CN100405718C - 直流电源转换电路及直流电源转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种直流电源转换电路，其包括：一第一转换器，其输入端用以输入一第一时钟；一第二转换器，其输入端用以输入一第二时钟；一第一开关，该第一开关的控制端电性连接于该第一转换器的输出端，又该第一开关的输入端用以输入一电源；一第二开关，该第二开关的控制端电性连接于该第二转换器的输出端，又该第二开关的输入端电性连接于该第一开关的输出端，而其输出端为一升压后的输出端；一第一电容，其一端电性连接于该第一开关的输出端，而另一端则用以输入该第二时钟；以及一第二电容，其一端电性连接于该第二开关的输出端，而另一端则电性连接于一共享的接地电位。由此可对一直流电压源产生一升压的功效。

Description

直流电源转换电路及直流电源转换装置

技术领域

本发明为一种直流电源转换电路，应用于一电子装置中，用以产生不同电压电位的电源，其特别为一种通过转换器进行控制的升压型直流电源转换电路。

背景技术

随着电子产业的发达，消费性电子产品愈来愈为普及，尤其在网络的发达及信息科技的广泛应用后，电子信息相关的产品更是成为市场的主流产品，例如：薄膜晶体管液晶显示器、有机发光二极管显示器等。通常这些电子产品都需要多种不同的电压源，以提供内部不同模块电路使用，例如：显示器扫描信号的驱动电路、显示器数据信号的驱动电路、液晶显示器的背光电源或其它控制电路等，其动作所需的工作电压均不相同。

直流/直流转换器(DC/DC Converter)是目前最常用来产生各种不同需求电压的一种电源转换电路，已知常见的直流/直流转换器有降压型(Buck)及升压型(Boost)两种，以图1为例，其为一直流升压及降压电路，其通过第一及第二时钟CLK1、CLK2以驱动不同的移位电路(Level Shift)LS1、LS2、LS3，再通过移位电路LS1、LS2、LS3的输出端分别控制多组不同的开关SW1、SW2、SW3，又这些开关SW1、SW2、SW3耦接于不同电容C1、C2，并用以控制该电容C1、C2其充放电的进行，当电容C1、C2输入端的开关SW1、SW2、SW3开启时，电容C1、C2开始充电，而此时该电容C1、C2的另一端用以输入一第三或第四时钟CLK3、CLK4，且该第三或第四时钟CLK3、CLK4亦具有一电压电位，故电容C1、C2的充电电压串联该第三或第四时钟CLK3、CLK4电压电位，而产生一升压的电压。又升压完成后，电容C1、C2输入端的开关会关闭，而电容C1、C2输出端的开关会开启，使得该升压电压能顺利的输出。

然而上述的直流升压及降压电路，使用移位电路LS1、LS2、LS3以控制开关SW1、SW2、SW3，因为移位电路LS1、LS2、LS3会有相位延迟的现象，因此为确保相位的正确以达到预期的转换效率，当要调整(升压或降压)一次电压时，就至少需要三组时钟才能动作，而当要调整(升压或降压)二次电压时，则必须要四组时钟才能动作，因而造成所需要的时钟产生器也必须多组的设置，又这些时钟产生器所产生的时钟信号，于显示器上一般均由软式印刷电路板(Flexible Print Circuit，FPC)连接至该升压及降压电路，因此该软式印刷电路板的排线数亦必需跟着增加，而时钟产生器及软式印刷电路板的排线数增加必然会增加生产制造的成本。

此外当使用移位电路LS1、LS2、LS3作为开关SW1、SW2、SW3的控制器时，该移位电路LS1、LS2、LS3一般是由多个晶体管所构成的，因此会产生较高的电力消耗，因此反而会造成整体电路电荷的衰减，使输出的转换效率受到限制。

发明内容

本发明的目的，是要通过简单的反向器电路以控制开关的动作，使得升压电路在仅使用两组时钟的状态下，可以在低消耗功率的情况下，于升压的同时，亦能维持一高电流。

为达上述目的，本发明的技术方案这样实现：

一种直流电源转换电路，包括：一第一转换器，具有一输入端用以输入一第一时钟；一第二转换器，具有一输入端用以输入一第二时钟；一第一开关，具有一用以输入一电源电位的输入端，一电性连接于该第一转换器的输出端的控制端，以及一用以输出该电源电位的输出端；一第一电容，其具有一端接收该第二时钟，以及另一端连接该第一开关的输出端，而建立一高于该电源电位的第一电压；一第二开关，具有一输入端连接该第一开关的输出端，一电性连接于该第二转换器的输出端的控制端，以及一输出该第一电压的输出端；以及一第二电容，其具有一端连接至一共享的接地电位，以及另一端连接该第二开关的输出端。

其中，该第一转换器是由一P型晶体管及一N型晶体管所构成的推挽式转换器。其中，该推挽式转换器的输入端电性连接于该第一时钟，并具有一输出端电性连接于第一开关的控制端，一高电位连接端电性连接于第一开关的输出端，以及一低电位连接端电性连接于该共享的接地电位。其中，该第二转换器是由一P型晶体管及一N型晶体管所构成的推挽式转换器。其中，该推挽式转换器的输入端电性连接于该第二时钟，并具有一输出端电性连接于第二开关的控制端，一高电位连接端电性连接于第二开关的输出端，以及一低电位连接端电性连接于一共享的接地电位。其中，该第一开关进一步并联一顺向偏压的二极管。

一种直流电源转换电路，用以作二阶的电压提升，该直流电源转换电路包括：一第一转换器，具有一输入端用以输入一第一时钟；一第二转换器，具有一输入端用以输入一第二时钟；一第一开关，具有一用以输入一电源电位的输入端，一电性连接于该第一转换器的输出端的控制端，以及一用以输出该电源电位的输出端；一第一电容，其具有一端接收该第二时钟，以及另一端连接该第一开关的输出端，而建立一高于该电源电位的第一电压；一第二开关，具有一输入端连接该第一开关的输出端，一电性连接于该第二转换器的输出端的控制端，以及一输出该第一电压的输出端；以及一第二电容，其具有一端连接至该第一时钟，以及另一端连接该第二开关的输出端；一第三转换器，具有一输入端用以输入该第一时钟；一第三开关，具有一输入端连接该第二开关的输出端，一控制端用以电性连接于该第三转换器的输出端，以及一输出端；以及一第三电容，其具有一端连接该共享的接地电位，以及另一端电性连接于该第三开关的输出端。

其中，该第三转换器是由一P型晶体管及一N型晶体管所构成的推挽式转换器。其中，该推挽式转换器的输入端电性连接于该第一时钟，且该推挽式转换器具有一输出端电性连接于第三开关的控制端，一高电位连接端电性连接于第三开关的输出端，以及一低电位连接端电性连接于一共享的接地电位。

一种直流电源转换装置，用以作一阶的电压提升，其包括：一第一转换装置，供输入一第一时钟；一第二转换装置，供输入一第二时钟；一第一启闭装置，用以接收一电源，并报据该第一转换装置的输出信号而控制该电源的通过；一升压装置，用以根据该第二时钟以及由该第一启闭装置通过的该电源，而使该第一启闭装置输出一高于该电源电位的第一电压；一第二启闭装置，用以接收该第一电压，并根据该第二转换装置的输出信号，而控制该第一电压的通过；以及一储存电压装置，用以储存该第二启闭装置所输出的电压。

本发明提供一种直流电源转换电路，其包括两组转换器、两组开关及二个电容所组成，这些转换器特别是由一P型金属氧化半导体场效晶体管(MOSFET)及一N型金属氧化半导体场效晶体管所构成的推挽式(Push-Pull)转换器，其具有低消耗功率且又能提供有效信号放大的功效，因此不会消耗过多的功率，且因其没有严重的相位延迟问题，使得已知要四组时钟才能运作的直流电源转换电路，得以精简到只要两组时钟即能运作。

这些开关受这些转换器的输出端而控制，且两开关的开关状态呈现相反对应的状态，也就是若一开关为开启时，另一开关则必定为关闭，这些开关主要用以控制电容其充放电的进行及电荷输出的方向。

该两个电容其中之一为一飞驰(Flying)电容，其一端接收这些时钟而建立一基准电位，而电容的另一端则接收一充电电位，通过基准电位及充电电位两者的串联作用，而达成电压提升的功效，而另一个电容则为一储存电容，其一端电性连接于电压提升后的输出端，而另一端则连接至一接地电位。

为了使本发明的直流电源转换电路，于开始启动时的充电效率更加的快速，可于第一开关上并联一二极管，通过二极管单向导通的特性，当转换器尚未驱动该第一开关时，可快速的提供一充电电路，使第一电容能迅速的进行充电。

通过本发明的实施，至少可以达到下列的进步功效：

一、通过本发明的实施，可以减少时钟的数量，因而使线路的设计更为精简及降低成本。

二、通过本发明的实施，可以减少软式印刷电路板的排线数，除了降低成本外，更可以减少部分电磁干扰(EMI，Electromagnetic Interference)的问题。

三、通过本发明的实施，使用推挽式转换器以控制开关的动作，其具有电路简单且低消耗电力的特性，因此可以增进直流电源转换电路的驱动能力，同时具有高电流。

为使对本发明的目的、构造特征及其功能有进一步的了解，现结合相关实施例及附图详细说明如下：

附图说明

图1为一已知的直流升压及降压电路。

图2为一阶升压的直流电源转换电路实施例图。

图3为一阶升压的主要波形示意图。

图4为二阶升压的直流电源转换电路实施例图。

图5为二阶升压的主要波形示意图。

其中，附图标记说明如下：

10一阶升压的直流电源转换电路

11第一转换器

12第二转换器

13第三转换器

20二阶升压的直流电源转换电路

C1第一电容

C2第二电容

C3第三电容

CLK1第一时钟

CLK2第二时钟

CLK3第三时钟

CLK4第四时钟

D二极管

SW1第一开关

SW2第二开关

SW3第三开关

G1第一开关的控制端

G2第二开关的控制端

G3第三开关的控制端

GND接地电位

N1第一开关的输出端

N2第二开关的输出端

N3第三开关的输出端

T1N型金属氧化半导体场效晶体管

T2P型金属氧化半导体场效晶体管

Vcc电源

LS1、LS2、LS3移位电路

具体实施方式

本发明的直流电源转换电路，应用于一显示器电路中，用以产生一升压电源，其可分为一阶升压、二阶升压...N阶升压等。其中每一阶的升压均可通过一组提升电路以达成，而每一组提升电路均由两组转换器、两组开关及一具升压功能的电容(电容的一端连接于一时钟)，又于升压后的输出端再连接一具储存电压功能的电容(电容的一端为接地)。当欲进行二阶升压时，可以一阶升压的电路为基础，每增设一组提升电路，即可提高一倍的电源Vcc)，以下将依一阶升压及二阶升压分别具体说明的。

<一阶升压实施例>

如图2及图3所示，为本实施例一阶升压的直流电源转换电路10实施例图及一阶升压的主要波形示意图。直流电源转换电路10包括：一第一转换器11，具有一第一转换功能，其输入端用以输入一第一时钟CLK1；一第二转换器12，具有一第二转换功能，其输入端用以输入一第二时钟CLK2；一第一开关SW1，具有一第一启闭功能，该第一开关SW1的控制端G1电性连接于该第一转换器11的输出端，又该第一开关SW1的输入端用以输入一电源Vcc；一第二开关SW2，具有一第二启闭功能，该第二开关SW2的控制端G2电性连接于该第二转换器12的输出端，又第二开关SW2的输入端电性连接于该第一开关SW1的输出端N1，而其输出端N2为一升压后的输出端；一第一电容C1，具有一第一升压功能，其一端电性连接于该第一开关SW1的输出端，而另一端则用以输入该第二时钟CLK2；以及一第二电容C2，具有一储存电压功能，其一端电性连接于该第二开关SW2的输出端，而另一端则电性连接于一共享的接地电位GND。

上述直流电源转换电路10，其中该第一转换器11是由一P型金属氧化半导体场效晶体管T2及一N型金属氧化半导体场效晶体管T1所构成的推挽式转换器。该推挽式转换器的输入端用以输入该第一时钟CLK1，而输出端则电性连接于第一开关SW1的控制端G1，且推挽式转换器的高电位连接端电性连接于第一开关SW1的输出端N1，又推挽式转换器的低电位连接端电性连接于一共享的接地电位GND。

上述直流电源转换电路10，其中该第二转换器12是由一P型金属氧化半导体场效晶体管T2及一N型金属氧化半导体场效晶体管T1所构成的推挽式转换器。故该推挽式转换器的输入端用以输入该第二时钟CLK2，而输出端电性连接于第二开关SW2的控制端G2，且推挽式转换器的高电位连接端电性连接于第二开关SW2的输出端N2，又推挽式转换器的低电位连接端电性连接于一共享的接地电位GND。

第一电容C1为一飞驰电容，其一端接收来自于第一开关SW1的一充电电位，而另一端则用以输入一第二时钟CLK2，并取得一基准电位，通过充电电位与基准电位两者的串联，而达成电压提升的功效，又一第二电容C2为一储存电容，其一端电性连接于该第二开关SW2的输出端N2，而另一端电性连接至接地电位GND，由此以提供一稳定的直流电源。

当本实施例的直流电源转换电路10于初始状态时，由于第一转换器11必须受到第一时钟CLK1信号的触发后才会动作，且其触发后又必须再次控制第一开关SW1后才能使第一电容C1开始充电，因此会有延迟的现象，为了改善该延迟现象，本实施例可进一步于该第一开关SW1上并联一顺向偏压的二极管，通过二极管单向导通的特性，使得本实施例于一开始初始的阶段，该二极管即受到电源Vcc的作用而顺向导通，并立即的提供了一条便捷的充电电路，使第一电容C1能迅速的进行充电。又该二极管可将一N型金属氧化半导体场效晶体管T1的栅极与源极予以短路而形成。

如图3所示，为本实施例的主要波形示意图，又配合图2的电路说明如下：本实施例所提供的Vcc电压为+5V，又第一时钟CLK1及第二时钟CLK2为相位相差180度且其电压电位均为0V至Vcc(+5V)的时钟。

本实施例用以作第一阶段的升压时，通过第一转换器11、第二转换器12、第一开关SW1、第二开关SW2及第一电容C1所达成。又配合时钟的进行，当第一时钟CLK1位于一低电压电位0V，经过第一转换器11后，通过转换器具有反相的特性，使得第一转换器11的输出端为一高电压电位，并触发第一开关SW1使其开启(此时第二开关为关闭状态)。

当第一开关SW1开启后，输入电源+5Vcc对第一电容C1进行充电至+5V，在此同时第二时钟CLK2为一高电压电位+5V，该第二时钟CLK2的电压电位+5V与第一电容C1升压后的电压+5V相串联，因此产生一+10V(2Vcc)的升压电压，之后第一时钟CLK1转为一高电压电位+5V，并使第一开关SW1关闭(此时第二开关为开启状态)，因次可输出一+10V(2Vcc)的电压。当第二开关SW2为开启状态，且输出一+10V(2Vcc)的电压时，通过一第二电容C2储存该电压，因而可得到一稳定的+10V直流电压。

第二转换器12截取N2的电压为其高电位连接端，因此当第二转换器12接收第一时钟CLK2，反相及放大后，使得第二转换器12的输出端，也就是第二开关SW2的控制端G2亦产生一0V至10V(2Vcc)的时钟，并控制第二开关SW2的开启与关闭。

<二阶升压实施例>

如图4所示，为本实施例二阶升压的直流电源转换电路20实施例图。当本发明欲产生第二阶段的电压提升时，此时可以一阶升压的直流电源转换电路10为基础，再增设一组提升电路，所不同的是，需将第二电容C2原先连接于接地端的端部，更改连接于一第一时钟CLK1，又该增设的提升电路，其与第一阶段的电压提升电路，其共享部份为一第二转换器12及第二开关SW2及将该第二电容C2由储存电容的连接关系改成升压用的连接关系，也因此使得该第二电容C2由具有一储存电压功能转换成具有一第二升压功能。其增加部分包括一第三转换器13、一第三开关SW3及一第三电容C3。第三转换器13具有一第三转换功能，其输入端用以输入一第一时钟CLK1；第三开关SW3具有一第三启闭功能，其控制端G3电性连接于该第三转换器13的输出端，又第三开关SW3的输入端电性连接于该第二开关SW2的输出端N2及电性连接一第二电容C2，而第二电容C2的另一端用以输入一第一时钟CLK1，又第三电容C3具有一储存电压功能，其一端电性连接于该第三开关SW3的输出端，而另一端则电性连接于一共享的接地电位GND。

第三转换器13于本实施例是由一P型金属氧化半导体场效晶体管T2及一N型金属氧化半导体场效晶体管T1所构成的推挽式转换器。故该推挽式转换器的输入端电性连接于该第一时钟CLK1，而输出端电性连接于第三开关SW3的控制端G3，且推挽式转换器的高电位连接端电性连接于第三开关SW3的输出端N3，又推挽式转换器的低电位连接端电性连接于一共享的接地电位GND。

如图5所示，为二阶升压的主要波形示意图，又配合图4的电路说明如下：当本实施例进行第二阶的升压时，将第一阶所升的电压，再通过第二转换器12、第三转换器13、第二开关SW2、第三开关SW3及第二电容C2所达成，最后再由第三电容C3储存。配合时钟的进行，接续上述一阶升压的状态，N1位置的电压为+10V(2Vcc)的电压，第二开关SW2为开启，但因为第三转换器13与第一转换器11均连接于相同的第一时钟CLK1，因此第三开关SW3为关闭的状态，故该+10V(2Vcc)的电压会对第二电容C2进行充电至+10V，在此同时第一时钟CLK1为一高电压电位+5V，因此第一时钟CLK1电压电位+5V串联该第二电容C2的+10V而产生一+15V(3Vcc)的升压电压。的后第二时钟CLK2转为一低电压电位+0V，并使第二电子关闭(此时第三开关为开启状态)，因次可输出一+15V的电压。

由于电容具有储存电荷的特性，因此当第一时钟CLK1转为低电压电位+0V时，第二电容C2仍然会保持有+10V的电压电位，因此于N2的位置会产生一+10V(2Vcc)至+15V(3Vcc)的电压脉波，又因为第二转换器12截取N2为其高电压的输入端，因此第二转换器12接收第二时钟CLK2，将其反相及放大后，使得第二转换器12的输出端，也就是第二开关SW2的控制端G2产生一0V至15V(3Vcc)的时钟，并控制第二开关SW2的开启与关闭。

当第三开关SW3为开启状态，可输出一+15V(3Vcc)的电压，并通过一第三电容C3的储存而可得到一稳定的+15V直流电压，又第三转换器13截取N3为其电压的输入端，因此第三转换器13接收第一时钟CLK1，反相及放大后，使得第三转换器13的输出端，也就是第三开关SW3的控制端G3亦产生一0V至15V(3Vcc)的时钟，并控制第三开关SW3的开启与关闭。

以上所述一阶升压电路及二阶升压电路的第一开关SW1、第二开关SW2及第三开关SW3是由一金属氧化半导体场效晶体管(MOSFET)所构成的。又这些金属氧化半导体场效晶体管若置换为薄膜晶体管(Thin Film Transistor)或者一般晶体管(NPN或PNP型晶体管)亦会有相同的功效，故均为本发明的等效置换。

又，除了上述二阶电路外，本发明亦可比照二阶电路相对于一阶电路的作法迭加下去，而变成三阶、四阶电路等。因此，以上所述，仅为本发明的较佳实施例，当不能以的限制本发明的范围。即大凡依本发明权利要求书所做的均等变化及修饰，仍将不失本发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神及范围，故都应视为本发明的进一步实施方式。

Claims (10)

1.一种直流电源转换电路，其特征在于包括：

一第一转换器，具有一输入端用以输入一第一时钟；

一第二转换器，具有一输入端用以输入一第二时钟；

一第一开关，具有一用以输入一电源电位的输入端，一电性连接于该第一转换器的输出端的控制端，以及一用以输出该电源电位的输出端；

一第一电容，其具有一端接收该第二时钟，以及另一端连接该第一开关的输出端，而建立一高于该电源电位的第一电压；

一第二开关，具有一输入端连接该第一开关的输出端，一电性连接于该第二转换器的输出端的控制端，以及一输出该第一电压的输出端；

以及

一第二电容，其具有一端连接至一共享的接地电位，以及另一端连接该第二开关的输出端。

2.如权利要求1所述的直流电源转换电路，其中该第一转换器是由一P型晶体管及一N型晶体管所构成的推挽式转换器。

3.如权利要求2所述的直流电源转换电路，其中该推挽式转换器的输入端电性连接于该第一时钟，并具有一输出端电性连接于第一开关的控制端，一高电位连接端电性连接于第一开关的输出端，以及一低电位连接端电性连接于该共享的接地电位。

4.如权利要求1所述的直流电源转换电路，其中该第二转换器是由一P型晶体管及一N型晶体管所构成的推挽式转换器。

5.如权利要求4所述的直流电源转换电路，其中该推挽式转换器的输入端电性连接于该第二时钟，并具有一输出端电性连接于第二开关的控制端，一高电位连接端电性连接于第二开关的输出端，以及一低电位连接端电性连接于一共享的接地电位。

6.如权利要求1所述的直流电源转换电路，其中该第一开关进一步并联一顺向偏压的二极管。

7.一种直流电源转换电路，用以作二阶的电压提升，其特征在于该直流电源转换电路包括：

一第一转换器，具有一输入端用以输入一第一时钟；

一第二转换器，具有一输入端用以输入一第二时钟；

一第一开关，具有一用以输入一电源电位的输入端，一电性连接于该第一转换器的输出端的控制端，以及一用以输出该电源电位的输出端；

一第一电容，其具有一端接收该第二时钟，以及另一端连接该第一开关的输出端，而建立一高于该电源电位的第一电压；

一第二开关，具有一输入端连接该第一开关的输出端，一电性连接于该第二转换器的输出端的控制端，以及一输出该第一电压的输出端；

以及

一第二电容，其具有一端连接至该第一时钟，以及另一端连接该第二开关的输出端；

一第三转换器，具有一输入端用以输入该第一时钟；

一第三开关，具有一输入端连接该第二开关的输出端，一控制端用以电性连接于该第三转换器的输出端，以及一输出端；以及

一第三电容，其具有一端连接该共享的接地电位，以及另一端电性连接于该第三开关的输出端。

8.如权利要求7所述的直流电源转换电路，其中该第三转换器是由一P型晶体管及一N型晶体管所构成的推挽式转换器。

9.如权利要求8所述的直流电源转换电路，其中该推挽式转换器的输入端电性连接于该第一时钟，且该推挽式转换器具有一输出端电性连接于第三开关的控制端，一高电位连接端电性连接于第三开关的输出端，以及一低电位连接端电性连接于一共享的接地电位。

10.一种直流电源转换装置，用以作一阶的电压提升，其特征在于包括：

一第一转换装置，供输入一第一时钟；

一第二转换装置，供输入一第二时钟；

一第一启闭装置，用以接收一电源，并根据该第一转换装置的输出信号而控制该电源的通过；

一升压装置，用以根据该第二时钟以及由该第一启闭装置通过的该电源，而使该第一启闭装置输出一高于该电源电位的第一电压；

一第二启闭装置，用以接收该第一电压，并根据该第二转换装置的输出信号，而控制该第一电压的通过；

以及

一储存电压装置，用以储存该第二启闭装置所输出的电压。

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