專利名稱：電壓轉換電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種能夠連接到產生較小的和變化的輸入電壓的變化電壓或電流源的電壓轉換電路，該電壓轉換電路自啟動并產生增加的電源電壓。
本發明特別涉及一種DC-DC升壓轉換器，該DC-DC升壓轉換器特別是在由太陽能電池產生的較低的電壓下運行并可用于將相對較小的電壓(比如低于1V的電壓，特別是低于0.5V的電壓)轉換為在1-20V之間的DC電壓以用于對電池進行充電或運行電裝置。
因此，本發明的一個目的是提供一種在較低的輸入電壓下運行的DC-DC升壓轉換器，該DC-DC升壓轉換器自啟動并使用相對較少數量的部件。
本發明的進一步目的是提供一種升壓轉換器，在該升壓轉換器中使功率損耗最小同時具有緊湊的結構。
本發明的進一步目的是提供一種DC-DC升壓轉換器，該DC-DC升壓轉換器能夠在太陽能電池的最大功率點上或其附近運行。
至此，根據本發明的電壓轉換電路包括-連接到變化的電壓或電流源的輸入端和具有電源電壓的輸出端，-具有連接到輸入端的第一端和連接到電容性元件和該輸出端的第二端的電感性元件，該電容性元件具有連接到參考電壓的一端，-具有連接到電感性元件的第二端的第一端和具有連接到參考電壓的第二端的第一開關，該開關包括在給柵極施加第一電平的控制電壓時用于斷開和閉合該開關的柵電極，
-振蕩器，該振蕩器包括連接到輸出端的功率輸入端、連接到開關的柵電極以給柵電極輸送脈沖狀信號的啟動輸出端和振蕩器輸出端，以及-與第一開關并聯連接的第二開關，該第二開關具有連接到振蕩器輸出端的柵電極，其中在輸出端上的電源電壓達到預定的電平時第一開關保持斷開，而在高于第一電壓電平的第二電平電壓下通過振蕩器輸出運行第二開關。
變化的輸入電壓饋送給電感性元件，在振蕩器的啟動輸出端的控制下通過斷開第一開關將該電感性元件周期性地連接到參考電壓。振蕩器的電源輸入端連接到電源電壓端，在啟動時該電源電壓端接收非常小的電壓。所得的啟動輸出電壓相應地較小的(例如0.2V或更小)。在第一開關再次斷開和閉合時，在電感性元件中產生上升電流，該電感性元件對電容性元件進行充電以使電源電壓連續地增加。第一開關特別適合于在振蕩器的啟動輸出端的較低的柵極控制電壓下運行。在電源電壓增加時，振蕩器的啟動輸出信號增加，結果使第一開關更好地運行，并將更多的功率從電感性元件輸送到電容性元件，因此這種自放大效應導致了電源電壓和振蕩器啟動輸出信號增加。在電源電壓達到預定的值時，第一開關停止(斷開)，并且第二開關在柵極控制電壓下由第二振蕩器輸出運行，該柵極控制電壓在第一開關的柵極控制電壓之上。第二開關的操作導致了電源電壓的進一步增加。第一開關例如可以由具有在參考電壓之上的0.6V的柵極控制電壓和在100mA的集電極電流Ic下的600mV的集電極-發射極電壓Vce的雙極性pnp-晶體管形成。第二開關由具有在2V的電源電壓Vds下和在0.3-1.2A的電流Id下一般在1-2V的范圍中的柵極控制電壓Vgs(柵極閾值電壓)的低功率邏輯電平MOSFET形成。
通過使用根據本發明的兩個開關，每個開關運行在不同的柵極控制電壓電平下，可以實現自啟動升壓轉換器。
在一種實施例中，二極管連接在第一開關的柵電極上的電感性元件的第二端之間。在大約0.4V的變化的電源電壓提供給輸入端以及電源電壓大約為0.4V時，通過由二極管形成的正箝位電路維持在第一開關的控制端上的0.4V偏置電壓。因此，在第一開關由pnp雙極晶體管形成的情況下，在使晶體管導通的柵極上需要僅僅0.2V的變化控制電壓。在它的輸入端通以0.4V的電源電壓電平時從振蕩器中獲得0.2V的變化電壓。
在進一步的實施例中，振蕩器的輸出通過相應的電容性元件連接到柵極。通過電容性元件耦合，將來自振蕩器的啟動輸出端的較小的直流控制電壓加入到二極管箝位電路的0.4V的直流電平。
電壓轉換單元可以通過如下形成將第二轉換級連接到電壓轉換電路，第二轉換級具有電感性元件，該電感性元件具有可連接到變化的電壓源的第一端和連接到電元件(比如累加器)的第一端的第二端，該累加器具有連接到參考電壓的第二端；連接在電感性元件的第二端和參考電壓之間并具有連接到第二振蕩器的振蕩器輸出的柵電極的第三開關，該電壓轉換電路的輸出端的電源電壓連接到電感性元件的第二端和第二振蕩器的電源輸入端。第三開關可以由功率MOSFET形成，該功率MOSFET具有多個漏極和多個源極以進一步將DC-電壓從轉換電路轉換為在3-15V之間的電平。
根據本發明的電壓轉換電路可與作為動力源的太陽能電池、燃料電池或在它們的輸出上具有相對較小的電流和電壓的其它變化的電壓或電流源結合使用。在使用太陽能電池作為電壓電源時根據本發明的電壓轉換單元可以是牲畜飲水單元、鄉村公路照明或在農村的電籬笆的一部分。與太陽能電池結合的其它的應用是數字廣告牌、廣告牌照明、街道照明或信息點。
此外，本發明的裝置可用于沿公路的功率速度控制裝置、路旁反射器或道路標志(貓眼)、緊急點等。
可替換的是，電壓轉換電路可用于海上作為在船上的發電機以用于船的照明以及作為導航裝置或GPS系統。
通過僅需要非常小的電壓輸入的電壓轉換電路可以對移動電話、膝上型電腦、組織器以及其它的電器供電。
此外，通過本發明的電壓轉換電路還可以對如下設備進行供電數字照相機、電池充電器、自行車照明燈、危險三角報警器、雪崩報警器、手電筒、電視、微波爐和其它的家用設備、花園照明、花園噴灑器和窗戶的光調節裝置(比如窗簾、天幕)等。
通過實質減小太陽能電池表面使本發明最有利于小型設備。
下文參考附圖詳細地解釋根據本發明的電壓轉換單元的某些實施例。在附圖中附
圖1所示為根據本發明電壓轉換電路與連接到電裝置的DC-DC升壓轉換器結合的組件示意圖；附圖2所示為附圖1的DC-DC變換器和電壓轉換電路的詳細部件；附圖3所示為根據本發明的電壓轉換電路的變型實施例，其中第二開關由微處理器控制；附圖4所示為變換器U1C和U1E的輸入和輸出電壓的示意圖；附圖5所示為在啟動的過程中變換器U1C的輸入電壓；和附圖6所示為在啟動的過程中變換器U1C的輸出電壓。
附圖1所示為電壓轉換單元1，該電壓轉換單元1具有連接到第二轉換級3的電壓轉換電路或低壓轉換級2。低壓轉換級2包括輸入端4、電感性元件5、第一和第二開關6，7和電容性元件8。開關6和7具有連接到電感性元件5的第一端和連接到參考電壓線9的第二端。電容性元件8的第二端連接到二極管11的輸出和電源電壓端12。電源電壓端12連接到振蕩器13的功率輸入14。振蕩器13的啟動輸出15連接到開關6的柵電極，而振蕩器輸出16連接到開關7的柵電極。低壓轉換級2的電源電壓端12連接到電感性元件28的第二端和第二轉換級3的振蕩器17的功率輸入22。振蕩器18連接到開關19的柵電極。二極管20和電容性元件21都連接在電感性元件15和參考電壓線23之間。電設備24連接在第二轉換級3的輸出端25，26上。
在啟動時，變化的低電壓電源(比如太陽能電池)連接到電壓轉換單元1的輸入端4和27時，開關6，7閉合，電容性元件8充電，在電源電壓端12和振蕩器功率輸入14上產生小電壓。輸入到振蕩器13中的小功率導致在啟動輸出15上的脈沖形信號處于低柵極控制電壓電平Vc1上，它可以是幾十伏特，周期性地以例如100kHz的頻率斷開和閉合開關6。這就通過開關6的周期性電流產生通過電感性元件5和充電電容器8并通過二極管11整流的上升電流，在電源電壓端12以及最終的振蕩器13的功率輸入上產生升高的電壓。這種作用一直持續到在電源電壓端12上電壓電平到達預定的電平，在達到預定的電平之后停止(斷開)低電壓控制的開關6并由振蕩器輸出16中操作高電壓控制的開關7。開關7在控制電壓電平Vc2下運行直到在電源電壓端12上的電源電壓例如為幾伏特。電源電壓輸入到在電感性元件28的第二端上的第二轉換級3和第二振蕩器17的功率輸入22。在振蕩器輸出18上，產生操作開關19的柵電極的脈沖控制信號。通過接通和切斷開關19，在電感性元件28中存儲的能量傳遞給電容器21直到達到預定的電壓電平。在這種預定的電平下，比如在1.5V-12V之間的電壓電平，開關19斷開以使電能量存儲在電感性元件28中，以在開關19閉合時再次釋放。
在升壓電壓轉換單元1從其余狀態下產生它自身的電源電壓時，升壓轉換器自啟動。
附圖2詳細地示出了根據本發明電壓轉換級2和第二轉換級3的部件。應用下面字母符號T1低功率、邏輯電平MOSFET；T2開關MOSFET；功率MOSFET；L1具有高阻抗的開關線圈；L4開關線圈；D1，D2整流二極管；C9，C21，C1濾波可電控制的電容器(電解電容器)；U1A-U1F；U1CPilips Electronics生產的74LV14型的低壓變換器柵極；D4開關雙極晶體管；D2，D4肖特基二極管；C3相對較小的電容器。
第二轉換級3根據公知的DC-DC電壓轉換器原理運行，根據這種公知的原理在開關MOSFET 19斷開時在線圈28的輸入上較小波動的電壓V-solar存儲在線圈中。一旦開關MOSFET 19閉合，能量從線圈28釋放并通過整流器二極管20輸送給濾波電容器21，使在輸出端25，26上產生升高的電壓。為了自啟動，提供電壓轉換器電路或升壓電路2，在該電路中振蕩器13由Philips低電壓變換器端口U1C和U1E類型的有源部件構成。變換器端口在啟動時在低于0.4V的輸入電壓下能夠產生它們的輸出電壓。
在低電源電壓Vcc上，晶體管T3切斷，并通過振蕩器13的啟動輸出15輸送非常低的交流電壓給耦合電容器C2并從其中輸送給晶體管T4的基極31。肖特基二極管D4用作正箝位電路以使在基極31上的出現較小交流電壓的偏移為0.4V。太陽能電池電壓大約為0.4V。晶體管T4將在大約0.6V的柵極電壓下導通，因此柵極電壓僅需要為0.2V以使晶體管T4導通。顯然振蕩器13的振蕩變換器柵極U1C可以輸送足夠的能量以使晶體管D4導通。這就使晶體管T4的集電極c處于周期性電流中。由于晶體管T4與具有相對較高的感抗L1的開關線圈和相對較小的電容器C3耦合，因此在集電極c中的周期性電流導致了在線圈5上的交流電壓。這種交流電壓通過肖特基二極管D2整流并出現在電源電壓端子12上并反饋回低電壓變換器柵極U1C-U1F的電源上。每次Vcc上升時，在振蕩器13的啟動輸出15上的電壓電平升高，由此能夠更好地控制開關晶體管T4。晶體管T4的適當的選通導致了在線圈5中存儲更多的功率，增加了電源端子電壓Vcc等。在振蕩器U1C的輸出口30上，提供運行較低的電壓變換器柵極U1E的耦合電容器C4。振蕩器U1E的輸出連接到MOSFET T1的低功率邏輯電平的控制柵極。耦合電容器C4確保了T1的MOSFET在開始或啟動時與晶體管T4同相開關。
在電源電壓Vcc上升到邏輯電平MOSFET T1的閾值電平之上時，晶體管T3進入導通，將振蕩器U1C的輸入拉到地電位由此使第一晶體管T4切斷并使邏輯電平MOSFET T1運行。現在Vcc能夠上升到例如3V，其中直到1.5-2.0V的電壓范圍的最后的功率轉換受第二變換級3的功率MOSFET T2的影響。在Vcc到達它的理想的結束電平時，變化的電源電平V-solar使晶體管T5導通，由此將振蕩器U1F的輸入拉到地電位并停止開關T2。
附圖3所示為包括升壓DC-DC變換器(有時稱為增壓振蕩換流器)的低壓太陽能轉換器的另一實施例。該升壓轉換器的主要部件為電感器/電感L4半導體開關T4和互補N-溝道MOSFET T2；二極管D1(肖特基ZHCS 750)和通過附加電容器C19和C20補償低電阻的高電容elco C23的形式的電容器/電容。在電壓太低以致不能運行MOSFET開關T2時半導體開關T4運行升壓轉換器。開關T4由如在附圖3中的點劃線方框所示的振蕩器電路運行。振蕩器的輸出連接到升壓轉換器的啟動振蕩連接器，在該升壓轉換器中肖特基D3(ZHCS 750)將太陽能面板425a的輸出電壓加入到由振蕩器產生的脈沖電壓。所得的電壓提供給T4的基極。一旦提供給升壓轉換器的電壓足夠高到運行MOSFET T2，則振蕩器輸出通過振蕩器電路的半導體T3接地。任何MOSFET T2由中央處理器471的“N-柵極”輸出控制并從處理器471的“P-柵極”進一步控制P-溝道MOSFET T1以從肖特基二極管D1接管。處理器471的P和N-柵極由軟件驅動。在這種方式中已經實現了特別有利的升壓轉換器。半導體開關T4和T2的交替使用提供了針對每個較低的電壓和更高的電壓范圍都具有最佳特性的混合升壓轉換器的寄存器(register)。提供肖特基二極管D3能夠給較低的電壓半導體開關T4的基極提供盡可能高的電壓。與二極管D1并聯設置的附加的MOSFET開關T1可以消除通常在二極管比如D1中產生的損失。
附圖4所示為變換器端口U1C和U1E的輸入和輸出電壓V1，V0，它們是變換施密特觸發器變換器端口。通常，在1V的電源電壓Vcc上，負閾值VT1大約為0.5V，正閾值VT2為更高的幾十伏特。輸出電壓V0限于電源電壓Vcc的最大值。本發明人已經發現在低于制造商的技術規范下的電源電壓Vcc下存在低于VT1的變換器端口的區域，在該區域上在較低的電源電壓Vcc上輸出信號中仍然存在滯后現象，由此使通過將輸出信號經電阻R2反饋給輸入可以實現振蕩器。在0.4V的電源電壓上，在附圖5中給出了在大約300mV的電平上、在大約400kHz的頻率下在變換器柵極U1C中的輸入。
在附圖6中，在大約400mV的電平下以大約20kHz的頻率給出在變換器柵極U1C上的輸出。令人驚訝的是，在較低的輸出電源電壓Vcc上和在低于根據技術規范的負閾值TV1下的較低的輸入電平上，仍然可以獲得使用變換器柵極U1C的振蕩器以便通過使用所說的部件實現升壓轉換器的啟動。
權利要求
1.電壓轉換電路(2)，具有-連接到變化的電壓或電流源的輸入端(11)和具有電源電壓的輸出端(12)，-具有連接到輸入端的第一端和連接到電容性元件(8)和該輸出端(12)的第二端的電感性元件(5)，該電容性元件(8)具有連接到參考電壓(9)的一端，-具有連接到電感性元件(5)第二端的第一端和具有連接到參考電壓(9)的第二端的第一開關(6)，該第一開關(6)包括在給柵極施加第一電平的控制電壓時用于斷開和閉合該開關的柵電極(31)，-振蕩器(13)，該振蕩器包括連接到輸出端(12)的功率輸入端(14)、連接到第一開關(6)的柵電極(31)以給柵電極(31)輸送脈沖狀信號的啟動輸出端(15)和振蕩器輸出端(16)，以及-與第一開關(6)并聯連接的第二開關(7)，該第二開關具有連接到振蕩器輸出端(16)的柵電極(32)，其中在輸出端(12)上的電源電壓達到預定的電平時第一開關(6)保持斷開，而在高于第一電壓電平的第二電平電壓下通過振蕩器輸出端(16)運行第二開關(7)。
2.根據權利要求1所述的電壓轉換電路(2)，其中第一開關(6)包括雙極晶體管(T4)和第二開關(7)包括場效應晶體管(T1)。
3.根據權利要求1或2所述的電壓轉換電路(2)，其中二極管(D4)連接在電感性元件(5)的第二端和第一開關的柵電極之間。
4.根據權利要求1、2或3所述的電壓轉換電路(2)，其中振蕩器(13)的輸出端(15)通過相應的電容性元件(C2)連接到柵極(31)。
5.電壓轉換單元(1)，包括根據前述任一權利要求所述的電壓轉換電路(2)，其中第二轉換級(3)具有電感性元件(28)，該電感性元件具有可連接到變化的電壓源的第一端和連接到電元件(24)比如累加器的第一端(25)的第二端，該電元件(24)具有連接到參考電壓(23)的第二端(26)；連接在電感性元件(28)的第二端和參考電壓(23)之間并具有連接到第二振蕩器(17)的振蕩器輸出端(18)的柵電極(33)的第三開關(19)，該電壓轉換電路(2)的輸出端(12)連接到第二轉換級(3)的電感性元件(28)的第二端和第二振蕩器(17)的功率輸入端(22)。
6.電壓轉換單元(1)，第三開關(19)包括具有多個漏極和多個源極的MOSFET。
7.根據權利要求5或6的電壓轉換單元(1)，其中第二電感性元件(28)的第二端通過二極管(20)連接到電元件(24)，電元件(24)的第一端通過電容性元件(21)連接到參考電壓(23)。
全文摘要
本發明涉及電壓轉換電路(2)，具有連接到變化的電壓或電流源的輸入端(11)和具有電源電壓的輸出端(12)，具有連接到輸入端的第一端和具有連接到電容性元件(8)和該輸出端(12)的第二端的電感性元件(5)，該電容性元件(8)具有連接到參考電壓(9)的一端，具有連接到電感性元件(5)第二端的第一端和具有連接到參考電壓(9)的第二端的第一開關(6)，該第一開關(6)包括在給柵極施加第一電平的控制電壓時用于斷開和閉合該開關的柵電極(31)，振蕩器(13)，該振蕩器包括連接到輸出端(12)的功率輸入端(14)、連接到第一開關(6)的柵電極(31)以給柵電極(31)輸送脈沖狀信號的啟動輸出端(15)和振蕩器輸出端(16)，以及與第一開關(6)并聯連接的第二開關(7)，該第二開關具有連接到振蕩器輸出端(16)的柵電極(32)，其中在輸出端(12)上的電源電壓達到預定的電平時第一開關(6)保持斷開，而在高于第一電平電壓的第二電平電壓下通過振蕩器輸出端(16)運行第二開關(7)。
文檔編號E04F10/02GK1593002SQ02804357
公開日2005年3月9日 申請日期2002年1月30日 優先權日2001年1月30日
發明者阿內·茹爾捷恩·奧西哥, 約亨·韋爾瓦德特 申請人:真太陽奧托諾姆持股公司