專利名稱：高效率同步整流降壓型開關(guān)變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及同步整流降壓型開關(guān)變換器，特別是一種利用負(fù)載 變化時(shí)，脈寬調(diào)制控制信號的占空比發(fā)生變化，其整流濾波后的直流電 壓也發(fā)生變化的原理，來控制同步整流電路，實(shí)現(xiàn)重載情況下開啟、輕 載情況下關(guān)閉同步整流信號的控制策略，使變換器在各種負(fù)載條件下具 有較高的變換效率。
背景技術(shù)：
近年來，隨著工作頻率的增加，集成度的提高，微處理器的供電問
題成為人們研究的熱點(diǎn)問題。傳統(tǒng)微處理器的工作電壓一般為的5V,在 這種工作電壓下，當(dāng)電流變化較大時(shí)，芯片和電源的功耗都會大大增加， 同時(shí)對電源的功率和響應(yīng)速度都有較高的要求。所以現(xiàn)在越來越多的微 處理器采用了 3.3V的低工作電壓，并向著更低的方向發(fā)展，最終將達(dá)到 IV左右-采用低電壓工作，不僅有效地減少了損耗，使電源的應(yīng)力降低， 而且微處理器的工作頻率和集成度能有進(jìn)一步的提高，同時(shí)也滿足了便 攜式設(shè)備中單電池供電的要求。
當(dāng)微處理器的輸出電壓降到1V左右的時(shí)候，對開關(guān)變換器而言，采 用肖特基硅二極管(SBD)、快恢復(fù)開關(guān)二極管(FPD)等作為輸出整流管， 其正向壓降約為0.4 0.6V，甚至達(dá)1V，大電流時(shí)的動態(tài)功耗很大，在 輸出電壓低于3V的開關(guān)變換器的總損耗中，將占主要比重，例如達(dá)到 50°么為了解決這個問題，提出了同步整流的概念。同步整流是采用通 態(tài)電阻極低的專用功率MOSFET，來取代整流二極管以降低整流損耗的一 項(xiàng)新技術(shù)。它能大大提高DC / DC變換器的效率，并且不存在由肖特基勢 壘電壓而造成的死區(qū)電壓。功率MOSFET屬于電壓控制型器件，它在導(dǎo)通
時(shí)的伏安特性呈線性關(guān)系。用功率MOSFET做整流器時(shí)，要求柵極電壓必 須與被整流電壓的相位保持同步，故稱之為同步整流。采用同步整流技 術(shù)的變換器的效率可以達(dá)到90%以上。
目前同步整流變換器普遍采用的是降壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在輕載情況下， 儲能電感中的電流較少，能夠降到零，同時(shí)由于采用同歩整流技術(shù)，整 流電路中的開關(guān)管為雙向?qū)ǎ噪姼须娏鲿聪蛄鲃?，反而會增?變換器的損耗。為了提高變換器的效率，在輕載情況下，當(dāng)電感電流過 零時(shí)要關(guān)斷同步整流M0SFET。傳統(tǒng)的方法是在電路中加入電流過零檢測 電路。但檢測電路中的電流互感器不僅體積大而且價(jià)格昂貴，傳感電阻 也大大降低了變換器的效率。所以研究不帶檢測電路的在各種負(fù)載條件 下都具有較高效率的同步整流降壓型變換器具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。
發(fā)明內(nèi)容
考慮上述背景技術(shù)，本實(shí)用新型的目的在于提供一種高效率的同步 整流降壓型開關(guān)變換器，它應(yīng)在重載情況下開啟同步整流，輕載情況下 關(guān)閉同步整流，在各種負(fù)載條件下都具有高效率，并滿足開關(guān)變換器轉(zhuǎn) 換速度高、體積小、重量輕和成本低等要求。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下
一種高效率同步整流降壓型開關(guān)變換器，包括降壓型開關(guān)變換器主 電路、脈寬調(diào)制控制電路和同歩整流控制電路，特點(diǎn)是根據(jù)負(fù)載變化， 控制同歩整流電路的開通或關(guān)斷，本變換器的構(gòu)成是
所述的降壓型開關(guān)變換器主電路的構(gòu)成是 -輸入電源的正極接主開關(guān)管的源極，負(fù)極接地，漏極接同步整流 開關(guān)管的源極和儲能電感的一端，該同歩整流開關(guān)管的漏極接地，儲能 電感的另一端接儲能電容，所述儲能電容的另一端接地.負(fù)載電阻一端 與儲能電感和儲能電容的公共端連接，負(fù)載電阻的另-v端接地
所述的脈寬調(diào)制控制電路的構(gòu)成是
脈寬調(diào)制采樣電阻采用電位器，該電位器的一固定端接負(fù)載電阻的 非接地端，另一固定端接地，活動端接采樣電壓比較放大器的正輸入端， 所述采樣電壓比較放大器的負(fù)輸入端接第一參考電壓源的正極，第一參 考電壓源的負(fù)極接地，采樣電壓比較放大器的輸出端接脈寬調(diào)制比較放 大器的正輸入端，脈寬調(diào)制比較放大器的負(fù)端接鋸齒波發(fā)生器的輸出端， 脈寬調(diào)制比較放大器的輸出端接所述的主開關(guān)管的門極；
所述的同步整流控制電路的構(gòu)成低通濾波器電阻接脈寬調(diào)制比較 放大器的輸出端，另一端接同步整流比較放大器的負(fù)輸入端，在低通濾 波器電阻的另一端和地之間接一低通濾波電容，所述同步整流比較放大 器的正輸入端接第二參考電壓源的正極，所述第二參考電壓源的負(fù)極接 地，同步整流比較放大器的輸出端接與非門的一個輸入端，所述與非門 的另一個輸入端接低通濾波器電阻、脈寬調(diào)制比較放大器的輸出端和主 開關(guān)管的門極形成的節(jié)點(diǎn)，所述與非門的輸出端接第一非門的輸入端， 所述第一非門的輸出端接第二非門的輸入端，所述第二非門的輸出端接 所述的同步整流開關(guān)管的門極。
所述的同步整流控制電路在電感電流斷續(xù)時(shí)關(guān)斷同步整流開關(guān)管， 第二參考電壓源的電壓應(yīng)滿足Wla0.98A ^(，,，其中D^為電感電流 由連續(xù)變?yōu)閿嗬m(xù)時(shí)的脈寬調(diào)制信號占空比，Vw為脈寬調(diào)制高電平信號， 考慮主開關(guān)管(Q11)的導(dǎo)通電阻，則Dm滿足
其中V,為變換器輸出電壓，1^為電感電流由連續(xù)到斷續(xù)時(shí)的臨界 值，R^為主開關(guān)管Q1的導(dǎo)通電阻，V^為輸出電壓。
所述采樣電壓比較放大器、脈寬調(diào)制比較放大器、同步整流比較放 大器，與非門，第一非門、第二非門的工作頻率應(yīng)高于脈寬調(diào)制信號的頻率。
所述與非門，第一非門、第二非門的延遲時(shí)間應(yīng)滿足O. 1 0.2T，其 中T為開關(guān)變換器的開關(guān)周期。
本實(shí)用新型的主電路采用降壓型電路，采用脈寬調(diào)制控制方式。以
同步整流開關(guān)管替代整流二極管。主電路由脈寬調(diào)制控制電路控制能量 傳輸。同步整流電路由同步整流控制電路控制開通和關(guān)斷，并保持同步 整流信號與脈寬調(diào)制控制信號反相。 本實(shí)用新型的工作情況如下
主電路，由主開關(guān)管、同步整流開關(guān)管、儲能電感、儲能電容和負(fù)載電 阻組成。當(dāng)主開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，能量從輸入電源流入，并儲存于儲能電感中， 同時(shí)給負(fù)載供電。此時(shí)同步整流控制器關(guān)閉同步整流開關(guān)管，且變換器輸出 電壓上正下負(fù)，所以同步整流開關(guān)管的晶體二極管反偏。當(dāng)主開關(guān)管截止時(shí)， 儲能電感中的電流不能突變，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢阻止電流減少，感應(yīng)電勢 的極性為下正上負(fù)，此時(shí)同步整流控制電路控制整流開關(guān)管開通，儲能電感 中的能量經(jīng)整流開關(guān)管輸出儲能電容，同時(shí)電容放電供給負(fù)載。
脈寬調(diào)制控制電路，由輸出采樣電阻、采樣電壓比較放大器、鋸齒 波發(fā)生器和脈寬調(diào)制比較放大器組成。采樣電阻上的采樣電壓與第一參 考電壓比較放大后與鋸齒波比較，產(chǎn)生脈寬調(diào)制控制信號，該脈寬調(diào)制 控制信號與主開關(guān)管門極相連，控制主開關(guān)管的開通和關(guān)斷。當(dāng)負(fù)載改 變時(shí)，采樣電壓會發(fā)生改變，從而改變脈寬調(diào)制信號的占空比，以調(diào)整 主開關(guān)管的開通時(shí)間來保證輸出電壓的穩(wěn)定。
所述的同步整流控制電路，由低通濾波器、同步整流比較放大器、
與非門、兩個非門組成。當(dāng)負(fù)載改變時(shí)，脈寬調(diào)制信號的占空比會發(fā)生 改變，低通濾波器將高頻的脈寬調(diào)制信號濾波后產(chǎn)生的直流信號也會發(fā) 生改變。將電感電流連續(xù)與不連續(xù)臨界時(shí)的脈寬調(diào)制信號濾波后的直流 電壓作為第三參考電壓。該參考電壓和低通濾波器的輸出電壓分別接同 步整流比較器的負(fù)輸入端和正輸入端。比較輸出的信號作為控制信號接
與非門的輸入端，所述與非門的另一端接脈寬調(diào)制信號在 一般負(fù)載條 件下，當(dāng)脈寬調(diào)制為高電平時(shí)，主功率開關(guān)管開通，此時(shí)電感電流連續(xù)， 脈寬調(diào)制占空比較大，其經(jīng)低通濾波器后輸出的電壓要高于第三參考電 壓，經(jīng)同歩整流比較器后輸出為低電平，該低電平與脈寬調(diào)制的高電平
經(jīng)與非門后輸出為低電平，該低電平信號加到同步整流開關(guān)管的門極， 使同步整流開關(guān)管關(guān)閉。同理，在占空比不變，脈寬調(diào)制控制信號為低 電平時(shí)，與非門輸出為高電平，使同步整流開關(guān)管開通。當(dāng)負(fù)載變輕， 電感電流降到零時(shí)，脈寬調(diào)制的占空比變小，其濾波輸出的電壓與第三 參考電壓相等，同步整流比較器的輸出為高電平，使與非門關(guān)斷，脈寬 調(diào)制信號不能夠通過與非門輸出，同歩整流開關(guān)管關(guān)斷，電流無法反向 流動。與非門后接兩個串聯(lián)的非門起延遲信號的作用。 本實(shí)用新型的技術(shù)效果
本實(shí)用新型高效率同步整流降壓型變換器，采用降壓型變換器主電 路，可將電源提供的高電壓，轉(zhuǎn)換為處理器芯片正常工作所需的低直流 電壓；同步整流控制電路在沒有采用電流互感器和傳感電阻的情況下， 利用負(fù)載改變時(shí)，脈寬調(diào)制控制信號占空比改變的原理，將脈寬調(diào)制信 號濾波后產(chǎn)生的直流信號作為檢測信號，自動檢測電感電流，當(dāng)電感電 流連續(xù)時(shí)，開通同步整流；當(dāng)電感電流不連續(xù)時(shí)，關(guān)斷同步整流，使變 換器在各種負(fù)載情況下都能有較高的變換效率。本實(shí)用新型用于給處理 器芯片供電的低輸出電壓變換器，經(jīng)試用表明本實(shí)用新型高效率同步 整流降壓型變換器在各種負(fù)載條件下都具有較高的效率，同時(shí)具有體積 小、重量輕和成本低等特點(diǎn)。


圖1是本實(shí)用新型高效率同步整流降壓型開關(guān)變換器的電路簡圖'具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限
制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
參考圖1，圖1是本實(shí)用新型高效率同步整流降壓型開關(guān)變換器的 電路簡圖，由圖可見，本實(shí)用新型高效率的同步整流降壓型開關(guān)變換器， 包括降壓型開關(guān)變換器主電路1和脈寬調(diào)制控制電路2，還有一同步整
流控制電路3:
所述的降壓型開關(guān)變換器主電路1的構(gòu)成是-
一輸入電源Vill的正極接主開關(guān)管Qll的源極，負(fù)極接地，漏極接 同步整流開關(guān)管Q12的源極和儲能電感Lll的一端，該同步整流開關(guān)管 Q12的漏極接地，儲能電感Lll的另一端接儲能電容Cll，所述儲能電容 Cll的另一端接地，負(fù)載電阻Rll —端與儲能電感Lll和儲能電容Cll 的公共端連接，負(fù)載電阻Rll的另一端接地；
所述的脈寬調(diào)制控制電路2的構(gòu)成是-
脈寬調(diào)制采樣電阻R21采用電位器，該電位器的一固定端接負(fù)載電 阻Rll的非接地端，另一固定端接地，活動端接采樣電壓比較放大器021 的正輸入端，所述采樣電壓比較放大器021的負(fù)輸入端接第一參考電壓 源V21的正極，第一參考電壓源V21的負(fù)極接地，采樣電壓比較放大器 021的輸出端接脈寬調(diào)制比較放大器022的正輸入端，脈寬調(diào)制比較放 大器022的負(fù)端接鋸齒波發(fā)生器的輸出端，脈寬調(diào)制比較放大器022的 輸出端接所述的主開關(guān)管Qll的門極；
所述的同步整流控制電路3的構(gòu)成低通濾波器電阻R31接脈寬調(diào) 制比較放大器022的輸出端，另一端接同步整流比較放大器031的負(fù)輸 入端，在低通濾波器電阻R31的另一端和地之間接一低通濾波電容C31， 所述同步整流比較放大器031的正輸入端接第二參考電壓源V31的正極， 聽述第二參考電壓源V31的負(fù)極接地，同步整流比較放大器031的輸出 端接與非門A31的一個輸入端，所述與非門A31的另一個輸入端接低通 濾波器電阻R31、脈寬調(diào)制比較放大器022的輸出端和主開關(guān)管Qll的 門極形成的節(jié)點(diǎn)，所述與非門A31的輸出端接第一非門X31的輸入端， 聽述第一非門X31的輸出端接第二非門X32的輸入端，所述第—非門\32 的輸出端接所述的同步整流開關(guān)管Q12的門極。
—t:電路采用降壓型電路，用MOSFET開關(guān)管代替整流二極管，主
電路由脈寬調(diào)制控制電路控制能量傳輸，同歩整流幵關(guān)管由同步整流控 制電路控制開通或關(guān)斷。
本實(shí)用新型變換器工作原理是
采用電壓型反饋控制，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，脈寬調(diào)制控制信號的占空比 也會發(fā)生變化，通過檢測脈寬調(diào)制信號占空比的變化，就能估算出電感 的電流值。所以本實(shí)用新型以脈寬調(diào)制信號中的直流分量為檢測信號判
斷電感電流是否連續(xù)。將脈寬調(diào)制信號經(jīng)低通濾波器產(chǎn)生的電壓信號Vc 為控制信號，與第二參考電壓V31比較，第二參考電壓V31為脈寬調(diào)制 占空比為D。H時(shí)的平均值，當(dāng)Vc大于V31時(shí)，表明電感電流連續(xù)，同步 整流比較放大器031輸出Vo31為低電平，脈寬調(diào)制的低平信號通過與非 門A31和第一非門N31、第二非門N32后加到同步整流開關(guān)管Q12，同步 整流開通；當(dāng)Vc小于V31時(shí)，表明電感電流斷續(xù)，031輸出Vo31為高 電平，與非門A31關(guān)斷，同步整流關(guān)斷。Vc為脈寬調(diào)制占空比為D時(shí)的 平均電壓，且滿足^-0.98D^^(H)，其中V脈寬附柳為脈寬調(diào)制信號的高電
平值。^i為電感電流由連續(xù)變?yōu)閿嗬m(xù)時(shí)的脈寬調(diào)制信號占空比，考慮開 關(guān)管Q1的導(dǎo)通電阻，則Dd滿足Z^-^+CxD/^,其中V。為變換
器輸出電壓，IocH為電感電流由連續(xù)到斷續(xù)時(shí)的臨界值，R。M為主開關(guān)管 Ql的導(dǎo)通電阻，Viu為輸出電壓，且ni-0.98A.7，(w。又同步整流信號 要滿足與脈寬調(diào)制信號反相，由與非門的真值表結(jié)合本實(shí)用新型可知， 只有當(dāng)電感電流連續(xù)，脈寬調(diào)制信號為低電平時(shí)同步整流才能開通。第 一非門N31，第二非門N32的功能是為同步整流信號提供時(shí)間延遲，且 其延遲時(shí)間應(yīng)滿足0. 1 0. 2T，其中T為變換器的開關(guān)周期。
本實(shí)用新型高效率同步整流降壓型變換器能夠在負(fù)載變化時(shí)自動 切換同步整流信號，經(jīng)試用表明本實(shí)用新型高效率同步整流降壓型變 換器具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、變換器體積小、重量輕和成本低等特點(diǎn)。
權(quán)利要求1、一種在各種負(fù)載條件下高效率的同步整流降壓型開關(guān)變換器，包括降壓型開關(guān)變換器主電路(1)和脈寬調(diào)制控制電路(2)，特征在于還有一同步整流控制電路(3)所述的降壓型開關(guān)變換器主電路(1)的構(gòu)成是一輸入電源(Vi11)的正極接主開關(guān)管(Q11)的源極，負(fù)極接地，漏極接同步整流開關(guān)管(Q12)的源極和儲能電感(L11)的一端，該同步整流開關(guān)管(Q12)的漏極接地，儲能電感(L11)的另一端接儲能電容(C11)，所述儲能電容(C11)的另一端接地，負(fù)載電阻(R11)一端與儲能電感(L11)和儲能電容(C11)的公共端連接，負(fù)載電阻(R11)的另一端接地；所述的脈寬調(diào)制控制電路(2)的構(gòu)成是脈寬調(diào)制采樣電阻(R21)采用電位器，該電位器的一固定端接負(fù)載電阻(R11)的非接地端，另一固定端接地，活動端接采樣電壓比較放大器(O21)的正輸入端，所述采樣電壓比較放大器(O21)的負(fù)輸入端接第一參考電壓源(V21)的正極，第一參考電壓源(V21)的負(fù)極接地，采樣電壓比較放大器(O21)的輸出端接脈寬調(diào)制比較放大器(O22)的正輸入端，脈寬調(diào)制比較放大器(O22)的負(fù)端接鋸齒波發(fā)生器的輸出端，脈寬調(diào)制比較放大器(O22)的輸出端接所述的主開關(guān)管(Q11)的門極；所述的同步整流控制電路(3)的構(gòu)成低通濾波器電阻(R31)接脈寬調(diào)制比較放大器(O22)的輸出端，另一端接同步整流比較放大器O31的負(fù)輸入端，在低通濾波器電阻(R31)的另一端和地之間接一低通濾波電容(C31)，所述同步整流比較放大器(O31)的正輸入端接第二參考電壓源(V31)的正極，所述第二參考電壓源(V31)的負(fù)極接地，同步整流比較放大器(O31)的輸出端接與非門(A31)的一個輸入端，所述與非門(A31)的另一個輸入端接低通濾波器電阻(R31)、脈寬調(diào)制比較放大器(O22)的輸出端和主開關(guān)管(Q11)的門極形成的節(jié)點(diǎn)，所述與非門(A31)的輸出端接第一非門(N31)的輸入端，所述第一非門(N31)的輸出端接第二非門(N32)的輸入端，所述第二非門(N32)的輸出端接所述的同步整流開關(guān)管(Q12)的門極。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步整流降壓型開關(guān)變換器，其特征在于 所述的同步整流控制電路(3)在電感電流斷續(xù)時(shí)關(guān)斷同步整流開關(guān)管(Q12)，第二參考電壓源(V31)的電壓應(yīng)滿足「31-0.98/^,1^^,，其中an為電感電流由連續(xù)變?yōu)閿嗬m(xù)時(shí)的脈寬調(diào)制信號占空比，V,H)為脈寬調(diào)制高電平信號，考慮主開關(guān)管(Q11)的導(dǎo)通電阻，則Dm滿足-其中V。為變換器輸出電壓，I,w為電感電流由連續(xù)到斷續(xù)時(shí)的臨界 值，R^為主開關(guān)管Q1的導(dǎo)通電阻，V,u為輸出電壓。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高效率同步整流降壓型開關(guān)變換器， 其特征在于所述采樣電壓比較放大器(021)、脈寬調(diào)制比較放大器(022)、 同步整流比較放大器(031)，與非門(A31)，第一非門(N31)、第二非 門(N32)的工作頻率應(yīng)高于脈寬調(diào)制信號的頻率。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高效率同步整流降壓型開關(guān)變換器， 其特征在于所述的與非門(A31)、第一非門(N31)、第二非門(N32)的 延遲時(shí)間應(yīng)滿足0. 1 0. 2T，其中T為開關(guān)變換器的開關(guān)周期
專利摘要一種高效率同步整流降壓型開關(guān)變換器，包括降壓型開關(guān)變換器主電路、脈寬調(diào)制控制電路和同步整流控制電路，主電路用于將直流源提供的高電壓轉(zhuǎn)換為用電設(shè)備正常工作所需的直流低電壓；脈寬調(diào)制控制電路采用電壓反饋閉環(huán)控制，根據(jù)降壓型開關(guān)變換器輸出反饋電壓調(diào)整占空比，保持輸出電壓的穩(wěn)定；同步整流控制電路將脈寬調(diào)制信號反相加延遲后控制同步整流電路，并以濾波整流后的脈寬調(diào)制信號電壓為控制信號，在重載下開啟同步整流，輕載下關(guān)閉同步整流。本實(shí)用新型同步整流降壓型變換器解決了傳統(tǒng)同步整流降壓型變換器輕載下效率降低的缺點(diǎn)，同時(shí)沒有額外增加輸出濾波電感電流檢測電路的缺點(diǎn)，具有效率高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H02M7/12GK201001085SQ20062004959
公開日2008年1月2日 申請日期2006年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日
發(fā)明者輝 范, 陸雨田 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所