[发明专利]电容矩阵DC-DC降压技术

说明书

技术领域

本发明属于电源技术领域

背景技术

目前，开关电源的发展方向为软开关技术加高频化。尽管软开关方式可以实现高频，但高频化在带来更大功率密度的同时，随之带来的是对电子器件要求的更高，材料和工艺要求更高，特别是对开关器件以及换能元件开关变压器的要求将更加苛刻。EMI设计时器件的布局更困难，这是由开关变压器的物理特性决定的——依靠磁场传递能量。磁场传能的方式不仅让开关变压器存在漏磁，而且存在铜损和铁损，让开关电源主回路转换效率降低，同时主回路对外围器件干扰将不容忽视。

发明内容

本发明针对中小功率电源提出一种新的换能方式：电容换能。

电容换能优点：电容具有高di/dt，瞬间放电电流大，作为换能元件过载能力强。

电容在充电和放电时无高压，对开关器件的耐压要求不高。

电容换能没有开关变压器的铜损、铁损、漏磁。

抗干扰设计比使用开关变压器的电路容易。

电容换能缺点：电容的放电存在尖脉冲，输出电压中存在尖脉冲式的纹波。

不能提供持续大电流，对滤波电路要求高。

瞬间大电流对功率管的冲击大，要求功率管的冲击电流大。

针对上述优点和缺点，提出一种扬长补短的技术方案：

电容矩阵布局，电容矩阵的列串联充电，单列的各行并联输出，依此实现输入高电压小电流转换为输出低电压大电流，即电能的传递。多列组合重叠轮流输出，调频稳压方式。为避免矩阵控制电路的硬件复杂性，采用单片机控制(在单片机普及的今天，十几元钱就能购得一片单片机)。单片机控制还可以方便的实现电源的智能化。

图1为3行3列电容矩阵的原理图。每列的组成结构相同。如第一列：由充电开关S1，放电开关S2，相同容量和耐压的换能电容C1、C2、C3，隔离二极管D1、D2，放电二极管D3、D4、D5、D6组成。图2为图1的工作波形图。设开关的有效电平为低电平，脉冲上升沿开关动作。

每列的电容是串联充电，并联放电，输入电源和输出电源为共地输出，所以每只电容的波形是一致的，取每列的第一只电容电压并分别命名为Uc1、Uc4、Uc7。Uout为输出电压。

工作原理

第一个脉冲上升沿：S1接通，S4断开；S2断开，S5接通。D1、D2正向偏置导通，Uin通过S1、C1、D1、C2、D2、C3形成回路，给C1、C2、C3充电。D4、D6的负极接到Uin的正极，而D4、D6正极电位低于负极电位反向偏置而截止。D3、D5的正极接到Uin的负极，而D3、D5负极电位高于正极电位反向偏置而截止。此时由于S2断开，S5接通，输出由第二列供电。

第二个脉冲上升沿：S2接通，S5断开；S3断开，S6接通。D7、D8正向偏置导通，Uin通过S2、C4、D7、C5、D8、C6形成回路，给C4、C5、C6充电。D10、D12的负极接到Uin的正极，而D10、D12的正极电位低于负极电位反向偏置而截止。D9、D11的正极接到Uin的负极，而D9、D11的负极电位高于正极电位反向偏置而截止。此时由于S3断开，S6接通，输出由第三列供电。

第三个脉冲上升沿：S3接通，S6断开；S1断开，S4接通。D13、D14正向偏置导通，Uin通过S3、C7、D13、C8、D14、C9形成回路，给C7、C8、C9充电。D16、D18的负极接到Uin的正极，而D16、D18的正极电位低于负极电位反向偏置而截止。D15、D17的正极接到Uin的负极，而D15、D17的负极电位高于正极电位反向偏置而截止。此时由于S1断开，S4接通，输出由第一列供电。

此后，在每个脉冲上升沿，矩阵中的各电子元件在单片机控制的开关的作用下，都依次重复各自上述的步骤。

由于输出是由各列轮流供电，所以在经过Co的滤波后，输出端就得到了相对平稳的电压波形。从图1中可以看出，充电为放电时间的2倍且矩阵的列数等于3时，轮流供电方式中，任意时刻负载的供电正好由其中一列完成，避免了因放电列数的不一致导致的输出不平稳。

同理，由于充电是轮流进行的，并且充电开关的开和关是同时动作的，相对的，开关的动作对输入电源注入的下限电压尖峰将会趋于平稳。

设单片机定时器产生的脉冲CP的周期为t，同时放电列数为n，Uin为输入直流电压，Uout为输出直流电压。放电时间的整倍数为n，充电时间的整倍数为m，

则各参数之间的关系为：

放电时间      t₁＝n*t

充电时间为    t₂＝m*t