CN104901367A - 一种直流-直流变换器及包含其的移动电源 - Google Patents

Abstract

本发明申请公开了一种直流-直流变换器及包含其的移动电源。直流-直流变换器包括相互连接的充放电器件和至少一个开关管，所述至少一个开关管被周期控制导通、关断，使电池给充放电器件充电的充电过程和电池与充放电器件串联升压给负载供电的放电过程交替转换。

Description

一种直流-直流变换器及包含其的移动电源

技术领域

本专利申请涉及电源领域，特别涉及一种直流-直流变换器及包含其的移动电源。

背景技术

现有的移动电源采用直流-直流变换器，把电池电压从3.7伏提高到5伏，5伏级别的输出电能全部从3.7伏电池变换，实际转换效率不高。

如图1所示，一种移动电源主电路(是直流-直流变换器的一种)，包括开关管T、电感L、二级管D和电容C等。开关管T导通，电感L充电，开关管T关断，电感L储存的电能通过二级管D给电容C充电和负载供电。因二极管D单向导通，和负载大小合适(指不过快消耗电能)，随着开关管T不断导通、关断，变换器输出电压E2越来越高直到达到和稳定在5伏。锂电池E1电压2.7伏-4.2伏，主要为3.7伏，变换器输出电压E2为5伏。

上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本专利申请的专利申请构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

专利申请内容

本专利申请(主要)目的在于提出一种移动电源，以解决上述现有技术存在的低转换效率的技术问题。

为此，本专利申请提出一种直流-直流变换器，包括相互连接的充放电器件和至少一个开关管，所述至少一个开关管被周期控制导通、关断，使电池给充放电器件充电的充电过程和电池与充放电器件串联升压给负载供电的放电过程交替转换。

在一个实施例中，所述充放电器件为第一电容；所述至少一个开关管包括第一开关管、第二开关管和第三开关管，所述第一开关管第一端、第二开关管第一端相连、并适于连接电池的正极，所述第一开关管第二端与所述第一电容正极相连，所述第二开关管第二端与所述第一电容负极相连，所述第三开关管第一端与所述第一电容负极相连，所述第三开关管第二端适于连接电池的负极，所述第一开关管、第二开关管和第三开关管控制端连接有控制信号。

所述直流-直流变换器还包括第一二极管和第二电容，所述第一二极管阳极与所述第一电容正极相连，所述第一二极管阴极与所述第二电容正极相连，所述第二电容负极与所述第三开关管第二端相连。

所述直流-直流变换器还包括第五开关管和第二电容，所述第五开关管第一端与所述第一电容正极相连，所述第五开关管第二端与所述第二电容正极相连，所述第二电容负极与所述第三开关管第二端相连，所述第五开关管与所述第二开关管的控制同步。

所述直流-直流变换器还包括电感和第二二极管，所述第一开关管第二端经所述电感与所述第一电容正极相连，所述第二二极管阴极连接在所述第一开关管第二端与所述电感之间，所述第二二极管阳极与所述第三开关管第二端相连。

所述充放电器件为充电电池。

本专利申请还提出一种移动电源，包括控制电路、电池和直流-直流变换器，所述直流-直流变换器包括相互连接的充放电器件和至少一个开关管，所述控制电路控制所述至少一个开关管周期导通、关断，使电池给充放电器件充电的充电过程和电池与充放电器件串联升压给负载供电的放电过程交替转换。

在一个实施例中，所述充放电器件为第一电容；所述至少一个开关管包括第一开关管、第二开关管和第三开关管，所述第一开关管第一端、第二开关管第一端相连、并连接电池的正极，所述第一开关管第二端与所述第一电容正极相连，所述第二开关管第二端与所述第一电容负极相连，所述第三开关管第一端与所述第一电容负极相连，所述第三开关管第二端连接电池的负极，所述第一开关管、第二开关管和第三开关管控制端连接有控制信号。

所述直流-直流变换器还包括第一二极管和第二电容，所述第一二极管阳极与所述第一电容正极相连，所述第一二极管阴极与所述第二电容正极相连，所述第二电容负极与所述第三开关管第二端相连。

所述移动电源还包括第五开关管和第二电容，所述第五开关管第一端与所述第一电容正极相连，所述第五开关管第二端与所述第二电容正极相连，所述第二电容负极与所述第三开关管第二端相连，所述第五开关管与所述第二开关管的控制同步。

所述直流-直流变换器还包括电感和第二二极管，所述第一开关管第二端经所述电感与所述第一电容正极相连，所述第二二极管阴极连接在第一开关管第二端与所述电感之间，所述第二二极管阳极与所述第三开关管第二端相连。

所述充放电器件为充电电池。

所述移动电源还包括电压电流反馈电路，所述电压电流反馈电路连接在负载前端以对所述直流-直流变换器进行恒压控制和过电流、短路保护。

所述移动电源还包括充电保护电路，所述充电保护电路与所述电池连接，对所述电池进行充电保护。

本专利申请与现有技术对比的有益效果包括：本专利申请的移动电源的输出电能迭加了电池电能和充放电器件的电能，其中电池电能占大部分。这样，整体提高了转换率。

附图说明

图1是现有的移动电源的电路结构图；

图2是本专利申请的移动电源具体实施方式一的电路结构图；

图3是本专利申请的移动电源具体实施方式二的电路结构图；

图4是本专利申请的移动电源具体实施方式三的电路结构图；

图5是本专利申请的移动电源具体实施方式四的电路结构图；

图6是本专利申请的移动电源具体实施方式五的电路结构图；

图7是本专利申请的移动电源具体实施方式六的电路结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本专利申请作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本专利申请的范围及其应用。

参照以下附图，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。

本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例仅是用来描述一个或多个特定实施方式。

本专利申请中的“连接”、“相连”包含元件间的直接连接或间接连接(经过其他元件)。

一种移动电源，包括主电路和控制电路，主电路包括电池和直流-直流变换器，直流-直流变换器包括相互连接的第一电容和至少一个开关管。所述控制电路控制至少一个开关管周期导通、关断，使电池给第一电容充电的充电过程和电池与第一电容串联升压给负载供电的放电过程交替转换。

具体实施方式一：

如图2所示，一种移动电源，包括电池和直流-直流变换器BHQ。直流-直流变换器BHQ包括第一电容C、第一开关管T1、第二开关管T2和第三开关管T3，第一开关管T1第一端、第二开关管T2第一端相连、并连接电池B的正极，第一开关管T1第二端与第一电容C正极相连，第二开关管T2第二端与第一电容C负极相连，第三开关管T3第一端与第一电容C负极相连，第三开关管T3第二端连接电池B的负极，第一开关管T1、第二开关管T2和第三开关管T3控制端连接有控制信号。第一电容C正极连接放电插座FD正极、第三开关管T3第二端连接放电插座FD负极。

如图2所示，在本具体实施方式中，第一开关管T1、第二开关管T2和第三开关管T3为三极管，第一开关管T1、第二开关管T2和第三开关管T3第一端(标号1)为三极管集电极，第一开关管T1、第二开关管T2和第三开关管T3第二端(标号2)为三极管发射极，第一开关管T1、第二开关管T2和第三开关管T3控制端(第三端、标号3)为三极管基极。

通过周期控制第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3的导通、关断，使电池B给第一电容C充电的充电过程和电池B与第一电容C相串联升压给负载供电的放电过程交替转换。当第一开关管T1、第三开关管T3导通，第二开关管T2关断时，电池B给第一电容C充电，从电池B正极出发，依次经过第一开关管T1、第一电容C、第三开关管T3，回到电池B负极。在这个过程，第一电容C充电到电压E2。当第一开关管T1、第三开关管T3关断，第二开关管T2导通时，电池B电压E1与第一电容C电压E2相串联，变换器BHQ输出电压E3为E2+E1，给负载(连接在放电插座FD的两端)升压供电，电流从电池B正极出发，依次经过第二开关管T2、第一电容C、负载，回到电池B的负极。随着直流-直流变换器BHQ输出电压E3给负载供电，第一电容C电压逐渐下降，下降到一定程度，第二开关管T2关断，第一开关管T1、第三开关管T3重新导通，重新给第一电容C充电。依此周期导通、关断第一开关管T1、第二开关管T2和第三开关管T3，循环往复，稳定给负载升压供电。

第一开关管T1、第二开关管T2还兼做电池B的放电保护电路，在电池B电压过低时，控制电路将不再导通第一开关管T1、第二开关管T2。

如图2所示，移动电源还包括充电保护电路，充电保护电路与所述电池B连接，对电池B进行充电保护。具体地，充电保护电路包括第四开关管T4和电阻R。充电插座CD负极连接电池B负极、充电插座CD正极经电阻R连接第四开关管T4第一端、第四开关管T4第二端连接电池B正极。

在第四开关管T4导通时，电池B将充电，电流从充电插座CD正极流出，依次经过电阻R、第四开关管T4、电池B，回到充电插座CD负极。当电池B电压过高时，控制电路将关断第四开关管T4。电阻R为过流保护电路，电流过大时电阻R将烧断成开路。

本专利申请移动电源在电池B与第一电容C相串联升压给负载供电过程中，因电池B电压主要在3.7伏，而电池B电压E1与第一电容C电压E2相加为E3等于5伏，3.7/5＝74％，也就是电池B直接输出的电能占大部分，达74％，这部分电能转换率为100％，小部分由第一电容C供给，因而这种移动电源整体有更高的转换率。

本领域技术人员应当理解第一开关管T1、第二开关管T2和第三开关管T3还可为MOS管。此时，第一开关管T1、第二开关管T2和第三开关管T3第一端为MOS管漏极，第一开关管T1、第二开关管T2和第三开关管T3第二端为MOS管源极，第一开关管T1、第二开关管T2和第三开关管T3控制端为MOS管栅极。

本领域技术人员还应当理解第一开关管T1、第二开关管T2和第三开关管T3可以为IGBT。此时，第一开关管T1、第二开关管T2和第三开关管T3第一端为IGBT集电极，第一开关管T1、第二开关管T2和第三开关管T3第二端为三极管发射极，第一开关管T1、第二开关管T2和第三开关管T3控制端为IGBT栅极。

具体实施方式二：

如图3所示，本具体实施方式与具体实施方式一的主要不同在于：直流-直流变换器BHQ还包括第一二极管D和第二电容C2，第一二极管D阳极与第一电容C正极相连，第一二极管D阴极与第二电容C2正极相连，第二电容C2负极与第三开关管T3第二端相连。

在第一电容C放电过程，第一开关管T1、第三开关管T3关断，第二开关管T2导通时，电池B与第一电容C相串联升压给第二电容C2充电和负载供电，在第一电容C充电过程，第一开关管T1、第三开关管T3导通，第二开关管T2关断时，电池B给第一电容C充电，停止给第二电容C2充电和负载供电，但第二电容C2已在第一电容C放电过程中充电至合适的电压，仍能保持给负载供电，使负载能连续得到供电。这可以保障给负载供电的电压是不间断的、连续的。

具体实施方式三：

如图4所示，本具体实施方式与具体实施方式二的主要不同在于：直流-直流变换器BHQ还包括电感L和第二二极管D2，第一开关管T1第二端经电感L与第一电容C正极相连，第二二极管D2阴极连接在第一开关管T1第二端与电感L之间，第二二极管D2阳极与第三开关管T3第二端相连。

电池B给第一电容C充电时，第一开关管T1、第三开关管T3导通，第二开关管T2关断，电池B电流从电池B正极出发，依次流经第一开关管T1、电感L、第一电容C、第三开关管T3，回到电池B负极。有了电感L，因电感L电流不能突变，只能从零逐渐增大，电池B给第一电容C充电时，就不会产生冲击电流。第二二极管D2给电感L提供续流通路，防止第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3承受高电压被击穿。电池B给第一电容C充电过程为：第一开关管T1、第三开关管T3同时导通，电池B通过电感L给第一电容C充电，当第一电容C电压逐渐升高到E2时，第一开关管T1、第三开关管T3关断，此时流经电感L的充电电流改变流向依次流经二极管D、第二电容C2、第二二极管D2，回到电感L，直到把电能转移到第二电容C2逐渐变成零。

本具体实施方式可以避免电池B给第一电容C充电时在第一开关管T1和第三开关管T3导通瞬间产生冲击电流。

具体实施方式四：

如图5所示，本具体实施方式与具体实施方式二的不同之处包括：第一二极管D由MOS管替代，定义为第五开关管T5。第五开关管T5与第二开关管T2的控制同步，即：第二开关管T2导通，第五开关管T5导通。第二开关管T2关断，第五开关管T5关断。MOS管的导通电阻远小于肖特基二极管的导通电阻，用MOS管替代肖特基二极管可以有效提高直流-直流变换器的转换效率。

具体实施方式五

如图6所示，本具体实施方式与具体实施方式三的不同之处包括：第一二极管D由MOS管替代，定义为第五开关管T5。第五开关管T5与第二开关管T2的控制同步，即：第二开关管T2导通，第五开关管T5导通。第二开关管T2关断，第五开关管T5关断。MOS管的导通电阻远小于肖特基二极管的导通电阻，用MOS管替代肖特基二极管可以有效提高直流-直流变换器的转换效率。

具体实施方式六

如图7所示，移动电源还包括电压电流反馈电路，电压电流反馈电路连接在负载前端以对直流-直流变换进行恒压控制和过电流、短路保护。

电压电流反馈电路包括第一采样电阻RF1、第二采样电阻RF2和第三采样电阻RL。第一采样电阻RF1与第二采样电阻RF2相连后跨接在第一电容C正极和第三开关管T3第二端之间，第一采样电阻RF1与第二采样电阻RF2的连接点U为电压反馈取样点。第三采样电阻RL连接在第三开关管T3第二端与放电插座FD负极之间，第三采样电阻RL与放电插座FD负极的连接点W为电流反馈取样点。

在以上具体实施方式中，第一电容C还可以以同样具有储能性质的可充电电池替换，如镍镉电池、镍氢电池等。本领域技术人员应当理解其他充放电器件都可以代替第一电容C。

移动电源还包括外壳，电池和直流-直流变换器BHQ封装在外壳内。直流-直流变换器可以设置在电子线路板上。

本专利申请的移动电源尤其适合给手机、IPAD等便携电器充电。

上述移动电源中的直流-直流变换器BHQ也是本专利申请的一部分。

尽管已经描述和叙述了被看作本专利申请的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其作出各种改变和替换，而不会脱离本专利申请的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本专利申请的教义，而不会脱离在此描述的本专利申请中心概念。所以，本专利申请不受限于在此披露的特定实施例，但本专利申请可能还包括属于本专利申请范围的所有实施例及其等同物。

Claims (10)

1.一种直流-直流变换器，其特征在于：包括相互连接的充放电器件和至少一个开关管，所述至少一个开关管被周期控制导通、关断，使电池给充放电器件充电的充电过程和电池与充放电器件串联升压给负载供电的放电过程交替转换。

2.如权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于：所述充放电器件为第一电容；所述至少一个开关管包括第一开关管、第二开关管和第三开关管，所述第一开关管第一端、第二开关管第一端相连、并适于连接电池的正极，所述第一开关管第二端与所述第一电容正极相连，所述第二开关管第二端与所述第一电容负极相连，所述第三开关管第一端与所述第一电容负极相连，所述第三开关管第二端适于连接电池的负极，所述第一开关管、第二开关管和第三开关管控制端连接有控制信号。

3.如权利要求2所述的直流-直流变换器，其特征在于：还包括第一二极管和第二电容，所述第一二极管阳极与所述第一电容正极相连，所述第一二极管阴极与所述第二电容正极相连，所述第二电容负极与所述第三开关管第二端相连；或者还包括第五开关管和第二电容，所述第五开关管第一端与所述第一电容正极相连，所述第五开关管第二端与所述第二电容正极相连，所述第二电容负极与所述第三开关管第二端相连，所述第五开关管与所述第二开关管的控制同步。

4.如权利要求2-3任一所述的直流-直流变换器，其特征在于：还包括电感和第二二极管，所述第一开关管第二端经所述电感与所述第一电容正极相连，所述第二二极管阴极连接在所述第一开关管第二端与所述电感之间，所述第二二极管阳极与所述第三开关管第二端相连。

5.如权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于：所述充放电器件为充电电池。

6.一种移动电源，其特征在于：包括控制电路、电池和直流-直流变换器，所述直流-直流变换器包括相互连接的充放电器件和至少一个开关管，所述控制电路控制所述至少一个开关管周期导通、关断，使电池给充放电器件充电的充电过程和电池与充放电器件串联升压给负载供电的放电过程交替转换。

7.如权利要求6所述的移动电源，其特征在于：所述充放电器件为第一电容；所述至少一个开关管包括第一开关管、第二开关管和第三开关管，所述第一开关管第一端、第二开关管第一端相连、并连接电池的正极，所述第一开关管第二端与所述第一电容正极相连，所述第二开关管第二端与所述第一电容负极相连，所述第三开关管第一端与所述第一电容负极相连，所述第三开关管第二端连接电池的负极，所述第一开关管、第二开关管和第三开关管控制端连接有控制信号。

8.如权利要求7所述的移动电源，其特征在于：所述直流-直流变换器还包括第一二极管和第二电容，所述第一二极管阳极与所述第一电容正极相连，所述第一二极管阴极与所述第二电容正极相连，所述第二电容负极与所述第三开关管第二端相连；或者还包括第五开关管和第二电容，所述第五开关管第一端与所述第一电容正极相连，所述第五开关管第二端与所述第二电容正极相连，所述第二电容负极与所述第三开关管第二端相连，所述第五开关管与所述第二开关管的控制同步。

9.如权利要求7-8任一所述的移动电源，其特征在于：所述直流-直流变换器还包括电感和第二二极管，所述第一开关管第二端经所述电感与所述第一电容正极相连，所述第二二极管阴极连接在第一开关管第二端与所述电感之间，所述第二二极管阳极与所述第三开关管第二端相连。

10.如权利要求7-8任一所述的移动电源，其特征在于：所述移动电源还包括电压电流反馈电路，所述电压电流反馈电路连接在负载前端以对所述直流-直流变换器进行恒压控制和过电流、短路保护；或者所述移动电源还包括充电保护电路，所述充电保护电路与所述电池连接，对所述电池进行充电保护。