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负电压输出电路

阅读：923发布：2020-05-11

IPRDB可以提供负电压输出电路专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种负电压输出电路。其包括电感、功率开关管、第一电容、第一开关电路、第二开关电路以及第一输出电容；电感的第一端与电压输入端的正极连接，第二端与功率开关管的第一极性端连接，功率开关管的第二极性端与电压输入端的负极以及电压输出端的负极共同连接，第一电容的第一端与电感的第二端连接，第二端与第一开关电路的第一端连接，第一开关电路的第二端与第一输出电容的第一端连接，第一输出电容的第二端与电压输出端的负极连接；第二开关电路的第一端与第一电容的第二端连接，第二端与电压输出端的负极连接；在任意时刻，第一开关电路的通断状态与功率开关管的通断状态一致，第二开关电路的通断状态与功率开关管的通断状态相反。，下面是负电压输出电路专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种负电压输出电路，其特征是，包括电感、功率开关管、第一电容、第一开关电路、第二开关电路以及第一输出电容；

所述电感的第一端与电压输入端的正极连接，第二端与所述功率开关管的第一极性端连接，所述功率开关管的第二极性端与所述电压输入端的负极以及电压输出端的负极共同连接；

所述第一电容的第一端与所述电感的第二端连接，第二端与所述第一开关电路的第一端连接，所述第一开关电路的第二端与所述第一输出电容的第一端连接，所述第一输出电容的第二端与所述电压输出端的负极连接；

所述第二开关电路的第一端与所述第一电容的第二端连接，第二端与所述电压输出端的负极连接；

在任意时刻，所述第一开关电路的通断状态与所述功率开关管的通断状态一致，所述第二开关电路的通断状态与所述功率开关管的通断状态相反。

2.根据权利要求1所述的负电压输出电路，其特征是，还包括：第二电容、第三开关电路、第四开关电路、以及第二输出电容；

所述第二电容的第一端与所述电感的所述第二端连接，第二端与所述第三开关电路的第一端连接，所述第三开关电路的第二端与所述第二输出电容的第一端连接，所述第二输出电容的第二端与所述电压输出端的负极连接；

所述第四开关电路的第一端与所述第二电容的所述第二端连接，第二端与所述第一输出电容的所述第一端连接；

在任意时刻，所述第三开关电路的通断状态与所述功率开关管的通断状态一致，所述第四开关电路的通断状态与所述功率开关管的通断状态相反。

3.根据权利要求2所述的负电压输出电路，其特征是，所述第三开关电路包括第三二极管，

所述第三二极管的阴极与所述第二电容的所述第二端连接，阳极与所述第二输出电容的所述第一端连接。

4.根据权利要求2或3所述的负电压输出电路，其特征是，所述第四开关电路包括第四二极管，

所述第四二极管的阳极与所述第二电容的所述第二端连接，阴极与所述第一输出电容的所述第一端连接。

5.根据权利要求1或2或3所述的负电压输出电路，其特征是，所述第一开关电路包括第一二极管，

所述第一二极管的阴极与所述第一电容的所述第二端连接，阳极与所述第一输出电容的所述第一端连接。

6.根据权利要求1或2或3所述的负电压输出电路，其特征是，所述第二开关电路包括第二二极管，

所述第二二极管的阳极与所述第一电容的所述第二端连接，阴极与所述电压输出端的负极连接。

7.根据权利要求1或2或3所述的负电压输出电路，其特征是，所述电压输入端的负极、所述电压输出端的负极以及所述功率开关管的所述第二极性端均接地。

8.根据权利要求1或2所述的负电压输出电路，其特征是，在所述电压输入端的正、负极之间还并联有一输入电容。

说明书全文

负电压输出电路

技术领域

[0001] 本发明涉及电子领域，尤其涉及一种负电压输出电路。

背景技术

[0002] 在开关电源中，现有技术通常采用Buck-Boost变换器来实现负电压输出。图1给出了一种输出负电压的Buck-Boost电路，如图1所示，Buck-Boost电路包括Buck-Boost变换器和驱动电路，其功率开关管Q在驱动电路的控制下导通或者关断。

[0003] 由图1可见，该电路中的功率开关管Q的源极“S”与电感L连接，所以其源极“S”的电势较高，只有输入至栅极“G”的驱动信号具有较高的电压，才可产生较高的栅源电压Vgs，从而驱动功率开关管Q工作。这样，在应用时，不能直接向功率开关管Q的栅极“G”输入脉宽调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）信号来驱动功率开关管Q工作，而需要设置放大电路对PWM信号进行放大，将放大后的PWM信号输入至功率开关管Q的栅极“G”，才能驱动功率开关管Q工作。故应用现有技术存在：用于驱动该功率开关管Q的驱动电路较复杂的缺陷。

[0004] 另外，应用图1所示电路还存在以下的缺陷：当功率开关管Q关断时，功率开关管Q两端承受的电压应力较高。譬如，设当前输入电压Vin为4V，输出电压Vo为-10V，则图1所示电路中的功率开关管Q两端承受的电压应力为(Vin-Vo)=4+10=14，即高达14V。

[0005] 综上，采用图1所示的现有技术存在驱动电路复杂，功率开关管的电压应力高的缺陷，不利于实施。

发明内容

[0006] 本发明实施例目的在于：提供一种负电压输出电路，应用该技术方案有利于降低功率开关管的电压应力。

[0007] 第一方面，本发明实施例提供的一种负电压输出电路，包括电感、功率开关管、第一电容、第一开关电路、第二开关电路以及第一输出电容；

[0008] 所述电感的第一端与电压输入端的正极连接，第二端与所述功率开关管的第一极性端连接，所述功率开关管的第二极性端与所述电压输入端的负极以及电压输出端的负极共同连接；

[0009] 所述第一电容的第一端与所述电感的第二端连接，第二端与所述第一开关电路的第一端连接，所述第一开关电路的第二端与所述第一输出电容的第一端连接，所述第一输出电容的第二端与所述电压输出端的负极连接；

[0010] 所述第二开关电路的第一端与所述第一电容的第二端连接，第二端与所述电压输出端的负极连接；

[0011] 在任意时刻，所述第一开关电路的通断状态与所述功率开关管的通断状态一致，所述第二开关电路的通断状态与所述功率开关管的通断状态相反。

[0012] 结合第一方面，在第一种实现方式下，还包括：第二电容、第三开关电路、第四开关电路、以及第二输出电容；

[0013] 所述第二电容的第一端与所述电感的所述第二端连接，第二端与所述第三开关电路的第一端连接，所述第三开关电路的第二端与所述第二输出电容的第一端连接，所述第二输出电容的第二端与所述电压输出端的负极连接；

[0014] 所述第四开关电路的第一端与所述第二电容的所述第二端连接，第二端与所述第一输出电容的所述第一端连接；

[0015] 在任意时刻，所述第三开关电路的通断状态与所述功率开关管的通断状态一致，所述第四开关电路的通断状态与所述功率开关管的通断状态相反。

[0016] 结合第一方面，在第一种实现方式下，所述第三开关电路包括第三二极管，[0017] 所述第三二极管的阴极与所述第二电容的所述第二端连接，阳极与所述第二输出电容的所述第一端连接。

[0018] 结合第一方面，在第一种实现方式下，所述第四开关电路包括第四二极管，[0019] 所述第四二极管的阳极与所述第二电容的所述第二端连接，阴极与所述第一输出电容的所述第一端连接。

[0020] 结合第一方面，在第一种实现方式下，所述第一开关电路包括第一二极管，[0021] 所述第一二极管的阴极与所述第一电容的所述第二端连接，阳极与所述第一输出电容的所述第一端连接。

[0022] 结合第一方面，在第一种实现方式下，所述第二开关电路包括第二二极管，[0023] 所述第二二极管的阳极与所述第一电容的所述第二端连接，阴极与所述电压输出端的负极连接。

[0024] 结合第一方面，在第一种实现方式下，所述电压输入端的负极、所述电压输出端的负极以及所述功率开关管的所述第二极性端均接地。

[0025] 结合第一方面，在第一种实现方式下，在所述电压输入端的正、负极之间还并联有一输入电容。

[0026] 由上可见，应用本实施例技术方案，可实现负电压的输出。另外，在本实施例中，当功率开关管Q关断时，功率开关管Q两极性端的电压等于Cf1两端的电压：-Vo，即功率开关管的电压应力为Vo。相对于现有技术中功率开关管的电压应力为：|Vo|+|Vin|的技术方案，采用本实施例技术方案，功率开关管Q承受的电压应力更低，故采用本实施例技术方案对功率开关管Q的要求更低。

附图说明

[0027] 图1为现有技术提供的一种可输出负电压的Buck-Boost电路示意图；

[0028] 图2为本发明实施例1提供的一种负电压输出电路的结构示意图；

[0029] 图3为图2所示电路的驱动电路连接结构示意图；

[0030] 图4为当图3电路中的功率开关管Q导通时形成的电路回路示意图；

[0031] 图5为当图3电路中的功率开关管Q关断时形成的电路回路示意图；

[0032] 图6为本发明实施例2提供的第一种负电压输出电路的结构示意图；

[0033] 图7为当图6电路中的功率开关管Q导通时形成的电路回路示意图；

[0034] 图8为当图6电路中的功率开关管Q关断时形成的电路回路示意图；

[0035] 图9为本发明实施例2提供的第二种负电压输出电路的结构示意图；

[0036] 图10为本发明实施3提供的一种负电压输出电路的结构示意图；

[0037] 图11为本发明实施4提供的一种负电压输出电路的结构示意图。

具体实施方式

[0038] 下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

[0039] 实施例1：

[0040] 图2为本实施例提供的一种负电压输出电路的电路原理示意图，图3为图2电路的驱动电路连接结构示意图。

[0041] 参见图2、3所示，本实施例的负电压输出电路主要包括：电感L、功率开关管Q、第一电容Cf1、第一二极管Df11以及第二二极管Df1。各部件的连接关系如下：

[0042] 在电压输入端Vi输入电压输入信号Vin，电压输入端Vi的正极“+”与电感L的第一端与连接，电感L的第二端与功率开关管Q的第一极性端（图中以NPN管的漏极“D”为例）连接，功率开关管Q的第二极性端（图中以NPN管的源极“S”为例）与电压输入端Vi的负极“-”连接。

[0043] 功率开关管Q的漏极“D”还与第一电容Cf1的第一端共同连接，第一电容Cf1的第二端与第一二极管Df11的阴极连接，第一二极管Df11的阳极与第一输出电容Co1的第一端连接，第一输出电容Co1的第二端与电压输出端Vo1的负极“-”连接，第一二极管Df11的阴极还与第二二极管Df1的阳极连接，第二二极管Df1的阴极与电压输出端Vo1的负极“-”连接。

[0044] 在功率开关管Q的导通控制端（图中以NPN管的栅极“G”为例）输入PWM信号，功率开关管Q在PWM信号的驱动下导通或者关断。参见图2所示，用于驱动功率开关管Q的驱动电路主要包括第一采样电阻R1、第二采样电阻R2、跨导放大器Gm、补偿电容Cc、比较器A和触发器（以RS触发器为例）。其工作原理如下：

[0045] 第一采样电阻R1、第二采样电阻R2对图2所示的负电压输出电路的输出电压Vo进行采样，在第一采样电阻R1、第二采样电阻R2之间的连接节点处得到反馈电压Vfb。在本实施例中，由于第二采样电阻R2的一端连接第一采样电阻R1，另一端连接直流供电电压Vcc，故可以在第一采样电阻R1、第二采样电阻R2之间的连接节点处得到正的反馈电压Vfb。跨导放大器Gm接收反馈电压Vfb以及外部输入的基准电压Vref，跨导放大器Gm将两者进行比较并对上述两者的电压差值进行转换，在跨导放大器Gm的输出端输出电流，该电流对接地的补偿电容Cc进行充电，得到补偿电压Vc。比较器A接收补偿电压Vc以及用于表征电感电流峰值的采样电压VL_pk，在比较器A的输出端输出比较信号。触发器RS的复位端“R”端接收该比较信号，置位端“S”端接收时钟信号CLK，在触发器RS的输出端“Q”端输出PWM信号，以控制功率开关管Q的导通。

[0046] 在PWM信号控制下，图2、3所示负电压输出电路的工作原理如下：

[0047] 在PWM信号的控制下，功率开关管Q导通或者关断，具体是:

[0048] 参见图4所示，当PWM信号为高电平时，功率开关管Q导通。

[0049] 在靠近电压输入端Vi侧，形成包括电感L、功率开关管Q以及电压输入端Vi的第一回路H11。

[0050] 在第一回路H11中，电压输入信号Vin由电压输入端Vi的正极“+”流入，流入电感L，对电感L充电，充电电流I11经过电感L、功率开关管Q流入电压输入端Vi的负极“-”。电感L两端的电压等于输入电压Vin；

[0051] 在靠近电压输出端Vo1侧，由于第一电容Cf1上存储有能量，第一电容Cf1与功率开关管Q连接的一端的电势为零，故第一电容Cf1与第一二极管Df11阴极连接的一端的电势为负值，即第一二极管Df11阴极的电势为负值，此时第一二极管Df11导通，形成包括第一电容Cf1、功率开关管Q、电压输出端Vo1以及第一二极管Df11的第二回路H12。

[0052] 在第二回路H12中，第一电容Cf1放电，形成放电电流I12。具体是，放电电流I12由第一电容Cf1的一端流过导通的功率开关管Q、经过电压输出端Vo1的负极“-”、电压输出端Vo1的正极“+”，流过导通的第一二极管Df11，流回到第一电容Cf1的另一端。对第二回路H12的电压分析可知，第一电容Cf1两端的电压为-Vo1。

[0053] 参见图5所示，当PWM信号为低电平时，功率开关管Q关断。

[0054] 在靠近电压输入端Vi侧，电压输入信号Vin通过电感L流入第一电容Cf1，对第一电容Cf1充电，电感L处于放电状态，第一电容Cf1上的能量持续增加，使第一电容Cf1与第二二极管Df1的阳极连接的一端的电势变为正电势，第二二极管Df1导通，第一二极管Df11关断。此时形成包括电感L、第一电容Cf1、第二二极管Df1以及电压输入端Vo1的第三回路H03。

[0055] 在第三回路H03中，电压输入信号Vin通过第三回路H03对第一电容Cf1充电，充电电流I03的流向具体为：由电压输入端Vi的正极“+”流入，流经电感L，对第一电容Cf1充电，经过第一电容Cf1后流经导通的第二二极管Df1，流入电压输入端Vi的负极“-”。

[0056] 在靠近电压输出端Vo1侧，第一二极管Df11关断，由并联在电压输出端Vo1的输出电容Co1提供输出电压Vo。

[0057] 在图2-5所示电路中，在PWM信号由高电平变为低电平时刻，即电感开始放电时刻，第一电容Cf1两端的电压为-Vo，电感L两端的电压VL等于Vi+Vo。

[0058] 对上述电路应用伏秒平衡原则：在稳态工作的开关电源中，电感L两端的正伏秒值等于负伏秒值，有以下的表达式（1）成立：

[0059] Vin*D=-(Vin+Vo)*(1-D)，（1）

[0060] 其中，D为PWM信号的占空比。

[0061] 根据表达式（1）可以得到：，由于0

[0062] 另外，在本实施例中，当功率开关管Q关断时，功率开关管Q两极性端的电压等于Cf1两端的电压：-Vo，即功率开关管的电压应力等于Vo。相对于现有技术中功率开关管的电压应力等于|Vo|+|Vin|的技术方案，采用本实施例技术方案，功率开关管Q承受的电压应力更低，故采用本实施例技术方案对功率开关管Q的要求更低。

[0063] 作为本实施例的示意，可以使电压输入端Vi的负极“-”、电压输出端Vo1的负极“-”和功率开关管Q的第二极性端（图中以NPN管的源极“S”“为例）均接地。使该功率开关管Q中的栅源电压Vgs等于功率开关管Q中的栅极电压Vg，故直接在功率开关管Q的栅极“G”输入PWM信号，即可用于驱动该功率开关管，而无需对PWM信号进行放大。相对于图1所示必须对PWM信号进行放大后才能用于驱动该功率开关管的技术方案，本实施例技术方案在应用时所需的驱动电路更加简单，更易于实现。

[0064] 作为本实施例的示意，还可以在本实施例的电压输入端Vi的正极“+”与负极“-”之间连接一输入电容Cin，以对电压输入信号Vin进行滤波，以进一步提高本实施例电路的工作稳定性。

[0065] 实施例2:

[0066] 图6为本实施例提供的一种负电压输出电路的电路结构示意图。本实施例电路为在实施例1的电路基础上进行扩展得到的一种优选实施例结构。

[0067] 参见图6所示，本实施例负电压输出电路除了包括图2所示的电路外，还进一步包括：第二电容Cf2、第三二极管Df22、第四二极管Df2、以及第二输出电容Co2。

[0068] 电感L与功率开关管Q第一极性端的共同连接节点还与第二电容Cf2的一端连接，第二电容Cf2的另一端与第三二极管Df22的阴极以及第四二极管Df2的阳极共同连接，第三二极管Df22的阳极与第二输出电容Co2的第一端连接，第二输出电容Co2的第二端与电压输出端Vo2的负极“-”连接，即第二输出电容Co2并联在电压输出端Vo2上，第四二极管Df2的阴极与第一二极管Df11的阳极连接。

[0069] 图6所示负电压输出电路的工作原理如下：

[0070] 当PWM信号为高电平，功率开关管Q导通时，参见图7所示，在电路中除了形成有：第一回路H11、第二回路H12外，还形成有第四回路H14。其中，第一回路H14包括电压输入端Vi、电感L以及功率开关管Q。第二回路H12包括第一输出电容Co1、第一二极管Df11、第一输出电容Co1以及功率开关管Q。第四回路H14包括：电压输出端Vo2、第三二极管Df22、第二电容Cf2以及功率开关管Q。其中第一回路H11、第二回路H12的工作原理详细见实施例1中的分析，第四回路H14的电路结构以及工作原理同理于第二回路H12，在此不再赘述。

[0071] 当PWM信号为低电平，功率开关管Q关断时，参见图8所示，在电路中除了形成有：第三回路H03外，还形成有第五回路H05。其中第三回路H03包括电压输入端Vi、电感L、第一电容Cf1以及第二二极管Df1。第五回路H05包括电压输入端Vi、电感L、第二电容Cf2、第四二极管Df2以及第一输出电容Co1。其中，第三回路H03的工作原理详细见实施例1中的分析，第五回路H05的电路结构以及工作原理同理于第三回路H03，在此不再赘述。

[0072] 由上可见，采用本实施例的技术方案除了具备实施例1中的有益效果外，还由于本实施例中，当功率开关管Q关断时，除了通过第三回路H03对第一电容Cf1充电外，还通过第五回路H05对第二电容Cf2充电，其相对于图2所示的结构，该电路结构多了一套与第三回路H03相对称的第五回路H05。经过与实施例1类似的分析可知，相对于实施例1，应用实施例2的电路能进一步减小功率开关管Q承受的电压应力。故利用本实施例技术方案有利于进一步降低功率开关管Q承受的电压应力。

[0073] 作为本实施例的示意，设本实施例的电压输出端Vo2输出的电压与实施例1的电压输出端Vo1输出的电压均为Vo时，当使第五回路H05与第三回路H03中的对应器件参数相同，并使该两回路完全对称时，本实施例图6-8所示电路中的第一输出电容Co1两端的电压等于，即本实施例中功率开关管Q承受的电压应力等于，仅为实施例1中的功率开关管Q承受的电压应力的一半。

[0074] 另外，由本实施例的结构以及工作原理为基础，还可以对电路进行进一步的扩展，其对应的电路结构可以参见图9示意，其原理同理于图6-8以及上述的原理分析，在此不再赘述。

[0075] 实施例3：

[0076] 参见图10所示，本实施例与实施例1中图2所示的区别主要在于：

[0077] 本实施例采用第一开关Kf11替换实施例1中的第一二极管Df11，第二开关Kf1替换实施例1中的第二二极管Df1。当功率开关管Q导通时，第一开关Kf11导通，第二开关Kf1关断；当功率开关管Q关断时，第一开关Kf11关断，第二开关Kf1导通。

[0078] 作为本实施例的示意，可以采用PWM信号作为第一开关Kf11的导通控制信号，使用PWM信号的取反信号作为第二开关Kf1的导通控制信号，使第一开关Kf11的通断状态与功率开关管Q的通断状态相同，第二开关Kf1的通断状态与功率开关管Q的通断状态相反。

[0079] 本实施例电路的工作原理以及有益效果详细参见实施例1中的相应描述。

[0080] 实施例4：

[0081] 参见图11所示，本实施例与实施例2中图6所示的区别主要在于：

[0082] 本实施例采用第一开关Kf11替换实施例2中的第一二极管Df11，第二开关Kf1替换实施例1中的第二二极管Df1，第三开关Kf22替换实施例2中的第三二极管Df22，第四开关Kf2替换实施例2中的第四二极管Df2。当功率开关管Q导通时，第一开关Kf11以及第三开关Kf22导通，第二开关Kf1以及第四开关Kf2关断；当功率开关管Q关断时，第一开关Kf11以及第三开关Kf22关断，第二开关Kf1以及第四开关Kf2导通。

[0083] 作为本实施例的示意，可以采用PWM信号作为第一开关Kf11以及第三开关Kf22的导通控制信号，使用PWM信号的取反信号作为第二开关Kf1以及第四开关Kf2的导通控制信号，使第一开关Kf11以及第三开关Kf22的通断状态与功率开关管Q的通断状态相同，第二开关Kf1以及第四开关Kf2的通断状态与功率开关管Q的通断状态相反。

[0084] 本实施例电路的工作原理以及有益效果详细参见实施例2中的相应描述。

[0085] 以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

标题	发布/更新时间	阅读量
电压输出电路-专利编号CN103874266A	2020-05-12	691
分数输出电压倍增器-专利编号CN105471255B	2020-05-13	659
负电压输出电路-专利编号CN103916009A	2020-05-11	920
降电压输出电路-专利编号CN1592054A	2020-05-13	481
低电压输出电路-专利编号CN101510724B	2020-05-11	632
电压输出装置-专利编号CN101178613B	2020-05-11	254
电压输出装置-专利编号CN101178613A	2020-05-12	550
电压输出电路-专利编号CN103874266B	2020-05-11	73
低电压输出电路-专利编号CN101510724A	2020-05-13	620
负电压输出电路-专利编号CN100511936C	2020-05-12	777

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