的一端和续流二极管（4）的阴极（K）连接，储能电感（3）的另一端与滤波电容（5）的正极端连接，续流二极管（4）的阳极（A）、滤波电容（5）的负极与电源公共地（GND）连接，所述控制电路（6）的输出端与所述开关管（2）的栅极（G）连接；

其特征在于：

还包括：过压保护器（9）、启动电路（7）、振荡反馈电路（8）；

所述控制电路（6）包括驱动电路（61）、加速电路（62）；

所述控制电路（6）的接地端与电源公共地（GND）连接；

所述控制电路（6）的输入端（NET2）与所述启动电路（7）的一端、所述振荡反馈电路（8）的一端连接，所述控制电路（6）的供电端与所述开关管（2）的源极（S）、输入电源端（VIN）连接，所述启动电路（7）的另一端与输入电源端（VIN）连接，所述振荡反馈电路（8）的一另端与开关管（2）与储能电感（3）的连接点（NET1）连接，所述过压保护器（9）的两端并接于开关管（2）的栅极（G）与源极（S）之间；

所述开关管（2）包括P沟道场效应管，或者PNP三极管；

所述续流二极管（4）包括快速恢复二极管或者肖特基二极管；

所述启动电路（7）的第三端与后级低压直流输出端连接；

所述启动电路（7）包括上电启动电路（71）、低压偏置电路（72）；

所述上电启动电路（71）由电阻和电容串联组成，或者只由电阻组成，上电启动电路（71）的一端与控制电路（6）的输入端（NET2）连接，上电启动电路（71）的另一端与输入电源端（VIN）连接；

所述低压偏置电路（72）由电阻（R9）和二极管（D3）串联组成，或者只由电阻（R9）组成，低压偏置电路（72）的一端与控制电路（6）的输入端（NET2）连接，低压偏置电路（72）的另一端与后级低压直流输出端连接；

所述后级低压直流输出端包括直接或者间接来至于所述滤波电容（5）上的直流输出电压；

所述过压保护器（9）包括瞬态电压抑制器 TVS，或者稳压二极管，或者压敏电阻，或者ESD 抑制器，或者陶瓷气体放电管；

所述驱动电路（61）包括三极管构成的恒流电路，或者三极管构成的开关电路，或者场效应管构成的开关电路；

所述加速电路（62）由三极管、电阻、二极管构成，或者只由电阻构成；

所述振荡反馈电路（8）由电阻和电容串联构成。

2. 根据权利要求 1 所述一种BUCK变换器电路（1），其特征在于：所述驱动电路（61）由三极管（Q3、Q5）和电阻（R2）构成；基本连接关系：第三号三极管（Q3）的发射极与第五号三极管（Q5）的基极、第二号电阻（R2）的一端连接，第五号三极管（Q5）的发射极与第二号电阻（R2）的另一端连接到电源公共地（GND），第三号三极管（Q3）的基极与第五号三极管（Q5）的集电极、启动电路（7）的一端、振荡反馈电路（8）中第五号电阻（R5）的一端、比较电路（10）的输出端连接，第三号三极管（Q3）的集电极与加速电路（62）中第一号电阻（R1）的一端、加速电路（62）中第二号三极管（Q2）的基极、加速电路（62）中第一号二极管（D1）的阴极连接；

所述第三号三极管（Q3）包括达林顿复合管，或者由两只三极管构成的复合管，或者单只三极管，或者N沟道场效应管；

所述第五号三极管（Q5）包括NPN三极管或者N沟道场效应管。

3. 根据权利要求 1 所述一种BUCK变换器电路（1），其特征在于：所述加速电路（62）包括第二号三极管（Q2）、第一号电阻（R1）、第一号二极管（D1）；其基本连接关系：第二号三极管（Q2）的基极与第一号电阻（R1）的一端、第一号二极管（D1）的阴极、驱动电路（61）中第三号三极管（Q3）的集电极连接，第一号电阻（R1）的另一端与第二号三极管（Q2）的集电极、开关管（2）的源极（S）、输入电源端（VIN）连接，第一号二极管（D1）的阳极与第二号三极管（Q2）的发射极、开关管（2）的栅极（G）连接；

所述三极管（Q2）包括达林顿复合管，或者由两只三极管构成的复合管，或者单只三极管。

4.一种直流降压装置，包括如权利要求1~3任一项所述的BUCK变换器电路（1），其特征在于，还包括：电流采样电路（11）、电压采样电路（12）、比较电路（10）；所述电流采样电路（11）中的采样电阻串接于低压直流电源端（VCC）与输出电压端（VOUT）之间，用于对后级负载电流进行取样，从电流采样电路输出端取出的电流取样信号与比较电路（10）的输入端连接；所述电压采样电路（12）连接于输出电压端（VOUT）和电源公共地GND之间，电压取样信号从电压采样电路（12）的中心接点取出送入比较电路（10）的输入端。

5.根据权利要求4所述的直流降压装置，其特征在于：所述比较电路（10）包括三极管组成的电路、或运算放大器芯片组成的电路、或比较器芯片组成的电路。

6.根据权利要求4所述的直流降压装置，其特征在于：所述电压采样电路（12）由稳压二极管和限流电阻串联构成，或者由两只分压电阻构成。

7.根据权利要求4所述的直流降压装置，其特征在于：所述电流采样电路（11）包括电流采样电阻、三极管、偏置电阻；所述电流采样电阻的两端分别与所述三极管的发射极和所述偏置电阻的一端连接，所述三极管的基极与所述偏置电阻的另一端连接，所述三极管的集电极与比较电路（10）的输入端连接；

所述三极管包括PNP三极管。

8.根据权利要求7所述的直流降压装置，其特征在于：进一步的，所述电流采样电路还包括一个电容；所述电容的两端分别连接于电流采样电路中三极管的基极和电源公共地（GND）之间。

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