CN216162619U - 蓝牙耳机充电盒升压电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种蓝牙耳机充电盒升压电路，包括第一电源输入端、第二电源输入端、第一电源输出端、第二电源输出端、第一电荷泵开关桥电路、第二电荷泵开关桥电路、输出存储电容单元以及占空比为50%且相位相反的第一信号输出电路、第二信号输出电路；第一电荷泵开关桥电路和第二电荷泵开关桥电路均包括有第一电荷暂存电容、第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元、第六开关单元以及光电耦合器；其实现采用开关电容式升压，大大提高转换效率，尤其是，输出存储电容单元是呈线性状态持续输出，不会受开关频率的影响，后续耳机端就可用现有常规的开关式降压充电电路，大大提高总的转换效率。

Description

蓝牙耳机充电盒升压电路

技术领域

本实用新型涉及一种蓝牙耳机制造技术领域，尤其是指一种蓝牙耳机充电盒升压电路。

背景技术

随着手机3.5接口的取消，真无线蓝牙耳机也就成了主流，其由两只耳机加一个充电盒组成。为了考虑便携性，整个产品外形也是越做越小巧，续航时间却要求却越来越长，甚至有些把这个续航时间作为了主要卖点，以此获取更好的市场认可与接受度。

当前的这些耳机都是利用电感中电流不能突变的原理，将充电盒里3.7伏电池电压升压到5伏,然后在耳机端将5伏转成电池所需要的电压(通常为3.0~4.2伏)，充到耳机的电池里面。在这个过程中，充电盒升压电路为开关模式，开关频率200KHz到2MHz效率通常能做到95%以上，因耳机与充电盒开关同步问题(开关不同步，会使电能无法正常传递)，耳机里面的充电电路就只能为线性工作模式，平均效率在65%左右。在这个电压一升一降的转换过程中，总效率在62%以下。

然而，充电盒电池储存的电能本就有限，在实际使用中却是要损失1/3以上的能量，更是不符合节能要求。并且，在有限的空间里将续航时间做到更长，提高充电盒对耳机充电转换效率是必需要解决的首要问题。从上面的数据来看，主要是耳机内的线性充电电路损失较大，如果能把这个电路也设计成开关式充电就可以提高转换效率了，这样频率同步又是一个问题，如果避免这个问题，这就需要有一个新的方案来解决这个痛点。

因此，本实用新型专利申请中，申请人精心研究了一种蓝牙耳机充电盒升压电路来解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型针对上述现有技术所存在不足，其主要目的在于提供一种蓝牙耳机充电盒升压电路，其实现采用开关电容式升压，大大提高转换效率，其可达到97%以上，尤其是，输出存储电容单元是呈线性状态持续输出，不会受开关频率的影响，后续耳机端就可用现有常规的开关式降压充电电路，总的转换效率的最大值可提高至92%。

为实现上述之目的，本实用新型采取如下技术方案：

一种蓝牙耳机充电盒升压电路，包括有第一电源输入端、第二电源输入端、第一电源输出端、第二电源输出端、第一电荷泵开关桥电路、第二电荷泵开关桥电路、输出存储电容单元以及占空比为50%且相位相反的第一信号输出电路、第二信号输出电路；

所述第一电荷泵开关桥电路和第二电荷泵开关桥电路均包括有第一电荷暂存电容、第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、用于驱动第一开关单元的第五开关单元、用于驱动第二开关单元的第六开关单元以及用于驱动第四开关单元的光电耦合器；

所述第一开关单元和第二开关单元串联，所述第一开关单元的非串联节点连接第一电源输入端，所述第二开关单元的非串联节点连接第一电源输出端；所述输出存储电容单元的两端分别连接第一电源输出端和第二电源输出端，所述第二电源输出端连接第六开关单元；

所述第三开关单元和第四开关单元串联，所述第三开关单元的非串联节点连接第二电源输入端，所述第四开关单元的非串联节点连接第一电源输入端，所述第一开关单元和第二开关单元的串联节点通过第一电荷暂存电容连接第三开关单元和第四开关单元的串联节点；所述第一电荷暂存电容的两端并联有第二电荷暂存电容；

所述第一信号输出电路分别连接第一电荷泵开关桥电路的第三开关单元、第一电荷泵开关桥电路的第五开关单元、第二电荷泵开关桥电路的第六开关单元以及第二电荷泵开关桥电路的光电耦合器；

所述第二信号输出电路分别连接第一电荷泵开关桥电路的第六开关单元、第一电荷泵开关桥电路的光电耦合器、第二电荷泵开关桥电路的第三开关单元以及第二电荷泵开关桥电路的第五开关单元。

作为一种优选方案，所述第一开关单元包括有第一开关管和第一电阻；

所述第一开关管的第一端连接第一电源输入端，所述第一开关管的第二端连接第二开关单元和第一电荷暂存电容，所述第一开关管的控制端通过第一电阻连接第一开关管的第一端，所述第一开关管的控制端还连接第五开关单元；

所述第一电荷泵开关桥电路的第一开关单元还包括有电源滤波电容，所述电源滤波电容的两端分别连接第一电源输入端和第二电源输入端。

作为一种优选方案，所述第二开关单元包括有第二开关管和第二电阻；

所述第二开关管的第一端连接第一开关单元和第一电荷暂存电容，所述第二开关管的第二端连接第一电源输出端，所述第二开关管的控制端通过第二电阻连接第二开关管的第一端，所述第二开关管的控制端还连接第六开关单元。

作为一种优选方案，所述第三开关单元包括有第三开关管，所述第三开关管的第一端连接第二电源输入端，所述第三开关管的第二端连接第四开关单元和第一电荷暂存电容，所述第一信号输出电路连接所述第三开关管的控制端。

作为一种优选方案，所述第四开关单元包括有第四开关管和第三电阻；

所述第四开关管的第一端连接第三开关单元和第一电荷暂存电容，所述第四开关管的第二端连接第一电源输入端，所述第四开关管的控制端连接光电耦合器，所述第四开关管的控制端还通过第三电阻连接第四开关管的第一端。

作为一种优选方案，所述第五开关单元包括有第五开关管，所述第五开关管的第一端连接第一电源输入端且接地，所述第五开关管的第二端连接第一开关单元；

所述第一电荷泵开关桥电路的第五开关管的控制端连接第一信号输出电路，所述第二电荷泵开关桥电路的第五开关管的控制端连接第二信号输出电路。

作为一种优选方案，所述第六开关单元包括有第六开关管，所述第六开关管的第一端连接第二电源输出端且接地，所述第六开关管的第二端连接第二开关单元；

所述第一电荷泵开关桥电路的第六开关管的控制端连接第二信号输出电路，所述第二电荷泵开关桥电路的第六开关管的控制端连接第一信号输出电路。

作为一种优选方案，所述输出存储电容单元包括有相串联的第一分输出存储电容和第二分输出存储电容，所述第一分输出存储电容的非串联节点连接第一电源输出端，所述第二分输出存储电容的非串联节点连接第二电源输出端，所述第一分输出存储电容和第二分输出存储电容的串联节点连接第一电源输入端。

本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言：其主要是通过第一电荷泵开关桥电路、第二电荷泵开关桥电路、占空比为50%且相位相反的第一信号输出电路、第二信号输出电路的配合，实现采用开关电容式升压，大大提高转换效率，尤其是，由于是两路占空比为50%且极性相反的开关轮流为输出存储电容单元充电，在其上就是呈线性状态持续输出，不会受开关频率的影响，后续耳机端就可用现有常规的开关式降压充电电路，大大提高总的转换效率；

以及，多个开关管可根据需要选择大功率开关管，继而在供电电流足够的情况下能够实现任意场合的2倍电压输出或单电源变双电源等场合。

为更清楚地阐述本实用新型的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。

附图说明

图1是本实用新型之实施例的大致电路结构示意图；

图2是本实用新型之实施例的第一信号输出电路和第二信号输出电路结构示意图；

图3是本实用新型之另一实施例的大致电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步描述。

如图1至图3所示，一种蓝牙耳机充电盒升压电路，包括有第一电源输入端、第二电源输入端、第一电源输出端、第二电源输出端、第一电荷泵开关桥电路、第二电荷泵开关桥电路、输出存储电容单元以及占空比为50%且相位相反的第一信号输出电路、第二信号输出电路；

所述第一电荷泵开关桥电路和第二电荷泵开关桥电路均包括有第一电荷暂存电容、第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、用于驱动第一开关单元的第五开关单元、用于驱动第二开关单元的第六开关单元以及用于驱动第四开关单元的光电耦合器；

所述第一开关单元和第二开关单元串联，所述第一开关单元的非串联节点连接第一电源输入端，所述第二开关单元的非串联节点连接第一电源输出端；所述输出存储电容单元的两端分别连接第一电源输出端和第二电源输出端，所述第二电源输出端连接第六开关单元；

所述第三开关单元和第四开关单元串联，所述第三开关单元的非串联节点连接第二电源输入端，所述第四开关单元的非串联节点连接第一电源输入端，所述第一开关单元和第二开关单元的串联节点通过第一电荷暂存电容连接第三开关单元和第四开关单元的串联节点。

在本实施例中，所述第一电荷泵开关桥电路的第一电荷暂存电容和第二电荷暂存电容分别为电容C3、电容C5；所述第二电荷泵开关桥电路的第一电荷暂存电容和第二电荷暂存电容分别为电容C4、电容C6；在本实施例中，所述输出存储电容单元为电容C7。

所述第一信号输出电路分别连接第一电荷泵开关桥电路的第三开关单元、第一电荷泵开关桥电路的第五开关单元、第二电荷泵开关桥电路的第六开关单元以及第二电荷泵开关桥电路的光电耦合器；

所述第二信号输出电路分别连接第一电荷泵开关桥电路的第六开关单元、第一电荷泵开关桥电路的光电耦合器、第二电荷泵开关桥电路的第三开关单元以及第二电荷泵开关桥电路的第五开关单元。

优选地，所述第一开关单元包括有第一开关管和第一电阻，其中，所述第一开关管为PMOS管或PNP三极管，在此不作限定。

所述第一开关管的第一端连接第一电源输入端，所述第一开关管的第二端连接第二开关单元和第一电荷暂存电容，所述第一开关管的控制端通过第一电阻连接第一开关管的第一端，所述第一开关管的控制端还连接第五开关单元；

所述第一电荷泵开关桥电路的第一开关单元还包括有电源滤波电容，所述电源滤波电容的两端分别连接第一电源输入端和第二电源输入端。在本实施例，所述电源滤波电容为极性电容C1，所述极性电容C1的正、负极分别连接第一电源输入端和第二电源输入端。在本实施例中，所述第一电荷泵开关桥电路的第一开关管和第一电阻分别为PMOS管Q1、电阻R1；所述第二电荷泵开关桥电路的第一开关管和第一电阻分别为PMOS管Q3、电阻R4。

优选地，所述第二开关单元包括有第二开关管和第二电阻，其中，所述第二开关管为PMOS管或PNP三极管，在此不作限定。

所述第二开关管的第一端连接第一开关单元和第一电荷暂存电容，所述第二开关管的第二端连接第一电源输出端，所述第二开关管的控制端通过第二电阻连接第二开关管的第一端，所述第二开关管的控制端还连接第六开关单元。在本实施例中，所述第一电荷泵开关桥电路的第二开关管和第二电阻分别为PMOS管Q2、电阻R3；所述第二电荷泵开关桥电路的第二开关管和第二电阻分别为PMOS管Q4、电阻R6。

优选地，所述第三开关单元包括有第三开关管，所述第三开关管为NMOS管或NPN三极管，在此不作限定。

所述第三开关管的第一端连接第二电源输入端，所述第三开关管的第二端连接第四开关单元和第一电荷暂存电容，所述第一信号输出电路连接所述第三开关管的控制端。在本实施例中，所述第一电荷泵开关桥电路的第三开关管和为NMOS管Q7；所述第二电荷泵开关桥电路的第三开关管为NMOS管Q11。

所述第四开关单元包括有第四开关管和第三电阻，其中，所述第四开关管为NMOS管或NPN三极管，在此不作限定。

所述第四开关管的第一端连接第三开关单元和第一电荷暂存电容，所述第四开关管的第二端连接第一电源输入端，所述第四开关管的控制端连接光电耦合器，所述第四开关管的控制端还通过第三电阻连接第四开关管的第一端。在本实施例中，所述第一电荷泵开关桥电路的第四开关管和第三电阻分别为NMOS管Q9、电阻R2；所述第二电荷泵开关桥电路的第四开关管和第三电阻分别为NMOS管Q13、电阻R5。

所述第五开关单元包括有第五开关管，其中，所述第五开关管为NMOS管或NPN三极管，在此不作限定。所述第五开关管的第一端连接第一电源输入端且接地，所述第五开关管的第二端连接第一开关单元；

所述第一电荷泵开关桥电路的第五开关管的控制端连接第一信号输出电路，所述第二电荷泵开关桥电路的第五开关管的控制端连接第二信号输出电路。在本实施例中，所述第一电荷泵开关桥电路的第五开关管为NMOS管Q8；所述第二电荷泵开关桥电路的第五开关管为NMOS管Q12。

所述第六开关单元包括有第六开关管，其中，所述第六开关管为NMOS管或NPN三极管，在此不作限定。所述第六开关管的第一端连接第二电源输出端且接地，所述第六开关管的第二端连接第二开关单元；

所述第一电荷泵开关桥电路的第六开关管的控制端连接第二信号输出电路，所述第二电荷泵开关桥电路的第六开关管的控制端连接第一信号输出电路。在本实施例中，所述第一电荷泵开关桥电路的第六开关管为NMOS管Q10；所述第二电荷泵开关桥电路的第六开关管为NMOS管Q14。

所述光电耦合器包括有发光二极管和光敏三极管；

所述光敏三极管的集电极连接第一开关单元，所述光敏三极管的发射极连接第四开关单元，

所述第一电荷泵开关桥电路的发光二极管的阳极通过第四电阻连接第二信号输出电路，所述第二电荷泵开关桥电路的发光二极管的阳极通过第四电阻连接第一信号输出电路。在本实施例中，所述第一电荷泵开关桥电路的光合耦合器为光合耦合器Q5，其发光二极管和光敏三极管分别为发光二极管Q5A和光敏三极管Q5B，所述第一电荷泵开关桥电路的光合耦合器为光合耦合器Q6，其发光二极管和光敏三极管分别为发光二极管Q5A和光敏三极管Q5B。

需要说明的是，所有开关管的第一端为三极管的发射极或MOS管的源极，所有开关管的第二端为三极管的集电极或MOS管的漏极，所有开关管的控制端为三极管的基极或MOS管的栅极。在本实施例中，如图2所示，所述第一信号输出电路和第二信号输出电路为占空比为50%且相位相反的方波信号发生器电路，其为现有通用震荡电路，当然，所述第一信号输出电路和第二信号输出电路还可以由单片机的GPIO口输出占空比为50%且相位相反的两路PWM方波信号所形成。

接下来大致说明下工作原理：

如图1所示，图中PWM1为第一信号输出电路所输出的信号，图中PWM2为第二信号输出电路所输出的信号。

首先描述第一电荷泵开关桥电路的原理：当信号PWM1为高电位时，NMOS管Q7、NMOS管Q8、PMOS管Q1导通，这时第一电源输入端IN+、第二电源输入端IN-的电能经PMOS管Q1、NMOS管Q7给电容C3和电容C5充电，由于PMOS管Q1、NMOS管Q7均饱和导通且阻抗仅有几毫欧，使得电容C3和电容C5两端的电压很快充到VCC电压水平。

同时，PWM2为低电位，光合耦合器Q5、NMOS管Q10、PMOS管Q2、NMOS管Q9都不导通，后面的电路无作用。当PWM1变为低电位时，NMOS管Q7、NMOS管Q8、PMOS管Q1都不导通，这时电容C3、电容C5与第一电源输入端IN+、第二电源输入端IN-完全断开，同时，PWM2变为高电位，光合耦合器Q5、NMOS管Q10、PMOS管Q2、NMOS管Q9导通，这时电容C3和电容C5里存的电能经PMOS管Q2、NMOS管Q9给电容C7充电，由于PMOS管Q2、NMOS管Q9饱和导通阻抗仅有几毫欧，使得电容C7两端的电压很快充到电容C3和电容C5电压水平，这样周而复始循环，第一电源输入端IN+、第二电源输入端IN-的电能就转换到了电容C7里面。

由于负载始终存在，当PMOS管Q2、NMOS管Q9不导通时，负载的能量消耗就只能来源于电容C7存的电能，会在第一电源输出端OUT+上形成与PWM2开关频率同步的电源纹波。而另一路开关桥电路与第一路开关桥电路开关时间刚好相反，在PMOS管Q2、NMOS管Q9不导通时，另一路PMOS管Q4、NMOS管Q13导通为电容C7充电，这样就保证了给电容C7充电电流是持续的(第二电荷泵开关桥电路的原理的工作原理及参数与第一电荷泵开关桥电路的原理完全相同，此处不再重复描述)。

由于电容C7的负极端接在图1的电源正极VCC上，而电容C7两端的电压又约等于VCC，这样在电容C7的正极与电源负极GND之间的电压就约等于2倍VCC电压，实现了2倍电压的转换功能。当然，如果电容C7的正极接在电源负极GND上，电容C7的负极的电压就约等于-VCC电压，这样就实现了正电压变负电压的转换。与普通的电荷泵电路不同的是，本实施例通过两路电荷泵开关桥电路轮流接通相应开关单元，保证了输出电流是持续的，其自身电路开关对输入和输出两端的电路都不会影响，实用于开关性的负载。需要说明的是，本实施例可以选择大功率管，继而可用于大功率场合的电压转换。

本实施例的电路的能量损失只跟PMOS管Q1、PMOS管Q2、NMOS管Q7、NMOS管Q9、PMOS管Q3、PMOS管Q4、NMOS管Q11、NMOS管Q13这8只功率管的导通阻抗有关，其他震荡电路和驱动电路消耗的能量是恒定的，且很微弱，功率越大，效率就越高。

在另一实施例上，所述输出存储电容单元包括有相串联的第一分输出存储电容和第二分输出存储电容，所述第一分输出存储电容的非串联节点连接第一电源输出端，所述第二分输出存储电容的非串联节点连接第二电源输出端，所述第一分输出存储电容和第二分输出存储电容的串联节点连接第一电源输入端。所述第一分输出存储电容的两端并联有第三分输出存储电容，所述第二分输出存储电容的两端并联有第四分输出存储电容，如图3所示，所述第一分输出存储电容为电容C71，所述第二分输出存储电容为电容C8，所述第三分输出存储电容为电容C11，所述第四分输出存储电容为电容C12。

本实用新型设计要点在于，其主要是通过第一电荷泵开关桥电路、第二电荷泵开关桥电路、占空比为50%且相位相反的第一信号输出电路、第二信号输出电路的配合，实现采用开关电容式升压，大大提高转换效率，尤其是，由于是两路占空比为50%且极性相反的开关轮流为输出存储电容单元充电，在其上就是呈线性状态持续输出，不会受开关频率的影响，后续耳机端就可用现有常规的开关式降压充电电路，大大提高总的转换效率；

以及，多个开关管可根据需要选择大功率开关管，继而在供电电流足够的情况下能够实现任意场合的2倍电压输出或单电源变双电源等场合。

Claims (8)

1.一种蓝牙耳机充电盒升压电路，其特征在于：包括有第一电源输入端、第二电源输入端、第一电源输出端、第二电源输出端、第一电荷泵开关桥电路、第二电荷泵开关桥电路、输出存储电容单元以及占空比为50%且相位相反的第一信号输出电路、第二信号输出电路；

所述第一电荷泵开关桥电路和第二电荷泵开关桥电路均包括有第一电荷暂存电容、第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、用于驱动第一开关单元的第五开关单元、用于驱动第二开关单元的第六开关单元以及用于驱动第四开关单元的光电耦合器；

所述第一开关单元和第二开关单元串联，所述第一开关单元的非串联节点连接第一电源输入端，所述第二开关单元的非串联节点连接第一电源输出端；所述输出存储电容单元的两端分别连接第一电源输出端和第二电源输出端，所述第二电源输出端连接第六开关单元；

所述第三开关单元和第四开关单元串联，所述第三开关单元的非串联节点连接第二电源输入端，所述第四开关单元的非串联节点连接第一电源输入端，所述第一开关单元和第二开关单元的串联节点通过第一电荷暂存电容连接第三开关单元和第四开关单元的串联节点；所述第一电荷暂存电容的两端并联有第二电荷暂存电容；

所述第一信号输出电路分别连接第一电荷泵开关桥电路的第三开关单元、第一电荷泵开关桥电路的第五开关单元、第二电荷泵开关桥电路的第六开关单元以及第二电荷泵开关桥电路的光电耦合器；

所述第二信号输出电路分别连接第一电荷泵开关桥电路的第六开关单元、第一电荷泵开关桥电路的光电耦合器、第二电荷泵开关桥电路的第三开关单元以及第二电荷泵开关桥电路的第五开关单元。

2.根据权利要求1所述的蓝牙耳机充电盒升压电路，其特征在于：所述第一开关单元包括有第一开关管和第一电阻；

所述第一开关管的第一端连接第一电源输入端，所述第一开关管的第二端连接第二开关单元和第一电荷暂存电容，所述第一开关管的控制端通过第一电阻连接第一开关管的第一端，所述第一开关管的控制端还连接第五开关单元；

所述第一电荷泵开关桥电路的第一开关单元还包括有电源滤波电容，所述电源滤波电容的两端分别连接第一电源输入端和第二电源输入端。

3.根据权利要求1所述的蓝牙耳机充电盒升压电路，其特征在于：所述第二开关单元包括有第二开关管和第二电阻；

所述第二开关管的第一端连接第一开关单元和第一电荷暂存电容，所述第二开关管的第二端连接第一电源输出端，所述第二开关管的控制端通过第二电阻连接第二开关管的第一端，所述第二开关管的控制端还连接第六开关单元。

4.根据权利要求1所述的蓝牙耳机充电盒升压电路，其特征在于：所述第三开关单元包括有第三开关管，所述第三开关管的第一端连接第二电源输入端，所述第三开关管的第二端连接第四开关单元和第一电荷暂存电容，所述第一信号输出电路连接所述第三开关管的控制端。

5.根据权利要求1所述的蓝牙耳机充电盒升压电路，其特征在于：所述第四开关单元包括有第四开关管和第三电阻；

所述第四开关管的第一端连接第三开关单元和第一电荷暂存电容，所述第四开关管的第二端连接第一电源输入端，所述第四开关管的控制端连接光电耦合器，所述第四开关管的控制端还通过第三电阻连接第四开关管的第一端。

6.根据权利要求1所述的蓝牙耳机充电盒升压电路，其特征在于：所述第五开关单元包括有第五开关管，所述第五开关管的第一端连接第一电源输入端且接地，所述第五开关管的第二端连接第一开关单元；

所述第一电荷泵开关桥电路的第五开关管的控制端连接第一信号输出电路，所述第二电荷泵开关桥电路的第五开关管的控制端连接第二信号输出电路。

7.根据权利要求1所述的蓝牙耳机充电盒升压电路，其特征在于：所述第六开关单元包括有第六开关管，所述第六开关管的第一端连接第二电源输出端且接地，所述第六开关管的第二端连接第二开关单元；

所述第一电荷泵开关桥电路的第六开关管的控制端连接第二信号输出电路，所述第二电荷泵开关桥电路的第六开关管的控制端连接第一信号输出电路。

8.根据权利要求1所述的蓝牙耳机充电盒升压电路，其特征在于：所述输出存储电容单元包括有相串联的第一分输出存储电容和第二分输出存储电容，所述第一分输出存储电容的非串联节点连接第一电源输出端，所述第二分输出存储电容的非串联节点连接第二电源输出端，所述第一分输出存储电容和第二分输出存储电容的串联节点连接第一电源输入端。

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