CN112051885A - 一种电压调节电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压调节电路及方法，所述电压调节电路包括功率管及其驱动控制电路，功率管接收输入电压，通过驱动控制电路调节所述功率管，以输出预期输出电压；驱动控制电路与功率管的控制端连接，所述输入电压设有高电位端和低电位端；功率管的其中一个功率端与所述输入电压之高电位端和低电位端中的一端连接，与功率管连接的一端作为输入电压的第一端，另一端作为输入电压的第二端，输入电压的第二端与所述功率管的另一个功率端共同作为输出端；在包含输入电压和功率管的回路中串联至少一个阻抗元件，在功率管的温度达到温度上限时，则所述功率管则工作于开关模式。本发明中，使功率管发热量大幅减少，有利于提升电路的防雷击和浪涌功能。

Description

一种电压调节电路及方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种电压调节电路及方法。

背景技术

线性电压调节电路是实现输入输出电压转换的一种电路实现形式。当输入输出电压为高压时，如上百伏甚至几百伏，则功率管的两端也会承受相应的高压，在持续高压的使用情况下，会导致功率管发热，温度过高则会影响电压调节电路的正常工作，触发过温保护，甚至损坏功率管。

现有技术采用如图1所示的电压调节电路，接收输入电压Vin，通过调节功率管M20所承受的电压，从而在输出端输出预期的输出电压Vout。以输入电压Vin为500V，预期输出电压为400V为例，那么，功率管M20则需要承受100V的电压，并工作于线性区。但长时间承受如此高的电压容易导致功率管M20温度过高，从而影响电路的正常工作。此外，现有技术中缺乏低功耗的防雷击功能，若在电力行业领域适用，则存在安全隐患。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种降低功率管发热的电压调节电路，用以解决现有技术存在的功率管发热较大的技术问题。

本发明的技术解决方案是，提供一种以下结构的电压调节电路，电压调节电路，包括功率管及其驱动控制电路，所述功率管接收输入电压，通过驱动控制电路调节所述功率管，以输出预期输出电压；

所述功率管设有第一功率端、第二功率端和控制端，所述的驱动控制电路与所述功率管的控制端连接，所述输入电压设有高电位端和低电位端；

所述功率管的其中一个功率端与所述输入电压之高电位端和低电位端中的一端连接，与功率管连接的一端作为输入电压的第一端，另一端作为输入电压的第二端，所述输入电压的第二端与所述功率管的另一个功率端共同作为输出端，二者之间的电压作为输出电压；

在包含输入电压和功率管的回路中串联至少一个阻抗元件，在功率管的温度达到第一温度触发阈值时，则所述功率管则工作于开关模式。

可选的，在所述开关模式下，所述功率管导通后，当输出电压达到第一阈值时，所述功率管关断，当输出电压下降至第二阈值时，所述功率管再次导通，当所述功率管的温度低于第二温度触发阈值时，则退出开关模式；所述第一阈值大于所述第二阈值，所述第一温度触发阈值大于所述第二温度触发阈值。

可选的，在非开关模式下，所述功率管两端的电压为输入电压与预期输出电压之差。

可选的，在功率管导通期间，功率管与输入电压之间构成的回路中，电流流经所述阻抗元件所产生的热量大于所述功率管所产生的热量，所述功率管关断期间，功率管和所述阻抗元件均不产生热量。

可选的，所述输出端连接有开关电源，所述开关电源对所述输出电压进行电压转换后，输出供电电压，通过所述供电电压对负载供电。

可选的，所述开关电源为反激式变换器，所述电压调节电路的输出端连接反激式变换器的原边输入端，所述反激式变换器的原边部分包括原边电感和原边开关管，所述原边电感和原边开关管连接，二者的公共端经单向导通元件、第一电阻与所述功率管的控制端连接。

可选的，所述阻抗元件为电阻或开关管，所述阻抗元件接入回路的阻值在20欧姆～100欧姆之间。

本发明还提供的另一技术解决方案是，提供一种电压调节方法，基于上述电压调节电路，包括以下步骤：

1)输入电压对功率管供电，所述功率管工作于线性区，通过驱动控制电路调节所述功率管，以在输出端输出预期输出电压；

2)在功率管的温度达到第一温度触发阈值时，则所述功率管则工作于开关模式，在所述开关模式下，所述功率管导通后，当输出电压达到第一阈值时，所述功率管关断，当输出电压下降至第二阈值时，所述功率管再次导通，当所述功率管的温度低于第二温度触发阈值时，则退出开关模式；所述第一阈值大于所述第二阈值。

可选的，在电压调节电路的输出端连接有开关电源，所述开关电源对所述输出电压进行电压转换后，输出供电电压，通过所述供电电压对负载供电。

可选的，所述开关电源为反激式变换器，输出电压对反激式变换器供电时，则所述输出电压的输出端连接所述反激式变换器的原边输入端，所述反激式变换器的原边部分包括原边电感和原边开关管，所述原边电感和原边开关管连接，二者的公共端经单向导通元件与所述功率管的控制端连接；所述原边电感和原边开关管公共端的电压高于输出电压，在输入电压较低时，经单向导通元件向功率管的控制端传输电压以使功率管导通和对驱动控制电路供电。

采用本发明的电路结构和方法，与现有技术相比，具有以下优点：本发明中，在主回路中接入了阻抗元件，在功率管温度过高时，所述功率管进入开关模式，输入电压主要施加于阻抗元件上，在功率管导通期间发热量大幅减少，从而使功率管恢复正常温度；由于接入了阻抗元件，有利于提升电路的防雷击和浪涌功能。

附图说明

图1为现有技术线性稳压电路的电路结构图；

图2为本发明电压调节电路的电路结构图；

图3为本发明工作波形示意图；

图4为模式控制结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图2所示，示意了本发明电压调节电路的电路结构。所述电压调节电路包括功率管M1及其驱动控制电路，所述功率管M1接收输入电压Vin，通过驱动控制电路调节所述功率管M1，以输出预期的输出电压；

在本实施例中，所述功率管M1设有第一功率端(漏极D)、第二功率端(源极S)和控制端(门极G)，所述的驱动控制电路设有第一端、第二端和第三端，所述功率管的控制端与所述驱动控制电路的第一端连接，所述驱动控制电路的第二端与所述功率管M1的第二功率端连接；所述功率管M1的第一功率端与输入电压Vin的高电位端连接，功率管的第一功率端与功率管的控制端之间连接有第一电阻R1；所述驱动控制电路的第三端连接有第二电阻R2；

所述输入电压Vin的低电位端与功率管M1的第二功率端之间的电压作为输出电压Vout。

同样地，功率管M1也可以连接在输入电压Vin的低电位端，功率管M1的一端与输入电压Vin的低电位端作为输出端。因此，概括地说，所述功率管M1的其中一个功率端与所述输入电压之高电位端和低电位端中的一端连接，与功率管连接的一端作为输入电压的第一端，另一端作为输入电压的第二端，所述输入电压的第二端与所述功率管的另一个功率端共同作为输出端，二者之间的电压作为输出电压。

在上述结构的基础上，在包含输入电压Vin和功率管M1的回路中串联至少一个阻抗元件，在功率管的温度达到第一温度触发阈值T1时，则所述功率管M1则工作于开关模式。在本实施例中，所述阻抗元件为第三电阻R3。阻抗元件还可以是电阻串联或并联结构、MOS管，将功率管M1的热量“转移”至MOS管，在这样的情况下MOS管工作于饱和区。

输入电压Vin上电后，所述第一电阻R1拉升所述功率管M1控制端的电压，以使得功率管导通，所述功率管M1的第二功率端产生输出电压并对所述驱动控制电路供电。

所述驱动控制电路集成于芯片内，所述第二电阻R2为外置电阻。所述第一电阻R1上并联有第一电容C11；所述第一电容C11通过电容分压，也可实现防雷击功能。

在所述开关模式下，所述功率管M1导通后，当输出电压Vout达到第一阈值Vth1时，所述功率管M1关断，当输出电压下降至第二阈值Vth2时，所述功率管M1再次导通，当所述功率管M1的温度低于第二温度触发阈值T2时，则退出开关模式；所述第一阈值Vth1大于所述第二阈值Vth2，所述第一温度触发阈值T1大于所述第二温度触发阈值T2。

在非开关模式下，所述功率管M1两端的电压为输入电压Vin与预期输出电压之差。虽然回路中的电阻会产生压降，但该压降相对输入电压Vin来说，相差较大，故在理论上，所述功率管M1两端的电压为输入电压Vin与预期输出电压之差，并不要求精确相等。

在功率管M1导通期间，功率管M1与输入电压Vin之间构成的回路中，电流流经所述阻抗元件(本实施例中为R3)所产生的热量大于所述功率管Vin所产生的热量，所述功率管Vin关断期间，功率管Vin和所述阻抗元件均不产生热量。在功率管导通期间发热量大幅减少，从而使功率管恢复正常温度。

所述输出端连接有开关电源，所述开关电源对所述输出电压进行电压转换后，输出供电电压，通过所述供电电压对负载供电。

所述开关电源为反激式变换器，所述电压调节电路的输出端连接反激式变换器的原边输入端，所述反激式变换器的原边部分包括原边电感L1和原边开关管M2，所述原边电感L1和原边开关管M2连接，二者的公共端经单向导通元件、第三电阻R3与所述功率管M1的控制端连接。采用该部分设计，当输入电压Vin较低时，能够抬升M1控制端的电压，并保持功率管M1的开启，并实现其第二功率端对驱动控制电路稳定供电。所述单向导通元件包括二极管D3，由于所述二极管D3的存在，H点的电压高于功率管控制端G的电压，二极管D1则主要防止反向导通，二极管D3也可作为所述单向导通元件的一部分。

如图3所示，示意了输出电压Vo的波形，并示意了输出电压Vo与第一阈值Vth1、第二阈值Vth2的关系，在该实施例中，第一阈值Vth1大于所述第二阈值Vth2，在开关模式，一个周期内的平均输出电压，接近非开关模式下的输出电压，并不要求二者完全相等。另外，非开关模式下的输出电压可以与第一阈值Vth1或第二阈值Vth2相等。

如图4所示，示意了模式控制结构。该模式控制结构位于驱动控制电路中，所述驱动控制电路与功率管M1封装在一起，因此，检测封装体的温度就能表征功率管M1的温度，所述模式控制结构包括温度检测模块和比较电路，所述比较电路为迟滞比较器Comp1。所述温度检测模块检测封装体内的温度，获得温度值为Ts，并用电压VTs来表征，通过参数设置所述迟滞比较器Comp1的上门限和下门限，使得其上门限为电压VT1，下门限为电压VT2，电压VT1表征第一温度触发阈值，电压VT2表征第二温度触发阈值。在VT1～VT2之间为回差，迟滞比较器Comp1的状态不变。迟滞比较器Comp1的输出端与功率管的控制端G连接。

本发明提供了一种电压调节方法，基于上述电压调节电路，包括以下步骤：

1)输入电压对功率管供电，所述功率管工作于线性区，通过驱动控制电路调节所述功率管，以在输出端输出预期输出电压；

2)在功率管的温度达到第一温度触发阈值时，则所述功率管则工作于开关模式，在所述开关模式下，所述功率管导通后，当输出电压达到第一阈值时，所述功率管关断，当输出电压下降至第二阈值时，所述功率管再次导通，当所述功率管的温度低于第二温度触发阈值时，则退出开关模式；所述第一阈值大于所述第二阈值。

所述第二电阻为外置电阻，通过设置第二电阻的阻值可以设置输出电压的值。

输出电压对反激式变换器供电时，则所述输出电压的输出端连接所述反激式变换器的原边输入端，所述反激式变换器的原边部分包括原边电感和原边开关管，所述原边电感和原边开关管连接，二者的公共端经单向导通元件与所述功率管的控制端连接；所述原边电感和原边开关管公共端的电压高于输出电压，在输入电压较低时，经单向导通元件向功率管的控制端传输电压以使功率管导通和对驱动控制电路供电。

本发明电压调节方法中，与电压调节电路相同的技术特征可参考对电压调节电路的描述，二者的部分特征可相互替换和借鉴。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电压调节电路，包括功率管及其驱动控制电路，所述功率管接收输入电压，通过驱动控制电路调节所述功率管，以输出预期输出电压；其特征在于：

所述功率管设有第一功率端、第二功率端和控制端，所述的驱动控制电路与所述功率管的控制端连接，所述输入电压设有高电位端和低电位端；

所述功率管的其中一个功率端与所述输入电压之高电位端和低电位端中的一端连接，与功率管连接的一端作为输入电压的第一端，另一端作为输入电压的第二端，所述输入电压的第二端与所述功率管的另一个功率端共同作为输出端，二者之间的电压作为输出电压；

在包含输入电压和功率管的回路中串联至少一个阻抗元件，在功率管的温度达到第一温度触发阈值时，则所述功率管则工作于开关模式。

2.根据权利要求1所述的电压调节电路，其特征在于：在所述开关模式下，所述功率管导通后，当输出电压达到第一阈值时，所述功率管关断，当输出电压下降至第二阈值时，所述功率管再次导通，当所述功率管的温度低于第二温度触发阈值时，则退出开关模式；所述第一阈值大于所述第二阈值，所述第一温度触发阈值大于所述第二温度触发阈值。

3.根据权利要求1或2所述的电压调节电路，其特征在于：在非开关模式下，所述功率管两端的电压为输入电压与预期输出电压之差。

4.根据权利要求1或2所述的电压调节电路，其特征在于：在功率管导通期间，功率管与输入电压之间构成的回路中，电流流经所述阻抗元件产生的热量大于所述功率管所产生的热量，所述功率管关断期间，功率管和所述阻抗元件均不产生热量。

5.根据权利要求2所述的电压调节电路，其特征在于：所述输出端连接有开关电源，所述开关电源对所述输出电压进行电压转换后，输出供电电压，通过所述供电电压对负载供电。

6.根据权利要求2所述的电压调节电路，其特征在于：所述开关电源为反激式变换器，所述电压调节电路的输出端连接反激式变换器的原边输入端，所述反激式变换器的原边部分包括原边电感和原边开关管，所述原边电感和原边开关管连接，二者的公共端经单向导通元件、第一电阻与所述功率管的控制端连接。

7.根据权利要求6所述的电压调节电路，其特征在于：所述阻抗元件为电阻或开关管，所述阻抗元件接入回路的阻值在20欧姆～100欧姆之间。

8.一种基于权利要求1-7所述的电压调节电路的电压调节方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)输入电压对功率管供电，所述功率管工作于线性区，通过驱动控制电路调节所述功率管，以在输出端输出预期输出电压；

2)在功率管的温度达到第一温度触发阈值时，则所述功率管则工作于开关模式，在所述开关模式下，所述功率管导通后，当输出电压达到第一阈值时，所述功率管关断，当输出电压下降至第二阈值时，所述功率管再次导通，当所述功率管的温度低于第二温度触发阈值时，则退出开关模式；所述第一阈值大于所述第二阈值。

9.根据权利要求8所述的电压调节方法，其特征在于：在电压调节电路的输出端连接有开关电源，所述开关电源对所述输出电压进行电压转换后，输出供电电压，通过所述供电电压对负载供电。

10.根据权利要求8或9所述的电压调节方法，其特征在于：所述开关电源为反激式变换器，输出电压对反激式变换器供电时，则所述输出电压的输出端连接所述反激式变换器的原边输入端，所述反激式变换器的原边部分包括原边电感和原边开关管，所述原边电感和原边开关管连接，二者的公共端经单向导通元件与所述功率管的控制端连接；所述原边电感和原边开关管公共端的电压高于输出电压，在输入电压较低时，经单向导通元件向功率管的控制端传输电压以使功率管导通和对驱动控制电路供电。

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