CN101566860B - 用于在电源升压系统中产生恒定输出电压的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在电源升压系统中产生基本恒定的输出电压的系统和方法。电源升压电路包括用于提供输出电压的输出节点，配置成耦合到负载和电源的前馈回路，和包括耦合到前馈回路和输出节点的电压限制器的反馈回路。一种电源升压系统包括上面的耦合到负载和电源的电源升压。方法包括步骤：通过反馈回路比较恒定电压和参考电压，和在输入电压和负载变化的范围内稳定电源升压系统。稳定步骤包括基于比较步骤，通过限制器将供给前馈回路的电压到预定电压范围的步骤。

Description

用于在电源升压系统中产生恒定输出电压的系统和方法
技术领域
本发明一般涉及电源，更具体地涉及用于在电源升压系统中产生基本恒定输出电压的电源升压系统和方法。
背景技术
电源升压系统经常用于例如航空器显示器电源以产生高于航空器电源电压的电压。在当前的航空器显示器中，电源升压系统驱动在这种航空器显示器背部照明中的发光二极管(LED)串。设计如航空器显示器中的电源升压系统的一种挑战在于建立在宽范围的输入电压和输出负载上都具有高稳定性的电源升压系统。
因此，期望提供用于在电源升压系统中产生基本恒定输出电压的电源升压系统和方法。并且，期望提供产生的输出电压不是输入电压和/或输出负载函数的电源升压系统和方法。此外，根据下面的本发明的具体描述和所附权利要求，并结合附图和本发明的背景技术，本发明的其它期望的特征和特点将变得清晰。
发明内容
各种示例性实施例提供了能够耦合到电源和负载的电源升压电路。一种电源升压电路包括：配置成耦合到负载和电源并用于提供输出电压的输出节点，配置成耦合到负载和电源的前馈回路，和包括耦合到前馈回路和输出节点的电压限制器的反馈回路。
其它实施例提供了一种系统，其包括电压源，电源升压电路，和耦合电压源和电源升压电路的负载。电源升压电路包括：用于提供输出电压的输出节点，耦合到电压源的前馈回路，和耦合到输出节点的反馈回路，该反馈回路包括耦合到前馈回路的电压限制器。
还提供了用于在耦合到负载的电源升压系统的输出处产生基本恒定电压的方法，该电源升压系统包括具有耦合到输出的限制器的反馈回路和耦合限制器、负载和电源的前馈回路。一种方法包括以下步骤：通过反馈回路比较恒定电压和参考电压；以及在输入电压和负载变化的范围上稳定电源升压系统。在一个实施例中，稳定步骤包括基于比较步骤，通过限制器将供给前馈回路的电压限制到预定电压范围的步骤。
附图说明
下面将结合附图描述本发明，其中相同的标记代表相同的元件，并且
图1是显示系统的一个示例性实施例的框图；
图2是包括在图1的显示系统中的电源升压电路的一个示例性实施例的原理图；
图3是示出包括在图2的电源升压电路中的电压限制器的输出电压的图；以及
图4是包括在图1的显示系统中的电源电压的时序图。
具体实施方式
以下的详细描述实质上仅仅是示例性的，并不是对发明或发明的应用和使用的限制。此外，无意于被任何在前面的背景技术或后面的具体描述中出现的理论所限制。
本发明的各种实施例提供了用于在电源升压系统中产生基本恒定输出电压的前馈电源升压系统和方法。也就是说，各个实施例提供了产生非输入电压和/或输出负载函数的输出电压的前馈电源升压系统和/或方法。
图1是显示系统100的一个示例性实施例的框图。在所示出的实施例中，显示系统100包括耦合到电源120和负载130的电源升压电路(“升压电路”)110。
升压电路110配置成从电源120接收电源电压，并且放大电源电压来产生基本恒定的输出电压。也就是说，升压电路110配置成在不管多大的电源电压和/或输出负载(即，显示器130建立的负载)的情况下都产生基本相同的输出电压。在各个示例性实施例中，升压电路110配置成产生基本恒定或一致的输出电压，该电压可以是特定应用中需要的任何电压。升压电路110的特定优选实施例将会在下面更加详细地讨论。
电源120可以是任何能够产生电源电压并将该电压提供给升压电路110的硬件、装置、和/或系统。也就是说，电源120可以是电池或其它类型的能够产生和/或存储功率的装置或设备。在一个实施例中，电源120产生能够提供所需负载功率的任意电压信号，并且它的电压变化发生在比升压电源的操作周期更长的时间段上。
负载130可以是任何可能需要比电源120所产生的电压更高的操作电压的硬件、装置、和/或系统。也就是说，电源120能提供足够的功率给升压电路110来操作负载130。在各种实施例中，负载130可以是任何能将数据的视觉和/或其它形式的表现呈现给用户的硬件、装置、和/或系统。也就是说，负载130可以是显示器、计算装置、和/或其它电子硬件/装置/系统。示例性的显示器包括，但不局限于，发光二极管(LED)显示器、有机发光二极管(OLED)显示器、阴极射线管(CRT)显示器，等离子显示板(PDP)显示器、液晶显示器(LCD)、薄膜晶体管(TFT)显示器、高性能寻址(HPA)显示器、电致发光显示器(ELD)、表面传导电子发射显示器(SED)、激光光电显示器、碳纳米管(CNT)显示器、纳米晶体显示器和诸如此类的显示器。在各种实施例中，显示器130配置为用在航空器平台(如，飞机、直升机、太空船、人造卫星、和诸如此类的航空器)，陆地交通工具(如，军用交通工具、汽车、卡车、火车、农机具、施工设备、和诸如此类的交通工具)，和水运工具(如，船(如，军用、商用等)、潜水艇、小船、和诸如此类的水运工具)上。
图2是升压电路110的一个示例性实施例的原理图。在所示的实施例中，升压电路110配置成从电源120接收输入电压(Vin)，并产生基本恒定，但更高的输出电压(Vout)。
升压电路110包括节点1101-1107、电感器1110、二极管1120、电容器1130、误差放大器1140、电压限制器1150、比较器1160、开关1170、和电阻器R1-R5。升压电路110能够通过节点1102耦合到电源120，并且能够通过节点1104耦合到负载130。
节点1101耦合到电感器1110，该电感器也耦合到节点1102。节点1102耦合到二极管1120，该二极管进一步通过节点1103耦合到电容器1130(还耦合到地)和节点1104。节点1104还通过节点1105耦合到电阻器R1，节点1105包括Vout。
电阻器R1通过节点1106耦合到电阻器R2(还耦合到地)和误差放大器1140的正输入端。误差放大器1140的输出端耦合到电压限制器1150并且该误差放大器1140的输出端配置成将放大的误差输出电压(Vae)提供给电压限制器1150。此外，误差放大器1140的负输入端耦合到参考电压(Vref)，误差放大器1140配置成基于Vref和节点1105上的电压(即，Vout)的比较来产生Vae。
电压限制器1150配置成基于接收到的Vae的幅值来输出预定范围内的误差电压(Ve)。Ve的预定范围取决于升压电路110的应用，并且可以包括任何电压范围。具体地，参考附图3，当电压Vae是低于或等于第一预定电压(VA)的电压时，电压Ve是等于预定电压范围内的最低电压(V1)的电压。同样地，当电压Vae是高于或等于第二预定电压(VB)的电压时，电压Ve是等于预定电压范围内的最高电压(V2)的电压。另外，当电压Vae是在VA和VB之间的电压时，Ve是在V1和V2之间的电压。
再次回到图2，电压限制器1150还耦合到电阻器R3，该电阻器R3进一步耦合到节点1107。节点1107还耦合到电阻器R4(还耦合到地)和电阻器R5，该电阻器R5进一步耦合到节点1101。节点1107进一步耦合到比较器1160的负输入端，并且将输入电压(g(t))供给比较器1160的负输入端。比较器1160的正输入端被耦合以接收电压(f(t))。比较器1160的输出端耦合到开关1170，开关1170进一步耦合到节点1102和地。
开关1170根据比较器1160的输出电压导通/关断，比较器1160的输出电压取决于g(t)和f(t)的比较。具体地，并参考图4，当f(t)低于g(t)时，开关1170关断达一时间段(toff)。同样地，当f(t)高于g(t)时，开关1170导通达一时间段(ton)。特别地，电阻器R1、R2、R3、R4和R5，误差放大器1140，和电压限制器1150构成升压电路110的反馈回路1180。电阻器R3、R4和R5，比较器1160，以及开关1170构成升压电路110的前馈回路1190。
本领域技术人员将认识到，升压电路110可以包括诸多可以执行对上述电路相同或相似操作的结构，并且本发明不应该被局限于所公开的电路结构，而应该是，本发明包括所公开的电路的所有法律的和/或技术的等价物。这样，以下的讨论是升压电路110的操作的数学解释，这不仅有助于理解该具体公开的结构，也有助于理解升压电路110的各种其它实施例。
输出电压Vout正比于Vin乘以时间因数。这种比例关系可以用以下等式表示：Vout α Vin(1/(1-D))                            (1)其中D等于开关1170的占空比，其为开关1170的导通时间(ton)除以周期(T)，周期(T)是开关1170一个周期的总时间(ton+toff)。
现在，假设电路在静态，这样Vout是相对稳定的电压(用符号V0表示)，接着通过对以上等式(1)进行简单替代，可以看到V0等于Vin乘以时间因数，时间因数用周期T除以开关1170关断时间(toff)表示。该操作可以用以下等式表示：Vr α Vin(T/toff)                             (2)
进一步假设电压限制器1150产生的误差输出电压Ve等于某额定电压Vr(即，Ve＝Vr)，并且升压电路110从电源120接收至少额定量的功率。然后，如图4所示，对于0≤t≤T，比较器1160的正输入端供有电压f(t)，这样：f(t)＝(((Vb-Va)/T)t)+Va                           (3)其中Va是f(t)(即，图4中的锯齿信号)的最小电压，Vb是f(t)的最大电压。
从升压电路110的原理图可以明显看出，提供给比较器1160的负输入端的输入电压g(t)是：g(t)＝pVin+k                                               (4)其中p＝[(R4R3)/(R4R3+R4R5+R3R5)]，k＝Vr[(R4R5)/(R4R3+R4R5+R3R5)]。还如图4描述的那样，在toff时，f(toff)＝g(toff)，或者[((Vb-Va)/T)toff)+Va]＝[pVin+k]。
当k＝Va(即，最大电压)时，那么pVin＝((Vb-Va)/T)toff)，或者toff＝[(pTVin)/(Vb-Va)]。如果将toff的等式接着代入上面的等式(2)，则可以看出Vout正比于量(Vb-Va)/p，该量是一个恒定值。数学上地，这可以表示为：Vout α(Vb-Va)/p                                        (5)
因而，升压电路110的前馈回路1190补偿Vin和负载130中变化的电压。同样地，电压限制器1150使反馈回路1180对升压电路110的操作的影响降至最小。也就是说，电压限制器1150补偿电感器1110中的I2R损耗和二极管1120中的I·V损耗，同时对输入电压Vin和负载130的变化具有最小的影响。因此，升压电路110在输入电压和负载变化的很宽范围内都是稳定的。
虽然在前述的发明的详细描述中已经给出了至少一个示例性实施例，但应当理解还存在有很多的变形。也应当理解示例性实施例仅仅是例子，并不意在以任何方式限制本发明的范围、适用性或结构。然而，前述的详细描述将提供给本领域技术人员实现本发明的示例性实施例的方便的路线。可以理解在不背离所附权利要求提出的本发明的范围的情况下，可对示例性实施例中所描述的功能和配置进行各种改变。

Claims (3)

1.一种能够耦合到电源和负载的电源升压电路，该电源升压电路包括：
输出节点，配置成耦合到负载和电源，并且用于提供输出电压(Vout)；
前馈回路，配置成耦合到负载和电源；和
反馈回路，包括耦合到前馈回路和输出节点的电压限制器，其中该电压限制器配置成基于接收到的放大的误差输出电压的幅值来输出预定范围内的误差电压。
2.一种电源升压系统，包括：
电压源；
电源升压电路，包括：
输出节点，用于提供输出电压(Vout)，
前馈回路，耦合到电压源，和
反馈回路，耦合到输出节点，反馈回路包括耦合到前馈回路的电压限制器，其中该电压限制器配置成基于接收到的放大的误差输出电压的幅值来输出预定范围内的误差电压；和
负载，耦合电压源、输出节点和前馈回路。
3.一种用于在耦合到负载的电源升压系统的输出产生基本恒定的电压的方法，该电源升压系统包括具有耦合到输出的限制器的反馈回路和耦合该限制器、负载和电源的前馈回路，其中，该限制器配置成基于接收到的放大的误差输出电压的幅值来输出预定范围内的误差电压，该方法包括以下步骤：
通过反馈回路比较恒定电压和参考电压；以及
在输入电压和负载变化的范围内稳定电源升压系统，
其中该稳定步骤包括基于比较步骤，通过限制器将供给前馈回路的电压限制到预定电压范围的步骤。
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