CN106357108B - 直流升压高压输出电路及直流升压电源 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种直流升压高压输出电路及直流升压电源，包括：电感模块，输入端接收电源输入信号，用以在其输出端为低时将电能转换并存储为磁场能，在输出端为高时将存储的磁场能转换为电能，并与电源输入信号的电能叠加而输出叠加信号；二极管模块，在电感模块的输出端为高时传输叠加信号；电压输出模块，用以根据叠加信号而输出升压信号；电压反馈电路，采集并根据升压信号生成反馈信号；升压变换控制模块，在反馈信号超过预设阈值电压时，控制电感模块的输出端为低，否则控制电感模块的输出端为高。达到直流升压且高压输出的目的，且成本低。

Description

直流升压高压输出电路及直流升压电源

技术领域

本发明涉及电源技术，尤其涉及的是一种直流升压高压输出电路及直流升压电源。

背景技术

DC-DC(直流升压变换器)，被广泛用于电力电子、军工、科研、工控设备、通讯设备、仪器仪表、交换设备、接入设备、移动通讯、路由器等通信领域和工业控制、汽车电子、航空航天等领域，尤其近几年由于数据业务的飞速发展和分布式供电系统的不断推广，电源模块的增幅已经超出了一次电源。随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用，直流升压电源有了特殊的应用场合领域，有了直流高压输出的需求。现有的直流升压电路很难达到高压输出，并且设计电路成本高，存在一定的瓶颈。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种直流升压高压输出电路及直流升压电源，达到直流升压且高压输出的目的，且成本低。

为解决上述问题，本发明提出一种直流升压高压输出电路，包括：

电感模块，输入端接收电源输入信号，用以在其输出端变换或保持为低时将电能转换并存储为磁场能，在输出端变换或保持为高时将存储的磁场能转换为电能，并与电源输入信号的电能叠加而输出叠加信号；

二极管模块，其正极端连接所述电感模块的输出端，用以在电感模块的输出端为高时传输叠加信号；

电压输出模块，用以根据所述叠加信号而输出升压信号；

电压反馈电路，连接所述电压输出模块，采集并根据所述升压信号生成反馈信号；

升压变换控制模块，连接所述电压反馈电路和所述电感模块，在反馈信号超过预设阈值电压时，控制所述电感模块的输出端变换或保持为低，否则控制所述电感模块的输出端变换或保持为高。

根据本发明的一个实施例，所述升压变换控制模块包括直流升压变换模块，所述直流升压变换模块包括：

比较器，其一输入端连接所述电压反馈电路的反馈信号输出端，其另一输入端配置所述预设阈值电压，其输出端在反馈信号超过预设阈值电压时输出导通信号，否则输出关断信号；

开关管，其控制端连接所述比较器的输出端，另外两端中的一端接地，另一端连接所述电感模块的输出端，在导通信号控制下，所述另外两端导通以使所述电感模块的输出端接地，在关断信号的控制下，所述另外两端截止以使电感模块的输出端与地断开。

根据本发明的一个实施例，所述直流升压变换模块采用直流升压变换器芯片，其开关管脚连接所述电感模块的输出端，其反馈管脚连接所述电压反馈电路的反馈信号输出端，其接地管脚接地，其电源输入脚接收所述电源输入信号。

根据本发明的一个实施例，所述升压变换控制模块还包括升压模块，所述升压模块包括：

NMOS晶体管，其栅极接收所述电源输入电压，其源极连接所述开关管的所述另一端，其漏极连接所述电感模块的输出端，在栅极与源极的电压差大于其导通阈值电压时，NMOS晶体管导通，以使电感模块的输出端接地。

根据本发明的一个实施例，所述升压变换控制模块还包括：

电压钳位模块，连接所述NMOS晶体管的源极，用以在所述NMOS晶体管导通时起到电压钳位的作用。

根据本发明的一个实施例，所述直流升压变换模块采用直流升压变换器芯片，其开关管脚连接所述NMOS晶体管的源极，其反馈管脚连接所述电压反馈电路的反馈信号输出端，其接地管脚接地，其电源输入脚接收所述电源输入信号。

根据本发明的一个实施例，所述电压反馈电路为一电阻采样电路，连接在所述电压输出模块和地之间，其反馈信号输出端输出所述反馈信号。

根据本发明的一个实施例，还包括存能滤波电容，连接在所述二极管模块的负极端和地之间，用以在所述二极管模块导通时存能，而在所述二极管模块截止时供能。

根据本发明的一个实施例，还包括：

电源输入模块，用以直接提供所述电源输入信号；

或，电源输入接口模块，用以连接外部电源而提供电源输入信号。

本发明还提供一种直流升压电源，包括前述实施例中任意一项所述的直流升压高压输出电路。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：通过电压反馈电路将电压输出模块输出的电压信息反馈给升压变换控制模块，根据输出的升压信号的变化情况来控制电感模块的储能与放能叠加，在升压信号的电压值够高时，升压变换控制模块根据反馈信号控制电感模块将磁场能转换为电场能，在升压信号的电压值不够高时，电感模块存储的这个能量在和电源输入信号叠加后，通过二极管模块和电压输出模块后得到平滑的直流电压，可提供给负载，由于这个直流电压是输入电源电压和电感的磁砀能转换为电能的叠加后形成的，所以输出电压更高，扩大电压输出范围，具有高压输出能力；降低研发成本；适用于各种电子相关产品，如仪器仪表、工业控制、医疗仪器等行业，在各种直流升压电路中，特别是高压输出方面，应用广泛。

附图说明

图1为本发明一实施例的直流升压高压输出电路的结构框图；

图2为本发明另一实施例的直流升压高压输出电路的结构框图；

图3为本发明一实施例的直流升压高压输出电路的电路结构示意图。

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，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

参看图1-3，本发明实施例的直流升压高压输出电路，包括：电感模块2，二极管模块3，电压输出模块4，电压反馈电路5和升压变换控制模块6。

电感模块2的输入端接收电源输入信号，在电感模块2的输出端变换或保持为低时将电能转换并存储为磁场能，在电感模块2的输出端变换或保持高时将存储的磁场能转换为电能，并与电源输入信号的电能叠加而输出叠加信号。其中，高与低是相对来说的，在一个实施例中，低可以指接地，电感模块2的输出信号流入地中，而高则是与地断开，信号流至二极管模块3中。

电感模块2可以仅为一个电感，电感的两端可以任意选择作为输入端或输出端，或者电感模块2也可以是由不止一个电感连接起来的结构，连接方式可以是串联、并联或两者都有，或者也可以增加其他元件进去，均不作为限制，从成本考虑，电感模块2仅为一个电感即可。

二极管模块3的正极端连接电感模块2的输出端，二极管模块3的负极端连接电压输出模块4。二极管模块3可以为一肖特基二极管，但不限制于此，其他可以实现正向导通，反向截止的元件或电路也可。在电感模块2的输出端为低时，二极管模块3反向偏置，起到隔离作用，具体可是电感模块2的输出接地时，二极管的正极电压比负极电压低，此时二极管反偏截止。在电感模块3的输出端为高时，即可以是与地断开时，二极管模块3正向导通，在将叠加信号输出给电压输出模块4，叠加后的能量可以直接通过二极管模块3向负载供电。

二极管模块3反偏截止状态下，电感模块2的储能过程不会影响电压输出模块4对负载的正常供电，电压输出模块4处可以设置储能电容，从而在二极管模块3截止时，释放电能供电。二极管模块3正向导通状态下，电压输出模块4接收叠加信号，并根据叠加信号而输出升压信号。

电压反馈电路5连接电压输出模块4，采集并根据升压信号生成反馈信号，升压信号和反馈信号可以是呈比例关系，反馈信号能够反映升压信号即可。升压变换控制模块6连接电压反馈电路5和电感模块2，升压变换控制模块6将反馈信号与内部预设阈值电压进行比较，在反馈信号超过预设阈值电压时，控制电感模块2的输出端变换或保持为低，具体可以是接地，当然不限于此，也可以是将输出端电压下拉一定值，否则控制电感模块2的输出端变换或保持为高，变换为高是指从低到高，而若原本是高则保持为高。从而电感模块2在升压变换控制模块6的控制下，在升压信号不低于一定值时，控制电感模块2进行储能，而在升压信号低于一定值时，控制电感模块2进行能量叠加输出，实现升压，可以提高输出电压的值，且扩大输出电压的范围。

可选的，直流升压高压输出电路还可以包括：提供电源输入信号的模块。其可以为电源输入模块1，用以直接提供所述电源输入信号；或，电源输入接口模块，用以连接外部电源而提供电源输入信号。

在一个实施例中，参看图1，升压变换控制模块6包括直流升压变换模块61。直流升压变换模块61可以包括：比较器和开关管，当然不限于此，还可以包括其他元件、电路模块等。升压变换控制模块6可以采用集成在芯片中的相应电路结构实现，或者也可以采用分立元器件搭建而成。

比较器的一输入端连接电压反馈电路5的反馈信号输出端，比较器的另一输入端配置(可以输入或预设)预设阈值电压，经比较器对两个值的比较，比较器的输出端在反馈信号超过预设阈值电压时输出导通信号，否则输出关断信号。导通信号可以为高电平，关断信号相应为低电平，当然也可以反之，具体可以根据开关管的类型而定。

开关管的控制端连接比较器的输出端，另外两端中的一端接地，另一端连接所述电感模块2的输出端，在导通信号控制下，所述另外两端导通以使所述电感模块2的输出端接地(该接地是指电压变为地电平)，在关断信号的控制下，所述另外两端截止以使电感模块2的输出端与地断开。开关管例如可以是MOS晶体管，但不作为限制，也可以是其他类型的开关管，可以受控后截止、导通功能即可。

在整个电路工作时，电压输出模块4将升压信号输出给电压反馈模块5，电压反馈模块5再将其反馈给直流升压变换模块61，直流升压变换模块6的比较器会比较电压反馈模块5提供的电压信号与预设阈值电压V1。电压输出模块4输出的电压较高，则反馈给直流升压变换模块61的电压也较高，直流升压变换模块61的比较器比较后，将大于比较器的预设阈值电压V1，然后就会将直流升压变换模块61的MOS管(开关管)导通，由于MOS管是导通的，且源极接地，则MOS管的漏极和源极导通，漏极D1也接地。此时，电感模块2也相应接地，实现储能。而若电压输出模块4的电压慢慢变低，直至比较器输出信号翻转，则MOS管相应截止，电感模块与地断开，实现叠加输出至二极管模块3，完成升压输出。

较佳的，直流升压变换模块61采用直流升压变换器芯片，优选型号为LT1946，但不作为限制。直流升压变换器芯片的开关管脚SW连接电感模块2的输出端，直流升压变换器芯片的反馈管脚FB连接电压反馈电路5的反馈信号输出端，直流升压变换器芯片接地管GND脚接地，直流升压变换器芯片的电源输入脚接收电源输入信号。

直流升压变换器芯片内置有比较器和MOS管，电压输出模块4的电压信号较高，反馈给直流升压变换器芯片的电压也较高，通过直流升压变换器芯片的内部比较器比较后，大于比较器的预设阈值电压V1，然后就会将直流升压变换器芯片的内置MOS管导通，否则将其关断，从而电感模块2的信号相应变化，具体参看前述内容。

在另一个实施例中，参看图2，升压变换控制模块6除直流升压变换模块61外，还包括升压模块62。具体的，升压模块62可以包括：NMOS晶体管。NMOS晶体管的栅极接收电源输入电压，其源极连接开关管的另一端，其漏极连接所述电感模块2的输出端，在栅极与源极的电压差大于NMOS晶体管的导通阈值电压时，NMOS晶体管导通，以使电感模块2的输出端接地。在本实施例中，电源输入信号给三个模块，分别是电感模块2、升压模块62、直流升压变换模块61。

较佳的，升压变换控制模块6还可以包括：电压钳位模块63。电压钳位模块63连接NMOS晶体管的源极，在NMOS晶体管导通时起到电压钳位的作用。如图3，电压钳位模块63可以是一个单向导电的二极管D6，在升压模块62的NMOS管断开时，二极管D6不工作，当升压模块的NMOS管导通时，二极管D6本身具有单向导电性，在此具有二极管钳位作用，使得波形下降沿变得更加的陡峭，从而提升电源的转换效率。

优选的，直流升压变换模块61采用直流升压变换器芯片，工作原理可以参看前述相应内容。直流升压变换器芯片的开关管脚SW连接NMOS晶体管的源极，直流升压变换器芯片的反馈管脚连接电压反馈电路5的反馈信号输出端，直流升压变换器芯片的接地管脚接地，直流升压变换器芯片的电源输入脚接收所述电源输入信号。NMOS晶体管在栅极与源极的电压差大于其导通阈值电压时，NMOS晶体管导通，直流升压变换器芯片的内部MOS管的漏极与源极是导通的，也就是说升压模块62的NMOS晶体管的漏极也是连接到地的，从而电感模块2的输出端接地，进行储能；否则断开，电感模块2叠加输出。

可选的，电压反馈电路5为一电阻采样电路，连接在电压输出模块4和地之间，电阻采样电路的反馈信号输出端输出反馈信号。具体的，电阻采样电路可以为两个电阻构成的分压电路，两端分别连接电压输出模块4的升压信号输出端和地之间，中间分压端作为反馈信号输出端输出反馈信号，当然不以此为限，还可以有其他的变换形式或其他方式实现电压采集反馈。

较佳的，电压输出模块4上还可以包括存能滤波电容。存能滤波电容连接在二极管模块3的负极端和地之间，在二极管模块3导通时存能，而在二极管模块3截止时向外界负载供能。

由于升压模块62的NMOS管的栅极是连接电源输入信号的，设V2是升压模块62的NMOS管的导通阈值电压，Vgs是升压模块62的NMOS管的栅极与源极的差值电压。当Vgs的电压大于V2，则NMOS管会打开，然后NMOS管的漏极也就与源极导通，使得漏极电压也连接到地，而当升压模块62的NMOS管的漏极电压连接到地后，电感模块2就会接地而存储能量，将电能转换为磁场能存储起来，二极管模块3由于是单向导电性，且二极管模块3的正极此时也接地，使得二极管模块3无法导通，电源输入信号或叠加信号无法通过二极管模块3输出给电压输出模块4，此时，存能滤波电容会给外界持续提供能量，电压输出模块4的输出电压会缓慢的下降。

随着时间流逝，存能滤波电容能量越来越小，电压输出模块4输出的电压逐渐的降低，电压反馈模块5持续将电压输出模块4的电压反馈给直流升压变换模块61，直流升压变换器芯片内置的比较器的预设阈值电压是V1，当反馈信号小于(根据开关管的类型不同，反馈信号也可以大于某一值时才执行后面结果)V1时，直流升压变换器芯片的内部MOS管会断开，使得MOS管的漏极和源极断开，漏极不再接地，升压模块62的NMOS管的栅极与直流升压变换器芯片的内部MOS管的漏极是连通的，导致升压模块62的Vgs小于导通阈值电压V2，升压模块62的NMOS管断开，不再导通，使得升压模块62的MOS管的漏极和栅极断开，此时，电感模块2的一端不再连接地，二极管模块3的正极电压大于负极电压，且这个正极电压是输入电源电压和电感模块的磁砀能转换为电能后叠加形成的，所以输出电压高于输入电压，持续提供能量，使得电压输出模块4的电压信号又会缓慢的上升。

在一个具体的实施例中，参看图3，其中，图1中各个模块与图3中原理图的对应关系如下：电源输入模块1对应原理图的电源网络Vi，电感模块2对应原理图的电感L1，二极管模块3对应原理图的二极管D5，升压模块62对应原理图MOS管Q1，直流升压变换模块61对应原理图芯片U1，电压钳位模块63对应原理图的二极管D6，电压反馈模块5对应原理图的电阻R1、R2，电压输出模块4对应原理图电源网络Vo、存能滤波电容C1。

更具体的，可以设定如下：

(1)输入电源Vi＝5V，输出电压Vo＝80V；

(2)升压模块62的NMOS管是Q1，且阈值电压是V2＝2.7V，

直流升压变换模块61的内部比较器的预设阈值电压V1＝1.2V，升压模块62的内部MOS管的栅极电压Vg2，源极电压Vs2，漏极电压Vd2，升压模块62的MOS管的栅漏极电压是Vgs2＝Vg2-Vs2；升压模块62的MOS管的漏源极电压是Vds2＝Vd2-Vs2，升压模块62的内部MOS管型号是BSS123，它的最大Vds值是100V；

(3)直流升压变换模块61内部的MOS管的栅极电压Vg1，源极电压Vs1，漏极电压Vd1，直流升压变换模块61的MOS管的栅漏极电压是Vgs1＝Vg1-Vs1；直流升压变换模块61的MOS管的漏源极电压是Vds1＝Vd1-Vs1，直流升压变换模块61的内部芯片型号是LT1946，它的最大输出电压是34V，即，它的内部MOS管最大Vds1＝34V。

在以上设定条件下，整个电路工作情况如下：

情况1，在直流升压变换模块61内部MOS管断开时，升压模块62的NMOS管Q1也断开漏极D2与源极S2，由于Vg2＝5V，Vs2＝5V，Vgs2＝Vg2-Vs2＝0V，Vds2不导通，Vds2＝Vd2-Vs2＝80V–5V＝75V，而MOS管BSS123的Vds最大值是100V，Vds>Vds2，NMOS管BSS123不会被烧坏，可以稳定工作，另外，直流升压变换模块61内部MOS管的Vd1＝5V，Vs1＝0V，则Vds1＝Vd1，Vs1＝5V，0V＝5V，而直流升压变换模块61内部MOS管的Vds>Vds1＝5V，在MOS管的耐压范围内，不会造成直流升压变换模块61内部MOS管被烧坏，最后输出稳定的高压80V；

情况2，在直流升压变换模块61内部MOS管导通时，升压模块62的NMOS管也导通，升压模块62的NMOS管的漏极D2和源极S2导通，由于Vg2＝5V，Vs2＝0V，Vgs2＝Vg2-Vs2＝5V，而升压模块62的NMOS管阈值电压Vgs＝1.7V，此时，Vgs2>Vgs，大于阈值电压，NMOS管导通，而直流升压变换模块61的内部MOS管的漏极D1和源极S1也是导通的，故Vd2＝Vs2＝Vd1＝Vs1＝0V，此时，电感一端也是0V，电感将电能转换为磁场能储存起来。

在图2中没有升压模块，该直流升压变换器芯片LT1946的最大输出是34V，如果要使得LT1946升压到80V，则会超过芯片LT1946内部MOS管的Vds1电压34V，最后造成芯片烧坏，因而设置升压模块可以实现升压，扩大输出电压的范围。

本发明还提供一种直流升压电源，包括前述实施例中任意一项所述的直流升压高压输出电路。直流升压电源的其他部件或结构可以是现有的，只要其采用本发明实施例的直流升压高压输出电路便应当理解为落入本发明的保护范围，关于直流升压高压输出电路的具体内容可以参看前述实施例中的描述，在此不再赘述。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种直流升压高压输出电路，其特征在于，包括：

电感模块，输入端接收电源输入信号，用以在其输出端变换或保持为低时将电能转换并存储为磁场能，在输出端变换或保持为高时将存储的磁场能转换为电能，并与电源输入信号的电能叠加而输出叠加信号；

二极管模块，其正极端连接所述电感模块的输出端，用以在电感模块的输出端为高时传输叠加信号；

电压输出模块，用以根据所述叠加信号而输出升压信号；

电压反馈电路，连接所述电压输出模块，采集并根据所述升压信号生成反馈信号；

升压变换控制模块，连接所述电压反馈电路和所述电感模块，在反馈信号超过预设阈值电压时，控制所述电感模块的输出端变换或保持为低，否则控制所述电感模块的输出端变换或保持为高；

具体 的，所述升压变换控制模块包括直流升压变换模块和升压模块；

所述直流升压变换模块包括：比较器和开关管，所述升压模块包括NMOS晶体管；

所述比较器的输入端连接所述电压反馈电路的反馈信号输出端，所述比较器的另一输入端配置所述预设阈值电压，其输出端在反馈信号超过预设阈值电压时输出导通信号，否则输出关断信号；

所述开关管的控制端连接所述比较器的输出端，另外两端中的一端接地，另一端连接所述NMOS晶体管的源极，所述NMOS晶体管的栅极接收所述电源输入电压，所述NMOS晶体管的漏极连接所述电感模块的输出端，在所述NMOS晶体管的栅极与源极的电压差大于其导通阈值电压时，NMOS晶体管导通；

在所述开关管和所述NMOS晶体管均导通的情况下，所述电感模块的输出端接地，在所述开关管和所述NMOS晶体管均关断的情况下，所述电感模块的输出端与地断开。

2.如权利要求1所述的直流升压高压输出电路，其特征在于，所述升压变换控制模块还包括：

电压钳位模块，连接所述NMOS晶体管的源极，用以在所述NMOS晶体管导通时起到电压钳位的作用。

3.如权利要求1所述的直流升压高压输出电路，其特征在于，所述直流升压变换模块采用直流升压变换器芯片，其开关管脚SW连接所述NMOS晶体管的源极，其反馈管脚连接所述电压反馈电路的反馈信号输出端，其接地管脚接地，其电源输入脚接收所述电源输入信号。

4.如权利要求1所述的直流升压高压输出电路，其特征在于，所述电压反馈电路为一电阻采样电路，连接在所述电压输出模块和地之间，其反馈信号输出端输出所述反馈信号。

5.如权利要求1所述的直流升压高压输出电路，其特征在于，还包括存能滤波电容，连接在所述二极管模块的负极端和地之间，用以在所述二极管模块导通时存能，而在所述二极管模块截止时供能。

6.如权利要求1所述的直流升压高压输出电路，其特征在于，还包括：

电源输入模块，用以直接提供所述电源输入信号；

或，电源输入接口模块，用以连接外部电源而提供电源输入信号。

7.一种直流升压电源，其特征在于，包括如权利要求1-6中任意一项所述的直流升压高压输出电路。