專利名稱：電荷泵電路以及包含該電路的電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例涉及電子電路，尤其涉及電荷泵電路、包含該電路的電源裝置以及為負(fù)載提供電源的方法。
背景技術(shù)：
為負(fù)載提供電能的驅(qū)動(dòng)電路常常需要大容值的輸出電容器來吸收交流輸出功率， 然而大容值的輸出電容器體積大且成本高昂，同時(shí)在電容器類型的選取上也有很大局限。 在發(fā)光二極管(light-emitting diode, LED)驅(qū)動(dòng)電路中，該問題尤為明顯。隨著科技的不斷發(fā)展，LED由于其體積小、驅(qū)動(dòng)簡單且節(jié)能環(huán)保，正逐漸取代熒光燈在液晶顯示背光和普通照明中的應(yīng)用。LED需要驅(qū)動(dòng)電路來為其提供受控的電流信號(hào)。為了使電網(wǎng)資源得到充分利用，避免對(duì)電網(wǎng)造成高次諧波污染，輸出功率大于5W的LED驅(qū)動(dòng)電路需要滿足功率因數(shù)(power factor,PF)和總諧波失真(total harmonic distortion, THD)方面的要求。因而這類LED驅(qū)動(dòng)電路通常包括無源功率因數(shù)校正(power factor correction, PFC)電路或者使用有源PFC技術(shù)。圖1為具有PFC功能的LED驅(qū)動(dòng)電路的波形圖，其中Vin為LED驅(qū)動(dòng)電路的輸入電壓，iin為輸入電流，Pin為輸入功率，V0為輸出電壓。由于LED消耗直流功率，因而LED驅(qū)動(dòng)電路需要大容值的輸出電容器來儲(chǔ)存能量并減小紋波。該輸出電容器通常采用電解電容， 因?yàn)槌穗娊怆娙葜?，很難再有其他類型的電容能同時(shí)滿足高耐壓和大容值的要求。然而，電解電容的壽命很短，通常小于10000小時(shí)。與平均壽命長達(dá)50000小時(shí)的 LED相比，電解電容會(huì)對(duì)整個(gè)LED燈具的壽命造成不利影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供電荷泵電路、包含該電路的電源裝置以及為負(fù)載提供電源的方法，可減小輸出電容器的容值并為輸出電容器類型的選取提供更多的選擇。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的一種用于電源裝置的電荷泵電路，包括第一電容器，與兩端加有一電壓的負(fù)載并聯(lián)；一個(gè)或多個(gè)泵送電容器；第二電容器；以及開關(guān)陣列，包括多個(gè)開關(guān)管，電耦接至所述第一電容器、第二電容器和至少一個(gè)泵送電容器，接收第一電容器兩端的電壓，控制至少一個(gè)泵送電容器的充電與放電，以使第二電容器兩端的電壓大于第一電容器兩端的電壓。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的一種電源裝置，包括驅(qū)動(dòng)電路，電耦接至負(fù)載，為負(fù)載提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)；以及如前所述的電荷泵電路。根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的一種為負(fù)載提供電源的方法，包括為負(fù)載提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)； 將第一電容器與負(fù)載并聯(lián)；以及通過多個(gè)開關(guān)管控制至少一個(gè)泵送電容器的充電與放電， 使第二電容器兩端的電壓大于第一電容器兩端的電壓。通過電荷泵電路增大輸出電容器兩端的電壓，在相同輸出功率下減小了輸出電容器的容值，并為輸出電容器類型的選取提供了更多的選擇。


圖1為具有PFC功能的LED驅(qū)動(dòng)電路的波形圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的電源電路的框圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的電源電路的電路圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的圖3所示電源電路的波形圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的電源電路的電路圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的電源電路的電路圖；圖7為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的為負(fù)載提供電源的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面將詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)注意，這里描述的實(shí)施例只用于舉例說明，并不用于限制本發(fā)明。在以下描述中，為了提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解，闡述了大量特定細(xì)節(jié)。然而，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的是不必采用這些特定細(xì)節(jié)來實(shí)行本發(fā)明。在其他實(shí)例中，為了避免混淆本發(fā)明，未具體描述公知的電路、材料或方法。在整個(gè)說明書中，對(duì)“ 一個(gè)實(shí)施例”、“實(shí)施例”、“ 一個(gè)示例”或“示例”的提及意味著結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包含在本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施例中。 因此，在整個(gè)說明書的各個(gè)地方出現(xiàn)的短語“在一個(gè)實(shí)施例中”、“在實(shí)施例中”、“一個(gè)示例” 或“示例”不一定都指同一實(shí)施例或示例。此外，可以以任何適當(dāng)?shù)慕M合和/或子組合將特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性組合在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中。此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。應(yīng)當(dāng)理解， 當(dāng)稱“元件” “連接到”或“耦接”到另一元件時(shí)，它可以是直接連接或耦接到另一元件或者可以存在中間元件。相反，當(dāng)稱元件“直接連接到”或“直接耦接到”另一元件時(shí)，不存在中間元件。相同的附圖標(biāo)記指示相同的元件。這里使用的術(shù)語“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)列出的項(xiàng)目的任何和所有組合。圖2為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的電源電路的框圖，包括驅(qū)動(dòng)電路201和電荷泵電路 202。驅(qū)動(dòng)電路201電耦接至負(fù)載，為負(fù)載提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路201可為開關(guān)電路、低壓差線性穩(wěn)壓器(low dropout regulator, LD0)等公知電路。在一個(gè)實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)電路 201具有PFC功能，例如為具有PFC功能的反激電路、或具有PFC功能的升壓電路與其他直流/直流變換電路的組合，負(fù)載為LED。電荷泵電路202包括第一電容器Cl、開關(guān)陣列203、至少一個(gè)泵送電容器Cf以及第二電容器C2。第一電容器Cl與負(fù)載并聯(lián)。開關(guān)陣列203包括多個(gè)開關(guān)管，電耦接至第一電容器Cl、第二電容器C2以及至少一個(gè)泵送電容器Cf。開關(guān)陣列203接收第一電容器Cl 兩端的電壓，控制至少一個(gè)泵送電容器Cf的充電與放電，使泵送電容器&先存儲(chǔ)能量，然后以受控方式釋放能量，從而使第二電容器C2兩端的電壓大于第一電容器Cl兩端電壓V。ut， 例如為V。ut的η倍。η可為大于1的常數(shù)，也可根據(jù)開關(guān)陣列203中開關(guān)管連接方式的不同而在多個(gè)大于1的常數(shù)中選取。開關(guān)陣列203中的開關(guān)管可為任何可控半導(dǎo)體器件，例如金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、雙極結(jié)型晶體管(BJT)、絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)等。在一個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)陣列203中的開關(guān)管被集成于一集成電路中。由于第二電容器C2兩端的電壓大于第一電容器Cl兩端的電壓，且為其η倍，根據(jù)電容器存儲(chǔ)功率的計(jì)算公式0. 5*C*V2，在相同的輸出功率下，第二電容器C2的容值可降為現(xiàn)有技術(shù)中輸出電容器容值的1/n2。在相同的電容類型下，容值減小意味著體積減小且成本降低。此外，由于容值減小，第二電容器的選取可不再局限于電解電容，而選用陶瓷電容、 薄膜電容等其他類型的電容器。陶瓷電容和薄膜電容的壽命均長于電解電容，而且占用空間小、使用成本低。在一個(gè)實(shí)施例中，第一電容器Cl、第二電容器C2和至少一個(gè)泵送電容器 Cf均選用陶瓷電容或薄膜電容。在一個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)陣列203包括第一組開關(guān)管和第二組開關(guān)管。在第一狀態(tài)下，第一組開關(guān)管導(dǎo)通而第二組開關(guān)管關(guān)斷，第一電容器Cl兩端的電壓對(duì)至少一個(gè)泵送電容器Cf進(jìn)行充電。在第二狀態(tài)下，第二組開關(guān)管導(dǎo)通而第一組開關(guān)管關(guān)斷，第二電容器C2 兩端的電壓上升到第一電容器Cl兩端的電壓與至少一個(gè)泵送電容器Cf兩端的電壓之和。圖3為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的電源電路的電路圖。電荷泵電路302包括第一電容器Cl、開關(guān)陣列303、泵送電容器Cf以及第二電容器C2。第一電容器Cl與負(fù)載并聯(lián)。開關(guān)陣列303包括第一組開關(guān)管和第二組開關(guān)管。第一組開關(guān)管包括第二開關(guān)管Q2和第四開關(guān)管Q4，第二組開關(guān)管包括第一開關(guān)管Ql和第三開關(guān)管Q3。開關(guān)管Ql的第一端電耦接至第二電容器C2的第一端，開關(guān)管Ql的第二端電耦接至開關(guān)管Q2的第一端和泵送電容器Cf 的第一端。開關(guān)管Q2的第二端電耦接至第一電容器Cl的第一端和開關(guān)管Q3的第一端，開關(guān)管Q3的第二端電耦接至開關(guān)管Q4的第一端和泵送電容器Cf的第二端。開關(guān)管Q4的第二端電耦接至第一電容器Cl的第二端和第二電容器C2的第二端，并接地。當(dāng)開關(guān)管Q2和Q4導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)管Ql和Q3關(guān)斷，電容器Cf充電，其兩端的電壓被增大至等于電容器Cl兩端的電壓V。ut。當(dāng)開關(guān)管Ql和Q3導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)管Q2和Q4關(guān)斷，電容器Cl和電容器Cf串聯(lián)，電容器C2兩端的電壓被充電至等于電容器Cl兩端的電壓和電容器Cf兩端的電壓之和，即2*V。ut。由于電容器C2兩端的電壓為2*V。ut，在相同的輸出功率下，第二電容器C2的容值可降為現(xiàn)有技術(shù)中輸出電容器容值的1/4。為了維持電容器Cf的充放電平衡，開關(guān)管Q1、Q3的導(dǎo)通時(shí)間與開關(guān)管Q2、Q4的導(dǎo)通時(shí)間基本上相等。圖4為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的圖3所示電源電路的波形圖，其中Vg』Ql， Q3)為開關(guān)管Ql和Q3的柵源極電壓，Vgs(Q2, Q4)為開關(guān)管Q2和Q4的柵源極電壓。開關(guān)管Ql Q4的開關(guān)占空比為50%，從而達(dá)到最佳的電荷轉(zhuǎn)移效率。圖5為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的電源電路的電路圖。電荷泵電路502包括第一電容器Cl、開關(guān)陣列503、泵送電容器Cfl、Cf2以及第二電容器C2。第一電容器Cl與負(fù)載并聯(lián)。開關(guān)陣列503包括第一組開關(guān)管和第二組開關(guān)管，第一組開關(guān)管包括開關(guān)管Q5、開關(guān)管 Q8和開關(guān)管Q11，第二組開關(guān)管包括開關(guān)管Q6、開關(guān)管Q7、開關(guān)管Q9和開關(guān)管Q10。開關(guān)管Q5的第一端耦接至電容器Cl的第一端，開關(guān)管Q5的第二端耦接至開關(guān)管Q6的第一端和泵送電容器Cfl的第一端，開關(guān)管Q6的第二端耦接至開關(guān)管Q9的第一端和電容器C2的第一端。開關(guān)管Q7的第一端耦接至電容器Cl的第一端，開關(guān)管Q7的第二端耦接至泵送電容器Cfl的第二端和開關(guān)管Q8的第一端，開關(guān)管Q8的第二端耦接至開關(guān)管Q9的第二端和泵送電容器Cf2的第一端。開關(guān)管QlO的第一端耦接至電容器Cl的第一端，開關(guān)管QlO的第二端耦接至泵送電容器Cf2的第二端和開關(guān)管Qll的第一端，開關(guān)管Qll的第二端耦接至電容器Cl的第二端和電容器C2的第二端。開關(guān)管Q5 Qll的導(dǎo)通時(shí)間基本上相等。在一個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)管Q5 Qll的開關(guān)占空比為50%，從而達(dá)到最佳的電荷轉(zhuǎn)移效率。
當(dāng)開關(guān)管Q5、Q8和Qll導(dǎo)通，開關(guān)管Q6、Q7、Q9和QlO關(guān)斷，電容器Cfl和Cf2被充電，其兩端的電壓均被增大至等于0. 5*V。ut。當(dāng)開關(guān)管Q5、Q8和Qll關(guān)斷，開關(guān)管Q6、Q7、Q9 和QlO導(dǎo)通，電容器Cfl和Cf2并聯(lián)，再與電容器Cl串聯(lián)。電容器C2兩端的電壓被充電至等于電容器Cl兩端的電壓和電容器Cfl、Cf2兩端的電壓之和，即1.5*V。ut。由于電容器C2兩端的電壓為1.5*V。ut，在相同的輸出功率下，電容器C2的容值可降為現(xiàn)有技術(shù)中輸出電容器容值的1/2. 25。電源電路可根據(jù)需要將多個(gè)電荷泵電路級(jí)聯(lián)，以進(jìn)一步增大輸出電容器兩端的電壓并減小輸出電容器的容值。每一級(jí)電荷泵電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以相同，也可以不同，其電壓放大倍數(shù)可以相等，也可以不等。圖6為根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的電源電路的電路圖，其中將兩個(gè)類似于圖3所示電荷泵電路302的電荷泵電路602_1和602_2級(jí)聯(lián)，使得電容器C3 兩端的電壓為4*V。ut。在相同的輸出功率下，電容器C3的容值可降為現(xiàn)有技術(shù)中輸出電容器容值的1/16。在一個(gè)實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)電路601的輸出電壓V。ut為16V，負(fù)載電流為0. 5A。在基本相同的電壓紋波情況下，現(xiàn)有技術(shù)需要兩個(gè)并聯(lián)連接的470uF電解電容，而對(duì)于圖6所示的電源電路，僅需Cl = Cf3 = IOuF, C2 = Cf4 = 22uF，C3 = 47uF，而且該五個(gè)電容器均可選用陶瓷電容或薄膜電容。此外，由于電荷泵電路602_1和602_2中的開關(guān)管在工作過程中均為零電流導(dǎo)通和零電流關(guān)斷，所以不存在開關(guān)損耗。而這些開關(guān)管的導(dǎo)通電阻一般很小 (例如0. 2歐姆)，因而電荷泵電路602_1和602_2的功耗很低(例如0. Iff)。圖7為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的為負(fù)載提供電源的方法的流程圖，包括步驟711 713。在步驟711，為負(fù)載提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在步驟712，將第一電容器與負(fù)載并聯(lián)。在步驟713，通過多個(gè)開關(guān)管控制至少一個(gè)泵送電容器的充電與放電，使第二電容器兩端的電壓大于第一電容器兩端的電壓。由于第二電容器C2兩端的電壓大于第一電容器Cl兩端的電壓，在相同的輸出功率下，第二電容器C2的容值小于現(xiàn)有技術(shù)中輸出電容器容值。在相同的電容類型下，容值減小意味著體積減小且成本降低。此外，由于容值減小，第二電容器的選取可不再局限于電解電容，而選用陶瓷電容、薄膜電容等其他類型的電容器。雖然已參照幾個(gè)典型實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，所用的術(shù)語是說明和示例性、而非限制性的術(shù)語。由于本發(fā)明能夠以多種形式具體實(shí)施而不脫離本發(fā)明的精神或?qū)嵸|(zhì)，所以應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例不限于任何前述的細(xì)節(jié)，而應(yīng)在隨附權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)廣泛地解釋，因此落入權(quán)利要求或其等效范圍內(nèi)的全部變化和改型都應(yīng)為隨附權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種用于電源裝置的電荷泵電路，包括第一電容器，與兩端加有一電壓的負(fù)載并聯(lián)；一個(gè)或多個(gè)泵送電容器；第二電容器；以及開關(guān)陣列，包括多個(gè)開關(guān)管，電耦接至所述第一電容器、第二電容器和至少一個(gè)泵送電容器，接收第一電容器兩端的電壓，控制所述至少一個(gè)泵送電容器的充電與放電，以使第二電容器兩端的電壓大于第一電容器兩端的電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的電荷泵電路，其中所述開關(guān)陣列包括第一組開關(guān)管和第二組開關(guān)管，在第一狀態(tài)下，第一組開關(guān)管導(dǎo)通而第二組開關(guān)管關(guān)斷，第一電容器兩端的電壓對(duì)至少一個(gè)泵送電容器進(jìn)行充電，在第二狀態(tài)下，第二組開關(guān)管導(dǎo)通而第一組開關(guān)管關(guān)斷，第二電容器兩端的電壓上升到第一電容器兩端的電壓與至少一個(gè)泵送電容器兩端的電壓之和。
3.如權(quán)利要求2所述的電荷泵電路，其中所述第一組開關(guān)管包括第二開關(guān)管和第四開關(guān)管，第二組開關(guān)管包括第一開關(guān)管和第三開關(guān)管，第一開關(guān)管的第一端電耦接至第二電容器的第一端，第一開關(guān)管的第二端電耦接至第二開關(guān)管的第一端和泵送電容器的第一端，第二開關(guān)管的第二端電耦接至第一電容器的第一端和第三開關(guān)管的第一端，第三開關(guān)管的第二端電耦接至第四開關(guān)管的第一端和泵送電容器的第二端，第四開關(guān)管的第二端電耦接至第一電容器的第二端和第二電容器的第二端。
4.如權(quán)利要求3所述的電荷泵電路，其中所述第一、第二、第三和第四開關(guān)管的開關(guān)占空比為50%。
5.如權(quán)利要求2所述的電荷泵電路，其中第一組開關(guān)管包括第五開關(guān)管、第八開關(guān)管和第十一開關(guān)管，第二組開關(guān)管包括第六開關(guān)管、第七開關(guān)管、第九開關(guān)管和第十開關(guān)管， 其中第五開關(guān)管的第一端耦接至第一電容器的第一端，第五開關(guān)管的第二端耦接至第六開關(guān)管的第一端和第一泵送電容器的第一端，第六開關(guān)管的第二端耦接至第九開關(guān)管的第一端和第二電容器的第一端，第七開關(guān)管的第一端耦接至第一電容器的第一端，第七開關(guān)管的第二端耦接至第一泵送電容器的第二端和第八開關(guān)管的第一端，第八開關(guān)管的第二端耦接至第九開關(guān)管的第二端和第二泵送電容器的第一端，第十開關(guān)管的第一端耦接至第一電容器的第一端，第十開關(guān)管的第二端耦接至第二泵送電容器的第二端和第十一開關(guān)管的第一端，第十一開關(guān)管的第二端耦接至第一電容器的第二端和第二電容器的第二端。
6.如權(quán)利要求5所述的電荷泵電路，其中所述第五、第六、第七、第八、第九、第十和第十一開關(guān)管的開關(guān)占空比為50%。
7.如權(quán)利要求1所述的電荷泵電路，其中所述第一電容器、第二電容器和至少一個(gè)泵送電容器為陶瓷電容或薄膜電容。
8.如權(quán)利要求1所述的電荷泵電路，其中所述開關(guān)陣列被集成在一集成電路中。
9.一種電源裝置，包括驅(qū)動(dòng)電路，電耦接至負(fù)載，為負(fù)載提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)；以及如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的電荷泵電路。
10.如權(quán)利要求9所述的電源裝置，包括級(jí)聯(lián)的多個(gè)所述電荷泵電路。
11.如權(quán)利要求9所述的電源裝置，其中所述驅(qū)動(dòng)電路具有功率因數(shù)校正功能，負(fù)載為發(fā)光二極管。
12. 一種為負(fù)載提供電源的方法，包括 為負(fù)載提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)； 將第一電容器與負(fù)載并聯(lián)；以及通過多個(gè)開關(guān)管控制至少一個(gè)泵送電容器的充電與放電，使第二電容器兩端的電壓大于第一電容器兩端的電壓。
全文摘要
公開了電荷泵電路、包含該電路的電源裝置以及為負(fù)載提供電源的方法。該電荷泵電路包括第一電容器，與兩端加有一電壓的負(fù)載并聯(lián)；一個(gè)或多個(gè)泵送電容器；第二電容器；以及開關(guān)陣列，包括多個(gè)開關(guān)管，電耦接至所述第一電容器、第二電容器和至少一個(gè)泵送電容器，接收第一電容器兩端的電壓，控制所述至少一個(gè)泵送電容器的充電與放電，以使第二電容器兩端的電壓大于第一電容器兩端的電壓。通過電荷泵電路增大輸出電容器兩端的電壓，在相同輸出功率下減小了輸出電容器的容值，并為輸出電容器類型的選取提供了更多的選擇。
文檔編號(hào)H02M3/07GK102255503SQ20111020491
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月21日
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