CN113241948B - 一种基于开关电容的反向降压型负压直流-直流变换器 - Google Patents

一种基于开关电容的反向降压型负压直流-直流变换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于开关电容的反向降压型负压直流‑直流变换器。该变换器利用了开关电容特性采用简单电路便可实现负压驱动信号的产生，无需使用外部恒定负电压源；且变换器电路中压控开关器件无需采用耐高压高压器件实现，且无需额外产生直流负压电源以实现压控开关器件的驱动，电路结构简单易实现。

Description

一种基于开关电容的反向降压型负压直流-直流变换器
技术领域
本发明涉及一种基于开关电容的反向降压型负压直流-直流变换器。
背景技术
负压直流-直流变换器（DC-DC）广泛用在OLED显示中。当前负压DC-DC变换器大多采用反向升压-降压(Boost-Buck)电路结构或基于开关电容结构进行实现。在这些电路结构中如何实现负压开关管的驱动，是设计的关键之一。当前设计要求采用外部恒定负电压源或者利用复杂的电荷泵电路来产生负压驱动信号以实现对负压开关管的驱动。有鉴于此，本发明提出了一种基于开关电容的反向降压型负压直流-直流变换器电路，该电路利用了开关电容特性采用简单电路便可实现负压驱动信号的产生，无需使用外部恒定负电压源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于开关电容的反向降压型负压直流-直流变换器，该变换器电路中压控开关器件无需采用耐高压高压器件实现，且无需额外产生直流负压电源以实现压控开关器件的驱动，电路结构简单易实现。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于开关电容的反向降压型负压直流-直流变换器，包括电压控制模块、缓冲器、第1至第7压控开关器件、第1电容、第2电容；电压控制模块的输入端作为电压E的输入端，电压控制模块的输出端与第7压控开关器件的第二端连接，缓冲器的输入端作为时钟控制信号D的输入端，缓冲器的输出端与第1电容第二端连接，第2电容第一端与第2压控开关器件的第二端、第3压控开关器件的第一端、第7压控开关器件的第一端连接，第1压控开关器件的第一端与第2电容第二端、第6压控开关器件的第一端连接，并作为整个变换器的输出端，第1压控开关器件的第二端与第2压控开关器件的第一端、第6压控开关器件的控制端连接，第1压控开关器件的控制端、第2压控开关器件的控制端分别作为电压B、电压C的输入端，第3压控开关器件的第二端作为电压D的输入端，第3压控开关器件的控制端作为时钟控制信号C的输入端，第4压控开关器件的第一端作为电压A的输入端，第4压控开关器件的第二端与第5压控开关器件的第一端、第2电容第一端连接，第4压控开关器件的控制端作为时钟控制信号A的输入端，第5压控开关器件的第二端连接至GND，第5压控开关器件的控制端作为时钟控制信号B的输入端，第6压控开关器件的第二端连接至GND，第7压控开关器件的控制端作为时钟控制信号E的输入端。
在本发明一实施例中，所述第1至第7压控开关器件均为3端口器件，其端口分别为a、b、c，即分别对应控制端、第一端、第二端；所述第1至第2电容均为2端口器件，其端口分别为a、b，即分别对应其第一端、第二端。
在本发明一实施例中，第1、3、5、6压控开关器件的工作原理为：当其a端与b端或者c端之间的电压差高于阈值电压VTH1时导通；否则断开；第2、4、7压控开关器件的工作原理为：当其b端或者c端与a端之间的电压差高于阈值电压VTH2时导通；否则断开。
在本发明一实施例中，电压A为电源电压；电压B和D低于阈值电压VTH1；电压C低于阈值电压VTH2；电压E高于阈值电压VTH2和VTH1。
在本发明一实施例中，当电压控制模块的输出端电压低于输入端电压时，将强制性把电压控制模块的输出电压抬升到接近输入电压；当电压控制模块的输出端电压高于输入端电压时，电压控制模块将停止工作。
在本发明一实施例中，时钟控制信号A、时钟控制信号B、时钟控制信号C、时钟控制信号D和时钟控制信号E为方波信号。
在本发明一实施例中，电压A、电压B、电压C、电压D和电压E为直流电压。
在本发明一实施例中，该变换器工作方式包括状态A和状态B构成，两个状态周期性地轮换交替发生：
状态A：该状态下时钟控制信号A为逻辑低电平，第4压控开关器件导通，电压A通过第4压控开关器件输入到第2电容第一端，使第2电容第一端的电压变为电压A，时钟控制信号B为逻辑低电平，第5压控开关器件关断，时钟控制信号C、E为逻辑低电平而时钟控制信号D为逻辑高电平，第3压控开关器件关断而第7压控开关器件导通，电压E经电压控制模块输入，此时电压控制模块的输出端电压低于电压E，电压控制模块开始工作，将电压控制模块的输出端强制性抬升到接近电压E，此时第1电容第一端的电压接近电压E，由于时钟控制信号D为逻辑高电平，缓冲器驱动第1电容第二端的电压亦为逻辑高电平，进而将第1电容第一端的电压进一步抬升，此时电压控制模块的输出端电压高于电压E，电压控制模块停止工作；由于此时第2压控开关器件第二端的电压与电压C之间的电压差将超过阈值电压VTH2，因此第2压控开关器件导通，加速了第6压控开关器件控制端电压的抬升；最终第6压控开关器件控制端电压超过阈值电压VTH1，导致第6压控开关器件导通，则使整个变换器输出端电压接近为0，导致第1压控开关器件不满足导通条件而关断；最终第2电容第一端的电压为电压A而第二端电压接近为0完成充电；
状态B：该状态下时钟控制信号A为逻辑高电平，第4压控开关器件关断，时钟控制信号B为逻辑高电平，第5压控开关器件导通，导致第2电容第一端的电压降至接近为0；此时时钟控制信号C、E为逻辑高电平而时钟控制信号D为逻辑低电平，第3压控开关器件导通而第7压控开关器件关断，第二压控开关器件第二端的电压被钳致为电压D；此时由于时钟控制信号D为逻辑低电平，缓冲器驱动第1电容第二端的电压为逻辑低电平，第1电容进行放电，由于此时第2压控开关器件第二端的电压等于电压D与电压C的压差小于阈值电压VTH2，因此第2压控开关器件将关断；此时第2电容的第一端由电压A转变约为0，整个变换器输出端电压将变成一绝对值接近电压A的负电压；当整个变换器输出端电压为负电压时，电压B与整个变换器输出端电压之间的压差大于阈值电压VTH1，因此第1压控开关器件将导通，导致第6压控开关器件控制端电压接近整个变换器输出端电压的负电压，进而导致第6压控开关器件不满足开启条件而关断。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出的开关电容的反向降压型负压直流-直流变换器电路中压控开关器件无需采用耐高压高压器件实现，且无需额外产生直流负压电源以实现压控开关器件的驱动，电路结构简单易实现。
附图说明
图1为本发明提出的基于开关电容的反向降压型负压直流-直流变换器电路结构图。
图2为本发明一实例构成的反向降压型负压直流-直流变换器电路整体结构。
图3为本发明整体电路的输出电压时序图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种基于开关电容的反向降压型负压直流-直流变换器，包括电压控制模块、缓冲器、第1至第7压控开关器件、第1电容、第2电容；电压控制模块的输入端作为电压E的输入端，电压控制模块的输出端与第7压控开关器件的第二端连接，缓冲器的输入端作为时钟控制信号D的输入端，缓冲器的输出端与第1电容第二端连接，第2电容第一端与第2压控开关器件的第二端、第3压控开关器件的第一端、第7压控开关器件的第一端连接，第1压控开关器件的第一端与第2电容第二端、第6压控开关器件的第一端连接，并作为整个变换器的输出端，第1压控开关器件的第二端与第2压控开关器件的第一端、第6压控开关器件的控制端连接，第1压控开关器件的控制端、第2压控开关器件的控制端分别作为电压B、电压C的输入端，第3压控开关器件的第二端作为电压D的输入端，第3压控开关器件的控制端作为时钟控制信号C的输入端，第4压控开关器件的第一端作为电压A的输入端，第4压控开关器件的第二端与第5压控开关器件的第一端、第2电容第一端连接，第4压控开关器件的控制端作为时钟控制信号A的输入端，第5压控开关器件的第二端连接至GND，第5压控开关器件的控制端作为时钟控制信号B的输入端，第6压控开关器件的第二端连接至GND，第7压控开关器件的控制端作为时钟控制信号E的输入端。
以下为本发明的具体实现实例。
本发明一种基于开关电容的反向降压型负压直流-直流变换器由电压控制模块、缓冲器、压控开关器件1、压控开关器件2、压控开关器件3、压控开关器件4、压控开关器件5、压控开关器件6、压控开关器件7、电容1、电容2等构成；本发明所述电路的输入端包括：时钟控制信号A、时钟控制信号B、时钟控制信号C、时钟控制信号D、时钟控制信号E、电压A、电压B、电压C、电压D、电压E；其输出端为转换信号B；本发明所述电路的结构如图1所示。其中电压A、电压B、电压C、电压D和电压E为直流电压；压控开关器件1~7为3端口器件，其端口分别为a、b、c，其中压控开关器件 1、3、5、6工作原理为：当其a端与b端或者c端之间的电压差高于阈值电压VTH1时导通；否则断开。压控开关器件2、4和7工作原理为：当其b端或者c端与a端之间的电压差高于阈值电压VTH2时导通；否则断开。电压控制模块工作原理：当电压控制模块的输出端电压低于输入端电压时，将强制性把电压控制模块的输出电压抬升到接近输入电压；当电压控制模块的输出端电压高于输入端电压时，电压控制模块将停止工作。工作时，电压A为电源电压；电压B和D应当低于阈值电压VTH1；电压C应当低于阈值电压VTH2。电压E应当高于阈值电压VTH2和VTH1。时钟控制信号A控制压控开关器件4，时钟控制信号B控制压控开关器件5，时钟控制信号C控制压控开关器件3，时钟控制信号E控制压控开关器件7，转换信号C控制压控开关器件6。
该负压直流-直流变换器工作流程由状态A和状态B构成，两个状态周期性地轮换交替发生：
状态A：该状态下时钟控制信号A为逻辑低电平，压控开关器件4导通，输入的电压A通过压控开关器件4输入到电容2的a端，转换信号A变为电压A。时钟控制信号B亦为逻辑低电平，压控开关器件5关断。时钟控制信号C、E为逻辑低电平而时钟控制信号D为逻辑高电平，压控开关器件3关断而压控开关器件7导通，此时由于转换信号D的电压低于电压E，电压控制模块驱动转换信号D电压接近电压E。此时时钟控制信号D为逻辑高电平，缓冲器驱动转换信号E亦为逻辑高电平，进而将转换信号D电压进一步抬升，此时转换信号D的电压高于电压E，因此电压控制模块停止工作；由于此时转换信号D电压与电压C之间的电压差将超过阈值电压VTH2，因此压控开关器件2导通，加速了转换信号C电压的抬升；最终转换信号C的电压超过阈值电压VTH1，导致压控开关器件6导通，则转换信号B的电压接近为0。转换信号B电压的变化将导致压控开关器件1不满足导通条件而关断。最终电容2的a端为电压A而b端接近为0完成了充电。
状态B：该状态下时钟控制信号A为逻辑高电平，压控开关器件4关断。时钟控制信号B为逻辑高电平，压控开关器件5导通，导致转换信号A电压降至接近为0。此时时钟控制信号C、E为逻辑高电平而时钟控制信号D为逻辑低电平，压控开关器件3导通而压控开关器件7关断，转换信号D被钳致为电压D。此时时钟控制信号D为逻辑低电平，缓冲器2驱动转换信号E电压为逻辑低电平，此时电容1进行放电。由于此时转换信号D的电压等于电压D与电压C的压差小于阈值电压VTH2，因此压控开关器件2将关断。此时电容2的a端由电压A转变约为0，转换信号B的电压将变成一绝对值接近电压A的负电压。当转换信号B为负电压时，电压B与转换信号B电压之间的压差大于阈值电压VTH1，因此压控开关器件1将导通,导致转换信号C电压接近转换信号B的负电压，进而导致压控开关器件6不满足开启条件而关断。
图2为使用本发明技术构成的完整的反向降压型负压直流-直流变换器电路结构。其中输入端的时钟控制信号A、时钟控制信号B、时钟控制信号C、时钟控制信号D和时钟控制信号E接方波信号，电压A、电压B、电压C、电压D和电压E接直流电压；图1电路的输出端输出转换信号B与电感相连，电感与电容3和负载电阻并联，输出电压为负载电阻上的电压。具体电路工作时序图如图3所示：其中时钟控制信号A、时钟控制信号B、时钟控制信号C和时钟控制信号E为同向输入信号，和时钟控制信号E为反向输入信号，图3给出了本发明所示电路中的转换信号A、转换信号B、转换信号C和转换信号D的时序图，图3也给出了整体电路的输出电压时序图。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于开关电容的反向降压型负压直流-直流变换器，其特征在于，包括电压控制模块、缓冲器、第1至第7压控开关器件、第1电容、第2电容；电压控制模块的输入端作为电压E的输入端，电压控制模块的输出端与第7压控开关器件的第二端连接，缓冲器的输入端作为时钟控制信号D的输入端，缓冲器的输出端与第1电容第二端连接，第1电容第一端与第2压控开关器件的第二端、第3压控开关器件的第一端、第7压控开关器件的第一端连接，第1压控开关器件的第一端与第2电容第二端、第6压控开关器件的第一端连接，并作为整个变换器的输出端，第1压控开关器件的第二端与第2压控开关器件的第一端、第6压控开关器件的控制端连接，第1压控开关器件的控制端、第2压控开关器件的控制端分别作为电压B、电压C的输入端，第3压控开关器件的第二端作为电压D的输入端，第3压控开关器件的控制端作为时钟控制信号C的输入端，第4压控开关器件的第一端作为电压A的输入端，第4压控开关器件的第二端与第5压控开关器件的第一端、第2电容第一端连接，第4压控开关器件的控制端作为时钟控制信号A的输入端，第5压控开关器件的第二端连接至GND，第5压控开关器件的控制端作为时钟控制信号B的输入端，第6压控开关器件的第二端连接至GND，第7压控开关器件的控制端作为时钟控制信号E的输入端。
2.根据权利要求1所述的基于开关电容的反向降压型负压直流-直流变换器，其特征在于，所述第1至第7压控开关器件均为3端口器件，其端口分别为a、b、c，即分别对应控制端、第一端、第二端；所述第1至第2电容均为2端口器件，其端口分别为a、b，即分别对应其第一端、第二端。
3.根据权利要求2所述的基于开关电容的反向降压型负压直流-直流变换器，其特征在于，第1、3、5、6压控开关器件的工作原理为：当其a端与b端或者c端之间的电压差高于阈值电压VTH1时导通；否则断开；第2、4、7压控开关器件的工作原理为：当其b端或者c端与a端之间的电压差高于阈值电压VTH2时导通；否则断开。
4.根据权利要求1所述的基于开关电容的反向降压型负压直流-直流变换器，其特征在于，电压A为电源电压；电压B和D低于阈值电压VTH1；电压C低于阈值电压VTH2；电压E高于阈值电压VTH2和VTH1。
5.根据权利要求1所述的基于开关电容的反向降压型负压直流-直流变换器，其特征在于，当电压控制模块的输出端电压低于输入端电压时，将强制性把电压控制模块的输出端电压抬升到接近输入端电压；当电压控制模块的输出端电压高于输入端电压时，电压控制模块将停止工作。
6.根据权利要求1所述的基于开关电容的反向降压型负压直流-直流变换器，其特征在于，时钟控制信号A、时钟控制信号B、时钟控制信号C、时钟控制信号D和时钟控制信号E为方波信号。
7.根据权利要求1所述的基于开关电容的反向降压型负压直流-直流变换器，其特征在于，电压A、电压B、电压C、电压D和电压E为直流电压。
8.根据权利要求1至7任一所述的基于开关电容的反向降压型负压直流-直流变换器，其特征在于，该变换器工作方式包括状态A和状态B构成，两个状态周期性地轮换交替发生：
状态A：该状态下时钟控制信号A为逻辑低电平，第4压控开关器件导通，电压A通过第4压控开关器件输入到第2电容第一端，使第2电容第一端的电压变为电压A，时钟控制信号B为逻辑低电平，第5压控开关器件关断，时钟控制信号C、E为逻辑低电平而时钟控制信号D为逻辑高电平，第3压控开关器件关断而第7压控开关器件导通，电压E经电压控制模块输入，此时电压控制模块的输出端电压低于电压E，电压控制模块开始工作，将电压控制模块的输出端强制性抬升到接近电压E，此时第1电容第一端的电压接近电压E，由于时钟控制信号D为逻辑高电平，缓冲器驱动第1电容第二端的电压亦为逻辑高电平，进而将第1电容第一端的电压进一步抬升，此时电压控制模块的输出端电压高于电压E，电压控制模块停止工作；由于此时第2压控开关器件第二端的电压与电压C之间的电压差将超过阈值电压VTH2，因此第2压控开关器件导通，加速了第6压控开关器件控制端电压的抬升；最终第6压控开关器件控制端电压超过阈值电压VTH1，导致第6压控开关器件导通，则使整个变换器输出端电压接近为0，导致第1压控开关器件不满足导通条件而关断；最终第2电容第一端的电压为电压A而第二端电压接近为0完成充电；
状态B：该状态下时钟控制信号A为逻辑高电平，第4压控开关器件关断，时钟控制信号B为逻辑高电平，第5压控开关器件导通，导致第2电容第一端的电压降至接近为0；此时时钟控制信号C、E为逻辑高电平而时钟控制信号D为逻辑低电平，第3压控开关器件导通而第7压控开关器件关断，第二压控开关器件第二端的电压被钳至为电压D；此时由于时钟控制信号D为逻辑低电平，缓冲器驱动第1电容第二端的电压为逻辑低电平，第1电容进行放电，由于此时第2压控开关器件第二端的电压等于电压D与电压C的压差小于阈值电压VTH2，因此第2压控开关器件将关断；此时第2电容的第一端由电压A转变约为0，整个变换器输出端电压将变成一绝对值接近电压A的负电压；当整个变换器输出端电压为负电压时，电压B与整个变换器输出端电压之间的压差大于阈值电压VTH1，因此第1压控开关器件将导通，导致第6压控开关器件控制端电压接近整个变换器输出端电压的负电压，进而导致第6压控开关器件不满足开启条件而关断。
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