CN113765355A - 一种超低输入电压dc/dc升压装置 - Google Patents

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Abstract

一种超低输入电压DC/DC升压装置，包括第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、电感L1、内部供电模块、PWM产生模块和低压启动控制模块。当电源电压V3未达到相应的电压阈值时，低压启动控制模块根据接收到的反向POK信号，输出一个抬升且周期性的电压信号CLKN驱动所述第二晶体管Q2导通与关闭，使电源电压V3的上升，直到接收到电源OK子模块检测到电源电压V3达到所述预定阈值，则关闭低压启动控制模块。因此，本发明可有效解决升压装置对输入电源电压V1要求的限制，即输入电源电压V1在超低电压情况下，亦可保证DC/DC升压装置正常启动并正常工作。

Description

一种超低输入电压DC/DC升压装置
技术领域
本发明属于直流升压电路设计技术领域，涉及一种超低输入电压DC/DC升压装置。
背景技术
目前，输入电压DC/DC直流升压装置应用越来越广泛，例如，常应用于直流碱性电池、镍氢充电电池、锂锰电池或锂离子充电电池等需要直流升压的场景。
请参阅图1，图1所示为现有技术中超低输入电压DC/DC升压装置的示意图。该DC/DC升压装置用以将输入电源电压V1经装置处理后输出一个等于或高于输入电源电压V1的输出电源电压V2。
如图1所示，其包括电源切换控制模块(Power Switch)、逻辑反相器(INV)、误差放大器模块(EAMP)、PWM比较器模块(CMP)、逻辑控制模块(PWM Control Logic)、驱动模块(DRVIER)、基准电压源模块(VREF)、振荡器模块(OSC)、斜坡补偿模块(Slopecompensation)、反馈电阻(RFB1,RFB2,RFB3,RFB4)、电源OK模块(PowerOK)、P型晶体管(Q1,Q3,Q4)、N型晶体管(Q2)、电感(L1)和电容(C1,C2)等元件。
上述启动控制电路内部模块电源为电源电压V3，其分别连接P型晶体管Q3和Q4的一端，P型晶体管Q3和Q4的另一端分别连接输入电源电压V1和输出电源电压V2，电源切换模块通过判断输入电源电压V1和输出电源电压V2的大小，输出判断信号控制P型晶体管Q3和P型晶体管Q4的开启或关闭，由此，决定电源电压V3由输入电源电压V1还是输出电源电压V2来提供给内部模块。当输入电源电压V1大于输出电源电压V2时，内部模块的供电电源V3来自输入电源电压V1，当输出电源电压V2大于输入电源电压V1时，内部模块的供电电源V3切换为来自输出电源电压V2。
也就是说，电源切换控制模块用以切换内部模块供电电源，当输出电源电压V2大于输入电源电压V1时，开启P型晶体管Q4和关闭P型晶体管Q3；当输出电源电压V2小于输入电源电压V1时，开启P型晶体管Q3和关闭P型晶体管Q4。
此外，上述控制装置中的内部模块正常工作需满足电源电压V3达到一定的电压值时才可正常启动工作。当电源电压V3满足启动电压需求，基准电压模块优先开始工作，输出基准参考电压VREF用于误差放大器、振荡器和比较器CMP比较模块的运作。当电源OK模块判断V3电压正常输出POK信号给逻辑控制模块，控制该装置内所有模块开始工作；此时，输出电源电压V2较低，通过RFB1和RFB2的分压得到的FB信号处于较低值，FB信号和VREF信号经过误差放大器模块的处理输出COMP信号送入PWM比较器模块的一端输入，和PWM比较器模块的另一端由振荡器模块和斜坡补偿模块输出的周期性RAMP信号进行比较，得到PWM方波信号，经过逻辑控制模块的处理输出DR信号提供给驱动模块，驱动模块输出信号CLKN将N型晶体管Q2开启，输入电源电压V1和接地端GND之间形成回路，此时，对储能电感L1充电进储能，而后驱动模块将N型晶体管Q2关闭，打开P型晶体管Q1，在输入电源电压V1和V2之间形成回路，此时的储能电感L1上有电流存在，而电感L1电流无法突变，此时电感L1两端形成的电压VL，和输入电源电压V1同时向输出电源电压V2传输能量，使V2电压上升，通过电阻RFB1和电阻RFB2的分压得到的FB信号大于VREF，此时，经过误差放大器模块和PWM比较器模块不再输出PWM方波信号，N型晶体管Q2无法开启，直到FB信号小于VREF，才会重新开启N型晶体管Q2给储能电感L1充电，周而复始保证输出电源电压V2输出一稳定的电压。而当电源电压V3通过电源OK模块检测到的其电压低于VREF时，即发生电源电压过低情况，会输出POK的反向信号给控制逻辑模块关闭装置内所有的模块。
然而，请参阅图2，上述启动控制电路存在如下缺陷：
在启动时想让升压装置正常工作，就需要对输入电源电压V1进行限定，过低的输入电源电压V1，会导致电路内模块无法正常工作，使升压装置对输入电源电压V1应用范围产生限制。
发明内容
为解决的上述技术问题，本发明提出一种超低输入电压DC/DC升压装置，其技术方案如下：
一种超低输入电压DC/DC升压装置，用于将输入的直流电源电压V1升压成直流电源电压V2；包括：
第一晶体管Q1、第二晶体管Q2和电感L1；所述电感L1连接在所述直流电源电压V1输入端与所述第一晶体管Q1和第二晶体管Q2漏极连接点SW之间；所述第一晶体管Q1的源极接地，第二晶体管Q2的源极接所述直流电源电压V2的输出端；内部供电模块，用于根据电源电压V1和电源电压V2产生所述DC/DC升压装置中各模块供电的电源电压V3以及对电源电压V3的电源阈值进行判断；其包括电源OK子模块所述电源OK子模块用于判断电源电压V3是否大于等于一预定阈值，如果是，输出正向POK信号，否则，输出反向POK信号；
PWM产生模块，产生一PWM方波信号；
升压系统驱动控制模块，根据接收到的PWM方波信号和POK信号，若接收到的所述POK信号为正向的POK，则根据PWM方波信号输出信号相应的CLKP和CLKN控制所述第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的栅极；当CLKN控制第二晶体管Q2开启，CLKP控制第一晶体管关闭时，所述电源电压V1和接地端GND之间形成回路，此时，对所述电感L1充电进行储能；当CLKN控制第二晶体管Q2关闭，控制第一晶体管Q1开启时，在所述电源电压V1和V2之间形成回路，而此时的电感L1上有电流存在，因电感L1电流无法突变在电感L1两端形成的电压差VL，和输入电源电压V1同时向输出电源电压V2传输能量，使V2电压上升；
低压启动控制模块，当电源电压V3未达到相应的电压阈值时，根据接收到的反向POK信号，输出一个抬升且周期性的电压信号CLKN驱动所述第二晶体管Q2导通与关闭，使电源电压V3的上升，直到接收到所述电源OK子模块检测到所述电源电压V3达到所述预定阈值，则关闭低压启动控制模块。
进一步地，所述低压启动控制模块包括检测控制模块、电荷泵模块和电荷泵振荡器模块；当所述检测控制模块接收所述反向POK信号以控制振荡器和电荷泵的开启，电荷泵振荡器模块用来产生周期性的方波信号输出给电荷泵模块，用以输出一个抬升且周期性的电压信号CLKN，当所述检测控制模块接收所述正向POK信号以控制振荡器和电荷泵的关闭。
进一步地，所述低压启动控制模块还包括电平转换模块，连接在所述检测控制模块和所述电荷泵振荡器模块之间，用以转换从所述检测控制模块输出的不同电源电压之间的逻辑信号。
进一步地，所述内部供电模块还包括电源切换子模块，所述电源切换子模块当电源电压V1大于电源电压V2时，其将切换成用所述电源电压V1给内部电源电压V3供电；当电源电压V2大于电源电压V1时，切换成用所述电源电压V2给电源电压V3供电。
进一步地，所述升压系统驱动控制模块包括逻辑控制模块LOGIC和驱动模块DRIVER，所述逻辑控制模块LOGIC接收所述POK信号和PWM方波信号输出，若接收到的所述POK信号为正向的POK，则产生驱动信号DR1到所述驱动模块DRIVER，所述驱动模块DRIVER输出信号CLKP和信号CLKN。
进一步地，所述内部供电模块还包括第三晶体管Q3和第四晶体管Q4；所述第三晶体管Q3的源极接电压V1，所述第四晶体管Q4的源极接所述电压V2，且所述第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的漏极输出电源电压V3；当电压V2大于电压V1时，所述电源切换子模块控制开启第四晶体管Q4和关闭第三晶体管Q3；当电压V2小于电压V1时，所述电源切换子模块控制开启第三晶体管Q3和关闭第四晶体管Q4；所述电源OK子模块根据所述电源电压V3，输出所述正向POK信号或所述反向POK信号。
进一步地，所述PWM产生模块包括误差放大器模块EAMP、斜坡补偿模块、基准电压源模块VREF、PWM比较器模块和振荡器OSC；所述基准电压源模块用以产生恒定的电压参考信号；斜坡补偿模块将周期性的方波信号处理成一个RAMP信号；振荡器模块用来产生周期性方波信号；误差放大器模块将VREF和V2的反馈信号FB的差值放大，输出COMP信号；所述PWM比较器模块将COMP信号和RAMP信号进行比较，输出PWM方波信号。
进一步地，所述PWM产生模块还包括第一电阻RFB1和第二电阻RFB2，所述第一电阻RFB1和第二电阻RFB2串接在电源电压V2和接地端GND之间；所述第一电阻RFB1和第二电阻RFB2的连接点为所述误差放大器模块EAMP的负输入端，所述误差放大器模块EAMP的正输入端接所述基准电压源模块产生的VREF信号。
进一步地，所述的超低输入电压DC/DC升压装置还包括第一电容C1和第二电容C2，所述第一电容C1并接在所述直流电源电压V1输入端和接地端GND之间；所述第二电容C2并接在所述直流电源电压V2输出端和接地端GND之间。
从上述技术方案可以看出，本发明中的超低输入电压DC/DC升压装置，其可有效解决升压装置对输入电源电压V1要求的限制，即输入电源电压V1在超低电压情况下，亦可保证DC/DC升压装置正常启动并正常工作。
附图说明
图1所示为现有技术中超低输入电压DC/DC升压装置示意图
图2所示为现有技术和本发明实施例中的电源电压V1和电源电压V2的波形示意图
图3所示为本发明实施例中超低输入电压DC/DC升压装置的示意图
图4所示为本发明实施例中检测控制模块的电路示意图
图5所示为所示为本发明超低输入电压DC/DC升压装置另一较佳实施例的示意图
具体实施方式
下面结合附图2-5，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，本发明与现有技术最大不同点为：在本发明的低输入电压DC/DC升压装置的启动控制电路中，用于将输入的直流电源电压V1升压成直流电源电压V2，通过增加启动控制模块，用以实现超低V1电压的启动。也就是说，当系统工作在输入电源电压V1在超低电压情况下，亦可保证DC/DC升压装置正常启动并正常工作，因此，本发明可以有效解决升压装置对输入电源电压V1要求的限制。
实施例1
请参阅图3，图3所示为本发明超低输入电压DC/DC升压装置一较佳实施例的示意图。如图3所示，该低输入电压DC/DC升压装置，其包括第一分压电阻RFB1、第二分压电阻RFB2、用于电源电压V1的稳压电容C1、用于电源电压V2的稳压电容C2、电感L1、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、内部供电模块、PWM产生模块、升压系统驱动控制模块、低压启动控制模块；电源电压V1为所述控制电路输入端的电压信号，电源电压V2为控制电路输出端的电压信号，电压V1通常小于电压V2。
具体地，在本发明的下述实施例中，电感L1连接在所述直流电源电压V1输入端与所述第一晶体管Q1和第二晶体管Q2漏极连接点SW之间；所述第一晶体管Q1的源极接地，第二晶体管Q2的源极接所述直流电源电压V2的输出端。第一电容C1并接在所述直流电源电压V1输入端和接地端GND之间；所述第二电容C2并接在所述直流电源电压V2输出端和接地端GND之间。
内部供电模块用于根据电源电压V1和电源电压V2产生所述DC/DC升压装置中各模块供电的电源电压V3。该内部供电模块可以包括第三晶体管Q3、第四晶体管Q4电源OK子模块和电源切换子模块。在本发明的实施例中，所述第四晶体管Q4的源极接所述电压V2，且所述第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的漏极输出电源电压V3。
具体地，当电源电压V2大于电源电压V1时，切换成用所述电源电压V2给电源电压V3供电；所述电源切换子模块控制开启第四晶体管Q4和关闭第三晶体管Q3。
当电源电压V2小于电源电压V1时，所述电源切换子模块当电源电压V1大于电源电压V2时，其将切换成用所述电源电压V1给内部电源电压V3供电且对所述电感L1充电。即所述电源切换子模块控制开启第三晶体管Q3和关闭第四晶体管Q4；所述电源OK子模块根据所述电源电压V3，输出所述正向POK信号或所述反向POK信号。也就是说，电源OK子模块用于判断电源电压V3是否大于等于一预定阈值，如果是，输出正向POK信号，否则，输出反向POK信号。
所述PWM产生模块包括误差放大器模块EAMP、斜坡补偿模块、基准电压源模块VREF、第一电阻RFB1、第二电阻RFB2、PWM比较器模块和振荡器OSC；所述第一电阻RFB1和第二电阻RFB2串接在电源电压V2和接地端GND之间；所述第一电阻RFB1和第二电阻RFB2的连接点为所述误差放大器模块EAMP的负输入端，所述误差放大器模块EAMP的正输入端接所述基准电压源模块产生的VREF信号。
所述基准电压源模块用以产生恒定的电压参考信号；斜坡补偿模块将周期性的方波信号处理成一个RAMP信号；振荡器模块OSC用来产生周期性方波信号；误差放大器模块将VREF和V2的反馈信号FB的差值放大，输出COMP信号；所述PWM比较器模块将COMP信号和RAMP信号进行比较，输出PWM方波信号。
所述升压系统驱动控制模块包括逻辑控制模块LOGIC和驱动模块DRIVER，所述逻辑控制模块LOGIC接收所述POK信号和PWM方波信号输出，若接收到的所述POK信号为正向的POK，则产生驱动信号DR1到所述驱动模块DRIVER，所述驱动模块DRIVER输出信号CLKP和信号CLKN。
在本发明的实施例中，新增的低压启动控制模块可以实现当电源电压V3未达到相应的电压阈值时，根据接收到的反向POK信号，输出一个抬升且周期性的电压信号CLKN驱动所述第二晶体管Q2导通与关闭，使电源电压V3的上升，直到接收到所述电源OK子模块检测到所述电源电压V3达到所述预定阈值，则关闭低压启动控制模块。
如图3所示，所述低压启动控制模块包括检测控制模块(Sense Control)、电荷泵模块(Charge Pump)和电荷泵振荡器模块(OSC Pump)。
当所述检测控制模块接收所述反向POK信号以控制电荷泵振荡器模块和电荷泵的开启，电荷泵振荡器模块用来产生周期性的方波信号输出给电荷泵模块，用以输出一个抬升且周期性的电压信号CLKN，当所述检测控制模块接收所述正向POK信号以控制振荡器OSC和电荷泵模块的关闭。
请结合图3参阅图4，图4所示为本发明实施例中检测控制模块的电路示意图。如图4所示，在升压装置启动时，电源电压V2小于电源电压V1，电源切换模块切换此时的内部电源V3来自电源电压V1，而此时内部电源V3的反馈信号经PWM比较器模块判断后不足以让升压装置系统正常工作，检测控制模块输出ENPUMP信号让电荷泵振荡器模块和电荷泵模块开始工作，电荷泵振荡器输出周期性的方波信号使电荷泵模块工作，输出一个抬升的电压信号CLKN驱动第二晶体管Q2(图中所示为N型晶体管)使其导通，在电源电压V1和接地端之间形成电流回路，对储能电感L1进行充电储能，此时检测控制模块中第三晶体管Q3(图中所示为N型晶体管)检测到的电流和第二晶体管Q2的电流成一定的比例，通过将该第三晶体管检测的电流和一恒流源Ibias进行比较，来判断第三晶体管Q3的电流是否到达设定值时。
当达到设定电流值时，输出ENPUMP的反向信号关闭电荷泵振荡器模块OSC和电荷泵模块，CLKN信号将第二晶体管Q2关闭，打开第一晶体管Q1，此时的储能电感L1上有电流存在，而电感L1的电流无法突变，在电源电压V1和电源电压V2之间形成电流回路，电感L1两端形成的电压VL，电压VL和电源电压V1同时向电源电压V2传输能量，使电源电压V2上升，当电源电压V2大于电源电压V1时，电源切换模块此时会切换内部电源V3来自电源电压V2，而后若内部电源V3的反馈信号经PWM比较器模块判断后依旧不足以让升压装置系统正常工作，检测控制模块会继续输出ENPUMP信号让电荷泵振荡器和电荷泵重新开始工作，直至电源OK模块判断内部电源V3电压正常后输出可使升压装置正常工作的POK信号时，关闭检测控制模块、电荷泵振荡器模块和电荷泵模块，同时亦可达到节能的效果。
实施例2
基于上述实施例1，已实现DC/DC升压装置在超低V1电压的启动，然而，因检测控制模块会消耗大量的电流，当V1处于超低电压时，会使得第三晶体管Q3(图中所示为P型晶体管)处于一个临界开启的状态形成大电阻，而此时的电流从电源电压V1经由第三晶体管Q3流至电源电压V3在电源电压V3上形成较大的电压降，过低的电源电压V3电压使检测判断模块及其他模块工作异常，造成功能上的故障。
因此，在本发明的实施例中，通过引入电源电压V1给检测判断模块供电，使其正常输出判断信号，再经由电平转换模块(Level Shift)将处理后的ENPUMP信号输出给电荷泵振荡器和电荷泵使其工作。
请参阅图5，图5所示为所示为本发明超低输入电压DC/DC升压装置另一较佳实施例的示意图。如图5所示，该低压启动控制模块包括检测控制模块(Sense Control)、电平转换模块(Level Shift)、电荷泵模块(Charge Pump)和电荷泵振荡器模块(OSC Pump)，用以实现超低电源电压V1的启动。
其中，电荷泵振荡器模块产生周期性的方波信号输出给电荷泵模块；电荷泵模块用以输出一个抬升过电压驱动信号；检测控制模块用以控制振荡器和电荷泵的开关；电平转换模块用以转换不同电源电压之间的逻辑信号。
同理，实施例1中的其它具体电路也同样可以引用到实施例2中，在此不再赘述。
需要特别说明的是，请再参阅图2，现有技术的升压装置启动对最低的V1电压有一定的要求，而发明可突破目前技术对最低电源电压V1的限制，在更低的电源电压V1下亦可保证升压装置正常启动。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种超低输入电压DC/DC升压装置，用于将输入的直流电源电压V1升压成直流电源电压V2；其特征在于，包括：
第一晶体管Q1、第二晶体管Q2和电感L1；所述电感L1连接在所述直流电源电压V1输入端与所述第一晶体管Q1和第二晶体管Q2漏极连接点SW之间；所述第一晶体管Q1的源极接地，第二晶体管Q2的源极接所述直流电源电压V2的输出端；
内部供电模块，用于根据电源电压V1和电源电压V2产生所述DC/DC升压装置中各模块供电的电源电压V3以及对电源电压V3的电源阈值进行判断；其包括电源OK子模块所述电源OK子模块用于判断电源电压V3是否大于等于一预定阈值，如果是，输出正向POK信号，否则，输出反向POK信号；
PWM产生模块，产生一PWM方波信号；
升压系统驱动控制模块，根据接收到的PWM方波信号和POK信号，若接收到的所述POK信号为正向的POK，则根据PWM方波信号输出信号相应的CLKP和CLKN控制所述第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的栅极；当CLKN控制第二晶体管Q2开启，CLKP控制第一晶体管关闭时，所述电源电压V1和接地端GND之间形成回路，此时，对所述电感L1充电进行储能；当CLKN控制第二晶体管Q2关闭，控制第一晶体管Q1开启时，在所述电源电压V1和V2之间形成回路，而此时的电感L1上有电流存在，因电感L1电流无法突变在电感L1两端形成的电压差VL，和输入电源电压V1同时向输出电源电压V2传输能量，使V2电压上升；
低压启动控制模块，当电源电压V3未达到相应的电压阈值时，根据接收到的反向POK信号，输出一个抬升且周期性的电压信号CLKN驱动所述第二晶体管Q2导通与关闭，使电源电压V3的上升，直到接收到所述电源OK子模块检测到所述电源电压V3达到所述预定阈值，则关闭低压启动控制模块。
2.根据权利要求1所述的超低输入电压DC/DC升压装置，其特征在于，所述低压启动控制模块包括检测控制模块、电荷泵模块和电荷泵振荡器模块；当所述检测控制模块接收所述反向POK信号以控制振荡器和电荷泵的开启，电荷泵振荡器模块用来产生周期性的方波信号输出给电荷泵模块，用以输出一个抬升且周期性的电压信号CLKN，当所述检测控制模块接收所述正向POK信号以控制振荡器和电荷泵的关闭。
3.根据权利要求2所述的超低输入电压DC/DC升压装置，其特征在于，所述低压启动控制模块还包括电平转换模块，连接在所述检测控制模块和所述电荷泵振荡器模块之间，用以转换从所述检测控制模块输出的不同电源电压之间的逻辑信号。
4.根据权利要求1所述的超低输入电压DC/DC升压装置，其特征在于，所述内部供电模块还包括电源切换子模块，所述电源切换子模块当电源电压V1大于电源电压V2时，其将切换成用所述电源电压V1给内部电源电压V3供电；当电源电压V2大于电源电压V1时，切换成用所述电源电压V2给电源电压V3供电。
5.根据权利要求1所述的超低输入电压DC/DC升压装置，其特征在于，所述升压系统驱动控制模块包括逻辑控制模块LOGIC和驱动模块DRIVER，所述逻辑控制模块LOGIC接收所述POK信号和PWM方波信号输出，若接收到的所述POK信号为正向的POK，则产生驱动信号DR1到所述驱动模块DRIVER，所述驱动模块DRIVER输出信号CLKP和信号CLKN。
6.根据权利要求1所述的超低输入电压DC/DC升压装置，其特征在于，所述内部供电模块还包括第三晶体管Q3和第四晶体管Q4；所述第三晶体管Q3的源极接电压V1，所述第四晶体管Q4的源极接所述电压V2，且所述第三晶体管Q3和第四晶体管Q4的漏极输出电源电压V3；当电压V2大于电压V1时，所述电源切换子模块控制开启第四晶体管Q4和关闭第三晶体管Q3；当电压V2小于电压V1时，所述电源切换子模块控制开启第三晶体管Q3和关闭第四晶体管Q4；所述电源OK子模块根据所述电源电压V3，输出所述正向POK信号或所述反向POK信号。
7.根据权利要求1所述的超低输入电压DC/DC升压装置，其特征在于，所述PWM产生模块包括误差放大器模块EAMP、斜坡补偿模块、基准电压源模块VREF、PWM比较器模块和振荡器OSC；所述基准电压源模块用以产生恒定的电压参考信号；斜坡补偿模块将周期性的方波信号处理成一个RAMP信号；振荡器模块用来产生周期性方波信号；误差放大器模块将VREF和V2的反馈信号FB的差值放大，输出COMP信号；所述PWM比较器模块将COMP信号和RAMP信号进行比较，输出PWM方波信号。
8.根据权利要求7所述的超低输入电压DC/DC升压装置，其特征在于，所述PWM产生模块还包括第一电阻RFB1和第二电阻RFB2，所述第一电阻RFB1和第二电阻RFB2串接在电源电压V2和接地端GND之间；所述第一电阻RFB1和第二电阻RFB2的连接点为所述误差放大器模块EAMP的负输入端，所述误差放大器模块EAMP的正输入端接所述基准电压源模块产生的VREF信号。
9.根据权利要求1所述的超低输入电压DC/DC升压装置，其特征在于，还包括第一电容C1和第二电容C2，所述第一电容C1并接在所述直流电源电压V1输入端和接地端GND之间；所述第二电容C2并接在所述直流电源电压V2输出端和接地端GND之间。
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