一种可组合电荷泵及其控制方法技术

一种可组合电荷泵及其控制方法。基本单元由两组开关完成电容的分时工作，充电开关组和放电开关组是反相工作的。即在放电开关组闭合使泵电容并联对负载放电期间，充电开关组断开使泵电容与充电电源隔离；而在放电开关组断开使泵电容与输出负载隔离期间，充电开关组闭合给泵电容串联充电。泵电容的分时工作使得本发明专利技术的电荷泵可以方便的实现各种组合应用。在输入端和输出端均有：串联应用、并联应用、串并联混用。在输出电流扩展应用方面：并联输出、推挽输出、轮流输出。基本单元的电压关系为Uin＝2*Uout；电流关系为Iin＝Iout/2；输入端到输出端电压电流均可逆。升压应用输出电压在(0～2)倍输入电压之间；降压应用输出电压在(0～0.5)倍输入电压之间。输入电压之间。输入电压之间。

【技术实现步骤摘要】
一种可组合电荷泵及其控制方法


[0001]本专利技术属于电能变换应用领域，具体实现AC之间、DC之间、AC和DC之间的电能变换应用。

技术介绍

[0002]在用电容实现电能变换的电荷泵中，电容的功率往往达不到电感那么强大，而且电容越多控制越复杂，使电容型电荷泵不能应用在大功率电能变换设备中，使电容型电荷泵应用受限。而目前的大功率电能变换所使用的变压器、电感器，总是避免不了笨重的体积，解决电磁辐射的一系列问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术提出了一种可组合电荷泵及其控制方法，可以实现拼装应用、简单控制，使电容型电荷泵可以实现想要的功率变换以及多路不同电压的输出。
[0004]图1是本专利技术的功率电路部分，由7个开关和2个电容(或2个电容组)组成，下面阐述其工作原理。
[0005]开关S1、S4、S7串入输入电源Uin回路中，输入回路是Vi+
→
S1
→
C1
→
S4
→
C2
→
Vi
‑
。开关S2、S3是电容C1的输出开关，S5、S6是电容C2的输出开关。开关是分组反相控制的：S1、S4、S7是第一组；S2、S3、S5、S6是第二组。
[0006]第一组开关是充电开关，第二组开关是放电开关，而它们的控制是以第二组开关为准的：在第二组开关闭合放电期间，第一组开关断开充电回路停止充电；在第二组开关断开停止放电期间，第一组开关闭合充电回路一直在给电容充电。
[0007]图2是两组开关的工作时序图，高电平表示开关闭合。在第一个周期t0～t1内，放电开关的闭合时间是90％，充电开关仅占10％；而在第四个周期内放电开关闭合时间只有周期T的10％，而充电开关占到90％。输出占空比D取决于输出开关的开通时间，占空比10％表示在一个周期内放电时间为整个周期时间T的10％，而其余90％的时间都在充电。
[0008]以下将分析输入输出的电压、电流、功率之间的关系。
[0009]充电：当S1、S4、S7闭合，开关S2、S3、S5、S6断开时，输入电源Uin给电容C1、C2串联充电，忽略开关压降(下同)则有Uin＝2*Vc其中，Vc是电容电压，由于它们的串联，且设其容量相同则分压值相等。
[0010]放电：当S2、S3、S5、S6闭合，开关S1、S4、S7断开时，电容C1、C2并联放电，有Uout＝Vc输入输出电压关系为Uout＝1/2*Uin。
[0011]输入电流Ii和输出电流Io的关系式为Ii＝C*du/dt
其中，C表示电容的容量，du/dt表示电容上的纹波电压变化率，当电路稳态工作时，充放电的电压变化率是一样的，有Io＝2*C*du/dt其中，2表示C1、C2并联放电，则输入电流输出电流关系式Ii/Io＝(C*du/dt)/(2*C*du/dt)，因此有Io＝2*Ii。
[0012]从以上分析很容易发现，输入功率Pi与输出功率Po相等，Po＝Uout*Io,而Uout＝1/2*Uin，Io＝2*Ii，所以Po＝(1/2*Uin)*(2*Ii)＝Uin*Ii＝Pi。
[0013]也就是说，图1所示的电路实际上是类似变压器的功能，输出电压是输入电压的一半，而输出电流是输入电流的两倍。当然输入端和输出端反着用，以上关系式也成立，只不过输出电压是输入电压的两倍，而输出电流变成了输入电流的1/2，因为两个相同容量的电容串联后容量减小了一半，因此输入输出功率也是相等的。
[0014]图3是图1的控制电路方框图，由上边的辅助电源和下边的开关驱动两部分组成。
[0015]辅助电源由电源切换、整流滤波、DC/DC组成，电源切换的输入信号来自Uout端，当Uout作为输入时驱动开关Sw选择Uout作为整流滤波的供电；反之选择Uin作为整流滤波的供电。这是一个仅在上电初始化期间进行动作的开关，锁定电源后在整个电路工作期间都不会改变整流滤波的供电，直到电路断电后进行下一次上电时，才会重新选择并锁定辅助电源的供电电源。
[0016]开关驱动由电隔离、信号处理、浮点驱动组成。电隔离主要完成输入信号Vdrv的隔离输入，比如光耦元件就是用光将Vdrv传递到Vs。信号处理主要目的是对Vs进行整形，使其开关信号的边沿更陡峭，比如比较器类器件就可以完成波形整形。浮点驱动主要目的是在Vdrv高电平期间，驱动开关S2、S3、S5、S6闭合而S1、S4、S7断开；在Vdrv低电平期间，驱动开关S2、S3、S5、S6断开而S1、S4、S7闭合。浮点驱动的另一目的是使开关在任意电位时都能可靠的开通或关断，使电路因开关的闭合或断开导致的电位变化，对开关的工作状态没有影响。
[0017]本专利技术的完整电路包含图1的功率电路和图3的控制电路，它们组成一个完整的可组合电荷泵。
[0018]用电容实现电能变换类的电荷泵，负载电流往往是大功率应用的瓶颈，这导致了电荷泵在电磁兼容方面的优越性能无法发挥到大电流的电源应用中。而本专利技术可以方便的实现任意组合，如串联应用、并联应用、串并联混用、级联应用等等，输出所需要的电压电流。
[0019]如图1所示的功率电路中，电容C1、C2在充电期间，是与输出断开的，而在放电期间是与输入断开的，也就是电容是分时段工作的，充电期间与输出没有电位关系，放电期间与输入没有电位关系，所以无论怎么组合应用，均不会存在电容充放电期间输入电流、输出电流、电容放电电流的短路现象。但代价是电荷泵的效率会有相应的降低，因为让电容分时工作所需的隔离开关必不可少。
[0020]以下将说明本专利技术的典型组合中的输入输出之间的电压、电流关系。
[0021]图4是两台设备的输入串联输出并联的接线方式，以及驱动信号Vdrv1、Vdrv2的相位波形示意图关系，Vdrv1、Vdrv2是同一个信号驱动的，所以是同频同相关系。根据连接方式有Ui＝Ui1+Ui2，Ii＝Ii1＝Ii2，和Uo＝Uo1＝Uo2，Io＝Io1+Io2。
[0022]将前面的基础关系Iout＝2*Iin以及Uout＝Uin/2代入即可得到输入输出电压、电流关系式。有Uo＝(Ui/2)*1/2＝Ui/4；Io＝2*Ii1+2*Ii2＝4*Ii。
[0023]图4所示的连接方式，输出电压等于输入电压的1/4，而输出电流等于输入电流的4倍。
[0024]图5是一个级联组合，电荷泵1的输出接电荷泵2的输入，则有Uo＝(Ui2/2)＝(Ui/2)/2＝Ui/4，Io＝2*Ii2＝2*2*Ii＝4*Ii。
[0025]可见图5所示的级联组合与图4所示的输入串联输出并联(入串出并)在效果上是一致的，但是在连接方式上不一样。但是明显的，由于可组合电荷泵完成一次输出需要一个控制周期，级联方式则需要两个控制周期才能调节一次输出；而入串出并的方式仅需要一个控制周期。从耐压方面说，图5所示的级联应用电荷泵2明显低于电荷泵1；而图4的电荷泵1、2都必须是输入电压Uin的一半。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可组合电荷泵及其控制方法，其特征是1、可组合电荷泵的电路结构特征是功率电路的特征是输入电源(Uin)的一端(Vi+)连接开关一(S1)的一端，输入电源(Uin)的另一端(Vi
‑
)连接开关七(S7)的一端；开关一(S1)的另一端、开关二(S2)的一端、电容一(C1)的一端连接到节点一(Node1)，开关三(S3)的一端、开关四(S4)的一端连接到电容一(C1)的另一端，开关五(S5)的一端、电容二(C2)的一端连接到开关四(S4)的另一端，开关七(S7)的另一端、开关六(S6)的一端、电容二(C2)的另一端连接到节点四(Node4)，开关二(S2)的另一端、开关五(S5)的另一端连接到输出(Uout)的一端(Vo+)，开关三(S3)的另一端、开关六(S6)的另一端连接到输出(Uout)的另一端(Vo
‑
)；控制电路的特征是包含第一电路(电源切换)用于选择辅助电源的供电电源(Uin或Uout)，包含第二电路(整流滤波)用于将前述“供电电源”进行整流滤波，包含第三电路(DC/DC)用于将前述“整流滤波”后的电源进行DC/DC变换对第五电路和第六电路供电，包含第四电路(电隔离)用于隔离输入信号(Vdrv)和驱动信号(Vs)之间的电流通路，包含第五电路(信号处理)用于对驱动信号(Vs)进行整形并分离出同相信号和反相信号，包含第六电路(浮点驱动)且第六电路(浮点驱动)有两组驱动电路，前述“同相信号”输入到第一组驱动电路以驱动功率电路的放电开关(S2、S3、S5、S6)，前述“反相信号”输入到第二组驱动电路以驱动功率电路的充电开关(S1、S4、S7)。2、可组合电荷泵的组合连接特征是输出端或输入端的串联特征是输入电源(Uin)的一端连接可组合电荷泵一(电荷泵1)的输入端(Ui1)的一端(Vi+)，可组合电荷泵一(电荷泵1)的输入端(Ui1)的另一端(Vi
‑
)连接可组合电荷泵二(电荷泵2)的输入端(Ui2)的一端(Vi+)，可组合电荷泵二(电荷泵2)的输入端(Ui2)的另一端(Vi
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)连接输入电源(Uin)的另一端；输出端或输入端的并联特征是可组合电荷泵一(电荷泵1)的输入端(Ui1)的一端(...

【专利技术属性】
技术研发人员：马东林，
申请(专利权)人：马东林，
类型：发明
国别省市：