CN1925290B - 正负电压转换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种正负电压转换电路，具体包括一片降压型开关模式调整器(D1)，电解电容(C1)，二极管(VD1)，输出储能电感(L1)，电解电容(C2)，高频滤波电容(C4)，反馈电阻网络(R1)和(R2)，输出滤波电感(L2)，电解电容(C3)。本发明采用了滤波电感，消除了由于Buck-Boost电路本身输出电流脉动造成输出电压纹波大，带载能力差等缺陷；把滤波电感放在负端，避免了由于滤波电感的存在，引起反馈电压的纹波较大，影响电路输出电压不稳，实现了正负电压转换，负载电流变大，取得了实用性强、电路简单、输出功率大的进步，同时该电路输出纹波小，电压调整率、负载调整率都非常理想，通用性强。

Description

正负电压转换电路
技术领域
本发明涉及一种直流正负电压转换电路，更具体来说是实现较大功率正负电压转换的电路。 
背景技术
随着现代电子技术以及高速超大规模集成电路的飞速发展，越来越多的电子系统需要正负两种电压才能正常工作，电路设计对输出电流较大(>1A)的负极性电压电源的需求也越来越大。而能够提供实用性强、电路简单的输出电流较大正负电压转换的技术解决方案却很少。 
现有的负电压输出电路解决技术方案主要有： 
1、利用MAXIM等公司的智能IC芯片实现，该方案主要应用于小电流(<1A)的小功率系统，无法满足需要较大电流(>1A)的系统，且成本较高。 
2、利用分立元件设计的Buck-Boost电路实现，该方案电路设计复杂、体积大。 
3、芯片制造商(以LM2576为例)提供的正负电压转换电路如图1所示(见ON Seminconductor公司的LM2576 3.0A，15V，Step-DownSwitching Regulator，第19页、National Seminconductor公司的LM2576/LM2576 HV Series SIMPLE SWITCHER 3A Step-DownVoltage Regulator，第17页)，该电路包括： 
一片降压型开关模式调整器(LM2576-ADJ)D1(其中VIN为输入电压 正端，VO为输出电压端，GND为输入电压负端，ON/OFF为输出电压控制端，FEEDBACK为输出电压反馈端)；第一电解电容C1、二极管VD1、输出储能电感L1、第二电解电容C2、高频滤波电容C3、反馈电阻网络R1和电阻网络R2，构成一个Buck-Boost电路。 
该电路具体工作原理如下： 
(1)当芯片D1的内置开关导通时，输入电压经输入滤波后对电感L1充电，L1储存能量，此时C2中储存的能量通过负载放电，提供负载电流。 
(2)当芯片D1的内置开关关断时，L1的电感电流有减小趋势，电感线圈产生自感电势反向，为右正左负，二极管VD1受正向偏压而导通起续流作用，储能电感L1提供负载电流，同时为电容C2充电储能，以备当芯片D1的内置开关转至导通时放电，维持输出电压不变。 
(3)反馈电阻网络R1和R2提供电压反馈信号至芯片D1的输出电压反馈端，使芯片D1实现PWM调节功能，R1和R2的不同取值对应不同的输出电压值，使该电路完成了从正电压输入到可调负电压输出的功能(注：如果选择的降压型开关模式调整器的型号是输出电压不可调节的，则没有此电阻网络，降压型开关模式调整器的输出电压反馈端接输入电压负端)。 
(4)电路高频电容C3起输出滤波的作用。 
以上电路存在缺点如下：该电路带载能力差，当输出电流大于0.5A，此时输出纹波大于200mV，负载调整率大于±2％，输出电压无法满足要求。 
发明内容
本发明的目的是通过改变降压型的开关模式调整器的外部拓扑结构，从而实现一种利用降压型开关模式调整器实现正负电压转换的新型Buck-Boost应用电路。
本发明具体是这样实现的： 
一种正负电压转换电路，包括，一片降压型开关模式调整器D1，第一电解电容C1，二极管VD1，输出储能电感L1，第二电解电容C2，高频滤波电容C4，反馈电阻网络R1和R2，输出滤波电感L2，第三电解电容C3，构成一个Buck-Boost电路； 
所述降压型开关模式调整器的管脚包括：输入电压正端，电压输出端，输入电压负端，输出电压反馈端，输出电压控制端； 
输入电压的正端接降压型开关模式调整器D1的输入电压正端和第一电解电容C1的正端，第一电解电容C1的负端和输入电压负端连接，降压型开关模式调整器D1的电压输出端接二极管VD1的阴极和输出储能电感L1的一端，输出储能电感L1的另一端接输入电压负端，降压型开关模式调整器D1的输入电压负端、降压型开关模式调整器D1的输出电压控制端、二极管VD1的正极、第二电解电容C2的负极和输出滤波电感L2的一端相互连接； 
所述正负电压转换电路中，所述输出滤波电感(L2)的另一端连结第三电解电容C3负极、高频滤波电容C4的一端和电阻R2的一端，电阻R2的另一端接电阻R1的一端和降压型开关模式调整器D1的输出电压反馈端，电阻R1的另一端和第二电解电容C2的正极、第三电解电容C3的正极和高频滤波电容C4的另一端接输入电压负端； 
或者，所述降压型开关模式调整器为输出电压不可调节的型号；所述输出滤波电感的另一端连结第三电解电容C3负极、高频滤波电容C4的一端，降压型开关模式调整器D1的输出电压反馈端，第二电解电容C2的正 极、第三电解电容C3的正极和高频滤波电容C4的另一端接输入电压负端。 
所述滤波电感L2的取值为2～5uH。 
采用本发明电路所述方法实现大功率正负电压转换的新型Buck-Boost应用电路，与现有负电压输出电路相比： 
1、取得了实用性强、电路简单、输出功率大的进步，同时该电路输出纹波小，电压调整率、负载调整率都非常理想； 
2、正负电压转换：输入为正电压，输出负电压，轻松解决了电子系统中需要负电压的问题； 
3、负载电流大：改变了负电压输出功率小，带载能力差的问题； 
4、电路简单：完成所有功能的电路只需一片降压型开关模式调整器和外围元件； 
5、性能指标好； 
6、通用性强，应用广泛：可广泛的应用于各种领域需要负电压供电的电子系统中。 
附图说明
图1是原始的利用LM2576实现正负电压转换的电路原理图； 
 图2是降压型开关模式调整器实现正负电压转换的新型Buck-Boost应用电路原理图； 
图3是芯片LM2576的管脚说明示意图； 
图4是利用LM2576实现-5V2A输出的Buck-Boost电路原理图。 
具体实施方式
图3是芯片LM2576的管脚说明示意图，如图3所示： 
1脚(VINPUT)：电压输入端，输入电压范围4V～40V； 
2脚(VOUTPUT)：电压输出端，输出可调电压范围1.23V～35V； 
3脚(GND)：输入电压负端； 
4脚(FEEDBACK)：输出电压反馈端； 
5脚：(ON/OFF)：输出电压控制端。 
本发明适用于利用降压型开关模式调整器实现正负电压转换的器件(MICREL公司、ON Semiconductor公司、National Semiconductor公司等产品)。 
本发明的工作原理如下： 
(1)当降压型开关模式调整器芯片的内置开关导通时，输入电压经输入滤波后对电感L1充电，电流流过电感线圈L1，L1储存能量，此时C2中储存的能量通过负载放电，提供负载电流。 
(2)当降压型开关模式调整器芯片的内置开关关断时，L1的电感电流有减小趋势，电感线圈产生自感电势反向，为右正左负，肖特基二极管VD1受正向偏压而导通起续流作用，储能电感L1提供负载电流，同时为电容C2充电储能，以备当降压型开关模式调整器芯片的内置开关转至导通时放电，维持输出电压不变。 
(3)反馈电阻网络R1和R2提供电压反馈信号至降压型开关模式调整器的输出电压反馈端，使降压型开关模式调整器实现各种保护功能和 PWM调节功能，R1和R2的不同取值对应不同的输出电压值，使该电路完成了从正电压输入到可调负电压输出的功能。 
如果选择的降压型开关模式调整器的型号是输出电压不可调节的，则没有此电阻网络，降压型开关模式调整器的输出电压反馈端接输入电压负端。 
(4)电路中L2、第三电解电容C3和高频电容C4起输出滤波的作用。 
本专利主要是通过电路中输出滤波电感L2(取值2～5uH)的应用，实现了较大电流输出正负电压的转换，有以下优点： 
(1)加滤波电感，消除了由于Buck-Boost电路本身输出电流脉动造成输出电压纹波大，带载能力差等缺陷。 
(2)把滤波电感放在负端，避免了由于滤波电感的存在，引起反馈电压的纹波较大，影响电路输出电压不稳。 
图4为利用LM2576实现-5V2A输出的Buck-Boost电路原理图。 
该电路包括：D1(LM2576-ADJ)，第一电解电容C1(1000uF/16V)、第二电解电容C2(2200uF/10V)、第三电解电容C3(1000uF/10V)，二极管VD1(20A/45V)，输出储能电感L1(70uH)，输出滤波电感L2(3uH)，高频滤波电容C4(1uF/63V)、反馈电阻网络R1(3K)和R2(9.1K)。 
该电路连接关系和工作原理同图2。输入电压的正端接降压型开关模式调整器D1的输入电压正端和第一电解电容C1的正端，第一电解电容C1的负端和输入电压负端连接，降压型开关模式调整器D1的电压输出端接二极管VD1的阴极和输出储能电感L1的一端，输出储能电感L1的另一端接输入电压负端，降压型开关模式调整器D1的输入电压负端、降压型开关模式调整器D1的输出电压控制端、二极管VD1的正极、第二电解电容C2的负极和输出滤波电感L2的一端相互连接，输出滤波电感的另一 端连结第三电解电容C3负极、高频滤波电容C4的一端和电阻R2的一端，电阻R2的另一端接电阻R1的一端和降压型开关模式调整器D1的输出电压反馈端，电阻R1的另一端和第二电解电容C2的正极、第三电解电容C3的正极和高频滤波电容C4的另一端接输入电压负端。 
输入电压10V，输出电压为-5V，测试结果如下： 
带载能力：负载2A工作 
负载调整率：1.64％ 
噪音纹波电压：36mV， 
综上所述，利用降压型开关模式调整器实现的新型Buck-Boost应用电路的优点与进步如下： 
1、正负电压转换：输入为正电压，输出负电压，轻松解决了电子系统中需要负电压的问题； 
2、负载电流大：改变了负电压输出功率小，带载能力差的问题； 
3、电路简单：完成所有功能的电路只需一片降压型开关模式调整器和外围元件； 
4、性能指标好； 
5、通用性强，应用广泛：可广泛的应用于各种领域需要负电压供电的电子系统中。

Claims (2)

1.一种正负电压转换电路，包括，一片降压型开关模式调整器(D1)，第一电解电容(C1)，二极管(VD1)，输出储能电感(L1)，第二电解电容(C2)，高频滤波电容(C4)，
其特征在于，还包括：输出滤波电感(L2)，第三电解电容(C3)；
所述降压型开关模式调整器的管脚包括：输入电压正端，电压输出端，输入电压负端，输出电压反馈端，输出电压控制端；
电路的输入电压的正端接降压型开关模式调整器(D1)的输入电压正端和第一电解电容(C1)的正端，第一电解电容(C1)的负端和电路的输入电压负端连接，降压型开关模式调整器(D1)的电压输出端接二极管(VD1)的阴极和输出储能电感(L1)的一端，输出储能电感(L1)的另一端接电路的输入电压负端，降压型开关模式调整器(D1)的输入电压负端、降压型开关模式调整器(D1)的输出电压控制端、二极管(VD1)的正极、第二电解电容(C2)的负极和输出滤波电感(L2)的一端相互连接；其中，
当所述电路包含反馈电阻网络R1和R2时，所述正负电压转换电路中，所述输出滤波电感(L2)的另一端连接第三电解电容(C3)负极、高频滤波电容(C4)的一端和电阻R2的一端，电阻R2的另一端接电阻R1的一端和降压型开关模式调整器(D1)的输出电压反馈端，电阻R1的另一端和第二电解电容(C2)的正极、第三电解电容(C3)的正极和高频滤波电容(C4)的另一端接电路的输入电压负端；
或者，所述降压型开关模式调整器为输出电压不可调节的型号，所述电路不包含反馈电阻网络，则：所述输出滤波电感(L2)的另一端连接第三电解电容(C3)负极、高频滤波电容(C4)的一端，降压型开关模式调整器(D1)的输出电压反馈端，第二电解电容(C2)的正极、第三电解电容(C3)的正极和高频滤波电容(C4)的另一端接电路的输入电压负端。
2.根据权利要求1所述的正负电压转换电路，其特征在于，所述输出滤波电感(L2)的取值为2～5uH。
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