CN106208683B - Dc-dc转换器及供电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种DC‑DC转换器及供电装置，该DC‑DC转换器包括包括电荷泵芯片以及至少两个电荷泵电路，其特征在于，所述DC‑DC转换器还包括一微控制单元，所述电荷泵芯片连接至一负载、所述微控制单元以及每一电荷泵电路的输出端；所述电荷泵电路的输入端连接至所述电荷泵芯片，或者在所述微控制单元的控制下串联至相邻的电荷泵电路，每一所述电荷泵电路的输出端将输出的电压反馈至所述电荷泵芯片；所述微控制单元连接至所述负载，所述微控制单元获取所述负载需求的电压，并根据所述负载需求的电压控制对应数量的电荷泵电路相串联后连接至所述电荷泵芯片，以及控制所述电荷泵芯片将串联后的电荷泵电路中最后一级的电荷泵电路反馈的电压输出至所述负载。
Description
技术领域
本发明涉及电源领域，尤其涉及一种DC-DC(Direct Current-Direct Current，直流/直流)转换器及一种具有所述DC-DC转换器的供电装置。
背景技术
电荷泵(charge pump)，是一种利用所谓的“快速”或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC变换器。目前的电荷泵DC-DC(直流/直流)转换器通常是根据目标电压计算需要几级电荷泵电路，然后根据计算结果来设计出完整的电路。
然而，在具体使用时，已知技术缺陷：
根据实际情况发现，通常目标需求电压会根据负载条件或客户定制需求的变化而不断地发生变化，电压可以在很大的范围内变动，这时固定地电路连接方式会出现问题。例如，当负载需求电压变化范围较大时，设计好的电路可能无法达到变化后的高电压或者低电压需求，将增加功耗，导致效率降低。
发明内容
本发明实施例提供一种DC-DC转换器及一种具有所述DC-DC转换器的供电装置，可以根据目标电压自动选择串联方式，可动态满足不同目标电压的需求，从而达到最佳效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种DC-DC转换器，其包括电荷泵芯片、至少两个电荷泵电路，以及微控制单元，所述电荷泵芯片连接至一负载、所述微控制单元以及每一电荷泵电路的输出端；所述电荷泵电路的输入端连接至所述电荷泵芯片，或者在所述微控制单元的控制下串联至相邻的电荷泵电路，每一所述电荷泵电路的输出端将输出的电压反馈至所述电荷泵芯片；所述微控制单元连接至所述负载，所述微控制单元获取所述负载需求的电压，并根据所述负载需求的电压控制对应数量的电荷泵电路相串联后连接至所述电荷泵芯片，以及控制所述电荷泵芯片将串联后的电荷泵电路中最后一级的电荷泵电路反馈的电压输出至所述负载。
其中，所述电荷泵芯片包括输入引脚、若干个电压反馈引脚以及连接至所述负载的电压输出引脚，所述输入引脚为所述电荷泵芯片的输入端，所述输入引脚连接至相串联后的第一级电荷泵电路的输入端，每一电压反馈引脚分别连接至一个对应的电荷泵电路的输出端，用以将所述电荷泵电路输出的电压反馈至所述电荷泵芯片，所述电荷泵芯片在所述微控制单元的控制下将串联后最后一级的电荷泵电路反馈的电压通过所述电压输出引脚输出至所述负载。
其中，所述电荷泵电路包括二极管(D1)、二极管(D2)以及电容(C1)、电容(C2)，所述二极管(D1)的正极为所述电荷泵电路的输入端，所述二极管(D1)的负极连接至所述二极管(D2)的正极，所述二极管(D2)的负极通过所述电容(C2)接地；所述电容(C1)的一端连接至一高低电平信号，另一端连接至所述二极管(D1)与所述二极管(D2)之间，所述电荷泵电路的输出端位于所述二极管(D2)的负极与所述电容(C2)之间。
其中，所述DC-DC转换器还包括连接至所述微控制单元的至少一个开关组件，每一所述开关组件设置于相邻的两级电荷泵电路之间并在所述微控制单元的控制下导通或截止，所述微控制单元通过控制该开关组件的导通状态来控制相邻两电荷泵电路的串联，从而控制串联至所述电荷泵芯片的输入端的电荷泵电路的数量。
其中，所述开关组件包括开关(Q1)及开关(Q2)，所述开关(Q1)连接至相邻的两个所述电荷泵电路之间，并连接至所述微控制单元，并在所述微控制单元的控制下导通或截止而控制相邻的两个电荷泵电路之间串联；所述开关(Q2)连接至所述开关(Q1)与所述微控制单元，并在所述微控制单元的控制下配合所述微控制单元控制所述开关(Q1)的截止。
其中，所述微控制单元上设置若干控制引脚，所述开关(Q1)为PMOS管，所述开关(Q2)为NMOS管，所述开关(Q1)的漏极(D1)连接至前一相邻电荷泵电路的输出端，所述开关(Q1)的栅极(G1)连接至所述微控制单元的一控制引脚，所述开关(Q1)的源极(S1)连接至所述开关(Q2)的漏极(D2)以及后一级相邻电荷泵电路的输入端，所述开关(Q2)的栅极(G2)连接至所述所述微控制单元的一控制引脚，所述开关(Q2)的源极(S2)接地。
另一方面，本发明还提供一种具有上述DC-DC转换器的供电装置。
本发明实施例中提供的本发明的DC-DC转换器及具有所述DC-DC转换器的供电装置，其可根据负载的电压需求动态调整需要串联至电荷泵芯片的输入端的电荷泵电路的数量，以通过接入不同数量的电荷泵电路提供不同的电压，从而满足不同时刻负载的电压需求，达到最佳效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明DC-DC转换器的模块框图。
图2为本发明的DC-DC转换器的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都应属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。若本说明书中出现“工序”的用语，其不仅是指独立的工序，在与其它工序无法明确区别时，只要能实现所述工序所预期的作用则也包括在本用语中。另外，本说明书中用“-”表示的数值范围是指将“-”前后记载的数值分别作为最小值及最大值包括在内的范围。在附图中，结构相似或相同的单元用相同的标号表示。
本发明实施例提供了一种DC-DC(Direct Current-Direct Current，直流/直流)转换器及具有所述DC-DC转换器的供电装置，其可以根据目标电压自动选择串联方式，可动态地满足不同目标电压的需求，从而达到最佳效率。以下分别进行详细说明。
请参阅图1，图1为本发明DC-DC转换器的模块框图。本发明实施例提供一种DC-DC转换器，其可根据连接至该DC-DC转换器的负载90所需求的电压动态地调节输出电压，从而满足所述负载90的需求对其供电。该DC-DC转换器包括电荷泵芯片10、多级电荷泵电路30以及MCU(Micro Controller Unit，微控制单元)50。其中，所述电荷泵芯片10与所述负载90、每级电荷泵电路30的输出端以及所述MCU50均电连接；该电荷泵电路30的输入端连接至所述电荷泵芯片10的输入端(图未标)，或者在所述MCU50的控制下连接至相邻的电荷泵电路30的输出端，从而串联至相邻的电荷泵电路30，该电荷泵电路30的输出端将输出的电压反馈至所述电荷泵芯片10。例如，在本实施例中，该DC-DC转换器包括四个电荷泵电路，如图1所示的四个电荷泵电路30，从左到右可分别定义为：第一电荷泵电路、第二电荷泵电路、第三电荷泵电路及第四电荷泵电路，其中，第一电荷泵电路的输入端连接至所述电荷泵芯片10的输入端，或者在MCU50的控制下，第一电荷泵电路的输出端连接至第二电荷泵电路的输入端，第二电荷泵电路的输出端连接至第三电荷泵电路的输入端，第三电荷泵电路的输出端连接至第四电荷泵电路的输入端。
在本实施例中，所述MCU50也连接至所述负载90，该MCU50获取该负载90需求的电压，并根据所述负载90需求的电压控制对应数量的电荷泵电路30(例如四个电荷泵电路)相串联后再通过串联后的首个电荷泵电路30(例如第一电荷泵电路)的输入端连接至所述电荷泵芯片10的输入端，以及控制该电荷泵芯片10将串联后最末一个电荷泵电路30(例如第四电荷泵电路)反馈的电压输出至所述负载90。显然，本发明的DC-DC转换器可根据负载90需求动态地调整需要串联至所述电荷泵芯片10的输入端的电荷泵电路30的数量，以通过接入不同数量的电荷泵电路30提供不同的电压，从而满足所述负载90在不同时刻的电压需求，达到最佳效率。
进一步的，所述DC-DC转换器还包括若干连接至所述MCU50的开关组件70，每一所述开关组件70设置于相邻的两级电荷泵电路30之间，并在所述MCU50的控制下导通或截止，所述MCU50通过控制该开关组件70的导通状态来控制相邻两个电荷泵电路30之间的串联，从而控制串联至电荷泵芯片10的输入端的电荷泵电路30的级数(数量)，即可通过多个串联的所述电荷泵电路30提供能够满足所述负载90需求的电压。可见，所述开关组件70可配合所述MCU50控制串联至所述电荷泵芯片10的输入端上的电荷泵电路30的级数，以使该DC-DC转换器能满足不同负载电压的需求。
请一并参阅图2，所述电荷泵芯片10包括输入引脚Vin、若干个电压反馈引脚output n(n为正整数)以及连接至负载90的电压输出引脚IC output。其中，所述输入引脚Vin为所述电荷泵芯片10的输入端，其连接至相串接后的第一级电荷泵电路30的输入端，每一所述电压反馈引脚output n分别连接至一电荷泵电路30的输出端，可将每一电荷泵电路30输出的电压反馈至所述电荷泵芯片10。例如，电压反馈引脚output1连接至相串联后的第一级电荷泵电路30(即与输入引脚Vin相连的第一级电荷泵电路)的输出端，电压反馈引脚output2连接至相串联后的第二级电荷泵电路30的输出端……，output n连接至相串联后的第n级电荷泵电路30的输出端。在本实施例中，所述输入引脚Vin输出12V电压。所述电荷泵芯片10在所述MCU50的控制下将串联后最末端的电荷泵电路30反馈的电压通过电压输出引脚IC output输出至所述负载90。具体的，可以通过所述MCU50控制所述电荷泵芯片10将串联后最末端的电荷泵电路30对应的电压反馈引脚output n连接至所述电压输出引脚ICoutput实现。例如，若串联了两级电荷泵电路30，则将电压反馈引脚output 2反馈的电压(串联两级电荷泵电路30后产生的电压)通过输出引脚IC output输出至所述负载90。
多个所述电荷泵电路30的电路结构相同，每一电荷泵电路30包括两个二极管D1、D2以及两个电容C1、C2。所述二极管D1的正极为该电荷泵电路30的输入端，二极管D1的负极连接至二极管D2的正极，二极管D2的负极通过电容C2接地。所述电容C1的一端连接至LX信号(0～12V的高低电平信号)，另一端连接至两二极管D1、D2之间。在本实施方式中，该电荷泵电路30以二极管D1的正极作为输入端，而输出端(图未标)位于二极管D2的负极与所述电容C2之间，并连接至电荷泵芯片10中对应的电压反馈引脚output n上，并且相串接的多个电荷泵电路30之间，前一个电荷泵电路30的输出端直接连接至后一电荷泵电路30的输入端，以实现逐级串联。
当一个所述电荷泵电路30连接至所述电荷泵芯片10的输入引脚Vin时，所述LX首先输出低电平信号，所述输入引脚Vin保持输出12V电压，将导通二极管D1、D2，从而对所述电容C1、C2充电，使所述电容C1连接至两二极管D1、D2的一端为12V电压，此时所述电荷泵芯片10的输出端也为12V电压。而当LX输出12V的高电平信号时，连接至LX的所述电容C1上的电压将被拉高至24V，所述电容C2也将充电至24V电压，此时所述电荷泵电路30输出24V电压。而当LX再输出低电位信号时，此时所述电容C2为24V电压，二极管D2将反向截止，同时该电容C2的储能也使得该电荷泵电路30的输出端保持24V电压。而当LX再输出高电位时，电容C1、C2将再次充电储能并拉高电位至24V，始终保持电荷泵电路30输出24V电压，如此不断反复。
当多个所述电荷泵电路30相串联后连接至电荷泵芯片10的输入端(输入引脚Vin)时，第一级电荷泵电路30的输出电压24V将作为第二电荷泵电路30的输入电压，使得经过第二电荷泵电路30后输出端的电压在LX的12V电压以及所述电容C1、C2的充电储能作用下增加12V并最终达到36V，并始终保持电荷泵电路30输出36V电压。而该第二电荷泵电路30的输出电压36V继续作为第三级电荷泵电路30的输入电压，再次经过LX的12V电压以及电容C1、C2的充电储能作用后，该第三级电荷泵电路30的输出端的电压再保持增加12V并最终达到48V，始终保持电荷泵电路30输出48V电压。当串联更多级电荷泵电路30时，依次照推。
多个所述开关组件70的结构相同，均包括两开关Q1、Q2。所述开关Q1连接至两相邻的电荷泵电路30之间，并连接至所述MCU50，用以在所述MCU50的控制下导通或截止而控制相邻两电荷泵电路30之间的串联。所述开关Q2连接至所述开关Q1与MCU50，用以在MCU50的控制下配合MCU50控制开关Q1的截止。
在本实施方式中，所述开关Q1、Q2均为一MOS管，并且所述开关Q1为PMOS管、开关Q2为NMOS管。具体的，所述开关Q1的漏极D1连接至前一相邻电荷泵电路30的输出端，开关Q1的栅极G1连接至MCU50的一控制引脚，开关Q1的源极S1连接至开关Q2的漏极D2以及后一相邻电荷泵电路30的输入端(即相邻电荷泵电路30的二极管D1的正极)。所述开关Q2的栅极G2也连接至MCU50的一控制引脚，开关Q2的源极S2接地。如此，当所述MCU50输出一信号至开关Q2的漏极G2时，将导通开关Q2而使得开关Q1的源极S1接地，此时，所述MCU50仅输出一较低的电位至开关Q1的栅极G1即可使得所述开关Q1截止，从而控制相串联的电荷泵电路30的级数(数量)。
所述MCU50与电荷泵芯片30、负载90建立通信连接，并且还通过其上设置的多个控制引脚(图未标)连接至每一开关组件70中的开关Q1与开关Q2，并可控制所述开关Q1、Q2的导通与截止。在本实施方式中，所述MCU50可获取负载90所需求的电压以及电荷泵芯片10的标准电压(即输入引脚Vin的电压值)，并依据该两数值计算需要串联至所述电荷泵芯片10的电荷泵电路30的级数，然后控制每一所述开关组件70中的开关Q1、Q2的导通状态，实现将所需数量的电荷泵电路30串联至电荷泵芯片10的输入引脚Vin，从而提供给负载90所需的电压值。并且，当所述负载90所需求的电压变化时，所述MCU50将重新计算并控制需要数量的电荷泵电路30串联至所述电荷泵芯片10的输入引脚Vin，以根据所述负载90的需求动态调整输出电压。
下面以该DC-DC转换器中包含四个电荷泵电路30、对应的设置三个开关组件70为例来说明该DC-DC转换器的电连接方式及工作原理。
DC-DC转换器的电连接方式如下：四个电荷泵电路30通过三个开关Q1依次连接(具体电连接方式参看前述开关组件70部分的描述)，并且连接后最前端的电荷泵电路30的输入端(即最前端的电荷泵电路30的二极管D1的正极)连接至电荷泵芯片10的输入引脚Vin，所述三个开关组件70中的开关Q1与Q2的栅极G1、G2均连接至MCU50的一控制引脚，并且每一电荷泵电路30的输出端分别连接至电荷泵芯片10的一电压反馈引脚output n(n＝1、2、3、4)。所述MCU50还与所述电荷泵芯片10以及所述负载90建立通信连接。同时，每一电荷泵电路30中的电容C1的一端接收高低电平信号LX。
该DC-DC转换器的工作原理如下，以Vin＝12V、LX为0-12V的高低电平信号、负载90需要37V的电压为例进行说明。具体地，所述MCU50根据电荷泵芯片10的输入引脚Vin电压值以及获取到的负载90需要的电压值确定需要串联的电荷泵电路30的级数，由于12*3<37<12*4，而电荷泵芯片10的输入引脚Vin输出12V，串联一级电荷泵电路30可以通过LX的12V电压以及电容C1、C2的储能增加12V，所以MCU 50计算可知，串联三级电荷泵电路30可以满足要求。因此，MCU50通过控制引脚输出信号以控制第一、第二开关组件70中的开关Q1导通、开关Q2截止、第三开关组件70中的开关Q1截止、开关Q2导通。由于第三开关组件70中的开关Q2导通而接地，使得所述MCU50仅输出一较小的电压至第三开关组件70中开关Q1的栅极G1即可截止该开关Q1，对应的阻断第四级电荷泵电路30串联至电荷泵芯片10的输入引脚Vin。三级所述电荷泵电路30相串联后连接至所述电荷泵芯片10的输入引脚后，各个电荷泵电路30输出的电压不断反馈至对应电荷泵芯片10的电压反馈引脚output n上。同时MCU50与电荷泵芯片10通信，控制电荷泵芯片10将第三电压反馈引脚(即串联后最末端的电荷泵电路30的输出端所连接的电压反馈引脚)output3反馈的电压(即串联了三级电荷泵电路30产生的48V电压)通过输出引脚IC output输出至所述负载90，即可满足所述负载90的37V的电压需求。当MCU50获知负载90需求的电压变化时，将重新计算并控制对应级数电荷泵电路30串联至所述电荷泵芯片10的输入引脚Vin。
本发明还提供一种具有上述DC-DC转换器的供电装置。
上述DC-DC转换器DC-DC转换器及供电装置，可根据所述负载90的电压需求动态地调整需要串联至所述电荷泵芯片10的输入端的电荷泵电路30的数量，以通过接入不同数量的电荷泵电路30来给所述负载提供不同的电压，从而满足所述负载90在不同时刻的电压需求，达到最佳效率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上对本发明实施例所提供的DC-DC转换器及具有所述DC-DC转换器的供电装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种DC-DC转换器，包括电荷泵芯片以及至少两个电荷泵电路，其特征在于，所述DC-DC转换器还包括微控制单元，所述电荷泵芯片连接至一负载、所述微控制单元以及每一电荷泵电路的输出端；所述电荷泵电路的输入端连接至所述电荷泵芯片，或者在所述微控制单元的控制下串联至相邻的电荷泵电路，每一所述电荷泵电路的输出端将输出的电压反馈至所述电荷泵芯片；所述微控制单元连接至所述负载，所述微控制单元动态地获取所述负载需求的电压，并根据所述负载需求的电压动态地控制对应数量的电荷泵电路相串联后连接至所述电荷泵芯片，以及控制所述电荷泵芯片将串联后的电荷泵电路中最后一级的电荷泵电路反馈的电压输出至所述负载。
2.如权利要求1所述的DC-DC转换器，其特征在于，所述电荷泵芯片包括输入引脚、若干个电压反馈引脚以及连接至所述负载的电压输出引脚，所述输入引脚为所述电荷泵芯片的输入端，所述输入引脚连接至相串联后的第一级电荷泵电路的输入端，每一电压反馈引脚分别连接至一个对应的电荷泵电路的输出端，用以将所述电荷泵电路输出的电压反馈至所述电荷泵芯片，所述电荷泵芯片在所述微控制单元的控制下将串联后最后一级的电荷泵电路反馈的电压通过所述电压输出引脚输出至所述负载。
3.如权利要求2所述的DC-DC转换器，其特征在于，所述电荷泵电路包括二极管D1、二极管D2以及电容C1、电容C2，所述二极管D1的正极为所述电荷泵电路的输入端，所述二极管D1的负极连接至所述二极管D2的正极，所述二极管D2的负极通过所述电容C2接地；所述电容C1的一端连接至一高低电平信号，另一端连接至所述二极管D1与所述二极管D2之间，所述电荷泵电路的输出端位于所述二极管D2的负极与所述电容C2之间。
4.如权利要求1至3任一项所述的DC-DC转换器，其特征在于，所述DC-DC转换器还包括连接至所述微控制单元的至少一个开关组件，每一所述开关组件设置于相邻的两级电荷泵电路之间并在所述微控制单元的控制下导通或截止，所述微控制单元通过控制该开关组件的导通状态来控制相邻两电荷泵电路的串联，从而控制串联至所述电荷泵芯片的输入端的电荷泵电路的数量。
5.如权利要求4所述的DC-DC转换器，其特征在于，所述开关组件包括开关Q1及开关Q2，所述开关Q1连接至相邻的两个所述电荷泵电路之间，并连接至所述微控制单元，并在所述微控制单元的控制下导通或截止而控制相邻的两个电荷泵电路之间串联；所述开关Q2连接至所述开关Q1与所述微控制单元，并在所述微控制单元的控制下配合所述微控制单元控制所述开关Q1的截止。
6.如权利要求5所述的DC-DC转换器，其特征在于，所述微控制单元上设置若干控制引脚，所述开关Q1为PMOS管，所述开关Q2为NMOS管，所述开关Q1的漏极D1连接至前一相邻电荷泵电路的输出端，所述开关Q1的栅极G1连接至所述微控制单元的一控制引脚，所述开关Q1的源极S1连接至所述开关Q2的漏极D2以及后一级相邻电荷泵电路的输入端，所述开关Q2的栅极G2连接至所述微控制单元的一控制引脚，所述开关Q2的源极S2接地。
7.一种供电装置，其特征在于，所述供电装置包括如权利要求1-6任一项所述的DC-DC转换器。
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