專利名稱：升壓轉(zhuǎn)換器以及包含其的電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及電壓轉(zhuǎn)換器，且更具體地涉及當(dāng)被提供了小于在電壓轉(zhuǎn)
換器中使用的開關(guān)設(shè)備的閾值電壓的輸入電壓時(shí)可以操作的開關(guān)(switched) 低電壓轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明通常還涉及電池充電系統(tǒng)，且更具體地涉及具有自包含的電源的 電池充電器。
背景技術(shù)：
在當(dāng)今的電氣設(shè)備和器件中，廣泛地使用電壓轉(zhuǎn)換器來將諸如電池的單 個(gè)電源的輸出電壓轉(zhuǎn)換為多路電壓軌道(rail),其依次給系統(tǒng)內(nèi)的不同功能 塊供電。
一個(gè)例子是由具有3.6V的額定輸出電壓的單個(gè)單元鋰離子(Li-Ion)電 池供電的移動電話。在該移動電話中，通常存在3到5個(gè)電壓軌道，諸如5V、 3.3V、 2.5V、 1.8V和1.5V等，它們需要給電話內(nèi)的不同功能塊供電。所有這 些電壓軌道都是從鋰離子電池轉(zhuǎn)換來的。因?yàn)檫@些電壓中的一些、諸如5V 高于單個(gè)單元鋰離子電池的額定輸出電壓，因此使用具有升壓(step-up)或 "升壓(boost)"布局的電壓轉(zhuǎn)換器。
典型的升壓轉(zhuǎn)換器包含二極管和能量存儲元件的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器。圖1 示出了傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器的例子。升壓轉(zhuǎn)換器10包括高電壓電源(HV—BAT) 12、以與HV—BAT串聯(lián)連接的電感器(LI )形式的能量存儲元件、在電感器 和地(GND)之間連接的開關(guān)設(shè)備(SW—1)16、與L1串聯(lián)連接的二極管(D1) 17、在Dl和GND之間連接的電容器(CI ) 18、和也在Dl和GND之間連 接的、使用第一電阻器(Rl) 20和第二電阻器(R2) 22創(chuàng)建的分壓器。跨 越該分壓器的電壓是被提供給負(fù)載(RL) 24的、電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓 (V0UT)。在Rl和R2之間的連接處的電壓提供輸入電壓到脈寬調(diào)制器 (PWM) 26，該脈寬調(diào)制器(PWM) 26向開關(guān)設(shè)備(SW_1)的控制端提供 輸入信號(PMW—SW )。該P(yáng)WM從在Dl和GND之間連接的終端獲得功率。當(dāng)電源、HV—BAT第一次附接到轉(zhuǎn)換器時(shí)，在Dl和負(fù)載(RL)之間出 現(xiàn)電壓Vo。該"第一"Vo用于兩個(gè)目的它提供激活內(nèi)部PWM塊所需的中 間的"第一推動"電壓，且它向負(fù)載(RJ提供"初始"輸出電壓，V0UT。 通過使用PWM來將開關(guān)設(shè)備SW—1接通和斷開來控制在Ll和CI中存儲的 能量的量，從而實(shí)現(xiàn)恒定的V0UT。 PWM塊使用在Rl和R2 ( VFB )之間的交 匯處的電壓，來確定PMW輸出信號的占空因數(shù)。當(dāng)獲得了 (由R1和R2的 值所確定的)期望的電壓時(shí)PWM的占空因數(shù)穩(wěn)定，且升壓轉(zhuǎn)換器的輸出是 處于期望的電平的恒定輸出電壓。
為了升壓轉(zhuǎn)換器操作，PWM的初始輸出必須是足夠以使SW一l接通的 足夠的閾值電平(VTH)。 Vra由開關(guān)的屬性來限定。在SW—ID "第一開關(guān)接 通，，之后，升壓轉(zhuǎn)換器正常地開始操作，且其輸出電壓VouT最終達(dá)到由負(fù)載 RL需要的恒定電壓。如果VTH足夠，則第一次不將SW_1接通，因此不啟動 圖1所示的升壓轉(zhuǎn)換器。在典型的基于半導(dǎo)體的升壓轉(zhuǎn)換器中，Vth在0.7V 和1.0V之間，取決于在電壓轉(zhuǎn)換器中使用的開關(guān)設(shè)備(MOSFET、雙極性晶 體管等)的技術(shù)。這意味著電源必須具有至少0.7V到l.OV的輸出。
可再生電源可以被使用來替換危害環(huán)境的基于化學(xué)和電化學(xué)的能量源， 諸如各種鋰離子電池、鋰聚合體、NiMH和NiCd電池，這些仍然廣泛用于移 動電話和其他充電消費(fèi)和商業(yè)設(shè)備和器件，作為主要的能量源。有前途的能 量源是太陽能電池。但是，典型的單個(gè)太陽能電池輸出不超過0.3V的電壓， 顯然低于在傳統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換器中的典型的開關(guān)元件的0.7V到I.OVVth。
目前正在研究開發(fā)半導(dǎo)體工藝技術(shù)中，在其上可能制造超低閾值開關(guān)設(shè) 備(即，具有低于0.3V的閾值的開關(guān)設(shè)備)。但是，即使確實(shí)可以開發(fā)這種 新的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，但閾值電壓變得越低，則工藝技術(shù)很可能變得越復(fù)雜 且因此成本越高。另外，無論開關(guān)設(shè)備的閾值電壓變得多低，傳統(tǒng)的布局仍 然無法實(shí)現(xiàn)具有0電壓閾值的電壓轉(zhuǎn)換器。
典型的電池供電的系統(tǒng)^使用外部或內(nèi)部電池供電電3各?？梢酝ㄟ^將商業(yè) 可得的AC電源(AC電源線)轉(zhuǎn)換為低電壓DC電壓的AC到DC轉(zhuǎn)換器(AC 適配器)來提供對電池充電電路的電源。另外，該DC電壓還可以被用于直 接給下游電子器件供電，這當(dāng)AC適配器不存在時(shí)另外由電池供電。
一個(gè)例子是用3.6V的額定輸出電壓由單個(gè)單元鋰離子電池供電的移動 電話。典型地由AC適配器通過電池充電電^各給該電池充電。該電池充電電
7路可以是基于半導(dǎo)體的集成電路(IC)或用離散的組件建立的電路。而且，
在移動電話中，通常存在3到5個(gè)電壓軌道，諸如5V、 3.3V、 2.5V、 1.8V和 1.5V等，被用于給提供移動電話的具體功能的其他功能塊或電路供電。這些 電壓軌道可以當(dāng)不存在AC適配器時(shí)從鋰離子電池轉(zhuǎn)換，或者當(dāng)存在AC適 配器時(shí)從AC適配器的DC電壓輸出中轉(zhuǎn)換。
如此，在電池供電系統(tǒng)中的功率管理器包括電池充電電路和功率轉(zhuǎn)換電 路。其中通過AC適配器供應(yīng)功率的電池充電電路可以是用離散的組件建立 的電路、或IC或IC的一部分。該功率轉(zhuǎn)換電路將電池電壓或AC適配器提 供的電壓轉(zhuǎn)換為供應(yīng)該系統(tǒng)的其他電路的各種其他電壓。該功率轉(zhuǎn)換電路可 以是用離散的組件建立的電路、或IC的集合、IC或IC的一部分。
由于AC適配器的DC輸出電壓高于電池電壓的DC輸出電壓，則電池充 電電路典型的是降壓布局的，諸如線性或"降壓(buck)"轉(zhuǎn)換器，其將較高 DC電壓轉(zhuǎn)換為較低的。
對于功率轉(zhuǎn)換電路，其中使用的電壓高于電池的額定輸出電壓，使用升 壓或"升壓"布局，且對于低于電池的額定輸出電壓的電壓，使用降壓或"降 壓"布局。如此，對于功率轉(zhuǎn)換電路，使用升壓和降壓的兩種子電路。典型 地提供這些子電路作為分離或獨(dú)立的IC。
如此，在系統(tǒng)級上，總是需要AC適配器、或其他典型或外部的電源。 另外，AC適配器的DC輸出電壓需要高于特定電平。該最小電壓是典型地在 0.7V和1.0V之間，取決于在電壓轉(zhuǎn)換器中使用的開關(guān)設(shè)備(MOSFET、雙極 性晶體管等)的閾值電壓。實(shí)際上，AC適配器的DC輸出幾乎總是高于電池 電壓，以便可以更容易實(shí)現(xiàn)線性或降壓布局電池充電電路。例如，用于單個(gè) 單元鋰離子電池(3.6V額定電壓)供電的系統(tǒng)的AC適配器典型地高于5V。
在圖9中提供了傳統(tǒng)電源的簡化圖示?？梢杂蓙碜訟C適配器輸入卯3 或可充電電池、RE—VO—BA905的功率來給負(fù)載、R^915供電。功率路徑管 理電路907促使三個(gè)開關(guān)(SW—1 908、 SW—2 909、 SW—3 910 )來控制從AC 適配器輸入903到負(fù)載和/或電池的功率流。例如，通過將開關(guān)SW_1接通且 將開關(guān)SW—2和SW—3斷開，則AC適配器903向負(fù)載R^915提供功率。通 過將開關(guān)SW—1和SW—2接通且將開關(guān)SW—3斷開，AC適配器903向負(fù)載 Rl915提供功率，而同時(shí)通過電池充電器電路911給電池RE—VO一BA卯5充 電。
8通過將開關(guān)SW—1 908和SW—3 910斷開且將開關(guān)SW—2 909接通，AC 適配器輸入903通過電池充電器電路911給電池RE_VO_BA 905充電，但不 給負(fù)載Rl供屯。通過將開關(guān)SW—2斷開且將開關(guān)SW—1和SW—3接通，AC 適配器903和RE—VO—BA905都給負(fù)載&供電。這當(dāng)負(fù)載Rl需要弄常的大 電流時(shí)可以是有用的。通過將開關(guān)SW—1 908和開關(guān)SW_2 909斷開且將SW—3 910接通，電池RE—VO—BA 905向rl供電，且因此僅提供其中AC適配器 輸入903不給負(fù)載和/或電池供電的情況。
如此，所示的電源不是自包含的電源。具體地，當(dāng)電池RE一VCUBA 905 沒電時(shí)，使用AC適配器903來給電池RE—VO—BA充電，而同時(shí)給負(fù)載RL 供電。而且，AC適配器輸入電壓典型地是來自外部AC到DC轉(zhuǎn)換器的DC 電壓。該AC到DC轉(zhuǎn)換器被插入AC電源線以便提供DC電壓作為AC適配 器輸入。
因此，電源不是"自包含"的，即從外部電源、諸如AC電源線得到功 率，這極大地減少了諸如移動電話的某些應(yīng)用的移動性。因此，可期望具有 完全"自包含的"電源。還可期望包括可以向電池充電電路和功率轉(zhuǎn)換電路 供電的"可再生"電壓發(fā)生器。

發(fā)明內(nèi)容
描述了低電壓轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例。在許多實(shí)施例中，低電壓轉(zhuǎn)換器是包括 "第一推動"階的升壓轉(zhuǎn)換器。該"第一推動"提供使能升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)的開 關(guān)設(shè)備的初始推動電壓，以開始開關(guān)而不考慮電源的電壓電平。在大量實(shí)施 例中，"第一推動"階包括0電壓輸入開關(guān)設(shè)備來生成初始的"第一推動"。 在若干實(shí)施例中，低電壓電源是單個(gè)太陽能電池。在許多實(shí)施例中，低電壓 轉(zhuǎn)換器使用諸如反激(flyback)布局或正激(forward)布局的隔離布局。在 若干實(shí)施例中，使用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝來實(shí)現(xiàn)低電壓功率轉(zhuǎn)換器。
提供用于電池充電系統(tǒng)的自包含的電源。該電源不使用與電源、諸如AC 電源線和AC到DC轉(zhuǎn)換器的外部連接。在一個(gè)實(shí)施例中，該自包含的電源 包括超低電壓功率發(fā)生器，其向可再生電池、負(fù)載或兩者提供電壓。具有升
使用具有MUX電路的第 一推動電路來保證電壓轉(zhuǎn)換器的初始和持續(xù)的搡作。


圖l是傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器的電路圖。-現(xiàn)有技術(shù)
圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的由具有"第一推動"塊的超低電源供電的 升壓轉(zhuǎn)換器的電路圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括0閾值電壓開關(guān)作為"第一推動"塊
的低電壓轉(zhuǎn)換器的電路圖。
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的低電壓轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)的仿真的圖。 圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用光電耦合器作為"第一推動"塊的低
電壓轉(zhuǎn)換器的電路圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用0閾值電壓耗盡模式MOSFET和控制
電路作為"第一推動"塊的低電壓轉(zhuǎn)換器的電路圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用正激布局的低電壓轉(zhuǎn)換器的電路圖。 圖9是電池充電系統(tǒng)的傳統(tǒng)電源的示意圖。-現(xiàn)有技術(shù) 圖10罷棍棍太勞印
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考附圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的低電壓轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例。 該低電壓轉(zhuǎn)換器是升壓轉(zhuǎn)換器，其包括第一推動塊，提供如下初始電壓，該 初始電壓能夠保證無論電源電壓多低、在開關(guān)設(shè)備的控制端處施加的那個(gè)第 一 PWM脈沖的電壓都可以克服開關(guān)設(shè)備的閾值電壓以在第 一次將其接通。
基本架構(gòu)
圖2中示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的低電壓轉(zhuǎn)換器。該低電壓轉(zhuǎn)換器50 類似于圖1中所示的現(xiàn)有技術(shù)的升壓轉(zhuǎn)換器，除了在電感L1和GND之間連 接了 "第一推動"塊52，且用低電壓電源(LV—BAT) 54替換了高電壓電源 (HV—BAT)。該低電壓電源不能生成足夠大以致于開關(guān)設(shè)備(SW—1 ) 16，切 換的電壓，但是"第一推動"塊能夠提供具有足夠的量級以使能SW_1來接 通的"第一推動"電壓。"第一推動，，塊的提供初始電壓的能力使得能夠使用 低電壓電源。在大量實(shí)施例中，LV—BAT可以是產(chǎn)生大約0.3V的輸出電壓
10(VLV_BAT)的單個(gè)單元太陽能面板。在其他實(shí)施例中，可以使用具有甚至低 于0.3V的輸出電壓(VLV—BAT)的低電壓電源。在大量實(shí)施例中，VLV—bat僅
略微高于GND。
低電壓轉(zhuǎn)換器的操作
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的"第一推動"塊包括經(jīng)過由控制輸入(FP)控制 的"第一推動，，塊的電流路徑。當(dāng)?shù)谝煌苿有盘柋皇┘拥綀D2所示的"第一 推動"塊52的輸入(FP) 56時(shí)，在"第一推動"塊內(nèi)創(chuàng)建的電流路徑將電 感器(LI ) 14，連接到GND。當(dāng)從FP移除第一推動信號時(shí)，Ll與GND斷開。 此時(shí)，由于LI的電感，在LI和Dl之間的交匯處的電壓升高到高于LV—BAT 的電平?？缭絃1的電壓可以被計(jì)算為
VL1 = LAi駆/At (5)
其中，Vu是跨越LI的電壓，L是L1的電感，At是當(dāng)?shù)谝煌苿有盘柋?施加到FP時(shí)經(jīng)過"第一推動"塊的電流路徑存在的持續(xù)時(shí)間段，以及Ai是 當(dāng)?shù)谝煌苿有盘柋皇┘拥紽P時(shí)從LV—BAT經(jīng)過L1流到GND的電流。
其中，Ai被限制為
△iMAX = Vlv_bat/Ron (6)
其中，VL、BAT是超低電壓電源LV—BAT的輸出電壓，且RoN是經(jīng)過"第
一推動"塊的電流3各徑的電阻。
如此，在移除了第一推動信號之后，在L1的右側(cè)、或D1的陽極看到的 總電壓被給定為
Vhv = Vlv_bat + Vu (7)
其中VHV是D1的陽極上的電壓，VLV—BAT is是低電壓電源LV_BAT的輸 出電壓，且Vu是經(jīng)過Ll的電壓。
且，在D1的陰極上的電壓被給定為
Vd = VHv - VDi= Vlv_bat + VLi - VDi (8) 其中，VHV是D1的陽極的電壓，VLV—BAT是低電壓電源LV_BAT的輸出 電壓，Vu是經(jīng)過L1的電壓，以及Vm是二極管Dl的正激電壓降。
雖然VLV—BAT可以超低，諸如來自單個(gè)單元太陽能面板的0.3V，但取決 于L1的值、FP信號保持了多久(At)、和當(dāng)FP信號接通時(shí)流過L1的電流的 量級，VL1可以高。當(dāng)乂人FP移除該信號時(shí)，VD可以足夠高以至于激活PWM塊，且以便輸出PWM信號的接通狀態(tài)的電壓(Vsw)將處于可以將SW—1接 通的值。該使得PWM的輸出能夠?qū)W_1接通的VD的實(shí)際值典型地取決 于SW—1的屬性。以下描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括不同類型的開關(guān)設(shè)備 的低電壓轉(zhuǎn)換器。
N溝道增強(qiáng)模式MOSFET和NPN晶體管
如果SW一l是N溝道增強(qiáng)模式MOSFET和NPN晶體管，當(dāng)?shù)谝?PWM 脈沖(PWM—SWl)到達(dá)SW—1的控制端時(shí)，其在導(dǎo)通狀態(tài)期間的電壓(PWM 邏輯高)，VSW必須比GND高VTH,來接通SW—1。由于PWM—SWl接通 狀態(tài)的電壓不可能高于vd (即用于給PWM塊供電的電壓)，Vd必須比GND 高VTH。以下公式給出了必須被滿足以便第一次接通SW—1的條件
VD > VTH (9a)
+ VHV —VD1>VTH (%)
+ VLV—bat + VL1 - VD1 > VTH (9c)
+ VLV—bat + LAiMAX/At - VD1 > VTH (9d)
+ LAiMAX/At > VTH + VD i — VLVBAT (9e)
根據(jù)公式9e, LI的電感值、被施加到FP的第一推動信號的持續(xù)時(shí)間和 當(dāng)FP信號被施加到其控制端時(shí)流過"第一推動，，塊的電流的適當(dāng)選擇可以產(chǎn) 生足夠以接通SW—1的電壓。
例如，如果VTH是0.7V, VD1是0.7V，且VLV—BAT是0.3V,則公式9e 變?yōu)?br> + LAiMAX/At > VTH + VD1 — VLV BAT = 0.7V + 0.7V - 0.3V = 1 1V (9f)
+ L (VLV一BAT/RON)/At > 1 1V (9g) 從公式9f,如果LI是lOO^H電感器,且At是100ps，則高于1.1A的 Ai嫩x可以接通SW_1。為了實(shí)現(xiàn)高于UA的AiMAX,公式9g指示R0N即， 經(jīng)過"第一推動"塊的電流路徑的電阻)應(yīng)該少于大約270mQ。以下討論處 理這種量級情況的電阻的各種"第一推動"塊的實(shí)現(xiàn)。
P溝道增強(qiáng)模式MOSFET和PNP晶體管
如果SW—1是P溝道增強(qiáng)模式MOSFET或PNP晶體管，則當(dāng)?shù)谝籔WM
12脈沖(PW1VLSW)到達(dá)SW—1的控制端時(shí)，其在接通狀態(tài)(PWM邏輯低)期間的 電壓(Vsw)必須比VHV低VTH來接通SW—1 。由于Vsw不能低于GND，因此 Vhv必須比GND高至少VTH。以下公式給出了必須滿足以第一次接通SW—1 的條件<formula>formula see original document page 13</formula>公式10d指示Ll的電感、被施加到FP的第一推動信號的持續(xù)時(shí)間、和 當(dāng)該信號被施加到FP時(shí)流過"第一推動"塊的電流的適當(dāng)選擇可以導(dǎo)致SW_1 接通。
例如，如果VTH是0.7V且VLVBAT是0.3V，則公式10d變?yōu)?br> + LAiMAX/At > VTH — VLV BAT = 0.7V — 0.3V = 0.4V (10e)
+ L (VLVBAT/R0N)/At > 0.4V (10f)
如果LI是IOO^iH電感器，At是100|is，則根據(jù)公式10e,高于400mA的 AiMAx可以導(dǎo)致SW_1接通。在提供了小于大約750mQ的R0N,可以實(shí)現(xiàn)高 于400mA的AiMAX 。
如此，LV_BAT(VLV—BAT)不對SW_1的第一次接通產(chǎn)生決定性影響。根 據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的Ll，At，和Rqn的選擇可以使得SW一1能夠?qū)τ赩^—BAT 的很低值而接通。因此，VLV_BAT可以超低且到僅稍微高于GND的電平，且
在第一開關(guān)接通之后，SW一1開始操作好像在典型升壓轉(zhuǎn)換器中使用的 普通開關(guān)，且在圖2中的升壓轉(zhuǎn)換器開始操作好像典型的升壓轉(zhuǎn)換器，除了 允許電源(LV BAT)具有超低輸出電壓。
"第一推動"塊的實(shí)施方式
在各個(gè)實(shí)施例中，"第一推動"塊包括可以用被施加到FP的0電壓來接 通的0閾值電壓開關(guān)設(shè)備。將0閾值電壓開關(guān)接通一次提供了 "第一推動"， 且隨后跳躍地開始(jumpstart)升壓轉(zhuǎn)換器的剩余(rest)。以下討論根據(jù)本 發(fā)明的實(shí)施例的包括O閾值電壓開關(guān)設(shè)備的"第一推動"塊的各種實(shí)施方式。 雖然討論了具體實(shí)施例，但可以按實(shí)現(xiàn)可以響應(yīng)于第一推動信號對控制輸入
13的施加來創(chuàng)建足夠低的電阻電流路徑的設(shè)備的其他方式來實(shí)現(xiàn)"第一推動" 塊。
包括o閾值電壓機(jī)械開關(guān)的"第一推動"塊
圖3中示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括使用0闊值電壓開關(guān)實(shí)現(xiàn)的"第 一推動"塊的低電壓轉(zhuǎn)換器。低電壓轉(zhuǎn)換器60包括使用在L1 14，和GND之 間連接的O闊值電壓開關(guān)(ZE—TH—SW) 62實(shí)現(xiàn)的"第一推動"塊。在所示 的實(shí)施例中，ZE—TH_SW是當(dāng)向輸入FP施加物理按壓時(shí)接通且在移除物理 按壓之后斷開的機(jī)械開關(guān)。
圖4中示出了圖3中所示的低電壓轉(zhuǎn)換器60的仿真圖。該圖示出了隨著 ZE—TH—SW在時(shí)間0時(shí)接通而建立的經(jīng)過L1的電流。當(dāng)釋放ZE—TH一SW時(shí)， 經(jīng)過L1的電壓足夠用于PWM生成導(dǎo)致SW—1開始開關(guān)的信號。在此時(shí)，低 電壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)操作。輸出電壓可以包括與調(diào)整輸出電壓的調(diào)壓器 有關(guān)的"波紋(ripple )"。如果，使用更大的輸出電容器，則該波紋可以"更 平滑"。
包括O閾值電壓光電耦合開關(guān)的"第一推動"塊
圖5示出了包括使用光電耦合開關(guān)實(shí)現(xiàn)的"第一推動"塊的低電壓轉(zhuǎn)換 器。低電壓轉(zhuǎn)換器80包括使用0閾值電壓光電耦合器(ZE—TH_PC) 82實(shí)現(xiàn) 的"第一推動"塊。在所示的實(shí)施例中，ZE—TH—PC是光電開關(guān)，其當(dāng)被光 信號激活時(shí)接通，且在移除光信號之后斷開。光信號對光電開關(guān)的足夠長的 施加使得LI能夠存儲足夠以使得PWM能夠接通SW_1的能量。
光電耦合器的內(nèi)部電阻可以與非零電阻開關(guān)相比較。只要光的強(qiáng)度足夠， 則將接通光電開關(guān)，且只要它可以被接通，則其閾值電壓不再重要。在使用 光電開關(guān)的實(shí)施例中，重要的設(shè)計(jì)參數(shù)是，第一次必須接通它的光源的強(qiáng)度 有多高。
包括有源組件的"第一推動，，塊
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括有源組件的低電壓轉(zhuǎn)換器。低電 壓轉(zhuǎn)換器90包括耗盡模式MOSFET開關(guān)(ZE—TH—DE )92,和包括具有LI 14， 作為初級線圏和L2 94作為二級線圈的變壓器、在L2的接地端和ZE TH DE的控制輸入之間連接的電容器(C2 ) 96、在Ll和Dl之間連接的一次按壓總 是接通(once-pressed-always-on)的繼電器(RELAY) 98和如果有物理按壓 則接通、當(dāng)移除物理按壓時(shí)則斷開的、在L2的另一端和ZE—TH一DE的控制 輸入之間連接的開關(guān)(SW) 100的控制電路。由控制輸入FP 56'控制RELAY 和SW兩者。當(dāng)被施加到ZE—TH—DE的控制端(Gate)的電壓(VG)高于其 負(fù)閾值電壓(-VTH)時(shí)，則ZE—TH—DE接通。如此，它可以僅當(dāng)絕對值高于 |VTH| (比Vth更負(fù))的負(fù)電壓被施加到其控制端時(shí)^皮斷開。
當(dāng)RELAY被接通(且保持接通)時(shí)，Ll通過在接通RELAY之前接通 的ZE—TH—DE被連接到GND。 SW也接通，其連接L2到C2。由于L2具有 與L1相同的才及性，因此，在L1中的電流，在L2中感應(yīng)的電流在相對方向 充電C2中流動。由于C2的左側(cè)被連接到GND,因此在被連接到ZE—TH—DE 的控制輸入的該側(cè)的電壓(Vc)變?yōu)樨?fù)。當(dāng)移除在SW上的按壓時(shí)，SW是 斷開的，且L2從該電路的剩余部分?jǐn)嚅_。由于C2沒有路徑來放電，因此， Vc保持相同。取決于L2和C2的值、和被施加到SW的FP的持續(xù)時(shí)間，Vc 可以足夠"負(fù)，，以斷開ZE—TH—DE，且使得它保持?jǐn)嚅_。在ZE—TH—DE斷開 之后，Ll與GND斷開。如果此時(shí)Vhv滿足公式9b或10a， SW—1第一次被 PWM26，接通，且創(chuàng)建持續(xù)的升壓轉(zhuǎn)換。
在隔離的布局中使用的"第一推動"塊
轉(zhuǎn)換器之間的電流隔離的低電壓轉(zhuǎn)換器。低電壓轉(zhuǎn)換器110使用反激布局。 在所示實(shí)施例中，串聯(lián)連接LV—BAT54'、 Ll 14，、和ZE—TH—SW 112。諸如 光電耦合器的光電耦合開關(guān)(SW—1) 16，被連接在Ll被連接到ZE—TH—SW 的端和GND之間。Ll形成具有第二電感器(L2) 113的變壓器。L2被連接 在D1 17，和GND。 PWM26，不物理地連接到SW—1的控制輸入。相反，PWM 26，被連接到發(fā)光設(shè)備114，諸如LED。在LED 114和SW—1 16，之間的光耦 合使得PWM能夠接通SW—1。
對ZE_TH—SW 112的控制輸入(FP)施加第一推動輸入使得能量在Ll 上匯集。當(dāng)釋放FP時(shí)，在L2中感應(yīng)電流，且所感應(yīng)的電流的幅度確定了 L2 被連接到Dl的端處的電勢。當(dāng)在L2被連接到Dl的端處的電壓足夠大時(shí)，
15PWM能夠激活LED且接通SW—1。
圖8中示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括在低電壓電源和電壓轉(zhuǎn)換器的輸 出之間的電流隔離的另一低電壓轉(zhuǎn)換器。電壓轉(zhuǎn)換器使用正激布局，其使用 類似的電流隔離技術(shù)到圖7中所示的那些。但是，Dl經(jīng)由第三電感器(L3) 132被連接到負(fù)載，且經(jīng)由第二二極管(D2) 134被連接到地。
自包含的電源的詳細(xì)描述
在一個(gè)實(shí)施例中，自包含的電源可以包括可以是"可再生"電壓發(fā)生器 的太陽能電池。但是，典型的單個(gè)太陽能電池可以僅輸出不高于0.3V的電壓， 這遠(yuǎn)低于由許多電流布局使用來轉(zhuǎn)換為更高和可用電壓的0.7V到l.OV閾值 電壓。在上述部分中描述這個(gè)的額外的描述。
通過單個(gè)太陽能電池的電壓限制，"自包含，，電源可以使用以串聯(lián)配置連 接的至少3-5個(gè)太陽能電池，具有至少0.9V到1.5V輸出電壓。雖然這將克 服0.7V到l.OV閾值電壓，但它確實(shí)浪費(fèi)或使用資源，且比僅使用單個(gè)太陽 能電池的增加了成本。
如在上述應(yīng)用中描述的，在不需要AC適配器的"自包含"電源中使用 具有0.3V輸出電壓的單個(gè)太陽能電池或具有與僅稍微高于地(GND )電平一 樣低的輸出電壓的超低電壓功率發(fā)生器。
參考圖9,通過向電池RE—VO一BA 905添加另 一功率發(fā)生器，可以消除 AC到DC轉(zhuǎn)換器。而且，與AC到DC轉(zhuǎn)換器相反的另外的功率發(fā)生器可以 提供低電壓，且被包括在電源中。參考圖10，所添加的功率發(fā)生器LV一GE 1021 的電壓可以很低，諸如單個(gè)太陽能電池的0.3V，或甚至更低到稍微高于地 GND。
超低電壓功率發(fā)生器LV一GE 1021最終向給電池RE一VO一BA 1005充電的 電壓提供高于電池的典型輸出電壓的電壓。另外，可以使用相同的電壓來給 負(fù)載Rt 1015供電。具體地，還在電源中包括具有升壓布局的電壓轉(zhuǎn)換器。 電壓轉(zhuǎn)換器1023將來自功率發(fā)生器LV—GE1021的輸出電壓轉(zhuǎn)換為處于與來 自電池RE—VO—BA 1005的輸出電壓相同范圍中的電壓。
還包括第一推動電路1025,保證第一次接通電壓轉(zhuǎn)換器的主開關(guān)SW—4 1022。第一推動電路包括"MUX"電路1027,其在作為"第一推動"信號的 RE—VO—BA 1005的輸出和主開關(guān)SW—4的控制端之間選擇。可操作地，電池RE—VO—BA第一推動信號第一次接通開關(guān)SW—4,且PWM電路在接下來的 正常操作期間控制開關(guān)SW—4。第一推動電路1025還包括可以用外部輸入信 號FP 1020接通的閾值電壓開關(guān)ZT—SW 1024。
當(dāng)選擇電池RE—VO—BA作為第一推動信號時(shí)， 一個(gè)脈沖控制電路1035 第一次輸出單個(gè)脈沖來通過中間的開關(guān)SW—5 1026來接通開關(guān)SW_4 1022， 該中間的開關(guān)SW—5 1026連接和斷開電池RE_VO—BA 1005和MUX電路 1027。電池充電器lOll還使用來自電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓V0UT 1040,作為 對電池RE—VO—B A 5充電的輸入。
功率路徑管理電路1007確定要使用電壓轉(zhuǎn)換器的電壓VouT還是電池 RE—VO—BA 1005來給負(fù)載供電，以及是否要給電池RE—VO—BA 1005充電。 如此，功率路徑管理電路1007使用多個(gè)開關(guān)SW—1 1008、 SW—2 1009和SW—3 1010來確定向負(fù)載、電池或兩者的輸出電壓流路徑。
在操作中，當(dāng)向該電路插入超低功率發(fā)生器LV—GE時(shí)，如果電池 RE—VO—BA 1005的輸出電壓高于開關(guān)SW—4 1022的閾值電壓，則一個(gè)脈沖 控制電路1035輸出單個(gè)脈沖來接通然后斷開開關(guān)SW—5 1026。當(dāng)開關(guān)SW—5 1026接通時(shí)，它將電池RE_VO_BA的電壓傳遞到MUX電路1027。該MUX 電^各1027將該電壓傳遞到開關(guān)SW—4的控制端。由于電池RE—VO—BA電壓 高于開關(guān)SW—4的閾值電壓，因此該開關(guān)第一次接通。例如，如果電池 RE_VO—BA電壓來自具有某種3.6V額定電壓的單個(gè)單元鋰離子電池，即使 它被完全耗盡，所供應(yīng)的電壓也高于開關(guān)SW—4 1022的閾值電壓，即典型的 0.7V到l.OV，且如此，開關(guān)SW—5 1026將經(jīng)常被電池RE—VO—BA 1005接通。
在開關(guān)SW—4 1022第一次接通之后，由功率發(fā)生器LV_GE 1021供電的 具有升壓布局的電壓轉(zhuǎn)換器正常操作，且輸出電壓V0UT,其處于與電池 RE_VO—BA相同的范圍中，但高出很小的差額。例如，如果電池RE—VO一BA 是具有3.6V額定電壓和4.2V最大電壓的單個(gè)單元鋰離子電池，則電壓轉(zhuǎn)換 器的輸出，Vout典型地是5V。這是典型地，因?yàn)殡姵爻潆娖麟娐?011使用 由充電器的線性或降壓布局所需要的、高于電池本身的電壓來實(shí)際地給電池 充電。該負(fù)載可以由3.6V或5V供電。
如果電池RE一VO—BA被耗盡到其輸出電壓低于SW_4的閾值電壓的程 度，外部信號FP 2100可以被施加到變?yōu)橄螂妷恨D(zhuǎn)換器提供"第一推動"的 開關(guān)的0閾值電壓開關(guān)ZT—SW 1024的控制端。如此，圖IO中的電源是"自包含的"且不^f吏用外部電源、諸如AC電源
線和AC到DC轉(zhuǎn)換器。電源允許使用超低電壓發(fā)生器，諸如單個(gè)太陽能電 池，作為被用于給主電池充電的主電源或輔助電源。在以上引用和并入的申 請中描述了說明書中描述的電壓轉(zhuǎn)換器、開關(guān)和其他組件的各種其他實(shí)施例 和纟田節(jié)。
提供用于電池充電器系統(tǒng)的自包含的電源。雖然已經(jīng)在特定具體實(shí)施例 中描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將明顯地知道許多另外的修改和變化。 因此，要理解，除了具體描述的以外還可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，包括在不脫離本發(fā) 明的范圍和精神的情況下在尺寸、形狀和材料中的各種改變。因此，應(yīng)該在 如所例示但不限制的所有方面中考慮本發(fā)明的實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種升壓調(diào)壓器，包括電壓電源、與電壓電源串聯(lián)連接的能量存儲元件、連接在能量存儲元件和地GND之間的開關(guān)設(shè)備SW_1、與能量存儲元件串聯(lián)連接的二極管D1、連接在D1的輸出端和地GND之間的電容器C1、連接在D1和地GND之間的脈寬調(diào)制器、以及連接在二極管D1的輸出端和GND之間的分壓器，所述分壓器的分壓點(diǎn)的電壓被輸送給脈寬調(diào)制器，而脈寬調(diào)制器向開關(guān)設(shè)備SW_1的控制端提供輸入信號，其特征在于，所述電壓電源的電壓低于開關(guān)設(shè)備SW_1的接通閾值電壓，并且所述升壓調(diào)壓器還包括一第一推動塊，所述第一推動塊包括控制輸入端，當(dāng)?shù)谝煌苿有盘柋皇┘拥剿龅谝煌苿訅K的輸入端時(shí)，第一推動塊內(nèi)的電流路徑將能量存儲元件連接到地GND，緊接著在第一推動信號被移除時(shí)，斷開能量存儲元件與地GND的連接，從而使得能量存儲元件的輸出端的電壓高于開關(guān)設(shè)備SW_1的閾值電壓。
2. 如權(quán)利要求1所述的升壓調(diào)壓器，其中，所述第一推動塊是一種機(jī)械按壓開關(guān)，所述機(jī)械按壓開關(guān)可以通過作為第一推動信號的物理按壓力而將能量存儲元件連接到地GND，并且在所述物理按壓力移除時(shí)使得能量存儲元件的輸出端的電壓高于開關(guān)設(shè)備SW—1的閾值電壓。
3. 如權(quán)利要求1所述的升壓調(diào)壓器，其中，所述第一推動塊是一種光耦合器，所述光耦合器可以通過作為第一推動信號的輸入光信號而將能量存儲元件連接到地GND,并且在所述輸入光信號消失時(shí)使得能量存儲元件的輸出端的電壓高于開關(guān)設(shè)備SW—1的閾值電壓。
4. 如權(quán)利要求l-3之一所述的升壓調(diào)壓器，其中，所述能量存儲元件是一電感元件。
5. 如權(quán)利要求4所述的升壓調(diào)壓器，其中，所述開關(guān)設(shè)備SWJ是NPN晶體管或N溝道增強(qiáng)模式MOSFET,或PNP晶體管或P溝道增強(qiáng)模式MOSFET。
6. 如權(quán)利要求1所述的升壓調(diào)壓器，其中，所述第一推動塊包括耗盡模式MOSFET開關(guān)和內(nèi)部電流路徑，所述能量存儲元件而一個(gè)包括作為初級線圏和次級線圈的變壓器，所述內(nèi)部電流路徑包括連接在初級線圈和二極管Dl之間的一次按壓總是接通的繼電器、連接在次級線圈的接地端和耗盡模式MOSFET開關(guān)的控制輸入端之間的電容器C2、以及連接在次級線圈的另一端 和耗盡模式MOSFET開關(guān)的控制輸入端之間的機(jī)械按壓開關(guān)，所述第一推動 塊可以通過作為第 一推動信號的物理按壓力而將能量存儲元件連接到地 GND,并且在所述物理按壓力移除時(shí)使得能量存儲元件的輸出端的電壓高于 開關(guān)設(shè)備SW—1的閾值電壓。
7. 如權(quán)利要求1所述的升壓調(diào)壓器，其中，所述第一推動塊包括機(jī)械按 壓開關(guān)，所述開關(guān)設(shè)備SW一1是一種光耦合器PH—CO，連接在所述脈寬調(diào)制 器和地GND的發(fā)光設(shè)備，所述能量存儲元件而一個(gè)包括作為初級線圈和次級 線圏的變壓器，所述機(jī)械按壓開關(guān)連接在初級線圈和地GND之間，所述次級 線圈連接在所述二極管Dl和地GND之間，所述第一推動塊可以通過作為第 一推動信號的物理按壓力而將初級線圏連接到地GND,并且在所述物理按壓 力移除時(shí)使得次級線圈的輸出電流，而通過所述脈寬調(diào)制器而使得發(fā)光設(shè)備 發(fā)光，并在所述發(fā)光設(shè)備所輸入光信號所發(fā)出的光的強(qiáng)度足以使得消失時(shí)使 得光耦合器導(dǎo)通。
8. —種升壓調(diào)壓器，包括電壓電源、經(jīng)過一變壓器連接到電壓電源的 二極管Dl、與二極管Dl反相串聯(lián)到地GND的二極管D2、連接在二極管 Dl和D2之間節(jié)點(diǎn)上的能量存儲元件、連接在能量存儲元件的輸出端和地 GND之間的電容器C1、連接在二極管D1的輸出端和地GND之間的脈寬調(diào) 制器、并聯(lián)在電容器C1兩端的端分壓器，所述分壓器的分壓點(diǎn)的電壓被輸送 給脈寬調(diào)制器，以及連接在二極管Dl的輸入端和地GND之間的開關(guān)設(shè)備 SW一1、其特征在于，所述開關(guān)設(shè)備SWJ是一種光耦合器PHJX),并且所述升 壓調(diào)壓器還包括一第一推動塊以及連接在脈寬調(diào)制器的輸出端的發(fā)光設(shè)備， 所述光耦合器PH—CO在該發(fā)光設(shè)備所發(fā)出的光線的照射下接通，所述第一推 動塊包括控制輸入端以及機(jī)械按壓開關(guān)，其中所述變壓器的初級線圈的 一端 與電壓電源相連，而其另一端與所述光耦合器PH—CO的發(fā)射極相連，所述光 耦合器PH_CO的漏極與地GND連接，所述變壓器的次級線圈一端與二極管 Dl的輸入端相連而其另一端與地GND連接，當(dāng)作為第一推動信號的物理按 壓力被施加到所述第 一推動塊的輸入端以及被移除時(shí)，使得發(fā)光設(shè)備所發(fā)出 的光的強(qiáng)度足以導(dǎo)通光耦合器PH—CO。
9. 一種自包含電源電路，其包括a. 超低電壓功率發(fā)生器LV—GE，用于以比它本身更高的電壓來提供給b. 具有穩(wěn)定輸出電壓的電池RE—VO一BA;c. 升壓電壓轉(zhuǎn)換器，其將LV—GE轉(zhuǎn)換為處于與REJVO一BA相同的范圍 的電壓，包括第一推動塊，用于使得電壓轉(zhuǎn)換器的主開關(guān)SW—4第一次接通， 所述第一推動塊包括MUX電路和一個(gè)脈沖控制電路，所述MUX電路在作為 第一推動信號的RE—VO_BA和PWM塊的輸出PWM_SW之間選4奪，然后將 被選中的信號傳遞到主開關(guān)SW一4的控制端，該"MUX"電路還包括閾值電 壓開關(guān)ZT-SW,其可以用外部信號FP來接通，而所述一個(gè)脈沖控制電路在 選擇了 RE—VO—BA作為第一推動信號時(shí)，輸出信號脈沖來通過中間開關(guān) SW_5而第一次接通SW_4;e. 電池充電塊，其使用具有升壓電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓VOUT,作為給 具有穩(wěn)定電壓的電池RE—VO—BA充電的輸入；f. 功率路徑管理塊，其確定要使用具有升壓布局的電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電 壓V。uT還是具有穩(wěn)定電壓的電池RE—VO—BA來給負(fù)載供電，以及是否要給 RE—VO—BA充電；g. 多個(gè)開關(guān)，由功率路徑管理塊啟動以確定要使用具有升壓布局的電壓 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓V0UT還是具有穩(wěn)定電壓的電池來給負(fù)載供電，以及是否要 給RE—VO—BA充電。
10. 如權(quán)利要求9所述的自包含電源電路，其中所述升壓電壓轉(zhuǎn)換器具 有將LV_GE轉(zhuǎn)換為處于與RE—VO—BA相同的范圍中的電壓的升壓布局。
11. 如權(quán)利要求9所述的自包含電源電路，其中所述第一推動塊允許第 一次接通升壓電壓轉(zhuǎn)換器的主開關(guān)。
12. 如權(quán)利要求ll所述的自包含電源電J各，其中所述的MUX電路在作 為第一推動信號的RE_VO—BA和PWM塊的輸出PWM—SW之間選擇，然后 將被選中的信號傳遞到主開關(guān)SW—4的控制端，該RE—VO一BA第一推動信號 第一次接通SW一4，且PWM—SW在接下來的正常操作期間控制SW_4。
13. 如權(quán)利要求12的所述的自包含電源電路，其中所述閾值電壓開關(guān)用 外部信號FP來纟妄通。
14. 如權(quán)利要求12所述的自包含電源電路，其中所述一個(gè)脈沖控制在選擇了 RE_VO—BA作為第一推動信號時(shí)，輸出信號脈沖來通過中間的開關(guān) SW—5第一次接通SW—4，該中間的開關(guān)SW—5連接和斷開RE—VO—BA和 MUX電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種升壓轉(zhuǎn)換器以及包含該升壓轉(zhuǎn)換器的電源。所述升壓調(diào)壓器包括電壓電源、能量存儲元件、開關(guān)設(shè)備SW_1、二極管D1、電容器C1、脈寬調(diào)制器、以及分壓器，所述分壓器的分壓點(diǎn)的電壓被輸送給脈寬調(diào)制器，而脈寬調(diào)制器向開關(guān)設(shè)備SW_1的控制端提供輸入信號，其特征在于，所述電壓電源的電壓低于開關(guān)設(shè)備SW_1的接通閾值電壓，并且所述升壓調(diào)壓器還包括一第一推動塊，所述第一推動塊包括控制輸入端，當(dāng)?shù)谝煌苿有盘柋皇┘拥剿龅谝煌苿訅K的輸入端時(shí)，第一推動塊內(nèi)的電流路徑將能量存儲元件接地，緊接著在第一推動信號被移除時(shí)，斷開能量存儲元件與地GND的連接，從而使得能量存儲元件的輸出端的電壓高于開關(guān)設(shè)備SW_1的閾值電壓。
文檔編號H02M7/30GK101552540SQ200910127860
公開日2009年10月7日 申請日期2009年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月2日
發(fā)明者裘偉光, 琦 鄧 申請人:鄧 琦;裘偉光