专利名称：一种同步升降压装置及其实现同步升降压的方法
技术领域：
本发明涉及升降压技术，特别涉及一种同步升降压装置及其实现同步升降压的方 法。
背景技术：
大功率便携设备，如便携医疗设备、笔记本电脑等，一般都具有DC/DC电源(直流 转直流电源)或者充电管理模块，所以这类设备中通常需要使用一个升/降压装置。由软件控制的升/降压装置一般通过软件控制单独的硬件升压模块和降压模块， 通过控制芯片使能选择导通升压模块或者导通降压模块。众所周知，升压模块和降压模块 包含的电子元件较多，都需在电路板上占据一定的面积，不符合电子产品小型化的要求，而 且升压或者降压通过硬件控制，其灵活性差，升压和降压的电压值无法精确控制，不能满足 实际工作需要。并且，上述的升/降压装置采用的控制芯片的价格比较高，电子元件比较多，使产 品的成本较高，降低了产品在市场上的竞争力，而且对产品的调试和维护也不方便。因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种同步升降压装置及其 实现同步升降压的方法，能根据输入电压值自动启动同步升降压变换模块进行升压或者降 压或者先升压后降压，从而控制同步升降压装置的输出电压和输出电流，满足便携设备的 供电需求。为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案
一种同步升降压装置，其包括用于输出PWM信号的MCU微控制器；其中，还包括用于 实时对输入电压进行采样的输入电压采样模块；用于实时对输出电压进行采样的输出电压 采样模块；用于实时对输出电流进行采样的输出电流采样模块；用于根据输入电压值进行 升压和降压变换的同步升降压变换模块；所述MCU微控制器还用于根据输出电压采样模块 和输出电流采样模块得到的输出电压和输出电流，控制所述同步升降压变换模块的输出电 压和输出电流；所述MCU微控制器分别与输入电压采样模块、输出电压采样模块、输出电流 采样模块和同步升降压变换模块连接；所述输入电压采样模块连接所述同步升降压装置的 输入端口，输出电压采样模块连接所述同步升降压装置输出端口 ；所述同步升降压变换模 块分别与所述输入端口、输出端口和输出电流采样模块连接。所述的同步升降压装置，其中，还包括用于对所述PWM信号进行放大的驱动模块， 所述驱动模块串联在MCU微控制器与同步升降压变换模块之间。所述的同步升降压装置，其中，所述同步升降压变换模块是由第一 M0S管、第二 M0S管、第三M0S管和第四M0S管连接构成的全桥同步变换电路；其中第一 M0S管和第三 M0S管构成同步降压模块，第二 M0S管和第四M0S管构成同步升压模块。
所述的同步升降压装置，其中，所述驱动模块包括第一驱动模块和第二驱动模块； 所述第一驱动模块的第一输入端和第二输入端连接MCU微控制器的第一输出端和第二输 出端，第一驱动模块的第一输出端连接第一 M0S管的栅极，第二输出端连接第三M0S管的栅 极；所述第二驱动模块的第一输入端和第二输入端连接MCU微控制器的第三输出端和第四 输出端，所述第二驱动模块的第一输出端连接所述第二 M0S管的栅极，第二输出端连接所 述第四M0S管的栅极。所述的同步升降压装置，其中，所述的同步升降压变换模块包括第一二极管和第 二二极管；所述第一二极管的阳极连接第二 M0S管的漏极，第一二极管的阴极连接第二 M0S 管的源极；所述第二二极管的阳极连接第三M0S管的漏极，第二二极管的阴极连接第三M0S 管的源极。所述的同步升降压装置，其中，所述同步升降压变换模块包括电感，所述电感的一 端分别与第一 M0S管的漏极和第三M0S管的漏极连接，电感的另一端分别与第二 M0S管的 漏极和第四M0S管的漏极连接。一种同步升降压装置实现同步升降压的方法，其中，所述的方法包括以下步骤 由MCU微控制器输出4组互补的PWM信号发送给同步升降压变换模块；
由输入电压采样模块、输出电压采样模块和输出电流采样模块分别实时获取输入电 压、输出电压和输出电流，并反馈给MCU微控制器；
由所述MCU微控制器根据所述输入电压采样模块获取的输入电压，启动同步升降压变 换模块升压或者降压或者先升压后降压；同时，由所述MCU微控制器根据所述输出电压采 样模块和输出电流采样模块获取的输出电压和输出电流值，控制同步升降压变换模块输出 相应的电压和电流。所述的方法，其中，在所述由MCU微控制器输出4组互补的PWM信号发送给同步升 降压变换模块的步骤之后，所述的方法进一步包括
由驱动模块对所述MCU微控制器输出的PWM信号进行驱动能力的放大。所述的方法，其中，所述同步升降压变换模块输出的电压和电流，由所述MCU控制 模块采用PID算法计算得出。本发明提供的一种同步升降压装置及其实现同步升降压的方法，所述的同步升降 压装置包括MCU微控制器、输入电压采样模块、输出电压采样模块、输出电流采样模块和同 步升降压变换模块，通过输入电压采样模块获得的输入电压启动同步升降压变换模块是升 压还是降压，或者是先升压后降压，只需通过同步升降压变换模块根据MCU微控制器输出 的PWM信号实现了升压和降压同步变换，其反应速度快，同时通过输出电压采样模块和输 出电流采样模块分别获得的输出电压和输出电流，控制同步升降压变换模块输出相应的电 压和电流值，满足便携设备的供电需求。本发明提供的一种同步升降压装置及其实现同步升降压的方法，采用了纯数字的 平台，其外围器件很少、占板面积少、简化了设计制造工艺流程；而且数字平台的自动诊断、 调节的能力，使调试和维护工作变得轻松，可扩展性与重复性良好，同时，还采用了智能升 压和降压切换技术，实现了升压和降压无缝切换，而且还采用了 PID算法控制输出电压和 电流，动态响应特性好。本发明提供的同步升降压装置可广泛应用于要求高效率、电压变化范围宽、大电流输出的升降压型DC/DC电源和电池充电管理领域，为该应用领域提供一种可靠性高，低 成本的解决方案。
图1为本发明实施例提供的同步升降压装置的结构框图。图2为本发明实施例提供的同步升降压装置的原理图。图3为本发明实施例提供的同步升降压装置的一个应用实施例的电路图。图4为本发明实施例提供的同步升降压的方法流程图。
具体实施例方式本发明提供一种同步升降压装置及其实现同步升降压的方法，为使本发明的目 的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应 当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。请参阅图1，本发明提供的同步升降压装置包括MCU微控制器110(Micro Control Unit，微控制单元)、输入电压采样模块120、输出电压采样模块130、输出电流采样模块140 和同步升降压变换模块150。所述MCU微控制器110分别与输入电压采样模块120、输出电压采样模块130、输 出电流采样模块140和同步升降压变换模块150连接；所述输入电压采样模块120连接 所述同步升降压装置的输入端口 VIN，用于实用对输入电压进行采样反馈给MCU微控制器 110。输出电压采样模块130连接所述同步升降压装置的输出端口 V0UT，用于实时对输 出电压进行采样；所述同步升降压变换模块150分别与所述输入端口 VIN、输出端口 V0UT 和输出电流采样模块140连接。所述输出电流采样模块140用于实时对输出电流进行采样，并反馈给MCU微控制 器，同步升降压变换模块150用于根据输入电压值进行升压和降压的变换。所述MCU微控制器110用于输出4组互补的PWM(Pulse Width Modulation，脉宽 调制)信号，根据输入电压值控制同步升降压变换模块150启动升压或者降压或者先升压后 降压，并根据输出电压采样模块130和输出电流采样模块140得到的输出电压和输出电流， 运行PID算法控制所述同步升降压装置的输出电压和输出电流。由于MCU微控制器110输出的PWM信号比较弱，本发明采用了驱动模块160对MCU 微控制器110输出的PWM信号进行放大，从而驱动同步升降压变换模块150工作。所述驱 动模块160串联在MCU微控制器110与同步升降压变换模块150之间。请一并参阅图2，所述的同步升降压变换模块150是由第一 M0S管Q1、第二 M0S管 Q2、第三M0S管Q3和第四M0S管Q4连接构成的全桥同步变换电路。这四个M0S管在电路 中主要起开关作用，而且由M0S管组成的全桥同步变换电路，其导通的压降小，其升降压的 反应速度快，而且降低了电路的损耗。所述的同步升降压变换模块150包括同步降压模块151和同步升压模块152，所述 同步降压模块151由第一 M0S管Q1和第三M0S管Q3构成，同步升压模块152由第二 M0S 管Q2和第四M0S管Q4。
其中，所述第一 M0S管Q1和第三M0S管Q3采用P沟通M0S管，第二 M0S管Q2和 第四M0S管Q4采用N沟道M0S管。请继续参阅图2，所述的驱动模块160还包括第一驱动模块161和第二驱动模块 162 ；所述第一驱动模块161的第一输入端和第二输入端连接MCU微控制器110的第一输出 端和第二输出端，第一驱动模块161的第一输出端连接第一 M0S管Q1的栅极，第二输出端 连接第三M0S管Q3的栅极，所述第一 M0S管Q1的源极连接所述输入端口 VIN，漏极连接第 HMOS管Q3的漏极，第三M0S管的源极连接输出电流采样模块140 ；该第一驱动模块161用 于将MCU微控制器110输出的PWM信号进行放大，驱动第一 M0S管Q1和第三M0S管Q3，控 制这两个M0S管的通断。所述第二驱动模块162的第一输入端和第二输入端连接MCU微控制器110的第三 输出端和第四输出端，所述第二驱动模块162的第一输出端连接所述第二 M0S管Q2的栅 极，第二输出端连接所述第四M0S管Q4的栅极，所述第二 M0S管Q2的源极连接所述输出端 口 V0UT，漏极连接第四M0S管Q4的漏极，第四M0S管Q4的源极连接输出电流采样模块140 ； 该第二驱动模块162用于将MCU微控制器110输出的PWM信号进行放大，驱动第二 M0S管 Q2和第四M0S管Q4，从而控制M0S管Q2和Q4的通断。为了防止M0S管烧坏，所以上述四个M0S管不能同时导通，本实施例中，所述的同 步升降压变换模块150还包括第一二极管D1和第二二极管D2 ；所述第一二极管D1的阳极 连接第二 M0S管Q2的漏极，第一二极管D1的阴极连接第二 M0S管Q2的源极；所述第二二 极管D2的阳极连接第三M0S管Q3的漏极，第二二极管D2的阴极连接第三M0S管Q3的源 极。本实施例中，所述第一二极管D1和第二二极管D2主要起分流和续流作用。防止 第一 M0S管Q1与第三M0S管Q3，以及第二 M0S管Q2与第四M0S管Q4同时导通，从而实现 升降压无缝切换。其中，所述同步升降压变换模块中还设置有一电感L1，该电感L1主要起蓄能作 用，所述电感L1的一端分别与第一 M0S管Q1的漏极和第三M0S管Q3的漏极连接，电感L1 的另一端分别与第二 M0S管Q2的漏极和第四M0S管Q4的漏极连接。当同步升降压装置检测需要降压时，MCU微控制器控制第一 M0S管Q1导通、第三 M0S管关断，电流经过电感L1、负载到地给电感L1充电，然后MCU微控制器控制第一 M0S管 Q1关断、第三M0S管导通，由电感L1放电，电流经过负载到地，再流到第三M0S管Q3。当同步升降压装置检测需要升压时，MCU微控制器控制第一 M0S管Q1导通、第三 M0S管关断，电流经过电感L1、第四M0S管Q4、负载到地给电感L1充电，然后由电压L1放 电，关闭第四M0S管，并使第二 M0S管导通给负载供电。本发明提供的一种同步升降压装置，通过输入电压采样模块获得的输入电压启动 同步升降压变换模块是升压还是降压，或者是先升压后降压，通过同步升降压变换模块根 据MCU微控制器输出的PWM信号实现了升压和降压同步变换，其反应速度快，并根据输出电 压采样模块和输出电流采样模块分别获得的输出电压和输出电流，控制同步升降压变换模 块输出相应的电压和电流，满足便携设备的供电需求。请参阅图3，其为本发明实施例提供的同步升降压装置的一个应用实施例的电路 图。如图所示，所述的MCU微控制器采用型号为AT90PWM3的集成芯片U4或者其它具有该功能的芯片。该MCU微控制器的PWM1信号输出引脚和PWM2信号输出引脚分别连接第一驱 动模块，PWM3信号输出引脚和PWM4信号输出引脚分别连接第二驱动模块。所述第一驱动模块和第二驱动模块由至少两个三极管连接构成的放大电路，能将 PWM信号放到足够大，从而能使M0S管Q27、Q28、Q33和Q34快速导通和截止。因本实施例采用的输出电流采样模块、输入电压采样模块和输出电压采样模块均 为现有技术，此处不再一一赘述。基本上述的同步升降压装置，本发明实施例还对应提供一种采用该同步升降压装 置实现同步升降压的方法，请参阅图4，所述的方法包括以下步骤
在步骤S101中由MCU微控制器输出4组互补的PWM信号发送给同步升降压变换模
块；
在步骤S102中由驱动模块对所述MCU微控制器输出的PWM信号进行驱动能力的放
大；
在步骤S103中由输入电压采样模块、输出电压采样模块和输出电流采样模块分别实 时获取输入电压、输出电压和输出电流，并反馈给MCU微控制器；
在步骤S104中由所述MCU微控制器根据所述输入电压采样模块获取的输入电压，启 动同步升降压变换模块升压或者降压或者先升压后降压；同时，由所述MCU微控制器根据 所述输出电压采样模块和输出电流采样模块获取的输出电压和输出电流值控制同步升降 压变换模块输出相应的电压和电流。其中，所述同步升降压变换模块由同步升压变换模块和同步降压变换模块串联构 成，在步骤S101中由MCU微控制器输出第一组和第二组PWM信号发送给同步降压模块，由 MCU微控制器输出第三组和第四组PWM信号发送给同步升压模块。其中，所述MCU控制模块根据输出电压采样模块和输出电流采样模块获得的输出 电压和输出电流值，采用PID算法计算得出同步升降压装置的输出电压和电流，并控制同 步变换装置相应输出相应的电压和电流。综上所述，本发明提供的一种同步升降压装置及其实现同步升降压的方法，通过 输入电压采样模块获得的输入电压启动同步升降压变换模块是升压还是降压，或者是先升 压后降压，只需通过同步升降压变换模块根据MCU微控制器输出的PWM信号实现了升压和 降压同步变换，其反应速度快，同时通过输出电压采样模块和输出电流采样模块分别获得 的输出电压和输出电流，控制同步升降压变换模块输出相应的电压和电流值，满足便携设 备的供电需求。本发明提供的一种同步升降压装置及其实现同步升降压的方法，其升降压过程完 全由MCU微控制器发出同步PWM信号来进行控制，采用了纯数字的平台，其外围器件很少 (数字电源的快速响应能力还可以降低对输出滤波电容的要求)，占板面积少，简化了设计 制造流程；而且数字平台的自动诊断、调节的能力，使调试和维护工作变得轻松，可扩展性 与重复性良好，同时，还采用了智能升压和降压切换技术，实现了升压和降压无缝切换，而 且还采用了 PID算法控制输出电压和电流，动态响应特性好。本发明提供的同步升降压装置可广泛应用于要求高效率(98%以上)，电压变化范 围宽(0 - 60V)，大电流输出(0 - 40A)的升降压型DC/DC电源和电池充电领域，为该应用 领域提供一种可靠性高，低成本的解决方案。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发 明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保 护范围。
权利要求
1. 一种同步升降压装置，其包括用于输出P丽信号的MCU微控制器；其特征在于，还包括用于实时对输入电压进行采样的输入电压采样模块； 用于实时对输出电压进行采样的输出电压采样模块； 用于实时对输出电流进行采样的输出电流采样模块； 用于根据输入电压值进行升压和降压变换的同步升降压变换模块； 所述MCU微控制器还用于根据输出电压采样模块和输出电流采样模块得到的输出电 压和输出电流，控制所述同步升降压变换模块的输出电压和输出电流；所述MCU微控制器分别与输入电压采样模块、输出电压采样模块、输出电流采样模块 和同步升降压变换模块连接；所述输入电压采样模块连接所述同步升降压装置的输入端 口，输出电压采样模块连接所述同步升降压装置输出端口 ；所述同步升降压变换模块分别 与所述输入端口、输出端口和输出电流采样模块连接。
2.根据权利要求1所述的同步升降压装置，其特征在于，还包括用于对所述PWM信号进 行放大的驱动模块，所述驱动模块串联在MCU微控制器与同步升降压变换模块之间。
3.根据权利要求2所述的同步升降压装置，其特征在于，所述同步升降压变换模块是 由第一 MOS管、第二 MOS管、第三MOS管和第四MOS管连接构成的全桥同步变换电路；其中 第一 MOS管和第三MOS管构成同步降压模块，第二 MOS管和第四MOS管构成同步升压模块。
4.根据权利要求3所述的同步升降压装置，其特征在于，所述驱动模块包括第一驱动 模块和第二驱动模块；所述第一驱动模块的第一输入端和第二输入端连接MCU微控制器的 第一输出端和第二输出端，第一驱动模块的第一输出端连接第一 MOS管的栅极，第二输出 端连接第三MOS管的栅极；所述第二驱动模块的第一输入端和第二输入端连接MCU微控制 器的第三输出端和第四输出端，所述第二驱动模块的第一输出端连接所述第二 MOS管的栅 极，第二输出端连接所述第四MOS管的栅极。
5.根据权利要求4所述的同步升降压装置，其特征在于，所述的同步升降压变换模块 包括第一二极管和第二二极管；所述第一二极管的阳极连接第二 MOS管的漏极，第一二极 管的阴极连接第二MOS管的源极；所述第二二极管的阳极连接第三MOS管的漏极，第二二极 管的阴极连接第三MOS管的源极。
6.根据权利要求4所述的同步升降压装置，其特征在于，所述同步升降压变换模块包 括电感，所述电感的一端分别与第一 MOS管的漏极和第三MOS管的漏极连接，电感的另一端 分别与第二 MOS管的漏极和第四MOS管的漏极连接。
7. 一种采用权利要求1所述同步升降压装置实现同步升降压的方法，其特征在于，所 述的方法包括以下步骤由MCU微控制器输出4组互补的PWM信号发送给同步升降压变换模块； 由输入电压采样模块、输出电压采样模块和输出电流采样模块分别实时获取输入电 压、输出电压和输出电流，并反馈给MCU微控制器；由所述MCU微控制器根据所述输入电压采样模块获取的输入电压，启动同步升降压变 换模块升压或者降压或者先升压后降压；同时，由所述MCU微控制器根据所述输出电压采 样模块和输出电流采样模块获取的输出电压和输出电流值，控制同步升降压变换模块输出 相应的电压和电流。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述由MCU微控制器输出4组互补的 PWM信号发送给同步升降压变换模块的步骤之后，所述的方法进一步包括由驱动模块对所述MCU微控制器输出的PWM信号进行驱动能力的放大。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述同步升降压变换模块输出的电压和 电流，由所述MCU控制模块采用PID算法计算得出。
全文摘要
本发明公开了一种同步升降压装置及其实现同步升降压的方法，其同步升降压装置包括MCU微控制器、输入电压采样模块、输出电压采样模块、输出电流采样模块和同步升降压变换模块；MCU微控制器分别与输入电压采样模块、输出电压采样模块、输出电流采样模块和同步升降压变换模块连接；输入电压采样模块和输出电压采样模块分别连接装置的输入端口和输出端口；同步升降压变换模块分别连接输入端口、输出端口和输出电流采样模块。本发明通过输入电压采样模块获得的输入电压启动同步升降压变换模块是升压还是降压或者先升压后降压，同时根据输出电压和输出电流，控制同步升降压变换模块输出相应的电压和电流值，满足便携设备的供电需求。
文档编号H02M3/10GK102005918SQ20101054188
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月12日 优先权日2010年11月12日
发明者刘建飞, 李战功, 汪兆华, 谢春华, 鞠万金 申请人:深圳市京泉华电子有限公司