專利名稱：雙極型晶體管型自激式Cuk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驅動電路等，尤其是一種自激式Cuk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(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 電結束，D1截止，Q1又重新飽和導通，進入下一個自激周期。經歷若干個周期后，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，電路元器件數目較多，對減小產品的成本和體積不利。中國專利ZL00122441. 7公開了一種自激式升壓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電路剛上電時，Q1飽和導通，二極管D1截止，Vi、Ll、Ql形成回 路，L1處于充電儲能狀態(tài)。在充電過程中，電感L1的電流增加，相應地Q1的集射極電壓也 隨之增加，Q1的工作點逐漸退出飽和區(qū)。當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始增加。同時，由于Q2對Q1基極電流的分流作用，Q1的基極電流、集 電極電流開始減小，進一步增加Q1的集射極電壓，電路進入一種強烈的正反饋。這種正反 饋工作的結果是Q1的集電極電流迅速減小，當小于L1的電流時D1將導通為L1續(xù)流，隨后 Q1截止。此時，Vi、Ll、Dl、Cl和R4形成回路，L1進入放電釋能狀態(tài)，電路的輸出電壓隨之 增加。待L1放電結束，D1截止，Q1又重新飽和導通，進入下一個自激周期。經歷若干個周 期后，當輸出電壓達到設定值Vo，電壓反饋支路Z1、R3、Q2開始工作。當輸出電壓高于設定 值時，Z1導通，加大了 Q2集電極電流對Q1基極電流的分流作用，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，Z1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只能實現(xiàn)電路的升壓變換，應用范圍有限。

發(fā)明內容
為了克服現(xiàn)有的自激式降壓DC-DC變換器電路結構復雜、元器件數目較多，以及 自激式升壓DC-DC變換器應用范圍較窄的不足，本發(fā)明提供一種電路結構簡單、元器件數 目少、拓寬應用范圍的雙極型晶體管型自激式Cuk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Cuk變換器，包括電感LI、NPN晶體管Q1、電容C2、二 極管D1、電感L2和電容C3組成Cuk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的正端相連，所述負載R6與電容C3并聯(lián)， 所述直流輸出電壓Vo的負端和電容C3的接點與電感L2的一端相連，所述電感L2的另一 端分別與電容C2的一端、二極管D1的陽極相連，所述二極管D1的陰極與直流輸入電壓Vi 的負端相連，所述電容C2的另一端與電感L1的一端相連，所述電感L1的另一端與所述直 流輸入電壓Vi的正端相連，所述直流輸出電壓Vo的正端和電容C3的接點與直流輸入電壓 Vi的負端相連，所述自激式Cuk變換器還包括NPN晶體管Q2，NPN晶體管Q1的發(fā)射極與直 流輸入電壓Vi的負端相連，電感L1和電容C2的接點與NPN晶體管Q1的集電極相連，NPN 晶體管Q2的發(fā)射極與NPN晶體管Q1的發(fā)射極相連，NPN晶體管Q2的集電極與NPN晶體管 Q1的基極相連，NPN晶體管Q1的基極還通過電阻R1接于直流輸入電壓Vi的正端，電阻R2 和電阻R3的串聯(lián)支路并接于Q1的發(fā)射極和集電極的陽極兩端，電阻R2和電阻R3的接點 與NPN晶體管Q2的基極相連。作為優(yōu)選的一種方案，所述自激式Cuk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NPN晶體管Q1的基極相連，NPN 晶體管Q3的發(fā)射極接于直流輸出電壓Vo的負端。作為優(yōu)選的另一種方案，所述自激式Cuk變換器還包括電流反饋支路檢測電阻 R5和電容C4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C3 和NPN晶體管Q3的發(fā)射極相連；NPN晶體管Q3的集電極通過電阻R4和NPN晶體管Q1的 基極相連，NPN晶體管Q3的發(fā)射極接于電容C3和電感L2的接點。更進一步，所述電阻R3兩端并聯(lián)電容C1，可加快Q2和Q1的開關速度。所述自激式Cuk變換器還包括二極管D2，NPN晶體管Q1的集電極和電容C2的接 點與二極管D2的陰極連接，電感L1與電阻R3的接點與二極管D2的陽極連接，可防止電感L1的電流倒流利于電路自激工作。本發(fā)明的技術構思為將雙BJT自激基本單元電路應用于Cuk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Cuk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Cuk變換器的雙 BJT自激基本單元電路中的Q1和Q2均為NPN晶體管。此外，針對BJT型自激式Cuk變換 器，為更有利于電路的啟動、防止主回路中輸入側電感L1的電流iLl出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，可在電 感L1處串聯(lián)二極管D2。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C4等組成(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Cuk變換器具有反極 性的升降壓電壓變換功能，電路結構簡單、元器件數目少，即不需要耦合電感參與電路的自 激工作，又彌補了電壓變換功能單一的不足，非常適合小功率開關穩(wěn)壓/穩(wěn)流電源、高亮度 LED驅動電路等應用。


圖1是現(xiàn)有的自激式降壓DC-DC變換器的電路圖。圖2是現(xiàn)有的自激式升壓DC-DC變換器的電路圖。圖3是實施例1的雙極型晶體管型自激式Cuk變換器的電路圖。圖4是實施例2的雙極型晶體管型自激式Cuk變換器的電路圖。圖5是實施例1的雙極型晶體管型自激式Cuk變換器的典型工作波形圖。圖6是實施例2的雙極型晶體管型自激式Cuk變換器的典型工作波形圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。實施例1參照圖3和圖5，一種雙極型晶體管型自激式Cuk變換器，包括電感LI、NPN晶體管 Q1、電容C2、二極管D1、電感L2和電容C3組成Cuk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的正端相連，所述負載R6與 電容C3并聯(lián)，所述直流輸出電壓Vo的負端和電容C3的接點與電感L2的一端相連，所述電 感L2的另一端分別與電容C2的一端、二極管D1的陽極相連，所述二極管D1的陰極與直流 輸入電壓Vi的負端相連，所述電容C2的另一端與電感L1的一端相連，所述電感L1的另一 端與所述直流輸入電壓Vi的正端相連，所述直流輸出電壓Vo的正端和電容C3的接點與直 流輸入電壓Vi的負端相連，所述自激式Cuk變換器還包括NPN晶體管Q2，NPN晶體管Q1的
5發(fā)射極與直流輸入電壓Vi的負端相連，電感L1和電容C2的接點與NPN晶體管Q1的集電 極相連，NPN晶體管Q2的發(fā)射極與NPN晶體管Q1的發(fā)射極相連，NPN晶體管Q2的集電極與 NPN晶體管Q1的基極相連，NPN晶體管Q1的基極還通過電阻R1接于直流輸入電壓Vi的正 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NPN晶體管Q2的基極相連。所述自激式Cuk變換器還包括二極管D2，NPN晶體管Q1的集電極和電容C2的接 點與二極管D2的陰極連接，電感L1與電阻R3的接點與二極管D2的陽極連接。圖3所示的輸出電壓穩(wěn)定的BJT型自激式Cuk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的接點和NPN晶體管Q3的基極相連；Q3的 集電極通過電阻R4和Q1的基極相連，Q3的發(fā)射極接于Vo的負端。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的開關工作狀態(tài)，對提高電路的效率有 幫助。圖5為圖3所示實施例1的BJT型自激式Cuk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。Vi、Ll、D2和Q1 形成回路。此時Q1的基極電流iQbl = (Vi-VQbe)/Rl,Ql的集射極電壓vQcel很小。經R2 和R3分壓檢測到的電壓還未達到令Q2導通的水平，Q2處于截止狀態(tài)。除了 Vi、LI、D2和 Q1的回路，同時還存在著Vi、LI、D2、C2和D1的諧振回路以及Vi、LI、D2、C2、L2、C3和R6 的諧振回路。D1處于導通狀態(tài)。L1和C2處于充電儲能狀態(tài)。L2和C3也處于充電儲能狀 態(tài)，但是iL2 < 0、vo < 0。流過L1的電流iLl近似正弦上升，C2兩端電壓vC2近似余弦上 升。在iLl和vC2上升的同時，iQcl和vQcel也在增加。當iQcl上升并超過HFE*iQbl時， Q1的工作點退出飽和區(qū)。隨著vQcel的繼續(xù)增加，R2和R3分壓檢測到的電壓達到了令Q2 導通的水平，Q2的集電極電流分流iQbl，使Q1截止。但是，Vi、LI、D2、C2和D1的諧振回 路以及Vi、Ll、D2、C2、L2、C3和R6的諧振回路依然工作。t = t0時刻諧振回路工作結束， iLl、iL2諧振回到零點，而vC2則諧振到最高點。由于D2的存在，消除了 iLl變?yōu)樨摰目?能。此時，R2和R3分壓檢測到的電壓又回到了不能令Q2導通的水平，Q2截止，Q1重新導 通，D1截止。Vi、L1、D2和Q1形成回路，L1再次處于充電儲能狀態(tài)，流過L1的電流iLl近 似線性上升。而C2則通過Q1向C3、R6和L2釋放能量，C2兩端電壓下降，而流過L2的電流 iL2近似線性上升，C3兩端電壓vo也在增加。在iLl、iL2上升的同時，iQcl和vQcel也在 增加。當iQcl上升并超過HFE*iQbl時，Q1的工作點退出飽和區(qū)，vQcel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vQcel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 路正反饋工作的結果是Q1的集電極電流iQcl迅速減小，當iQcl小于電感電流iLl+iL2之 和時D1就開始導通為L1和L2續(xù)流，隨后Q1截止。t = tl時刻Vi、LI、D2、C2和D1形成 回路，L2、D1、C3和R6形成回路。L1和L2都進入放電釋能狀態(tài)，C2兩端電壓和電路的輸出 電壓隨之增加。t = t2時刻iLl近似線性下降至零，Q1再次導通，D1截止。電路進入下一 個自激周期。歷經若干個周期，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 Q3集電極電流對Q1基極電流的分流作用，達到縮短Q1導通時間(即t4-t3)、延長Q1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，Q1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4和圖6，本實施例還包括電流反饋支路檢測電阻R5和電容C4的并聯(lián)支 路一端與R6和NPN晶體管Q3的基極相連，另一端則與電容C3和NPN晶體管Q3的發(fā)射極 相連；Q3的集電極通過電阻R4和Q1的基極相連，Q3的發(fā)射極接于電容C3和電感L2的接點。本實施例的工作過程為(1)電路上電啟動階段與實施例1相同，歷經若干個周期，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 Q3集電極電流對Q1基極電流的分流作用，達到縮短Q1導通時間(即t4-t3)、延長Q1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，Q1的開關時間又恢復原樣。由此，電路可實現(xiàn)輸出穩(wěn)流。本實施例的其他結構和工作過程與實施例1相同。
權利要求
一種雙極型晶體管型自激式Cuk變換器，包括電感L1、NPN晶體管Q1、電容C2、二極管D1、電感L2和電容C3組成Cuk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的正端相連，所述負載R6與電容C3并聯(lián)，所述直流輸出電壓Vo的負端和電容C3的接點與電感L2的一端相連，所述電感L2的另一端分別與電容C2的一端、二極管D1的陽極相連，所述二極管D1的陰極與直流輸入電壓Vi的負端相連，所述電容C2的另一端與電感L1的一端相連，所述電感L1的另一端與所述直流輸入電壓Vi的正端相連，所述直流輸出電壓Vo的正端和電容C3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Cuk變換器還包括NPN晶體管Q2，NPN晶體管Q1的發(fā)射極與直流輸入電壓Vi的負端相連，電感L1和電容C2的接點與NPN晶體管Q1的集電極相連，NPN晶體管Q2的發(fā)射極與NPN晶體管Q1的發(fā)射極相連，NPN晶體管Q2的集電極與NPN晶體管Q1的基極相連，NPN晶體管Q1的基極還通過電阻R1接于直流輸入電壓Vi的正端，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NPN晶體管Q2的基極相連。
2.如權利要求1所述的雙極型晶體管型自激式Cuk變換器，其特征在于所述自激式 Cuk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NPN晶體管Q1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 負端。
3.如權利要求1所述的雙極型晶體管型自激式Cuk變換器，其特征在于所述自激式 Cuk變換器還包括電流反饋支路檢測電阻R5和電容C4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C3和NPN晶體管Q3的發(fā)射極相連；NPN晶體管Q3 的集電極通過電阻R4和NPN晶體管Q1的基極相連，NPN晶體管Q3的發(fā)射極接于電容C3和 電感L2的接點。
4.如權利要求1 3之一所述的雙極型晶體管型自激式Cuk變換器，其特征在于所 述電阻R3兩端并聯(lián)電容C1。
5.如權利要求1 3之一所述的雙極型晶體管型自激式Cuk變換器，其特征在于所 述自激式Cuk變換器還包括二極管D2，NPN晶體管Q1的集電極和電容C2的接點與二極管 D2的陰極連接，電感L1與電阻R3的接點與二極管D2的陽極連接。
6.如權利要求4所述的雙極型晶體管型自激式Cuk變換器，其特征在于所述自激式 Cuk變換器還包括二極管D2，NPN晶體管Q1的集電極和電容C2的接點與二極管D2的陰極 連接，電感L1與電阻R3的接點與二極管D2的陽極連接。
全文摘要
一種雙極型晶體管型自激式Cuk變換器，包括電感L1、NPN晶體管Q1、電容C2、二極管D1、電感L2和電容C3組成Cuk變換器的主回路，NPN晶體管Q1的發(fā)射極與直流輸入電壓Vi的負端相連，電感L1和電容C2的接點與NPN晶體管Q1的集電極相連，NPN晶體管Q2的發(fā)射極與NPN晶體管Q1的發(fā)射極相連，NPN晶體管Q2的集電極與NPN晶體管Q1的基極相連，NPN晶體管Q1的基極還通過電阻R1接于直流輸入電壓Vi的正端，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NPN晶體管Q2的基極相連。本發(fā)明電路結構簡單、元器件數目少、拓寬應用范圍。
文檔編號H02M3/158GK101877536SQ20101021109
公開日2010年11月3日 申請日期2010年6月28日 優(yōu)先權日2010年6月28日
發(fā)明者陳怡 申請人:浙江工業(yè)大學