專利名稱：直流升壓轉(zhuǎn)換器及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直流升壓轉(zhuǎn)換器及其工作方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的金屬柵工藝不支持肖特基二極管。肖特基二極管主要有導(dǎo)通電壓低，開關(guān)速度快的特點；這里的低導(dǎo)通電壓主要是為了滿足本產(chǎn)品對低輸入電壓(VIN)的性能指標(biāo)，開關(guān)速度主要是提高輸出管開關(guān)頻率的響應(yīng)速度，響應(yīng)速度越快，反饋的時延就越小，提高了整個電路的轉(zhuǎn)換效率；在振蕩頻率不高的條件下，用低閾值LDMOSFET可完全代替肖特基二極管。另外，LDMOSFET比普通的MOSFET的面積小，耐壓高；如果用低閾值耗盡型MOSFET，受限于工藝線寬的影響，造成面積大；耐壓低；所以，用LDMOSFET既降低了產(chǎn)品成本，又提高了產(chǎn)品的成品率。
如圖1，現(xiàn)有的直流升壓轉(zhuǎn)換器包括二極管D、使能邏輯控制電路1、振蕩器2、PWM控制電路3、電壓驅(qū)動器4和NMOS型輸出管；所述二極管D為低導(dǎo)通電壓二極管或肖特基二極管，所述使能邏輯控制電路1，振蕩器2，PWM控制電路3和電壓驅(qū)動器4均由支持金屬柵工藝的元件組成；NMOS型輸出管也為支持金屬柵工藝的元件；而金屬柵工藝不支持低導(dǎo)通電壓二極管或肖特基二極管，故而在實際生產(chǎn)過程中，將其兩種工藝的元件封裝集成于一體難度較大、成本高且成品率低，不利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
另外，現(xiàn)有的直流升壓轉(zhuǎn)換器常導(dǎo)致作為電源的可充電電池過分放電，即在電池電量不足、電壓下降時，仍繼續(xù)正常供電，致使電池的電量被放光，導(dǎo)致其使用壽命大大縮短。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種易于封裝、成本較低、成品率較高且利于延長供電電池使用壽命的直流升壓轉(zhuǎn)換器及其工作方法。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的直流升壓轉(zhuǎn)換器，包括使能邏輯控制電路、振蕩器、PWM控制電路、電壓驅(qū)動器和NMOS型輸出管；所述使能邏輯控制電路、振蕩器、PWM控制電路和電壓驅(qū)動器具有公共的電源電壓端；使能邏輯控制電路的振蕩控制輸出端接振蕩器的振蕩控制輸入端，以使使能邏輯控制電路根據(jù)其使能邏輯輸入端的電壓來控制振蕩器的工作頻率；PWM控制電路的PWM控制輸出端與振蕩器的PWM控制輸入端相連，以對振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號進(jìn)行PWM調(diào)制；振蕩器的振蕩信號輸出端接電壓驅(qū)動器的開關(guān)信號輸入端，電壓驅(qū)動器的開關(guān)信號輸出端接NMOS型輸出管的柵極，以根據(jù)所述經(jīng)PWM調(diào)制的振蕩信號控制NMOS型輸出管不斷導(dǎo)通和截止；NMOS型輸出管的漏極作為升壓控制端，用于外接負(fù)載和相串聯(lián)的外部電感和外部直流電源，以在升壓控制端形成提升得的可驅(qū)動負(fù)載的電壓；NMOS型輸出管的源極作為接地端；還包括用于將所述升壓控制端的電壓送至電源電壓端的LDNMOS型輸出管；LDNMOS型輸出管的柵極和源極同時接所述升壓控制端，LDNMOS型輸出管的漏極接所述電源電壓端。
上述技術(shù)方案中，還包括設(shè)置于所述使能邏輯輸入端和接地端之間的過放保護(hù)電路；所述外部直流電源為可充電電池；過放保護(hù)電路具有用于檢測所述可充電電池電壓的過放保護(hù)電壓輸入端，以控制所述使能邏輯輸入端的電壓。
上述技術(shù)方案中，振蕩器輸出的振蕩信號頻率不小于50KHz。
上述直流升壓轉(zhuǎn)換器的工作方法，包括如下步驟A、外部直流電源經(jīng)外部電感向升壓控制端供電，同時經(jīng)LDNMOS型輸出管向使能邏輯控制電路、振蕩器、PWM控制電路和電壓驅(qū)動器的公共電源電壓端供電；B、使能邏輯控制電路根據(jù)其使能邏輯輸入端的電壓來控制振蕩器的工作頻率；C、PWM控制電路對振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號進(jìn)行PWM調(diào)制；D、經(jīng)PWM調(diào)制的振蕩信號通過電壓驅(qū)動器控制NMOS型輸出管不斷導(dǎo)通和截止；E、外部電感根據(jù)NMOS型輸出管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)分別進(jìn)行充電和放電；直至在升壓控制端形成足以驅(qū)動負(fù)載的電壓，并持續(xù)驅(qū)動該負(fù)載。
上述步驟B中當(dāng)能邏輯輸入端為低電平時，使能邏輯控制電路的振蕩控制輸出端為低電平；振蕩器開始生成振蕩信號；當(dāng)能邏輯輸入端為高電平時，使能邏輯控制電路輸出為高電平；振蕩器2停止工作。
上述技術(shù)方案中，過放保護(hù)電路的過放保護(hù)電壓輸入端檢測外部直流電源電壓，在外部直流電源電壓開始降低時，過放保護(hù)電路控制所述使能邏輯輸入端的電壓開始升高，以使振蕩器的工作頻率降低，并降低NMOS型輸出管不斷導(dǎo)通和截止的頻率，而減小流過外部電感的電流；在外部直流電源的輸出電壓低于預(yù)設(shè)電壓值時，LDNMOS型輸出管截止，使NMOS型輸出管截止，外部電感停止充放電，即外部直流電源停止放電。
上述技術(shù)方案中，所述預(yù)設(shè)電壓值可通過調(diào)整過放保護(hù)電壓輸入端和外部直流電源電壓之間的電阻值，而設(shè)于0.6至2.7V之間。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下積極效果(1)本發(fā)明的直流升壓轉(zhuǎn)換器將LDNMOS型輸出管替代現(xiàn)有技術(shù)中的低導(dǎo)通電壓二極管或肖特基二極管，從而使本發(fā)明的直流升壓轉(zhuǎn)換器中不存在不支持金屬柵工藝的元件，便于采用半導(dǎo)體鋁柵工藝進(jìn)行封裝集成、降低了制造成本且提高了成品率，利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。(2)本發(fā)明的直流升壓轉(zhuǎn)換器中，在外部直流電源為可充電電池時，采用了過放保護(hù)電路，在該電池電量出現(xiàn)不足、電壓開始下降時，減小流過外部電感的電流，即減少電池對外供電電流，在外部直流電源的輸出電壓低于預(yù)設(shè)值時，外部直流電源停止輸出電流，保證了電池的電量不被放光，從而有效敵保護(hù)就電池，延長了供電電池使用壽命。(3)本發(fā)明的直流升壓轉(zhuǎn)換器中，振蕩器輸出的振蕩信號頻率為50KHz，振蕩信號頻率越高，用于驅(qū)動負(fù)載的電壓越接近于直流電壓，且越穩(wěn)定；當(dāng)負(fù)載為LED燈時，可防止其閃爍。(1)本發(fā)明的直流升壓轉(zhuǎn)換器可應(yīng)用于太陽能草坪LED燈，太陽能LED手電筒等產(chǎn)品。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中直流升壓轉(zhuǎn)換器的電路框圖；圖2為本發(fā)明的直流升壓轉(zhuǎn)換器的電路框圖；圖3為本發(fā)明的直流升壓轉(zhuǎn)換器的電路原理圖；圖4為本發(fā)明的直流升壓轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用電路原理圖。
具體實施例方式
實施例1見圖2，本實施例的直流升壓轉(zhuǎn)換器為采用半導(dǎo)體鋁柵工藝，其包括使能邏輯控制電路1、振蕩器2、PWM控制電路3、電壓驅(qū)動器4、過放保護(hù)電路5、NMOS型輸出管和LDNMOS型輸出管。
使能邏輯控制電路1、振蕩器2、PWM控制電路3和電壓驅(qū)動器4具有公共的電源電壓端VDD。
使能邏輯控制電路1的振蕩控制輸出端接振蕩器2的振蕩控制輸入端；PWM控制電路3的PWM控制輸出端與振蕩器2的PWM控制輸入端相連；振蕩器2輸出的振蕩信號頻率為300KHz(在其它實施例中，可以是50KHz、100KHz、200KHz、400KHz等任意不小于50KHz的值)。
振蕩器2的振蕩信號輸出端接電壓驅(qū)動器4的開關(guān)信號輸入端，電壓驅(qū)動器4的開關(guān)信號輸出端接NMOS型輸出管的柵極；NMOS型輸出管的漏極作為升壓控制端LX，用于外接負(fù)載和相串聯(lián)的外部電感L和外部直流電源Vin，以在升壓控制端LX形成提升得的可驅(qū)動負(fù)載的電壓；NMOS型輸出管的源極作為接地端GND；LDNMOS型輸出管的柵極和源極同時接所述升壓控制端LX，LDNMOS型輸出管的漏極接所述電源電壓端VDD。過放保護(hù)電路5設(shè)置于所述使能邏輯輸入端EN和接地端GND之間。過放保護(hù)電路5具有用于檢測外部直流電源Vin電壓的過放保護(hù)電壓輸入端G，以控制所述使能邏輯輸入端EN的電壓。所述外部直流電源Vin為可充電電池。
見圖3，使能邏輯控制電路1的振蕩控制輸出端即圖中的11和12。PWM控制電路3的PWM控制輸出端即圖中的13。振蕩器2的振蕩信號輸出端即圖中的14。
本實施例的直流升壓轉(zhuǎn)換器的工作方法，包括如下步驟A、外部直流電源Vin經(jīng)外部電感L向升壓控制端LX供電，同時經(jīng)LDNMOS型輸出管向使能邏輯控制電路1、振蕩器2、PWM控制電路3和電壓驅(qū)動器4的公共電源電壓端VDD供電。
B、使能邏輯控制電路1根據(jù)其使能邏輯輸入端EN的電壓來控制振蕩器2的工作頻率；該步驟中，當(dāng)能邏輯輸入端EN為低電平時，使能邏輯控制電路1的振蕩控制輸出端為低電平；振蕩器2開始生成振蕩信號；當(dāng)能邏輯輸入端EN為高電平時，使能邏輯控制電路1輸出為高電平；振蕩器2停止工作。
C、PWM控制電路3對振蕩器2產(chǎn)生的振蕩信號進(jìn)行PWM調(diào)制。
D、經(jīng)PWM調(diào)制的振蕩信號通過電壓驅(qū)動器4控制NMOS型輸出管不斷導(dǎo)通和截止。
E、外部電感L根據(jù)NMOS型輸出管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)分別進(jìn)行充電和放電；直至在升壓控制端LX形成足以驅(qū)動負(fù)載的電壓，并持續(xù)驅(qū)動該負(fù)載。
其間，過放保護(hù)電路5的過放保護(hù)電壓輸入端G檢測外部直流電源Vin電壓，在外部直流電源Vin的輸出電壓開始降低時，過放保護(hù)電路5控制所述使能邏輯輸入端EN的電壓開始升高，使振蕩器2的工作頻率降低，以通過降低NMOS型輸出管不斷導(dǎo)通和截止的頻率，而減小流過外部電感L的電流。
若過放保護(hù)電壓輸入端G和外部直流電源Vin電壓之間電阻為零時，在外部直流電源的輸出電壓低于預(yù)設(shè)值0.6V(在其它實施例中，該預(yù)設(shè)值視過放保護(hù)電壓輸入端G和外部直流電源Vin電壓之間的電阻值而定)時，LDNMOS型輸出管截止，使NMOS型輸出管截止，外部電感停止充放電，即外部直流電源停止放電。
應(yīng)用例1見圖4，實施例1的直流升壓轉(zhuǎn)換器U1的VDD端串接濾波用的電解電容C3后接地線；由電阻R3和光敏電阻R2組成的并聯(lián)電路兩端分別接U1的EN端和VDD端。U1的GND端接地線。U1的LX端串接電感L和開關(guān)SW后接外部直流電源Vin即充電電池的正極。太陽能電池板的正極串接穩(wěn)壓管D1后與充電電池Vin并聯(lián)。U1的R端接電阻R1后接地線。LED發(fā)光二極管D2接U1的LX端。電阻R4一端接U1的G端，另一端接電感L和開關(guān)SW的接點。過放保護(hù)電壓輸入端G和外部直流電源Vin電壓之間的阻值即為R4的阻值。
LED發(fā)光二極管可以是一只，也可以是相串聯(lián)或并聯(lián)的多只；并可發(fā)出黃、綠、紅或白等彩色光。
上述直流升壓轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用電路的工作原理如下開關(guān)SW閉合后，外部直流電源Vin即充電電池經(jīng)外部電感L向升壓控制端LX供電，同時經(jīng)LDNMOS型輸出管向使能邏輯控制電路1、振蕩器2、PWM控制電路3和電壓驅(qū)動器4的公共電源電壓端VDD供電。
當(dāng)為白天時，光敏電阻R2阻值較小，故U1的VDD端的電壓使EN端處于高電平，從而使U1內(nèi)的NMOS型輸出管截止，LED發(fā)光二極管D2不發(fā)光。
當(dāng)為黑夜時，光敏電阻R2阻值較大，故U1的VDD端的電壓由電阻R3和光敏電阻R2組成的并聯(lián)電路降壓后，不足以使EN端處于高電平，即EN端處于低電平；此時，U1開始正常升壓，即外部電感L根據(jù)NMOS型輸出管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)分別進(jìn)行充電和放電；直至在升壓控制端LX形成足以驅(qū)動LED發(fā)光二極管D2的電壓，并持續(xù)驅(qū)動該負(fù)載。
其間，G端通過電阻R4測得充電電池Vin的電壓開始降低時，U1控制所述使能邏輯輸入端EN的電壓逐漸升高，使振蕩器2的工作頻率降低，以通過降低NMOS型輸出管不斷導(dǎo)通和截止的頻率，而減小流過外部電感L的電流；在外部直流電源Vin的輸出電壓低于0.8V(本應(yīng)用例中電阻R4＝0.6KΩ)時，LDNMOS型輸出管截止，使NMOS型輸出管截止，外部電感L停止充放電，LED發(fā)光二極管D2熄滅。
L＝68uH，R1＝100K，R3＝330K，所述預(yù)設(shè)電壓值與R4阻值的對應(yīng)表一顯然，本發(fā)明的上述實施例和應(yīng)用例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明實施和應(yīng)用方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施和應(yīng)用方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。
表一

權(quán)利要求
1.一種直流升壓轉(zhuǎn)換器，包括使能邏輯控制電路(1)、振蕩器(2)、PWM控制電路(3)、電壓驅(qū)動器(4)和NMOS型輸出管；所述使能邏輯控制電路(1)、振蕩器(2)、PWM控制電路(3)和電壓驅(qū)動器(4)具有公共的電源電壓端(VDD)；使能邏輯控制電路(1)的振蕩控制輸出端接振蕩器(2)的振蕩控制輸入端，以使使能邏輯控制電路(1)根據(jù)其使能邏輯輸入端(EN)的電壓來控制振蕩器(2)的工作頻率；PWM控制電路(3)的PWM控制輸出端與振蕩器(2)的PWM控制輸入端相連，以對振蕩器(2)產(chǎn)生的振蕩信號進(jìn)行PWM調(diào)制；振蕩器(2)的振蕩信號輸出端接電壓驅(qū)動器(4)的開關(guān)信號輸入端，電壓驅(qū)動器(4)的開關(guān)信號輸出端接NMOS型輸出管的柵極，以根據(jù)所述經(jīng)PWM調(diào)制的振蕩信號控制NMOS型輸出管不斷導(dǎo)通和截止；NMOS型輸出管的漏極作為升壓控制端(LX)，用于外接負(fù)載和相串聯(lián)的外部電感(L)和外部直流電源(Vin)，以在升壓控制端(LX)形成提升得的可驅(qū)動負(fù)載的電壓NMOS型輸出管的源極作為接地端(GND)；其特征在于還包括用于將所述升壓控制端(LX)的電壓送至電源電壓端(VDD)的LDNMOS型輸出管；LDNMOS型輸出管的柵極和源極同時接所述升壓控制端(LX)，LDNMOS型輸出管的漏極接所述電源電壓端(VDD)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流升壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于還包括設(shè)置于所述使能邏輯輸入端(EN)和接地端(GND)之間的過放保護(hù)電路(5)；所述外部直流電源(Vin)為可充電電池；過放保護(hù)電路(5)具有用于檢測所述可充電電池電壓的過放保護(hù)電壓輸入端(G)，以控制所述使能邏輯輸入端(EN)的電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直流升壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于振蕩器(2)輸出的振蕩信號頻率不小于50KHz。
4.上述權(quán)利要求所述的直流升壓轉(zhuǎn)換器的工作方法，包括如下步驟A、外部直流電源(Vin)經(jīng)外部電感(L)向升壓控制端(LX)供電，同時經(jīng)LDNMOS型輸出管向使能邏輯控制電路(1)、振蕩器(2)、PWM控制電路(3)和電壓驅(qū)動器(4)的公共電源電壓端(VDD)供電；B、使能邏輯控制電路(1)根據(jù)其使能邏輯輸入端(EN)的電壓來控制振蕩器(2)的工作頻率；C、PWM控制電路(3)對振蕩器(2)產(chǎn)生的振蕩信號進(jìn)行PWM調(diào)制；D、經(jīng)PWM調(diào)制的振蕩信號通過電壓驅(qū)動器(4)控制NMOS型輸出管不斷導(dǎo)通和截止；E、外部電感(L)根據(jù)NMOS型輸出管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)分別進(jìn)行充電和放電；直至在升壓控制端(LX)形成足以驅(qū)動負(fù)載的電壓，并持續(xù)驅(qū)動該負(fù)載。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的直流升壓轉(zhuǎn)換器的工作方法，其特征在于上述步驟B中當(dāng)能邏輯輸入端(EN)為低電平時，使能邏輯控制電路(1)的振蕩控制輸出端為低電平；振蕩器(2)開始生成振蕩信號；當(dāng)能邏輯輸入端(EN)為高電平時，使能邏輯控制電路(1)輸出為高電平；振蕩器2停止工作。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的直流升壓轉(zhuǎn)換器的工作方法，其特征在于過放保護(hù)電路(5)的過放保護(hù)電壓輸入端(G)檢測外部直流電源(Vin)電壓，在外部直流電源(Vin)電壓開始降低時，過放保護(hù)電路(5)控制所述使能邏輯輸入端(EN)的電壓開始升高，以使振蕩器(2)的工作頻率降低，并降低NMOS型輸出管不斷導(dǎo)通和截止的頻率，而減小流過外部電感(L)的電流；在外部直流電源(Vin)的輸出電壓低于預(yù)設(shè)電壓值時，LDNMOS型輸出管截止，使NMOS型輸出管截止，外部電感(L)停止充放電，即外部直流電源(Vin)停止放電。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的直流升壓轉(zhuǎn)換器的工作方法，其特征在于所述預(yù)設(shè)電壓值可通過調(diào)整過放保護(hù)電壓輸入端(G)和外部直流電源(Vin)電壓之間的電阻值，而設(shè)于0.6至2.7V之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種直流升壓轉(zhuǎn)換器及其工作方法，該直流升壓轉(zhuǎn)換器包括使能邏輯控制電路、振蕩器、PWM控制電路、電壓驅(qū)動器、NMOS型輸出管和LDNMOS型輸出管；使能邏輯控制電路的振蕩控制輸出端接振蕩器的振蕩控制輸入端；PWM控制電路的PWM控制輸出端與振蕩器的PWM控制輸入端相連；振蕩器的振蕩信號輸出端接電壓驅(qū)動器的開關(guān)信號輸入端，電壓驅(qū)動器的開關(guān)信號輸出端接NMOS型輸出管的柵極；LDNMOS型輸出管的柵極和源極同時接所述升壓控制端，其漏極接所述電源電壓端。本發(fā)明的直流升壓轉(zhuǎn)換器易于封裝、成本較低、成品率較高且利于延長供電電池使用壽命。
文檔編號H02J7/00GK101051791SQ20071001976
公開日2007年10月10日 申請日期2007年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月8日
發(fā)明者張國慶 申請人:西安萬思微電子有限公司