專利名稱：雙極型晶體管型自激式Buck變換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及自激式直流-直流變換器，應用于小功率開關穩(wěn)壓/穩(wěn)流電源、高亮度 LED驅(qū)動電路等，尤其是一種自激式Buck變換器。
背景技術：
與小功率線性電源和小功率他激式DC-DC變換器相比，小功率自激式DC-DC變換 器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、元器件數(shù)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(yōu)點。中國專利ZL99108088. 2公開了一種自激式降壓DC-DC變換器，如圖1所示。由PNP 晶體管Q1、耦合電感L1、二極管D1和電容C2組成Buck變換器的主回路，Vi、Vo分別為直 流輸入、輸出電壓，R7為負載。耦合電感L2通過電容C1和電阻R3分別與Q1的發(fā)射極和 基極相連，PNP晶體管Q2的發(fā)射極和集電極也分別與Q1的發(fā)射極和基極相連。Q1的基極 由電阻R4接到Vi的負端。R1和R2相串聯(lián)并接于Q1的發(fā)射極和NPN晶體管Q3的集電極 兩端，R1和R2的接點與Q2的基極相連。R5和R6的串聯(lián)支路并接于Vo兩端，R5和R6的 接點與Q3的基極相連。Q3的發(fā)射極接于Vi的負端。該自激式降壓DC-DC變換器的工作原 理如下當電路剛上電時，Q1飽和導通，D1、Q2均截止，Vi、Ql、Ll、C2、R7、R5、R6形成回路， L1和C2都處于充電儲能狀態(tài)。在充電過程中，L1的電流增加，電路的輸出電壓增加，相應 地Q1的射集極電壓也隨之增加，Q1的工作點逐漸退出飽和區(qū)，同時L1兩端的電壓下降。通 過耦合L2兩端的電壓也隨之減小，同時加大了對Q1基極電流的分流量，造成Q1的基極電 流和集電極電流減小，進一步增加Q1的射集極電壓，電路進入一種強烈的正反饋。這種正 反饋工作的結(jié)果是Q1的集電極電流迅速減小，當小于L1的電流時D1就開始導通為L1續(xù) 流，隨后Q1截止。此時，L1、C2、R7、R5、R6和D1形成回路，L1進入放電釋能狀態(tài)。待L1放 電結(jié)束，D1截止，Q1又重新飽和導通，進入下一個自激周期。經(jīng)歷若干個周期后，當輸出電 壓達到設定值Vo，電壓反饋支路R5、R6、Q3、R1、R2和Q2開始工作。當輸出電壓高于設定值 時，Q3導通，導致Q2導通并分流一部分Q1的基極電流，達到縮短Q1導通時間、延長Q1關 斷時間的目的；當輸出電壓低于設定值時，Q3截止，導致Q2截止，Q1的開關時間又恢復原 樣。由此，電路實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。該電路的不足之處在于必需耦合電感L2參與電路的自激 工作，耦合電感L1和L2制作較復雜，電路元器件數(shù)目較多，對減小產(chǎn)品的成本和體積不利。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的自激式DC-DC變換器的電路結(jié)構(gòu)復雜、元器件數(shù)目較多的不足， 本發(fā)明提供一種電路結(jié)構(gòu)簡單、元器件數(shù)目少的雙極型晶體管型自激式Buck變換器。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種雙極型晶體管型自激式Buck變換器，包括由PNP晶體管Q1、電感L1、二極管 D1和電容C2組成Buck變換器的主回路，負載R6兩端的電壓為直流輸出電壓Vo，直流輸入 電壓Vi的負端與直流輸出電壓Vo的負端相連，所述負載R6與電容C2并聯(lián)，所述直流輸出電壓Vo的正端和電容C2的接點與電感L1的一端相連，所述電感L1的另一端與二極管 D1的陰極連接，所述二極管D1的陽極與直流輸入電壓Vi的負端相連，所述直流輸出電壓 Vo的負端和電容C2的接點與直流輸入電壓Vi的負端相連；所述自激式Buck變換器還包 括PNP晶體管Q2，PNP晶體管Q1的發(fā)射極與直流輸入電壓Vi的正端相連，電感L1和二極 管D1的接點與PNP晶體管Q1的集電極相連，PNP晶體管Q2的發(fā)射極和集電極分別與PNP 晶體管Q1的發(fā)射極和基極相連，PNP晶體管Q1的基極還通過電阻R1接于直流輸入電壓Vi 的負端，電阻R2和電阻R3的串聯(lián)支路并接于Q1的發(fā)射極和集電極兩端，電阻R2和電阻R3 的接點與PNP晶體管Q2的基極相連。作為優(yōu)選的一種方案所述自激式Buck變換器還包括電壓反饋支路，穩(wěn)壓管Z1和 電阻R5的串聯(lián)支路并接于直流輸出電壓Vo兩端，穩(wěn)壓管Z1和電阻R5的接點和NPN晶體 管Q3的基極相連；NPN晶體管Q3的集電極通過電阻R4和PNP晶體管Q2的基極相連，NPN 晶體管Q3的發(fā)射極接于直流輸入電壓Vi的負端。作為優(yōu)選的另一種方案所述自激式Buck變換器還包括電流反饋支路檢測電阻 R5和電容C3的并聯(lián)支路一端與電阻R6和NPN晶體管Q3的基極相連，另一端則與直流輸 入電壓Vi的負端相連；NPN晶體管Q3的集電極通過電阻R4和PNP晶體管Q2的基極相連， NPN晶體管Q3的發(fā)射極接于直流輸入電壓Vi的負端。進一步，所述電阻R3兩端并聯(lián)電容C1。本發(fā)明的技術構(gòu)思為將雙BJT自激基本單元電路應用于Buck變換器中，使它們 成為新的自激式DC-DC變換器(如圖2、3所示)。雙BJT自激基本單元電路由晶體管Q1和 Q2、電阻R2和R3組成。為改善Q2和Q1的開關工作狀態(tài)從而提高電路的效率，可在R3兩 端并聯(lián)電容C1。其特征如下Q1為Buck變換器主回路中的開關器件，它的發(fā)射極和基極分 別與Q2的發(fā)射極和集電極相連。采用電阻R2和R3組成分壓電路檢測Q1的射集極電壓， 所得檢測電壓接入Q2的基極。根據(jù)Q1射集極電壓，Q2改變其集電極電流對Q1基極電流 的分流量，從而實現(xiàn)控制Q1的導通和關斷時間。需特別說明的是，適用于Buck變換器的雙 BJT自激基本單元電路中的Q1和Q2均為PNP晶體管。為獲得穩(wěn)定的輸出電壓，在電路輸出端與雙BJT自激基本單元電路之間可增加一 電壓反饋支路，可由NPN晶體管Q3、穩(wěn)壓管Z1、電阻R4和R5等組成(如圖2)。為獲得穩(wěn)定 的輸出電流，那么在電路輸出端與雙BJT自激基本單元電路之間可增加一電流反饋支路， 可由NPN晶體管Q3、電阻R4、R5和電容C3等組成(如圖3)。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在本發(fā)明提出的BJT型自激式Buck變換器具有降壓 的電壓變換功能，電路結(jié)構(gòu)簡單、元器件數(shù)目少，不需要耦合電感參與電路的自激工作，非 常適合小功率開關穩(wěn)壓/穩(wěn)流電源、高亮度LED驅(qū)動電路等應用。
圖1是現(xiàn)有的自激式降壓DC-DC變換器的電路圖。圖2是實施例1的雙極型晶體管型自激式Buck變換器的電路圖。圖3是實施例2的雙極型晶體管型自激式Buck變換器的電路圖。圖4是實施例1雙極型晶體管型自激式Buck變換器的典型工作波形圖。圖5是實施例2雙極型晶體管型自激式Buck變換器的典型工作波形圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
實施例1參照圖2和圖4，一種雙極型晶體管型自激式Buck變換器，包括由PNP晶體管Q1、 電感Ll、二極管Dl和電容C2組成Buck變換器的主回路，負載R6兩端的電壓為直流輸出電 壓Vo，直流輸入電壓Vi的負端與直流輸出電壓Vo的負端相連，所述負載R6與電容C2并 聯(lián)，所述直流輸出電壓Vo的正端和電容C2的接點與電感Ll的一端相連，所述電感Ll的另 一端與二極管Dl的陰極連接，所述二極管Dl的陽極與直流輸入電壓Vi的負端相連，所述 直流輸出電壓Vo的負端和電容C2的接點與直流輸入電壓Vi的負端相連，所述自激式Buck 變換器還包括PNP晶體管Q2，PNP晶體管Ql的發(fā)射極與直流輸入電壓Vi的正端相連，電感 Ll和二極管Dl的接點與PNP晶體管Ql的集電極相連，PNP晶體管Q2的發(fā)射極和集電極分 別與PNP晶體管Ql的發(fā)射極和基極相連，PNP晶體管Ql的基極還通過電阻Rl接于直流輸 入電壓Vi的負端，電阻R2和電阻R3的串聯(lián)支路并接于Ql的發(fā)射極和集電極兩端，電阻R2 和電阻R3的接點與PNP晶體管Q2的基極相連。圖2所示為實施例1的輸出電壓穩(wěn)定的BJT型自激式Buck變換器。采用了電壓 反饋支路穩(wěn)壓管Zl和R5的串聯(lián)支路并接于Vo兩端，穩(wěn)壓管Zl和電阻R5的接點和NPN 晶體管Q3的基極相連；NPN晶體管Q3的集電極通過電阻R4和PNP晶體管Q2的基極相連， Q3的發(fā)射極接于Vi的負端。此外，在雙BJT自激基本單元電路的電阻R3兩端并聯(lián)電容Cl， 可改善PNP晶體管Q2和PNP晶體管Ql的開關工作狀態(tài)，對提高電路的效率有幫助。圖4所示實施例1的BJT型自激式Buck變換器的典型工作波形圖。其電路工作 原理具體如下(1)電路上電啟動階段當電路剛上電時即t = 0，Q1飽和導通。此時Ql的基極電 流iQbl = (Vi-VQeb)/Rl，Ql的射集極電壓vQecl很小，經(jīng)R2和R3分壓檢測到的電壓還未 達到令Q2導通的水平。Q2和Dl都處于截止狀態(tài)。Vi、Ql、Ll、C2和R6形成回路，Ll和C2 都處于充電儲能狀態(tài)，流過Ll的電流iLl近似線性上升，輸出電壓也隨之增加。在iLl上升 的同時，vQecl也在增加。當iLl上升并超過HFE*iQbl時，Ql的工作點退出飽和區(qū)，vQecl 開始迅速上升。當R2和R3分壓檢測到的電壓已能令Q2導通時，Q2的集電極電流開始分 流一部分iQbl，iQbl的減小會進一步使vQecl增加，電路進入一種強烈的正反饋。這種雙 BJT自激基本單元電路正反饋工作的結(jié)果是Ql的集電極電流iQcl迅速減小，當iQcl小于 電感電流iLl時Dl就開始導通為Ll續(xù)流，隨后Ql截止。t = tl時刻Li、C2、R6和Dl形 成回路，Ll進入放電釋能狀態(tài)，iLl開始近似線性下降直至為零，t = t2時刻Dl截止。Ql 再次飽和導通，電路進入下一個自激周期。歷經(jīng)若干個周期，當電路的輸出電壓達到設定值 Vo以后，電路就完成了上電啟動過程，進入穩(wěn)態(tài)工作階段。(2)電路穩(wěn)態(tài)工作階段當電路的輸出電壓達到設定值Vo以后，電路的電壓反饋 支路就開始起作用。當輸出電壓高于設定值時，Q3導通，加大雙BJT自激基本單元電路中 Q2集電極電流對Ql基極電流的分流作用，達到縮短Ql導通時間(即t4-t3)、延長Ql截止 時間(即t5-t4)的目的。當輸出電壓低于設定值時，Q3截止，雙BJT自激基本單元電路獨 立工作，Ql的開關時間又恢復原樣。由此，電路可實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。
實施例2參照 圖3和圖5，本實施例還包括電流反饋支路檢測電阻R5和電容C3的并聯(lián)支 路一端與R6和NPN晶體管Q3的基極相連，另一端則與Vi的負端相連；Q3的集電極通過電 阻R4和Q2的基極相連，Q3的發(fā)射極接于Vi的負端。本實施例的電路工作原理具體如下(1)電路上電啟動階段與實施例1相同，歷經(jīng)若干個周期，當電路的輸出電流達 到設定值Io以后，電路就完成了上電啟動過程，進入穩(wěn)態(tài)工作階段。(2)電路穩(wěn)態(tài)工作階段當電路的輸出電流達到設定值Io以后，電路的電流反饋 支路就開始起作用。當輸出電流高于設定值時，Q3導通，加大雙BJT自激基本單元電路中 Q2集電極電流對Ql基極電流的分流作用，達到縮短Ql導通時間(即t4-t3)、延長Ql截止 時間(即t5-t4)的目的。當輸出電流低于設定值時，Q3截止，雙BJT自激基本單元電路獨 立工作，Ql的開關時間又恢復原樣。由此，電路可實現(xiàn)輸出穩(wěn)流。本實施例的其他電路結(jié)構(gòu)與實施例1相同。
權(quán)利要求
一種雙極型晶體管型自激式Buck變換器，包括由PNP晶體管Q1、電感L1、二極管D1和電容C2組成Buck變換器的主回路，負載R6兩端的電壓為直流輸出電壓Vo，直流輸入電壓Vi的負端與直流輸出電壓Vo的負端相連，所述負載R6與電容C2并聯(lián)，所述直流輸出電壓Vo的正端和電容C2的接點與電感L1的一端相連，所述電感L1的另一端與二極管D1的陰極連接，所述二極管D1的陽極與直流輸入電壓Vi的負端相連，所述直流輸出電壓Vo的負端和電容C2的接點與直流輸入電壓Vi的負端相連，其特征在于所述自激式Buck變換器還包括PNP晶體管Q2，PNP晶體管Q1的發(fā)射極與直流輸入電壓Vi的正端相連，電感L1和二極管D1的接點與PNP晶體管Q1的集電極相連，PNP晶體管Q2的發(fā)射極和集電極分別與PNP晶體管Q1的發(fā)射極和基極相連，PNP晶體管Q1的基極還通過電阻R1接于直流輸入電壓Vi的負端，電阻R2和電阻R3的串聯(lián)支路并接于Q1的發(fā)射極和集電極兩端，電阻R2和電阻R3的接點與PNP晶體管Q2的基極相連。
2.如權(quán)利要求1所述的雙極型晶體管型自激式Buck變換器，其特征在于所述自激式 Buck變換器還包括電壓反饋支路，穩(wěn)壓管Zl和電阻R5的串聯(lián)支路并接于直流輸出電壓Vo 兩端，穩(wěn)壓管Zl和電阻R5的接點和NPN晶體管Q3的基極相連；NPN晶體管Q3的集電極通 過電阻R4和PNP晶體管Q2的基極相連，NPN晶體管Q3的發(fā)射極接于直流輸入電壓Vi的 負端。
3.如權(quán)利要求1所述的雙極型晶體管型自激式Buck變換器，其特征在于所述自激式 Buck變換器還包括電流反饋支路，檢測電阻R5和電容C3的并聯(lián)支路一端與電阻R6和NPN 晶體管Q3的基極相連，另一端則與直流輸入電壓Vi的負端相連；NPN晶體管Q3的集電極通 過電阻R4和PNP晶體管Q2的基極相連，NPN晶體管Q3的發(fā)射極接于直流輸入電壓Vi的負端。
4.如權(quán)利要求1 3之一所述的雙極型晶體管型自激式Buck變換器，其特征在于所 述電阻R3兩端并聯(lián)電容Cl。
全文摘要
一種雙極型晶體管型自激式Buck變換器，包括由PNP晶體管Q1、電感L1、二極管D1和電容C2組成Buck變換器的主回路，自激式Buck變換器還包括PNP晶體管Q2，PNP晶體管Q1的發(fā)射極與直流輸入電壓Vi的正端相連，電感L1和二極管D1的接點與PNP晶體管Q1的集電極相連，PNP晶體管Q2的發(fā)射極和集電極分別與PNP晶體管Q1的發(fā)射極和基極相連，PNP晶體管Q1的基極還通過電阻R1接于直流輸入電壓Vi的負端，電阻R2和電阻R3的串聯(lián)支路并接于Q1的發(fā)射極和集電極兩端，電阻R2和電阻R3的接點與PNP晶體管Q2的基極相連。本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)簡單、元器件數(shù)目少。
文檔編號H02M3/142GK101877532SQ201010210969
公開日2010年11月3日 申請日期2010年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月28日
發(fā)明者陳怡 申請人:浙江工業(yè)大學