一種高效率同步整流降壓型開關變換器的製作方法
2023-05-05 00:07:31
專利名稱：一種高效率同步整流降壓型開關變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種開關變換器，尤其是涉及對控制一種高效率同步整流降壓型開關變換器的功能實現。
背景技術：
今年來隨著能源的日益緊張和環境問題的日益突出，各種節能技術、綠色環保技術日益成為研究的熱點，提高能源利用率，特別是提高能耗系統的效率則是擺在和開發新能源同等重要的地位。開關電源以其較高的效率、豐富的構造方式、可靠的工作性能廣泛應用於各種電氣設備和電子產品中。但是隨著可攜式的電子產品工作電壓的日益降低、能耗逐步減小、待機時間的大幅上升，傳統的以二極體作為開關電源變換器續流管越來越顯得效率低下，越來越不能滿足當前的社會需要。尤其是當可攜式電子產品中微處理器的工作電壓降到IV左右時，即便是使用各種具有快速恢復功能、正嚮導通電壓很低的二極體，如肖特基矽二極體SBD等作為續流管，它們的正嚮導通電壓依舊達到約0. 4V-0. 6V有些甚至更高，以這樣的導通電壓來續流輸出端的大電流，就使得開關變換器的功率被續流二極體極大的浪費了，開關變換器的效率也就被降低了。同步整流技術就是在這樣一種背景下產生的，它利用通態電阻極低的專用的功率器件如功率MOSFET，IGBT等等來取代二極體的位置，這樣在續流狀態時加在功率器件兩端的電壓很低，從而極大的降低在續流狀態時損耗的功率，提高開關變換器的效率。採用同步整流技術時，要求被整流電壓的相位與功率整流器件M0SFET、 IGBT的控制端的相位保持一致，這也是同步整流的名稱來源。由於在同步整流時，導通的功率整流管不是單向導通的，而是可以雙嚮導通的，這樣就可能出現由於控制邏輯的設計缺陷或者功率開關管和功率整流管的控制信號由於延時的影響而出現在某個時間段裡功率開關管和功率整流管同時導通shoot through。這樣對於降壓型的同步整流開關變換器而言將可能會出現兩個明顯的功率損耗點。一個時間點在電感的充電快要結束時，功率開關管還沒有來得及關閉而功率整流管已經開啟導通，從而形成了在輸入電源的正向端經過兩個功率開關管接地的低阻大電流直流通路，損耗一部分功率；另一個時間點在電感快要結束放電時，功率整流管還沒有來得及關閉而功率開關管已經開啟導通，從而又形成了從輸入電源的正向端經過兩個功率開關管接地的低阻大電流直流通路，損耗一部分功率。
發明內容本發明主要是解決現有技術所存在的死區時間控制方案中，一般採用邏輯複雜的固定死區時間控制方案，並且多是輔以電流檢測電路，這樣不僅僅邏輯複雜，設計難度大， 而且電流檢測電路更是要用到電流過零檢測電路等等，使得設計成本也大等的技術問題； 提供了一種實現了在不利用電流互感器和傳感電阻，也不採用複雜控制邏輯就實現高效率同步整流的作用，具有結構簡單、效率高、體積小的高效率同步整流降壓型開關變換器。本發明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的[0006]一種高效率同步整流降壓型開關變換器，其特徵在於，包括降壓型開關變換器主模塊、與降壓型開關變換器主模塊相連的電壓模式負反饋脈寬調製控制模塊以及分別與降壓型開關變換器主模塊和電壓模式負反饋脈寬調製控制模塊相連的同步整流控制模塊。本發明一種高效率同步整流降壓型開關變換器，採用降壓型開關變換器的主電路，將輸入電源提供的高電壓轉換成可攜式電子產品中電路所需要的低電壓。電壓模式負反饋脈寬調製控制模塊，利用負載改變時，脈寬調製信號的佔空比也將發生變化的原理，產生了可以用來驅動同步整流電路的初始的脈寬調製信號。同步整流控制模塊則將初始的脈寬調製信號加以延時濾波，並將延時濾波後的脈寬信號分別與兩個基準電壓進行比較從而得到兩路同步整流信號，其中脈寬略窄的一路用來驅動功率開關管，脈寬略寬的一路反向之後用來驅動功率整流管。在上述的一種高效率同步整流降壓型開關變換器，所述的述降壓型開關變換器主模塊包括一輸入直流電源Vin，一功率開關管Si, 一功率整流管S2，一儲能電感L，一輸出電容C以及一負載電阻RO ；所述輸入直流電源Vin的正向輸入端接功率開關管Sl的漏極， 功率開關管Sl的源極接功率整流管S2的漏極和儲能電感L的一端，儲能電感L的另一端接輸出電容C的一端和負載電阻RO的一端，功率整流管S2的源極接地，負載電阻RO的另一端接地，輸入直流電源Vin的另一端接地。在上述的一種高效率同步整流降壓型開關變換器，所述的電壓模式負反饋脈寬調製控制模塊包括由電壓採樣電阻Rfl，電壓採樣電阻Rf2組成的輸出電壓採樣網絡，一個誤差放大器A，一個脈寬調製比較器PWM，一個鋸齒波發生器Vramp以及一基準電壓源 Vref3 ；所述採樣電阻Rfl的一端與所述降壓型開關變換器主模塊正向輸出端相連，另一端接採樣電阻Rf2以及所述誤差放大器A的反向輸入端，所述採樣電阻Rf2的另一端接地；所述誤差放大器A的正向輸入端接基準電壓源Vref3，輸出端接脈寬調製比較器PWM的正向輸入端；所述脈寬調製比較器PWM的反向輸入端接鋸齒波發生器Vramp的輸出端，反向輸出端與所述的同步整流控制模塊相連；所述的鋸齒波發生器Vramp的另一端接地。在上述的一種高效率同步整流降壓型開關變換器，所述的所述同步整流控制模塊包括一由延時電阻Rf和濾波電容Cf組成的延時濾波網絡，以及同步整流控制比較器 Cl、同步整流控制比較器C2和一反相器INV ；所述的延時電阻Rf的一端接所述脈寬調製比較器PWM的反向輸出端，另一端分別同時與濾波電容Cf的一端、同步整流控制比較器Cl以及C2的正向輸入端相連，所述濾波電容Cf的另一端接地；所述同步整流控制比較器Cl的反向輸入端接基準電壓源Vrefl，輸出端接功率開關管Sl的控制端柵極；同步整流控制比較器C2的反向輸入端接基準電壓源Vref2，輸出端接反向器INV的輸入端，反相器INV的輸出端接功率整流管S2的控制端柵極。因此，本發明具有如下優點1.設計合理，結構簡單且完全實用；2.實現了在不利用電流互感器和傳感電阻，也不採用複雜控制邏輯就實現高效率同步整流的作用，具有結構簡單、效率高、體積小。
附圖1是未經優化處理的同步整流降壓型開關變換器的功率開關管和功率整流管的控制信號圖。[0013]附圖2是經過優化處理的高效率同步整流降壓型開關變換器的功率開關管和功率整流管的控制信號圖。附圖3是本發明的電路結構圖。附圖4是圖3中的同步整流控制信號產生的原理圖。附圖5是圖2中的同步整流控制模塊仿真得到的同步整流控制信號。
具體實施方式
下面通過實施例，並結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。圖中， 降壓型開關變換器主模塊1、電壓模式負反饋脈寬調製控制模塊2、同步整流控制模塊3。實施例一種高效率同步整流降壓型開關變換器，其特徵在於，包括降壓型開關變換器主模塊1、與降壓型開關變換器主模塊1相連的電壓模式負反饋脈寬調製控制模塊2以及分別與降壓型開關變換器主模塊1和電壓模式負反饋脈寬調製控制模塊2相連的同步整流控制模塊3。降壓型開關變換器主模塊1包括一輸入直流電源Vin，一功率開關管Si，一功率整流管S2，一儲能電感L，一輸出電容C以及一負載電阻RO ；輸入直流電源Vin的正向輸入端接功率開關管Sl的漏極，功率開關管Sl的源極接功率整流管S2的漏極和儲能電感L的一端，儲能電感L的另一端接輸出電容C的一端和負載電阻RO的一端，功率整流管S2的源極接地，負載電阻RO的另一端接地，輸入直流電源Vin的另一端接地。 電壓模式負反饋脈寬調製控制模塊2包括由電壓採樣電阻Rfl，電壓採樣電阻Rf 2 組成的輸出電壓採樣網絡，一個誤差放大器A，一個脈寬調製比較器PWM，一個鋸齒波發生器Vramp以及一基準電壓源Vref3 ；採樣電阻Rfl的一端與降壓型開關變換器主模塊1正向輸出端相連，另一端接採樣電阻Rf2以及誤差放大器A的反向輸入端，採樣電阻Rf2的另一端接地；誤差放大器A的正向輸入端接基準電壓源Vref3，輸出端接脈寬調製比較器PWM 的正向輸入端；脈寬調製比較器PWM的反向輸入端接鋸齒波發生器Vramp的輸出端，反向輸出端與同步整流控制模塊3相連；鋸齒波發生器Vramp的另一端接地。 同步整流控制模塊3包括一由延時電阻Rf和濾波電容Cf組成的延時濾波網絡， 以及同步整流控制比較器Cl、同步整流控制比較器C2和一反相器INV ；延時電阻Rf的一端接脈寬調製比較器PWM的反向輸出端，另一端分別同時與濾波電容Cf的一端、同步整流控制比較器Cl以及C2的正向輸入端相連，濾波電容Cf的另一端接地；同步整流控制比較器Cl的反向輸入端接基準電壓源Vrefl，輸出端接功率開關管Sl的控制端柵極；同步整流控制比較器C2的反向輸入端接基準電壓源Vref2，輸出端接反向器INV的輸入端，反相器 INV的輸出端接功率整流管S2的控制端柵極。同步整流控制模塊3對電壓模式負反饋脈寬調製控制模塊2所產生的脈寬控制信號進行延時濾波後與兩路基準電壓Vrefl，Vref2且 Vref l<Vref2進行比較，得到兩路周期相同，高電平部分脈寬不同的同步整流控制信號磁
、@2。同步整流控制模塊3產生的兩路不同脈寬的同步整流控制信號6|、δ2，信號吞2經
過反相器INV反向後，同步整流控制信號Gl和62之間存在死區時間，死區時間的控制滿足[0023]
權利要求1.一種高效率同步整流降壓型開關變換器，其特徵在於，包括降壓型開關變換器主模塊(1 )、與降壓型開關變換器主模塊(1)相連的電壓模式負反饋脈寬調製控制模塊(2)以及分別與降壓型開關變換器主模塊(1)和電壓模式負反饋脈寬調製控制模塊(2)相連的同步整流控制模塊(3)。
2.根據權利要求1所述的一種高效率同步整流降壓型開關變換器，其特徵在於，所述的述降壓型開關變換器主模塊(1)包括一輸入直流電源Vin，一功率開關管Si，一功率整流管S2，一儲能電感L，一輸出電容C以及一負載電阻RO ；所述輸入直流電源Vin的正向輸入端接功率開關管Sl的漏極，功率開關管Sl的源極接功率整流管S2的漏極和儲能電感L的一端，儲能電感L的另一端接輸出電容C的一端和負載電阻RO的一端，功率整流管S2的源極接地，負載電阻RO的另一端接地，輸入直流電源Vin的另一端接地。
3.根據權利要求1所述的一種高效率同步整流降壓型開關變換器，其特徵在於，所述的電壓模式負反饋脈寬調製控制模塊(2)包括由電壓採樣電阻Rfl，電壓採樣電阻Rf2組成的輸出電壓採樣網絡，一個誤差放大器A，一個脈寬調製比較器PWM，一個鋸齒波發生器 Vramp以及一基準電壓源Vref3 ；所述採樣電阻Rfl的一端與所述降壓型開關變換器主模塊 (1)正向輸出端相連，另一端接採樣電阻Rf2以及所述誤差放大器A的反向輸入端，所述採樣電阻Rf2的另一端接地；所述誤差放大器A的正向輸入端接基準電壓源Vref3，輸出端接脈寬調製比較器PWM的正向輸入端；所述脈寬調製比較器PWM的反向輸入端接鋸齒波發生器Vramp的輸出端，反向輸出端與所述的同步整流控制模塊(3)相連；所述的鋸齒波發生器 Vramp的另一端接地。
4.根據權利要求2所述的一種高效率同步整流降壓型開關變換器，其特徵在於，所述的所述同步整流控制模塊(3)包括一由延時電阻Rf和濾波電容Cf組成的延時濾波網絡， 以及同步整流控制比較器Cl、同步整流控制比較器C2和一反相器INV;所述的延時電阻Rf 的一端接所述脈寬調製比較器PWM的反向輸出端，另一端分別同時與濾波電容Cf的一端、 同步整流控制比較器Cl以及C2的正向輸入端相連，所述濾波電容Cf的另一端接地；所述同步整流控制比較器Cl的反向輸入端接基準電壓源Vrefl，輸出端接功率開關管Sl的控制端柵極；同步整流控制比較器C2的反向輸入端接基準電壓源Vref2，輸出端接反向器INV 的輸入端，反相器INV的輸出端接功率整流管S2的控制端柵極。
專利摘要本實用新型涉及一種開關變換器，尤其是涉及對控制一種高效率同步整流降壓型開關變換器的功能實現。一種高效率同步整流降壓型開關變換器，其特徵在於，包括降壓型開關變換器主模塊(1)、與降壓型開關變換器主模塊(1)相連的電壓模式負反饋脈寬調製控制模塊(2)以及分別與降壓型開關變換器主模塊(1)和電壓模式負反饋脈寬調製控制模塊(2)相連的同步整流控制模塊(3)。因此，本實用新型具有如下優點1.設計合理，結構簡單且完全實用；2.實現了在不利用電流互感器和傳感電阻，也不採用複雜控制邏輯就實現高效率同步整流的作用，具有結構簡單、效率高、體積小。
文檔編號H02M3/07GK202043035SQ20112011378
公開日2011年11月16日 申請日期2011年4月18日 優先權日2011年4月18日
發明者江金光, 龔旭 申請人:武漢大學