CN104393755A - 高效率升压电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高效率升压电路，其包括输出电路和控制电路。所述输出电路包括电感L1、第一功率开关、第二功率开关、第一电容和第二电容。电感L1的一端与输入电源相连，另一端通过第一功率开关与地相连，电感L1的另一端也作为升压电路的输出端。第一电容连接于输入电源和地之间。第二电容连接于升压电路的输出端和一中间节点VC之间。第二功率开关连接于所述中间节点VC和地之间。所述控制电路的第一输出控制端与第一功率开关的控制端相连，所述控制电路的第二输出控制端与第二功率开关的控制端相连，其驱动第一功率开关和第二功率开关交替导通。所述升压电路的功率效率高，节省能量。

Description

高效率升压电路
【技术领域】
本发明涉及升压转换器技术领域，特别涉及一种高效率升压电路。
【背景技术】
传统的升压电路如图1所示，控制电路110输出占空比驱动信号控制功率开关S11的导通和关断。当功率开关S11导通时，电流由输入电压端VIN经过电感L2流经功率开关S11到地，此时对电感储能，电感电流以VIN/L的斜率上升，其中VIN为输入电压端VIN的电压值，L为电感L1的电感值；当功率开关S11关断时，电流由输入电压端VIN经过电感L1流经二极管D1到输出，对输出电容C12充电，此时电感释放能量，电感电流以-(VO-VIN)/L的斜率下降，其中负号表示其斜率下降，VO为输出端VO的输出电压值，VIN为输入电压端VIN的电压值，L为电感L1的电感值。当功率开关S11导通时，被供电电路120靠输出电容C12上的电荷供电；当功率开关S12关断时，电感L2对输出电容C12和被供电电路供电。由于二极管D1上的导通电压降较大，其将消耗较多的效率。
因此，有必要提出一种高效率的升压电路来克服上述问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种高效升压电路，其功率效率高，节省能量。
为了解决上述问题，本发明提供一种升压电路，其包括输出电路和控制电路。所述输出电路包括电感L1、第一功率开关、第二功率开关、第一电容和第二电容。电感L1的一端与输入电源相连，另一端通过第一功率开关与地相连，电感L1的另一端也作为升压电路的输出端。第一电容连接于输入电源和地之间。第二电容连接于升压电路的输出端和一中间节点VC之间。第二功率开关连接于所述中间节点VC和地之间。所述控制电路的第一输出控制端与第一功率开关的控制端相连，所述控制电路的第二输出控制端与第二功率开关的控制端相连，其驱动第一功率开关和第二功率开关交替导通。
进一步的，在第一功率开关导通时，第二功率开关截止，在第二功率开关导通时，第一功率开关截止，第一功率开关导通与第二功率开关导通之间存在预定死区时间。
进一步的，所述第二功率开关为NMOS晶体管MN2，该NMOS晶体管MN2的源级接地，漏极接中间节点VC，其衬体端与接所述中间节点。
进一步的，所述控制电路的第一输出控制端输出的第一驱动信号的高电平等于输入电源电压，低电平为地电平，所述控制电路的第二输出控制端输出的第二驱动信号的高电平等于输入电源电压，低电平为中间节点VC的电压。
进一步的，中间节点VC的高电平为零，中间节点VC的电压的低电平为-(VIN)/(1-D)，其中VIN为输入电源的电压，D为第一驱动信号的占空比。
进一步的，被供电电路连接在升压电路的输出端和中间节点VC之间，在第一功率开关导通和第二功率开关截止时，电流通路为输入电源、电感L1、第一功率开关流和地；在第二功率开关导通和第一功率开关截止时，电流通路为输入电源、电感L1、被供电电路和第二功率开关和地。
进一步的，所述控制电路包括占空比信号产生电路、死区产生电路、第一驱动器、电平转换器和第二驱动器，所述占空比信号产生电路根据升压电路的输出端电压和参考电压产生一定占空比的方波控制信号，所述死区产生电路根据所述方波控制信号产生不交叠的两路控制信号，其中一路控制信号经过所述第一驱动器后形成第一驱动信号，该第一驱动信号被连接至第一功率开关的控制端，另一路控制信号经过电平转换器和第二驱动器后形成第二驱动信号，该第二驱动信号被连接至第二功率开关的控制端。
进一步的，该电平转换器将高电平为输入电源电压、低电平为地电平的电平信号转换为高电平为输入电源电压、低电平为中间节点电压的电平信号，第二驱动器的一个电源端接输入电源，另一个电源端接所述中间节点。
进一步的，所述控制电路包括电压采样电路、振荡器和误差放大电路，所述电压采样电路采样所述升压电路的输出端的电压得到采样电压，所述误差放大电路将所述参考电压与所述采样电压进行比较产生误差放大信号，所述振荡器产生预定频率的三角波信号；所述占空比信号产生电路将所述误差放大信号与三角波信号进行比较得到一定占空比的方波控制信号。
与现有技术相比，本发明中的升压电路在中间节点VC和地之间连接第二功率开关，该功率开关的效率较二极管的效率高，使得整个系统能够节省很多能量。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1示出了一种传统的升压电路；
图2为本发明中的升压电路在一个实施例中的电路图；
图3为图2中的升压电路中的部分信号的时序图；和
图4为图2中的控制电路在一个实施例中的电路图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
图2为本发明中的升压电路200在一个实施例中的电路图。如图2所示，所述输出电路210和控制电路220。
所述输出电路包括电感L1、第一功率开关S1、第二功率开关MN2、第一电容C1和第二电容C2。电感L1的一端与输入电源VIN相连，另一端通过第一功率开关S1与地相连，电感L1的另一端也作为升压电路200的输出端VO。第一电容C1连接于输入电源VIN和地之间。第二电容C2连接于升压电路的输出端VO和一中间节点VC之间。第二功率开关MN1连接于所述中间节点VC和地之间。所述控制电路220的第一输出控制端DRV1与第一功率开关S1的控制端相连，所述控制电路220的第二输出控制端DRV2与第二功率开关MN2的控制端相连，其驱动第一功率开关S1和第二功率开关MN1交替导通。被供电电路230连接在升压电路的输出端VO和中间节点VC之间。
在第一功率开关S1导通时，第二功率开关MN2截止，在第二功率开关MN2导通时，第一功率开关S1截止，第一功率开关S1导通与第二功率开关MN2导通之间存在预定死区时间。在死区时间内第一功率开关S1和第二功率开关MN2都不导通，为了降低效率损失，死区时间尽可能设计得较小，例如1～5纳秒。
本发明中的一个特点和优点在于：所述第二功率开关MN2为NMOS晶体管MN2，该NMOS晶体管MN2的源级接地，漏极接中间节点VC，其衬体端与接所述中间节点。
由于功率开关MN2可以设计其导通电阻较小，从而其上的导通压降较小，效率损耗低于二极管。特别注意功率开关MN2的衬体端接中间节点VC，原因在于中间节点VC会出现负电压，只有功率开关MN2的衬体端接中间节点VC，才能实现完全关断功率开关MN2。
所述控制电路220的第一输出控制端输出的第一驱动信号DRV1的高电平等于输入电源电压VIN，低电平为地电平(零)，所述控制电路220的第二输出控制端输出的第二驱动信号DRV2的高电平等于输入电源电压VIN，低电平为中间节点VC的电压。当DRV1为高电平时，功率开关S1导通；当DRV1为低电平时，功率开关S1截止。当DRV2为高电平时，功率开关MN2导通；当DRV2为低电平时，功率开关MN2截止。
结合图2和图3所示，当功率开关S1导通(DRV1为高电平)，功率开关MN2截止(DRV2为高电平)时，电流由VIN经过电感L1流经功率开关S1到地，此时对电感储能，电感电流IL以VIN/L的斜率上升，其中VIN为输入电源的电压值，L为电感L1的电感值。当功率开关S1关断(DRV1为低电平)，功率开关MN2导通(DRV2为高电平)时，电感电流IL由VIN经过电感L1流经第二电容C2和被供电电路至功率开关MN2，再流到地，此时对被供电电路230供电和对第二电容C2充电，此时电感释放能量，电感电流以-(VO-VIN)/L的斜率下降，其中负号表示其斜率下降，VO为输出端VO的输出电压值。
第二电容C2上的电压VC2应满足升压电路公式:VC2＝VIN/(1-D)，其中D为第一驱动信号DRV1的占空比。VO的高电平为VIN/(1-D)，VO的低电平为零(地电平)；节点VC的高电平为零，节点VC的低电平为-(VIN)/(1-D)。
图4为图2中的控制电路220在一个实施例中的电路图。所述控制电路220包括占空比信号产生电路221、死区产生电路222、第一驱动器Drv1、电平转换器223和第二驱动器Drv2。
所述占空比信号产生电路221根据升压电路的输出端VO的电压和参考电压VREF产生一定占空比的方波控制信号A。所述死区产生电路22根据所述方波控制信号A产生不交叠的两路控制信号B和C，两路控制信号B和C之间存在死区时间，其中一路控制信号A经过所述第一驱动器Drv1后形成第一驱动信号DRV1，该第一驱动信号DRV1被连接至第一功率开关S1的控制端，另一路控制信号C经过电平转换器223和第二驱动器Drv2后形成第二驱动信号DRV2，该第二驱动信号DRV2被连接至第二功率开关MN2的控制端。所述电平转换器223将高电平为输入电源VIN电压、低电平为地电平的电平信号转换为高电平为输入电源电压、低电平为中间节点VC电压的电平信号，第二驱动器Drv2的一个电源端接输入电源，另一个电源端接所述中间节点VC。
在一个实施例中，所述控制电路220还可以包括电压采样电路、振荡器和误差放大电路，它们未在图4中示出，所述电压采样电路采样所述升压电路的输出端的电压或采样电阻上的电压得到采样电压，所述误差放大电路将所述参考电压与所述采样电压进行比较产生误差放大信号，所述振荡器产生预定频率的三角波信号；所述占空比信号产生电路将所述误差放大信号与三角波信号进行比较得到一定占空比的方波控制信号。
本发明可以应用于恒压输出电路，也可以应用于恒流输出电路或驱动LED(发光二极管)。
在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。在本文中，VIN有时表示输入电源，有时表示输入电源端，有时表示输入电源的电压，DRV1有时表示第一输出控制端，有时表示第一驱动信号，DRV2有时表示第二输出控制端，有时表示第二驱动信号，这对于所属领域内的普通技术人员都是可以理解的。
需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (9)

1.一种升压电路，其特征在于，其包括输出电路和控制电路，
所述输出电路包括电感L1、第一功率开关、第二功率开关、第一电容和第二电容，
电感L1的一端与输入电源相连，另一端通过第一功率开关与地相连，电感L1的另一端也作为升压电路的输出端；
第一电容连接于输入电源和地之间，
第二电容连接于升压电路的输出端和一中间节点VC之间，
第二功率开关连接于所述中间节点VC和地之间，
所述控制电路的第一输出控制端与第一功率开关的控制端相连，所述控制电路的第二输出控制端与第二功率开关的控制端相连，其驱动第一功率开关和第二功率开关交替导通。
2.根据权利要求1所述的升压电路，其特征在于，在第一功率开关导通时，第二功率开关截止，在第二功率开关导通时，第一功率开关截止，
第一功率开关导通与第二功率开关导通之间存在预定死区时间。
3.根据权利要求1所述的升压电路，其特征在于，所述第二功率开关为NMOS晶体管MN2，该NMOS晶体管MN2的源级接地，漏极接中间节点VC，其衬体端与接所述中间节点。
4.根据权利要求3所述的升压电路，其特征在于，所述控制电路的第一输出控制端输出的第一驱动信号的高电平等于输入电源电压，低电平为地电平，
所述控制电路的第二输出控制端输出的第二驱动信号的高电平等于输入电源电压，低电平为中间节点VC的电压。
5.根据权利要求4所述的升压电路，其特征在于，中间节点VC的高电平为零，中间节点VC的电压的低电平为-(VIN)/(1-D)，其中VIN为输入电源的电压，D为第一驱动信号的占空比。
6.根据权利要求1所述的升压电路，其特征在于，被供电电路连接在升压电路的输出端和中间节点VC之间，
在第一功率开关导通和第二功率开关截止时，电流通路为输入电源、电感L1、第一功率开关流和地；
在第二功率开关导通和第一功率开关截止时，电流通路为输入电源、电感L1、被供电电路和第二功率开关和地。
7.根据权利要求1所述的升压电路，其特征在于，所述控制电路包括占空比信号产生电路、死区产生电路、第一驱动器、电平转换器和第二驱动器，
所述占空比信号产生电路根据升压电路的输出端电压和参考电压产生一定占空比的方波控制信号，
所述死区产生电路根据所述方波控制信号产生不交叠的两路控制信号，其中一路控制信号经过所述第一驱动器后形成第一驱动信号，该第一驱动信号被连接至第一功率开关的控制端，
另一路控制信号经过电平转换器和第二驱动器后形成第二驱动信号，该第二驱动信号被连接至第二功率开关的控制端。
8.根据权利要求7所述的升压电路，其特征在于，该电平转换器将高电平为输入电源电压、低电平为地电平的电平信号转换为高电平为输入电源电压、低电平为中间节点电压的电平信号，
第二驱动器的一个电源端接输入电源，另一个电源端接所述中间节点。
9.根据权利要求7所述的升压电路，其特征在于，所述控制电路包括电压采样电路、振荡器和误差放大电路，
所述电压采样电路采样所述升压电路的输出端的电压得到采样电压，所述误差放大电路将所述参考电压与所述采样电压进行比较产生误差放大信号，
所述振荡器产生预定频率的三角波信号；
所述占空比信号产生电路将所述误差放大信号与三角波信号进行比较得到一定占空比的方波控制信号。
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