CN1868107A - 升压变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能工作在电容性和电感性模式下的升压变换器(100)。在电容性模式下，该变换器通过使用一组开关(S1、S2、S3、S4)和一组电容器(110、112)来作为电荷泵电路工作。在电感性模式下，该变换器使用所述一组开关的子组(S2、S4)和电感来作为升压电路工作。通过选择端子(Vin)来选择模式，在电容性模式下该选择端子(Vin)也用于将电池(108)连接到升压变换器(100)上。

Description

升压变换器
本发明涉及DC/DC变换器领域，尤其但不限于涉及升压变换器。
现有技术中，升压变换器用来提供大于供电电压的输出电压。它尤其适用于要求工作电压高于电池电压的电池供电设备。
升压变换器通常用作白光发光二极管的电源，例如该白光发光二极管为像移动电话或个人数字助理这样的便携式应用中的显示器或键盘提供照明。
升压变换器实质上是一种开关模式电源的形式。在现有技术中公开了多种升压变换器的设计，例如US6469476B1、US5847949、US5831846、UK2302619A和EP1049240A1中的公开。
目前主要使用两种升压变换器的实现。电容性升压变换器也称为电荷泵，主要用于低成本应用和元件的最小尺寸很重要的应用中。该电容性变换器通常实现为受控倍压电路，因为这会导致最少数量的外部元件，即两个电容。必须将多个白光发光二极管(LED)并联连接到该电容性变换器的输出端。需要多个单独的电流平衡电阻来平衡通过每个白光LED的电流，这是从这些LED获得均匀的亮度所必需的。
电感性变换器用于高电源效率比成本和/或元件的尺寸更为重要的应用中。就输入/输出电压的关系而言，电感性变换器比电容性变换器更灵活。多个白光LED可以串联连接，确保相同的正向电流，从而使所有LED的亮度一致。
本发明提供了一种既可以工作在电容性模式下也可以工作在电感性模式下的升压变换器。这使用户不用更换变换器本身，就能将特定的应用优化为电容性模式下的低成本或电感性模式下的最优性能。通过选择端子来执行模式选择。
根据本发明的优选实施例，该选择端子不是一个额外的选择管脚，而是升压变换器用于连接外部元件的多个端子中的一个。这尤其有利，因为它限定了升压变换器的外部管脚的个数。
根据本发明的另一优选实施例，通过将输入电压源连接到选择端子来选择电容性工作模式。通过将选择端子连接到地，选择电感性工作模式。这具有的优势是，在该变换器上不需要额外的管脚来设置电容性或电感性模式。
根据本发明的另一优选实施例，该升压变换器具有开关控制器，用于为电容性和电感性模式提供开关序列。在电容性和电感性模式中，所述开关序列都具有空闲阶段、能量存储阶段以及能量转移阶段。
根据本发明的另一优选实施例，该升压变换器具有在电容性模式下工作的一组开关。在电容性模式下使用的该组开关中的一个子组工作在电感性模式下。
根据本发明的另一优选实施例，开关控制器通过与时钟信号相连接的计数器实现。
根据本发明的另一优选实施例，该升压变换器具有比较器，该比较器连接到选择端子，以便确定电容性或电感性模式的选择。通过该比较器将施加到选择端子上的电压和参考电压进行比较。如果选择端子上的电压超过了该门限，这表示选择了电容性模式；同样地，如果在选择端子上的电压低于该门限，这表示选择了电感性模式。
根据本发明的另一优选实施例，该升压变换器具有比较器，该比较器的一个输入端连接到外部电阻元件。该比较器将外部电阻元件上的电压降和参考电压进行比较。当外部电阻元件上的电压降表示需要更多能量时，即当该电压降低于参考电压时，触发从空闲阶段或能量存储阶段到能量转移阶段的转换。
本发明对于电池供电的应用尤其有用，诸如LED供电电路、移动电话的用户识别模块(SIM)的升压变换器、USB接口或者其它电池供电应用中基于5V的接口。
下文中通过参考附图，将对本发明的优选实施例进行更详细描述，其中：
图1是处于电容性模式的升压变换器的优选实施例的电路示意图；
图2说明了处于电容性模式的升压变换器的开关的开关序列；
图3是处于电感性模式的图1的升压变换器的电路示意图；
图4说明了处于电感性模式的升压变换器的开关的开关序列；
图5是本发明一种方法的优选实施例的流程图。
图1示出了升压变换器100。升压变换器100具有外部端子Vin、Gnd、Vout、Swp、Swn以及M。
将开关S1和S2串联连接在端子Vin和Vout之间。将端子Swp连接到开关S1和S2的公共端。将开关S3连接到端子Vin和Swn之间。将开关S4连接到Gnd和Swn之间。
此外，升压变换器100具有开关控制器102。开关控制器102提供输出信号S1、S2、S3和S4，以控制各个开关S1、S2、S3和S4。开关控制器102实现开关S1到S4的两种可选择的开关序列，分别对应于电容性和电感性模式。
将开关控制器102连接到史密斯触发器104的输出端，该史密斯触发器104确定模式选择。将史密斯触发器104的输入端连接到模式选择端子，即端子Vin。
升压变换器100的比较器106将施加在反馈端子Fb的电压和参考电压Vref进行比较。当端子Fb上的电压降到参考电压Vref以下时，比较器106提供给开关控制器102一个触发信号，以启动可应用的开关序列。
这里说明的应用例子中，将电池108连接到升压变换器100的端子Vin和Gnd之间。电池108提供DC电压，升压变换器100要将该DC电压上变换为更高的DC电压。
将外部电容110连接到升压变换器100的端子Swp和Swn之间；将外部电容112连接到端子Vout和地线之间。
将至少一个外部发光二极管(LED)连接到升压变换器100的端子Vout和M之间。此外，将外部电阻Rled连接到端子Fb和地之间。可以将一个或多个另外的LED和电阻Rled的串联连接并联连接到端子Vout和地之间。
在工作中，施加到端子Vin上的电池电压使得在史密斯触发器104的输出端产生表示电容性模式的模式选择信号。作为响应，开关控制器102选择电容性模式的开关序列。
通过所选择的开关序列，升压变换器100将足够的电荷转移到电容110内，为至少一个LED 114提供基本恒定的供电电压。通过测量在电阻Rled上的电压降并且通过比较器106将该电压降与Vref进行比较，调节从升压变换器100提供到电容110的电荷量。这样，将端子Fb上的电压控制到约等于Vref。因此，流过LED 114和电阻Rled的电流约为：
Iled＝Vref/Rled。
图2更详细地示出了电容性模式的开关序列。该开关序列具有空闲阶段、能量存储阶段以及能量转移阶段。
在空闲阶段，所有开关S1到S4是打开的。在能量存储阶段，由开关控制器102(比较图1)控制开关S1和S4闭合，而开关S2和S3保持打开。这样，将电容器110并联到供电电压上，该供电电压由连接到升压变换器上的外部电池提供。从而将电荷“泵”进电容器110中。
经过预定时间量后，该开关序列进入能量转移阶段，其中开关控制器控制开关S1和S4打开，开关S2和S3闭合。这样，从电容器110提供电荷给外部负载，即这里考虑的例子中的至少一个LED 114。
换句话说，在能量存储阶段用Vin电压为电容器110充电；这样在电容器110上的电荷Q等于Q＝Vin·C110，其中C110是电容器110的电容值。在能量转移阶段，电容器110上的电荷转移到输出端，从而转移到电容器112上，使得输出电压增加Vin·C110/C112，其中C112是电容器112的电容值。
在这种情况下输出负载是LED，该输出负载由电容器112供电，所以电容器112上的电荷通过该负载下降ΔQ＝Iload·时间，其中Iload是所有电流Iled的总和。
电容器112上更低的电压引起更低的负载电流，从而端子Fb上的电压更低。所以一段时间后，在反馈端子Fb上的电压降低到低于比较器106的开关电平。当这种情况出现时，启动新的序列。从而该电流反馈确保了该开关序列的重复频率能够获得期望的流过负载的平均电流水平，因而
Fsw*Vin*C110＝Iled*Rled＝＞Fsw＝(Iled*Rled)/(Vin*C110)
其中Fsw是开关频率。
接着，由开关控制器102实现的开关序列回到空闲阶段，直到由比较器106触发了下一个开关序列。应该注意，根据具体实现，该开关序列既可以开始于空闲阶段，也可以开始于能量存储阶段。
图3示出了处于电感性模式中的升压变换器100。在电感性模式中，端子Vin和Gnd连接到地。端子Vout连接到外部负载。在这里考虑的例子中，外部负载是至少一个LED 114或者一连串LED 114。端子Vout还连接到外部电容116上，该电容116的另一端连接到地。
端子Swp和Swn连接到电感118的一端。电感118的另一端连接到电池108。
由于模式选择端子Vin处的地电位，所以由史密斯触发器104检测电感性模式。响应于由史密斯触发器104提供的相应模式选择信号“DC_mode”，开关控制器102选择电感性模式的开关序列。
依靠这种开关序列，从升压变换器100提供能量给电感118，该电感118为至少一个LED 114供电。根据在端子Fb感测到的电阻Rled上的电压降，控制从升压变换器100转移到电感118上的能量。结果产生基本恒定的电流Iled流过至少一个LED 114，即
Iled＝Vref/Rled
图4中详细说明了电感性模式下的开关序列。在电感性模式下的开关序列和在电容性模式下的情况一样，具有空闲阶段、能量存储阶段以及能量转移阶段。在空闲阶段，所有的开关打开。在能量存储阶段，开关S4闭合而其它所有的开关仍保持打开。这样电流流过电感118，从而能量存储在产生的电磁场中。
在随后的能量转移阶段，该能量从电感118转移到负载。在能量转移阶段，开关S2闭合且开关S4打开，同时开关S1和S3仍保持打开。比较器106触发以能量存储阶段开始的新序列。在这里考虑的优选实施例中，比较器106不启动能量转移阶段。能量存储阶段具有由控制器102设定的固定持续时间。能量转移阶段自动跟随在能量存储阶段之后。
当电感中的所有能量都转移到输出时，也就是当电感中的电流减小为零时，能量转移阶段结束。这个时刻通常由比较器107检测，该比较器107监视流过开关S2的电流。当比较器107检测到开关S2中的零电流电平时，进入空闲阶段。当输出电流下降到反馈比较器106的门限电平以下时，该反馈比较器启动新的序列。注意，在电容性模式下没有使用零电流检测比较器107，即未激活该比较器。
注意，在这里考虑的优选实施例中，除了开关S1和S3在电感性模式下未工作，即在电感性模式的全部时间内开关S1和S3保持打开以外，电容性模式和电感性模式的开关序列是相同的。
图5示出了对应的流程图。在步骤200中电源接通。在步骤202中确定所选模式。这通过将选择端子Vin上的电压电位和门限电平相比较来完成。如果Vin上的电位高于门限电平，表示选择了电容性模式。然后在步骤204中选择电容性开关序列。如果情况相反，则在步骤206中选择电感性开关序列。
在任一种情况下，在步骤208中确定端子Fb上的电压是否低于参考电压Vref。如果判断为否，则什么也不会发生，直到端子Fb上的电压电位降低到参考电压Vref以下。当端子Fb上的电压电位降低到参考电压Vref以下时，在步骤210中开始开关序列以便进入能量转移阶段，使得端子Fb上的电压电位上升到参考电压Vref之上。经过预定时间量之后，能量转移阶段完成，并且该控制回到步骤208。
参考标号列表：
100  升压变换器
102  开关控制器
104  史密斯触发器
106  比较器
107  比较器
108  电池
110  电容器
112  电容器
114  LED
116  电容器
118  电感

Claims (11)

1、一种升压变换器，其具有电容性工作模式和电感性工作模式，和用于选择所述电容性或电感性模式的选择端子(Vin)。
2、如权利要求1所述的升压变换器，其中在所述电容性模式中，将所述选择端子连接到电压源(108)，并且其中在所述电感性模式中，将所述选择端子连接到地(Gnd)。
3、如权利要求1或2所述的升压变换器，还包括用于执行开关序列的开关装置(102、S1、S2、S3、S4)，所述开关序列包括空闲阶段、能量存储阶段和能量转移阶段。
4、如权利要求3所述的升压变换器，所述开关装置具有用于所述电容性模式的一组开关(S1、S2、S3、S4)和用于所述电感性模式的所述一组开关的子组(S2、S4)。
5、如权利要求3或4所述的升压变换器，所述开关装置包括用于接收时钟信号的计数器装置。
6、如前述权利要求中任一项所述的升压变换器，还包括第一比较器(104)，其连接到所述选择端子，用于确定所述电容性或电感性模式的选择。
7、如前述权利要求中任一项所述的升压变换器，还包括第二比较器(106)，用于将外部电阻元件(Rled)上的电压降和参考电压(Vref)进行比较，以触发从空闲阶段到能量存储阶段的转换。
8、一种电源，包括：
-用于容纳电池(108)的装置，
-升压变换器(100)，其具有电容性模式和电感性模式，以及至少第一端子(Vin)和第二端子(Swn)，
其中，将所述电池连接到所述第一端子用于所述电容性模式的选择，以及将所述电池连接到所述第二端子用于所述电感性模式的选择。
9、一种DC/DC转换的方法，所述方法包括以下步骤：
-选择电容性或电感性模式，以确定开关序列，
-执行所述开关序列，以提供空闲阶段、能量存储阶段和能量转移阶段，
其中，一组开关(S1、S2、S3、S4)工作在所述电容性模式下，以及所述一组开关中的子组(S2、S4)工作在所述电感性模式下。
10、如权利要求9所述的方法，其中通过将选择端子(Vin)连接到第一和第二预定电压中的一个，选择所述电容性或电感性模式。
11、如权利要求10所述的方法，其中在所述电容性模式下，所述第一预定电压是由电压源(108)提供的电压，并且其中在所述电感性模式下，所述第二预定电压为地电位。
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