升降壓直流變換電路的製作方法
2024-03-05 15:45:15 3
專利名稱：升降壓直流變換電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及電源管理技術領域，特別是涉及電源管理技術領域的一種升降壓直流變換電路。
背景技術：
在一些功率管理系統中，為了提高功率變換器的適用性，往往需要功率變換器既能夠升壓工作，又能夠降壓工作。如移動電子設備中，由於電池電壓的變化，輸出電壓可能小於、等於或者大於電池電壓，為了滿足在不同的電池電壓情況下能輸出恆定的輸出電壓以使設備正常工作，就需要有升降壓功能的功率變化器。當前最常見的一種升降壓直流變換技術是Buck-Boost直流變換技術，該技術採用降壓和升壓相複合的方式，來產生介於最高輸入電壓和最低輸入電壓中間的電壓輸出。當輸入電壓高於輸出電壓時，電路工作於Buck(降壓)模式；當輸入電壓低於輸出電壓時，電路工作於Boost (升壓)模式；而當輸入電壓和輸出電壓相近時，電路工作於Buck-Boost模式(過渡模式)。當電路工作於Buck(降壓)模式或工作於Boost (升壓)模式時，電路可等效成典型的Buck或Boost結構，該技術兼有Buck和Boost轉換電路的優勢,然而卻存在以下兩個缺點:I)工作模式較多，設計工作量大:每種模式下(Buck模式/Boost模式/Buck-Boost模式)均要進行閉合環路的穩定性設計，且實現模式間控制和切換的數字電路
非常複雜；2)電路複雜度高，增加了產品成本和調試的難度。多增益電荷泵直流變換技術也是現有技術中一種常見的升降壓直流變換技術。多增益電荷泵直流變換技術以開關電容技術為基礎，將不同增益的電荷泵進行複合以產生升壓和降壓的功能。然而，由於此種技術需要通過功率開關來調整電容的充放電方式以實現增益的變換，所以複合的增益越多，需要的功率開關也越多，電路實現的規模也越大；此外，由於單一增益的電荷泵輸出電壓與輸入電壓有固定的比例關係，當輸入電壓變化時輸出電壓也跟隨成比例變化；所以輸出電壓跟隨輸入電壓成比例變化的特性使得此種電路不具有穩壓輸出的特性。綜上所述，可知先前技術的升降壓直流變換技術存在電路複雜而使得設計困難及不具穩壓輸出特性等問題，因此，實有必要提出改進的技術手段，來解決此一問題。
發明內容
為克服上述現有技術的上述缺點，本發明的主要目的在於提供一種升降壓直流變換電路，其通過將電感式Buck降壓電路與電荷泵技術相結合，成功的避開了多迴路穩定性設計和多模式控制邏輯的設計的複雜性，並保證了設計的可靠性和實用性。為達上述及其它目的，本發明一種升降壓直流變換電路，至少包括:電感；
第一輸出電容,連接於該電感之一端與地之間；Buck降壓電路，包括第一功率開關、第二功率開關以及負反饋電路，該第一功率開關一端連接一輸入電壓，另一端通過該第二功率開關接地，該第一功率開關與第二功率開關的中間節點與該電感的另一端相連，該負反饋電路之輸入端連接於該第一輸出電容以獲得該第一輸出電容的端電壓，並將該第一輸出電容的端電壓經過負反饋產生一驅動控制信號控制該第一功率開關與該第二功率開關交替導通，以實現周期性地向該電感進行充電並同時補充該第一輸出電容上被輸出負載所消耗的電荷；以及電荷泵升壓電路，連接於該第一輸出電容的端電壓，以將該第一輸出電容的端電壓升壓產生大小介於該輸入電壓最大值和最小值之間的輸出電壓。進一步地，該Buck降壓電路還包括一時鐘振蕩器，用於為該Buck降壓電路以及該電荷泵升壓電路提供頻率恆定的數字時鐘信號。進一步地，該負反饋電路包括分壓電阻網絡、誤差放大器、PWM比較器、邏輯控制電路以及驅動電路，該分壓電阻網絡連接於該第一輸出電容的端電壓，以將該端電壓分壓後輸入至該誤差放大器之一輸入端；該誤差放大器之另一輸入端連接一參考電壓，輸出端接至該PWM比較器之一輸入端d_PWM比較器之另一輸入端接該時鐘振蕩器，輸出端接至該邏輯控制電路；該邏輯控制電路的輸出端連接至該驅動電路，由該驅動電路輸出該驅動控制信號控制該第一功率開關與該第二功率開關的交替導通。進一步地，該分壓電阻網絡之輸出端與該誤差放大器之負輸入端連接，該參考電壓與該誤差放大器之正輸入端連接；該誤差放大器輸出端與該PWM比較器之正輸入端連接，該時鐘振蕩器與該PWM比較器之負輸入端連接。進一步地，該分壓電阻網絡包括第一電阻與第二電阻，該第一電阻一端連接於該第一輸出電容的端電壓，另一端通過該第二電阻接地，該第一電阻與該第二電阻的中間節點接至該誤差放大器的負輸入端。進一步地，該第一功率開關為PMOS電晶體，其源極及襯底接至該輸入電壓，柵極與該負反饋電路相連，漏極與該電感的另一端相連。進一步地，該第二功率開關為NMOS電晶體，其源極及襯底接地，柵極與該負反饋電路相連，漏極與該電感的另一端相連。進一步地，該電荷泵升壓電路包括功率開關組及時序控制電路，該功率開關組外接一升壓電容，在該時序控制電路控制下，使該升壓電容在該電荷泵升壓電路充電時連接在該第一輸出電容的端電壓與地之間，而在該電荷泵升壓電路放電時連接在該第一輸出電容的端電壓與一第二輸出電容之間。進一步地，該功率開關組至少包含兩個雙向開關。該Buck降壓電路為電壓模的Buck降壓電路或電流模的Buck降壓電路；該電荷泵升壓電路為單增益的升壓電路或多增益的升壓電路。與現有技術相比，本發明一種升降壓直流變換電路通過將電感式Buck降壓電路與電荷泵技術相結合，成功的避開了多迴路穩定性設計和多模式控制邏輯的設計的複雜性，並保證了設計的可靠性和實用性。
圖1為本發明一種升降壓直流變換電路之較佳實施例的電路結構圖。
具體實施例方式以下通過特定的具體實例並結合
本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭示的內容輕易地了解本發明的其它優點與功效。本發明亦可通過其它不同的具體實例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的精神下進行各種修飾與變更。圖1為本發明一種升降壓直流變換電路之較佳實施例的電路結構圖。如圖1所示，本發明之升降壓直流變換電路包括一電感L1、一第一輸出電容CoutUBuck降壓電路101以及電荷泵升壓電路102、。其中電感LI 一端連接至Buck降壓電路101的輸出端，另一端通過第一輸出電容Coutl接地；Buck降壓電路101輸入端連接一輸入電壓Vin，例如，輸入電壓Vin為
2.7V-5.5V並通過一電容Cin接地，輸出端與電感LI連接，Buck降壓電路101至少包含第一功率開關MP、第二功率開關MN、時鐘振蕩器103以及一負反饋電路104，時鐘振蕩器103用於為Buck降壓電路101以及電荷泵升壓電路102提供頻率恆定的數字時鐘信號，第一功率開關MP —端連接於輸入電壓Vin，另一端通過第二功率開關MN接地，其與第二功率開關MN的中間節點與電感LI相連，同時，該第一功率開關MP與第二功率開關MN均與負反饋電路103相連，以在負反饋電路104產生的驅動控制信號控制下交替導通，以實現周期性地向電感LI進行充電並同時補充第一輸出電容Coutl上被輸出負載所消耗的電荷,負反饋電路104之輸入端連接於第一輸出電容Coutl以獲得第一輸出電容Coutl的端電壓Voutl，以將端電壓Voutl通過負反饋產生驅動控制信號控制第一功率開關MP與第二功率開關MN交替導通，即:當驅動控制信號控制第一功率開關MP導通時，其控制第二功率開關MN處於關閉狀態，輸入電壓Vin通過第一功率開關MP為電感LI進行充電，電感電流逐漸增大；當電感電流大於輸出負載電流時，第一輸出電容Coutl由於得到靜電荷的補充而端電壓Voutl上升，而當驅動控制信號控制第二功率開關麗導通時，其控制第一功率開關MP處於關閉狀態，電感LI 一端經由第二功率開關麗連接到地上，此時，電感LI在輸出電壓作用下開始反向充電，電感LI內電流開始逐漸減小，當電感電流小於輸出負載電流時，第一輸出電容Coutl由於失去電荷而端電壓Voutl下降，電路穩定工作時，第一輸出電容Coutl上從輸入電壓Vin上補充的電荷等於負載所消耗的電荷,所以第一輸出電容Coutl的端電壓Voutl在一個周期內的平均值為一常數；電荷泵升壓電路102連接於端電壓Voutl，以將端電壓Voutl升壓產生大小介於輸入電壓最大值和最小值之間的輸出電壓，由於Buck降壓電路101產生的端電壓Voutl是穩定的電壓，所以電荷泵升壓電路102輸出的也是穩定的電壓。更具體地說，在本發明較佳實施例中，負反饋電路104包括分壓電阻網絡201、誤差放大器202、PWM比較器203、邏輯控制電路204以及驅動電路205。其中分壓電阻網絡201由電阻Rl與R2構成，電阻Rl —端連接於端電壓Voutl，另一端通過電阻R2接地，電阻Rl與R2的中間節點接至誤差放大器202的一輸入端，較佳的，該中間節點接至誤差放大器202的負輸入端；誤差放大器202之另一輸入端接一參考電壓Vref,相應的,該參考電壓Vref接至誤差放大器202的正輸入端，誤差放大器202的輸出端接至PWM比較器203之一輸入端，較佳的，誤差放大器202的輸出端接至PWM比較器203之正輸入端；PWM比較器203之另一輸入端接至時鐘振蕩器103，相應的，時鐘振蕩器103與PWM比較器203之負輸入端連接，PWM比較器203之輸出端接至邏輯控制電路204 ;邏輯控制電路204的輸出端連接至驅動電路205，由驅動電路205輸出驅動控制信號控制第一功率開關MP與第二功率開關MN的交替導通。在本發明較佳實施例中，第一功率開關MP可以為一 PMOS電晶體，其源極及襯底接至輸入電壓Vin，柵極與驅動電路205相接，漏極接第二功率開關MN，並與電感LI相連；相應地，第二功率開關麗可以為一 NMOS電晶體，其源極及襯底接地，漏極與PMOS電晶體MP之漏極共同接至電感LI，柵極與驅動電路205相接。以下將配合圖1進一步說明本發明之負反饋電路104的工作原理:第一輸出電容Coutl上的端電壓Voutl經過Rl和R2構成的分壓電阻網絡201的分壓輸入到誤差放大器202，誤差放大器202將Rl和R2產生的分壓與參考電壓Vref進行比較，並將二者的差值進行放大以產生控制第一功率開關MP管導通時長的脈衝，PWN比較器203將放大的差值信號與時鐘振蕩器103產生的鋸齒波進行比較產生佔空比隨差值大小線性變化的數字脈衝；這一數字脈衝在邏輯控制電路204的控制下通過兩個開關管(第一功率開關MP和第二功率開關MN)的驅動電路205來實現第一功率開關MP和第二功率開關MN的交替導通，第一功率開關MP導通時間在一個時鐘周期中所佔的比例即表示為此數字脈衝的佔空比。當負載增大時，每個時鐘周期的電感平均電流小於負載電流，每個周期第一輸出電容Coutl從輸入電壓Vin得到的電荷不能滿足負載電流消耗電荷，第一輸出電容Coutl的端電壓Voutl開始下降，此時因為Rl和R2的反饋分壓與第一輸出電容Coutl的端電壓Voutl成比例關係，所以反饋分壓與參考電壓Vref的差值也隨之增大，經過誤差放大器202的放大和PWM比較器203後產生的數字脈衝佔空比也線性增大，也即第一功率開關MP管的導通時間增長，第一功率開關MP管導通時間的增加，使得每個周期的平均電感電流增大，當平均電感電流大於輸出負載電流時，每個周期第一輸出電容Coutl從輸入電壓Vin得到的電荷多於負載電流消耗電荷，Coutl端電壓止跌回升；同理，當負載減小時，每個時鐘周期的電感平均電流大於負載電流，每個周期第一輸出電容Coutl從輸入電壓Vin得到的電荷多於負載電流消耗電荷，第一輸出電容Coutl的端電壓Voutl開始升高,此時誤差放大器202輸出的差值放大信號隨之減小，經過PWM比較器203後產生的數字脈衝佔空比也線性減小，第一功率開關MP導通時間縮短，這樣使得每個周期的平均電感電流減小，當平均電感電流小於輸出負載電流時，每個周期第一輸出電容Coutl從輸入電壓Vin得到的電荷小於負載電流消耗電荷，第一輸出電容Coutl的端電壓Voutl停止升高並開始下降；在兩個過程的共同作用下，最終使得每個周期平均電感電流等於輸出負載電流，第一輸出電容Coutl的端電壓Voutl達到一個平衡電壓，平衡後輸出電壓與參考電壓的關係為Voutl = Vref* (R1+R2) /R2，即Buck降壓電路101的輸出電壓是穩定的。在本發明較佳實施例中，電荷泵升壓電路102由一功率開關組206及時序控制電路(未標示)構成。第一輸出電容Coutl上穩定的端電壓Voutl作為電源輸入到實現升壓功能的電荷泵升壓電路102，電荷泵升壓電路102的工作也分為充電和放電兩個階段，此處以2倍電荷泵升壓電路102為例進行說明。充電時，功率開關組206在時序控制電路的控制下將外接一升壓電容Cx以使其連接在端電壓Voutl和地之間，這時升壓電容Cx儲存端電壓Voutl上傳輸的電荷直至升壓電容Cx的端電壓大小等於Voutl ;放電時，功率開關組206在時序控制電路的控制下將外接的升壓電容Cx連接在Voutl和一第二輸出電容Cout2之間，升壓電容Cx上的端電壓與Voutl疊加後產生大小等於2倍Voutl的電壓Vout2，同時升壓電容Cx對電容Cout2進行放電。可見每個時鐘周期都完成一次充電和一次放電的過程，當每個時鐘周期內從Voutl傳輸到Vout2的電荷等於Vout2在外加負載作用下失去的電荷時，電路達到穩定狀態。在本發明較佳實施例中，功率開關組206可以為兩個雙向開關SI 及 S2。可見，本發明主要是通過Buck降壓電路先進行降壓，然後再通過電荷泵升壓電路升壓以產生大小介於輸入電壓最大值和最小值之間的穩定的輸出電壓。由於Buck降壓電路產生的Voutl電壓是穩定的電壓，所以得到的電荷泵輸出電壓也是穩定的電壓。在此需說明的是，本發明中的Buck降壓電路可以是電壓模的Buck降壓電路，也可是電流模的Buck降壓電路，電荷泵升壓電路可以是單增益的升壓電路也可是多增益的升壓電路。綜上所述，與現有技術相比，本發明有以下幾個優點:I)兼有buck-boost電路的優勢:在整個輸入電壓區間內，輸出電壓保持穩定；且輸出中等負載電流時保持了較高的效率；2)沒有多迴路穩定性設計和複雜的模式控制邏輯，降低了設計難度，容易實現；3)可以應用於多輸出的情形:升壓電路與內部降壓電路均可獨立輸出供電，但降壓電路輸出電壓的同時又作為升壓電路的電源輸入上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何本領域技術人員均可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明的權利保護範圍，應如權利要求書所列。
權利要求
1.一種升降壓直流變換電路，至少包括: 電感； 第一輸出電容，連接於該電感之一端與地之間； Buck降壓電路，包括第一功率開關、第二功率開關以及負反饋電路，該第一功率開關一端連接一輸入電壓，另一端通過該第二功率開關接地，該第一功率開關與第二功率開關的中間節點與該電感的另一端相連，該負反饋電路之輸入端連接於該第一輸出電容以獲得該第一輸出電容的端電壓，並將該第一輸出電容的端電壓經過負反饋產生一驅動控制信號控制該第一功率開關與該第二功率開關交替導通，以實現周期性地向該電感進行充電並同時補充該第一輸出電容上被輸出負載所消耗的電荷；以及 電荷泵升壓電路，連接於該第一輸出電容的端電壓，以將該第一輸出電容的端電壓升壓產生大小介於該輸入電壓最大值和最小值之間的輸出電壓。
2.如權利要求1所述的升降壓直流變換電路，其特徵在於:該Buck降壓電路還包括一時鐘振蕩器，用於為該Buck降壓電路以及該電荷泵升壓電路提供頻率恆定的數字時鐘信號。
3.如權利要求2所述的升降壓直流變換電路，其特徵在於:該負反饋電路包括分壓電阻網絡、誤差放大器、PWM比較器、邏輯控制電路以及驅動電路，該分壓電阻網絡連接於該第一輸出電容的端電壓，以將該端電壓分壓後輸入至該誤差放大器之一輸入端；該誤差放大器之另一輸入端連接一參考電壓，輸出端接至該PWM比較器之一輸入端d_PWM比較器之另一輸入端接該時鐘振蕩器，輸出端接至該邏輯控制電路；該邏輯控制電路的輸出端連接至該驅動電路，由該驅動電路輸出該驅動控制信號控制該第一功率開關與該第二功率開關的交替導通。
4.如權利要求3所述的升降壓直流變換電路，其特徵在於:該分壓電阻網絡之輸出端與該誤差放大器之負輸入端連接，該參考電壓與該誤差放大器之正輸入端連接；該誤差放大器輸出端與該PWM比較器之正輸入端連接，該時鐘振蕩器與該PWM比較器之負輸入端連接。
5.如權利要求4所述的升降壓直流變換電路，其特徵在於:該分壓電阻網絡包括第一電阻與第二電阻，該第一電阻一端連接於該第一輸出電容的端電壓，另一端通過該第二電阻接地，該第一電阻與該第二電阻的中間節點接至該誤差放大器的負輸入端。
6.如權利要求1所述的升降壓直流變換電路，其特徵在於:該第一功率開關為PMOS電晶體，其源極及襯底接至該輸入電壓，柵極與該負反饋電路相連，漏極與該電感的另一端相連。
7.如權利要求1所述的升降壓直流變換電路，其特徵在於:該第二功率開關為NMOS電晶體，其源極及襯底接地，柵極與該負反饋電路相連，漏極與該電感的另一端相連。
8.如權利要求1所述的升降壓直流變換電路，其特徵在於:該電荷泵升壓電路包括功率開關組及時序控制電路，該功率開關組外接一升壓電容，在該時序控制電路控制下，使該升壓電容在該電荷泵升壓電路充電時連接在該第一輸出電容的端電壓與地之間，而在該電荷泵升壓電路放電時連接在該第一輸出電容的端電壓與一第二輸出電容之間。
9.如權利要求8所述的升降壓直流變換電路， 其特徵在於:該功率開關組至少包含兩個雙向開關。
10.如權利要求1所述的升降壓直流變換電路，其特徵在於:該Buck降壓電路為電壓模的Buck降壓電路或電流模的Buck降壓電路；該電荷泵升壓電路為單增益的升壓電路或多增益的升壓電路 。
全文摘要
本發明公開了一種升降壓直流變換電路，包括電感、第一輸出電容、Buck降壓電路以及電荷泵升壓電路，其中，該Buck降壓電路用於對輸入電壓先進行降壓，然後再通過電荷泵升壓電路升壓以產生大小介於該輸入電壓最大值與最小值之間的穩定的輸出電壓；本發明通過將電感式Buck降壓電路與電荷泵技術相結合，成功的避開了多迴路穩定性設計和多模式控制邏輯的設計的複雜性，並保證了設計的可靠性和實用性。
文檔編號H02M3/155GK103178711SQ20111044100
公開日2013年6月26日 申請日期2011年12月23日 優先權日2011年12月23日
發明者賈雲斌, 蘇國彬 申請人:聯芯科技有限公司