CN101001045A

CN101001045A - 直流降压转换器

Info

Publication number: CN101001045A
Application number: CN 200610005183
Authority: CN
Inventors: 洪祥睿; 陈熯勋; 林存森; 杨孙成
Original assignee: Asustek Computer Inc
Current assignee: Asustek Computer Inc
Priority date: 2006-01-13
Filing date: 2006-01-13
Publication date: 2007-07-18

Abstract

本发明提供一种直流降压转换器，包含有：第一上臂开关电路，具有输入端电连接至第一电源输入端、控制端电连接至第一控制讯号源及输出端；第二上臂开关电路，具有输入端电连接至第二电源输入端、控制端电连接至第二控制讯号源及输出端电连接至第一上臂开关输出端；下臂开关电路，具有第一端电连接于第一上臂开关的输出端及第二端电连接于参考电源端；以及滤波电路，具有输入端电连接于第一上臂开关的输出端及输出端电连接于电源输出端，其中第一上臂开关电路与第二上臂开关电路不会同时导通。

Description

直流降压转换器

技术领域

本发明涉及一种降压转换器，特别是涉及一种直流降压转换器。

背景技术

电子产品中，通常仅提供少数几个主要电源，例如，12伏特(Volt)，9伏特，但是系统中具有各种不同功能的集成电路(Integrated Circuit)，而这些集成电路又分别使用不同的电源，例如5伏特电源，3.3伏特电源，此时便需要一组转换器来转换电压。

请参阅图1，图1为已知降压转换器100的电路图。一电源V_in供给至晶体管101的输入端；晶体管101有控制端及输出端，输出端电连接至二极管102的第一端；二极管102的第二端接地；电感103的第一端电连接至晶体管101的输出端，第二端与电源输出端及电容104的第一端电连接，电容104的第二端则与接地端电连接。请参阅图2，图2为图1中晶体管101由控制端接收的控制讯号V_G1与电源输出端上的电压输出Vo的时序图。如图所示，当控制讯号V_G1对应至一高电压电平时，电压输出Vo会逐渐提升；当控制讯号V_G1对应至一低电压电平时，电压输出Vo便缓步降低。已知技术中，电压输出Vo的平均值与电源V_in的关系如下所示：

Vo/Vin＝D 式(1)

其中D等于Ton/T，亦即控制讯号V_G1的工作周期，因此，电路设计者只要调整控制讯号V_G1的占空比(duty ratio)便可产生不同的电压输出Vo。

请注意，电压输出Vo会有波动(ripple)，而波动的大小会影响转换器的输出电源的品质，故为使波动(ripple)减小，一般都以调高控制讯号V_G1的频率来减小波动，然当频率越高时，晶体管101将因不断的导通与关闭，造成不必要的切换损失，再者，由于晶体管101不断的导通与关闭，将产生过多的热量进而减损晶体管101的使用寿命。

请参阅图3，为另一已知降压转换器300电路图，不同于图1的是晶体管301与晶体管302，共同连接至一控制讯号源307，藉由同一控制讯号源307输出的控制讯号使得晶体管301与晶体管302可同时开启及关闭，进而减少晶体管301与晶体管302所承受的功率，然而在此，晶体管301与晶体管302仍无法克服频率过高所造成的切换损失。

发明内容

有鉴于现有技术的诸多缺点，本发明的一目的是提供一种降压转换器以减少单一上臂开关电路的工作频率。

本发明的另一目的是提供一种降压转换器以减少上臂开关电路的切换损失。

本发明的再一目的是提供一种降压转换器以延长上臂开关电路的使用寿命。

本发明的再一目的是提供一种降压转换器以减少系统设计体积。

本发明的再一目的是提供一种降压转换器以降低降压转换器的输出波动。

根据本发明的目的，本发明披露了一种直流降压转换器，其包含有：第一上臂开关电路，具有第一上臂开关输入端电连接至第一电源输入端、第一上臂开关控制端电连接至第一控制讯号源及第一上臂开关输出端；第二上臂开关电路，具有第二上臂开关输入端电连接至第二电源输入端、第二上臂开关控制端电连接至第二控制讯号源及第二上臂开关输出端，第二上臂开关输出端电连接至第一上臂开关输出端；下臂开关电路，具有下臂开关第一端电连接于第一上臂开关输出端及下臂开关第二端电连接于参考电源端；以及滤波电路，具有滤波输入端电连接于第一上臂开关输出端及滤波输出端电连接于电源输出端，其中第一控制讯号源与第二控制讯号源用以使第一上臂开关电路与第二上臂开关电路不会同时导通。

附图说明

图1为一已知降压转换器的示意图。

图2为图1所示的控制讯号V_G1与电压差Vo的示意图。

图3为另一已知降压转换器的示意图。

图4为本发明降压转换器的方块图。

图5为本发明降压转换器的一较佳实施例的示意图。

图6为图5中复数个控制讯号源与下臂开关控制讯号源所输出的控制讯号V₆₀₆、V₆₀₇、V₆₀₈、V₆₀₉、V₆₀₁与电压差Vo的示意图。

图7为本发明降压转换器的另一较佳实施例的示意图。

附图符号说明

100、300、500	降压转换器	101、301、302、8101	晶体管
100、300、500	降压转换器	101、301、302、8101	晶体管	102、303、8102	二极管	501、502、605、8051、8052、8053、8054	电源输入端
104、305、6122、8122	电容	103、304、6121、8121	电感	102、303、8102	二极管	501、502、605、8051、8052、8053、8054	电源输入端
104、305、6122、8122	电容	103、304、6121、8121	电感	505、506、601、602、603、604、801、802、803、804	上臂开关电路	307、503、504、606、607、608、609、806、807、808、809	控制讯号源
6101	下臂开关控制讯号源	507、610、810	下臂开关电路	505、506、601、602、603、604、801、802、803、804	上臂开关电路	307、503、504、606、607、608、609、806、807、808、809	控制讯号源
6101	下臂开关控制讯号源	507、610、810	下臂开关电路	508、611、811	参考电源端	509、612、812	滤波电路
510、613、813	电源输出端	701	高电压位置	508、611、811	参考电源端	509、612、812	滤波电路
510、613、813	电源输出端	701	高电压位置	814	或非门

具体实施方式

请参阅图4，其显示本发明降压转换器500的一系统方块示意图。降压转换器500包含电源输入端501，502，在此可称为第一电源输入端及第二电源输入端，用以提供输入电源，例如可为12伏特或5伏特，但是本发明降压转换器500的电源输入端501，502并不限制其应用，其也可应用于其它电源的降压系统，例如：9伏特转5伏特，或者是3伏特转1.8伏特等；控制讯号源503，504，在此可称为第一控制讯号源及第二控制讯号源，用以提供控制讯号，并依据控制讯号的占空比D(Duty ratio)来控制上臂开关电路505、506；上臂开关电路505、506的第一上臂开关输出端及第二上臂开关输入端分别电连接至电源输入端501，502，及第一上臂开关控制端及第二上臂开关控制端分别电连接于控制讯号源503，504，上臂开关电路505、506利用控制讯号源503、504来对电源输入端501、502作基本的直流-直流切换(DC-DC Chopper)，一实施例中，上臂开关电路505、506可为场效应晶体管(FET-MOSFET，JFET)或双载子晶体管(BJT)，请注意上臂开关电路505、506的上臂开关控制端对场效晶体管而言可为栅极(gate)，对双载子晶体管而言可为基极(base)。

下臂开关电路507用以当上臂开关电路505、506开启时，提供一路径给滤波电路509，一实施例中，下臂开关电路507可为一二极管(diode)、场效应晶体管(FET-MOSFET，JFET)、双载子晶体管(BJT)或其组合，下臂开关电路507具有下臂开关第一端电连接至上臂开关输出端，及下臂开关第二端电连接至参考电源端508。

降压转换器500还包含滤波电路509用以滤波，以使上臂开关输出端的讯号更趋近直流，一实施例中可为一低通滤波器，滤波电路509还具有滤波输入端电连接至上臂开关输出端，以及滤波输出端电连接至电源输出端510。

值得一提的是，在此为方便说明，仅以两个上臂开关电路505、506作为说明，而控制讯号源503、504在此并不为相同的控制讯号源，换言之，上臂开关电路505、506并不会同时开启或关闭，然而在其它实施例中，还可包含一个第三上臂开关电路，并且由一第三控制讯号源来控制其运作，其中第三控制讯号源输出的控制讯号可相同于控制讯号源503或控制讯号源504其中之一的控制讯号，或者完全不同于控制讯号源503、504输出的控制讯号。故在此要说明的是，若本发明系统中包含有两个以上的上臂开关电路时，仅需有两个以上的控制讯号源即可，不论上臂开关电路增加再多个时，控制讯号源要增加几个都不再有任何限制。

请参阅图5，其显示应用本发明的一电路实施例示意图。上臂开关电路601、602、603、604，在此实施例为n型金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)，其中上臂开关输入端(漏极Drain)电连接至电源输入端605，例如可为5伏特电源，上臂开关控制端(栅极Gate)分别电连接至控制讯号源606、607、608、609；下臂开关电路610在此实施例也为一n型金属氧化物半导体晶体管，其中下臂开关电路610的下臂开关第一端(下臂开关漏极)电连接至上臂开关输出端(上臂开关源极Source)，下臂开关第二端(下臂开关源极)电连接至参考电源611，例如可为接地端，下臂开关电路610还有一下臂开关控制讯号源6101提供一下臂开关控制讯号，其中下臂开关控制讯号用以控制下臂开关电路610的导通与不导通状态，例如实施例中下臂开关电路610不与上臂开关电路601、602、603、604同时导通；滤波电路612，在此实施例中为电感-电容滤波器(LC filter)，其中电感6121第一端(滤波输入端)电连接至上臂开关输出端(上臂开关源极)，第二端(滤波输出端)电连接至电源输出端613，电感6121第二端(滤波输出端)还电连接至电容6122以形成一个电感-电容滤波器。这里需注意金属氧化物半导体晶体管的漏极与源极为根据电流方向来决定，而在此仅为示意标号用以说明本发明电路的结构。

请同时参阅图5与图6，图6显示图5中控制讯号源606、607、608、609输出的控制讯号V606、V607、V608、V609、与下臂开关控制讯号源6101输出的下臂开关控制讯号V6101以及电源输出端上Vo的时序图。请注意，此实施例中上臂开关电路601、602、603、604及下臂开关电路610为使用n型金属氧化物半导体晶体管作说明，故当控制讯号为高电压时(例如线701为一高电压位置)，上臂开关电路601、602、603、604，下臂开关电路610为导通状态，而为使接下来的说明更为清楚，控制讯号V606、V607、V608、V609及下臂开关控制讯号V6101可分别表示上臂开关电路601、602、603、604及下臂开关电路610的导通状态，例如控制讯号V606对时间的图，在T2区间时，上臂开关电路601为导通状态，控制讯号V607对时间的图，在T3区间时，上臂开关电路602为导通状态，依此类推。

请注意本发明上臂开关电路601、602分别连接至不同的控制讯号源606、607，且上臂开关电路601、602并不会同时开启，例如，上臂开关电路601在T2区间为开启，而上臂开关电路602在T3区间为开启。更要说明的是当有第三上臂开关电路603时，还可再提供一控制讯号源608，例如上臂开关电路603可在T4区间导通，请注意当有更多不同控制讯号源的加入时，上臂开关电路将可减少切换的动作，同时也减少热量的产生以延长上臂开关电路的使用寿命，例如藉由控制讯号V606、V607、V608的控制，上臂开关电路601、602、603的总切换次数不变，而上臂开关电路601、602、603却减少了三分之一的切换次数，举例而言，当上臂开关总切换次数为300KHZ(千赫兹)时，单一上臂开关需切换300K(千)次，然在此实施例中每一上臂开关仅需100K(千)次；本发明再一实施例如V609控制讯号源609等于控制讯号源607，意即上臂开关电路602，与上臂开关电路604同时开启，在此上臂开关电路602与上臂开关电路604在电路工作时有分流作用，同样地在此方式可减少上臂开关电路602，604的承受功率，以实现延长上臂开关电路的使用寿命，而在此要说明的是，本发明系统中仅需有两上臂开关电路不需同时开启，例如上臂开关电路601、602，但是任何第三个以上的上臂开关电路并不限制是否需相同的控制讯号源例如V608、V609的讯号。

接着，下臂开关控制讯号V6101为控制下臂开关电路610的讯号，下臂开关电路610的讯号在T1区间导通，实施例中下臂开关电路610导通时，Vo为电压递减输出，同样的下臂开关电路610关闭时，Vo为电压渐升输出。

请参阅图7其显示本发明另一电路实施例示意图，与图5不同的是，上臂开关电路801、802、803、804分别电连接于不同的电源输入端8051、8052、8053及8054，其中电源输入端8051、8052、8053及805 4可分别为不同的电源，例如，电源输入端8051、8052可为5伏特电源，电源输入端8053、8054可为3伏特电源，在此输出电源的控制可藉由控制讯号源806、807、808及809的占空比D来控制。另一不同点是，下臂开关电路810在一实施例中还可为晶体管与二极管的组合，例如：晶体管8101与二极管8102并联，一实施例中，晶体管8101的控制端还与一或非门(NOR gate)814电连接，其中或非门814接收控制讯号源806、807、808及809的讯号，经由此电路设计结构，上臂开关电路801、802、803、804可减少切换的动作，同时也减少热量的产生以延长上臂开关电路的使用寿命，再者下臂开关电路810经由或非门814的控制，将使得上臂开关电路801、802、803、804、下臂开关电路810与滤波电路812完成整个降压的转换。需注意，上臂开关电路801、802、803、804与下臂开关电路810之间是不限制加入额外的组件，例如再加入一二极管组件，同样的，个别的上臂开关电路801、802、803、804也是不限制加入额外的组件，再者，下臂开关电路810与滤波电路812同样也是不限制加入额外的组件。

再次说明的是，本发明直流降压转换器为利用至少两不同的控制讯号源来控制上臂开关的导通，如此不但减少单一上臂开关电路的工作频率，也减少上臂开关电路的切换损失，更因此延长了上臂开关电路的使用寿命，也因此在实际上可以选择较小的滤波电容，以实现减少系统体积的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种直流降压转换器，包含有：

一第一上臂开关电路，具有一第一上臂开关输入端电连接至一第一电源输入端、一第一上臂开关控制端电连接至一第一控制讯号源及一第一上臂开关输出端；

一第二上臂开关电路，具有一第二上臂开关输入端电连接至一第二电源输入端、一第二上臂开关控制端电连接至一第二控制讯号源及一第二上臂开关输出端，第二上臂开关输出端电连接至该第一上臂开关输出端；

一下臂开关电路，具有一下臂开关第一端及一下臂开关第二端，其中该下臂开关第一端电连接于该第一上臂开关输出端，该下臂开关第二端电连接于一参考电源端；以及

一滤波电路，具有一滤波输入端及一滤波输出端，其中该滤波输入端电连接于该第一上臂开关输出端，该滤波输出端电连接于一电源输出端，

其中该第一控制讯号源与该第二控制讯号源用以使该第一上臂开关电路与该第二上臂开关电路不会同时导通。

2.如权利要求1所述的直流降压转换器，其中该第一、第二上臂开关电路为一金属氧化物半导体导体晶体管或一双载子晶体管。

3.如权利要求1所述的直流降压转换器，其中该下臂开关电路包含有一金属氧化物半导体导体晶体管、一双载子晶体管或一二极管与该金属氧化物半导体导体晶体管的并联组合。

4.如权利要求1所述的直流降压转换器，其中该下臂开关电路还包含：

一下臂开关第三端；以及

一或非门具有一或非门输出端及复数个或非门输入端，其中该或非门输出端电连接于该下臂开关第三端，该多个或非门输入端分别电连接于所述控制讯号源。

5.如权利要求1所述的直流降压转换器，其中该参考电源端为一地端。

6.如权利要求1所述的直流降压转换器，其中该滤波电路为一电感-电容滤波电路、或一电阻电容滤波电路。

7.如权利要求1所述的直流降压转换器，还包括至少一第三上臂开关电路，具有一第三上臂开关输入端、一第三上臂开关输出端及一第三上臂开关控制端，其中该第三上臂开关输入端电连接至一第三电源输入端，该第三上臂开关控制端电连接至一第三控制讯号源，第三上臂开关输出端电连接至该第一上臂开关输出端。

8.如权利要求7所述的直流降压转换器，其中该第三控制讯号源相同于第一控制讯号源以使该第一上臂开关电路该第三上臂开关电路同时导通。

9.如权利要求7所述的直流降压转换器，其中该第三上臂开关电路为一金属氧化物半导体导体晶体管或一双载子晶体管。

10.如权利要求7所述的直流降压转换器，其中该滤波电路为一电阻电容滤波电路。