一种基于恒定导通时间控制的自激降压变换器

本发明涉及开关电源，尤其涉及一种基于恒定导通时间控制的自激降压变换器。

背景技术：

1、随着开关电源技术领域的快速发展，开关电源的拓扑结构随之增加，常见的开关电源拓扑结构为降压式buck、升压式boost、升降压式buck-boost、反激式和桥式等。开关电源每种拓扑结构都有各自的特点和适用场合，根据不同的应用场景需要采用不同的拓扑结构。为了满足低压大电流的要求，如今常采用降压式buck变换器，传统的自激buck变换器开关管以及控制管通常采用双极性晶体管。此外，降压式buck变换器由于低功耗、高效率、电路简单的优点在生活中广泛应用。

2、降压式buck变换器的工作模式有dcm(断续导通模式)和ccm(连续导通模式)两种。ccm模式下，降压式buck变换器中电感电流始终大于零，处于稳态；dcm模式下，在一段时间间隔内，降压式buck变换器中电感并没有电流流过。dcm模式下的buck变换器能够降低功耗，提高转换效率。同时，变换器占空比依赖于负载电流，工作在dcm模式下的buck变压器输出电压受负载影响，为了控制电压，因此需要引入闭环控制。

3、降压式buck变换器控制模式分为电压模式控制和电流模式控制。电压模式控制对输出电压直接采样，然后与基准电压相比较产生误差信号，之后与锯齿波信号进行比较得到脉冲宽度调制信号，用以控制开关管，完成控制逻辑。电流模式控制则是对电感电流信号进行采样，同时采样输出电压，与基准电相比较产生误差信号，随后将电流信号与误差信号相比较，产生控制信号来控制开关管。电流模式控制还可以分为变频控制和定频控制两种。定频控制的电流模式分为峰值电流模和谷值电流模两种；变频控制的电流模式分为cof(恒定关断时间峰值电流模)和cot(恒定导通时间谷值电流模)两种。

4、若开关管的激励脉冲是由变换器电路与开关管构成的正反馈自激振荡产生的，称为自激式开关电源。由于自激式开关电源的调整管兼作振荡管，因此无须专设振荡器。自激式开关电源的脉冲信号是自激振荡产生的，是一种非固定频率的变换电路，它随着输入电压和负载功率的变化而变化，带小功率负载时开关频率较高，间歇振荡。

5、为了简化电路结构，可以将传统的buck变换器改为自激式buck变换器。与此同时，传统的buck变换器具有系统损耗较大，系统的响应速度较慢，并且电路稳定性不高等缺点，可以采用cot控制模式的buck变换器，使电路结构更简单，提高系统响应速度。

技术实现思路

1、技术问题：本发明的目的是针对上述背景技术中存在的不足部分，提出了一种基于恒定导通时间控制的自激降压变换器，采用此结构能够使得电路更为简单，解决电路生产成本高昂，开关频率不易调节的问题。

2、技术方案：本发明是一种基于恒定导通时间控制的自激降压变换器，该变换器包括降压主电路，控制电路和驱动电路；输入电源接入控制电路的输入端即第二pnp管的发射极，控制电路的输出端接驱动电路的输入端即第三pnp管的基极，驱动电路的输出端接降压主电路的输入端即功率开关管的栅极。

3、降压主电路包括功率开关管、电感、第二二极管、第三二极管、第四电容、第八电阻、第九电阻、输出电容和负载电阻；其中，功率开关管漏端与输入电源相连接，源端与第八电阻相连接，第八电阻的另外一端与第二二极管正极相连接，第三二极管正极与地相连接，第二二极管和第三二极管的负极与电感的一端相连接,电感的另一端与输出电容和负载电阻相连接，第四电容和第九电阻串联后并联在第三二极管的两端。

4、控制电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、稳压管、第一电容、第二电容、第三电容、第二pnp管、反相器；其中，第一电阻一端与输入电源正极相连接，第一电阻另外一端与稳压管、第一电容相连接，输入电源通过第一电阻为第一电容充电至参考电压，为控制电路提供参考电压vref；输出电压vout接入控制电路第二pnp管基极，参考电压经过第五电阻接入第二pnp管发射极，第二pnp管集电极与第二电容和反相器正极相连接；反相器与第一二极管和第三电阻并联，第一二极管和第三电阻串联，反相器、第一二极管、第二电容和第三电阻构成反向脉冲方波发生器，为功率开关管提供触发信号；反相器输出端与第四电阻和第三电容相连接，第三电容另外一端与第二电阻相连接，第二电阻另外一端与输入电源正极相连接，并且第三电容与第二电阻相连接的一端与第三pnp管基极相连接，为驱动电路提供驱动信号。

5、驱动电路包括第四npn管、第三pnp管、第六电阻、第七电阻；其中，第三pnp管基极与第三电容相连接，第三pnp管发射极与功率开关管漏极相连接，第三pnp管集电极与第四npn管集电极相连接，第四npn管基极与第六电阻相连接，第六电阻另一端与功率开关管源极相连接，第四npn管发射极与第二二极管正极相连接，第七电阻两端分别接功率开关管的栅极和源极，驱动回路通过驱动功率开关管栅极进而控制功率开关管的导通和关断。

6、降压主电路输出端接入控制电路第二pnp管的基极，与基准电压相比较产生误差信号，控制电路产生反向脉冲信号传递给驱动电路，进而控制功率开关管。

7、所述功率开关管导通时，此时第二二极管导通，第三二极管截止，通过电感的电流线性增加，此时，输入电源的能量一部分通过功率开关管传递到电感中，同时有一部分能量直接传递到输出端；当功率开关管截止时，此时第二二极管截止，第三二极管导通，通过电感的电流线性减小，此时没有来自于输入电源中的能量，电感中存储的能量传递到输出端，若功率开关管截止时间过长时，电感中的电流则线性下降至0，此时电感会与第四电容和第九电阻构成振荡。

8、所述降压主电路中，功率开关管控制着电感储能，输出端接入控制电路进而构成环路，控制功率开关管的导通和关断；第二二极管和第三二极管相互作用构成判断，当功率开关管导通时，第二二极管输入电压近似为输入电源，则第三二极管截止；功率开关管关断时，第三二极管导通；第四电容和第九电阻与电感则可以构成振荡回路。

9、有益效果：本发明采用上述技术方案，具有以下优点：

10、(1)本发明buck变换器处于dcm工作状态，区别于ccm、bcm等工作状态，处于dcm工作状态时，buck变换器拥有更低的电路功耗、更高的电路转换效率。采用cot控制方案，cot电流控制模式能够提高自激buck变换器的环路稳定性。

11、(2)本发明独特的cot自激buck变换器，区别于传统的cot buck变换器，能够有效的实现cot控制的自激buck变换器稳定工作，使得电路更为简单，生产制造成本低廉；同时，开关管的脉冲信号由自激振荡产生，频率随输入电压和负载变化而变化，轻载时开关频率较高或间歇振荡，满载时频率自动降低。

技术特征：

1.一种基于恒定导通时间控制的自激降压变换器，其特征在于该变换器包括降压主电路，控制电路和驱动电路；输入电源(vin)接入控制电路的输入端即第二pnp管(q2)的发射极，控制电路的输出端接驱动电路的输入端即第三pnp管(q3)的基极，驱动电路的输出端接降压主电路的输入端即功率开关管(q1)的栅极。

2.根据权利要求1所述的一种基于恒定导通时间控制的自激降压变换器，其特征在于，降压主电路包括功率开关管(q1)、电感(l1)、第二二极管(d2)、第三二极管(d3)、第四电容(c4)、第八电阻(r8)、第九电阻(r9)、输出电容(c5)和负载电阻(rl)；其中，功率开关管(q1)漏端与输入电源(vin)相连接，源端与第八电阻(r8)相连接，第八电阻(r8)的另外一端与第二二极管(d2)正极相连接，第三二极管(d3)正极与地相连接，第二二极管(d2)和第三二极管(d3)的负极与电感(l1)的一端相连接,电感(l1)的另一端与输出电容(c5)和负载电阻(rl)相连接，第四电容(c4)和第九电阻(r9)串联后并联在第三二极管(d3)的两端。

3.根据权利要求1所述的一种基于恒定导通时间控制的自激降压变换器，其特征在于，控制电路包括第一电阻(r1)、第二电阻(r2)、第三电阻(r3)、第四电阻(r4)、第五电阻(r5)、稳压管(d4)、第一电容(c1)、第二电容(c2)、第三电容(c3)、第二pnp管(q2)、反相器(u1)；其中，第一电阻(r1)一端与输入电源(vin)正极相连接，第一电阻(r1)另外一端与稳压管(d4)、第一电容(c1)相连接，输入电源(vin)通过第一电阻(r1)为第一电容(c1)充电至参考电压(vref)，为控制电路提供参考电压vref；输出电压vout接入控制电路第二pnp管(q2)基极，参考电压(vref)经过第五电阻(r5)接入第二pnp管(q2)发射极，第二pnp管(q2)集电极与第二电容(c2)和反相器(u1)正极相连接；反相器(u1)与第一二极管(d1)和第三电阻(r3)并联，第一二极管(d1)和第三电阻(r3)串联，反相器(u1)、第一二极管(d1)、第二电容(c2)和第三电阻(r3)构成反向脉冲方波发生器，为功率开关管(q1)提供触发信号；反相器(u1)输出端与第四电阻(r4)和第三电容(c3)相连接，第三电容(c3)另外一端与第二电阻(r2)相连接，第二电阻(r2)另外一端与输入电源(vin)正极相连接，并且第三电容(c3)与第二电阻(r2)相连接的一端与第三pnp管(q3)基极相连接，为驱动电路提供驱动信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于恒定导通时间控制的自激降压变换器，其特征在于，驱动电路包括第四npn管(q4)、第三pnp管(q3)、第六电阻(r6)、第七电阻(r7)；其中，第三pnp管(q3)基极与第三电容(c3)相连接，第三pnp管(q3)发射极与功率开关管(q1)漏极相连接，第三pnp管(q3)集电极与第四npn管(q4)集电极相连接，第四npn管(q4)基极与第六电阻(r6)相连接，第六电阻(r6)另一端与功率开关管(q1)源极相连接，第四npn管(q4)发射极与第二二极管(d2)正极相连接，第七电阻(r7)两端分别接功率开关管(q1)的栅极和源极，驱动回路通过驱动功率开关管(q1)栅极进而控制功率开关管(q1)的导通和关断。

5.根据权利要求2所述的一种基于恒定导通时间控制的自激降压变换器，其特征在于，降压主电路输出端(vout)接入控制电路第二pnp管(q2)的基极，与基准电压(vref)相比较产生误差信号，控制电路产生反向脉冲信号传递给驱动电路，进而控制功率开关管(q1)。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于恒定导通时间控制的自激降压变换器，其特征在于，所述功率开关管(q1)导通时，此时第二二极管(d2)导通，第三二极管(d3)截止，通过电感(l1)的电流线性增加，此时，输入电源的能量一部分通过功率开关管(q1)传递到电感(l1)中，同时有一部分能量直接传递到输出端(vout)；当功率开关管(q1)截止时，此时第二二极管(d2)截止，第三二极管(d3)导通，通过电感(l1)的电流线性减小，此时没有来自于输入电源(vin)中的能量，电感(l1)中存储的能量传递到输出端(vout)，若功率开关管(q1)截止时间过长时，电感(l1)中的电流则线性下降至0，此时电感(l1)会与第四电容(c4)和第九电阻(r9)构成振荡。

7.根据权利要求1或2所述的一种基于恒定导通时间控制的自激降压变换器，其特征在于，所述降压主电路中，功率开关管(q1)控制着电感(l1)储能，输出端(vout)接入控制电路进而构成环路，控制功率开关管(q1)的导通和关断；第二二极管(d2)和第三二极管(d3)相互作用构成判断，当功率开关管(q1)导通时，第二二极管(d2)输入电压近似为输入电源(vin)，则第三二极管(d3)截止；功率开关管(q1)关断时，第三二极管(d3)导通；第四电容(c4)和第九电阻(r9)与电感(l1)则可以构成振荡回路。

技术总结
本发明是一种基于恒定导通时间控制的自激降压变换器，该变换器包括降压主电路，控制电路和驱动电路；输入电源(Vin)接入控制电路的输入端即第二PNP管(Q2)的发射极，控制电路的输出端接驱动电路的输入端即第三PNP管(Q3)的基极，驱动电路的输出端接降压主电路的输入端即功率开关管(Q1)的栅极。采用此结构能够使得电路更为简单，解决电路生产成本高昂，开关频率不易调节的问题。

技术研发人员：张浩东,丁松,钱钦松,孙伟锋,时龙兴
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13