一种超低输入电压dc/dc升压装置

文档序号:1941073 发布日期:2021-12-07 浏览:21次 >En<

阅读说明:本技术 一种超低输入电压dc/dc升压装置 (Ultra-low input voltage DC/DC booster ) 是由 李博 于 2021-09-18 设计创作,主要内容包括:一种超低输入电压DC/DC升压装置,包括第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、电感L1、内部供电模块、PWM产生模块和低压启动控制模块。当电源电压V3未达到相应的电压阈值时,低压启动控制模块根据接收到的反向POK信号,输出一个抬升且周期性的电压信号CLKN驱动所述第二晶体管Q2导通与关闭,使电源电压V3的上升,直到接收到电源OK子模块检测到电源电压V3达到所述预定阈值,则关闭低压启动控制模块。因此,本发明可有效解决升压装置对输入电源电压V1要求的限制,即输入电源电压V1在超低电压情况下,亦可保证DC/DC升压装置正常启动并正常工作。(An ultra-low input voltage DC/DC boosting device comprises a first transistor Q1, a second transistor Q2, an inductor L1, an internal power supply module, a PWM generation module and a low-voltage starting control module. When the power voltage V3 does not reach the corresponding voltage threshold, the low-voltage start-up control module outputs a raised and periodic voltage signal CLKN to drive the second transistor Q2 to turn on and off according to the received reverse POK signal, so that the power voltage V3 rises until the power OK submodule detects that the power voltage V3 reaches the predetermined threshold, and then the low-voltage start-up control module is turned off. Therefore, the invention can effectively solve the limitation of the boosting device on the requirement of the input power supply voltage V1, namely the input power supply voltage V1 can ensure the normal starting and normal work of the DC/DC boosting device under the condition of ultralow voltage.)

一种超低输入电压DC/DC升压装置

技术领域

本发明属于直流升压电路设计技术领域,涉及一种超低输入电压DC/DC升压装置。

背景技术

目前,输入电压DC/DC直流升压装置应用越来越广泛,例如,常应用于直流碱性电池、镍氢充电电池、锂锰电池或锂离子充电电池等需要直流升压的场景。

请参阅图1,图1所示为现有技术中超低输入电压DC/DC升压装置的示意图。该DC/DC升压装置用以将输入电源电压V1经装置处理后输出一个等于或高于输入电源电压V1的输出电源电压V2。

如图1所示,其包括电源切换控制模块(Power Switch)、逻辑反相器(INV)、误差放大器模块(EAMP)、PWM比较器模块(CMP)、逻辑控制模块(PWM Control Logic)、驱动模块(DRVIER)、基准电压源模块(VREF)、振荡器模块(OSC)、斜坡补偿模块(Slopecompensation)、反馈电阻(RFB1,RFB2,RFB3,RFB4)、电源OK模块(PowerOK)、P型晶体管(Q1,Q3,Q4)、N型晶体管(Q2)、电感(L1)和电容(C1,C2)等元件。

上述启动控制电路内部模块电源为电源电压V3,其分别连接P型晶体管Q3和Q4的一端,P型晶体管Q3和Q4的另一端分别连接输入电源电压V1和输出电源电压V2,电源切换模块通过判断输入电源电压V1和输出电源电压V2的大小,输出判断信号控制P型晶体管Q3和P型晶体管Q4的开启或关闭,由此,决定电源电压V3由输入电源电压V1还是输出电源电压V2来提供给内部模块。当输入电源电压V1大于输出电源电压V2时,内部模块的供电电源V3来自输入电源电压V1,当输出电源电压V2大于输入电源电压V1时,内部模块的供电电源V3切换为来自输出电源电压V2。

也就是说,电源切换控制模块用以切换内部模块供电电源,当输出电源电压V2大于输入电源电压V1时,开启P型晶体管Q4和关闭P型晶体管Q3;当输出电源电压V2小于输入电源电压V1时,开启P型晶体管Q3和关闭P型晶体管Q4。

此外,上述控制装置中的内部模块正常工作需满足电源电压V3达到一定的电压值时才可正常启动工作。当电源电压V3满足启动电压需求,基准电压模块优先开始工作,输出基准参考电压VREF用于误差放大器、振荡器和比较器CMP比较模块的运作。当电源OK模块判断V3电压正常输出POK信号给逻辑控制模块,控制该装置内所有模块开始工作;此时,输出电源电压V2较低,通过RFB1和RFB2的分压得到的FB信号处于较低值,FB信号和VREF信号经过误差放大器模块的处理输出COMP信号送入PWM比较器模块的一端输入,和PWM比较器模块的另一端由振荡器模块和斜坡补偿模块输出的周期性RAMP信号进行比较,得到PWM方波信号,经过逻辑控制模块的处理输出DR信号提供给驱动模块,驱动模块输出信号CLKN将N型晶体管Q2开启,输入电源电压V1和接地端GND之间形成回路,此时,对储能电感L1充电进储能,而后驱动模块将N型晶体管Q2关闭,打开P型晶体管Q1,在输入电源电压V1和V2之间形成回路,此时的储能电感L1上有电流存在,而电感L1电流无法突变,此时电感L1两端形成的电压VL,和输入电源电压V1同时向输出电源电压V2传输能量,使V2电压上升,通过电阻RFB1和电阻RFB2的分压得到的FB信号大于VREF,此时,经过误差放大器模块和PWM比较器模块不再输出PWM方波信号,N型晶体管Q2无法开启,直到FB信号小于VREF,才会重新开启N型晶体管Q2给储能电感L1充电,周而复始保证输出电源电压V2输出一稳定的电压。而当电源电压V3通过电源OK模块检测到的其电压低于VREF时,即发生电源电压过低情况,会输出POK的反向信号给控制逻辑模块关闭装置内所有的模块。

然而,请参阅图2,上述启动控制电路存在如下缺陷:

在启动时想让升压装置正常工作,就需要对输入电源电压V1进行限定,过低的输入电源电压V1,会导致电路内模块无法正常工作,使升压装置对输入电源电压V1应用范围产生限制。

发明内容

为解决的上述技术问题,本发明提出一种超低输入电压DC/DC升压装置,其技术方案如下:

一种超低输入电压DC/DC升压装置,用于将输入的直流电源电压V1升压成直流电源电压V2;包括:

第一晶体管Q1、第二晶体管Q2和电感L1;所述电感L1连接在所述直流电源电压V1输入端与所述第一晶体管Q1和第二晶体管Q2漏极连接点SW之间;所述第一晶体管Q1的源极接地,第二晶体管Q2的源极接所述直流电源电压V2的输出端;内部供电模块,用于根据电源电压V1和电源电压V2产生所述DC/DC升压装置中各模块供电的电源电压V3以及对电源电压V3的电源阈值进行判断;其包括电源OK子模块所述电源OK子模块用于判断电源电压V3是否大于等于一预定阈值,如果是,输出正向POK信号,否则,输出反向POK信号;

PWM产生模块,产生一PWM方波信号;

升压系统驱动控制模块,根据接收到的PWM方波信号和POK信号,若接收到的所述POK信号为正向的POK,则根据PWM方波信号输出信号相应的CLKP和CLKN控制所述第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的栅极;当CLKN控制第二晶体管Q2开启,CLKP控制第一晶体管关闭时,所述电源电压V1和接地端GND之间形成回路,此时,对所述电感L1充电进行储能;当CLKN控制第二晶体管Q2关闭,控制第一晶体管Q1开启时,在所述电源电压V1和V2之间形成回路,而此时的电感L1上有电流存在,因电感L1电流无法突变在电感L1两端形成的电压差VL,和输入电源电压V1同时向输出电源电压V2传输能量,使V2电压上升;

低压启动控制模块,当电源电压V3未达到相应的电压阈值时,根据接收到的反向POK信号,输出一个抬升且周期性的电压信号CLKN驱动所述第二晶体管Q2导通与关闭,使电源电压V3的上升,直到接收到所述电源OK子模块检测到所述电源电压V3达到所述预定阈值,则关闭低压启动控制模块。

进一步地,所述低压启动控制模块包括检测控制模块、电荷泵模块和电荷泵振荡器模块;当所述检测控制模块接收所述反向POK信号以控制振荡器和电荷泵的开启,电荷泵振荡器模块用来产生周期性的方波信号输出给电荷泵模块,用以输出一个抬升且周期性的电压信号CLKN,当所述检测控制模块接收所述正向POK信号以控制振荡器和电荷泵的关闭。

进一步地,所述低压启动控制模块还包括电平转换模块,连接在所述检测控制模块和所述电荷泵振荡器模块之间,用以转换从所述检测控制模块输出的不同电源电压之间的逻辑信号。

进一步地,所述内部供电模块还包括电源切换子模块,所述电源切换子模块当电源电压V1大于电源电压V2时,其将切换成用所述电源电压V1给内部电源电压V3供电;当电源电压V2大于电源电压V1时,切换成用所述电源电压V2给电源电压V3供电。

进一步地,所述升压系统驱动控制模块包括逻辑控制模块LOGIC和驱动模块DRIVER,所述逻辑控制模块LOGIC接收所述POK信号和PWM方波信号输出,若接收到的所述POK信号为正向的POK,则产生驱动信号DR1到所述驱动模块DRIVER,所述驱动模块DRIVER输出信号CLKP和信号CLKN。

进一步地,所述内部供电模块还包括第三晶体管Q3和第四晶体管Q4;所述第三晶体管Q3的源极接电压V1,所述第四晶体管Q4的源极接所述电压V2,且所述第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的漏极输出电源电压V3;当电压V2大于电压V1时,所述电源切换子模块控制开启第四晶体管Q4和关闭第三晶体管Q3;当电压V2小于电压V1时,所述电源切换子模块控制开启第三晶体管Q3和关闭第四晶体管Q4;所述电源OK子模块根据所述电源电压V3,输出所述正向POK信号或所述反向POK信号。

进一步地,所述PWM产生模块包括误差放大器模块EAMP、斜坡补偿模块、基准电压源模块VREF、PWM比较器模块和振荡器OSC;所述基准电压源模块用以产生恒定的电压参考信号;斜坡补偿模块将周期性的方波信号处理成一个RAMP信号;振荡器模块用来产生周期性方波信号;误差放大器模块将VREF和V2的反馈信号FB的差值放大,输出COMP信号;所述PWM比较器模块将COMP信号和RAMP信号进行比较,输出PWM方波信号。

进一步地,所述PWM产生模块还包括第一电阻RFB1和第二电阻RFB2,所述第一电阻RFB1和第二电阻RFB2串接在电源电压V2和接地端GND之间;所述第一电阻RFB1和第二电阻RFB2的连接点为所述误差放大器模块EAMP的负输入端,所述误差放大器模块EAMP的正输入端接所述基准电压源模块产生的VREF信号。

进一步地,所述的超低输入电压DC/DC升压装置还包括第一电容C1和第二电容C2,所述第一电容C1并接在所述直流电源电压V1输入端和接地端GND之间;所述第二电容C2并接在所述直流电源电压V2输出端和接地端GND之间。

从上述技术方案可以看出,本发明中的超低输入电压DC/DC升压装置,其可有效解决升压装置对输入电源电压V1要求的限制,即输入电源电压V1在超低电压情况下,亦可保证DC/DC升压装置正常启动并正常工作。

附图说明

图1所示为现有技术中超低输入电压DC/DC升压装置示意图

图2所示为现有技术和本发明实施例中的电源电压V1和电源电压V2的波形示意图

图3所示为本发明实施例中超低输入电压DC/DC升压装置的示意图

图4所示为本发明实施例中检测控制模块的电路示意图

图5所示为所示为本发明超低输入电压DC/DC升压装置另一较佳实施例的示意图

具体实施方式

下面结合附图2-5,对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是,本发明与现有技术最大不同点为:在本发明的低输入电压DC/DC升压装置的启动控制电路中,用于将输入的直流电源电压V1升压成直流电源电压V2,通过增加启动控制模块,用以实现超低V1电压的启动。也就是说,当系统工作在输入电源电压V1在超低电压情况下,亦可保证DC/DC升压装置正常启动并正常工作,因此,本发明可以有效解决升压装置对输入电源电压V1要求的限制。

实施例1

请参阅图3,图3所示为本发明超低输入电压DC/DC升压装置一较佳实施例的示意图。如图3所示,该低输入电压DC/DC升压装置,其包括第一分压电阻RFB1、第二分压电阻RFB2、用于电源电压V1的稳压电容C1、用于电源电压V2的稳压电容C2、电感L1、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、内部供电模块、PWM产生模块、升压系统驱动控制模块、低压启动控制模块;电源电压V1为所述控制电路输入端的电压信号,电源电压V2为控制电路输出端的电压信号,电压V1通常小于电压V2。

具体地,在本发明的下述实施例中,电感L1连接在所述直流电源电压V1输入端与所述第一晶体管Q1和第二晶体管Q2漏极连接点SW之间;所述第一晶体管Q1的源极接地,第二晶体管Q2的源极接所述直流电源电压V2的输出端。第一电容C1并接在所述直流电源电压V1输入端和接地端GND之间;所述第二电容C2并接在所述直流电源电压V2输出端和接地端GND之间。

内部供电模块用于根据电源电压V1和电源电压V2产生所述DC/DC升压装置中各模块供电的电源电压V3。该内部供电模块可以包括第三晶体管Q3、第四晶体管Q4电源OK子模块和电源切换子模块。在本发明的实施例中,所述第四晶体管Q4的源极接所述电压V2,且所述第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的漏极输出电源电压V3。

具体地,当电源电压V2大于电源电压V1时,切换成用所述电源电压V2给电源电压V3供电;所述电源切换子模块控制开启第四晶体管Q4和关闭第三晶体管Q3。

当电源电压V2小于电源电压V1时,所述电源切换子模块当电源电压V1大于电源电压V2时,其将切换成用所述电源电压V1给内部电源电压V3供电且对所述电感L1充电。即所述电源切换子模块控制开启第三晶体管Q3和关闭第四晶体管Q4;所述电源OK子模块根据所述电源电压V3,输出所述正向POK信号或所述反向POK信号。也就是说,电源OK子模块用于判断电源电压V3是否大于等于一预定阈值,如果是,输出正向POK信号,否则,输出反向POK信号。

所述PWM产生模块包括误差放大器模块EAMP、斜坡补偿模块、基准电压源模块VREF、第一电阻RFB1、第二电阻RFB2、PWM比较器模块和振荡器OSC;所述第一电阻RFB1和第二电阻RFB2串接在电源电压V2和接地端GND之间;所述第一电阻RFB1和第二电阻RFB2的连接点为所述误差放大器模块EAMP的负输入端,所述误差放大器模块EAMP的正输入端接所述基准电压源模块产生的VREF信号。

所述基准电压源模块用以产生恒定的电压参考信号;斜坡补偿模块将周期性的方波信号处理成一个RAMP信号;振荡器模块OSC用来产生周期性方波信号;误差放大器模块将VREF和V2的反馈信号FB的差值放大,输出COMP信号;所述PWM比较器模块将COMP信号和RAMP信号进行比较,输出PWM方波信号。

所述升压系统驱动控制模块包括逻辑控制模块LOGIC和驱动模块DRIVER,所述逻辑控制模块LOGIC接收所述POK信号和PWM方波信号输出,若接收到的所述POK信号为正向的POK,则产生驱动信号DR1到所述驱动模块DRIVER,所述驱动模块DRIVER输出信号CLKP和信号CLKN。

在本发明的实施例中,新增的低压启动控制模块可以实现当电源电压V3未达到相应的电压阈值时,根据接收到的反向POK信号,输出一个抬升且周期性的电压信号CLKN驱动所述第二晶体管Q2导通与关闭,使电源电压V3的上升,直到接收到所述电源OK子模块检测到所述电源电压V3达到所述预定阈值,则关闭低压启动控制模块。

如图3所示,所述低压启动控制模块包括检测控制模块(Sense Control)、电荷泵模块(Charge Pump)和电荷泵振荡器模块(OSC Pump)。

当所述检测控制模块接收所述反向POK信号以控制电荷泵振荡器模块和电荷泵的开启,电荷泵振荡器模块用来产生周期性的方波信号输出给电荷泵模块,用以输出一个抬升且周期性的电压信号CLKN,当所述检测控制模块接收所述正向POK信号以控制振荡器OSC和电荷泵模块的关闭。

请结合图3参阅图4,图4所示为本发明实施例中检测控制模块的电路示意图。如图4所示,在升压装置启动时,电源电压V2小于电源电压V1,电源切换模块切换此时的内部电源V3来自电源电压V1,而此时内部电源V3的反馈信号经PWM比较器模块判断后不足以让升压装置系统正常工作,检测控制模块输出ENPUMP信号让电荷泵振荡器模块和电荷泵模块开始工作,电荷泵振荡器输出周期性的方波信号使电荷泵模块工作,输出一个抬升的电压信号CLKN驱动第二晶体管Q2(图中所示为N型晶体管)使其导通,在电源电压V1和接地端之间形成电流回路,对储能电感L1进行充电储能,此时检测控制模块中第三晶体管Q3(图中所示为N型晶体管)检测到的电流和第二晶体管Q2的电流成一定的比例,通过将该第三晶体管检测的电流和一恒流源Ibias进行比较,来判断第三晶体管Q3的电流是否到达设定值时。

当达到设定电流值时,输出ENPUMP的反向信号关闭电荷泵振荡器模块OSC和电荷泵模块,CLKN信号将第二晶体管Q2关闭,打开第一晶体管Q1,此时的储能电感L1上有电流存在,而电感L1的电流无法突变,在电源电压V1和电源电压V2之间形成电流回路,电感L1两端形成的电压VL,电压VL和电源电压V1同时向电源电压V2传输能量,使电源电压V2上升,当电源电压V2大于电源电压V1时,电源切换模块此时会切换内部电源V3来自电源电压V2,而后若内部电源V3的反馈信号经PWM比较器模块判断后依旧不足以让升压装置系统正常工作,检测控制模块会继续输出ENPUMP信号让电荷泵振荡器和电荷泵重新开始工作,直至电源OK模块判断内部电源V3电压正常后输出可使升压装置正常工作的POK信号时,关闭检测控制模块、电荷泵振荡器模块和电荷泵模块,同时亦可达到节能的效果。

实施例2

基于上述实施例1,已实现DC/DC升压装置在超低V1电压的启动,然而,因检测控制模块会消耗大量的电流,当V1处于超低电压时,会使得第三晶体管Q3(图中所示为P型晶体管)处于一个临界开启的状态形成大电阻,而此时的电流从电源电压V1经由第三晶体管Q3流至电源电压V3在电源电压V3上形成较大的电压降,过低的电源电压V3电压使检测判断模块及其他模块工作异常,造成功能上的故障。

因此,在本发明的实施例中,通过引入电源电压V1给检测判断模块供电,使其正常输出判断信号,再经由电平转换模块(Level Shift)将处理后的ENPUMP信号输出给电荷泵振荡器和电荷泵使其工作。

请参阅图5,图5所示为所示为本发明超低输入电压DC/DC升压装置另一较佳实施例的示意图。如图5所示,该低压启动控制模块包括检测控制模块(Sense Control)、电平转换模块(Level Shift)、电荷泵模块(Charge Pump)和电荷泵振荡器模块(OSC Pump),用以实现超低电源电压V1的启动。

其中,电荷泵振荡器模块产生周期性的方波信号输出给电荷泵模块;电荷泵模块用以输出一个抬升过电压驱动信号;检测控制模块用以控制振荡器和电荷泵的开关;电平转换模块用以转换不同电源电压之间的逻辑信号。

同理,实施例1中的其它具体电路也同样可以引用到实施例2中,在此不再赘述。

需要特别说明的是,请再参阅图2,现有技术的升压装置启动对最低的V1电压有一定的要求,而发明可突破目前技术对最低电源电压V1的限制,在更低的电源电压V1下亦可保证升压装置正常启动。

以上所述的仅为本发明的优选实施例,所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围,因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化,同理均应包含在本发明的保护范围内。

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