专利名称：电容矩阵dc-dc升压技术的制作方法
电容矩阵DC-DC升压技术技术领域
本发明属于电源技术领域 背景技术
小功率升压电源模块一般采用电感，中小功率升压电路使用的是变压器。用变压 器设计的升压器简单、成本低。缺点是转换效率低，电池电量利用率低。本发明就是为改善 中小功率直流升压效率和改善开关器件工作应力而发明的。而且可以实现正弦半周期输出O发明内容
本发明采用电容升压。
电容升压的难点
电容充电到满也只有电源电压，如何实现升压。
输出电压如何稳定，电容的脉冲性质决定了它放电快，输出纹波电压怎样解决。
如何提供持续的额定输出电流。
针对以上的难点，采用电容矩阵电路结构，用单片机控制行并联轮流充电，每列都 能不间断放电，固定脉宽的调频稳压方案。(矩阵的行电容同时充电，列电容串联后并联向 负载不间断供电)
如图1。该电路是一个3行3列的电容矩阵。右边为输入电压，左边为输出电压。
由单片机控制的开关工作顺序为
S1S4接通，给第一行充电完成，断开S1S4。
S2S5接通，给第二行充电完成，断开S2S5。
S3S6接通，给第三行充电完成，断开S3S6。
图1中，每一行的3个电容由4只二极管同向组合连接。比如第一行电容C1、C2、 C3，由二极管D1、D2、D3、D4连接，并且向左方向为二极管的正方向。在二极管Dl的正极和 电容Cl的正极并联后接有开关Si, 二极管D4的负极和电容C3的负极并联后接有开关S4。 当开关S1、S4同时接通并且Sl接正极S4接负极时，输入电源Uin给第一行电容C1、C2、C3 充电。
Cl的充电回路为电源正极、31、(1、03、04、54、电源负极。
C2的充电回路为:电源正极、31、01工2、04、54、电源负极。
C3的充电回路为电源正极、31、01、02丄3、54、电源负极。
由上可知，每只电容都经过了两只二极管充电，即每支电容电压是相等的，当开关 S1，S4断开时，二极管不会导通。忽略开关S1S4的压降，设电容电压为Uc，矩阵列数为Y， 行数为X，输入电压为Uin，选用肖特基二极管，压降为0. 3。
则Uc = Uin-O. 3* (Y-I)
当31、54断开后，接通第二行开关52、55，给电容(4、05、06充电。
C4充电回路为电源正极、32、(4、05、06、55、电源负极。
C5充电回路为电源正极、32、03工5、06、55、电源负极。
C6充电回路为电源正极、32、03、04、06、55、电源负极。
第二行每支电容上充得的电压仍为Uc = Uin-O. 3*(Y-I)。
当开关S2、S4断开后，接通第三行开关S3、S6，给电容C7、C8、C9充电。
C7的充电回路为电源正极、33、07、07、08、56、电源负极。
C8的充电回路为电源正极、33、05、08、08、56、电源负极。
C9的充电回路为电源正极、33、05、06、09、56、电源负极。
第三行每支电容上充得的电压仍为Uc = Uin-O. 3*(Y-I)。
此后，矩阵中的各元件在单片机的控制下重复上述步骤。
由于电容具有电压保持的作用，即储能。由上可知输出电压
U。ut = X* [Uin-O. 3* (Y-I)]
时序图如图2。Cp为单片机定时器由程序控制产生的脉冲。设cp的宽度为tl。 设在脉冲的下降沿开关导通，上升沿开关关闭，充电时间即为图2中的t2。脉冲宽度即tl 为死区时间(当两行开关同时接通时，会出现输入电源短路的情况，比如S2S4同时接通时， D3、D4将电源直接短路了，这种情况下必须得设立死区时间)。图中取C1、C4、C7电压波形， 并分别命名为Ucl、Uc4、Uc7。Uout上升平坦是因为每行电容充电时，即便是完全充电放电， 对输出电压的影响也只有1/3，X行即为1/X。
由于三行是轮流充电，并且加上了死区时间，所以
每行的工作频率f = 1/[X* (t1+t2)]
即是cp频率的1/X。
如果有2个独立的电源供电，输出波形就会稳定得多。因为1个电源的死区时间 正好可以用做另一个电源的充电时间，此时，cp应设置为方波。此时每行的工作频率f = 2/ [X* (Vt2)]。如果有 η 个电源，则 f = n/ [X* (Vt2)]，即 cp 频率的 η/Χ。
如图3，图中为4行3列的输出波形。两个电源是轮流充电的，填补了死区下限电 压，在每个脉冲的上升沿两行开关同时反向动作(即一个电源断开，另一个电源接通，并且 同时动作)。设第一、二、三、四行的开关编号分别为S1S5、S2S6、S3S7、S4S8。S1S5、S2S6 由第一电源供电，S3S7、S4S8由第二电源供电。电容电压分别为Ucl、Uc4、Uc7、UclO。Uout 为输出电压。因为在每个脉冲周期，都是3行放电1行充电并且四行电容的总状态一致。设 充放电周期为1并且充电开始处为0，则第一行充电各电容的状态为Ucl——0至1/4周期 变化，Uc4——2/4至3/4周期变化，Uc7——3/4至4/4周期变化，UclO——1/4至2/4周 期变化。所以输出波形是直线的。
从图1中可知，每只电容的放电回路都经过了负载电阻，并且电容是串联放电的。 根据等容量电容串联的公式“总容量的倒数等于串联各电容的倒数和”可知，总电容量小 于单只电容容量。也就是说放电电阻要大于充电电阻、放电电流小于充电电流，并且行数越 多、放电电阻阻越大，放电电流就会越小，同时电压也会升得更高。这满足能量守恒的该电 容矩阵将低压大电流转变成了高压小电流，即功率守恒。
图1中，二极管D9、D10、D11为供电隔离二极管。输出的正极直接从C3的正极输 出，负极如果从C9的负极输出，则因二极管D8、D7的隔离作用，第二列和第三列不能对负载供电，如去掉D7、D8，则在给负载供电的同时，列与列之间形成了回路，消耗了电容能量。所 以以D9、D10、D11为各自列的供电，而任意两列之间却不能形成回路。矩阵中的各二极管除 了有充电导流的功能外，还让任意两只电容之间均不能形成回路，避免了矩阵内部电容通 过对方内阻消耗电能。
由上可知，如果控制每一轮开关充电时间的长短，自然可以控制电容的充电电压 以正弦规律变化，这只要在程序上设计就可以了。如果控制输出电压以正弦方式变化并且 频率为100HZ，在输出端通过逆变桥电路，让输出每变化一个正弦半周就反向，输出电压自 然就为正弦波。这种波形不需要其他滤波或整形电路，因为本身就由电容输出的，通过逆变 桥后可以直接端接交流电机，没有准正弦逆变器(方波)拖动电机时的冲击电流和电压。
从输出端向矩阵看，每列电容是直接串联后再并联供电的，减小了电容矩阵给负 载供电的内阻，保证输出的额定电流和额定电压。从输入端向矩阵看，每行电容是并联同 时充电的，除开关死区外，任意时刻都会有一行电容同时充电，由于输入电源只接通其中一 行，所以不会有输出端高压冲击输入端低压的情况。这种行同时充电列不间断放电的工作 方式解决了输出电流的持续问题，同时也稳定了
输出电压。由于输出回路中没有开关，所以该电容矩阵的输出是平滑的，没有脉 冲。还有一点，该电容矩阵启动自然为软启动，关闭时电压连续下降，对负载没有冲击。
对于电池供电的升压电路来说，电容矩阵多设置1行，就能让电池在超低压情况 下工作。
图1电容矩阵升压原理图。点画线代表开关控制线，段画线代表输出电压采样线。 实线箭头表示电压降的方向。
图2图1的工作波形时序图。取第三列电容电压波形。Uout为输出电压。
图34行3列的电容矩阵时序图。由双电源供电。S1S5、S2S6由第一电源供电， S3S7、S4S8由第二电源供电。
具体实施方式
稳压方案应采用固定充电时间(脉宽)的调频稳压。该电容矩阵的升压关键在 于电容得到充分的电能，所以应估算充电时间常数
τ = [ (Y-I) RD+2RDS+iy*Y*C
Y 电容矩阵列数Rds MOSFET通态内阻
Rd 二极管通态内阻 & 电源内阻 C 电容容量
一般取3 τ电容端电压就能达到电源电压的95%。
PCB元件应选用贴片型，降低引线电感。设计为模块状性能可以达到最佳。
二极管应选用低压降、高反压二极管。
三极管应选用M0SFET，以降低驱动电路损耗。
单片机应选用带A/D功能的，A/D用以将输出电压输入电压的模拟量转变为数 字量，以便于程序处理，同时可以减少散件带来的不可靠性。I/O选用并口的，以减少驱动电 路的元件。并且A/D信号应以中断方式处理，以免输出欠调。
驱动电路单片机初始化后所有端口均为高电平，单片机也没有直接端接高压的 能力(一般为5V)，但它用在矩阵电路中，控制和调试由程序完成，非常方便，能大大简化矩 阵电路的硬件复杂性，减少器件和布线，增加可靠性，同时可以降低控制电路功耗。所以增 加驱动电路是相对经济实惠的方法。
电容矩阵的列应在保证电容耐压和选择最大容量的前提下，尽量设置得低些， 因为每多一列就会有一个管压降，这会损失电源电压，尽管功耗可以忽略。
电容矩阵的行行数X取值越大，显然可以升更高的输出电压，但X每增加1行， 对单电源来说，电容矩阵中的每一行放电时间都会延长1个cp周期，这会带来调整输出电 压的延时，会增加输出电压的纹波。多电源供电情况下要求低些，因为没有死区时间。
电容矩阵的列数Y和行数X的取值应在满足负载功率的前提下，尽量兼顾电源电 压和输出电压。所以，在确保电容耐压前提下，尽量选择容量大、漏电流低、低ESR、具有高频 特性的电容。
权利要求
1. 一种由电容、二极管、三极管构成的直流升压矩阵电路及其控制方法，矩阵的特征 为输出电源与矩阵的连接只在第一行电容的一端和最后一行电容的一端，输入电源与矩 阵只在第一列电容的一端和最后一列电容的一端通过三极管连接，同一行相邻2列的电容 由2只同向二极管并联且相邻2行的二极管为共用二极管，同一列的各个电容同向串联且 在最后一行电容的一端连接有2只二极管，前述矩阵的控制方法是能让同一行的每只电容 形成充电回路的2只三极管同时导通，且接于第一列电容的三极管和最后一列电容的三极 管一一对应导通使得各行电容是轮流充电的。(1)权利要求1所述的“输出电源与矩阵的连接”方法是第一行的电容3(C3)的正极、 电容2 (C2)的正极通过二极管2 (D2)、电容1 (Cl)的正极通过二极管1 (Dl) 二极管2 (D2)并 联到输出电源(Uout)正极，最后一行的电容9 (C9)通过二极管11 (Dll)、电容8 (C8)通过二 极管10 (DlO)、电容7 (C7)通过二极管9 (D9)并联到输出电源(Uout)负极。(2)权利要求1所述的“输入电源与矩阵”连接方法是第一列的电容3(O)通过开关 4 (S4)、电容6 (C6)通过开关5(S5)、电容9(C9)通过开关6(S6)并联到输入电源(Uin)负 极，最后一列的电容I(Cl)通过开关I(Sl)、电容4 (C4)通过开关2(S2)、电容7(C7)通过开 关3(S3)并联到输入电源(Uin)正极。(3)权利要求1所述的“同一行相邻2列的电容”连接方法是电容3(C3)的正极接有 二极管2(D2)的负极且D2的正极接有电容2 (C2)的正极，电容3 (C3)的负极接有二极管 4(D4)的负极且D2的正极接有电容2 (C2)的负极，二极管4 (D4)是第一行电容1 (Cl)、电容 2(C2)和第二行电容6 (C6)的共用二极管。(4)权利要求1所述的“同一列的各个电容同向串联”方法是第一列的电容3(C3)的 负极与电容6(C6)的正极连接，电容6(C6)的负极与电容9(C9)的正极连接，第二列的电容 2(C2)的负极与电容5 (C5)的正极连接，电容5 (C5)的负极与电容8 (C8)的正极连接，第三 列的电容I(Cl)的负极与电容4 (C4)的正极连接，电容4 (C4)的负极与电容7忙7)的正极 连接。(5)权利要求1所述的“矩阵的控制方法”是单电源供电时，控制脉冲的占空比小于 50 %，在第一个控制脉冲的低电平期间接通第一行电容的三极管1 (Si)、三极管4 (S4)，在 第二个控制脉冲的低电平期间接通第二行电容的三极管2(S》、三极管5 (S5)，在第三个控 制脉冲的低电平期间接通第三行电容的三极管3 (S3)、三极管6 (S6)，此后重复上述步骤， 由第一电源和第二电源供电时，控制脉冲占空比约为50%，第一个控制脉冲期间接通第一 电源的开关(S1S5)断开第二电源的开关(S4S8)，第二个控制脉冲期间断开第一电源的开 关(S1SO接通第二电源的开关(S3S7)，第三个控制脉冲期间接通第一电源的开关(S2S6) 断开第二电源的开关(S3S7)，第四个控制脉冲期间断开第一电源的开关(S2S6)接通第二 电源的开关(S4S8)，此后重复上述步骤。
全文摘要
电容矩阵DC-DC升压技术，属于电源技术领域。在磁场换能方式中，开关器件承受的应力较大，EMI设计困难，存在铜损、铁损、漏磁，因此提出利用电容矩阵传递能量。电路结构由二极管、电容、MOSFET构成矩阵，采用单片机控制，固定脉宽调频稳压方式。电容矩阵的行轮流充电，各列并联不间断向负载供电。用2个独立电源供电时效率比单电源供电方式高。输出可以由单片机程序设定为正弦、方波、直流或其他波形。应用于中小功率正弦逆变电源或直流升压电路。
文档编号H02M3/07GK102035373SQ20101056452
公开日2011年4月27日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者不公告发明人 申请人:马东林