电压转换装置的制造方法
【专利摘要】一种电压转换装置，其包括：升压电路、升压停止电路、齐纳二极管和电容器。升压停止电路包括晶体管。当等于或大于齐纳二极管的击穿电压的过压被输出到升压电路(11)的输出线时，该齐纳二极管被导通。因此，晶体管导通并且开关元件截止，以停止升压操作。此外，电容器通过齐纳二极管进行充电。即使当齐纳二极管由于升压操作的停止之后输出电压的下降而截止时，晶体管也通过电容器的放电保持在其导通状态一定的时间。因此，继续升压操作的停止。
【专利说明】电压转换装置
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请基于2015年3月9日向日本专利局提交的日本专利申请第2015-045983号，其整个内容通过引用并入本文。
技术领域
[0003]本公开涉及一种电压转换装置，其提升输入电压并且将升压的电压供应到负载。
【背景技术】
[0004]—些机动车辆例如当等待交通灯时具有临时自动停止发动机并且当启动时具有自动重新启动发动机的功能(即，所谓的无空转功能)。在这样的机动车辆中，在重新启功发动机时，大电流流过起动电动机。因此，电池电压大幅下降，并且车载设备可能无法正常运转。因此，为了补偿电池电压的下降，设置了诸如升压DC-DC转换器的电压转换装置。
[0005]升压电压转换装置通常设有升压电路，该升压电路包括开关元件、电感器和二极管。升压电压转换装置通过开关元件以高速切换输入电压，以输出升压的电压。在升压电路中，控制开关元件的接通和断开操作的CPU的失控可能导致升压操作中的异常，并且可能由此输出过压。因此，接收从升压电路供应的电压的车载设备可能由于过压而被损坏或者损毁。
[0006]JP 2014-13865 A、JP 2012-253949 A以及JP 2010-29009 A描述了用于防止过压输出的技术。在JP 2014-13865 A中，为了防止在更换LED灯时元件的电击和损毁，提供了用于当从一对端子移除LED阵列时将端子之间的开路电压减小到预定电压或更小的过压预防
目.ο
[0007]JP 2012-253949 A描述了一种DC-DC转换器，其设置有被串联连接到线圈的第一开关、被并联连接到线圈的第二开关、基于输出电压控制所述第一开关的接通和断开操作的第一控制器、以及当输出电压升高到预定值时中断所述第一控制器的控制并且控制所述第二开关的接通和断开操作的第二控制器。该第二控制器包括具有针对DC-DC转换器的输出电压的第一滞后特征的第一比较器，以及具有针对DC-DC转换器的输出电压的第二滞后特征的第二比较器。所述比较器中的每个都具有上限阈值和下限阈值，并且基于DC-DC转换器的输出电压与阀值之间的比较的结果输出H电平信号或L电平信号。
[0008]JP 2010-29009 A描述了设置有振荡电路、电荷栗电路、基准电压发生电路以及过压保护电路的供电电路。所述过压保护电路产生与输出电压成正比的比例电压。当该比例电压变为基准电压或较大时，所述过压保护电路确定该输出电压已经变成过压并且停止所述电荷栗电路的升压操作。所述过压保护电路设置有比较器、电阻器、电容器以及AND(与)电路。当比较器执行基准电压与比例电压之间的电压比较时，通过电阻器、电容器以及AND电路提供预定的滞后。
[0009]如在JP 2012-253949 A和JP 2010-29009 A中所执行的，当提供针对输出电压的滞后时，有可能将输出电压的平均值保持在额定值范围内。然而，在JP 2012-253949 A和JP2010-29009 A中，电路配置由于用于实现滞后的比较器而变得复杂。
【发明内容】
[0010]本公开的一个或更多个实施方式提供了一种能够利用简单的电路配置防止过压的输出的电压转换装置。
[0011]根据本公开的一个或更多个实施方式的电压转换装置包括:包括开关元件的升压电路，该升压电路被配置成通过导通和截止所述开关元件来提升输入电压;齐纳二极管，所述齐纳二极管具有被连接到所述升压电路的输出线的阴极；电容器，所述电容器被连接在所述齐纳二极管的阳极和地之间；以及升压停止电路，当等于或大于所述齐纳二极管的击穿电压的过压被输出到所述升压电路的所述输出线时，响应于所述齐纳二极管的导通，所述升压停止电路被配置成截止所述开关元件，以停止升压操作。
[0012]在这样的配置中，当输出电压变为过压并且达到齐纳二极管的击穿电压时，该齐纳二极管导通。因此，升压停止电路操作以停止升压操作，并且所述电容器通过所述齐纳二极管进行充电。此外，即使当所述齐纳二极管由于由所述升压操作的停止引起的输出电压的下降而截止时，所述升压停止电路也会通过所述电容器的放电而继续操作。因此，在此期间，开关元件不操作，并且继续升压操作的停止。也就是说，能够针对输出电压赋予开关元件的操作一定的滞后。结果，升压操作的停止时期增加。由于在停止时期内输出电压从过压大幅下降，因此能够将输出电压的平均值保持在额定值范围内。此外，由于所述电容器被用作用于实现所述滞后的装置，因此所述电路配置与如在JP 2012-253949 A和JP 2010-29009 A中使用比较器的电路配置相比更简单。
[0013]在本公开的一个或更多个实施方式中，开关元件可以包括FET，并且升压停止电路可以包括连接在FET的栅极和地之间的晶体管。在这种情况下，当过压被输出到升压电路的输出线时，响应于齐纳二极管的导通，晶体管导通并且FET截止，以停止升压操作，并且电容器通过齐纳二极管进行充电。当齐纳二极管在升压操作的停止之后截止时，晶体管通过电容器的放电保持导通状态一定的时间。
[0014]本公开的一个或更多个实施方式使得能够提供一种能够利用简单的电路配置防止过压的输出的电压转换装置。
【附图说明】
[0015]图1是根据本公开的一个或更多个实施方式的电压转换装置的电路图；
[0016]图2是示出非升压期间的状态的电路图；
[0017]图3是示出升压期间的状态的电路图(正常输出情况下)；
[0018]图4是示出升压期间的状态的电路图(过电压输出情况下)；
[0019]图5是示出从图4的状态过渡的状态的电路图；
[0020]图6是示出从图5的状态过渡的状态的电路图；
[0021]图7是示出本公开的一个或更多个实施方式的电压转换装置的操作的时序图；
[0022]图8是传统的电压转换装置的电路图；以及
[0023]图9是示出传统的电压转换装置的操作的时序图。
【具体实施方式】
[0024]将参照附图描述本公开的实施方式。在附图中，相同的或等效的部件由相同的标号来指定。在本公开的实施方式中，为了提供对本发明的更透彻的理解，阐明了许多具体细节。然而，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其它实例中，公知的特征没有被详细描述以避免使本公开模糊。
[0025]首先，将参照图1描述根据本公开的一个或更多个实施方式的电压转换装置的配置。电压转换装置I是升压DC-DC转换器，并且被设置在电池10和负载20之间。在本公开的一个或更多个实施方式中，电池10是安装在机动车辆上的DC(直流)电源。负载20是包括汽车导航装置和音频装置的车载设备。
[0026]电压转换装置I设有升压电路11、升压停止电路12、开关SW、齐纳二极管ZD、电容器C、输入端子Tl和输出端子T2。
[0027]升压电路11是已知的电路，其包括开关元件Ql、电感器L和二极管D2。电感器L的一端通过输入线Wl被连接到输入端子Tl。电感器L的另一端被连接到二极管D2的阳极。二极管D2的阴极通过输出线W2被连接到输出端子T2 ο开关元件Ql包括场效应晶体管(FET)。在以下描述中，开关元件Ql被称为FET Ql。该FET Ql的漏极d被连接到电感器L和二极管D2之间的连接点。该FET Ql的源极s被连接到地。二极管Dl沿与电池10的极性相反的方向连接在漏极d与源极s之间。该二极管Dl是FET的寄生二极管。FET Ql的栅极g被连接到控制器30。
[0028]升压停止电路12包括晶体管Q2、电阻器Rl和电阻器R2。晶体管Q2被连接在FET Ql的栅极g和地之间。具体地说，晶体管Q2的集电极被连接到FET Ql的栅极g。晶体管Q2的发射极被连接到地。晶体管Q2的基极通过电阻器Rl被连接到地，并且还通过电阻器R2被连接到齐纳二极管ZD的阳极。
[0029]例如，开关SW包括继电器触点。开关SW被并联连接到升压电路11。因此，开关SW形成升压电路11的旁路电路。开关SW的一端被连接到输入线Wl。开关SW的另一端被连接到输出线W2。控制器30控制开关SW的接通和断开操作(接线被省略)。
[0030]齐纳二极管ZD的阴极被连接到输出线W2。齐纳二极管ZD的阳极被连接到电容器C的一端。电容器C的另一端被连接到地。因此，电容器C被连接在齐纳二极管ZD的阳极和地之间。齐纳二极管ZD和电容器C被串联连接在输出线W2和地之间。齐纳二极管ZD和电容器C之间的连接点通过电阻器R2被连接到晶体管Q2的基极。
[0031 ]电池10的正极被连接到输入端子Tl。该输入端子Tl通过输入线Wl被连接到升压电路11的输入侧。负载20被连接到输出端子T2。该输出端子T2通过输出线W2被连接到升压电路11的输出侧。
[0032 ] 控制器30包括CPU和脉冲宽度调制(PWM)信号发生电路。外部电子控制单元(E⑶)40在结束无空转之后重新启动发动机的时刻将升压请求信号施加到控制器30。除了升压请求信号之外，各种信号被输入和输出到控制器30。然而，由于这些信号没有直接关系到本公开的一个或更多个实施方式，因此未示出这些信号的信号线(同样的情况适用于图2至图9)0
[0033]接着，将参照图2至图6描述电压转换装置I的操作。
[0034]如图2所示，当ECU 40不施加升压请求信号到控制器30时，该控制器30接通开关SW。由于控制器30不输出HVM信号到FET Ql的栅极g，因此该FET Ql处于截止状态。因此，升压电路11处于非操作状态，并因此不执行升压操作。齐纳二极管ZD和晶体管Q2也处于截止状态。接通开关SW形成如由图2中的粗箭头所指示的通过开关SW的旁路电路从电池10通往负载20的电流路径，使得电池10的DC电压在不通过升压电路11的情况下被施加到负载20。
[0035]当ECU40在结束无空转之后重新启动发动机的时刻将升压请求信号施加到控制器30时，电路过渡到图3的状态。图3示出了正常执行升压操作的情况。根据从ECU40接收到的升压请求信号，控制器30断开开关SW，并且将PffM信号输出到FET Ql的栅极g。因此，该FETQl执行接通/断开开关操作。在FET Ql处于导通状态的期间(PffM信号的H电平部分)，由虚线粗箭头所指示的电流流过该FET Ql并且电能被累积在电感器L上。在FET Ql处于截止状态的期间(PWM信号的L电平部分)，通过累积在电感器L上的电能的释放所产生的高电压通过二极管D2进行整流，以形成升压的DC电压并且该升压的DC电压被输出到输出端子T2。此时的电流路径由实线粗箭头指示。以这种方式，在升压电路11中，升压操作通过FET Ql的开关操作来执行，并且将升压的DC电压从输出端子T2供应到负载20。
[0036]图4示出了当从升压电路11输出的电压是过压时的电路状态。例如，当控制器30的CPU失去控制并且从该控制器3 O输出的Pmi信号的占空比由此增加时，可以输出这样的过压。当过压从升压电路11输出到输出线W2并且该过压等于或大于齐纳二极管ZD的击穿电压时，该齐纳二极管ZD导通。因此，如实线粗箭头所指示的，电流从电池10通过电感器L、二极管D2、齐纳二极管ZD和电阻器R2流向晶体管Q2的基极以导通该晶体管Q2。经过齐纳二极管ZD的电流还流向电容器C，以对该电容器C进行充电。
[0037]当晶体管Q2导通时，FETQl的栅极g通过晶体管Q2接地。因此，从控制器30输出的PWM信号被引到地，而不是施加到FET Ql的栅极g。结果，FET Ql停止接通/断开开关操作并过渡到截止状态。
[0038]图5示出了FET Ql截止后的电路状态。当FET Ql截止时，升压电路11停止升压操作。然而，当输出线W2的电压等于或大于齐纳二极管ZD的击穿电压时，该齐纳二极管ZD保持其导通状态。因此，保持由粗箭头指示的电流路径。因此，晶体管Q2处于导通状态，并且继续进行对电容器C的充电。
[0039]当停止升压电路11的操作时，输出线W2的电压逐渐下降。因此，当在升压操作停止后已经过了一定的时间时，输出线W2的电压变得小于齐纳二极管ZD的击穿电压，以使该齐纳二极管ZD截止。因此，电路过渡到图6所示的状态。
[0040]在图6中，由于齐纳二极管ZD处于截止状态，因此如由粗箭头所指示的电流从电池1通过电感器L和二极管D2流向负载20。此外，电容器C上的电荷被放电，并且电流从电容器C通过电阻器R2流向晶体管Q2的基极。因此，晶体管Q2继续保持其导通状态。因此，FET Ql的栅极g保持通过晶体管Q2接地，并且没有PffM信号被施加到FET Ql的栅极。结果，该FET Ql不执行开关操作。因此，保持升压电路11的升压停止状态。
[0041]以这种方式，在齐纳二极管ZD截止之后，晶体管Q2通过电容器C的放电保持其导通状态，以抑制升压电路11的升压操作。继续该状态直到电容器C两端的电压下降到预定值(晶体管Q2的导通阈值)。因此，在此期间，输出线W2的电压从初始过压显著地下降。因此，负载20可以被可靠地保护免于过压。
[0042]当电容器C放电并且电容器C两端的电压下降到预定值时，没有电流流向晶体管Q2的基极并且该晶体管Q2截止。因此，电路变成图3所示的状态，使得来自控制器30的PffM信号被施加到FET Ql的栅极g并且FET Ql执行开关操作。因此，升压电路11重新开始升压操作以将升压的电压供应到负载20。当在重新开始升压操作的时候从升压电路11再次输出过压时，执行图4至图6的操作。
[0043]图7是示出当输出过压时电压转换装置I的操作的时序图。在图7中，(a)指示升压电路11的输出电压，(b)指示晶体管Q2的操作，(C)指示FET Ql的操作(PffM信号)，(d)指示电容器C两端的电压，以及(e)指示齐纳二极管ZD的操作。在图7中，Vx表示齐纳二极管ZD的击穿电压，Va表示输出电压的平均值，以及Vs表示晶体管Q2的导通阈值。
[0044]如图7所示，当输出电压变为过压并且达到击穿电压Vx时，齐纳二极管ZD导通，并且晶体管Q2也导通。因此，停止FET Ql的开关操作(S卩，升压操作)。此时，电容器C通过齐纳二极管ZD进行充电。即使当齐纳二极管ZD由于由升压操作的停止所引起的输出电压的下降而截止时，晶体管Q2也通过电容器C的放电而保持其导通状态并且升压停止电路12继续操作。因此，在此期间，FET Ql不执行开关操作，使得继续升压操作的停止。
[0045]以这种方式，当输出电压变为过压时，FETQl立即停止开关操作。然后，即使当输出电压下降时，FET Ql也不会立即重新开始开关操作并保持其截止状态一定的时间，在此期间，使电容器C放电。也就是说，在本公开的一个或更多个实施方式中的电压转换装置I中，电容器C被用于针对输出电压赋予FET Ql的操作一定的滞后。
[0046]图8示出了未设置有电容器C的传统的电压转换装置I’。除电容器C外，该电路与图1中所示出的电路配置相同。图9是示出当输出过压时电压转换装置I’的操作的时序图。在图9中，(a)指示升压电路11的输出电压，(b)指示晶体管Q2的操作，(c)指示FET Ql的操作(PffM信号)，以及(d)指示齐纳二极管ZD的操作。在图9中，Vx表示齐纳二极管ZD的击穿电压。
[0047]在图9中，当输出电压变为过压并且达到击穿电压Vx时，齐纳二极管ZD导通，并且晶体管Q2也导通。因此，停止FET Ql的开关操作(S卩，升压操作)。这与本公开相同。然而，当齐纳二极管ZD由于由升压操作的停止所引起的输出电压的下降而截止时，晶体管Q2也截止。结果，FET Ql立即重新开始开关操作。因此，输出电压再次上升。当继续过压输出状态时反复执行上述操作。结果，升压操作的停止时期缩短，并且输出电压围绕击穿电压Vx上升和下降。因此，很难将输出电压的平均值保持在额定值范围内。
[0048]另一方面，在本公开的一个或更多个实施方式中的电压转换装置I中，即使当齐纳二极管ZD由于升压操作的停止而截止时，由于通过电容器C的放电引起的滞后，FET Ql也不会立即重新开始开关操作。因此，升压操作的停止时期增加。因此，由于输出电压从过压大幅下降，因此能够将输出电压的平均值保持在额定值范围内。
[0049]本公开的一个或更多个实施方式中的电压转换装置I不使用如在JP2012-253949A和JP 2010-29009 A中所使用的比较器，而是使用电容器C作为用于针对输出电压赋予FETQl的操作一定滞后的装置。因此，仅需要将单个的电容器C添加到传统的电路(图8)中，这使得能够防止电路配置变得像使用比较器的配置一样复杂。
[0050]本公开可以采用除说明性实施方式外的各种实施方式。例如，虽然在说明性实施方式中，控制器30与电压转换装置I分开设置，但电压转换装置I可以包括控制器30。
[0051]在说明性实施方式中，继电器触点已作为构成旁路电路的开关SW的示例被描述。然而，该开关SW可以是诸如FET和晶体管的半导体开关元件。
[0052]在说明性实施方式中，FETQl被用作升压电路11的开关元件。然而，晶体管可以用来代替FET。
[0053]在说明性实施方式中，晶体管Q2被用作升压停止电路12的开关元件。然而，FET可以用来代替晶体管。
[0054]在说明性实施方式中，作为示例已描述了用于补偿在重新启动发动机时电池电压的下降的电压转换装置。然而，本公开的一个或更多个实施方式中的电压转换装置也可以被用于补偿由电动车辆中的电机的高速旋转期间的反电动势所引起的电池电压的下降。
[0055]在说明性实施方式中，作为示例已描述了安装在机动车辆上的电压转换装置。然而，本公开的一个或更多个实施方式中的电压转换装置也可以被应用于除机动车辆外的其它应用。
[0056]虽然已经参照有限数量的实施方式描述了本发明，但受益于本公开的本领域的技术人员将理解，可以设计出不脱离如本文所公开的发明的范围的其它实施方式。因此，本发明的范围应该仅由所附权利要求来限定。
【主权项】
1.一种电压转换装置，所述电压转换装置包括: 升压电路，所述升压电路包括开关元件，所述升压电路被配置成通过导通和截止所述开关兀件来提升输入电压； 齐纳二极管，所述齐纳二极管具有被连接到所述升压电路的输出线的阴极； 电容器，所述电容器被连接在所述齐纳二极管的阳极和地之间；以及升压停止电路，当等于或大于所述齐纳二极管的击穿电压的过压被输出到所述升压电路的所述输出线时，响应于所述齐纳二极管的导通，所述升压停止电路被配置成截止所述开关元件，以停止升压操作。2.根据权利要求1所述的电压转换装置， 其中，所述开关元件包括FET， 其中，所述升压停止电路包括被连接在所述FET的栅极和所述地之间的晶体管，并且 其中，当所述齐纳二极管导通时，所述晶体管导通。3.根据权利要求2所述的电压转换装置， 其中，当所述过压被输出到所述升压电路的所述输出线时，响应于所述齐纳二极管的导通，所述晶体管导通并且所述FET截止，以停止升压操作，并且所述电容器通过所述齐纳二极管进行充电，并且 其中，当所述齐纳二极管在所述升压操作的停止之后截止时，所述晶体管通过所述电容器的放电保持在导通状态一定的时间。
【文档编号】H02M3/155GK105958815SQ201610115856
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年3月1日
【发明人】山口隆志, 木下晋宏, 堀尾伸治
【申请人】欧姆龙汽车电子株式会社