CN103427632B

CN103427632B - 容差电荷泵

Info

Publication number: CN103427632B
Application number: CN201310379544.9A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Individual
Current assignee: Linyi High Tech Zone Talent Vocational Training School Co ltd
Priority date: 2013-07-21
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2033-08-20
Also published as: CN103427632A

Abstract

容差电荷泵，属于电荷泵技术领域。解决电容源中控制电路从市电输入时控制电路的供电问题。S1、S4闭合S2、S3、S5断开时，C1、C2、C3串联充电，Ui＝U1+U2+U3；S1、S4断开S2、S3、S5闭合时，C2、C3并联后串联上C1、CL充电，Ui＝Uo+U1+U2//U3，Uo得到C2、C3串联充电改为并联充电的压差。可以应用于高压差电荷泵、降压型电容源等。

Description

容差电荷泵

技术领域

本发明属于电荷泵技术领域。

背景技术

在电容源的应用中，控制电路的供电电源要求较高，而电容源工作于高压输入情况时，要从输入电源获得一个控制电源，利用现有的电荷泵模式结构会很复杂，这对一个辅助电源来说很不经济。在小功率电容源的应用场合，要从高压输入直接获得应用的电源输出，利用升压的可逆应用或利用降压矩阵结构都会很复杂。比如要从220V AC市电输入直接获得5V DC的输出，市电经整流滤波后一般会到280V，电压倍数为280/5＝56倍，利用现有电容的换能模式，这个成本和效率都不易实现应用。

发明内容

本发明为解决上述应用，提出了一种利用电容容量差工作的电荷泵，如图1。电路是由5个开关和4个电容构成的电荷泵，电阻RL是一个纯电阻或负载的等效电阻，CL是负载的滤波电容。在S1、S4闭合S2、S3、S5断开时，输入电源Ui给电容C1、C2、C3串联充电，C2、C3是串联关系；S2、S3、S5闭合S1、S4断开时，输入电源Ui通过CL给C1、C2、C3充电，C2、C3是并联关系，同时CL也得到电压Uo。在C2、C3串联到并联关系的转换中，U2+U3会有一个电压差，这个电压差就是因为容量变化产生的压差。

工作原理：为叙述方便，忽略开关压降，并设电容C2、C3的容量相等(C2、C3不相等时，串联转换为并联后有一个电荷转移的过程，且并联电压为转移结束后的电压)。

上电时，S1、S4先闭合S2、S3、S5断开，电容C1、C2、C3形成了一个串联充电回路，路径为：Ui正极(+)、S1、C1、C2、S4、C3回到Ui负极(-)，它们通过容量分压关系充得各自的分压值。串联后的总容量由此可以计算出串联充电回路每个电容充得的电压值，C1分得电压C2分得电压C3分得电压接着是S2、S3、S5闭合S1、S4断开，由于S4断开S3、S5闭合，电容C2、C3构成了一个并联回路，这个并联回路与C1是串联关系，由于S1断开S2闭合，将负载回路的电容CL接入了串联充电回路，此时的整个充电路径为：Ui正极(+)、S2、CL、C1、C2//C3(C2并C3)、Ui负极(-)，此时C2并联C3与之前的C2串联C3产生了一个压差。因C2与C3的容量相等，所以这个压差变为之前的一半，设为UH，则UH＝U2＝U3。由于负载电阻RL的存在，CL并不能与C1、C2、C3形成容量分压关系，而是电阻RL上的压降Uo。设电容C2、C3串联时Ui的电压为Uc，电容C2、C3并联时Ui的电压为UB，则根据基尔霍夫回路电压关系可得，

在C2、C3串联时Uc＝Ui＝U1+U2+U3

在C2、C3并联时UB＝Ui＝Uo+U1+UH

由于Ui、U1没有变，则U2+U3＝Uo+UH

因UH＝U2＝U3，所以Uo＝UH＝U2＝U3

即负载电压Uo等于电容C2与C3由串联关系转换到并联关系的电压差，这个电压差是由于容量关系变化造成的。在C2、C3并联充电时，CL由于RL的存在其容量不参与回路分压计算。C1、C2、C3等效电容总容量则各电容分得的电压分别为：C1的电压C2的电压C3的电压因C2、C3是并联的，在并联开始的一刻它们的电压已经相等，即U2＝U3。并联后C1的电压U1升高了，C2、C3并联电压UH降低了。当S1、S4再次闭合同时S2、S3、S5再次断开时，由于C2、C3变为串联关系，则电容C1、C2、C3的电压又要重新由容量关系分配，方向是C1的电压会降低，C2、C3的电压会升高。

由并联的容量分压关系以及C2＝C3，可以得到C2、C3由并联转换为串联后，串联回路的初始电压值设为U_b，则

U_{b} = U_{1} + U_{2} + U_{3} = U_{i} \cdot \frac{C_{i}}{C_{1}} + U_{i} \cdot \frac{C_{b}}{C_{2} + C_{3}} + U_{i} \cdot \frac{C_{b}}{C_{2} + C_{3}},

整理后得C2、C3串联时的最终回路电压值设为U_c，则

U_{c} = U_{1} + U_{2} + U_{3} = U_{i} \cdot \frac{C_{c}}{C_{1}} + U_{i} \cdot \frac{C_{c}}{C_{2}} + U_{i} \cdot \frac{C_{c}}{C_{3}},

整理后得U_c＝U_i。

由上分析可知，在电容C2、C3由并联充电刚转换为串联充电时，串联回路的初始电压值比串联的最终回路电压值，多了一个由于容量变化产生的因子它是一个大于1的值，即C2、C3由并联转换为串联时，Ui的初始电容电压高于输入电源Ui的电压。这使得电容串联后会向电源Ui放电，直到达到由容量关系决定的最终串联分压电压值才会平衡。当电容C2、C3再次转换为并联充电时，就会重复上述过程：输入电源Ui给电容C1、C2//C3串联充电，且充电路径经过负载电阻RL；输入电源Ui给电容C1、C2、C3串联充电，且充电路径不经过负载电阻RL。这样在负载上就会有可持续的一定的电压、电流产生。当充电电流不经过负载电阻RL时，负载电阻由滤波电容CL提供电流。电容C1由于在C2、C3并联时的电压比C2、C3串联时电压高，也会在C2、C3由并联转换为串联时向电源放电，使其形成了可持续的充放电电流。

附图说明

图1：容差电荷泵原理图

图2：由容差电荷泵构成的高压差恒压电容源

具体实施方式

图2是由容差电荷泵构成的高压差电容源原理图。它由三个部分组成：调宽振荡器、反相器、容差电荷泵。下面详细叙述它们的工作过程。

调宽振荡器。调宽振荡器由Q7、Q8、Q9、Q10、R、R4、R5构成的晶体管电桥和C、Q6、R3、D6构成的充放电回路组成。在晶体管电桥中，Q7、Q8构成的正反馈接于Ui+，Q9、Q10构成的正反馈接于Ui-，同时Q7、Q9的发射结是逆着电流方向并联在一起的：当A点电压高于B点电压一个PN结电压时Q9导通，Q9的导通使Q9、Q10以正反馈进入饱和，同时Q7得到Q9的结电压负向截止，Q7、Q8以正反馈进入截止；当B点高于A点一个PN结电压时Q7导通，Q7的导通使Q7、Q8以正反馈进入饱和，同时Q9得到Q7的结电压负向截止，Q9、Q10以正反馈进入截止。在两个正反馈结构翻转的过程中，因为Q7、Q9中只会有一只导通或均截止，所以Q8、Q10是不会同时导通的，只能有一只导通或均截止。R4、R5是等值的触发电流电阻，当Q8、Q10均不导通时，B点的电压由R4、R5的分压值决定。上电时电容C的充电电流路径为：R3、Q6、R、C、A点、B点、R5，流经A、B点的电流触发了Q9，Q9使Q10导通形成正反馈，当Q9、Q10饱和时，R5即被Q10短路，此时的驱动输出B点由Q10接于Ui-驱动。当充电电流不能维持Q9、Q10的正反馈时，Q9、Q10以正反馈方式截止，B点电压由R4、R5重新分压到Ui的中点电压，由于电容C已经被充电，电容C开始放电：C+、R、D6、R4、B点、A点、C-，此时的A点电压低于B点电压，流经B、A点的电流触发了Q7，Q7使Q8导通形成正反馈，当Q7、Q8饱和时，R4即被Q8短路，此时的驱动输出B点由Q8接于Ui+驱动。当放电电流不能维持Q7、Q8饱和时，Q7、Q8截止，B点又回到由R4、R5决定的中点电压，电容又开始充电，然后重复上述过程完成振荡。由上可见，振荡电容C充电时电阻由R3、Q6的内阻、R决定，Q6的内阻和R3是可变部分：当输入电压Ui升高时Q6内阻减小，当输出电压Uo升高时，光耦的输出内阻减小使R3减小同时Q6内阻减小。它们均使电容C的充电时间变短，Q10输出的Ui-电平时间变短。

反相器。反相器也是一个晶体管电桥，由Q11、Q12、Q13、Q14、R7、R8、R6构成，R6是输入电阻，R7、R8是等值触发电流电阻。当B点为Ui-时，R7触发Q11、Q12饱和，D点输出Ui+；当B点为Ui+时，R8触发Q13、Q14饱和，D点输出Ui-。

容差电荷泵。容差电荷泵的泵电容是C1、C2、C3、CL，其中C2、C3完成串并联转换功能，CL提供负载没有充电时的电压电流。开关功能由Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、D1、D4完成，其中D1、D4分别为Q1、Q4提供双向电流功能，以完成电容的充电或放电。D2是配合Q2完成隔离输出的第一级隔离，Q15、Q16、D7、D8是第二级隔离，其中D7、D8在电容CL充电时分别为Q15、Q16提供一个发射结负压，使其可靠截止减小漏电流。RL为CL提供一个电阻通路，使CL在充电时不会与C1、C2、C3形成容量的分压关系。

工作过程。

当B点为Ui-、D点为Ui+时：B点通过R13使Q2导通；D点通过R9和R10、D5分别使Q1、Q4截止，同时R10、D5使Q3导通，D点还通过R12使Q5导通。Q1、Q4截止Q2、Q3、Q5导通对负载电容CL充电，充电路径：Ui+、Q2、D7、CL、D8、D2、C1、C2//C3、Ui-。D7的正向压降使Q15负压截止，D8的正向压降使Q16负压截止。负载电流由C4提供，电容CL充电。

当B点为Ui+、D点为Ui-时：B点通过R13使Q2截止，R14是加速Q2截止的电阻；D点通过R9和R11、D3分别使Q1、Q4导通，同时R11、D3使Q3截止，D点还通过R12使Q5截止。Q1、Q4导通Q2、Q3、Q5截止电容C1、C2、C3串联放电，放电回路如图2中的“放电回路”所示的短虚线路径。这个放电回路是双向的：Q1、D4是Ui向电容C1、C2、C3串联充电时的路径；D1、Q4是电容C1、C2、C3串联向Ui放电时的路径。设置为双向是因为电容的电荷存储作用：有利于电容C1、C2、C3在充电时既可以充电又可以放电，快速实现电容由容量分压关系决定的电压值，同时可以避免单体电容越充越高或越放越低。在C1、C2、C3串联放电期间，电容CL因为存储的电荷通过Q15的射极-基极、RL、Q16的射极-基极形成了放电电流，从而使Q15、Q16导通对C4充电，同时提供负载电流。

Claims

1.一种由电容分压构成的降压电荷泵，其包含的四个特征分别为：

1)、负载切换电路，开关一(S1)的一端与开关二(S2)的一端均接在输入电源的正极(Ui+)，电阻(RL)的一端接开关一(S1)的另一端，电阻(RL)的另一端接开关二(S2)的另一端，电容四(CL)的负极接开关一(S1)的另一端，电容四(CL)的正极接开关二(S2)的另一端；

2)、分压电容，电容一(C1)的一端接开关一(S1)的另一端，电容一(C1)的另一端接开关三(S3)的一端和电容二(C2)的一端；

3)、容量变化电桥，开关三(S3)的另一端接开关四(S4)的另一端，电容二(C2)的另一端接开关四(S4)的一端，开关四(S4)的一端接开关五(S5)的一端，开关四(S4)的另一端接电容三(C3)的一端，开关五(S5)的另一端和电容三(C3)的另一端均接在输入电源的负极(Ui-)；

4)、在第一个时间段内，负载切换电路通过闭合开关一(S1)、断开开关二(S2)使负载不接入串联回路，容量变化电桥通过闭合开关四(S4)、断开开关三(S3)开关五(S5)使电容二(C2)电容三(C3)串联分压；在第二个时间段内，负载切换电路通过断开开关一(S1)、闭合开关二(S2)使负载接入串联回路，容量变化电桥通过断开开关四(S4)、闭合开关三(S3)开关五(S5)使电容二(C2)电容三(C3)并联分压；在第二个时间段内，负载得到容量变化电桥中电容二(C2)电容三(C3)由串联转换为并联的压差。