專利名稱：電容矩陣dc-dc降壓技術(shù)的制作方法
電容矩陣DC-DC降壓技術(shù)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電源技術(shù)領(lǐng)域 背景技術(shù)
目前，開關(guān)電源的發(fā)展方向?yàn)檐涢_關(guān)技術(shù)加高頻化。盡管軟開關(guān)方式可以實(shí)現(xiàn)高 頻，但高頻化在帶來更大功率密度的同時，隨之帶來的是對電子器件要求的更高，材料和工 藝要求更高，特別是對開關(guān)器件以及換能元件開關(guān)變壓器的要求將更加苛刻。EMI設(shè)計(jì)時器 件的布局更困難，這是由開關(guān)變壓器的物理特性決定的——依靠磁場傳遞能量。磁場傳能 的方式不僅讓開關(guān)變壓器存在漏磁，而且存在銅損和鐵損，讓開關(guān)電源主回路轉(zhuǎn)換效率降 低，同時主回路對外圍器件干擾將不容忽視。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對中小功率電源提出一種新的換能方式電容換能。
電容換能優(yōu)點(diǎn)電容具有高di/dt，瞬間放電電流大，作為換能元件過載能力強(qiáng)。
電容在充電和放電時無高壓，對開關(guān)器件的耐壓要求不高。
電容換能沒有開關(guān)變壓器的銅損、鐵損、漏磁。
抗干擾設(shè)計(jì)比使用開關(guān)變壓器的電路容易。
電容換能缺點(diǎn)電容的放電存在尖脈沖，輸出電壓中存在尖脈沖式的紋波。
不能提供持續(xù)大電流，對濾波電路要求高。
瞬間大電流對功率管的沖擊大，要求功率管的沖擊電流大。
針對上述優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，提出一種揚(yáng)長補(bǔ)短的技術(shù)方案
電容矩陣布局，電容矩陣的列串聯(lián)充電，單列的各行并聯(lián)輸出，依此實(shí)現(xiàn)輸入高電 壓小電流轉(zhuǎn)換為輸出低電壓大電流，即電能的傳遞。多列組合重疊輪流輸出，調(diào)頻穩(wěn)壓方 式。為避免矩陣控制電路的硬件復(fù)雜性，采用單片機(jī)控制(在單片機(jī)普及的今天，十幾元錢 就能購得一片單片機(jī))。單片機(jī)控制還可以方便的實(shí)現(xiàn)電源的智能化。


圖1為3行3列電容矩陣的原理圖。每列的組成結(jié)構(gòu)相同。如第一列由充電開 關(guān)31，放電開關(guān)52，相同容量和耐壓的換能電容(1丄2丄3，隔離二極管01、02，放電二極管 D3、D4、D5、D6組成。圖2為圖1的工作波形圖。設(shè)開關(guān)的有效電平為低電平，脈沖上升沿 開關(guān)動作。
每列的電容是串聯(lián)充電，并聯(lián)放電，輸入電源和輸出電源為共地輸出，所以每只電 容的波形是一致的，取每列的第一只電容電壓并分別命名為Ucl、Uc4、Uc7。Uout為輸出電 壓。
工作原理
第一個脈沖上升沿Sl接通，S4斷開；S2斷開，S5接通。D1、D2正向偏置導(dǎo)通，Uin 通過S1、C1、D1、C2、D2、C3形成回路，給C1、C2、C3充電。D4、D6的負(fù)極接到Uin的正極，而 D4、D6正極電位低于負(fù)極電位反向偏置而截止。D3、D5的正極接到Uin的負(fù)極，而D3、D5負(fù)極電位高于正極電位反向偏置而截止。此時由于S2斷開，S5接通，輸出由第二列供電。
第二個脈沖上升沿S2接通，S5斷開；S3斷開，S6接通。D7、D8正向偏置導(dǎo)通，Uin 通過S2、C4、D7、C5、D8、C6形成回路，給C4、C5、C6充電。D10、D12的負(fù)極接到Uin的正極， 而D10、D12的正極電位低于負(fù)極電位反向偏置而截止。D9、D11的正極接到Uin的負(fù)極，而 D9、D11的負(fù)極電位高于正極電位反向偏置而截止。此時由于S3斷開，S6接通，輸出由第三 列供電。
第三個脈沖上升沿S3接通，S6斷開；Sl斷開，S4接通。D13、D14正向偏置導(dǎo)通， Uin通過S3、C7、D13、C8、D14、C9形成回路，給C7、C8、C9充電。D16、D18的負(fù)極接到Uin的 正極，而D16、D18的正極電位低于負(fù)極電位反向偏置而截止。D15、D17的正極接到Uin的 負(fù)極，而D15、D17的負(fù)極電位高于正極電位反向偏置而截止。此時由于Sl斷開，S4接通，輸出由第一列供電。
此后，在每個脈沖上升沿，矩陣中的各電子元件在單片機(jī)控制的開關(guān)的作用下，都 依次重復(fù)各自上述的步驟。
由于輸出是由各列輪流供電，所以在經(jīng)過Co的濾波后，輸出端就得到了相對平穩(wěn) 的電壓波形。從圖1中可以看出，充電為放電時間的2倍且矩陣的列數(shù)等于3時，輪流供電 方式中，任意時刻負(fù)載的供電正好由其中一列完成，避免了因放電列數(shù)的不一致導(dǎo)致的輸 出不平穩(wěn)。
同理，由于充電是輪流進(jìn)行的，并且充電開關(guān)的開和關(guān)是同時動作的，相對的，開 關(guān)的動作對輸入電源注入的下限電壓尖峰將會趨于平穩(wěn)。
設(shè)單片機(jī)定時器產(chǎn)生的脈沖CP的周期為t，同時放電列數(shù)為n，Uin為輸入直流電 壓，Uout為輸出直流電壓。放電時間的整倍數(shù)為n，充電時間的整倍數(shù)為m，
則各參數(shù)之間的關(guān)系為
權(quán)利要求
1. 一種由電容、二極管、三極管構(gòu)成的直流降壓矩陣電路及其控制方法，其特征為矩 陣各列只在輸入電源的正極和負(fù)極有連接，矩陣的各行只在輸出電源的正極和負(fù)極有連 接，且輸出電源和輸入電源有1個共用端，第一行的各單元由1只電容和1只三極管、1只二 極管連接成且三極管的其中一端并聯(lián)在輸入電源的非共用端二極管用于輸出電源共用端， 第二行到倒數(shù)第二行的各單元由1只電容和3只二極管連接成且其中1只二極管用于正向 串聯(lián)相鄰行的2只電容另2只二極管分別用于輸出電源的共用端和非共用端，最后一行的 各單元由1只電容和1只三極管、2只二極管連接成且電容的一端連接到輸入電源共用端三 極管的一端連接到輸出電源的非共用端1只二極管用于串聯(lián)相鄰行的2只電容另1只二極 管用于輸出電源非共用端，前述矩陣電路的控制方法是矩陣每列的2只三極管在任意時刻 1只導(dǎo)通另1只截止且各列三極管是輪流導(dǎo)通和截止的。(1)權(quán)利要求1所述的“矩陣各列只在輸入電源的正極和負(fù)極有連接”其方法是矩陣 的第一列開關(guān)1的一端(Si)第二列開關(guān)2(S2)的一端第三列開關(guān)3(S3)的一端在輸入電 源(Uin)的正極并聯(lián)，矩陣第一列電容C3的負(fù)極第二列電容C6的負(fù)極第三列電容C9的負(fù) 極在輸入電源(Uin)的負(fù)極并聯(lián)。(2)權(quán)利要求1所述的“矩陣的各行只在輸出電源的正極和負(fù)極有連接”其方法是 矩陣第一列的第一行的二極管3(D!3)的正極第二行的二極管5 (M)的正極第三行的電容 3(C3)的負(fù)極在輸出電源(Uout)的負(fù)極并聯(lián)，矩陣第一列的第一行電容I(Cl)的正極第二 行的二極管4(D4)的負(fù)極第三行二極管6 (D6)的負(fù)極并聯(lián)到開關(guān)4(S4)的一端，矩陣第二 列的第一行的二極管9 (D9)的正極第二行的二極管11 (Dll)的正極第三行的電容6(C6)的 負(fù)極在輸出電源(Uout)的負(fù)極并聯(lián)，矩陣第二列的第一行電容4(C4)的正極第二行二極 管IO(DlO)的負(fù)極第三行二極管12 (D12)的負(fù)極并聯(lián)到開關(guān)5 (S5)的一端，矩陣第三列的 第一行的二極管15 (D15)的正極第二行的二極管17 (D17)的正極第三行的電容9 (C9)的負(fù) 極在輸出電源(Uout)的負(fù)極并聯(lián)，矩陣第三列的第一行電容7(C7)的正極第二行二極管 16(D16)的負(fù)極第三行二極管18 (D18)的負(fù)極并聯(lián)到開關(guān)6 (S6)的一端，開關(guān)4 (S4)的另一 端、開關(guān)5(S5)的另一端、開關(guān)6 (S6)的另一端在輸出電源(Uout)的正極并聯(lián)。(3)權(quán)利要求1所述的“第一行的各單元”的元件的連接方法是開關(guān)1(Si)的一端接 于輸入電源(Uin)正極，開關(guān)I(Sl)的另一端接電容I(Cl)的正極和開關(guān)4(S4)的一端，電 容1 (Cl)的負(fù)極接有二極管3 (D3)和二極管1 (Dl)。(4)權(quán)利要求1所述的“第二行到倒數(shù)第二行”的每個單元的元件的連接方法是二極 管I(Dl)的正極接有電容I(Cl)的負(fù)極和二極管3(D3)的負(fù)極，權(quán)利要求1所述的“正向串 聯(lián)”是二極管I(Dl)將電容I(Cl)和電容2(C2)正向串聯(lián)，二極管2(D2)將電容2(C2)和 電容3(C3)正向串聯(lián)。(5)權(quán)利要求1所述的“最后一行”的每個單元的元件的連接方法是二極管2(D2)的 正極接有電容2(C2)的負(fù)極和二極管6(D6)的正極，電容3(C3)的負(fù)極接到輸入電源共用 端，二極管6 (D6)的負(fù)極接有開關(guān)4 (S4)。(6)權(quán)利要求1所述的矩陣電路的控制方法是接通開關(guān)I(Sl)、開關(guān)5(S5)的同時斷 開開關(guān)2 (S2)、開關(guān)4 (S4)，等待一個控制脈沖(CP)周期，接通開關(guān)2(S2)、開關(guān)6(S6)的同 時斷開開關(guān)3 (S3)、開關(guān)5 (S5)，等待一個控制脈沖(CP)周期，接通開關(guān)3(S3)、開關(guān)4(S4) 的同時斷開開關(guān)I(Sl)、開關(guān)6 (S6)，等待一個控制脈沖(CP)周期，此后在控制脈沖(CP)作用下，矩陣的各個開關(guān)分別重復(fù)各自上述步驟。
全文摘要
電容矩陣DC-DC降壓技術(shù)，屬于電源技術(shù)領(lǐng)域。在磁場換能方式中，開關(guān)器件承受的應(yīng)力較大，EMI設(shè)計(jì)困難，存在銅損、鐵損、漏磁、輻射干擾，因此提出利用電容矩陣傳遞能量。電容矩陣由二極管、電容、MOSFET構(gòu)成，采用單片機(jī)控制，固定脈寬調(diào)頻穩(wěn)壓方式。電容矩陣的列先串聯(lián)充電，而后并聯(lián)放電。電容矩陣各列輪流工作。當(dāng)同時放電列數(shù)設(shè)置為大于2時，轉(zhuǎn)換效率更高，輸出電壓更穩(wěn)定?？蓱?yīng)用于中小功率非隔離開關(guān)電源和直流降壓電路，轉(zhuǎn)換效率高。
文檔編號H02M3/07GK102035374SQ20101056453
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月29日
發(fā)明者不公告發(fā)明人 申請人:馬東林