CN104321962B - 具有升压器的振荡器电路 - Google Patents

Abstract

一种具有升压器的振荡器电路，包括用于使输入直流电压振荡并升高的分离的线圈。两个线圈沿相反方向绕制并且彼此磁性地耦接。所述线圈之一与电容器串联以形成LC振荡器。该电路使得能够通过改变与电容器串联的线圈的匝数或通过改变电容器的值来改变振荡频率。还可以通过改变其余线圈的匝数来改变输出电压电平。

Description

具有升压器的振荡器电路

技术领域

本申请涉及振荡器电路。具体地，在直流(DC)电压被施加时，所述电路可以提供比所施加的DC电压大的输出电压。

背景技术

振荡器将DC电源电压诸如电池转换为交流(AC)输出。存在各种振荡器电路。根据应用的领域，可以要求振荡器具有某些操作参数，诸如低功耗、低相位噪声、高振荡频率、宽振荡频率调节范围、对干扰信号的低敏感度和/或低制造成本。

举例而言，一些包括频率确定部件诸如电感器(L)和电容器(C)的LC振荡器实现了许多以上列举的参数。电感器和电容器的值确定所得AC输出的频率(振荡频率)。

图1图示了基本的LC振荡器储能电路。该电路包括感应线圈L’(L撇)和电容器C’(C撇)。电容器以静电场(电压)的形式将能量跨其板a与b来存储，而感应线圈L’以电磁场的形式存储能量。当开关S1处于位置1时，电容器C’充电最高至电池B的DC电源电压。开关然后移动至使电容器C’与电感器L’并联的位置2。电容器C’通过电感器L’放电，导致当通过L的电流开始沿第一方向上升时C两端的电压下降。L’中的电流的增加在L’周围引起抵抗电流的所述流动的电磁场。当电容器C’被完全放电时，原来存储在电容器C’中的能量现在被存储在感应线圈L’中作为线圈绕组周围的电磁场。

因为电路中不存在用于维持线圈内的电流的外加电压，所以电磁场开始衰减。电磁场的衰减使得在电感器L’中感生出试图保持电流沿原方向流动的反电动势(反EMF)。该电流现在以与其原电荷相反的极性对电容器C’进行充电。C’继续充电直至上述电流降低至零并且线圈的电磁场已经完全衰减。原来通过开关被引入至电路中的能量被返回电容器，电容器在其两端再次具有电压电势，尽管该电压电势现在具有相反的极性。电容器现在开始再次通过线圈L’反向放电，整个过程被重复。当能量在电容器与电感器之间被往返传递时，电压的极性改变。要不是能量在L’与C’之间传输时的损失，该过程将无限重复。因此，已经开发用以补偿损失的能量的电路元件。

图2图示了晶体管LC振荡器，其是一个如下电路元件：该电路元件使用晶体管作为放大器开关以得到来自LC储能电路的输出的一部分，对该部分进行放大并将能量馈送回LC储能电路。

晶体管Q’(Q撇)用作LC振荡放大器。LC储能电路200是Q’的集电极负载。放大器202包括晶体管Q和另一线圈L”(L两撇)，线圈L”具有与L’的场相互耦合的电磁场并且连接在晶体管Q的基极与发射极之间。相应地，在储能电路200与放大器电路202之间存在互感。在一个线圈电路中流动的变化电流通过电磁感应在另一线圈电路中感生出电势电压。如此，当LC储能电路200中发生振荡时，电磁能量从线圈L’被传输至线圈L”，并且在晶体管Q的基极与发射极之间施加有与在储能电路200中的电压具有相同频率的电压。以这种方式，必要的自动反馈电压被施加至放大晶体管。

反馈量通过两个线圈L’与线圈L”之间的耦合来控制。为了维持振荡，施加至储能电路的电压必须与在储能电路中发生的振荡“同相位”。这通过在给定振荡器电路的正确的幅度相位关系的情况下沿相对于线圈L’的正确方向绕制线圈L”来实现。输出电压Vout是正弦的并且这样的振荡器通常称为“谐波振荡器”。

谐波振荡器具有许多不同形式，这是因为存在许多不同的用于构造LC储能电路和放大器的方式，最常见的为Hartley LC振荡器、Colpitts LC振荡器、Armstrong振荡器以及Clapp振荡器等。

在图3中，集成电路定时器555、R1’(R1撇)以及C1’(C1撇)包括振荡单元。振荡频率随着R1’和C1’的值而变化。令R1’＝12KΩ并且C1’＝2200pF，则振荡频率为约20kHz并且输出dc电压Vout为电源电压Vin的约2.2倍。输出电流可以达到50mA。在该电路中使用双极晶体管。在该电路中，电源电压必须等于或大于约4.5V以操作定时器555。

可以向振荡器电路添加电路元件以与输入电压相比较升高输出电压。图4图示了具有通过VT1和VT2实现的两级放大的LC振荡器。Vin可以为1.5V并且放大导致Vout＝9V。在这种情况下，VT3和VD3用作串联稳压器以防止Vout升高至高于VT3的基极-发射极和VD3的击穿电压。

发明内容

公开了一种具有升压器的振荡器电路，包括：第一电感器和磁性地耦接至第一电感器的第二电感器。第二电感器的第一端子在输入电压接合点处连接至第一电感器的第一端子。第一晶体管具有连接至输入电压接合点的第一晶体管发射极。第二晶体管具有连接至输入电压公共返回点的第二晶体管发射极。第二晶体管集电极的集电极耦接至第一电感器的第二端子，第二晶体管的基极连接至第一晶体管集电极的集电极。电容器与第二电感器串联。电容器的第一端子连接至第二电感器的第二端子，电容器的其余端子连接至第二晶体管的基极。在直流电压被跨输入电压接合点和输入电压公共返回点施加并且预定电压电平被施加至第一晶体管的基极以导通第一晶体管时，在第二晶体管的集电极处出现振荡电压。

附图说明

图1图示了简单的LC振荡器电路；

图2图示了具有晶体管放大器的LC振荡器；

图3图示了使用集成电路定时器的振荡器；

图4图示了使用集成电路定时器并且具有晶体管放大器的振荡器；

图5是根据本发明的具有升压器的振荡器电路的框图；

图6图示了图5的框图中的、具有电子开关的详细的电路元件；

图7图示了图5的框图中的、具有闭合/断开开关的详细的电路元件；

图8图示了具有升压器的振荡器电路的特定实施方式；以及

图9A至图9C是在图8的实施方式中的特定位置处的示波器波形。

具体实施方式

在这些讨论中，应用于晶体管的用语“导通”、“饱和模式”以及“饱和”可互换使用以表示本领域的普通技术人员通常所理解的晶体管处于导通状态。应用于晶体管的用语“关断”、“截止模式”以及“截止”用于表示本领域的普通技术人员通常所理解的晶体管处于关断状态。用语“电感器”、“线圈”以及“感应元件”可互换使用。

图5图示了具有升压器500(“振荡器/升压器”)的振荡器电路，升压器500用于将线路502上提供的直流(DC)输入电压Vin转换为线路504上的振荡输出电压Vosc。如随后所描述的，Vosc 504具有比Vin 502大的峰值电压电平。Vin 502在公共线路506(“公共部分”)上具有返回。可以在DC输入电压两端布置输入滤波器508。在一种实施方式中，可以使用电子开关510来启动振荡器/升压器500的操作。如本文中以下所讨论的，电子开关510可以通过向振荡器/升压器提供线路512上的启动电压Vstart来启动振荡器/升压器500。可以在电子开关510两端布置高频滤波器514以对例如在开关电路元件中形成的高频电气噪声进行滤波，从而避免振荡器/升压器的不期望的启动。可以向整流器516提供Vosc 504，该整流器516向负载RL 522提供整流后的Vosc作为线路或端子520上的输出电压Vout。还可以向电压调节器518提供Vout 520，用于控制来自振荡器/升压器的Vosc 504的峰值电压电平。还可以通过输出滤波器524对等于Vout 520的整流后的Vosc进行滤波。

电子开关的电路元件：

图6图示了本发明的具有电子开关610的振荡器/升压器500的一种实施方式。负载RL 622的连接可以启动振荡器/升压器500的操作。RL 622的连接可以使启动电压Vstart612通过例如至振荡器/升压器内部的开关的公共部分606的返回来接通振荡器/升压器。当然，Vstart 612还可以向振荡器/升压器或其它技术设备内部的开关电路提供电压。在一种实现中，RL 622是接触去往连接至电子开关610的Vout返回端子626的Vout 620的用户。在这种情况下，电流可以流经用户身体的电阻以激活电子开关。

在一种实现中，电子开关610包括晶体管Q3，晶体管Q3具有通过电阻器R3连接至Vout返回端子626的基极。Q3的集电极连接至Vstart612。可选地，可以在负载RL 622耦接在Vout端子620与Vout返回端子626之间时激活指示器D3。指示器D3可以为发光二极管(LED)、声音设备、振动设备或任何已知的指示器。指示器D3可以通过电阻器R4连接至晶体管Q4的集电极。Q4的发射极连接至Q3的基极，Q4的基极连接至Vout返回端子626。

振荡器/升压器的电路元件：

图6图示了根据本发明的具有升压器的振荡器电路的一种实施方式。振荡器/升压器电路元件包括磁性地耦接至振荡电感器L2的升压电感器L1。也就是说，电感器L1和L2是具有相反绕组的两个紧密间隔开的线圈，并且可以绕制在公共芯上。电感器L1和L2的公共连接点连接至输入电压602(Vin+)。振荡电感器L2的其余端子与振荡电容器C2串联连接，振荡电容器C2连接至晶体管Q2的基极。晶体管Q2的集电极连接至L1的其余端子，晶体管Q2的发射极连接至输入电压返回606(Vin-)或公共部分。

晶体管Q1具有连接至输入电压602的发射极以及通过电阻元件R2连接至振荡电容器C2与晶体管Q2的基极的结的集电极。晶体管Q1的基极通过电阻元件R1连接至Vstart612。施加低电压的Vstart 612导通晶体管Q1。在一种实现中，晶体管Q1是PNP型晶体管诸如S8550，晶体管Q2是NPN型晶体管诸如S8050。

在操作时，在电感器L1和晶体管Q2的集电极的结处出现振荡电压。可以将整流器616诸如二极管连接至振荡电压以对振荡电压进行整流。还可以通过调节器618对整流后的电压进行调节。在调节器的一种实现中，齐纳二极管布置在晶体管Q1的基极与整流器的阴极处的振荡电压之间。以这种方式，在Vosc 604处的过电压状况可以影响晶体管Q1和晶体管Q2以降低电压Vosc 618。

该电路使用分离的线圈L2、L1以使输入电压振荡并升高。该电路具有仅通过改变线圈L2、L1的匝数来实现振荡频率和电压电平的改变的优点。改变输出电压电平仅需要改变线圈L1的匝数。可以通过改变线圈L2的匝数(或改变电容器C2的电容)来改变振荡频率。例如，减少线圈L2的匝数以及降低电容器C2的电容将增加振荡频率。也就是说，可以通过调节反馈来建立期望频率。以这种方式，易于针对期望的振荡频率和振荡条件来调节电路以提供期望的输出电压和电流。当振荡频率增加时电路的效率增加，但是输出电流将减小。电路具有如下优点：与仅使用单个线圈的振荡器/升压器电路相比，具有较大的稳定性、较高的效率以及较容易的振荡。

振荡器/升压器电路具有由较低的DC输入电压来提供升压后的电压输出的优点。在一种实现中，双储能电路(电子部件L1、L2)将标准的1.2V至1.5V DC圆盘电池升压至9V至12V用于施加至负载。这例如在需要较高电压并且具有很小空间的电气设备中是有利的，这是因为附加的圆盘电池可能过大。此外，单个电池可以是非一次性的有利的产品。所述非一次性的产品即在其中电池可更换的产品，诸如当刀片被更换时期望持续更长时间的剃刀。在这种情况下，用户可能不愿意购买需要六个1.5V电池的产品。

电子开关的操作：

在操作时，负载RL 622的连接——同时接触Vout端子626以及Vout返回端子626的用户——例如使得电流能够从Vin 602流经电感器L1、整流器二极管616、通过R3至Q3的基极以导通晶体管Q3。晶体管Q3提供至公共线路606的用于Vstart 612的低电阻路径。如本文中以下所讨论的，可以使用至公共线路606的用于Vstart的低电阻路径来启动振荡器/升压器500。

RL的连接还可以提供至晶体管Q4的基极的电流以导通晶体管Q4，晶体管Q4又通过指示器D3汲取电流并激活指示器D3。Q3的基极-发射极结上的电容器614(C3)是高频滤波器。

在振荡器/升压器电路的输出端子没有连接至负载RL 622时，在Q3的基极处不存在电流，Q3关断。Q3关断将晶体管Q1和Q2保持关断。相应地，当未使用RL时，振荡器/升压器不消耗任何电力。如此，单独的用以接通电力的机械开关是不必要的。

振荡器/升压器电路的操作：

如本文中以上所讨论的，当在端子620、626两端呈现负载RL 622时，电子开关610操作以启动振荡器/升压器。也就是说，晶体管Q3从关断变为导通，可以认为晶体管Q3的集电极和发射极是连接的。在晶体管Q3导通时，通过电阻器R1和晶体管Q1的发射极-基极结汲取电流以导通晶体管Q1。在晶体管Q1导通时，可以认为晶体管Q1的集电极和发射极是连接的，电流将流经电阻器R2至晶体管Q2的基极以导通晶体管Q2。在晶体管Q2导通时，可以认为晶体管Q2的集电极和发射极是连接的，在电感器L1两端施加电压Vin 602。电流流经电感器L1，使得能够在电感器L1中形成的并发磁场中存储能量。同时在电感器L2中感生电流，这是因为电感器L2磁性地耦接至电感器L1(电感器L1和L2是具有相反绕组的两个紧密间隔开的线圈)。

在电感器L2中感生出的电流将朝向Vin 602对电容器C2充电，当电流对电容器C2充电时，电阻器R1和R2上的电势将降低。在电容器C2充电时，晶体管Q2和Q1将从导通状态返回截止状态，电容器C2将放电。

当晶体管Q2进入截止状态时，由于流经电感器L1的电流的减小、磁场的并发衰减以及存储能量的释放，由电感器L1产生比输入电压Vin602高的感应反电压。感应反电压在顶部(图示的电感器L1的顶部)为负，在底部(图示的电感器L1的底部)为正，并且与输入电压Vin 602并联，电流将流经整流器二极管D2以将输出滤波电容器624充电至Vosc604。

只要晶体管Q1可以进入导通状态，则所述过程重复，无论是通过以上讨论的电子开关610的动作还是通过诸如在本文中结合图7的替代实现描述的另一技术。

可以使用稳压二极管D1来确保Vosc 604不超过指定电压。在一种实现中，稳压二极管D1是具有指定击穿电压的齐纳二极管。如果Vosc超过指定电压，则通过提供经由电阻器R1和晶体管开关Q3(晶体管开关Q3在振荡器/升压器操作时处于接通状态)至Vin公共部分606的电流路径，稳压二极管D1将分解并限制Vosc的值。电阻器R1的过电势将增加，并且在超过阈值时将驱动晶体管Q1进入截止状态，以使得晶体管Q2也进入截止状态，直至R1上的电压降低以允许晶体管Q1返回饱和状态为止。

如果没有整流器二极管D2，则振荡器/升压器的电压Vosc的占空比为50％，这表示晶体管Q1和Q2一半时间处于截止状态。稳压二极管D1可以使振荡器/升压器Vosc的输出更稳定。

调节R1的阻抗值改变输出电流的值。当然，如本领域的普通技术人员通常所理解的，晶体管Q1和Q2也可能需要更高的载流容量。调节D1的击穿电压和线圈L1的电感值改变振荡器/升压器的输出电压Vosc的值。

图7图示了具有开关器件750而非图6的自动电子开关610的振荡器/升压器。图7的振荡器/升压器的操作与图6中的操作基本上相同，将仅描述不同之处。在该实现中，晶体管Q1的基极通过电阻元件R1连接至公共线路606而非电子开关。相应地，在开关器件750将输入电压Vin连接至电路时，晶体管Q1将进入导通状态，而不管跨端子620、626是否被施加负载。此外，输出电压Vout返回端子626也连接至输入电压返回606。开关器件750可以为任何适当的器件，包括钮子开关、滑动开关、压力开关或球棒开关(bat switch)。当晶体管Q1处于导通状态时，电路与以上结合图6所描述的基本上相同地操作。

图8图示了根据本公开内容的具有升压器的振荡器的一种特定实施方式。在图示实施方式中，电感器L1具有约10匝电线，而电感器L2具有约40匝电线。电容器C2具有0.1微法的值。模拟负载RL为约10千欧。输入电压Vin为1.5V DC电池。图9图示了在晶体管Q1的基极(图9A)、晶体管Q2的基极(图9B)以及晶体管Q2的集电极(图9C)处的AC波形。如以上所讨论的，在晶体管Q2的集电极处的电压为振荡升高的电压，该电压随后可以被整流并被调节以提供经调节的DC输出电压。

其它实施方式在所附权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种具有升压器的振荡器电路，包括：

第一电感器；

第二电感器，所述第二电感器磁性地耦接至所述第一电感器，所述第二电感器的第一端子在输入电压接合点处连接至所述第一电感器的第一端子；

第一晶体管，所述第一晶体管具有第一晶体管集电极、第一晶体管基极以及连接至所述输入电压接合点的第一晶体管发射极；

第二晶体管，所述第二晶体管具有连接至输入电压公共返回点的第二晶体管发射极、耦接至所述第一电感器的第二端子的第二晶体管集电极以及连接至所述第一晶体管集电极的第二晶体管基极；以及

电容器，所述电容器与所述第二电感器串联，具有连接至所述第二电感器的第二端子的电容器第一端子，并且具有连接至所述第二晶体管基极的电容器第二端子；

其中，在直流电压被施加在所述输入电压接合点和所述输入电压公共返回点之间并且预定电压电平被施加至所述第一晶体管基极以导通所述第一晶体管时，在所述第二晶体管集电极处出现振荡电压。

2.根据权利要求1所述的振荡器电路，其中，所述第一电感器和所述第二电感器沿相反方向绕制。

3.根据权利要求1所述的振荡器电路，其中，所述第一晶体管是PNP型晶体管，所述第二晶体管是NPN型晶体管。

4.根据权利要求3所述的振荡器电路，其中，

所述第一晶体管是S8550型，

所述第二晶体管是S8050型。

5.根据权利要求3所述的振荡器电路，其中，在所述输入电压接合点与所述输入电压公共返回点之间连接有滤波器。

6.根据权利要求3所述的振荡器电路，包括：

整流器，所述整流器用于将所述振荡电压整流成直流电压；以及

调节器，所述调节器用于将所述直流电压调节成期望值。

7.根据权利要求6所述的振荡器电路，

其中，所述整流器为具有连接至所述第二晶体管集电极的整流器阳极的二极管，以及

其中，所述调节器为具有连接至所述整流器的阴极的齐纳阴极以及连接至所述第一晶体管基极的齐纳阳极的齐纳二极管。

8.根据权利要求7所述的振荡器电路，包括：

电子开关，所述电子开关用于使得所述第一晶体管处于导通状态，

其中，在所述第一晶体管处于导通状态时，所述第二晶体管处于导通状态。

9.根据权利要求8所述的振荡器电路，其中，所述电子开关包括：

第三晶体管，所述第三晶体管具有耦接至所述第一晶体管基极的第三晶体管集电极以及连接至所述输入电压公共返回点的第三晶体管发射极；

第四晶体管，所述第四晶体管具有连接至所述第三晶体管的基极的第四晶体管发射极以及耦接至所述第三晶体管的基极的第四晶体管基极；以及

信号设备，所述信号设备具有耦接至所述整流器的阴极的端子以及耦接至所述第四晶体管的集电极的另一端子，

其中，所述振荡电压被整流并被调节成在连接至所述整流器的阴极的正端子与连接至所述第四晶体管基极的负端子之间测量的输出电压，以及

其中，在所述输出电压连接至负载时，所述信号设备被激活并且所述预定电压电平被施加至所述第一晶体管基极。

10.根据权利要求9所述的振荡器，其中，所述信号设备为发光二极管。

11.根据权利要求9所述的振荡器，其中，所述负载为接触所述输出电压的所述正端子和所述负端子的用户。

12.根据权利要求3所述的振荡器，其中，所述第二电感器的电感值和串联连接的所述电容器的电容值被选择以引起振荡电压的振荡的期望振荡频率。

13.根据权利要求12所述的振荡器，其中，所述期望振荡频率根据以下公式确定：

其中L是所述第二电感器的电感值，C是所述电容器的电容值。

14.根据权利要求7所述的振荡器，包括用于交替地将所述直流电压连接至所述输入电压接合点或将所述直流电压从所述输入电压接合点断开的开关器件，

其中，在所述直流电压连接至所述输入电压接合点时，所述振荡电压被整流并被调节成在连接至所述整流器的阴极的正端子与所述输入电压公共返回点之间测量的输出电压。

15.一种具有升压器的振荡器电路，包括：

振荡电感器，

振荡电容器，所述振荡电容器与所述振荡电感器的第一端子串联连接，

第一晶体管，所述第一晶体管具有连接至所述振荡电容器的基极；

升压电感器，所述升压电感器磁性地耦接至所述振荡电感器并且相对于所述振荡电感器沿相反方向绕制，并且所述升压电感器具有在接合点处与所述振荡电感器的第二端子连接的所述升压电感器的第一端子以及具有与所述第一晶体管的集电极连接的所述升压电感器的第二端子；以及

第二晶体管，所述第二晶体管具有耦接至所述第一晶体管的基极的第二晶体管集电极，

其中，在直流电压被施加至所述接合点时，在所述第一晶体管的集电极处产生振荡电压。

16.一种具有升压器的振荡器电路，包括：

第一电感器，

第二电感器，所述第二电感器磁性地耦接至所述第一电感器并且沿相反方向绕制，并且所述第一电感器和所述第二电感器具有公共端子；

电容器，所述电容器与所述第二电感器串联；

第一晶体管，所述第一晶体管用于控制通过所述第一电感器的电流；

第二晶体管，所述第二晶体管用于将所述第一晶体管驱动至导通状态以使所述电容器充电，并且将所述第一晶体管驱动至截止状态以使所述电容器放电。