CN105281540B - 电压电平转换装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压电平转换装置包含第一电平转换单元、第二电平转换单元、充电单元以及放电单元。第一电平转换单元接收参考电压与电源电压，以输出提升电压。第二电平转换单元连接第一电平转换单元，以接收提升电压。充电单元接收控制电压，以提供输出电压。放电单元连接充电单元，并且接收控制电压与参考电压。当控制电压导通充电单元并且截止放电单元时，充电单元由提升电压充电，使提升电压为充电单元所提供的输出电压。当控制电压截止充电单元并且导通放电单元时，放电单元由输出电压放电。本发明能克服最低运行电压的局限。

Description

电压电平转换装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种电压电平转换装置及其操作方法，尤其涉及一种应用于马达驱动电路的电压电平转换装置及其操作方法。

背景技术

目前市面上的高速切换应用产品设计，例如直流无刷马达(brushless DC motor,BLDC motor)的上桥驱动电路、发光二极管(light-emitting diode,LED)能量控制电路等，皆需要高压驱动电路，而驱动电压的电平往往需要比系统输入的电压还要高。

以现有技术而言，由于升压集成电路(charge pump IC)可以简易地制造出提升驱动电压电平，因此广为业界所使用。惟，升压集成电路的成本较高，再者，对技术需求考量，升压集成电路的最低运行电压(operation voltage)与充放电效率都受到相当的局限。

因此，如何设计出一种电压电平转换装置及其操作方法，透过使用两阶的电压电平转换，不仅能够提供客制化的运行电压与充放电效率、克服最低运行电压的局限，并且能够提供电压电平提升与快速放电的功能，乃为本发明创作人所欲行克服并加以解决的一大课题。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种电压电平转换装置，以克服公知技术的问题。因此本发明电压电平转换装置包含一第一电平转换单元、一第二电平转换单元、一充电单元以及一放电单元。该第一电平转换单元接收一参考电压与一电源电压，以输出一提升电压。其中该提升电压大小为该参考电压与该电源电压之和。该第二电平转换单元连接该第一电平转换单元，以接收该提升电压。该充电单元接收一控制电压，并且接收该提升电压，以提供该充电单元充电操作所需的电压，以提供一输出电压。该放电单元连接该充电单元，并且接收该控制电压与该参考电压。其中，当该控制电压导通该充电单元并且截止该放电单元时，该充电单元由该提升电压充电，使该提升电压为该充电单元所提供的该输出电压；当该控制电压截止该充电单元并且导通该放电单元时，该放电单元由该输出电压放电。

本发明的另一目的在于提供一种电压电平转换装置的操作方法，以克服公知技术的问题。因此本发明电压电平转换装置的操作方法包含下列步骤：(a)提供一第一电平转换单元，接收一参考电压与一电源电压，以输出一提升电压，其中该提升电压大小系为该参考电压与该电源电压之和；(b)提供一第二电平转换单元，接收该提升电压；(c)提供一充电单元接收一控制电压，并且接收该提升电压，以提供该充电单元充电操作所需的电压，以提供一输出电压；(d)提供一放电单元，接收该控制电压与该参考电压；以及(e)当该控制电压导通该充电单元并且截止该放电单元时，该充电单元由该提升电压充电，使该提升电压系为该充电单元所提供的该输出电压；当该控制电压截止该充电单元并且导通该放电单元时，该放电单元由该输出电压放电。

为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而所附附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

附图说明

图1为本发明一电压电平转换装置的方框示意图；

图2为本发明该电压电平转换装置的电路图；

图3为本发明该电压电平转换装置应用于马达驱动的电路图；

图4为本发明一输出电压与一参考电压两者关系的波形示意图；

图5为本发明一提升电压与该参考电压两者关系的波形示意图；

图6为本发明一转换电压与该输出电压两者关系的波形示意图；及

图7为本发明一电压电平转换装置的操作方法的流程图。

其中，附图标记说明如下：

10 第一电平转换单元

20 第二电平转换单元

30 充电单元

40 放电单元

50 马达

102 第一二极管

104 第一电容

202 第二二极管

204 第二电容

302 第一电阻

304 第一功率开关

306 限流电阻

402 第二电阻

404 第三二极管

406 第二功率开关

408 第三功率开关

502 隔离电阻

Vref 参考电压

Vcc 电源电压

Vs 提升电压

Vx 转换电压

Vc 控制电压

Vout 输出电压

Sc 控制信号

U U相

V V相

W W相

Qc 功率开关

Q1 第一桥臂开关

Q2 第二桥臂开关

Q3 第三桥臂开关

Q4 第四桥臂开关

Q5 第五桥臂开关

Q6 第六桥臂开关

S10～S50步骤

具体实施方式

兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下：

请参阅图1为本发明一电压电平转换装置的方框示意图。该电压电平转换装置包含一第一电平转换单元10、一第二电平转换单元20、一充电单元30以及一放电单元40。该第一电平转换单元10接收一参考电压Vref与一电源电压Vcc，以输出一提升电压Vs。其中该提升电压Vs大小为该参考电压Vref与该电源电压Vcc之和。亦即，Vs＝Vref+Vcc。换言之，若该参考电压Vref为20伏特，而该电源电压Vcc为12伏特，则该第一电平转换单元10所输出的该提升电压Vs即为32伏特。该第二电平转换单元20连接该第一电平转换单元10，以接收该提升电压Vs，以提供一转换电压Vx。该充电单元30接收一控制电压Vc，并且接收该提升电压Vs，以提供该充电单元30充电操作所需的电压，以提供一输出电压Vout。该放电单元40连接该充电单元30，并且接收该控制电压Vc与该参考电压Vref。其中，当该控制电压Vc导通该充电单元30并且截止该放电单元40时，该充电单元30由该提升电压Vs充电，使该提升电压Vs为该充电单元30所提供的该输出电压Vout。反之，当该控制电压Vc截止该充电单元30并且导通该放电单元40时，该放电单元40由该输出电压Vout放电。至于该电压电平转换装置的详细电路架构以及对应的操作，将于后文有详细的阐述。

请参阅图2为本发明该电压电平转换装置的电路图。在图2中更进一步揭露每一单元的电路元件，如下所述。该第一电平转换单元10包含一第一二极管102以及与该第一二极管102连接的一第一电容104，其中该第一电容104连接该第一二极管102的一阴极。该第二电平转换单元20包含一第二二极管202以及与该第二二极管202连接的一第二电容204，其中该第二电容204连接该第二二极管202的一阴极。该充电单元30包含一第一电阻302与一第一功率开关304，其中该第一功率开关304的一栅极系连接该第一电阻302的一端。该放电单元40系包含一第二电阻402、一第三二极管404、一第二功率开关406以及一第三功率开关408，其中该第三二极管404的一阴极系连接该第二电阻402的一端、该第二功率开关406的一栅极与该第三功率开关408的一栅极。

此外，该充电单元30还包含一限流电阻306。该限流电阻306连接该第一功率开关304的一漏极与该第一二极管102的该阴极，以限制由该第一电平转换单元10流入该充电单元30的电流大小。值得一提，该控制电压Vc由一控制信号Sc控制一功率开关Qc所产生。其中，该控制信号Sc可为一脉波宽度调变信号(pulse-width modulation signal,PWMsignal)。此外，该提升电压Vs与该控制电压Vc之间，亦即该第二电平转换单元20的输入侧与该放电单元40的输入侧之间具有一隔离电阻502，以隔离该提升电压Vs与该控制电压Vc。

请参阅图3为本发明该电压电平转换装置应用于马达驱动的电路图。如图所示，该电压电平转换装置应用于马达驱动电路，更具体而言，该电压电平转换装置的该充电单元30所输出的该输出电压Vout以连接一转换电路，以驱动控制一马达50。以三相马达驱动系统为例，该转换电路为三组互为并联的桥臂架构所组成，并且每一组桥臂由两功率开关元件串联连接。该充电单元30所输出的该输出电压Vout以连接一第一组桥臂的一第一桥臂开关Q1的一栅极，并且该第一电平转换单元10与该放电单元40所连接的该参考电压Vref以连接该马达50其中一相绕组。以本实施例为例，该参考电压Vref连接该马达50的U相绕组，但不以此为例。更具体而言，图3仅绘出连接该马达50的U相绕组以及该第一桥臂开关Q1的该电压电平转换装置。对三相马达驱动系统而言，每一相以连接一组该电压电平转换装置，换言之，该马达50的V相绕组与一第三桥臂开关Q3以及W相绕组与一第五桥臂开关Q5分别连接一组该电压电平转换装置。

再请参阅图2，以下将以该电压电平转换装置连接该马达50的U相绕组为例加以说明。该马达驱动系统(包含该电压电平转换装置与该转换电路)的初始状态说明如下：当该马达50静止时，该参考电压Vref为0伏特，并且假设该电源电压Vcc为12伏特，因此，该第一电平转换单元10所输出的该提升电压Vs为12伏特。

当该控制信号Sc为低电平(low level)时，该功率开关Qc截止关断(turned off)。由于该提升电压Vs大于该参考电压Vref，因此该第二功率开关406与该第三功率开关408的栅极电压大于源极电压超过一电压值，使得该第二功率开关406与该第三功率开关408导通开启(turned on)，并且该第一功率开关304的栅极电压等于源极电压，使得该第一功率开关304截止关断。

然后，当该控制信号Sc为高电平(high level)时，该功率开关Qc导通开启，由于该第二功率开关406与该第三功率开关408的栅极电压等于源极电压(电压电平皆等于该参考电压Vref)，使得该第二功率开关406与第三功率开关408截止关断，并且该第一功率开关304的栅极电压大于源极电压超过一电压值，使得该第一功率开关304导通开启。此时，该提升电压Vs(12伏特)以同时对该充电单元30以及该第二电平转换单元20供电，以提供一输出电压Vout，此时该输出电压Vout大小为12伏特。值得一提，该提升电压Vs对该充电单元30供电，更具体而言，为该提升电压Vs对该充电单元30的该第一功率开关304的寄生电容(亦称为Ciss，其所对应电荷为Qg)充电。换言之，当该提升电压Vs对该充电单元30充电时，该第一功率开关304与该输出电压Vout之间形成一充电路径。

然后，当该控制信号Sc再次为低电平时，该功率开关Qc截止关断，由于该提升电压Vs大于该参考电压Vref，使得该第二功率开关406与该第三功率开关408导通开启，并且该第一功率开关304截止关断。此时，该输出电压Vout与该参考电压Vref之间经由该第三功率开关408形成一放电路径。

根据上述说明，该第一功率开关304的导通与截止透过该第二功率开关406的导通与截止以控制该第一功率开关304的栅极，亦即，当该第二功率开关406导通开启时，该第一功率开关304为截止关断状态；反之，当该第二功率开关406截止关断时，该第一功率开关304为导通开启状态。

由于该输出电压Vout以连接该第一桥臂开关Q1的该栅极，因此，该输出电压Vout以驱动该第一桥臂开关Q1的该栅极。再者，由于该参考电压Vref连接该马达50的U相绕组，并且该参考电压Vref非为固定的零电压电平，而是变动的弦波电压，因此，该电压电平转换装置以该变动的弦波电压的电压为基准，使得该充电单元30所提供的该输出电压Vout能以准确地提供控制该马达50的该转换电路的桥臂开关驱动切换。

请参阅图4至图6分别为本发明一输出电压与一参考电压两者关系、一提升电压与该参考电压两者关系以及一转换电压Vx与该输出电压两者关系的波形示意图。如图4所示，承上所述，该提升电压Vs大小为该参考电压Vref与该电源电压Vcc之和，并且当该输出电压Vout输出该提升电压Vs时，该输出电压Vout的提升电平由该电源电压Vcc所决定，并且，该输出电压Vout的切换频率由脉波宽度调变信号的切换频率所决定。如图5所示，表示该第一电平转换单元10的操作波形，亦即，该提升电压Vs大小为该参考电压Vref与该电源电压Vcc之和，因此图上所示两电压之间的电压差即为该电源电压Vcc。如图6所示，表示该第二电平转换单元20的操作波形，亦即，该转换电压Vx与该输出电压Vout两电压之间的电压差即为该提升电压Vs。

请参阅图7为本发明一电压电平转换装置的操作方法的流程图。该电压电平转换装置的操作方法包含下列步骤：首先，提供一第一电平转换单元，接收一参考电压与一电源电压，以输出一提升电压(S10)。其中该提升电压大小为该参考电压与该电源电压之和。该第一电平转换单元包含一第一二极管以及与该第一二极管连接的一第一电容，其中该第一电容连接该第一二极管的一阴极。然后，提供一第二电平转换单元，接收该提升电压(S20)。该第二电平转换单元包含一第二二极管以及与该第二二极管连接的一第二电容，其中该第二电容系连接该第二二极管的一阴极。

然后，提供一充电单元，接收一控制电压，并且接收该提升电压，以提供该充电单元充电操作所需的电压，以提供一输出电压(S30)。该充电单元系包含一第一电阻与一第一功率开关，其中该第一功率开关的一栅极连接该第一电阻的一端。此外，该充电单元还包含一限流电阻。该限流电阻连接该第一功率开关的一漏极与该第一二极管的该阴极，以限制由该第一电平转换单元流入该充电单元的电流大小。然后，提供一放电单元，接收该控制电压与该参考电压(S40)。该放电单元包含一第二电阻、一第三二极管、一第二功率开关以及一第三功率开关，其中该第三二极管的一阴极连接该第二电阻的一端、该第二功率开关的一栅极与该第三功率开关的一栅极。值得一提，该控制电压由一控制信号控制一功率开关所产生。其中，该控制信号可为一脉波宽度调变信号(pulse-width modulation signal,PWM signal)。

最后，当该控制电压导通该充电单元并且截止该放电单元时，该充电单元系由该提升电压充电，使该提升电压系为该充电单元所提供的该输出电压；当该控制电压截止该充电单元并且导通该放电单元时，该放电单元由该输出电压放电(S50)。

当该控制信号为低电平(low level)时，该功率开关截止关断(turned off)。由于该提升电压大于该参考电压，因此该第二功率开关与该第三功率开关的栅极电压大于源极电压超过一电压值，使得该第二功率开关与该第三功率开关导通开启(turned on)，并且该第一功率开关的栅极电压等于源极电压，使得该第一功率开关截止关断。

然后，当该控制信号为高电平(high level)时，该功率开关导通开启，由于该第二功率开关与该第三功率开关的栅极电压等于源极电压(电压电平皆等于该参考电压Vref)，使得该第二功率开关与第三功率开关截止关断，并且该第一功率开关的栅极电压大于源极电压超过一电压值，使得该第一功率开关导通开启。此时，该提升电压(12伏特)以同时对该充电单元以及该第二电平转换单元供电，以提供一输出电压，此时该输出电压大小为12伏特。值得一提，该提升电压对该充电单元供电，更具体而言，为该提升电压对该充电单元的该第一功率开关的寄生电容(亦称为Ciss，其所对应电荷为Qg)充电。换言之，当该提升电压对该充电单元充电时，该第一功率开关与该输出电压之间形成一充电路径。

然后，当该控制信号再次为低电平时，该功率开关截止关断，由于该提升电压大于该参考电压，使得该第二功率开关与该第三功率开关导通开启，并且该第一功率开关截止关断。此时，该输出电压与该参考电压之间系经由该第三功率开关形成一放电路径。

根据上述说明，该第一功率开关的导通与截止透过该第二功率开关的导通与截止以控制该第一功率开关的栅极，亦即，当该第二功率开关导通开启时，该第一功率开关为截止关断状态；反之，当该第二功率开关截止关断时，该第一功率开关为导通开启状态。

由于该输出电压以连接该第一桥臂开关的该栅极，因此，该输出电压以驱动该第一桥臂开关的该栅极。再者，由于该参考电压连接该马达的U相绕组，并且该参考电压非为固定的零电压电平，而是变动的弦波电压，因此，该电压电平转换装置以该变动的弦波电压的电压为基准，使得该充电单元所提供的该输出电压能以准确地提供控制该马达的该转换电路的桥臂开关驱动切换。

综上所述，本发明系具有以下的特征与优点：

1、透过研发人员根据应用的需求，自行设计该电压电平转换装置，提供客制化的运行电压与充放电效率，而不会有过度设计(over design)的状况发生；

2、该电压电平转换装置可提供较宽的操作电压范围，使得克服最低运行电压的局限；及

3、透过使用两阶的电压电平转换，亦即该第一电平转换单元10与该第二电平转换单元20，使得该电压电平转换装置不仅能够利用该第一电平转换单元10提供电压电平提升的功能之外，亦能够利用该第二电平转换单元20提供快速放电的功能。

惟，以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与附图，惟本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以权利要求为准，凡合于本发明权利要求的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本发明的专利范围。

Claims (10)

1.一种电压电平转换装置，包含：

一第一电平转换单元，接收一参考电压与一电源电压，以输出一提升电压，其中该提升电压大小为该参考电压与该电源电压之和；

一第二电平转换单元，连接该第一电平转换单元，以接收该提升电压；

一充电单元，接收该提升电压，以提供该充电单元充电操作所需的电压，并且根据一控制电压的控制来提供一输出电压，其中该第二电平转换单元连接到该充电单元和该输出电压；及

一放电单元，连接该充电单元，并且接收该控制电压与该参考电压；

其中，当该控制电压导通该充电单元并且截止该放电单元时，该充电单元由该提升电压充电，使该提升电压为该充电单元所提供的该输出电压；当该控制电压截止该充电单元并且导通该放电单元时，该放电单元由该输出电压放电。

2.如权利要求1所述电压电平转换装置，其中该第一电平转换单元包含一第一二极管以及与该第一二极管连接的一第一电容，该第一二极管的一阳极连接到该电源电压，该第一二极管的一阴极连接到该第一电容的一端，该第一二极管的阴极与该第一电容的连接点提供该提升电压，该第一电容的另一端连接到该参考电压；该第二电平转换单元包含一第二二极管以及与该第二二极管连接的一第二电容，其中该第二二极管的一阳极接收该提升电压，该第二二极管的一阴极连接到该第二电容的一端，该第二二极管与该第二电容的连接点连接到该充电单元，该第二电容的另一端连接到该输出电压。

3.如权利要求2所述电压电平转换装置，其中该充电单元包含一第一电阻与一第一功率开关，其中该第一功率开关的一栅极连接该第一电阻的一端，该第一功率开关的一源级连接到该输出电压，该第一功率开关的一漏极通过该充电单元的一限流电阻连接到该提升电压，该第二二极管与该第二电容的连接点连接到该第一电阻的另一端；该放电单元包含一第二电阻、一第三二极管、一第二功率开关以及一第三功率开关，其中该第三二极管的一阴极连接该第二电阻的一端、该第二功率开关的一栅极与该第三功率开关的一栅极，该第二功率开关的一漏极连接到该第一电阻的该一端和该第一功率开关的该栅极，该第二功率开关的一源级连接到该参考电压，该第三功率开关的一漏极连接到该输出电压，该第三功率开关的一源极连接到该参考电压，该第三二极管的一阳极连接到该参考电压，该第二电阻的另一端连接到该控制电压，该第二电阻与该控制电压的连接点通过一隔离电阻与该提升电压隔离。

4.如权利要求3所述电压电平转换装置，其中当该控制电压为低电平电压时，该放电单元的该第二功率开关与该第三功率开关导通开启，并且该充电单元的该第一功率开关截止关断；当该控制电压为高电平电压时，该放电单元的该第二功率开关与第三功率开关截止关断，并且该充电单元的该第一功率开关导通开启。

5.如权利要求3所述电压电平转换装置，其中该充电单元的该限流电阻限制由该第一电平转换单元流入该充电单元的电流大小。

6.一种电压电平转换装置的操作方法，包含下列步骤：

(a)提供一第一电平转换单元，接收一参考电压与一电源电压，以输出一提升电压，其中该提升电压大小为该参考电压与该电源电压之和；

(b)提供一第二电平转换单元，连接该第一电平转换单元，以接收该提升电压；

(c)提供一充电单元，接收该提升电压，以提供该充电单元充电操作所需的电压，并且根据一控制电压的控制来提供一输出电压，其中该第二电平转换单元连接到该充电单元和该输出电压；

(d)提供一放电单元，连接该充电单元，并且接收该控制电压与该参考电压；及

(e)当该控制电压导通该充电单元并且截止该放电单元时，该充电单元由该提升电压充电，使该提升电压系为该充电单元所提供的该输出电压；当该控制电压截止该充电单元并且导通该放电单元时，该放电单元由该输出电压放电。

7.如权利要求6所述电压电平转换装置操作方法，其中该第一电平转换单元包含一第一二极管以及与该第一二极管连接的一第一电容，该第一二极管的一阳极连接到该电源电压，该第一二极管的一阴极连接到该第一电容的一端，该第一二极管的阴极与该第一电容的连接点提供该提升电压，该第一电容的另一端连接到该参考电压；该第二电平转换单元包含一第二二极管以及与该第二二极管连接的一第二电容，其中该第二二极管的一阳极接收该提升电压，该第二二极管的一阴极连接到该第二电容的一端，该第二二极管与该第二电容的连接点连接到该充电单元，该第二电容的另一端连接到该输出电压。

8.如权利要求7所述电压电平转换装置操作方法，其中该充电单元包含一第一电阻与一第一功率开关，其中该第一功率开关的一栅极连接该第一电阻的一端，该第一功率开关的一源级连接到该输出电压，该第一功率开关的一漏极通过该充电单元的一限流电阻连接到该提升电压，该第二二极管与该第二电容的连接点连接到该第一电阻的另一端；该放电单元包含一第二电阻、一第三二极管、一第二功率开关以及一第三功率开关，其中该第三二极管的一阴极连接该第二电阻的一端、该第二功率开关的一栅极与该第三功率开关的一栅极，该第二功率开关的一漏极连接到该第一电阻的该一端和该第一功率开关的该栅极，该第二功率开关的一源级连接到该参考电压，该第三功率开关的一漏极连接到该输出电压，该第三功率开关的一源极连接到该参考电压，该第三二极管的一阳极连接到该参考电压，该第二电阻的另一端连接到该控制电压，该第二电阻与该控制电压的连接点通过一隔离电阻与该提升电压隔离。

9.如权利要求8所述电压电平转换装置操作方法，其中当该控制电压为低电平电压时，该放电单元的该第二功率开关与该第三功率开关导通开启，并且该充电单元的该第一功率开关截止关断；当该控制电压为高电平电压时，该放电单元的该第二功率开关与第三功率开关截止关断，并且该充电单元的该第一功率开关导通开启。

10.如权利要求8所述电压电平转换装置操作方法，其中该充电单元的该限流电阻限制由该第一电平转换单元流入该充电单元的电流大小。