CN108233709A - 升压型dc－dc转换器及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

此升压型DC－DC转换器，具备：输入端子；输出端子；第1升压电路，根据向所述输入端子输入的输入电力，生成电压比所述输入电力的电压高的第1升压电力，并将生成的所述第1升压电力从所述输出端子输出；第2升压电路，根据所述输入电力生成电压比所述输入电力的电压高的第2升压电力；以及蓄电电容，将所述第2升压电力作为蓄电电力进行蓄电，并将蓄电的所述蓄电电力作为所述第1升压电路的动作电源向所述第1升压电路供给。所述第1升压电路在所述蓄电电力的电压成为所述第1升压电路的最低动作电压以上的情况下，将所述蓄电电力作为所述动作电源而开始升压动作。

Description

升压型DC－DC转换器及其使用方法
技术领域
本发明涉及升压型DC－DC转换器及其使用方法。
背景技术
一直以来，已知具备输入端子和输出端子的升压型DC－DC转换器（例如，参照日本特开2009－254110号公报）。
图3是现有的升压型DC－DC转换器300的概略电路图。在图3所示的例子中，升压型DC－DC转换器300的输出端子314经由负载400与接地端子连接。升压型DC－DC转换器300对从输入端子301输入的输入电力进行升压，并向负载400供给。
在图3所示的例子中，升压型DC－DC转换器300根据向输入端子301输入的输入电力，生成电压比输入电力的电压高的升压电力，并从输出端子314输出生成的升压电力。
升压型DC－DC转换器300具备：线圈302；N沟道型MOS晶体管305；二极管303；二极管304；二极管321；输出电容311；电阻312；电阻313；以及控制电路307。
线圈302的一个端子与输入端子301连接。N沟道型MOS晶体管305对从线圈302的另一个端子向接地端子流动的电流进行开关。二极管303对从线圈302的另一个端子输出的电流进行整流而输出升压电力。二极管303的N型端子与输出端子314连接。另外，二极管303的N型端子经由输出电容311与接地端子连接。另外，二极管303的N型端子经由电阻312及电阻313而与接地端子连接。另外，二极管303的N型端子经由二极管321而与控制电路307的电源端子309连接。
二极管304对从输入端子301输入的电流进行整流，将输入电力作为控制电路307的动作电源向控制电路307的电源端子309输出。另外，线圈302的另一个端子与N沟道型MOS晶体管305的漏极连接。
控制电路307具备开关信号输出端子308、电源端子309和反馈端子310。开关信号输出端子308将用于驱动N沟道型MOS晶体管305的开关信号向N沟道型MOS晶体管305的栅极输出。N沟道型MOS晶体管305的源极与接地端子连接。二极管303的N型端子经由电阻312与反馈端子310连接。控制电路307基于反馈端子310的输入控制N沟道型MOS晶体管305，从而控制升压电力。
在图3所示的例子中，若输入电力向输入端子301供给，则输入电力经由二极管304向控制电路307的电源端子309输入。控制电路307根据向电源端子309供给的输入电力开始动作。具体而言，控制电路307从开关信号输出端子308输出开关信号，对N沟道型MOS晶体管305进行开关。
若控制电路307使N沟道型MOS晶体管305导通，则电力积蓄在线圈302。若控制电路307使N沟道型MOS晶体管305截止，则积蓄在线圈302的电力经由二极管303向输出端子314输出。升压型DC－DC转换器300反复进行利用线圈302的电力积蓄和电力放电，从而生成升压电力，并从输出端子314输出升压电力。
在图3所示的例子中，若在输出端子314产生升压电力，则升压电力经由二极管321向控制电路307的电源端子309供给。因此，将输入电力作为动作电源而生成升压电力的控制电路307，将升压电力作为动作电源而生成升压电力。
输出端子314的电压被电阻312和电阻313分压，向控制电路307的反馈端子310输入。控制电路307以使反馈端子310的电压成为既定值的方式，控制N沟道型MOS晶体管305的开关。由此，控制电路307将输出端子314的电压控制在期望值。
在图3所示的例子中，通过设置二极管304，以使电压损耗较少的状态能够将输入电压利用于控制电路307的动作。因此，在图3所示的例子中，与没有设置二极管304的情况相比，能减少控制电路307的启动所需要的输入电压的值。另外，通过设置二极管321，在控制电路307启动后，能够将电压比输入电力高的升压电力作为控制电路307的动作电源利用。因此，能够提高电力转换能力。
此外，如上述的现有的升压型DC－DC转换器中，在输入电力的电压低于控制电路的最低动作电压的情况下，将不能启动控制电路，且不能开始升压动作。
另外，在输入电力的电压较低的情况下，升压电力的电压也会变低。即，电力转换量会变小。因而，在现有的升压型DC－DC转换器中，在消耗电力较大的负载连接到输出端子的情况下，利用电压较低的输入电力进行启动时，升压电力会小于负载的消耗电力，因此输出端子的电压不能上升到期望的电压，不能启动负载。
另外，在现有的升压型DC－DC转换器中，为了在使消耗电力较大的负载与输出端子连接的状态下，通过电压较低的输入电力启动负载，需要做成转换能力非常大的结构，会使升压型DC－DC转换器的整体大型化，还会使电力转换损耗增多。
本发明的目的在于提供即便在输入电力的电压较低的情况下也能开始升压动作的升压型DC－DC转换器及其使用方法。
发明内容
本发明为了解决上述课题而达成有关目的，采用以下的方式。
（1）即，本发明的一种方式是升压型DC－DC转换器，该升压型DC－DC转换器具备：输入端子；输出端子；第1升压电路，根据向所述输入端子输入的输入电力，生成电压比所述输入电力的电压高的第1升压电力，并将生成的所述第1升压电力从所述输出端子输出；第2升压电路，根据所述输入电力生成电压比所述输入电力的电压高的第2升压电力；以及蓄电电容，将所述第2升压电力作为蓄电电力进行蓄电，并将蓄电的所述蓄电电力作为所述第1升压电路的动作电源向所述第1升压电路供给，所述第1升压电路在所述蓄电电力的电压成为所述第1升压电路的最低动作电压以上的情况下，将所述蓄电电力作为所述动作电源而开始升压动作。
（2）在上述（1）所记载的升压型DC－DC转换器中，也可以采用以下结构：所述第1升压电路具备：线圈，其一个端子与所述输入端子连接；N沟道型MOS晶体管，对从所述线圈的另一个端子向接地端子流动的电流进行开关；第1整流单元，对从所述另一个端子输出的脉冲电流进行整流而输出所述第1升压电力；第2整流单元，与所述第1整流单元并联连接，对所述脉冲电流进行整流而输出第3升压电力；以及控制电路，被输入所述第3升压电力，通过控制所述N沟道型MOS晶体管来控制所述第1升压电力；所述第1升压电路在所述第3升压电力的电压成为所述最低动作电压以上的情况下，将所述第3升压电力作为所述动作电源而进行所述升压动作。
（3）本发明的另一种方式是如上述（1）或（2）所述的升压型DC－DC转换器的使用方法，从所述输出端子输出的所述第1升压电力驱动与所述输出端子连接的负载，所述第1升压电力为所述负载的消耗电力以上。
依据本发明的上述各方式，能够提供在输入电力的电压较低的情况下也能开始升压动作的升压型DC－DC转换器及其使用方法。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式所涉及的升压型DC－DC转换器的概略电路图。
图2是示出第1实施方式的升压型DC－DC转换器的动作波形的一个例子的图。
图3是现有的升压型DC－DC转换器的概略电路图。
具体实施方式
[第1实施方式]
以下，参照附图，对升压型DC－DC转换器100的第1实施方式进行说明。
图1是第1实施方式所涉及的升压型DC－DC转换器100的概略电路图。在图1所示的例子中，第1实施方式的升压型DC－DC转换器100的输出端子114与负载200连接。详细而言，输出端子114经由负载200与接地端子连接。负载200是指例如无线通信模块。在该情况下，升压型DC－DC转换器100将从输入端子101输入的输入电力进行升压，并向无线通信模块供给。在其他例子中，也可以将无线通信模块以外的负载200连接到升压型DC－DC转换器100的输出端子114。
第1实施方式的升压型DC－DC转换器100具备：第1升压电路100a；第2升压电路115；以及蓄电电容116。第1升压电路100a根据向输入端子101输入的输入电力，生成电压比输入电力的电压高的第1升压电力，并将生成的第1升压电力从输出端子114输出。第2升压电路115根据向输入端子101输入的输入电力，生成电压比输入电力的电压高的第2升压电力，并将生成的第2升压电力从第2升压电路115的输出端子120输出。蓄电电容116将通过第2升压电路115生成的第2升压电力作为蓄电电力进行蓄电。另外，蓄电电容116将蓄电的蓄电电力作为第1升压电路100a的控制电路107的动作电源而向第1升压电路100a的控制电路107的电源端子109供给。
在图1所示的例子中，第1升压电路100a具备：线圈102；N沟道型MOS晶体管105；作为第1整流单元发挥功能的二极管103；作为第2整流单元发挥功能的二极管104；平滑电容106；输出电容111；构成泄放电阻的电阻112及电阻113；以及控制电路107。
在图1所示的例子中，N沟道型MOS晶体管105适用于升压型DC－DC转换器100，但并不只限于该结构。在其他例子中，也可以取代N沟道型MOS晶体管105而将任意的开关元件（未图示）适用于升压型DC－DC转换器100。
在图1所示的例子中，线圈102的一个（图1的左侧）端子与输入端子101连接。N沟道型MOS晶体管105对从线圈102的另一个（图1的右侧）端子向接地端子流动的电流进行开关。二极管103对从线圈102的另一个端子输出的脉冲电流进行整流而输出第1升压电力。即，线圈102的另一个端子与二极管103的P型端子连接。二极管103的N型端子与输出端子114连接。另外，二极管103的N型端子经由输出电容111与接地端子连接。另外，二极管103的N型端子经由构成泄放电阻的电阻112及电阻113而与接地端子连接。
二极管104对于线圈102的另一个端子，以与二极管103呈并联的方式连接。另外，二极管104将对从线圈102的另一个端子输出的脉冲电流进行整流的第3升压电力，作为控制电路107的动作电源向控制电路107的电源端子109输出。即，线圈102的另一个端子与二极管104的P型端子连接。二极管104的N型端子与电源端子109连接。另外，二极管104的N型端子经由平滑电容106与接地端子连接。另外，线圈102的另一个端子与N沟道型MOS晶体管105的漏极连接。
在图1所示的例子中，控制电路107具备开关信号输出端子108、电源端子109和反馈端子110。开关信号输出端子108将用于驱动N沟道型MOS晶体管105的开关信号向N沟道型MOS晶体管105的栅极输出。即，N沟道型MOS晶体管105的栅极与开关信号输出端子108连接。N沟道型MOS晶体管105的源极与接地端子连接。二极管103的N型端子经由构成泄放电阻的一部分的电阻112而与反馈端子110连接。控制电路107基于反馈端子110的输入控制N沟道型MOS晶体管105，从而控制第1升压电力。
在图1所示的例子中，升压型DC－DC转换器100具备开关单元117。第2升压电路115具备输入端子118、开关信号输出端子119和输出端子120。第2升压电路115的输入端子118与输入端子101连接。输出端子120经由蓄电电容116与接地端子连接。另外，输出端子120经由开关单元117而与第1升压电路100a的控制电路107的电源端子109连接。即，二极管104的N型端子经由开关单元117及蓄电电容116而与接地端子连接。另外，二极管104的N型端子经由开关单元117而与第2升压电路115的输出端子120连接。第2升压电路115的开关信号输出端子119与开关单元117连接。开关信号输出端子119向开关单元117输出用于驱动开关单元117的开关信号。即，在图1所示的例子中，开关单元117为如例如N沟道型MOS晶体管等那样的开关元件。
作为第2升压电路115，能够使用例如加速电容器（flying capacitor）方式的升压电路、内置了升压用电容器的充电泵方式的升压电路等。
在第1实施方式的升压型DC－DC转换器100中，蓄电到蓄电电容116的蓄电电力的电压成为第1升压电路100a的最低动作电压以上的情况下，第1升压电路100a以蓄电电力为动作电源开始升压动作。
在图1所示的例子中，蓄电电力的电压成为第1升压电路100a的控制电路107的最低动作电压以上的情况下，第2升压电路115使开关单元117导通。其结果，蓄电电力供给到控制电路107，由此，控制电路107成为能够以蓄电电力为动作电源将N沟道型MOS晶体管105进行开关的状态。接着，控制电路107开始N沟道型MOS晶体管105的开关。即，第1升压电路100a开始升压动作。
另外，若从二极管104输出的第3升压电力的电压成为最低动作电压以上，则通过向控制电路107供给的第3升压电力，控制电路107成为能够将N沟道型MOS晶体管105进行开关的状态。即，在第3升压电力的电压成为最低动作电压以上的情况下，第1升压电路100a以第3升压电力为动作电源进行升压动作。
图2是示出第1实施方式的升压型DC－DC转换器的动作波形的一个例子的图。图2的横轴表示时刻。图2的（A）的纵轴表示输入端子101的电压。图2的（B）的纵轴表示控制电路107的电源端子109的电压。图2的（C）的纵轴表示输出端子114的电压。图2的（D）的纵轴表示通过蓄电电容116蓄电的蓄电电力的电压。图2的（E）的纵轴表示从第1升压电路100a的二极管104输出的第3升压电力的电压。
在图2所示的例子中，在时刻t1，输入电力供给到输入端子101，输入端子101的电压成为值V1。向输入端子101供给的输入电力被供给到第2升压电路115的输入端子118。第2升压电路115根据输入电力生成具有比输入电力的电压的值V1高的电压的值V4的第2升压电力。第2升压电路115将该第2升压电力向输出端子120输出。从输出端子120输出的第2升压电力，作为蓄电电力蓄电到蓄电电容116。因此，在时刻t1以后，蓄电电力的电压缓缓增加。第2升压电路115监视输出端子120的电压（即，蓄电到蓄电电容116的蓄电电力的电压）。
此外，在时刻t1，第1升压电路100a尚未开始升压动作。因此，第1升压电路100a生成的第1升压电力的值成为零。另外，从二极管104输出的第3升压电力的电压的值也成为零。
另外，在时刻t1中的、输出端子114的电压的值Vout1，比输入端子101的电压的值V1低二极管103中的正向电压降的量。
另外，在时刻t1中，第2升压电路115不使开关单元117导通。即，在时刻t1中，开关单元117处于截止状态。因此，通过第2升压电路115生成的第2升压电力，不会向控制电路107的电源端子109供给。其结果，控制电路107的电源端子109上的电压的值V2，比输入端子101的电压的值V1低二极管104中的正向电压降的量。
在图1及图2所示的例子中，二极管104中的正向电压降比二极管103中的正向电压降小。因此，时刻t1中的控制电路107的电源端子109的电压的值V2，比时刻t1中的输出端子114的电压的值Vout1高。
在图2所示的例子中，接着，在时刻t2，蓄电电力的电压达到第1升压电路100a的控制电路107的最低动作电压VT。即，在时刻t2，若假设蓄电电力向控制电路107的电源端子109供给，则控制电路107成为能够向N沟道型MOS晶体管105输出开关信号的状态。在图2所示的例子中，在时刻t2，蓄电电力还未向控制电路107的电源端子109供给。
在图2所示的例子中，接着，在时刻t3，蓄电电力的电压变得与通过第2升压电路115生成的第2升压电力的电压的值V4相等。值V4比最低动作电压VT高。
在时刻t3，第2升压电路115停止升压动作，使开关单元117导通。因此，蓄电电力经由开关单元117向控制电路107的电源端子109供给。其结果，控制电路107的电源端子109的电压变得比最低动作电压VT高。由此，成为控制电路107能够以蓄电电力为动作电源对N沟道型MOS晶体管105进行开关的状态。控制电路107的开关信号输出端子108向N沟道型MOS晶体管105的栅极输出用于驱动N沟道型MOS晶体管105的开关信号。
即，在图2所示的例子中，在时刻t3，控制电路107开始N沟道型MOS晶体管105的开关。
详细而言，若控制电路107使N沟道型MOS晶体管105导通，则电力积蓄在线圈102。若控制电路107使N沟道型MOS晶体管105截止，则积蓄在线圈102的电力经由二极管103向输出端子114输出。第1升压电路100a通过反复进行利用线圈102的电力积蓄和电力放电，生成第1升压电力。
即，在时刻t3，第1升压电路100a以蓄电电力为动作电源，开始生成第1升压电力的升压动作。因此，在时刻t3，第1升压电力会大于零。另外，第1升压电力经由二极管103向输出端子114输出。因此，输出端子114的电压从值Vout1增加到值Vout2。
输出端子114的电压被电阻112和电阻113分压，输入到控制电路107的反馈端子110。
在第1升压电路100a开始升压动作后（即、时刻t3以后），控制电路107以使反馈端子110的电压成为既定值的方式，控制N沟道型MOS晶体管105的开关。由此，控制电路107将输出端子114的电压控制在期望值Vout2。
在时刻t3以后，积蓄在线圈102的电力的一部分，作为第3升压电力从二极管104向控制电路107的电源端子109输出。电源端子109的电压的值V3大于最低动作电压VT。
因此，在时刻t3以后，控制电路107以第3升压电力为动作电源对N沟道型MOS晶体管105进行开关。即，第1升压电路100a以第3升压电力为动作电源进行生成第1升压电力的升压动作。
如上述，在时刻t3以后，第1升压电路100a以第3升压电力为动作电源进行生成第1升压电力的升压动作。因而，变得不需要第2升压电力。因此，在图2所示的例子中，在时刻t3以后，第2升压电路115不会生成第2升压电力。
开关单元117被维持在导通。因此，蓄电电力的电压的值会与电源端子109的电压的值V3相等。
另外，在图1及图2所示的例子中，如上述，二极管104中的正向电压降小于二极管103中的正向电压降。因此，时刻t3以后的控制电路107的电源端子109的电压的值V3高于时刻t3以后的输出端子114的电压的值Vout2。
如上述，在第1实施方式的升压型DC－DC转换器100中，蓄电电力的电压成为第1升压电路100a的最低动作电压VT以上的情况下，第1升压电路100a以蓄电电力为动作电源开始升压动作。因此，在输入电力的电压较低的情况下也能开始第1升压电路100a的升压动作。另外，与未设置蓄电电容116的情况相比，能够更低地抑制第2升压电路115所要求的升压能力。
另外，如上述，在图2所示的例子中，时刻t3以后，第2升压电路115不会生成第2升压电力。因此，能够排除在第3升压电力的电压成为最低动作电压VT以上的值V3的时刻t3以后控制第2升压电路115的必要性。
如上所述，在图1所示的例子中，升压型DC－DC转换器100的输出端子114与负载200连接。即，从输出端子114输出的第1升压电力驱动负载200。在图2所示的例子中，在时刻t3以后，第1升压电力成为负载200的消耗电力以上的值。
在图2所示的例子中，在输入电力的电压较低的情况下，第1升压电路100a也能将电压比输入电力的电压高的蓄电电力作为动作电源而开始升压动作。另外，升压动作开始时（时刻t3）的第1升压电力（转换电力）大于负载200的消耗电力。即，升压型DC－DC转换器100通过电压比最低动作电压VT低的输入电力的输入，输出大于负载200的消耗电力的第1升压电力（转换电力）。另外，升压型DC－DC转换器100为小型且转换损耗少。
需要第2升压电路115为最低动作电压低于第1升压电路100a、且输入电压低也能升压的电路，但是电力转换能力可以小于第1升压电路100a。因此，能够将第2升压电路115小型化。
在图3所示的现有例中，控制电路307将电压下降了二极管303及二极管321中的正向电压降的量的升压电力作为动作电源，进行N沟道型MOS晶体管305的开关。另一方面，在图1所示的第1实施方式的例子中，控制电路107将电压仅下降二极管104中的正向电压降的量的第3升压电力作为动作电源，进行N沟道型MOS晶体管105的开关。因此，在图1所示的第1实施方式的例子中，与图3所示的现有例相比，第1升压电力（转换电力）能够采用较小的结构，为小型且能够减少转换损耗。
在图2所示的例子中，通过第2升压电路115生成的第2升压电力，被蓄电到蓄电电容116。另外，在蓄电到蓄电电容116的蓄电电力的电压成为第1升压电路100a的最低动作电压VT以上的情况下，控制电路107以蓄电电力为动作电源，开始利用第1升压电路100a进行的升压动作。因此，在图2所示的第1实施方式的例子中，无需如图3所示的现有例那样，以升压电力为动作电源而驱动控制电路。即，在图2所示的第1实施方式的例子中，即便第2升压电路115的升压能力较低，通过在蓄电上花费时间，也能够驱动控制电路107。因此，能够将第2升压电路115小型化。
在图1所示的例子中，作为第1整流单元采用二极管103，作为第2整流单元采用二极管104，但并不只限于该结构。在其他例子中，也可以取代二极管而采用具有整流功能的其他任意的元件、电路等。
[第2实施方式]
第2实施方式的升压型DC－DC转换器100除了后述的方面以外，与上述的第1实施方式的升压型DC－DC转换器100同样地构成。因而，依据第2实施方式的升压型DC－DC转换器100，能够起到与第1实施方式的升压型DC－DC转换器100同样的效果。
如图1所示，上述第1实施方式的升压型DC－DC转换器100的第1升压电路100a为升压斩波型的电压转换电路。另一方面，第2实施方式的升压型DC－DC转换器100中，作为第1升压电路100a，能采用例如充电泵型的电压转换电路等那样的其他任意的电压转换电路（未图示）。
以上，说明了本发明的各实施方式及其变形，但是这些实施方式及其变形，是作为例子而提示的内容，并未打算限定发明的范围。这些实施方式及其变形可用其他的各种方式实施，在不脱离发明的要点的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形被包括在发明的范围或要点，同时还被包括在权利要求书所记载的发明和与之均等的范围。另外，上述的各实施方式及其变形能够互相适当地组合。

Claims (3)

1.一种升压型DC－DC转换器，具备：
输入端子；
输出端子；
第1升压电路，根据向所述输入端子输入的输入电力，生成电压比所述输入电力的电压高的第1升压电力，并将生成的所述第1升压电力从所述输出端子输出；
第2升压电路，根据所述输入电力生成电压比所述输入电力的电压高的第2升压电力；以及
蓄电电容，将所述第2升压电力作为蓄电电力进行蓄电，并将蓄电的所述蓄电电力作为所述第1升压电路的动作电源向所述第1升压电路供给，
所述第1升压电路在所述蓄电电力的电压成为所述第1升压电路的最低动作电压以上的情况下，将所述蓄电电力作为所述动作电源而开始升压动作。
2.如权利要求1所述的升压型DC－DC转换器，其中，
所述第1升压电路具备：
线圈，其一个端子与所述输入端子连接；
N沟道型MOS晶体管，对从所述线圈的另一个端子向接地端子流动的电流进行开关；
第1整流单元，对从所述另一个端子输出的脉冲电流进行整流而输出所述第1升压电力；
第2整流单元，与所述第1整流单元并联连接，对所述脉冲电流进行整流而输出第3升压电力；以及
控制电路，被输入所述第3升压电力，通过控制所述N沟道型MOS晶体管来控制所述第1升压电力，
所述第1升压电路在所述第3升压电力的电压成为所述最低动作电压以上的情况下，将所述第3升压电力作为所述动作电源而进行所述升压动作。
3.一种升压型DC－DC转换器的使用方法，是如权利要求1或权利要求2所述的升压型DC－DC转换器的使用方法，
从所述输出端子输出的所述第1升压电力驱动与所述输出端子连接的负载，
所述第1升压电力为所述负载的消耗电力以上。
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