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CN111313706B - 一种基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动电路及其方法 - Google Patents

一种基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动电路及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Buck‑Boost变换器的IR2110驱动电路及其方法，该驱动方法包括：提供延时高电平信号；将Buck‑Boost变换器高边开关管的PWM驱动信号与该延时高电平信号相与；将相与后的输出信号作为IR2110非自举驱动电路的逻辑高边输入信号。本发明提出的基于Buck‑Boost变换器的IR2110驱动电路及其方法，通过给高边开关管的PWM驱动信号引入一个延迟时间为Tdelay的时延，使得那些原本在变换器上电后高电平持续时间超过Tdelay的高边开关管的PWM驱动信号可以在变换器上电Tdelay时间后出现一个上升沿，以实现IR2110对高边开关管的正常驱动。本发明提出的驱动电路及驱动方法，可以保证变换器正常启动且在任意时刻、任意工作模式之间自由切换。

Description

一种基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动电路及其方法
技术领域
本发明涉及卫星电源系统功率管理技术领域，具体涉及一种基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动电路及其方法。
背景技术
作为卫星的核心组成部分，电源系统主要任务是为整星提供高品质、高可靠的连续电源，满足全机动力负载的功率需求。
随着航天技术的不断发展，人们对空间电源系统的要求进一步提高，卫星电源系统不仅需要实现大功率输出，而且为了提高系统稳定性和能源效率，对功率变换器的拓扑结构及其控制策略提出了更高的要求。
由于卫星在运行过程中受光照强度影响，太阳帆板的工作电压随环境温度改变而发生较大的变化，故需要同时兼有降压(Buck)、直通与升压(Boost)调节方式的Buck-Boost变换器(图1)，以便于实现宽输入电压范围的功率转换。该Buck-Boost变换器包括电源、电容(Cin，Co)、二极管(D1，D2)、开关管(Qbuck,Qboost)、同步管Qsyn、电感L及电阻RL，具体连接关系参见图1所示。
图1中，Uin为输入电压，Uo为输出电压，Iin为输入电流，Io为输出电流。记ΔU为正常数，Uo_ref为参考输出电压。则Buck-Boost变换器在三种工作模式下各个开关管的开关状态分别如下：
(1)降压模式(Uin-Uo_ref>ΔU)：开关管Qbuck处于调制状态，开关管Qboost处于常断状态，同步管Qsyn处于常通状态；
(2)直通模式(|Uin-Uo_ref|≤ΔU)：开关管Qbuck处于常通状态，开关管Qboost处于常断状态，同步管Qsyn处于常通状态；
(3)升压模式(Uo_ref-Uin>ΔU)：开关管Qbuck处于常通状态，开关管Qboost处于调制状态，同步管Qsyn处于常断状态。
当变换器工作在直通模式或升压模式时，Qbuck的驱动信号占空比为1，采用传统的变压器隔离驱动方式无法实现，因此选用双通道、栅极驱动的IR2110非自举驱动电路对变换器的开关管进行驱动。变换器的开关管Qboost的源极与控制地直接连接，称这种连接方式的开关管为低边开关管，可以通过IR2110的低端侧对其进行驱动。而变换器的开关管Qbuck与同步管Qsyn的源极均不与控制地直接连接，称这种连接方式的开关管为高边开关管，需要通过IR2110的高端侧才能对其进行驱动。
典型IR2110非自举驱动电路可以正常驱动低边开关管和处于常断或调制状态的高边开关管，但无法驱动常通状态的高边开关管，这将导致变换器无法以直通模式、升压模式启动，或以降压模式启动时同步管不工作。之所以存在这一缺陷，是因为IR2110只有在其逻辑高边输入信号出现第一个上升沿之后，其高边输出才能正常地对逻辑高边输入信号进行跟随和放大，否则高边输出将恒为低电平。
使用IR2110对Buck-Boost变换器的高边开关管进行驱动时，上述缺陷是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动电路及其方法，以解决上述技术难题。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动方法，其包括：
提供延时高电平信号；
将Buck-Boost变换器高边开关管的PWM驱动信号与该延时高电平信号相与；
将相与后的输出信号作为IR2110非自举驱动电路的逻辑高边输入信号。
上述的基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动方法，其中，将Buck-Boost变换器的Buck管和同步管的PWM驱动信号与该延时高电平信号相与。
本发明还提供了一种基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动电路，其包括：
IR2110非自举驱动电路；
辅助电源；
RC延时电路，该RC延时电路的输入端与所述辅助电源的输出端相连；
与门逻辑电路，该与门逻辑电路的输入端分别与PWM发生模块的输出端和所述RC延时电路的输出端相连，该与门逻辑电路的输出端与IR2110非自举驱动电路的逻辑高边输入端相连。
上述的基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动电路，其中，RC延时电路包括：
电阻，具有第一端及第二端，该电阻的第一端与所述辅助电源的输出端相连；
电容，具有第一端及第二端，该电容的第一端分别与所述电阻的第二端及与门逻辑电路的输入端相连，该电容的第二端接地。
上述的基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动电路，其中，所述IR2110非自举驱动电路包括：
Boost管非自举驱动电路，该Boost管非自举驱动电路的输入端与所述PWM发生模块的输出端相连；
Buck管非自举驱动电路，该Buck管非自举驱动电路的输入端与所述与门逻辑电路的输出端相连；
同步管非自举驱动电路，该同步管非自举驱动电路的输入端与所述与门逻辑电路的输出端相连。
上述的基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动电路，其中，所述与门逻辑电路包括：
第一与门，该第一与门的输入端分别与PWM发生模块的输出端和所述RC延时电路的输出端相连；该第一与门的输出端与所述Buck管驱动电路的输入端相连；
第二与门，该第二与门的输入端分别与PWM发生模块的输出端和所述RC延时电路的输出端相连；该第二与门的输出端与所述同步管驱动电路的输入端相连。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动电路及其方法，通过给高边开关管的PWM驱动信号引入一个延迟时间为Tdelay的时延，使得那些原本在变换器上电后高电平持续时间超过Tdelay的高边开关管的PWM驱动信号可以在变换器上电Tdelay时间后出现一个上升沿，以实现IR2110对高边开关管的正常驱动。本发明提出的驱动电路及驱动方法，可以保证变换器正常启动且在任意时刻、任意工作模式之间自由切换。
附图说明
图1为Buck-Boost变换器拓扑结构图；
图2为基于典型IR2110非自举驱动的buck-boost变换器；
图3为本发明的基于改进型IR2110非自举驱动的Buck-Boost变换器；
图4的(a)部分为降压模式启动下图2拓扑的相关波形，(b)部分为降压模式启动下图3拓扑的相关波形；
图5的(a)部分为直通模式启动下图2拓扑的相关波形，(b)部分为直通模式启动下图3拓扑的相关波形；
图6的(a)部分为升压模式启动下图2拓扑的相关波形，(b)部分为升压模式启动下图3拓扑的相关波形。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
本发明提供了一种基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动方法，其包括：提供延时高电平信号；将Buck-Boost变换器高边开关管的PWM驱动信号与该延时高电平信号相与；将相与后的输出信号作为IR2110非自举驱动电路的逻辑高边输入信号。在该最佳实施例中，将Buck-Boost变换器的Buck管和同步管的PWM驱动信号与该延时高电平信号相与。
本发明还提供了一种基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动电路，其包括：IR2110非自举驱动电路；辅助电源；RC延时电路，该RC延时电路的输入端与所述辅助电源的输出端相连；与门逻辑电路，该与门逻辑电路的输入端分别与PWM发生模块的输出端和所述RC延时电路的输出端相连，该与门逻辑电路的输出端与IR2110非自举驱动电路的逻辑高边输入端相连。
在该最佳实施例中，RC延时电路包括：电阻Rd，具有第一端及第二端，该电阻Rd的第一端与所述辅助电源的输出端相连；电容Cd，具有第一端及第二端，该电容Cd的第一端分别与所述电阻Rd的第二端及与门逻辑电路的输入端相连，该电容Cd的第二端接地。
在该最佳实施例中，IR2110非自举驱动电路包括：Boost管非自举驱动电路，该Boost管非自举驱动电路的输入端与所述PWM发生模块的输出端相连；Buck管非自举驱动电路，该Buck管非自举驱动电路的输入端与所述与门逻辑电路的输出端相连；同步管非自举驱动电路，该同步管非自举驱动电路的输入端与所述与门逻辑电路的输出端相连。
在该最佳实施例中，与门逻辑电路包括：第一与门G1，该第一与门G1的输入端分别与PWM发生模块的输出端和所述RC延时电路的输出端相连；该第一与门G1的输出端与所述Buck管驱动电路的输入端相连；第二与门G2，该第二与门G2的输入端分别与PWM发生模块的输出端和所述RC延时电路的输出端相连；该第二与门G2的输出端与所述同步管驱动电路的输入端相连。
Buck-Boost变换器的输入端接太阳电池阵，输出端接蓄电池和载荷，变换器的输入电压和输出电压范围均较宽。本发明提出的驱动方法，可以保证变换器正常启动且在任意时刻、任意工作模式之间自由切换。
本发明提出的Buck-Boost变换器的改进型IR2110非自举驱动电路及其方法，其创新之处在于：给高边开关管的PWM驱动信号引入一个延迟时间为Tdelay的时延，使得那些原本在变换器上电后高电平持续时间超过Tdelay的高边开关管的PWM驱动信号可以在变换器上电Tdelay时间后出现一个上升沿，以实现IR2110对高边开关管的正常驱动。具体实现方式如下所述：如图3所示，在辅助电源的一路输出Vc上并联一条RC串联支路，则电容Cd两端的电压为一个延时高电平信号。将变换器高边开关管的PWM驱动信号分别与该延时高电平信号相与，实现对高边开关管的PWM驱动信号的延时，最后将相与后的输出信号作为IR2110的逻辑高边输入信号。
图2和图3分别为基于典型IR2110非自举驱动和本发明基于改进型IR2110非自举驱动的Buck-Boost变换器，两种拓扑均包含输入电压采样模块、输入电流采样模块、输出电压采样模块、输出电流采样模块、PWM发生模块、Buck非自举驱动电路、Boost非自举驱动电路、同步管非自举驱动电路等模块。其中，本发明图3多了一个RC延时电路和一个与门逻辑电路。
由上文可知，Buck-Boost变换器能否正常工作取决于在变换器上电后Tdelay时间内IR2110能否对变换器的所有高边开关管进行正常驱动。
规定：
图2显示的拓扑：PWM发生模块产生的Qbuck、Qboost、Qsyn的PWM驱动信号分别记为Sbuck、Sboost、Ssyn。其中，Sbuck和Ssyn直接作为IR2110的逻辑高边输入信号，Sboost直接作为IR2110的逻辑低边输入信号；Sbuck、Sboost、Ssyn对应的输出信号分别记为S_buck、S_boost、S_syn。
图3显示的拓扑：延时电路产生延时高电平信号记为Sdelay，PWM发生模块产生的Qbuck、Qboost、Qsyn的PWM驱动信号分别记为Sbuck、Sboost、Ssyn。其中，Sboost直接作为IR2110的逻辑低边输入；Sbuck、Ssyn分别与Sdelay相与后作为IR2110芯片的逻辑高边输入，Sbuck、Sboost、Ssyn对应的输出信号分别记为S_buck、S_boost、S_syn。
针对变换器的降压、直通、升压三种不同启动模式，下面分别对图2显示的拓扑、图3显示的拓扑中两种IR2110非自举电路在变换器上电后Tdelay时间内的驱动情况进行分析：
降压模式启动：该启动模式下图2及图3显示的拓扑的相关波形如图4所示。由图可知，图2中高边开关管Qbuck在变换器上电一段时间后可以正常调制，使变换器工作在降压模式，这是因为此时Sbuck为调制信号，一旦Sbuck出现第一个上升沿后，IR2110的高边输出便可以对其进行正常跟随和放大。但Ssyn在该模式下恒为高电平，由前文描述可知，S_syn恒为低电平，故高边开关管Qsyn不能正常导通，所以变换器并未正常工作；图3中的两个高边开关管的PWM驱动信号在变换器上电Tdelay的时间后，在Tdelay时刻均出现了上升沿，因此IR2110可以对高边开关管Qbuck、Qsyn进行正常驱动，变换器可正常工作在降压模式。
直通模式启动：该启动模式下图2及图3显示的拓扑的相关波形如图5所示。由图可知，图2中高边开关管Qbuck、Qsyn的PWM驱动信号Sbuck、Ssyn在该模式下均恒为高电平，由前文描述可知，S_buck、S_syn均恒为低电平，故高边开关管Qbuck、Qsyn均不能正常导通，所以变换器未正常工作；图3中两个高边开关管的PWM驱动信号在变换器上电Tdelay的时间后，在Tdelay时刻均出现了上升沿，因此IR2110可以对高边开关管Qbuck、Qsyn进行正常驱动，变换器可正常工作在直通模式。
升压模式启动：该启动模式下图2及图3显示的拓扑的相关波形如图6所示。由图可知，图2中高边开关管Qbuck的PWM驱动信号Sbuck在该模式下恒为高电平，由前文描述可知，S_buck恒为低电平，故高边开关管Qbuck不能正常导通，所以变换器未正常工作；图3中高边开关管Qbuck的PWM驱动信号在变换器上电Tdelay的时间后，在Tdelay时刻出现了上升沿，因此IR2110可以对高边开关管Qbuck进行正常驱动，变换器可正常工作在升压模式。
综上所述，本发明提出的基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动电路及其方法，通过给高边开关管的PWM驱动信号引入一个延迟时间为Tdelay的时延，使得那些原本在变换器上电后高电平持续时间超过Tdelay的高边开关管的PWM驱动信号可以在变换器上电Tdelay时间后出现一个上升沿，以实现IR2110对高边开关管的正常驱动。本发明提出的驱动电路及驱动方法，可以保证变换器正常启动且在任意时刻、任意工作模式之间自由切换。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动方法，其特征在于，包括：
提供延时高电平信号；
将Buck-Boost变换器高边开关管的PWM驱动信号与该延时高电平信号相与；
将相与后的输出信号作为IR2110非自举驱动电路的逻辑高边输入信号。
2.如权利要求1所述的基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动方法，其特征在于，将Buck-Boost变换器的Buck管和同步管的PWM驱动信号与该延时高电平信号相与。
3.一种基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动电路，其特征在于，包括：
IR2110非自举驱动电路；
辅助电源；
RC延时电路，该RC延时电路的输入端与所述辅助电源的输出端相连；
与门逻辑电路，该与门逻辑电路的输入端分别与PWM发生模块的输出端和所述RC延时电路的输出端相连，该与门逻辑电路的输出端与IR2110非自举驱动电路的逻辑高边输入端相连。
4.如权利要求3所述的基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动电路，其特征在于，RC延时电路包括：
电阻，具有第一端及第二端，该电阻的第一端与所述辅助电源的输出端相连；
电容，具有第一端及第二端，该电容的第一端分别与所述电阻的第二端及与门逻辑电路的输入端相连，该电容的第二端接地。
5.如权利要求3所述的基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动电路，其特征在于，所述IR2110非自举驱动电路包括：
Boost管非自举驱动电路，该Boost管非自举驱动电路的输入端与所述PWM发生模块的输出端相连；
Buck管非自举驱动电路，该Buck管非自举驱动电路的输入端与所述与门逻辑电路的输出端相连；
同步管非自举驱动电路，该同步管非自举驱动电路的输入端与所述与门逻辑电路的输出端相连。
6.如权利要求5所述的基于Buck-Boost变换器的IR2110驱动电路，其特征在于，所述与门逻辑电路包括：
第一与门，该第一与门的输入端分别与PWM发生模块的输出端和所述RC延时电路的输出端相连；该第一与门的输出端与所述Buck管驱动电路的输入端相连；
第二与门，该第二与门的输入端分别与PWM发生模块的输出端和所述RC延时电路的输出端相连；该第二与门的输出端与所述同步管驱动电路的输入端相连。
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GR01 Patent grant
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