CN102255503B - 电荷泵电路以及包含该电路的电源装置 - Google Patents

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Abstract

公开了电荷泵电路、包含该电路的电源装置以及为负载提供电源的方法。该电荷泵电路包括：第一电容器，与两端加有一电压的负载并联；一个或多个泵送电容器；第二电容器；以及开关阵列，包括多个开关管，电耦接至所述第一电容器、第二电容器和至少一个泵送电容器，接收第一电容器两端的电压，控制所述至少一个泵送电容器的充电与放电，以使第二电容器两端的电压大于第一电容器两端的电压。通过电荷泵电路增大输出电容器两端的电压，在相同输出功率下减小了输出电容器的容值，并为输出电容器类型的选取提供了更多的选择。

Description

电荷泵电路以及包含该电路的电源装置
技术领域
本发明的实施例涉及电子电路，尤其涉及电荷泵电路、包含该电路的电源装置以及为负载提供电源的方法。
背景技术
为负载提供电能的驱动电路常常需要大容值的输出电容器来吸收交流输出功率，然而大容值的输出电容器体积大且成本高昂，同时在电容器类型的选取上也有很大局限。在发光二极管(light-emitting diode，LED)驱动电路中，该问题尤为明显。
随着科技的不断发展，LED由于其体积小、驱动简单且节能环保，正逐渐取代荧光灯在液晶显示背光和普通照明中的应用。LED需要驱动电路来为其提供受控的电流信号。为了使电网资源得到充分利用，避免对电网造成高次谐波污染，输出功率大于5W的LED驱动电路需要满足功率因数(power factor，PF)和总谐波失真(total harmonic distortion，THD)方面的要求。因而这类LED驱动电路通常包括无源功率因数校正(power factor correction，PFC)电路或者使用有源PFC技术。
图1为具有PFC功能的LED驱动电路的波形图，其中vin为LED驱动电路的输入电压，iin为输入电流，pin为输入功率，vo为输出电压。由于LED消耗直流功率，因而LED驱动电路需要大容值的输出电容器来储存能量并减小纹波。该输出电容器通常采用电解电容，因为除了电解电容之外，很难再有其他类型的电容能同时满足高耐压和大容值的要求。
然而，电解电容的寿命很短，通常小于10000小时。与平均寿命长达50000小时的LED相比，电解电容会对整个LED灯具的寿命造成不利影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供电荷泵电路、包含该电路的电源装置以及为负载提供电源的方法，可减小输出电容器的容值并为输出电容器类型的选取提供更多的选择。
根据本发明一实施例的一种用于电源装置的电荷泵电路，包括：第一电容器，与两端加有一电压的负载并联；一个或多个泵送电容器；第二电容器；以及开关阵列，包括多个开关管，电耦接至所述第一电容器、第二电容器和至少一个泵送电容器，接收第一电容器两端的电压，控制至少一个泵送电容器的充电与放电，以使第二电容器两端的电压大于第一电容器两端的电压。
根据本发明一实施例的一种电源装置，包括：驱动电路，电耦接至负载，为负载提供驱动信号；以及如前所述的电荷泵电路。
根据本发明一实施例的一种为负载提供电源的方法，包括：为负载提供驱动信号；将第一电容器与负载并联；以及通过多个开关管控制至少一个泵送电容器的充电与放电，使第二电容器两端的电压大于第一电容器两端的电压。
通过电荷泵电路增大输出电容器两端的电压，在相同输出功率下减小了输出电容器的容值，并为输出电容器类型的选取提供了更多的选择。
附图说明
图1为具有PFC功能的LED驱动电路的波形图；
图2为根据本发明一实施例的电源电路的框图；
图3为根据本发明一实施例的电源电路的电路图；
图4为根据本发明一实施例的图3所示电源电路的波形图；
图5为根据本发明另一实施例的电源电路的电路图；
图6为根据本发明又一实施例的电源电路的电路图；
图7为根据本发明一实施例的为负载提供电源的方法的流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图2为根据本发明一实施例的电源电路的框图，包括驱动电路201和电荷泵电路202。驱动电路201电耦接至负载，为负载提供驱动信号。驱动电路201可为开关电路、低压差线性稳压器(low dropout regulator，LDO)等公知电路。在一个实施例中，驱动电路201具有PFC功能，例如为具有PFC功能的反激电路、或具有PFC功能的升压电路与其他直流/直流变换电路的组合，负载为LED。
电荷泵电路202包括第一电容器C1、开关阵列203、至少一个泵送电容器Cf以及第二电容器C2。第一电容器C1与负载并联。开关阵列203包括多个开关管，电耦接至第一电容器C1、第二电容器C2以及至少一个泵送电容器Cf。开关阵列203接收第一电容器C1两端的电压，控制至少一个泵送电容器Cf的充电与放电，使泵送电容器Cf先存储能量，然后以受控方式释放能量，从而使第二电容器C2两端的电压大于第一电容器C1两端电压Vout，例如为Vout的n倍。n可为大于1的常数，也可根据开关阵列203中开关管连接方式的不同而在多个大于1的常数中选取。开关阵列203中的开关管可为任何可控半导体器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。在一个实施例中，开关阵列203中的开关管被集成于一集成电路中。
由于第二电容器C2两端的电压大于第一电容器C1两端的电压，且为其n倍，根据电容器存储功率的计算公式0.5*C*V2，在相同的输出功率下，第二电容器C2的容值可降为现有技术中输出电容器容值的1/n2。在相同的电容类型下，容值减小意味着体积减小且成本降低。此外，由于容值减小，第二电容器的选取可不再局限于电解电容，而选用陶瓷电容、薄膜电容等其他类型的电容器。陶瓷电容和薄膜电容的寿命均长于电解电容，而且占用空间小、使用成本低。在一个实施例中，第一电容器C1、第二电容器C2和至少一个泵送电容器Cf均选用陶瓷电容或薄膜电容。
在一个实施例中，开关阵列203包括第一组开关管和第二组开关管。在第一状态下，第一组开关管导通而第二组开关管关断，第一电容器C1两端的电压对至少一个泵送电容器Cf进行充电。在第二状态下，第二组开关管导通而第一组开关管关断，第二电容器C2两端的电压上升到第一电容器C1两端的电压与至少一个泵送电容器Cf两端的电压之和。
图3为根据本发明一实施例的电源电路的电路图。电荷泵电路302包括第一电容器C1、开关阵列303、泵送电容器Cf以及第二电容器C2。第一电容器C1与负载并联。开关阵列303包括第一组开关管和第二组开关管。第一组开关管包括第二开关管Q2和第四开关管Q4，第二组开关管包括第一开关管Q1和第三开关管Q3。开关管Q1的第一端电耦接至第二电容器C2的第一端，开关管Q1的第二端电耦接至开关管Q2的第一端和泵送电容器Cf的第一端。开关管Q2的第二端电耦接至第一电容器C1的第一端和开关管Q3的第一端，开关管Q3的第二端电耦接至开关管Q4的第一端和泵送电容器Cf的第二端。开关管Q4的第二端电耦接至第一电容器C1的第二端和第二电容器C2的第二端，并接地。
当开关管Q2和Q4导通时，开关管Q1和Q3关断，电容器Cf充电，其两端的电压被增大至等于电容器C1两端的电压Vout。当开关管Q1和Q3导通时，开关管Q2和Q4关断，电容器C1和电容器Cf串联，电容器C2两端的电压被充电至等于电容器C1两端的电压和电容器Cf两端的电压之和，即2*Vout。由于电容器C2两端的电压为2*Vout，在相同的输出功率下，第二电容器C2的容值可降为现有技术中输出电容器容值的1/4。
为了维持电容器Cf的充放电平衡，开关管Q1、Q3的导通时间与开关管Q2、Q4的导通时间基本上相等。图4为根据本发明一实施例的图3所示电源电路的波形图，其中Vgs(Q1，Q3)为开关管Q1和Q3的栅源极电压，Vgs(Q2，Q4)为开关管Q2和Q4的栅源极电压。开关管Q1～Q4的开关占空比为50％，从而达到最佳的电荷转移效率。
图5为根据本发明另一实施例的电源电路的电路图。电荷泵电路502包括第一电容器C1、开关阵列503、泵送电容器Cf1、Cf2以及第二电容器C2。第一电容器C1与负载并联。开关阵列503包括第一组开关管和第二组开关管，第一组开关管包括开关管Q5、开关管Q8和开关管Q11，第二组开关管包括开关管Q6、开关管Q7、开关管Q9和开关管Q10。开关管Q5的第一端耦接至电容器C1的第一端，开关管Q5的第二端耦接至开关管Q6的第一端和泵送电容器Cf1的第一端，开关管Q6的第二端耦接至开关管Q9的第一端和电容器C2的第一端。开关管Q7的第一端耦接至电容器C1的第一端，开关管Q7的第二端耦接至泵送电容器Cf1的第二端和开关管Q8的第一端，开关管Q8的第二端耦接至开关管Q9的第二端和泵送电容器Cf2的第一端。开关管Q10的第一端耦接至电容器C1的第一端，开关管Q10的第二端耦接至泵送电容器Cf2的第二端和开关管Q11的第一端，开关管Q11的第二端耦接至电容器C1的第二端和电容器C2的第二端。开关管Q5～Q11的导通时间基本上相等。在一个实施例中，开关管Q5～Q11的开关占空比为50％，从而达到最佳的电荷转移效率。
当开关管Q5、Q8和Q11导通，开关管Q6、Q7、Q9和Q10关断，电容器Cf1和Cf2被充电，其两端的电压均被增大至等于0.5*Vout。当开关管Q5、Q8和Q11关断，开关管Q6、Q7、Q9和Q10导通，电容器Cf1和Cf2并联，再与电容器C1串联。电容器C2两端的电压被充电至等于电容器C1两端的电压和电容器Cf1、Cf2两端的电压之和，即1.5*Vout。由于电容器C2两端的电压为1.5*Vout，在相同的输出功率下，电容器C2的容值可降为现有技术中输出电容器容值的1/2.25。
电源电路可根据需要将多个电荷泵电路级联，以进一步增大输出电容器两端的电压并减小输出电容器的容值。每一级电荷泵电路的内部结构可以相同，也可以不同，其电压放大倍数可以相等，也可以不等。图6为根据本发明又一实施例的电源电路的电路图，其中将两个类似于图3所示电荷泵电路302的电荷泵电路602_1和602_2级联，使得电容器C3两端的电压为4*Vout。在相同的输出功率下，电容器C3的容值可降为现有技术中输出电容器容值的1/16。
在一个实施例中，驱动电路601的输出电压Vout为16V，负载电流为0.5A。在基本相同的电压纹波情况下，现有技术需要两个并联连接的470uF电解电容，而对于图6所示的电源电路，仅需C1＝Cf3＝10uF，C2＝Cf4＝22uF，C3＝47uF，而且该五个电容器均可选用陶瓷电容或薄膜电容。此外，由于电荷泵电路602_1和602_2中的开关管在工作过程中均为零电流导通和零电流关断，所以不存在开关损耗。而这些开关管的导通电阻一般很小(例如0.2欧姆)，因而电荷泵电路602_1和602_2的功耗很低(例如0.1W)。
图7为根据本发明一实施例的为负载提供电源的方法的流程图，包括步骤711～713。
在步骤711，为负载提供驱动信号。
在步骤712，将第一电容器与负载并联。
在步骤713，通过多个开关管控制至少一个泵送电容器的充电与放电，使第二电容器两端的电压大于第一电容器两端的电压。
由于第二电容器C2两端的电压大于第一电容器C1两端的电压，在相同的输出功率下，第二电容器C2的容值小于现有技术中输出电容器容值。在相同的电容类型下，容值减小意味着体积减小且成本降低。此外，由于容值减小，第二电容器的选取可不再局限于电解电容，而选用陶瓷电容、薄膜电容等其他类型的电容器。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离本发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种用于电源装置的电荷泵电路，该电源装置包括为负载提供驱动信号的驱动电路，该电荷泵电路包括：
第一电容器，与负载并联；
一个或多个泵送电容器；
第二电容器；以及
开关阵列，包括多个开关管，电耦接至所述第一电容器、第二电容器和至少一个泵送电容器，接收第一电容器两端的电压，控制所述至少一个泵送电容器的充电与放电，以使第二电容器两端的电压大于第一电容器两端的电压。
2.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中所述开关阵列包括第一组开关管和第二组开关管，在第一状态下，第一组开关管导通而第二组开关管关断，第一电容器两端的电压对至少一个泵送电容器进行充电，在第二状态下，第二组开关管导通而第一组开关管关断，第二电容器两端的电压上升到第一电容器两端的电压与至少一个泵送电容器两端的电压之和。
3.如权利要求2所述的电荷泵电路，其中所述第一组开关管包括第二开关管和第四开关管，第二组开关管包括第一开关管和第三开关管，第一开关管的第一端电耦接至第二电容器的第一端，第一开关管的第二端电耦接至第二开关管的第一端和泵送电容器的第一端，第二开关管的第二端电耦接至第一电容器的第一端和第三开关管的第一端，第三开关管的第二端电耦接至第四开关管的第一端和泵送电容器的第二端，第四开关管的第二端电耦接至第一电容器的第二端和第二电容器的第二端。
4.如权利要求3所述的电荷泵电路，其中所述第一、第二、第三和第四开关管的开关占空比为50%。
5.如权利要求2所述的电荷泵电路，其中第一组开关管包括第五开关管、第八开关管和第十一开关管，第二组开关管包括第六开关管、第七开关管、第九开关管和第十开关管，其中第五开关管的第一端耦接至第一电容器的第一端，第五开关管的第二端耦接至第六开关管的第一端和第一泵送电容器的第一端，第六开关管的第二端耦接至第九开关管的第一端和第二电容器的第一端，第七开关管的第一端耦接至第一电容器的第一端，第七开关管的第二端耦接至第一泵送电容器的第二端和第八开关管的第一端，第八开关管的第二端耦接至第九开关管的第二端和第二泵送电容器的第一端，第十开关管的第一端耦接至第一电容器的第一端，第十开关管的第二端耦接至第二泵送电容器的第二端和第十一开关管的第一端，第十一开关管的第二端耦接至第一电容器的第二端和第二电容器的第二端。
6.如权利要求5所述的电荷泵电路，其中所述第五、第六、第七、第八、第九、第十和第十一开关管的开关占空比为50%。
7.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中所述第一电容器、第二电容器和至少一个泵送电容器为陶瓷电容或薄膜电容。
8.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中所述开关阵列被集成在一集成电路中。
9.一种电源装置，包括：
驱动电路，电耦接至负载，为负载提供驱动信号；以及
如权利要求1至8中任一项所述的电荷泵电路。
10.如权利要求9所述的电源装置，包括级联的多个所述电荷泵电路。
11.如权利要求9所述的电源装置，其中所述驱动电路具有PFC功能，负载为LED。
12.一种为负载提供电源的方法，包括：
为负载提供驱动信号；
将第一电容器与负载并联；以及
通过多个开关管接收第一电容器两端的电压，以控制至少一个泵送电容器的充电与放电，使第二电容器两端的电压大于第一电容器两端的电压。
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