专利名称：升压稳压器的启动电路和升压稳压器的启动方法
技术领域：
本发明涉及一种升压稳压器，尤其是涉及一种升压稳压器的启动电 路和一种升压稳压器的启动方法。
背景技术：
图1显示现有升压稳压器的范例图。电路100包含电感102、整流
二极管103、开关105、电容107，以及控制电路106。所述控制电路106 用来开通或关断开关105;所述电感102用来接收输入电压101 ，即Vim 该电感102的另一端耦合到整流二极管103的阳极和开关105的一端， 该开关105的另一端则接地。所述整流二极管103的阴极则连到稳定后 的电压Vout。所述整流二极管103的阴极也耦合到控制电路106的输入 端和电容107的一端。该电容107的另一端接地。所述开关105的控制 输入端连接到控制电路106的控制输出端。该稳压器的结构通常称为升 压稳压器，因为输入电压101被提升至某一个较高的电压并送到输出端 104。
升压稳压器电路100的启动范例过程可以如下实施例如，在电路
100上加1.5V电压，产生经由整流二极管103至输出端104的电流。由
于在整流二极管103上的电压降，因此输出端104的起始电压为 1.5V-0.6V=0.9V，该0.9V电压供给控制电路106以足够的功率，从而启 动功率开关105。当开关105关断时，电感102将能量储存于磁场，而 当开关105断开时，所储存的能量即释放到电容107。因为输出电压只 与传送到负载电容107的电荷、电容107的电量，以及电感102的大小 有关，所以该输出电压可以被提升至一个甚至比输入电压101还要高的 电压。控制电路106同样利用输出电压来决定是否已经把输出设置为正 确的电平。该反馈允许控制电路106改变送到功率开关105的开关信号 的频率和/或占空比，从而增加或减少被输出的电荷量和输送的速率，以 获得一固定的输出电压。
升压稳压器在电池供电的设备中特别有用，因为该种设备的输入电 压可能比较低。例如，在采用一节五号电池(AA，其正常电压为1.5V) 供电的设备中，可能有一个电路需要3.3V的电压。既然在该类设备中可 能只有有限的空间，因此该升压稳压器和其他电子电路必须要很小。因 此，3引脚的稳压器因为体积更小而可能比5引脚的稳压器更具优越性。 同理，具有更少外部器件的解决方案(例如除去外部的肖特基二极管) 可以更进一步减小印制板的引脚和面积。
电池供电设备的另一个问题是其电压会随时间而降低，例如五号电 池(AA)的电压会降低到1V或更低。如果在启动时，端点101的输入 为IV，电流流过整流二极管103，使得在输出端104的起始电压为0.4V。 如此低的电压有可能不足以启动升压稳压器，因为在整流二极管103上 的电压降限制了升压稳压器控制电路106的启动。 一个解决方法是在稳 压器上增加引脚，以便直接把输入电压供给控制电路106，但该方法需 要增加引脚。该实施例突现了 3引脚的升压稳压器在低输入电压方面的 局限性。
在很多应用电路中，启动升压稳压器会成为问题，不只是由于在整 流二极管上的压降，同时也因为启动时输出端的电流需求。要把输入电 压提升到所需的输出电压，升压稳压器必须提供足够的电流以满足负载 的需要。最后， 一般也希望尽可能地延长电池的使用寿命。较好的是存 在一个启动电路，该启动电路在电池即将用尽，电压降低时，仍能启动 该升压稳压器。
因此，有必要提供一种改进升压稳压器的启动电路和一种改进升压 稳压器的启动方法。
发明内容
针对现有技术所存在的问题，本发明提供一种改进的升压稳压器启 动电路和一种改进的升压稳压器启动方法。
本发明所提供的改进的升压稳压器启动电路包括用以接收输入电 压的输入节点，用以输出输出电压的输出节点，介于所述输入节点和所 述输出节点之间的中间节点，耦接于所述输出节点和地之间的电容，介 于所述中间节点和所述输出节点之间的放大器，以及介于所述中间节点 和所述输出节点之间的控制电路；所述升压稳压器还包括耦接于所述输 入节点和所述中间节点之间的电感，耦接于所述中间节点和地之间的N 沟道金属-氧化物-半导体晶体管(N channel Metal-Oxide-Semiconductor Transistor ; NMOSFET)，以及耦接于所述中间节点和所述输出节点之间 的P沟道金属-氧化物-半导体晶体管(P channel Metal-Oxide-Semiconductor Transistor ; PMOSFET)。
本发明所提供的改进的升压稳压器启动方法包括起始阶段，当升 压稳压器开始工作时，通过开通的P沟道金属-氧化物-半导体晶体管，
将电池电压转换为输出电容上的电压；在第一阶段之后的第二阶段，内 部的控制器控制所述P沟道金属-氧化物-半导体晶体管和所述N沟道金 属-氧化物-半导体晶体管同步开通和关断；在第二阶段之后的第三阶段， 关断所述P沟道金属-氧化物-半导体晶体管，开通所述N沟道金属-氧化 物-半导体晶体管，使所述P沟道金属-氧化物-半导体晶体管和所述N沟 道金属-氧化物-半导体晶体管以非同步方式工作；以及，在第四阶段，以 固定频率开通和关断P沟道金属-氧化物-半导体晶体管和N沟道金属-氧 化物-半导体晶体管，以将输出电容上电压增至预定电压电平。
本发明所提供的改进的升压稳压器启动方法还包括，在所述第二阶 段，接通第一振荡器，以提供开关信号至P沟道金属-氧化物-半导体晶 体管和N沟道金属-氧化物-半导体晶体管；在所述第四阶段，接通第二 振荡器，以提供开关信号至P沟道金属-氧化物-半导体晶体管和N沟道 金属-氧化物-半导体晶体管。
所述第二振荡器的工作频率与所述第一振荡器的工作频率相互独 立，所述控制器若判定输出电压高于预设电压，则产生一逻辑信号，用 以关断第一振荡器并开通第二振荡器。
所述同步开通和关断P沟道金属-氧化物-半导体晶体管和N沟道金 属-氧化物-半导体晶体管的步骤包括在第一时间间隔中，同步开通N 沟道金属-氧化物-半导体晶体管，关断P沟道金属-氧化物-半导体晶体管； 在第二时间间隔中，同步开通P沟道金属-氧化物-半导体晶体管，关断N 沟道金属-氧化物-半导体晶体管。
下面将结合附图，详细阐述本发明的特点及优点。
图1显示一个现有技术的升压稳压器电路；
图2显示根据本发明具体实施例的电路范例图3显示根据本发明具体实施例的对升压稳压器加电的方法；
图4显示本发明具体实施例的模拟范例图。
具体实施例方式
下文将结合实施例详细阐述本发明。对熟悉本领域的技术人员而言， 如权利要求所限定的本发明亦可能包括如下描述该等实施例的某些特征 或全部特征，或该某些特征或全部特征与其他特征的结合，亦可能包含 对此处描述的特征和概念的显而易见的修改或等效替换。
图2显示根据本发明的一个具体实施例的电路范例图。升压稳压器 系统200包括输入节点201、电感202、电容206，以及集成升压稳压器 219。所述升压稳压器219包括输出节点211、接地端212、中间节点205、 放大器203、 P沟道金属-氧化物-半导体晶体管204、 N沟道金属-氧化物 -半导体晶体管207、下拉电阻217，以及控制电路218。所述电感202 的一端接收直流电压VBArr，另一端连接到中间节点205、 N沟道金属-氧化物-半导体晶体管207的漏端、晶体管204的漏端，以及放大器203 的反相输入端。所述N沟道金属-氧化物-半导体晶体管207和P沟道金 属-氧化物-半导体晶体管204在该升压稳压器219中，用作功率开关。N 沟道金属-氧化物-半导体晶体管207的源端接地，而N沟道金属-氧化物 -半导体晶体管207的栅端连接到控制电路218。所述输出节点211连接 到放大器203的同相端、电容206的一端、控制电路218的电源/反馈端
215，以及P沟道金属-氧化物-半导体晶体管204的漏端。电容206的另 一端接地。控制电路218包含定时器210、第一振荡器208、第二振荡器 209，电源/反馈输入215、 PMOS控制输出213、 NMOS控制输出214， 以及电流反转信号输入216。
升压稳压器系统200工作于不同的相位。对集成升压稳压器219加 电时，该集成升压稳压器219输出端的起始电压接近于零。下拉电阻217 使P沟道金属-氧化物-半导体晶体管204在开始时导通，电流从VBArr 流到中间节点205、并通过P沟道金属-氧化物-半导体晶体管204的沟道 到达输出节点211。该起始相位也允许启动电流经过反馈/电源输入215 流至控制电路218，同时将控制电路218中的晶体管偏置。该阶段允许 控制电路218由输出来加电，从而使本发明可能采用3引脚来实现。当 电压达到第一电压电平时，第一振荡器208可以同步方式开始让升压稳 压器219工作，该同步方式是在N沟道金属-氧化物-半导体晶体管207 导通而P沟道金属-氧化物-半导体晶体管204截至时，在第一时间间隔 内让电感202储能，然后N沟道金属-氧化物-半导体晶体管207关断，P 沟道金属-氧化物-半导体晶体管204导通，以在第二时间间隔中将能量转 移至电容206。利用该种方式相继地以一振荡频率开通和关断N沟道金 属-氧化物-半导体晶体管207和P沟道金属-氧化物-半导体晶体管204， 可以使稳压器提升输出电压。第一振荡器208以比100kHz高的频率运行 来克服肇因于低输入电压的电感电流饱和而产生的溢出。第二振荡器209 的工作频率与第一振荡器208的工作频率相互独立。在第二阶段，定时 器210工作，经过一预定时间段，升压稳压器219会进入第三阶段。在 该第三阶段，升压稳压器219关断P沟道金属-氧化物-半导体晶体管204，
开通N沟道金属-氧化物-半导体晶体管207，以使所述P沟道金属-氧化 物-半导体晶体管204和所述N沟道金属-氧化物-半导体晶体管207工作 于非同步方式，该模式确保没有反向电流从输出节点211流向电池，从 而允许输出节点211继续增加至第二预定电压电平。在该第二电压电平 时，升压稳压器219可以进入第四阶段，在该第四阶段，同步开通和关 断所述P沟道金属-氧化物-半导体晶体管204和所述N沟道金属-氧化物 -半导体晶体管207，以将电压增至所需要的电压电平。
图3显示根据本发明的一个具体实施例的对升压稳压器的加电方法。 图4显示该具体实施例的模拟范例图，该图中，408表示输出电压、409 表示感应电流、410表示NMOS门、411表示PMOS门，而412表示启 动振荡器，在输出电压408部分，405表示第一预定电压，407表示第二 预定电压。起始阶段301，当升压稳压器219开始工作时，通过开通的P 沟道金属-氧化物-半导体晶体管204，将电池电压转换为输出电容206上 的电压，并将该电容206上的电压增加至大约等于输入电压减去P沟道 金属-氧化物-半导体晶体管204源极与漏极之间的电压降的一第一电压 电平，即和输入一样的电平，并使升压稳压器219有足够电压以进入下 一阶段302。所述第一电压电平大约等于输入电压减去P沟道金属-氧化 物-半导体晶体管204的源极与漏极之间的电压降，或者能使第一振荡器 208开始工作的电平。例如，假如输入节点201是由即将放完电的五号 (AA)电池来供给0.9V的电压，那么输出节点211上的电压将从OV充 至0.9V。图4中的第一阶段401显示该起始阶段的模拟范例图。
第二阶段302，内部控制器控制所述P沟道金属-氧化物-半导体晶体 管204和所述N沟道金属-氧化物-半导体晶体管207同步开通和关断。
通过对第一振荡器208加电，提供,关断信号给^沟道金属-氧化物-半导体晶体管204和N沟道金属-氧化物-半导体晶体管207，开始第二阶 段302。所述第一振荡器208可以工作在比正常工作时为高的频率，以 便提供附加的电流，从而提高在该阶段的电压。例如，在第二阶段，输 出节点211上的电压可能从0.9V充至1.5V。图4中的第二阶段402显示 该第二阶段的模拟范例图。
步骤303，关断所述P沟道金属-氧化物-半导体晶体管204，开通所 述N沟道金属-氧化物-半导体晶体管207，使所述P沟道金属-氧化物-半导体晶体管204和所述N沟道金属-氧化物-半导体晶体管207以非同 步方式工作；当中间节点205与输出节点211之间的电压足够克服P沟 道金属-氧化物-半导体晶体管204关断时所呈现的内在二极管电压时，就 可以认为是第三阶段的开始。内在二极管作用如同整流器件，只允许电 流流向输出，从而持续的把输出电容上的电压206充到第二预定电压值。 例如，在第三阶段，输出节点211上的电压可能从1.25V充到2.5V。图 4中的第三阶段403显示该第三阶段的模拟范例图。
步骤304，同步开通和关断P沟道金属-氧化物-半导体晶体管204和 N沟道金属-氧化物-半导体晶体管207，将输出电容206上的电压增至预 定电压电平，进入正常的升压稳压器工作状态。在一个具体实施例中， 该开关频率可以比较低，以便在低功耗应用中节省功率。例如，可使振 荡器控制开关频率工作在100kHz。在该第四阶段304，输出节点211上 的电压被充至第三预定的电压值。该电压电平可以是升压稳压器219所 需的稳压输出电平。例如，在该阶段，输出节点211上的电压可以从1.6V 充电至3.3V，然后输出电平就保持在3.3V。图4中的第四阶段404显示
该第四阶段的模拟范例图。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，但其并非用以限 制本发明，任何熟习此项技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当 可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以后附的申请专利范 围所界定者为准。
权利要求
1.一种升压稳压器，包括用以接收输入电压的输入节点，用以输出输出电压的输出节点，介于所述输入节点和所述输出节点之间的中间节点，耦接于所述输出节点和地之间的电容，介于所述中间节点和所述输出节点之间的放大器，以及介于所述中间节点和所述输出节点之间的控制电路，其特征在于所述升压稳压器还包括耦接于所述输入节点和所述中间节点之间的电感，耦接于所述中间节点和地之间的N沟道金属-氧化物-半导体晶体管，以及耦接于所述中间节点和所述输出节点之间的P沟道金属-氧化物-半导体晶体管。
2. 根据权利要求1所述的升压稳压器，其特征在于所述电感与所述 中间节点相连的一端，还同时与所述N沟道金属-氧化物-半导体晶体管 的漏端、所述P沟道金属-氧化物-半导体晶体管的漏端，以及所述放大 器的反相输入端相连。
3. 根据权利要求2所述的升压稳压器，其特征在于所述N沟道金属-氧化物-半导体晶体管的源端接地。
4. 根据权利要求3所述的升压稳压器，其特征在于所述N沟道金属-氧化物-半导体晶体管的栅端连接到所述控制电路。
5. 根据权利要求1所述的升压稳压器，其特征在于所述放大器的同 相端与所述输出节点相连。
6. 根据权利要求1所述的升压稳压器，其特征在于所述控制电路包 含定时器、第一振荡器，以及第二振荡器。
7. 根据权利要求6所述的升压稳压器，其特征在于，所述第二振荡器 的工作频率与所述第一振荡器的工作频率相互独立。
8. —种启动升压稳压器的方法，所述启动升压稳压器包括用以接收输 入电压的输入节点，用来输出输出电压的输出节点，耦接于所述输入节 点和所述中间节点之间的电感，耦接于所述中间节点和地之间的N沟道 金属-氧化物-半导体晶体管，耦接于所述中间节点和所述输出节点之间的 P沟道金属-氧化物-半导体晶体管，耦接于所述输出节点和地之间的电 容，以及介于所述中间节点和所述输出节点之间的控制电路，其特征在于该方法主要包括如下步骤起始阶段，当所述升压稳压器开始工作时，通过开通的所述P沟道 金属-氧化物-半导体晶体管，将电池电压转换为输出电容上的电压，并将 该电容上的电压增加至大约等于输入电压减去所述P沟道金属-氧化物-半导体晶体管源极与漏极之间的电压降的第一电压电平；第二阶段，内部控制电路控制所述P沟道金属-氧化物-半导体晶体管 和所述N沟道金属-氧化物-半导体晶体管同步开通和关断；第三阶段，关断所述P沟道金属-氧化物-半导体晶体管，开通所述N 沟道金属-氧化物-半导体晶体管，使所述P沟道金属-氧化物-半导体晶体 管和所述N沟道金属-氧化物-半导体晶体管以非同步方式工作；以及，第四阶段，以固定频率开通和关断所述P沟道金属-氧化物-半导体晶 体管和所述N沟道金属-氧化物-半导体晶体管，将输出电容上电压增至 预定电压电平。
9. 根据权利要求8所述的启动升压稳压器的方法，其特征在于，所述控制电路包含定时器、第一振荡器，以及第二振荡器。
10. 根据权利要求8所述的启动升压稳压器的方法，其特征在于， 该方法还包括于所述的第二阶段，对所述第一振荡器上电，以提供开关 信号给所述P沟道金属-氧化物-半导体晶体管和所述N沟道金属-氧化物 -半导体晶体管的步骤。
11. 根据权利要求10所述的启动升压稳压器的方法，其特征在于，该方法还包括于所述的第四阶段，对所述第二振荡器上电，以提供开关信号给所述P沟道金属-氧化物-半导体晶体管和所述N沟道金属-氧化物-半导体晶体管的步骤。
12. 根据权利要求11所述的启动升压稳压器的方法，其特征在于，所 述第二振荡器的工作频率与所述第一振荡器的工作频率相互独立。
13.根据权利要求ll所述的启动升压稳压器的方法，其特征在于，当 所述控制电路判定输出电压高于预设电压时，所述控制电路即产生逻辑 信号，用以关断所述第一振荡器并开通所述第二振荡器。
14.根据权利要求8所述的启动升压稳压器的方法，其特征在于，同 步开通关断所述P沟道金属-氧化物-半导体晶体管和所述N沟道金属-氧 化物-半导体晶体管的步骤包括在第一时间段内，开通所述N沟道金属-氧化物-半导体晶体管，并 关断所述P沟道金属-氧化物-半导体晶体管；以及在第二时间段内，开通所述P沟道金属-氧化物-半导体晶体管，并关 断所述N沟道金属-氧化物-半导体晶体管。
全文摘要
本发明提供一种启动升压稳压器的方法，该方法主要包含如下步骤起始阶段，当升压稳压器开始工作时，通过开通的PMOS晶体管，将电池电压转换为输出电容上的电压，并将该电容上的电压增加至大约等于输入电压减去PMOS晶体管漏极与源极之间的电压降；第二阶段，内部的控制器控制所述PMOS晶体管和所述NMOS晶体管同步开通和关断；第三阶段，关断所述PMOS晶体管，开通所述NMOS晶体管，使所述PMOS晶体管和所述NMOS晶体管以非同步方式工作；以及，第四阶段，以固定频率开通和关断PMOS晶体管和NMOS晶体管，将输出电容上电压增至预定电压电平。采用本发明所提供的启动升压稳压器的方法，在电池即将用尽，电压降低时，仍能启动升压稳压器。
文档编号H02M3/156GK101102080SQ20071004188
公开日2008年1月9日 申请日期2007年6月11日 优先权日2007年6月11日
发明者杨卫丽, 瑾 王, 胡黎强 申请人:龙鼎微电子(上海)有限公司;上海龙茂微电子有限公司