一种超低输入电压DC/DC升压装置的制作方法

一种超低输入电压dc/dc升压装置
技术领域
1.本发明属于直流升压电路设计技术领域，涉及一种超低输入电压dc/dc升压装置。


背景技术：

2.目前，输入电压dc/dc直流升压装置应用越来越广泛，例如，常应用于直流碱性电池、镍氢充电电池、锂锰电池或锂离子充电电池等需要直流升压的场景。
3.请参阅图1，图1所示为现有技术中超低输入电压dc/dc升压装置的示意图。该dc/dc升压装置用以将输入电源电压v1经装置处理后输出一个等于或高于输入电源电压v1的输出电源电压v2。
4.如图1所示，其包括电源切换控制模块(power switch)、逻辑反相器(inv)、误差放大器模块(eamp)、pwm比较器模块(cmp)、逻辑控制模块(pwm control logic)、驱动模块(drvier)、基准电压源模块(vref)、振荡器模块(osc)、斜坡补偿模块(slope compensation)、反馈电阻(rfb1,rfb2,rfb3,rfb4)、电源ok模块(powerok)、p型晶体管(q1,q3,q4)、n型晶体管(q2)、电感(l1)和电容(c1,c2)等元件。
5.上述启动控制电路内部模块电源为电源电压v3，其分别连接p型晶体管q3和q4的一端，p型晶体管q3和q4的另一端分别连接输入电源电压v1和输出电源电压v2，电源切换模块通过判断输入电源电压v1和输出电源电压v2的大小，输出判断信号控制p型晶体管q3和p型晶体管q4的开启或关闭，由此，决定电源电压v3由输入电源电压v1还是输出电源电压v2来提供给内部模块。当输入电源电压v1大于输出电源电压v2时，内部模块的供电电源v3来自输入电源电压v1，当输出电源电压v2大于输入电源电压v1时，内部模块的供电电源v3切换为来自输出电源电压v2。
6.也就是说，电源切换控制模块用以切换内部模块供电电源，当输出电源电压v2大于输入电源电压v1时，开启p型晶体管q4和关闭p型晶体管q3；当输出电源电压v2小于输入电源电压v1时，开启p型晶体管q3和关闭p型晶体管q4。
7.此外，上述控制装置中的内部模块正常工作需满足电源电压v3达到一定的电压值时才可正常启动工作。当电源电压v3满足启动电压需求，基准电压模块优先开始工作，输出基准参考电压vref用于误差放大器、振荡器和比较器cmp比较模块的运作。当电源ok模块判断v3电压正常输出pok信号给逻辑控制模块，控制该装置内所有模块开始工作；此时，输出电源电压v2较低，通过rfb1和rfb2的分压得到的fb信号处于较低值，fb信号和vref信号经过误差放大器模块的处理输出comp信号送入pwm比较器模块的一端输入，和pwm比较器模块的另一端由振荡器模块和斜坡补偿模块输出的周期性ramp信号进行比较，得到pwm方波信号，经过逻辑控制模块的处理输出dr信号提供给驱动模块，驱动模块输出信号clkn将n型晶体管q2开启，输入电源电压v1和接地端gnd之间形成回路，此时，对储能电感l1充电进储能，而后驱动模块将n型晶体管q2关闭，打开p型晶体管q1，在输入电源电压v1和v2之间形成回路，此时的储能电感l1上有电流存在，而电感l1电流无法突变，此时电感l1两端形成的电压vl，和输入电源电压v1同时向输出电源电压v2传输能量，使v2电压上升，通过电阻rfb1和电
阻rfb2的分压得到的fb信号大于vref，此时，经过误差放大器模块和pwm比较器模块不再输出pwm方波信号，n型晶体管q2无法开启，直到fb信号小于vref，才会重新开启n型晶体管q2给储能电感l1充电，周而复始保证输出电源电压v2输出一稳定的电压。而当电源电压v3通过电源ok模块检测到的其电压低于vref时，即发生电源电压过低情况，会输出pok的反向信号给控制逻辑模块关闭装置内所有的模块。
8.然而，请参阅图2，上述启动控制电路存在如下缺陷：
9.在启动时想让升压装置正常工作，就需要对输入电源电压v1进行限定，过低的输入电源电压v1，会导致电路内模块无法正常工作，使升压装置对输入电源电压v1应用范围产生限制。


技术实现要素：

10.为解决的上述技术问题，本发明提出一种超低输入电压dc/dc升压装置，其技术方案如下：
11.一种超低输入电压dc/dc升压装置，用于将输入的直流电源电压v1升压成直流电源电压v2；包括：
12.第一晶体管q1、第二晶体管q2和电感l1；所述电感l1连接在所述直流电源电压v1输入端与所述第一晶体管q1和第二晶体管q2漏极连接点sw之间；所述第一晶体管q1的源极接地，第二晶体管q2的源极接所述直流电源电压v2的输出端；内部供电模块，用于根据电源电压v1和电源电压v2产生所述dc/dc升压装置中各模块供电的电源电压v3以及对电源电压v3的电源阈值进行判断；其包括电源ok子模块所述电源ok子模块用于判断电源电压v3是否大于等于一预定阈值，如果是，输出正向pok信号，否则，输出反向pok信号；
13.pwm产生模块，产生一pwm方波信号；
14.升压系统驱动控制模块，根据接收到的pwm方波信号和pok信号，若接收到的所述pok信号为正向的pok，则根据pwm方波信号输出信号相应的clkp和clkn控制所述第一晶体管q1和第二晶体管q2的栅极；当clkn控制第二晶体管q2开启，clkp控制第一晶体管关闭时，所述电源电压v1和接地端gnd之间形成回路，此时，对所述电感l1充电进行储能；当clkn控制第二晶体管q2关闭，控制第一晶体管q1开启时，在所述电源电压v1和v2之间形成回路，而此时的电感l1上有电流存在，因电感l1电流无法突变在电感l1两端形成的电压差vl，和输入电源电压v1同时向输出电源电压v2传输能量，使v2电压上升；
15.低压启动控制模块，当电源电压v3未达到相应的电压阈值时，根据接收到的反向pok信号，输出一个抬升且周期性的电压信号clkn驱动所述第二晶体管q2导通与关闭，使电源电压v3的上升，直到接收到所述电源ok子模块检测到所述电源电压v3达到所述预定阈值，则关闭低压启动控制模块。
16.进一步地，所述低压启动控制模块包括检测控制模块、电荷泵模块和电荷泵振荡器模块；当所述检测控制模块接收所述反向pok信号以控制振荡器和电荷泵的开启，电荷泵振荡器模块用来产生周期性的方波信号输出给电荷泵模块，用以输出一个抬升且周期性的电压信号clkn，当所述检测控制模块接收所述正向pok信号以控制振荡器和电荷泵的关闭。
17.进一步地，所述低压启动控制模块还包括电平转换模块，连接在所述检测控制模块和所述电荷泵振荡器模块之间，用以转换从所述检测控制模块输出的不同电源电压之间
的逻辑信号。
18.进一步地，所述内部供电模块还包括电源切换子模块，所述电源切换子模块当电源电压v1大于电源电压v2时，其将切换成用所述电源电压v1给内部电源电压v3供电；当电源电压v2大于电源电压v1时，切换成用所述电源电压v2给电源电压v3供电。
19.进一步地，所述升压系统驱动控制模块包括逻辑控制模块logic和驱动模块driver，所述逻辑控制模块logic接收所述pok信号和pwm方波信号输出，若接收到的所述pok信号为正向的pok，则产生驱动信号dr1到所述驱动模块driver，所述驱动模块driver输出信号clkp和信号clkn。
20.进一步地，所述内部供电模块还包括第三晶体管q3和第四晶体管q4；所述第三晶体管q3的源极接电压v1，所述第四晶体管q4的源极接所述电压v2，且所述第三晶体管q3和第四晶体管q4的漏极输出电源电压v3；当电压v2大于电压v1时，所述电源切换子模块控制开启第四晶体管q4和关闭第三晶体管q3；当电压v2小于电压v1时，所述电源切换子模块控制开启第三晶体管q3和关闭第四晶体管q4；所述电源ok子模块根据所述电源电压v3，输出所述正向pok信号或所述反向pok信号。
21.进一步地，所述pwm产生模块包括误差放大器模块eamp、斜坡补偿模块、基准电压源模块vref、pwm比较器模块和振荡器osc；所述基准电压源模块用以产生恒定的电压参考信号；斜坡补偿模块将周期性的方波信号处理成一个ramp信号；振荡器模块用来产生周期性方波信号；误差放大器模块将vref和v2的反馈信号fb的差值放大，输出comp信号；所述pwm比较器模块将comp信号和ramp信号进行比较，输出pwm方波信号。
22.进一步地，所述pwm产生模块还包括第一电阻rfb1和第二电阻rfb2，所述第一电阻rfb1和第二电阻rfb2串接在电源电压v2和接地端gnd之间；所述第一电阻rfb1和第二电阻rfb2的连接点为所述误差放大器模块eamp的负输入端，所述误差放大器模块eamp的正输入端接所述基准电压源模块产生的vref信号。
23.进一步地，所述的超低输入电压dc/dc升压装置还包括第一电容c1和第二电容c2，所述第一电容c1并接在所述直流电源电压v1输入端和接地端gnd之间；所述第二电容c2并接在所述直流电源电压v2输出端和接地端gnd之间。
24.从上述技术方案可以看出，本发明中的超低输入电压dc/dc升压装置，其可有效解决升压装置对输入电源电压v1要求的限制，即输入电源电压v1在超低电压情况下，亦可保证dc/dc升压装置正常启动并正常工作。
附图说明
25.图1所示为现有技术中超低输入电压dc/dc升压装置示意图
26.图2所示为现有技术和本发明实施例中的电源电压v1和电源电压v2的波形示意图
27.图3所示为本发明实施例中超低输入电压dc/dc升压装置的示意图
28.图4所示为本发明实施例中检测控制模块的电路示意图
29.图5所示为所示为本发明超低输入电压dc/dc升压装置另一较佳实施例的示意图
具体实施方式
30.下面结合附图2
‑
5，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
31.需要说明的是，本发明与现有技术最大不同点为：在本发明的低输入电压dc/dc升压装置的启动控制电路中，用于将输入的直流电源电压v1升压成直流电源电压v2，通过增加启动控制模块，用以实现超低v1电压的启动。也就是说，当系统工作在输入电源电压v1在超低电压情况下，亦可保证dc/dc升压装置正常启动并正常工作，因此，本发明可以有效解决升压装置对输入电源电压v1要求的限制。
32.实施例1
33.请参阅图3，图3所示为本发明超低输入电压dc/dc升压装置一较佳实施例的示意图。如图3所示，该低输入电压dc/dc升压装置，其包括第一分压电阻rfb1、第二分压电阻rfb2、用于电源电压v1的稳压电容c1、用于电源电压v2的稳压电容c2、电感l1、第一晶体管q1、第二晶体管q2、内部供电模块、pwm产生模块、升压系统驱动控制模块、低压启动控制模块；电源电压v1为所述控制电路输入端的电压信号，电源电压v2为控制电路输出端的电压信号，电压v1通常小于电压v2。
34.具体地，在本发明的下述实施例中，电感l1连接在所述直流电源电压v1输入端与所述第一晶体管q1和第二晶体管q2漏极连接点sw之间；所述第一晶体管q1的源极接地，第二晶体管q2的源极接所述直流电源电压v2的输出端。第一电容c1并接在所述直流电源电压v1输入端和接地端gnd之间；所述第二电容c2并接在所述直流电源电压v2输出端和接地端gnd之间。
35.内部供电模块用于根据电源电压v1和电源电压v2产生所述dc/dc升压装置中各模块供电的电源电压v3。该内部供电模块可以包括第三晶体管q3、第四晶体管q4电源ok子模块和电源切换子模块。在本发明的实施例中，所述第四晶体管q4的源极接所述电压v2，且所述第三晶体管q3和第四晶体管q4的漏极输出电源电压v3。
36.具体地，当电源电压v2大于电源电压v1时，切换成用所述电源电压v2给电源电压v3供电；所述电源切换子模块控制开启第四晶体管q4和关闭第三晶体管q3。
37.当电源电压v2小于电源电压v1时，所述电源切换子模块当电源电压v1大于电源电压v2时，其将切换成用所述电源电压v1给内部电源电压v3供电且对所述电感l1充电。即所述电源切换子模块控制开启第三晶体管q3和关闭第四晶体管q4；所述电源ok子模块根据所述电源电压v3，输出所述正向pok信号或所述反向pok信号。也就是说，电源ok子模块用于判断电源电压v3是否大于等于一预定阈值，如果是，输出正向pok信号，否则，输出反向pok信号。
38.所述pwm产生模块包括误差放大器模块eamp、斜坡补偿模块、基准电压源模块vref、第一电阻rfb1、第二电阻rfb2、pwm比较器模块和振荡器osc；所述第一电阻rfb1和第二电阻rfb2串接在电源电压v2和接地端gnd之间；所述第一电阻rfb1和第二电阻rfb2的连接点为所述误差放大器模块eamp的负输入端，所述误差放大器模块eamp的正输入端接所述基准电压源模块产生的vref信号。
39.所述基准电压源模块用以产生恒定的电压参考信号；斜坡补偿模块将周期性的方波信号处理成一个ramp信号；振荡器模块osc用来产生周期性方波信号；误差放大器模块将vref和v2的反馈信号fb的差值放大，输出comp信号；所述pwm比较器模块将comp信号和ramp信号进行比较，输出pwm方波信号。
40.所述升压系统驱动控制模块包括逻辑控制模块logic和驱动模块driver，所述逻
辑控制模块logic接收所述pok信号和pwm方波信号输出，若接收到的所述pok信号为正向的pok，则产生驱动信号dr1到所述驱动模块driver，所述驱动模块driver输出信号clkp和信号clkn。
41.在本发明的实施例中，新增的低压启动控制模块可以实现当电源电压v3未达到相应的电压阈值时，根据接收到的反向pok信号，输出一个抬升且周期性的电压信号clkn驱动所述第二晶体管q2导通与关闭，使电源电压v3的上升，直到接收到所述电源ok子模块检测到所述电源电压v3达到所述预定阈值，则关闭低压启动控制模块。
42.如图3所示，所述低压启动控制模块包括检测控制模块(sense control)、电荷泵模块(charge pump)和电荷泵振荡器模块(osc pump)。
43.当所述检测控制模块接收所述反向pok信号以控制电荷泵振荡器模块和电荷泵的开启，电荷泵振荡器模块用来产生周期性的方波信号输出给电荷泵模块，用以输出一个抬升且周期性的电压信号clkn，当所述检测控制模块接收所述正向pok信号以控制振荡器osc和电荷泵模块的关闭。
44.请结合图3参阅图4，图4所示为本发明实施例中检测控制模块的电路示意图。如图4所示，在升压装置启动时，电源电压v2小于电源电压v1，电源切换模块切换此时的内部电源v3来自电源电压v1，而此时内部电源v3的反馈信号经pwm比较器模块判断后不足以让升压装置系统正常工作，检测控制模块输出enpump信号让电荷泵振荡器模块和电荷泵模块开始工作，电荷泵振荡器输出周期性的方波信号使电荷泵模块工作，输出一个抬升的电压信号clkn驱动第二晶体管q2(图中所示为n型晶体管)使其导通，在电源电压v1和接地端之间形成电流回路，对储能电感l1进行充电储能，此时检测控制模块中第三晶体管q3(图中所示为n型晶体管)检测到的电流和第二晶体管q2的电流成一定的比例，通过将该第三晶体管检测的电流和一恒流源i
bias
进行比较，来判断第三晶体管q3的电流是否到达设定值时。
45.当达到设定电流值时，输出enpump的反向信号关闭电荷泵振荡器模块osc和电荷泵模块，clkn信号将第二晶体管q2关闭，打开第一晶体管q1，此时的储能电感l1上有电流存在，而电感l1的电流无法突变，在电源电压v1和电源电压v2之间形成电流回路，电感l1两端形成的电压vl，电压vl和电源电压v1同时向电源电压v2传输能量，使电源电压v2上升，当电源电压v2大于电源电压v1时，电源切换模块此时会切换内部电源v3来自电源电压v2，而后若内部电源v3的反馈信号经pwm比较器模块判断后依旧不足以让升压装置系统正常工作，检测控制模块会继续输出enpump信号让电荷泵振荡器和电荷泵重新开始工作，直至电源ok模块判断内部电源v3电压正常后输出可使升压装置正常工作的pok信号时，关闭检测控制模块、电荷泵振荡器模块和电荷泵模块，同时亦可达到节能的效果。
46.实施例2
47.基于上述实施例1，已实现dc/dc升压装置在超低v1电压的启动，然而，因检测控制模块会消耗大量的电流，当v1处于超低电压时，会使得第三晶体管q3(图中所示为p型晶体管)处于一个临界开启的状态形成大电阻，而此时的电流从电源电压v1经由第三晶体管q3流至电源电压v3在电源电压v3上形成较大的电压降，过低的电源电压v3电压使检测判断模块及其他模块工作异常，造成功能上的故障。
48.因此，在本发明的实施例中，通过引入电源电压v1给检测判断模块供电，使其正常输出判断信号，再经由电平转换模块(level shift)将处理后的enpump信号输出给电荷泵
振荡器和电荷泵使其工作。
49.请参阅图5，图5所示为所示为本发明超低输入电压dc/dc升压装置另一较佳实施例的示意图。如图5所示，该低压启动控制模块包括检测控制模块(sense control)、电平转换模块(level shift)、电荷泵模块(charge pump)和电荷泵振荡器模块(osc pump)，用以实现超低电源电压v1的启动。
50.其中，电荷泵振荡器模块产生周期性的方波信号输出给电荷泵模块；电荷泵模块用以输出一个抬升过电压驱动信号；检测控制模块用以控制振荡器和电荷泵的开关；电平转换模块用以转换不同电源电压之间的逻辑信号。
51.同理，实施例1中的其它具体电路也同样可以引用到实施例2中，在此不再赘述。
52.需要特别说明的是，请再参阅图2，现有技术的升压装置启动对最低的v1电压有一定的要求，而发明可突破目前技术对最低电源电压v1的限制，在更低的电源电压v1下亦可保证升压装置正常启动。
53.以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。