CN105429458B - 不连续导通模式的直流至直流转换器与转换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不连续导通模式的直流至直流转换器，能避免一电感电流于一空载状态下降至零，包含：一信号输入端，接收一直流输入信号；一输出电路，输出一直流输出信号；一电感，用来于一储能状态下依据该直流输入信号输出该电感电流，于一释能状态下依据该直流输入与输出信号输出该电感电流；一空转开关，耦接于该电感输入与输出端，用来依据一空转控制信号于该空载状态下导通以及于一储能状态与一释能状态下不导通；一电流检测电路，用来检测该电感电流是否达到一电流阈值，并据以产生一电流检测信号；以及一控制电路，耦接该输出电路、该空转开关与该电流检测电路，用来依据该电流检测信号产生该空转控制信号。

Description

不连续导通模式的直流至直流转换器与转换方法
技术领域
本发明涉及直流至直流转换器与转换方法，尤其涉及不连续导通模式的直流至直流转换器与转换方法。
背景技术
直流至直流转换器在电源管理应用方面可被区分为升压器与降压器。经由适当设计，升压器可操作于连续导通模式(Continuous Conduction Mode,CCM)或不连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)，二模式的区别在于升压器的电感电流的波形，更精确地说，不连续导通模式的升压器相较于连续导通模式的升压器会运作于电感电流为零的空载状态。连续导通模式的升压器通常用于升压比例(即输出电压与输入电压的比例)较小且输入电流较大的设计；不连续导通模式的升压器则通常用于升压比例较大的设计(例如高功率照明设备或光通讯接收端设备等)。由于升压比例与流经升压器所耦接的负载的电流大小成反比，升压比例愈大(亦即决定该升压比例的电路路径所分享的电流愈多)，流经负载的电流就愈小，此意味着电路驱动能力会相对减弱；另外，既然不连续导通模式的升压器的电感电流于空载状态下会降至零，该升压器于一储能期间所能储存的能量与一释能期间所能释放的能量都会因此受限。
再者，由于不连续导通模式的升压器的电感输出端的电压于进入空载状态时不会立即等于电感输入端的电压(但理想上应相等)，此电压差会导致电流产生，而电感上的电流不会瞬间改变，也就是电流随时间变化关系必然是连续的曲线，所以在电感电流趋近于零且电感输出端浮接时，会造成电感电流的流向的正向与负向互换，影响电感输出端的信号于空载状态下无法立即稳定，而是逐步振荡至电感输入端的电压值，此现象导致了不连续导通模式的升压器的噪声指数过高的问题。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的一目的在于提出一种不连续导通模式的直流至直流转换器与转换方法，以改善现有技术。
本发明的另一目的在于提出一种不连续导通模式的直流至直流转换器与转换方法，以改善电流抽载能力与噪声问题。
本发明提出一种不连续导通模式的直流至直流转换器，能避免一电感电流于一空载状态下降至零。该直流至直流转换器的一实施例包含：一信号输入端，用来接收一直流输入信号；一信号输出端，用来输出一直流输出信号；一电感，包含一电感输入端与一电感输出端，用来于一储能状态下依据该直流输入信号输出该电感电流，于一释能状态下依据该直流输入与输出信号输出该电感电流，以及于该空载状态下维持该电感电流；一空转开关，耦接于该电感输入与输出端，用来依据一空转控制信号于该空载状态下导通以及于一储能状态与一释能状态下不导通，藉此该电感与该空转开关于该空载状态下形成一电流回路；一转换开关，耦接于该电感输出端与一第一电位之间，用来依据一转换控制信号于该储能状态下导通以及于该释能状态及空载状态下不导通；一隔离元件，耦接于该电感输出端与该信号输出端之间，用来于该储能状态与该空载状态下不导通，以及于该释能状态下导通；一电容，耦接于该信号输出端与该第一电位之间，用来于该储能与空载状态下输出一电容电流至该信号输出端；一电流检测电路，用来检测该电感电流是否达到一电流阈值，并据以产生一电流检测信号，其中该电流阈值大于零；一控制电路，耦接该信号输出端、该空转开关、该转换开关与该电流检测电路，用来依据该直流输出信号产生该转换控制信号，并依据该电流检测信号产生该空转控制信号。
本发明的直流至直流转换器的另一实施例包含：一信号输入端，用来接收一直流输入信号；一输出电路，用来输出一直流输出信号；一电感，包含一电感输入端耦接该信号输入端与一电感输出端耦接该输出电路，用来于一储能状态下依据该直流输入信号输出该电感电流，于一释能状态下依据该直流输入与输出信号输出该电感电流，以及于该空载状态下维持该电感电流；一空转开关，耦接于该电感输入与输出端，用来依据一空转控制信号于该空载状态下导通以及于一储能状态与一释能状态下不导通，藉此该电感与该空转开关于该空载状态下形成一电流回路；一电流检测电路，用来检测该电感电流是否达到一电流阈值，并据以产生一电流检测信号，其中该电流阈值大于零；以及一控制电路，耦接该输出电路、该空转开关与该电流检测电路，用来依据该电流检测信号产生该空转控制信号，并控制该储能状态、该释能状态与该空载状态的切换。
本发明亦提出一种不连续导通模式的直流至直流转换方法，能避免一电感电流于一空载状态下降至零。所述方法的一实施例包含下列步骤：令一电感于一储能状态下依据一直流输入信号输出该电感电流；令该电感于一释能状态下依据该直流输入信号与一直流输出信号输出该电感电流；于该释能状态的期间检测该电感电流是否达到一电流阈值，并据以产生一电流检测信号，其中该电流阈值大于零；以及当该电感电流达到该电流阈值，令一空转开关导通，以与该电感形成一电流回路，使得该电感电流运行于该电流回路中，藉此于该空载状态下保持该电感电流。
有关本发明的特征、实作与功效，兹配合附图作较佳实施例详细说明如下。
附图说明
图1是本发明的直流至直流转换器的一实施例的示意图；
图2是图1的直流至直流转换器运作于储能状态的示意图；
图3是图1的直流至直流转换器运作于释能状态的示意图；
图4是图1的直流至直流转换器运作于空载状态的示意图；
图5是图2至图4的电感电流的变化示意图；
图6是图1的控制电路的一实施例的示意图；
图7是本发明的直流至直流转换器的另一实施例的示意图；以及
图8是本发明的直流至直流转换方法的一实施例的示意图。
其中，附图标记说明如下：
100 直流至直流转换器
110 信号输入端
120 信号输出端
130 电感
132 电感输入端
134 电感输出端
140 空转开关
150 转换开关
160 隔离元件
170 电容
180 电流检测电路
190 控制电路
700 直流至直流转换器
710 信号输入端
720 输出电路
730 电感
732 电感输入端
734 电感输出端
740 空转开关
750 电流检测电路
760 控制电路
70 负载
Vin 直流输入信号
Vout 直流输出信号
VG 第一电位
IL 电感电流
IC 电容电流
SF 空转控制信号
SC 转换控制信号
SI 电流检测信号
S810 令一电感于一储能状态下依据一直流输入信号输出一电感电流
S820 令该电感于一释能状态下依据该直流输入信号与一直流输出信号输出该电感电流
S830 于该释能状态的期间检测该电感电流是否达到一电流阈值，并据以产生一电流检测信号，其中该电流阈值大于零
S840 当该电感电流达到该电流阈值，令一空转开关导通，以与该电感形成一电流回路，使得该电感电流运行于该电流回路中，藉此于该空载状态下保持该电感电流
具体实施方式
以下说明内容的技术用语是参照本技术领域的习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语的解释应以本说明书的说明或定义为准。另外，在实施为可能的前提下，本说明书所描述的物件或步骤间的相对关系，涵义可包含直接或间接的关系，所谓“间接”是指物件间尚有中间物或物理空间的存在，或指步骤间尚有中间步骤或时间间隔的存在。此外，以下内容是关于直流至直流转换器与转换方法，对于本领域常见的技术或原理，若不涉及本发明的技术特征，将不予赘述。再者，图示中元件的形状、尺寸、比例以及的步骤顺序等仅为示意，是供本技术领域的技术人员了解本发明之用，非对本发明的实施范围加以限制。
请参阅图1，其是本发明的不连续导通模式(Discontinuous ConductionMode,DCM)的直流至直流转换器(DC-to-DC Converter)的一实施例的示意图，本实施例的直流至直流转换器100能于一运作周期内依序运作于一储能状态、一释能状态以及一空载状态(Idle State)，并能避免一电感电流于该空载状态下降至零，包含下列单元：一信号输入端110，用来接收一直流输入信号Vin；一信号输出端120，用来输出一直流输出信号Vout；一电感130，包含一电感输入端132与一电感输出端134，用来于一储能状态下依据该直流输入信号Vin输出该电感电流IL，于一释能状态下依据该直流输入信号Vin与该直流输出信号Vout输出该电感电流IL，以及于该空载状态下维持该电感电流IL；一空转开关(Freewheel Switch)140(例如一PMOS晶体管或其等效元件)，耦接于该电感输入与输出端132、134，用来依据一空转控制信号SF于该空载状态下导通以及于一储能状态与一释能状态下不导通，藉此该电感130与该空转开关140于该空载状态下形成一电流回路；一转换开关150(例如一NMOS晶体管或其等效元件)，耦接于该电感输出端134与一第一电位VG(例如一接地电位或其它参考电位)之间，用来依据一转换控制信号SC于该储能状态下导通以及于该释能状态及空载状态下不导通；一隔离元件160，例如一二极管或一开关，耦接于该电感输出端134与该信号输出端120的间，用来于该储能状态与该空载状态下不导通，以及于该释能状态下导通；一电容170，耦接于该信号输出端120与该第一电位VG之间，用来于该储能及空载状态下输出一电容电流IC至该信号输出端120；一电流检测电路180，用来检测该电感电流IL是否达到一电流阈值，并据以产生一电流检测信号SI，其中该电流阈值大于零(例如当转换器100能够提供给一负载的平均电流为Iout(亦即于前述运作周期内流出信号输出端120的平均电感电流IL)，该电流阈值可以是Iout/K，其中K为大于1的整数或分数，视实施者的需求而定)；以及一控制电路190，耦接该信号输出端120、该空转开关140、该转换开关150与该电流检测电路180，用来依据该直流输出信号Vout产生该转换控制信号SC，并依据该电流检测信号SI产生该空转控制信号SF。
请参阅图2，其是图1的直流转换器100运作于储能状态的示意图，如图2所示，在储能状态下，空转开关140不导通，转换开关150导通，而隔离元件160不导通，因此，直流输入信号Vin会传输于信号输入端110、电感130、转换开关150与第一电位VG所构成的回路，藉此将能量储存于电感130，此时电感电流IL会如图5所示般随时间逐渐增加，而电容170会输出电容电流IC至信号输出端120。请参阅图3，其是图1的直流转换器100运作于释能状态的示意图，如图3所示，在释能状态下，空转开关140不导通，转换开关150不导通，而隔离元件160导通，因此，电感电流IL会流向信号输出端120，藉此将能量由电感130释放至信号输出端120，此时电感电流IL会如图5所示般随时间逐渐减少，而电容170会接收部分电感电流IL而被充电。请参阅图4，其是图1的直流转换器100运作于空载状态的示意图，如图4所示，在空载状态下，空转开关140导通，而转换开关150与隔离元件160不导通，因此，电感电流IL会流动于电感130与空转开关140所构成的回路，藉此避免电感电流IL下降至零，此时电感电流IL会如图5所示般维持不变(或其减少量可被忽略或为实施者所接受，像是减少量小于刚进入空载状态的电感电流IL(或说前述电流阈值)的一半)，而电容170会输出电容电流IC至信号输出端120。
请参阅图6，其是图1的控制电路190的一实施例的示意图，本实施例中，控制电路190是一脉冲宽度调变电路(Pulse Width Modulator,PWM)，包含直流输出信号决定单元(例如分压电路，未显示)与脉冲宽度调变单元等(未显示)，能够依据直流输出信号Vout的变化来决定转换开关150的启闭；并能依据电流检测信号SI来控制空转开关140的导通与否；而在隔离元件160的实作为一开关时，控制电路190亦可令该隔离元件160于释能状态下导通，而于储能及空载状态下不导通。由于脉冲宽度调变电路单独而言是本领域的公知技术，在不影响本发明的揭露与可实施性的前提下，冗余的说明在此予以节略。当然，除了脉冲宽度调变电路外，其它能实现前述开关控制的电路亦得为本发明的控制电路190。
除图1的实施例外，本发明的不连续导通模式的直流至直流转换器的另一实施例如图7所示，包含：一信号输入端710，用来接收一直流输入信号Vin；一输出电路720，用来输出一直流输出信号Vout至一负载70(其可包含或不包含于本实施例的转换器700中)；一电感730，包含一电感输入端732耦接该信号输入端710与一电感输出端734耦接该输出电路720，用来于一储能状态下依据该直流输入信号输出一电感电流IL，于一释能状态下依据该直流输入信号Vin与该直流输出信号Vout输出该电感电流IL，以及于该空载状态下维持该电感电流IL；一空转开关740，耦接于该电感输入与输出端732、734，用来依据一空转控制信号SF于该空载状态下导通以及于一储能状态与一释能状态下不导通，藉此该电感730与该空转开关740于该空载状态下形成一电流回路；一电流检测电路750，用来检测该电感电流IL是否达到一电流阈值，并据以产生一电流检测信号SI，其中该电流阈值大于零；以及一控制电路760，耦接该输出电路720、该空转开关740与该电流检测电路750，用来依据该电流检测信号SI产生该空转控制信号SF，并控制该储能状态、该释能状态与该空载状态的切换，亦即决定转换器700的当前状态为该三种状态的其中之一。本实施例与图1的实施例的主要差别在于输出电路720可以如图1般包含转换开关、隔离元件、电容以及信号输出端，或是依本领域人士的需求以不同的电路设计来实现，由于本领域人士能通过图1至图6及其说明来了解本实施例的细节与变化，更明确地说，前述直流至直流转换器100的技术特征均可合理应用于本实施例，因此，在不影响本实施例的揭露要求与可实施性的前提下，重复与冗余的说明在此予以节略。
除上述的装置实施例外，本发明亦提出一种不连续导通模式的直流至直流转换方法，能避免一电感电流于一空载状态下降至零，如图8所示，该直流至直流转换方法的一实施例包含下列步骤：
步骤S810：令一电感于一储能状态下依据一直流输入信号输出一电感电流。
步骤S820：令该电感于一释能状态下依据该直流输入信号与一直流输出信号输出该电感电流。
步骤S830：于该释能状态的期间检测该电感电流是否达到一电流阈值，并据以产生一电流检测信号，其中该电流阈值大于零。
步骤S840：当该电感电流达到该电流阈值，令一空转开关导通，以与该电感形成一电流回路，使得该电感电流运行于该电流回路中，藉此于一空载状态下保持该电感电流。
上述步骤中，储能状态、该释能状态与该空载状态的期间构成该直流至直流转换方法的运作周期；另外，该电感电流于该空载状态下维持不变(或其减少量可被忽略或为实施者所接受，像是减少量小于刚进入空载状态的电感电流(或说步骤S830的电流阈值)的一半)，以确保本实施例的运作效果，然实施本发明者可依其需求调整该电感电流的下限。
由于本领域的技术人员能通过前揭装置实施例的说明来了解本方法实施例的细节与变化，更明确地说，前述装置实施例的技术特征均可合理应用于本方法实施例，因此，在不影响本实施例的揭露要求与可实施性的前提下，重复与冗余的说明在此予以节略。
请注意，前揭各实施例包含一或多个技术特征，于实施为可能的前提下，本技术领域人士可依本发明的揭露内容及自身的需求选择性地实施任一实施例的部分或全部技术特征，或者选择性地实施多个实施例的部分或全部技术特征的组合，藉此增加实施本发明的弹性。
综上所述，本发明的不连续导通模式的直流至直流转换器与转换方法能够通过空转设计来避免电感电流于空载状态下降至零，藉此改善现有技艺的电流抽载能力与噪声问题。
虽然本发明的实施例如上所述，然而该些实施例并非用来限定本发明，本技术领域具有通常知识者可依据本发明的明示或隐含的内容对本发明的技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本发明所寻求的专利保护范畴，换言的，本发明的专利保护范围须视本说明书的申请专利范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种不连续导通模式的直流至直流转换器，包含：
一信号输入端，用来接收一直流输入信号；
一信号输出端，用来输出一直流输出信号；
一电感，包含一电感输入端与一电感输出端，用来于一储能状态下依据该直流输入信号输出该电感电流，于一释能状态下依据该直流输入与输出信号输出该电感电流，以及于一空载状态下维持该电感电流；
一空转开关，耦接于该电感输入与输出端，用来依据一空转控制信号于该空载状态下导通以及于一储能状态与一释能状态下不导通，藉此该电感与该空转开关于该空载状态下形成一电流回路；
一转换开关，耦接于该电感输出端与一第一电位之间，用来依据一转换控制信号于该储能状态下导通以及于该释能状态及空载状态下不导通；
一隔离元件，耦接于该电感输出端与该信号输出端之间，用来于该储能状态与该空载状态下不导通，以及于该释能状态下导通；
一电容，耦接于该信号输出端与该第一电位之间，用来于该储能与空载状态下输出一电容电流至该信号输出端；
一电流检测电路，用来于该释能状态的期间检测该电感电流是否达到一电流阈值，并据以产生一电流检测信号，其中该电流阈值大于零；
一控制电路，耦接该信号输出端、该空转开关、该转换开关与该电流检测电路，用来依据该直流输出信号产生该转换控制信号，并依据该电流检测信号产生该空转控制信号。
2.如权利要求1所述的直流至直流转换器，其中该隔离元件包含一二极管或一开关。
3.如权利要求1所述的直流至直流转换器，其中该第一电位是一接地电位。
4.如权利要求1所述的直流至直流转换器，其中该控制电路包含一脉冲宽度调变电路。
5.如权利要求1所述的直流至直流转换器，其中储能状态、该释能状态与该空载状态的期间构成该直流至直流转换器的运作周期。
6.如权利要求5所述的直流至直流转换器，其中该电感电流于该空载状态下维持不变，或该电感电流于该空载状态下的减少量小于该电流阈值的一半。
7.一种不连续导通模式的直流至直流转换方法，包含：
令一电感于一储能状态下依据一直流输入信号输出该电感电流；
令该电感于一释能状态下依据该直流输入信号与一直流输出信号输出该电感电流；
于该释能状态的期间检测该电感电流是否达到一电流阈值，并据以产生一电流检测信号，其中该电流阈值大于零；以及
当该电感电流达到该电流阈值，令一空转开关导通，以与该电感形成一电流回路，使得该电感电流运行于该电流回路中，藉此于一空载状态下保持该电感电流。
8.如权利要求7所述的直流至直流转换方法，其中储能状态、该释能状态与该空载状态的期间构成该直流至直流转换方法的运作周期。
9.如权利要求7所述的直流至直流转换方法，其中该电感电流于该空载状态下维持不变，或该电感电流于该空载状态下的减少量小于该电流阈值的一半。
10.一种不连续导通模式的直流至直流转换器，包含：
一信号输入端，用来接收一直流输入信号；
一输出电路，用来输出一直流输出信号；
一电感，包含一电感输入端耦接该信号输入端与一电感输出端耦接该输出电路，用来于一储能状态下依据该直流输入信号输出该电感电流，于一释能状态下依据该直流输入与输出信号输出该电感电流，以及于一空载状态下维持该电感电流；
一空转开关，耦接于该电感输入与输出端，用来依据一空转控制信号于该空载状态下导通以及于一储能状态与一释能状态下不导通，藉此该电感与该空转开关于该空载状态下形成一电流回路；
一电流检测电路，用来于该释能状态的期间检测该电感电流是否达到一电流阈值，并据以产生一电流检测信号，其中该电流阈值大于零；以及
一控制电路，耦接该输出电路、该空转开关与该电流检测电路，用来依据该电流检测信号产生该空转控制信号，并控制该储能状态、该释能状态与该空载状态的切换。
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