壓降型直流－直流變換器的製作方法

2023-07-28 04:49:56

專利名稱：壓降型直流－直流變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及為切換元件的通-斷動作而實質地將輸出電壓降壓的壓降型DC-DC變換器。
來自電池等的直流電源的供應於負載的電力可通過將切換元件之通-斷動作的佔空比作變更而予以控制。例如，對應於斷開時間的導通時間愈短，則供應於負載的電力即變得愈小。因此，縮短對應於切換元件的斷開時間之接通時間，則實質上是相同於降低電池的供給電壓。所以變更切換元件的佔空比而不使用變壓器，則能實質地減小供應於負載的電壓。
而且，直接地連接負載於電池，自電池供應電力於負載時，隨著電池電壓的下降，供應於負載的電力亦變小。此時，將切換元件連接於電池和負載之間，而控制切換元件的佔空比，就能控制供應於負載的電力於一定。
對如此之用途，可使用在電池等的直流電源與負載之間連接切換元件，而調整切換該切換元件之通-斷動作的佔空比之連接供應於負載之電力的壓降型DC-DC變換器。
由於壓降型DC-DC變換器內藏有用以決定切換元件的通-斷動作之時序(tinning)的振蕩電路，使其電路之構成極其複雜在而且高價，所以難以實現小型化。而且，具有為了使振蕩電路動作而不能使用低電壓的缺點。
本發明系以解決上述之缺點為目的而開發的創作，因此本發明之重要目的，係為提供一種不使用振蕩電路，且以極簡單、低成本、省空間的電路來控制切換元件的佔空比的壓降型DC-DC變換器。
本發明的壓降型DC-DC變換器具備自直流電源供應電力於負載的切換元件Q1、及控制該切換元件Q1的通-斷動作的控制電路3，而控制電路3具有運算放大器4。
運算放大器4通過CR延遲電路5而輸入負載電壓於負輸入端子，並輸入基準電壓於正輸入端子的同時，亦通過上推電容器C1輸入運算放大器4的輸出。
CR延遲電路5使負載電壓的變動延遲而輸入於運算放大器4的負輸入端子。上推電容器C1將運算放大器4形成＂高(high)態＂時的輸出電壓予以輸入至正輸入端子，而一時地提升基準電壓，然後使之逐漸下降。
當切換元件Q1是為斷開時，下降的負載電壓通過CR延遲電路5逐漸地使負輸入端子的電壓下降，而當負輸入端子的電壓是較正輸入端子的電壓為低時，運算放大器4的輸出即形成＂高態＂而將切換元件Q1切換至導通。且於此時，上推電容器C1以＂高態＂電壓一時地拉高基準電壓而保持運算放大器4的輸出於＂高態＂。此後，當上推電容器C1經充電而基準電壓逐漸下降至較負載電壓為低時，運算放大器4的輸出即形成＂低態＂而切換元件Q1則切換至斷開。亦即，上推電容器C1是使運算放大器4的輸出反饋於正輸入端子、形成滯後作用而進行切換元件Q1的通-斷切換動作。
根據本發明的另一方面的壓降型DC-DC變換器系通過電阻與齊納二極體而將電源電壓輸入於運算放大器4的負輸入端子。該DC-DC變換器系在切換元件Q1導通時，以電源電壓來加速負輸入端子的電壓的上升。電源電壓愈高，負輸入端子的電壓上升愈迅速。因此，當電源電壓高時，負輸入端子較正輸入端子的高態時間為短，而於短時間內將切換元件Q1切換於斷開。由於當直流電源電壓為高時，即縮短切換元件Q1的導通時間，當直流電源電壓低時，即拉長切換元件Q1的導通時間，因此在直流電源電壓變動時，能減少負載電力的變動。
圖1表示本發明的實施例的壓降型DC-DC變換器的電路圖。
符號說明1 電池
2 電熱器3 控制電路4 運算放大器5 CR延遲電路6 電源開關Q1 切換元件Q2 驅動用電晶體C1 上推電容器ZD 齊納二極體以下，根據


本發明的實施例。但是，以下所示之實施例係為舉例表示用以具體化本發明之技術思想的壓降型DC-DC變換器之技術，本發明並不僅特定於下述之DC-DC變換器。
本發明之說明書為能使申請專利範圍更容易了解，特將對應於示於實施例之構件的編號，附註於「權利要求書」及「技術方案部分」中所記載之構件之後。但並非是將表示於權利要求書的構件特定於實施例中之構件。
表示於圖1的壓降型DC-DC變換器為具有直流電源的電池1、自該電池1供應電力於作為負載的電熱器2、連接於電池1與電熱器2之間的電晶體的切換元件Q1、和控制該切換元件Q1之通-斷動作的控制電路3。電路圖系以電熱器作為負載，但本發明並不特定負載為電熱器。負載也可以為馬達或電燈泡等。
表示於該圖中的壓降型DC-DC變換器之控制電路3是具有運算放大器4，及由該運算放大器4之輸出所控制的驅動用電晶體Q2。運算放大器4通過CR延遲電路5輸入負載電壓於負輸入端子。CR延遲電路5是由連接於負載與負輸入端子之間的電阻R3、和連接於負輸入端子與接地之間的電容器C2所構成。電容器C2上連接有兼用於分壓電阻與放電電阻的電阻R5。CR延遲電路5系當電阻R3與電容器C2為大時，負載電壓的延遲時間即變長。亦即，當切換元件Q1切換至通-斷時，緩和了負輸入端子的電壓變動。因此，即拉長了切換元件Q1之切換至通-斷的時序，換句話說，切換周期變長。
運算放大器4系在輸入基準電壓於正輸入端子的同時，通過上推電容器C1而反饋運算放大器4的輸出。基準電壓是由串聯連接的電阻R1與二極體D1而獲得。串聯連接的電阻R1與二極體D1系與電池1作並聯連接，而用二極體D1之順向的電壓降，約可得0.6V的基準電壓。基準電壓亦可通過將電阻與齊納二極體作串聯連接而獲得。基準電壓系考慮供應於負載的電力而設定於最適當之值。當基準電壓為高時，供應於負載的電力即變大，相反地，當降低了基準電壓時，負載的供應電力即變小。這是由於運算放大器4控制切換元件Q1之通-斷動作而使負載電壓形成相等於基準電壓之故。
上推電容器C1系與電阻R2作串聯連接，而反饋輸入運算放大器4的輸出於正輸入端子。上推電容器C1當靜電容量為大時，運算放大器4的反饋量即變大，在運算放大器4的＂高態＂輸出電壓下，長時間地保持為高的正輸入端子的電壓。因此，切換元件Q1的導通時間即變長。
圖1的DC-DC變換器系將電池1的正端通過電阻R4與齊納二極體ZD而連接於運算放大器4的負輸入端子。電阻R4與齊納二極體ZD系以電池電壓提升負輸入端子的電壓，在切換元件Q1為導通狀態時，負輸入端子的電壓即加速上升。因此，切換元件Q1是導通狀態而負輸入端子的電壓是由於負載電壓而逐漸變高時，當電池電壓為高，則更加速負端子的電壓的上升，而縮短切換元件Q1的導通時間。相反地，當電池電壓下降時，使負輸入端子的電壓的上升速度即變得延遲，而長時間地保持形成導通狀態的切換元件Q1於導通狀態。此情形係為，在電池電壓為高時縮短切換元件Q1的導通時間，而隨著電池電壓的下降，拉長切換元件Q1的導通狀態的時間，以保持對負載的供應電力於一定。因此，當電池1消耗而電壓下降時，有著能減少對負載之供應電力的變動之特點。
因此，當圖1的DC-DC變換器使用於電池1和電熱器2的電力控制時，對於電池電壓的變動，具有能夠減少電熱器2的消費電力的變動之特點。
示於圖1之壓降型DC-DC變換器是通過下述的步驟以進行切換元件Q1的通-斷的切換動作的。
(1)當電源開關6為導通時，切換元件Q1處於斷開狀態，故負載電壓為0V。
(2)此時，由於對運算放大器4的正輸入端子是供應著基準電壓、運算放大器4的之正輸入端子的電壓是較負輸入端子為高而輸出高的＂高態＂電壓。
(3)運算放大器4的＂高態＂輸出將驅動用的電晶體Q2切換於導通。
(4)當驅動用的電晶體Q2於導通時，即供應基極電流於切換元件Q1，而切換元件Q1則被切換於導通。
(5)在導通狀態的切換元件Q1將電池1連接於負載的電熱器2而供應電力於電熱器2。
(6)施加於負載兩端的電壓通過CR延遲電路5而輸入於運算放大器4的負輸入端子。CR延遲電路5即使在負載電壓變得相等於電池電壓時，也延遲負輸入端子的電壓的上升。所以，即使電池電壓是供應於負載，負輸入端子的電壓也不立即的上升，而是逐漸地變高。
(7)另一方面，當運算放大器4的輸出是＂高態＂時，＂高態＂電壓通過上推電容器C1而一時地提高運算放大器4的輸出。上推電容器C1隨著充電之情形而使正輸入端子的電壓下降到基準電壓。
(8)正輸入端子的電壓隨著上推電容器C1的充電狀況而逐漸下降，而負輸入端子的電壓則由於CR延遲電路5而逐漸升高。
(9)當負輸入端子的電壓當較正輸入端子的電壓為高時，運算放大器4以輸出為＂低態＂而切換驅動用電晶體Q2於斷開。
(10)當驅動用電晶體Q2是斷開時，切換元件Q1亦斷開。
(11)當切換元件Q1是斷開時，負載即自電池1切離，而負載則成為不消耗電力的狀態。
(12)在該狀態下，當負載電壓為0V時，CR延遲電路5系使負輸入端子的電壓逐漸地下降。
(13)與此狀態的同時，運算放大器4的＂低態＂電壓使正輸入端子的基準電壓一時地下降到＂低態＂，但此後則逐漸地上升到基準電電壓而使正輸入端子的電壓提升。
(14)當正輸入端子的電壓是較負輸入端子的電壓為高時，運算放大器4的輸出成為＂高態＂。此後，重覆著(2)～(14)的動作，而DC-DC變換器則供應電力於作為負載的電熱器2。
以上實施例的壓降型DC-DC變換器係為以電池控制負載的電熱器。本發明的壓降型的DC-DC變換器也可以用於例如將商用電源的交流100V予以整流而作為直流，以該直流使直流馬達轉動的電動刮鬍刀等的控制電路。
本發明的壓降型DC-DC變換器是具有不使用振蕩電路等的複雜的電路，以極簡單、低成本、省空間的電路，能夠控制對負載的供應電力的特點。這是由於，本發明的DC-DC變換器是使用運算放大器於可將切換元件切換於通-斷的控制電路中，而該運算放大器通過CR延遲電路而輸入負載之電壓，且以上推電容器反饋輸出於正輸入端子而構成滯後現象，而進行切換之故。
而且，根據本發明的另一方面的DC-DC變換器系由於隨著直流電源之電壓的下降，而拉長切換元件的導通時間，故具有減少對於直流電源電壓的變動之負載的消耗電力的變動之特點。這是由於，切換元件是於形成導通狀態時，以電源電壓加速運算放大器之負輸入端子的電壓的上升，而當負輸入端子的電壓是較正輸入端子的電壓為高時，能將切換元件切換於斷開之故。該方式是當電源電壓愈高，則負輸入端子的電壓上升愈迅速。換句話說，當電源電壓下降，負輸入端子的電壓上升則延遲，而將切換元件切換到斷開的時間即變長。
權利要求
1.一種壓降型直流-直流變換器，具有自直流電源供應電力於負載的切換元件(Q1)、及控制該切換元件(Q1)通-斷動作的控制電路(3)，其特徵在於所述控制電路(3)具有運算放大器(4)，負載電壓是通過CR延遲電路(5)而被輸入於運算放大器(4)的負輸入端子，且在基準電壓是輸入於運算放大器(4)的正輸入端的同時，運算放大器(4)的輸出通過上推電容器(C1)作反饋輸入；所述CR延遲電路(5)用以將負載電壓的變動延遲後而輸入於運算放大器(4)的負輸入端子，上推電容器(C1)在輸入運算放大器(4)是為＂高態＂時將輸出電壓輸入於正輸入端子，而一時地提升基準電壓後逐漸地使之下降；當所述切換元件(Q1)為斷開時，下降的負載電壓通過CR延遲電路(5)而逐次地使負輸入端子的電壓下降，當負輸入端子的電壓是較正輸入端子的電壓為低時，運算放大器(4)的輸出則形成為＂高態＂而將切換元件(Q1)切換於導通的同時，上推電容器(C1)以＂高態＂電壓一時地提高基準電壓而保持運算放大器(4)的輸出於＂高態＂；當上推電容器(C1)被充電而基準電壓逐次下降而較負載電壓為低時，運算放大器(4)的輸出成為＂低態＂而切換元件(Q1)被切換於斷開狀態。
2.如權利要求1所述的壓降型直流-直流變換器，其特徵在於，當電源電壓通過電阻與齊納二極體(ZD)而輸入於運算放大器(4)的負輸入端子、而切換元件(Q1)為導通時，以電源電壓加速負輸入端子之電壓上升，且以電源電壓縮短切換元件(Q1)的導通時間，從而減少對於電源電壓的變動之負載電力的變動。
全文摘要
本發明提供一種不使用複雜的振蕩電路,而以低成本,且省空間的簡單電路控制切換元件的佔空比的壓降型直流—直流變換器。該變換器是以具備有運算放大器4的控制電路3,對來自直流電源供應電力於負載的切換元件Q1進行切換處理,運算放大器4通過CR延遲電路5而輸入負載電壓於負輸入端子,且以上推電容器C1反饋運算放大器4的輸出於正輸入端子。以CR延遲電路5和上推電容器C1在滯後(hysteresis)作用的狀態下,切換元件Q1的通－斷動作。
文檔編號H02M3/155GK1196603SQ9810536
公開日1998年10月21日 申請日期1998年2月26日 優先權日1997年2月28日
發明者佐野正人 申請人:三洋電機株式會社