一种直流变换器预偏置开机电路及直流变换器

摘要

本发明涉及一种直流变换器预偏置开机电路，所述变换器包括PWM控制电路，以及由所述PWM控制电路驱动的BUCK电路和推挽电路，所述预偏置开机电路与所述PWM控制电路相连，所述预偏置开机电路用于在直流变换器开机时判断是否存在负载电压，进而控制BUCK电路中的续流开关管的开启和关断。本发明还相应提供了一种采用上述预偏置开机电路的直流变换器。实施本发明解决了由于负载预偏置电压造成续流开关管反向电流过大损坏器件的问题，也防止了变换器输出电压的跌落。

权利要求

1.一种直流变换器预偏置开机电路，所述变换器包括PWM控制电路（100），以及由所述PWM控制电路（100）驱动的BUCK电路（200）和推挽电路（300），所述BUCK电路（200）包括续流开关管（QF）和电感（L），其特征在于，所述预偏置开机电路（400）与所述PWM控制电路（100）相连，所述预偏置开机电路（400）用于在直流变换器开机时检测直流变换器是否存在负载电压，在不存在负载电压时，控制所述PWM控制电路（100）以启动所述续流开关管（QF）；

在存在负载电压时，控制所述PWM控制电路（100）以关断所述续流开关管（QF），直至直流变换器输出电压大于负载电压则控制所述PWM控制电路（100）以启动所述续流开关管（QF）；

并且所述预偏置开机电路（400）与所述BUCK电路（200）相连，所述预偏置开机电路（400）通过检测所述BUCK电路（200）的电感（L）电流以判断是否存在负载电压。

2.根据权利要求1所述的直流变换器预偏置开机电路，其特征在于，所述预偏置开机电路（400）还用于在直流变换器关机时控制所述PWM控制电路（100）以关断所述续流开关管（QF）。

3.根据权利要求1所述的直流变换器预偏置开机电路，其特征在于，所述预偏置开机电路（400）包括信号处理电路（410）、第一电阻（R3）和第一开关管（Q5），所述信号处理电路（410）输入端与开机电源和BUCK电路（200）的电感（L）相连，在检测到BUCK电路（200）的电感（L）电流为正向冲击电流时输出低电平，在检测到BUCK电路（200）的电感（L）没有正向冲击电流时输出高电平；所述第一电阻（R3）连接在所述信号处理电路（410）输出端和第一开关管（Q5）栅极之间，所述第一开关管（Q5）的源极接地，所述第一开关管（Q5）的漏极连接至所述PWM控制电路（100）。

4.根据权利要求3所述的直流变换器预偏置开机电路，其特征在于，所述信号处理电路（410）由数字控制芯片或分立模拟器件构成。

5.一种直流变换器，包括PWM控制电路（100），以及由所述PWM控制电路（100）驱动的BUCK电路（200）和推挽电路（300），所述BUCK电路（200）包括续流开关管（QF）和电感（L），其特征在于，所述直流变换器还包括与所述PWM控制电路（100）相连的预偏置开机电路（400），所述预偏置开机电路（400）用于在直流变换器开机时检测直流变换器是否存在负载电压，在不存在负载电压时控制所述PWM控制电路（100）以启动续流开关管（QF）；在存在负载电压时控制所述PWM控制电路（100）以关断续流开关管（QF），直至直流变换器输出电压大于负载电压则控制所述PWM控制电路（100）以启动续流开关管（QF）启动；

并且所述预偏置开机电路（400）与所述BUCK电路（200）相连，所述预偏置开机电路（400）通过检测所述BUCK电路（200）的电感（L）电流以判断是否存在负载电压。

6.根据权利要求5所述的直流变换器，其特征在于，所述预偏置开机电路（400）还用于在关机时控制所述PWM控制电路（100）以关断所述续流开关管（QF）。

7.根据权利要求5或6所述的直流变换器，其特征在于，所述预偏置开机电路（400）包括信号处理电路（410）、第一电阻（R3）和第一开关管（Q5），所述信号处理电路（410）输入端与开机电源和BUCK电路（200）的电感（L）相连，在检测到BUCK电路（200）的电感（L）电流为正向冲击电流时输出低电平，在检测到BUCK电路（200）的电感（L）没有正向冲击电流时输出高电平；所述第一电阻（R3）连接在所述信号处理电路（410）输出端和第一开关管（Q5）栅极之间，所述第一开关管（Q5）的源极接地，所述第一开关管（Q5）的漏极连接至所述PWM控制电路（100）。

8.根据权利要求5所述的直流变换器，其特征在于，所述信号处理电路（410）由数字控制芯片或分立模拟器件构成。

说明书

一种直流变换器预偏置开机电路及直流变换器

技术领域

[0001] 本发明涉及电子技术领域，更具体地说，涉及一种直流变换器预偏置开机电路及直流变换器。

背景技术

[0002] 目前大量的直流变换器采用同步整流技术，若在输出端有电压的情况下直接开关机会存在一些问题。请参阅图1，为一种由BUCK电路200和推挽电路300两级拓扑电路构成的变换器电路。该变换器电路还包括用于驱动BUCK电路200和推挽电路300的PWM控制电路(图1中未示出)。其中，BUCK电路200包括整流开关管QR、续流开关管QF、电感L和电容Ci。其中，电路输入端Vin依次通过整流开关管QR、电感L输出至推挽电路。整流开关管QR与电感L之间的节点通过续流开关管QF接地，同时BUCK电路200的输出端通过电容Ci接地。推挽电路300由变压器T、4个开关管组成的桥臂以及电容Co构成。其中BUCK电路200的输出端依次通过变压器T原边的第一线圈和开关管Q1接地，BUCK电路200的输出端还依次通过变压器T原边的第二线圈和开关管Q2接地。推挽电路300的输出端则通过变压器T副边的第一线圈和开关管Q4接地，同时还通过变压器T副边的第二线圈和开关管Q3接地。电容Co连接在推挽电路300的输出端和地之间。BUCK电路200和推挽电路300中的续流开关管、整流开关管及推挽开关管Q1至Q4都由PWM控制电路来驱动。直流变换器电路通过推挽电路300的输出端Vout为负载(图1中未示出)供电。

[0003] 开关机时，开关管在推挽电路的推拉过程(push-pull)中其驱动信号的占空比约为50％。在开机时，整流开关管QR的驱动信号占空比开始为低，之后慢慢增加，续流开关管QF的驱动信号占空比开始为高，之后慢慢减小。若负载存在电压，电容Co经推挽电路、电感L和续流开关管QF形成回路，如图1中箭头所示的反灌回路，并产生反灌电流Ir。关机时整流开关管QR为低电平，续流开关管QF会有一段时间的高电平，若负载存在电压，则负载电压从续流开关管QF倒灌。尤其在输出大电容空载情况下开关机时，该反灌电流Ir将更大。因此，当负载存在电压时，将对该直流变换器电路产生以下影响：一方面，使直流变换器的输出开机波形不单调，有突降的特性；另一方面，使流过续流开关管的反向电流非常大，当超过额定值时，会使续流开关管和负载损坏，推挽电路的副边开关管漏源应力也会超标。

[0004] 目前，解决上述问题的常用方法是：在开机时关断续流开关管的驱动，开机结束后再把续流开关管的驱动打开；而在关机时，同时关断整流开关管和续流开关管的驱动。然而，这种方式在续流开关管从关断到突然打开的切换过程中，变换器的输出电压会有一大的跌落。并且随着模块的环境温度以及负载情况不同，这个切换点的时刻并不相同。在控制上很难跟踪这个切换点，如果过早的切换避免不了倒灌的问题，而过晚的切换会使模块长期处于肖特基整流状态。此外，还有一种解决方法是通过将一个开关信号转换成占空比逐渐展开的PWM波，来解决占空比直接切换时的输出电压跌落问题。但是这种方式控制比较复杂，且无法区分模块输出是否有预偏置电压，对于空载零电压开机、带载开机以及跳变开机这些没有预偏置电压的情况下也按照有预偏置电压一样处理，会带来一些问题。如在电源开机的过程中，当电源负载由满载跳到空载，此时正好续流开关管由关断向开通转变，由于负载突然减载，续流开关管占空比突然增大，会使能量倒灌，电压应力高，输出电压有跌坑，损坏器件。

[0005] 因此，需要为由BUCK电路和推挽电路构成的直流变换器提供一种新的预偏置开机电路，使变换器在有输出电压预偏置的情况下能正常开关机，并能够通过简单地控制来准确地实现开关机，同时在开关机时避免器件损坏。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题在于，针对现有直流变换器的预偏置电路的上述控制复杂且易于损坏电路器件的缺陷，提供一种直流变换器预偏置开机电路以及采用该预偏置开机电路的直流变换器。

[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种预偏置开机电路，通过检测负载是否存在偏置电压来判断是否需要预偏置开机。在开机时，若检测到BUCK电路的电感上存在正向冲击电流，则负载没有预偏置电压，因此启动续流开关管的驱动；检测到BUCK电路的电感上的正向冲击电流很小或没有，则负载存在预偏置电压，因此一直关断续流开关管的驱动，使续流开关管一直工作在肖特基整流状态，直到变换器模块输出电压大于预偏置电压，此时电感上存在正向冲击电流，再打开续流开关管驱动。

[0008] 本发明的第一方面，提供了一种直流变换器预偏置开机电路，所述变换器包括PWM控制电路，以及由所述PWM控制电路驱动的BUCK电路和推挽电路，所述BUCK电路包括续流开关管和电感，其特征在于，所述预偏置开机电路与所述PWM控制电路相连，所述预偏置开机电路用于在直流变换器开机时检测直流变换器是否存在负载电压，在不存在负载电压时控制所述PWM控制电路以启动所述续流开关管；在存在负载电压时控制所述PWM控制电路以关断所述续流开关管，直至直流变换器输出电压大于负载电压则控制所述PWM控制电路以启动所述续流开关管。

[0009] 在本发明所述的直流变换器预偏置开机电路中，所述预偏置开机电路还用于在直流变换器关机时控制所述PWM控制电路以关断所述续流开关管。

[0010] 在本发明所述的直流变换器预偏置开机电路中，所述预偏置开机电路与所述BUCK电路相连，用于检测所述BUCK电路的电感电流以判断是否存在负载电压。

[0011] 在本发明所述的直流变换器预偏置开机电路中，所述预偏置开机电路包括信号处理电路、第一电阻和第一开关管，所述信号处理电路输入端与开机电源和BUCK电路的电感相连，在检测到BUCK电路的电感电流为正向冲击电流时输出低电平，在检测到BUCK电路的电感没有正向冲击电流时输出高电平；所述第一电阻连接在所述信号处理电路输出端和第一开关管栅极之间，所述第一开关管的源极接地，所述第一开关管的漏极连接至所述PWM控制电路。

[0012] 在本发明所述的直流变换器预偏置开机电路中，所述信号处理电路由数字控制芯片或分立模拟器件构成。

[0013] 本发明的第二个方面，提供了一种直流变换器，包括PWM控制电路，以及由所述PWM控制电路驱动的BUCK电路和推挽电路，所述BUCK电路包括续流开关管和电感，所述直流变换器还包括与所述PWM控制电路相连的预偏置开机电路，所述预偏置开机电路用于在直流变换器开机时检测直流变换器是否存在负载电压，在不存在负载电压时控制所述PWM控制电路以启动续流开关管；在存在负载电压时控制所述PWM控制电路以关断续流开关管，直至直流变换器输出电压大于负载电压则控制所述PWM控制电路以启动续流开关管启动。

[0014] 在本发明所述的直流变换器中，所述预偏置开机电路还用于在关机时控制所述PWM控制电路以关断所述续流开关管。

[0015] 在本发明所述的直流变换器中，所述预偏置开机电路与所述BUCK电路相连，用于检测所述BUCK电路的电感电流以判断是否存在负载电压。

[0016] 在本发明所述的直流变换器中，所述预偏置开机电路包括信号处理电路、第一电阻和第一开关管，所述信号处理电路输入端与开机电源和BUCK电路的电感相连，在检测到BUCK电路的电感电流为正向冲击电流时输出低电平，在检测到BUCK电路的电感没有正向冲击电流时输出高电平；所述第一电阻连接在所述信号处理电路输出端和第一开关管栅极之间，所述第一开关管的源极接地，所述第一开关管的漏极连接至所述PWM控制电路。

[0017] 在本发明所述的直流变换器中，所述信号处理电路由数字控制芯片或分立模拟器件构成。

[0018] 实施本发明的直流变换器预偏置开机电路及采用该电路的直流变换器，具有以下有益效果：本发明在直流变换器上增设预偏置开机电路，通过检测开机时是否存在正向冲击电流来判断是否需要预偏置开机，其实现简单，控制精确，解决了由于负载预偏置电压造成续流开关管反向电流过大损坏器件的问题，也防止了变换器输出电压的跌落。

附图说明

[0019] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

[0020] 图1是一种由BUCK电路和推挽电路构成的变换器电路原理图；

[0021] 图2是本发明优选实施例中直流变换器的模块示意图；

[0022] 图3是本发明优选实施例中预偏置开机电路和PWM控制电路的电路原理图；

[0023] 图4是本发明优选实施例中的没有负载预偏置电压时的波形示意图；

[0024] 图5是本发明优选实施例中的存在负载预偏置电压时的波形示意图。

具体实施方式

[0025] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

[0026] 请参阅图2，本发明优选实施例中直流变换器的模块示意图。本发明以图1所示的直流变换器为基础，提供了一种预偏置开机电路，并由此构成了一种能够在存在预偏置电压情况下正常开机的直流变换器。下面对本发明的直流变换器以及所采用的预偏置开机电路进行具体描述。如图2所示，本发明的直流变换器，包括PWM控制电路100、BUCK电路200、推挽电路300和预偏置开机电路400。其中BUCK电路200和推挽电路300相连以实现两级拓扑输出。PWM控制电路100同时与BUCK电路200和推挽电路300相连，为两级电路中的开关管提供驱动信号。请结合参阅图1，BUCK电路200主要包括续流开关管QF和电感L。如前所述，反灌现象主要影响BUCK电路200中续流开关管QF，因此本发明提供的预偏置开机电路400着重于对续流开关管QF的控制。预偏置开机电路400用于在直流变换器开机时检测直流变换器是否存在负载电压，在不存在负载电压时，控制PWM控制电路100发出PWM驱动信号，以启动BUCK电路200中的续流开关管QF工作，在存在负载电压时，控制PWM控制电路100停止发出PWM驱动信号，以关断BUCK电路200中的续流开关管QF，直至直流变换器输出电压大于负载电压则控制PWM控制电路100发出PWM驱动信号，重新启动续流开关管QF工作。此外，预偏置开机电路400还用于在直流变换器关机时控制PWM控制电路
100以关断续流开关管QF。

[0027] 本发明主要是通过检测电感L的电流来判断是否存在负载电压的。即若检测到BUCK电路的电感上存在正向冲击电流，则负载没有预偏置电压，因此启动续流开关管的驱动；检测到BUCK电路的电感L上的正向冲击电流很小或没有，则负载存在预偏置电压，因此需要一直关断续流开关管的驱动，使续流开关管一直工作在肖特基整流状态，直到变换器模块输出电压大于预偏置电压，此时电感上存在正向冲击电流，再打开续流开关管驱动。

[0028] 请参阅图3，为本发明优选实施例中预偏置开机电路400和PWM控制电路100的电路原理图。如图3所示，PWM控制电路100由PWM控制器U1和MOSFET驱动器U2构成。首先由PWM控制器U1输出多个PWM驱动信号，随后该PWM驱动信号通过MOSFET驱动器U2转换为适用于驱动MOSFET的信号。图3中示出了用于驱动BUCK电路200的整流开关管QR和续流开关管QF的驱动信号，虽然推挽电路300中的开关管Q1至Q4驱动信号未示出，但需要说明地是，开关管Q1至Q4同样由该PWM控制器U1和MOSFET驱动器U2控制。图中HD和HO分别代表整流开关管QR的PWM驱动信号和MOS管驱动信号。相应地，LD和LO分别代表续流开关管QF的PWM驱动信号和MOS管驱动信号。图中第二电阻R1、第一二极管D1和第一电容C1组成的电路是HD输出的上升沿延时，而第三电阻R2、第二二极管D2和第二电容C2组成的电路是LD输出的上升沿延时，目的是在BUCK电路200的整流开关管QR和续流开关管QF之间直接产生死区，避免两管直通。具体的连接关系为：第二电阻R1与第一二极管D1并联，第一二极管D1的阴极与PWM控制器U1的HD输出端相连，第一二极管D1的阳极连接至MOSFET驱动器U2，第一二极管D1的阳极通过第一电容C1接地。第三电阻R2与第二二极管D2并联，第二二极管D2的阴极与PWM控制器U1的LD输出端相连，第二二极管D2的阳极连接至MOSFET驱动器U2，且第二二极管D2的阳极通过第二电容C2接地。

[0029] 所述预偏置开机电路400包括信号处理电路410、第一电阻R3和第一开关管Q5。信号处理电路410输入端J1与开机电源相连，输入端J2连入BUCK电路200的电感L与续流开关管QF之间的节点。信号处理电路410用于在没有检测到电感L存在正向冲击电流时接收开机电源并输出高电平，在检测到电感L电流为正向冲击电流时输出低电平。第一电阻R3连接在信号处理电路410输出端和第一开关管Q5栅极之间，第一开关管Q5的源极接地，第一开关管Q5的漏极连接至二极管D2的阳极。

[0030] 请结合参阅图4和图5，分别为本发明优选实施例中的没有负载预偏置电压和存在负载预偏置电压时的波形示意图。其中，IL代表BUCK电路200的电感L电流信号，Vs代表信号处理电路410输出的电平信号，PWM LD代表PWM控制器U1输出的续流开关管的PWM驱动信号，DQF代表续流开关管QF的驱动信号。

[0031] 如图所示，在开机时，PWM控制器U1没有工作，开机电源使得信号处理电路410输出的逻辑信号为高电平。此时，第一开关管Q5导通，将续流开关管QF的驱动信号DQF拉低。随着PWM控制器U1开始输出PWM波形，整流开关管QR占空比慢慢展开，BUCK电路200的电感L的电流信号输入至信号处理电路410中，信号处理电路410对其进行处理并开始检测该输入冲击电流。

[0032] 如果电路不存在负载预偏置电压，则不会有能量倒灌，此时电感L上会有一个正向的冲击电流，信号处理电路410在检测到电感L电流为正向冲击电流时输出低电平，第一开关管Q5关断，PWM控制器U1正常输出续流开关管的PWM驱动信号给MOSFET驱动器。因此，QF的驱动信号DQF与PWM LD同步。

[0033] 如果电路存在负载预偏置电压，此时不会有一个正向的冲击电流，或者正向的冲击电流很小，则信号处理电路410输出一直保持为高电平，第一开关管Q5导通，将续流开关管QF的驱动信号DQF一直拉低，续流开关管QF工作在二极管整流状态，直到直流变换器输出电压大于预偏置电压，使得电感L上出现正向的冲击电流，信号处理电路410则在检测到该正向冲击电流后将输出的高电平变为低电平，第一开关管Q5再次关断，PWM控制器U1正常输出续流开关管的PWM驱动信号给MOSFET驱动器，使续流开关管QF正常工作，则电路不会有能量倒灌。

[0034] 在本发明中，信号处理电路410既可以采用本领域技术人员熟知的任何适用的数字控制芯片进行比较判断输出信号，进行预偏置性能控制，也可以通过本领域技术人员熟知的任何适用的分立模拟器件构成的模拟电路来进行比较判断。两者进行预偏置性能控制的效果相同。且在本发明中，第一开关管Q5还可以为PNP管，或者其它本领域技术人员熟知并能应用的任何可控开关。

[0035] 综上所述，本发明在直流变换器上增设预偏置开机电路，通过检测开机时是否存在正向冲击电流来判断是否需要预偏置开机，解决了由于负载预偏置电压造成续流开关管反向电流过大损坏器件的问题，也防止了变换器输出电压的跌落。

[0036] 本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。