CN101552540A - 升压转换器以及包含其的电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种升压转换器以及包含该升压转换器的电源。所述升压调压器包括：电压电源、能量存储元件、开关设备SW_1、二极管D1、电容器C1、脉宽调制器、以及分压器，所述分压器的分压点的电压被输送给脉宽调制器，而脉宽调制器向开关设备SW_1的控制端提供输入信号，其特征在于，所述电压电源的电压低于开关设备SW_1的接通阈值电压，并且所述升压调压器还包括一第一推动块，所述第一推动块包括控制输入端，当第一推动信号被施加到所述第一推动块的输入端时，第一推动块内的电流路径将能量存储元件接地，紧接着在第一推动信号被移除时，断开能量存储元件与地GND的连接，从而使得能量存储元件的输出端的电压高于开关设备SW_1的阈值电压。

Description

升压转换器以及包含其的电源

技术领域

本发明通常涉及电压转换器，且更具体地涉及当被提供了小于在电压转换器中使用的开关设备的阈值电压的输入电压时可以操作的开关(switched)低电压转换器。

本发明通常还涉及电池充电系统，且更具体地涉及具有自包含的电源的电池充电器。

背景技术

在当今的电气设备和器件中，广泛地使用电压转换器来将诸如电池的单个电源的输出电压转换为多路电压轨道(rail)，其依次给系统内的不同功能块供电。

一个例子是由具有3.6V的额定输出电压的单个单元锂离子(Li-Ion)电池供电的移动电话。在该移动电话中，通常存在3到5个电压轨道，诸如5V、3.3V、2.5V、1.8V和1.5V等，它们需要给电话内的不同功能块供电。所有这些电压轨道都是从锂离子电池转换来的。因为这些电压中的一些、诸如5V高于单个单元锂离子电池的额定输出电压，因此使用具有升压(step-up)或“升压(boost)”布局的电压转换器。

典型的升压转换器包含二极管和能量存储元件的开关模式转换器。图1示出了传统的升压转换器的例子。升压转换器10包括高电压电源(HV_BAT)12、以与HV_BAT串联连接的电感器(L1)形式的能量存储元件、在电感器和地(GND)之间连接的开关设备(SW_1)16、与L1串联连接的二极管(D1)17、在D1和GND之间连接的电容器(C1)18、和也在D1和GND之间连接的、使用第一电阻器(R1)20和第二电阻器(R2)22创建的分压器。跨越该分压器的电压是被提供给负载(RL)24的、电压转换器的输出电压(V_OUT)。在R1和R2之间的连接处的电压提供输入电压到脉宽调制器(PWM)26，该脉宽调制器(PWM)26向开关设备(SW_1)的控制端提供输入信号(PMW_SW)。该PWM从在D1和GND之间连接的终端获得功率。

当电源、HV_BAT第一次附接到转换器时，在D1和负载(R_L)之间出现电压V_D。该“第一”V_D用于两个目的：它提供激活内部PWM块所需的中间的“第一推动”电压，且它向负载(R_L)提供“初始”输出电压，V_OUT。通过使用PWM来将开关设备SW_1接通和断开来控制在L1和C1中存储的能量的量，从而实现恒定的V_OUT。PWM块使用在R1和R2(V_FB)之间的交汇处的电压，来确定PMW输出信号的占空因数。当获得了(由R1和R2的值所确定的)期望的电压时PWM的占空因数稳定，且升压转换器的输出是处于期望的电平的恒定输出电压。

为了升压转换器操作，PWM的初始输出必须是足够以使SW_1接通的足够的阈值电平(V_TH)。V_TH由开关的属性来限定。在SW_1D“第一开关接通”之后，升压转换器正常地开始操作，且其输出电压V_OUT最终达到由负载R_L需要的恒定电压。如果V_TH足够，则第一次不将SW_1接通，因此不启动图1所示的升压转换器。在典型的基于半导体的升压转换器中，V_TH在0.7V和1.0V之间，取决于在电压转换器中使用的开关设备(MOSFET、双极性晶体管等)的技术。这意味着电源必须具有至少0.7V到1.0V的输出。

可再生电源可以被使用来替换危害环境的基于化学和电化学的能量源，诸如各种锂离子电池、锂聚合体、NiMH和NiCd电池，这些仍然广泛用于移动电话和其他充电消费和商业设备和器件，作为主要的能量源。有前途的能量源是太阳能电池。但是，典型的单个太阳能电池输出不超过0.3V的电压，显然低于在传统电压转换器中的典型的开关元件的0.7V到1.0V V_TH。

目前正在研究开发半导体工艺技术中，在其上可能制造超低阈值开关设备(即，具有低于0.3V的阈值的开关设备)。但是，即使确实可以开发这种新的半导体工艺技术，但阈值电压变得越低，则工艺技术很可能变得越复杂且因此成本越高。另外，无论开关设备的阈值电压变得多低，传统的布局仍然无法实现具有0电压阈值的电压转换器。

典型的电池供电的系统使用外部或内部电池供电电路。可以通过将商业可得的AC电源(AC电源线)转换为低电压DC电压的AC到DC转换器(AC适配器)来提供对电池充电电路的电源。另外，该DC电压还可以被用于直接给下游电子器件供电，这当AC适配器不存在时另外由电池供电。

一个例子是用3.6V的额定输出电压由单个单元锂离子电池供电的移动电话。典型地由AC适配器通过电池充电电路给该电池充电。该电池充电电路可以是基于半导体的集成电路(IC)或用离散的组件建立的电路。而且，在移动电话中，通常存在3到5个电压轨道，诸如5V、3.3V、2.5V、1.8V和1.5V等，被用于给提供移动电话的具体功能的其他功能块或电路供电。这些电压轨道可以当不存在AC适配器时从锂离子电池转换，或者当存在AC适配器时从AC适配器的DC电压输出中转换。

如此，在电池供电系统中的功率管理器包括电池充电电路和功率转换电路。其中通过AC适配器供应功率的电池充电电路可以是用离散的组件建立的电路、或IC或IC的一部分。该功率转换电路将电池电压或AC适配器提供的电压转换为供应该系统的其他电路的各种其他电压。该功率转换电路可以是用离散的组件建立的电路、或IC的集合、IC或IC的一部分。

由于AC适配器的DC输出电压高于电池电压的DC输出电压，则电池充电电路典型的是降压布局的，诸如线性或“降压(buck)”转换器，其将较高DC电压转换为较低的。

对于功率转换电路，其中使用的电压高于电池的额定输出电压，使用升压或“升压”布局，且对于低于电池的额定输出电压的电压，使用降压或“降压”布局。如此，对于功率转换电路，使用升压和降压的两种子电路。典型地提供这些子电路作为分离或独立的IC。

如此，在系统级上，总是需要AC适配器、或其他典型或外部的电源。另外，AC适配器的DC输出电压需要高于特定电平。该最小电压是典型地在0.7V和1.0V之间，取决于在电压转换器中使用的开关设备(MOSFET、双极性晶体管等)的阈值电压。实际上，AC适配器的DC输出几乎总是高于电池电压，以便可以更容易实现线性或降压布局电池充电电路。例如，用于单个单元锂离子电池(3.6V额定电压)供电的系统的AC适配器典型地高于5V。

在图9中提供了传统电源的简化图示。可以由来自AC适配器输入903或可充电电池、RE_VO_BA 905的功率来给负载、R_L915供电。功率路径管理电路907促使三个开关(SW_1 908、SW_2 909、SW_3 910)来控制从AC适配器输入903到负载和/或电池的功率流。例如，通过将开关SW_1接通且将开关SW_2和SW_3断开，则AC适配器903向负载R_L915提供功率。通过将开关SW_1和SW_2接通且将开关SW_3断开，AC适配器903向负载R_L915提供功率，而同时通过电池充电器电路911给电池RE_VO_BA 905充电。

通过将开关SW_1 908和SW_3 910断开且将开关SW_2 909接通，AC适配器输入903通过电池充电器电路911给电池RE_VO_BA 905充电，但不给负载R_L供电。通过将开关SW_2断开且将开关SW_1和SW_3接通，AC适配器903和RE_VO_BA 905都给负载R_L供电。这当负载R_L需要异常的大电流时可以是有用的。通过将开关SW_1 908和开关SW_2 909断开且将SW_3910接通，电池RE_VO_BA 905向R_L供电，且因此仅提供其中AC适配器输入903不给负载和/或电池供电的情况。

如此，所示的电源不是自包含的电源。具体地，当电池RE_VO_BA 905没电时，使用AC适配器903来给电池RE_VO_BA充电，而同时给负载R_L供电。而且，AC适配器输入电压典型地是来自外部AC到DC转换器的DC电压。该AC到DC转换器被插入AC电源线以便提供DC电压作为AC适配器输入。

因此，电源不是“自包含”的，即从外部电源、诸如AC电源线得到功率，这极大地减少了诸如移动电话的某些应用的移动性。因此，可期望具有完全“自包含的”电源。还可期望包括可以向电池充电电路和功率转换电路供电的“可再生”电压发生器。

发明内容

描述了低电压转换器的实施例。在许多实施例中，低电压转换器是包括“第一推动”阶的升压转换器。该“第一推动”提供使能升压转换器内的开关设备的初始推动电压，以开始开关而不考虑电源的电压电平。在大量实施例中，“第一推动”阶包括0电压输入开关设备来生成初始的“第一推动”。在若干实施例中，低电压电源是单个太阳能电池。在许多实施例中，低电压转换器使用诸如反激(flyback)布局或正激(forward)布局的隔离布局。在若干实施例中，使用传统的半导体工艺来实现低电压功率转换器。

提供用于电池充电系统的自包含的电源。该电源不使用与电源、诸如AC电源线和AC到DC转换器的外部连接。在一个实施例中，该自包含的电源包括超低电压功率发生器，其向可再生电池、负载或两者提供电压。具有升压布局的电压转换器被用于供应与来自可充电电池的电压的可比较的电压。使用具有MUX电路的第一推动电路来保证电压转换器的初始和持续的操作。

附图说明

图1是传统升压转换器的电路图。-现有技术

图2是根据本发明的实施例的由具有“第一推动”块的超低电源供电的升压转换器的电路图。

图3是根据本发明的实施例的包括0阈值电压开关作为“第一推动”块的低电压转换器的电路图。

图4是示出根据本发明的实施例的低电压转换器的响应的仿真的图。

图5是根据本发明的实施例的使用光电耦合器作为“第一推动”块的低电压转换器的电路图。

图6是根据本发明的实施例的使用0阈值电压耗尽模式MOSFET和控制电路作为“第一推动”块的低电压转换器的电路图。

图7是根据本发明的实施例的使用反激布局的低电压转换器的电路图。

图8是根据本发明的实施例的使用正激布局的低电压转换器的电路图。

图9是电池充电系统的传统电源的示意图。-现有技术

图10是根据本发明的各种实施例的自包含电源和超低电压发生器的示意图。

具体实施方式

现在参考附图，示出了根据本发明的实施例的低电压转换器的实施例。该低电压转换器是升压转换器，其包括第一推动块，提供如下初始电压，该初始电压能够保证无论电源电压多低、在开关设备的控制端处施加的那个第一PWM脉冲的电压都可以克服开关设备的阈值电压以在第一次将其接通。

基本架构

图2中示出了根据本发明的实施例的低电压转换器。该低电压转换器50类似于图1中所示的现有技术的升压转换器，除了在电感L1和GND之间连接了“第一推动”块52，且用低电压电源(LV_BAT)54替换了高电压电源(HV_BAT)。该低电压电源不能生成足够大以致于开关设备(SW_1)16’切换的电压，但是“第一推动”块能够提供具有足够的量级以使能SW_1来接通的“第一推动”电压。“第一推动”块的提供初始电压的能力使得能够使用低电压电源。在大量实施例中，LV_BAT可以是产生大约0.3V的输出电压(V_{LV_BAT})的单个单元太阳能面板。在其他实施例中，可以使用具有甚至低于0.3V的输出电压(V_{LV_BAT})的低电压电源。在大量实施例中，V_{LV_BAT}仅略微高于GND。

低电压转换器的操作

根据本发明的实施例的“第一推动”块包括经过由控制输入(FP)控制的“第一推动”块的电流路径。当第一推动信号被施加到图2所示的“第一推动”块52的输入(FP)56时，在“第一推动”块内创建的电流路径将电感器(L1)14’连接到GND。当从FP移除第一推动信号时，L1与GND断开。此时，由于L1的电感，在L1和D1之间的交汇处的电压升高到高于LV_BAT的电平。跨越L1的电压可以被计算为：

V_L1＝LΔi_MAX/Δt    (5)

其中，V_L1是跨越L1的电压，L是L1的电感，Δt是当第一推动信号被施加到FP时经过“第一推动”块的电流路径存在的持续时间段，以及Δi是当第一推动信号被施加到FP时从LV_BAT经过L1流到GND的电流。

其中，Δi被限制为：

Δi_MAX＝V_{LV_BAT}/R_ON    (6)

其中，V_{LV_BAT}是超低电压电源LV_BAT的输出电压，且R_ON是经过“第一推动”块的电流路径的电阻。

如此，在移除了第一推动信号之后，在L1的右侧、或D1的阳极看到的总电压被给定为：

V_HV＝V_{LV_BAT}+V_L1(7)

其中V_HV是D1的阳极上的电压，V_{LV_BAT} is是低电压电源LV_BAT的输出电压，且V_L1是经过L1的电压。

且，在D1的阴极上的电压被给定为：

V_D＝V_HV-V_D1＝V_{LV_BAT}+V_L1-V_D1(8)

其中，V_HV是D1的阳极的电压，V_{LV_BAT}是低电压电源LV_BAT的输出电压，V_L1是经过L1的电压，以及V_D1是二极管D1的正激电压降。

虽然V_{LV_BAT}可以超低，诸如来自单个单元太阳能面板的0.3V，但取决于L1的值、FP信号保持了多久(Δt)、和当FP信号接通时流过L1的电流的量级，V_L1可以高。当从FP移除该信号时，V_D可以足够高以至于激活PWM块，且以便输出PWM信号的接通状态的电压(V_SW)将处于可以将SW_1接通的值。该使得PWM的输出能够将SW_1接通的V_D的实际值典型地取决于SW_1的属性。以下描述根据本发明的实施例的包括不同类型的开关设备的低电压转换器。

N沟道增强模式MOSFET和NPN晶体管

如果SW_1是N沟道增强模式MOSFET和NPN晶体管，当第一PWM脉冲(PWM_SW1)到达SW_1的控制端时，其在导通状态期间的电压(PWM逻辑高)，VSW必须比GND高VTH，来接通SW_1。由于PWM_SW1接通状态的电压不可能高于V_D(即用于给PWM块供电的电压)，V_D必须比GND高V_TH。以下公式给出了必须被满足以便第一次接通SW_1的条件：

V_D＞V_TH                           (9a)

→V_HV-V_D1＞V_TH                    (9b)

→V_{LV_BAT}+V_L1-V_D1＞V_TH            (9c)

→V_{LV_BAT}+LΔi_MAX/Δt-V_D1＞V_TH    (9d)

→LΔi_MAX/Δt＞V_TH+V_D1-V_{LV_BAT}    (9e)

根据公式9e，L1的电感值、被施加到FP的第一推动信号的持续时间和当FP信号被施加到其控制端时流过“第一推动”块的电流的适当选择可以产生足够以接通SW_1的电压。

例如，如果VTH是0.7V，VD1是0.7V，且VLV_BAT是0.3V，则公式9e变为：

→LΔiMAX/Δt＞VTH+VD1-VLV_BAT＝0.7V+0.7V-0.3V＝1.1V(9f)

→L(VLV_BAT/RON)/Δt＞1.1V    (9g)

从公式9f，如果L1是100μH电感器，且Δt是100μs，则高于1.1A的Δi_MAX可以接通SW_1。为了实现高于1.1A的Δi_MAX，公式9g指示R_ON即，经过“第一推动”块的电流路径的电阻)应该少于大约270mΩ。以下讨论处理这种量级情况的电阻的各种“第一推动”块的实现。

P沟道增强模式MOSFET和PNP晶体管

如果SW_1是P沟道增强模式MOSFET或PNP晶体管，则当第一PWM脉冲(PWM_SW)到达SW_1的控制端时，其在接通状态(PWM逻辑低)期间的电压(V_SW)必须比VHV低V_TH来接通SW_1。由于V_SW不能低于GND，因此V_HV必须比GND高至少V_TH。以下公式给出了必须满足以第一次接通SW_1的条件：

V_HV＞V_TH                      (10a)

→V_{LV_BAT}+V_L1＞V_TH            (10b)

→V_{LV_BAT}+LΔi_MAX/Δt＞V_TH    (10c)

→LΔi_MAX/Δt＞V_TH-V_{LV_BAT}    (10d)

公式10d指示L1的电感、被施加到FP的第一推动信号的持续时间、和当该信号被施加到FP时流过“第一推动”块的电流的适当选择可以导致SW_1接通。

例如，如果V_TH是0.7V且V_{LV_BAT}是0.3V，则公式10d变为：

→LΔi_MAX/Δt＞V_TH-V_{LV_BAT}＝0.7V-0.3V＝0.4V    (10e)

→L(V_{LV_BAT}/R_ON)/Δt＞0.4V                     (10f)

如果L1是100μH电感器，Δt是100μs，则根据公式10e，高于400mA的Δi_MAX可以导致SW_1接通。在提供了小于大约750mΩ的R_ON，可以实现高于400mA的Δi_MAX。

如此，LV_BAT(V_{LV_BAT})不对SW_1的第一次接通产生决定性影响。根据本发明的实施例的L1，Δt，和R_ON的选择可以使得SW_1能够对于V_{LV_BAT}的很低值而接通。因此，V_{LV_BAT}可以超低且到仅稍微高于GND的电平，且SW_1不必须是使用低阈值电压半导体工艺的低阈值电压开关。

在第一开关接通之后，SW_1开始操作好像在典型升压转换器中使用的普通开关，且在图2中的升压转换器开始操作好像典型的升压转换器，除了允许电源(LV_BAT)具有超低输出电压。

“第一推动”块的实施方式

在各个实施例中，“第一推动”块包括可以用被施加到FP的0电压来接通的0阈值电压开关设备。将0阈值电压开关接通一次提供了“第一推动”，且随后跳跃地开始(jumpstart)升压转换器的剩余(rest)。以下讨论根据本发明的实施例的包括0阈值电压开关设备的“第一推动”块的各种实施方式。虽然讨论了具体实施例，但可以按实现可以响应于第一推动信号对控制输入的施加来创建足够低的电阻电流路径的设备的其他方式来实现“第一推动”块。

包括0阈值电压机械开关的“第一推动”块

图3中示出了根据本发明的实施例的包括使用0阈值电压开关实现的“第一推动”块的低电压转换器。低电压转换器60包括使用在L1 14’和GND之间连接的0阈值电压开关(ZE_TH_SW)62实现的“第一推动”块。在所示的实施例中，ZE_TH_SW是当向输入FP施加物理按压时接通且在移除物理按压之后断开的机械开关。

图4中示出了图3中所示的低电压转换器60的仿真图。该图示出了随着ZE_TH_SW在时间0时接通而建立的经过L1的电流。当释放ZE_TH_SW时，经过L1的电压足够用于PWM生成导致SW_1开始开关的信号。在此时，低电压转换器进入稳定状态操作。输出电压可以包括与调整输出电压的调压器有关的“波纹(ripple)”。如果，使用更大的输出电容器，则该波纹可以“更平滑”。

包括0阈值电压光电耦合开关的“第一推动”块

图5示出了包括使用光电耦合开关实现的“第一推动”块的低电压转换器。低电压转换器80包括使用0阈值电压光电耦合器(ZE_TH_PC)82实现的“第一推动”块。在所示的实施例中，ZE_TH_PC是光电开关，其当被光信号激活时接通，且在移除光信号之后断开。光信号对光电开关的足够长的施加使得L1能够存储足够以使得PWM能够接通SW_1的能量。

光电耦合器的内部电阻可以与非零电阻开关相比较。只要光的强度足够，则将接通光电开关，且只要它可以被接通，则其阈值电压不再重要。在使用光电开关的实施例中，重要的设计参数是，第一次必须接通它的光源的强度有多高。

包括有源组件的“第一推动”块

图6示出了根据本发明的实施例的包括有源组件的低电压转换器。低电压转换器90包括耗尽模式MOSFET开关(ZE_TH_DE)92，和包括具有L1 14’作为初级线圈和L2 94作为二级线圈的变压器、在L2的接地端和ZE_TH_DE的控制输入之间连接的电容器(C2)96、在L1和D1之间连接的一次按压总是接通(once-pressed-always-on)的继电器(RELAY)98和如果有物理按压则接通、当移除物理按压时则断开的、在L2的另一端和ZE_TH_DE的控制输入之间连接的开关(SW)100的控制电路。由控制输入FP 56’控制RELAY和SW两者。当被施加到ZE_TH_DE的控制端(Gate)的电压(V_G)高于其负阈值电压(-V_TH)时，则ZE_TH_DE接通。如此，它可以仅当绝对值高于|V_TH|(比V_TH更负)的负电压被施加到其控制端时被断开。

当RELAY被接通(且保持接通)时，L1通过在接通RELAY之前接通的ZE_TH_DE被连接到GND。SW也接通，其连接L2到C2。由于L2具有与L1相同的极性，因此，在L1中的电流，在L2中感应的电流在相对方向充电C2中流动。由于C2的左侧被连接到GND，因此在被连接到ZE_TH_DE的控制输入的该侧的电压(V_C)变为负。当移除在SW上的按压时，SW是断开的，且L2从该电路的剩余部分断开。由于C2没有路径来放电，因此，V_C保持相同。取决于L2和C2的值、和被施加到SW的FP的持续时间，V_C可以足够“负”以断开ZE_TH_DE，且使得它保持断开。在ZE_TH_DE断开之后，L1与GND断开。如果此时V_HV满足公式9b或10a，SW_1第一次被PWM 26’接通，且创建持续的升压转换。

在隔离的布局中使用的“第一推动”块

在各种应用中可使用在输入电源和电压转换器的输出之间的电流隔离的电压转换器。图7中示出了根据本发明的实施例的包括在低电压电源和电压转换器之间的电流隔离的低电压转换器。低电压转换器110使用反激布局。在所示实施例中，串联连接LV_BAT 54’、L1 14’、和ZE_TH_SW 112。诸如光电耦合器的光电耦合开关(SW_1)16’被连接在L1被连接到ZE_TH_SW的端和GND之间。L1形成具有第二电感器(L2)113的变压器。L2被连接在D1 17’和GND。PWM 26’不物理地连接到SW_1的控制输入。相反，PWM26’被连接到发光设备114，诸如LED。在LED 114和SW_1 16’之间的光耦合使得PWM能够接通SW_1。

对ZE_TH_SW 112的控制输入(FP)施加第一推动输入使得能量在L1上汇集。当释放FP时，在L2中感应电流，且所感应的电流的幅度确定了L2被连接到D1的端处的电势。当在L2被连接到D1的端处的电压足够大时，PWM能够激活LED且接通SW_1。

图8中示出根据本发明的实施例的包括在低电压电源和电压转换器的输出之间的电流隔离的另一低电压转换器。电压转换器使用正激布局，其使用类似的电流隔离技术到图7中所示的那些。但是，D1经由第三电感器(L3)132被连接到负载，且经由第二二极管(D2)134被连接到地。

自包含的电源的详细描述

在一个实施例中，自包含的电源可以包括可以是“可再生”电压发生器的太阳能电池。但是，典型的单个太阳能电池可以仅输出不高于0.3V的电压，这远低于由许多电流布局使用来转换为更高和可用电压的0.7V到1.0V阈值电压。在上述部分中描述这个的额外的描述。

通过单个太阳能电池的电压限制，“自包含”电源可以使用以串联配置连接的至少3-5个太阳能电池，具有至少0.9V到1.5V输出电压。虽然这将克服0.7V到1.0V阈值电压，但它确实浪费或使用资源，且比仅使用单个太阳能电池的增加了成本。

如在上述应用中描述的，在不需要AC适配器的“自包含”电源中使用具有0.3V输出电压的单个太阳能电池或具有与仅稍微高于地(GND)电平一样低的输出电压的超低电压功率发生器。

参考图9，通过向电池RE_VO_BA 905添加另一功率发生器，可以消除AC到DC转换器。而且，与AC到DC转换器相反的另外的功率发生器可以提供低电压，且被包括在电源中。参考图10，所添加的功率发生器LV_GE 1021的电压可以很低，诸如单个太阳能电池的0.3V，或甚至更低到稍微高于地GND。

超低电压功率发生器LV_GE 1021最终向给电池RE_VO_BA 1005充电的电压提供高于电池的典型输出电压的电压。另外，可以使用相同的电压来给负载R_L1015供电。具体地，还在电源中包括具有升压布局的电压转换器。电压转换器1023将来自功率发生器LV_GE 1021的输出电压转换为处于与来自电池RE_VO_BA 1005的输出电压相同范围中的电压。

还包括第一推动电路1025，保证第一次接通电压转换器的主开关SW_41022。第一推动电路包括“MUX”电路1027，其在作为“第一推动”信号的RE_VO_BA 1005的输出和主开关SW_4的控制端之间选择。可操作地，电池RE_VO_BA第一推动信号第一次接通开关SW_4，且PWM电路在接下来的正常操作期间控制开关SW_4。第一推动电路1025还包括可以用外部输入信号FP 1020接通的阈值电压开关ZT_SW 1024。

当选择电池RE_VO_BA作为第一推动信号时，一个脉冲控制电路1035第一次输出单个脉冲来通过中间的开关SW_5 1026来接通开关SW_4 1022，该中间的开关SW_5 1026连接和断开电池RE_VO_BA 1005和MUX电路1027。电池充电器1011还使用来自电压转换器的输出电压V_OUT 1040，作为对电池RE_VO_BA 5充电的输入。

功率路径管理电路1007确定要使用电压转换器的电压V_OUT还是电池RE_VO_BA 1005来给负载供电，以及是否要给电池RE_VO_BA 1005充电。如此，功率路径管理电路1007使用多个开关SW_1 1008、SW_2 1009和SW_31010来确定向负载、电池或两者的输出电压流路径。

在操作中，当向该电路插入超低功率发生器LV_GE时，如果电池RE_VO_BA 1005的输出电压高于开关SW_4 1022的阈值电压，则一个脉冲控制电路1035输出单个脉冲来接通然后断开开关SW_5 1026。当开关SW_51026接通时，它将电池RE_VO_BA的电压传递到MUX电路1027。该MUX电路1027将该电压传递到开关SW_4的控制端。由于电池RE_VO_BA电压高于开关SW_4的阈值电压，因此该开关第一次接通。例如，如果电池RE_VO_BA电压来自具有某种3.6V额定电压的单个单元锂离子电池，即使它被完全耗尽，所供应的电压也高于开关SW_4 1022的阈值电压，即典型的0.7V到1.0V，且如此，开关SW_5 1026将经常被电池RE_VO_BA 1005接通。

在开关SW_4 1022第一次接通之后，由功率发生器LV_GE 1021供电的具有升压布局的电压转换器正常操作，且输出电压V_OUT，其处于与电池RE_VO_BA相同的范围中，但高出很小的差额。例如，如果电池RE_VO_BA是具有3.6V额定电压和4.2V最大电压的单个单元锂离子电池，则电压转换器的输出，V_OUT典型地是5V。这是典型地，因为电池充电器电路1011使用由充电器的线性或降压布局所需要的、高于电池本身的电压来实际地给电池充电。该负载可以由3.6V或5V供电。

如果电池RE_VO_BA被耗尽到其输出电压低于SW_4的阈值电压的程度，外部信号FP 2100可以被施加到变为向电压转换器提供“第一推动”的开关的0阈值电压开关ZT_SW 1024的控制端。

如此，图10中的电源是“自包含的”且不使用外部电源、诸如AC电源线和AC到DC转换器。电源允许使用超低电压发生器，诸如单个太阳能电池，作为被用于给主电池充电的主电源或辅助电源。在以上引用和并入的申请中描述了说明书中描述的电压转换器、开关和其他组件的各种其他实施例和细节。

提供用于电池充电器系统的自包含的电源。虽然已经在特定具体实施例中描述了本发明，但本领域技术人员将明显地知道许多另外的修改和变化。因此，要理解，除了具体描述的以外还可以实现本发明，包括在不脱离本发明的范围和精神的情况下在尺寸、形状和材料中的各种改变。因此，应该在如所例示但不限制的所有方面中考虑本发明的实施例。

Claims (14)

1.一种升压调压器，包括：电压电源、与电压电源串联连接的能量存储元件、连接在能量存储元件和地GND之间的开关设备SW_1、与能量存储元件串联连接的二极管D1、连接在D1的输出端和地GND之间的电容器C1、连接在D1和地GND之间的脉宽调制器、以及连接在二极管D1的输出端和GND之间的分压器，所述分压器的分压点的电压被输送给脉宽调制器，而脉宽调制器向开关设备SW_1的控制端提供输入信号，

其特征在于，所述电压电源的电压低于开关设备SW_1的接通阈值电压，并且所述升压调压器还包括一第一推动块，所述第一推动块包括控制输入端，当第一推动信号被施加到所述第一推动块的输入端时，第一推动块内的电流路径将能量存储元件连接到地GND，紧接着在第一推动信号被移除时，断开能量存储元件与地GND的连接，从而使得能量存储元件的输出端的电压高于开关设备SW_1的阈值电压。

2.如权利要求1所述的升压调压器，其中，所述第一推动块是一种机械按压开关，所述机械按压开关可以通过作为第一推动信号的物理按压力而将能量存储元件连接到地GND，并且在所述物理按压力移除时使得能量存储元件的输出端的电压高于开关设备SW_1的阈值电压。

3.如权利要求1所述的升压调压器，其中，所述第一推动块是一种光耦合器，所述光耦合器可以通过作为第一推动信号的输入光信号而将能量存储元件连接到地GND，并且在所述输入光信号消失时使得能量存储元件的输出端的电压高于开关设备SW_1的阈值电压。

4.如权利要求1-3之一所述的升压调压器，其中，所述能量存储元件是一电感元件。

5.如权利要求4所述的升压调压器，其中，所述开关设备SW_1是NPN晶体管或N沟道增强模式MOSFET，或PNP晶体管或P沟道增强模式MOSFET。

6.如权利要求1所述的升压调压器，其中，所述第一推动块包括耗尽模式MOSFET开关和内部电流路径，所述能量存储元件而一个包括作为初级线圈和次级线圈的变压器，所述内部电流路径包括：连接在初级线圈和二极管D1之间的一次按压总是接通的继电器、连接在次级线圈的接地端和耗尽模式MOSFET开关的控制输入端之间的电容器C2、以及连接在次级线圈的另一端和耗尽模式MOSFET开关的控制输入端之间的机械按压开关，所述第一推动块可以通过作为第一推动信号的物理按压力而将能量存储元件连接到地GND，并且在所述物理按压力移除时使得能量存储元件的输出端的电压高于开关设备SW_1的阈值电压。

7.如权利要求1所述的升压调压器，其中，所述第一推动块包括机械按压开关，所述开关设备SW_1是一种光耦合器PH_CO，连接在所述脉宽调制器和地GND的发光设备，所述能量存储元件而一个包括作为初级线圈和次级线圈的变压器，所述机械按压开关连接在初级线圈和地GND之间，所述次级线圈连接在所述二极管D1和地GND之间，所述第一推动块可以通过作为第一推动信号的物理按压力而将初级线圈连接到地GND，并且在所述物理按压力移除时使得次级线圈的输出电流，而通过所述脉宽调制器而使得发光设备发光，并在所述发光设备所输入光信号所发出的光的强度足以使得消失时使得光耦合器导通。

8.一种升压调压器，包括：电压电源、经过一变压器连接到电压电源的二极管D1、与二极管D1反相串联到地GND的二极管D2、连接在二极管D1和D2之间节点上的能量存储元件、连接在能量存储元件的输出端和地GND之间的电容器C1、连接在二极管D1的输出端和地GND之间的脉宽调制器、并联在电容器C1两端的端分压器，所述分压器的分压点的电压被输送给脉宽调制器，以及连接在二极管D1的输入端和地GND之间的开关设备SW_1、

其特征在于，所述开关设备SW_1是一种光耦合器PH_CO，并且所述升压调压器还包括一第一推动块以及连接在脉宽调制器的输出端的发光设备，所述光耦合器PH_CO在该发光设备所发出的光线的照射下接通，所述第一推动块包括控制输入端以及机械按压开关，其中所述变压器的初级线圈的一端与电压电源相连，而其另一端与所述光耦合器PH_CO的发射极相连，所述光耦合器PH_CO的漏极与地GND连接，所述变压器的次级线圈一端与二极管D1的输入端相连而其另一端与地GND连接，当作为第一推动信号的物理按压力被施加到所述第一推动块的输入端以及被移除时，使得发光设备所发出的光的强度足以导通光耦合器PH_CO。

9.一种自包含电源电路，其包括：

a.超低电压功率发生器LV_GE，用于以比它本身更高的电压来提供给稳定电压电池充电的电压以及使用相同的电压来给负载供；

b.具有稳定输出电压的电池RE_VO_BA；

c.升压电压转换器，其将LV_GE转换为处于与RE_VO_BA相同的范围的电压，包括第一推动块，用于使得电压转换器的主开关SW_4第一次接通，所述第一推动块包括MUX电路和一个脉冲控制电路，所述MUX电路在作为第一推动信号的RE_VO_BA和PWM块的输出PWM_SW之间选择，然后将被选中的信号传递到主开关SW_4的控制端，该“MUX”电路还包括阈值电压开关ZT-SW，其可以用外部信号FP来接通，而所述一个脉冲控制电路在选择了RE_VO_BA作为第一推动信号时，输出信号脉冲来通过中间开关SW_5而第一次接通SW_4；

e.电池充电块，其使用具有升压电压转换器的输出电压VOUT，作为给具有稳定电压的电池RE_VO_BA充电的输入；

f.功率路径管理块，其确定要使用具有升压布局的电压转换器的输出电压V_OUT还是具有稳定电压的电池RE_VO_BA来给负载供电，以及是否要给RE_VO_BA充电；

g.多个开关，由功率路径管理块启动以确定要使用具有升压布局的电压转换器的输出电压V_OUT还是具有稳定电压的电池来给负载供电，以及是否要给RE_VO_BA充电。

10.如权利要求9所述的自包含电源电路，其中所述升压电压转换器具有将LV_GE转换为处于与RE_VO_BA相同的范围中的电压的升压布局。

11.如权利要求9所述的自包含电源电路，其中所述第一推动块允许第一次接通升压电压转换器的主开关。

12.如权利要求11所述的自包含电源电路，其中所述的MUX电路在作为第一推动信号的RE_VO_BA和PWM块的输出PWM_SW之间选择，然后将被选中的信号传递到主开关SW_4的控制端，该RE_VO_BA第一推动信号第一次接通SW_4，且PWM_SW在接下来的正常操作期间控制SW_4。

13.如权利要求12的所述的自包含电源电路，其中所述阈值电压开关用外部信号FP来接通。

14.如权利要求12所述的自包含电源电路，其中所述一个脉冲控制在选择了RE_VO_BA作为第一推动信号时，输出信号脉冲来通过中间的开关SW_5第一次接通SW_4，该中间的开关SW_5连接和断开RE_VO_BA和MUX电路。

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