升压转换器以及包含其的电源的制作方法
专利名称：升压转换器以及包含其的电源的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及电压转换器，且更具体地涉及当被提供了小于在电压转
换器中使用的开关设备的阈值电压的输入电压时可以操作的开关(switched) 低电压转换器。
本发明通常还涉及电池充电系统，且更具体地涉及具有自包含的电源的 电池充电器。
背景技术：
在当今的电气设备和器件中，广泛地使用电压转换器来将诸如电池的单 个电源的输出电压转换为多路电压轨道(rail),其依次给系统内的不同功能 块供电。
一个例子是由具有3.6V的额定输出电压的单个单元锂离子(Li-Ion)电 池供电的移动电话。在该移动电话中，通常存在3到5个电压轨道，诸如5V、 3.3V、 2.5V、 1.8V和1.5V等，它们需要给电话内的不同功能块供电。所有这 些电压轨道都是从锂离子电池转换来的。因为这些电压中的一些、诸如5V 高于单个单元锂离子电池的额定输出电压，因此使用具有升压(step-up)或 "升压(boost)"布局的电压转换器。
典型的升压转换器包含二极管和能量存储元件的开关模式转换器。图1 示出了传统的升压转换器的例子。升压转换器10包括高电压电源(HV—BAT) 12、以与HV—BAT串联连接的电感器(LI )形式的能量存储元件、在电感器 和地(GND)之间连接的开关设备(SW—1)16、与L1串联连接的二极管(D1) 17、在Dl和GND之间连接的电容器(CI ) 18、和也在Dl和GND之间连 接的、使用第一电阻器(Rl) 20和第二电阻器(R2) 22创建的分压器。跨 越该分压器的电压是被提供给负载(RL) 24的、电压转换器的输出电压 (V0UT)。在Rl和R2之间的连接处的电压提供输入电压到脉宽调制器 (PWM) 26，该脉宽调制器(PWM) 26向开关设备(SW_1)的控制端提供 输入信号(PMW—SW )。该PWM从在Dl和GND之间连接的终端获得功率。当电源、HV—BAT第一次附接到转换器时，在Dl和负载(RL)之间出 现电压Vo。该"第一"Vo用于两个目的它提供激活内部PWM块所需的中 间的"第一推动"电压，且它向负载(RJ提供"初始"输出电压，V0UT。 通过使用PWM来将开关设备SW—1接通和断开来控制在Ll和CI中存储的 能量的量，从而实现恒定的V0UT。 PWM块使用在Rl和R2 ( VFB )之间的交 汇处的电压，来确定PMW输出信号的占空因数。当获得了 (由R1和R2的 值所确定的)期望的电压时PWM的占空因数稳定，且升压转换器的输出是 处于期望的电平的恒定输出电压。
为了升压转换器操作，PWM的初始输出必须是足够以使SW一l接通的 足够的阈值电平(VTH)。 Vra由开关的属性来限定。在SW—ID "第一开关接 通，，之后，升压转换器正常地开始操作，且其输出电压VouT最终达到由负载 RL需要的恒定电压。如果VTH足够，则第一次不将SW_1接通，因此不启动 图1所示的升压转换器。在典型的基于半导体的升压转换器中，Vth在0.7V 和1.0V之间，取决于在电压转换器中使用的开关设备(MOSFET、双极性晶 体管等)的技术。这意味着电源必须具有至少0.7V到l.OV的输出。
可再生电源可以被使用来替换危害环境的基于化学和电化学的能量源， 诸如各种锂离子电池、锂聚合体、NiMH和NiCd电池，这些仍然广泛用于移 动电话和其他充电消费和商业设备和器件，作为主要的能量源。有前途的能 量源是太阳能电池。但是，典型的单个太阳能电池输出不超过0.3V的电压， 显然低于在传统电压转换器中的典型的开关元件的0.7V到I.OVVth。
目前正在研究开发半导体工艺技术中，在其上可能制造超低阈值开关设 备(即，具有低于0.3V的阈值的开关设备)。但是，即使确实可以开发这种 新的半导体工艺技术，但阈值电压变得越低，则工艺技术很可能变得越复杂 且因此成本越高。另外，无论开关设备的阈值电压变得多低，传统的布局仍 然无法实现具有0电压阈值的电压转换器。
典型的电池供电的系统^使用外部或内部电池供电电3各。可以通过将商业 可得的AC电源(AC电源线)转换为低电压DC电压的AC到DC转换器(AC 适配器)来提供对电池充电电路的电源。另外，该DC电压还可以被用于直 接给下游电子器件供电，这当AC适配器不存在时另外由电池供电。
一个例子是用3.6V的额定输出电压由单个单元锂离子电池供电的移动 电话。典型地由AC适配器通过电池充电电^各给该电池充电。该电池充电电
7路可以是基于半导体的集成电路(IC)或用离散的组件建立的电路。而且，
在移动电话中，通常存在3到5个电压轨道，诸如5V、 3.3V、 2.5V、 1.8V和 1.5V等，被用于给提供移动电话的具体功能的其他功能块或电路供电。这些 电压轨道可以当不存在AC适配器时从锂离子电池转换，或者当存在AC适 配器时从AC适配器的DC电压输出中转换。
如此，在电池供电系统中的功率管理器包括电池充电电路和功率转换电 路。其中通过AC适配器供应功率的电池充电电路可以是用离散的组件建立 的电路、或IC或IC的一部分。该功率转换电路将电池电压或AC适配器提 供的电压转换为供应该系统的其他电路的各种其他电压。该功率转换电路可 以是用离散的组件建立的电路、或IC的集合、IC或IC的一部分。
由于AC适配器的DC输出电压高于电池电压的DC输出电压，则电池充 电电路典型的是降压布局的，诸如线性或"降压(buck)"转换器，其将较高 DC电压转换为较低的。
对于功率转换电路，其中使用的电压高于电池的额定输出电压，使用升 压或"升压"布局，且对于低于电池的额定输出电压的电压，使用降压或"降 压"布局。如此，对于功率转换电路，使用升压和降压的两种子电路。典型 地提供这些子电路作为分离或独立的IC。
如此，在系统级上，总是需要AC适配器、或其他典型或外部的电源。 另外，AC适配器的DC输出电压需要高于特定电平。该最小电压是典型地在 0.7V和1.0V之间，取决于在电压转换器中使用的开关设备(MOSFET、双极 性晶体管等)的阈值电压。实际上，AC适配器的DC输出几乎总是高于电池 电压，以便可以更容易实现线性或降压布局电池充电电路。例如，用于单个 单元锂离子电池(3.6V额定电压)供电的系统的AC适配器典型地高于5V。
在图9中提供了传统电源的简化图示。可以由来自AC适配器输入卯3 或可充电电池、RE—VO—BA905的功率来给负载、R^915供电。功率路径管 理电路907促使三个开关(SW—1 908、 SW—2 909、 SW—3 910 )来控制从AC 适配器输入903到负载和/或电池的功率流。例如，通过将开关SW_1接通且 将开关SW—2和SW—3断开，则AC适配器903向负载R^915提供功率。通 过将开关SW—1和SW—2接通且将开关SW—3断开，AC适配器903向负载 Rl915提供功率，而同时通过电池充电器电路911给电池RE—VO一BA卯5充 电。
8通过将开关SW—1 908和SW—3 910断开且将开关SW—2 909接通，AC 适配器输入903通过电池充电器电路911给电池RE_VO_BA 905充电，但不 给负载Rl供屯。通过将开关SW—2断开且将开关SW—1和SW—3接通，AC 适配器903和RE—VO—BA905都给负载&供电。这当负载Rl需要弄常的大 电流时可以是有用的。通过将开关SW—1 908和开关SW_2 909断开且将SW—3 910接通，电池RE—VO—BA 905向rl供电，且因此仅提供其中AC适配器 输入903不给负载和/或电池供电的情况。
如此，所示的电源不是自包含的电源。具体地，当电池RE一VCUBA 905 没电时，使用AC适配器903来给电池RE—VO—BA充电，而同时给负载RL 供电。而且，AC适配器输入电压典型地是来自外部AC到DC转换器的DC 电压。该AC到DC转换器被插入AC电源线以便提供DC电压作为AC适配 器输入。
因此，电源不是"自包含"的，即从外部电源、诸如AC电源线得到功 率，这极大地减少了诸如移动电话的某些应用的移动性。因此，可期望具有 完全"自包含的"电源。还可期望包括可以向电池充电电路和功率转换电路 供电的"可再生"电压发生器。
发明内容
描述了低电压转换器的实施例。在许多实施例中，低电压转换器是包括 "第一推动"阶的升压转换器。该"第一推动"提供使能升压转换器内的开 关设备的初始推动电压，以开始开关而不考虑电源的电压电平。在大量实施 例中，"第一推动"阶包括0电压输入开关设备来生成初始的"第一推动"。 在若干实施例中，低电压电源是单个太阳能电池。在许多实施例中，低电压 转换器使用诸如反激(flyback)布局或正激(forward)布局的隔离布局。在 若干实施例中，使用传统的半导体工艺来实现低电压功率转换器。
提供用于电池充电系统的自包含的电源。该电源不使用与电源、诸如AC 电源线和AC到DC转换器的外部连接。在一个实施例中，该自包含的电源 包括超低电压功率发生器，其向可再生电池、负载或两者提供电压。具有升
使用具有MUX电路的第 一推动电路来保证电压转换器的初始和持续的搡作。
图l是传统升压转换器的电路图。-现有技术
图2是根据本发明的实施例的由具有"第一推动"块的超低电源供电的 升压转换器的电路图。
图3是根据本发明的实施例的包括0阈值电压开关作为"第一推动"块
的低电压转换器的电路图。
图4是示出根据本发明的实施例的低电压转换器的响应的仿真的图。 图5是根据本发明的实施例的使用光电耦合器作为"第一推动"块的低
电压转换器的电路图。
图6是根据本发明的实施例的使用0阈值电压耗尽模式MOSFET和控制
电路作为"第一推动"块的低电压转换器的电路图。
图8是根据本发明的实施例的使用正激布局的低电压转换器的电路图。 图9是电池充电系统的传统电源的示意图。-现有技术 图10罢棍棍太劳印
具体实施例方式
现在参考附图，示出了根据本发明的实施例的低电压转换器的实施例。 该低电压转换器是升压转换器，其包括第一推动块，提供如下初始电压，该 初始电压能够保证无论电源电压多低、在开关设备的控制端处施加的那个第 一 PWM脉冲的电压都可以克服开关设备的阈值电压以在第 一次将其接通。
基本架构
图2中示出了根据本发明的实施例的低电压转换器。该低电压转换器50 类似于图1中所示的现有技术的升压转换器，除了在电感L1和GND之间连 接了 "第一推动"块52，且用低电压电源(LV—BAT) 54替换了高电压电源 (HV—BAT)。该低电压电源不能生成足够大以致于开关设备(SW—1 ) 16，切 换的电压，但是"第一推动"块能够提供具有足够的量级以使能SW_1来接 通的"第一推动"电压。"第一推动，，块的提供初始电压的能力使得能够使用 低电压电源。在大量实施例中，LV—BAT可以是产生大约0.3V的输出电压
10(VLV_BAT)的单个单元太阳能面板。在其他实施例中，可以使用具有甚至低 于0.3V的输出电压(VLV—BAT)的低电压电源。在大量实施例中，VLV—bat仅
略微高于GND。
低电压转换器的操作
根据本发明的实施例的"第一推动"块包括经过由控制输入(FP)控制 的"第一推动，，块的电流路径。当第一推动信号被施加到图2所示的"第一 推动"块52的输入(FP) 56时，在"第一推动"块内创建的电流路径将电 感器(LI ) 14，连接到GND。当从FP移除第一推动信号时，Ll与GND断开。 此时，由于LI的电感，在LI和Dl之间的交汇处的电压升高到高于LV—BAT 的电平。跨越L1的电压可以被计算为
VL1 = LAi駆/At (5)
其中，Vu是跨越LI的电压，L是L1的电感，At是当第一推动信号被 施加到FP时经过"第一推动"块的电流路径存在的持续时间段，以及Ai是 当第一推动信号被施加到FP时从LV—BAT经过L1流到GND的电流。
其中，Ai被限制为
△iMAX = Vlv_bat/Ron (6)
其中，VL、BAT是超低电压电源LV—BAT的输出电压，且RoN是经过"第
一推动"块的电流3各径的电阻。
如此，在移除了第一推动信号之后，在L1的右侧、或D1的阳极看到的 总电压被给定为
Vhv = Vlv_bat + Vu (7)
其中VHV是D1的阳极上的电压，VLV—BAT is是低电压电源LV_BAT的输 出电压，且Vu是经过Ll的电压。
且，在D1的阴极上的电压被给定为
Vd = VHv - VDi= Vlv_bat + VLi - VDi (8) 其中，VHV是D1的阳极的电压，VLV—BAT是低电压电源LV_BAT的输出 电压，Vu是经过L1的电压，以及Vm是二极管Dl的正激电压降。
虽然VLV—BAT可以超低，诸如来自单个单元太阳能面板的0.3V，但取决 于L1的值、FP信号保持了多久(At)、和当FP信号接通时流过L1的电流的 量级，VL1可以高。当乂人FP移除该信号时，VD可以足够高以至于激活PWM块，且以便输出PWM信号的接通状态的电压(Vsw)将处于可以将SW—1接 通的值。该使得PWM的输出能够将SW_1接通的VD的实际值典型地取决 于SW—1的属性。以下描述根据本发明的实施例的包括不同类型的开关设备 的低电压转换器。
N沟道增强模式MOSFET和NPN晶体管
如果SW一l是N沟道增强模式MOSFET和NPN晶体管，当第一 PWM 脉沖(PWM—SWl)到达SW—1的控制端时，其在导通状态期间的电压(PWM 逻辑高)，VSW必须比GND高VTH,来接通SW—1。由于PWM—SWl接通 状态的电压不可能高于vd (即用于给PWM块供电的电压)，Vd必須比GND 高VTH。以下公式给出了必须被满足以便第一次接通SW—1的条件
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)
根据公式9e, LI的电感值、被施加到FP的第一推动信号的持续时间和 当FP信号被施加到其控制端时流过"第一推动，，块的电流的适当选择可以产 生足够以接通SW—1的电压。
例如，如果VTH是0.7V, VD1是0.7V，且VLV—BAT是0.3V,则公式9e 变为
+ LAiMAX/At > VTH + VD1 — VLV BAT = 0.7V + 0.7V - 0.3V = 1 1V (9f)
+ L (VLV一BAT/RON)/At > 1 1V (9g) 从公式9f,如果LI是lOO^H电感器,且At是100ps，则高于1.1A的 Ai嫩x可以接通SW_1。为了实现高于UA的AiMAX,公式9g指示R0N即， 经过"第一推动"块的电流路径的电阻)应该少于大约270mQ。以下讨论处 理这种量级情况的电阻的各种"第一推动"块的实现。
P沟道增强模式MOSFET和PNP晶体管
如果SW—1是P沟道增强模式MOSFET或PNP晶体管，则当第一PWM
12脉冲(PW1VLSW)到达SW—1的控制端时，其在接通状态(PWM逻辑低)期间的 电压(Vsw)必须比VHV低VTH来接通SW—1 。由于Vsw不能低于GND，因此 Vhv必須比GND高至少VTH。以下公式给出了必须满足以第一次接通SW—1 的条件<formula>formula see original document page 13</formula>公式10d指示Ll的电感、被施加到FP的第一推动信号的持续时间、和 当该信号被施加到FP时流过"第一推动"块的电流的适当选择可以导致SW_1 接通。
例如，如果VTH是0.7V且VLVBAT是0.3V，则公式10d变为
+ 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电感器，At是100|is，则根据公式10e,高于400mA的 AiMAx可以导致SW_1接通。在提供了小于大约750mQ的R0N,可以实现高 于400mA的AiMAX 。
如此，LV_BAT(VLV—BAT)不对SW_1的第一次接通产生决定性影响。根 据本发明的实施例的Ll，At，和Rqn的选择可以使得SW一1能够对于V^—BAT 的很低值而接通。因此，VLV_BAT可以超低且到仅稍微高于GND的电平，且
在第一开关接通之后，SW一1开始操作好像在典型升压转换器中使用的 普通开关，且在图2中的升压转换器开始操作好像典型的升压转换器，除了 允许电源(LV BAT)具有超低输出电压。
"第一推动"块的实施方式
在各个实施例中，"第一推动"块包括可以用被施加到FP的0电压来接 通的0阈值电压开关设备。将0阈值电压开关接通一次提供了 "第一推动"， 且随后跳跃地开始(jumpstart)升压转换器的剩余(rest)。以下讨论根据本 发明的实施例的包括O阈值电压开关设备的"第一推动"块的各种实施方式。 虽然讨论了具体实施例，但可以按实现可以响应于第一推动信号对控制输入
13的施加来创建足够低的电阻电流路径的设备的其他方式来实现"第一推动" 块。
包括o阈值电压机械开关的"第一推动"块
图3中示出了根据本发明的实施例的包括使用0阔值电压开关实现的"第 一推动"块的低电压转换器。低电压转换器60包括使用在L1 14，和GND之 间连接的O阔值电压开关(ZE—TH—SW) 62实现的"第一推动"块。在所示 的实施例中，ZE—TH_SW是当向输入FP施加物理按压时接通且在移除物理 按压之后断开的机械开关。
图4中示出了图3中所示的低电压转换器60的仿真图。该图示出了随着 ZE—TH—SW在时间0时接通而建立的经过L1的电流。当释放ZE—TH一SW时， 经过L1的电压足够用于PWM生成导致SW—1开始开关的信号。在此时，低 电压转换器进入稳定状态操作。输出电压可以包括与调整输出电压的调压器 有关的"波紋(ripple )"。如果，使用更大的输出电容器，则该波紋可以"更 平滑"。
包括O阈值电压光电耦合开关的"第一推动"块
图5示出了包括使用光电耦合开关实现的"第一推动"块的低电压转换 器。低电压转换器80包括使用0阈值电压光电耦合器(ZE—TH_PC) 82实现 的"第一推动"块。在所示的实施例中，ZE—TH—PC是光电开关，其当被光 信号激活时接通，且在移除光信号之后断开。光信号对光电开关的足够长的 施加使得LI能够存储足够以使得PWM能够接通SW_1的能量。
光电耦合器的内部电阻可以与非零电阻开关相比较。只要光的强度足够， 则将接通光电开关，且只要它可以被接通，则其阈值电压不再重要。在使用 光电开关的实施例中，重要的设计参数是，第一次必须接通它的光源的强度 有多高。
包括有源组件的"第一推动，，块
图6示出了根据本发明的实施例的包括有源组件的低电压转换器。低电 压转换器90包括耗尽模式MOSFET开关(ZE—TH—DE )92,和包括具有LI 14， 作为初级线圏和L2 94作为二级线圈的变压器、在L2的接地端和ZE TH DE的控制输入之间连接的电容器(C2 ) 96、在Ll和Dl之间连接的一次按压总 是接通(once-pressed-always-on)的继电器(RELAY) 98和如果有物理按压 则接通、当移除物理按压时则断开的、在L2的另一端和ZE—TH一DE的控制 输入之间连接的开关(SW) 100的控制电路。由控制输入FP 56'控制RELAY 和SW两者。当被施加到ZE—TH—DE的控制端(Gate)的电压(VG)高于其 负阈值电压(-VTH)时，则ZE—TH—DE接通。如此，它可以仅当绝对值高于 |VTH| (比Vth更負)的负电压被施加到其控制端时^皮断开。
当RELAY被接通(且保持接通)时，Ll通过在接通RELAY之前接通 的ZE—TH—DE被连接到GND。 SW也接通，其连接L2到C2。由于L2具有 与L1相同的才及性，因此，在L1中的电流，在L2中感应的电流在相对方向 充电C2中流动。由于C2的左侧被连接到GND,因此在被连接到ZE—TH—DE 的控制输入的该侧的电压(Vc)变为负。当移除在SW上的按压时，SW是 断开的，且L2从该电路的剩余部分断开。由于C2没有路径来放电，因此， Vc保持相同。取决于L2和C2的值、和被施加到SW的FP的持续时间，Vc 可以足够"负，，以断开ZE—TH—DE，且使得它保持断开。在ZE—TH—DE断开 之后，Ll与GND断开。如果此时Vhv滿足公式9b或10a， SW—1第一次被 PWM26，接通，且创建持续的升压转换。
在隔离的布局中使用的"第一推动"块
转换器之间的电流隔离的低电压转换器。低电压转换器110使用反激布局。 在所示实施例中，串联连接LV—BAT54'、 Ll 14，、和ZE—TH—SW 112。诸如 光电耦合器的光电耦合开关(SW—1) 16，被连接在Ll被连接到ZE—TH—SW 的端和GND之间。Ll形成具有第二电感器(L2) 113的变压器。L2被连接 在D1 17，和GND。 PWM26，不物理地连接到SW—1的控制输入。相反，PWM 26，被连接到发光设备114，诸如LED。在LED 114和SW—1 16，之间的光耦 合使得PWM能够接通SW—1。
对ZE_TH—SW 112的控制输入(FP)施加第一推动输入使得能量在Ll 上汇集。当释放FP时，在L2中感应电流，且所感应的电流的幅度确定了 L2 被连接到Dl的端处的电势。当在L2被连接到Dl的端处的电压足够大时，
15PWM能够激活LED且接通SW—1。
图8中示出根据本发明的实施例的包括在低电压电源和电压转换器的输 出之间的电流隔离的另一低电压转换器。电压转换器使用正激布局，其使用 类似的电流隔离技术到图7中所示的那些。但是，Dl经由第三电感器(L3) 132被连接到负载，且经由第二二极管(D2) 134被连接到地。
自包含的电源的详细描述
在一个实施例中，自包含的电源可以包括可以是"可再生"电压发生器 的太阳能电池。但是，典型的单个太阳能电池可以仅输出不高于0.3V的电压， 这远低于由许多电流布局使用来转换为更高和可用电压的0.7V到l.OV阈值 电压。在上述部分中描述这个的额外的描述。
通过单个太阳能电池的电压限制，"自包含，，电源可以使用以串联配置连 接的至少3-5个太阳能电池，具有至少0.9V到1.5V输出电压。虽然这将克 服0.7V到l.OV阈值电压，但它确实浪费或使用资源，且比仅使用单个太阳 能电池的增加了成本。
如在上述应用中描述的，在不需要AC适配器的"自包含"电源中使用 具有0.3V输出电压的单个太阳能电池或具有与仅稍微高于地(GND )电平一 样低的输出电压的超低电压功率发生器。
参考图9,通过向电池RE—VO一BA 905添加另 一功率发生器，可以消除 AC到DC转换器。而且，与AC到DC转换器相反的另外的功率发生器可以 提供低电压，且被包括在电源中。参考图10，所添加的功率发生器LV一GE 1021 的电压可以很低，诸如单个太阳能电池的0.3V，或甚至更低到稍微高于地 GND。
超低电压功率发生器LV一GE 1021最终向给电池RE一VO一BA 1005充电的 电压提供高于电池的典型输出电压的电压。另外，可以使用相同的电压来给 负载Rt 1015供电。具体地，还在电源中包括具有升压布局的电压转换器。 电压转换器1023将来自功率发生器LV—GE1021的输出电压转换为处于与来 自电池RE—VO—BA 1005的输出电压相同范围中的电压。
还包括第一推动电路1025,保证第一次接通电压转换器的主开关SW—4 1022。第一推动电路包括"MUX"电路1027,其在作为"第一推动"信号的 RE—VO—BA 1005的输出和主开关SW—4的控制端之间选择。可操作地，电池RE—VO—BA第一推动信号第一次接通开关SW—4,且PWM电路在接下来的 正常操作期间控制开关SW—4。第一推动电路1025还包括可以用外部输入信 号FP 1020接通的阈值电压开关ZT—SW 1024。
当选择电池RE—VO—BA作为第一推动信号时， 一个脉沖控制电路1035 第一次输出单个脉冲来通过中间的开关SW—5 1026来接通开关SW_4 1022， 该中间的开关SW—5 1026连接和断开电池RE_VO—BA 1005和MUX电路 1027。电池充电器lOll还使用来自电压转换器的输出电压V0UT 1040,作为 对电池RE—VO—B A 5充电的输入。
功率路径管理电路1007确定要使用电压转换器的电压VouT还是电池 RE—VO—BA 1005来给负载供电，以及是否要给电池RE—VO—BA 1005充电。 如此，功率路径管理电路1007使用多个开关SW—1 1008、 SW—2 1009和SW—3 1010来确定向负载、电池或两者的输出电压流路径。
在操作中，当向该电路插入超低功率发生器LV—GE时，如果电池 RE—VO—BA 1005的输出电压高于开关SW—4 1022的阈值电压，则一个脉沖 控制电路1035输出单个脉冲来接通然后断开开关SW—5 1026。当开关SW—5 1026接通时，它将电池RE_VO_BA的电压传递到MUX电路1027。该MUX 电^各1027将该电压传递到开关SW—4的控制端。由于电池RE—VO—BA电压 高于开关SW—4的阈值电压，因此该开关第一次接通。例如，如果电池 RE_VO—BA电压来自具有某种3.6V额定电压的单个单元锂离子电池，即使 它被完全耗尽，所供应的电压也高于开关SW—4 1022的阈值电压，即典型的 0.7V到l.OV，且如此，开关SW—5 1026将经常被电池RE—VO—BA 1005接通。
在开关SW—4 1022第一次接通之后，由功率发生器LV_GE 1021供电的 具有升压布局的电压转换器正常操作，且输出电压V0UT,其处于与电池 RE_VO—BA相同的范围中，但高出很小的差额。例如，如果电池RE—VO一BA 是具有3.6V额定电压和4.2V最大电压的单个单元锂离子电池，则电压转换 器的输出，Vout典型地是5V。这是典型地，因为电池充电器电路1011使用 由充电器的线性或降压布局所需要的、高于电池本身的电压来实际地给电池 充电。该负载可以由3.6V或5V供电。
如果电池RE一VO—BA被耗尽到其输出电压低于SW_4的阈值电压的程 度，外部信号FP 2100可以被施加到变为向电压转换器提供"第一推动"的 开关的0阈值电压开关ZT—SW 1024的控制端。如此，图IO中的电源是"自包含的"且不^f吏用外部电源、诸如AC电源
线和AC到DC转换器。电源允许使用超低电压发生器，诸如单个太阳能电 池，作为被用于给主电池充电的主电源或辅助电源。在以上引用和并入的申 请中描述了说明书中描述的电压转换器、开关和其他组件的各种其他实施例 和纟田节。
提供用于电池充电器系统的自包含的电源。虽然已经在特定具体实施例 中描述了本发明，但本领域技术人员将明显地知道许多另外的修改和变化。 因此，要理解，除了具体描述的以外还可以实现本发明，包括在不脱离本发 明的范围和精神的情况下在尺寸、形状和材料中的各种改变。因此，应该在 如所例示但不限制的所有方面中考虑本发明的实施例。
权利要求
1.一种升压调压器，包括电压电源、与电压电源串联连接的能量存储元件、连接在能量存储元件和地GND之间的开关设备SW_1、与能量存储元件串联连接的二极管D1、连接在D1的输出端和地GND之间的电容器C1、连接在D1和地GND之间的脉宽调制器、以及连接在二极管D1的输出端和GND之间的分压器，所述分压器的分压点的电压被输送给脉宽调制器，而脉宽调制器向开关设备SW_1的控制端提供输入信号，其特征在于，所述电压电源的电压低于开关设备SW_1的接通阈值电压，并且所述升压调压器还包括一第一推动块，所述第一推动块包括控制输入端，当第一推动信号被施加到所述第一推动块的输入端时，第一推动块内的电流路径将能量存储元件连接到地GND，紧接着在第一推动信号被移除时，断开能量存储元件与地GND的连接，从而使得能量存储元件的输出端的电压高于开关设备SW_1的阈值电压。
2. 如权利要求1所述的升压调压器，其中，所述第一推动块是一种机械按压开关，所述机械按压开关可以通过作为第一推动信号的物理按压力而将能量存储元件连接到地GND，并且在所述物理按压力移除时使得能量存储元件的输出端的电压高于开关设备SW—1的阈值电压。
3. 如权利要求1所述的升压调压器，其中，所述第一推动块是一种光耦合器，所述光耦合器可以通过作为第一推动信号的输入光信号而将能量存储元件连接到地GND,并且在所述输入光信号消失时使得能量存储元件的输出端的电压高于开关设备SW—1的阈值电压。
4. 如权利要求l-3之一所述的升压调压器，其中，所述能量存储元件是一电感元件。
5. 如权利要求4所述的升压调压器，其中，所述开关设备SWJ是NPN晶体管或N沟道增强模式MOSFET,或PNP晶体管或P沟道增强模式MOSFET。
6. 如权利要求1所述的升压调压器，其中，所述第一推动块包括耗尽模式MOSFET开关和内部电流路径，所述能量存储元件而一个包括作为初级线圏和次级线圈的变压器，所述内部电流路径包括连接在初级线圈和二极管Dl之间的一次按压总是接通的继电器、连接在次级线圈的接地端和耗尽模式MOSFET开关的控制输入端之间的电容器C2、以及连接在次级线圈的另一端 和耗尽模式MOSFET开关的控制输入端之间的机械按压开关，所述第一推动 块可以通过作为第 一推动信号的物理按压力而将能量存储元件连接到地 GND,并且在所述物理按压力移除时使得能量存储元件的输出端的电压高于 开关设备SW—1的阈值电压。
7. 如权利要求1所述的升压调压器，其中，所述第一推动块包括机械按 压开关，所述开关设备SW一1是一种光耦合器PH—CO，连接在所述脉宽调制 器和地GND的发光设备，所述能量存储元件而一个包括作为初级线圈和次级 线圏的变压器，所述机械按压开关连接在初级线圈和地GND之间，所述次级 线圈连接在所述二极管Dl和地GND之间，所述第一推动块可以通过作为第 一推动信号的物理按压力而将初级线圏连接到地GND,并且在所述物理按压 力移除时使得次级线圈的输出电流，而通过所述脉宽调制器而使得发光设备 发光，并在所述发光设备所输入光信号所发出的光的强度足以使得消失时使 得光耦合器导通。
8. —种升压调压器，包括电压电源、经过一变压器连接到电压电源的 二极管Dl、与二极管Dl反相串联到地GND的二极管D2、连接在二极管 Dl和D2之间节点上的能量存储元件、连接在能量存储元件的输出端和地 GND之间的电容器C1、连接在二极管D1的输出端和地GND之间的脉宽调 制器、并联在电容器C1两端的端分压器，所述分压器的分压点的电压被输送 给脉宽调制器，以及连接在二极管Dl的输入端和地GND之间的开关设备 SW一1、其特征在于，所述开关设备SWJ是一种光耦合器PHJX),并且所述升 压调压器还包括一第一推动块以及连接在脉宽调制器的输出端的发光设备， 所述光耦合器PH—CO在该发光设备所发出的光线的照射下接通，所述第一推 动块包括控制输入端以及机械按压开关，其中所述变压器的初级线圈的 一端 与电压电源相连，而其另一端与所述光耦合器PH—CO的发射极相连，所述光 耦合器PH_CO的漏极与地GND连接，所述变压器的次级线圈一端与二极管 Dl的输入端相连而其另一端与地GND连接，当作为第一推动信号的物理按 压力被施加到所述第 一推动块的输入端以及被移除时，使得发光设备所发出 的光的强度足以导通光耦合器PH—CO。
9. 一种自包含电源电路，其包括a. 超低电压功率发生器LV—GE，用于以比它本身更高的电压来提供给b. 具有稳定输出电压的电池RE—VO一BA;c. 升压电压转换器，其将LV—GE转换为处于与REJVO一BA相同的范围 的电压，包括第一推动块，用于使得电压转换器的主开关SW—4第一次接通， 所述第一推动块包括MUX电路和一个脉冲控制电路，所述MUX电路在作为 第一推动信号的RE—VO_BA和PWM块的输出PWM_SW之间选4奪，然后将 被选中的信号传递到主开关SW一4的控制端，该"MUX"电路还包括阈值电 压开关ZT-SW,其可以用外部信号FP来接通，而所述一个脉冲控制电路在 选择了 RE—VO—BA作为第一推动信号时，输出信号脉沖来通过中间开关 SW_5而第一次接通SW_4;e. 电池充电块，其使用具有升压电压转换器的输出电压VOUT,作为给 具有稳定电压的电池RE—VO—BA充电的输入；f. 功率路径管理块，其确定要使用具有升压布局的电压转换器的输出电 压V。uT还是具有稳定电压的电池RE—VO—BA来给负载供电，以及是否要给 RE—VO—BA充电；g. 多个开关，由功率路径管理块启动以确定要使用具有升压布局的电压 转换器的输出电压V0UT还是具有稳定电压的电池来给负载供电，以及是否要 给RE—VO—BA充电。
10. 如权利要求9所述的自包含电源电路，其中所述升压电压转换器具 有将LV_GE转换为处于与RE—VO—BA相同的范围中的电压的升压布局。
11. 如权利要求9所述的自包含电源电路，其中所述第一推动块允许第 一次接通升压电压转换器的主开关。
12. 如权利要求ll所述的自包含电源电J各，其中所述的MUX电路在作 为第一推动信号的RE_VO—BA和PWM块的输出PWM—SW之间选择，然后 将被选中的信号传递到主开关SW—4的控制端，该RE—VO一BA第一推动信号 第一次接通SW一4，且PWM—SW在接下来的正常操作期间控制SW_4。
13. 如权利要求12的所述的自包含电源电路，其中所述阈值电压开关用 外部信号FP来纟妄通。
14. 如权利要求12所述的自包含电源电路，其中所述一个脉冲控制在选择了 RE_VO—BA作为第一推动信号时，输出信号脉沖来通过中间的开关 SW—5第一次接通SW—4，该中间的开关SW—5连接和断开RE—VO—BA和 MUX电路。
全文摘要
本发明涉及一种升压转换器以及包含该升压转换器的电源。所述升压调压器包括电压电源、能量存储元件、开关设备SW_1、二极管D1、电容器C1、脉宽调制器、以及分压器，所述分压器的分压点的电压被输送给脉宽调制器，而脉宽调制器向开关设备SW_1的控制端提供输入信号，其特征在于，所述电压电源的电压低于开关设备SW_1的接通阈值电压，并且所述升压调压器还包括一第一推动块，所述第一推动块包括控制输入端，当第一推动信号被施加到所述第一推动块的输入端时，第一推动块内的电流路径将能量存储元件接地，紧接着在第一推动信号被移除时，断开能量存储元件与地GND的连接，从而使得能量存储元件的输出端的电压高于开关设备SW_1的阈值电压。
文档编号H02M7/30GK101552540SQ200910127860
公开日2009年10月7日 申请日期2009年4月2日 优先权日2008年4月2日
发明者裘伟光, 琦 邓 申请人:邓 琦;裘伟光
技术领域：
本发明通常涉及电压转换器，且更具体地涉及当被提供了小于在电压转
换器中使用的开关设备的阈值电压的输入电压时可以操作的开关(switched) 低电压转换器。
本发明通常还涉及电池充电系统，且更具体地涉及具有自包含的电源的 电池充电器。
背景技术：
在当今的电气设备和器件中，广泛地使用电压转换器来将诸如电池的单 个电源的输出电压转换为多路电压轨道(rail),其依次给系统内的不同功能 块供电。
一个例子是由具有3.6V的额定输出电压的单个单元锂离子(Li-Ion)电 池供电的移动电话。在该移动电话中，通常存在3到5个电压轨道，诸如5V、 3.3V、 2.5V、 1.8V和1.5V等，它们需要给电话内的不同功能块供电。所有这 些电压轨道都是从锂离子电池转换来的。因为这些电压中的一些、诸如5V 高于单个单元锂离子电池的额定输出电压，因此使用具有升压(step-up)或 "升压(boost)"布局的电压转换器。
典型的升压转换器包含二极管和能量存储元件的开关模式转换器。图1 示出了传统的升压转换器的例子。升压转换器10包括高电压电源(HV—BAT) 12、以与HV—BAT串联连接的电感器(LI )形式的能量存储元件、在电感器 和地(GND)之间连接的开关设备(SW—1)16、与L1串联连接的二极管(D1) 17、在Dl和GND之间连接的电容器(CI ) 18、和也在Dl和GND之间连 接的、使用第一电阻器(Rl) 20和第二电阻器(R2) 22创建的分压器。跨 越该分压器的电压是被提供给负载(RL) 24的、电压转换器的输出电压 (V0UT)。在Rl和R2之间的连接处的电压提供输入电压到脉宽调制器 (PWM) 26，该脉宽调制器(PWM) 26向开关设备(SW_1)的控制端提供 输入信号(PMW—SW )。该PWM从在Dl和GND之间连接的终端获得功率。当电源、HV—BAT第一次附接到转换器时，在Dl和负载(RL)之间出 现电压Vo。该"第一"Vo用于两个目的它提供激活内部PWM块所需的中 间的"第一推动"电压，且它向负载(RJ提供"初始"输出电压，V0UT。 通过使用PWM来将开关设备SW—1接通和断开来控制在Ll和CI中存储的 能量的量，从而实现恒定的V0UT。 PWM块使用在Rl和R2 ( VFB )之间的交 汇处的电压，来确定PMW输出信号的占空因数。当获得了 (由R1和R2的 值所确定的)期望的电压时PWM的占空因数稳定，且升压转换器的输出是 处于期望的电平的恒定输出电压。
为了升压转换器操作，PWM的初始输出必须是足够以使SW一l接通的 足够的阈值电平(VTH)。 Vra由开关的属性来限定。在SW—ID "第一开关接 通，，之后，升压转换器正常地开始操作，且其输出电压VouT最终达到由负载 RL需要的恒定电压。如果VTH足够，则第一次不将SW_1接通，因此不启动 图1所示的升压转换器。在典型的基于半导体的升压转换器中，Vth在0.7V 和1.0V之间，取决于在电压转换器中使用的开关设备(MOSFET、双极性晶 体管等)的技术。这意味着电源必须具有至少0.7V到l.OV的输出。
可再生电源可以被使用来替换危害环境的基于化学和电化学的能量源， 诸如各种锂离子电池、锂聚合体、NiMH和NiCd电池，这些仍然广泛用于移 动电话和其他充电消费和商业设备和器件，作为主要的能量源。有前途的能 量源是太阳能电池。但是，典型的单个太阳能电池输出不超过0.3V的电压， 显然低于在传统电压转换器中的典型的开关元件的0.7V到I.OVVth。
目前正在研究开发半导体工艺技术中，在其上可能制造超低阈值开关设 备(即，具有低于0.3V的阈值的开关设备)。但是，即使确实可以开发这种 新的半导体工艺技术，但阈值电压变得越低，则工艺技术很可能变得越复杂 且因此成本越高。另外，无论开关设备的阈值电压变得多低，传统的布局仍 然无法实现具有0电压阈值的电压转换器。
典型的电池供电的系统^使用外部或内部电池供电电3各。可以通过将商业 可得的AC电源(AC电源线)转换为低电压DC电压的AC到DC转换器(AC 适配器)来提供对电池充电电路的电源。另外，该DC电压还可以被用于直 接给下游电子器件供电，这当AC适配器不存在时另外由电池供电。
一个例子是用3.6V的额定输出电压由单个单元锂离子电池供电的移动 电话。典型地由AC适配器通过电池充电电^各给该电池充电。该电池充电电
7路可以是基于半导体的集成电路(IC)或用离散的组件建立的电路。而且，
在移动电话中，通常存在3到5个电压轨道，诸如5V、 3.3V、 2.5V、 1.8V和 1.5V等，被用于给提供移动电话的具体功能的其他功能块或电路供电。这些 电压轨道可以当不存在AC适配器时从锂离子电池转换，或者当存在AC适 配器时从AC适配器的DC电压输出中转换。
如此，在电池供电系统中的功率管理器包括电池充电电路和功率转换电 路。其中通过AC适配器供应功率的电池充电电路可以是用离散的组件建立 的电路、或IC或IC的一部分。该功率转换电路将电池电压或AC适配器提 供的电压转换为供应该系统的其他电路的各种其他电压。该功率转换电路可 以是用离散的组件建立的电路、或IC的集合、IC或IC的一部分。
由于AC适配器的DC输出电压高于电池电压的DC输出电压，则电池充 电电路典型的是降压布局的，诸如线性或"降压(buck)"转换器，其将较高 DC电压转换为较低的。
对于功率转换电路，其中使用的电压高于电池的额定输出电压，使用升 压或"升压"布局，且对于低于电池的额定输出电压的电压，使用降压或"降 压"布局。如此，对于功率转换电路，使用升压和降压的两种子电路。典型 地提供这些子电路作为分离或独立的IC。
如此，在系统级上，总是需要AC适配器、或其他典型或外部的电源。 另外，AC适配器的DC输出电压需要高于特定电平。该最小电压是典型地在 0.7V和1.0V之间，取决于在电压转换器中使用的开关设备(MOSFET、双极 性晶体管等)的阈值电压。实际上，AC适配器的DC输出几乎总是高于电池 电压，以便可以更容易实现线性或降压布局电池充电电路。例如，用于单个 单元锂离子电池(3.6V额定电压)供电的系统的AC适配器典型地高于5V。
在图9中提供了传统电源的简化图示。可以由来自AC适配器输入卯3 或可充电电池、RE—VO—BA905的功率来给负载、R^915供电。功率路径管 理电路907促使三个开关(SW—1 908、 SW—2 909、 SW—3 910 )来控制从AC 适配器输入903到负载和/或电池的功率流。例如，通过将开关SW_1接通且 将开关SW—2和SW—3断开，则AC适配器903向负载R^915提供功率。通 过将开关SW—1和SW—2接通且将开关SW—3断开，AC适配器903向负载 Rl915提供功率，而同时通过电池充电器电路911给电池RE—VO一BA卯5充 电。
8通过将开关SW—1 908和SW—3 910断开且将开关SW—2 909接通，AC 适配器输入903通过电池充电器电路911给电池RE_VO_BA 905充电，但不 给负载Rl供屯。通过将开关SW—2断开且将开关SW—1和SW—3接通，AC 适配器903和RE—VO—BA905都给负载&供电。这当负载Rl需要弄常的大 电流时可以是有用的。通过将开关SW—1 908和开关SW_2 909断开且将SW—3 910接通，电池RE—VO—BA 905向rl供电，且因此仅提供其中AC适配器 输入903不给负载和/或电池供电的情况。
如此，所示的电源不是自包含的电源。具体地，当电池RE一VCUBA 905 没电时，使用AC适配器903来给电池RE—VO—BA充电，而同时给负载RL 供电。而且，AC适配器输入电压典型地是来自外部AC到DC转换器的DC 电压。该AC到DC转换器被插入AC电源线以便提供DC电压作为AC适配 器输入。
因此，电源不是"自包含"的，即从外部电源、诸如AC电源线得到功 率，这极大地减少了诸如移动电话的某些应用的移动性。因此，可期望具有 完全"自包含的"电源。还可期望包括可以向电池充电电路和功率转换电路 供电的"可再生"电压发生器。
发明内容
描述了低电压转换器的实施例。在许多实施例中，低电压转换器是包括 "第一推动"阶的升压转换器。该"第一推动"提供使能升压转换器内的开 关设备的初始推动电压，以开始开关而不考虑电源的电压电平。在大量实施 例中，"第一推动"阶包括0电压输入开关设备来生成初始的"第一推动"。 在若干实施例中，低电压电源是单个太阳能电池。在许多实施例中，低电压 转换器使用诸如反激(flyback)布局或正激(forward)布局的隔离布局。在 若干实施例中，使用传统的半导体工艺来实现低电压功率转换器。
提供用于电池充电系统的自包含的电源。该电源不使用与电源、诸如AC 电源线和AC到DC转换器的外部连接。在一个实施例中，该自包含的电源 包括超低电压功率发生器，其向可再生电池、负载或两者提供电压。具有升
使用具有MUX电路的第 一推动电路来保证电压转换器的初始和持续的搡作。
图l是传统升压转换器的电路图。-现有技术
图2是根据本发明的实施例的由具有"第一推动"块的超低电源供电的 升压转换器的电路图。
图3是根据本发明的实施例的包括0阈值电压开关作为"第一推动"块
的低电压转换器的电路图。
图4是示出根据本发明的实施例的低电压转换器的响应的仿真的图。 图5是根据本发明的实施例的使用光电耦合器作为"第一推动"块的低
电压转换器的电路图。
图6是根据本发明的实施例的使用0阈值电压耗尽模式MOSFET和控制
电路作为"第一推动"块的低电压转换器的电路图。
图8是根据本发明的实施例的使用正激布局的低电压转换器的电路图。 图9是电池充电系统的传统电源的示意图。-现有技术 图10罢棍棍太劳印
具体实施例方式
现在参考附图，示出了根据本发明的实施例的低电压转换器的实施例。 该低电压转换器是升压转换器，其包括第一推动块，提供如下初始电压，该 初始电压能够保证无论电源电压多低、在开关设备的控制端处施加的那个第 一 PWM脉冲的电压都可以克服开关设备的阈值电压以在第 一次将其接通。
基本架构
图2中示出了根据本发明的实施例的低电压转换器。该低电压转换器50 类似于图1中所示的现有技术的升压转换器，除了在电感L1和GND之间连 接了 "第一推动"块52，且用低电压电源(LV—BAT) 54替换了高电压电源 (HV—BAT)。该低电压电源不能生成足够大以致于开关设备(SW—1 ) 16，切 换的电压，但是"第一推动"块能够提供具有足够的量级以使能SW_1来接 通的"第一推动"电压。"第一推动，，块的提供初始电压的能力使得能够使用 低电压电源。在大量实施例中，LV—BAT可以是产生大约0.3V的输出电压
10(VLV_BAT)的单个单元太阳能面板。在其他实施例中，可以使用具有甚至低 于0.3V的输出电压(VLV—BAT)的低电压电源。在大量实施例中，VLV—bat仅
略微高于GND。
低电压转换器的操作
根据本发明的实施例的"第一推动"块包括经过由控制输入(FP)控制 的"第一推动，，块的电流路径。当第一推动信号被施加到图2所示的"第一 推动"块52的输入(FP) 56时，在"第一推动"块内创建的电流路径将电 感器(LI ) 14，连接到GND。当从FP移除第一推动信号时，Ll与GND断开。 此时，由于LI的电感，在LI和Dl之间的交汇处的电压升高到高于LV—BAT 的电平。跨越L1的电压可以被计算为
VL1 = LAi駆/At (5)
其中，Vu是跨越LI的电压，L是L1的电感，At是当第一推动信号被 施加到FP时经过"第一推动"块的电流路径存在的持续时间段，以及Ai是 当第一推动信号被施加到FP时从LV—BAT经过L1流到GND的电流。
其中，Ai被限制为
△iMAX = Vlv_bat/Ron (6)
其中，VL、BAT是超低电压电源LV—BAT的输出电压，且RoN是经过"第
一推动"块的电流3各径的电阻。
如此，在移除了第一推动信号之后，在L1的右侧、或D1的阳极看到的 总电压被给定为
Vhv = Vlv_bat + Vu (7)
其中VHV是D1的阳极上的电压，VLV—BAT is是低电压电源LV_BAT的输 出电压，且Vu是经过Ll的电压。
且，在D1的阴极上的电压被给定为
Vd = VHv - VDi= Vlv_bat + VLi - VDi (8) 其中，VHV是D1的阳极的电压，VLV—BAT是低电压电源LV_BAT的输出 电压，Vu是经过L1的电压，以及Vm是二极管Dl的正激电压降。
虽然VLV—BAT可以超低，诸如来自单个单元太阳能面板的0.3V，但取决 于L1的值、FP信号保持了多久(At)、和当FP信号接通时流过L1的电流的 量级，VL1可以高。当乂人FP移除该信号时，VD可以足够高以至于激活PWM块，且以便输出PWM信号的接通状态的电压(Vsw)将处于可以将SW—1接 通的值。该使得PWM的输出能够将SW_1接通的VD的实际值典型地取决 于SW—1的属性。以下描述根据本发明的实施例的包括不同类型的开关设备 的低电压转换器。
N沟道增强模式MOSFET和NPN晶体管
如果SW一l是N沟道增强模式MOSFET和NPN晶体管，当第一 PWM 脉沖(PWM—SWl)到达SW—1的控制端时，其在导通状态期间的电压(PWM 逻辑高)，VSW必须比GND高VTH,来接通SW—1。由于PWM—SWl接通 状态的电压不可能高于vd (即用于给PWM块供电的电压)，Vd必須比GND 高VTH。以下公式给出了必须被满足以便第一次接通SW—1的条件
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)
根据公式9e, LI的电感值、被施加到FP的第一推动信号的持续时间和 当FP信号被施加到其控制端时流过"第一推动，，块的电流的适当选择可以产 生足够以接通SW—1的电压。
例如，如果VTH是0.7V, VD1是0.7V，且VLV—BAT是0.3V,则公式9e 变为
+ LAiMAX/At > VTH + VD1 — VLV BAT = 0.7V + 0.7V - 0.3V = 1 1V (9f)
+ L (VLV一BAT/RON)/At > 1 1V (9g) 从公式9f,如果LI是lOO^H电感器,且At是100ps，则高于1.1A的 Ai嫩x可以接通SW_1。为了实现高于UA的AiMAX,公式9g指示R0N即， 经过"第一推动"块的电流路径的电阻)应该少于大约270mQ。以下讨论处 理这种量级情况的电阻的各种"第一推动"块的实现。
P沟道增强模式MOSFET和PNP晶体管
如果SW—1是P沟道增强模式MOSFET或PNP晶体管，则当第一PWM
12脉冲(PW1VLSW)到达SW—1的控制端时，其在接通状态(PWM逻辑低)期间的 电压(Vsw)必须比VHV低VTH来接通SW—1 。由于Vsw不能低于GND，因此 Vhv必須比GND高至少VTH。以下公式给出了必须满足以第一次接通SW—1 的条件<formula>formula see original document page 13</formula>公式10d指示Ll的电感、被施加到FP的第一推动信号的持续时间、和 当该信号被施加到FP时流过"第一推动"块的电流的适当选择可以导致SW_1 接通。
例如，如果VTH是0.7V且VLVBAT是0.3V，则公式10d变为
+ 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电感器，At是100|is，则根据公式10e,高于400mA的 AiMAx可以导致SW_1接通。在提供了小于大约750mQ的R0N,可以实现高 于400mA的AiMAX 。
如此，LV_BAT(VLV—BAT)不对SW_1的第一次接通产生决定性影响。根 据本发明的实施例的Ll，At，和Rqn的选择可以使得SW一1能够对于V^—BAT 的很低值而接通。因此，VLV_BAT可以超低且到仅稍微高于GND的电平，且
在第一开关接通之后，SW一1开始操作好像在典型升压转换器中使用的 普通开关，且在图2中的升压转换器开始操作好像典型的升压转换器，除了 允许电源(LV BAT)具有超低输出电压。
"第一推动"块的实施方式
在各个实施例中，"第一推动"块包括可以用被施加到FP的0电压来接 通的0阈值电压开关设备。将0阈值电压开关接通一次提供了 "第一推动"， 且随后跳跃地开始(jumpstart)升压转换器的剩余(rest)。以下讨论根据本 发明的实施例的包括O阈值电压开关设备的"第一推动"块的各种实施方式。 虽然讨论了具体实施例，但可以按实现可以响应于第一推动信号对控制输入
13的施加来创建足够低的电阻电流路径的设备的其他方式来实现"第一推动" 块。
包括o阈值电压机械开关的"第一推动"块
图3中示出了根据本发明的实施例的包括使用0阔值电压开关实现的"第 一推动"块的低电压转换器。低电压转换器60包括使用在L1 14，和GND之 间连接的O阔值电压开关(ZE—TH—SW) 62实现的"第一推动"块。在所示 的实施例中，ZE—TH_SW是当向输入FP施加物理按压时接通且在移除物理 按压之后断开的机械开关。
图4中示出了图3中所示的低电压转换器60的仿真图。该图示出了随着 ZE—TH—SW在时间0时接通而建立的经过L1的电流。当释放ZE—TH一SW时， 经过L1的电压足够用于PWM生成导致SW—1开始开关的信号。在此时，低 电压转换器进入稳定状态操作。输出电压可以包括与调整输出电压的调压器 有关的"波紋(ripple )"。如果，使用更大的输出电容器，则该波紋可以"更 平滑"。
包括O阈值电压光电耦合开关的"第一推动"块
图5示出了包括使用光电耦合开关实现的"第一推动"块的低电压转换 器。低电压转换器80包括使用0阈值电压光电耦合器(ZE—TH_PC) 82实现 的"第一推动"块。在所示的实施例中，ZE—TH—PC是光电开关，其当被光 信号激活时接通，且在移除光信号之后断开。光信号对光电开关的足够长的 施加使得LI能够存储足够以使得PWM能够接通SW_1的能量。
光电耦合器的内部电阻可以与非零电阻开关相比较。只要光的强度足够， 则将接通光电开关，且只要它可以被接通，则其阈值电压不再重要。在使用 光电开关的实施例中，重要的设计参数是，第一次必须接通它的光源的强度 有多高。
包括有源组件的"第一推动，，块
图6示出了根据本发明的实施例的包括有源组件的低电压转换器。低电 压转换器90包括耗尽模式MOSFET开关(ZE—TH—DE )92,和包括具有LI 14， 作为初级线圏和L2 94作为二级线圈的变压器、在L2的接地端和ZE TH DE的控制输入之间连接的电容器(C2 ) 96、在Ll和Dl之间连接的一次按压总 是接通(once-pressed-always-on)的继电器(RELAY) 98和如果有物理按压 则接通、当移除物理按压时则断开的、在L2的另一端和ZE—TH一DE的控制 输入之间连接的开关(SW) 100的控制电路。由控制输入FP 56'控制RELAY 和SW两者。当被施加到ZE—TH—DE的控制端(Gate)的电压(VG)高于其 负阈值电压(-VTH)时，则ZE—TH—DE接通。如此，它可以仅当绝对值高于 |VTH| (比Vth更負)的负电压被施加到其控制端时^皮断开。
当RELAY被接通(且保持接通)时，Ll通过在接通RELAY之前接通 的ZE—TH—DE被连接到GND。 SW也接通，其连接L2到C2。由于L2具有 与L1相同的才及性，因此，在L1中的电流，在L2中感应的电流在相对方向 充电C2中流动。由于C2的左侧被连接到GND,因此在被连接到ZE—TH—DE 的控制输入的该侧的电压(Vc)变为负。当移除在SW上的按压时，SW是 断开的，且L2从该电路的剩余部分断开。由于C2没有路径来放电，因此， Vc保持相同。取决于L2和C2的值、和被施加到SW的FP的持续时间，Vc 可以足够"负，，以断开ZE—TH—DE，且使得它保持断开。在ZE—TH—DE断开 之后，Ll与GND断开。如果此时Vhv滿足公式9b或10a， SW—1第一次被 PWM26，接通，且创建持续的升压转换。
在隔离的布局中使用的"第一推动"块
转换器之间的电流隔离的低电压转换器。低电压转换器110使用反激布局。 在所示实施例中，串联连接LV—BAT54'、 Ll 14，、和ZE—TH—SW 112。诸如 光电耦合器的光电耦合开关(SW—1) 16，被连接在Ll被连接到ZE—TH—SW 的端和GND之间。Ll形成具有第二电感器(L2) 113的变压器。L2被连接 在D1 17，和GND。 PWM26，不物理地连接到SW—1的控制输入。相反，PWM 26，被连接到发光设备114，诸如LED。在LED 114和SW—1 16，之间的光耦 合使得PWM能够接通SW—1。
对ZE_TH—SW 112的控制输入(FP)施加第一推动输入使得能量在Ll 上汇集。当释放FP时，在L2中感应电流，且所感应的电流的幅度确定了 L2 被连接到Dl的端处的电势。当在L2被连接到Dl的端处的电压足够大时，
15PWM能够激活LED且接通SW—1。
图8中示出根据本发明的实施例的包括在低电压电源和电压转换器的输 出之间的电流隔离的另一低电压转换器。电压转换器使用正激布局，其使用 类似的电流隔离技术到图7中所示的那些。但是，Dl经由第三电感器(L3) 132被连接到负载，且经由第二二极管(D2) 134被连接到地。
自包含的电源的详细描述
在一个实施例中，自包含的电源可以包括可以是"可再生"电压发生器 的太阳能电池。但是，典型的单个太阳能电池可以仅输出不高于0.3V的电压， 这远低于由许多电流布局使用来转换为更高和可用电压的0.7V到l.OV阈值 电压。在上述部分中描述这个的额外的描述。
通过单个太阳能电池的电压限制，"自包含，，电源可以使用以串联配置连 接的至少3-5个太阳能电池，具有至少0.9V到1.5V输出电压。虽然这将克 服0.7V到l.OV阈值电压，但它确实浪费或使用资源，且比仅使用单个太阳 能电池的增加了成本。
如在上述应用中描述的，在不需要AC适配器的"自包含"电源中使用 具有0.3V输出电压的单个太阳能电池或具有与仅稍微高于地(GND )电平一 样低的输出电压的超低电压功率发生器。
参考图9,通过向电池RE—VO一BA 905添加另 一功率发生器，可以消除 AC到DC转换器。而且，与AC到DC转换器相反的另外的功率发生器可以 提供低电压，且被包括在电源中。参考图10，所添加的功率发生器LV一GE 1021 的电压可以很低，诸如单个太阳能电池的0.3V，或甚至更低到稍微高于地 GND。
超低电压功率发生器LV一GE 1021最终向给电池RE一VO一BA 1005充电的 电压提供高于电池的典型输出电压的电压。另外，可以使用相同的电压来给 负载Rt 1015供电。具体地，还在电源中包括具有升压布局的电压转换器。 电压转换器1023将来自功率发生器LV—GE1021的输出电压转换为处于与来 自电池RE—VO—BA 1005的输出电压相同范围中的电压。
还包括第一推动电路1025,保证第一次接通电压转换器的主开关SW—4 1022。第一推动电路包括"MUX"电路1027,其在作为"第一推动"信号的 RE—VO—BA 1005的输出和主开关SW—4的控制端之间选择。可操作地，电池RE—VO—BA第一推动信号第一次接通开关SW—4,且PWM电路在接下来的 正常操作期间控制开关SW—4。第一推动电路1025还包括可以用外部输入信 号FP 1020接通的阈值电压开关ZT—SW 1024。
当选择电池RE—VO—BA作为第一推动信号时， 一个脉沖控制电路1035 第一次输出单个脉冲来通过中间的开关SW—5 1026来接通开关SW_4 1022， 该中间的开关SW—5 1026连接和断开电池RE_VO—BA 1005和MUX电路 1027。电池充电器lOll还使用来自电压转换器的输出电压V0UT 1040,作为 对电池RE—VO—B A 5充电的输入。
功率路径管理电路1007确定要使用电压转换器的电压VouT还是电池 RE—VO—BA 1005来给负载供电，以及是否要给电池RE—VO—BA 1005充电。 如此，功率路径管理电路1007使用多个开关SW—1 1008、 SW—2 1009和SW—3 1010来确定向负载、电池或两者的输出电压流路径。
在操作中，当向该电路插入超低功率发生器LV—GE时，如果电池 RE—VO—BA 1005的输出电压高于开关SW—4 1022的阈值电压，则一个脉沖 控制电路1035输出单个脉冲来接通然后断开开关SW—5 1026。当开关SW—5 1026接通时，它将电池RE_VO_BA的电压传递到MUX电路1027。该MUX 电^各1027将该电压传递到开关SW—4的控制端。由于电池RE—VO—BA电压 高于开关SW—4的阈值电压，因此该开关第一次接通。例如，如果电池 RE_VO—BA电压来自具有某种3.6V额定电压的单个单元锂离子电池，即使 它被完全耗尽，所供应的电压也高于开关SW—4 1022的阈值电压，即典型的 0.7V到l.OV，且如此，开关SW—5 1026将经常被电池RE—VO—BA 1005接通。
在开关SW—4 1022第一次接通之后，由功率发生器LV_GE 1021供电的 具有升压布局的电压转换器正常操作，且输出电压V0UT,其处于与电池 RE_VO—BA相同的范围中，但高出很小的差额。例如，如果电池RE—VO一BA 是具有3.6V额定电压和4.2V最大电压的单个单元锂离子电池，则电压转换 器的输出，Vout典型地是5V。这是典型地，因为电池充电器电路1011使用 由充电器的线性或降压布局所需要的、高于电池本身的电压来实际地给电池 充电。该负载可以由3.6V或5V供电。
如果电池RE一VO—BA被耗尽到其输出电压低于SW_4的阈值电压的程 度，外部信号FP 2100可以被施加到变为向电压转换器提供"第一推动"的 开关的0阈值电压开关ZT—SW 1024的控制端。如此，图IO中的电源是"自包含的"且不^f吏用外部电源、诸如AC电源
线和AC到DC转换器。电源允许使用超低电压发生器，诸如单个太阳能电 池，作为被用于给主电池充电的主电源或辅助电源。在以上引用和并入的申 请中描述了说明书中描述的电压转换器、开关和其他组件的各种其他实施例 和纟田节。
提供用于电池充电器系统的自包含的电源。虽然已经在特定具体实施例 中描述了本发明，但本领域技术人员将明显地知道许多另外的修改和变化。 因此，要理解，除了具体描述的以外还可以实现本发明，包括在不脱离本发 明的范围和精神的情况下在尺寸、形状和材料中的各种改变。因此，应该在 如所例示但不限制的所有方面中考虑本发明的实施例。
权利要求
1.一种升压调压器，包括电压电源、与电压电源串联连接的能量存储元件、连接在能量存储元件和地GND之间的开关设备SW_1、与能量存储元件串联连接的二极管D1、连接在D1的输出端和地GND之间的电容器C1、连接在D1和地GND之间的脉宽调制器、以及连接在二极管D1的输出端和GND之间的分压器，所述分压器的分压点的电压被输送给脉宽调制器，而脉宽调制器向开关设备SW_1的控制端提供输入信号，其特征在于，所述电压电源的电压低于开关设备SW_1的接通阈值电压，并且所述升压调压器还包括一第一推动块，所述第一推动块包括控制输入端，当第一推动信号被施加到所述第一推动块的输入端时，第一推动块内的电流路径将能量存储元件连接到地GND，紧接着在第一推动信号被移除时，断开能量存储元件与地GND的连接，从而使得能量存储元件的输出端的电压高于开关设备SW_1的阈值电压。
2. 如权利要求1所述的升压调压器，其中，所述第一推动块是一种机械按压开关，所述机械按压开关可以通过作为第一推动信号的物理按压力而将能量存储元件连接到地GND，并且在所述物理按压力移除时使得能量存储元件的输出端的电压高于开关设备SW—1的阈值电压。
3. 如权利要求1所述的升压调压器，其中，所述第一推动块是一种光耦合器，所述光耦合器可以通过作为第一推动信号的输入光信号而将能量存储元件连接到地GND,并且在所述输入光信号消失时使得能量存储元件的输出端的电压高于开关设备SW—1的阈值电压。
4. 如权利要求l-3之一所述的升压调压器，其中，所述能量存储元件是一电感元件。
5. 如权利要求4所述的升压调压器，其中，所述开关设备SWJ是NPN晶体管或N沟道增强模式MOSFET,或PNP晶体管或P沟道增强模式MOSFET。
6. 如权利要求1所述的升压调压器，其中，所述第一推动块包括耗尽模式MOSFET开关和内部电流路径，所述能量存储元件而一个包括作为初级线圏和次级线圈的变压器，所述内部电流路径包括连接在初级线圈和二极管Dl之间的一次按压总是接通的继电器、连接在次级线圈的接地端和耗尽模式MOSFET开关的控制输入端之间的电容器C2、以及连接在次级线圈的另一端 和耗尽模式MOSFET开关的控制输入端之间的机械按压开关，所述第一推动 块可以通过作为第 一推动信号的物理按压力而将能量存储元件连接到地 GND,并且在所述物理按压力移除时使得能量存储元件的输出端的电压高于 开关设备SW—1的阈值电压。
7. 如权利要求1所述的升压调压器，其中，所述第一推动块包括机械按 压开关，所述开关设备SW一1是一种光耦合器PH—CO，连接在所述脉宽调制 器和地GND的发光设备，所述能量存储元件而一个包括作为初级线圈和次级 线圏的变压器，所述机械按压开关连接在初级线圈和地GND之间，所述次级 线圈连接在所述二极管Dl和地GND之间，所述第一推动块可以通过作为第 一推动信号的物理按压力而将初级线圏连接到地GND,并且在所述物理按压 力移除时使得次级线圈的输出电流，而通过所述脉宽调制器而使得发光设备 发光，并在所述发光设备所输入光信号所发出的光的强度足以使得消失时使 得光耦合器导通。
8. —种升压调压器，包括电压电源、经过一变压器连接到电压电源的 二极管Dl、与二极管Dl反相串联到地GND的二极管D2、连接在二极管 Dl和D2之间节点上的能量存储元件、连接在能量存储元件的输出端和地 GND之间的电容器C1、连接在二极管D1的输出端和地GND之间的脉宽调 制器、并联在电容器C1两端的端分压器，所述分压器的分压点的电压被输送 给脉宽调制器，以及连接在二极管Dl的输入端和地GND之间的开关设备 SW一1、其特征在于，所述开关设备SWJ是一种光耦合器PHJX),并且所述升 压调压器还包括一第一推动块以及连接在脉宽调制器的输出端的发光设备， 所述光耦合器PH—CO在该发光设备所发出的光线的照射下接通，所述第一推 动块包括控制输入端以及机械按压开关，其中所述变压器的初级线圈的 一端 与电压电源相连，而其另一端与所述光耦合器PH—CO的发射极相连，所述光 耦合器PH_CO的漏极与地GND连接，所述变压器的次级线圈一端与二极管 Dl的输入端相连而其另一端与地GND连接，当作为第一推动信号的物理按 压力被施加到所述第 一推动块的输入端以及被移除时，使得发光设备所发出 的光的强度足以导通光耦合器PH—CO。
9. 一种自包含电源电路，其包括a. 超低电压功率发生器LV—GE，用于以比它本身更高的电压来提供给b. 具有稳定输出电压的电池RE—VO一BA;c. 升压电压转换器，其将LV—GE转换为处于与REJVO一BA相同的范围 的电压，包括第一推动块，用于使得电压转换器的主开关SW—4第一次接通， 所述第一推动块包括MUX电路和一个脉冲控制电路，所述MUX电路在作为 第一推动信号的RE—VO_BA和PWM块的输出PWM_SW之间选4奪，然后将 被选中的信号传递到主开关SW一4的控制端，该"MUX"电路还包括阈值电 压开关ZT-SW,其可以用外部信号FP来接通，而所述一个脉冲控制电路在 选择了 RE—VO—BA作为第一推动信号时，输出信号脉沖来通过中间开关 SW_5而第一次接通SW_4;e. 电池充电块，其使用具有升压电压转换器的输出电压VOUT,作为给 具有稳定电压的电池RE—VO—BA充电的输入；f. 功率路径管理块，其确定要使用具有升压布局的电压转换器的输出电 压V。uT还是具有稳定电压的电池RE—VO—BA来给负载供电，以及是否要给 RE—VO—BA充电；g. 多个开关，由功率路径管理块启动以确定要使用具有升压布局的电压 转换器的输出电压V0UT还是具有稳定电压的电池来给负载供电，以及是否要 给RE—VO—BA充电。
10. 如权利要求9所述的自包含电源电路，其中所述升压电压转换器具 有将LV_GE转换为处于与RE—VO—BA相同的范围中的电压的升压布局。
11. 如权利要求9所述的自包含电源电路，其中所述第一推动块允许第 一次接通升压电压转换器的主开关。
12. 如权利要求ll所述的自包含电源电J各，其中所述的MUX电路在作 为第一推动信号的RE_VO—BA和PWM块的输出PWM—SW之间选择，然后 将被选中的信号传递到主开关SW—4的控制端，该RE—VO一BA第一推动信号 第一次接通SW一4，且PWM—SW在接下来的正常操作期间控制SW_4。
13. 如权利要求12的所述的自包含电源电路，其中所述阈值电压开关用 外部信号FP来纟妄通。
14. 如权利要求12所述的自包含电源电路，其中所述一个脉冲控制在选择了 RE_VO—BA作为第一推动信号时，输出信号脉沖来通过中间的开关 SW—5第一次接通SW—4，该中间的开关SW—5连接和断开RE—VO—BA和 MUX电路。
全文摘要
本发明涉及一种升压转换器以及包含该升压转换器的电源。所述升压调压器包括电压电源、能量存储元件、开关设备SW_1、二极管D1、电容器C1、脉宽调制器、以及分压器，所述分压器的分压点的电压被输送给脉宽调制器，而脉宽调制器向开关设备SW_1的控制端提供输入信号，其特征在于，所述电压电源的电压低于开关设备SW_1的接通阈值电压，并且所述升压调压器还包括一第一推动块，所述第一推动块包括控制输入端，当第一推动信号被施加到所述第一推动块的输入端时，第一推动块内的电流路径将能量存储元件接地，紧接着在第一推动信号被移除时，断开能量存储元件与地GND的连接，从而使得能量存储元件的输出端的电压高于开关设备SW_1的阈值电压。
文档编号H02M7/30GK101552540SQ200910127860
公开日2009年10月7日 申请日期2009年4月2日 优先权日2008年4月2日
发明者裘伟光, 琦 邓 申请人:邓 琦;裘伟光
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