專利名稱：基于MOSFET的自激式Cuk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(DC-DC)變換器，應(yīng)用于開關(guān)穩(wěn)壓或穩(wěn)流電源、高亮度LED驅(qū)動電路等，尤其是一種自激式Cuk變換器。
背景技術(shù)：
與線性(穩(wěn)壓或穩(wěn)流)調(diào)節(jié)器和他激式DC-DC變換器相比，自激式DC-DC變換器具有性價比高的顯著優(yōu)點。圖1給出的是一種基于BJT (雙極型晶體管)的自激式Cuk變換器，包括由輸入電容Ci、電感Li、二極管Dl、NPN型BJT Q1、電容C、二極管D、電感L2和輸出電容Co組成的Cuk變換器主回路，輸入電容Ci與直流電壓源Vi并聯(lián)，輸出電容Co兩端電壓為直流輸出電壓Vo，負(fù)載Ro與輸出電容Co并聯(lián)，直流電壓源Vi的負(fù)端與直流輸出電壓Vo的正端、NPN型BJT Ql的發(fā)射極以及二極管D的陰極相連，直流電壓源Vi的正端與電感Ll的一端相連，電感Ll的另一端與二極管Dl的陽極相連，二極管Dl的陰極與NPN 型BJT Ql的集電極以及電容C的一端相連，電容C的另一端與二極管D的陽極以及電感L2 的一端相連，電感L2的另一端與輸出電壓Vo的負(fù)端相連。圖1所示基于BJT的自激式Cuk 變換器還包括NPN型BJT Q2，NPN型BJT Q2的集電極和發(fā)射極分別與NPN型BJT Ql的基極和發(fā)射極相連，NPN型BJT Ql的基極還通過電阻Rl接于直流電壓源Vi的正端，電阻R3 和電容C1組成并聯(lián)支路，所述并聯(lián)支路的一端與二極管Dl的陽極相連，所述并聯(lián)支路的另一端與NPN型BJT Q2的基極以及電阻R2的一端相連，電阻R2的另一端與NPN型BJT Q2的發(fā)射極相連。圖1所示基于BJT的自激式Cuk變換器還包括電壓反饋支路，穩(wěn)壓管Zl的陰極與直流電壓源Vi的負(fù)端相連，穩(wěn)壓管Zl的陽極與電阻R5的一端以及NPN型BJT Q3的基極相連，NPN型BJT Q3的發(fā)射極與電阻R5的另一端以及直流輸出電壓Vo的負(fù)端相連， NPN型BJT Q3的集電極通過電阻R4與NPN型BJT Ql的基極相連。該電路的不足之處在于主開關(guān)管Ql采用BJT，因BJT的工作特性導(dǎo)致電路效率不夠高，比較適合小功率(數(shù)瓦級以下)的場合。

發(fā)明內(nèi)容
為克服基于BJT的自激式Cuk變換器效率不夠高以及僅僅適用于小功率的不足， 本發(fā)明提供一種效率較高、適用功率范圍較寬的基于MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)的自激式Cuk變換器。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基于MOSFET的自激式Cuk變換器，包括由輸入電容Ci、電感Li、N型MOSFET Ml、電容C、二極管D、電感L2和電容Co組成的Cuk變換器主回路，輸入電容Ci與直流電壓源Vi并聯(lián)，輸出電容Co兩端電壓為直流輸出電壓Vo，負(fù)載Ro與輸出電容Co并聯(lián)，直流電壓源Vi的正端與電感Ll的一端相連，電感Ll的另一端與N型MOSFET Ml的漏極以及電容 C的一端相連，N型MOSFET Ml的源極與電阻R3的一端相連，電阻R3的另一端與直流電壓源Vi的負(fù)端、二極管D的陰極以及直流輸出電壓Vo的正端相連，電容C的另一端與二極管D的陽極以及電感L2的一端相連，電感L2的另一端與輸出電壓Vo的負(fù)端相連；所述基于 MOSFET的自激式Cuk變換器還包括輔助電源U1、驅(qū)動電路U2和滯環(huán)比較器U3 ；輔助電源 Ul用于提供驅(qū)動電路U2和滯環(huán)比較器U3工作所需的直流電源電壓，對直流輸入電壓Vi進(jìn)行升壓或降壓的變換處理；驅(qū)動電路U2的輸入端與滯環(huán)比較器U3的輸出端連接，驅(qū)動電路 U2的輸出端與N型M0SFETM1的門極相連，驅(qū)動電路U2為N型MOSFET Ml的開通和關(guān)斷提供驅(qū)動；滯環(huán)比較器U3的輸入端與電容Cl、電阻Rl和電阻R2的一端相連，電容Cl的另一端與直流電壓源Vi的負(fù)端相連，電阻Rl的另一端與二極管Dl的陰極相連，電阻R2的另一端與二極管D2的陽極相連，二極管Dl的陽極和二極管D2的陰極與N型MOSFET Ml的漏極相連。所述基于MOSFET的自激式Cuk變換器還包括過流保護(hù)支路，所述過流保護(hù)支路包括電阻R5、電容C2和NPN型BJT Ql,電阻R5的一端與N型MOSFET Ml的源極相連，電阻R5 的另一端與電容C2的一端以及NPN型BJT Ql的基極相連，電容C2的另一端與NPN型BJT Ql的發(fā)射極以及直流電壓源Vi的負(fù)端相連，NPN型BJT Ql的集電極與滯環(huán)比較器U3的輸入端相連。作為優(yōu)選的一種方案所述基于MOSFET的自激式Cuk變換器還包括電壓反饋支路，所述電壓反饋支路包括電阻R6、電容C3、電阻R7、NPN型BJT Q2和電阻R4，電阻R6和電容C3組成并聯(lián)支路，所述并聯(lián)支路的一端與直流輸出電壓Vo的正端相連，所述并聯(lián)支路的另一端與電阻R7的一端以及NPN型BJT Q2的基極相連，NPN型BJT Q2的發(fā)射極與電阻 R7的另一端以及直流輸出電壓Vo的負(fù)端相連，NPN型BJT Q2的集電極通過電阻R4與滯環(huán)比較器U3的輸入端相連。作為優(yōu)選的另一種方案所述基于MOSFET的自激式Cuk變換器還包括電流反饋支路，所述電流反饋支路包括檢測電阻R8、電壓放大器U4、電阻R6、電容C3、電阻R7、NPN型 BJT Q2和電阻R4，檢測電阻R8與負(fù)載Ro組成串聯(lián)支路，所述串聯(lián)支路與輸出電容Co并聯(lián)， 檢測電阻R8的一端與直流電壓源Vi的負(fù)端相連，檢測電阻R8的另一端與負(fù)載Ro的一端以及電壓放大器U4的輸入端相連，電阻R6和電容C3組成并聯(lián)支路，所述并聯(lián)支路的一端與電壓放大器U4的輸出端相連，所述并聯(lián)支路的另一端與電阻R7的一端以及NPN型BJT Q2 的基極相連，NPN型BJT Q2的發(fā)射極與電阻R7的另一端以及直流電壓源Vi的負(fù)端相連， NPN型BJT Q2的集電極通過電阻R4與滯環(huán)比較器U3的輸入端相連。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為將單MOSFET基本自激單元電路應(yīng)用于Cuk變換器中，使之成為新的自激式DC-DC變換器(如圖2、3所示)。單MOSFET基本自激單元電路由N型 MOSFET Ml、二極管Dl、二極管D2、電阻R1、電阻R2、電容Cl、滯環(huán)比較器U3和驅(qū)動電路U2 組成。其特征如下M1為Cuk變換器主回路中的開關(guān)器件，Ml的門極與驅(qū)動電路U2的輸出端相連，Ml的漏極與二極管Dl的陽極和二極管D2的陰極相連，Dl的陰極與電阻Rl的一端相連，D2的陽極與電阻R2的一端相連，電阻Rl和電阻R2的另一端都與滯環(huán)比較器U3的輸入端以及電容Cl的一端相連，電容Cl的另一端接于直流電壓源Vi的負(fù)端，滯環(huán)比較器 U3的輸出端與驅(qū)動電路U2的輸入端相連。為獲得穩(wěn)定的直流輸出電壓，在Cuk變換器主回路的輸出端與單MOSFET基本自激單元電路的端口之間可增加一條電壓反饋支路，可由NPN型BJT Q2、電阻R4、電阻R6、電阻 R7和電容C3等組成(如圖2)。為獲得穩(wěn)定的直流輸出電流，在Cuk變換器主回路的輸出端與單MOSFET基本自激單元電路的端口之間可增加一條電流反饋支路，可由NPN型BJT Q2、 電阻R4、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電容C3和電壓放大器U4等組成(如圖3)。為防止Ml 過流，在Cuk變換器主回路的輸出端與單MOSFET基本自激單元電路的端口之間可增加一條過流保護(hù)支路，可由電阻R3、電阻R5、電容C2、NPN型BJTQl等組成(如圖2和圖3)。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在本發(fā)明提出基于MOSFET的自激式Cuk變換器具有升降壓的電壓變換功能，電路結(jié)構(gòu)簡單、效率高，適合中小功率(數(shù)十瓦級以上)開關(guān)穩(wěn)壓或穩(wěn)流電源、高亮度LED驅(qū)動電路等應(yīng)用。


圖1是現(xiàn)有基于BJT的自激式Cuk變換器電路圖。圖2是基于MOSFET的自激式Cuk變換器實施例1電路圖。圖3是基于MOSFET的自激式Cuk變換器實施例2電路圖。圖4是基于MOSFET的自激式Cuk變換器實施例1和實施例2中滯環(huán)比較器U3的輸入-輸出電壓特性圖。圖5是基于MOSFET的自激式Cuk變換器實施例1在電感電流連續(xù)工作模式下的理想波形圖。圖6是基于MOSFET的自激式Cuk變換器實施例2在電感電流連續(xù)工作模式下的理想波形圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。實施例1參照圖2、圖4和圖5，一款基于MOSFET的自激式Cuk變換器，包括由輸入電容Ci、 電感Ll、N型MOSFET Ml、電容C、二極管D、電感L2和電容Co組成的Cuk變換器主回路，輸入電容Ci與直流電壓源Vi并聯(lián)，輸出電容Co兩端電壓為直流輸出電壓Vo，負(fù)載Ro與輸出電容Co并聯(lián)，直流電壓源Vi的正端與電感Ll的一端相連，電感Ll的另一端與N型MOSFET Ml的漏極以及電容C的一端相連，N型MOSFET Ml的源極與電阻R3的一端相連，電阻R3的另一端與直流電壓源Vi的負(fù)端、二極管D的陰極以及直流輸出電壓Vo的正端相連，電容C 的另一端與二極管D的陽極以及電感L2的一端相連，電感L2的另一端與輸出電壓Vo的負(fù)端相連；所述基于MOSFET的自激式Cuk變換器還包括輔助電源Ul、驅(qū)動電路U2和滯環(huán)比較器U3，輔助電源Ul用于提供驅(qū)動電路U2和滯環(huán)比較器U3工作所需的各種直流電源電壓， 根據(jù)實際需要可對直流輸入電壓Vi進(jìn)行升壓或降壓的變換處理；驅(qū)動電路U2的輸入端與滯環(huán)比較器U3的輸出端連接，驅(qū)動電路U2的輸出端與N型MOSFET Ml的門極相連，驅(qū)動電路U2為N型MOSFET Ml (即主開關(guān)管)的開通和關(guān)斷提供必要的驅(qū)動。滯環(huán)比較器U3的輸入端與電容Cl、電阻Rl和電阻R2的一端相連，電容Cl的另一端與直流電壓源Vi的負(fù)端相連，電阻Rl的另一端與二極管Dl的陰極相連，電阻R2的另一端與二極管D2的陽極相連，二極管Dl的陽極和二極管D2的陰極與N型MOSFET Ml的漏極相連。 圖2所示為基于MOSFET的自激式Cuk變換器實施例1，采用了過流保護(hù)支路，所述過流保護(hù)支路包括電阻R5、電容C2和NPN型BJT Ql,電阻R5的一端與N型MOSFET Ml的源極相連，電阻R5的另一端與電容C2的一端以及NPN型BJT Ql的基極相連，電容C2的另一端與NPN型BJT Ql的發(fā)射極以及直流電壓源Vi的負(fù)端相連，NPN型BJT Ql的集電極與滯環(huán)比較器U3的輸入端相連；還采用了電壓反饋支路，所述電壓反饋支路包括電阻R6、電容C3、電阻R7、NPN型BJT Q2和電阻R4，電阻R6和電容C3組成并聯(lián)支路，所述并聯(lián)支路的一端與直流輸出電壓Vo的正端相連，所述并聯(lián)支路的另一端與電阻R7的一端以及NPN型 BJT Q2的基極相連，NPN型BJT Q2的發(fā)射極與電阻R7的另一端以及直流輸出電壓Vo的負(fù)端相連，NPN型BJT Q2的集電極通過電阻R4與滯環(huán)比較器U3的輸入端相連。圖5所示基于MOSFET的自激式Cuk變換器實施例1在電感電流連續(xù)工作模式下的理想波形圖。其電路工作原理具體如下⑴電路上電啟動階段電路上電后，輔助電源 Ul開始工作，將直流輸入電壓Vi轉(zhuǎn)換成驅(qū)動電路U2和滯環(huán)比較器U3工作所需的電壓。隨后，驅(qū)動電路U2和滯環(huán)比較器U3也開始工作。剛開始即t = tO,電容Cl的端電壓vcl為零，因vcl小于U3的下限參考電壓Vrefl，U3輸出vp低電平，經(jīng)過U2功率放大輸出vgl低電平，Ml關(guān)斷，二極管D導(dǎo)通，由Vi、Ci、Li、C、D形成回路，電感Ll充電，電感電流iLl增力口，電容C充電，電壓vc上升，電壓vdl等于vc。同時，Cl通過Dl和Rl充電，電壓vcl上升。當(dāng)vcl上升至U3的上限參考電壓Vref2即t = tl，U3輸出vp高電平，經(jīng)過U2功率放大輸出vgl高電平，Ml導(dǎo)通。Ml導(dǎo)通后，D截止，電壓vdl等于零，由Vi、Ci、Li、Ml、R3形成回路，由C、Ml、R3、Co、Ro、L2形成另一回路，電感Ll和L2充電，電感電流iLl和iL2增加，輸出電容Co充電，輸出電壓vo上升。同時Cl通過D2和R2放電，電壓vcl下降。當(dāng) vcl下降至U3的下限參考電壓Vrefl即t = t2，U3輸出vp低電平，經(jīng)過U2功率放大輸出 vgl低電平，Ml再次關(guān)斷，電路進(jìn)入下一個自激周期。Ml關(guān)斷時，D導(dǎo)通，電感L2處于放電狀態(tài)，電感電流iL2減小，若電容C端電壓vc小于直流輸入電壓Vi，電感Ll就會處于充電狀態(tài)，電感電流iLl增加；若電容C端電壓vc大于直流輸入電壓Vi，電感Ll就會處于放電狀態(tài)，電感電流iLl減小。歷經(jīng)若干個周期，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過程，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始起作用。當(dāng)輸出電壓高于設(shè)定值Vo時，Q2導(dǎo)通，通過加大電容Cl的放電電流縮短Ml的導(dǎo)通時間(即t5-t4)、延長Ml的關(guān)斷時間(即t4-t3)，實現(xiàn)輸出電壓的降低。當(dāng)輸出電壓低于設(shè)定值Vo時，Q2關(guān)斷，單MOSFET基本自激單元電路獨立工作，Ml的導(dǎo)通和關(guān)斷時間又恢復(fù)原樣，實現(xiàn)輸出電壓的提升。由此，電路可實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。實施例1電路工作后，無論是啟動狀態(tài)還是穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)，只要Ml出現(xiàn)過流，過流保護(hù)支路就會起作用。當(dāng)R3、R5和C2檢測到Ml過流，Ql會立即導(dǎo)通，瞬間加大電容Cl的放電電流，待vcl下降并低于U3的下限參考電壓Vrefl后Ml就會關(guān)斷，阻止Ml中電流繼續(xù)增加。實施例2參照圖3、圖4和圖6，本實施例還包括電流反饋支路，所述電流反饋支路包括檢測電阻R8、電壓放大器U4、電阻R6、電容C3和電阻R7、NPN型BJT Q2和電阻R4，檢測電阻R8 與負(fù)載Ro組成串聯(lián)支路，所述串聯(lián)支路與輸出電容Co并聯(lián)，檢測電阻R8的一端與直流電壓源Vi的負(fù)端相連，檢測電阻R8的另一端與負(fù)載Ro的一端以及電壓放大器U4的輸入端相連，電阻R6和電容C3組成并聯(lián)支路，所述并聯(lián)支路的一端與電壓放大器U4的輸出端相連，所述并聯(lián)支路的另一端與電阻R7的一端以及NPN型BJT Q2的基極相連，NPN型BJTQ2 的發(fā)射極與電阻R7的另一端以及直流電壓源Vi的負(fù)端相連，NPN型BJT Q2的集電極通過電阻R4與滯環(huán)比較器U3的輸入端相連。本實施例的電路工作原理具體如下(1)電路上電啟動階段與實施例1相同，歷經(jīng)若干個周期，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過程，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始起作用。當(dāng)輸出電流高于設(shè)定值Io時，Q2導(dǎo)通，通過加大電容Cl的放電電流縮短Ml的導(dǎo)通時間(即t5-t4)、延長Ml的關(guān)斷時間(即t4-t3)，實現(xiàn)輸出電流的降低。當(dāng)輸出電流低于設(shè)定值Io時，Q2關(guān)斷，單MOSFET基本自激單元電路獨立工作，Ml的導(dǎo)通和關(guān)斷時間又恢復(fù)原樣，實現(xiàn)輸出電流的提升。由此，電路可實現(xiàn)輸出穩(wěn)流。本實施例的其他電路結(jié)構(gòu)與實施例1相同。本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍的不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
權(quán)利要求
1.一種基于MOSFET的自激式Cuk變換器，其特征在于包括由輸入電容Ci、電感Ll、N 型MOSFET Ml、電容C、二極管D、電感L2和電容Co組成的Cuk變換器主回路，輸入電容Ci 與直流電壓源Vi并聯(lián)，輸出電容Co兩端電壓為直流輸出電壓Vo，負(fù)載Ro與輸出電容Co并聯(lián)，直流電壓源Vi的正端與電感Ll的一端相連，電感Ll的另一端與N型MOSFET Ml的漏極以及電容C的一端相連，N型MOSFET Ml的源極與電阻R3的一端相連，電阻R3的另一端與直流電壓源Vi的負(fù)端、二極管D的陰極以及直流輸出電壓Vo的正端相連，電容C的另一端與二極管D的陽極以及電感L2的一端相連，電感L2的另一端與輸出電壓Vo的負(fù)端相連；所述基于MOSFET的自激式Cuk變換器還包括輔助電源U1、驅(qū)動電路U2和滯環(huán)比較器 U3，輔助電源Ul用于提供驅(qū)動電路U2和滯環(huán)比較器U3工作所需的直流電源電壓，對直流輸入電壓Vi進(jìn)行升壓或降壓的變換處理；驅(qū)動電路U2的輸入端與滯環(huán)比較器U3的輸出端連接，驅(qū)動電路U2的輸出端與N型MOSFET Ml的門極相連，驅(qū)動電路U2為N型MOSFET Ml的開通和關(guān)斷提供驅(qū)動；滯環(huán)比較器U3的輸入端與電容Cl、電阻Rl和電阻R2的一端相連，電容Cl的另一端與直流電壓源Vi的負(fù)端相連，電阻Rl的另一端與二極管Dl的陰極相連，電阻R2的另一端與二極管D2的陽極相連，二極管Dl的陽極和二極管D2的陰極與N型 MOSFET Ml的漏極相連。
2.如權(quán)利要求1所述基于MOSFET的自激式Cuk變換器，其特征在于所述基于MOSFET 的自激式Cuk變換器還包括過流保護(hù)支路，所述過流保護(hù)支路包括電阻R5、電容C2和NPN 型BJT Ql,電阻R5的一端與N型MOSFET Ml的源極相連，電阻R5的另一端與電容C2的一端以及NPN型BJT Ql的基極相連，電容C2的另一端與NPN型BJT Ql的發(fā)射極以及直流電壓源Vi的負(fù)端相連，NPN型BJT Ql的集電極與滯環(huán)比較器U3的輸入端相連。
3.如權(quán)利要求1或2所述基于MOSFET的自激式Cuk變換器，其特征在于所述基于 MOSFET的自激式Cuk變換器還包括電壓反饋支路，所述電壓反饋支路包括電阻R6、電容C3、 電阻R7、NPN型BJTQ2和電阻R4，電阻R6和電容C3組成并聯(lián)支路，所述并聯(lián)支路的一端與直流輸出電壓Vo的正端相連，所述并聯(lián)支路的另一端與電阻R7的一端以及NPN型BJT Q2 的基極相連，NPN型BJT Q2的發(fā)射極與電阻R7的另一端以及直流輸出電壓Vo的負(fù)端相連， NPN型BJT Q2的集電極通過電阻R4與滯環(huán)比較器U3的輸入端相連。
4.如權(quán)利要求1或2所述基于MOSFET的自激式Cuk變換器，其特征在于所述基于 MOSFET的自激式Cuk變換器還包括電流反饋支路，所述電流反饋支路包括檢測電阻R8、電壓放大器U4、電阻R6、電容C3、電阻R7、NPN型BJT Q2和電阻R4，檢測電阻R8與負(fù)載Ro組成串聯(lián)支路，所述串聯(lián)支路與輸出電容Co并聯(lián)，檢測電阻R8的一端與直流電壓源Vi的負(fù)端相連，檢測電阻R8的另一端與負(fù)載Ro的一端以及電壓放大器U4的輸入端相連，電阻R6 和電容C3組成并聯(lián)支路，所述并聯(lián)支路的一端與電壓放大器U4的輸出端相連，所述并聯(lián)支路的另一端與電阻R7的一端以及NPN型BJT Q2的基極相連，NPN型BJT Q2的發(fā)射極與電阻R7的另一端以及直流電壓源Vi的負(fù)端相連，NPN型BJT Q2的集電極通過電阻R4與滯環(huán)比較器U3的輸入端相連。
全文摘要
一種基于MOSFET的自激式Cuk變換器，包括由輸入電容Ci、電感L1、N型MOSFET M1、電容C、二極管D、電感L2和電容Co組成的Cuk變換器主回路，該自激式Cuk變換器還包括輔助電源U1，采用的單MOSFET基本自激單元電路由N型MOSFET M1、二極管D1、二極管D2、電阻R1、電阻R2、電容C1、滯環(huán)比較器U3和驅(qū)動電路U2組成。本發(fā)明提供一種效率較高、適用功率范圍較寬的基于MOSFET的自激式Cuk變換器。
文檔編號H02M3/158GK102510216SQ20111037389
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者南余榮, 陳怡 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)