CN113196638A - Dcdc转换器 - Google Patents

Abstract

DCDC转换器(8)具备：开关元件(11)，与输入端(9)连接；耦合电容器(12)，通过第1连接点(J1)而与开关元件连接；第1电感器(13)，通过第2连接点(J2)而与耦合电容器连接并通过第3连接点(J3)而与输出端(10)连接；控制电路(14)，控制开关元件；第2电感器(15)，连接于第1连接点和接地；第1二极管(16)，连接于第2连接点和接地；平滑电容器(17)，连接于第3连接点和接地；比较器(18)，提供驱动电压，将输出端的电压与基准电压比较并向控制电路输出比较结果；第2二极管(19)，连接于第2连接点和比较器，提供驱动比较器的驱动电压；和输出电容器(20)，连接于第2二极管和接地。该DCDC转换器的动作稳定。

Description

DCDC转换器

技术领域

本发明涉及用于各种电子设备的DCDC转换器。

背景技术

图6是现有的DCDC转换器1的电路框图。DCDC转换器1具有转换器部2、比较器3、输入端4、输出端5。直流电源6与输入端4连接，负载7与输出端5连接。输出端5的电压通过比较器3而与基准电压VB进行比较，根据比较结果来控制转换器部2，从而DCDC转换器1实现通过输出端5而向负载7供给的电压的稳定化。

与DCDC转换器500类似的现有的DCDC转换器例如在专利文献1中被公开。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-20641号公报

发明内容

DCDC转换器具备：开关元件，与输入端连接；耦合电容器，通过第1连接点而与开关元件连接；第1电感器，通过第2连接点而与耦合电容器连接并通过第3连接点而与输出端连接；控制电路，控制开关元件；第2电感器，连接于第1连接点和接地；第1二极管，连接于第2连接点和接地；平滑电容器，连接于第3连接点和接地；比较器，供给驱动电压，将输出端的电压与基准电压进行比较并向控制电路输出比较结果；第2二极管，连接于第2连接点和比较器并供给驱动比较器的驱动电压；和输出电容器，连接于第2二极管和接地。

该DCDC转换器的动作稳定。

附图说明

图1是实施方式中的DCDC转换器的电路框图。

图2是表示实施方式中的DCDC转换器的动作状态的电路框图。

图3是表示实施方式中的DCDC转换器的动作状态的电路框图。

图4是表示实施方式中的DCDC转换器的动作定时的图。

图5是表示实施方式中的DCDC转换器的动作定时的图。

图6是现有的DCDC转换器的电路框图。

具体实施方式

图1是实施方式中的DCDC转换器的电路框图。DCDC转换器8包含：输入端9、输出端10、开关元件11、耦合电容器12、电感器13、控制电路14、电感器15、二极管16、平滑电容器17、比较器18、二极管19以及输出电容器20。开关元件11、耦合电容器12和电感器13从输入端9向输出端10依次串联连接。电感器15将连接点J1与接地GND连接，该连接点J1是将开关元件11和耦合电容器12连接的连接点。二极管16将连接点J2与接地GND连接，该连接点J2是将耦合电容器12和电感器13连接的连接点。二极管16的阴极与连接点J2连接，阳极与接地GND连接。平滑电容器17将连接点J3与接地GND连接，该连接点J3是将电感器13和输出端10连接的连接点。

比较器18对基准电压VB与输出端10的输出电压VOUT进行比较运算，并将运算结果向控制电路14输出。控制电路14基于比较器18中的运算结果来控制开关元件11的动作。二极管19被设置于将连接耦合电容器12和电感器13的连接点J2与比较器18连接的供给路径21。二极管19的阳极19B与连接点J2连接，阴极19A与比较器18连接。供给路径21对驱动比较器18的驱动电压VCC进行供给。此外，输出电容器20被连接于二极管19的阴极19A与接地GND。开关元件11具有与输入端9连接的一端11A和另一端11B。耦合电容器12具有通过连接点J1而与开关元件11的另一端11B连接的一端12A和另一端12B。电感器13具有通过连接点J2而与耦合电容器12的另一端12B连接的一端13A、和通过连接点J3而与输出端10连接的另一端13B。控制电路14控制开关元件11。电感器15具有与连接点J1连接的一端15A、和与接地GND连接的另一端15B。二极管16具有与连接点J2连接的阴极16A、和与接地GND连接的阳极16B。平滑电容器17具有与连接点J3连接的一端17A、和与接地GND连接的另一端17B。比较器18构成为被驱动电压VCC驱动，将输出端10的电压与基准电压VB进行比较并将比较结果向控制电路14输出。二极管19具有与连接点J2连接的阳极19B和与比较器18连接的阴极19A，构成为从阴极19A供给驱动比较器18的驱动电压VCC。输出电容器20具有与二极管19的阴极19A连接的一端20A和与接地GND连接的另一端20B。传感器24对从输出端10输出的输出电流IC进行检测。

构成为在输入端9连接直流电源23。在实施方式中，构成为在输出端10连接蓄电装置22。比较器18具有输出电压VOUT被输入的非反相输入端18A、基准电压VB被输入的反相输入端18B、与控制电路14连接的输出端18C。控制电路14向开关元件11输出控制信号SC。开关元件11根据控制信号SC来将端11A与端11B连接而接通，或者将端11A从端11B切断而断开。

DCDC转换器8在动作时将输入端9的电压VIN升压为输出电压VOUT并向输出端10施加。

在图6所示的现有的DCDC转换器500中，比较器3通过从转换器部2或者直流电源6供给的驱动电压VCC而被驱动。为了比较器3准确地进行动作，驱动电压VCC需要具有相比于基准电压VB、检测电压VD或者向比较器3的输入电压VA充分高的电压值。

但是，在DCDC转换器500中，转换器部2进行动作以使得来自转换器部2的输出电压与直流电源6的电压同等、或者同等以上，在比较器3直接从直流电源6接受驱动电压VCC时，驱动电压VCC具有接近于基准电压VB或输入电压VA的值，或者驱动电压VCC具有比基准电压VB或输入电压VA低的值。其结果，可能比较器3不进行动作，转换器部2的输出电压不稳定化。

与此相对，在实施方式中的DCDC转换器8中，与输出端10的输出电压VOUT无关地，在供给路径21的特别是相当于输出电容器20的高电位端的二极管19的阴极19A，一直存在比输出端10的输出电压VOUT高的值的电压。因此，比被设定为接近于输入端9的电压VIN、输出端10的输出电压VOUT的值的基准电压VB高的电压作为驱动电压VCC而被从供给路径21向比较器18供给。其结果，比较器18能够从DCDC转换器8的一部分得到稳定的电压，DCDC转换器8的动作稳定。

以下，详细说明DCDC转换器8的结构以及动作。图2和图3是DCDC转换器8的动作状态的电路框图。

图2表示开关元件11接通时的DCDC转换器8的电路的概要，图3表示开关元件11断开时的DCDC转换器8的电路的概要。在输出端10连接蓄电装置22，在实施方式中，蓄电装置22是双电层电容器，DCDC转换器8作为充电电路而进行动作，即对从直流电源23输出的输入端9的电压VIN进行升压并产生输出电压VOUT，将输出电压VOUT从输出端10施加于蓄电装置22，对蓄电装置22进行充电。

图4是DCDC转换器8的动作时序图。首先，在时刻T0，搭载有DCDC转换器8的电源装置启动。或者用于使DCDC转换器8启动的信号被发送给DCDC转换器8的控制电路14。若DCDC转换器8启动，则控制电路14将PWM信号(脉冲宽度变调信号)向开关元件11供给来控制开关元件11以使得开关元件11接通断开，使得从输出端10输出用于对蓄电装置22进行充电的输出电流IC。

如图2所示，在开关元件11接通时，在虚线的方向流过电流，在电感器15产生具有由箭头决定的极性的电压VIN，在具有与连接点J2连接的正极的端12A的耦合电容器12产生具有由箭头所示的极性的电压VC1。由此，在连接点J2产生电压VIN、VC1之和的电压(VIN+VC1)。此外，电压(VIN+VC1)等于相当于向蓄电装置22的充电电压的输出电压VOUT与在电感器13产生的具有由箭头所示的极性的电压VL1之和即电压(VOUT+VL1)。在此，连接点J2处的电压(VIN+VC1)即电压(VOUT+VL1)通过二极管19以及供给路径21，被输出电容器20平滑。被平滑的电压作为驱动电压VCC而被向比较器18供给。此时，控制电路14根据由传感器24检测的输出电流IC来控制开关元件11，以使得恒流IK的输出电流IC向蓄电装置22供给，相当于蓄电装置22的充电电压的输出电压VOUT随着时间的经过，根据蓄电装置22的充电电压而上升。

DCDC转换器8也可以取代检测输出电流IC的传感器24，具有对流过耦合电容器12或者电感器13的电流进行检测的传感器。检测电流的这些传感器例如包含与流过电流的路径串联连接的检测用电阻。该情况下，控制电路14对检测用电阻的两端的电位差进行检测，基于该电位差，控制电路14运算电位差，从而检测输出电流IC。或者，这些传感器可以取代检测用电阻而是能够进行非接触检测的电流传感器，也可以通过该电流传感器，控制电路14检测输出电流IC。

即使上述检测用电阻与电流的路径串联地插入，也维持驱动电压VCC成为比输出电压VOUT高的值的关系，DCDC转换器8的动作稳定。此外，通过仅插入直流电阻的简单的结构，能够进行输出电流IC的检测。

经过较长的停止的期间，在DCDC转换器8启动的时刻T0，输出电容器20的端20A、20B间的电压几乎为0V，因此驱动比较器18的驱动电压VCC的值与输入端9的电压VIN大体一致。与输入端9连接的直流电源23的电压VIN的值被设定为能够驱动比较器18的值，因此在时刻T0，比较器18能够进行动作。此外，从时刻T0起，输出电压VOUT以及驱动电压VCC以相同的斜率逐渐增大。这表示耦合电容器12以及平滑电容器17、蓄电装置22中蓄积的电荷与时间一起逐渐增大，驱动电压VCC相当于输出电压VOUT与输入端9的电压VIN的和。在实施方式中，从时刻T0到时刻T2，基于被检测的输出电流IC，控制电路14通过PWM控制来将开关元件11反复接通断开从而控制开关元件11，以使得输出电流IC维持恒流IK。由此，输出电压VOUT以及驱动电压VCC以相同的斜率直线地逐渐增大。在时刻T0到时刻T2之间的时刻T1，控制电路14将开关元件11断开来构成图2所示的电路，或者将开关元件11接通来构成图3所示的电路。

在实施方式中，使基准电压VB与蓄电装置22的满充电电压VF一致。在时刻T2，若蓄电装置22为满充电状态，输出电压VOUT达到基准电压VB即满充电电压VF，则输出电压VOUT的值与驱动电压VCC都一定，以使得输出电压VOUT的值与驱动电压VCC的值的差维持规定的电位差。换言之，DCDC转换器8从在时刻T0到时刻T2的期间为恒流输出动作的状态，在时刻T2以后、到DCDC转换器8停止的时刻T3为止切换为恒压输出动作的状态。此时，驱动电压VCC为具有输出电压VOUT加上电压VL1的值的恒压VCCM。在此，耦合电容器12与平滑电容器17的电容可以实质相同，或者也可以不同。此外，电感器13与电感器15的电感值可以实质相同，或者也可以不同。

在图2中，尽管二极管16作为电路元件存在，但是与作为电路的举动而不存在的状态同样，因此通过虚线来图示。

如图3所示，在开关元件11断开时，在虚线的方向流过电流，随着蓄积于电感器15的能量的释放，在电感器15的端15A、15B间产生具有由箭头所示的极性的电压VC1。通过二极管16导通而形成基于电感器15和耦合电容器12的闭合电路，电感器15的端15A、15B间的电压VC1产生为将被充电的耦合电容器12所具有的电压VC1抵消。因此，连接点J2的电压由于耦合电容器12的端12A、12B间的电压VC1被电感器15的端15A、15B间的电压VC1抵消而成为0。同样地，随着蓄积于电感器13的能量的释放，在电感器13的端13A、13B间产生具有由箭头所示的极性的输出电压VOUT。通过二极管16导通而形成基于电感器13和平滑电容器17的闭合电路，因此电感器13的端13A、13B间的输出电压VOUT产生为将被充电的平滑电容器17的端17A、17B间的输出电压VOUT抵消，因此，连接点J2的电压与之前的情况同样地，平滑电容器17的端17A、17B间的电压VOUT被电感器13的端13A、13B间的电压VOUT抵消而成为0。

此时，连接点J2的电压为0，向二极管19的阳极19B施加的电压也为0。但是，开关元件11的接通断开的切换在时刻T1的前后以较短的时间间隔交替重复，因此在连接点J2的电压为0时，开关元件11为接通的状态下被供给的电压也被输出电容器20平滑，驱动电压VCC被持续向比较器18供给。此外，此时控制电路14控制开关元件11以使得恒流IK的输出电流IC被向蓄电装置22供给，与蓄电装置22的充电电压联动，并且相当于充电电压的输出电压VOUT随着时间的经过而上升。

如以上那样，通过比较器18而与基准电压VB比较的输出电压VOUT相比于比较器18的驱动电压VCC，始终大致为低了由直流电源23供给的电压VIN的值。换言之，驱动电压VCC一直具有比相当于基准电压VB或充电电压的输出电压VOUT高的值。其结果，比较器18能够从DCDC转换器8的供给路径21得到稳定的电压，DCDC转换器8的动作稳定。

在此，DCDC转换器8进行升压动作以使得输出端10的输出电压VOUT变得比直流电源23的电压VIN高，将作为恒流IK的输出电流IC向蓄电装置22供给。然后，为了检测蓄电装置22的充电状态，升压后的电压、即表示蓄电装置22的充电状态的输出端10的电压的输出电压VOUT被输入至比较器18。然后，需要比被比较的电压VOUT高的值的驱动电压VCC被从输出与输出电压VOUT联动的电压的DCDC转换器8的内部的连接点J2供给。因此，不需要设置用于维持比较器18的驱动电压VCC的独立的电源、复杂的分压电路等。其结果，也能够实现DCDC转换器8的小型化。

此外，通过供给路径21而向比较器18供给的电力为相比于从输出端10向蓄电装置22供给的电力非常小的值。因此，来自连接点J2的电力供给实质上不妨碍DCDC转换器8对蓄电装置22的充电动作。

如前所述，在时刻T2，相当于蓄电装置22的充电电压的DCDC转换器8的输出电压VOUT达到满充电电压VF。并且，若控制电路14通过比较器18检测到输出电压VOUT达到满充电电压VF，则DCDC转换器8停止充电的动作。换言之，恒流IK的输出电流IC不被供给。并且，控制电路14控制开关元件11以使得向蓄电装置22施加的输出电压VOUT被维持恒定。由此，来自DCDC转换器8的输出电压VOUT为恒压的满充电电压VF。基准电压VB不是必须为满充电电压VF，是蓄电装置22所需要的电压值。

在实施方式中，基准电压VB设定为与满充电电压VF相同的值。在蓄电部22的电压VOUT比满充电电压VF(基准电压VB)低的情况下，比较器18不向控制电路14发送信号。此时，控制电路14控制开关元件11以使得向输出部10供给充电电流Ic。并且，若蓄电部22的电压VOUT为满充电电压VF(基准电压VB)以上，则比较器18向控制电路14发送信号，控制电路14控制开关元件11以使得不向输出部10供给充电电流Ic。

在DCDC转换器8中，通过与连接点J1、J2连接的耦合电容器12，在不从输入端9向输出端10供给电力时，输入端9与输出端10电绝缘。因此，直流电源23的电力不被DCDC转换器8消耗。

例如，即使在比较器18发生短路故障，驱动电压VCC强制成为0的情况下，耦合电容器12将来自直流电源23的电力切断。因此，即使在与直流电源23串联地设置有熔丝等的保护装置的情况下，也不产生影响保护装置的短路电流，仅通过DCDC转换器8的修理就能够对应。这样，在直流电源23不产生短路电流，因此能够提高安全性。

在时刻T3，DCDC转换器8停止。即使DCDC转换器8停止，也可维持驱动电压VCC是比输出电压VOUT高的电压这一关系，并且驱动电压VCC与输出电压VOUT这双方逐渐减小。换言之，通过对蓄电装置22使用双电层电容器，输出电容器20和蓄电装置22中的自然放电以大体相同的程度进行。

在时刻T4，DCDC转换器8再次启动。从时刻T3起，在DCDC转换器8停止的期间，输出电容器20与蓄电装置22中的自然放电以大体相同的程度进行，从而在时刻T4，DCDC转换器8再次启动时，也可维持驱动电压VCC与输出电压VOUT的上述关系。因此，DCDC转换器8特别是比较器18能够稳定进行动作。并且，在时刻T5，若输出电压VOUT达到基准电压VB即满充电电压VF，则与时刻T2处的动作同样地，输出电流IC的供给停止，DCDC转换器8切换为恒压输出的动作。在恒压输出的动作中，DCDC转换器8如前所述，维持蓄电装置22的电压。因此，从DCDC转换器8向蓄电装置22的电力供给为间歇性的，因此电力的供给量较小。

此外，驱动电压VCC在DCDC转换器8进行动作时被限定地供给，在DCDC转换器8不进行动作时不被供给。换言之，在搭载DCDC转换器8的车辆不启动时，DCDC转换器8进行动作的期间为即使假设存在也是车辆刚刚启动之前、车辆刚刚从启动状态切换为停止状态之后等的非常短的期间。因此，不产生比较器18在车辆的停止期间中消耗的电力、换言之用于比较器18进行动作的暗电流。其结果，也能够抑制直流电源23的恶化。

在实施方式中，在DCDC转换器8启动时，为了比较器18正常进行动作，也可以在驱动电压VCC为使比较器18正常进行动作的充分的规定值的期间，控制电路14使开关元件11软启动。图5是DCDC转换器8的软启动的动作时序图。具体地说，若在DCDC转换器8停止时残留于蓄电装置22的电压即输出端10的输出电压VOUT较高的状态下DCDC转换器8重启动，则驱动电压VCC相对于与残留于蓄电装置22的电压相当的输出端10处的较高的输出电压VOUT，不充分高，因此，比较器18可能不能正常进行动作，不能适当控制输出电流IC。

在图5所示的动作中，在DCDC转换器8在时刻T0启动时，控制电路14在使开关元件11驱动前对输出端10的输出电压VOUT进行检测，并对驱动电压VCC进行检测。在输出电压VOUT比规定电压值VN高并且驱动电压VCC比规定电压值VCD低的情况下，控制电路14将输出电流IC抑制为比恒流IK小的电流值IL从而使DCDC转换器8软启动，由此可保护DCDC转换器8、蓄电装置22。若在时刻T0，将电流值IL的输出电流IC向蓄电装置22施加，输出电压VOUT上升，从而在时刻T11，驱动电压VCC达到规定电压值VCD，则从时刻T11，控制电路14控制开关元件11以使得输出电流IC为恒流IK。换言之，使用软启动的期间可以是从DCDC转换器8的启动到输出电容器20被充电为止的较短的期间。输出端10处的规定电压值VN例如在对蓄电装置22使用双电层电容器时，可以根据在DCDC转换器8的停止时特别是在放置状态下双电层电容器为了特性恶化抑制而维持为较低的值的放置电压值，决定为与放置电压值相同的值或者比放置电压值高相加电压值的值。相加电压值可以是几伏的恒压值，也可以是对双电层电容器为放置状态时维持的电压值加上百分之几十的恒定率而得到的值。

在时刻T3处的停止后、在时刻T4处DCDC转换器8再次启动时，虽然输出电压VOUT比规定电压值VCD高但驱动电压VCC比规定电压值VN高，因此控制电路14控制开关元件11以使得输出电流IC不是电流值IL而是恒流IK，不进行软启动。

即，在DCDC转换器8启动时，驱动电压VCC为规定电压值VN以上的情况下，与输出电压VOUT无关地，控制电路14控制开关元件11以使得输出电流IC为恒流IK。在DCDC转换器8启动时，输出电压VOUT比规定电压值VN高并且驱动电压VCC比规定电压值VCD低的情况下，控制电路14控制开关元件11以使得输出电流IC成为比恒流IK小的电流值IL。然后，若驱动电压VCC达到规定电压值VCD，则控制电路14控制开关元件11以使得输出电流IC为恒流IK。

另外，软启动也可以在控制电路14开始驱动开关元件11时与输出电压VOUT无关地一直适用。

在以上的说明中，说明了DCDC转换器8的动作是基本基于恒流输出的向蓄电装置22的充电、以及达到满充电电压或目标充电电压之后的、用于维持基于升压的电压的蓄电装置22的充电电压的恒压输出的动作。但是，DCDC转换器8也可以根据需要，作为输出电压VOUT比输入端9的电压VIN低的降压转换器而进行动作。

-符号说明-

8 DCDC转换器

9 输入端

10 输出端

11 开关元件

12 耦合电容器

13 电感器(第1电感器)

14 控制电路

15 电感器(第2电感器)

16 二极管(第1二极管)

17 平滑电容器

18 比较器

19 二极管(第2二极管)

20 输出电容器

21 供给路径

22 蓄电装置

23 直流电源

J1 连接点(第1连接点)

J2 连接点(第2连接点)

J3 连接点(第3连接点)。

Claims (8)

1.一种DCDC转换器，具备：

输入端；

输出端；

开关元件，具有与所述输入端连接的一端、以及另一端；

耦合电容器，具有通过第1连接点而与所述开关元件的所述另一端连接的一端、以及另一端；

第1电感器，具有通过第2连接点而与所述耦合电容器的所述另一端连接的一端、以及通过第3连接点而与所述输出端连接的另一端；

控制电路，控制所述开关元件；

第2电感器，具有与所述第1连接点连接的一端、以及与接地连接的另一端；

第1二极管，具有与所述第2连接点连接的阴极、以及与所述接地连接的阳极；

平滑电容器，具有与所述第3连接点连接的一端、以及与所述接地连接的另一端；

比较器，构成为被驱动电压驱动，将所述输出端的电压与基准电压进行比较并向所述控制电路输出比较结果；

第2二极管，具有与所述第2连接点连接的阳极、以及与所述比较器连接的阴极，从所述阴极向所述比较器供给所述驱动电压；和

输出电容器，具有与所述第2二极管的所述阴极连接的一端、以及与所述接地连接的另一端。

2.根据权利要求1所述的DCDC转换器，其中，

所述控制电路构成为控制所述开关元件以使得从所述输出端输出恒流。

3.根据权利要求1所述的DCDC转换器，其中，

所述控制电路构成为：

在驱动所述开关元件前检测所述输出端的电压，

在驱动所述开关元件前检测到的所述输出端的电压比规定电压值高时，控制所述开关元件以使得所述DCDC转换器通过软启动而进行启动。

4.根据权利要求3所述的DCDC转换器，其中，

所述DCDC转换器构成为在所述输出端连接蓄电装置，

所述规定电压值根据所述蓄电装置的放置电压值而被决定。

5.根据权利要求1所述的DCDC转换器，其中，

在所述DCDC转换器启动时，所述控制电路构成为：

在所述驱动电压为第1规定电压值以上的情况下，所述控制电路控制所述开关元件以使得从所述输出端输出的输出电流为恒流；

在所述输出端的电压比第2规定电压值高并且所述驱动电压比所述第1规定电压值低的情况下，控制所述开关元件以使得所述输出电流为比所述恒流小的电流值，之后，若所述驱动电压达到所述第1规定电压值，则控制所述开关元件以使得所述输出电流为所述恒流。

6.根据权利要求5所述的DCDC转换器，其中，

在所述DCDC转换器启动时，在所述驱动电压为所述第1规定电压值以上的情况下，与所述输出端的所述电压无关地，所述控制电路构成为控制所述开关元件以使得所述输出电流为所述恒流。

7.根据权利要求5或者6所述的DCDC转换器，其中，

所述DCDC转换器构成为在所述输出端连接蓄电装置，

所述第2规定电压值根据所述蓄电装置的放置电压值而被决定。

8.根据权利要求1至7的任一项所述的DCDC转换器，其中，

所述DCDC转换器将所述输入端的电压进行升压并向所述输出端施加。

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