专利名称：具有电压抑制电路的电压升压器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将直流电源电压升压到一特定电平的装置，以及，具体地，涉及这样一种安装在自动车辆上的装置，用于对车载电池的电压进行升压。
背景技术：
12V电池通常被安装在自动车辆上，并且被用于各种目的，例如，启动发动机，以及提供功率给车载电子设备。对电池的电压进行升压，用于提供较高的电压给特定设备。在JP-A-9-74666中显示了这种电压升压器的例子。
迄今，已经知道在此所附图4A中显示的电压升压器装置。电压升压器装置110包括升压器电路111，用于对直流电源电压VB进行升压，以及用于输出来自输出端子121的输出电压Vout；以及微型计算机113，用于监控输出电压Vout，以及用于根据监控的输出电压Vout提供升压信号给升压器电路111。升压器电路111包括场效应晶体管(FET)M11、线圈L11、一对反向电流防止二极管D12和D13、二极管D11、输入电容器C12、平滑电容器C11、以及电阻器R11。如图4A所示，连接这些部件。即，FET M11的漏极连接到线圈L11和反向电流防止二极管D13的连接点。FET M11的栅极通过电阻器R11接地，以及FET M11的源极接地。
微型计算机113以脉宽调制信号(PWM)的形式提供升压信号给FETM11的栅极。当输出电压Vout变得低于启动升压的最小电压Vmin时，提供PWM信号，以及当输出电压Vout到达停止升压的最大电压Vmax时，停止提供PWM信号。响应于PWM信号，重复接通和断开FET M11。当接通FET M11时，提供电流给线圈L11，以及在线圈L11中累积能量。当断开FET M11时，在线圈L11中累积的能量通过二极管D13释放到输出端子121。这样，当PWM信号存在时，输出电压Vout增加，以及当PWM信号消失时，输出电压Vout减小。结果，输出电压Vout如图4B所示变化。
如上构造的电压升压器装置110按以下面的方式操作。当电源电压VB高于最小电压Vmin时，电源电压VB通过二极管D11直接提供给输出端子121。因此，输出电压Vout等于电源电压VB。相反，当输出电压Vout根据电源电压VB的减小而减小到最小电压Vmin的电平时，以上述方式对电源电压VB进行升压，并且升压的电压被提供给输出端子121。这样，输出电压Vout保持在Vmin和Vman之间。
但是，在上述常用电压升压器装置110中，存在以下问题。因为在升压操作期间，输出电压Vout如图4B所示变化，所以很可能根据输出电压Vout的变化在升压器电路中产生噪音。进一步，在由于微型计算机113失效或者故障而引起连续产生升压信号(PWM信号)的情况中，在输出电压Vout到达最大电压Vmax之后，升压继续进行。如果输出电压Vout超过在电压升压器装置110中允许的最大电压，则可以使设备110受到致命损坏。
发明内容
考虑上述问题，做出本发明，以及本发明的目的在于提供一种改进的电压升压器装置，其中，抑制了在升压操作期间输出电压的变化，以及避免了由于微型计算机的故障而引起的在该装置中的任何可能损坏。
通过电压升压器装置来升压直流电源电压，例如，电池电压。该电压升压器装置包括包含线圈和场效应晶体管的升压器电路；输出电路，用于输出电源电压或者由升压器电路升压的电压；包括齐纳二极管的电压抑制电路；以及包括微型机计算机的控制电路，用于将升压信号提供给升压器电路。
当电源电压低于一预定电压时，控制电路提供升压信号(脉宽调制信号)给场效应晶体管的栅极，以通过切换场效应晶体管来对电源电压进行升压。当升压的电压(输出电压)变得高于齐纳二极管的齐纳电压时，齐纳二极管变得导通，以使场效应晶体管的栅极电压回到低电平，与升压信号的电压电平无关。
通过电压抑制电路的操作，在升压操作期间的输出电压在齐纳电压之电平处保持恒定。因此，抑制了升压操作期间输出电压的变化。进一步，因为升压的电压之电平被限制在齐纳电压的电平，所以防止了电压升压器装置发生由于过压引起的任何损坏，其中控制电路的误操作可能引起过压。
具有分别不同齐纳电压的两个齐纳二极管可以被用在电压抑制电路中，以便当齐纳二极管任意一个变得导通时，抑制升压操作。在这种方式下，因为通过一个齐纳二极管抑制了升压操作，所以进一步确保电压升压器装置没有发生过压，即使另外一个齐纳二极管没有操作。根据本发明的电压升压器装置可以使用于在自动车辆上安装的电源系统。在这种情况中，当点火开关被断开时可以禁止升压操作，以便减小电压升压器装置中的功率消耗。可以使用开关元件代替齐纳二极管，通过控制电路来控制开关元件的切换操作。
通过对以下参考附图描述的优选实施例的更好理解，本发明其它目的和特征将变得更加清楚。
图1是根据本发明第一实施例的电压升压器装置的电路图；图2是根据本发明第二实施例的电压升压器装置的电路图；图3是显示通过图2所示电压升压器装置的升压过程的流程图；图4A是常用电压升压装置的电路图；
图4B显示在图4A所示常用设备中升压操作期间输出电压变化的示意图。
具体实施例方式
参考图1，说明本发明的第一实施例。电压升压器装置210包括升压器电路211，用于对直流电源电压VB进行升压，并且从输出端子221输出升压的电压，作为输出电压Vout；微型计算机213，用于当电源电压VB变得低于最小电压Vmin时，将升压信号(脉宽调制信号，称作PWM信号)提供给升压器电路211；以及电压抑制电路215，用于根据输出电压Vout抑制升压器电路211的操作。
升压器电路211包括线圈L21、二极管D21、一对反向电流防止二极管D22和D23、N沟道场效应晶体管(FET)M21、平滑电容器C21、以及输出电容器22。如图1所示，连接这些部件。电压抑制电路215包括NPN型晶体管T21、齐纳二极管Z21、以及电阻器R21、R22和R23。晶体管T21的集电极连接到FET M21的栅极；晶体管T21的基极连接到电阻器R21和R22的连接点处；以及晶体管T21的发射极通过电阻器R23连接到FET M21的栅极。FET M21的漏极通过二极管D22和线圈L21连接到电源电压，以及FET M21的源极接地。
齐纳二极管Z21的齐纳电压Vz(Z21)被设定为升压器装置之目标电压的电平(例如10V)。将电阻器R21和R22设定为这样的电平，即，使得在电阻器R21和R22的连接点处的分压电压Vd变得高于晶体管T21的接通电压。当电源电压VB变得低于最小电压Vmin时，微型计算机213输出升压信号(PWM信号)，该升压信号提供给FET M21的栅极。电源电压VB被升压到输出电压Vout，并且提供给输出端子221。
当在升压过程中输出电压Vout到达齐纳电压Vz(Z21)时，齐纳二极管Z21变得导通，接通晶体管T21。当接通晶体管T21时，EFT M21的栅极电压变成低电平，而与来自微型计算机213的PWM信号的电压电平无关。这样，抑制了升压器电路211中的升压。即，输出电压Vout保持在与齐纳电压Vz(Z21)相同的电平，以及因此抑制输出电压Vout的变化或者改变。因为齐纳电压Vz(Z21)被设定为低于电压升压器装置2 10中允许的最大电压Vpm(例如15V)的电平，所以防止了电压升压器装置210受到高压引起的损坏，即使微型计算机213误操作并且连续输出升压信号。
在上述第一实施例中，升压器电路211用作升压装置，二极管D21构成输出装置部分，齐纳二极管Z21用作第一电流导通装置，晶体管T21构成第一电压抑制装置部分，并且齐纳电压Vz(Z21)对应于第一预定电压。
参考图2和3，描述本发明的第二实施例。图2所示的电源系统1安装在自动车辆上，用于提供功率给各种电子和电力装置。电源系统1包括电压升压器装置10，用于将电源电压VB升压到输出电压Vout；恒压电路30，输出电压Vout提供给该恒压电路30，以及从恒压电路输出5V的恒压；以及点火继电器(ignition relay)40，当关闭点火开关(未示出)时，该点火继电器关闭，以提供电源电压VB给各种车载设备。从恒压电路30输出的5V的恒定电压被提供给例如车载微型计算机的设备。
电压升压器装置10包括升压器电路11，用于将电源电压VB升压到输出电压Vout；控制器13，输出升压信号(PWM信号)给升压器电路11；以及电压抑制电路15，用于根据输出电压Vout抑制升压器电路11的操作。
升压器电路11包括线圈L1，其一端通过反向电路防止二极管D2连接到电源电压VB，以及其中另一端通过另一反向电流防止二极管D3连接到输出端子21；二极管D1，其一端连接到电源电压VB，以及其另一端连接到输出端子21；N沟道场效应晶体管(FET)M1，其漏极连接到线圈L1和二极管D3的连接点处，其源极通过电阻器R4接地，以及其栅极连接到控制器13，以便向其提供升压信号(PWM信号)；平滑电容器C1，跨接在输出端子21和地之间；以及输出电容器C2，其一端连接到电源电压VB，以及其另一端接地。
当FET M1没有工作时，直流电源电压VB通过二极管D1被提供给输出端子21，由此使输出电压Vout等于电源电压VB。当FET M1工作时，电源电压VB被升压到输出电压Vout。即，当FET M1断开时，当FET M1接通时在线圈L1中累积的能量通过二极管D3被释放到输出端子21，以及由此高于电源电压VB的电压Vout出现在输出端子21。换句话说，当PWM信号从控制器13被提供给FET M1时，升压器电路11将电源电压VB升压到输出电压Vout。电阻R4用作熔断器，当由于FET M1误操作而引起过量电流流过该熔断器时，它被中断。在这种方式下，可以防止电压升压器装置10发生因FET M1误操作而引起的致命损坏。
电压抑制电路15包括NPN型晶体管T1，用于控制FET M1的操作；具有齐纳电压Vz(Z1)(例如15V)的齐纳二极管Z1；具有齐纳电压Vz(Z2)(例如10V)的齐纳二极管Z2；以及PNP晶体管T2，用于控制通过齐纳二极管Z2的电流导通。齐纳电压Vz(Z1)被设定为一电平，该电平比电源系统1中允许的最大电压Vpm低以及比电源系统1的额定电压Vn(例如12V)高。
晶体管T1的集电极连接到FET M1的栅极，并且通过电阻器R1接地。晶体管T1的发射极接地。齐纳二极管Z1的一端通过电阻器R3连接到晶体管T1的基极，以及通过R3和R2接地，以及齐纳二极管Z1的另一端连接到输出端子21。齐纳二极管Z2的一端通过电阻器R3连接到晶体管T1的基极，以及通过电阻器R3和R2接地，以及齐纳二极管Z2的另一端连接到晶体管T2的集电极。晶体管T2的发射极连接到输出端子21。集体管T2的基极连接到I/O端口23e(在下面说明)的输出端口PO2，以便晶体管T2根据输出端口PO2的电压电平而接通和断开。当晶体管T2的基极处于低电平时，晶体管T2被接通，而当晶体管T2的基极处于高电平时，晶体管T2被断开。电阻器R2和R3被设定到这样的电平，即，使得在R2和R3连接点处的分压电压Vd1变得高于晶体管T1的接通电压。电阻器R1和R5(在下面说明)被设定为使得在R1和R5连接点处的分压电压Vd2高于FET M1的接通电压。
上述电压抑制电路15以下面的方式操作。如果齐纳二极管Z1和Z2都不导通时，则当晶体管T2接通时，晶体管T1断开。相反，如果齐纳二极管Z1和Z2任意一个导通，晶体管T1接通。当晶体管T2断开时，即使在输出端子21的输出电压Vout超过齐纳电压Vz(Z2)，齐纳二极管Z2也没有变得导通，因为输出电压Vout没有提供给齐纳二极管Z2。这意味着通过接通或者断开晶体管T2来从齐纳二极管Z1或者Z2中选择用于接通晶体管T1的齐纳二极管。
控制器13包括已知的微型计算机23。微型计算机23包括CPU23a，其根据预定程序操作；ROM 23b，用于在其中存储各种程序；RAM23c，用于在其中存储各种数据；A/D转换器23d，用于将电源电压VB转换成数字量；以及I/O端口23e，具有多个输入端口和输出端口。I/O端口23e包括通过耦合电容器C3和电阻器R5连接到FET M1之栅极的输出端口PO1，以及连接到晶体管T2之基极的输出端口PO2。
上述控制器13以下面的方式操作。如图3所示，CPU 23a控制电压升压器装置10中的升压过程。在点火开关被接通期间，重复执行图3所示的过程。在步骤S10，检查点火开关是否接通。如果点火开关被接通，则处理前进到S20，在此使输出端口PO2的电压电平回到低电平。然后，在步骤S30，确定电源电压VB是否低于最小电压Vmin(例如，开始升压操作时的9V)。如果VB低于Vmin，则处理前进到步骤S40，在此从端口PO1输出升压信号(PWM信号)。然后，处理结束。如果在步骤S10确定点火开关断开，则处理前进到步骤S50，在此使得输出端口PO2的电压电平回到高电平。然后，处理结束。
整体上，上述电压升压器装置10以下面的方式操作。在点火开关接通期间，如果电源电压VB高于最小电压Vmin(例如9V)，则输出电压Vout等于电源电压VB。如果VB低于Vmin，通过根据从控制器13提供的升压信号(PWM信号)以接通-断开(on-off)方式操作FET M1，来对电源电压VB进行升压。当输出电压Vout到达齐纳电压Vz(Z2)(例如10V)时，齐纳二极管Z2变得导通，由此来接通晶体管T1。FET M1被断开，而与PWM信号的电平无关，因为它的栅极回到了低电平。这样，抑制了升压操作，以及输出电压Vout保持在与齐纳电压Vz(Z2)相同的电平。
在点火开关被断开期间，输出电压Vout与电源电压VB相同，与VB的电平无关，因为从控制器13没有提供升压信号(PWM信号)。在这期间，即使电源电压VB高于齐纳电压Vz(Z2)(例如10V)，齐纳二极管Z2也没有变得导通，因为晶体管T2保持断开。因为在此期间没有执行升压操作，所以在电源系统中的功率消耗保持很低。
在点火开关断开期间由于控制器13误操作而使得升压信号继续被提供的情况下，电源电压VB继续被升压。但是，但当输出电压Vout到达齐纳电压Vz(Z1)(例如15V)时，因为齐纳二极管Z1变得导通从而接通晶体管T1，所以升压被停止。当接通晶体管T1时，FET M1的栅极回到低电平，由此停止升压操作。这意味着在任何情况下，可以防止输出电压Vout变得高于齐纳电压Vz(Z1)。
在齐纳二极管Z2被损坏而变得总是不能导通的情况中，电流可以通过齐纳二极管Z1导通。因此，输出电压Vout没有超出齐纳电压Vz(Z1)，例如15V。类似地，在齐纳二极管Z1被损坏，输出电压没有超出齐纳电压Vz(Z2)，因为电流通过齐纳二极管Z2导通。这意味着如果二极管Z1和Z2任何之一被损坏，输出电压Vout都没有超出升压器装置10允许的最大电压Vpm。因此，可以很好的保护电源系统发生过压。
在上述第二实施例中，升压电路11用作升压装置，二极管D1构成输出装置部分，齐纳二极管Z1用作第二电流导通装置，齐纳二极管Z2用作第三电流导通装置，晶体管T1用作第二电压抑制装置，以及晶体管T2和控制器13用作第二控制装置。齐纳电压Vz(Z1)对应于第二预定电压，以及齐纳电压Vz(Z2)对应于第三预定电压。
本发明并不局限于上述实施例，而是它可以做出多种修改。例如，虽然在第二实施例中，电压升压器10被安装在汽车上，但是电压升压装置10可以使用在其它系统中。虽然，在第二实施例中，当点火开关断开时禁止升压操作，但是可以根据电压升压器装置的应用来设定禁止条件。使用在第一实施例中的齐纳二极管Z21和使用在第二实施例中的齐纳二极管Z1和Z2可以使用开关元件代替，根据输出电压Vout，通过微型计算机来控制开关元件。
虽然参考上述优选实施例，显示和描述了本发明，但对于本领域技术人员来说，很明显的是，其中在形式和细节上可以多种改变，而没有偏移所附权利要求定义的本发明的范围。
权利要求
1.一种电压升压器装置(210)，包括升压装置(211)，用于当接收到升压信号(PWM)时，对直流电源电压(VB)进行升压；输出装置(D21)，用于输出电源电压或者通过升压装置升压的电压中任何一个较高者作为输出电压(Vout)；第一电流导通装置(Z21)，用于当输出电压(Vout)变得高于第一预定电(Vz(Z21))时，导通电流；第一电压抑制装置(T21)，用于当通过第一电流导通装置(Z21)导通电流时，抑制升压装置(211)的操作；以及第一控制装置(213)，用于当电源电压(VB)低于一最小电压(Vmin)时，提供升压信号给升压装置(211)，该最小电压(Vmin)被设定为低于第一预定电压(Vz(Z21))的电平。
2.一种电压升压器装置(10)，包括升压装置(11)，用于当接收到升压信号(PWM)时，对直流电源电压(VB)进行升压；输出装置(D1)，用于输出电源电压或者通过升压装置升压的电压中任何一个较高者作为输出电压(Vout)；第二电流导通装置(Z1)，用于当输出电压(Vout)变得高于第二预定电压(Vz(Z1))时，导通电流，该第二预定电压(Vz(Z1))被设定为低于电压升压器装置中允许的最大电压(Vpm)的电平；第三电流导通装置(Z2)，用于当输出电压(Vout)变得高于第三预定电压(Vz(Z2))时，导通电流，该第三预定电压(Vz(Z2))被设定为低于第二预定电压(Vz(Z1))的电平；第二电压抑制装置(15)，用于当通过第二电流导通装置(Z1)或者第三电流导通装置(Z2)导通电流时，抑制升压装置(11)的操作；以及第二控制装置(13)，用于当电源电压(VB)低于一最小电压(Vmin)时，提供升压信号给升压装置(11)，该最小电压(Vmin)被设定为低于第三预定电压(Vz(Z2))的电平。
3.根据权利要求2的电压升压器装置，其中第二预定电压(Vz(Z1))被设定为高于电源的额定电压(Vn)的电平；以及在一预定禁止条件下，禁止第二控制装置(13)和第三电流导通装置(Z2)的操作。
4.根据权利要求3的电压升压器装置，其中电压升压器安装在自动车辆上；以及预定禁止条件是其中自动车辆的点火开关被断开的条件。
5.根据权利要求2-4任意之一的电压升压器装置，其中第二电流导通装置(Z1)和第三电流导通装置(Z2)至少之一是齐纳二极管。
全文摘要
一种电压升压器装置(210)，包括升压器电路(211)，用于对例如电池电压的电源电压(VB)进行升压；电压抑制电路(215)，用于当升压的电压到达一预定电压，例如包括在电压抑制电路(215)中的齐纳二极管的齐纳电压(Vz(Z21))时，抑制升压器电路的操作；以及具有微型计算机的控制电路(213)，用于当电源电压(VB)低于一预定最小电压(Vmin)时，提供一升压信号(PWM)。当电源电压(VB)低于最小电压(Vmin)时，对电源电压进行升压。当升压的电压到达一预定电压，例如齐纳电压(Vz(Z21))时，升压的电压之电平在预定电压的电平处保持恒定。
文档编号H02M3/156GK1627618SQ200410097838
公开日2005年6月15日 申请日期2004年12月2日 优先权日2003年12月11日
发明者高木信友, 田中康弘, 山中高行, 寺崎畅 申请人:株式会社电装