CN101071981B - 升压式直流/直流转换器 - Google Patents

Abstract

本发明之升压式直流/直流转换器(boost dc/dc converter)包括屏蔽电路、切换式升压电路、脉宽调变(PFM：Pulse Width Modulation)电路与门。其中屏蔽电路是用以根据负载电流的大小而输出屏蔽信号。屏蔽信号的责任周期会随该负载电流而改变。本发明可在系统处于轻载、中载以及重载时，通过与负载电流相对的屏蔽信号，使得系统可选择操作在脉宽调变模式、脉冲频率调制(PFM：Pulse Frequency Modulation)模式与混合脉波屏蔽模式中以达成系统效率最佳化的目的。

Description

升压式直流/直流转换器

技术领域

本发明涉及一种升压式直流/直流转换器(DC/DC converter)，且特别涉及一种应用脉波调变技术之升压式直流/直流转换器。

背景技术

在电源转换系统中，当负载变化时将造成伴随而来的电源转换效率之变化，故在系统满载时或有极大负载变化时我们仍希望此时的系统能提供高效率且稳定的电力转换。就应用层面来说，处理器、随机存取存储器、显示器以及手机等电子产品等并不会在任何时候都处于满载的状态，特别是手机等移动通信产品在许多时间都是处于待机的省电模式，所以一个在任何的负载状态下都能提供高效率的电源转换系统是非常重要的。

图1为公知之升压式直流/直流转换器100之电路示意图，在只有使用脉宽调变模式的情形下，转换器100包括切换式升压电路110、脉宽调变电路120与负载130。其中切换式升压电路110包括电感器111、二极管112、电容器113、功率晶体管114。通过脉波调变(PWM)的方式来切换功率晶体管114之导通与否。当功率晶体管114导通时，二极管112呈现反向偏压，来自输入电压V_in1的电能存于电感器111，此时负载130的电能由电容器113提供。当功率晶体管114截止时，二极管112呈现顺向偏压，此时电容器113以及负载130吸收由输入电压V_in1以及电感器111所提供的电能，因此使得V_out1＞V_in1。

脉宽调变电路120是由控制回授电路组成，包括误差放大器121、三角波产生器122、脉宽调变比较器123以及驱动器124。切换式升压电路110的输出电压V_out1在经过电阻器R₁与电阻器R₂的分压后(此时其值为V_out1×R₂/R₁+R₂)再通过误差放大器121与参考电压V_ref1比较，而脉宽调变比较器123接收误差放大器121的输出信号且与三角波产生器122的输出信号比较，而产生脉宽调变信号PWM_CK。之后再通过驱动器124以放大脉宽调变信号PWM_CK并驱动功率晶体管114。

请参考图2，其为图1之升压式直流/直流转换器100之负载电流与系统效率的关系图，在升压式直流/直流转换器100只使用脉宽调变模式情形下，由图2可知升压式直流/直流转换器100在负载电流I_L1小的情况下(轻载)之系统效率比在负载电流I_L1大的情况下(重载)之系统效率低。这是因为脉宽调变是使用固定频率的方式来控制，且即便是在轻载时功率晶体管114仍是以相同于重载的频率在做切换因而在功率晶体管114上消耗过多不必要的切换功率，因此使得整体的输入功率损耗提高，而导致系统效率降低，故设计一个能提高系统效率的升压式直流/直流转换器是必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种升压式直流/直流转换器，其可在系统处于轻载、中载以及重载时，使得系统可通过对应于负载电流的屏蔽信号以分别选择操作在脉宽调变、脉冲频率调制与混合脉波屏蔽模式中，此种升压式直流/直流转换器能使得系统效率最佳化以改善公知之升压式直流/直流转换器在轻载时系统效率偏低的情形。

为达成上述及其它目的，本发明提出一种升压式直流/直流转换器，包括切换式升压电路、脉宽调变电路、屏蔽电路与与门。其中切换式升压电路是用以根据控制信号，接收输入电压并提供输出电压，其中输出电压大于输入电压。脉宽调变电路是用以根据输出电压与参考电压而输出脉宽调变信号。屏蔽电路是用以根据本发明之升压式直流/直流转换器的负载电流的大小而输出屏蔽信号。与门是用以接收脉宽调变信号与屏蔽信号并输出控制信号，又其中屏蔽信号的责任周期会随负载电流而改变。屏蔽电路包括有负载检测器以及屏蔽信号产生器。其中负载检测器用以根据负载电流而输出负载信号，且屏蔽信号产生器则用以根据负载信号产生屏蔽信号。

上述之升压式直流/直流转换器，在一实施例中进一步包括驱动器与分压电路，驱动器可将与门的控制信号放大以输出至切换式升压电路。分压电路包括第一电阻器及第二电阻器，其中第一电阻器电连接于输出电压且第二电阻器以第一端连接于第一电阻器并以其第二端接地，第一电阻器与第二电阻器的接点亦电连接于脉宽调变电路。分压电路可将切换式升压电路的输出电压降低一预设比例后输出至脉宽调变电路。

上述之升压式直流/直流转换器，在一实施例中，切换式升压电路包括电感器、二极管、电容器、开关。其中电感器电连接于输入电压，二极管以阳极电连接于电感器，电容器以第一端电连接于二极管的阴极与输出电压并以其第二端接地，开关则以第一端电连接于电感器与二极管的阳极之间并以第二端接地，且根据控制信号导通或关断开关的第一端与第二端。在一实施例中，开关为NMOS(n-channel Metal-Oxide-Semiconductor)晶体管，并以其栅极接收控制信号。

脉宽调变电路包括有误差放大器、三角波产生器、以及比较器。其中误差放大器是以其第一输入端接收参考电压，并以第二输入端电连接输出电压的分压，再将上述第一输入端至第二输入端的电压放大后输出。三角波产生器是用以输出三角波，接着比较器会根据三角波与误差放大器的输出电压的比较结果，以输出脉宽调变信号。其中当三角波的电压大于误差放大器的输出电压，则比较器将输出逻辑高电位，否则比较器将输出逻辑低电位。

上述之升压式直流/直流转换器，在一实施例中，负载信号可为电压信号，而且负载信号为负载电流的递增函数。再者屏蔽信号产生器尚包括有延迟链以及缓存器，其中延迟链可根据负载信号与频率信号而产生数字信号。而缓存器可定时撷取数字信号，并根据撷取的数字信号而产生屏蔽信号。

上述之升压式直流/直流转换器，在一实施例中，上述缓存器为并列输入/串行输出缓存器(parallel in/serial out register)。

上述之升压式直流/直流转换器，在一实施例中，延迟链包括有多个延迟单元，其中每一延迟单元皆接收负载信号。第一个延迟单元会将频率信号延迟一预设时间后输出，第i个延迟单元将第i-1个延迟单元的输出延迟预设时间后输出，其中i为大于一的整数。数字信号为上述延迟单元的输出的集合，而且预设时间为负载电流的递减函数。

上述之升压式直流/直流转换器，在一实施例中，每一延迟单元皆根据重置信号定时重置延迟单元的输出。且缓存器所撷取的数字信号当中，数值为1的位数量为负载电流的递增函数。又屏蔽信号的责任周期为缓存器所撷取的数字信号当中，数值为1的位数量的递增函数。若缓存器所撷取的数字信号当中，数值为1的位数量小于一默认值，则缓存器以脉冲频率调制方式产生屏蔽信号。

在本发明之升压式直流/直流转换器中，系统处于重载时，则采用脉宽调变模式，当系统处于轻载时，则采用脉冲频率调制模式，当系统负载被判断不为重载或轻载而为中载时，系统则采用混合脉波屏蔽模式。也就是说，本发明之升压式直流/直流转换器可依负载电流的大小来决定屏蔽信号的模式是为脉宽调变、脉冲频率调制或是混合脉波屏蔽模式。亦即系统不论是从重载到轻载时，皆可通过屏蔽信号来调整功率晶体管的切换次数，以减小在功率晶体管上之不必要的功率损失，而达到提高电源转换效率的目的。

为让本发明之上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为公知之升压式直流/直流转换器。

图2为公知之升压式直流/直流转换器之负载与效率的关系图。

图3为本发明一实施例的升压式直流/直流转换器之示意图。

图4为本发明一实施例中屏蔽信号之示意图。

图5为本发明一实施例之屏蔽信号产生器之内部架构图。

图6为本发明一实施例之屏蔽信号产生器之动作原理的示意图。

图7为本发明一实施例之数字信号与负载电流的关系图。

图8为本发明一实施例之与门的操作示意图。

图9为本发明一实施例之脉宽调变模式、脉冲频率调制模式及混合脉波屏蔽模式三者的效率示意图。

主要元件标记说明

100、300：升压式直流/直流转换器

110、310：切换式升压电路

111、311：电感器

112、312：二极管

113、313：电容器

114：功率晶体管

314：开关

130、380：负载

120、320：脉宽调变电路

121、321：误差放大器

122、322：三角波产生器

123：脉宽调变比较器

323：比较器

124、360：驱动器

330：屏蔽电路

331：负载检测器

332：屏蔽信号产生器

3321：延迟链

3322：缓存器

340：与门

350：分压电路

R₁、R₃、R₂、R₄：电阻器

PWM_CK：脉宽调变信号

DU₁～DU_n：延迟单元

D₁～D₅：数字信号

S_Mask：屏蔽信号

I_L1、I_L3、I_L31、I_L32、I_L33、I_L34、I_L35：负载电流

S_C、d(t)：控制信号

S_L：负载信号

Q：频率信号

V_in1、V_in3：输入电压

V_out1、V_out3：输出电压

V_ref1、V_ref3：参考电压

T_L：撷取时间

T_R；重置时间

具体实施方式

以下所述为本发明之一实施例，请参考图3。图3为根据本发明一实施例之升压式直流/直流转换器300，其包括切换式升压电路310、脉宽调变电路320、屏蔽电路330、与门340、分压电路350、以及驱动器360。

切换式升压电路310可根据控制信号S_C，依据输入电压V_in3而提供输出电压V_out3，且输出电压V_out3大于该输入电压V_in3。又脉宽调变电路320可根据输出电压V_out3之分压(V_out3×R₄/(R₃+R₄))与参考电压V_ref3而输出脉宽调变信号PWM_CK。屏蔽电路330可根据负载电流I_L3以输出屏蔽信号S_Mask。与门340可接收脉宽调变信号PWM_CK与屏蔽信号S_Mask，并提供控制信号d(t)。

在本实施例中，切换式升压电路310包括有电感器311、二极管312、电容器313以及开关314。电感器311电连接于输入电压V_in3，二极管312以阳极电连接于电感器311，又电容器313以第一端电连接于二极管312的阴极与输出电压V_out3，并以其第二端接地。开关314是以第一端电连接于电感器311与二极管312的阳极之间，并以其第二端接地，且根据所接收之控制信号S_C而导通或关断开关314的第一端与第二端。在本实施例中开关314为NMOS晶体管(n-channel metal oxide semiconductor fieldeffect transistor)，以其栅极接收控制信号S_C。因切换式升压电路310的电路工作情形类似于图1的切换式升压电路110，故在此不赘述。

又实施例中之脉宽调变电路320包括有误差放大器321、三角波产生器322以及比较器323。其中误差放大器321是以第一输入端接收参考电压V_ref3，并以其第二输入端电连接于输出电压V_out3之分压，再将上述V_ref3与V_out3之分压的误差电压放大后输出。三角波产生器322用于输出三角波，接下来比较器323将根据三角波与误差放大器321之输出的比较结果，而输出脉宽调变信号PWM CK。其中当三角波的电压大于误差放大器的输出电压，则比较器将输出逻辑高电位，否则比较器将输出逻辑低电位，反之亦可。

在本实施例中之屏蔽电路330包括负载检测器331与屏蔽信号产生器332，其中负载检测器331检测负载电流I_L3并输出与之相对应的负载信号S_L，在本实施中，负载信号S_L为电压且其值将随着负载电流I_L3的增加而变大。屏蔽信号产生器332将依据负载信号S_L的大小值以输出与之相对应的屏蔽信号S_Mask。

本实施例的升压式直流/直流转换器300进一步包括分压电路350及驱动器360。分压电路350包含第一电阻器R₃以及第二电阻器R₄并用以将输出电压V_out3乘以一预设比例R₄/(R₃+R₄)后以使得V_out3×R₄/(R₃+R₄)的大小近似于参考电压V_ref3之大小以输出至比较器323。在分压电路350中，电阻器R₃电连接于输出电压V_out3，电阻器R₄以第一端电连接于第一电阻器R₃，并以其第二端接地。其中电阻器R₃与电阻器R₄的接点亦电连接于脉宽调变电路320。如本实施例中，在输出电压V_out3与参考电压V_ref3二者相差甚多时，分压电路350便可将输出电压V_out3进行分压以使得输出电压V_out3的分压与参考电压V_ref3二者的值相差不大以输入至误差放大器321。如果输出电压V_out3与参考电压V_ref3二者相近时，那么分压电路350便可以省略。驱动器360可用以将来自与门340的控制信号d(t)放大为控制信号S_C并输出至切换式升压电路310。

图4为本实施例中屏蔽信号之示意图。屏蔽信号S_Mask的周期为T₁+T₂，其中T₁为责任周期。责任周期T₁的大小是依据负载电流I_L3的大小而决定，亦即，负载电流I_L3升高时屏蔽信号S_Mask的责任周期T₁也会跟着变大。

请参考图5为屏蔽信号产生器332之内部架构图。屏蔽信号产生器332包括有延迟链3321与缓存器3322，其中延迟链3321是根据由负载检测器331提供的负载信号S_L大小与频率信号Q而产生数字信号D₁～D_n(其中n为大于1的整数)。在以下实施例中假设N＝5且缓存器3322可定时撷取数字信号D₁～D₅，并且缓存器3322根据所撷取的数字信号D₁～D₅而产生屏蔽信号S_Mask以选择目前系统所需的屏蔽信号S_Mask的模式是脉宽调变、脉冲频率调制或混合脉波屏蔽模式三者之一。本实施例的缓存器3322为并列输入/串行输出缓存器。

请参考图6为屏蔽信号产生器332之动作原理的示意图。上述之延迟链3321包括有5个延迟单元DU₁～DU₅，而每一延迟单元DU₁～DU₅皆接收负载信号S_L，其中第一个延迟单元DU₁将频率信号Q延迟预设时间T_d后输出为D₁。且第i个延迟单元DU_i将第i-1个延迟单元的输出D_i-1延迟预设时间T_d后输出为D_i，例如DU₃的输出D₃比DU₂的输出D₂延迟了预设时间T_d，其中i为大于一的整数。在本实施例中，延迟单元的特性是延迟预设时间T_d与负载信号S_L的大小成反比。所以，当负载电流大时，负载信号S_L也跟着变大，同时预设时间T_d会较小。在撷取时间T_L时缓存器3322将撷取数字信号D₁～D₅，在缓存器3322撷取时，处于高电位的数字信号D₁～D₅的数目就会多。例如有5个高电位，此时数字信号D₁～D₅即为(11111)。反之当负载电流小时，负载信号S_L也跟着变小，同时预设时间T_d会较大，在缓存器3322撷取时，处于逻辑高电位的数字信号D₁～D₅的数目就会少，例如只有三个高电位，此时数字信号D₁～D₅即为(11100)。在重置时间T_R时，每一延迟单元DU₁～DU₅会由重置信号触发而重置延迟单元DU₁～DU₅的输出为逻辑低电位。

接下来，图7为本实施例中数字信号D₁～D₅与负载电流I_L3的关系图。当数字信号(D₁～D₅)为(00000)或(10000)时，此时负载电流小于I_L32为轻载，缓存器3322输出的屏蔽信号S_Mask的责任周期会较小，且此时屏蔽信号S_Mask会使升压式直流/直流转换器300操作在脉冲频率调制模式中。当数字信号(D₁～D₅)为(11111)时，此时负载电流大于I_L35为重载，缓存器3322输出的屏蔽信号S_Mask的责任周期会较大，且此时屏蔽信号S_Mask会使升压式直流/直流转换器300操作在脉宽调变模式中。而当数字信号(D₁～D₅)为(11000)、(11100)或(11110)时，此时负载电流介于I_L32与I_L35之间为中载，缓存器3322输出的屏蔽信号S_Mask的责任周期的大小介于上述两个模式之间，即此时屏蔽信号S_Mask会使升压式直流/直流转换器300操作在混合脉波屏蔽模式中。

在混合脉波屏蔽模式与脉宽调变模式中，屏蔽信号S_Mask的责任周期与数字信号(D₁～D₅)的高电位位数量成正比。举例来说，当数字信号(D₁～D₅)为(11000)时，处于逻辑高电位的位数为2，此时屏蔽信号S_Mask的责任周期为2/5＝40％。另一方面，当数字信号(D₁～D₅)为(11100)时，处于逻辑高电位的位数为3，此时屏蔽信号S_Mask的责任周期为3/5＝60％，其余类推。

图8为与门340的操作示意图。当屏蔽信号S_Mask的责任周期较大时，与门340的控制信号d(t)之脉波数也会增加，如图8所示当负载电流I_L32＜I_L33时，I_L33所对应的与门340之控制信号d(t)脉波数与I_L32相比会较多，也就是说I_L32所对应的控制信号d(t)脉波数较少，使得图3中之开关314所对应的切换次数较少，也因此可以减少开关314的切换损失而使得系统效率上升。

综上所述，负载检测器331可检测负载电流I_L3的值并输出与对应的负载信号S_L，接下来屏蔽信号产生器将依据负载信号S_L而提供屏蔽信号S_Mask，然后与门340将依据屏蔽信号S_Mask与脉波调变信号PWM_CK而提供控制信号d(t)。之后，驱动器360将放大后的控制信号S_C输出致切换式升压电路310之开关314。藉此，本实施例之升压式直流/直流转换器可依据负载电流之大小以选择个别地操作在脉宽调变模式、脉冲频率调制模式或混合脉波屏蔽模式。

图9为本实施例中脉宽调变模式、脉冲频率调制模式以及混合脉波屏蔽模式三者的效率比较图。以应用于手机中的升压式直流/直流转换器300为例，当其处于重载，如手机在通话模式下时使用脉宽调变模式，而在轻载时如省电模式下使用脉冲频率调制模式以降低开关次数，免得开关频繁切换的损耗降低电源转换效率。在中载时则使用混合脉波屏蔽模式，如此可使得系统的电源转换维持在高效率，如图9所示。由上述说明可知，本发明在轻载、中载、重载时可个别地使系统操作在脉波频率调变、混合脉波屏蔽模式或脉宽调变的模式下，使系统都能维持在高效率的状态。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与改进，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (16)

1.一种升压式直流/直流转换器，其特征是包括：

切换式升压电路，根据控制信号，接收输入电压并提供输出电压，该输出电压大于该输入电压；

脉宽调变电路，根据该输出电压与参考电压输出脉宽调变信号；

屏蔽电路，根据该升压式直流/直流转换器的负载电流输出屏蔽信号，该屏蔽信号的责任周期会随该负载电流而改变；以及

与门，接收该脉宽调变信号与该屏蔽信号，输出该控制信号，

其中该屏蔽电路包括：

负载检测器，根据该负载电流输出负载信号；以及

屏蔽信号产生器，根据该负载信号产生该屏蔽信号。

2.根据权利要求1所述之升压式直流/直流转换器，其特征是还包括：

分压电路，将该输出电压降低预设比例后输出至该脉宽调变电路。

3.根据权利要求2所述之升压式直流/直流转换器，其特征是该分压电路包括：

第一电阻器，电连接于该输出电压；以及

第二电阻器，以第一端电连接于该第一电阻器，以第二端接地；

其中该第一电阻器与该第二电阻器的接点亦电连接于该脉宽调变电路。

4.根据权利要求1所述之升压式直流/直流转换器，其特征是还包括：

驱动器，将该控制信号放大后输出至该切换式升压电路。

5.根据权利要求1所述之升压式直流/直流转换器，其特征是该切换式升压电路包括：

电感器，电连接于该输入电压；

二极管，以阳极电连接于该电感器；

电容器，以第一端电连接于该二极管的阴极与该输出电压，以第二端接地；以及

开关，以第一端电连接于该电感器与该二极管的阳极之间，以第二端接地，根据该控制信号导通或关断该开关的第一端与第二端。

6.根据权利要求5所述之升压式直流/直流转换器，其特征是该开关为NMOS晶体管，以栅极接收该控制信号。

7.根据权利要求1所述之升压式直流/直流转换器，其特征是该脉宽调变电路包括：

误差放大器，以第一输入端接收该参考电压，以第二输入端电连接于该输出电压，将上述第一输入端至第二输入端的电压放大后输出；

三角波产生器，输出三角波；以及

比较器，根据该三角波与该误差放大器的输出电压的比较结果，输出该脉宽调变信号。

8.根据权利要求7所述之升压式直流/直流转换器，其特征是若该三角波的电压大于该误差放大器的输出电压，则该比较器输出逻辑高电位，否则该比较器输出逻辑低电位。

9.根据权利要求1所述之升压式直流/直流转换器，其特征是该负载信号为电压信号，而且该负载信号为该负载电流的递增函数。

10.根据权利要求1所述之升压式直流/直流转换器，其特征是该屏蔽信号产生器包括：

延迟链，根据该负载信号与频率信号产生数字信号；以及

缓存器，定时撷取该数字信号，根据撷取的该数字信号产生该屏蔽信号。

11.根据权利要求10所述之升压式直流/直流转换器，其特征是该缓存器为并列输入/串行输出缓存器。

12.根据权利要求10所述之升压式直流/直流转换器，其特征是该延迟链包括：

多个延迟单元，每一上述多个延迟单元皆接收该负载信号，其中第一个延迟单元将该频率信号延迟一预设时间后输出，第i个延迟单元将第i-1个延迟单元的输出延迟该预设时间后输出，i为大于一的整数，该数字信号为上述多个延迟单元的输出的集合，而且该预设时间为该负载电流的递减函数。

13.根据权利要求12所述之升压式直流/直流转换器，其特征是每一上述多个延迟单元皆根据重置信号定时重置该延迟单元的输出。

14.根据权利要求10所述之升压式直流/直流转换器，其特征是该缓存器所撷取的该数字信号当中，数值为1的位数量为该负载电流的递增函数。

15.根据权利要求10所述之升压式直流/直流转换器，其特征是该屏蔽信号的责任周期为该缓存器所撷取的该数字信号当中，数值为1的位数量的递增函数。

16.根据权利要求15所述之升压式直流/直流转换器，其特征是若该缓存器所撷取的该数字信号当中，数值为1的位数量小于一默认值，则该缓存器以脉波频率调变方式产生该屏蔽信号。

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