一种BUCK变换器的制作方法

一种buck变换器
技术领域
1.本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种buck变换器。


背景技术：

2.dc
‑
dc变换器因具有输出稳定电压和效率高的优点，越来越广泛地应用在计算机、自动化或电子仪器等领域。而buck变换器是常见的一种dc
‑
dc变换器，buck变换器也称为降压变换器，即输出电压总是小于输入电压。
3.现有技术中，buck变换器的结构示意图如图1所示，其工作原理是：通过辅助控制电路输出的pwm(pulse width modulation，脉冲宽度调制)信号驱动电荷泵，进而控制开关管的通断，并通过分压电阻和电容抑制输入电压的谐波分量通过，即输出电压就是输入电压的直流分量再附加微小纹波。
4.由于其电路特性要求，buck变换器的输入电压和输出电压之间需要一定的压降，方可输出稳定。也即，当输入电压大于设定的输出电压，但是压降不符合要求时，会造成输出电压呈现抖动。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明实施例提供一种buck变换器，以实现在压降不满足要求时，保持buck变换器的输出稳定，提升buck变换器的可靠性。
6.为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
7.本发明提供了一种buck变换器，包括：主电路和辅助控制电路；其中：
8.所述主电路内开关管的基极设置有电荷泵；
9.所述开关管的集电极和所述电荷泵之间设置有能量储存电容；
10.所述主电路的输出端正负极之间设置有反馈电路，所述反馈电路输出反馈信号至所述电荷泵；
11.所述辅助控制电路用于在所述主电路的输入电压减去输出电压的差值小于等于第一预设电压且大于零时，控制所述能量储存电容两端的压差为所述第一预设电压，以维持所述主电路的输出稳定。
12.优选的，所述辅助控制电路还用于：
13.在所述主电路的输入电压小于等于输出电压时，控制所述能量储存电容两端的压差为所述第一预设电压，以使所述主电路的输出电压等于输入电压。
14.优选的，所述辅助控制电路包括：振荡电路、升压电路以及线性放大电路；
15.所述振荡电路的输出端与所述升压电路的第一输入端相连；
16.所述升压电路的第二输入端作为所述辅助控制电路的输入端，与所述主电路的输出端正极相连；
17.所述升压电路的输出端与所述线性放大电路的第一输入端相连；
18.所述开关管的集电极和所述能量储存电容的连接点，与所述线性放大电路的第二
输入端相连；
19.所述线性放大电路的输出端作为所述辅助控制电路的输出端，与所述能量储存电容和所述电荷泵的连接点相连。
20.优选的，所述振荡电路用于输出pwm信号至所述升压电路的第一输入端。
21.优选的，所述振荡电路，包括：第一电容、第一电阻以及施密特触发器；其中：
22.所述第一电阻连接于所述施密特触发器的输入端与输出端之间；
23.所述施密特触发器的输入端通过所述第一电容接地，所述施密特触发器的输出端作为所述振荡电路的输出端，输出方波信号至所述升压电路的第一输入端。
24.优选的，所述升压电路用于输出第二预设电压至所述线性放大电路的第一输入端。
25.优选的，所述升压电路，包括：第一二极管至第四二极管以及第二电容至第五电容；其中：
26.所述第四二极管的阳极作为所述升压电路的第二输入端；
27.所述第四二极管的阴极与所述第三二极管的阳极相连，连接点与所述第二电容的一端相连；
28.所述第三二极管的阴极与所述第二二极管的阳极相连，连接点与所述第五电容的一端相连；
29.所述第二二极管的阴极与所述第一二极管的阳极相连，连接点与所述第三电容的一端相连；
30.所述第一二极管的阴极与所述第四电容的一端相连，连接点作为升压电路的输出端；
31.所述第二电容的另一端与所述第三电容的另一端相连，连接点作为所述升压电路的第一输入端；
32.所述第四电容的另一端与所述第五电容的另一端均接地。
33.优选的，所述第二预设电压为：所述主电路的输出电压减去两个二极管的压降，加上所述振荡电路输出的高电平电压值的二倍后，再减去所述开关管的预设损耗电压值。
34.优选的，所述线性放大电路，包括：稳压管、三极管以及第二电阻；其中：
35.所述三极管的基极与所述第二电阻的一端及所述稳压管的阴极相连；
36.所述三极管的集电极与所述第二电阻的另一端相连，连接点作为所述线性放大电路的第一输入端；
37.所述稳压管的阳极作为所述线性放大电路的第二输入端；
38.所述三极管的发射极作为所述线性放大电路的输出端。
39.优选的，所述第一预设电压为：所述稳压管的稳压值减去所述三极管的基极与集电极之间的压降。
40.基于上述本发明实施例提供的一种buck变换器，其辅助控制电路在主电路的输入电压减去输出电压的差值小于等于第一预设电压且大于零时，控制设置于开关管的集电极和电荷泵之间的能量储存电容两端的压差为第一预设电压，以维持主电路的输出稳定。也即，即便主电路的压降不满足条件，但是只要其输入电压大于输出电压，即可保证主电路的输出稳定，提高了buck变换器的可靠性。并且，在主电路的输入电压小于等于输出电压时，
也能控制和该能量储存电容两端的压差为第一预设电压，进而使主电路的输出电压等于输入电压。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
42.图1为现有技术中buck变换器的结构示意图；
43.图2为现有技术中buck变换器内开关管导通时的等效电路图；
44.图3为现有技术中buck变换器内开关管关断时的等效电路图；
45.图4为现有技术中buck变换器的输出电压波形图；
46.图5为本发明实施例提供的一种buck变换器的结构示意图；
47.图6为本发明实施例提供的一种buck变换器的辅助控制电路的结构示意图；
48.图7为本发明实施例提供的一种buck变换器的辅助控制电路内振荡电路的结构示意图；
49.图8为本发明实施例提供的一种buck变换器的辅助控制电路内升压电路的结构示意图；
50.图9为本发明实施例提供的一种buck变换器的辅助控制电路内线性放大电路的结构示意图；
51.图10为本发明实施例提供的一种buck变换器的具体结构示意图；
52.图11为本发明实施例提供的一种buck变换器的辅助控制电路内振荡电路的施密特触发器输出波形图；
53.图12为本发明实施例提供的一种buck变换器的辅助控制电路内升压电路的各个电压波形图。
具体实施方式
54.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
55.在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
56.现有技术中，buck变换器的结构示意图如图1所示，其工作原理为：开关管的导通和关断受控制电路输出的驱动脉冲信号控制，当脉冲输出高电平时，开关管导通，其等效图如图2所示，此时，二极管两端的电压与输出电压vout相等，因此二极管处于反向截至状态；
电流流经电感后流向buck变换器输出端，电感中的电流逐渐上升，在电感两端产生左端正右端负的自感电势阻碍电流上升，电感将电能转化为磁能存储。经过一段时间后，脉冲变为低电平，开关管关断，等效图如图3所示，但是电感中的电流不能突变，这时电感两端的自感电势阻碍电流下降，从而使二极管正向导通，于是电感中的电流经二极管形成回路，电流值逐渐下降，电感中储存的磁能转化为电能释放出来。重复以上开关管导通和关断的过程。
57.因此，buck变换器的工作特性要求其输入电压vin和输出电压vout需要一定的压降，具体的，vin
‑
vout>1.5v时，buck变换器方可稳定输出。举例说明，若buck变换器要求输出12v，则其输入电压vin必须要大于等于13.5v，若输入电压为12v则无法满足。其原因在于，当vin
‑
vout<1.5v，或者vin低于vout设定值时，vout呈现抖动的波形，其波形图如图4所示，即buck变换器输出电压无法保持稳定。
58.对于上述问题，现有技术只能通过采用性能更好的芯片换取进一步降低输入输出压降，但是这无疑极大的增大了系统成本，并且，并不能很好的解决压降大的问题，依然会存在输出抖动。
59.因此，本发明实施例提供了一种buck变换器，以实现在压降不满足要求时，保持buck变换器的输出稳定，提升buck变换器的可靠性。
60.具体的，该buck变换器的结构示意图如图5所示，包括：主电路110和辅助控制电路120；其中：
61.主电路110的连接结构与现有技术相同，如图1所示，其开关管q2的基极设置有电荷泵；开关管q2的集电极和电荷泵之间设置有能量储存电容c6；主电路110的输出端正负极之间设置有反馈电路(包括串联的两个分压电阻)，反馈电路输出反馈信号(如图5中fb所示)至电荷泵。
62.而辅助控制电路120用于在主电路110的输入电压减去输出电压的差值小于等于第一预设电压且大于零时，控制能量储存电容c6两端的压差为第一预设电压，以维持主电路110的输出稳定。
63.其中，该辅助控制电路120的结构示意图如图6所示，包括：振荡电路210、升压电路220以及线性放大电路230；其具体连接方式为：
64.振荡电路210的输出端与升压电路220的第一输入端相连；升压电路220的第二输入端作为辅助控制电路120的输入端，与主电路110的输出端正极相连；升压电路220的输出端与线性放大电路230的第一输入端相连；开关管q2的集电极和能量储存电容c6的连接点(如图6中v2处所示)，与线性放大电路230的第二输入端相连；线性放大电路230的输出端作为辅助控制电路120的输出端，与能量储存电容c6和电荷泵的连接点(如图6中v1处所示)相连。
65.具体的，该辅助控制电路120内各电路的结构示意图分别如图7
‑
图9所示：
66.振荡电路210：其结构示意图如图7所示，包括：第一电容c1、第一电阻r1以及施密特触发器u1；其中：
67.第一电阻r1连接于施密特触发器u1的输入端与输出端之间；施密特触发器u1的输入端通过第一电容c1接地，施密特触发器u1的输出端作为振荡电路210的输出端，输出方波信号至升压电路220的第一输入端。需要说明的是，该施密特触发器u1是包含正反馈的比较电路，其中，施密特触发器u1的内部振荡信号是正弦波，而振荡电路210的输出信号为方波，
其波形图如图11所示。
68.实际应用时，振荡电路210用于产生pwm(pulse width modulation，脉冲宽度调制)信号至升压电路220的第一输入端，也即将其输出信号与主电路110的输出电压vout共同作用于升压电路220，以驱动升压电路220，使得其输出电压上升至第二预设电压。
69.升压电路220：其结构示意图如图8，作用在于输出第二预设电压至线性放大电路230的第一输入端，以便进一步作用于主电路110；升压电路220包括：第一二极管d1至第四二极管d4以及第二电容c2至第五电容c5；其中：
70.第四二极管d4的阳极作为升压电路220的第二输入端；第四二极管d4的阴极与第三二极管d3的阳极相连，连接点与第二电容c2的一端相连；第三二极管d3的阴极与第二二极管d2的阳极相连，连接点与第五电容c5的一端相连；第二二极管d2的阴极与第一二极管d1的阳极相连，连接点与第三电容c3的一端相连；第一二极管d1的阴极与第四电容c4的一端相连，连接点作为升压电路220的输出端；第二电容c2的另一端与第三电容c3的另一端相连，连接点作为升压电路220的第一输入端；第四电容c4的另一端与第五电容c5的另一端均接地。
71.基于图7和图8所示的振荡电路210和升压电路220的结构示意图可见，升压电路220输出的第二预设电压的大小与输出电压vout相关，具体的，第二预设电压为：主电路110的输出电压减去两个二极管的压降，加上振荡电路210输出的高电平电压值的二倍后，再减去开关管的预设损耗电压值。
72.举例说明，振荡电路210的输出方波信号分为高电平和低电平，假设其高电平为5v。若输出方波信号作用于升压电路220的第二电容c2，而由于第二电容c2不会发生突变，因此，若输出方波信号为0v，则第二电容c2和第四二极管d4连接点处的电压值为vout
‑
0.7v；而若输出方波信号为5v，由于二极管的单向导通性，保证了c2和d4的能量不会流向vout，而是流向d3，并且，第五电容c5起到存储能量作用，电压更加平滑，此时，第三二极管d3和第四二极管d4的连接点处的电压为vout
‑
0.7+5v，即约为vout+4.3v。同理，如输出方波信号作用于第三电容c3，则电压约为vout+8.6v；但是由于开关时能量存在一定损耗，因此升压电路220输出的第二预设电压约为vout+8v，各点的输出电压波形如图12所示。
73.线性放大电路230则相当于一个小型稳压器，其结构示意图如图9所示，包括：稳压管t1、三极管q1以及第二电阻r2；其中：
74.三极管t1的基极与第二电阻r2的一端及稳压管t1的阴极相连；三极管q1的集电极与第二电阻r2的另一端相连，连接点作为线性放大电路230的第一输入端；稳压管t1的阳极作为线性放大电路230的第二输入端；三极管q1的发射极作为线性放大电路230的输出端。
75.该线性放大电路230的具体工作原理为：假设稳压管的稳压值为vz，由于三极管q1的基极和集电极之间存在0.6v的压降，则其输出电压为开关管q2的基极电压+vz
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0.6v，即为v1+vz
‑
0.6v，作用于开关管q2的集电极(即v2处)；因此，辅助控制电路120控制能量储存电容c6两端(如图10中v1处和v2处所示)的压差(即v2
‑
v1)为第一预设电压，即控制能量储存电容c6两端的压差维持在vz
‑
0.6v。需要说明的是，稳压管的稳压值vz的选取参考v1的电压，此处不作具体限定。
76.结合图6至图9所示的结构示意图，本发明实施例提供的buck变换器的详细结构图如图10所示，其中，当主电路110的输入电压与输出电压的差值大于第一预设电压时，即vin
>vout+vz
‑
0.6v时，其辅助控制电路120不起作用；而若主电路110的输入电压减去输出电压的差值小于等于第一预设电压且大于零，也即vout<vin≤vout+vz
‑
0.6v时，辅助控制电路120提升v2的电压值波形，使得v2和v1之间电压值压降维持在vz
‑
0.6v左右，能够保证主电路110的输出波形不抖动，保持稳定。可见，本发明实施例提供的buck变换器，无需变换器输入与输出之间存在1.5v压降，只要其输入电压大于输出电压，就能够维持buck变换器的输出稳定。
77.值得说明的是，即便在主电路110的输入电压小于等于输出电压时，辅助控制电路120依然能够控制能量储存电容c6两端的压差为第一预设电压，虽然由于变换器拓扑结构的限制，其输出电压会随着输入电压的下降而下降，无法达到设定值，但是，辅助控制电路120能够给电荷泵提供充足的能量，控制开关管q2全部开启，使得主电路110的输出电压等于输入电压，且保持一条直线，即输出电压波形同样不会出现抖动，可以提供稳定的能量。
78.综上，本发明实施例提供的buck变换器，其升压电路220相当于一个外置的电荷泵，加上线性放大电路230这个小型稳压器，拓宽了buck变换器的应用空间，且仅进行了较小的硬件改动，并不会大幅提高系统成本，即可解决现有技术中buck变换器压降大且电压抖动的问题，提高了buck变换器的可靠性，具有实践意义。
79.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
80.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
81.对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。