[发明专利]电容矩阵DC-DC升压技术

说明书

技术领域

本发明属于电源技术领域 

背景技术

小功率升压电源模块一般采用电感，中小功率升压电路使用的是变压器。用变压器设计的升压器简单、成本低。缺点是转换效率低，电池电量利用率低。本发明就是为改善中小功率直流升压效率和改善开关器件工作应力而发明的。而且可以实现正弦半周期输出。 

发明内容

本发明采用电容升压。 

电容升压的难点： 

电容充电到满也只有电源电压，如何实现升压。 

输出电压如何稳定，电容的脉冲性质决定了它放电快，输出纹波电压怎样解决。 

如何提供持续的额定输出电流。 

针对以上的难点，采用电容矩阵电路结构，用单片机控制行并联轮流充电，每列都能不间断放电，固定脉宽的调频稳压方案。(矩阵的行电容同时充电，列电容串联后并联向负载不间断供电) 

如图1。该电路是一个3行3列的电容矩阵。右边为输入电压，左边为输出电压。 

由单片机控制的开关工作顺序为： 

S1S4接通，给第一行充电完成，断开S1S4。 

S2S5接通，给第二行充电完成，断开S2S5。 

S3S6接通，给第三行充电完成，断开S3S6。 

图1中，每一行的3个电容由4只二极管同向组合连接。比如第一行电容C1、C2、C3，由二极管D1、D2、D3、D4连接，并且向左方向为二极管的正方向。在二极管D1的正极和电容C1的正极并联后接有开关S1，二极管D4的负极和电容C3的负极并联后接有开关S4。当开关S1、S4同时接通并且S1接正极S4接负极时，输入电源Uin给第一行电容C1、C2、C3充电。 

C1的充电回路为：电源正极、S1、C1、D3、D4、S4、电源负极。 

C2的充电回路为：电源正极、S1、D1、C2、D4、S4、电源负极。 

C3的充电回路为：电源正极、S1、D1、D2、C3、S4、电源负极。 

由上可知，每只电容都经过了两只二极管充电，即每支电容电压是相等的，当开关S1，S4断开时， 二极管不会导通。忽略开关S1S4的压降，设电容电压为Uc，矩阵列数为Y，行数为X，输入电压为Uin，选用肖特基二极管，压降为0.3。 

则U_c＝U_in-0.3*(Y-1) 

当S1、S4断开后，接通第二行开关S2、S5，给电容C4、C5、C6充电。 

C4充电回路为：电源正极、S2、C4、D5、D6、S5、电源负极。 

C5充电回路为：电源正极、S2、D3、C5、D6、S5、电源负极。 

C6充电回路为：电源正极、S2、D3、D4、C6、S5、电源负极。 

第二行每支电容上充得的电压仍为U_c＝U_in-0.3*(Y-1)。 

当开关S2、S4断开后，接通第三行开关S3、S6，给电容C7、C8、C9充电。 

C7的充电回路为：电源正极、S3、C7、D7、D8、S6、电源负极。 

C8的充电回路为：电源正极、S3、D5、C8、D8、S6、电源负极。 

C9的充电回路为：电源正极、S3、D5、D6、C9、S6、电源负极。 

第三行每支电容上充得的电压仍为U_c＝U_in-0.3*(Y-1)。 

此后，矩阵中的各元件在单片机的控制下重复上述步骤。 

由于电容具有电压保持的作用，即储能。由上可知：输出电压 

U_out＝X*[U_in-0.3*(Y-1)] 

时序图如图2。Cp为单片机定时器由程序控制产生的脉冲。设cp的宽度为t1。设在脉冲的下降沿开关导通，上升沿开关关闭，充电时间即为图2中的t2。脉冲宽度即t1为死区时间(当两行开关同时接通时，会出现输入电源短路的情况，比如S2S4同时接通时，D3、D4将电源直接短路了，这种情况下必须得设立死区时间)。图中取C1、C4、C7电压波形，并分别命名为Uc1、Uc4、Uc7。Uout上升平坦是因为每行电容充电时，即便是完全充电放电，对输出电压的影响也只有1/3，X行即为1/X。 

由于三行是轮流充电，并且加上了死区时间，所以 

每行的工作频率       f＝1/[X*(t₁+t₂)] 

即是cp频率的1/X。