專利名稱：雙極型晶體管型自激式Buck-Boost變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自激式直流-直流變換器，應(yīng)用于小功率開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓/穩(wěn)流電源、高亮度 LED驅(qū)動(dòng)電路等，尤其是一種自激式Buck-Boost變換器。
背景技術(shù)：
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(jiǎn)單、元器件數(shù)目少、成本低、自啟動(dòng)和自保護(hù)性能好、適用工作電壓范圍 寬、效率高等優(yōu)點(diǎn)。中國(guó)專利ZL99108088. 2公開(kāi)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(fù)載。耦合電感L2通過(guò)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(fù)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(diǎn)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(diǎn)與Q3的基極相連。Q3的發(fā)射極接于Vi的負(fù)端。該自激式降壓DC-DC變換器的工作原 理如下當(dāng)電路剛上電時(shí)，Q1飽和導(dǎo)通，01、02均截止^1、01丄1丄2、1 7、1 5、1 6形成回路， L1和C2都處于充電儲(chǔ)能狀態(tài)。在充電過(guò)程中，L1的電流增加，電路的輸出電壓增加，相應(yīng) 地Q1的射集極電壓也隨之增加，Q1的工作點(diǎn)逐漸退出飽和區(qū)，同時(shí)L1兩端的電壓下降。通 過(guò)耦合L2兩端的電壓也隨之減小，同時(shí)加大了對(duì)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(jìn)一步增加Q1的射集極電壓，電路進(jìn)入一種強(qiáng)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(dāng)小于L1的電流時(shí)D1就開(kāi)始導(dǎo)通為L(zhǎng)1續(xù) 流，隨后Q1截止。此時(shí)，L1、C2、R7、R5、R6和D1形成回路，L1進(jìn)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(dǎo)通，進(jìn)入下一個(gè)自激周期。經(jīng)歷若干個(gè)周期后，當(dāng)輸出電 壓達(dá)到設(shè)定值Vo，電壓反饋支路R5、R6、Q3、R1、R2和Q2開(kāi)始工作。當(dāng)輸出電壓高于設(shè)定值 時(shí)，Q3導(dǎo)通，導(dǎo)致Q2導(dǎo)通并分流一部分Q1的基極電流，達(dá)到縮短Q1導(dǎo)通時(shí)間、延長(zhǎng)Q1關(guān) 斷時(shí)間的目的；當(dāng)輸出電壓低于設(shè)定值時(shí)，Q3截止，導(dǎo)致Q2截止，Q1的開(kāi)關(guān)時(shí)間又恢復(fù)原 樣。由此，電路實(shí)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(fù)雜，電路元器件數(shù)目較多，對(duì)減小產(chǎn)品的成本和體積不利。中國(guó)專利ZL00122441. 7公開(kāi)了一種自激式升壓DC-DC變換器，如圖2所示。由 NPN晶體管Q1、電感L1、二極管D1和電容C1組成Boost變換器的主回路，Vi、Vo分別為直 流輸入、輸出電壓，R4為負(fù)載。NPN晶體管Q2的集電極和發(fā)射極分別與Q1的基極和發(fā)射極 相連。Q1的基極還通過(guò)電阻R1與Vi的正端相連。Q2的基極與R2和R3相連。R2的另一 端與Q1的集電極相連。R3的另一端則通過(guò)穩(wěn)壓管Z1接于Vo的正端。該自激式升壓DC-DC 變換器的工作原理如下當(dāng)電路剛上電時(shí)，Q1飽和導(dǎo)通，二極管D1截止，Vi、Ll、Ql形成回 路，L1處于充電儲(chǔ)能狀態(tài)。在充電過(guò)程中，電感L1的電流增加，相應(yīng)地Q1的集射極電壓也 隨之增加，Q1的工作點(diǎn)逐漸退出飽和區(qū)。當(dāng)Q1集射極電壓增加到一定值以后，Q2的基極電流和集電極電流開(kāi)始增加。同時(shí)，由于Q2對(duì)Q1基極電流的分流作用，Q1的基極電流、集 電極電流開(kāi)始減小，進(jìn)一步增加Q1的集射極電壓，電路進(jìn)入一種強(qiáng)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(dāng)小于L1的電流時(shí)D1將導(dǎo)通為L(zhǎng)1續(xù)流，隨后 Q1截止。此時(shí)，Vi、Ll、Dl、Cl和R4形成回路，L1進(jìn)入放電釋能狀態(tài)，電路的輸出電壓隨之 增加。待L1放電結(jié)束，D1截止，Q1又重新飽和導(dǎo)通，進(jìn)入下一個(gè)自激周期。經(jīng)歷若干個(gè)周 期后，當(dāng)輸出電壓達(dá)到設(shè)定值Vo，電壓反饋支路Z1、R3、Q2開(kāi)始工作。當(dāng)輸出電壓高于設(shè)定 值時(shí)，Z1導(dǎo)通，加大了 Q2集電極電流對(duì)Q1基極電流的分流作用，達(dá)到縮短Q1導(dǎo)通時(shí)間、延 長(zhǎng)Q1關(guān)斷時(shí)間的目的；當(dāng)輸出電壓低于設(shè)定值時(shí)，Z1截止，Q1的開(kāi)關(guān)時(shí)間又恢復(fù)原樣。由 此，電路實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。該電路的不足之處在于只能實(shí)現(xiàn)電路的升壓變換，應(yīng)用范圍有限。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的自激式降壓DC-DC變換器的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、元器件數(shù)目較多，以 及自激式升壓DC-DC變換器應(yīng)用范圍較窄的不足，本發(fā)明提供一種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元器件 數(shù)目少、拓寬應(yīng)用范圍的雙極型晶體管型自激式Buck-Boost變換器。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種雙極型晶體管型自激式Buck-Boost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-Boost變換器的主回路，負(fù)載R6兩端的電壓為直流輸出電壓 Vo，直流輸入電壓Vi的負(fù)端與直流輸出電壓Vo的正端相連，所述負(fù)載R6與電容C2并聯(lián)，所 述直流輸出電壓Vo的負(fù)端和電容C2的接點(diǎn)與二極管D1的陽(yáng)極相連，所述二極管D1的陰 極與電感L1 一端相連，所述電感L1的另一端與直流輸入電壓Vi的負(fù)端相連，所述直流輸 出電壓Vo的正端和電容C2的接點(diǎn)與直流輸入電壓Vi的負(fù)端相連，所述自激式Buck-Boost 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(diǎn)與PNP晶體管Q1的集電極相連，PNP晶體管Q2的發(fā)射極與PNP晶體 管Q1的發(fā)射極相連，PNP晶體管Q2的集電極與PNP晶體管Q1的基極相連，PNP晶體管Q1 的基極還通過(guò)電阻R1接于直流輸入電壓Vi的負(fù)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(diǎn)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-Boost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(diǎn)和 NPN晶體管Q3的基極相連；NPN晶體管Q3的集電極通過(guò)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(fù)端。作為優(yōu)選的另一種方案，所述自激式Buck-Boost變換器還包括電流反饋支路檢 測(cè)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 電容C2和NPN晶體管Q3的發(fā)射極相連；NPN晶體管Q3的集電極通過(guò)電阻R4和PNP晶體 管Q2的基極相連，NPN晶體管Q3的發(fā)射極接于二極管D1的陽(yáng)極。更進(jìn)一步，所述電阻R3兩端并聯(lián)電容C1。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為將雙BJT自激基本單元電路應(yīng)用于Buck-Boost變換器中， 使它們成為新的自激式DC-DC變換器(如圖3、4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(kāi)關(guān)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-Boost變換器主回路中的開(kāi)關(guān)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(cè)Q1 的射集極電壓，所得檢測(cè)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(duì)Q1基極電流的分流量，從而實(shí)現(xiàn)控制Q1的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。需特別說(shuō)明的是，適用于 Buck-Boost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3)。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組成(如圖4)。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-Boost變換器具 有反極性的升降壓電壓變換功能，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元器件數(shù)目少，即不需要耦合電感參與電 路的自激工作，又彌補(bǔ)了電壓變換功能單一的不足，非常適合小功率開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓/穩(wěn)流電源、 高亮度LED驅(qū)動(dòng)電路等應(yīng)用。


圖1是現(xiàn)有的自激式降壓DC-DC變換器的電路圖。圖2是現(xiàn)有的自激式升壓DC-DC變換器的電路圖。圖3是實(shí)施例1的雙極型晶體管型自激式Buck-Boost變換器的電路圖。圖4是實(shí)施例2的雙極型晶體管型自激式Buck-Boost變換器的電路圖。圖5是實(shí)施例1的雙極型晶體管型自激式Buck-Boost變換器的典型工作波形圖。圖6是實(shí)施例2的雙極型晶體管型自激式Buck-Boost變換器的典型工作波形圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。實(shí)施例1參照?qǐng)D3和圖5，一種雙極型晶體管型自激式Buck-Boost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-Boost變換器的主回路，負(fù)載R6兩端的電壓 為直流輸出電壓Vo，直流輸入電壓Vi的負(fù)端與直流輸出電壓Vo的正端相連，所述負(fù)載R6 與電容C2并聯(lián)，所述直流輸出電壓Vo的負(fù)端和電容C2的接點(diǎn)與二極管D1的陽(yáng)極相連，所 述二極管D1的陰極與電感L1 一端相連，所述電感L1的另一端與直流輸入電壓Vi的負(fù)端 相連，所述直流輸出電壓Vo的正端和電容C2的接點(diǎn)與直流輸入電壓Vi的負(fù)端相連，所述 自激式Buck-Boost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(diǎn)與PNP晶體管Q1的集電極相連，PNP晶體管Q2 的發(fā)射極與PNP晶體管Q1的發(fā)射極相連，PNP晶體管Q2的集電極與PNP晶體管Q1的基極 相連，PNP晶體管Q1的基極還通過(guò)電阻R1接于直流輸入電壓Vi的負(fù)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(diǎn)與PNP晶體管Q2 的基極相連。圖3所示的輸出電壓穩(wěn)定的BJT型自激式Buck-Boost變換器采用了電壓反饋支 路穩(wěn)壓管Z1和R5的串聯(lián)支路并接于Vo兩端，Z1和R5的接點(diǎn)和NPN晶體管Q3的基極相 連；Q3的集電極通過(guò)電阻R4和Q2的基極相連，Q3的發(fā)射極接于Vo的負(fù)端。此外，在雙BJT自激基本單元電路的R3兩端并聯(lián)電容C1，可改善Q2和Q1的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，對(duì)提高電路的 效率有幫助。圖5為圖3所示的BJT型自激式Buck-Boost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(dòng)階段當(dāng)電路剛上電時(shí)即t = 0，Q1飽和導(dǎo)通。此時(shí)Q1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(cè)到的電壓還 未達(dá)到令Q2導(dǎo)通的水平。Q2和D1都處于截止?fàn)顟B(tài)。Vi、Q1和L1形成回路，L1處于充電 儲(chǔ)能狀態(tài)，流過(guò)L1的電流iLl近似線性上升。在iLl上升的同時(shí)，vQecl也在增加。當(dāng)iLl 上升并超過(guò)HFE*iQbl時(shí)，Q1的工作點(diǎn)退出飽和區(qū)，vQecl開(kāi)始迅速上升。當(dāng)R2和R3分壓 檢測(cè)到的電壓已能令Q2導(dǎo)通時(shí)，Q2的集電極電流開(kāi)始分流一部分iQbl，iQbl的減小會(huì)進(jìn) 一步使vQecl增加，電路進(jìn)入一種強(qiáng)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Q1的集電極電流iQcl迅速減小，當(dāng)iQcl小于電感電流iLl時(shí)D1就開(kāi)始導(dǎo)通 為L(zhǎng)1續(xù)流，隨后Q1截止。t = tl時(shí)刻L1、C2、R6和D1形成回路，L1進(jìn)入放電釋能狀態(tài)，電 路的輸出電壓隨之增加，iLl開(kāi)始近似線性下降直至為零，t = t2時(shí)刻D1截止。Q1再次飽 和導(dǎo)通，電路進(jìn)入下一個(gè)自激周期。歷經(jīng)若干個(gè)周期，當(dāng)電路的輸出電壓達(dá)到設(shè)定值Vo以 后，電路就完成了上電啟動(dòng)過(guò)程，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作階段。(2)電路穩(wěn)態(tài)工作階段當(dāng)電路的輸出電壓達(dá)到設(shè)定值Vo以后，電路的電壓反饋 支路就開(kāi)始起作用。當(dāng)輸出電壓高于設(shè)定值時(shí)，Q3導(dǎo)通，加大雙BJT自激基本單元電路中 Q2集電極電流對(duì)Q1基極電流的分流作用，達(dá)到縮短Q1導(dǎo)通時(shí)間(即t4-t3)、延長(zhǎng)Q1截止 時(shí)間(即t5-t4)的目的。當(dāng)輸出電壓低于設(shè)定值時(shí)，Q3截止，雙BJT自激基本單元電路獨(dú) 立工作，Q1的開(kāi)關(guān)時(shí)間又恢復(fù)原樣。由此，電路可實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。實(shí)施例2參照?qǐng)D4和圖6，本實(shí)施例還包括電流反饋支路檢測(cè)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，另一端則與電容C2和NPN晶體管Q3的發(fā) 射極相連；Q3的集電極通過(guò)電阻R4和Q2的基極相連，Q3的發(fā)射極接于二極管D1的陽(yáng)極。本實(shí)施例的工作過(guò)程為(1)電路上電啟動(dòng)階段與實(shí)施例1相同，歷經(jīng)若干個(gè)周期，當(dāng)電路的輸出電流達(dá)到 設(shè)定值Io以后，電路就完成了上電啟動(dòng)過(guò)程，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作階段。(2)電路穩(wěn)態(tài)工作階段當(dāng)電路的輸出電流達(dá)到設(shè)定值Io以后，電路的電流反饋 支路就開(kāi)始起作用。當(dāng)輸出電流高于設(shè)定值時(shí)，Q3導(dǎo)通，加大雙BJT自激基本單元電路中 Q2集電極電流對(duì)Q1基極電流的分流作用，達(dá)到縮短Q1導(dǎo)通時(shí)間(即t4-t3)、延長(zhǎng)Q1截止 時(shí)間(即t5-t4)的目的。當(dāng)輸出電流低于設(shè)定值時(shí)，Q3截止，雙BJT自激基本單元電路獨(dú) 立工作，Q1的開(kāi)關(guān)時(shí)間又恢復(fù)原樣。由此，電路可實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)流。本實(shí)施例的其他結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程與實(shí)施例1相同。
權(quán)利要求
一種雙極型晶體管型自激式Buck-Boost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-Boost變換器的主回路，負(fù)載R6兩端的電壓為直流輸出電壓Vo，直流輸入電壓Vi的負(fù)端與直流輸出電壓Vo的正端相連，所述負(fù)載R6與電容C2并聯(lián)，所述直流輸出電壓Vo的負(fù)端和電容C2的接點(diǎn)與二極管D1的陽(yáng)極相連，所述二極管D1的陰極與電感L1一端相連，所述電感L1的另一端與直流輸入電壓Vi的負(fù)端相連，所述直流輸出電壓Vo的正端和電容C2的接點(diǎn)與直流輸入電壓Vi的負(fù)端相連，其特征在于所述自激式Buck-Boost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(diǎn)與PNP晶體管Q1的集電極相連，PNP晶體管Q2的發(fā)射極與PNP晶體管Q1的發(fā)射極相連，PNP晶體管Q2的集電極與PNP晶體管Q1的基極相連，PNP晶體管Q1的基極還通過(guò)電阻R1接于直流輸入電壓Vi的負(fù)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(diǎn)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-Boost變換器，其特征在于所述 自激式Buck-Boost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(diǎn)和NPN晶體管Q3的基極相連；NPN晶體管 Q3的集電極通過(guò)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 出電壓Vo的負(fù)端。
3.如權(quán)利要求1所述的雙極型晶體管型自激式Buck-Boost變換器，其特征在于所述 自激式Buck-Boost變換器還包括電流反饋支路，，檢測(cè)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，另一端則與電容C2和NPN晶體管Q3的發(fā)射極相 連；NPN晶體管Q3的集電極通過(guò)電阻R4和PNP晶體管Q2的基極相連，NPN晶體管Q3的發(fā) 射極接于二極管Dl的陽(yáng)極。
4.如權(quán)利要求1或2所述的雙極型晶體管型自激式Buck-Boost變換器，其特征在于 所述電阻R3兩端并聯(lián)電容Cl。
5.如權(quán)利要求3所述的雙極型晶體管型自激式Buck-Boost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-Boost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-Boost變換器的主回路，自激式Buck-Boost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(diǎn)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(guò)電阻R1接于直流輸入電壓Vi的負(fù)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(diǎn)與PNP晶體管Q2的基極相連。本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元器件數(shù)目少、拓寬應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)H02M3/158GK101877535SQ20101021104
公開(kāi)日2010年11月3日 申請(qǐng)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(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)