一种Buck变换器自举驱动电路的制作方法

本实用新型属于Buck拓扑的开关电源领域，特别地涉及一种Buck变换器自举驱动电路。

背景技术：

Buck电路作为电力电子中最基本的直流-直流变换器之一，其现阶段的发展已经非常成熟。由于其拓扑简单、元件数量少且参数易于设计等优点，被广泛应用于各类现代工业产品中，比如军工设备、航天领域、医疗设备、电力设备、通信设备、LED驱动、仪器仪表、工控设备以及一些中大功率的消费级电子产品或家用电器等众多领域。然而伴随Buck电路而来的缺点则是其电路拓扑中的开关管源极不接地，这不便于其驱动电路的设计，因为随着开关管开关状态的变化，其源极电位也随之不断跳变。现阶段Buck电路常用的驱动电路为自举驱动电路，并且已有多种发展成熟的自举驱动芯片供设计人员选择，然而为了使驱动电路可以自启动，这些自举驱动电路除了接辅助电源外，自举电容往往还需要从主电源取电，并且启动过程结束后，这一部分用于自启动的辅助回路往往还在工作中，这增加了系统的功率损耗，降低了系统的效率。并且在一些低压或者特殊负载等极端应用场合上，自举驱动电路往往不能完成自启动，导致电路无法正常工作。因此需要一种功耗低、能有效自启动的驱动电路来解决上述问题。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种Buck变换器自举驱自举动电路，该电路是一种功耗低、能有效自启动的驱动电路。

为实现以上目的，本实用新型采取如下技术方案：

一种Buck变换器自举驱动电路，包括主电路和驱动电路,所述驱动电路包括辅助电源、控制电路、驱动芯片、自举电路、以及自举充电控制电路；所述控制电路连接驱动芯片和辅助电源；所述驱动芯片连接辅助电源、主电路、自举电路、以及自举充电控制电路；所述自举电路还与主电路和自举充电控制电路连接；

所述控制电路为驱动芯片提供控制信号VG1和控制信号VG2的信号方波，所述驱动芯片根据信号方波输出相应的驱动信号给主电路和自举充电控制电路；所述自举电路与驱动芯片相连接并为驱动输出提供相应的电平转换，所述自举充电控制电路为自举电路提供充电回路。

作为优选的技术方案，所述主电路包括第一Mos管M1、输入电源Vin、第一二极管D1、LC低通滤波器、以及负载RL，所述LC低通滤波器包括第一电容C1和第一电感L，所述第一Mos管M1的漏极连接输入电源Vin的正极，所述第一Mos管M1的源极、第一电感L的一端和第一二极管D1的阴极这三端相连接于节点Vs，所述第一电感L的另一端分别连接第一电容C1的一端和负载RL的一端，所述第一二极管D1的阳极分别连接输入电源Vin的负极、第一电容C1的另一端和负载RL的另一端；所述负载RL两端的电压为Vo，所述第一Mos管M1的门极连接驱动电路的电压输出端Vdrive。

作为优选的技术方案，所述自举充电控制电路包括第二Mos管M2、第二二极管D2、第一电阻R1和第二电阻R2；所述第二二极管D2的阳极分别连接主电路的节点Vs和驱动芯片的VS脚，所述第二二极管D2的阴极连接第一电阻R1的一端连接，所述第一电阻R1的另一端连接第二Mos管M2的漏极，所述第二Mos管M2的源极与地相连接，第二Mos管M2的门极连接第二电阻R2的一端，所述第二电阻R2的另一端连接驱动芯片的LO脚。

作为优选的技术方案，所述驱动电路具体包括第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第三二极管D3、第四二极管D4、第五稳压二极管D5、第三电阻R3、第四电阻R4、驱动芯片T1、辅助电源、以及自举充电控制电路；所述驱动芯片T1的引脚包括VCC脚、VB脚、VS脚、HO脚、LO脚、IN脚、SD脚、以及COM脚；

所述辅助电源的输出端分别连接第三电容C3的一端、第三二极管D3的阳极、驱动芯片T1的VCC脚，第三电容C3的另一端接地，所述第三二极管D3的阴极分别连接驱动芯片T1的VB脚、第二电容C2的一端和第五稳压二极管D5的一端，所述第二电容C2的另一端和第五稳压二极管D5的另一端均分别连接驱动芯片T1的VS脚和主电路的节点Vs；所述驱动芯片T1的HO脚分别连接第三电阻R3的一端和第四电阻R4的一端，所述第四电阻R4的另一端连接第四二极管D4的阴极，所述第三电阻R3的另一端连接第四二极管D4的阳极，最后形成第一Mos管M1的驱动输出Vdrive，所述驱动芯片T1的LO脚连接自举充电控制电路的输入端，所述驱动芯片T1的IN脚和SD脚分别接控制驱动输出HO脚的控制信号VG1和LO脚的控制信号VG2，COM脚接地；所述第四电容C4的一端连接驱动芯片T1的IN脚，另一端连接数字地；所述第五电容C5的一端连接驱动芯片T1的SD脚，另一端连接数字地。

作为优选的技术方案，所述驱动芯片T1采用通用的双输入的半桥驱动芯片。

作为优选的技术方案，所述辅助电源为12V。

作为优选的技术方案，所述自举充电控制电路，在系统电路启动过程中为自举电路中的自举第二电容C2提供充电回路，实现自举电路的自启动功能；自举充电控制电路在系统电路启动的时候控制第二Mos管M2导通，此时节点Vs通过第二二极管D2和第一电阻R1拉低电位，故辅助电源通过自举电路对自举第二电容C2迅速充电，从而为驱动主电路的第一Mos管M1提供充足的能量，完成Buck电路的自启动；所述第二Mos管M2在第一Mos管M1关断的时候才允许导通，且二者之间设置死区时间。

作为优选的技术方案，所述自举充电控制电路在完成启动功能后停止工作；在检测到输出的负载电压Vo低于阈值Vth时，将自举充电控制电路投入工作，完成系统电路的启动，从而主电路的输出逐渐建立起所需的电压；在检测到输出的负载电压Vo大于阈值Vth时，即系统电路已经进入正常工作状态，则让自举充电控制电路停止工作，即关断第二Mos管M2。

作为优选的技术方案，设置自举充电控制电路投入工作与否的阈值电压Vth＝0.5Vo。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点和效果：

(1)本实用新型的驱动电路能有效地完成自启动功能，且仅在启动的时候才投入工作，电源系统正常工作的时候能将自举充电控制电路停止工作，避免了自举充电控制电路的无条件工作，降低了系统的损耗，提升了系统的效率。

(2)本实用新型的自举充电控制电路的功能不受到负载条件的影响，对于任意负载，无论是轻载、重载还是电池负载等，都能有效地完成自启动功能。

附图说明

图1为本实用新型Buck变换器自举驱动电路的原理示意图；

图2(a)-图2(b)为本实用新型的一个具体实施例；其中图2(a)为Buck变换器的主电路，图2(b)为改进的Buck变换器驱动电路；

图3为本实施例的Buck变换器自举驱动电路的输出电压Vo的波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例

如图1所示，一种Buck变换器自举驱动电路，包括主电路和驱动电路，所述驱动电路包括辅助电源、控制电路、驱动芯片、自举电路、以及自举充电控制电路；所述控制电路连接驱动芯片和辅助电源；所述驱动芯片连接辅助电源、主电路、自举电路、以及自举充电控制电路；所述自举电路还与主电路和自举充电控制电路连接；

所述控制电路为驱动芯片提供控制信号VG1和控制信号VG2的信号方波，所述驱动芯片根据信号方波输出相应的驱动信号给主电路和自举充电控制电路；所述自举电路与驱动芯片相连接并为驱动输出提供相应的电平转换，所述自举充电控制电路为自举电路提供充电回路。

如图2(a)为Buck变换器的主电路，所述主电路包括第一Mos管M1、输入电源Vin、第一二极管D1、LC低通滤波器、以及负载RL，所述LC低通滤波器包括第一电容C1和第一电感L，所述第一Mos管M1的漏极连接输入电源Vin的正极，所述第一Mos管M1的源极、第一电感L的一端和第一二极管D1的阴极这三端相连接于节点Vs，所述第一电感L的另一端分别连接第一电容C1的一端和负载RL的一端，所述第一二极管D1的阳极分别连接输入电源Vin的负极、第一电容C1的另一端和负载RL的另一端；所述负载RL两端的电压为Vo，所述第一Mos管M1的门极连接驱动电路的电压输出端Vdrive。

图2(b)所示为改进的Buck变换器驱动电路，包括第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第三二极管D3、第四二极管D4、第五稳压二极管D5、第三电阻R3、第四电阻R4、驱动芯片T1、辅助电源、以及自举充电控制电路；所述驱动芯片T1的引脚包括VCC脚、VB脚、VS脚、HO脚、LO脚、IN脚、SD脚、以及COM脚；

在本实施例中，所述驱动芯片T1采用通用的双输入的半桥驱动芯片，在本实施例中，根据系统电路的工作频率和驱动频率等参数来选取驱动芯片T1的具体型号；

所述辅助电源为12V；

所述辅助电源的输出端分别连接第三电容C3的一端、第三二极管D3的阳极、驱动芯片T1的VCC脚，第三电容C3的另一端接地进行滤波，所述第三二极管D3的阴极分别连接驱动芯片T1的VB脚、第二电容C2的一端和第五稳压二极管D5的一端，所述第二电容C2的另一端和第五稳压二极管D5的另一端均分别连接驱动芯片T1的VS脚和主电路的节点Vs；所述驱动芯片T1的HO脚分别连接第三电阻R3的一端和第四电阻R4的一端，所述第四电阻R4的另一端连接第四二极管D4的阴极，所述第三电阻R3的另一端连接第四二极管D4的阳极，最后形成第一Mos管M1的驱动输出Vdrive，所述驱动芯片T1的LO脚连接自举充电控制电路的输入端，所述驱动芯片T1的IN脚和SD脚分别接控制驱动输出HO脚的控制信号VG1和LO脚的控制信号VG2，COM脚接地；所述第四电容C4的一端连接驱动芯片T1的IN脚，另一端连接数字地；所述第五电容C5的一端连接驱动芯片T1的SD脚，另一端连接数字地。

所述自举充电控制电路包括第二Mos管M2、第二二极管D2、第一电阻R1和第二电阻R2；所述第二二极管D2的阳极分别连接主电路的节点Vs和驱动芯片的VS脚，所述第二二极管D2的阴极连接第一电阻R1的一端连接，所述第一电阻R1的另一端连接第二Mos管M2的漏极，所述第二Mos管M2的源极与地相连接，第二Mos管M2的门极连接第二电阻R2的一端，所述第二电阻R2的另一端连接驱动芯片的LO脚。

在本实施例中，在系统电路启动过程中为自举电路中的自举电容C2提供充电回路，实现自举电路的自启动功能；自举充电控制电路在系统电路启动的时候控制第二Mos管M2导通，此时节点Vs通过二极管D2和电阻R1拉低电位，故辅助电源通过自举电路对自举电容C2迅速充电，从而为驱动主电路的第一Mos管M1提供充足的能量，完成Buck电路的自启动；所述第二Mos管M2在第一Mos管M1关断的时候才允许导通，且二者之间设置一定死区时间。

设置自举充电控制电路投入工作与否的阈值电压Vth＝0.5Vo，系统不断检测当前输出端电压uo，当uo＜Vth时，将自举充电控制电路投入工作；当uo＞Vth时，第二Mos管M2一直关断，即将自举充电控制电路退出工作。自举充电控制电路投入工作时，控制信号VG1和控制信号VG2由主电路的控制算法给定，当控制信号VG1为低电平时，所述主电路的控制算法给控制信号VG2一个固定的低占空比的脉冲信号，并且保证任何情况下控制信号VG1和控制信号VG2之间存在一定的死区时间，以保护输入电源Vin。

本实施例中改进的Buck变换器驱动电路的具体工作过程如下，当系统启动的时候，输出的负载电压Vo为零，即此时Vo＜Vth，控制系统将自举充电控制电路投入工作，当第二Mos管M2导通时，辅助电源通过第三二极管D3、自举第二电容C2、第二二极管D2、第一电阻R1和第二Mos管M2回路对自举第二电容C2迅速充电，从而为驱动第一Mos管M1提供充足的能量，第一Mos管M1被正常驱动，输出端电压不断抬升，直到Vo＞Vth，控制系统将自举充电控制电路停止工作以降低功率损耗，此时电感L上的电流不为零，第一二极管D1导通续流，将节点Vs拉低到低电位，此时辅助电源通过第三二极管D3、自举第二电容C2以及地形成回路对自举第二电容C2充电，维持电路的正常工作。

本实施例中Buck变换器的输出电压Vo的波形图如图3所示，在额定负载下系统正常工作，t1时刻负载切出或轻载，自举电路无法正常工作，故输出电压Vo逐渐下降，直到降为阈值电压Vth也即t2时，自举充电控制电路投入工作，输出电压迅速恢复至额定值，然后自举充电控制电路退出工作，输出电压Vo再次逐渐下降，循环反复。自举充电控制电路在t2，t3和t4时投入工作，直到t5时刻再次接入额定负载，系统恢复正常工作。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以权利要求所述为准。