輸入自適應的自激式Cuk變換器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種輸入自適應的自激式Cuk變換器，由輸入電路、包含輸入自適應控制單元和續流子電路的主電路、輸出電路組成，在適當取值時可使主電路中的L1的電流最大值iL1m或Q3的集電極電流最大值ic3m與直流電壓源Vi成負線性關系、正線性關系或零特性。該電路工作范圍寬，具有輸入自適應特性的限流保護功能，電流檢測損耗和續流導通損耗均較小，適用于輔助開關電源、LED驅動、能量收集等領域。
【專利說明】輸入自適應的自激式Cuk變換器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種自激式直流-直流變換器，尤其是指一種應用于輔助開關電源、LED驅動、能量收集等領域的輸入自適應的自激式Cuk變換器。
【背景技術】
[0002]自激式DC-DC變換器具有電路結構簡單、元器件數目少、成本低、自啟動和自保護性能好、適用工作電壓范圍寬、效率高等優點。
[0003]圖1所示為一種主開關管驅動損耗小的BJT型自激式Cuk變換器。它包括由輸入電容C1、電感L1、NPN型BJT管Ql、電容C、二極管D、電感L2、二極管Dl和電容Co組成的主電路，由電阻R1、電阻R2、電容Cl、穩壓管Zl和PNP型BJT管Q2組成的主開關管NPN型BJT管Ql的驅動單元，由電阻R3、電阻R4、電阻R5、電容C2、二極管D2和NPN型BJT管Q3組成的電流反饋支路。圖1中，輸入電容Ci與直流電壓源Vi并聯，直流電壓源Vi的正端與電感LI的一端、電阻Rl的一端、電容Cl的一端、電阻R4的一端以及電容C2的一端相連，電感LI的另一端與NPN型BJT管Ql的集電極、穩壓管Zl的陰極以及電容C的一端相連，電容C的另一端與二極管D的陽極以及電感L2的一端相連，電感L2的另一端與二極管Dl的陰極相連，二極管Dl的陽極與輸出電壓Co的一端、NPN型BJT管Q3的發射極、電阻R5的一端相連，電阻R5的另一端與二極管D2的陰極、負載Ro的一端以及輸出電壓Vo的負端相連，輸出電壓Vo的正端與負載Ro的另一端、輸出電容Co的另一端、二極管D的陰極、電阻R2的一端、NPN型BJT管Ql的發射極以及Vi的負端相連，電阻Rl的另一端與PNP型BJT管Q2的發射極相連，PNP型BJT管Q2的基極與電容Cl的另一端、穩壓管Zl的陽極以及電阻R2的另一端相連，PNP型BJT管Q2的集電極與NPN型BJT管Ql的基極以及電阻R3的一端相連，NPN型BJT管Q3的集電極與電阻R3的另一端相連，NPN型BJT管Q3的基極與二極管D2的陽極、電容C2的另一端以及電阻R4的另一端相連。
[0004]該電路的不足之處在于:電流反饋支路采用電阻R5直接檢測負載電流，不但損耗較大，而且對主電路中的重要器件NPN型BJT管Ql的工作電流的限制保護能力較弱；主電路采用二極管D用于續流，續流導通損耗較大。
【發明內容】
[0005]為克服圖1所示的主開關管驅動損耗小的BJT型自激式Cuk變換器在電流檢測損耗、重要器件限流保護能力、續流導通損耗等方面的不足，本發明提供一種輸入自適應的自激式Cuk變換器，不但具有輸入自適應特征的限流保護能力，而且電流檢測損耗較小、續流導通損耗較小。
[0006]本發明所采用的技術方案是:一種輸入自適應的自激式Cuk變換器，包括輸入電路、主電路和輸出電路，輸入電路包含直流電壓源Vi和輸入電容Ci，輸出電路包括電感L2、二極管D3、輸出電容Co和負載R，主電路包括電感L1、PNP型BJT管NPN型BJT管Ql、NPN型BJT管Q3、電阻R3、電阻R6、二極管D1、二極管D2，還包括輸入自適應控制單元和續流子電路，所述的輸入自適應控制單元包括電阻R2、電阻R4、電阻R5和NPN型BJT管Q2，所述輸入電容Ci與直流電壓源Vi并聯，所述輸出電容Co兩端電壓為直流輸出電壓Vo，負載R與所述輸出電容Co并聯，直流電壓源Vi的正端與電感LI的一端、PNP型BJT管Ql的發射極以及電阻R2的一端相連，電感LI的另一端與NPN型BJT管Q3的集電極、二極管Dl的陽極相連，PNP型BJT管Ql的基極與電阻R3的一端相連，電阻R3的另一端與二極管D2的陰極、電阻R6的一端相連，二極管D2的陽極與二極管Dl的陰極相連，PNP型BJT管Ql的集電極與NPN型BJT管Q3的基極、NPN型BJT管Q2的集電極相連，NPN型BJT管Q3的發射極與電阻R5的一端、電阻R4的一端相連，NPN型BJT管Q2的基極與電阻R2的另一端以及電阻R4的另一端相連,二極管D3的陽極與電感L2的一端相連，電感L2的另一端與直流輸出電壓Vo的負端相連，直流輸出電壓Vo的正端與電阻R6的另一端、電阻R5的另一端、NPN型BJT管Q2的發射極以及輸入直流電壓源Vi的負端相連，所述續流子電路接于二極管D3的陰極和直流輸出電壓Vo的正端之間。本發明的輸入自適應控制單元，可獲得具有輸入自適應特征的限流功能和較小的電流檢測損耗。
[0007]所述電阻R2的阻值、電阻R3的阻值、電阻R6的阻值、PNP型BJT管Ql的直流增益β I以及NPN型BJT管Q2的直流增益β 2滿足下列條件時，電感L的電流最大值iLlm或NPN型BJT管Q3的集電極電流最大值ic3m根據直流電壓源Vi的大小進行自適應調節:
[0008]當β 1R2_0 2(R3+R6)〈O時，所述的輸入自適應的自激式Cuk變換器具有輸入自適應的負特性，電感LI的電流最大值iLlm或NPN型BJT管Q3的集電極電流最大值ic3m與直流電壓源Vi成負線性關系；
[0009]當β 1R2-0 2(R3+R6)>O時，所述輸入自適應的自激式Cuk變換器具有輸入自適應的正特性，電感LI的電流最大值iLlm或NPN型BJT管Q3的集電極電流最大值ic3m與直流電壓源Vi成正線性關系；
[0010]當β 1R2-0 2(R3+R6) = O時，所述輸入自適應的自激式Cuk變換器具有輸入自適應的零特性，電感LI的電流最大值iLlm或NPN型BJT管Q3的集電極電流最大值ic3m與直流電壓源Vi無關，其中直流增益β I是PNP型BJT管NPN型BJT管Ql的直流增益，直流增益β 2是NPN型BJT管PNP型BJT管Q2的直流增益。
[0011]作為優選，所述的主電路還包括二極管D4、電容C3、電容C4和電容C6，二極管D4的陽極與PNP型BJT管NPN型BJT管Ql的基極相連，二極管D4的陰極與直流電壓源Vi的正端相連，電容C3的一端與二極管D2的陽極相連，電容C3的另一端與直流輸出電壓Vo的正端相連，電容C4的一端與二極管Dl的陽極相連，電容C4的另一端與二極管D2的陰極相連，電容C6的兩端分別連接NPN型BJT管Q3的基極與集電極。二極管D4、電容C3、電容C4可以改善PNP型BJT管NPN型BJT管Ql的開關速度，電容C6可以改善NPN型BJT管Q3的開關速度。
[0012]所述的輸入自適應控制單元包括電容C2，電容C2并聯在電阻R4的兩端。電容C2可以改善輸入自適應控制單元的動態性能。
[0013]作為優選，所述的續流子電路包括NPN型BJT管Q4、PNP型BJT管Q5、電阻R7、電阻R8和電容C5，NPN型BJT管Q4的集電極與二極管D3的陰極相連，NPN型BJT管Q4的基極與電阻R8的一端相連，PNP型BJT管Q5的集電極與電阻R8的另一端相連，PNP型BJT管Q5的發射極與二極管Dl的陽極相連，PNP型BJT管Q5的基極與電阻R7的一端相連，NPN型BJT管Q4的發射極、電阻R7的另一端與直流輸出電壓Vo的正端相連，電容C5的一端與二極管Dl的陽極相連，電容C5的另一端與二極管D3的陰極相連。本發明的續流電路，可獲得較小的續流導通損耗。
[0014]作為進一步的優選，所述的續流子電路還包括電容C7、電容CS、電阻R9和電阻R10,電容C7并聯在電阻R7兩端，電容C8并聯在電阻R8兩端，電阻R9的一端與PNP型BJT管Q5的基極與相連，電阻R9的另一端與PNP型BJT管Q5的發射極相連，電阻RlO的一端與NPN型BJT管Q4的基極相連，電阻RlO的另一端與二極管D3的陰極相連。電容C7可以改善PNP型BJT管Q5的開關速度，電容C8可以改善NPN型BJT管Q4的開關速度，電阻RlO用于防止NPN型BJT管Q4反向導通，電阻R9可以優化PNP型BJT管Q5的開關時間點。
[0015]作為優選，還包括消隱時間控制支路，所述的消隱時間控制支路包括電阻Rl和電容Cl，電阻Rl的一端與NPN型BJT管Q3的集電極相連，電阻Rl的另一端與電容Cl的一端相連，電容Cl的另一端與NPN型BJT管PNP型BJT管Q2的基極相連。消隱時間控制支路對所述輸入自適應控制單元具有修正作用，能達到拓寬電路工作范圍的效果。
[0016]本發明的有益效果是:結構簡單、元器件數目少、自啟動容易、工作范圍寬，具有輸入自適應特征的限流功能、較小的電流檢測損耗、較小的續流導通損耗，適合輔助開關電源、LED驅動、能量收集等應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是現有的主開關管驅動損耗小的BJT型自激式Cuk變換器的電路圖。
[0018]圖2是本發明輸入自適應的自激式Cuk變換器實施例1的電路圖。
[0019]圖3是本發明輸入自適應的自激式Cuk變換器實施例1穩態時電感電流iLl臨界連續、電感電流iL2斷續模式下的電壓仿真工作波形圖。
[0020]圖4是本發明輸入自適應的自激式Cuk變換器實施例1穩態時電感電流iLl臨界連續、電感電流iL2斷續模式下的電流仿真工作波形圖。
[0021]圖5是本發明輸入自適應的自激式Cuk變換器實施例2的電路圖。
[0022]圖6是本發明輸入自適應的自激式Cuk變換器實施例2穩態時電感電流iLl臨界連續、電感電流iL2斷續模式下的電壓仿真工作波形圖。
[0023]圖7是本發明輸入自適應的自激式Cuk變換器實施例2穩態時電感電流iLl臨界連續、電感電流iL2斷續模式下的電流仿真工作波形圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
[0025]實施例1
[0026]如圖2所不,一種輸入自適應的自激式Cuk變換器,包括輸入電路、主電路和輸出電路，輸入電路包含直流電壓源Vi和輸入電容Ci，輸出電路包括電感L2、二極管D3、輸出電容Co和負載R，主電路包括電感L1、PNP型BJT管NPN型BJT管Ql、NPN型BJT管Q3、電阻R3、電阻R6、二極管Dl、二極管D2、二極管D4、電容C3、電容C4和電容C6，，還包括輸入自適應控制單元和續流子電路，輸入自適應控制單元包括電阻R2、電阻R4、電阻R5、電容C2和NPN型BJT管Q2，續流子電路包括NPN型BJT管Q4、PNP型BJT管Q5、電阻R7、電阻R8、電容C5、電容C7、電容C8、電阻R9和電阻RlO0
[0027]輸入電容Ci與直流電壓源Vi并聯，輸出電容Co兩端電壓為直流輸出電壓Vo，負載R與所述輸出電容Co并聯，直流電壓源Vi的正端與電感LI的一端、PNP型BJT管Ql的發射極以及電阻R2的一端相連，電感LI的另一端與NPN型BJT管Q3的集電極、二極管Dl的陽極以及電容C5的一端相連，電容C5的另一端與二極管D3的陰極相連，PNP型BJT管Ql的基極與電阻R3的一端相連，電阻R3的另一端與二極管D2的陰極、電阻R6的一端相連，二極管D2的陽極與二極管Dl的陰極相連，PNP型BJT管Ql的集電極與NPN型BJT管Q3的基極、NPN型BJT管Q2的集電極相連，NPN型BJT管Q3的發射極與電阻R5的一端、電阻R4的一端相連，NPN型BJT管Q2的基極與電阻R2的另一端以及電阻R4的另一端相連，二極管D3的陽極與電感L2的一端相連，電感L2的另一端與直流輸出電壓Vo的負端相連，直流輸出電壓Vo的正端與電阻R6的另一端、電阻R5的另一端、NPN型BJT管Q2的發射極以及輸入直流電壓源Vi的負端相連，電容C2并聯在電阻R4的兩端，NPN型BJT管Q4的集電極與二極管D3的陰極相連，NPN型BJT管Q4的基極與電阻R8的一端相連，PNP型BJT管Q5的集電極與電阻R8的另一端相連，PNP型BJT管Q5的發射極與二極管Dl的陽極相連，PNP型BJT管Q5的基極與電阻R7的一端相連，NPN型BJT管Q4的發射極、電阻R7的另一端與直流輸出電壓Vo的正端相連，電容C5的一端與二極管Dl的陽極相連，電容C5的另一端與二極管D3的陰極相連，電容C7并聯在電阻R7兩端，電容CS并聯在電阻R8兩端，電阻R9的一端與PNP型BJT管Q5的基極與相連，電阻R9的另一端與PNP型BJT管Q5的發射極相連，電阻RlO的一端與NPN型BJT管Q4的基極相連，電阻RlO的另一端與二極管D3的陰極相連。
[0028]穩態時電感電流iLl臨界連續、電感電流iL2斷續模式下的電壓仿真工作波形圖如圖3所示，穩態時電感電流iLl臨界連續、電感電流iL2斷續模式下的電流仿真工作波形圖如圖4所示。
[0029]一個穩態工作周期(til至tl3)內，實施例1處于電感電流iLl臨界連續、電感電流iL2斷續模式下的工作狀態大致可分成2個階段一til至tl2階段和tl2至tl3階段。
[0030]當處于til至tl2階段時，NPN型BJT管Q1、NPN型BJT管Q3飽和導通，PNP型BJT管Q2線性放大導通，二極管D3導通，二極管Dl、二極管D2、二極管D4、NPN型BJT管Q4、PNP型BJT管Q5截止，V1、L1、NPN型BJT管Q3、R5構成一個回路，LI充電，LI的電流iLl和NPN型BJT管Q3的集電極電流ic3均從O開始增加，NPN型BJT管Q3的集電極電壓vc3也隨之從O開始增加，PNP型BJT管Q2的基極電壓vb2等于或大于PNP型BJT管Q2的基極-發射極導通壓降VBE2，同時NPN型BJT管Q3的基極電流ib3逐漸減小；C5、NPN型BJT管Q3、Co、R、L2、二極管D3構成另一個回路，C5放電，L2充電，L2的電流iL2也從O開始增力口，NPN型BJT管Q4的集電極電壓vc4小于O。
[0031]當處于tl2至tl3階段時，二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4導通，NPN型BJT管Q4、PNP型BJT管Q5飽和導通，NPN型BJT管Ql、NPN型BJT管Q3截止，PNP型BJT管Q2的基極-發射極導通情況視Vi而定，V1、Ll、C5、NPN型BJT管Q4構成一個回路，LI放電，C5充電，電感電流iLl和NPN型BJT管Q4的集電極電流ic4均減小直至0，NPN型BJT管Q4的集電極電壓vc4約等于0，同時NPN型BJT管Q3的基極電流ib3為O ;L2、二極管D3、NPN型BJT管Q4、Co和R構成另一個回路，L2放電，電感電流iL2減小直至O (當iL2等于O時，二極管D3截止)。
[0032]在tl2時刻電感電流iLl達到最大值iLlm，NPN型BJT管Q3的集電極電流ic3達到最大值ic3m，因電容C2的影響可以忽略(電容C2可以去除)，可得tl2時刻的多個電量表達式如下:
【權利要求】
1.一種輸入自適應的自激式Cuk變換器,包括輸入電路、主電路和輸出電路，輸入電路包含直流電壓源Vi和輸入電容Ci，輸出電路包括電感L2、二極管D3、輸出電容Co和負載R，主電路包括電感L1、PNP型BJT管NPN型BJT管Ql、NPN型BJT管Q3、電阻R3、電阻R6、二極管D1、二極管D2，還包括輸入自適應控制單元和續流子電路，所述的輸入自適應控制單元包括電阻R2、電阻R4、電阻R5和NPN型BJT管Q2，所述輸入電容Ci與直流電壓源Vi并聯，所述輸出電容Co兩端電壓為直流輸出電壓Vo，負載R與所述輸出電容Co并聯，直流電壓源Vi的正端與電感LI的一端、PNP型BJT管Ql的發射極以及電阻R2的一端相連，電感LI的另一端與NPN型BJT管Q3的集電極、二極管Dl的陽極以及電容C5的一端相連，電容C5的另一端與二極管D3的陰極相連，PNP型BJT管Ql的基極與電阻R3的一端相連，電阻R3的另一端與二極管D2的陰極、電阻R6的一端相連，二極管D2的陽極與二極管Dl的陰極相連，PNP型BJT管Ql的集電極與NPN型BJT管Q3的基極、NPN型BJT管Q2的集電極相連，NPN型BJT管Q3的發射極與電阻R5的一端、電阻R4的一端相連，NPN型BJT管Q2的基極與電阻R2的另一端以及電阻R4的另一端相連，二極管D3的陽極與電感L2的一端相連，電感L2的另一端與直流輸出電壓Vo的負端相連，直流輸出電壓Vo的正端與電阻R6的另一端、電阻R5的另一端、NPN型BJT管Q2的發射極以及輸入直流電壓源Vi的負端相連，所述續流子電路接于二極管D3的陰極和直流輸出電壓Vo的正端之間。
2.根據權利要求1至5任意一項所述的輸入自適應的自激式Cuk變換器，其特征在于:所述電阻R2的阻值、電阻R3的阻值、電阻R6的阻值、PNP型BJT管Ql的直流增益β I以及NPN型BJT管Q2的直流增益β 2滿足下列條件時，電感L的電流最大值iLlm或NPN型BJT管Q3的集電極電流最大值ic3m根據直流電壓源Vi的大小進行自適應調節: 當β lR2-13 2(R3+R6)〈0時，所述的輸入自適應的自激式Cuk變換器具有輸入自適應的負特性，電感LI的電流最大值iLlm或NPN型BJT管Q3的集電極電流最大值ic3m與直流電壓源Vi成負線性關系； 當β IR2- β 2 (R3+R6) >0時，所述輸入自適應的自激式Cuk變換器具有輸入自適應的正特性，電感LI的電流最大值iLlm或NPN型BJT管Q3的集電極電流最大值ic3m與直流電壓源Vi成正線性關系； 當β lR2-13 2(R3+R6) = O時，所述輸入自適應的自激式Cuk變換器具有輸入自適應的零特性，電感LI的電流最大值iLlm或NPN型BJT管Q3的集電極電流最大值ic3m與直流電壓源Vi無關。
3.根據權利要求1所述的輸入自適應的自激式Cuk變換器，其特征在于:所述的主電路還包括二極管D4、電容C3、電容C4和電容C6，二極管D4的陽極與PNP型BJT管Ql的基極相連，二極管D4的陰極與直流電壓源Vi的正端相連，電容C3的一端與二極管D2的陽極相連，電容C3的另一端與直流輸出電壓Vo的正端相連，電容C4的一端與二極管Dl的陽極相連，電容C4的另一端與二極管D2的陰極相連，電容C6的兩端分別連接NPN型BJT管Q3的基極與集電極。
4.根據權利要求1所述的輸入自適應的自激式Cuk變換器，其特征在于:所述的輸入自適應控制單元包括電容C2，電容C2并聯在電阻R4的兩端。
5.根據權利要求1所述的輸入自適應的自激式Cuk變換器，其特征在于:所述的續流子電路包括NPN型BJT管Q4、PNP型BJT管Q5、電阻R7、電阻R8和電容C5，NPN型BJT管Q4的集電極與二極管D3的陰極相連，NPN型BJT管Q4的基極與電阻R8的一端相連，PNP型BJT管Q5的集電極與電阻R8的另一端相連，PNP型BJT管Q5的發射極與二極管Dl的陽極相連，PNP型BJT管Q5的基極與電阻R7的一端相連，NPN型BJT管Q4的發射極、電阻R7的另一端與直流輸出電壓Vo的正端相連，電容C5的一端與二極管Dl的陽極相連，電容C5的另一端與二極管D3的陰極相連。
6.根據權利要求4所述的輸入自適應的自激式Cuk變換器，其特征在于:所述的續流子電路還包括電容C7、電容C8、電阻R9和電阻R10，電容C7并聯在電阻R7兩端，電容C8并聯在電阻R8兩端，電阻R9的一端與PNP型BJT管Q5的基極與相連，電阻R9的另一端與PNP型BJT管Q5的發射極相連，電阻RlO的一端與NPN型BJT管Q4的基極相連，電阻RlO的另一端與二極管D3的陰極相連。
7.根據權利要求1所述的輸入自適應的自激式Cuk變換器，其特征在于:還包括消隱時間控制支路，所述的消隱時間控制支路包括電阻Rl和電容Cl，電阻Rl的一端與NPN型BJT管Q3的集電極相連，電阻Rl的另一端與電容Cl的一端相連，電容Cl的另一端與NPN型BJT管Q2的基極相連。
【文檔編號】H02M3/158GK103986329SQ201410256981
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年6月10日 優先權日:2014年6月10日
【發明者】陳怡 , 陳筠 申請人:杭州鈦麗能源科技有限公司