CN105006969A - 一种直流-直流变换器及包含其的移动电源 - Google Patents

Abstract

本专利申请公开了一种直流-直流变换器及包含其的移动电源。该直流-直流变换器包括变压器、开关管、第一单向导通器件、第二单向导通器件、电容，所述变压器原边绕组同名端、副边绕组同名端的另一端耦合至电池正极，所述变压器原边绕组同名端的另一端、变压器副边绕组同名端分别经第一单向导通器件、第二单向导通器件耦合至所述直流-直流变换器的输出正极，所述开关管耦合在所述变压器原边绕组同名端的另一端与电池负极之间，所述电容耦合在所述直流-直流变换器输出正负极两端。

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，特别是涉及一种直流-直流变换器及包含其的移动电源。

背景技术

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充电和负载升压供电。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。这种电路称为BOOST直流-直流升压变换器。为提高转换效率，二极管D可被低导通电阻的MOS管取代，这种技术称为同步整流。

图2是现有技术的变压器隔离的正激式直流-直流变换器的原理图。直流-直流变换器输入I1、I2，输出O1、O2通过变压器电气隔离。直流-直流变换器的输入I1、I2分别与电池的两端连接，输出O1、O2分别与负载两端连接。反馈绕组FK和与反馈绕组FK相串联的削反峰二极管XFF,用于给变压器原边绕组关断时已存储在变压器的能量提供返回电池的通路和使变压器磁性复位，以及对原边绕组关断时原边绕组的反电动势进行限幅。

给手机、平板电脑等手持电器充电的移动电源对转换效率的指标比较重视，总希望在家、办公室时把移动电源充满电后，在外出时，能尽可能多地把移动电源的电能充到手机、平板电脑上。

以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。

发明内容

本专利申请(主要)目的在于提出一种新的直流-直流升压变换器，以进一步提高上述现有技术的转换效率。

本专利申请提出了一种直流-直流变换器,包括变压器、开关管、第一单向导通器件、第二单向导通器件、电容，所述变压器原边绕组同名端、副边绕组同名端的另一端耦合至电池正极，所述变压器原边绕组同名端的另一端、变压器副边绕组同名端分别经第一单向导通器件、第二单向导通器件耦合至所述直流-直流变换器的输出正极，所述开关管耦合在所述变压器原边绕组同名端的另一端与电池负极之间，所述电容耦合在所述直流-直流变换器输出正负极两端；在所述开关管导通时，所述变压器原边绕组由所述电池供电，所述变压器副边绕组同名端感应出正电压，通过所述第二单向导通器件给所述电容充电和负载升压供电；在所述开关管关断时，储存在变压器的电能通过原边绕组、第一单向导通器件给所述电容充电和给负载升压供电；通过高频导通、关断所述开关管，所述变压器就不断把电池的能量分两路传递给负载。

所述第一单向导通器件为第一二极管，所述第一二极管阳极连接所述变压器原边绕组同名端的另一端，所述第一二极管阴极作为变换器输出的正极；所述第二单向导通器件为第二二极管，所述第二二极管阳极连接所述变压器副边绕组同名端，所述第二二极管阴极作为变换器输出的正极。

所述第一单向导通器件为第一开关管，所述第一开关管第一端连接所述变压器原边绕组同名端的另一端，所述第一开关管第二端作为变换器输出的正极；所述第二单向导通器件为第二开关管，所述第二开关管第一端连接所述变压器副边绕组同名端，所述第二开关管第二端作为变换器输出的正极。

所述的直流-直流变换器还包括控制器、电压反馈电路、电流反馈电路，所述电压反馈电路采样所述直流-直流变换器的输出电压并反馈给所述控制器,供所述控制器对所述直流-直流变换器进行恒电压控制,所述电流反馈电路采样所述直流-直流变换器的输出电流并反馈给所述控制器,供所述控制器对所述直流-直流变换器进行恒电流控制和过电流、短路保护；所述开关管的控制端与控制器相耦合。

所述电压反馈电路包括第一电阻、第二电阻，所述第一电阻和第二电阻相连后跨接在所述变换器输出正负极两端，所述第一电阻、第二电阻的连接点作为电压反馈取样点与控制器耦合。

所述电流反馈电路包括电流采样电阻，所述电流采样电阻耦合在变换器输出的负极与电容的负极之间，所述变换器输出负极与所述电流采样电阻的连接点作为电流反馈取样点与所述控制器相耦合。

本专利申请还提出了一种包括上述直流-直流变换器的移动电源，其还包括充电插座、放电插座、充电保护电路和放电保护电路，所述充电插座与所述电池相耦合，所述放电插座与所述直流-直流变换器的输出相耦合，所述充电保护电路和放电保护电路与所述电池相耦合、对所述电池进行充电、放电保护。

所述充电保护电路和放电保护电路包括第四开关管、第五开关管、第四二极管和第五二极管，所述第四开关管第二端与所述电池负极相连，所述四开关管第一端与所述第五开关管第一端相连，第五开关管第二端与放电插座负极、充电插座负极相耦合，所述第四二极管阳极连接所述电池负极、所述第四二极管阴极与所述第四开关管、第五开关管第一端分别相连，所述第五二极管阴极连接所述第四二极管阴极，所述第五二极管阳极连接所述第五开关管第二端。

所述的移动电源还包括电阻和第三二极管，所述电阻连接在所述充电插座正极与所述第三二极管阳极之间，所述第三二极管阴极连接所述电池正极。

所述充电保护电路包括第六开关管和电阻，所述第六开关管第一端与所述充电插座正极相连，所述电阻连接在所述第六开关管第二端与所述电池正极之间。

本专利申请与现有技术对比的有益效果包括：本专利申请的直流-直流变换器有二路电流通道，无论在开关管导通期间还是关断期间，一直能保持向负载升压供电和向电容充电。这样，整体提高了转换率并进一步改善了输出电压纹波。

附图说明

图1是现有的移动电源的原理图；

图2是现有的变压器隔离的直流-直流变换器的原理图；

图3是本专利申请第一个实施例的直流-直流变换器的原理图；

图4是本专利申请第二个实施例的直流-直流变换器的原理图；

图5是本专利申请第一个实施例的移动电源的原理图；

图6是本专利申请第二个实施例的移动电源的原理图。

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。

图3是本专利申请第一实施例的直流-直流变换器的原理图。如图3所示，一种直流-直流变换器BHQ，包括变压器BYQ、开关管T、第一单向导通器件、第二单向导通器件、电容C。电容C为滤波电容。

变压器BYQ原边绕组同名端、副边绕组同名端的另一端耦合至电池E1(电池E1可以是锂电池)正极，变压器BYQ原边绕组同名端的另一端、变压器BYQ副边绕组同名端分别经第一单向导通器件、第二单向导通器件耦合至直流-直流变换器的输出正极，开关管T耦合在变压器BYQ原边绕组同名端的另一端与电池E1负极之间，电容C耦合在直流-直流变换器输出正负极两端。

在开关管T导通时，变压器BYQ原边绕组由电池E1供电，变压器BYQ副边绕组同名端感应出正电压，通过第二单向导通器件给电容C充电和负载升压供电；在开关管T关断时，储存在变压器BYQ的电能通过原边绕组、第一单向导通器件给电容C充电和给负载升压供电；通过高频导通、关断开关管T，变压器BYQ就不断把电池E1的能量分两路传递给负载。

如图3所示，在本实施例中，第一单向导通器件为第一二极管D1，第一二极管D1阳极连接变压器BYQ原边绕组同名端的另一端，第一二极管D1阴极作为变换器输出的正极；第二单向导通器件为第二二极管D2，第二二极管D2阳极连接变压器BYQ副边绕组同名端，第二二极管D2阴极作为变换器输出的正极。

本实施例的工作原理如下：在开关管T导通时，变压器BYQ原边绕组由电池E1供电，变压器BYQ副边绕组同名端感应出正电压，通过第二二极管D2给电容C充电和负载(负载连接在变换器输出正负极两端)升压供电，在开关管T关断时，储存在变压器的电能通过原边绕组、第一二极管D1给电容C充电和给负载升压供电。高频导通、关断开关管T，变压器BYQ就不断把电池的电能通过变压器原边绕组和第一二极管D1、副边绕组和第二二极管D2分两路升压传递给负载。

上述直流-直流变换器还包括控制器、电压反馈电路、电流反馈电路，电压反馈电路采样直流-直流变换器的输出电压并反馈给控制器,供控制器对直流-直流变换器进行恒电压控制,电流反馈电路采样直流-直流变换器的输出电流并反馈给控制器,供控制器对直流-直流变换器进行恒电流控制和过电流、短路保护；开关管T的控制端与控制器相耦合。

电压反馈电路包括第一电阻R1、第二电阻R2，第一电阻R1和第二电阻R2相连后跨接在变换器输出正负极两端，第一电阻R1、第二电阻R2的连接点作为电压反馈取样点与控制器耦合。

电流反馈电路包括电流采样电阻RL，电流采样电阻RL耦合在变换器输出的负极与电容C的负极之间，变换器输出负极与电流采样电阻RL的连接点作为电流反馈取样点与控制器相耦合。

对比图1、图2、图3，本专利申请的直流-直流变换器在现有BOOST直流-直流变换器(图1)与现有变压器隔离的正激变换器(图2)上做了改进。对图3的变压器隔离的正激变换器(包括开关管T、变压器原边绕组、变压器付边绕组、第二二极管D2)而言，取消了反馈绕组FK和与反馈绕组FK相串联的削反峰二极管XFF,改用直流-直流变换器的二极管D1用于给变压器原边绕组关断时已存储在变压器的能量提供给负载供电和电容C充电的通路和使变压器磁性复位，以及对原边绕组关断时原边绕组的反电动势进行限幅，除原先正常的电流通路(包括变压器副边绕组、第二二极管D2),还提供了第二路电流通路(包括变压器原边绕组、第一二极管D1)。对图3的BOOST直流-直流变换器(包括开关管T、变压器原边绕组、第一二极管D1)而言，除原先正常的电流通路(包括变压器原边绕组、第一二极管D1)，还提供了第二路电流通路(包括变压器副边绕组、第二二极管D2)。本专利申请的变换器，在开关管T导通期间，副边绕组感应电压经二极管D2，向负载升压供电和向电容C充电。在开关管T关断期间，变压器储存的电能经原边绕组、二极管D1向负载升压供电和向电容C充电。即，无论开关管T导通期间还是关断期间，通过两路通路一直能保持向负载升压供电和向电容C充电。本专利申请变换器因为电池电流以分两路形式流向负载，而图1、图2的电路，电池电流都是以单路形式流向负载，因而本专利申请的电池电流波形为时间为2T幅值为I的扁平形，而图1、图2的电池电流波形为时间为T幅值为2I的尖峰形。假设二极管D、第一二极管D1、第二二极管D2电阻为RX,图1、图2中二极管的损耗为2I的平方乘以RX,本专利申请的损耗为I的平方乘以RX,即本专利申请的损耗为图1、图2损耗的1/4。这样，相对比现在移动电源采用的BOOST直流升压变换器而言本专利申请整体提高了转换率和改善了输出电压纹波。

图4是本专利申请第二实施例的直流-直流变换器的原理图。如图4所示，本实施例中，本实施例与第一实施例的主要不同在于：第一单向导通器件为第一开关管T1，第一开关管T1第一端连接变压器BYQ原边绕组同名端的另一端，第一开关管T1第二端作为变换器输出的正极；第二单向导通器件为第二开关管T2，第二开关管T2第一端连接变压器BYQ副边绕组同名端，第二开关管T2第二端作为变换器输出的正极。

本实施例的工作原理概述如下：在开关管T导通时，变压器BYQ原边绕组由电池E1供电，变压器BYQ副边绕组同名端感应出正电压，通过第二开关管T2给电容C充电和负载(负载连接在变换器输出正负极两端)升压供电，在开关管T关断时，储存在变压器的电能通过原边绕组、第一开关管T1给电容C充电和给负载升压供电。第一开关管T1与开关管T互锁，即开关管T导通，开关管T1关断，开关管T关断，开关管T1导通。第二开关管T2与开关管T同步，即开关管T导通，开关管T2导通，开关管T关断，开关管T2关断。高频导通、关断开关管T，以及开关管T1、T2相应配合，变压器BYQ就不断把电池的电能通过原边绕组和第一开关管T1、副边绕组和第二开关管T2分两路升压传递给负载。

本专利申请直流-直流变换器的第一实施例的二极管D1、D2可以用导通电阻低的肖特基二极管。本专利申请直流-直流变换器的第二实施例可以用导通电阻更低的开关管比如MOS管，替代肖特基二极管。

如图5、图6所示，本专利申请还提出了一种包含上述直流-直流变换器的移动电源。该移动电源还包括充电插座CD、放电插座FD、充电保护电路和放电保护电路，充电插座CD与电池E1相耦合，放电插座FD与直流-直流变换器的输出相耦合，充电保护电路和放电保护电路与电池E1相耦合、对电池E1进行充电、放电保护。

图5是本专利申请移动电源的第一个实施例的原理图。如图5所示，在图3的基础上，增加了充电插座CD、放电插座FD，以及增加充电保护电路和放电保护电路，对电池进行充电、放电保护。

充电保护电路和放电保护电路包括第四开关管T4、第五开关管T5、第四二极管D4和第五二极管D5。第五开关管T5是充电开关管，第五二极管D5是第五开关管T5的续流二极管，第四开关管T4是放电开关管，第四二极管D4是第四开关管T4的续流二极管。第四开关管T4第二端与电池E1负极相连，第四开关管T4第一端与第五开关管T5第一端相连，第五开关管T5第二端与放电插座FD负极、充电插座CD负极分别相耦合，第四二极管D4阳极连接电池E1负极、第四二极管D4阴极与第四开关管T4、第五开关管T5第一端分别相连，第五二极管D5阴极连接第四二极管D4阴极，第五二极管D5阳极连接第五开关管T5第二端。

如图5所示，上述移动电源还包括电阻R和第三二极管D3，电阻R连接在充电插座CD正极与第三二极管D3阳极之间，第三二极管D3阴极连接电池E1正极。第三二极管D3可以是肖特基二极管。电阻R作为短路保护用，短路时，大电流可把电阻R烧断开路。

本实施例的工作原理如下：电池充电时，充电电流从充电插座CD正极依次流过电阻R、肖特基二极管D3、电池E1、放电开关管T4的续流二极管D4、充电开关管T5、回到充电插座CD负极。电池放电时，电池电流从电池正极出发，一路经过变压器原边绕组、第一二极管D1、移动电源放电插座FD正极，另一路经过变压器副边绕组、第二二极管管D2、移动电源放电插座FD正极，然后经过负载(连接在放电插座两端)、电阻RL、充电开关管T5的续流二极管D5、放电开关管T4,回到电池负极。

图6是本专利申请移动电源的第二个实施例的原理图。如图6所示，在图4的基础上，增加了充电插座CD、放电插座FD，以及增加充电保护电路，对电池进行充电保护。如图6所示，在本实施例中，充电保护电路包括第六开关管T6和电阻R，第六开关管T6第一端与充电插座CD正极相连，电阻R连接在第六开关管T6第二端与电池E1正极之间。

电阻R作为短路保护用，短路时，大电流把电阻R烧断开路。电池充电时，电流从充电插座CD正极出发，流经开关管T6、电阻R、电池E1，回到充电插座CD负极。电池放电时，电池电流从电池正极出发，一路经过变压器原边绕组、第一开关管T1、移动电源放电插座FD正极，另一路经过变压器副边绕组、第二开关管T2、移动电源放电插座FD正极，然后经过负载(连接在放电插座两端)、电阻RL,回到电池负极。

放电保护电路由开关管T、T1、T2兼职承担，当电池电压过低时，控制电路控制开关管T、T1、T2停止导通。

本专利申请开关管T、T1、T2、T3、T4、T5、T6可以全为MOS管，当T、T1、T2、T3、T4、T5、T6为MOS管时，第一端为漏极，第二端为源极，第三端为栅极。

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。

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,其特征在于包括变压器、开关管、第一单向导通器件、第二单向导通器件、电容，所述变压器原边绕组同名端、副边绕组同名端的另一端耦合至电池正极，所述变压器原边绕组同名端的另一端、变压器副边绕组同名端分别经第一单向导通器件、第二单向导通器件耦合至所述直流-直流变换器的输出正极，所述开关管耦合在所述变压器原边绕组同名端的另一端与电池负极之间，所述电容耦合在所述直流-直流变换器输出正负极两端；在所述开关管导通时，所述变压器原边绕组由所述电池供电，所述变压器副边绕组同名端感应出正电压，通过所述第二单向导通器件给所述电容充电和负载升压供电；在所述开关管关断时，储存在变压器的电能通过原边绕组、第一单向导通器件给所述电容充电和给负载升压供电；通过高频导通、关断所述开关管，所述变压器就不断把电池的能量分两路传递给负载。

2.如权利要求1所述的直流-直流变换器,其特征在于所述第一单向导通器件为第一二极管，所述第一二极管阳极连接所述变压器原边绕组同名端的另一端，所述第一二极管阴极作为变换器输出的正极；所述第二单向导通器件为第二二极管，所述第二二极管阳极连接所述变压器副边绕组同名端，所述第二二极管阴极作为变换器输出的正极。

3.如权利要求1所述的直流-直流变换器,其特征在于所述第一单向导通器件为第一开关管，所述第一开关管第一端连接所述变压器原边绕组同名端的另一端，所述第一开关管第二端作为变换器输出的正极；所述第二单向导通器件为第二开关管，所述第二开关管第一端连接所述变压器副边绕组同名端，所述第二开关管第二端作为变换器输出的正极。

4.如权利要求1所述的直流-直流变换器,其特征在于还包括控制器、电压反馈电路、电流反馈电路，所述电压反馈电路采样所述直流-直流变换器的输出电压并反馈给所述控制器,供所述控制器对所述直流-直流变换器进行恒电压控制,所述电流反馈电路采样所述直流-直流变换器的输出电流并反馈给所述控制器,供所述控制器对所述直流-直流变换器进行恒电流控制和过电流、短路保护；所述开关管的控制端与控制器相耦合。

5.如权利要求4所述的直流-直流变换器,其特征在于所述电压反馈电路包括第一电阻、第二电阻，所述第一电阻和第二电阻相连后跨接在所述变换器输出正负极两端，所述第一电阻、第二电阻的连接点作为电压反馈取样点与控制器耦合。

6.如权利要求4所述的直流-直流变换器,其特征在于所述电流反馈电路包括电流采样电阻，所述电流采样电阻耦合在变换器输出的负极与电容的负极之间，所述变换器输出负极与所述电流采样电阻的连接点作为电流反馈取样点与所述控制器相耦合。

7.一种包含如权利要求1-6任一所述的直流-直流变换器的移动电源，其特征在于：还包括充电插座、放电插座、充电保护电路和放电保护电路，所述充电插座与所述电池相耦合，所述放电插座与所述直流-直流变换器的输出相耦合，所述充电保护电路和放电保护电路与所述电池相耦合、对所述电池进行充电、放电保护。

8.如权利要求7所述的移动电源，其特征在于所述充电保护电路和放电保护电路包括第四开关管、第五开关管、第四二极管和第五二极管，所述第四开关管第二端与所述电池负极相连，所述四开关管第一端与所述第五开关管第一端相连，第五开关管第二端与放电插座负极、充电插座负极相耦合，所述第四二极管阳极连接所述电池负极、所述第四二极管阴极与所述第四开关管、第五开关管第一端分别相连，所述第五二极管阴极连接所述第四二极管阴极，所述第五二极管阳极连接所述第五开关管第二端。

9.如权利要求8所述的移动电源，其特征在于还包括电阻和第三二极管，所述电阻连接在所述充电插座正极与所述第三二极管阳极之间，所述第三二极管阴极连接所述电池正极。

10.如权利要求7所述的移动电源，其特征在于所述充电保护电路包括第六开关管和电阻，所述第六开关管第一端与所述充电插座正极相连，所述电阻连接在所述第六开关管第二端与所述电池正极之间。