一种大变比宽输入降压电路及装置

摘要

本发明提供了一种大变比宽输入降压电路及装置，包括：电源、第一开关回路、第一低通滤波电路、第二开关回路、第二低通滤波电路及负载；所述电源通过所述第一开关回路与所述第一低通滤波电路电气连接，所述第一低通滤波电路通过所述第二开关回路与所述第二低通滤波电路电气连接，所述第二低通滤波电路与所述负载电气连接，其中，所述第一开关回路用于根据所述电源电压与所述负载电压的比值进行通断控制，基于本发明，根据电压的传输比需求，第一开关回路进行切换工作，使得输入电压在大范围内变化时，系统能保持高效的电能变换和稳定的电压输出，为负载进行供电。

权利要求

1.一种大变比宽输入降压电路，其特征在于，包括：电源、第一开关回路、第一低通滤波电路、第二开关回路、第二低通滤波电路及负载；

所述电源通过所述第一开关回路与所述第一低通滤波电路电气连接，所述第一低通滤波电路通过所述第二开关回路与所述第二低通滤波电路电气连接，所述第二低通滤波电路与所述负载电气连接；

所述第一开关回路包括：第一场效应管、第一二极管；所述电源的正极与所述第一二极管的负极电气连接，所述第一二极管的正极与所述第一场效应管的D极电气连接，所述第一场效应管的S极与所述电源的负极电气连接，所述第一场效应管的G极用于与驱动电路电气连接；所述第一开关回路用于根据所述电源的电压与所述负载的电压之间的比值进行通断控制。

2.根据权利要求1所述的一种大变比宽输入降压电路，其特征在于，所述第一低通滤波电路包括：第一电感及第一电容；

所述第一电感的第一端与所述第一二极管的负极电气连接，所述第一电感的第二端与所述第一电容的第一端电气连接，所述第一电容的第二端与所述第一二极管的正极电气连接。

3.根据权利要求2所述的一种大变比宽输入降压电路，其特征在于，所述第二开关回路包括：第二场效应管、第二二极管；

所述第二场效应管的D极与所述第一电感的第二端电气连接，所述第二场效应管的S极与所述第二二极管的负极电气连接，所述第二二极管的正极与所述第一场效应管S极电气连接，所述第二场效应管的G极用于与驱动电路电气连接。

4.根据权利要求3所述的一种大变比宽输入降压电路，其特征在于，所述第二低通滤波电路包括：第二电感及第二电容；

所述第二电感的第一端与所述第二二极管的负极电气连接，所述第二电感的第二端与所述第二电容的第一端电气连接，所述第二电容的第二端与所述第二二极管的正极电气连接，所述负载并联在所述第二电容的两端。

5.根据权利要求3所述的一种大变比宽输入降压电路，其特征在于，所述第一场效应管及第二场效应管为N沟道场效应管。

6.一种大变比宽输入降压装置，其特征在于，包括如权利要求1至5任意一项所述的一种大变比宽输入降压电路。

说明书

一种大变比宽输入降压电路及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及降压斩波领域，特别涉及一种大变比宽输入降压电路及装置。

背景技术

[0002] 随着科学技术的不断发展，对DC/DC变换器的效率，功率密度和可靠性提出了更高的要求，现有技术中，由两个buck级联而成，构成D2 buck结构的大降压变比电路，将其中一
个开关管简化成二极管。通过提升开关管工作的占空比，改善了buck电路输入输出压差大
时的工作状况。由一个开关管S2、三个二极管、两个电感、电容构成，基本电路结构如图1所
示。经典的buck降压斩波电路在输入输出压差大时，开关管工作的占空比偏小，降低电能变
换的效率，甚至影响系统工作的稳定性，D2 buck电路在在输入输出压差不大时，工作性能
反而不如经典的buck电路。因此在面对宽输入电压时，二者均不能较好的匹配。

发明内容

[0003] 有鉴于此，本发明公开了一种大变比宽输入降压电路及装置，根据电压的传输比需求，第一开关回路进行切换工作，使得输入电压在大范围内变化时，系统能保持高效的电
能变换和稳定的电压输出，为负载进行供电。

[0004] 本发明第一实施例提供了一种大变比宽输入降压电路，包括：电源、第一开关回路、第一低通滤波电路、第二开关回路、第二低通滤波电路及负载；

[0005] 所述电源通过所述第一开关回路与所述第一低通滤波电路电气连接，所述第一低通滤波电路通过所述第二开关回路与所述第二低通滤波电路电气连接，所述第二低通滤波
电路与所述负载电气连接，其中，所述第一开关回路用于根据所述电源电压与所述负载电
压的比值进行通断控制。

[0006] 优选地，所述第一开关回路包括：第一场效应管、第一二极管；

[0007] 所述电源的正极与所述第一二极管的负极电气连接，所述第一二极管的正极与所述第一场效应管的D极电气连接，所述第一场效应管的S极与所述电源的负极电气连接，所
述第一场效应管的G极用于与驱动电路电气连接。

[0008] 优选地，所述第一低通滤波电路包括：第一电感及第一电容；

[0009] 所述第一电感的第一端与所述第一二极管的负极电气连接，所述第一电感的第二端与所述第一电容的第一端电气连接，所述第一电容的第二端与所述第一二极管的正极电
气连接。

[0010] 优选地，所述第二开关回路包括：第二场效应管、第二二极管；

[0011] 所述第二场效应管的D极与所述第一电感的第二端电气连接，所述第二场效应管的S极与所述第二二极管的负极电气连接，所述第二二极管的正极与所述第一场效应管S极
电气连接，所述第二场效应管的G极用于与驱动电路电气连接。

[0012] 优选地，所述第二低通滤波电路包括：第二电感及第二电容；

[0013] 所述第二电感的第一端与所述第二二极管的负极电气连接，所述第二电感的第二端与所述第二电容的第一端电气连接，所述第二电容的第二端与所述第二二极管的正极电
气连接，所述负载并联在所述第二电容的两端。

[0014] 优选地，所述第一场效应管及第二场效应管为N沟道场效应管。

[0015] 本发明第二实施例提供了一种大变比宽输入降压装置，包括如上任意一项所述的一种大变比宽输入降压电路。

[0016] 基于本发明提供的一种大变比宽输入降压电路及装置，通过设置所述第一开关电路，用于根据输入电压与输出电压的大小进行控制所述第一场效应管的启闭，使得电路在
输入电压与输出电压的传输比较大时，工作于D2buck电路模式下，电路在输入电压与输出
电压的传输比较小时，工作于经典buck电路模式下，使得输入电压在大范围内变化时，系统
能保持高效的电能变换和稳定的电压输出，为负载进行供电。

附图说明

[0017] 图1是背景技术中D2buck电路示意图；

[0018] 图2是本发明实施例提供的一种大变比宽输入降压示意图；

[0019] 图3是本发明实施例在第一场效应管保持导通时的等效电路图；

[0020] 图4是本发明实施例在第一、第二场效应管保持导通时的等效电路图；

[0021] 图5是是本发明实施例在第一场效应管保持导通、第二场效应管关断时等效电路；

[0022] 图6是本发明实施例在第一场效应管保持截止时的等效电路图；

[0023] 图7是本发明实施例在第一场效应管的寄生二极管导通时、第二场效应管导通的等效电路；

[0024] 图8是本发明实施例在第一场效应管关断时，第二场效应管关断的等效电路；

[0025] 图9是本发明实施例中占空比与输入、输出电压的传输比。

具体实施方式

[0026] 为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实
施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领
域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明
保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要
求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

[0027] 以下结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。

[0028] 本发明公开了一种大变比宽输入降压电路及装置，根据电压的传输比需求，第一开关回路进行切换工作，使得输入电压在大范围内变化时，系统能保持高效的电能变换和
稳定的电压输出，为负载进行供电。

[0029] 请参阅图2，本发明第一实施例提供了一种大变比宽输入降压电路，包括：电源、第一开关回路、第一低通滤波电路、第二开关回路、第二低通滤波电路及负载RL；

[0030] 所述电源通过所述第一开关回路与所述第一低通滤波电路电气连接，所述第一低通滤波电路通过所述第二开关回路与所述第二低通滤波电路电气连接，所述第二低通滤波
电路与所述负载RL电气连接，其中，所述第一开关回路用于根据所述电源电压与所述负载
RL电压的比值进行通断控制。

[0031] 需要说明的是，所述第一开关回路用于根据所述负载RL的电压与所述电源的电压的差值，对回路进行切换，在传输比不大时，所述第一开关回路将电路切换为经典的buck电
路，在传输比较大时，所述第一开关回路将电路切换为D2buck电路，其中，可以在所述负载
RL端设置一个电压检测电路，以获得输出电压，在输入端设置一个电压检测电路，以获得输
入电压，将其切换至合适模拟量发送至一个控制芯片，所述控制芯片根据所述输入电压及
所述输出电压的大小进行对比，所述控制芯片输出对应的控制信号至一个驱动电路，所述
驱动电路用于驱动所述第一开关电路的启闭，使得整个回路会根据不同的电压传输比进行
自动切换为经典的buck电路或D2buck电路，使得输入电压在大范围内变化时，系统能保持
高效的电能变换和稳定的电压输出，为负载RL进行供电，在其他实施例中，也可以其他的方
式进行判断输入电压及输出电压的传输比，对所述第一开关回路进行启闭，这里不做具体
限定。

[0032] 在本实施例中，所述第一开关回路包括：第一场效应管S1、第一二极管D1；

[0033] 所述电源的正极与所述第一二极管D1的负极电气连接，所述第一二极管D1的正极与所述第一场效应管S1的D极电气连接，所述第一场效应管S1的S极与所述电源的负极电气
连接，所述第一场效应管S1的G极用于与驱动电路电气连接。

[0034] 需要说明的是，所述第一场效应管S1的G极用于接收外部的控制信号，使得所述第一场效应管S1根据所述，所述第一二极管D1用于在回路中续流和反向截止。

[0035] 在本实施例中，所述第一低通滤波电路包括：第一电感L1及第一电容C1；

[0036] 所述第一电感L1的第一端与所述第一二极管D1的负极电气连接，所述第一电感L1的第二端与所述第一电容C1的第一端电气连接，所述第一电容C1的第二端与所述第一二极
管D1的正极电气连接，其中，所述第一电感L1用于储能，所述第一电容C1用于滤波。

[0037] 在本实施例中，所述第二开关回路包括：第二场效应管S2、第二二极管D2；

[0038] 所述第二场效应管S2的D极与所述第一电感L1的第二端电气连接，所述第二场效应管S2的S极与所述第二二极管D2的负极电气连接，所述第二二极管D2的正极与所述第一
场效应管S1S极电气连接，所述第二场效应管S2的G极用于与驱动电路电气连接，其中，所述
第二场效应管S2的G极用于接收外部的控制信号，使得所述第二场效应管S2周期性导通，所
述第二二极管D2用于在回路中续流和反向截止。

[0039] 在本实施例中个，所述第二低通滤波电路包括：第二电感L2及第二电容C2；

[0040] 所述第二电感L2的第一端与所述第二二极管D2的负极电气连接，所述第二电感L2的第二端与所述第二电容C2的第一端电气连接，所述第二电容C2的第二端与所述第二二极
管D2的正极电气连接，所述负载RL并联在所述第二电容C2的两端。其中，所述第二电感L2用
于储能，所述第二电容C2用于滤波。

[0041] 在本实施例中，所述第一场效应管S1及第二场效应管S2为N沟道场效应管。

[0042] 需要说明的是，在其他实施例中，所述第一场效应管S1也可以是P沟道场效应管，所述第二场效应管S2也可以是P沟道场效应管，则所述第一场效应管S1及所述第二场效应
管S2与回路的连接对应变化，当然，所述第一场效应管S1及所述第二场效应管S2可以是
IGBT、GTR等其它类型的全控型器件，这里不做具体限定，但这些方案均在本发明的保护范
围内。

[0043] 需要说明的是，当输入、输出电压差不大时，所述第一场效应管S1保持导通，所述第一二极管D1截止，所述第二场效应管S2高频开关工作，此时，所述第一电感L1及所述第一
电容C1构成输入滤波器，电路的工作模式为经典buck电路，等效电路如图3所示，

[0044] 其中，所述第二场效应管S2导通时，所述第二二极管D2反向截止，等效电路如图4所述，所述第一电容C1对所述第二电感L2进行充电，所述第二电感L2的电流线性上升；所述
第二场效应管S2关断时，等效电路如图5所示，所述第二电感L2的电流通过所述第二二极管
D2续流导通。

[0045] 如果所述第一电感L1及所述第二电感L2工作于电流连续模式，稳态时的理想输入、输出电压传输比与占空比D的关系为：M1＝UO/UIN＝D。(1)

[0046] 需要说明的是，当输入、输出电压差较大，即需要进行大变比降压时，所述第一场效应管S1保持截止，此时所述第一场效应管S1的寄生二极管DS1参与工作，电路的工作模式
为D2buck电路，其等效电路如图6所示，设所述第一电感L1的电流及所述第二电感L2的电流
连续，由于是降压电路，所以有所述第二电感L2的电流大于所述第一电感L1的电流。

[0047] 其中，当所述第二场效应管S2导通时，由于第二电感L2的电流大于所述第一电感L1的电流，二者的电流差值通过所述寄生二极管DS1导通，等效电路如图7所示，所述第一电
感L1的电流及所述第二电感L2的电流线性增大。

[0048] 当所述第二场效应管S2关断时，所述第一二极管D1及所述第二二极管D2导通，为所述第一电感L1的电流及所述第二电感L2的电流提供续流通路，其等效电路如图8所示。

[0049] 如果所述第一电感L1及所述第二电感L2工作于电流连续模式，稳态时的理想输入、输出电压传输比与占空比D的关系为：M2＝UO/UIN＝D2。(2)

[0050] 通过上述根据电压差大小的工作状态分析，在电感连续电流工作模式，将公式(1)、(2)所描述的二者输入、输出电压关系绘制出来，如图9所示。在相同的占空比D时，开关
电感型降压电路具有更大的降压比，即具有更低的输出电压。因此，当要求大降压输出时，
可以通过驱动电路控制所述第一场效应管S1的开闭，使得电路工作于D2buck电路，提升电
路工作的占空比，改善系统的电能变换效率和稳定性；当输入、输出压差不大时，使所提电
路工作于经典buck电路模式。例如输入电压范围10～100V，要输出5V，经典buck电路的占空
比范围为0.05～0.5；D2 buck占空比范围为0.22～0.7。单独的经典buck电路与D2buck电
路，要么占空比太小0.05，要么太大0.7。通过本实施例提供的一种大变比宽输入降压电路，
占空比范围为0.22～0.5，输入电压在大范围内变化，系统能保持高效的电能变换和稳定的
电压输出。

[0051] 本发明第二实施例提供了一种大变比宽输入降压装置，包括如上任意一项所述的一种大变比宽输入降压电路。

[0052] 基于本发明提供的一种大变比宽输入降压电路及装置，通过设置所述第一开关电路，用于根据输入电压与输出电压的大小进行控制所述第一场效应管的启闭，使得电路在
输入电压与输出电压的传输比较大时，工作于D2buck电路模式下，电路在输入电压与输出
电压的传输比较小时，工作于经典buck电路模式下，使得输入电压在大范围内变化时，系统
能保持高效的电能变换和稳定的电压输出，为负载进行供电。

[0053] 以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。