CN101237187A - 一种升压电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种升压电路，能增加电路的电压升压倍数。该升压电路包括续流二极管和滤波电容，还包括二次升压电路，所述二次升压电路连接在所述续流二极管和滤波电容之间，扩大所述升压电路的升压范围。本发明可大幅度提高了升压电路的升压倍数，可广泛应用于消费类电子产品。

Description

一种升压电路

技术领域

本发明涉及一种升压电路，尤其涉及一种具有较宽电压升压范围的升压电路。

背景技术

在许多消费类电子产品设计中，电源设计往往是设计的难点，高效、稳定、可靠的电源方案设计一直是技术人员和科研人员的追求目标。随着消费类电子产品竞争的日益激烈，成本低性能好的电源设计方案日益受到生产厂家的青睐。

升压电路作为消费类电子产品的电源，目前主要有两种解决方案，第一种是采用专用的升压电路芯片，第二种是根据具体应用利用阻容及晶体管搭建专用升压电路。专用芯片提供的升压电路性能好，但大部分专用芯片成本较高，在一定程度上限制了应用。由于专用的升压电路芯片在实际使用中应用较少，第二种方案根据具体应用搭建专用升压电路在业内越来越广泛。目前利用阻容及晶体管搭建专用升压电路已经有多种实现方式，但万变不离其宗，主要电路基本构架如图1所示。

图中电路主要包括储能电感L，开关S，续流二极管D，滤波电容C以及负载电阻R等关键部件，其中输入的直流电源电压Vi的正极串联储能电感L和续流二极管D后，再并联滤波电容C和负载电阻R，其中续流二极管D的正极接储能电感L，负极接滤波电容C和负载电阻R。升压电路的输出电压Vo，在负载电阻R的两端引出，负载电阻R连接续流二极管D负极的一端为输出电压Vo的正极，另一端为输出电压Vo的负极。PWM(PulseWidth Modulation，脉冲宽度调制)脉冲信号控制开关S的闭合和断开，储能电感L完成储能和能量释放，滤波电容C完成滤波和储能作用。

PWM脉冲信号控制开关S闭合时，储能电感L、开关S和电源Vi形成闭合回路，储能电感L储能，续流二极管D反向关断，负载电阻R由滤波电容C释能供电。PWM脉冲信号控制开关S断开时，续流二极管D导通，储能电感L释放能量，同时给滤波电容C充电储能。如此反复，形成升压电路的整个工作过程。

以图1所示基本结构为基础的升压电路，在需要高升压倍数的应用场合，比如机顶盒的tunner部分，现有的升压电路较难直接实现高倍数的电压提升，较常采用增加开关管频率和PWM脉冲信号占空比来弥补升压电路的能力缺陷，即便是这样，电压提升的幅度比较有限，不足以方便地实现较宽范围的电压提升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在于需要提供一种升压电路，能增加电路的电压升压倍数。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种升压电路，包括续流二极管和滤波电容，还包括二次升压电路，所述二次升压电路连接在所述续流二极管和滤波电容之间，扩大所述升压电路的升压范围。

如上所述的升压电路中，所述二次升压电路可以由二次储能升压电感和二次储能升压电容并联而成。

如上所述升压电路，可以进一步包括开关和信号发生电路，所述信号发生电路输出脉冲信号控制所述开关输出开关信号到所述续流二极管的正极。

进一步地，所述信号发生电路可以包括正弦波发生电路或方波发生电路；以及，所述开关可以包括N型绝缘栅场效应管，所述脉冲信号输入到所述绝缘栅场效应管的栅极，所述绝缘栅场效应管的源极接地，漏极输出所述开关信号。

更进一步地，所述升压电路可以进一步包括噪声抑制电容，所述噪声抑制电容两端分别连接所述绝缘栅场效应管的源极和漏极。

如上所述的升压电路，可以进一步包括缓冲电路，所述缓冲电路并联在所述续流二极管两端，缓冲所述续流二极管两端的电压；其中，所述缓冲电路可以由缓冲电容和放电电阻串联而成；以及，所述升压电路可以进一步包括稳压二极管，所述稳压二极管并联在所述滤波电容两端，正极接地。

如上所述升压电路，可以进一步包括稳压二极管，所述稳压二极管并联在所述滤波电容两端，正极接地。

与现有技术相比，本发明引入二次升压电路，大幅度提高了升压电路的升压倍数；在续流二极管两端并联缓冲电路，减小了升压电路寄生电感对续流二极管的瞬时过冲影响；以内部的信号发生电路作为开关的控制信号，减少了开发成本，方便了设计和使用；选用MOS管作为开关管，减小了电路的寄生电感和电容，降低了功耗，并在MOS管的漏源极之间接入噪声抑制电容，降低了MOS管源、漏极之间的噪声和电磁兼容噪声；还引入了稳压二极管，提高了升压电路输出信号的稳定性。

附图说明

图1是现有技术中升压电路的原理示意图。

图2是本发明第一实施例的电路结构示意图。

图3是本发明第二实施例的电路结构示意图。

图4是一种信号发生电路实施例的电路结构示意图。

图5是本发明第三实施例的电路结构示意图。

图6是本发明第四实施例的电路结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明的基本思想是，在现有的升压电路中再引入一个二次升压电路，来增加升压电路的升压倍数，提高升压电路的升压范围。图2示出了本发明引入二次升压电路的第一实施例，其中的升压电路连接在续流二极管D1的负极与滤波电容C5之间，由二次储能升压电感L2和二次储能升压电容C6并联而成。二次储能升压电感L2与二次储能升压电容C6并联在续流二极管D1的负极与滤波电容C5之间，二次储能升压电感L2和二次储能升压电容C6在开关管S关断时储能，在开关管S导通时通过续流二极管D1、开关管S和负载电阻RL释放能量。引入的二次升压电路，扩大了升压电路的升压范围，可以满足较高电压升压倍数的应用场合，解决了现有技术中常用的升压电路通过增加开关管频率和PWM脉冲信号占空比，来改善升压倍数较低的不足。

现有技术中，无论是软开关还是硬开关的升压电路，大部分都需要外部提供图中所示的PWM脉冲来控制开关S的闭合和断开。比较常用的做法是采用MCU(Micro Controller Unit，微控制器)的GPIO(General PurposeInput/Output，通用输入输出)模拟输出，或是通过专用PWM脉冲模块提供PWM脉冲，使得PWM脉冲信号的频率可变，但这样在一定程度上增加了系统开发量和维护成本。

在引入二次升压电路增加升压电路升压范围之后，本发明还进一步将控制开关闭合或断开的脉冲信号集成到升压电路内部。图3示出了本发明集成有信号发生电路的第二实施例，其中的信号发生电路就是用来产生脉冲信号，控制开关S闭合或断开，从而实现升压电路的既有功能。图3中其余各元器件的连接关系和功能，请参考图2所示本发明的第一实施例，此处不再详细描述。

图4示出了一种信号发生电路的实施例，如图4所示，第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5均接到输入电源Vi的正极，其中第四电阻R4的另一端连接NPN型三极管Q1的集电极，第五电阻R5的另一端连接三极管Q1(称之为第一三极管Q1)的基极；第二电阻R2的另一端连接NPN型三极管Q2(称之为第二三极管Q2)的集电极，第三电阻R3的另一端连接第二三极管Q2的基极。第一三极管Q1和第二三极管Q2的发射极，均连接输入电源Vi的负极后接地(GND)。在第一三极管Q1的基极和第二三极管Q2的集电极之间，还连接有电容C2，在第一三极管Q1集电极的和第二三极管Q2的基极之间，还连接有第三耦合电容C3。第二耦合电容C2和第三耦合电容C3提供交流耦合功能。控制开关S闭合或断开的脉冲信号从第一三极管Q1的集电极引出。可以通过调整电阻和电容的大小来调整脉冲信号Out的频率，通过调整输入电压Vi的大小来调整脉冲信号Out的幅度，工作性能稳定。

图4所示的信号发生电路，含有第一三极管Q1和第二三极管Q2，每个三极管提供180度相移，两个三极管就能提供360度相移，形成正反馈回路。第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5除提供两个三极管的静态工作点外，还构成两个三极管的正反馈回路。具体说，第二电阻R2和第三电阻R3串联构成第二三极管Q2的正反馈回路，第四电阻R4和第五电阻R5串联构成第一三极管Q1的正反馈回路。电容C2和第三耦合电容C3提供交流耦合功能。通过合理选择第三电阻R3和第五电阻R5的大小，以及电容C2和第三耦合电容C3大小，可以得到需要的振荡方波频率，其方波频率为f＝0.7×(R5×C2+R3×C3)。

图4所示的信号发生电路，其工作过程为，当输入电源Vi上电时，输入电源Vi加载到电路，由于两只三极管都处于正向偏置，故都处于导通状态。此外，输入电源Vi还为第三耦合电容C3和第二耦合电容C2充电到几乎等于输入电源Vi电压的状态，充电路径是通过接地点，再到三极管基极，再通过电容后回到输入电源Vi，有些充电电流是通过第三电阻R3和第五电阻R5的，从而导致正电压加在基极上，使晶体管导电量更大，因而使两三极管的集电极电压下降。两只晶体管不会是完全一样的，即使是相同型号和相同参数值的晶体管，起始时一个晶体管也会比另一个晶体管的导电量稍微大一些。假定第二三极管Q2的导电量更大一些，由于第二三极管Q2的电量较大，第二三极管Q2集电极电压下降就要比第一三极管Q1下降更快一些，结果通过第五电阻R5放电的第二耦合电容C2耦合到第一三极管Q1基极的电压，就要比通过R3放电的第三耦合电容C3耦合到第二三极管Q2基极的电压负值更大一些，这就使得第一三极管Q1的导电量减少，而它的集电极电压则升高了。第一三极管Q1电压升高是作为正电压通过第二耦合电容C2耦合到第二三极管Q2的基极的，这样第二三极管Q2导电更多，导致第二三极管Q2集电极电压进一步下降。由于第二耦合电容C2还在放电，故驱使第一三极管Q1基极电压向负的增大，这个过程继续到第一三极管Q1截止，而第二三极管Q2在饱和状态下导通为止，此时第二耦合电容C2继续通过第五电阻R5对地放电，第一三极管Q1保持截止直至第一三极管Q1的基极电压超过截止电压，这样第一三极管Q1开始导通，开始了振荡器的第二个半周。

由于第一三极管Q1导通，它的集电极电压开始下降，导致第三耦合电容C3通过第三电阻R3开始放电，这样加载到第二三极管Q2基极的为负电压，第二三极管Q2的传导电流因此减小，并引起第二三极管Q2集电极电压开始升高，第二三极管Q2的输出又作为正电压耦合到第一三极管Q1的基极，因此，第一三极管Q1传导的电流更大，像前半周工作一样，起正反馈作用，并继续到第二三极管Q2截止，第二三极管Q2在饱和状态下导通为止。第一三极管Q1保持截止状态，直至第三耦合电容C3充分放电完毕，第二三极管Q2开始脱离截止状态，此时，新的振荡周期再次开始。

图4所示的信号发生电路实施例，输出的脉冲信号为方波。实际上，本发明中信号发生电路所输出的信号并不限于方波，除了方波之外也可以是正弦波等等，但是无论是何种波形的输出信号，都需要满足能正常闭合或断开开关，也即如果是方波，则方波的最小电平取零电平，最大电平要足够开启开关S即可，如果是正弦波，则正弦波的波谷取零电平，波峰幅值要足够开启开关S即可。

图4所示的信号发生电路实施例，采用的器件比较少，节约了电路成本。其实除了图4所示的实施例之外，也可以是其他脉冲信号发生电路，只要是产生脉冲信号来控制升压电路中开关的闭合和断开即可，所以实现这一功能的电路结构还可以有其他多种方式，如正弦波振荡器，LC振荡器，RC振荡器等等。

目前使用外部提供的PWM脉冲信号，除了基波之外还包含丰富的谐波分量，这些谐波分量将会耦合到升压电路中，最终会耦合到整机(如机顶盒等)电路中，这也会给整机带来很大的噪声干扰，同样也会降低产品性能。本实施例中，将外部提供PWM脉冲信号来控制开关改为升压电路内部提供信号控制开关，不仅节约了电路成本，还有效解决了外部PWM脉冲信号所带来的噪声干扰，提高了产品性能。

NPN型三极管是现有升压电路中的开关器件，在接入电路中时，三极管的基极连接控制三极管关断或导通(分别对应于开关的断开或闭合)的脉冲控制信号，比如图4所示信号发生电路输出的方波，三极管的发射极接地，集电极输出开关信号到续流二极管D1的正极。

升压电路的结构及功能，使得用作升压电路开关的三极管必然产生较大的寄生电感和寄生电容。在采用图4所示的信号发生电路基础上，本发明第三实施例中，还进一步对升压电路的开关进行了改进，如图5所示。在本发明第三实施例中，选用N型MOS管(绝缘栅场效应管)M1用作开关。信号发生电路输出的脉冲信号Out输入到开关MOS管M1的栅极，开关MOS管M1的源极和衬底接地，漏极接在储能电感L1和续流二极管D1之间，从漏极输出的开关信号直接作用到续流二极管D1的正极。

当然，选用其他结构的信号发生电路，同样可以选用MOS管作为开关。用MOS管代替三极管，减少了由于晶体管的寄生电容和寄生电感对电路造成的影响。同时，由于开关MOS管M1导通时，其栅极电流极小，电流值为nA(纳安)级，降低了整个升压电路的功耗。

另外，无论是采用专用的升压电路芯片，还是利用阻容及晶体管搭建专用升压电路，现有的升压电路都不太适合一些要求苛刻的应用场合，如机顶盒、数字电视等。其中的一个原因是由于开关噪声较大，会极大地影响设备参数指标，如灵敏度、信噪比等关键技术参数。实际调试过程中发现，这些参数对开关电源噪声十分敏感，若处理不好，极大降低产品性能和应用能力。

本发明第三实施例选用MOS管代替三极管作为升压电路的开关，在开关MOS管M1的源极和漏极之间会产生一定的噪声，本发明第三实施例进一步在开关MOS管M1的源、漏极之间接入一避免电压过冲的噪声抑制电容C9。开关MOS管M1的源、漏两极之间有一等效二极管，开关管的频繁导通和关断容易造成电压过冲，在开关MOS管M1的源、漏极之间接入噪声抑制电容C9，可以有效避免开关MOS管M1源、漏极之间电压过冲的产生。噪声抑制电容C9除了可以有效避免电压过冲的产生之外，还能有效滤除掉开关信号产生的高频噪声。通过实验发现，噪声抑制电容C9对应用本发明第二实施例的整机(如机顶盒等)灵敏度有很大改善。在实际应用中，噪声抑制电容C9一般可选用pF(皮法)级的陶瓷电容。

在开关MOS管M1的漏源极之间接入噪声抑制电容C9，不仅不会影响到输出电压的电压值，而且抑制了开关MOS管M1源、漏极之间的噪声，减少源、漏极之间的电压上升率，降低了EMC(Electro MagneticCompatibility，电磁兼容)噪声。另外，引入噪声抑制电容C9从电路成本考虑，代价非常小，电路性能的提升却非常明显。

图5所示第三实施例中其他元器件的连接关系及工作方式，与图3所示的本发明第二实施例对应相同，请参考图3和第二实施例对应理解，此处不再详述。

以图1所示基本结构为基础的升压电路，整个电路器件之间的引线的寄生电感，会对升压电路中的续流二极管产生影响。开关输出开关信号控制续流二极管时，有可能会产生瞬时过冲电压。虽然电路设计中一般保留有安全余量保护续流二极管免使瞬时过冲电压而击毁，但续流二极管可能被瞬时过冲电压击毁的安全隐患，以及瞬时过冲电压对电路性能和品质的影响，仍有待于克服。除了开关信号的瞬时过冲电压有可能损坏续流二极管之外，各器件之间引线的寄生电感对续流二极管的工作性能也会产生影响。本发明还可以引入一个保护续流二极管工作在安全范围之内的缓冲电路，如果开关信号出现瞬时过冲电压，则由缓冲电路确保续流二极管免受高压击毁，减小引线寄生电感对续流二极管的影响。

图6示出了本发明的第四实施例，如图6所示，续流二极管D1的两端，并联有一由缓冲电容C8和放电电阻R7串联而成的缓冲电路，其中的缓冲电容C8较佳地采用陶瓷电容，容值一般小于10nF(纳法)。缓冲电容C8主要对续流二极管D1起电压缓冲作用。当续流二极管D1截止时，升压电路的寄生电感对缓冲电容C8进行充电，由于缓冲电容C8的容值较大，因此续流二极管D1两端不会产生瞬时过冲电压。当续流二极管D1导通时，缓冲电容C8通过放电电阻R7放电。由缓冲电容C8和放电电阻R7组成的缓冲电路，是用来保护续流二极管D1的，缓冲电容C8和放电电阻R7二者的相互位置关系，不会影响缓冲电路的功能，引入的缓冲电路限制了引线寄生电感对开关信号产生的影响，减小了开关信号波形的过冲。

图6中其余各元器件，包括储能电感L、外接PWM脉冲信号、滤波电容C5及负载电阻RL，连接方式和功能都没有变化，可以参考图1所示的电路原理来理解，此处不再详细描述。

在本发明第四实施例当中，续流二极管D1截止时，不仅升压电路的寄生电感对缓冲电容C8进行充电，而且二次储能升压电感L2也对缓冲电容C8进行充电，更进一步保证了续流二极管D1两端不会产生瞬时过冲电压。

凡是采用图1所示的基本结构的升压电路，在实际应用时如果由于故障等原因导致升压电路失效时，输出电压Vo可能超出设计值导致电路损坏。在图1所示目前已有的升压电路，或者图2所示本发明第一实施例基础上，都可以引入稳压二极管来提高升压电路输出电压Vo的稳定性。本发明第四实施例当中，在负载电阻RL两端并联一肖特基稳压二极管D2，就可以提高输出电压Vo的稳定性，对电路起保护作用。稳压二极管D2与滤波电容C5并联，负极连接滤波电容C5和二次储能升压电感L2的连接点，正极接地。

增加稳压二极管D2后，如果输出电压Vo超出设计范围，则稳压二极管D2导通，将输出电压Vo稳定在安全范围内。图6所示的第四实施例当中，其他元器件的连接关系及工作方式，与图5所示的本发明第三实施例对应相同，请参考图5和第三实施例对应理解，此处不再详述。

综上所述，本发明电路中所有部件都可选用晶体管和阻容器件组成，较采用专用升压芯片成本要低很多，可以大幅降低电路BOM(Bill of Material，物料清单)成本。本发明电路中所采用的二次升压电路，大幅度提高了升压电路的升压倍数，升压电路的整体性能也得到了明显提高，在需要电压高升压倍数的场合如机顶盒的tuner部分，实用性特别强。引入信号发生电路，本发明电路在实际应用中，不需要任何的外界控制操作，只需要提供合适的输入电压，就能获得理想的设计输出值，减少了开发和维护成本，利于提高设计和实用效率。选用MOS管作为开关管，减小了寄生电感和电容，降低了电路功耗，提升了电路品质，而且在开关管的漏极和源极之间接入噪声抑制电容，有效降低了电路的高频噪声，明显提升了整个升压电路的性能指标。本发明引入的续流二极管缓冲电路，减小了升压电路寄生电感对续流二极管的瞬时过冲影响。本发明还引入了稳压二极管，提高了升压电路输出信号的稳定性。上述本发明的优异之处使得本发明可广泛应用于各种消费类电子产品。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1、一种升压电路，包括续流二极管和滤波电容，其特征在于，还包括二次升压电路，所述二次升压电路连接在所述续流二极管和滤波电容之间，扩大所述升压电路的升压范围。

2、如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，所述二次升压电路由二次储能升压电感和二次储能升压电容并联而成。

3、如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，所述升压电路进一步包括开关和信号发生电路，所述信号发生电路输出脉冲信号控制所述开关输出开关信号到所述续流二极管的正极。

4、如权利要求3所述的升压电路，其特征在于，所述信号发生电路包括正弦波发生电路或方波发生电路。

5、如权利要求3所述的升压电路，其特征在于，所述开关包括N型绝缘栅场效应管，所述脉冲信号输入到所述绝缘栅场效应管的栅极，所述绝缘栅场效应管的源极接地，漏极输出所述开关信号。

6、如权利要求5所述的升压电路，其特征在于，所述升压电路进一步包括噪声抑制电容，所述噪声抑制电容两端分别连接所述绝缘栅场效应管的源极和漏极。

7、如权利要求1至6中任一项权利要求所述的升压电路，其特征在于，所述升压电路进一步包括缓冲电路，所述缓冲电路并联在所述续流二极管两端，缓冲所述续流二极管两端的电压。

8、如权利要求7所述的升压电路，其特征在于，所述缓冲电路由缓冲电容和放电电阻串联而成。

9、如权利要求7所述的升压电路，其特征在于，所述升压电路进一步包括稳压二极管，所述稳压二极管并联在所述滤波电容两端，正极接地。

10、如权利要求1至6中任一项权利要求所述的升压电路，其特征在于，所述升压电路进一步包括稳压二极管，所述稳压二极管并联在所述滤波电容两端，正极接地。

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