一種Buck變換器及其反流控制電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于開(kāi)關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種Buck變換器及其反流控制電 路。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，在開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域，普遍采用同步整流（Sync虹onous Rectification, SR)技 術(shù)，但采用了 SR技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源的各類拓?fù)潆娐分?，往往存在能量雙向流動(dòng)的問(wèn)題。
[0003] W采用SR技術(shù)的降壓型炬uck)變換器為例，如圖1所示。典型的Buck變換器包 括主開(kāi)關(guān)管Q1、同步開(kāi)關(guān)管Q2、輸出功率電感L1、濾波電容C1、W及控制電路?？刂齐娐酚?W驅(qū)動(dòng)主開(kāi)關(guān)管Q1和同步開(kāi)關(guān)管Q2 W互補(bǔ)形式交替導(dǎo)通。在該Buck變換器中，若輸出功 率電感L1在同步開(kāi)關(guān)管Q2開(kāi)通階段的伏秒積大于其在主開(kāi)關(guān)管Q1開(kāi)通階段的伏秒積時(shí)， 電流將會(huì)由輸出端流向輸入端，出現(xiàn)電流反向流動(dòng)的現(xiàn)象。
[0004] 該種電流反向流動(dòng)的現(xiàn)象在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能造成一些問(wèn)題，特別是當(dāng)Buck變換 器在預(yù)偏置情況下軟啟動(dòng)時(shí)，即Buck變換器在輸出端已經(jīng)存在一定電壓的情況下啟動(dòng)， 且主開(kāi)關(guān)管Q1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比由0%逐漸增大、而同步開(kāi)關(guān)管Q1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比由 100%逐漸減小時(shí)，假設(shè)在啟動(dòng)前輸出功率電感L1中的電流為IL，由于是軟啟動(dòng)，啟動(dòng)后主 開(kāi)關(guān)管Q1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比很小，主開(kāi)關(guān)管Q1的導(dǎo)通時(shí)間很短，電流IL逐漸上升一個(gè)較 小的值。之后，主開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷而同步開(kāi)關(guān)管Q2導(dǎo)通，受到輸出端預(yù)偏置電壓的作用，輸 出功率電感L1中儲(chǔ)存的能量經(jīng)過(guò)同步開(kāi)關(guān)管Q2釋放，使得電流IL下降。由于電流IL值 較小，在將為零后，同步開(kāi)關(guān)管Q2持續(xù)導(dǎo)通，使得電流IL變?yōu)樨?fù)值，即出現(xiàn)電流反向，如圖 2示出了 Buck變換器在預(yù)偏置且采用軟啟動(dòng)技術(shù)時(shí)，主開(kāi)關(guān)管Q1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vgsl、同步開(kāi) 關(guān)管Q2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vgs2、化及輸出功率電感的電流IL之間的波形關(guān)系圖。若反向電流太 大，則可能造成器件應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致失效。
[0005] 另外，采用SR技術(shù)的Buck變換器在正常工作時(shí)處于連續(xù)電流模式（Continuous 化rrent Mode, CCM)，當(dāng)負(fù)載降低而出現(xiàn)空載或輕載時(shí)，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期，主開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通 時(shí)，輸入端向負(fù)載輸出的能量大于負(fù)載實(shí)際所需的能量，因此，通過(guò)同步開(kāi)關(guān)管Q2的導(dǎo)通， 使得輸出電壓對(duì)輸出功率電感L1反向激磁，將多余的能量?jī)?chǔ)存在電感中，W保證輸出電壓 平衡在設(shè)定值，如圖3示出了 Buck變換器在空載條件下，主開(kāi)關(guān)管Q1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vgsl、同 步開(kāi)關(guān)管Q2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vgs2、W及輸出功率電感的電流IL之間的波形關(guān)系圖。雖然該部 分多余的能量并未消耗在負(fù)載上，但由于能量在雙向傳遞過(guò)程中會(huì)帶來(lái)額外的銅損，從而 使得空載和輕載條件下的轉(zhuǎn)換效率降低，同時(shí)，由于主開(kāi)關(guān)管Q1和同步開(kāi)關(guān)管Q2在每個(gè) 開(kāi)關(guān)周期均工作，開(kāi)關(guān)功耗大，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)效率。特別是在采用SR技術(shù)的隔離型直 流-直流變換器中，如果產(chǎn)生負(fù)向電流的能量不能通過(guò)變壓器有效饋回到原邊母線，那么 該個(gè)能量將會(huì)在同步開(kāi)關(guān)管Q2的漏極-源極上形成電壓應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使器件造成過(guò)電壓 應(yīng)力擊穿。
[0006] 綜上所述，現(xiàn)有的Buck變換器中，由于同步開(kāi)關(guān)管Q2在主開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷期間，在 輸出功率電感LI中的電流降為零后持續(xù)導(dǎo)通，而出現(xiàn)電流反向流動(dòng)的現(xiàn)象，使得系統(tǒng)效率 降低，且容易造成器件失效。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007] 本實(shí)用新型實(shí)施例的目的在于提供一種Buck變換器的反流控制電路，旨在解決 現(xiàn)有的Buck變換器中，由于同步開(kāi)關(guān)管Q2在主開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷期間，在輸出功率電感L1中 的電流降為零后持續(xù)導(dǎo)通，而出現(xiàn)電流反向流動(dòng)的現(xiàn)象，使得系統(tǒng)效率降低，且容易造成器 件失效的問(wèn)題。
[000引本實(shí)用新型實(shí)施例是該樣實(shí)現(xiàn)的，一種Buck變換器的反流控制電路，所述Buck變 換器包括主開(kāi)關(guān)管Q1、同步開(kāi)關(guān)管Q2、輸出功率電感L1、濾波電容C1，所述輸出功率電感L1 的第一端連接所述主開(kāi)關(guān)管Q1，所述濾波電容C1的第一端作為所述Buck變換器的正輸出 端，所述反流控制電路包括：
[0009] 飽和電感L2,所述飽和電感L2的第一端連接所述輸出功率電感L1的第二端，所述 飽和電感L2的第二端連接所述濾波電容C1的第一端；
[0010] 檢測(cè)所述飽和電感L2兩端的交變電壓，當(dāng)所述輸出功率電感L1的最大電流值小 于所述飽和電感L2的飽和電流值而在所述飽和電感L2兩端出現(xiàn)交變電壓時(shí)，向所述同步 開(kāi)關(guān)管Q2輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，W強(qiáng)制關(guān)斷所述同步開(kāi)關(guān)管Q2的通斷控制電路。
[0011] 本實(shí)用新型實(shí)施例的另一目的在于提供一種Buck變換器，包括主開(kāi)關(guān)管Q1、同步 開(kāi)關(guān)管Q2、輸出功率電感L1、濾波電容C1，所述輸出功率電感L1的第一端連接所述主開(kāi)關(guān) 管Q1，所述濾波電容C1的第一端作為所述Buck變換器的正輸出端，所述Buck變換器還包 括一 Buck變換器的反流控制電路，所述反流控制電路是如上所述的Buck變換器的反流控 制電路。
[0012] 本實(shí)用新型實(shí)施例提供的Buck變換器及其反流控制電路是在輸出功率電感L1與 負(fù)載的正極之間連接一飽和電感L2,利用輸出功率電感L1的最大電流值小于飽和電感L2 的飽和電流值時(shí)、在飽和電感L2兩端出現(xiàn)的交變電壓，驅(qū)動(dòng)通斷控制電路動(dòng)作，W強(qiáng)制關(guān) 斷同步開(kāi)關(guān)管Q2,從而避免了反流現(xiàn)象的發(fā)生，可有效解決預(yù)偏置情況下軟啟動(dòng)反流問(wèn)題， 提高電路運(yùn)行穩(wěn)定性和器件使用壽命，并可有效解決空載及輕載條件下的能量雙向流動(dòng)問(wèn) 題，從而提高了轉(zhuǎn)換效率。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)提供的Buck變換器的典型電路圖；
[0014] 圖2是現(xiàn)有技術(shù)中，Buck變換器在預(yù)偏置且采用軟啟動(dòng)技術(shù)時(shí)，主開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng) 信號(hào)、同步開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、W及輸出功率電感的電流之間的波形關(guān)系圖；
[0015] 圖3是現(xiàn)有技術(shù)中，Buck變換器在空載條件下，主開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、同步開(kāi)關(guān)管 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、W及輸出功率電感的電流之間的波形關(guān)系圖；
[0016] 圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的Buck變換器的反流控制電路的電路原理圖；
[0017] 圖5是圖4的一種詳細(xì)電路圖；
[001引圖6是圖4的另一種詳細(xì)電路圖；
[0019] 圖7是圖4的再一種詳細(xì)電路圖；
[0020] 圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例中，Buck變換器在CCM模式下輸出功率電感的電流波形 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實(shí)施 例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用W解釋 本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0022] 本實(shí)用新型實(shí)施例提出的Buck變換器的反流控制電路是在輸出功率電感L1與負(fù) 載的正極之間連接一飽和電感，利用輸出功率電感L1的最大電流值小于飽和電感的飽和 電流值時(shí)、在飽和電感兩端出現(xiàn)的交變電壓，驅(qū)動(dòng)通斷控制電路動(dòng)作，W強(qiáng)制關(guān)斷同步開(kāi)關(guān) 管Q2。
[0023] 圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的Buck變換器的反流控制電路的電路原理，為了便 于說(shuō)明，僅示出了與本實(shí)用新型實(shí)施例相關(guān)的部分。
[0024] 其中，Buck變換器的電路包括；主開(kāi)關(guān)管Q1、同步開(kāi)關(guān)管Q2、輸出功率電感L1、濾 波電容C1、W及控制電路，主開(kāi)關(guān)管Q1和同步開(kāi)關(guān)管Q2均為N型的MOS管。主開(kāi)關(guān)管Q1 的漏極連接電源Vg的正極，主開(kāi)關(guān)管Q1的源極連接輸出功率電感L1的第一端和同步開(kāi)關(guān) 管Q2的漏極，主開(kāi)關(guān)管Q1的柵極連接控制電路的第一驅(qū)動(dòng)端；同步開(kāi)關(guān)管Q2的源極連接 電源Vg的負(fù)極，同步開(kāi)關(guān)管Q2的柵極連接控制電路的第二驅(qū)動(dòng)端；濾波電容C1的第一端 作為Buck變換器的正輸出端而連接負(fù)載的正輸入端，濾波電容C1的第二端作為Buck變換 器的負(fù)輸出端而連接負(fù)載的負(fù)輸入端和電源Vg的負(fù)極。
[0025] 貝Ij，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的Buck變換器的反流控制電路包括：飽和電感L2和通 斷控制電路11。其中，飽和電感L2的第一端連接輸出功率電感L1的第二端，飽和電感L2 的第二端連接濾波電容C1的第一端；通斷控制電路11，用于檢測(cè)飽和電感L2兩端的交變 電壓，當(dāng)輸出功率電感L1的最大電流值小于飽和電感L2的飽和電流值而在飽和電感L2兩 端出現(xiàn)交變電壓時(shí)，向同步開(kāi)關(guān)管Q2輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，W強(qiáng)制關(guān)斷同步開(kāi)關(guān)管Q2。而當(dāng)輸出 功率電感L1的最小電流值大于飽和電感L2的飽和電流值時(shí)，通斷控制電路11不動(dòng)作，同 步開(kāi)關(guān)管Q2正常工作。
[0026] 在一種情況下，如圖5所示，通斷控制電路11可包括：第一電阻R1、第二電阻R2、 第一開(kāi)關(guān)管Q3、第二開(kāi)關(guān)管Q4、第一二極管D1、第一電容C2。第一開(kāi)關(guān)管Q3的高端作為通 斷控制電路11的第二端而連接飽和電感L2的第二端，第一開(kāi)關(guān)管Q3的驅(qū)動(dòng)端連接第一二 極管D1的陽(yáng)極，第一二極管D1的陰極連接第一電阻R1的第一端，第一電阻R1的第二端作 為通斷控制電路11的第一端而連接飽和電感L2的第一端，第一開(kāi)關(guān)管Q3的低端連接第二 開(kāi)關(guān)管Q4的驅(qū)動(dòng)端、第一電容C2的第一端W及第二電阻R2的第一端；第二開(kāi)關(guān)管Q4的高 端作為通斷控制電路11的第=端而連接同步開(kāi)關(guān)管Q2的柵極，第二開(kāi)關(guān)管Q4的低端、第 一電容C2的第二端W及第二電阻R2的第二端共同作為通斷控制電路11的第四端而連接 濾波電容C1的第二端。
[0027] 如圖5所示的電路在進(jìn)行工作時(shí)，在同步開(kāi)關(guān)管Q2的導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，若輸出功率電 感L1的最大電流值小于飽和電感L2的飽和電流值，則在飽和電感L2兩端出現(xiàn)相應(yīng)大小的 交變電壓，該交變電壓使得第一開(kāi)關(guān)管Q3和第二開(kāi)關(guān)管Q4飽和導(dǎo)通，繼而強(qiáng)制關(guān)斷同步開(kāi) 關(guān)管Q2。若輸出功率電感LI的最小電流值大于飽和電感L2的飽和電流值，則飽和電感L2 的電感系數(shù)為零，飽和電感L2兩端不會(huì)出現(xiàn)交變電壓，第一開(kāi)關(guān)管Q3和第二開(kāi)關(guān)管Q4均 截止，同步開(kāi)關(guān)管Q2正常工作。
[002引進(jìn)一步地，第一開(kāi)關(guān)管Q3可W為PNP型的S極管，第一開(kāi)關(guān)管Q3的發(fā)射極作為第 一開(kāi)關(guān)管Q3的高端，第一開(kāi)關(guān)管Q3的集電極作為第一開(kāi)關(guān)管Q3的低端，第一開(kāi)關(guān)管Q3的 基極作為第一開(kāi)關(guān)管Q3的驅(qū)動(dòng)端。第二開(kāi)關(guān)管Q4可W為N型的MOS管，第二開(kāi)關(guān)管Q4的 漏極作為第二開(kāi)關(guān)管Q4的高端，第二開(kāi)關(guān)管Q4的源極作為第二開(kāi)關(guān)管Q4的低端，第二開(kāi) 關(guān)管Q4的柵極作為第二開(kāi)關(guān)管Q4的驅(qū)動(dòng)端。
[0029] 在另一種情況下，如圖6所示，通斷控制電路11可包括：第S電阻R3、第四電阻 R4、第=開(kāi)關(guān)管Q5、第四開(kāi)關(guān)管Q6、第二二極管D2、第二電容C3。第=開(kāi)關(guān)管Q5的高端作 為通斷控制電路11的第一端而連接