一种以低压驱动控制的节能型升压电路的制作方法

1.本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种以低压驱动控制的节能型升压电路。


背景技术：

2.斩波升压电路可以将较低的电压转换成较高的直流电压输出。常见的控制升压方式为使用电子开关控制电感回路进行振荡，产生高压，再进行整流、滤波输出。近年来，电子开关也朝着高频、高耐压和高效能的方向发展，为高能耗比、小体积的斩波升压电路的设计提供了更多的可能。斩波升压电路中主要使用的电子开关元器件主要有三极管、mos管或集成驱动芯片等。传统方案中若开关元件选择晶体三极管，可以满足部分使用场景，其具有封装小、耐压高的特点，但是三极管作为一种电流型可控元件用作开关时，只有工作在饱和态才能有良好的导通性，通常三极管的导通驱动电流在1ma以上，导通时控制电流较大、驱动功耗较高。
3.若开关元器件选择集成驱动芯片，虽然同样可以达到控制的目的，开关速度快、耐压高，但是其价格较高，增加了物料成本，一般体积也较大，使得设计过程中，pcb布板空间主动性下降。
4.若开关元件选择mos管，其作为一种电压型可控元件在升压控制中只需控制栅极电平，因此控制电流极小，在开启能耗上的性能表现优秀。但在使用mos管控制升压电路进行工作时需要mos管能抗住电感振荡产生的高压，因此需要较高的耐压能力；而一般耐压较高的mos管，其开启电压也较高；这些使得其在低压控制使用场景中存在一定的限制，例如导通状态不好，影响电感振荡电流以及升压速度、大小。
5.然而在低压电子控制系统中低功耗将成为未来电子系统的发展趋势。常见的低功耗的电子控制系统中正压较低，比如3.3v甚至更低，因此，综上所述，选择mos管更适合低功耗场景，但是在低压pwm信号驱动下的高耐压mos管导通不良好，从而影响电感回路的电流，无法完成目标升压等。
6.因此，如何在较低功耗驱动的情况下，实现斩波升压的pwm信号转换成电平信号的电压值的同时满足升压需求成为了现在斩波升压电路亟待解决的问题之一。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于提供一种以低压驱动控制的节能型升压电路，解决了现有技术中电子开关升压电路中开启电压和整体功耗高的问题。
8.为了达到上述目的，本实用新型提供一种以低压驱动控制的节能型升压电路，其输入外部脉冲宽度调制信号pwm
in
，输出升高后的电压u
oc
，所述节能型升压电路包含：
9.第一mos管q1的栅极输入外部信号pwm
in
，第一mos管q1的漏极与第一电阻r1的一端和第二mos管q2的栅极相连接，第一电阻r1的另一端与电源电压vcc、第二mos管q2的源极和电感l1的一端相连，第二mos管q2的漏极与第二电阻r2和第三mos管q3的栅极相连，电感l1
的另一端与第三mos管q3的漏极、限流电阻r3的一端和整流二极管d1的正极相连，限流电阻r3的另一端与第三mos管q3的漏极串联，整流二极管d1的负极与电容c1相连，第三mos管q3的源极与电容c1的另一端相连，第一mos管q1的源极、第二电阻r2的一端、第三mos管q3的源极和电容c1的一端均与地相连。
10.所述第一mos管q1为低耐压低开启电压n沟道mos管；所述第二mos管q2为低耐压低开启电压p沟道mos管；所述第三mos管q3为高耐压高开启电压n沟道mos管。
11.所述整流二极管d1采用快速恢复二极管。
12.所述电容c1采用高耐压储能电容且耐压值大于目标输出电压。
13.所述限流电阻r3选用阻值0～100ω的功率电阻。
14.所述外部脉冲宽度调制信号pwm
in
信号高电平大于等于第一mos管q1的开启电压，且小于电源电压vcc。
15.本实用新型降低了开启电压和整体功耗，适用于类似电子打火、高压电击这类需要短时间快速升压、低功耗的应用场景。
附图说明
16.图1是本实用新型提供的一种以低压驱动控制的节能型升压电路的电路图。
具体实施方式
17.以下根据图1具体说明本实用新型的较佳实施例。
18.如图1所示，本实用新型提供一种以低压驱动控制的节能型升压电路，其输入外部脉冲宽度调制信号pwm
in
，输出升高后的电压u
oc
，所述节能型升压电路包含：第一mos管q1的栅极输入外部信号pwm
in
，第一mos管q1的漏极与第一电阻r1的一端和第二mos管q2的栅极相连接，第一电阻r1的另一端与电源电压vcc、第二mos管q2的源极和电感l1的一端相连，第二mos管q2的漏极与第二电阻r2和第三mos管q3的栅极相连，电感l1的另一端与第三mos管q3的漏极、限流电阻r3的一端和整流二极管d1的正极相连，限流电阻r3的另一端与第三mos管q3的漏极串联，整流二极管d1的负极与电容c1相连，第三mos管q3的源极与电容c1的另一端相连，第一mos管q1的源极、第二电阻r2的一端、第三mos管q3的源极和电容c1的一端均与地相连。
19.其中，第一mos管q1为低耐压低开启电压n沟道mos管；第二mos管q2为低耐压低开启电压p沟道mos管；第三mos管q3为高耐压高开启电压n沟道mos管。
20.本实用新型采用pmos管和nmos管组合使用来达到控制关断和升压时降低功耗的作用，关于mos管的选择主要从以下几点考虑：
21.1、本实用新型不采用三极管的主要原因是耐高压的三极管的体积虽然和同等级的mos管类似，但是三极管作为电子开关在导通时需要至少1ma以上的电流才能到达较好的饱和状态，而mos管为电压驱动元件控制过程中消耗的能量较小，在如图1所示的电路中，第一电阻r1和第二电阻r2所在支路的导通电流的总和，甚至不到使用三极管的开启导通电流的1/5，导通时消耗的电流较小、驱动功耗较低，电路整体较为节能。
22.2、大功率的mos管为了更好的散热，会采用较大封装，不适合在小型集成电路中使用，本实用新型选择中小型封装mos管，如sot23甚至更小，可在满足设计需求的前提下控制
体积、满足承载电流以及能抗住电感振荡产生的高压。
23.3、为了能够使用低压控制信号来良好的控制电路，所以使用多级mos管联合工作，由输入信号控制第一级mos管的导通，再由第一级导通的斩波升压电源电压vcc来控制第二级的mos管导通，进而完成低压pwm到高电平驱动的电平转换的要求。
24.所述整流二极管d1采用快速恢复二极管，以确保反向恢复时间短，对电路进行整流的同时避免产生的高压被结电容吸收，在系统高速开关时仍能很好的达到升压效果。
25.所述电容c1采用高耐压储能电容且耐压值大于目标输出电压uoc。
26.整流二极管d1二极管主要起整流作用，电容c1则用来储能，其中的二极管选择为快速恢复二极管，可以起到较好的整流作用，由于普通电容的结电容较大会导致电感振荡产生的高压会被结电容吸收，影响后级储能电容充电，导致升压效果不理想，而使用快速恢复二极管可以对电路进行整流的同时避免产生的脉冲高压被结电容吸收，在系统高速开关时仍能很好的达到升压效果。
27.限流电阻r3的主要作用为起到限流的作用，在允许大电流通过的同时还可以根据实际情况控制充电快慢，且保护mos管和电感，选用阻值较小的功率电阻(0～100ω)以此来避免由于阻值过高而产生的电容充电过慢的情况。
28.本实用新型的工作原理如下：
29.当输入的外部脉冲宽度调制信号pwm
in
为低电平时，第一mos管q1不导通，电源电压vcc提供上拉电压，第二mos管q2和第三mos管q3均不导通，此时电感l1完成蓄能，会产生较高的反向电动势，通过整流二极管d1向电容c1进行充电。当输入信号是低电平时，没有达到开启条件，第一mos管q1不导通，电路中的所有mos管均处于高阻不导通，所以升压电路不工作，待机电流极小，整体电路处于超低功耗节能状态。
30.当输入的外部脉冲宽度调制信号pwm
in
为高电平时，第一mos管q1、第二mos管q2和第三mos管q3均导通，电感l1进行充电蓄能。其中，外部脉冲宽度调制信号pwm
in
只需要小于升压电路的电源电压vcc，且达到第一mos管q1的开启电压即可。当升压电路的第一mos管q1输入为高电平，则第二mos管q2和第三mos管q3传递开启，快速完成升压输出，并可通过控制pwm
in
信号的占空比或驱动时长达到目标输出电压。
31.本实用新型降低了开启电压和整体功耗，适用于类似电子打火、高压电击这类需要短时间快速升压、低功耗的应用场景。
32.需要说明的是，在本实用新型的实施例中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实施例，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
34.尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。