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。 

如果有2个独立的电源供电，输出波形就会稳定得多。因为1个电源的死区时间正好可以用做另一个电源的充电时间，此时，cp应设置为方波。此时每行的工作频率f＝2/[X*(t₁+t₂)]。如果有n个电源，则f＝n/[X*(t₁+t₂)]，即cp频率的n/X。 

如图3，图中为4行3列的输出波形。两个电源是轮流充电的，填补了死区下限电压，在每个脉冲的上升沿两行开关同时反向动作(即一个电源断开，另一个电源接通，并且同时动作)。设第一、二、 三、四行的开关编号分别为S1S5、S2S6、S3S7、S4S8。S1S5、S2S6由第一电源供电，S3S7、S4S8由第二电源供电。电容电压分别为Uc1、Uc4、Uc7、Uc10。Uout为输出电压。因为在每个脉冲周期，都是3行放电1行充电并且四行电容的总状态一致。设充放电周期为1并且充电开始处为0，则第一行充电各电容的状态为：Uc1——0至1/4周期变化，Uc4——2/4至3/4周期变化，Uc7——3/4至4/4周期变化，Uc10——1/4至2/4周期变化。所以输出波形是直线的。 

从图1中可知，每只电容的放电回路都经过了负载电阻，并且电容是串联放电的。根据等容量电容串联的公式：“总容量的倒数等于串联各电容的倒数和”可知，总电容量小于单只电容容量。也就是说放电电阻要大于充电电阻、放电电流小于充电电流，并且行数越多、放电电阻阻越大，放电电流就会越小，同时电压也会升得更高。这满足能量守恒的：该电容矩阵将低压大电流转变成了高压小电流，即功率守恒。 

图1中，二极管D9、D10、D11为供电隔离二极管。输出的正极直接从C3的正极输出，负极如果从C9的负极输出，则因二极管D8、D7的隔离作用，第二列和第三列不能对负载供电，如去掉D7、D8，则在给负载供电的同时，列与列之间形成了回路，消耗了电容能量。所以以D9、D10、D11为各自列的供电，而任意两列之间却不能形成回路。矩阵中的各二极管除了有充电导流的功能外，还让任意两只电容之间均不能形成回路，避免了矩阵内部电容通过对方内阻消耗电能。 

由上可知，如果控制每一轮开关充电时间的长短，自然可以控制电容的充电电压以正弦规律变化，这只要在程序上设计就可以了。如果控制输出电压以正弦方式变化并且频率为100HZ，在输出端通过逆变桥电路，让输出每变化一个正弦半周就反向，输出电压自然就为正弦波。这种波形不需要其他滤波或整形电路，因为本身就由电容输出的，通过逆变桥后可以直接端接交流电机，没有准正弦逆变器(方波)拖动电机时的冲击电流和电压。 

从输出端向矩阵看，每列电容是直接串联后再并联供电的，减小了电容矩阵给负载供电的内阻，保证输出的额定电流和额定电压。从输入端向矩阵看，每行电容是并联同时充电的，除开关死区外，任意时刻都会有一行电容同时充电，由于输入电源只接通其中一行，所以不会有输出端高压冲击输入端低压的情况。这种行同时充电列不间断放电的工作方式解决了输出电流的持续问题，同时也稳定了 

输出电压。由于输出回路中没有开关，所以该电容矩阵的输出是平滑的，没有脉冲。还有一点，该电容矩阵启动自然为软启动，关闭时电压连续下降，对负载没有冲击。 

对于电池供电的升压电路来说，电容矩阵多设置1行，就能让电池在超低压情况下工作。 

附图说明

图1电容矩阵升压原理图。点画线代表开关控制线，段画线代表输出电压采样线。实线箭头表示电压降的方向。 

图2图1的工作波形时序图。取第三列电容电压波形。Uout为输出电压。 

图34行3列的电容矩阵时序图。由双电源供电。S1S5、S2S6由第一电源供电，S3S7、S4S8由第二电源供电。