CN101640478B - 直流变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种直流变换器，包括：输入部分、第一开关器件、第二开关器件、第一电容、第二电容以及电感，该直流变换器还包括第三开关器件；其中输入部分的第一端连接至所述第一开关器件的第一端和第三开关器件的第一端，第一开关器件的第二端连接至第二开关器件的第一端和第一电容的第一端，第三开关器件的第二端连接至第一电容的第二端和电感的第一端，电感的第二端连接至第二电容的第一端，第二电容的第二端、第二开关器件的第二端和输入部分的第二端接地。该直流变换器具有输出电压纹波小、抗噪音能力好、负载快速响应的性能，同时输出电压可升可降，即有更宽的输出电压范围，并且能够使输入和输出在需要断开时能有效断开。
Description
技术领域
本发明涉及DC-DC变换器，特别是涉及一种非隔离式DC-DC电压变换器。
背景技术
如今，在很多消费电子、通信设备和计算机电源中，经常需要对一给定电压进行转换处理，尤其是便携式通信系统，如MP3，蓝牙设备等。在这些应用中，对输出电压纹波和噪音的控制非常重要。传统boost电路虽然有小的输出电压纹波和较好的抗噪音能力，但因其传递函数在右半平面存在一个零点，动态响应不大好，负载响应速度慢。现有技术中，很多电路拓扑针对这些要求进行了改进，其中，在APEC’07会议上发表的论文——“A Novel Voltage-boostingConverter：KY Converter”(一种新型电压升变换器：KY变换器)阐述的KY变换器在保持输出电压纹波小、较好的抗噪音能力的同时克服了负载快速响应慢的缺点，是一种性能比较好的变换器，其电路拓扑如图1所示。该KY变换器包括输入VIN，MOS管M1和M2，二极管D，电感L，电容C和Cb，以及负载R。MOS管M1有寄生的反并二极管D1，MOS管M2有寄生的反并二极管D2。输入VIN的一端连接至二极管D的阳极和MOS管M1的漏极，二极管的阴极连接至电容Cb的一端和电感L的一端，电容Cb的另一端连接至MOS管M1的源极和MOS管M2的漏极，电感L的另一端连接至电容C的一端和负载R的一端，电容C的另一端、负载R的另一端和MOS管M2的源极连接至输入VIN的另一端。
当MOS管M1被关断、MOS管M2被导通时，输入VIN、二极管D、电容Cb、以及MOS管M2形成电流回路，输入VIN给电容Cb充电，从而使电容Cb两端电压达到输入VIN的值；同时输入VIN、二极管D、电感L、电容C和负载R也形成电流回路，输入VIN给负载R提供能量，如图2(a)所示。当MOS管M1被导通、MOS管M2被关断时，输入VIN、MOS管M1、电容Cb、电感L、电容C和负载R形成电流回路，输入VIN和电容Cb一起给负载R提供能量，如图2(b)所示。
可以看到，负载R两端的输出电压VO的范围在VIN～2*VIN之间，即KY变换器只有升压功能，没有降压功能。同时，当MOS管M1、M2均被关断或者MOS管M1、M2均不工作时，即MOS管M1、M2均不导通时，输入VIN通过二极管D、电感L、电容C以及负载R还可以形成电流回路，输入VIN仍旧给负载R提供能量，从而不能使输入和输出断开。
如图3所示为另一现有技术中具有四个MOS管的变换器电路50。该电路50实现了输出电压可升可降的功能。如图所示，电路50包括输入VIN、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、电感Lf、输出电容Cf以及负载R1。输入VIN的一端连接至MOS管Q1的漏极，MOS管Q1的源极连接至电感Lf的一端和MOS管Q2的漏极，电感Lf的另一端连接至MOS管Q3的漏极和MOS管Q4的源极，MOS管Q4的漏极连接至电容Cf的一端和负载R1的一端，电容Cf的另一端、负载R1的另一端、MOS管Q2的源极和MOS管Q3的源极均连接至输入VIN的另一端。
当需要实现降压时，MOS管Q3退出工作，MOS管Q1、Q2、Q4工作于开关状态。电路50等效为一个buck电路。当MOS管Q1、Q4被一起导通，MOS管Q2被关断时，输入VIN、MOS管Q1、电感Lf、MOS管Q4、电容Cf以及负载R1形成电流回路。电感电流增大，输入VIN给电感Lf、电容Cf和负载R1提供能量。当MOS管Q1被关断，MOS管Q2、Q4被一起导通时，MOS管Q2、电感Lf、MOS管Q4、电容Cf以及负载R1形成电流回路。电感电流减小，电感Lf和电容Cf给负载R1提供能量。
当需要实现升压时，MOS管Q2退出工作，MOS管Q1、Q3、Q4工作于开关状态。电路50等效为一个boost电路。当MOS管Q1、Q3被一起导通，MOS管Q4被关断时，输入VIN、MOS管Q1、电感Lf和MOS管Q3形成电流回路，电感电流增大，输入VIN给电感Lf提供能量。同时电容Cf和负载R1形成电流回路，电容Cf给负载R1提供能量。当MOS管Q3被关断，MOS管Q1、Q4被一起导通时，输入VIN、MOS管Q1、电感Lf、MOS管Q4、电容Cf以及负载R1形成电流回路。电感电流减小，输入VIN、电感Lf给电容Cf和负载R1提供能量。
可见，电路50实现了输出电压可升可降的功能。然而电路50在运行时，至少有3个开关管在同时工作，增大了开关损耗和导通损耗，从而降低了转换效率。而且当输出需要升压，即电路50运行于升压模式时，和传统boost电路一样，其传递函数在右半平面存在一个零点，动态响应不大好，负载响应速度慢。
于是有必要提供一种保持负载快速响应性能的同时能使输入和输出有效断开，并且输出电压可升可降的电路。
发明内容
因此本发明的目的在于提供了一种改进的新型直流变换器，该直流变换器具有输出电压纹波小、抗噪音能力好、负载快速响应的性能，同时有更宽的输出电压范围(相比于输入电压，其输出电压可升可降)，并且能够使输入和输出在需要断开时能有效断开。
为实现上述目的，本发明公开了一种直流变换器，包括输入部分、一第一开关器件、一第二开关器件、一第一电容、一第二电容以及一电感，其特征在于，所述直流变换器还包括一第三开关器件；其中所述输入部分的第一端连接至所述第一开关器件的第一端和所述第三开关器件的第一端，所述第一开关器件的第二端连接至所述第二开关器件的第一端和所述第一电容的第一端，所述第三开关器件的第二端连接至所述第一电容的第二端和所述电感的第一端，所述电感的第二端连接至所述第二电容的第一端，所述第二电容的第二端、所述第二开关器件的第二端和所述输入部分的第二端接地。
如本发明所述的一种直流变换器，其中所述第一开关器件和所述第二开关器件不导通，所述第三开关器件工作于线性放大区或饱和区。
如本发明所述的一种直流变换器，其中所述第二开关器件和所述第三开关器件被同时导通，或被同时关断，且所述第一开关器件与所述第二开关器件互补导通。
如本发明所述的一种直流变换器，其中所述第二电容两端为所述直流变换器的输出部分，连接一负载。
如本发明所述的一种直流变换器，其中所述第三开关器件是三极管、MOSFET、IGBT或其他可控器件。
为实现上述目的，本发明还公开了一种直流变换器，包括输入部分、一第一开关器件、一第二开关器件、一第一电容、一第二电容以及一电感，其特征在于，所述直流变换器还包括一第三开关器件和一第四开关器件；其中所述输入部分的第一端连接至所述第一开关器件的第一端和所述第三开关器件的第一端，所述第一开关器件的第二端连接至所述第二开关器件的第一端和所述第一电容的第一端，所述第三开关器件的第二端连接至所述第一电容的第二端和所述电感的第一端，同时所述第三开关器件的第二端连接至所述第四开关器件的第一端，所述电感的第二端连接至所述第二电容的第一端，所述第二电容的第二端、所述第二开关器件的第二端以及所述第四开关器件的第二端和所述输入部分的第二端接地。
如本发明所述的一种直流变换器，其中所述第一开关器件和所述第二开关器件不导通，所述第三开关器件和第四开关器件互补导通。
如本发明所述的一种直流变换器，其中所述第四开关器件不导通，第二开关器件和所述第三开关器件被同时导通，或被同时关断，且所述第一开关器件与所述第二开关器件互补导通。
如本发明所述的一种直流变换器，其中所述第二电容两端为所述直流变换器的输出部分，连接一负载。
如本发明所述的一种直流变换器，其中所述第三开关器件是三极管、MOSFET、IGBT或其他可控器件。
如本发明所述的一种直流变换器，其中所述第四开关器件是二极管、三极管、MOSFET、IGBT或其他开关器件。
本发明的优点在于保持输出电压纹波小、抗噪音能力好、负载快速响应的性能的同时其输出电压可升可降，并且能够使输入和输出在需要断开时能有效断开。
附图说明
图1示出了现有技术一种电压升变换器(KY变换器)电路。
图2(a)示出了图1所示电路在MOS管M1被关断、MOS管M2被导通时的电流回路图。
图2(b)示出了图1所示电路在MOS管M1被导通、MOS管M2被关断时的电流回路图。
图3示出了现有技术一种可升压可降压的变换器电路50。
图4示出了根据本发明第一实施例的一种改进的新型电压变换器电路100。
图5示出了根据本发明第二实施例的一种改进的新型电压变换器电路200。
具体实施方式
第一实施例：
如图4所示，为根据本发明的一种改进的新型电压变换器电路100，其为本发明的第一实施例。如图所示，电路100包括输入部分、第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3、第一电容C1、第二电容C2、电感L1以及负载RL。输入部分的第一端连接至第一开关器件S1的第一端和第三开关器件S3的第一端，第一开关器件S1的第二端连接至第一电容C1的第一端和第二开关器件S2的第一端，第三开关器件S3的第二端连接至第一电容C1的第二端和电感L1的第一端，电感L1的第二端连接至第二电容C2的第一端和负载RL的第一端，第二电容C2的第二端、第二开关器件S2的第二端、负载RL的第二端和输入部分的第二端均接地。在本实施例中，输入部分即为输入VIN。可以看到，当三个开关器件均不导通时，输入与输出断开。其中，第三开关器件S3可以是除了二极管以外的任意可控器件，如三极管，MOSFET，IGBT等。
当输出电压VO的要求为在0～VIN范围内时，可以使第一开关器件S1和第二开关器件S2不导通，第三开关器件S3工作。第三开关器件S3可以工作在线性区和饱和区。输入VIN、第三开关器件S3、电感L1、第二电容C2形成电流回路，输入VIN给电感L1、第二电容C2和负载RL提供能量。当第三开关器件S3工作在线性区时，电路100相当于一个LDO(低压差线性稳压器)，通过控制第三开关器件S3的导通压降，可以控制输出电压VO的大小。当第三开关器件S3工作在饱和区时，电路100输出电压VO近似为VIN。
当输出电压VO的要求为在VIN～2*VIN范围内时，第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3均工作。并且第二开关器件S2和第三开关器件S3被同时导通，或被同时关断。第一开关器件S1与第二开关器件S2互补导通。当第一开关器件S1被关断，第二开关器件S2和第三开关器件S3被同时导通时，输入VIN、第三开关器件S3、第一电容C1、第二开关器件S2形成电流回路，输入VIN给第一电容C1充电，使其两端电压达到VIN的值；同时输入VIN、第三开关器件S3、电感L1、第二电容C2、负载RL形成电流回路，输入VIN给负载提供能量。当第一开关器件S1被导通，第二开关器件S2和第三开关器件S3被同时关断时，输入VIN、第一开关器件S1、第一电容C1、电感L1、第二电容C2以及负载RL形成电流回路，输入VIN、第一电容C1同时给负载RL提供能量。通过控制第一开关器件S1的占空比可以控制输出电压VO。
可以看到，电路100的输出电压可以在0～2*VIN之间。
第二实施例：
如图5所示，为根据本发明的一种改进的新型电压变换器电路200，其为本发明的第二实施例。电路200与图4相同部分采用相同的附图标记，与第一实施例图4电路100的不同之处在于，电路200还包括一连接于第三开关器件S3的第二端和地之间的第四开关器件S4，第四开关器件S4的第一端连接至第三开关器件S3的第二端，第四开关器件S4的第二端接地。本领域的技术人员应该认识到，第四开关器件S4可以是二极管、三极管、MOSFET、IGBT等开关器件。
当输出电压VO的要求为在0～VIN范围内时，可以使第一开关器件S1和第二开关器件S2不导通，第三开关器件S3和第四开关器件S4互补导通，电路200等效为一个buck拓扑。即，当第三开关器件S3被导通，第四开关器件S4被关断时，输入VIN、第三开关器件S3、电感L1、第二电容C2以及负载RL形成电流回路，输入VIN给电感L1、第二电容C2和负载RL提供能量；当第三开关器件S3被关断，第四开关器件S4被导通时，电感L1、第二电容C2、负载RL和第四开关器件S4形成电流回路，电感L1和第二电容C2给负载RL提供能量。通过控制第三开关器件S3的占空比可以控制输出电压VO。
当输出电压VO的要求为在VIN～2*VIN范围内时，电路200的工作状态与第一实施例相同。即第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3均工作，并且第二开关器件S2和第三开关器件S3被同时导通，或被同时关断。第一开关器件S1与第二开关器件S2互补导通，第四开关器件S4不导通。当第一开关器件S1被关断，第二开关器件S2和第三开关器件S3被同时导通时，输入VIN、第三开关器件S3、第一电容C1、第二开关器件S2形成电流回路，输入VIN给第一电容C1充电，使其两端电压达到VIN的值；同时输入VIN、第三开关器件S3、电感L1、第二电容C2、负载RL形成电流回路，输入VIN给负载提供能量。当第一开关器件S1被导通，第二开关器件S2和第三开关器件S3被同时关断时，输入VIN、第一开关器件S1、第一电容C1、电感L1、第二电容C2以及负载RL形成电流回路，输入VIN、第一电容C1同时给负载提供能量。通过控制第一开关器件S1的占空比可以控制输出电压VO。
可以看到，电路200的输出电压可以在0～2*VIN之间。
本发明提供的变换器电路100和电路200有非常优越的负载响应性能。值得一提的是，当输出电压VO在0～VIN范围内时，本发明提供的变换器电路100和电路200可以提供比传统buck电路更为优越的负载响应性能。可以看到，电路100和电路200在电感L1的第一端，电压V可以从小于VIN(VIN减去开关器件S3的压降)到2*VIN，而传统的buck电路在电感靠近输入的端点上，电压V′为从小于VIN(VIN减去相应开关管压降)到VIN。当负载从相对轻载跳变为相对重载时，传统buck电路电感电流上升率最大为(V′-VO)/LV，其中LV为传统buck电路相应电感的电感值；而电路100和电路200的电感L1的电流上升率为(V-VO)/L1(v)，L1(V)为电感L1的电感值。而如上所述，V可以近似为V′的两倍，因此，当电路100/电路200与传统buck电路取相同电感值的电感(LV＝L1(V))时，(V-VO)/L1(v)＞(V′-VO)/LV，即电路100/电路200的电感电流上升率将比传统buck电路快很多。也即，本发明提供的变换器电路100和电路200有非常快速的负载响应。
与公知的KY变换器一样，本发明提供的变换器电路100和电路200有输出电压纹波小、抗噪音能力好、负载响应快等特性。同时与公知的KY变换器相比，本发明提供的变换器电路具有更宽的输出电压(从KY变换器的VIN～2*VIN拓宽至本发明的0～2*VIN)，并且在输入、输出需要需要断开时，能有效将输入和输出断开。另外与公知的KY变换器相比，本发明提供的变换器电路需要更多的外部元件，但是，第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3和第四开关器件S4都非常容易被集成，因此不会在电路外部元件上造成问题。
与公知的输出电压可升可降的变换器电路50相比，本发明提供的变换器电路保持输出电压可升可降外，有更快的负载相应特性，并且当输出要求在(0～VIN)时，即输出需要降压时，电路的开关器件中只有2个处于工作状态，因此降低了开关损耗和导通损耗，提高了转换效率。
需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换、或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。
Claims (6)
1. 一种直流变换器，包括：
输入部分、一第一开关器件、一第二开关器件、一第一电容、一第二电容以及一电感，其特征在于，所述直流变换器还包括一第三开关器件和一第四开关器件；
其中所述输入部分的第一端连接至所述第一开关器件的第一端和所述第三开关器件的第一端，所述第一开关器件的第二端连接至所述第二开关器件的第一端和所述第一电容的第一端，所述第三开关器件的第二端连接至所述第一电容的第二端和所述电感的第一端，同时所述第三开关器件的第二端连接至所述第四开关器件的第一端，所述电感的第二端连接至所述第二电容的第一端，所述第二电容的第二端、所述第二开关器件的第二端以及所述第四开关器件的第二端和所述输入部分的第二端接地。
2. 如权利要求1所述的直流变换器，其特征在于，其中所述第一开关器件和所述第二开关器件不导通，所述第三开关器件和所述第四开关器件互补导通。
3. 如权利要求1所述的直流变换器，其特征在于，其中所述第四开关器件不导通，第二开关器件和所述第三开关器件被同时导通，或被同时关断，且所述第一开关器件与所述第二开关器件互补导通。
4. 如权利要求1所述的直流变换器，其特征在于，其中所述第二电容两端为所述直流变换器的输出部分，连接一负载。
5. 如权利要求1所述的直流变换器，其特征在于，其中所述第三开关器件是三极管、MOSFET或IGBT。
6. 如权利要求1所述的直流变换器，其特征在于，其中所述第四开关器件是二极管、三极管、MOSFET或IGBT。
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