CN112994444B - 一种电源转换电路及相关装置和终端设备 - Google Patents

一种电源转换电路及相关装置和终端设备 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供了一种电源转换电路及相关装置和终端设备，其中，电源转换电路用于对电源进行转换，向负载提供低电压工作电源，电源转换电路包括：第一开关支路、第二开关支路、第三开关支路、滤波支路、和第一电容；第一电容的第一端通过第一开关支路与电源相连；第一电容的第二端通过第二开关支路接地；滤波支路包括串联连接的滤波电感和滤波电容；滤波电感的第一端与第一电容的第一端相连；滤波电感的第二端与滤波电容的第一端相连，滤波电容的第二端接地；滤波电容与所述负载并联；第三开关支路连接在第一电容的第二端和滤波电感的第二端之间。本申请实施例能够提高电源转换电路的转换效率。

Description

一种电源转换电路及相关装置和终端设备
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种电源转换电路及相关装置和终端设备。
背景技术
近年来，锂电池因为其高能量密度、以及安全可靠等特性得到广泛的使用，随着锂电池可存储容量逐年增加，给锂电池进行快速高效地充电成为研究的热点。
在电池充电系统中最核心的部分是电源转换电路，该电路的作用是将能量由高压电源按照电池的需要，降压传递给电池。在将能量传递给电池时，会有能量损失，损失的能量会转化为热能使充电系统升温，为了减少能量损失，需要提高电源转换电路的转换效率。
如图1所示，是目前主流的电源转换电路的结构示意图，图1所示的电源转换电路包括两个功率管开关Q1′和Q2′，以及外围器件电容CL和电感L，图1中RL是负载。一个完整的信号周期包括两个时间区间Φ和
Figure BDA0002992462300000011
其中，在Φ对应的时间区间内，Q2′闭合、Q1′断开；在
Figure BDA0002992462300000012
对应的时间区间内，Q2′断开、Q1′闭合。当图1所示的电路达到稳态时，
Figure BDA0002992462300000013
制约电源转换电路转换效率的的关键点包括电感绕阻(Direct CurrentResistance，DCR)的损耗以及开关节点LX处寄生电容的损耗。其中，一个周期内，DCR的损耗为DCR*IL 2，LX处寄生电容为Cp，LX处寄生电容带来的损耗为
Figure BDA0002992462300000014
)。
需要说明的是，一方面，图1所示电源转换电路达到稳态时，由于电感电流IL等于负载电流Iout，当负载电流Iout确定时，降低DCR的损耗的方法只能通过减小DCR来实现，但是，由于物理工艺的限制，减小DCR比较困难，而且减小DCR会增加电感的价格和尺寸。另一方面，若要降低LX处寄生电容的损耗，唯一途径就是降低Cp，但是，减小Cp需要降低功率管开关的尺寸，这将导致功率管开关的内阻增大，进而增大功率管开关内阻的损耗，这样即使减小了Cp，最后电源转换电路的转换效率可能并没有提高。
发明内容
本申请实施例提供了一种新型的电源转换电路，以使提高电源转换电路的转换效率。
第一方面，本申请实施例提供了一种电源转换电路，用于对电源进行转换，向负载提供工作电流，所述电源转换电路包括：
第一开关支路、第二开关支路、第三开关支路、滤波支路、和第一电容；其中，
所述第一电容的第一端通过所述第一开关支路与所述电源相连；
所述第一电容的第二端通过所述第二开关支路接地；
所述滤波支路包括串联连接的滤波电感和滤波电容；所述滤波电感的第一端与所述第一电容的第一端相连；所述滤波电感的第二端与所述滤波电容的第一端相连，所述滤波电容的第二端接地；所述滤波电容与所述负载并联；
所述第三开关支路连接在所述第一电容的第二端和所述滤波电感的第二端之间。
基于以上技术方案，本申请第一方面描述的电源转换电路，在电路达到稳态时，滤波电感的电流相对于传统的电源转换电路中滤波电感的电流减少了，相应地，滤波电感对应的电感绕阻损耗降低了；另外，第一电容与滤波电感的连接处的电压摆幅相对于传统电源转换电路中所述连接处的电压摆幅降低了，因此减少了连接处寄生电容对应的能量损耗。因此，本申请第一方面描述的电源转换电路的转换效率提高了。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一开关支路包括：第一开关；
所述第三开关支路包括：第三开关；
所述第二开关支路包括：第二开关，所述第二开关的第一端与所述第一电容的第二端相连、所述第二开关的第二端接地。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述与所述第一电容并联的开关支路中的开关、所述第一开关、所述第二开关、和所述第三开关中的至少一个开关为MOS管或者BJT管。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述第一开关支路包括：第一开关；所述第三开关支路包括：第三开关；所述第二开关支路包括：第二开关和i个开关切换电路，所述第二开关的第一端与所述第一电容的第二端相连，所述第二开关的第二端通过所述i个开关切换电路接地，其中，所述i为整数，且i≥1。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述i个开关切换电路中的任一开关切换电路j，包括：
第(j+1)电容、第3*(j+1)开关支路、第(3*(j+1)-1)开关支路、以及第(3*(j+1)-2)开关支路，其中，所述j为整数，且1≤j≤i；
所述第i个开关切换电路中的第(i+1)电容的第一端通过第(3*(i+1)-2)开关支路与所述电源相连；所述第(i+1)电容的第二端通过所述第(3*(i+1)-1)开关支路接地；所述第(i+1)电容的第二端通过所述第3*(i+1)开关支路与所述滤波电感的第二端相连；
当i＝1时，所述第二开关支路的第二开关连接在所述第二电容的第一端和所述第一电容的第二端之间；
当所述i＞1时，第k个开关切换电路中的第(k+1)电容的第一端通过第(3*(k+1)-2)开关支路与所述电源相连；第(3*(k+1)-1)开关支路连接在第(k+2)个电容的第一端和所述第(k+1)个电容的第二端之间；所述第(k+1)电容的第二端通过所述第3*(k+1)开关支路与所述滤波电感的第二端相连；其中，所述k为整数，且1≤k＜i。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述电源转换电路还包括：连接在所述第一电容的第一端以及所述第i+1个电容的第二端之间的开关支路，该开关支路包括开关。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述连接在所述第一电容的第一端以及所述第i+1个电容的第二端之间的开关支路中的开关、所述第一开关、所述第二开关、和所述第三开关中的至少一个为MOS管或者BJT管。
第二方面，本申请实施例提供了一种转换装置，包括电源、控制信号产生电路和电源转换电路，其中，所述电源通过所述电源转换电路向负载提供低电压工作电源；所述控制信号产生电路用于向所述电源转换电路提供周期性的控制信号，所述控制信号用于控制所述电源转换电路中的开关接通或者断开；
所述电源转换电路如第一方面或第一方面任意的可能的实现方式所述的电源转换电路。
基于同一发明构思，转换装置解决问题的原理以及有益效果可以参见上述第一方面和第一方面的各可能的实施方式以及所带来的有益效果，不再赘述。
第三方面，本申请实施例提供了一种终端设备，包括：电源、控制信号产生电路、电源转换电路、和负载，其中，
所述电源通过所述电源转换电路向所述负载提供工作电源；
所述控制信号产生电路用于向所述电源转换电路提供周期性的控制信号，所述控制信号用于控制所述电源转换电路中的开关接通或者断开；
所述电源转换电路如第一方面或第一方面任意的可能的实现方式所述的电源转换电路。
基于同一发明构思，终端设备解决问题的原理以及有益效果可以参见上述第一方面和第一方面的各可能的实施方式以及所带来的有益效果，不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是现有技术中电源转换电路的结构示意图；
图2是具有电源转换电路的终端设备的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的一种电源转换电路的结构示意图；
图4是本申请实施例提供的另一电源转换电路的结构示意图；
图5是本申请实施例提供的另一电源转换电路的结构示意图；
图6是本申请实施例提供的另一电源转换电路的结构示意图；
图7是本申请实施例提供的另一电源转换电路的结构示意图；
图8是具有电源转换电路的转换装置的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图2，图2为具有电源转换电路202的终端设备200，该终端设备200包括电源201、电源转换电路202、负载203、和控制信号产生电路204。在一些可能的实施方式中，终端设备200可以是具有电源转换电路的电池、使用电池的手机、电动车等设备。终端设备200可以将电源201的高电压在电源转换电路202及控制信号产生电路204的作用下转为负载所需的低压电源向负载供电。
请参阅图3，图3为本申请实施例提供的一种电源转换电路的结构示意图。如图3所示，该电源转换电路用于对电源Vin进行转换，向负载RL提供低电压工作电源，所述电源转换电路包括：
第一开关支路、第二开关支路、第三开关支路、滤波支路、和第一电容C1；其中，
所述第一电容C1的第一端通过所述第一开关支路与所述电源相连；
所述第一电容C1的第二端通过所述第二开关支路接地；
所述滤波支路包括串联连接的滤波电感L和滤波电容CL；所述滤波电感L的第一端与所述第一电容C1的第一端相连；所述滤波电感L的第二端与所述滤波电容CL的第一端相连，所述滤波电容CL的第二端接地；所述滤波电容CL与所述负载RL并联；
所述第三开关支路连接在所述第一电容C1的第二端和所述滤波电感L的第二端之间。
在本申请一些可能的实施方式中，所述第一开关支路包括：第一开关Q1；
所述第三开关支路包括：第三开关Q3；
所述第二开关支路包括：第二开关Q2，所述第二开关Q2的第一端与所述第一电容的第二端相连、所述第二开关Q2的第二端接地。
一个完整的信号周期包括两个时间区间Φ和
Figure BDA0002992462300000041
其中，在Φ对应的时间区间内，Q1和Q3闭合、Q2断开，电源Vin连接至第一电容C1，然后连接到Vout，滤波电感L连接到电源Vin，此时滤波电感L和第一电容C1处于充电蓄能状态。
在
Figure BDA0002992462300000042
对应的时间区间内，Q1和Q3断开、Q2闭合，在这个时间区间第一电容C1的下极板经Q2接电源地，上极板的电压为Vin-Vout，此时间间隔滤波电感L和第一电容C1都处于放电状态。
当电源转换电路达到稳态时，
VC1＝Vin-Vout，
Figure BDA0002992462300000043
其中，
Figure BDA0002992462300000044
因此，滤波电感L的电流IL降低到输出电流Iout的
Figure BDA0002992462300000045
滤波电感的DCR的损耗为
Figure BDA0002992462300000046
为现有技术中DCR的损耗的
Figure BDA0002992462300000047
另外，图3所示的电源转换电路中开关节点LX处寄生电容的损耗，现有技术中VLX的摆幅为Vin，图3所示的电源转换电路中VLX的摆幅为Vout，
Figure BDA0002992462300000048
因此图3所示的电源转换电路有效地降低了开关节点LX处寄生电容的损耗。
综上所述图3所示的电源转换电路，在电路达到稳态时，滤波电感的电流相对于传统的电源转换电路中滤波电感的电流减少了，相应地，滤波电感对应的电感绕阻损耗降低了；另外，第一电容与滤波电感的连接处的电压摆幅相对于传统电源转换电路中所述连接处的电压摆幅降低了，因此减少了连接处寄生电容对应的能量损耗。因此，本实施例描述的电源转换电路的转换效率提高了。
需要说明的是，在一些可能的实施方式中，所述第一开关Q1、所述第二开关Q2、和所述第三开关Q3中的至少一个开关为金属氧化物半导体场效应管(Metal OxideSemiconductor，MOS)或者双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)。
请参阅图4，图4为本申请实施例提供的另一种电源转换电路的结构示意图。与图3中所示的电源转换电路的区别在于，增加了与第一电容C1并联的开关支路，该开关支路中包括开关Q0。在开关Q0闭合时，第一电容C1被短路。
一个完整的信号周期包括两个时间区间Φ和
Figure BDA0002992462300000049
在整个开关周期内Q3保持断开，Q0保持闭合。并且，在Φ对应的时间区间内，Q1闭合、Q2断开，这时电源Vin被连接至电源转换电路中开关节点LX，然后连接至滤波电感L，此时滤波电感L处于充电蓄能的状态。在
Figure BDA00029924623000000410
对应的时间区间内，Q1断开、Q2闭合，在这个时间区间内，LX经Q0和Q2连接到电源地，滤波电感L处于放电状态。
当电源转换电路达到稳态时，
Vout＝Vin*D，IL＝Iout，其中，
Figure BDA00029924623000000411
因此LX处寄生电容的损耗降低了，电源转换电路的转换效率提高了。
在另外一种工作状态时，一个完整的信号周期包括两个时间区间Φ和
Figure BDA0002992462300000051
在整个开关周期内Q0被断开，第一电容C1处于工作状态。
在Φ对应的时间区间内，Q1、Q3闭合、Q2断开，这时电源Vin被连接至第一电容C1的上极板(即C1的第一端)，同时，第一电容C1的下极板(即C1的第二端)通过Q3连接到Vout端为输出提供电流，此时滤波电感L和第一电容C1处于充电蓄能的状态。
在
Figure BDA0002992462300000052
对应的时间区间内，Q1、Q3断开、Q2闭合。在这个时间区间内，第一电容C1的下极板经Q2接电源地，第一电容C1和滤波电感L都处于放电状态。当电源转换电路达到稳态时，
VC1＝Vin-Vout，
Figure BDA0002992462300000053
其中，
Figure BDA0002992462300000054
因此，滤波电感L的电流IL降低到输出电流Iout的
Figure BDA0002992462300000055
滤波电感的DCR的损耗为
Figure BDA0002992462300000056
为现有技术中DCR的损耗的
Figure BDA0002992462300000057
另外，电源转换电路中开关节点LX处寄生电容的损耗
Figure BDA0002992462300000058
有技术中VLX的摆幅为Vin，本电源转换电路中VLX的摆幅为Vout，
Figure BDA0002992462300000059
因此本实施例中的源转换电路有效地降低了开关节点LX处寄生电容的损耗。综上，本实施例描述的电源转换电路的转换效率提高了。
请参阅图5，图5为本申请实施例提供的另一种电源转换电路的结构示意图。与图3中所示的电源转换电路的区别在于，第二开关支路除了包括第二开关还包括1个开关切换电路，具体地，第二开关Q2第一端与所述第一电容C1的第二端相连，所述第二开关Q2的第二端通过所述开关切换电路接地。其中，开关切换电路包括第二电容C2，包括第四开关Q4的第四开关支路、包括第五开关Q5的第五开关支路、和包括第六开关Q6的第六开关支路。第二电容C2的第一端通过Q4与电源Vin相连；第二电容C2的第二端通过Q5接电源地；第二电容C2的第二端通过Q6与滤波电感L和滤波电容CL的连接端相连。
进一步地，电源转换电路也可以如图6所示，与图5所示的电源转换电路的区别在于包括i个开关切换电路。所述i为整数，且i≥1。
具体地，如图6所示，所述第i个开关切换电路中的任一开关切换电路j包括：第(j+1)电容、第3*(j+1)开关支路、第(3*(j+1)-1)开关支路、以及第(3*(j+1)-2)开关支路，其中，所述j为整数，且1≤j≤i；所述第i个开关切换电路中的第(i+1)电容的第一端通过第(3*(i+1)-2)开关支路与所述电源相连；所述第(i+1)电容的第二端通过所述第(3*(i+1)-1)开关支路接地；所述第(i+1)电容的第二端通过所述第3*(i+1)开关支路与所述滤波电感的第二端相连；
当i＝1时，所述第二开关支路的第二开关连接在所述第二电容的第一端和所述第一电容的第二端之间；
当所述i＞1时，第k个开关切换电路中的第(k+1)电容的第一端通过第(3*(k+1)-2)开关支路与所述电源相连；第(3*(k+1)-1)开关支路连接在第(k+2)个电容的第一端和所述第(k+1)个电容的第二端之间；所述第(k+1)电容的第二端通过所述第3*(k+1)开关支路与所述滤波电感的第二端相连；其中，所述k为整数，且1≤k＜i。
其中，第3*(j+1)开关支路包括第3*(j+1)开关Q3*(j+1)，第3*(j+1)-1开关支路包括第3*(j+1)-1开关Q3*(j+1)-1，第3*(j+1)-2开关支路包括第3*(j+1)-2开关Q3*(j+1)-2。
进一步的，在本申请一些可能的实施方式中，电源转换电路还可以包括：连接在第一电容的第一端C1以及所述第i+1个电容的第二端之间的开关支路，该开关支路可以包括开关Q3*i+2。
在本申请一些可能的实施方式中，连接在所述第一电容的第一端以及所述第i+1个电容的第二端之间的开关支路中的开关、所述第一开关、所述第二开关、和所述第三开关中的开关可以为MOS管或者BJT管
在本申请一些可能的实施方式中，在电源Vin和输出电压Vout之间连接的电路可以是前面所述任意实施例中电源Vin和输出电压Vout之间连接的电路并联后的电路，如图7所示的电源转换电路中，在电源Vin和输出电压Vout之间连接的电路为图3和图6中电源Vin和输出电压Vout之间连接的电路并联后的电路。
请参阅图8，图8为本申请实施例提供的一种转换装置800，包括电源801、电源转换电路802和控制信号产生电路803，其中，所述电源801通过所述电源转换电路802向负载提供低电压工作电源；所述控制信号产生电路803用于向所述电源转换电路802提供周期性的控制信号，所述控制信号用于控制所述电源转换电路802中的开关接通或者断开；所述电源转换电路802可以为前面所述任一实施例中描述的电源转换电路。电源转换电路可以是充电器等电子设备。
转换装置由于采用了前面所述的电源转换电路，相应地，图8中的转换电路的电源转换效率也提高了，为简洁描述，在这里不再赘述。
请参阅图2，图2为本申请实施例提供的一种终端设备200，包括电源201、电源转换电路202、负载203、和控制信号产生电路204，其中，电源201通过电源转换电路202向负载203提供低电压工作电源；所述控制信号产生电路204用于向所述电源转换电路202提供周期性的控制信号，所述控制信号用于控制所述电源转换电路202中的开关接通或者断开。其中终端设备可以是电池、手机、电动汽车等。
终端设备由于采用了前面所述的电源转换电路，相应地，图2中的终端设备的电源转换效率也提高了，为简洁描述，在这里不再赘述。
本申请实施例中包括的电源转换电路达到稳态时，滤波电感的电流相对于传统的电源转换电路中滤波电感的电流减少了，相应地，滤波电感对应的电感绕阻损耗降低了；另外，第一电容与滤波电感的连接处的电压摆幅相对于传统电源转换电路中所述连接处的电压摆幅降低了，因此减少了连接处寄生电容对应的能量损耗。因此，本实施例描述的电源转换电路的转换效率提高了，可以理解的，使用电源转换电路的转换装置以及终端设备的转换效率也相应地提高了。
本申请的说明书、权利要求书以及说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或者单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或者单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、系统、产品或设备固有的其他步骤或单元。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也包含这些改动和变型。

Claims (11)

1.一种电源转换电路，用于对电源的电压进行转换，其特征在于，所述电源转换电路包括：
第一开关支路、第二开关支路、第三开关支路、第一电容、第一电感和控制信号产生电路；其中，
所述第一电容的第一端通过所述第一开关支路被耦合至所述电源；
所述第一电容的第二端通过所述第二开关支路被耦合至地；
第一滤波 电感的第一端被耦合至所述第一电容的第一端；
所述第三开关支路被设置于所述第一电容的第二端和所述第一电感的第二端之间；
所述控制信号产生电路用于控制所述第一开关支路、第二开关支路和所述第三开关支路的导通和关断，其中，在所述控制信号产生电路的控制下，所述第一开关支路和第三开关支路同时接通和同时断开，所述第二开关支路在所述第一开关支路接通时断开，以及，所述第二开关支路在所述第一开关支路断开时接通。
2.根据权利要求1所述的电源转换电路，其特征在于，
所述第一开关支路包括：第一开关；
所述第三开关支路包括：第三开关；
所述第二开关支路包括：第二开关，所述第二开关的第一端与所述第一电容的第二端相连、所述第二开关的第二端接地。
3.根据权利要求1或2所述的电源转换电路，其特征在于，所述电源转换电路还包括：与所述第一电容并联的开关支路，该开关支路包括开关。
4.根据权利要求3所述的电源转换电路，其特征在于，所述与所述第一电容并联的开关支路中的开关、所述第一开关、所述第二开关、和所述第三开关中的至少一个开关为MOS管或者BJT管。
5.根据权利要求1所述的电源转换电路，其特征在于，
所述第一开关支路包括：第一开关；
所述第三开关支路包括：第三开关；
所述第二开关支路包括：第二开关和i个开关切换电路，所述第二开关的第一端与所述第一电容的第二端相连，所述第二开关的第二端通过所述i个开关切换电路接地，其中，所述i为整数，且i≥1。
6.根据权利要求5所述的电源转换电路，其特征在于，所述i个开关切换电路中的任一开关切换电路j，包括：
第(j+1)电容、第3*(j+1)开关支路、第(3*(j+1)-1)开关支路、以及第(3*(j+1)-2)开关支路，其中，所述j为整数，且1≤j≤i；
所述第i个开关切换电路中的第(i+1)电容的第一端通过第(3*(i+1)-2)开关支路与所述电源相连；所述第(i+1)电容的第二端通过所述第(3*(i+1)-1)开关支路接地；所述第(i+1)电容的第二端通过所述第3*(i+1)开关支路与所述第一电感的第二端相连；
当i＝1时，所述第二开关支路的第二开关连接在第二电容的第一端和所述第一电容的第二端之间；
当所述i＞1时，第k个开关切换电路中的第(k+1)电容的第一端通过第(3*(k+1)-2)开关支路与所述电源相连；第(3*(k+1)-1)开关支路连接在第(k+2)个电容的第一端和所述第(k+1)个电容的第二端之间；所述第(k+1)电容的第二端通过第3*(k+1)开关支路与所述第一电感的第二端相连；其中，所述k为整数，且1≤k＜i。
7.根据权利要求6所述的电源转换电路，其特征在于，所述电源转换电路还包括：连接在所述第一电容的第一端以及所述第i+1个电容的第二端之间的开关支路，该开关支路包括开关。
8.根据权利要求7所述的电源转换电路，其特征在于，所述连接在所述第一电容的第一端以及所述第i+1个电容的第二端之间的开关支路中的开关、所述第一开关、所述第二开关、和所述第三开关中的至少一个为MOS管或者BJT管。
9.根据权利要求1所述的电源转换电路，其特征在于，还包括滤波电容，所述滤波电容的第一端被耦合至所述第一电感的第二端，所述滤波电容的第二端接地。
10.根据权利要求1或9所述的电源转换电路，其特征在于，所述第一电感的第二端被耦合至负载。
11.一种终端设备，包括：电源、控制信号产生电路、电源转换电路、和负载，其特征在于，
所述电源通过所述电源转换电路向所述负载提供工作电源；
所述电源转换电路如权利要求1至10中任意一项所述的电源转换电路。
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