CN114157138A

CN114157138A - 一种高电压开关电容式电压变换器

Info

Publication number: CN114157138A
Application number: CN202111383345.6A
Authority: CN
Inventors: 任建; 于皓哲; 辛晓宁; 王志刚; 王宁; 周明智
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-11-22
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2041-11-22
Also published as: CN114157138B

Abstract

本发明公开了一种高电压开关电容式电压变换器，包括电荷泵主体模块和监测电路模块，所述电荷泵主体模块与监测电路模块均连接vdd5v信号和vm信号；所述电荷泵主体模块通过两个与非门连接时钟信号clk，所述电荷泵主体模块通过一个与非门连接使能信号，电荷泵主体模块的cph与cpl端之间接有电容c1，电荷泵主体模块的vm与vcp端之间接有电容c2；监测电路模块的vcpok1信号经过一个反相器以及两个与非门后连接至电荷泵主体模块。本申请同时可以有效提高输出电压，产生的电压差可以使MOS管充分导通，保证电机驱动电路的可靠工作。

Description

一种高电压开关电容式电压变换器

技术领域

本发明涉及电源技术领域，具体为一种带有监视电路的电容式电压变换器。

背景技术

开关电容式电压变换器，也称为电荷泵，是一种利用所谓的“快速”(flying)或“泵送”电容(而非电感或变压器)来储能的DC-DC(变换器)。电荷泵可分为：开关式调整器升压泵、无调整电容式电荷泵、可调整电容式电荷泵。3种电荷泵的工作过程均为：首先贮存能量，然后以受控方式释放能量，以获得所需的输出电压。开关式调整器升压泵采用电感器来贮存能量，而电容式电荷泵采用电容器来贮存能量。

电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来贮存能量。因工作于较高频率，可使用小型陶瓷电容器(1μF)，占用空间最小，使用成本较低。电荷泵仅用外部电容器即可提供±2倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的等效串联电阻(ESR)和内部开关晶体管的RDS(ON)。电荷泵转换器不使用电感器，因此其辐射EMI可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容器滤除。它的输出电压是工厂生产时精密预置的，可通过后端片上线性调整器调整，因此电荷泵在设计时可按需要增加电荷泵的开关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空间。电荷泵十分适用于便携式应用产品的设计，是一个基准、比较、转换和控制电路组成的系统。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种高电压开关电容式电压变换器，以用于将40V输入电压提高5V形成足够的压差，以使电机驱动电路充分导通。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高电压开关电容式电压变换器，包括电荷泵主体模块和监测电路模块，所述电荷泵主体模块与监测电路模块均连接vdd5v信号和vm信号；所述电荷泵主体模块通过两个与非门连接时钟信号clk，所述电荷泵主体模块通过一个与非门连接使能信号，电荷泵主体模块的cph与cpl端之间接有电容c1，电荷泵主体模块的vm与vcp端之间接有电容c2；监测电路模块的vcpok1信号经过一个反相器以及两个与非门后连接至电荷泵主体模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本申请解决了传统电荷泵耐压不足和稳定性差的问题。在设计电荷泵整体电路时充分考虑了以上问题，限制了容易超功率管耐压的节点电压，此外又增加了电荷泵电压监视电路，既能提高电路稳定性，又能实现对升高电压的精准控制。

同时可以有效提高输出电压，产生的电压差可以使MOS管充分导通，保证电机驱动电路的可靠工作。

附图说明

图1为本发明的电荷泵整体电路图。

图2为本发明的电荷泵主体模块电路图。

图3为本发明的监测电路模块电路图。

1、电荷泵主体模块；2、监测电路模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种高电压开关电容式电压变换器，包括电荷泵主体模块1和监测电路模块2，电荷泵主体模块1与监测电路模块2均连接vdd5v信号和vm信号；电荷泵主体模块1通过两个与非门连接时钟信号clk，电荷泵主体模块1通过一个与非门连接使能信号，电荷泵主体模块1的cph与cpl端之间接有电容c1，电荷泵主体模块1的vm与vcp端之间接有电容c2；监测电路模块2的vcpok1信号经过一个反相器以及两个与非门后连接至电荷泵主体模块1。

电荷泵主体模块1包括第一主体电路MOS管、第二主体电路MOS管、第三主体电路MOS管、第四主体电路MOS管、第五主体电路MOS管、第六主体电路MOS管、第七主体电路MOS管、第八主体电路MOS管、第九主体电路MOS管、第十主体电路MOS管、第十一主体电路MOS管、第十二主体电路MOS管、第十三主体电路MOS管、第十四主体电路MOS管、第十五主体电路MOS管、第十六主体电路MOS管、电容c3和电容c4；

第一主体电路MOS管、第二主体电路MOS管和第三主体电路MOS管依次串联，且与第五主体电路MOS管并联，第十四主体电路MOS管、第十五主体电路MOS管和第十六主体电路MOS管依次串联，且与第四主体电路MOS管并联，第四主体电路MOS管和第五主体电路MOS管的栅端分别连接对方的漏端，第四主体电路MOS管与电容c4串联，第五主体电路MOS管与电容c3串联；第十一主体电路MOS管与第十主体电路MOS管串联；第七主体电路MOS管和第九主体电路MOS管串联；第六主体电路MOS管和第八主体电路MOS管串联后并联；第十二主体电路MOS管和第十三主体电路MOS管串联，第十二主体电路MOS管的栅端与第十六主体电路MOS管的漏端相连，第十三主体电路MOS管与第六主体电路MOS管的漏端相连。二极管D3与二极管D4串联。

监测电路模块2包括第一监测电路MOS管、第二监测电路MOS管、第三监测电路MOS管、第四监测电路MOS管、第五监测电路MOS管、第六监测电路MOS管、第七监测电路MOS管、第八监测电路MOS管、第九监测电路MOS管、第十监测电路MOS管、第十一监测电路MOS管、第十二监测电路MOS管、第十三监测电路MOS管、第十四监测电路MOS管、第十五监测电路MOS管、第十六监测电路MOS管、第十七监测电路MOS管、第十八监测电路MOS管、第十九监测电路MOS管、第二十监测电路MOS管、第二十一监测电路MOS管、第二十二监测电路MOS管、第二十三监测电路MOS管、第二十四监测电路MOS管、第二十五监测电路MOS管、第二十六监测电路MOS管、第二十七监测电路MOS管、第二十八监测电路MOS管、第二十九监测电路MOS管、第三十监测电路MOS管、第三十一监测电路MOS管、电阻R0、电阻R1和电阻R2；

电阻R0、第一监测电路MOS管和第二监测电路MOS管依次串联，第三监测电路MOS管、第四监测电路MOS管和第五监测电路MOS管依次串联，第六监测电路MOS管、第七监测电路MOS管、第九监测电路MOS管和第十一监测电路MOS管依次串联，第八监测电路MOS管、第十监测电路MOS管和第十二监测电路MOS管依次串联，电阻R1、第十三监测电路MOS管和第十四监测电路MOS管依次串联，电阻R2、第二十二监测电路MOS管和第二十三监测电路MOS管依次串联，第十五监测电路MOS管、第十六监测电路MOS管、第十八监测电路MOS管和第二十监测电路MOS管依次串联，第十七监测电路MOS管、第十九监测电路MOS管和第二十一监测电路MOS管依次串联，第二十二监测电路MOS管和第二十三监测电路MOS管相互串联，第二十四监测电路MOS管和第二十五监测电路MOS管相互串联，第二十六监测电路MOS管和第二十七监测电路MOS管相互串联，第二十八监测电路MOS管和第二十九监测电路MOS管相互串联，第三十监测电路MOS管和第三十一监测电路MOS管相互串联。

工作原理：

图1电荷泵一共分为两部分电荷泵主体和监测电路，VM是功率电源(35—40V)，CLK信号来自片内振荡器,引脚VCP是电荷泵的输出引脚。电荷泵主体电路的CPH和CPL是用于连接外部电容的辅助引脚。C1和C2是片外电容，分别为22nF和220nF。通过变换CPH和CPL引脚的电压，将C1中的电荷注入到C2，最终在VCP端产生高于VM的电压。监视电路内部包含两个电压比较器，用于监视VCP电压。EN信号用于控制电荷泵的启动和关闭，系统上电时，EN为0，当LDO和振荡器已经稳定工作后，EN为1，启动电荷泵。VCPOK为表示VCP已高于VM+3V，VCPOK1为1表示VCP已达到VM+5V。当VCPOK为1时，VCP已可以驱动H桥中高端NMOS管，但考虑到每次开启高端NMOS管后会产生电荷损失，导致VCP电压降低，为避免影响对H桥的控制，VCP还要升到更高的电压。考虑到NMOS管的栅(漏)源耐压问题，VCP最高升到VM+5V。

图2为电荷泵主体的具体电路，VCP端与VM端接片外电容C2，CPH和CPL端接片外电容C1，C1与C2分别为22n、220n。M1、M2、M3采用了二极管连接方式，作用是限制M4的栅极电压，M14、M15和M16用于限制M5的栅极电压，以上措施可保证VGS4和VGS5处于3VTHP(约为3V)范围内。C3和C4用于加速M4、M5及M12的状态变化，同时也起到了电压隔离作用，避免M12的栅压过低，出现VGS超耐压的现象。当A端有脉冲时，C3、C4的下端会有5V的电压变化，导致C3和C4上端也产生相同幅度的电压变化。M4和M5之间存在正反馈，可使M12迅速导通或截止，M12的状态与M13相反，因此可在CPL端产生幅度为0—VM的方波电压。当CPL为0V时，功率电源VM通过D3为C1充电，使CPH端电压接近VM，当CPL跳变到VM时，可使VPH端电压高于VCP端，故可将C1中的电荷注入到C2，使VCP升高。

电荷泵电压监视电路如图3所示。电荷泵电压监视电路主要由两个电压比较器构成。由于VM的工作电压范围为35～40V，因此最终的VCP也不能是固定值，而是在VM的基础上增加某个值，因此参考电压只能采用基准电流与电阻的乘积来产生。当VCP-VM大于5V时，可在VCPOK1端输出高电平，同理当VCP-VM大于3V时，可在VCPOK端输出高电平。电荷泵电压监视模块中M11、M12、M20、M21、M24～M31采用的是5V的耐压管，为了防止超耐压，由片内5VLDO供电。其他所有的PMOS都是mp40vt，所有的NMOS都是mn40vt_iso_a，漏源耐压为40V，没有耐压问题。而它们栅源耐压为5V，里面需要值得注意的是M5、M6、M15的栅源耐压问题，在电路正常工作后，由于M3、M4共源共栅接法，A点的电压升到很高使VGS的电压小于5V。而M7、M8、M16、M17通过合理选择I1、I2、I3和R0、R1、R2可保证VGS在5V以内。

Claims

1.一种高电压开关电容式电压变换器，其特征在于：包括电荷泵主体模块(1)和监测电路模块(2)，所述电荷泵主体模块(1)与监测电路模块(2)均连接vdd5v信号和vm信号；所述电荷泵主体模块(1)通过两个与非门连接时钟信号clk，所述电荷泵主体模块(1)通过一个与非门连接使能信号，电荷泵主体模块(1)的cph与cpl端之间接有电容c1，电荷泵主体模块(1)的vm与vcp端之间接有电容c2；监测电路模块(2)的vcpok1信号经过一个反相器以及两个与非门后连接至电荷泵主体模块(1)。

2.根据权利要求1所述的高电压开关电容式电压变换器，其特征在于：所述电荷泵主体模块(1)包括第一主体电路MOS管、第二主体电路MOS管、第三主体电路MOS管、第四主体电路MOS管、第五主体电路MOS管、第六主体电路MOS管、第七主体电路MOS管、第八主体电路MOS管、第九主体电路MOS管、第十主体电路MOS管、第十一主体电路MOS管、第十二主体电路MOS管、第十三主体电路MOS管、第十四主体电路MOS管、第十五主体电路MOS管、第十六主体电路MOS管、电容c3和电容c4；

所述第一主体电路MOS管、第二主体电路MOS管和第三主体电路MOS管依次串联，且与第五主体电路MOS管并联，所述第十四主体电路MOS管、第十五主体电路MOS管和第十六主体电路MOS管依次串联，且与第四主体电路MOS管并联，所述第四主体电路MOS管和第五主体电路MOS管的栅端分别连接对方的漏端，所述第四主体电路MOS管与电容c4串联，第五主体电路MOS管与电容c3串联；所述第十一主体电路MOS管与第十主体电路MOS管串联；所述第七主体电路MOS管和第九主体电路MOS管串联；所述第六主体电路MOS管和第八主体电路MOS管串联后并联；所述第十二主体电路MOS管和第十三主体电路MOS管串联，所述第十二主体电路MOS管的栅端与第十六主体电路MOS管的漏端相连，所述第十三主体电路MOS管与第六主体电路MOS管的漏端相连。

3.根据权利要求1所述的高电压开关电容式电压变换器，其特征在于：所述监测电路模块(2)包括第一监测电路MOS管、第二监测电路MOS管、第三监测电路MOS管、第四监测电路MOS管、第五监测电路MOS管、第六监测电路MOS管、第七监测电路MOS管、第八监测电路MOS管、第九监测电路MOS管、第十监测电路MOS管、第十一监测电路MOS管、第十二监测电路MOS管、第十三监测电路MOS管、第十四监测电路MOS管、第十五监测电路MOS管、第十六监测电路MOS管、第十七监测电路MOS管、第十八监测电路MOS管、第十九监测电路MOS管、第二十监测电路MOS管、第二十一监测电路MOS管、第二十二监测电路MOS管、第二十三监测电路MOS管、第二十四监测电路MOS管、第二十五监测电路MOS管、第二十六监测电路MOS管、第二十七监测电路MOS管、第二十八监测电路MOS管、第二十九监测电路MOS管、第三十监测电路MOS管、第三十一监测电路MOS管、电阻R0、电阻R1和电阻R2；

所述电阻R0、第一监测电路MOS管和第二监测电路MOS管依次串联，所述第三监测电路MOS管、第四监测电路MOS管和第五监测电路MOS管依次串联，所述第六监测电路MOS管、第七监测电路MOS管、第九监测电路MOS管和第十一监测电路MOS管依次串联，所述第八监测电路MOS管、第十监测电路MOS管和第十二监测电路MOS管依次串联，所述电阻R1、第十三监测电路MOS管和第十四监测电路MOS管依次串联，所述电阻R2、第二十二监测电路MOS管和第二十三监测电路MOS管依次串联，所述第十五监测电路MOS管、第十六监测电路MOS管、第十八监测电路MOS管和第二十监测电路MOS管依次串联，所述第十七监测电路MOS管、第十九监测电路MOS管和第二十一监测电路MOS管依次串联，所述第二十二监测电路MOS管和第二十三监测电路MOS管相互串联，所述第二十四监测电路MOS管和第二十五监测电路MOS管相互串联，所述第二十六监测电路MOS管和第二十七监测电路MOS管相互串联，所述第二十八监测电路MOS管和第二十九监测电路MOS管相互串联，所述第三十监测电路MOS管和第三十一监测电路MOS管相互串联。