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CN108649797A - 一种基于Boost正负输出的DC-DC电源结构 - Google Patents

一种基于Boost正负输出的DC-DC电源结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于电源供电技术领域，为一种基于Boost正负输出的DC‐DC电源结构，包括Boost变换结构，所述Boost变换结构包括输入直流电源Vin、电感L1、二极管D1、开关管Q1和蓄能滤波电容C2；在电感L1和二极管D1之间的开关节点插入相串联的电容C1和二极管D2，并在电容C1和二极管D2的串联节点接入相串联的二极管D3、电感L2以及蓄能滤波电容C3，从蓄能滤波电容C3的两端引出负电压的两个输出端；其中二极管D3阴极与电容C1连接，二极管D2阳极与电容C1连接，电容C1、电感L2和蓄能滤波电容C3组成LC滤波电路。本发明不需要额外增加开关管或者开关控制芯片，电路结构简单，成本低，具有比较强的电流输出能力，而且电流脉动还比较小，正负电压几乎对称。

Description

一种基于Boost正负输出的DC-DC电源结构
技术领域
本发明涉及电源供电技术领域，具体为一种基于Boost正负输出的DC-DC电源结构。
背景技术
在绝大部分的电子电路当中一般都是使用单电源供电，而且为了能更好的发挥放大电路的精准度，一般都需要用到正负升压电源供电系统，目前的解决方案一般都是采用Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic等电路变换结构。其中Boost是正升压变换结构，Sepic是正升降压结构，Cuk、Buck-Boost是负升压结构，而且这些变换结构至少要用到一个或者以上的开关管(或开关控制芯片)、电感L、二极管D和电容C。如果是正负电源的话就需要多用一个开关管(或开关控制芯片)，或者增加多一个以上数量的电感L才可能实现变换要求，这样大大增加了变换电路的体积和成本。
发明内容
为了解决现有技术所存在的问题，本发明提出一种基于Boost正负输出的DC-DC电源结构，不需要额外增加开关管或者开关控制芯片，电路结构简单，成本低，具有比较强的电流输出能力，而且电流脉动还比较小，正负电压几乎对称。
本发明采用如下技术方案来实现：一种基于Boost正负输出的DC-DC电源结构，包括Boost变换结构，所述Boost变换结构包括输入直流电源Vin、电感L1、二极管D1、开关管Q1和蓄能滤波电容C2，直流电源Vin的正极经电感L1与开关管Q1的集电极连接，直流电源Vin的负极与开关管Q1的发射极连接，二极管D1串联在开关管Q1的集电极与正输出端之间，蓄能滤波电容C2并联在输出负载RL1两端；在电感L1和二极管D1之间的开关节点插入相串联的电容C1和二极管D2，并在电容C1和二极管D2的串联节点接入相串联的二极管D3、电感L2以及蓄能滤波电容C3，从蓄能滤波电容C3的两端引出负电压的两个输出端；其中二极管D3阴极与电容C1连接，二极管D2阳极与电容C1连接，电容C1、电感L2和蓄能滤波电容C3组成LC滤波电路。
优选地，在所述LC滤波电路中串联阻尼电阻R1。阻尼电阻R1的取值满足：
优选地，所述电感L2的取值小于电感L1的取值。电感L2的取值范围如下：
其中Vn为负电压输出端上负载的电压降，VC3(MAX)-VC3＝Vn。
与现有技术相比，本发明所提出的基于Boost正负输出的DC-DC电源结构，具有如下优点和有益效果：电路结构简单，在原有Boost升压电路基础上仅仅增加了一个小电感L2、一个电阻R1、两个二极管D2、D3和两个电容C1、C3就完成了负电源的升压过程；不仅有比较强的电流输出能力，而且电流脉动还比较小，正负电压几乎对称；最重要的是还节省了一个开关管(开关控制芯片)，而且增加的电感L数值相对来说比较小，所以不仅仅节约了成本，还节省了不少宝贵的空间。
附图说明
图1是本发明的变换电路结构图；
图2是开关管导通(Ton)和关闭(Toff)的时间关系图；
图3是本发明在开关管导通期间的负升压等效电路图；
图4是本发明在开关管关闭期间的负升压等效电路图。
具体实施方式
本发明的变换电路结构如图1所示，典型的Boost变换结构包括输入直流电源Vin、电感L1、二极管D1、开关管Q1和蓄能滤波电容C2，直流电源Vin的正极经电感L1与开关管Q1的集电极连接，直流电源Vin的负极与开关管Q1的发射极连接，开关管Q1的基极输入方波信号，二极管D1串联在开关管Q1的集电极与正输出端之间，蓄能滤波电容C2并联在输出负载RL1两端。本发明在典型的Boost变换结构的电感L1和二极管D1之间的开关节点插入相串联的电容C1和二极管D2，并在电容C1和二极管D2的串联节点再接入相串联的二极管D3、电阻R1、电感L2以及蓄能滤波电容C3(也叫输出滤波电容)，并从蓄能滤波电容C3的两端引出负电压的两个输出端，从而形成负升压的结构。
概括来说，本发明电路的负升压结构，在稳态的时候，主要是在开关管导通的时候把电容C1的能量传输到负输出进行负升压的；从结构上来说电容C1和正输出滤波电容C2的电压相等，都是来源于开关管关闭后电感L1的能量转化。本发明详细的工作过程如下：
图2示意了开关管导通(Ton)和关闭(Toff)的时间关系。开关管Q1导通(Ton)期间(见图2的t0-t1阶段)，二极管D1和电感L1之间的节点电位等于输入直流电源的负极电位，二极管D1的正极电位(即阳极电位)是输入直流电源的负极，二极管D1的负极电位(即阴极电位)是输出电压+Vo，二极管D1反偏；输入电压Vin全部加在电感L1上，电流从输入直流电源Vin的正极通过电感L1回到输入直流电源负极，并且电流慢慢增大。在开关管Q1导通期间，电容C1正极的电位和输入直流电源的负极一致：当输出电压|-Vo|＝Vc3＝Vc1-VD3时，其中VD3是二极管D3的导通压降，电容C1的电荷不会通过输入直流电源负极、输出滤波电容C3、负载RL2、电感L2、电阻R1和二极管D3所形成的电流回路，电感L2电流为0，负电压输出处于空载状态，负输出电压VC3(MAX)＝VC2-0.6达到最大值。当输出电压|-Vo|＝Vc3，Vc3＜Vc1-VD3时，电容C1的电荷通过输入直流电源负极、输出滤波电容C3、负载RL2、电感L2、电阻R1及二极管D3所形成的电流回路，如图3所示。
在开关管关闭(Toff)期间(见图2的t1-t2阶段)，电感L1的电流从输入直流电源的正极沿着二极管D1、输出滤波电容C2及输出负载RL1流回到输入直流电源的负极，电容C1和电容C2的两端电压相等VC1＝VC2。如果在t0-t1阶段(开关管Q1导通时)，输出电压|-Vo|＝Vc3，Vc3＜Vc1-VD3，电容C1的电荷通过输入直流电源负极、输出滤波电容C3、负载RL2、电感L2、电阻R1及二极管D3所形成的电流回路，那么在t1-t2阶段(开关管Q1关闭时)电感L2的电流通过阻尼电阻R1、二极管D3、二极管D2、输入直流电源负极、输出电容C3和负载RL2进行续流，如图4所示。如果在t0-t1阶段(开关管Q1导通时)，输出电压|-Vo|＝Vc3＝Vc1-VD3，电容C1的电荷不会通过输入直流电源负极、输出电容C3、负载RL2、电感L2、电阻R1和二极管D3所形成的电流回路，电感L2电流为0，那么在t1-t2阶段(开关管Q1关闭时)电感L2的电流也为0。
二极管D3在本发明中所起的作用：开关管Q1关闭期间，电感L1的电流从输入直流电源的正极沿着电容C1、二极管D2流回到输入直流电源的负极，电容C1和电容C2的两端电压相等VC1＝VC2，二极管D2的正极(即阳极)比输入电源负极的电位高0.6V；而且在开关管Q1导通时，如果电感L2电流为0，而且二极管D3的负极(即阴极)和二极管D2的正极相连，电位是0.6V，二极管D3正极(即阳极)的电位是-Vo，那么二极管D3反偏，二极管D3阻止了二极管D2的正极电位0.6V向电位更低的-Vo产生电流，二极管D3起到整流的作用。
电阻R1在本发明中所起的作用：由于负电压输出结构是不带闭环控制的，所以为了防止电容C1、电感L2、电容C3所组成的LC滤波电路结构产生振荡，而接入阻尼电阻R1。R1的计算公式如下：
电感L2的电感量和体积估算如下：在开关管Q1导通期间，如果输出电压|-Vo|＝Vc3，Vc3＜Vc1-VD3，电容C1的电荷通过输入直流电源负极、输出滤波电容C3、负载RL2、电感L2、电阻R1及二极管D3所形成的电流回路。在接上负载后，负输出的电压会比空载的时候低一些，这也是传输能量的必要条件。假设负电压输出端接上负载后，电压下降为Vn，即：VC3(MAX)-VC3＝Vn；电感L2的取值范围如下：
由于电感L2比电感L1小得多，所以在同等电流情况下，电感L2的体积会比较小，节省空间。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于Boost正负输出的DC‐DC电源结构，包括Boost变换结构，所述Boost变换结构包括输入直流电源Vin、电感L1、二极管D1、开关管Q1和蓄能滤波电容C2，直流电源Vin的正极经电感L1与开关管Q1的集电极连接，直流电源Vin的负极与开关管Q1的发射极连接，二极管D1串联在开关管Q1的集电极与正输出端之间，蓄能滤波电容C2并联在输出负载RL1两端，其特征在于，在电感L1和二极管D1之间的开关节点插入相串联的电容C1和二极管D2，并在电容C1和二极管D2的串联节点接入相串联的二极管D3、电感L2以及蓄能滤波电容C3，从蓄能滤波电容C3的两端引出负电压的两个输出端；其中二极管D3阴极与电容C1连接，二极管D2阳极与电容C1连接，电容C1、电感L2和蓄能滤波电容C3组成LC滤波电路。
2.根据权利要求1所述的基于Boost正负输出的DC‐DC电源结构，其特征在于，在所述LC滤波电路中串联阻尼电阻R1。
3.根据权利要求2所述的基于Boost正负输出的DC‐DC电源结构，其特征在于，所述阻尼电阻R1的取值满足：
4.根据权利要求1所述的基于Boost正负输出的DC‐DC电源结构，其特征在于，所述电感L2的取值小于电感L1的取值。
5.根据权利要求4所述的基于Boost正负输出的DC‐DC电源结构，其特征在于，所述电感L2的取值范围如下：
其中Vn为负电压输出端上负载的电压降，VC3(MAX)-VC3＝Vn。
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