一种电压转换电路的制作方法

本实用新型涉及电源技术领域，更具体地涉及一种电压转换电路。

背景技术：

现代工业对传感器的应用越来越多，在工业类应用中，由于其应用环境的限制，要求传感器在宽的工作电压范围下能正常工作，这就需要传感器配置有高低压转换电路。目前高低压转换电路主要有四种方式：线圈变压器方式、开关电源方式、以及线性稳压器和稳压二极管方式。

线圈变压器方式是采用电场磁场相互转化的方式来改变电压的。在铁芯或者磁芯上绕有原边和副边线圈，当原边线圈中通有交流电时，铁芯或磁芯会产生交流磁通，使副边线圈中感应出电压。理论上，副边电压与原边电压的比值等于原边线圈匝数和副边线圈匝数的比值。线圈变压器方式由于需要昂贵的铜线绕组和笨重的铁芯或磁芯，其成本很高且重量很大。并且由于其输入输出电压比值取决于绕组匝数比，当输入电压变化时，输出电压即等比例变化，因此很难适应宽电压范围的要求。

开关电源是由pwm开关控制模块控制开关管的导通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，其具有效率高，功率大等优点。相对于线圈变压器的方式，由于开关电源本身具有反馈环路控制输出电压，对输入电压范围的适应能力较好。但是由于其需要pwm开关控制模块、开关管以及电感线圈，仍然不适合一些对成本和体积要求很高的场合。

线性稳压器方式是通过一个线性稳压器(lowdropoutregulator，ldo)将高的输入电压转换为低的输出电压。由于其需要参考电压、运放和电阻分压，增加了电路功耗，此外，还需要额外的降压器来提供参考电压和运放的电源电压，提高了电路成本。

稳压二极管方式是利用了pn结在反向击穿前电阻极大，而反向击穿后电阻极小的特性设计而成的一种稳压方式。这种方式的优点在于成本和体积均很小，但是使用时需要电阻提供反向偏置，而电阻的阻值是由输入输出电压和输出电流三者共同决定的，如需要改变输入电压，就必须改变电阻的阻值，因此这种方式也不适用于宽电压范围的要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种电压转换电路，适用于宽电压范围的要求。

根据本实用新型提供了一种电压转换电路，将供电端提供的电源电压转换成输出端的输出电压，包括：电压输出单元，根据所述电源电压得到所述输出电压；稳压控制单元，与所述电压输出单元连接，在所述电源电压大于一预设电压时，将所述输出电压维持于一恒定电压；以及使能控制单元，与所述电压输出单元连接，提供使能信号，在所述电源电压小于等于所述预设电压时，所述电压输出单元根据所述使能信号控制所述输出电压跟随所述电源电压。

优选地，所述电压输出单元包括：第一晶体管，提供所述供电端至所述输出端的第一电流路径；以及第二晶体管，提供所述供电端至所述输出端的第二电流路径，其中，所述稳压控制单元在所述电源电压大于所述预设电压时导通所述第一晶体管，将所述输出电压维持于所述恒定电压，所述使能控制单元在所述电源电压小于等于所述预设电压时导通所述第二晶体管，所述输出电压跟随所述电源电压。

优选地，所述稳压控制单元包括串联连接在所述供电端和地之间的第一电阻和稳压二极管，所述第一电阻和所述稳压二极管的中间节点连接至所述第一晶体管的控制端，其中，所述恒定电压等于所述稳压二极管两端的电压和所述第一晶体管的栅源电压的电压差。

优选地，所述第一晶体管为n型的金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第二晶体管为p型的金属氧化物半导体场效应晶体管。

优选地，所述使能控制单元包括：串联连接于所述供电端和地之间的第二电阻和第三电阻，所述第二电阻和所述第三电阻的中间节点提供一分压信号；以及比较器，所述比较器的反相输入端接收所述分压信号，所述比较器的正相输入端接收用于表征所述预设电压的第一参考电压，所述比较器的输出端输出所述使能信号。

优选地，所述使能控制单元包括：输入模块，根据所述电源电压得到电压输入信号；放大模块，将所述电压输入信号和用于表征所述预设电压的第二参考电压进行比较，以获得二者的误差信号，以及输出模块，根据所述误差信号得到所述使能信号。

优选地，所述输入模块包括：串联连接于所述供电端和地之间的第四电阻和第五电阻，其中，所述第四电阻和所述第五电阻之间的第一节点提供所述电压输入信号。

优选地，所述放大模块包括：串联连接在所述供电端和地之间的第三晶体管、第四晶体管、第六电阻以及第七电阻，以及串联连接于所述供电端以及所述第六电阻和所述第七电阻的第二节点之间的第五晶体管和第六晶体管，其中，所述第四晶体管和所述第六晶体管的控制端连接至所述第一节点，所述第三晶体管和所述第五晶体管构成电流镜，所述第五晶体管与所述第六晶体管之间的第三节点提供所述误差信号。

优选地，所述输出模块包括：串联连接于所述供电端和所述地之间的第七晶体管和第八电阻，所述第七晶体管的控制端连接至所述第三节点以接收所述误差信号，其中，所述第七晶体管和所述第六电阻的中间节点提供所述使能信号。

优选地，所述第三晶体管、第五晶体管以及所述第七晶体管为p型的金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第四晶体管和第六晶体管为npn型双极性晶体管。

优选地，所述第三晶体管的宽长比与所述第五晶体管的宽长比相等。

优选地，所述第四晶体管的宽长比和所述第六晶体管的宽长比的比例关系为n:1，其中，n为大于等于1的自然数。

本实用新型实施例提供的电压转换电路具有以下有益效果。

本实用新型的电压转换电路包括电压输出单元、稳压控制单元以及使能控制单元，电压输出单元用于根据电源电压得到输出电压，稳压控制单元用于在电源电压大于一预设电压时，将输出电压维持于一恒定电压，使能控制单元用于在电源电压小于等于预设电压时控制输出电压跟随所述电源电压。可以实现在几伏到十几伏的输入电压范围内，输出电压都基本保持恒定，满足宽电压范围的电路要求。本实用新型的电压转换电路可用在电源电压的工作范围很大，而内部模块工作需要低压的场景下，例如工业传感器。此外，本实用新型的电压转换电路只需要几个晶体管和电阻即可实现，电路结构简单，制造成本低，面积更小，电路功耗更低。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据现有技术的一种采用线性稳压器方式的电压转换电路的结构示意图；

图2示出根据现有技术的一种采用开关电源方式的电压转换电路的结构示意图；

图3示出根据本实用新型实施例的电压转换电路示意图；

图4示出图3中电压转换电路的结构示意图；

图5示出图3中使能控制单元的第一实施例的结构示意图；

图6示出图3中使能控制单元的第二实施例的示意图；

图7示出图6中使能控制单元第二实施例的结构示意图；

图8示出图6中放大模块的电压电流关系示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本实用新型的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本实用新型。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本实用新型。

应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

图1示出根据现有技术的一种采用线性稳压器方式的电压转换电路的结构示意图。参考图1，电压转换电路200包括线性稳压器210和预降压器220。线性稳压器210包括运算放大器amp和连接在运算放大器amp的输出端和地之间的电阻r1和电阻r2，电阻r1和电阻r2的中间节点连接至运算放大器amp的反相输入端，运算放大器amp的正相输入端用于接收输入电压vin，输出端用于提供输出电压vout。在电压转换电路200中，由于其需要参考电压、运放和电阻分压，增加了电路功耗，此外，还需要额外的降压器来提供参考电压和运放的电源电压，提高了电路成本。

图2示出根据现有技术的一种采用开关电源方式的电压转换电路的结构示意图。参考图2，电压转换电路300包括输入电容cin、pwm开关控制模块310、晶体管m2、续流二极管d2、电感l1、以及输出电容cout。

输入电容cin的第一端连接输入电压端vin，其第二端接地。晶体管m2的第一端连接至输入电压接入端，第二端连接至电感l1的第一端，控制端接收驱动信号。电感l1的第二端连接至输出电容cout的第一端。续流二极管d2的阴极连接至电感l1的第一端，其阳极接地。负载与输出电容cout并联。

pwm开关控制模块310根据负载产生晶体管m2的驱动信号。在电压转换电路300的正常工作阶段，pwm开关控制模块310控制晶体管m2交替导通和断开。在电压转换电路300中，由于其需要pwm开关控制模块、晶体管以及电感线圈，仍然不适合一些对成本和体积要求很高的场合。

下面结合图3和图4对本实用新型的实施例作进一步的说明。

在本申请中，mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)包括第一端、第二端以及控制端，在mosfet的导通时，电流从第一端流至第二端，n型mosfet的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，p型mosfet的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极；双极性晶体管包括第一端、第二端和控制端，在双极性晶体管导通时，电流从第一端流至第二端，pnp型双极性晶体管的第一端、第二端和控制端分别为发射极、集电极和基极，npn型双极性晶体管的第一端、第二端和控制端分别为集电极、发射极和基极。

图3示出根据本实用新型实施例的电压转换电路示意图。电压转换电路400用于将供电端提供的电源电压vcc转换为输出端的输出电压vout，电压转换电路400包括稳压控制单元430、电压输出单元420以及使能控制单元410。电压输出单元420用于将供电端的电源电压vcc转换为输出电压vout。稳压控制单元430用于在电源电压vcc大于一预设电压时控制电压输出单元420将所述输出电压vout维持于一恒定电压。使能控制单元410用于在电源电压vcc小于等于所述预设电压时向电压输出单元420提供使能信号en，电压输出单元420根据所述使能信号en控制输出电压vout跟随所述电源电压vcc。

进一步的，参照图4，稳压控制单元430包括电阻r3和稳压二极管d3，电压输出单元420包括n型mosfetm3和p型mosfetm4。电阻r3和稳压二极管d3串联连接于电源电压vcc和地之间，n型mosfetm3的第一端连接至电源电压vcc，第二端连接至输出端，控制端连接至电阻r3和稳压二极管d3的中间节点，n型mosfetm3用于提供供电端至输出端之间的第一电流路径。p型mosfetm4的第一端连接至电源电压vcc，第二端连接至输出端，控制端连接至使能控制单元410以接收使能信号en，p型mosfetm4用于提供供电端至输出端的第二电流路径。n型mosfetm3是一个高压mosfet，其第一端可以承受高压，当其控制端的电压大于n型mosfetm3的阈值电压时，n型mosfetm3导通；否则，n型mosfetm3关断。

此外，使能控制单元410还用于根据电源电压vcc和一预设电压控制p型mosfetm4的导通和关断。当电源电压vcc小于等于该预设电压(例如小于等于稳压二极管d3的反向击穿电压)时，使能控制单元410提供的使能信号en为低电平，p型mosfetm4导通，n型mosfetm3关断，输出电压vout跟随电源电压vcc；当电源电压vcc大于该预设电压(例如大于稳压二极管d3的反向击穿电压)时，使能控制单元410提供使能信号en为高电平，p型mosfetm4关断，n型mosfetm3导通，通过稳压二极管将输出电压vout稳定在一恒定电压。

作为示例，当电源电压vcc大于预设电压时，输出电压vout为稳压二极管d3两端的电压减去n型mosfetm3的栅源电压的电压值。

又例如，当电源电压vcc处于4.5v～5.5v时，输出电压vout跟随电源电压vcc变化；当电源电压vcc高于5.5v时，输出电压vout稳定在5.5v。

图5示出图3中使能控制单元的第一实施例的电路示意图。如图5所示，使能控制单元410包括电阻r1、电阻r2以及比较器411。电阻r1和电阻r2串联连接于电源电压vcc与地之间，电阻r1和电阻r2的中间节点提供一分压信号。比较器411的反相输入端用于接收所述分压信号，比较器411的同相输入端用于接收表征该预设电压的第一参考电压vref1，比较器411的输出端用于输出使能信号en。

图6示出图3中使能控制单元的第二实施例的示意图。如图6所示，使能控制单元410包括输入模块4101、放大模块4102以及输出模块4103。输入模块4101用于根据电源电压vcc进行分压以得到一电压输入信号ve。放大模块4102用于将电压输入信号ve与表征该预设电压的第二参考电压vref2之间的差值放大，以获得二者的误差信号。输出模块4103用于根据所述误差信号得到使能信号en。

进一步的，参考图7，输入模块4101包括电阻r11和电阻r12，电阻r11和电阻r12串联连接于电源电压vcc和地之间，电阻r11和电阻r12之间的节点e用于提供所述电压输入信号ve。

放大模块4102包括依次串联连接于电源电压vcc和地之间的p型mosfetmp1、npn型双极性晶体管b1、电阻r13和电阻r14，以及依次串联连接于电源电压vcc与电阻r13和电阻r14之间的节点d的p型mosfetmp2和npn型双极性晶体管b2，p型mosfetmp2和npn型双极性晶体管b2公共连接于节点c，用于提供放大模块4102的输出信号，p型mosfetmp1和mp2的控制端彼此连接，并连接至p型mosfetmp1的第二端，形成镜像结构。在p型mosfetmp1和npn型双极性晶体管b1的导通状态，电流流经p型mosfetmp1、npn型双极性晶体管b1以及电阻r13和电阻r14，从供电端流至地，在p型mosfetmp2和npn型双极性晶体管b2的导通状态，电流流经p型mosfetmp2、npn型双极性晶体管b2以及电阻r14，从供电端流至地，p型mosfetmp1和mp2的宽长比设置为相等，保证流过的电流ic1和ic2相等。

放大模块4102是一个带源极负反馈的共源放大器。npn型双极性晶体管b2的控制端与npn型双极性晶体管b1的控制端彼此连接于节点a，且连接至电阻r11和电阻r12之间的节点e，节点a为放大器的输入信号节点，当节点a的电压升高至第二参考电压vref2时，电流ic1和电流ic2相等。进一步的，npn型双极性晶体管b1和b2的宽长比设置为n:1，其中，n为大于等于1的自然数，在此优选地，npn型双极性晶体管b1和b2的宽长比设置为4:1。

输出模块4103包括依次串联连接于电源电压vcc和地之间的p型mosfetmp3和电阻r15，p型mosfetmp3的控制端连接至p型mosfetmp2和npn型双极性晶体管b2之间的节点c，p型mosfetmp3和电阻r15的中间节点用于提供使能信号en。

在该实施例中，p型mosfetmp1和mp2构成镜像结构，假设流过p型mosfetmp1的电流为ic1，流过p型mosfetmp2的电流为ic2，根据图7所示的使能控制单元的电路结构示意图，可以得到以下公式：

va-vbe1＝ic1*r13+vd

根据以上公式可以得到流过p型mosfetmp1的电流ic1为：

又因为：

va-vbe2＝vd

所以可以得到流过p型mosfetmp2的电流ic2为：

电流ic1和ic2和a点电压va的关系如图8所示，由图可知，存在一点电压使得电流ic1＝ic2，该点电压即为第二参考电压vref2。

节点a和节点d之间的电压为：

vad＝vbe1+ic1*r13

节点b和节点d之间的电压为vbd＝vbe2；

因为vad＝vbd，可以得到：

vbe1+ic1*r13＝vbe2

又由于：

结合上式可以得到：

当电流ic1等于电流ic2，流过p型mosfetmp1的电流ic1和流过p型mosfetmp2的电流ic2为：

ic1＝ic2＝vtinn/r13

节点d的电压为：

vd＝2*ic1*r14＝2*(vtinn/r13)*r14

最终得到使得ic1＝ic2的节点a的电压，也即第二参考电压vref2为：

在上述公式中，vbe为双极性晶体管的基极与发射极之间的电压，vt为双极性晶体管的热电压，常温下为26mv，is为双极性晶体管的饱和电流，n为双极性晶体管的宽长比。

电压输入信号ve通过电源电压vcc的分压得到，即电压输入信号为：

在本实施例中，当电压输入信号ve小于等于第二参考电压vref2时，电流ic2<ic1，节点c的输出信号为高电平，p型mosfetmp3关断，使能信号en为低电平，p型mosfetmp4导通；当电压输入信号ve大于第二参考电压vref2时，电流ic2≥ic1，节点c的输出信号为低电平，p型mosfetmp3导通，使能信号en为高电平，p型mosfetmp4关断。

综上，本实用新型的电压转换电路包括电压输出单元、稳压控制单元以及使能控制单元，电压输出单元用于根据电源电压得到输出电压，稳压控制单元用于在电源电压大于一预设电压时，将输出电压维持于一恒定电压，使能控制单元用于在电源电压小于等于预设电压时控制输出电压跟随所述电源电压。可以实现在几伏到十几伏的输入电压范围内，输出电压都基本保持恒定，满足宽电压范围的电路要求。本实用新型的电压转换电路可用在电源电压的工作范围很大，而内部模块工作需要低压的场景下，例如传感器。此外，本实用新型的电压转换电路只需要几个晶体管和电阻即可实现，电路结构简单，面积更小，电路功耗更低。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。