输入自适应的自激式Boost变换器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种输入自适应的自激式Boost变换器，包括由直流电压源Vi、输入电容Ci构成的输入电路、由电感L、PNP型BJT管Q1、NPN型BJT管Q3、PNP型BJT管Q4、NPN型BJT管Q5、电阻R4、电阻R6、电阻R7、电阻R9、二极管D1、二极管D2构成的主电路、由输出电容Co和负载R构成的输出电路，主电路还包括由NPN型BJT管Q2、电阻R2、电阻R3、电阻R5组成的输入自适应控制单元和由PNP型BJT管Q4、NPN型BJT管Q5、电阻R7和电阻R9构成的续流子电路。该电路工作范围宽，具有输入自适应特性的限流和负载短路保护功能，还能应付负载开路故障，电流检测损耗和续流导通损耗均较小，适用于辅助开关电源、LED驱动、能量收集等领域。
【专利说明】输入自适应的自激式Boost变换器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种自激式直流-直流变换器，尤其是指一种应用于辅助开关电源、LED驱动、能量收集等领域的输入自适应的自激式Boost变换器。
【背景技术】
[0002]自激式DC-DC变换器具有电路结构简单、元器件数目少、成本低、自启动和自保护性能好、适用工作电压范围宽、效率高等优点。
[0003]图1所示为一种主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost变换器，包括由输入电容C1、电感L、NPN型BJT管PNP型BJT管Ql、二极管D和电容Co组成的主电路以及由电阻R1、电阻R2、电容Cl、稳压管Zl和PNP型BJT管NPN型BJT管Q2组成的主开关管PNP型BJT管Ql的驱动单元，还包括由电阻R3、电容C2、电阻R4、二极管Dl和NPN型BJT管Q3组成的电流反馈支路。输入电容Ci与直流电压源Vi并联，直流电压源Vi的正端与电感L的一端、电阻Rl的一端、电容Cl的一端、电阻R3的一端以及电容C2的一端相连，电感L的另一端与NPN型BJT管PNP型BJT管Ql的集电极、二极管D的阳极以及稳压管Zl的阴极相连，二极管D的阴极与输出电容Co的一端、负载Ro的一端以及直流输出电压Vo的正端相连，直流输出电压Vo的负端与电阻R4的一端以及二极管Dl的阴极相连，电阻R4的另一端与输出电容Co的另一端、电阻R2的一端、NPN型BJT管PNP型BJT管Ql的发射极、NPN型BJT管Q3的发射极以及直流电压源Vi的负端相连，NPN型BJT管Q3的集电极与PNP型BJT管NPN型BJT管Q2的集电极以及NPN型BJT管PNP型BJT管Ql的基极相连，NPN型BJT管Q3的基极与电阻R3的另一端、电容C2的另一端以及二极管Dl的阳极相连，PNP型BJT管NPN型BJT管Q2的发射极与电阻Rl的另一端相连，PNP型BJT管NPN型BJT管Q2的基极与电容Cl的另一端、稳压管Zl的阳极以及电阻R2的另一端相连。
[0004]该电路的不足之处在于:主电路采用二极管D用于续流，不但缺乏对负载短路保护的能力，而且续流导通损耗较大；电流反馈支路采用电阻R4直接检测负载电流，不但对主电路中重要器件PNP型BJT管Ql的工作电流的限制保护能力较弱，而且电流检测损耗较大。
【发明内容】
[0005]为克服图1所示的主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost变换器在负载短路保护、重要器件限流保护能力、续流导通损耗、电流检测损耗等方面的不足，本发明提供了一种输入自适应的自激式Boost变换器，不但具有输入自适应的负载短路保护以及重要器件限流保护能力，续流导通损耗较小、电流检测损耗也较小。
[0006]本发明所采用的技术方案是:一种输入自适应的自激式Boost变换器，包括输入电路、主电路和输出电路，输入电路包含直流电压源Vi和输入电容Ci，输出电路包括输出电容Co和负载R，主电路包括电感L、PNP型BJT管Ql、NPN型BJT管Q3、电阻R4、电阻R6、二极管D1、二极管D2，还包括输入自适应控制单元和续流子电路，所述的输入自适应控制单元包括NPN型BJT管Q2、电阻R2、电阻R3和电阻R5，所述的续流子电路包括PNP型BJT管Q4、NPN型BJT管Q5、电阻R7和电阻R9，所述输入电容Ci与直流电压源Vi并联，所述输出电容Co两端电压为直流输出电压Vo，负载R与所述输出电容Co并联，直流电压源Vi的正端与电感L的一端、PNP型BJT管Ql的发射极、电阻R2的一端、NPN型BJT管Q5的发射极相连，电感L的另一端与NPN型BJT管Q3的集电极、二极管Dl的阳极、电阻R7的一端以及PNP型BJT管Q4的发射极相连，PNP型BJT管Ql的基极与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与二极管D2的阴极以及电阻R6的一端相连，二极管D2的阳极与二极管Dl的阴极相连，PNP型BJT管Ql的集电极与NPN型BJT管Q3的基极、NPN型BJT管Q2的集电极相连，NPN型BJT管Q3的发射极与电阻R5的一端、电阻R3的一端相连，NPN型BJT管Q2的基极与电阻R2的另一端、电阻R3的另一端相连，PNP型BJT管Q4的基极与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端与NPN型BJT管Q5的集电极相连，NPN型BJT管Q5的基极与电阻R7的另一端相连，PNP型BJT管Q4的集电极与直流输出电压Vo的正端相连，直流输出电压Vo的负端与电阻R6的另一端、电阻R5的另一端、NPN型BJT管Q2的发射极以及直流电压源Vi的负端相连。本发明的输入自适应控制单元以及续流子电路，可获得具有输入自适应特征的限流和负载短路保护功能，而且电流检测损耗和续流导通损耗均较小。
[0007]所述电阻R2的阻值、电阻R4的阻值、电阻R6的阻值、PNP型BJT管Ql的直流增益β I以及NPN型BJT管Q2的直流增益β 2满足下列条件时，电感L的电流最大值iLlm或NPN型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m根据直流电压源Vi的大小进行自适应调节:当β 1R2-0 2 (R4+R6)〈O时，所述输入自适应的自激式Boost变换器具有输入自适应的负特性，电感L的电流最大值iLm或NPN型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m与直流电压源Vi成负线性关系；当β lR2_i3 2(R4+R6)>0时，所述输入自适应的自激式Boost变换器具有输入自适应的正特性，电感L的电流最大值iLm或NPN型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m与直流电压源Vi成正线性关系；当β lR2-13 2(R4+R6) = O时，所述输入自适应的自激式Boost变换器具有输入自适应的零特性，电感L的电流最大值iLm或NPN型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m与直流电压源Vi无关。
[0008]作为优选，所述的自适应控制单元还包括电容C2，电容C2并联在电阻R3的两端。电容C2可以改善输入自适应控制单元的动态性能。
[0009]作为优选，所述的主电路还包括二极管D4、电容C3、电容C4和电容C6，二极管D4的阳极与PNP型BJT管Ql的基极相连，二极管D4的阴极与直流电压源Vi的正端相连，电容C3的一端与二极管Dl的阴极相连，电容C3的另一端与NPN型BJT管Q2的发射极相连，电容C4的一端与二极管D2的阴极相连，电容C4的另一端与二极管Dl的阳极相连，电容C6的一端与NPN型BJT管Q3的基极相连，电容C6的另一端与NPN型BJT管Q3的集电极相连。二极管D4、电容C3、电容C4可以改善PNP型BJT管Ql的开关速度，电容C6可以改善NPN型BJT管Q3的开关速度。
[0010]作为优选，所述的续流子电路还包括电阻R8、电容C5和电容C7，电阻R8的两端分别连接NPN型BJT管Q5的基极和发射极，电容C5并联在电阻R7的两端，电容C7并联在电阻R9的两端。电容C5可以改善NPN型BJT管Q5的开关速度，电容C7可以改善PNP型BJT管Q4的开关速度，电阻R8可以优化NPN型BJT管Q5的开关时间点。
[0011]作为优选，还包括消隐时间控制支路，所述的消隐时间控制支路包括电阻Rl和电容Cl，电阻Rl的一端与PNP型BJT管Q4的发射极相连，电阻Rl的另一端与电容Cl的一端相连，电容Cl的另一端与NPN型BJT管Q2的基极相连。消隐时间控制支路对所述输入自适应控制单元具有修正作用，能达到拓宽电路工作范围的效果。
[0012]作为优选，还包括开路保护控制支路，所述的开路保护控制支路包括稳压管Z和二极管D3，稳压管Z的阴极与PNP型BJT管Q4的集电极相连，稳压管Z的阳极与二极管D3的阳极相连，二极管D3的阴极与NPN型BJT管Q2的基极相连。开路保护控制支路对直流输出电压Vo具有限制作用和负载开路保护功能。
[0013]本发明的有益效果是:结构简单、元器件数目少、自启动容易、工作范围宽，具有输入自适应特征的限流和负载短路保护功能、负载开路保护功能、较小的电流检测损耗以及较小的续流导通损耗，适合辅助开关电源、LED驱动、能量收集等应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是现有的主开关管驱动损耗小的BJT型自激式Boost变换器的电路图；
[0015]图2是本发明输入自适应的自激式Boost变换器实施例1的电路图；
[0016]图3是正常情况下本发明输入自适应的自激式Boost变换器实施例1稳态时电感电流iL临界连续模式下的仿真工作波形图；
[0017]图4是本发明输入自适应的自激式Boost变换器实施例2的电路图；
[0018]图5是正常情况下本发明输入自适应的自激式Boost变换器实施例2稳态时电感电流iL临界连续模式下的仿真工作波形图；
[0019]图6是本发明输入自适应的自激式Boost变换器实施例3的电路图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0021]实施例1
[0022]如图2所不,一种输入自适应的自激式Boost变换器,包括输入电路、主电路和输出电路，输入电路包含直流电压源Vi和输入电容Ci，输出电路包括输出电容Co和负载R，主电路包括电感L、PNP型BJT管Ql、NPN型BJT管Q3、电阻R4、电阻R6、二极管D1、二极管D2、二极管D4、电容C3、电容C4和电容C6。主电路还包括输入自适应控制单元和续流子电路:输入自适应控制单元包括NPN型BJT管Q2、电阻R2、电阻R3、电阻R5和电容C2 ;续流子电路包括PNP型BJT管Q4、NPN型BJT管Q5、电阻R7、电阻R9、电阻R8、电容C5和电容C7。
[0023]输入电容Ci与直流电压源Vi并联，输出电容Co两端电压为直流输出电压Vo，负载R与所述输出电容Co并联，直流电压源Vi的正端与电感L的一端、PNP型BJT管Ql的发射极、电阻R2的一端、NPN型BJT管Q5的发射极相连，电感L的另一端与NPN型BJT管Q3的集电极、二极管Dl的阳极、电阻R7的一端以及PNP型BJT管Q4的发射极相连，PNP型BJT管Ql的基极与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与二极管D2的阴极以及电阻R6的一端相连，二极管D2的阳极与二极管Dl的阴极相连，PNP型BJT管Ql的集电极与NPN型BJT管Q3的基极、NPN型BJT管Q2的集电极相连，NPN型BJT管Q3的发射极与电阻R5的一端、电阻R3的一端相连，NPN型BJT管Q2的基极与电阻R2的另一端、电阻R3的另一端相连，PNP型BJT管Q4的基极与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端与NPN型BJT管Q5的集电极相连，NPN型BJT管Q5的基极与电阻R7的另一端相连，PNP型BJT管Q4的集电极与直流输出电压Vo的正端相连，直流输出电压Vo的负端与电阻R6的另一端、电阻R5的另一端、NPN型BJT管Q2的发射极以及直流电压源Vi的负端相连，电容C2并联在电阻R3的两端，二极管D4的阳极与PNP型BJT管Ql的基极相连，二极管D4的阴极与直流电压源Vi的正端相连，电容C3的一端与二极管Dl的阴极相连，电容C3的另一端与NPN型BJT管Q2的发射极相连，电容C4的一端与二极管D2的阴极相连，电容C4的另一端与二极管Dl的阳极相连，电容C6的一端与NPN型BJT管Q3的基极相连，电容C6的另一端与NPN型BJT管Q3的集电极相连，电阻R8的两端分别连接NPN型BJT管Q5的基极和发射极，电容C5并联在电阻R7的两端，电容C7并联在电阻R9的两端。
[0024]正常情况下的稳态时电感电流iL临界连续模式下的仿真工作波形图如图3所示。
[0025]一个稳态工作周期(til至tl3)内，实施例1处于电感电流iL临界连续模式下的工作状态大致可分成2个阶段一til至tl2阶段和tl2至tl3阶段。
[0026]当处于til至tl2阶段时，PNP型BJT管Ql、NPN型BJT管Q3饱和导通，NPN型BJT管Q2线性放大导通，二极管D1、二极管D2、二极管D4、PNP型BJT管Q4、NPN型BJT管Q5截止，V1、L、NPN型BJT管Q3、R5构成回路，L充电，电感L的电流iL和NPN型BJT管Q3的集电极电流ic3均从O开始增加，NPN型BJT管Q3的集电极电压vc3也随之从O开始增加，NPN型BJT管Q2的基极电压vb2等 于或大于NPN型BJT管Q2的基极-发射极导通压降VBE2，同时NPN型BJT管Q3的基极电流ib3逐渐减小。
[0027]当处于tl2至tl3阶段时，二极管Dl、二极管D2、二极管D4导通，PNP型BJT管Q4、NPN型BJT管Q5饱和导通，PNP型BJT管Ql、NPN型BJT管Q3截止，NPN型BJT管Q2的基极-发射极导通情况视Vi而定，V1、L、PNP型BJT管Q4、Co和R构成一个回路，L放电，电感电流iL和PNP型BJT管Q4的集电极电流ic4均减小直至0，NPN型BJT管Q3的集电极电压vc3约等于Vo，同时NPN型BJT管Q3的基极电流ib3为O。
[0028]负载短路故障情况下的工作原理和正常情况下的工作原理相似，其不同之处主要在于:负载短路故障情况下，当处于tl2至tl3阶段时，PNP型BJT管Q4线性放大导通。
[0029]无论是正常情况还是负载短路故障情况，本发明都具有限流功能。若不考虑电容C2的影响，电感L的电流最大值iLm或NPN型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m都满足式⑴。
[0030]在tl2时刻电感电流iL达到最大值iLm，NPN型BJT管Q3的集电极电流ic3达到最大值ic3m，因电容C2的影响可以忽略，可得tl2时刻的表达式如下:
【权利要求】
1.一种输入自适应的自激式Boost变换器,包括输入电路、主电路和输出电路，输入电路包括直流电压源Vi和输入电容Ci，输出电路包括输出电容Co和负载R，主电路包括电感L、PNP型BJT管Ql、NPN型BJT管Q3、电阻R4、电阻R6、二极管D1、二极管D2，其特征在于:主电路还包括输入自适应控制单元和续流子电路，所述的输入自适应控制单元包括NPN型BJT管Q2、电阻R2、电阻R3和电阻R5，所述的续流子电路包括PNP型BJT管Q4、NPN型BJT管Q5、电阻R7和电阻R9，所述输入电容Ci与直流电压源Vi并联，所述输出电容Co两端电压为直流输出电压Vo，负载R与所述输出电容Co并联，直流电压源Vi的正端与电感L的一端、PNP型BJT管Ql的发射极、电阻R2的一端、NPN型BJT管Q5的发射极相连，电感L的另一端与NPN型BJT管Q3的集电极、二极管Dl的阳极、电阻R7的一端以及PNP型BJT管Q4的发射极相连，PNP型BJT管Ql的基极与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与二极管D2的阴极以及电阻R6的一端相连，二极管D2的阳极与二极管Dl的阴极相连，PNP型BJT管Ql的集电极与NPN型BJT管Q3的基极、NPN型BJT管Q2的集电极相连，NPN型BJT管Q3的发射极与电阻R5的一端、电阻R3的一端相连，NPN型BJT管Q2的基极与电阻R2的另一端、电阻R3的另一端相连，PNP型BJT管Q4的基极与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端与NPN型BJT管Q5的集电极相连，NPN型BJT管Q5的基极与电阻R7的另一端相连，PNP型BJT管Q4的集电极与直流输出电压Vo的正端相连，直流输出电压Vo的负端与电阻R6的另一端、电阻R5的另一端、NPN型BJT管Q2的发射极以及直流电压源Vi的负端相连。
2.根据权利要求1所述的输入自适应的自激式Boost变换器，其特征在于:所述电阻R2的阻值、电阻R4的阻值、电阻R6的阻值、PNP型BJT管Ql的直流增益β I以及NPN型BJT管Q2的直流增益β 2满足下列条件时，电感L的电流最大值iLlm或NPN型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m根据直流电压源Vi的大小进行自适应调节: 当β 1R2- β 2 (R4+R6)〈O时，所述输入自适应的自激式Boost变换器具有输入自适应的负特性，电感L的电流最大值iLm或NPN型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m与直流电压源Vi成负线性关系； 当β 1R2- β 2 (R4+R6) >0时，所述输入自适应的自激式Boost变换器具有输入自适应的正特性，电感L的电流最大值iLm或NPN型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m与直流电压源Vi成正线性关系； 当β 1R2-0 2(R4+R6) = O时，所述输入自适应的自激式Boost变换器具有输入自适应的零特性，电感L的电流最大值iLm或NPN型BJT管Q3的集电极电流最大值ic3m与直流电压源Vi无关。
3.根据权利要求1所述的输入自适应的自激式Boost变换器，其特征在于:所述的自适应控制单元还包括电容C2，电容C2并联在电阻R3的两端。
4.根据权利要求1所述的输入自适应的自激式Boost变换器，其特征在于:所述的主电路还包括二极管D4、电容C3、电容C4和电容C6，二极管D4的阳极与PNP型BJT管Ql的基极相连，二极管D4的阴极与直流电压源Vi的正端相连，电容C3的一端与二极管Dl的阴极相连，电容C3的另一端与NPN型BJT管Q2的发射极相连，电容C4的一端与二极管D2的阴极相连，电容C4的另一端与二极管Dl的阳极相连，电容C6的一端与NPN型BJT管Q3的基极相连，电容C6的另一端与NPN型BJT管Q3的集电极相连。
5.根据权利要求1所述的输入自适应的自激式Boost变换器，其特征在于:所述的续流子电路还包括电阻R8、电容C5和电容C7，电阻R8的两端分别连接NPN型BJT管Q5的基极和发射极，电容C5并联在电阻R7的两端，电容C7并联在电阻R9的两端。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的输入自适应的自激式Boost变换器，其特征在于:还包括消隐时间控制支路，所述的消隐时间控制支路包括电阻Rl和电容Cl，电阻Rl的一端与PNP型BJT管Q4的发射极相连，电阻Rl的另一端与电容Cl的一端相连，电容Cl的另一端与NPN型BJT管Q2的基极相连。
7.根据权利要求1至5任意一项所述的输入自适应的自激式Boost变换器，其特征在于:还包括开路保护控制支路，所述的开路保护控制支路包括稳压管Z和二极管D3，稳压管Z的阴极与PNP型BJT管Q4的集电极相连，稳压管Z的阳极与二极管D3的阳极相连，二极管D3的阴极与NPN型BJ T管Q2的基极相连。
【文档编号】H02M3/156GK104038062SQ201410257462
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】陈怡 , 南余荣, 顾伟驷 申请人:浙江工业大学