CN104935169B - 直流电源升压电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及升压电路，公开了一种直流电源升压电路。本发明中，包含：直流电源、变压器、N沟道结型场效应管JFET与选频网络；直流电源的正极与变压器的原边的第一端口相连，直流电源的负极与N沟道JFET的源极相连；原边的第二端口与N沟道JFET的漏极相连；变压器的副边的第一端口与选频网络的第一端口相连，副边的第二端口与直流电源升压电路的最低电位相连；选频网络的第二端口与N沟道JFET的栅极相连，选频网络的第三端口与最低电位相连；直流电源升压电路的输出端与变压器的副边的第一端口相连。与现有技术相比，本发明可以将极低的电压（比如电压低于100mV）提升到合适的电平，为负载供电。

Description

直流电源升压电路

技术领域

本发明涉及升压电路，特别涉及直流电源升压电路。

背景技术

目前，通常的低压升压电路均使用的是传统的DC（Direct current，直流）-DC（Direct current，直流）电路或是电荷泵电路。因半导体元件的性能所限，使得通常的DC-DC电路及电荷泵电路在面对极低的电压输入（如低于100mV的直流电压）时，均不能工作，无法将输入电压提升到一个合适的电平，为负载提供电力。

另外，在前端电源功率受限的情况下，即使将电压升压起来，后续设备也因功率太低而无法使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直流电源升压电路，使得可以将极低的电压（比如电压低于100mV）提升到合适的电平，为负载供电。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种直流电源升压电路，包含：直流电源、变压器、N沟道结型场效应管JFET与选频网络；

所述直流电源的正极与所述变压器的原边的第一端口相连，所述直流电源的负极与所述N沟道JFET的源极相连；所述原边的第二端口与所述N沟道JFET的漏极相连；所述变压器的副边的第一端口与所述选频网络的第一端口相连，所述副边的第二端口与所述直流电源升压电路的最低电位相连；所述选频网络的第二端口与所述N沟道JFET的栅极相连，所述选频网络的第三端口与所述最低电位相连；

其中，所述直流电源升压电路的输出端与所述变压器的副边的第一端口相连。

本发明实施方式相对于现有技术而言，变压器对原边输入的直流电压信号中携带的扰动信号进行放大，其中，扰动信号包含多种频率；变压器的副边将经变压器放大的扰动信号输出至选频网络；选频网络仅允许特定频率的扰动信号通过，并将选取的该特定频率的扰动信号输出至N沟道JFET；N沟道JFET将该特定频率的扰动信号反馈回变压器原边，进一步加大原边扰动信号的电压波动；而且，电路在谐振情况下，包含选频网络的回路呈纯阻抗性质，且数值较大，这样JFET的漏极电压与栅极电压将产生180°的相移；同时，二次线圈又引入了180°的相移。这样整个闭合回路的相位移为180°+180°=360°，使反馈信号满足了电路振荡的相位平衡条件，并产生振荡信号，其中，该振荡信号为交流电信号；振荡信号的流向与扰动信号一致，变压器将该振荡信号逐次进行放大，该振荡信号的振荡幅度逐渐增强。由于N沟道JFET放大的非线性，最终使得该振荡信号的振荡幅度稳定到一定幅值，并通过直流电源升压电路的输出端输出以为负载供电。本发明中的直流电源升压电路，使得可以将极低的电压（比如电压低于100mV）提升到合适的电平，为负载供电。

另外，还包含储能单元；

所述储能单元串联在所述耦合电容与所述直流电源升压电路的输出端之间。

其中，所述储能单元包含充放电管理子单元；

所述充放电管理子单元与所述储能单元相连。

通过充放电管理子单元对储能单元中的电能进行监测，使储能单元在充电过程中电压达到预设的上阈值时打开供电通道，为负载供电；当储能单元在为负载供电过程中由于电力消耗使电压低于预设的下阈值时关闭供电通道，停止为负载供电；利用设置上、下阈值的方式对储能单元中的电能进行高效的存储及供电管理。

另外，还包含耦合电容；

所述耦合电容串联在所述变压器的副边的第一端口与所述直流电源升压电路的输出端之间。

耦合电容用于将交流电信号耦合输出，以为负载供电，防止后续负载对升压电路的影响。由于耦合电容是现有的成熟器件，保证了本发明实施方式的可行性。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的直流电源升压电路的结构示意图；

图2是根据本发明第二实施方式的直流电源升压电路的结构示意图；

图3是根据本发明第二实施方式中的充放电管理子单元的逻辑示意图；

图4是根据本发明第三实施方式的直流电源升压电路的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种直流电源升压电路，具体结构如图1所示，包含：直流电源、变压器、N沟道结型场效应管（Junction Field Effect Transistor，简称JFET）、选频网络、耦合电容与直流电源升压电路的输出端。

在图1中，1为直流电源，2为变压器，3为N沟道结型场效应管，4为耦合电容，5为直流电源升压电路的输出端。

其中，直流电源的正极输出带有扰动信号的直流电压信号，扰动信号包含多种频率。

直流电源的正极与变压器的原边的第一端口相连，直流电源的负极与N沟道JFET的源极相连；原边的第二端口与N沟道JFET的漏极相连；变压器的副边的第一端口与选频网络的第一端口相连，副边的第二端口与直流电源升压电路的最低电位相连；选频网络的第二端口与N沟道JFET的栅极相连，选频网络的第三端口与直流电源升压电路的最低电位相连；其中，直流电源升压电路的输出端与变压器的副边的第一端口相连；耦合电容串联在变压器的副边的第一端口与直流电源升压电路的输出端之间。

在本发明中，直流电源升压电路的最低电位为直流电源的负极；变压器的原边的第一端口与副边的第一端口为同名端。

接下来，结合附图介绍本发明中直流电源升压电路的工作原理。

如图1所示，直流电源的正极输出携带有微小扰动信号的直流电压信号至变压器的原边。该直流电压信号的电压值极低（比如低于100mV）。

变压器对原边输入的直流电压信号中携带的扰动信号进行放大，变压器的副边将经变压器放大的扰动信号输出至选频网络。

选频网络仅允许特定频率的扰动信号通过，并将选取的该特定频率的扰动信号输出至N沟道JFET。

N沟道JFET将该特定频率的扰动信号反馈回变压器原边，进一步加大原边扰动信号的电压波动。

具体地说，N沟道JFET的栅极的电压极低，且有波动，源极与直流升压电路的最低电位相连，N沟道JFET的栅极与源极之间的电势差在0伏左右。当N沟道JFET的栅极与源极之间的电势差在0伏左右时，对漏极与源极之间的电流均可以控制。基于此，利用N沟道JFET将经变压器放大的扰动信号反馈回变压器原边，进一步加大原边扰动信号的电压波动；而且，电路在谐振情况下，包含选频网络的回路呈纯阻抗性质，且数值较大，这样JFET的漏极电压与栅极电压将产生180°的相移；同时，二次线圈又引入了180°的相移。这样整个闭合回路的相位移为180°+180°=360°，使反馈信号满足了电路振荡的相位平衡条件，并产生振荡信号，其中，该振荡信号为交流电信号。

振荡信号的流向与扰动信号一致，变压器将该振荡信号逐次进行放大，该振荡信号的振荡幅度逐渐增强。由于N沟道JFET放大的非线性，最终使得该振荡信号的振荡幅度稳定到一定幅值。

最后，经过放大并稳定在一定幅值的振荡信号（即交流电信号）通过耦合电容由直流电源升压电路的输出端输出，为负载供电，且防止后续负载对升压电路的影响。其中，耦合电容的值由后续的负载电路决定。本发明中的直流电源升压电路，使得可以将极低的电压（比如电压低于100mV）提升到合适的电平，为负载供电。也就是说，能将外界环境获能设备极低电压的微弱能量升压至合适的电平加以利用。

与现有技术相比，利用变压器对原边输入的直流电压信号中携带的扰动信号进行放大；变压器的副边将经变压器放大的扰动信号输出至选频网络进行滤波；选频网络选取特定频率的扰动信号并输出至N沟道JFET；N沟道JFET将该特定频率的扰动信号反馈回变压器原边，进一步加大原边扰动信号的电压波动；而且，在谐振情况下，反馈信号满足了电路振荡的相位平衡条件，电路产生振荡信号，该振荡信号的流向与扰动信号一致；变压器将振荡信号逐次进行放大，该振荡信号的振荡幅度逐渐增强。由于N沟道JFET放大的非线性，最终使得该振荡信号的振荡幅度稳定到一定幅值，并通过直流电源升压电路的输出端输出，以为负载供电。本发明中的直流电源升压电路，使得可以将极低的电压（比如电压低于100mV）提升到合适的电平，为负载供电。

本发明的第二实施方式涉及一种直流电源升压电路。第二实施方式在第一实施方式的基础上作了进一步改进。在本发明的第二实施方式中，还包含整流单元、储能单元与稳压单元；其中，储能单元还包含充放电管理子单元，具体如图2所示，可以对电能进行高效的存储及供电管理。

在本发明中，储能单元串联在耦合电容与直流电源升压电路的输出端之间，其中，储能单元包含充放电管理子单元，充放电管理子单元与储能单元相连；整流单元串联在耦合电容与储能单元之间；稳压单元串联在储能单元与直流电源升压电路的输出端之间。也就是说，整流单元的一端与耦合单元相连，另一端与储能单元的一端相连；储能单元的另一端与稳压单元的一端相连；稳压单元的另一端与直流电源升压电路的输出端相连。

整流单元对从耦合电容接收的振荡信号进行整流，即将交流的振荡信号转换为直流信号，并输出至储能单元。

储能单元将直流信号携带的电能进行存储，并在为负载供电时经稳压单元稳压处理后输出至负载。

其中，储能单元包含充放电管理子单元，充放电管理子单元与储能单元相连。充放电管理子单元是采用CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）元件搭建的，用以实现电能的滞回曲线充放电管理。充放电管理子单元的充放电管理的逻辑如图3所示，横轴为电压，纵轴为表示供电通道的开或关的状态。充放电管理子单元对储能单元中的电能进行监测，使储能单元在充电过程中电压达到预设的上阈值3.0伏时打开供电通道，为负载供电；当储能单元在为负载供电过程中由于电力消耗使电压低于预设的下阈值2.5伏时关闭供电通道，停止为负载供电；利用设置上、下阈值的方式对储能单元中的电能进行高效的存储及供电管理，并实现利用储能单元在上、下阈值间储存的电能为负载供电。

另外，本发明中的直流电源升压电路，可以将极低电压升压到合适电平，若配合相应的低功耗设备及低功耗设备间歇休眠的运行方式即能实现采用微弱能源连续给设备供电的目的，使得低功耗设备能够无需供电、减少维护，进一步的拓宽低功耗设备的应用范围。

本发明的第三实施方式涉及一种直流电源升压电路。第三实施方式为第二实施方式的进一步细化。在本发明的第三实施方式中，选频网络包含电容和电阻。本实施方式中的直流电源升压电路，具体结构如图4所示。

在图4中，1为直流电源，2为变压器，3为N沟道结型场效应管，4为耦合电容，5为直流电源升压电路的输出端，6为电容，7为电阻。

在本实施方式中，选频网络包含电容和电阻。电容一端与选频网络的第一端口相连，另一端与选频网络的第二端口相连；电阻的一端与选频网络的第二端口相连，另一端与选频网络的第三端口相连。电阻和电容共同组成RC选频网络。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种直流电源升压电路，其特征在于，包含：直流电源、变压器、N沟道结型场效应管JFET与选频网络；

所述直流电源的正极与所述变压器的原边的第一端口相连，所述直流电源的负极与所述N沟道结型场效应管JFET的源极相连；所述原边的第二端口与所述N沟道结型场效应管JFET的漏极相连；所述变压器的副边的第一端口与所述选频网络的第一端口相连，所述副边的第二端口与所述直流电源升压电路的最低电位相连；所述选频网络的第二端口与所述N沟道结型场效应管JFET的栅极相连，所述选频网络的第三端口与所述最低电位相连；

其中，所述直流电源升压电路的输出端与所述变压器的副边的第一端口相连；所述直流电源输出的直流电压信号的电压值低于100mV；

所述直流电源升压电路还包含耦合电容与储能单元；

所述耦合电容串联在所述变压器的副边的第一端口与所述直流电源升压电路的输出端之间，所述储能单元串联在所述耦合电容与所述直流电源升压电路的输出端之间；

所述储能单元包含充放电管理子单元；所述充放电管理子单元与所述储能单元相连；所述充放电管理子单元用于对所述储能单元的电压进行检测，并在所述储能单元的电压达到预设的上阈值时，开始为负载供电；在所述储能单元的电压低于预设的下阈值时，停止为所述负载供电。

2.根据权利要求1所述的直流电源升压电路，其特征在于，还包含整流单元；

所述整流单元串联在所述耦合电容与所述储能单元之间。

3.根据权利要求1所述的直流电源升压电路，其特征在于，还包含稳压单元；

所述稳压单元串联在所述储能单元与所述直流电源升压电路的输出端之间。

4.根据权利要求1所述的直流电源升压电路，其特征在于，所述直流电源升压电路的最低电位为所述直流电源的负极。

5.根据权利要求1所述的直流电源升压电路，其特征在于，所述原边的第一端口与所述副边的第一端口为同名端。

6.根据权利要求1所述的直流电源升压电路，其特征在于，所述选频网络包含电容和电阻；

所述电容一端与所述选频网络的第一端口相连，另一端与所述选频网络的第二端口相连；所述电阻的一端与所述选频网络的第二端口相连，另一端与所述选频网络的第三端口相连。