CN113258550A - 电压倍增器系统 - Google Patents

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Abstract

本文中的本发明提供了一种用于电气装置的电压倍增器系统。该系统包括适于产生时钟信号的多谐振荡器和电压倍增器模块。此外，多谐振荡器包括一对晶体管和至少一个电阻器‑电容器模块。此外，至少一个电阻器‑电容器模块连接在所述一对晶体管中的每一个的发射极端子与基极端子之间，以限制所述一对晶体管中的每一个的基极端子和发射极端子之间的电压。电压倍增器模块适于基于从多谐振荡器接收到的时钟信号来将输入电压升压。

Description

电压倍增器系统
技术领域
本发明总体上涉及一种电压倍增器系统，更具体地，涉及当电池的极性反向连接到该装置时连接在电池和电气装置之间的电压倍增器系统。
背景技术
通常，诸如电加热器的装置或其他电气装置通过开关装置连接至电池组，以具有受控的环境。开关装置可以是MOSFET，它需要栅极电压才能导通。通常，电池组的正极和负极端子分别连接到加热器的正极和负极端子。开关装置连接在电加热器和电池组的两个负极之间。此外，开关装置的源极端子可以连接至电池组的负极端子，而开关装置的漏极端子可以与加热器的负极端子连接。当电池的极性与加热器正确地连接时，即如上所述，由于跨栅极和源极的电压足以使开关装置的源极和漏极端子短路，因此开关装置导通。因此，当电池组和电加热器正常连接时，通过控制提供给开关装置的栅极端子的电压来控制电加热器。
如果电池组的极性相对于电加热器相反，则开关装置可能不会导通，因为源极端子处的电压与栅极电压相同，因此栅极和源极端子之间的电压为零。这种情况下，源极端子连接到电池组的正极端子，因此源极端子处的电压小于或等于开关装置的栅极端子处的电压。因此，跨栅极和源极端子的电压低于导通开关装置所需的阈值电压。因此，由于栅极和源极端子之间的电压为零(或至少非常低)，因此不能适当地控制开关装置，从而存在在开关装置上发生故障的风险，这是安全性方面的问题。当电池组反向连接到电加热器或任何其他电气装置时，由于开关装置效率低下或无法操作，因此损害了系统的整体安全性。
发明内容
因此，需要一种系统，以使开关装置保持导通状态，而与通过开关装置将电池组的极性连接到任何电气装置的方式无关。此外，还需要一种系统，当开关装置连接在电池组的正极端子与电气装置之间时，其增加输入电压以将开关装置维持在操作状态。此外，还需要控制电气装置的保护系统。
本发明的一个目的是提供一种电压倍增器系统，该电压倍增器系统增加在连接到电气装置的开关装置处接收到的电压。
本发明的另一个目的是提供一种电气装置，其包括增加电压的电压倍增器系统。
本发明的又一个目的是提供一种具有用于调制电压的功率调制开关的电气装置。
本发明的另一个目的是提供一种电压倍增器系统，该电压倍增器系统被配置为增加开关装置的栅极电压。
鉴于前述内容，本发明的实施例在此提供了一种用于电气装置的电压倍增器系统。该系统包括适于产生时钟信号的多谐振荡器和电压倍增器模块。此外，多谐振荡器包括一对晶体管和至少一个电阻器-电容器模块。此外，至少一个电阻器-电容器模块连接到所述一对晶体管中的每一个，以限制所述一对晶体管中的每一个的基极端子和发射极端子之间的电压。电压倍增器模块适于基于从多谐振荡器接收到的时钟信号来将输入电压升压。
在一个实施例中，多谐振荡器还包括二极管，该二极管连接到该对晶体管中的每一个的发射极端子并接地。在另一个实施例中，电压倍增器模块是具有适于将输入电压加倍的推挽放大器的电荷泵。
此外，该系统包括连接到电荷泵的输出以确定电荷泵中产生的峰值电压的峰值检测器。
此外，至少一个电阻器-电容器模块与该对晶体管中的每一个的发射极端子和基极端子并联连接。
在一个实施例中，在多谐振荡器的相应晶体管处于导通状态的同时，电阻器-电容器模块中的电容器充电。
在另一实施例中，至少一个电阻器-电容器模块包括电阻器和与电阻器并联连接的电容器。此外，当对应的晶体管处于导通状态时，电容器适于充电，并且电阻器适于使存储在电容器中的电荷消散。
在又一个实施例中，电荷泵包括长尾对晶体管，其适于基于从多谐振荡器接收到的时钟信号来将输入电压升压。在本发明的另一方面中，提供具有电压倍增器系统的电气装置以增加电压。
附图说明
本发明的其他特征，细节和优点可以从下面的发明描述中得出。当结合附图考虑以下详细描述时，通过参考以下详细描述，将容易获得对本发明及其许多附带优点的更完整的理解，且将本发明及其许多附带优点将被更好地理解，在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例的电气系统的框图，该电气系统具有通过开关装置和电压倍增器系统为电气装置供电的电源。
图2A示出了根据本发明实施例的图1的电压倍增器系统的框图。
图2B是图2A的电压倍增器系统的电路图。
图3A和图3B示出了根据本发明的另一实施例的具有图1的一对电阻器-电容器模块的电压倍增器系统的框图和电路示意图；和
图4A和图4B示出了图2A和图3A的晶体管对的基极和发射极两端的电压的示意性表示，分别不具有和具有电阻器-电容器模块。
具体实施方式
必须注意的是，附图以足够详细的方式来公开本发明以实现本发明，如果需要，这些附图有助于更好地定义本发明。然而，本发明不应限于说明书中公开的实施例。
本发明涉及，当电源的极性通过开关装置反向连接到任何电气装置时，用于电源的电压倍增器系统。通常，开关装置可以是MOSFET，其连接在电源和电气装置之间以控制电气装置。在一实施例中，电源可以是电池组。如果电源的极性反向连接到电气装置，并且开关装置连接在电源的正极端子和电气装置之间，则由于开关装置的栅极和源极端子之间的电压为零，开关装置可能无法导通。因此，当电源的极性反向连接到电气装置时，不可能控制电气装置。为了避免这种情况，添加了电压倍增器电路/系统。电压倍增器系统配置为增加开关装置的栅极电压。电压倍增器系统可以将电压升压到将开关装置维持在导通状态所需的水平。因此，当将栅极电压施加到开关装置的栅极时，开关装置保持在导通状态，从而电源可以为电气装置供电。此外，可以通过去除开关装置的栅极电压来使电气装置断电。
图1示出了电气系统100的框图，该电气系统100具有通过开关装置106为电气装置104供电的电源102。在该实施例中，电气装置104是在汽车中使用的电加热器。开关装置106可以包括MOSFET 110A-D(金属氧化物半导体场效应晶体管)以控制加热器。加热器104可包括连接在电源的第一端子102A和MOSFET 110A-D的漏极端子之间的加热元件112。此外，MOSFET110A-D的源极端子连接到电源的第二端子102B。当电池正确连接时，第一端子102A是电源102的正极端子，第二端子102B是电源102的负极端子/接地端子。在这种情况下，MOSFET 110A-D的栅极和源极端子之间的电压足以导通开关装置。当电池反向连接时，MOSFET 110A-D的栅极和源极端子之间的电压小于导通MOSFET 110A-D所需的阈值电压。因此，当电源102的极性反向连接到加热器104时，电源102不能为加热器104供电。为了克服这些问题，在开关装置106和电源102的第一端子102A之间连接了电压倍增器系统/电路108。电压倍增器系统108可以将从电源102接收到的输入电压升压到高于阈值电压的水平，以便开关装置106可以导通并为加热器104供电。此外，在接下来的附图中清楚地解释了电压倍增器系统108。尽管用加热器104说明了电压倍增器系统108，但是它可以应用于任何电气装置。
图2A和2B示出了根据本发明的实施例的图1的电压倍增器系统108的框图和电路图。在一个示例中，图2A示出了电压倍增器系统108的框图，并且图2B是电压倍增器系统108的电路图。此外，电压倍增器系统108适于升高用于开关装置的栅极的电压，以便获得在开关装置的栅极和源极之间的最佳电压，这是将开关装置转换成导通状态所需的。在一实施例中，电压倍增器系统108可将用于开关装置的栅极的电压加倍。在另一个实施例中，器系统108可以将电压增加到等于当电池被正确连接时栅极电压的正常值的水平，乘以1.8至2.2范围内的倍数，优选地在1.9至2.1范围内。电压倍增器系统108包括多谐振荡器202和电耦合到多谐振荡器202的电压倍增器模块204，优选为电荷泵。在一个实施例中，多谐振荡器202是不稳定的多谐振荡器，其为电荷泵204产生脉冲宽度调制(PWM)信号。此外，一对二极管206A、206B连接到多谐振荡器，以减小跨多谐振荡器202的一对晶体管210A、210B的电压。在一个示例中，至少一个二极管206A连接在晶体管210A、210B中的每一个的漏极端子与接地之间。在一个实施例中，一对二极管206A、206B是齐纳二极管。此外，晶体管210A、210B生成提供给电荷泵204的时钟信号。电荷泵204是一种放大器，其对提供给开关装置106的栅极的输入信号进行升压。尽管一对二极管206A、206B减小了跨一对晶体管210A、210B的电压，但是跨该对晶体管210A、210B的基极和发射极端子的电压仍然足够大以至于损坏晶体管210A、210B。在此示例中，一对晶体管210A、210B可以承受基极和发射极端子之间的最大5V电压，但是基极和发射极端子之间的电压约为8.5V，大于5V的阈值电压。因此，晶体管210A、210B可能被损坏。为了克服这个问题，在一对晶体管210A、210B中的每一个的基极和发射极端子之间连接了电阻器和电容器。此外，在本文档的后续附图中对此进行了清楚的说明。
图3A和图3B示出了根据本发明的另一实施例的具有一对电阻器-电容器模块302A、302B的电压倍增器系统108的框图和电路示意图。如前所述，电压倍增器系统108包括：多振动器202，特别是不稳定多振动器，其设置有一对晶体管210A、210B；以及电荷泵204，其连接到一对晶体管210A、210B。此外，一对二极管206A、206B连接到多谐振荡器，以减小跨多谐振荡器202的一对晶体管210A、210B的电压。在一个示例中，至少一个二极管206A连接在晶体管210A、210B中的每一个的漏极端子与接地之间。此外，在一对晶体管210A，210B中的每一个的漏极和基极端子之间连接至少一个电阻器-电容器模块302A、302B。在一个实施例中，一对电阻器-电容器模块302A、302B中的每一个包括彼此并联连接的电阻器304A、304B和电容器306A、306B。
在该示例中，被认为是第一晶体管210A和第二晶体管210B的一对晶体管210A、210B通过电阻器连接到电源102的第一端子102A。此外，在该示例中，一对二极管206A、206B被称为第一二极管206A和第二二极管206B。当第一晶体管210A处于导通状态时，第一二极管206A导通电压，同时电容器306A充电至其全部容量。此外，连接到电容器306A的相应电阻器304A将通过电容器306A充电的电压放电。换句话说，电阻器304A耗散存储在电容器306A中的能量。当在第一晶体管210A处于导通状态期间电容器306A充电时，第一晶体管210A的基极和发射极端子之间的电压减小到阈值电压以下。此外，当第二晶体管210B处于导通状态时，将相同的操作应用于第二晶体管210B。此外，第一晶体管210A和第二晶体管210B交替地处于导通状态和非导通状态，从而以一定频率产生时钟信号。
如上所述，当第一晶体管210A处于导通状态时，第二晶体管210B处于非导通状态，反之亦然。因此，在多谐振荡器202的输出处生成时钟信号。当第一晶体管210A处于导通状态时，第一二极管206A和第一电容器306A将跨第一晶体管210A的基极和漏极端子的电压限制在第一晶体管210A的阈值电压以下，从而避免了对第一晶体管210A的损坏并产生时钟信号。此外，当第二晶体管210B处于导通状态时，第二二极管206B和第二电容器306B将跨第二晶体管210B的基极和发射极端子的电压限制在第二晶体管210B的阈值电压以下，从而避免了损坏第二晶体管210B并产生时钟信号。在该示例中，如图3B所示，该对晶体管210A、210B的阈值电压为5V，并且跨晶体管210A、210B的基极和发射极端子的电压为2.70V，小于所述阈值电压。
此外，所产生的时钟信号被提供给电荷泵204以将输入电压升压。电荷泵204可以是具有长尾对晶体管312的推挽放大器，长尾对晶体管312适于基于从多谐振荡器202接收到的时钟信号来将输入电压升压。在一个实施例中，长尾对晶体管312连接到多谐振荡器202。根据一个实施例，长尾对晶体管312适于将电压升压至其原始输入电压的两倍。此外，电荷泵204的输出连接到峰值检测器208，以确定在电荷泵204中产生的峰值电压。在一个实施例中，电压倍增器系统108还包括连接在电荷泵204的输出与峰值检测器208之间的阻塞二极管310，以限制电压反向流入电荷泵204。
图4A和图4B示出了在分别没有一对电阻器-电容器模块302A、302B和具有一对电阻器-电容器模块302A、302B的情况下，跨图2A和图3A的一对晶体管210A、210B的基极和发射极端子的电压的示意图。在一个示例中，图4A是示出当没有电阻器-电容器模块302A、302B连接到一对晶体管210A、210B时，在一对晶体管210A、210B的基极和发射极之间的最大电压的波形。从图4A所示的波形中可以明显看出，跨一对晶体管210A、210B的基极和发射极端的最大电压大于晶体管对210A、210B的阈值电压。因此，基极和发射极端子之间的电压可能损坏一对晶体管210A、210B。在该示例中，一对晶体管210A、210B的阈值电压是5V。因此，该对电阻器-电容器模块302A、302B连接在该对晶体管210A、210B中的每一个的基极和发射极端子之间，以减小跨该对晶体管210A、210B的基极和发射极端子的最大电压。图4B是示出当一对电阻器-电容器模块302A、302B连接到一对晶体管210A、210B时，跨该对晶体管210A、210B的基极和发射极端的最大电压的波形。从图4B显而易见的是，当将一对电阻器-电容器模块302A、302B连接在一对晶体管210A的基极和发射极端子之间时，基极和发射极端子之间的电压降低到阈值电压以下，因此避免了对一对晶体管210A、210B的损坏。
根据本发明的另一方面，电气装置104可以包括如上所述的电压倍增器系统108。根据另一方面，电气装置104包括功率调制开关106，也称为开关装置。在本发明的一方面，电压倍增器系统108被配置为增加开关装置106的栅极电压。在另一方面，电气装置104是特别用于车辆的电加热器，其中，加热功率由功率调制开关106控制。
再次参考图1，由电荷泵204升压的电压被提供给开关装置106的栅极。在该示例中，将开关装置106的MOSFET 110A-D切换到导通状态所需的最小电压是12V，并且来自电源的输入电压是12V。因此，输入电压必须加倍，即达到24V，以将开关装置106保持在导通状态。电荷泵204可以基于从多谐振荡器202接收到的时钟信号将12V的输入电压翻倍至24V，从而，开关装置106接收在MOSFET 110A-D的栅极端子处的24V。此外，栅极电压施加到MOSFET 110A-D的栅极端子，从而开关器件106处于导通状态，即使是在将电源102的极性反向连接到加热器104时。
无论如何，由于可能存在其他实施例，因此本发明不能也不应该限于本文中具体描述的实施例。本发明应扩展到任何等同的手段和手段的任何技术操作的组合。

Claims (10)

1.一种用于电气装置的电压倍增器系统(108)，包括：
适于产生时钟信号的多谐振荡器(202)，其中，所述多谐振荡器(202)还包括：
一对晶体管(210A，210B)；
至少一个电阻器-电容器模块(302A，302B)，连接到所述一对晶体管(210A，210B)中的每一个，以限制所述一对晶体管(210A，210B)中的每一个的基极端子和发射极端子之间的电压；和
电压倍增器模块(204)，适于基于从所述多谐振荡器(202)接收到的时钟信号来将输入电压升压。
2.根据权利要求1所述的电压倍增器系统(108)，其中，所述多谐振荡器(202)包括二极管(206A，206B)，所述二极管连接到所述一对晶体管(210A，210B)中的每一个的发射极端子并接地。
3.根据权利要求1或2所述的电压倍增器系统(108)，其中，所述电压倍增器模块(204)是具有适于增加输入电压的推挽放大器的电荷泵。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电压倍增器系统(108)，还包括连接到所述电荷泵(204)的输出以确定所述电荷泵(204)中产生的峰值电压的峰值检测器(208)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电压倍增器系统(108)，其中，所述至少一个电阻器-电容器模块(302A，302B)并联连接到所述一对晶体管(210A，210B)中的每一个的漏极端子和基极端子。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电压倍增器系统(108)，其中，所述至少一个电阻-电容器模块(302A，302B)包括电阻器(304A，304B)和与所述电阻器(304A，304B)并联连接的电容器(306A，306B)。
7.根据权利要求6所述的电压倍增器系统(108)，其中，所述电容器(306A，306B)适于在所述多谐振荡器(202)的相应晶体管处于导通状态时充电。
8.根据权利要求7所述的电压倍增器系统(108)，其中，所述电阻器-电容器模块(302A，302B)中的电阻器(304A，304B)适于耗散存储在电容器(306A，306B)中的电荷。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的电压倍增器系统(108)，其中，所述电荷泵(204)包括长尾对晶体管(312)，所述长尾对晶体管(312)适于基于从所述多谐振荡器(202)接收到的时钟信号来将输入电压升压。
10.一种电气装置，包括根据前述权利要求1至9中任一项所述的电压倍增器系统。
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