CN108880234B - 一种电荷泵 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微电流供电系统技术领域，尤其是指一种电荷泵，包括电容C2、电容C3、电容C5、控制模块、多谐振荡器、串联模块和并联模块，本发明通过多谐振荡器先在前半周期通过控制模块控制串联模块导通，以使得电容C2、电容C3和电容C5串联并由外接高压电充电，再通过多谐振荡器在后半周期通过控制模块控制并联模块，以使得电容C2、电容C3和电容C5并联并对外放电，从而实现了在多谐振荡器一个工作周期内把高压电转换为低压电的效果，从而降低了待机时间。
Description
技术领域
本发明涉及微电流供电系统技术领域，尤其是指一种电荷泵。
背景技术
目前在移动电源、平衡车等领域，为单片机、检测电路等小电流供电的方案目前只有一种：线性稳压芯片(简称LDO)。但LDO的缺点非常明显，输入与输出电流相等，当输入电压(比如15V)与输出电压(比如5V)落差过大时，这种能耗将对整机的待机时间影响非常大，即会使得整机的待机时间延长。
发明内容
本发明针对现有技术的问题提供一种电荷泵，能够在一个周期内即可完成把高压电转为低压电进行输出，从而降低了待机时间。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供的一种电荷泵，包括电容C2、电容C3、电容C5、控制模块、多谐振荡器、串联模块和并联模块；
所述电容C2、电容C3以及电容C5组成有串联支路；所述电容C2、电容C3以及电容C5组成有并联支路；
所述串联模块用于控制串联支路的导通与断开；所述并联模块用于控制并联支路的导通与断开；
高压电源通过串联支路给多谐振荡器供电；
所述电容C5通过并联模块给多谐振荡器供电；
在多谐振荡器工作的一周期内，所述多谐振荡器在前半周期通过控制模块控制串联模块工作；所述多谐振荡器在后半周期通过控制模块控制并联模块工作。
进一步的，串联模块包括电容C1、开关管Q1、开关管Q3和开关管Q4，开关管Q1的控制端、开关管Q2的控制端、开关管Q3的控制端和电容C1的一端均连接于控制模块，开关管Q1的输入端、电容C1的一端均用于外接高压电源，电容C1的另一端接地；电容C2设置于开关管Q1的输出端和开关管Q3的输入端之间，电容C3设置于开关管Q3的输出端和开关管Q4的输入端之间，电容C5的一端连接于开关管Q4的输出端，电容C5的另一端接地；电容C5的所述一端连接于多谐振荡器。
更进一步的，所述电荷泵还包括电阻R1-R3，电阻R1的一端用于外接高压电源，电阻R1的另一端连接于开关管Q1的输入端；电容C1的所述一端经电阻R2连接于电阻R1的所述另一端，电阻R3的一端连接于电阻R1的所述另一端，并联模块的输入端连接于电阻R3的另一端。
更进一步的，所述控制模块包括电阻R5，电阻R5的一端连接于控制模块，开关管Q1的控制端、开关管Q3的控制端和开关管Q4的控制端均连接于电阻R5的另一端。
进一步的，并联模块包括开关管Q2、开关管Q5、开关管Q8和开关管Q9，开关管Q2的输入端连接于电容C2之间的用于外接高压电源的一端，开关管Q2的输出端连接于多谐振荡器；开关管Q5的输入端连接于电容C2和电容C3之间，开关管Q5的输出端连接于多谐振荡器；开关管Q8的输入端连接于电容C5和电容C3之间，开关管Q8的输出端接地；开关管Q9的输入端连接于开关管Q3和电容C2之间，开关管Q9的输出端接地；开关管Q2的控制端、开关管Q5的控制端、开关管Q8的控制端和开关管Q9的控制端均连接于控制模块。
更进一步的，所述控制模块包括电阻R6，电阻R6的一端连接于控制模块，开关管Q2的控制端、开关管Q5的控制端均连接于电阻R6的另一端。
进一步的，多谐振荡器包括电容C6、电容C7、开关管Q10和开关管Q11，电容C6的一端连接于开关管Q10的控制端，开关管Q10的控制端还连接于电容C5；电容C6的另一端连接于控制模块，开关管Q10的输入端连接于控制模块，开关管Q10的输出端接地；电容C7的一端连接于开关管Q11的控制端，电容C7的另一端连接于电容C5，开关管Q11的输入端连接于控制模块，开关管Q11的输出端接地，开关管Q11的控制端还连接于电容C5。
更进一步的，电容C5和开关管Q10的输入端之间设置有电阻R7，电容C5和开关管Q10的控制端之间设置有电阻R9，电容C5和开关管Q11的输入端之间设置有电阻R9，电容C5和开关管Q11的控制端之间设置有电阻R10。
进一步的，所述电荷泵还包括电容C4和二极管D1，电容C4的一端连接于二极管D1的负极，电容C4的另一端接地；二极管D1的正极连接于电容C3和电容C5之间，二极管D1的负极还连接于多谐振荡器。
进一步的，控制模块包括开关管Q6和开关管Q7，开关管Q6的控制管和开关管Q7的控制端均连接于多谐振荡器，开关管Q6用于控制串联模块的通断；开关管Q7用于控制串联模块的通断。
本发明的有益效果：本发明通过多谐振荡器控制开关管Q6和Q7，使得前半周期内Q6导通以使得电容C2、C3和C5串联进行充电，后半周期Q7导通以使得电容C2、C3和C5并联进行放电，从而实现了在一个周期内，把高压电降压为低压电进行输出，降低了转换响应的时间，提升了转换的效率。
附图说明
图1为本发明的电路图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。以下结合附图1对本发明进行详细的描述。
本发明提供的一种电荷泵，包括电容C2、电容C3、电容C5、控制模块、多谐振荡器、串联模块和并联模块；
所述电容C2、电容C3以及电容C5组成有串联支路；所述电容C2、电容C3以及电容C5组成有并联支路；
所述串联模块用于控制串联支路的导通与断开；所述并联模块用于控制并联支路的导通与断开；
高压电源通过串联支路给多谐振荡器供电；
所述电容C5通过并联模块给多谐振荡器供电；
在多谐振荡器工作的一周期内，所述多谐振荡器在前半周期通过控制模块控制串联模块工作；所述多谐振荡器在后半周期通过控制模块控制并联模块工作。
具体的，控制模块包括开关管Q6和开关管Q7，开关管Q6的控制管和开关管Q7的控制端均连接于多谐振荡器，开关管Q6用于控制串联模块的通断；开关管Q7用于控制串联模块的通断。
以输入15V的电压，输出5V的电压，且电容C2、电容C3和电容C5三者电容值相等为例，本发明开始工作时，15V的高压电一开始经串联模块使电容C2、电容C3和电容C5串联充电，当电容C2、电容C3和电容C5充满电以后，还会有微弱的电流输至多谐振荡器以激活多谐振荡器工作；在多谐振荡器工作的一周期内，前半周期控制开关管Q6导通且开关管Q7断开，通过开关管Q6控制串联模块导通以使得电容C2、电容C3和电容C5串联并由15V高压电充电；当多谐振荡器进入后半周期时，多谐振荡器控制开关管Q7导通且开关管Q6断开，通过开关管Q7控制并联模块导通以使得电容C2、电容C3和电容C5并联并向多谐振荡器输出低压电，由于电容C2、电容C3和电容C5电容值相等，因此电容C2、电容C3和电容C5三者并联作为电源输出时，该等效电源的电压值为15/3＝5V，即本发明实现了输出5V低压电的效果。由于本发明在多谐振荡器工作一个周期内就实现了把高压电转换为低压电的效果，因此提升了电压转换的效率。
在本实施例中，串联模块包括电容C1、开关管Q1、开关管Q3和开关管Q4，开关管Q1的控制端、开关管Q2的控制端、开关管Q3的控制端和电容C1的一端均连接于控制模块，开关管Q1的输入端、电容C1的一端均用于外接高压电源，电容C1的另一端接地；电容C2设置于开关管Q1的输出端和开关管Q3的输入端之间，电容C3设置于开关管Q3的输出端和开关管Q4的输入端之间，电容C5的一端连接于开关管Q4的输出端，电容C5的另一端接地；电容C5的所述一端连接于多谐振荡器。即本发明通过开关管Q1、开关管Q3和开关管Q4的导通来实现电容C2、电容C3和电容C5的串联的；同时，在本发明刚开始工作时，15V高压电是直接进入开关管Q1的控制端、开关管Q2的控制端和开关管Q3的控制端来实现电容C2、电容C3和电容C5的串联的，此时电容C1用以起到过滤作用，防止高频电压进入而影响了电容C2、电容C3和电容C5的充电效果，并使得有少量电流能够进入多谐振荡器来触发多谐振荡器工作。
具体的，所述电荷泵还包括电阻R1-R3，电阻R1的一端用于外接高压电，电阻R1的另一端连接于串联模块的输入端；电容C1的所述一端经电阻R2连接于电阻R1的所述另一端，电阻R3的一端连接于电阻R1的所述另一端，并联模块的输入端连接于电阻R3的另一端。电阻R1-R3用来保证电路中的电流不会过大，防止本发明因流入电流过大而烧毁，从而提升了本发明的稳定性和可靠性。
具体的，所述电荷泵还包括电阻R5，电阻R5的一端连接于控制模块，开关管Q1的控制端、开关管Q3的控制端和开关管Q4的控制端均连接于电阻R5的另一端，起到限流作用，避免通入开关管Q6的电流过大而导致开关管Q6烧毁。
在本实施例中，并联模块包括开关管Q2、开关管Q5、开关管Q8和开关管Q9，开关管Q2的输入端连接于开关管Q1和电容C2之间，开关管Q2的输出端连接于多谐振荡器；开关管Q5的输入端连接于开关管Q3和电容C3之间，开关管Q5的输出端连接于多谐振荡器；开关管Q8的输入端连接于开关管Q4和电容C3之间，开关管Q8的输出端接地；开关管Q9的输入端连接于开关管Q3和电容C2之间，开关管Q9的输出端接地；开关管Q2的控制端、开关管Q5的控制端、开关管Q8的控制端和开关管Q9的控制端均连接于控制模块。在多谐振荡器工作的后半周期时，由多谐振荡器通过控制模块控制开关管Q1、开关管Q3和开关管Q4均断开，且控制开关管Q2、开关管Q5、开关管Q8和开关管Q9均导通，此时电容C2、电容C3和电容C5由串联状态变为并联状态，由于此时C2、电容C3和电容C5与15V高压电源断开，因此C2、电容C3和电容C5三者并联放电，此时可等效为一个5V的低压电源对外放电，从而实现了本发明把15V高压电转换为5V低压电的效果。
具体的，所述电荷泵还包括电阻R6，电阻R6的一端连接于开关管Q7的输入端，开关管Q2的控制端、开关管Q5的控制端均连接于电阻R6的另一端，起到限流作用，避免通入开关管Q7的电流过大而导致开关管Q7烧毁。
在本实施例中，多谐振荡器包括电容C6、电容C7、开关管Q10和开关管Q11，电容C6的一端连接于开关管Q10的控制端，开关管Q10的控制端还连接于电容C5，具体为开关管Q10的控制端还连接于电容C5和开关管Q4之间；电容C6的另一端连接于控制模块的开关管Q7的控制端，开关管Q10的输入端连接于控制模块的开关管Q6的控制端，开关管Q10的输出端接地；电容C7的一端连接于开关管Q11的控制端，电容C7的另一端连接于电容C5和开关管Q4之间，开关管Q11的输入端连接于控制模块的开关管Q6的控制端，开关管Q11的输出端接地，开关管Q11的控制端还连接于电容C5和开关管Q4之间。本发明通过电容C6控制开关管Q10的通断，通断电容C7控制开关管Q11的通断，来实现控制电容C2、电容C3和电容C5之间的串并联关系的转换，从而实现快速把15V高压转换为5V低压的效果。
在本实施例中，所述电荷泵还包括电容C4和二极管D1，电容C4的一端连接于二极管D1的负极，电容C4的另一端接地；二极管D1的正极连接于电容C3和电容C5之间，二极管D1的负极还连接于多谐振荡器。
具体的，二极管D1的负极和开关管Q10的输入端之间设置有电阻R7，二极管D1的负极和开关管Q10的控制端之间设置有电阻R9，二极管D1的负极和开关管Q11的输入端之间设置有电阻R9，二极管D1的负极和开关管Q11的控制端之间设置有电阻R10。
在本实施例中，开关管Q1-Q9均为PMOS管。PMOS管具有温度特性好、噪声特性好、管功耗小等优点，能够使得减少能量的损耗。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种电荷泵，其特征在于：包括电容C2、电容C3、电容C5、控制模块、多谐振荡器、串联模块和并联模块；
所述电容C2、电容C3以及电容C5组成有串联支路；所述电容C2、电容C3以及电容C5组成有并联支路；
所述串联模块用于控制串联支路的导通与断开；所述并联模块用于控制并联支路的导通与断开；
高压电源通过串联支路给多谐振荡器供电；
所述电容C5通过并联模块给多谐振荡器供电；
在多谐振荡器工作的一个周期内，所述多谐振荡器在前半周期通过控制模块控制串联模块工作；所述多谐振荡器在后半周期通过控制模块控制并联模块工作；
串联模块包括电容C1、开关管Q1、开关管Q3和开关管Q4，开关管Q1的控制端、开关管Q4的控制端、开关管Q3的控制端和电容C1的一端均连接于控制模块，开关管Q1的输入端、电容C1的一端均用于外接高压电源，电容C1的另一端接地；电容C2设置于开关管Q1的输出端和开关管Q3的输入端之间，电容C3设置于开关管Q3的输出端和开关管Q4的输入端之间，电容C5的一端连接于开关管Q4的输出端，电容C5的另一端接地；电容C5的所述一端连接于多谐振荡器；
并联模块包括开关管Q2、开关管Q5、开关管Q8和开关管Q9，开关管Q2的输入端连接于开关管Q1和电容C2之间，开关管Q2的输出端连接于多谐振荡器；开关管Q5的输入端连接于开关管Q3和电容C3之间，开关管Q5的输出端连接于多谐振荡器；开关管Q8的输入端连接于开关管Q4和电容C3之间，开关管Q8的输出端接地；开关管Q9的输入端连接于开关管Q3和电容C2之间，开关管Q9的输出端接地；开关管Q2的控制端、开关管Q5的控制端、开关管Q8的控制端和开关管Q9的控制端均连接于控制模块；
控制模块包括开关管Q6和开关管Q7，开关管Q6的控制端和开关管Q7的控制端均连接于多谐振荡器，开关管Q6用于控制串联模块的通断；开关管Q7用于控制并联模块的通断。
2.根据权利要求1所述的电荷泵，其特征在于：所述电荷泵还包括电阻R1、电阻R2和电阻R3，电阻R1的一端用于外接高压电源，电阻R1的另一端连接于串联模块的输入端；电容C1的所述一端经电阻R2连接于电阻R1的所述另一端，电阻R3的一端连接于电阻R1的所述另一端，并联模块的输入端连接于电阻R3的另一端。
3.根据权利要求1所述的电荷泵，其特征在于：所述电荷泵还包括电阻R5，电阻R5的一端连接于控制模块，开关管Q1的控制端、开关管Q3的控制端和开关管Q4的控制端均连接于电阻R5的另一端。
4.根据权利要求1所述的电荷泵，其特征在于：所述电荷泵还包括电阻R6，电阻R6的一端连接于控制模块，开关管Q2的控制端、开关管Q5的控制端均连接于电阻R6的另一端。
5.根据权利要求1所述的电荷泵，其特征在于：多谐振荡器包括电容C6、电容C7、开关管Q10和开关管Q11，电容C6的一端连接于开关管Q10的控制端，开关管Q10的控制端还连接于电容C5；电容C6的另一端连接于控制模块，开关管Q10的输入端连接于控制模块，开关管Q10的输出端接地；电容C7的一端连接于开关管Q11的控制端，电容C7的另一端连接于控制模块，开关管Q11的输入端连接于控制模块，开关管Q11的输出端接地，开关管Q11的控制端还连接于电容C5。
6.根据权利要求5所述的电荷泵，其特征在于：电容C5和开关管Q10的输入端之间设置有电阻R7，电容C5和开关管Q10的控制端之间设置有电阻R9，电容C5和开关管Q11的输入端之间设置有电阻R8，电容C5和开关管Q11的控制端之间设置有电阻R10。
7.根据权利要求1所述的电荷泵，其特征在于：所述电荷泵还包括电容C4和二极管D1，电容C4的一端连接于二极管D1的负极，电容C4的另一端接地；二极管D1的正极连接于开关管Q4和电容C5之间，二极管D1的负极还连接于多谐振荡器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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