一種同步整流Buck-Flyback變換器的製作方法
2023-06-21 07:16:21 1
專利名稱：一種同步整流Buck-Flyback變換器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種直流開關電源變換器，具體涉及一種適用於DC/DC直流數字 電源模塊輔助電源的技術領域。
背景技術：
隨著電子設備的功能越來越複雜，針對更廣泛的負載、更低的輸出電壓以及多種 電源同步進行管理，DSP/FPGA控制的數字電源模塊近年來成為熱門的研究方向。數字電 源雖然可提供更為強大的監控功能，但DSP/FPGA等數字控制晶片所需要的待機功率也大 大增加。在待機時，數字電源不僅需要提供原邊控制晶片所需的工作電壓以滿足通信與監 控功能，包括故障管理、過電流保護以及避免停機等，以保證遠程診斷確保持續的系統可靠 性。另外還需提供副邊數字晶片控制所需的工作電壓，以提供如輸出電壓、時序控制、均流 等功能。在高功率密度電源模塊設計中PCB空間非常寶貴，如何設計既結構簡單又效率高 的輔助電源已經成為數字模塊電源設計面臨的關鍵問題之一。
實用新型內容實用新型目的 本實用新型針對現代數字電源控制晶片靜態工作電流大、待機功耗高、需為原副 邊各類控制晶片提供隔離輸出電壓的特點，提出了一種同步整流Buck-Flyback新型變換 器以專門提供數字電源模塊控制晶片所需的輔助電源，以簡化設計並提高效率。 技術方案 本實用新型為實現上述實用新型目的採用如下技術方案 本實用新型的同步整流Buck-Flyback變換器，用於在電源中為各類控制晶片提 供原、副邊隔離的工作電壓，包括同步整流Buck變換器、Flyback變換器以及Buck同步整流 控制電路，其中同步整流Buck變換器的輸出電壓用於提供原邊各類控制晶片所需的工作 電壓；Flyback變換器的輸出電壓用於提供副邊各類控制晶片所需的隔離工作電壓；Buck 同步整流控制電路用於提供同步整流Buck變換器所需的同步整流控制信號；所述同步整 流Buck-Flyback變換器還包括一個變壓器Ll，變壓器Ll有三個繞組且共用一個磁芯，即 原邊繞組、第一副邊繞組和第二副邊繞組，所述變壓器Ll原邊繞組設置在同步整流Buck變 換器中、變壓器Ll第一副邊繞組設置在Flyback變換器中，變壓器Ll第二副邊繞組設置在 Buck同步整流控制電路中，加在同步整流Buck變換器中變壓器Ll原邊繞組上的電壓通過 變壓器Ll分別耦合到Flyback變換器中的變壓器Ll第一副邊繞組以及Buck同步整流控 制電路中的變壓器Ll第二副邊繞組。 本實用新型同步整流Buck-Flyback變換器中的同步整流Buck變換器由開關控制 晶片IC1、第一電容Cl、第一電阻Rl、第二電阻R2、第二電容C2、第三電容C3、第三電阻R3、 第四電阻R4、續流管Ql、第四電容C4和變壓器Ll原邊繞組構成，其中第一電容Cl的一端 分別與電源正極、第一電阻R1的一端以及開關控制晶片IC1的第8引腳連接，第一電容C1
3的另一端分別與電源的負極、第二電阻R2的一端以及開關控制晶片IC1的第4引腳連接， 第一電阻R1的另一端與開關控制晶片IC1的第6引腳連接，第二電阻R2的另一端與開關 控制晶片IC1的第3引腳連接，第二電容C2的一端與開關控制晶片IC1的第7引腳連接， 另一端接原邊地；開關控制晶片IC1的第2引腳與第三電容C3的一端連接，第三電容C3的 另一端分別與開關控制晶片IC1的第1引腳、變壓器Ll原邊繞組的1端以及續流管Ql漏 極連接，變壓器L1原邊繞組的2端分別與第三電阻R3的一端、第四電容C4的正極連接，第 三電阻R3的另一端分別與開關控制晶片IC1的第5引腳、第四電阻R4的一端連接；第四電 阻R4的另一端分別與第四電容C4的負極、續流管Q1的源極連接後接原邊地，續流管Q1的 柵極與Buck同步整流控制電路的輸出端連接。 本實用新型同步整流Buck-Flyback變換器中的Flyback變換器由第三二極體D3， 第六電容C6，變壓器L1第一副邊繞組依次串接組成，其中第三二極體D3的陽極與變壓器 Ll第一副邊繞組的4端連接，第三二極體D3的陰極與第六電容C6的正極相連，變壓器L1 第一副邊繞組的3端與第六電容C6的負極相連後接副邊地。 本實用新型同步整流Buck-Flyback變換器中的Buck同步整流控制電路由第一二 極管Dl、第二二極體D2，第五電容C5，第五電阻R5， PNP管Q2，變壓器Ll第二副邊繞組組 成，其中第一二極體D1的陰極分別與同步Back控制電路的輸出端即Ql的柵極、PNP管Q2 的發射極連接，第一二極體D1的陽極分別與第五電容C5的一端、第五電阻R5的一端以及 第二二極體D2的陰極連接，第五電阻R5的另一端分別與第五電容C5的另一端、PNP管Q2 的基極連接，第二二極體D2的陽極與變壓器Ll第二副邊繞組的6端連接，變壓器Ll第二 副邊繞組的5端與PNP管Q2的集電極連接接原邊地。 本實用新型的同步整流Buck-Flyback變換器，所述變壓器Ll原邊繞組的1端、第 一副邊繞組的3端、第二副邊繞組的5端為同名端。 按上述方案，所述的同步整流Buck-Flyback變換器由原邊的同步整流Buck變換 器、副邊的Flyback變換器及Buck同步整流控制電路所組成。變壓器Ll不僅能提供原副邊 電氣隔離功能，同時還作為同步整流Buck變換器的輸出電感、Flyback變換器的儲能電感 和提供同步整流控制信號的功能。由於原邊同步整流Buck變換器始終工作在電感電流連 續的狀態，其佔空比D得到保證，即使同步整流Buck變換器或Flyback變換器工作在空載 狀態，其原、副邊的輸出電壓也能保持穩定。同步整流Buck變換器的輸出電壓由其控制電 路設定。副邊Flyback變換器的輸出電壓受原邊同步整流Buck變換器的輸出電壓控制，其 副邊的輸出電壓值大小可由變壓器Ll原邊繞組和第一副邊繞組之間的圈數變比來調整。 按上述方案，當同步整流Buck變換器的主開關管開通時，Flyback變換器的二極 管D3承受反壓，變壓器L1不傳送能量到副邊。當同步整流Buck變換器的續流開關管開通 時，Flyback變換器的二極體D3正嚮導通，變壓器Ll傳送能量到副邊。 有益效果 1、能同時提供原邊和副邊隔離的穩定輸出電壓以滿足原副邊各類控制晶片所需 的工作電壓。 2、由於該實用新型的輔助電源功率器件工作在開關模式而非線性模式，工作效率 得到大幅提升。無論電源模塊工作在待機模式或正常工作模式，都可直接使用該輔助電源 供電，無需設計額外的輔助電源和切換電路。[0017] 3、副邊輸出電壓無需複雜的控制電路設定，其幅值大小由原邊輸出電壓通過線圈 變比直接設定。 4、輔助電源工作器件少、功率器件電壓應力低、設計簡單，降低了成本和對PCB板 空間要求。
圖1是現有技術傳統輔助電源設計。 圖2是本實用新型的電路原理框圖。 圖3是本實用新型的電路框圖。
具體實施方式
以下結合說明附圖進一步說明本實用新型的實施例 如圖1所示，傳統輔助電源通過穩壓管Dl設定三極體的基極電壓，讓三極體或 MOSFET管工作在線性區以獲得原邊控制晶片所需的供電電壓，同時通過正激電路提供副 邊控制晶片所需的隔離工作電壓，如附圖l所示。由於數字控制晶片的靜態工作電流在幾 十毫安，加上其它各類輔助控制晶片所需的工作電流，流過原邊三極體的總靜態電流約在 0. 1A左右。電源模塊工作在寬輸入電壓範圍(如36V 75V)，當輸入電壓為75V而模塊電 源工作在待機狀態時，由於三極體工作在線性狀態其所產生的功耗高達數瓦。另外為了提 高電源模塊的工作效率，當數字電源模塊正常工作時，一般需設計一套額外的輔助電源電 路來切換待機時的輔助電源以降低功耗。因此很難滿足高功率密度數字電源模塊對效率和 PCB空間的要求。 如圖2、圖3所示，本實用新型的同步整流Buck-Flyback變換器，包括同步整流 Buck變換器、Flyback變換器以及Buck同步整流控制電路，其中同步整流Buck變換器用於 提供原邊各類控制晶片所需的工作電壓；Flyback變換器用於提供副邊各類控制晶片所需 的隔離工作電壓；Buck同步整流控制電路用於提供同步整流Buck變換器所需的同步整流 控制信號；輸入電壓進入同步整流Buck變換器的輸入端，在原邊產生10V的輸出電壓，所述 同步整流Buck變換器的結構包括第一電容Cl、開關控制晶片IC1內部MosFET(做為Buck 變換器的上管)、用於固定導通時間定時的第一電阻Rl、用於內部MosFET限流設置的第二 電阻R2、用於內部MosFET驅動電路電源供電的第二電容C2、用於內部MosFET驅動電壓升 壓的第三電容C3、輸出電壓採樣電路的第三電阻R3和第四電阻R4、續流管Ql、用於輸出電 壓濾波的第四電容C4和變壓器L1的原邊繞組等，原邊的設定輸出電壓為IOV。 續流管Ql的同步驅動控制信號電路，即Buck同步整流控制電路由第一二極體Dl、 第二二極體D2，第五電容C5，第五電阻R5， PNP管Q2，變壓器Ll第二副邊繞組組成。 副邊Flyback變換器的結構第三二極體D3，第六電容C6，變壓器Ll第一副邊繞組 依次串接組成，變壓器L1第一副邊繞組輸出穩定的電壓8V。 上述實施例採用高性能低價位集成晶片加上外圍電路組成，開關控制晶片IC1是 一種高頻降壓控制晶片LM5009，它的開關工作頻率最大可達600Khz，輸入電壓允許範圍為 9. 5V 95V，可輸出最大150mA電流，其工作環境溫度為_40度到+125度。該晶片內部包 含了一個2X高精度2.5V基準的運算放大器，保證了輸出電壓的穩定性。電路採用了定時導通的電流滯環控制技術，無需補償環路設計。同時該晶片內部集成了 Buck上管MosFET、 限流功能、待機功能等，降低了設計成本和外圍電路的複雜性，降低了設計難度。 工作原理及工作過程 同步整流Buck-Flyback變換器由同步整流Buck變換器、Flyback變換器和Buck 同步整流控制電路所組成。圖中變壓器LI不僅提供電氣隔離功能，同時變壓器LI原邊繞 組作為同步整流Buck變換器的輸出濾波電感、變壓器LI第一副邊繞組作為Flyback變換 器的儲能電感、變壓器L1第二副邊繞組提供同步整流Buck變換器的續流管Ql的同步整流 自驅動的信號。變壓器L1的原邊繞組和兩個副邊繞組共用一個磁芯，其中變壓器L1的三 個繞組中1、3、5端為同名端。由於同步整流Buck-Flyback始終工作在電感電流連續的狀 態下，其佔空比D相對較大。這就保證即使Buck或Flyback工作在空載狀態，其輸出電壓 V。2也能保持穩定。Flyback的輸出電壓V。2受原邊Buck的輸出電壓VQ1控制，其V。2的大小 可由變壓器LI的原邊繞組和第一副邊繞組之間的線圈變比來調整。 當續流管Q1關斷時，加在同步整流Buck變換器中的變壓器Ll原邊繞組上的電 壓Vu(1,2)為Vin-V。y此時Flyback變換器中變壓器LI的第一副邊繞組上承受的電壓Vu(3,4) 為正，因此使第三二極體D3截止，同時第三二極體D3上所承受的最大反向電壓比傳統 Flyback變換器低，其副邊的負載工作電流由第六電容C6提供。由於第二副邊繞組產生正 電壓Vu(5,e)，第五電容C5起到加速PNP管Q2導通的作用，因此在續流管Ql柵極上產生低 電平而維持在關斷狀態。 當續流管Q1導通時，加在同步整流Buck變換器中的變壓器Ll原邊繞組上的電壓 Vu(1,2)為_VQ1。同時Flyback變換器中變壓器Ll的第一副邊繞組上承受的電壓Vu(3,4)為 負，其幅值大小由原邊輸出電壓設定，具體為原邊輸出電壓_VQ1除以變壓器L1原邊繞組與 變壓器Ll第一副邊繞組之間的線圈變比。此時第三二極體D3導通，儲存在變壓器Ll磁場 中的能量通過第三二極體D3釋放， 一方面給第六電容C6充電，另一方面向負載供電。當副 邊負載較輕時，Flyback變換器的電流處於臨界或斷續時，第三二極體D3都為零電流關斷， 可獲得較高效率。變壓器L1的第二副邊繞組產生負電壓Vu(5,e)，第五電容C5起到加速PNP 管Q2關閉的作用，同時變壓器Ll的第二副邊繞組經過第一二極體Dl、第二二極體D2在續 流管Ql的柵極上產生負電壓Vu(5,e)，使續流管Ql導通。 本實用新型採用高性能低價位的集成控制晶片極大的降低了同步整流 Buck-Flyback變換器的設計難度，用較少的外圍電路獲得較好的控制特性。由於此變換器
工作在開關狀態，輔助電源的效率得到了保證。因此無需設計主變換器在不同工作模態時 輔助電源的切換電路，極大的節省了PCB板電路空間，特別適用於高功率密度的數字電源
模塊輔助電源設計。
權利要求一種同步整流Buck-Flyback變換器，用於在電源中為各類控制晶片提供原、副邊隔離的工作電壓，其特徵在於包括同步整流Buck變換器、Flyback變換器以及Buck同步整流控制電路，其中同步整流Buck變換器的輸出電壓用於提供原邊各類控制晶片所需的工作電壓；Flyback變換器的輸出電壓用於提供副邊各類控制晶片所需的隔離工作電壓；Buck同步整流控制電路用於提供同步整流Buck變換器所需的同步整流控制信號；所述同步整流Buck-Flyback變換器還包括一個變壓器L1，變壓器L1有三個繞組且共用一個磁芯，即原邊繞組、第一副邊繞組和第二副邊繞組，所述變壓器L1原邊繞組設置在同步整流Buck變換器中、變壓器L1第一副邊繞組設置在Flyback變換器中，變壓器L1第二副邊繞組設置在Buck同步整流控制電路中，加在同步整流Buck變換器中變壓器L1原邊繞組上的電壓通過變壓器L1分別耦合到Flyback變換器中的變壓器L1第一副邊繞組以及Buck同步整流控制電路中的變壓器L1第二副邊繞組。
2. 根據權利要求l所述的同步整流Buck-Flyback變換器，其特徵在於同步整流Buck 變換器由開關控制晶片IC1、第一電容C1、第一電阻R1、第二電阻R2、第二電容C2、第三電容 C3、第三電阻R3、第四電阻R4、續流管Ql、第四電容C4和變壓器Ll原邊繞組構成，其中第 一電容C1的一端分別與電源正極、第一電阻R1的一端以及開關控制晶片IC1的第8引腳 連接，第一電容C1的另一端分別與電源的負極、第二電阻R2的一端以及開關控制晶片IC1 的第4引腳連接，第一電阻R1的另一端與開關控制晶片IC1的第6引腳連接，第二電阻R2 的另一端與開關控制晶片IC1的第3引腳連接，第二電容C2的一端與開關控制晶片IC1的 第7引腳連接，另一端接原邊地；開關控制晶片IC1的第2引腳與第三電容C3的一端連接， 第三電容C3的另一端分別與開關控制晶片IC1的第1引腳、變壓器L1原邊繞組的1端以 及續流管Ql漏極連接，變壓器Ll原邊繞組的2端分別與第三電阻R3的一端、第四電容C4 的正極連接，第三電阻R3的另一端分別與開關控制晶片IC1的第5引腳、第四電阻R4的一 端連接；第四電阻R4的另一端分別與第四電容C4的負極、續流管Q1的源極連接後接原邊 地，續流管Ql的柵極與Buck同步整流控制電路的輸出端連接。
3. 根據權利要求1所述的同步整流Buck-Flyback變換器，其特徵在於Flyback變換 器由第三二極體D3，第六電容C6，變壓器Ll第一副邊繞組依次串接組成，其中第三二極體 D3的陽極與變壓器L1第一副邊繞組的4端連接，第三二極體D3的陰極與第六電容C6的正 極相連，變壓器Ll第一副邊繞組的3端與第六電容C6的負極相連接後接副邊地。
4. 根據權利要求1所述的同步整流Buck-Flyback變換器，其特徵在於Buck同步整流 控制電路由第一二極體Dl、第二二極體D2，第五電容C5，第五電阻R5，PNP管Q2，變壓器Ll 第二副邊繞組組成，其中第一二極體D1的陰極分別與同步Buck控制電路的輸出端即Ql的 柵極、PNP管Q2的發射極連接，第一二極體D1的陽極分別與第五電容C5的一端、第五電阻 R5的一端以及第二二極體D2的陰極連接，第五電阻R5的另一端分別與第五電容C5的另一 端、PNP管Q2的基極連接，第二二極體D2的陽極與變壓器Ll第二副邊繞組的6端連接，變 壓器Ll第二副邊繞組的5端與PNP管Q2的集電極連接後接原邊地。
5. 根據權利要求l所述的同步整流Buck-Flyback變換器，其特徵在於所述變壓器L1 原邊繞組的1端、第一副邊繞組的3端、第二副邊繞組的5端為同名端。
專利摘要本實用新型提供了一種同步整流Buck-Flyback變換器，適用於電源中各類控制晶片所需的原、副邊隔離工作電壓的輔助電源設計，包括同步整流Buck變換器、Flyback變換器以及Buck同步整流控制電路；其中同步整流Buck變換器的輸出電壓提供原邊各類控制晶片所需的工作電壓；Flyback變換器的輸出電壓提供副邊各類控制晶片所需的隔離工作電壓；Buck同步整流控制電路用於提供同步整流Buck變換器所需的同步整流控制信號。本實用新型不同於已有的拓撲只能提供單路原邊或副邊輸出電壓，其能同時提供原、副邊隔離的輸出電壓，副邊的輸出電壓幅值可由原邊輸出電壓設定，電路結構簡單，器件承受應力較低，在一定的負載條件下具有穩壓效果好、效率高等優點。
文檔編號H02M3/155GK201450447SQ200920047530
公開日2010年5月5日 申請日期2009年7月17日 優先權日2009年7月17日
發明者周巖, 王柏林 申請人:河海大學