CN103248222A - 升压式电压转换器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种升压式电压转换器，其用以自一输入端接收一输入电压以调节产生一输出电压至一输出端。该升压式电压转换器包含第一和第二主要晶体管、第一和第二开关和一比较电路。该第一主要晶体管用以根据一第一信号选择性地连接一切换节点至一公共节点，而该第二主要晶体管用以根据一第二信号选择性地连接该切换节点至该输出端。该比较电路用以比较该输入电压和该输出电压，藉以产生一第三信号和一第四信号。据此，该第一开关根据该第三信号选择性地连接该第二主要晶体管的一本体至该切换节点，而该第二开关根据该第四信号选择性地连接该第二主要晶体管的该本体至该输出端。

Description

升压式电压转换器

技术领域

本发明是关于一种升压式电压转换器。

背景技术

直流至直流电压转换器可用以将一输入电压调节成一稳定的输出电压，藉以供应负载所需的电流，其中输入电压可以大于、等于或小于输出电压。近年来由于可携式产品日益普及，使用电池作为输入电压的升压式电压转换器(boost converter)，因其可转换一较低的输入电压至一较高的输出电压，故为市场所迫切需求。

图1绘示一典型的升压式电压转换器10的架构示意图。该升压式电压转换器10包含一输入电容12、两开关SW_A和SW_B、一电感14、一输出电容16及一控制电路18。如图1所示，一负载19耦接至升压式电压转换器10的输出端。该控制电路18提供用以个别控制开关SW_A和SW_B的两驱动信号V_A和V_B，使得开关SW_A和SW_B能被交替地导通及关闭。当升压式电压转换器10运作于一正常模式时，其输出电压Vout大于其输入电压Vin。在此状态下，当开关SW_A导通而开关SW_B关闭时，输入电压Vin对电感14充电以产生一充电电流i_L。反之，当开关SW_B导通而开关SW_A关闭时，该充电电流i_L转而对输出电容16充电，使得该输出电压Vout维持一大于输入电压Vin电平的电压。

在已知架构中，该开关SW_B一般是以P型晶体管所实现。该P型晶体管在实现时其源极和本体端(body)连接至输出端，而其漏极连接至一节点UP。已知架构的一个缺点是当升压式电压转换器10运作于一休止(shutdown)模式时，该P型晶体管会出现一相当大的泄漏电流(leakage current)，而增加了功率损耗。当升压式电压转换器10运作于该休止模式时，其输出电压Vout小于其输入电压Vin。在此状态下，该P型晶体管的一寄生PNP双载子晶体管将被导通，使得该泄漏电流会由该升压式电压转换器10的输入端经由该P型晶体管流至输出端。若输出端短路，则会导致该P型晶体管烧毁。

因此，为了避免上述问题，有必要提出一种改良的升压式电压转换器，以在该升压式电压转换器运作于休止模式时降低泄漏电流。

发明内容

本发明的目的是提供一种升压式电压转换器，其用以自一输入端接收一输入电压以调节产生一输出电压至一输出端。

为达到上述的目的，本发明的升压式电压转换器的一实施例包含第一和第二主要晶体管、第一和第二开关和一比较电路。该第一主要晶体管经配置以根据一第一信号选择性地连接一切换节点至一公共节点。该第二主要晶体管经配置以根据一第二信号选择性地连接该切换节点至该输出端，其中该第二主要晶体管具有一源极连接至该输出端，且具有一漏极连接至该切换节点，该第一和第二信号为互补的信号。

该比较电路经配置以比较该输入电压和该输出电压，藉以产生一第三信号和一第四信号，其中该第三和第四信号为互补的信号。该第一开关经配置以根据该第三信号选择性地连接该第二主要晶体管的一本体至该切换节点。该第二开关经配置以根据该第四信号选择性地连接该第二主要晶体管的该本体至该输出端。当该输入电压大于该输出电压时，该第二主要晶体管的该本体通过该第一开关连接至该切换节点，而当该输入电压小于该输出电压时，该第二主要晶体管的该本体通过该第二开关连接至该输出端。

本发明的升压式电压转换器的另一实施例包含一第一和第二主要晶体管、第一和第二开关和一比较电路。该第一主要晶体管经配置以根据一第一信号选择性地连接一切换节点至一公共节点。该第二主要晶体管经配置以根据一第二信号选择性地连接该切换节点至该输出端，其中该第二主要晶体管具有一源极连接至该输出端，且具有一漏极连接至该切换节点，该第一和第二信号为互补的信号。

该比较电路经配置以比较该输入电压和该输出电压，藉以产生一第三信号和一第四信号，其中该第三和第四信号为互补的信号。该第一开关经配置以根据该第三信号选择性地连接该输入端至一供电端。该第二开关经配置以根据该第四信号选择性地连接该输出端至该供电端。该供电端用以供应该升压式电压转换器的内部电路的电压，当该输入电压大于该输出电压时，该供电端的电压为该输入电压，而当该输入电压大于该输出电压时，该供电端的电压为该输出电压。

附图说明

图1绘示一典型的升压式电压转换器的架构示意图；

图2显示结合本发明一实施例的升压式电压转换器的架构示意图；

图3显示结合本发明一实施例的比较电路的电路示意图；

图4显示结合本发明一实施例的比较电路的运作状态；

图5显示结合本发明一实施例的比较电路的运作状态；

图6显示结合本发明一实施例的该第一和第二开关的电路示意图；以及

图7显示结合本发明一实施例的电源切换单元的电路示意图。

[主要元件标号说明]

10升压式电压转换器    12     电容

14电感                16     电容

18控制电路            19     负载

20升压式电压转换器    22     电容

24电感                26     电容

27控制电路            28     负载

30开关                32     开关

34比较电路            35     开关

36开关                70     电源切换单元

M_S1～M_S6晶体管        M₁～M₁₃晶体管

X₁～X₂反相器

具体实施方式

本发明在此所探讨的方向为一种升压式电压转换器。为了能彻底地了解本发明，将在下列的描述中提出详尽的步骤及结构。显然地，本发明的施行并未限定于本领域技术人员所熟悉的特殊细节。另一方面，众所周知的结构或步骤并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。本发明的较佳实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其它的实施例中，且本发明的范围不受限定，其以上述的专利范围为准。

图2显示结合本发明一实施例的升压式电压转换器20的架构示意图。该升压式电压转换器20用以自一输入端N₁接收一输入电压Vin，经调节后产生一输出电压Vout至一输出端N2。参照图2，该升压式电压转换器20包含一输入电容22、一NMOS晶体管MS₁、一PMOS晶体管MS₂、一电感24、一控制电路27和一比较电路34。此外，一负载28和一输出电容26耦接至该升压式电压转换器20的输出端N₂。

该电感24连接于该输入端N₁和一切换节点SW之间。该NMOS晶体管MS₁连接于该切换节点SW和一接地节点之间，而该PMOS晶体管MS₂连接于该切换节点SW和该输出端N2之间。该控制电路27经配置以产生导通该NMOS晶体管MS₁的信号S₁和导通该PMOS晶体管MS₂的信号S₂。当该NMOS晶体管MS₁导通时，该切换节点SW位于一低电压电平(近似于该NMOS晶体管MS₁的内阻与电感电流i_L的乘积)。当该PMOS晶体管MS₂导通时，该切换节点SW位于一高电压电平(近似于该输出电压Vout加上该PMOS晶体管MS₂的内阻与电感电流i_L的乘积)。

该PMOS晶体管MS₂具有一源极连接至该输出端N₂，且具有一漏极连接至该切换节点SW。该PMOS晶体管MS₂的一本体会根据输入电压Vin和输出电压Vout的大小选择性地连接至该切换节点SW或该输出端N₂。该升压式电压转换器20可运作于一正常模式或一休止模式。当该升压式电压转换器20运作于该正常模式时，其输出电压Vout大于其输入电压Vin。反之，当该升压式电压转换器20运作于该休止模式时，其输出电压Vout小于其输入电压Vin。

参照图2，该比较电路34经配置以比较该输入电压Vin和该输出电压Vout的电压值，藉以产生信号S₃和互补于信号S₃的信号S₄。一第一开关30根据该信号S₃选择性地连接该PMOS晶体管MS₂的该本体至该切换节点SW，而一第二开关32根据该信号S₄选择性地连接该PMOS晶体管MS₂的该本体至该输出端N₂。

图3显示结合本发明一实施例的比较电路34的电路示意图。在本实施例中，该比较电路34为一电流比较器，其包含一比较单元342和一输出单元344。该比较单元342用以接收该输入电压Vin和输出电压Vout以产生一输出信号cmp，而该输出单元344用以接收该输出信号cmp以产生信号S₃和S₄。参照图3，该比较单元342包含一差动输入级346，其中该差动输入级346包含P型晶体管M₁和M₂、N型晶体管M₅和M₆和一偏压电阻R_B。该P型晶体管M₁的源极连接至该输入端N₁以接收该输入电压Vin，而该P型晶体管M2的源极连接至该输出端N₂以接收该输出电压Vout。该P型晶体管M₁的栅极和该P型晶体管M₂的栅极彼此连接，且该P型晶体管M₂的栅极短路至其漏极。该N型晶体管M₅的栅极和该N型晶体管M₆的栅极彼此连接，且该N型晶体管M₅的栅极短路至其漏极。该N型晶体管M₅的漏极连接至该P型晶体管M₁的漏极，且该N型晶体管M₆的漏极连接至该P型晶体管M₂的漏极。此外，一偏压电阻R_B串联连接于该N型晶体管M₆的源极和该接地节点之间。通过足够大的该偏压电阻R_B的阻值，该比较单元342的工作电流可降低至1μA以下。该输出单元344包含两串联的反相器X₁和X₂，其中该反相器X₁以该输出电压Vout为偏压电源，而该反相器X₂以该输入电压Vin为偏压电源。

配合图2至图4，本发明的升压式电压转换器20的工作原理说明如下。当该升压式电压转换器20运作于正常模式时，其输出端N₂的电压Vout大于其输入端N₁的电压Vin。在此条件下，参照图4，节点A的电压会随输出电压Vout而变化。当节点A的电压上升至Vout-Vgs(晶体管M₂的源极至栅极电压差)时，由于输出电压Vout大于输入电压Vin，会迫使晶体管M₁关闭。此时，节点B的电压为Vgs(晶体管M₅的栅极至源极电压差)，所以节点C的电压为输出电压Vout。当节点A的电压上升至一预定电压时，晶体管M₈会将节点C的电压拉升至接近输出电压Vout的电压电平。由于晶体管M₁₂的源极连接至输入电压Vin且晶体管M₁₀的源极连接至输出电压Vout，故晶体管M₁₂将会关闭。当晶体管M₁₂关闭时，由于节点C的电压上升，因此晶体管M₁₃会产生一下拉的力量，使得输出信号cmp的电压电平下降至一接地电压。因此，信号S₃的电压电平为输出电压Vout，而信号S₄的电压电平为该接地电压。参考图2，此时该第一开关30截止而该第二开关32导通，该PMOS晶体管MS₂的该本体将通过该第一开关32连接至该输出端N₂。

另一方面，当该升压式电压转换器20运作于休止模式时，控制电路27将使晶体管MS₁与MS₂关闭，输出电压Vout会经由电阻28放电，使输出端N₂的电压Vout小于其输入端N₁的电压Vin。在此条件下，参照图5，该节点A的电压为Vin-Vgs(晶体管M₂的源极至栅极电压差)。由于节点B的电压为Vgs(晶体管M₅的栅极至源极电压差)，所以节点C的电压为该接地电压。此时晶体管M₁₃截止，使得该输出信号cmp的电压电平为该输入电压Vin。因此，信号S₃的电压电平为该接地电压，而信号S₄的电压电平为该输入电压Vin。参考图2，此时该第一开关30导通而该第二开关32截止，该PMOS晶体管MS₂的该本体将通过该第二开关32连接至该切换节点SW。

在本发明一实施例中，该第一和第二开关30及32是通过一PMOS晶体管而实施。图6显示结合本发明一实施例的该第一和第二开关30及32的电路示意图。该第一开关30由一P型晶体管MS₃所取代，其中该P型晶体管MS₃的源极和本体共同连接至该PMOS晶体管MS₂的该本体，漏极连接至该切换节点SW，且栅极用以接收该信号S₃。该第二开关32由一P型晶体管MS₄所取代，其中该P型晶体管MS₄的源极和本体共同连接至该PMOS晶体管MS₂的该本体，漏极连接至该输出端N₂，且栅极用以接收该信号S₄。

此外，随着该升压式电压转换器20运作于不同的模式，该升压式电压转换器20的内部电路的供应电压也需随之调整，以提高该升压式电压转换器20的整体工作效率。在本发明一实施例中，该升压式电压转换器20可包含一电源切换单元70，其根据该升压式电压转换器20的运作模式而自动输出一供应电压V_H至该升压式电压转换器20的内部电路。

图7显示结合本发明一实施例的电源切换单元70的电路示意图。参照图7，该电源切换单元70模式包含一第三开关35和一第四开关36。该第三开关35经配置以根据该第三信号S₃选择性地连接该输入电压Vin至该供应电压V_H，而该第四开关36经配置以根据该第四信号S₄选择性地连接该输出电压Vout至该供应电压V_H。

该电源切换单元70的工作原理说明如下。当该升压式电压转换器20运作于正常模式时，其输出端N₂的电压Vout大于其输入端N₁的电压Vin。参考图4，此时信号S₃的电压电平为输出电压Vout，而信号S₄的电压电平为该接地电压。因此，图7中的该第三开关35截止而该第四开关36导通，故该输出电压Vout将提供给该供应电压V_H。另一方面，当该升压式电压转换器20运作于休止模式时，其输出端N₂的电压Vout小于其输入端N₁的电压Vin。参考图5，此时信号S₃的电压电平为该接地电压，而信号S₄的电压电平为该输出电压Vout。因此，图7中的该第三开关35导通而该第四开关36截止，故该输入电压Vin将提供给该供应电压V_H。

在本发明一实施例中，该第三和第四开关35及36是通过一PMOS晶体管而实施。参照图7，该第三开关35由一P型晶体管MS₅所取代，其中该P型晶体管MS₅的源极和本体共同连接至该该供应电压V_H，漏极连接至该切换节点SW，且栅极用以接收该信号S₃。该第四开关36由一P型晶体管MS₆所取代，其中该P型晶体管MS₆的源极和本体共同连接至该供应电压V_H，漏极连接至该输出端N₂，且栅极用以接收该信号S₄。因此，该P型晶体管MS₅和该P型晶体管MS₆会根据该信号S₃和S₄的电压电平而选择性地导通。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为所附的权利要求范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种升压式电压转换器，用以自一输入端接收一输入电压藉以调节产生一输出电压至一输出端，该升压式电压转换器包含：

一第一主要晶体管，其经配置以根据一第一信号选择性地连接一切换节点至一公共节点；

一第二主要晶体管，其经配置以根据一第二信号选择性地连接该切换节点至该输出端，其中该第二主要晶体管具有一源极连接至该输出端，且具有一漏极连接至该切换节点，该第一和第二信号为互补的信号；

一比较电路，其经配置以比较该输入电压和该输出电压，藉以产生一第三信号和一第四信号，其中该第三和第四信号为互补的信号；

一第一开关，其经配置以根据该第三信号选择性地连接该第二主要晶体管的一本体至该切换节点；以及

一第二开关，其经配置以根据该第四信号选择性地连接该第二主要晶体管的该本体至该输出端；

其中当该输入电压大于该输出电压时，该第二主要晶体管的该本体通过该第一开关连接至该切换节点，而当该输入电压小于该输出电压时，该第二主要晶体管的该本体通过该第二开关连接至该输出端。

2.根据权利要求1所述的升压式电压转换器，其中该第一开关为一P型晶体管，其源极和本体共同连接至该第二主要晶体管的该本体，其漏极连接至该切换节点，且其栅极用以接收该第三信号，该第二开关为一P型晶体管，其源极和本体共同连接至该第二主要晶体管的该本体，其漏极连接至该输出端，且其栅极用以接收该第四信号。

3.根据权利要求1所述的升压式电压转换器，其中该升压式电压转换器还包含：

一第三开关，其经配置以根据该第三信号选择性地连接该输入端至一供电端；以及

一第四开关，其经配置以根据该第四信号选择性地连接该输出端至该供电端；

其中该供电端用以供应该升压式电压转换器的内部电路的电压，且当该输入电压大于该输出电压时，该供电端的电压为该输入电压，而当该输入电压大于该输出电压时，该供电端的电压为该输出电压。

4.根据权利要求1所述的升压式电压转换器，其中该比较电路包含：

一第一P型晶体管，其源极连接至该输入端；

一第二P型晶体管，其源极连接至该输出端，而其漏极和栅极共同连接至该第一P型晶体管的栅极；

一第一N型晶体管，其源极连接至该公共节点，而其栅极和漏极共同连接至该第一P型晶体管的漏极；

一第二N型晶体管，其栅极连接至该第一N型晶体管的栅极，而其漏极连接至该第二P型晶体管的漏极；以及

一偏压电阻，串联连接于该第二N型晶体管的源极和该公共节点之间。

5.根据权利要求4所述的升压式电压转换器，其中该比较电路还包含：

一第三P型晶体管，其源极连接至一高供应电源，而其漏极和栅极共同连接至该第二P型晶体管的栅极；

一第四P型晶体管，其源极连接至该输出端，其栅极连接至该第二P型晶体管的栅极；

一第五P型晶体管，其源极连接至该输出端，而其漏极短路至其栅极；

一第六P型晶体管，其源极连接至该输入端，而其栅极连接至该第五P型晶体管的栅极；

一第七P型晶体管，其源极连接至该输出端，而其栅极连接至该第二P型晶体管的栅极；

一第八P型晶体管，其源极连接至该第七P型晶体管的漏极，其栅极连接至该第六P型晶体管的漏极，而其漏极连接至该第一N型晶体管的栅极；

一第三N型晶体管，其源极连接至该公共节点，其栅极连接至该第一N型晶体管的栅极，而其漏极连接至该第四P型晶体管的漏极；

一第四N型晶体管，其源极连接至该公共节点，其栅极连接至该第三N型晶体管的栅极，而其漏极连接至该第五P型晶体管的漏极；以及

一第五N型晶体管，其源极连接至该公共节点，其栅极连接至该第三N型晶体管的漏极，而其漏极连接至该第六P型晶体管的漏极。

6.一种升压式电压转换器，用以自一输入端接收一输入电压以调节产生一输出电压至一输出端，该升压电压转换器包含：

一第一主要晶体管，其经配置以根据一第一信号选择性地连接一切换节点至一公共节点；

一第二主要晶体管，其经配置以根据一第二信号选择性地连接该切换节点至该输出端，其中该第二主要晶体管具有一源极连接至该输出端，且具有一漏极连接至该切换节点，该第一和第二信号为互补的信号；

一比较电路，其经配置以比较该输入电压和该输出电压，藉以产生一第三信号和一第四信号，其中该第三和第四信号为互补的信号；

一第一开关，其经配置以根据该第三信号选择性地连接该输入端至一供电端；以及

一第二开关，其经配置以根据该第四信号选择性地连接该输出端至该供电端；

其中该供电端用以供应该升压式电压转换器的内部电路的电压，当该输入电压大于该输出电压时，该供电端的电压为该输入电压，而当该输入电压大于该输出电压时，该供电端的电压为该输出电压。

7.根据权利要求6所述的升压式电压转换器，其中该第一开关为一P型晶体管，其源极和本体共同连接至该供电端，其漏极连接至该输入端，且其栅极用以接收该第三信号，该第二开关为一P型晶体管，其源极和本体共同连接至该供电端，其漏极连接至该输出端，且其栅极用以接收该第四信号。

8.根据权利要求6所述的升压式电压转换器，其中该升压式电压转换器还包含：

一第三开关，其经配置以根据该第三信号选择性地连接该第二主要晶体管的一本体至该切换节点；以及

一第四开关，其经配置以根据该第四信号选择性地连接该第二主要晶体管的该本体至该输出端；

其中当该输入电压大于该输出电压时，该第二主要晶体管的该本体通过该第一开关连接至该切换节点，而当该输入电压小于该输出电压时，该第二主要晶体管的该本体通过该第二开关连接至该输出端。

9.根据权利要求6所述的升压式电压转换器，其中该比较电路包含：

一第一P型晶体管，其源极连接至该输入端；

一第二P型晶体管，其源极连接至该输出端，而其漏极和栅极共同连接至该第一P型晶体管的栅极；

一第一N型晶体管，其源极连接至该公共节点，而其栅极和漏极共同连接至该第一P型晶体管的漏极；

一第二N型晶体管，其栅极连接至该第一N型晶体管的栅极，而其漏极连接至该第二P型晶体管的漏极；以及

一偏压电阻，串联连接于该第二N型晶体管的源极和该公共节点之间。

10.根据权利要求9所述的升压式电压转换器，其中该比较电路还包含：

一第三P型晶体管，其源极连接至一高供应电源，而其漏极和栅极共同连接至该第二P型晶体管的栅极；

一第四P型晶体管，其源极连接至该输出端，其栅极连接至该第二P型晶体管的栅极；

一第五P型晶体管，其源极连接至该输出端，而其漏极短路至其栅极；

一第六P型晶体管，其源极连接至该输入端，而其栅极连接至该第五P型晶体管的栅极；

一第七P型晶体管，其源极连接至该输出端，而其栅极连接至该第二P型晶体管的栅极；

一第八P型晶体管，其源极连接至该第七P型晶体管的漏极，其栅极连接至该第六P型晶体管的漏极，而其漏极连接至该第一N型晶体管的栅极；

一第三N型晶体管，其源极连接至该公共节点，其栅极连接至该第一N型晶体管的栅极，而其漏极连接至该第四P型晶体管的漏极；

一第四N型晶体管，其源极连接至该公共节点，其栅极连接至该第三N型晶体管的栅极，而其漏极连接至该第五P型晶体管的漏极；以及

一第五N型晶体管，其源极连接至该公共节点，其栅极连接至该第三N型晶体管的漏极，而其漏极连接至该第六P型晶体管的漏极。

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