CN110912402B - 电源转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电源转换电路，包含第一开关～第五开关、第一电容、第二电容及电感。第一开关耦接于输入端与第一相位节点之间。第二开关耦接于第一相位节点与接地电压之间。第三开关耦接于第二相位节点与接地电压之间。第四开关耦接于输出端与第二相位节点之间。第一电容耦接于第一升压节点与第一相位节点之间。第二电容耦接于第二升压节点与第二相位节点之间。电感耦接于第一相位节点与第二相位节点之间。第五开关耦接于第一升压节点与第二升压节点之间。当第一开关与第四开关导通时，第五开关导通。本发明的电源转换电路不需额外的电路或操作信号即可在升压模式下保持第一升压节点的电位及在降压模式下保持第二升压节点的电位，有效解决电路成本及设计难度增加的问题。

Description

电源转换电路

技术领域

本发明与电压转换有关，特别是关于一种电源转换电路。

背景技术

请参照图1，图1为传统的四开关直流-直流降压-升压转换器的示意图。

当传统的直流-直流降压-升压转换器1操作于降压模式(Buck mode)时，第三开关SWC维持不导通且第四开关SWD维持导通。由于第四开关SWD为N型金氧半场效电晶体，使得第二升压节点BST2上的第二升压电容电压VBST2需维持于输出电压VOUT加上工作电压VDD(例如5伏特)，以确保第四开关SWD能维持导通。

当传统的直流-直流降压-升压转换器1操作于升压模式(Boost mode)时，第一开关SWA维持导通且第二开关SWB维持不导通。同理，第一升压节点BST1上的第一升压电容电压VBST1需维持于输入电压VIN加上工作电压VDD(例如5伏特)，以确保第一开关SWA能维持导通。

由上述可知：为了让第四开关SWD在降压模式下能维持导通以及第一开关SWA在升压模式下能维持导通，传统的直流-直流降压-升压转换器1需通过额外的电路或操作信号来维持降压模式下的第二升压电容电压VBST2以及升压模式下的第一升压电容电压VBST1，因而导致电路成本上升及设计难度增加等问题，亟待改善。

发明内容

本发明提供一种电源转换电路，以解决现有技术所述及的问题。

本发明的一较佳具体实施例为一种电源转换电路。于此实施例中，电源转换电路包含第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第一电容、第二电容及电感。第一开关耦接于输入端与第一相位节点之间。第二开关耦接于第一相位节点与接地电压之间。第三开关耦接于第二相位节点与接地电压之间。第四开关耦接于输出端与第二相位节点之间。第一电容耦接于第一升压节点与第一相位节点之间。第二电容耦接于第二升压节点与第二相位节点之间。电感耦接于第一相位节点与第二相位节点之间。第五开关耦接于第一升压节点与第二升压节点之间。当第一开关与第四开关导通时，第五开关导通。

在本发明的一实施例中，电源转换电路还包括电阻。电阻与开关串接于第一升压节点与第二升压节点之间。

在本发明的一实施例中，电源转换电路还包括第一箝位单元及第二箝位单元。第一箝位单元耦接于第一相位节点与第一升压节点之间。第二箝位单元耦接于第二相位节点与第二升压节点之间。

在本发明的一实施例中，当电源转换电路运作于降压模式(Buck mode)时，第四开关维持导通且第三开关维持不导通。

在本发明的一实施例中，当第一开关导通且第二开关不导通时，控制单元控制第五开关导通，致使第一升压节点对第二升压节点充电，以保持第二升压节点的电位。

在本发明的一实施例中，当第一开关不导通且第二开关导通时，控制单元控制第五开关不导通，致使第二升压节点不对第一升压节点放电，以保持第二升压节点的电位。

在本发明的一实施例中，当电源转换电路运作于升压模式(Boost mode)时，第一开关维持导通且第二开关维持不导通。

在本发明的一实施例中，当第三开关导通且第四开关不导通时，控制单元控制第五开关不导通，致使第一升压节点不对第二升压节点放电，以保持第一升压节点的电位。

在本发明的一实施例中，当第三开关不导通且第四开关导通时，控制单元控制第五开关导通，致使第二升压节点对第一升压节点充电，以保持第一升压节点的电位。

本发明的另一较佳具体实施例为一种电源转换电路。于此实施例中，电源转换电路包含第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、电感、第一驱动器、第二驱动器、第一升压电容及第二升压电容。第一开关耦接电感的第一端。第一驱动器耦接电感的第一端、第一升压节点与第一开关的控制端。第一升压电容耦接于电感的第一端与第一升压节点之间。第三开关耦接电感的第二端。第四开关耦接电感的第二端。第二驱动器耦接电感的第二端、第二升压节点与第四开关的控制端。第二升压电容耦接于电感的第一端与第二升压节点之间。第五开关耦接于第一升压节点与第二升压节点之间。当第一开关与第四开关均导通时，第五开关导通。

相较于现有技术，本发明的电源转换电路于第一升压节点与第二升压节点之间设置有第五开关，当第一开关与第四开关均导通时，第五开关导通，以使得本发明的电源转换电路不需额外的电路或操作信号即可在升压模式(Boost mode)下保持第一升压节点的电位以及在降压模式(Buck mode)下保持第二升压节点的电位，故能有效解决现有技术所遭遇到的电路成本上升及设计难度增加等问题。

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附附图得到进一步的了解。

附图说明

图1为传统的四开关直流-直流降压-升压转换器的示意图。

图2为根据本发明的一较佳具体实施例中的电源转换电路的示意图。

图3A为当图2中的电源转换电路运作于降压模式(Buck mode)时，当第一开关与第四开关同时导通时，第五开关也导通，致使第一升压节点对第二升压节点充电以保持第二升压节点的电位的示意图。

图3B为当图2中的电源转换电路运作于降压模式时，当第一开关不导通而第四开关导通时，第五开关不导通，致使第二升压节点无法对第一升压节点放电以保持第二升压节点的电位的示意图。

图4为图3A及图3B中的运作于降压模式的电源转换电路的第一相位节点电压VLX1、第一升压电容电压VBST1、第二相位节点电压VLX2及第二升压电容电压VBST2的时序图。

图5A为当图2中的电源转换电路运作于升压模式(Boost mode)时，当第一开关导通而第四开关不导通时，第五开关不导通，致使第一升压节点无法对第二升压节点放电以保持第一升压节点的电位的示意图。

图5B为当图2中的电源转换电路运作于升压模式时，当第一开关与第四开关同时导通时，第五开关也导通，致使第二升压节点对第一升压节点充电以保持第一升压节点的电位的示意图。

图6为当图2中的电源转换电路运作于升压模式时，其第一相位节点电压VLX1、第一升压电容电压VBST1、第二相位节点电压VLX2及第二升压电容电压VBST2的时序图。

图7为本发明具有箝位单元的电源转换电路示意图。

主要元件符号说明：

1：传统的直流-直流降压-升压转换器

2：电源转换电路

CU：控制单元

DA～DD：第一驱动器～第四驱动器

SWA～SWD：第一开关～第四开关

VIN：输入电压

VOUT：输出电压

VDD：工作电压

GND：接地电压

IN：输入端

OUT：输出端

L：电感

E1～E2：第一端～第二端

C1～C2：第一电容～第二电容

D1～D2：第一个二极管～第二个二极管

GA～GD：控制端

SW：第五开关

R：电阻

LX1～LX2：第一相位节点～第二相位节点

VLX1～VLX2：第一相位节点电压～第二相位节点电压

BST1～BST2：第一升压节点～第二升压节点

VBST1～VBST2：第一升压节点电压～第二升压节点电压

PH1～PH2：第一导通路径～第二导通路径

T1～T4：时间

ICH：充电电流

CL1～CL2：第一箝位单元～第二箝位单元

具体实施方式

现在将详细参考本发明的示范性实施例，并在附图中说明所述示范性实施例的实例。在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

根据本发明的一较佳具体实施例为一种电源转换电路。于此实施例中，电源转换电路可以是直流-直流降压-升压转换器，但不以此为限。

请参照图2，图2为此实施例中的电源转换电路2的示意图。

如图2所示，电源转换电路2包含第一开关SWA、第二开关SWB、第三开关SWC、第四开关SWD、第五开关SW、第一电容C1、第二电容C2、电感L、控制单元CU、第一驱动器DA、第二驱动器DB、第三驱动器DC、第四驱动器DD、第一个二极管D1、第二个二极管D2及电阻R。

第一开关SWA耦接于输入端IN与第一相位节点LX1之间，并且第一开关SWA耦接电感L的第一端E1。第二开关SWB耦接于第一相位节点LX1与接地电压GND之间。第三开关SWC耦接于第二相位节点LX2与接地电压GND之间，并且第三开关SWC耦接电感L的第二端E2与接地电压GND之间。第四开关SWD耦接于输出端OUT与第二相位节点LX2之间，并且第四开关SWD耦接电感L的第二端E2。输入端IN接收输入电压VIN且输出端OUT提供输出电压VOUT。

第一驱动器DA耦接控制单元CU、电感L的第一端E1、第一升压节点BST1与第一开关SWA的控制端GA。第二驱动器DB耦接于控制单元CU与第二开关SWB的控制端GB之间。第三驱动器DC耦接于控制单元CU与第三开关SWC的控制端GC之间。第四驱动器DD耦接控制单元CU、电感L的第二端E2、第二升压节点BST2与第四开关SWD的控制端GD之间。

第一个二极管D1耦接于工作电压VDD与第一升压节点BST1之间。第一电容C1耦接于第一升压节点BST1与第一相位节点LX1之间，亦即第一电容C1耦接于电感L的第一端E1与第一升压节点BST1之间。第二个二极管D2耦接于工作电压VDD与第二升压节点BST2之间。第二电容C2耦接于第二升压节点BST2与第二相位节点LX2之间，亦即第二电容C2耦接于电感L的第二端E2与第二升压节点BST2之间。电感L耦接于第一相位节点LX1与第二相位节点LX2之间。第五开关SW与电阻R串接于第一升压节点BST1与第二升压节点BST2之间。控制单元CU分别耦接第一驱动器DA、第四驱动器DD及第五开关SW。于此实施例中，第一电容C1及第二电容C2也可称为第一升压电容及第二升压电容。

于电源转换电路2中，当第一开关SW1与第四开关SW4均导通时，控制单元CU控制第五开关SW导通，由以使得第一升压节点BST1与第二升压节点BST2之间形成通路。反之，若仅有第一开关SW1导通或仅有第四开关SW4导通，控制单元CU控制第五开关SW不导通，由以使得第一升压节点BST1与第二升压节点BST2之间形成断路。

接着，请参照图3A及图3B。图3A及图3B为图2中的电源转换电路2运作于降压模式(Buck mode)时第一开关SWA与第二开关SWB彼此交替导通的示意图。

如图3A及图3B所示，当图2中的电源转换电路2运作于降压模式时，第四开关SWD维持导通且第三开关SWC维持不导通，至于第一开关SWA与第二开关SWB则是彼此交替导通，亦即当第一开关SWA导通时，第二开关SWB不导通，或是当第二开关SWB导通时，第一开关SWA不导通。

以图3A为例，于降压模式的第一操作相中，由于电源转换电路2中的第一开关SWA导通且第二开关SWB不导通，再加上第四开关SWD维持导通且第三开关SWC维持不导通，所以形成从输入电压VIN开始依序经由第一开关SWA、第一相位节点LX1、电感L、第二相位节点LX2、第四开关SWD至输出电压VOUT的第一导通路径PH1。

由于第一开关SWA与第四开关SWD同时导通，因此，控制单元CU控制第五开关SW导通，致使第一升压节点BST1与第二升压节点BST2之间形成通路，而让第一升压节点BST1得以对第二升压节点BST2充电(例如充电电流ICH)，由以保持第二升压节点BST2的电位(亦即第二升压电容电压)VBST2，例如维持于输出电压VOUT加上工作电压VDD左右，以确保第四开关SWD能维持导通。

以图3B为例，于降压模式的第二操作相中，由于电源转换电路2中的第一开关SWA不导通且第二开关SWB导通，再加上第四开关SWD维持导通且第三开关SWC维持不导通，所以形成从接地电压GND开始依序经由第二开关SWB、第一相位节点LX1、电感L、第二相位节点LX2、第四开关SWD至输出电压VOUT的第二导通路径PH2。

由于第一开关SWA与第四开关SWD并未同时导通，亦即第一开关SWA不导通而第四开关SWD导通，因此，控制单元CU控制第五开关SW不导通，第一升压节点BST1与第二升压节点BST2之间形成断路，而让第二升压节点BST2无法对第一升压节点BST1放电，由以保持第二升压节点BT2的电位(亦即第二升压电容电压)VBST2，例如维持于输出电压VOUT加上工作电压VDD左右，以确保第四开关SWD能维持导通。

请参照图4，图4为图3A及图3B中的运作于降压模式的电源转换电路2的第一相位节点电压VLX1、第一升压电容电压VBST1、第二相位节点电压VLX2及第二升压电容电压VBST2的时序图。

如图4所示，于时间t1至时间t2的期间内，电源转换电路2运作于降压模式的第一操作相，第四开关SWD维持导通且第三开关SWC维持不导通，第一开关SWA导通且第二开关SWB不导通。由于第一开关SWA与第四开关SWD同时导通，因此，控制单元CU控制第五开关SW导通，致使第一升压节点BST1与第二升压节点BST2之间形成通路，而让电压位准较高的第一升压节点BST1得以对电压位准较低的第二升压节点BST2充电，因此，第一升压节点BST1的电位(亦即第一升压电容电压)VBST1下降，而第二升压节点BST2的电位(亦即第二升压电容电压)VBST2上升，例如维持于输出电压VOUT加上工作电压VDD左右，由以确保第四开关SWD能维持导通。

于时间t3至时间t4的期间内，电源转换电路2运作于降压模式的第二操作相，第四开关SWD维持导通且第三开关SWC维持不导通，第一开关SWA不导通且第二开关SWB导通。由于第一开关SWA与第四开关SWD并未同时导通，因此，控制单元CU控制第五开关SW不导通，第一升压节点BST1与第二升压节点BST2之间形成断路，而让电压位准较高的第二升压节点BST2无法对电压位准较低的第一升压节点BST1放电，由以保持第二升压节点BST2的电位(亦即第二升压电容电压)VBST2，例如维持于输出电压VOUT加上工作电压VDD左右，并确保第四开关SWD能维持导通。

接着，请参照图5A及图5B。图5A及图5B为图2中的电源转换电路2运作于升压模式(Boost mode)时第三开关SWC与第四开关SWD彼此交替导通的示意图。

如图5A及图5B所示，当图2中的电源转换电路2运作于升压模式时，第一开关SWA维持导通且第二开关SWB维持不导通，至于第三开关SWC与第四开关SWD则是彼此交替导通，亦即当第三开关SWC导通时，第四开关SWD不导通，或是当第四开关SWD导通时，第三开关SWC不导通。

以图5A为例，电源转换电路2运作于升压模式的第一操作相，由于电源转换电路2中的第三开关SWC导通且第四开关SWD不导通，再加上第一开关SWA维持导通且第二开关SWB维持不导通，所以形成从输入电压VIN开始依序经由第一开关SWA、第一相位节点LX1、电感L、第二相位节点LX2、第三开关SWC至接地电压GND的第一导通路径PH1。

由于第一开关SWA导通而第四开关SWD不导通，亦即第一开关SWA与第四开关SWD并未同时导通，因此，控制单元CU控制第五开关SW不导通，致使第一升压节点BST1与第二升压节点BST2之间形成断路，而让电压位准较高的第一升压节点BST1无法对电压位准较低的第二升压节点BST2放电，由以保持第一升压节点BST1的电位(亦即第一升压电容电压)VBST1，例如维持于输入电压VIN加上工作电压VDD左右，以确保第一开关SWA能维持导通。

以图5B为例，电源转换电路2运作于升压模式的第二操作相，由于电源转换电路2中的第四开关SWD导通且第三开关SWC不导通，再加上第一开关SWA维持导通且第二开关SWB维持不导通，所以形成从输入电压VIN开始依序经由第一开关SWA、第一相位节点LX1、电感L、第二相位节点LX2、第四开关SWD至输出电压VOUT的第二导通路径PH2。

由于第一开关SWA与第四开关SWD同时导通，因此，控制单元CU控制第五开关SW导通，致使第一升压节点BST1与第二升压节点BST2之间形成通路，而让电压位准较高的第二升压节点BST2得以对电压位准较低的第一升压节点BST1充电(例如充电电流ICH)，由以保持第一升压节点BST1的电位(亦即第一升压电容电压)VBST1，例如维持于输入电压VIN加上工作电压VDD左右，以确保第一开关SWA能维持导通。

请参照图6，图6为图5A及图5B中的运作于升压模式的电源转换电路2的第一相位节点电压VLX1、第一升压电容电压VBST1、第二相位节点电压VLX2及第二升压电容电压VBST2的时序图。

如图6所示，于时间t1至时间t2的期间内，电源转换电路2运作于升压模式的第二操作相，第一开关SWA维持导通且第二开关SWB维持不导通，第四开关SWD导通且第三开关SWC不导通。由于第一开关SWA与第四开关SWD同时导通，因此，控制单元CU控制第五开关SW导通，第一升压节点BST1与第二升压节点BST2之间形成通路，而让电压位准较高的第二升压节点BST2得以对电压位准较低的第一升压节点BST1充电，因此，第二升压节点BST2的电位(亦即第二升压电容电压)VBST2下降，而第一升压节点BST1的电位(亦即第一升压电容电压)VBST1上升，例如维持于输入电压VIN加上工作电压VDD左右，由以确保第一开关SWA能维持导通。

于时间t3至时间t4的期间内，电源转换电路2运作于升压模式的第一操作相，第一开关SWA维持导通且第二开关SWB维持不导通，第四开关SWD不导通且第三开关SWC导通。由于第一开关SWA与第四开关SWD并未同时导通，因此，控制单元CU控制第五开关SW不导通，第一升压节点BST1与第二升压节点BST2之间形成断路，而让电压位准较高的第一升压节点BST1无法对电压位准较低的第二升压节点BST2放电，由以保持第一升压节点BST1的电位(亦即第一升压电容电压)VBST1，例如维持于输入电压VIN加上工作电压VDD左右，并确保第一开关SWA能维持导通。

此外，如图7所示，电源转换电路2也可包括第一箝位单元CL1及第二箝位单元CL2。第一箝位单元CL1耦接于第一相位节点LX1与第一升压节点BST1之间且第二箝位单元CL2耦接于第二相位节点LX1与第二升压节点BST2之间，亦即第一箝位单元CL1与第一电容C1并联且第二箝位单元CL2与第二电容C2并联。第一箝位单元CL1用以箝住第一相位节点LX1与第一升压节点BST1之间的电压且第二箝位单元CL2用以箝住第二相位节点LX1与第二升压节点BST2之间的电压。于实际应用中，第一箝位单元CL1及第二箝位单元CL2可以是齐纳二极管(Zener diode)，但不以此为限。

相较于现有技术，本发明的电源转换电路于第一升压节点与第二升压节点之间设置有第五开关，当第一开关与第四开关均导通时，第五开关导通，由以使得本发明的电源转换电路不需额外的电路或操作信号即可在升压模式(Boost mode)下保持第一升压节点的电位以及在降压模式(Buck mode)下保持第二升压节点的电位，故能有效解决现有技术所遭遇到的电路成本上升及设计难度增加等问题。

通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所公开了的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。

Claims (10)

1.一种电源转换电路，其特征在于，上述电源转换电路包括：

一第一开关，耦接于一输入端与一第一相位节点之间；

一第二开关，耦接于上述第一相位节点与一接地电压之间；

一第三开关，耦接于一第二相位节点与上述接地电压之间；

一第四开关，耦接于一输出端与上述第二相位节点之间；

一第五开关，其一端耦接一第一升压节点且其另一端耦接一第二升压节点；

一第一电容，耦接于上述第一升压节点与上述第一相位节点之间；

一第二电容，耦接于上述第二升压节点与上述第二相位节点之间；以及

一电感，耦接于上述第一相位节点与上述第二相位节点之间，

其中，当上述第一开关与上述第四开关导通时，上述第五开关导通。

2.根据权利要求1所述的电源转换电路，其特征在于，上述电源转换电路还包括：

一电阻，与上述第五开关串接于上述第一升压节点与上述第二升压节点之间。

3.根据权利要求1所述的电源转换电路，其特征在于，上述电源转换电路还包括：

一第一箝位单元，耦接于上述第一相位节点与上述第一升压节点之间；以及

一第二箝位单元，耦接于上述第二相位节点与上述第二升压节点之间。

4.根据权利要求1所述的电源转换电路，其特征在于，当上述电源转换电路运作于一降压模式时，上述第四开关维持导通且上述第三开关维持不导通。

5.根据权利要求4所述的电源转换电路，其特征在于，当上述第一开关导通且上述第二开关不导通时，上述第五开关导通，致使上述第一升压节点对上述第二升压节点充电，以保持上述第二升压节点的电位。

6.根据权利要求4所述的电源转换电路，其特征在于，当上述第一开关不导通且上述第二开关导通时，上述第五开关不导通，致使上述第二升压节点不对上述第一升压节点放电，以保持上述第二升压节点的电位。

7.根据权利要求1所述的电源转换电路，其特征在于，当上述电源转换电路运作于一升压模式时，上述第一开关维持导通且上述第二开关维持不导通。

8.根据权利要求7所述的电源转换电路，其特征在于，当上述第三开关导通且上述第四开关不导通时，上述第五开关不导通，致使上述第一升压节点不对上述第二升压节点放电，以保持上述第一升压节点的电位。

9.根据权利要求7所述的电源转换电路，其特征在于，当上述第三开关不导通且上述第四开关导通时，上述第五开关导通，致使上述第二升压节点对上述第一升压节点充电，以保持上述第一升压节点的电位。

10.一种电源转换电路，其特征在于，上述电源转换电路包含：

一电感；

一第一开关，耦接上述电感的一第一端；

一第二开关，耦接上述电感的上述第一端；

一第三开关，耦接上述电感的一第二端；

一第四开关，耦接上述电感的上述第二端；

一第五开关，其一端耦接一第一升压节点且其另一端耦接一第二升压节点；

一第一驱动器，耦接上述电感的上述第一端、上述第一升压节点与上述第一开关的控制端；

一第一升压电容，耦接于上述电感的上述第一端与上述第一升压节点之间；

一第二驱动器，耦接上述电感的上述第二端、上述第二升压节点与上述第四开关的控制端；以及

一第二升压电容，耦接于上述电感的上述第二端与上述第二升压节点之间，

其中，当上述第一开关与上述第四开关导通时，上述第五开关导通。

Images