CN218633709U - 一种电源电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电源电路至少包括：第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块、升压模块、电源及控制模块，升压模块通过储能对电源电路的输出进行升压操作；第二开关模块连接于升压模块的第二端与电源的正极之间；第一开关模块连接于升压模块的第一端与电源的负极之间；第三开关模块连接于升压模块的第二端与电源的负极之间；控制模块输出控制信号对第一开关模块、第二开关模块及第三开关模块进行调节。利用升压模块通过储能实现升压输出的目的，结构简单，性能可靠；能够广泛应用在低频、小功率使用环境中，能够有效避免电磁干扰，使电源电路具备电磁兼容性。

Description

一种电源电路

技术领域

本实用新型涉及半导体集成电路设计与应用领域，特别是涉及一种电源电路。

背景技术

升压电路多采用Boost升压电路，Boost升压电路的英文全称为“The boostconverter”，或者叫“Step-up converter”，Boost升压电路是一种开关直流升压电路，它能将直流电变换为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直流-直流变压器(DC/DCconverter)。通常情况下，Boost升压电路采用电感作为升压的功能器件，利用电感进行电磁转换的属性，再配合和肖特基二极管，利用肖特基二极管开关速度快的特点，实现升压的目的。但是在低频、小功率使用场景，采用电感作为升压的功能器件显得成本过高。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种电源电路，用于解决现有技术中如何在低频、小功率应用场景中，使电源电路能够实现结构简单、性能可靠地达到升压输出的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种电源电路，所述电源电路至少包括：第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块、升压模块、电源及控制模块，其中：

所述升压模块通过储能对所述电源电路的输出进行升压操作，其中，所述升压模块包括储能电容；

所述第二开关模块连接于所述升压模块的第二端与所述电源的正极之间；所述第一开关模块连接于所述升压模块的第一端与所述电源的正极之间；所述第三开关模块连接于所述升压模块的第二端与所述电源的负极之间，其中，所述第一开关模块、所述第二开关模块及所述第三开关模块基于控制信号进行相应的闭合或断开操作，进而对所述升压模块的储能操作进行控制；

所述控制模块与所述第一开关模块、所述第二开关模块及所述第三开关模块连接，输出所述控制信号对所述第一开关模块、所述第二开关模块及所述第三开关模块进行调节。

可选地，所述第一开关模块包括控制单元与第一开关单元，其中，所述控制单元与所述电源的负极以及所述控制模块连接；所述第一开关单元与所述控制单元、所述升压模块的第一端以及所述电源的正极连接。

可选地，所述控制单元包括第一电阻及第一功率管，其中：所述第一功率管的第一端与所述第一开关单元连接，所述第一功率管的第二端与所述控制模块连接，所述第一功率管的第三端与所述电源的负极连接；所述第一电阻连接于所述第一功率管的第二端与第三端之间。

可选地，所述第一开关单元包括第二电阻及第二功率管，其中：所述第二功率管的第一端与所述升压模块的第一端连接，所述第二功率管的第二端与所述控制单元连接，所述第二功率管的第三端与所述电源的正极连接；所述第二电阻连接于所述第二功率管的第一端与第二端之间。

可选地，所述第二开关模块包括第三功率管及第三电阻，其中：所述第三功率管的第一端与所述升压模块的第二端连接，所述第三功率管的第二端与所述控制模块连接，所述第三功率管的第三端与所述电源的正极连接；所述第三电阻连接于所述第三功率管的第二端与第三端之间。

可选地，所述第三开关模块包括第四功率管及第四电阻，其中：所述第四功率管的第一端与所述升压模块的第二端连接，所述第四功率管的第二端与所述控制模块连接，所述第四功率管的第三端与所述电源的负极连接；所述第四电阻连接于所述第四功率管的第二端与第三端之间。

可选地，所述电源为电池或电压源。

可选地，所述控制模块为单片机或ARM或DSP或FPGA。

如上所述，本实用新型的一种电源电路，具有以下有益效果：

1)本实用新型的电源电路，利用升压模块实现升压输出的目的，结构简单，性能可靠。

2)本实用新型的电源电路，能够广泛应用在低频、小功率使用环境中，能够有效避免电磁干扰(Electromagnetic Interference，简称EMI)，使电源电路具备电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，即EMC)。

附图说明

图1显示为本实用新型的一种电源电路的结构示意图。

图2显示为图1所示电源电路的一种示例性的结构示意图。

附图标记说明

1 第一开关模块

11 控制单元

12 第一开关单元

2 第二开关模块

3 第三开关模块

4 升压模块

5 电源

6 控制模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1及图2所示，本实施例提供一种电源电路，所述电源电路至少包括：第一开关模块1、第二开关模块2、第三开关模块3、升压模块4、电源5及控制模块6，其中：

如图1及图2，升压模块4通过储能对所述电源电路的输出进行升压操作，其中，升压模块4包括储能电容。

具体地，作为示例，如图2所示，所述储能电容为双电层电容或法拉第准电容。需要说明的是，储能电容是指利用电容器的储存电场能的属性，使电性相反的电荷分别在电容的两个极板上累积，利用电容的均压属性以及充放电属性，实现对输出的升压操作，电容的均压属性在于跟电感相比，电容放电的时间更长久，而电感的放电只是一瞬间，通常情况下，储存在电容器的能量等于建立电容两端的电压和电场所需的能量。

双电层电容和法拉第准电容均属于超级电容的范畴，超级电容是介于传统电容和电池之间的新型电化学储能器件。双电层电容是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙而产生的，对一个电极/溶液体系，会在电子导电的电极和离子导电的电解质溶液界面上形成双电层。当在两个电极上施加电场后，溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移，在电极表面形成双电层；撤消电场后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。这时对某一电极而言，会在一定距离内(分散层)产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷，使其保持电中性；当将两极与外电路连通时，电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流，溶液中的离子迁移到溶液中呈电中性，这便是双电层电容的充放电原理。

法拉第准电容的理论模型是由Conway首先提出，是在电极表面和近表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸脱附和氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。对于法拉第准电容，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，而且包括电解液离子与电极活性物质发生的氧化还原反应。当电解液中的离子(如H+、OH-、K+或Li+)在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极/溶液界面时，会通过界面上的氧化还原反应而进入到电极表面活性氧化物的体相中，从而使得大量的电荷被存储在电极中。放电时，这些进入氧化物中的离子又会通过以上氧化还原反应的逆反应重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出来，这就是法拉第准电容的充放电机理。

需要补充说明的是，电磁干扰(Electromagnetic Interference简称EMI)，是指电磁波与电子元件作用后而产生的干扰现象，有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络，在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作，而在本实施例中，升压模块4采用储能电容，利用电容的均压属性以及充放电属性，放电的时间更长久，对电磁干扰进行滤波，具体地，由于电容是储能元件，当电容两端因电磁干扰而存在电压，电压对电容充电，电容两端因电压升高将电能储存在电容上；当电压撤去，电容将电能缓慢释放，从而有效避免EMI，使整个电源电路具备电磁兼容性，即EMC特性。需要进一步说明的是，升压模块4包括但不限于储能电容，例如升压模块4还可以采用电荷泵进行升压，采用电荷泵升压的方式在这里就不一一赘述了；储能电容包括但不限于双电层电容或法拉第准电容，只要能实现升压输出的目的，保证结构简单、性能可靠，应用在低频、小功率的环境中，任意升压模块4的实现形式均适用，并不以本实施例为限。

如图1及图2所示，第二开关模块2与升压模块4的第二端连接与电源5的正极之间；第一开关模块1连接于升压模块4的第一端与电源5的正极之间；第三开关模块3连接于升压模块4的第二端与电源5的负极之间，其中，第一开关模块1、第二开关模块2及第三开关模块3基于控制信号进行相应的闭合或断开操作，进而对升压模块4的储能操作进行控制。

初始状态下，电源5的电压设为U1，第一开关模块1、第二开关模块2及第三开关模块3均处于断开状态；首先，控制模块6控制第一开关模块1与第三开关模块3均闭合，此时电源与电容并联，电源5给升压模块4充电，假设升压模块4充满电所需的时间为t，充电完成后升压模块4的电压也为U1；进一步地，控制模块6控制第一开关模块1与第三开关模块3均断开，控制模块6控制第二开关模块2闭合，此时电源5与升压模块4串联，在OUT+和OUT-之间的电压等于电源5的电压和升压模块4的电压之和，即2*U1，进而达到升压的目的。

具体地，作为示例，如图2所示，第一开关模块1包括控制单元11与第一开关单元12，其中，控制单元11与电源5的负极以及控制模块6连接；第一开关单元12与控制单元11、升压模块4的第一端以及电源5的正极连接。

更具体地，控制单元11包括第一电阻R1及第一功率管Q1，其中：第一功率管Q1的第一端与第一开关单元12连接，第一功率管Q1的第二端与控制模块6连接，第一功率管Q1的第三端与电源5的负极连接，其中，第一功率管Q1为NPN三极管；第一功率管Q1的第一端为集电极，第二端为基极，第三端为发射极；第一电阻R1连接于第一功率管Q1的第二端与第三端之间。需要说明的是，第一功率管Q1也可以使用NMOS管，当第一功率管Q1为NMOS管时，第一功率管Q1的第一端为漏极，第二端为栅极，第三端为源极。需要进一步说明的是，应根据具体的需求对第一功率管Q1的器件结构进行设置，包括电源5的参数、负载的参数要求。

更具体地，第一开关单元12包括第二电阻R2及第二功率管Q2，其中：第二功率管Q2的第一端与升压模块4的第一端连接，第二功率管Q2的第二端与控制单元11连接，第二功率管Q2的第三端与电源5的正极连接，其中，第二功率管Q2为PNP三极管；第二功率管Q2的第一端为发射极，第二端为基极，第三端为集电极；第二电阻R2连接于第二功率管Q2的第一端与第二端之间。需要说明的是，第二功率管Q2也可以是PMOS管，当第二功率管Q2为PMOS管时，第二功率管Q2的第一端为源极，第二端为栅极，第三端为漏极。需要进一步说明的是，应根据具体的需求对第二功率管Q2的器件结构进行设置，包括电源5的参数、负载的参数要求。

需要进一步补充说明的是，第一开关模块1包括但不限于控制单元11与第一开关单元12，只要能实现开关功能，任意第一开关模块1的实现形式均适用，并不以本实施例为限。

具体地，作为示例，如图2所示，第二开关模块2包括第三功率管Q3及第三电阻R3，其中：第三功率管Q3的第一端与升压模块4的第二端连接，第三功率管Q3的第二端与控制模块6连接，第三功率管Q3的第三端与电源5的正极连接，其中，第三功率管Q3为NPN三极管；第三功率管Q3的第一端为集电极，第二端为基极，第三端为发射极；第三电阻R3连接于第三功率管Q3的第二端与第三端之间；第三开关模块3包括第四功率管Q4及第四电阻R4，其中：第四功率管Q4的第一端与升压模块4的第二端连接，第四功率管Q4的第二端与控制模块6连接，第四功率管Q4的第三端与电源5的负极连接，其中，第四功率管Q4为NPN三极管；第四功率管Q4的第一端为集电极，第二端为基极，第三端为发射极；第四电阻R4连接于第四功率管Q4的第二端与第三端之间。需要说明的是，第三功率管Q3、第四功率管Q4也可以使用NMOS管，当第三功率管Q3、第四功率管Q4均为NMOS管时，第三功率管Q3、第四功率管Q4的第一端均为漏极，第二端均为栅极，第三端均为源极。需要进一步说明的是，应根据具体的需求对第三功率管Q3、第四功率管Q4的器件结构进行设置，包括电源5的参数、负载的参数要求。

需要进一步补充说明的是，第二开关模块2包括但不限于第三功率管Q3及第三电阻R3，第三开关模块3包括但不限于第四功率管Q4及第四电阻R4，只要能实现开关功能，任意第二开关模块2与第三开关模块3的实现形式均适用，并不以本实施例为限。

如图1及图2所示，控制模块6与第一开关模块1、第二开关模块2及第三开关模块3连接，输出控制信号对第一开关模块1、第二开关模块2及第三开关模块3进行调节。

具体地，作为示例，如图2所示，电源5为电池或电压源；控制模块6为单片机或ARM或DSP或FPGA。需要说明的是，电源5经过升压模块4的升压操作后，使所述电源电路的输出端：OUT+与OUT-之间的电压得到提升，提升的部分为升压模块4经过储能后得到的稳定的电压。

如图2所示，控制模块6输出的控制信号首先使第一开关模块1中控制单元11的第一功率管Q1和第三开关模块中第四功率管Q4开启，进而使第一开关模块1中第一开关单元12的第二功率管Q2开启，其中，第一功率管Q1的第二端为高电平时，第一功率管Q1开启，当第一功率管Q1开启时，第一功率管Q1的第一端电平被拉低，则第二功率管Q2开启；第四功率管Q4的第二端为高电平时，第四功率管Q4开启；此时，电源5与升压模块4为并联关系，由于升压模块4为储能电容，电源5给升压模块4进行充电，通过控制模块6设定延时时间，使升压模块4的电压与电源5的电压相等。需要说明的是，第一功率管Q1和第四功率管Q4在控制模块6输出的控制信号的电平为高电平的时候闭合。

当控制模块6输出的控制信号使第一开关模块1中控制单元11的第一功率管Q1和第三开关模块中第四功率管Q4关断，进而使第一开关模块1中第一开关单元12的第二功率管Q2关断，进一步地，控制模块6输出控制信号使第二开关模块2中第三功率管Q3开启，此时，电源5与升压模块4为串联关系，则OUT+与OUT-之间的电压为电源5的输出电压与升压模块4的电压之和，即2倍的电源5的输出电压，从而达到升压的目的。需要说明的是，第一功率管Q1和第四功率管Q4在控制模块6输出的控制信号的电平为低电平的时候关断。

需要进一步说明的是，控制模块6通过设定占空比对输出的控制信号的电平进行调节，所述控制信号为PWM信号(Pulse width modulation，PWM，即脉冲宽度调制信号)，设定控制模块6的延时时间，调节PWM信号占空比，通过调节第一功率管Q1、第二功率管Q2、第三功率管Q3及第四功率管Q4的开启与关断时间，从而对升压模块4的电压进行调节。需要补充说明的是，控制模块6包括但不限于单片机或ARM或DSP或FPGA；电源5包括但不限于电池或电压源，只要能实现升压输出的目的，且能保证在低频、小功率环境中应用，能够有效避免EMI，使本实施例的电源电路具备EMC属性，任意控制模块6与电源5的实现形式均适用，并不以本实施例为限。

综上所述，本实用新型的电源电路至少包括：第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块、升压模块、电源及控制模块，其中：升压模块通过储能对电源电路的输出进行升压操作；第二开关模块连接于升压模块的第二端与所述电源的正极之间；第一开关模块连接于所述升压模块的第一端与所述电源的负极之间；第三开关模块连接于升压模块的第二端与电源的负极之间，其中，第一开关模块、第二开关模块及第三开关模块基于控制信号进行相应的闭合或断开操作，进而对升压模块的储能操作进行控制；控制模块与所述第一开关模块、第二开关模块及第三开关模块连接，输出控制信号对第一开关模块、第二开关模块及第三开关模块进行调节。本实用新型的电源电路，利用储能电容实现升压输出的目的，结构简单，性能可靠。本实用新型的电源电路，能够广泛应用在低频、小功率使用环境中，能够有效避免电磁干扰，使电源电路具备电磁兼容性。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种电源电路，其特征在于，所述电源电路至少包括：第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块、升压模块、电源及控制模块，其中：

所述升压模块通过储能对所述电源电路的输出进行升压操作，其中，所述升压模块包括储能电容；

所述第二开关模块连接于所述升压模块的第二端与所述电源的正极之间；所述第一开关模块连接于所述升压模块的第一端与所述电源的正极之间；所述第三开关模块连接于所述升压模块的第二端与所述电源的负极之间，其中，所述第一开关模块、所述第二开关模块及所述第三开关模块基于控制信号进行相应的闭合或断开操作，进而对所述升压模块的储能操作进行控制；

所述控制模块与所述第一开关模块、所述第二开关模块及所述第三开关模块连接，输出所述控制信号对所述第一开关模块、所述第二开关模块及所述第三开关模块进行调节。

2.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于：所述第一开关模块包括控制单元与第一开关单元，其中，所述控制单元与所述电源的负极以及所述控制模块连接；所述第一开关单元与所述控制单元、所述升压模块的第一端以及所述电源的正极连接。

3.根据权利要求2所述的电源电路，其特征在于：所述控制单元包括第一电阻及第一功率管，其中：所述第一功率管的第一端与所述第一开关单元连接，所述第一功率管的第二端与所述控制模块连接，所述第一功率管的第三端与所述电源的负极连接；所述第一电阻连接于所述第一功率管的第二端与第三端之间。

4.根据权利要求2所述的电源电路，其特征在于：所述第一开关单元包括第二电阻及第二功率管，其中：所述第二功率管的第一端与所述升压模块的第一端连接，所述第二功率管的第二端与所述控制单元连接，所述第二功率管的第三端与所述电源的正极连接；所述第二电阻连接于所述第二功率管的第一端与第二端之间。

5.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于：所述第二开关模块包括第三功率管及第三电阻，其中：所述第三功率管的第一端与所述升压模块的第二端连接，所述第三功率管的第二端与所述控制模块连接，所述第三功率管的第三端与所述电源的正极连接；所述第三电阻连接于所述第三功率管的第二端与第三端之间。

6.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于：所述第三开关模块包括第四功率管及第四电阻，其中：所述第四功率管的第一端与所述升压模块的第二端连接，所述第四功率管的第二端与所述控制模块连接，所述第四功率管的第三端与所述电源的负极连接；所述第四电阻连接于所述第四功率管的第二端与第三端之间。

7.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于：所述电源为电池或电压源。

8.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于：所述控制模块为单片机或ARM或DSP或FPGA。

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