CN103580488B - 电压转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电压转换装置，包括脉宽调制信号产生电路、功率晶体管、第一电感、第二电感以及反馈整流器。脉宽调制信号产生电路接收反馈电源以作为操作电源，并产生脉宽调制信号。功率晶体管的第一端接收输入电压，其控制端接收脉宽调制信号。第二电感耦合第一电感上的电压并产生耦合电压。反馈整流器针对耦合电压进行整流以产生反馈电源。

Description

电压转换装置
技术领域
本发明是有关于一种电压转换装置，且特别是有关于一种降压式以及升压型的降压式电压转换装置。
背景技术
随着电子科技的进步，电子产品已成为人们生活中必备的工具。为了使电子产品可以提供多样化的功能，在电子产品中供应多种不同的电源来给多个应用电路来使用成为一种必然的趋势。而通过所谓的电压转换器(voltageconverter)来产生所需的电源则为较常见的方式。
通常来说，电压转换器多半需要脉宽调制信号产生电路以提供脉宽调制信号来驱动电压转换器中的功率晶体管以进行电压转换的动作。在绿色能源的考量下，现有技术通常会利用电压转换器所产生的输出电压来进行处理，以作为脉宽调制信号产生电路的辅助的操作电源。值得注意的是，当电压转换器所产生的输出电压的电压值与脉宽调制信号产生电路的操作电源的电压值有一定的差异的同时，上述的辅助的操作电源的产生动作需要通过复杂的电路元件来完成，增加了电路的成本。并且，要根据电压转换器所产生的输出电压来提供稳定的操作电源给要脉宽调制信号产生电路也有一定技术上的困难，也为本领域设计者的重要课题之一。
发明内容
本发明提供一种电压转换装置，用以提供稳定的反馈电源作为脉宽调制信号产生电路的操作电源。
本发明提供一种电压转换装置，包括脉宽调制信号产生电路、功率晶体管、第一电感、第二电感以及反馈整流器。脉宽调制信号产生电路接收反馈电源以作为操作电源，并产生脉宽调制信号。功率晶体管具有第一端、第二端以及控制端，其第一端接收输入电压，其控制端耦接脉宽调制信号产生电路并接收脉宽调制信号，其第二端耦接至第一参考接地端。第一电感串接在第一参考接地端与电压转换装置的第一输出端间。第二电感的一端耦接第一参考接地端，其第二端耦合第一电感上的电压并产生耦合电压。反馈整流器耦接在第二电感的第二端以及脉宽调制信号产生电路接收反馈电源的端点间，针对耦合电压进行整流以产生反馈电源。
在本发明的一实施例中，电压转换装置还包括第一电阻、第一电容以及第二电容。第一电阻的第一端接收输入电压。第一电容的第一端与第一电阻的第二端共同耦接至脉宽调制信号产生电路接收反馈电源的端点，第一电容的第二端耦接至第一参考接地端。第二电容的第一端接收输入电压，其第二端耦接至第二参考接地端。
在本发明的一实施例中，电压转换装置还包括第二电阻。第二电阻串接在功率晶体管的第二端耦接第一参考接地端的路径间。
在本发明的一实施例中，电压转换装置还包括滤波电容、第三电阻以及二极管。滤波电容串接在电压转换装置的第一输出端与第二参考接地端间。第三电阻串接在电压转换装置的第一输出端与第二参考接地端间。二极管的阴极耦接至功率晶体管的第二端，其阳极耦接至第二参考接地端，其中，第二参考接地端为电压转换装置的第二输出端，第一输出端上的电压值大于第二输出端上的电压值。
在本发明的一实施例中，电压转换装置还包括第二电阻以及二极管。第二电阻的第一端耦接至功率晶体管的第二端。二极管的阴极耦接至第二电阻的第二端，其阳极耦接至电压转换装置的第二输出端，其中，电压转换装置的第一输出端等于第二参考接地端，且第一输出端上的电压大于第二输出端上的电压。
在本发明的一实施例中，电压转换装置还包括滤波电容以及第三电阻。滤波电容串接在电压转换装置的第二输出端与第二参考接地端间。第三电阻串接在电压转换装置的第二输出端与第二参考接地端间。
在本发明的一实施例中，上述的反馈整流器包括第一二极管。第一二极管的阳极耦接至第二电感的第二端，第一二极管的阴极提供反馈电压。
在本发明的一实施例中，上述的反馈整流器还包括第二二极管以及电阻。第二二极管串接在第一二极管与第二电感的耦接路径间，第二二极管的阴极耦接至第二电感的第二端，第二二极管的阳极耦接至第一二极管的阳极。电阻串接在第一二极管的阴极与脉宽调制信号产生电路的耦接路径间。
在本发明的一实施例中，上述的反馈整流器在当该功率晶体管切断时，针对耦合电压进行整流以产生反馈电源。
在本发明的一实施例中，电压转换装置还包括反馈电阻。反馈电阻串接在脉宽调制信号产生电路以及第二电感的第二端间，其中，脉宽调制信号产生电路通过反馈电阻检测第一电感的零电流现象。
基于上述，本发明通过利用第二电感来耦合电压转换装置中的第一电感上的电压，并针对这个电压来进行整流以产生反馈电源。反馈电源会被提供至脉宽调制信号产生电路中，以作为脉宽调制信号产生电路辅助的操作电源。如此一来，稳定的反馈电源可以被提供至电压转换装置，并使电压转换装置的功率消耗可以更为节省。另外，在使用不同电压准位的输入电压的状态下，配合第二电感以及反馈整流器仍可产生出合适电压准位的反馈电源以作为脉宽调制信号产生电路的辅助操作电源，提升电压转换装置的可被应用的范围。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1示出本发明一实施例的电压转换装置100的示意图；
图2示出本发明实施例的反馈整流器130的实施方式的示意图；
图3示出本发明另一实施例的电压转换装置300的示意图；
图4示出本发明再一实施例的电压转换装置400的示意图。
附图标记说明：
100、300、400：电压转换装置；
110、310、410：脉宽调制信号产生电路；
130、330、430：反馈整流器；
10、30：负载；
Q1：功率晶体管；
L1、L2：电感；
R1-R3、R11、RZCD：电阻；
D1、D11、ZD11：二极管；
C1：滤波电容；
C2-C3：电容；
OUT1、OUT2：输出端；
PWM1：脉宽调制信号；
AUXP：反馈电源；
Vo：输出电压；
VCP：耦合电压；
Va：输入电压；
GND1、GND2：参考接地端；
LD1-LDN：发光二极管。
具体实施方式
请参照图1，图1示出本发明一实施例的电压转换装置100的示意图。电压转换装置100包括脉宽调制信号产生电路110、功率晶体管Q1、电感L1及电感L2、反馈整流器130、电阻R1-电阻R3、二极管D1、滤波电容C1以及电容C2-电容C3。电压转换装置100用来驱动负载10。其中，在本实施例中，负载10耦接在电压转换装置100的第一输出端OUT1以及第二输出端OUT2间，负载10为多个串连的发光二极管LD1-发光二级管LDN。其中，第一输出端OUT1上的电压大于第二输出端OUT2上的电压。其中，电压转换装置100为所谓的非隔离式(non-isolation)电压转换装置。
脉宽调制信号产生电路110用来产生脉宽调制信号PWM1，并提供脉宽调制信号PWM1至功率晶体管Q1的控制端(例如功率晶体管Q1的栅极)。脉宽调制信号产生电路110通过电阻R2耦接至输入电压Va，而输入电压Va通过电阻R2以及电容C3所形成的电阻电容电路(RCcircuit)来在电阻R2以及电容C3的耦接点上提供主要的操作电源给脉宽调制信号产生电路110。另外，脉宽调制信号产生电路110也通过电阻R2以及电容C3的耦接点来接收由反馈整流器130所提供的反馈电源AUXP以作为辅助的操作电源。
值得一提的，电容C3的一端与电阻R2相耦接，而电容C3的另一端则是耦接到第一参考接地端GND1。而输入电压Va与第二参考接地端GND2间则串接电容C2，在此，第一参考接地端GND1与第二参考接地端GND2并不相同，并且，本实施例中的第二参考接地端GND2等于电压转换装置100的第二输出端OUT2。
功率晶体管Q1的第一端(例如功率晶体管Q1的源极)接输入电压Va，而功率晶体管Q1的第二端(例如功率晶体管Q1的漏极)则通过电阻R1耦接至第一参考接地端GND1。并且，二极管D1反偏于功率晶体管Q1的第二端以及第二参考接地端GND2间。其中，通过调整电阻R1的电阻值，可以调整流过发光二极管LD1-发光二级管LDN的电流大小。
电感L1串接在第一参考接地端GND1与第一输出端OUT1间以配合功率晶体管Q1的导通及断开的动作进行电压转换动作。电感L2的一端耦接至第一参考接地端GND1，而电感L2的另一端则耦接至反馈整流器130。电感L2与电感L1相耦合，并通过耦合电感L1上的电压来产生耦合电压VCP。另外，滤波电容C1以及电阻R3串接在电压转换装置100的第一输出端OUT1以及第二参考接地端GND2间。其中，滤波电容C1用以滤除电压转换装置100的第一输出端OUT1上所产生的输出电压Vo的噪声。
在电压转换装置100的整体动作方面，电压转换装置100是一个降压型(buck)的电压转换装置，当功率晶体管Q1根据所接收的脉宽调制信号PWM1而导通时，输入电压Va通过被导通的功率晶体管Q1传向电感L1，而电感L1上的跨压约等于输入电压Va减去输出电压Vo。在此同时，电感L2耦合电感L1上的电压并产生耦合电压VCP以传送至反馈整流器130。
相对的，在当功率晶体管Q1根据所接收的脉宽调制信号PWM1而断开时，输入电压Va通过第一接地端GND1传向电感L1，而电感L1上的跨压约等于输出电压Vo。同时，电感L2同样耦合电感L1上的电压并产生耦合电压VCP以传送至反馈整流器130。
而值得注意的，反馈整流器130仅在功率晶体管Q1被断开时针对耦合电压VCP来进行整流的动作，并由此产生反馈电源AUXP。也就是说，当功率晶体管Q1被导通时，反馈整流器130并不会产生反馈电源AUXP。如此一来，反馈整流器130可以提供具有稳定电压值的反馈电源AUXP。
在本实施例中，耦合电压VCP的电压大小可以通过设定电感L1以及电感L2的线圈的匝数比来加以设定。也就是说，不论电压转换装置100所设定要产生的输出电压Vo的电压大小为何，设计者都可以利用合适的电感L1以及电感L2的线圈的匝数比的设定，来产生适用的耦合电压VCP。当然，反馈电源AUXP的电压大小也可以有效的被控制。
以下举两个实际的实施例来说明，首先，当电压转换装置100所设定要产生的输出电压Vo的电压等于3V，而脉宽调制信号产生电路110所需要操作电源为12V时，设计者可以设定电感L1以及电感L2的线圈的匝数比等于1∶5，如此一来，反馈整流器130就可以产生大于12V的反馈电源AUXP以供应脉宽调制信号产生电路100作为辅助的操作电源。另外，若是电压转换装置100所设定要产生的输出电压Vo的电压等于100V，而脉宽调制信号产生电路110所需要操作电源为12V时，设计者可以设定电感L1以及电感L2的线圈的匝数比等于20∶3，如此一来，反馈整流器130就可以产生大于12V的反馈电源AUXP以供应脉宽调制信号产生电路100作为辅助的操作电源。
由上述的说明可以得知，本发明实施例只要通过调整电感L1以及电感L2的线圈的匝数比，就可以适用于产生各种不同输出电压的电压转换装置。
此外，输入电压Va可以通过整流器来产生。整流器可以接收交流输入电压，并针对交流输入电压进行全波整流来产生输入电压Va。或者，输入电压Va也可以通过提供直流电压的电源来提供，例如是电池。
以下请参照图2，图2示出本发明实施例的反馈整流器130的实施方式的示意图。反馈整流器130包括二极管ZD11、二极管D11以及电阻R11。二极管ZD11为齐纳二极管(zenerdiode)，其阴极接收耦合电压VCP，其阳极耦接至二极管D11的阳极。另外，二极管D11的阴极耦接至电阻R11，电阻R11未耦接二极管D11的端点则产生反馈电源AUXP。
请注意，请同时参照图1及图2，在当功率晶体管Q1导通时，耦合电压VCP不足以使二极管ZD11以及D11导通，并被二极管ZD11以及D11所阻隔而使反馈整流器130不会对应产生反馈电源AUXP。相对的，当功率晶体管Q1断开时，二极管ZD11可以视为短路，而二极管D11被导通，并通过电阻R11根据耦合电压VCP产生反馈电源AUXP。
附带一提，而在最节省电路元件的情况下，反馈整流器130可以仅包括二极管D11就可以实施。二极管ZD11以及电阻R11并非必要的构件。
以下请参照图3，图3示出本发明另一实施例的电压转换装置300的示意图。本实施例的电压转换装置300为升压型的降压(buck-boost)电压转换器。与前一实施例不相同的，本实施例的电压转换装置300的第一输出端OUT1与第二参考接地端GND2是相同的端点，也因此，电感L1的一端耦接至第一参考接地端GND1外，其另一端则耦接至第二参考接地端GND2(等于第一输出端OUT1)。而电阻R1以及二极管D1则是依序串接在第一参考接地端GND1以及第二输出端OUT2间。附带一提的，由发光二极管LD1-发光二级管LDN所构成的负载30则正向偏压于第一输出端OUT1以及第二输出端OUT2间，也就是说，第一输出端OUT1的电压大于第二输出端OUT2的电压。
与前一实施例相同的，本实施例同样通过电感L2来耦合电感L1上的电压以产生耦合电压VCP，并通过反馈整流器330在功率晶体管Q1断开时产生反馈电源AUXP，并提供反馈电源AUXP至脉宽调制信号产生电路310以作为脉宽调制信号产生电路310的辅助的操作电源。
以下请参照图4，图4示出本发明再一实施例的电压转换装置400的示意图。与图1示出的实施例不相同的，本实施例的电压转换装置400还包括反馈电阻RZCD。其中，反馈电阻RZCD串接在电感L2未耦接电感L1的端点以及脉宽调制信号产生电路410间。反馈电阻RZCD则用来提供脉宽调制信号产生电路410检测电感L1上的零电流现象。
附带一提的，脉宽调制信号产生电路410可以通过检测反馈电阻RZCD上的电压变化来判断电感L1上的零电流现象。而关于脉宽调制信号产生电路410检测电感L1上的零电流现象的动作细节为本领域技术人员所熟知的技术，在此不再赘述。
综上所述，本发明通过设置多个电感来耦合电压转换装置中的电感上的电压以产生耦合电压，并在功率晶体管断开时，将耦合电压进行整流以产生反馈电源，并送反馈电源以作为脉宽调制信号产生电路的辅助的操作电源。如此一来，电压转换装置的电量消耗可以有效降低，达到省电的功效。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种电压转换装置，其特征在于，包括：
一脉宽调制信号产生电路，接收一反馈电源以作为操作电源，并产生一脉宽调制信号；
一功率晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，其第一端接收一输入电压，其控制端耦接该脉宽调制信号产生电路并接收该脉宽调制信号，其第二端耦接至一第一参考接地端；
一第一电感，串接在该第一参考接地端与该电压转换装置的一第一输出端间；
一第二电感，其一端耦接该第一参考接地端，其第二端耦合该第一电感上的电压并产生一耦合电压；
一反馈整流器，耦接在该第二电感的第二端以及该脉宽调制信号产生电路接收该反馈电源的端点间，针对该耦合电压进行整流以产生该反馈电源；
一第一电阻，其第一端耦接至该功率晶体管的第二端；以及
一二极管，其阴极耦接至该第一电阻的第二端，其阳极耦接至该电压转换装置的一第二输出端，
其中，该电压转换装置的该第一输出端等于一第二参考接地端，且该第一输出端上的电压大于该第二输出端上的电压，且该第一电阻以及该二极管则是依序串接在该第一参考接地端以及该第二输出端间，其中该反馈整流器包括：
一第一二极管，其阳极耦接至该第二电感的第二端，该第一二极管的阴极提供该反馈电源；
一第二二极管，串接在该第一二极管与该第二电感的耦接路径间，该第二二极管的阴极耦接至该第二电感的第二端，该第二二极管的阳极耦接至该第一二极管的阳极；以及
一第二电阻，串接在该第一二极管的阴极与该脉宽调制信号产生电路的耦接路径间。
2.根据权利要求1所述的电压转换装置，其特征在于，还包括：
一第三电阻，其第一端接收该输入电压；
一第一电容，其第一端与该第三电阻的第二端共同耦接至该脉宽调制信号产生电路接收该反馈电源的端点，该第一电容的第二端耦接至该第一参考接地端；以及
一第二电容，其第一端接收该输入电压，其第二端耦接至该第二参考接地端。
3.根据权利要求1所述的电压转换装置，其特征在于，还包括：
一滤波电容，串接在该电压转换装置的该第二输出端与该第二参考接地端间；以及
一第三电阻，串接在该电压转换装置的该第二输出端与该第二参考接地端间。
4.根据权利要求1所述的电压转换装置，其特征在于，该反馈整流器在当该功率晶体管切断时，针对该耦合电压进行整流以产生该反馈电源。
5.根据权利要求1所述的电压转换装置，其特征在于，还包括：
一反馈电阻，串接在该脉宽调制信号产生电路以及该第二电感的第二端间，
其中，该脉宽调制信号产生电路通过该反馈电阻检测该第一电感的零电流现象。
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