CN106257810A - 用以降低注入电流的升压转换器及其驱动方法 - Google Patents

用以降低注入电流的升压转换器及其驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用以降低注入电流的升压转换器及其驱动方法，所述升压转换器包含一电感、一功率晶体管、一个二极管、一第一电容、一电阻及一控制单元，且所述控制单元包含一控制电路、一软启动电路及一侦测电路。利用所述软启动电路的设计，可降低所述升压转换器的注入电流。

Description

用以降低注入电流的升压转换器及其驱动方法
技术领域
本发明是有关于一种升压转换器及其驱动方法，特别是有关于一种用以降低注入电流的升压转换器及其驱动方法。
背景技术
在目前的技术中，许多电池供电系统、不断电系统(UPS)或是太阳能发电系统皆需使用升压式的转换器，其中不断电系统及太阳能发电系统更是需要较高的电压转换比的转换器。目前已有关于较高电压转换比的多种提高电压转换比的升压转换装置。其中升压转换器(boost converter)的应用非常广泛，许多应用中的正/负高电位电压，都是利用所述升压转换器去进行取得。
请参照图1、2所示，为一升压转换器，包含一电源VDD、一控制电路11、一侦测电路12、一功率晶体管13及一电感14，其中所述控制电路11系输出一驱动信号VGDR至所述功率晶体管13的闸极，并利用所述电感14的充放电特性(即所述电感电流IL的波形呈三角波)，而将所述电源VDD(例如低电位电压的系统电池)转换成正高电位电压。
然而，当所述升压转换器刚启动时，所述电源VDD会被抽取一股较大的注入电流IVDD，此时，所述注入电流IVDD的电流峰值会逐渐往上增加(见第2图)，在特定应用中，所述电源VDD即为一电池，当所述注入电流IVDD的电流峰值过大时，所述电池于长期使用下，所述注入电流IVDD较容易对所述电池产生损害，并造成所述电池的使用寿命减低。
因此，有必要对现有技术的升压转换器进行改良，以解决现有技术的升压转换器较容易对所述电池产生损害，并且造成所述电池的使用寿命减低的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用以降低注入电流的升压转换器，利用软启动电路的设计，而产生更小的注入电流。
本发明的另一目的在于提供一种用以降低注入电流的升压转换器的驱动方法，利用功率晶体管的闸极在抑制注入电流模式中接收工作周期较小的方波，在普通模式中接收工作周期较大的方波，用以避免电源受到损害并延长使用寿命。
为达到上述的目的，本发明一实施例提供一种一种用以降低注入电流的升压转换器，包括一电感、一功率晶体管、一个二极管、一第一电容、一电阻及一控制单元；所述电感包含一电源端及一连接端，所述电源端电性连接一电源，且所述电源及所述电感之间具有一注入电流；所述功率晶体管包含一闸极、一漏极及一源极，所述漏极电性连接所述连接端；所述二极管的一端电性连接所述电感的连接端；所述第一电容电性连接所述二极管的另一端；所述电阻电性连接所述功率晶体管的源极；所述控制单元包含一控制电路、一软启动电路及一侦测电路，所述控制电路电性连接所述功率晶体管的闸极，用以输出一驱动信号至所述闸极，所述软启动电路电性连接所述控制电路，所述侦测电路分别电性连接所述控制电路及所述二极管的另一端；其中所述软启动电路用以使所述控制电路在一抑制注入电流模式及一普通模式之间切换，其中所述抑制注入电流模式的驱动信号的工作周期小于所述普通模式的驱动信号的工作周期。
在本发明的一实施例中，所述侦测电路具有一比较器，用以比较所述第一电容的一负载电压，并产生一侦测电压。
在本发明的一实施例中，所述控制电路具有一波形产生器，所述波形产生器利用接收所述侦测电压及所述电阻的一重置电压而输出所述普通模式的驱动信号。
在本发明的一实施例中，所述软启动电路具有一选择器、一短脉冲产生器及及一计数组件，其中所述选择器电性连接所述功率晶体管的闸极，并用以接收所述普通模式的驱动信号，所述短脉冲产生器用以产生所述抑制注入电流模式的驱动信号并传送至所述选择器，所述计数组件用以计数时间而产生的一软启动信号并传送至所述选择器。
在本发明的一实施例中，所述计数组件具有一频率产生器、一计数器及一正反器，所述计数器电性连接所述频率产生器，用以计算所述频率产生器产生的频率次数并进行判断，所述正反器电性连接所述计数器，用以产生所述软启动信号。
为达上述的目的，本发明提供另一种用以降低注入电流的升压转换器的驱动方法，包含一启动步骤、一短脉冲步骤、一软启动步骤及一切换步骤；所述启动步骤用以开启一电源，使一功率晶体管导通；所述短脉冲步骤用以在一抑制注入电流模式中，利用一短脉冲产生器产生一抑制注入电流模式的一驱动信号，并由一选择器传送至所述功率晶体管的一闸极；所述软启动步骤用以在一普通模式中，利用一计数组件将一软启动信号传送至所述选择器；所述切换步骤经由所述选择器选择将一波形产生器产生的所述普通模式的一驱动信号传送至所述功率晶体管的闸极，其中所述抑制注入电流模式的驱动信号的工作周期小于所述普通模式的驱动信号的工作周期。
在本发明的一实施例中，在所述切换步骤之后，还包含一重置判断步骤，其利用所述波形产生器接收一重置电压，并使所述重置电压与一第一参考电压比较，因而判断是否将所述普通模式的驱动信号调整为一低准位逻辑。
在本发明的一实施例中，在所述重置判断步骤中，利用一电流源对一第二电容充电而产生一充电电压，所述波形产生器接收所述充电电压，并使所述充电电压与一第二参考电压比较，因而判断是否将所述普通模式的驱动信号调整为一高准位逻辑。
在本发明的一实施例中，在所述重置判断步骤之后，还包含一侦测步骤，其利用一侦测电路接收一负载电压，并使所述负载电压与一第三参考电压比较，因而判断是否关闭所述升压转换器。
如上所述，利用所述软启动电路的设计，使所述功率晶体管的闸极在抑制注入电流模式中接收工作周期较小的方波，在普通模式中接收工作周期较大的方波，进而使所述注入电流在所述抑制注入电流模式中的电流峰值被压低，而能够产生更小的注入电流，用以避免所述电源受到损害，并延长使用寿命。
附图说明
图1是根据现有技术的升压转换器的电路的一示意图。
图2是根据现有技术的升压转换器的各组件电压及电流的一比较图。
图3至5是根据本发明用以降低注入电流的升压转换器的一优选实施例的电路一示意图。
图6是根据本发明用以降低注入电流的升压转换器的一优选实施例的各组件电压及电流的一比较图。
图7是根据本发明用以降低注入电流的升压转换器的驱动方法的一优选实施例的一流程图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。再者，本发明所提到的方向用语，例如上、下、顶、底、前、后、左、右、内、外、侧面、周围、中央、水平、横向、垂直、纵向、轴向、径向、最上层或最下层等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
请参照图3所示，为本发明用以降低注入电流的升压转换器的一优选实施例，所述升压转换器100包括一电感2、一功率晶体管3、一个二极管4、一第一电容5、一电阻6及一控制单元7，本发明将于下文详细说明各组件的细部构造、组装关系及其运作原理。
请参照图3所示，所述电感2包含一电源端21及一连接端22，所述电源端21电性连接一电源VDD，且所述电源VDD及所述电感2之间具有一注入电流IVDD。
续参照图3所示，所述功率晶体管3为N型金氧半场效晶体管(NMOS)，且所述功率晶体管3包含一闸极、一漏极及一源极，其中所述漏极电性连接所述电感2的连接端22。
续参照图3所示，在本实施例中，所述二极管4为点接触式二极管，其中所述二极管4的一端电性连接所述电感2的连接端22，当对所述二极管4施加一正电压时，所述二极管4即产生一顺向电压VD。
续参照图3所示，在本实施例中，所述第一电容5为负载电容，且所述第一电容5电性连接所述二极管4的另一端并且接地，当所述二极管4导通时，所述第一电容5即产生一负载电压VP。
续参照图3所示，在本实施例中，所述电阻6系电性连接所述功率晶体管3的源极，且当所述功率晶体管3导通时，所述电阻6即产生一重置电压VRESE。
请参照图3、4所示，所述控制单元7包含一控制电路71、一软启动电路72及一侦测电路73；其中所述控制电路71电性连接所述功率晶体管3的闸极，且所述控制电路71用以输出一驱动信号VGDR至所述闸极；所述软启动电路72电性连接所述控制电路71；所述侦测电路73分别电性连接所述控制电路71及所述二极管4的另一端。在本实施例中，所述软启动电路72用以使所述控制电路71在一抑制注入电流模式及一普通模式之间切换，其中所述抑制注入电流模式的驱动信号VGDR的工作周期小于所述普通模式的驱动信号VGDR的工作周期(见图6)。
请参照图3、5所示，在本实施例中，所述侦测电路73具有一比较器731，用以将所述第一电容5的负载电压VP与一第三参考电压VREF进行比较，并产生一侦测电压VPOK。
请参照图3、4所示，所述控制电路71具有一波形产生器711，所述波形产生器711利用接收所述侦测电压VPOK及所述电阻6的重置电压VRESE，进而输出所述普通模式的驱动信号VGDR。在本实施例中，所述波形产生器711系由比较器及SR正反器所组成，利用接收所述重置电压VRESE并比较所述重置电压VRESE与一第一参考电压VON，或利用接收所述负载电压VP并比较一充电电压Vc与一第二参考电压VOFF，而形成所述普通模式的驱动信号VGDR传送至所述功率晶体管3的闸极。
续参照图3、4所示，所述软启动电路72具有一选择器721、一短脉冲产生器722以及一计数组件723，其中所述选择器721电性连接所述功率晶体管3的闸极31，并用以接收所述普通模式的驱动信号；所述短脉冲产生器722用以产生所述抑制注入电流模式的驱动信号并传送至所述选择器721，所述计数组件723用以计数时间而产生的一软启动信号并传送至所述选择器721。
续参照图3、4所示，所述计数组件723具有一频率产生器724、一计数器725及一正反器726，所述计数器725电性连接所述频率产生器724，用以计算所述频率产生器724产生的频率次数并进行判断，所述正反器726电性连接所述计数器725，用以接收所述计数器725的判断结果，并产生所述软启动信号。
依据上述的结构，所述选择器721初期先将所述短脉冲产生器722产生的抑制注入电流模式的驱动信号VGDR传送至所述功率晶体管3的闸极，并且所述软启动电路72的计数组件723计数所述频率产生器724的所产生的频率周期；接着，当所述计数组件723计数所述频率产生器724的所产生的频率周期达到预定目标，即产生所述软启动信号传送至所述选择器721，所述选择器721接收所述软启动信号之后，即选择将所述波形产生器711产生的所述普通模式的驱动信号VGDR传送至所述功率晶体管3的闸极。
要说明的是，配合图6所示，所述波形产生器711输出的普通模式的驱动信号VGDR的波形概呈工作周期较大的方波，以高准位逻辑及低准位逻辑交替输出，所述短脉冲产生器722输出的抑制注入电流模式的驱动信号VGDR的波形概呈工作周期较小的方波，所述电感2的电感电流IL系对应于所述抑制注入电流模式的驱动信号VGDR及所述普通模式的驱动信号VGDR，进而分别产生工作周期较小的三角波及工作周期较大的三角波，所述注入电流IVDD受到所述电感电流IL的变化的影响，因而使所述注入电流IVDD在所述抑制注入电流模式中的电流峰值被压低，而能够产生更小的注入电流IVDD。
如上所述，本发明利用所述软启动电路72的设计，使所述功率晶体管3的闸极在抑制注入电流模式中接收工作周期较小的方波，在普通模式中接收工作周期较大的方波，进而使所述注入电流IVDD在所述抑制注入电流模式中的电流峰值被压低，而能够产生更小的注入电流IVDD，用以避免所述电源VDD受到损害并延长使用寿命。
请参照图7并配合图3、4、5所示，本发明用以降低注入电流的升压转换器的驱动方法的一优选实施例，系利用上述用以降低注入电流的升压转换器的优选实施例进行驱动，所述驱动方法包含一启动步骤201、一短脉冲步骤202、一软启动步骤203、一切换步骤204、一重置判断步骤205及一侦测步骤206。
续参照图7所示，在所述启动步骤201中，开启一电源VDD，并使一升压转换器100的一功率晶体管3导通，其中当所述升压转换器100刚启动时，所述升压转换器100的二极管4导通并产生一电压VD，使所述升压转换器100的一第一电容5的负载电压VP为VDD-VD。
续参照图7所示，在所述短脉冲步骤202中，控制所述升压转换器100的一控制电路71在一抑制注入电流模式中，即利用所述升压转换器100的一短脉冲产生器722产生一抑制注入电流模式的一驱动信号VGDR(见第6图)，并由所述升压转换器100的一选择器721将所述抑制注入电流模式的驱动信号VGDR传送至所述功率晶体管3的一闸极。在本实施例中，所述升压转换器100的一软启动电路72的计数组件723的计数未达到预定目标时，所述选择器721将持续以所述抑制注入电流模式的驱动信号VGDR输出至所述闸极，如第6图所示，所述抑制注入电流模式的驱动信号VGDR系为所述短脉冲产生器722所产生的工作周期较小的方波，利用所述抑制注入电流模式的驱动信号VGDR直接传送至所述功率晶体管3的闸极，抑制由所述电源VDD充电的一注入电流IVDD，使所述注入电流IVDD的电流值被压低。
续参照图7所示，在所述软启动步骤203中，利用所述计数组件723将一软启动信号传送至所述选择器721，使所述控制电路71被控制在一普通模式中。在本实施例中，所述软启动电路72的一频率产生器724经过多次周期之后，所述计数组件723计数所述频率产生器724的所产生的频率周期已达到预定目标，即产生所述软启动信号传送至所述选择器721。
续参照图6所示，在所述切换步骤204中，所述选择器721接收所述软启动信号之后，即选择将一波形产生器711产生的所述普通模式的驱动信号VGDR传送至所述功率晶体管3的闸极，其中所述抑制注入电流模式的驱动信号VGDR的工作周期小于所述普通模式的驱动信号VGDR的工作周期(见图6)。
续参照图7所示，在所述重置判断步骤205中，系利用所述波形产生器711接收一重置电压VRESE，并使所述重置电压VRESE与一第一参考电压VON进行比较，因而判断是否将所述普通模式的驱动信号调整为一低准位逻辑；或利用一电流源I对一第二电容712进行充电而产生所述充电电压VC，所述波形产生器711接收所述充电电压VC，并使所述充电电压VC与一第二参考电压VOFF进行比较，因而判断是否将所述普通模式的驱动信号调整为一高准位逻辑。
举例来说，当所述重置电压VRESE高于所述第一参考电压VON，所述波形产生器711的SR正反器会将所述普通模式的驱动信号VGDR变为低准位逻辑，使所述功率晶体管3关闭，其中所述电感2为放电状态，所述电感2的电流往所述第一电容5灌入，而完成一次升压动作；此时，所述普通模式的驱动信号VGDR为低准位逻辑，利用所述电流源I对一第二电容712进行充电而产生一充电电压VC，当所述充电电压VC高于所述第二参考电压VOFF，即透过所述波形产生器711的SR正反器将所述普通模式的驱动信号VGDR变为高准位逻辑。
续参照图7所示，在所述侦测步骤中206中，系利用一侦测电路73接收一负载电压VP，并使所述负载电压VP与一第三参考电压VREF进行比较，因而判断是否关闭所述升压转换器100。在本实施例中，如图6所示，所述负载电压VP会随着时间而递增，因此利用所述侦测电路73侦测所述负载电压VP的电压值，当所述负载电压VP超过所述第三参考电压VREF即关闭所述升压转换器100。
如上所述，如图6所示的所述普通模式的驱动信号VGDR的波形概呈工作周期较大的方波，以高准位逻辑及低准位逻辑交替输出，而所述电感2的电感电流IL系对应于所述抑制注入电流模式的驱动信号VGDR及所述普通模式的驱动信号VGDR，进而分别产生工作周期较小的三角波及工作周期较大的三角波，所述注入电流IVDD受到所述电感电流IL的变化的影响，因而使所述注入电流IVDD在所述抑制注入电流模式中的电流峰值被压低，而能够产生更小的注入电流IVDD，用以避免所述电源VDD受到损害并延长使用寿命。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已公开的实施例并未限制本发明的范围。相反地，包含于权利要求书的精神及范围的修改及均等设置均包括于本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种用以降低注入电流的升压转换器，其特征在于：所述升压转换器包含步骤：
一电感，包含一电源端及一连接端，所述电源端电性连接一电源，且所述电源及所述电感之间具有一注入电流；
一功率晶体管，包含一闸极、一漏极及一源极，所述漏极电性连接所述连接端；
一个二极管，所述二极管的一端电性连接所述电感的连接端；
一第一电容，电性连接所述二极管的另一端；
一电阻，电性连接所述功率晶体管的源极；及
一控制单元，包含：
一控制电路，电性连接所述功率晶体管的闸极，用以输出一驱动信号至所述闸极；
一软启动电路，电性连接所述控制电路；及
一侦测电路，分别电性连接所述控制电路及所述二极管的另一端；
其中所述软启动电路用以使所述控制电路在一抑制注入电流模式及一普通模式之间切换，其中所述抑制注入电流模式的驱动信号的工作周期小于所述普通模式的驱动信号的工作周期。
2.如权利要求1所述的用以降低注入电流的升压转换器，其特征在于：所述侦测电路具有一比较器，用以比较所述第一电容的一负载电压，并产生一侦测电压。
3.如权利要求2所述的用以降低注入电流的升压转换器，其特征在于：所述控制电路具有一波形产生器，所述波形产生器利用接收所述侦测电压及所述电阻的一重置电压而输出所述普通模式的驱动信号。
4.如权利要求3所述的用以降低注入电流的升压转换器，其特征在于：所述软启动电路具有：一选择器，电性连接所述功率晶体管的闸极，并用以接收所述普通模式的驱动信号；一短脉冲产生器，用以产生所述抑制注入电流模式的驱动信号并传送至所述选择器；及一计数组件，用以计数时间而产生的一软启动信号并传送至所述选择器。
5.如权利要求4所述的用以降低注入电流的升压转换器，其特征在于：所述计数组件具有：一频率产生器；一计数器，电性连接所述频率产生器，用以计算所述频率产生器产生的频率次数并进行判断；及一正反器，电性连接所述计数器，用以产生所述软启动信号。
6.一种用以降低注入电流的升压转换器的驱动方法，其特征在于，所述方法包含步骤：
一启动步骤，用以开启一电源，使一功率晶体管导通；
一短脉冲步骤，用以在一抑制注入电流模式中，利用一短脉冲产生器产生一抑制注入电流模式的一驱动信号，并由一选择器传送至所述功率晶体管的一闸极；
一软启动步骤，用以在一普通模式中，利用一计数组件将一软启动信号传送至所述选择器；及
一切换步骤，经由所述选择器选择将一波形产生器产生的所述普通模式的一驱动信号传送至所述功率晶体管的闸极，其中所述抑制注入电流模式的驱动信号的工作周期小于所述普通模式的驱动信号的工作周期。
7.如权利要求6所述的用以降低注入电流的升压转换器的驱动方法，其特征在于：在所述切换步骤之后，还包含一重置判断步骤，其利用所述波形产生器接收一重置电压，并使所述重置电压与一第一参考电压比较，因而判断是否将所述普通模式的驱动信号调整为一低准位逻辑。
8.如权利要求7所述的用以降低注入电流的升压转换器的驱动方法，其特征在于：在所述重置判断步骤中，利用一电流源对一第二电容充电而产生一充电电压，所述波形产生器接收所述充电电压，并使所述充电电压与一第二参考电压比较，因而判断是否将所述普通模式的驱动信号调整为一高准位逻辑。
9.如权利要求8所述的用以降低注入电流的升压转换器的驱动方法，其特征在于：在所述重置判断步骤之后，还包含一侦测步骤，其利用一侦测电路接收一负载电压，并使所述负载电压与一第三参考电压比较，因而判断是否关闭所述升压转换器。
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