CN101351948A

CN101351948A - 直流到直流转换器

Info

Publication number: CN101351948A
Application number: CNA2006800499598A
Authority: CN
Inventors: 弗兰克·哈格迈尔; 彼得·希默尔赖希
Original assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 2005-12-30
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2009-01-21
Also published as: DE102005063189A1; WO2007077131A1; US8129963B2; US20110050195A1; EP1969703B1; EP1969703A1

Abstract

本发明涉及一种直流到直流转换器，其包括：直流到直流转换器单元(DCW)、用于电压转换的第一场效应晶体管(FET1)、作为启动辅助元件的双极型晶体管(BP1)、以及用于关断该双极型晶体管(BP1)的第二场效应晶体管(FET2)。所述双极型晶体管(BP1)与第一场效应晶体管(FET1)并联地装配，并且第二场效应晶体管(FET2)装配在双极型晶体管(BP1)的上游。

Description

直流到直流转换器

本发明涉及直流到直流转换器。

用于将第一直流电压转换为第二直流电压的直流到直流转换器是众所周知的。例如，这种直流转换器用于便携式电子设备的电压供应，以将能量供应源(电池、蓄电池)所提供的直流电压转换为另一通常更高的直流电压。

本发明的目的是提供一种直流到直流转换器，其具有高效率和低接通电压。

该目的是通过根据权利要求1所述的直流到直流转换器来实现的。

因此，提供了一种直流到直流转换器，包括：直流到直流转换器单元、用于电压转换的第一场效应晶体管、作为启动辅助元件的双极型晶体管、以及用于关断双极型晶体管的第二场效应晶体管。与第一场效应晶体管并联地装配该双极型晶体管，并将第二场效应晶体管装配在该双极型晶体管的上游。

因此，提供了一种直流到直流转换器，由于双极型晶体管的低阈值电压，该直流到直流转换器在低启动电压下也可被启动。然而，由于双极型晶体管对效率具有负面影响，因此在启动过程之后关断该双极型晶体管。因此，提供了一种直流到直流转换器，其具有高效率并且即使在低电压下也能够启动。

因此，一种直流到直流转换器包括：用于电压转换的场效应晶体管；双极型启动辅助晶体管，与用于电压转换的场效应晶体管并联地装配；以及用于关断的场效应晶体管。该用于关断的场效应晶体管装配在双极型启动辅助晶体管的上游。在启动时，即在接通时，用于该作为开关二极管的、用于电压转换的场效应晶体管的电压非常低。因此，可以仅使用与该场效应晶体管并联装配的启动辅助二极管来进行启动。一旦电路被启动，则电路将产生足够用于该用于电压转换的场效应晶体管的操作的电压，因此该启动辅助二极管的功能不再是必要的。借助于单级级联，可以产生至少12V的电压。借助于该电压，在该启动辅助晶体管上游的该用于关断的场晶体管变为高电阻，因此该启动辅助晶体管对于该电路而言变得“不可见”。

本发明的另外的发展是从属权利要求的主题。

在下文中，将参考附图更加详细地描述本发明。

图1示出了根据本发明的直流到直流转换器的电路框图；以及

图2示出了图1的直流到直流转换器的电路图。

图1示出了根据本发明的直流到直流转换器的电路框图。该直流到直流转换器包括输入端，第一电压U1被施加到该输入端。该第一电压对应于电池电压，该电池电压提供了用于电子设备的能量供应。该直流到直流转换器还包括通/断瞬时开关T1、触发器单元FF、直流到直流转换器单元DCW、加法单元AU和输出开关AS。该直流到直流转换器输出第二电压U2和第三电压U3。当瞬时开关T1被起动时，信号/SET转为低电平，并且触发器单元FF被置位。然而，如果该设备已被接通，则由于触发器单元FF已被置位并保持在该状态中，因此/SET不起作用。瞬时开关T1的输出信号/ON被处理器接收并被相应地处理。然而，如果该设备仍处于关断中，则信号/SET使得触发器单元FF置位并且接通过程启动。由于接通过程刚启动，因此处理器尚未工作，因而信号/ON保持不起作用。

触发器单元FF用于直流到直流转换器单元DCW的接通和关断。通过瞬时开关T1来相应地使得触发器单元FF接通和置位。作为替代方案，当充电的电池单元(Batteriezelle)和蓄电池单元(Akkuzelle)被相应地插入该设备中时，触发器单元FF被接通。如果瞬时开关被保持超过约一秒或更多秒的时段，则可以通过由处理器连续推动瞬时开关T1来相应地使得触发器单元FF接通和复位。

通过信号ENABLE来启动直流到直流转换器单元DCW。输出开关AS用于将直流到直流转换器单元的6V输出电压作为第三电压U3而输出至电子设备。这在直流到直流转换器单元DCW工作并产生输出电压并且触发器单元FF被置位时发生。因此，可以确保在转换器单元DCW在启动后处于稳定状态之前不输出该输出电压。还可以确保该输出电压随着该转换器的关断而确定地关断。

图2示出了图1的直流到直流转换器的电路图。图2所示的直流到直流转换器的电路图以及各元件的具体值仅用于说明该转换器的功能，而不应被视为限定性的。向该直流到直流转换器的输入端施加第一电压U1。该直流到直流转换器包括瞬时开关T1、触发器单元FF和直流到直流转换器单元DCW。此外，该电路包括电感L1、电容C1、第一场效应晶体管FET1、第二场效应晶体管FET2和双极型晶体管BP1。

如果在一定时间内，在该电子设备的电池室内不存在电池或蓄电池单元，则电容C313可进行放电。在电容器C313处电压将升高，该电压近似地对应于单元电压(Zellenspannung)。这是由分压器R324、该连接电路的剩余部分、以及该电容器的漏电阻导致的。瞬时开关将旁路该漏电阻并提高Q302的基极处的电压。晶体管变得导通，此外还使得触发器置位。晶体管Q302在其基极被施加正电压时使得触发器置位。可以从充电的单元(Zelle)经由瞬时开关传输该电压，而且在插入充电的单元时的正电压跳变是足够的。该电压跳变是由C313向晶体管的基极传输的。然而，如果电池或蓄电池单元被插入电池室中，则向下个节点传输正电压跳变。如果电池单元或蓄电池单元在一定时间内位于电池室中，则经由电容313的漏电阻将电容313充电至单元电压。因此，可经由瞬时开关T1提高后续节点处的电压。因此，晶体管Q302均变得导通，瞬时开关T1的输出信号被设置为低电平，并且触发器单元FF被置位。由于触发器置位将阻塞信号/ON，因此晶体管Q302用于解耦某些功能。

触发器单元包括双晶体管Q303，并且可以仅通过处理器而被复位。

例如，直流到直流转换器单元DCW可包括Torex的IC XC9103。该转换器可以控制例如具有300kHz的开关频率的外部晶体管。为了降噪，电容器与分压器的电阻器并联连接。对该转换器单元DCW的控制是通过脉宽调制PWM以恒定频率发生的。电感L1(L301)被提供作为转换器线圈。优选地，使用自耦变压器。通过该转换器-变压器的绕组比率，可以设置该转换器的脉冲间隔比。

电阻器R364和R365用于从控制电路解耦滤波电容器C338。在电容器C389处可以获得14V的电压，该电压仅仅表示未受调节的电压，因此仅可负担较低的电流。

导通变压器Q305即第一场效应晶体管FET1引起流过转换器-变压器的初级绕组的电流。当该变压器变为高电阻时，激励线圈迫使该电流还经过二极管Q306并对滤波电容器C340进行充电。该晶体管导通的时间越长，对该电容器进行充电的电流越大。

在下文中，描述了该转换器使用较低的电池或单元电压(U1)的启动。对于该启动而言，尤其必要的是第一场效应晶体管FET1、与第一场效应晶体管FET1并联连接的第一双极型晶体管BP1、以及第二场效应晶体管FET2即Q307，其中该第一场效应晶体管FET1指的是用于电压转换的场效应晶体管Q305，该第一双极型晶体管BP1指的是启动辅助晶体管Q306，该第二场效应晶体管FET2指的是用于关断的耗尽型场效应晶体管。

如果单元电压为例如仅0.7V，则转换器单元DCW可以在第一场效应晶体管FET1处仅提供0.7V的栅极-源极电压。使用这样的栅极-源极电压，该场效应晶体管的漏极-源极通路的电阻并未低到足以充分激励转换器扼流圈L1。

然而，双极型晶体管BP1即Q306在0.7V的基极-射极电压时变得导通，以启动转换过程。当输出电压正在提高时，则第一场效应晶体管FET1可以相应地工作。

优选地，针对高输入电阻来确定转换器单元DCW的输出(即，从外部开关晶体管EXT即管脚5输出的驱动或信号)。然而，双极型晶体管BP1的低输入电阻表示该信号的加载。这导致实际上可操作转换器单元，但是会出现低效率。这特别不利于延长电池单元或蓄电池单元的使用寿命。因此，在双极型晶体管BP1的上游布置耗尽型第二场效应晶体管FET2即Q307，该FET2用作启动辅助晶体管。该第二场效应晶体管FET2在启动时是低电阻的，以使得双极型晶体管BP1可以工作。

借助于单级级联，产生约12V的电压。该电压导致在双极型晶体管BP1上游的第二场效应晶体管FET2变为高电阻。用于开关晶体管的信号被分路，并且在开关FET1处以及经由耗尽型FET2在双极型开关晶体管BP1的基极处并行地施加该信号。在转换器工作时，在该级联中产生的约12V的电压导致在BP1的上游的FET2变为高电阻。在这种情况下，BP1不能负担该电路。

为了在该直流到直流转换器处使能6V的输出电压，触发器FF必须被置位，并且工作电压必须可用。如果这两个条件均满足，则晶体管Q308变得导通。然而，在晶体管Q309可变得导通之前，必须经由电阻器R380对电容C343进行反向充电。因此，以约一秒的时延将输出电压传输至电子设备。在此时间期间，可以安全地完成转换器单元DCW的所有暂态过程。

如果触发器FF不再被置位，则可以经由二极管D307对电容器C343进行放电。然后，晶体管Q309与导通期间相比显著更快地阻断。

第一场效应晶体管FET1即Q305应包括在较低的栅极-源极阈值电压时的较低的漏极-源极电阻以及尽可能小的栅极电容。

开关转换器PMEM4020AND可包括双极型晶体管BP1。

第二场效应晶体管FET2即Q307应在0V的栅极-源极电压时具有最小漏极-源极电阻。在漏极-源极电阻变为最小时的该电压应尽可能低。

转换器单元DCW应确保在尽可能低的工作电压处启动，该转换器单元DCW由于组件的大小而应具有较高的时钟频率，并且由于第一场效应晶体管FET1即Q305的栅极电容所导致的损耗而应具有不过于高的时钟频率。

此外，转换器单元DCW应包括纯脉宽操作，以便能安全地处理来自转换器频率的高频(HF)干扰。此外，应保障所有组件的外部电路。输出电压可以是6V，输出电流可介于0mA与50mA之间。

转换器扼流圈L1即L301的变压比可例如包括1∶4，以使得转换器单元DCW也可以在0.4至5V的输入电压稳定输出电压。此外，转换器扼流圈L1即L301应包括尽可能高的电感，以确保即使在较低的工作电压时也能安全启动。由于预先确定了绕组体积，因此线规将随着绕组匝数的增大而减小，并且直流电阻将增加。优选地，绕组包括6μH∶100μH，以允许转换器在0.6V处开始安全地启动。这种电感可通过8:32的绕组来实现。对于每个绕组而言，具有优选的初级为0.26mm且次级为0.15mm的直径的单线是足够的。使用这种线规，直到500mA的初级电流也可以流动较长的时段。所选择的芯优选地由材料N48组成，并具有为100的AL值。

上述直流到直流转换器可例如分别设于用于无线麦克风和无线耳内监听器的袖珍发射机中。替代地或附加地，该直流到直流转换器还可在无线麦克风、无线耳机、无线助听器等中实现。

替代地或附加地，上述直流到直流转换器还可用于便携式电子或电气设备中。

Claims

1.一种直流到直流转换器，包括：

直流到直流转换器单元(DCW)，用于将第一直流电压(U1)转换为第二直流电压，

第一场效应晶体管(FET1)，用于电压转换；

双极型晶体管(BP1)，作为该直流到直流转换器接通时的启动辅助元件，其中该双极型晶体管与第一场效应晶体管(FET1)并联地耦合，以及

第二场效应晶体管(FET2)，用于停用双极型晶体管(BP1)，其中该第二场效应晶体管(FET2)被连接在双极型晶体管(BP1)的上游。

2.根据权利要求1所述的直流到直流转换器，其中所述第一场效应晶体管(FET1)被形成为增强型场效应晶体管，并且所述第二场效应晶体管(FET2)被形成为耗尽型场效应晶体管。

3.根据权利要求1或2所述的直流到直流转换器，其中所述双极型晶体管(BP1)仅在所述直流到直流转换器的启动期间有效。

4.一种电子设备，包括根据权利要求1-3中任一个所述的直流到直流转换器。