CN114337257A - 一种实现电压转换的电路拓扑 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电源管理技术领域，具体的说是涉及一种实现电压转换的电路拓扑。本发明主要是针对传统方法中由于使用的半导体器件数量太多而成本过高，从而导致无法普及到低成本充电设备的问题，提出将开关电源和开关电容器进行融合，使开关电源和开关电容器可以复用部分开关管，以减少所使用半导体器件的数量从而降低充电方案的成本。
Description
技术领域
本发明属于电源管理技术领域，具体的说是涉及一种实现电压转换的电路拓扑。
背景技术
随着便携式设备数量的急剧增加，充电电池得到了广泛的应用。针对电池的充放电功能，目前广泛采用的电路结构如下图1。其中由开关管(Q5和Q6)，电感(L1)和电容(C1)组成的开关电源的作用是将输入电压变换成满足负载(R1)或适合给充电电池(BT1)充电的电压幅值。当满足负载供电的最低供电电压高于电池电压时，则选择开关电压的输出电压为负载的最低供电电压，并通过由开关管QT1组成的电流源给电池充电。当满足负载供电的最低供电电压低于电池电压时，则选择开关电源的输出电压高于电池电压以给电池充电，此时开关管QT1工作在直通状态。此外，由开关管(Q1，Q2，Q3，Q4)和电容(CFLY1)组成的开关电容器提供了一个高效率的快速充电路径。当电池包中的电池电压满足快速充电的电压时，开关电源停止工作，输入电压调整到合适的电压幅值，开关电容器开始工作，将输入电压的幅值转换成1/2倍并直接向电池包充电，此时的QT1工作在直通状态，电池包直接向用电单元供电。QT1除了具有上述的功能外，还可以工作在双向关断的状态，即不允许电流从任一方向流过。
随着充电电池的普遍使用，图1所示的充电方案由于使用的半导体器件数量太多而成本过高，从而导致无法普及到低成本充电设备中。
发明内容
针对现有技术需要单独设计开关电源和开关电容电路，因此成本较高的问题，本发明提出一种将开关电源和开关电容合二为一的电压转换的电路拓扑，以此降低方案成本和开发时间。
本发明是将开关电源和开关电容器进行融合，使开关电源和开关电容器可以复用部分开关管，以减少所使用半导体器件的数量，具体的本发明提出以下三种实现方式：
第一种实现方式，如图2，包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管QT1、第六开关管QT2、电容、电感和电池；其中，第一开关管Q1的一端为电路拓扑的输入端，接外部输入电压，第一开关管Q1另一端接电容的一端和第二开关管Q2的一端；第二开关管Q2的另一端分别接第三开关管Q3的一端、第五开关管QT1的一端和电感的一端，第三开关管Q3的另一端接电容的另一端和第四开关管Q4的一端，第四开关管Q4的另一端接地；电感的另一端接第六开关管QT2的一端；第五开关管QT1的另一端和第六开关管QT2的另一端接电池的正极，电池的负极接地；电感和第六开关管QT2的连接点为电路拓扑的输出端。
上述方案中，所述第一开关管Q1和第四开关管Q4的开通时间互补，第二开关管Q2和第三开关管Q3的开通时间互补。
上述方案中，第一开关管Q1和第二开关管Q2中的一个工作状态为常开，第三开关管Q3和第四开关管Q4中的一个工作状态为常开。
第二种实现方式，如图4，包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管QT1、第十开关管QT2、第一电容、第二电容、电感和电池；其中，第一开关管Q1的一端和第五开关管Q5的一端为电路拓扑的输入端，接外部输入电压，第一开关管Q1的另一端接第一电容的一端和第二开关管Q2的一端，第五开关管Q5另一端接第二电容的一端和第六开关管Q6的一端；第二开关管Q2的另一端分别接第三开关管Q3的一端、第九开关管QT1的一端、第十开关管QT2的一端和电池的正极，电池的负极接地，第六开关管Q6的另一端分别接第九开关管QT1的另一端、第七开关管Q7的一端和电感的一端；第三开关管Q3的另一端接第一电容的另一端和第四开关管Q4的一端，第七开关管Q7的另一端接第二电容的另一端和第八开关管Q8的一端；第四开关管Q4的另一端和第八开关管Q8的另一端接地；电感的另一端接第十开关管QT2的一端；电感和第十开关管QT2的连接点为电路拓扑的输出端。
第三种实现方式，如图5，包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管QT1、第八开关管QT2、电容、第一电感、第二电感和电池；其中，第一开关管Q1的一端接电池的正极，电池的负极接地，第一开关管Q1另一端接电容的一端和第二开关管Q2的一端；第二开关管Q2的另一端分别接第三开关管Q3的一端、第七开关管QT1的一端和第一电感的一端，第三开关管Q3的另一端接电容的另一端和第四开关管Q4的一端，第四开关管Q4的另一端接地；第一电感的另一端接第七开关管QT1的另一端和第八开关管QT2的一端；第八开关管QT2的另一端接第二电感的一端，第二电感的另一端接第五开关管Q5的一端和第六开关管Q6的一端；第五开关管Q5的另一端为电路拓扑的输入端，接外部输入电压，第六开关管的另一端接地；第二电感和第八开关管QT2的连接点为电路拓扑的输出端。
在上述的几种方案中，采用的开关管QT1和关管QT2均具备双向关闭的功能，即电流不能从任一方向流过。
本发明的有益效果是：本发明将开关电源和开关电容器进行融合，使开关电源和开关电容器可以复用部分开关管，以减少所使用半导体器件的数量从而降低充电方案的成本。
附图说明
图1为传统的电压变换电路的拓扑结构。
图2为本发明的第一种电压变换电路的拓扑结构。
图3为本发明的第二种电压变换电路的拓扑结构。
图4为本发明的第二种电压变换电路的拓扑结构的另一种工作状态示意。
图5为本发明的第三种电压变换电路的拓扑结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
如2所示，本发明的第一种电压变换电路包括开关管(Q1，Q2，Q3，Q4)，电容(CFLY1)和电感(L1)组成了电压变换电路。开关管QT1和QT2组成了充电路径选择电路。
当满足负载供电的最低供电电压高于电池电压时，电路工作在开关电源状态，工作方法至少有两种：1.Q1和Q2中一个开关管保持开通，另一个开关管在开通和关闭两种状态中随时间切换。Q3和Q4中一个开关管保持开通，另一个开关管在开通和关闭两种状态中随时间切换。且Q1/Q2/Q3/Q4中随时间切换开通状态的两个开关管工作在互补的状态，例如随时间切换的开关状态的开关管为Q1和Q4，保持开通状态的为Q2和Q3，Q1开通的时候Q4关闭，Q1关闭的时候Q4开通。并且通过L1和C1的滤波给负载提供一个稳定的电压，同时通过开关管QT2给电池BT1充电，开关管QT1保持双向关闭；2.Q1和Q4工作在互补状态，Q2和Q3工作在互补状态，并且通过L1和C1的滤波给负载提供一个稳定的电压，同时通过开关管QT2给电池BT1充电，开关管QT1保持双向关闭。
当满足负载供电的最低供电电压低于电池电压时，电路工作在开关电容器状态，其工作方法为：Q1和Q4工作在互补状态，Q2和Q3工作在互补状态，同时开关管QT1和QT2都保持开通给电池并且给负载供电。
进一步的，在图2的基础上并联一组功率变换电路以增大输出功率。其中Q5/Q6/Q7/Q8分别与Q1/Q2/Q3/Q4的工作状态相同，如图3所示。
进一步的，在图3的基础上将开关QT1连接在Q2和Q3的连接处与Q6和Q7的连接处，如图4所示。当电路工作在开关电源状态时，QT1处于双向关闭状态。当电路工作在开关电容状态时，QT1处于直通状态。
进一步的，随着电池技术的进步，电池电压有可能会降低，例如放电电压范围从3.2V～4.2V降低到2.6V～3.6V。本发明所示的电路同样可以用来解决电池放电电压范围降低的问题。如图5所示，开关管(Q5和Q6)和电感L2组成了开关电源电路，用于给电池充电。图4中的电池BT1具有降低的放电电压范围。
当满足负载供电的最低供电电压低于1/2Vin时,由开关管(Q1/Q2/Q3/Q4)组成的电路工作在开关电容器状态，开关管QT1和QT2保持双向导通给负载供电。当满足负载供电的最低供电电压高于1/2Vin时，由开关管(Q1/Q2/Q3/Q4)组成的电路工作在开关电源状态，开关管QT1保持双向关闭，QT2保持双向导通给负载供电。当给电池充电时，由开关管(Q1/Q2/Q3/Q4)组成的电路工作在开关电容器状态，开关管QT1和QT2保持双向导通给电池充电。
Claims (10)
1.一种实现电压转换的电路拓扑，包括第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第五开关管(QT1)、第六开关管(QT2)、电容、电感和电池；其特征在于，第一开关管(Q1)的一端为电路拓扑的输入端，接外部输入电压，第一开关管(Q1)另一端接电容的一端和第二开关管(Q2)的一端；第二开关管(Q2)的另一端分别接第三开关管(Q3)的一端、第五开关管(QT1)的一端和电感的一端，第三开关管(Q3)的另一端接电容的另一端和第四开关管(Q4)的一端，第四开关管(Q4)的另一端接地；电感的另一端接第六开关管(QT2)的一端；第五开关管(QT1)的另一端和第六开关管(QT2)的另一端接电池的正极，电池的负极接地；电感和第六开关管(QT2)的连接点为电路拓扑的输出端。
2.根据权利要求1中所述的一种实现电压转换的电路拓扑，其特征在于，所述第五开关管(QT1)具有双向关闭的功能，即电流不能从任一方向流过。
3.根据权利要求1中所述的一种实现电压转换的电路拓扑，其特征在于，所述第六开关管(QT2)具有双向关闭的功能，即电流不能从任一方向流过。
4.根据权利要求1中所述的一种实现电压转换的电路拓扑，其特征在于，所述第一开关管(Q1)和第四开关管(Q4)的开通时间互补，第二开关管(Q2)和第三开关管(Q3)的开通时间互补。
5.根据权利要求1中所述的一种实现电压转换的电路拓扑，其特征在于，所述第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)中的一个工作状态为常开，第二开关管(Q2)和第四开关管(Q4)中的一个工作状态为常开。
6.一种实现电压转换的电路拓扑，包括第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)、第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)、第九开关管(QT1)、第十开关管(QT2)、第一电容、第二电容、电感和电池；其中，第一开关管(Q1)的一端和第五开关管(Q5)的一端为电路拓扑的输入端，接外部输入电压，第一开关管(Q1)的另一端接第一电容的一端和第二开关管(Q2)的一端，第五开关管(Q5)另一端接第二电容的一端和第六开关管(Q6)的一端；第二开关管(Q2)的另一端分别接第三开关管(Q3)的一端、第九开关管(QT1)的一端、第十开关管(QT2)的一端和电池的正极，电池的负极接地，第六开关管(Q6)的另一端分别接第九开关管(QT1)的另一端、第七开关管(Q7)的一端和电感的一端；第三开关管(Q3)的另一端接第一电容的另一端和第四开关管Q4的一端，第七开关管Q7的另一端接第二电容的另一端和第八开关管Q8的一端；第四开关管Q4的另一端和第八开关管Q8的另一端接地；电感的另一端接第十开关管(QT2)的一端；电感和第十开关管(QT2)的连接点为电路拓扑的输出端。
7.根据权利要求6所述的一种实现电压转换的电路拓扑，其特征在于，所述第九开关管(QT1)具有双向关闭的功能，即电流不能从任一方向流过。
8.根据权利要求6所述的一种实现电压转换的电路拓扑，其特征在于，所述第十开关管(QT2)具有双向关闭的功能，即电流不能从任一方向流过。
9.一种实现电压转换的电路拓扑，包括第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)、第七开关管(QT1)、第八开关管(QT2)、电容、第一电感、第二电感和电池；其特征在于，第一开关管(Q1)的一端接电池的正极，电池的负极接地，第一开关管(Q1)另一端接电容的一端和第二开关管(Q2)的一端；第二开关管(Q2)的另一端分别接第三开关管(Q3)的一端、第七开关管(QT1)的一端和第一电感的一端，第三开关管(Q3)的另一端接电容的另一端和第四开关管(Q4)的一端，第四开关管(Q4)的另一端接地；第一电感的另一端接第七开关管(QT1)的另一端和第八开关管(QT2)的一端；第八开关管(QT2)的另一端接第二电感的一端，第二电感的另一端接第五开关管(Q5)的一端和第六开关管(Q6)的一端；第五开关管(Q5)的另一端为电路拓扑的输入端，接外部输入电压，第六开关管的另一端接地；第二电感和第八开关管(QT2)的连接点为电路拓扑的输出端。
10.根据权利要求9中所述的一种实现电压转换的电路拓扑，其特征在于，所述第七开关管(QT1)和第八开关管(QT2)具备双向关闭的功能，即电流不能从任一方向流过。
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