基于自激振荡的电源升压驱动电路的制作方法

1.本发明涉及电源控制技术领域，尤其涉及基于自激振荡的电源升压驱动电路。


背景技术：

2.在一些电路应用场景中，需对电源输出进行控制，如使输出电压逐渐增大并处于稳定状态，最终输出电压约等于输入电压。常用的控制方式有三种，包括同时控制电源正与电源负、单独控制电源负以及单独控制电源正。以仅对单独控制电源正的方式为例进行分析，此方式需对开关管驱动进行处理，目前最常用的方式就是单独加一独立电源作为开关管的驱动电源，若开关管采用mos管，则此电源的参考地为源极。然而采用一般隔离电源作为开关管驱动电源，会造成体积与成本增加的问题；若采用小型隔离电源作为开关管驱动电源，则成本会大幅提高。综上，如何在实现输出电压控制基础上，不增加成本开销、增大电路体积是目前亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中输出电压可控的电源体积大、成本开销高的问题，提供了一种基于自激振荡的电源升压驱动电路。
4.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于自激振荡的电源升压驱动电路，该升压驱动电路的电压输入端（电源输入端）与电压输出端（电源输出端）之间设有用于控制电源输出电压的开关管，以单独控制电源正进行说明，即在输入电压vin的正极与输出电压vo的正极间接入开关管如mos管，mos管的漏极与电压输入端连接，mos管的源极与电压输出端连接，mos管的栅极作为控制端，输入电压vin的负极与输出电压vo的负极均经电容接地。升压驱动电路包括顺次连接的自激振荡模块、图腾柱模块及升压电路模块，三个电路模块配合输出稳定的、经升压处理的第一驱动电压进而驱动开关管，即升压电路模块输出端与mos管的栅极连接。其中，第一驱动电压并非固定值，具体根据升压电路模块的升压电路设计以及升压倍数进行变化，比如升压电路模块包括多级升压子电路，经多级升压处理后，第一驱动电压逐级增加，进而驱动开关管得到逐级增加的稳定输出电压，以此实现对输出电压的控制。
5.更为具体地，自激振荡模块用于产生高低变化的电平信号，优选为周期性高低突变的电平信号，如固定频率的方波信号，进而控制图腾柱的开关状态。图腾柱即现有图腾柱驱动电路，根据自激振荡模块的高低变化的电平信号对应呈现通断状态，达到控制升压电路模块进行升压处理的目的。升压电路模块输入端与图腾柱模块之间引入有输入电压，即电压输入端电连接至图腾柱模块与升压电路模块之间，以此引入升压处理的基础电压，在此基础上实现升压处理得到第一驱动电压。
6.本发明通过自激振荡模块驱动图腾柱进而使升压电路模块进行升压处理，进而驱动电压进行升压，整个电路无需采用专用芯片，无需增加辅助电源即可实现开关管的开关，减少了外围元器件，以此实现输出电压可控的同时降低了成本开销，电路体积小；同时一般
专用芯片仅能用于低压场合，而本发明电路采用基础电子元器件，可用于高压场合，提高了母线电源范围，输出电压可调。进一步地，本发明与隔离电源技术相比，减少了隔离电源的设计，降低了设计的难度，方便设计，缩短了开发周期，提高了产品可靠性，减小了电路体积，提高了功率密度。
7.更进一步地，本技术自激振荡升压驱动电路无需采用变压器，减少了变压器设计，降低了设计难度，方便设计，缩短了开发周期，提高产品可靠性，在高压应用时，由于电路未采用变压器，能够避免因变压器饱和，使瞬间npn型三极管存在很大的电流，进而烧坏npn型三极管的风险。
8.在一示例中，自激振荡模块基于运算放大器构成振荡电路。具体地，自激振荡模块包括运放即运算放大器，运放的同向输入端连接有电阻r2，电阻r2一端接电源vcc，电阻r2另一端经电阻r7接地；运放的同向输入端还依次连接有电阻r4、电阻r1，电阻r1另一端连接至运放输出端，运放输出端经电阻r6连接至图腾柱模块；同时，运放的反向输入端连接有电阻r3，电阻r3一端连接至电阻r4与电阻r1之间，电阻r3另一端连接有接地电容c7。在不加外部振荡的情况下，自激振荡模块能够产生固定频率的信号，信号输出为高时，其电压为供电电压vcc，信号输出为低时，其电压为接地电压。
9.在一示例中，图腾柱模块包括npn型三极管q2和pnp型三极管q3，三极管q2的发射极与三极管q3的发射极连接，三极管q2的基极与三极管q3的基极连接，三极管q2集电极接高电平，三极管q3集电极接地，自激振荡模块输出端连接至三极管q2的基极与三极管q3的基极之间，在此基础上，自激振荡模块交替输出高低电平时，三极管q2与三极管q3交替导通。
10.在一示例中，升压电路模块输出端连接有限流保护电路。具体地，限流保护电路包括pnp型三极管q4，三极管q4的发射极上连接有电阻r8，电阻r8另一端与二极管d3连接，且电阻r8上并联有稳压二极管d7；三极管q4的基极连接有电阻r9，电阻r9另一端连接至二极管d3的阴极与接地电容c6之间；三极管q4的基极还连接有具有保护作用的接地电阻r10，三极管q4集电极与基极间连接有接地电容c8，电容c8另一端依次连接有二极管d2、稳压二极管d6，开关管q1的栅极连接至二极管d2的阴极与稳压二极管d6的阴极之间。此时，电容c8上的电压（第一驱动电压）用于驱动开关管，实现对输出电压vo的控制。当电阻r9、电阻r10控制三极管q4导通，若三极管q4导通电流过大，电阻r8上压降增加，当三极管q4基级电压接近发射级电压，三极管q4工作于放大状态，限制电流输出；正常工作时三极管q4导通，电容c6上的电压通过电阻r8、三极管q4向电容c8供电，使电容c8电压为vin-vd1-vq3 vcc-vq2-vd3-vq4（对应第一驱动电压），基于该电压驱动mos管q1，若vcc电压足够高，则此电压能使q1完全导通，使输出电压vo接近vin，达到控制输出的目的，若vcc电压过低，则要增加升压次数，提高电容c8上电压，才能使q1完全导通。
11.进一步地，升压电路模块包括若干升压子电路，升压通过调节升压子电路的升压倍数以及升压子电路中器件参数（如电阻参数、电容参数等）实现，提高了升压的灵活性。本发明升压子电路基于基础电子元器件设计而成，具体基于电容充放电特性设计而成，在自激振荡模块输出高低电平控制图腾柱开关状态的条件下，升压子电路中电容进行充放电进而得到稳定的第一驱动电压。
12.在一示例中，升压电路模块包括第一升压子电路，用于对电路电压进行一级升压
处理。具体地，第一升压子电路包括顺次连接的二极管d1、电阻r5、二极管d3和接地电容c6，还包括设于电阻r5与图腾柱模块之间的电容c4。
13.将上述示例进行组合，得到一优选示例，此时整个电路的工作原理如下：开始上电，在振荡器（自激振荡模块）未工作时，电容c8电压为vin-vd1-vd3-vq4；当振荡器开始工作时，若振荡器第一个周期输出为低，则三极管q2关断、三极管q3导通，输入电压vin通过二极管d1、电阻r5、三极管q3为电容c4充电，使电容c4上的电压达到vin-vd1-vq3，vin通过二极管d1、电阻r5、二极管d3、电阻r8、三极管q4为电容c6与电容c8充电，此时电容c6电压为vin-vd1-vd3、电容c8电压为vin-vd1-vd3-vq4；当振荡器输出为高时，此时三极管q2导通、三极管q3关断，电容c4上电压为vin-vd1-vq3，电容c6电压为vin-vd1-vq3 vcc-vq2-vd3，电容c8上电压为vin-vd1-vq3 vcc-vq2-vd3-vq4；当振荡器输出由高变低，三极管q3导通，二极管d3截止，输入电压vin通过二极管d1、电阻r5、三极管q3为电容c4充电，使电容c4上的电压达到vin-vd1-vq3，电容c6电压为vin-vd1-vq3 vcc-vq2-vd3，电容c8上电压为vin-vd1-vq3 vcc-vq2-vd3-vq4，即振荡器通过不断的变换输出电平来维持电容c8上电压的稳定，达到升压的目的，本示例升压为一次升压，可以通过增加升压电路实现二次升压、三次及其以上的升压。
14.在一示例中，升压电路模块包括第一升压子电路、二次升压子电路，第一升压子电路配合二次升压子电路对电路电压进行二级升压处理。具体地，第一升压子电路结构如前文所述，二次升压子电路包括顺次连接的二极管d4、接地电容c5、二极管d5，还包括电容c3，电容c3一端连接至电阻r5与二极管d4之间，电容c3另一端连接至；二极管d5与二极管d3之间。本示例中，由一次升压至二次升压进一步叠加了电容c3的电压，一次升压完成后继续给电容c3充电，以此实现二次升压。
15.在一示例中，升压电路模块包括第一升压子电路、二次升压子电路和三次升压子电路，第一升压子电路、二次升压子电路配合三次升压子电路对电路电压进行三级升压处理。具体地，第一升压子电路、二次升压电路结构如前文所述，三次升压子电路包括顺次连接的二极管d8、接地电容c9、二极管d9，还包括电容c10，电容c10一端连接至二极管d5与二极管d8之间，电容c10另一端连接至二极管d9与二极管d3之间。本示例中，由二次升压至三次升压进一步叠加了电容c10的电压，二次升压完成后继续给电容c10充电，以此实现三次升压。
16.需要进一步说明的是，上述各示例对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。
17.与现有技术相比，本发明有益效果是：本发明通过自激振荡模块驱动图腾柱进而使升压电路模块进行升压处理，实现驱动电压进行升压的目的，整个电路无需采用专用芯片，减少了外围元器件，以此实现输出电压可控的同时降低了成本开销，且电路体积小；同时一般专用芯片仅能用于低压场合，而本发明电路采用基础电子元器件，可用于高压场合，提高了母线电源范围，输出电压可调。
附图说明
18.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图
用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
19.图1为本发明一示例中的一次升压电路原理图；图2为本发明一示例中的二次升压电路原理图；图3为本发明一示例中的三次升压电路原理图。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
24.实施例1本实施例提供了一次升压驱动应用，其电路原理图如图1所示，此时电路输入电压vin为28v，vcc为10v，要求输出电压vo为27.75
±
0.25v，此时电路工作原理如下：状态一：当vin供电，vcc不供电时，振荡器不工作，vin通过二极管d1、电阻r5、二极管d3、电阻r8及三极管q4给电容c6与电容c8充电，当电容c6电压达到26.6v，电容c8上电压达到26.3v，充电达到平衡，电容c8上的电压去驱动mos管q1，输出电压 vo输出为22.6v。
25.状态二：当vin与vcc同时供电，振荡器开始工作，若振荡开始振荡器输出为高，则电路工作状态如状态一一致，输出电压vo为22.6v。
26.状态三：若振荡开始振荡器输出为低，三极管q2关断，三极管q3导通，vin通过二极管d1、电阻r5、三极管q3给电容c4充电，vin通过二极管d1、电阻r5、二极管d3、电阻r8、三极管q4给电容c6与电容c8充电，当电容c4电压达到26.6v、电容c6电压达到26.6v、电容c8电压达到26.3v时，充电达到平衡，电容c8上的电压去驱动mos管q1，输出电压vo为22.6v。
27.状态四：当振荡器输出由低变高，三极管q2导通，三极管q3关断，二极管d1反向截止，vcc通过三极管q2、电容c4、二极管d3、电阻r8、三极管q4给电容c6与电容c8充电，当电容c6电压达到35.2v、电容c8电压达到34.9v时，充电达到平衡，电容c8上的电压去驱动mos管q1，输出电压vo为27.9v。
28.状态五：当振荡器输出由高变低，三极管q2关断，三极管q3导通，vin通过二极管d1、电阻r5、三极管q3给电容c4充电，当电容c4电压为26.6v，充电达到平衡，二极管d3反向截止，电容c6与电容c8电压维持在上一个状态的电压，用电容c8上的电压去驱动mos管q1，输出电压vo为27.9v。
29.振荡器通过不断的变换输出电平，通过充电以及放电来维持电容c8上电压的稳定，确保开关管可靠的开通，从而达到控制输出的目的。
30.实施例2本实施例提供了一种二次升压驱动应用，其电路原理图如图2所示，此时电路输入电压vin为28v，vcc为5v，要求输出电压vo为27.75
±
0.25v，此时电路工作原理如下：状态一：当vin供电，vcc不供电时，振荡器不工作，vin通过二极管d1、电阻r5、二极管d4、二极管d5、二极管d3、电阻r8及三极管q4给电容c5、电容c6及电容c8充电，当电容c5电压达到26.6v、电容c6电压达到25.2v，电容c8上电压达到24.9v，充电达到平衡，电容c8上的电压去驱动mos管q1，输出电压vo为21.2v。
31.状态二：当vin与vcc同时供电，振荡器开始工作，若振荡开始振荡器输出为高，则电路工作状态如状态一一致，输出电压vo为21.2v。
32.状态三：若振荡开始振荡器输出为低，三极管q2关断，三极管q3导通，vin通过二极管d1、电阻r5、三极管q3给电容c4充电，vin通过二极管d1、电阻r5、二极管d4、二极管d5、二极管d3、电阻r8、三极管q4给电容c5、电容c6及电容c8充电，当电容c4电压达到26.6v、电容c5电压达到26.6v、电容c6电压达到25.2v、电容c8电压达到24.9v时，充电达到平衡，电容c8上的电压去驱动mos管q1，输出电压vo为21.2v。
33.状态四：当振荡器输出由低变高，三极管q2导通，三极管q3关断，二极管d1反向截止，vcc通过三极管q2、电容c4、二极管d4、二极管d5、二极管d3、电阻r8、三极管q4给电容c5、电容c6及电容c8充电，当电容c5电压达到30.2v、电容c6电压达到28.8v、电容c8电压达到28.5v时，充电达到平衡，电容c8上的电压去驱动mos管q1，输出电压vo为24.8v。
34.状态五：当振荡器输出由高变低，三极管q2关断，三极管q3导通，vin通过二极管d1、电阻r5、三极管q3给电容c4充电，当电容c4电压为26.6v，充电达到平衡，二极管d4、二极管d3反向截止，电容c5、电容c6与电容c8电压维持在上一个状态的电压，电容c5上的电压通过二极管d5、电容c4及三极管q3给电容c3充电，当电容c3电压达到2.2v，充电达到平衡，用电容c8上的电压去驱动mos管q1，输出电压vo为24.8v。
35.状态六：当振荡器输出由低变高，三极管q2导通，三极管q3关断，二极管d1反向截止，vcc通过三极管q2、电容c4、二极管d4给电容c5充电，vcc通过三极管q2、电容c4、电容c3、二极管d3、电阻r8、三极管q4给电容c6及电容c8充电，二极管d5反向截止，当电容c5电压达30.2v、电容c6电压达到32.4v、电容c8电压达到32.1v时，充电达到平衡，电容c8上的电压去驱动mos管q1，输出电压vo为27.9v。
36.状态七：当振荡器输出由高变低，三极管q2关断，三极管q3导通，vin通过二极管d1、电阻r5、三极管q3给电容c4充电，当电容c4电压为26.6v，充电达到平衡，二极管d4、二极管d3反向截止，电容c5、电容c6与电容c8电压维持在上一个状态的电压，电容c5上的电压通过二极管d5、电容c4及三极管q3给电容c3充电，当电容c3电压达到2.2v，充电达到平衡，用电容c8上的电压去驱动mos管q1，输出电压vo为27.9v。
37.振荡器通过不断的变换输出电平，通过充电以及放电来维持电容c8上电压的稳定，确保开关管可靠的开通，从而达到控制输出的目的。
38.实施例3本实施例提供了一种三次升压驱动应用，其电路原理图如图3所示，此时电路输入电压vin为28v，vcc为5v，要求输出电压vo为27.75
±
0.25v，此时电路工作原理如下：状态一：当vin供电，vcc不供电时，振荡器不工作，vin通过二极管d1、电阻r5、二极管d4、二极管d5、二极管d8、二极管d9、二极管d3、电阻r8及三极管q4给电容c5、电容c9、电容c6及电容c8充电，当电容c5电压达到26.6v、电容c9电压达到25.2v、电容c6电压达23.8v、电容c8电压达到23.5v，充电达到平衡，电容c8上的电压去驱动mos管q1，输出电压vo为19.8v。
39.状态二：当vin与vcc同时供电，振荡器开始工作，若振荡开始振荡器输出为高，则电路工作状态如状态一一致，输出电压vo为19.8v。
40.状态三：若振荡开始振荡器输出为低，三极管q2关断，三极管q3导通，vin通过二极管d1、电阻r5、三极管q3给电容c4充电，vin通过二极管d1、电阻r5、二极管d4、二极管d5、二极管d8、二极管d9、二极管d3、电阻r8、三极管q4给电容c5、电容c9、电容c6及电容c8充电，当电容c4电压达到26.6v、电容c5电压达到26.6v、电容c9电压达到25.2v、电容c6电压达到23.8v、电容c8电压达到23.5v时，充电达到平衡，电容c8上的电压去驱动mos管q1，输出电压vo为19.8v。
41.状态四：当振荡器输出由低变高，三极管q2导通，三极管q3关断，二极管d1反向截止，vcc通过三极管q2、电容c4、二极管d4、二极管d5、二极管d8、二极管d9、二极管d3、电阻r8、三极管q4给电容c5、电容c9、电容c6及电容c8充电，当电容c5电压达到30.2v、电容c9电压达到28.8v、电容c6电压达到27.4v、电容c8电压达到27.1v时，充电达到平衡，电容c8上的电压去驱动mos管q1，输出电压vo为23.4v。
42.状态五：当振荡器输出由高变低，三极管q2关断，三极管q3导通，vin通过二极管d1、电阻r5、三极管q3给电容c4充电，当电容c4电压为26.6v，充电达到平衡，二极管d4、二极管d8、二极管d9、二极管d3反向截止，电容c5、电容c9、电容c6与电容c8电压维持在上一个状态的电压，电容c5上的电压通过二极管d5、电容c4及三极管q3给电容c3充电，当电容c3电压达到2.2v，充电达到平衡，用电容c8上的电压去驱动mos管q1，输出电压vo为23.4v。
43.状态六：当振荡器输出由低变高，三极管q2导通，三极管q3关断，二极管d1反向截止，vcc通过三极管q2、电容c4、二极管d4给电容c5充电，vcc通过三极管q2、电容c4、电容c3、二极管d8、二极管d9、二极管d3、电阻r8、三极管q4给电容c9、电容c6及电容c8充电，二极管d5反向截止，当电容c5电压达到30.2v、电容c9电压达到32.4v、电容c6电压达到31v、电容c8电压达到30.7v时，充电达到平衡，电容c8上的电压去驱动mos管q1，输出电压vo为27v。
44.状态七：当振荡器输出由高变低，三极管q2关断，三极管q3导通，vin通过二极管d1、电阻r5、三极管q3给电容c4充电，当电容c4电压达到26.6v，充电达到平衡，二极管d4、二极管d8、二极管d3反向截止，电容c5、电容c9、电容c6与电容c8电压维持在上一个状态的电压，电容c5上的电压通过二极管d5、电容c4及三极管q3给电容c3充电，当电容c3电压达到2.2v，充电达到平衡，电容c9上的电压通过二极管d9、电容c3、电容c4及三极管q3给电容c10充电，当电容c10电压达到2.2v，充电达到平衡，用电容c8上的电压去驱动mos管q1，输出电压vo为27v。
45.状态八：当振荡器输出由低变高，三极管q2导通，三极管q3关断，二极管d1反向截止，vcc通过三极管q2、电容c4、二极管d4给电容c5充电，vcc通过三极管q2、电容c4、电容c3、二极管d8给电容c9充电，vcc通过三极管q2、电容c4、电容c3、电容c10、二极管d3、电阻r8、三极管q4给电容c6及电容c8充电，二极管d5、二极管d9反向截止，当电容c5电压达到30.2v、电容c9电压达到32.4v、电容c6电压达到34.6v、电容c8电压达到34.3v时，充电达到平衡，电容c8上的电压去驱动mos管q1，输出电压vo为27.9v。
46.状态九：当振荡器输出由高变低，三极管q2关断，三极管q3导通，vin通过二极管d1、电阻r5、三极管q3给电容c4充电，当电容c4电压为26.6v，充电达到平衡，二极管d4、二极管d8、二极管d3反向截止，电容c5、电容c9、电容c6与电容c8电压维持在上一个状态的电压，电容c5上的电压通过二极管d5、电容c4及三极管q3给电容c3充电，当电容c3电压为2.2v，充电达到平衡，电容c9上的电压通过二极管d9、电容c3、电容c4及三极管q3给电容c10充电，当电容c10电压为2.2v，充电达到平衡，用电容c8上的电压去驱动mos管q1，输出电压vo为27.9v。
47.振荡器通过不断的变换输出电平，通过充电以及放电来维持电容电容c8上电压的稳定，确保开关管可靠的开通，从而达到控制输出的目的。
48.以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。