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一种新型Buck变换器预偏置开机电路

来源: 编者:丁梦亭,陈永胜,程木田 发布时间:2014-02-13

摘要:随着电子技术、计算机技术和信息技术的飞速发展,使得电路的工作电压越来越低、电流越来越大,传统的二极管整流电路已无法满足开关电源高效率及小体积的需要。同步整流技术因为能提高工作效率而得到广泛应用,这也导致预偏置问题日益突出,本文提出了一种简单和可靠性高的解决Buck变换器输出有预偏置电压的启动问题的电路。
关键词:同步整流,预偏置,Buck变换器
Abstract:
Keyword:

 自从70年代,开关电源的研究、开发和生产开始兴起以来,现在开关电源已在各种形式的电气产品中得到广泛的使用,并正以惊人的速度发展。其中直流变换DC-DC电源模块作为电源系统的主要部件,具有使用灵活、替代方便、便于扩展、开发周期短等特点,很适合现代电子产品的主要需求:其应用也越来越广泛,主要配套于通信产品、计算机产品、家用电子产品和其他行业的电源变换产品中[1]

    1.背景技术

    在直流-直流变换器领域,普遍采用同步整流技术,但是采用同步整流技术的直流-直流变换器中的能量能够双向流动,比如Buck变换器,当输出电压大于输入电压与占空比的乘积时,电流将会由输出端流向输入端,如果把Buck变换器的输入端看作输出端,而把输出端看作输入端,此时,Buck变换器实际上是一个Boost变换器[2]

    电流反向流动的现象普遍存在于采用同步整流技术的各类变换器拓扑中,在实际应用时可能造成问题,尤其是变换器在预偏置的情况开机时,即在变换器输出端已经存在一定电压的情况下开机时,反向电流可能会非常大,因为在大部分变换器中为了获得平滑启动的效果,会设置软启动电路,使变换器开机后变换器内驱动电压的占空比逐渐增大,所以在变换器刚开机时驱动电压的占空比很小,此时就会产生反向电流,在驱动电压的占空比增大到足以使输入电压和输出电压达到平衡之前,反向电流会不断增大,反向电流太大可能造成变换器的

器件应力过大而导致失效,此外,也会造成输出电压跌落过大而导致负载电路不能保持正常运行

所以研究DC-DC变换器预偏置开机问题是很必要的,特别是现在开关电源有预偏置电压的情况

 

 

很多。解决预偏置问题能使负载电路处在稳定工作的状态,而且能避免器件损坏[3]

   2.典型Buck变换器有预偏置情况[4]

    2.1 Buck电路

    Buck电路是DC-DC电源模块中的基本电路,也是导致DC-DC变换器预偏置开机出现反向电流太大的原因。   

    图1示出了一种典型Buck的变换器的电路示意图,该变换器主要包括:开关管Q1、续流开关管Q2、电感L、软启动电容Css和控制电101。

    控制电路的第一输出端输出驱动脉冲以驱动续流开关管Q2,第二输出端输出驱动脉冲以驱动开关管Q1,控制电路控制开关管Q1和续流开关管Q2以互补形式交替导通。

    控制电路配置有软启动电容Css,Buck变换器开机后控制电路对软启动电容Css逐渐充电控制开关管Q1的驱动脉冲占空比逐渐增大,使得Buck变换器在预偏置条件下启动时,可能在开关管Q1中产生很大的反向电流。

图1 一种典型BUCK变换器的电路示意图

    2.2 工作原理

    图2所示的是Buck变换器预偏置开机时对应的主要工作波形示意图。Vgs1对应的电压波形为开关管Q1的栅源驱动电压,Vgs2对应的电压波形为续流开关管Q2的栅源驱动电压,IL对应的波形为电感L内的电感电流。

 

 

图2 Buck变换器预偏置开机时对应的主要工作波形示意图

    具体的,假设Buck变换器启动前电感L中的电流IL为零,由于控制电路配置有软启动电容Css,Buck变换器将以很小的占空比开始启动,即开关管Q1的驱动脉冲的占空比很小。

    如图2所示,Vgs1为高电平期间,开关管Q1导通,在开关管Q1导通期间,电感电流IL逐渐上升,由于Vgs1的占空比很小,开关管Q1导通时间很短,电感电流IL只能上升到一个较小的值。

    在开关管Q1关断时,Vgs2由低电平变为高电平,续流开关管Q2开始导通,此时,受到输出端预偏置电压Vo的作用,电感L中储存的能量经过续流开关管Q2释放,使得电感电流IL下降,由于电感电流IL的值较小,很快降至零,在电感电流降为零后,由Vgs2的波形可知,续流开关管Q2继续保持导通,因此,电感电流IL变为负值,即电流反向,并反向增大。到Vgs1的一个周期结束时,电感电流IL不能回到周期开始时的值,而是反向有所增大,这是由于Vgs1的占空比很小,第一电感L在一个开关周期内承受的正向伏秒积小于反向伏秒积。

    如果Vgs1的占空比不能迅速增大使得正向伏秒积和反向伏秒积达到平衡,那么电感电流IL就会反向越来越大,如图2中所示的电感电流IL的波形所示,而反向的电感电流IL过大就可能造成器件应力过大而损坏。

......



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