TW201006108A - Voltage converter - Google Patents

Description

201006108 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於-種電壓轉換器，特別是有關於一種. 具有較佳轉換效率的電壓轉換器。 【先前技術】 ❹ 現今，電壓轉換器廣泛使用在不同電子產品上，例如 可攜式電子產品、電腦產品等，其中電屢轉換器的轉換效 率會決定電子產品的使用時間。 脈波見度調變（pulse width m〇dulati〇n，PWM)控制 器為連續時間模式之電壓轉換器的—種切換控制方式。如 此技藝之人士所知，脈波寬度調變控制器可產生脈波寬度 ，變信號來控制輕接於電壓轉換器之輸出電感的電晶體。 藉由調整脈波寬度調變信號之工作週期（dutyeyde)，脈 波寬度調變控制器可控制電晶體的切換狀態（即導通以及 關閉/不導通），使得電㈣料轉持在蚊的電隸 内。舉例來說，當電壓轉換器的負載增加時，脈波寬度調 變控制器會增加脈波寬度調變信號之工作週期。反之 電壓轉換器的負載減少時，脈波寬度調變控制器、田 波寬度調變信號之工作週期。 〇 ' / ^脈 然而’對傳統的電壓轉換器而言，在輕載狀熊 load condition)下’切換式電壓轉換器的轉換致^會1g t 功率電晶體的切換損耗（switching loss )而降低^ 為 載狀態（heavy load condition)下，切換式電壓轉換器、重 0975-A41728twf 201006108 換效率會因為功率電晶體的傳導損耗（conduction loss )而 降低。因此，需要一種電壓轉換器能在輕載狀態以及重載 狀態下具有較佳的轉換效率。 【發明内容】 本發明提供一種電壓轉換器，用以將一輸入電壓轉換 成一輸出電壓。上述電壓轉換器包括：一輸入端，用以接 收上述輸入電壓；一第一輸出端，用以輸出上述輸出電壓； 0 一切換電路，耦接於上述輸入端以及一接地端之間，包括 一第二輸出端；一電感，耦接於上述第一輸出端以及上述 第二輸出端之間；一脈波寬度調變控制器，用以根據上述 輸出電壓產生一第一脈波寬度調變信號；一驅動電路，用 以根據上述第一脈波寬度調變信號提供一第一驅動信號至 上述切換電路；以及一驅動電壓產生電路，用以根據上述 電感的電流選擇性地提供一第一驅動電壓或是一第二驅動 電壓至上述驅動電路，以作為上述驅動電路的操作電壓。 β【實施方式】 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳 細說明如下： 實施例： 第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之電壓轉換 器。電壓轉換器100將輸入端Nin所接收之輸入電壓Vin 轉換成輸出電壓VQUt，並經由輸出端NQUt將輸出電壓V^t 0975-A41728twf 201006108 提供給負載150使用，其中電壓轉換器100可以是升壓轉 換器或是降壓轉換器。如第1圖所顯示，電壓轉換器100 包括驅動電壓產生電路110、脈波寬度調變（pUlse width modulation ’ PWM)控制器120、驅動電路130、切換電路 140以及電感L。切換電路140包括電晶體Ml以及電晶體 參 M2 ’並且經由輸出節點Nphase耦接於電感L，其中電晶體 Ml係耦接於輸入端Nin以及節點Nphase之間，而電晶體M2 係耦接於節點Nphase以及接地端GND之間。電感L係耦接 於節點Nphase以及輸出端Nout之間。在電壓轉換器ι〇〇内， 脈波寬度調變控制器120可根據回授之輸出電壓v〇ut而產 生脈波寬度調變信號PWM〗以及脈波寬度調變信號pwM2 至驅動電路130。驅動電路130包括驅動器D1以及驅動器 D2。驅動器D1接收脈波寬度調變信號pWMi並產生驅動 信號S!至電晶體Ml，而驅動器D2接收脈波寬度調變信 號PWM2並產生驅動信號I至電晶體M2。因此，藉由切 換電晶體Ml以及電晶體M2可在電感L感應出電流， 以便在輸出端Nout提供輸出電壓V_以供負载15〇^\ 在驅動電路130中，驅動器D1以及驅動器的操作 電壓皆由驅動電壓產生電路110所提供。此外，驅動器^^ 的共同參考點（common reference p〇int)係耦接至^點 Nphase，而驅動器D2的共同參考點係耦接至接地端。 當負載150的負載量增加時，電流込似會增加·，舍 15〇的負載量減少時，電流Imit會減少。驅動電:雷 no可根據電感L的電、流【⑽提供電壓Vdh至驅動電路 0975-A41728twf 7 201006108 130，以作為驅動器d 1的操作電壓。相似地，驅動電壓產 生電路110可根據電流Ut提供電壓VDL至驅動電路13.0, 以作為驅動器D2的操作電壓。因此，驅動電壓產生電路 110可根據負載的狀態（例如輕載狀態或是重载狀態）而 決定電塵VDH以及電壓vDL的電壓位準，即驅動器D1以 及驅動态D2的操作電壓。此外，除了偵測電感乙的電流 I〇ut之外，驅動電壓產生電路11()亦可根據來自外部電路（例 ❹如微處理器）之控制信號Sctrl而提供具有不同電壓位準之 電壓vDH以及電壓Vdl，以分別作為驅動器D1以及驅動 器D2的操作電壓。 第2A圖係顯示根據本發明一實施例所述之驅動器的 操作電壓與負载電流之關係圖。當電壓轉換器1〇〇操作在 輕載狀態I時’驅動電壓產生電路11()會根據電流〗。加而 提供具有電壓位準L〗之電壓Vdh至驅動器D1，使得驅動 信號S}可操作在電壓位準Li以及節點上信號 籲的電壓位準之間。同時地，驅動電壓產生電路11〇亦會提 供具有電壓位準l3之電壓Vdl至驅動^ D2，使得驅動信 號心可剔乍在電壓位準L3u及接地端gnd的電壓位準之 間再者§電覆轉換II 1〇〇操作在重载狀態丑時，驅動 電壓產生電路110會提供具有電壓位準L2之電壓Vdh至驅 動D卜使得轉錢Si可齡在電壓位準及節點 Nphase上信號Sphase的電壓位準之間。同時地，驅動電壓產 生電路11〇亦會提供具有電壓位準L4<電壓v肌至驅動器 D2，使得驅動信號心可操作在電壓位準^以及接地端 0975-A41728twf 8 201006108 GND的電壓位準之間。在一實施例中，電壓位準L2係等 於電壓位準L4，而電壓位準L!係等於電壓位準L3。在另 一實施例中，電壓位準、L2、L3及L4係各不相同。 在第2A圖中，驅動電壓產生電路110可根據電流 而提供具有電壓位準之電壓VDH或是具有電壓位準L2 之電壓VDH (即具有不同電壓位準的電壓）至驅動器D1， 以作為驅動器D1的操作電壓。相同地，驅動電壓產生電 φ 路110可根據電流lout而提供具有電壓位準l3之電壓VDL 或是具有電壓位準L4之電壓VDL至驅動器D2，以作為驅 動器D2的操作電壓。因此，在輕載狀態I下，使用低電 壓位準之驅動電壓可降低電晶體Ml及電晶體M2所造成之 切換損耗。在重載狀態Π時，使用高電壓位準之驅動電壓 可降低電晶體Ml及電晶體M2所造成之傳導損耗。 再者，驅動電壓產生電路110亦可根據輸入電壓Vin 與輸出電壓Vout之轉換比例而決定驅動器D1以及驅動器 φ D2之操作電壓的改變。第2B圖係顯示根據本發明另一實 施例所述之驅動器的操作電壓與負載電流之關係圖。如第 2B圖所顯示，驅動電壓產生電路110會根據負載的狀態而 提供具有不同電壓位準之電壓VDH至驅動器D1，以作為驅 動器D1的操作電壓。例如，在輕載狀態I下，驅動電壓 產生電路110會提供低電壓位準之電壓VDH至驅動器D1， 而在重載狀態Π下，驅動電壓產生電路110會提供高電壓 位準之電壓VDH至驅動器D1。然而，不論在輕載狀態I或 是重載狀態Π下，驅動電壓產生電路110僅提供具有相同 0975-A41728twf 201006108 電壓位準之電壓vDL至驅動 器D2。 口第2C圖係顯示根據本發明另一實施例所述之驅動器 的操作電摩與負載電流之關係圖。如第2C圖所顯示，驅 動電塵產生電路110會根據負載的狀態而提供具有不同電 麼位準之電虔Vdl至驅動器D2，以作為驅動器D2的操作 ❹ =°然而’不論在輕載狀gI或是重載狀態㈣，，驅動 電壁產生電路11G僅提供具有相同電餘準之轉 ^^Dl°在此實施例中’電壓轉換器1GG可以是一種降 壓轉換器，其中輸入電壓 壓^為2伏特。因此：為2〇 :特(二’而輸出電 轉換比例為十分之g日輸；^電壓I與輸出電壓V⑽之 ，使得切換電路;4。=2調變信號之工作週期為 因此，調整2導通的時間較長。 參考第3Α以: =壓即可有效增加轉換效率。 載電流與轉換效率®別顯示上述降壓轉換器之負 ，提供高電Μ位準之/厂 驅動電壓產生電路 在第3Β圖中，曲線驅動器Μ的轉換效率。 具有不同電壓位準之電壓 =生電路110提供 如第3B圖所顯示，^ 動盗D2的轉換效率。 5 ( A) , 1H)會^位準之電壓v 生電路 流Iout超過5安捭日φ駆動态D2。當負載電 培時’降壓轉換器係操作在重载狀態Π下， 0975-A41728twf 10 201006108 而驅動電壓產生電路110會提供高電壓位舉之電壓VDL至 驅動器D2。因此，在此實施例中，降壓轉換器在輕載狀態 以及重載狀態下皆具有較佳的轉換效率。 第4A圖係顯示根據本發明一實施例所述之驅動電壓 產生電路400A。驅動電壓產生電路400a包括選擇電路 410、選擇電路420以及電壓產生器430人。電壓產生器430人 可產生具有不同電壓位準之電壓vH以及電壓VL，其中電 ❹壓Vh的電壓值係大於電壓VL的電壓值。選擇電路410可 根據電流IQut或是控制信號Sctrl選擇性地提供電壓或是 電壓VL以作為電壓vDH。此外，選擇電路420可根據電流 Icmt或疋控制信號Setrl選擇性地提供電麼Vh或是電壓VL 以作為電壓Vm。 第4B以及4C圖係分別顯示根據本發明另一實施例所 述之驅動電壓產生電路400B以及400C。在第4B圖中， 電壓VL係由電壓產生器430B所產生。接著，升壓電路44〇 ❿會根據電壓VL而產生電壓VH。在一實施例中，升壓電路 440可以是充電泵（charge pump )或是靴帶式電路 (bootstrap circuit)。在第4C圖中，電壓vH係由電壓產 生器430C所產生。接著’降壓電路450會根據電壓vH而 產生電壓VL。在一實施例中，降壓電路450可以是低壓降 穩壓器（low dropout regulator ’ LD0 )或是並聯穩壓器（shunt regulator) ° 在本發明一實施例中，電壓轉換器可以是非同步轉換 器，其中切換電路僅包括上橋（high-side )電晶體以及下 0975-A41728twf 11 201006108 橋（low-side)電晶體之一者。 本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定 本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之 精神和範圍内，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之 保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 φ 第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之電壓轉換 32» · 益， 第2A-2C圖係分別顯示根據本發明實施例所述之驅動 器的操作電壓與負載電流之關係圖； 第3A-3B圖係分別分別顯示根據本發明一實施例所述 之負載電流與轉換效率之關係圖； 第4A圖係顯示根據本發明一實施例所述之驅動電壓 產生電路；以及 0 第4B-4C圖係分別顯示根據本發明另一實施例所述之 驅動電壓產生電路。 【主要元件符號說明】 100〜電壓轉換器； 110〜驅動電壓產生電路； 120〜脈波寬度調變控制器； 130〜驅動電路； 140〜切換電路； 150〜負載； 400A、400B、400C〜驅動電壓產生電路； 410、420〜選擇電路； 0975-A41728twf 12 201006108 ❿ 430A、430B、430C〜電壓產生器； 440〜升壓電路； 450 〜降壓電路； AA、BB、CC〜曲線 ； D1 、D2〜驅動器； GND〜接地端； L〜 電感； I〇ut〜電流； Ml 、M2〜電晶體； Nin〜輸入端； Nphase〜節點； Nout 〜輸出端； PWMi、PWM2〜脈波寬度調變信號； Si、s2、Sphase〜信號； sctrl· Vh、Vl、Vdh、Vdl〜電壓； 〜控制信號； vin〜輸入電壓； V〇ut 〜輸出電壓。 0975-A41728twf

Claims (1)

1. 201006108 十、申請專利範圍： 1. 一種電壓轉換器，用以將一輸入電壓轉換成一輸出 電壓，包括： 一輸入端，用以接收上述輸入電壓； 一第一輸出端，用以輸出上述輸出電壓； 一切換電路，耦接於上述輸入端以及一接地端之間， 包括一第二輸出端； 赢 一電感，耦接於上述第一輸出端以及上述第二輸出端 ❹ 之間； 一脈波寬度調變控制器，用以根據上述輸出電壓產生 一第一脈波寬度調變信號； 一驅動電路，用以根據上述第一脈波寬度調變信號提 供一第一驅動信號至上述切換電路；以及 一驅動電壓產生電路，用以根據上述電感的電流選擇 性地提供一第一驅動電壓或是一第二驅動電壓至上述驅動 Φ 電路，以作為上述驅動電路的操作電壓。 2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換器，其中當 上述電感的電流超過一特定電流值時，上述驅動電壓產生 電路提供上述第一驅動電壓至上述驅動電路，以及當上述 電感的電流小於上述特定電流值時，上述驅動電壓產生電 路提供上述第二驅動電壓至上述驅動電路，其中上述第一 驅動電壓的電壓值係大於上述第二驅動電壓的電壓值。 3. 如申請專利範圍第2項所述之電壓轉換器，其中上 述驅動電壓產生電路包括： 0975-A41728twf 14 201006108 一電壓產生器，用以產生上述第一驅動電壓以及上述 第二驅動電壓。 4. 如申請專利範圍第2項所述之電壓轉換器，其中上 述驅動電壓產生電路包括： 一電壓產生器，用以產生上述第二驅動電壓；以及 一升壓電路，用以根據上述第二驅動電壓產生上述第 一驅動電壓。 5. 如申請專利範圍第2項所述之電壓轉換器，其中上 述驅動電壓產生電路包括： 一電壓產生器，用以產生上述第一驅動電壓；以及 一降壓電路，用以根據上述第一驅動電壓產生上述第 二驅動電壓。 6. 如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換器，其中上 述切換電路更包括一電晶體，耦接於上述輸入端以及上述 第二輸出端之間。 7. 如申請專利範圍第6項所述之電壓轉換器，其中上 述驅動電路包括一驅動器，用以根據上述第一脈波寬度調 變信號提供上述第一驅動信號以控制上述電晶體。 8. 如申請專利範圍第7項所述之電壓轉換器，其中上 述驅動電壓產生電路根據上述電感的電流選擇性地提供上 述第一驅動電壓或是上述第二驅動電壓至上述驅動器，以 作為上述驅動器的操作電壓。 9. 如申請專利範圍第8項所述之電壓轉換器，其中當 上述電感的電流超過一特定電流值時，上述驅動電壓產生 0975-A41728twf 15 201006108 電路提供上述第一驅動電壓至上述驅動器，以及當上述電 感的電流小於上述特定電流值時，上述驅動電壓產生電路 提供上述第二驅動電壓至上述驅動器，其中上述第一驅動 電壓的電壓值係大於上述第二驅動電壓的電壓值。 10.如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換器，其中上 述切換電路更包括一電晶體，耦接於上述接地端以及上述 第二輸出端之間。 H 11.如申請專利範圍第ίο項所述之電壓轉換器，其中 上述驅動電路包括一驅動器，用以根據上述第一脈波寬度 調變信號提供上述第一驅動信號以控制上述電晶體。 12. 如申請專利範圍第11項所述之電壓轉換器，其中 上述驅動電壓產生電路根據上述電感的電流選擇性地提供 上述第一驅動電壓或是上述第二驅動電壓至上述驅動器， 以作為上述驅動器的操作電壓。 13. 如申請專利範圍第12項所述之電壓轉換器，其中 _ 當上述電感的電流超過一特定電流值時，上述驅動電壓產 生電路提供上述第一驅動電壓至上述驅動器，以及當上述 電感的電流小於上述特定電流值時，上述驅動電壓產生電 路提供上述第二驅動電壓至上述驅動器，其中上述第一驅 動電壓的電壓值係大於上述第二驅動電壓的電壓值。 14. 如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換器，其中上 述切換電路更包括： 一第一電晶體，耦接於上述輸入端以及上述第二輸出 端之間；以及 0975-A41728twf 16 201006108 一第二電晶體，耦接於上述接地端以及上述第二輪出 端之間。 ’阳 15. 如申請專利範圍第14項所述之電壓轉換器，其中 上述脈波寬度調雙控制器更根據上述輸出電壓產生—第二 脈波寬度調變信號。，一 16. 如申請專利範圍第15項所述之電壓轉換器，其中 上述驅動電路包括： ❹ 第一驅動器，用以根據上述第一脈波寬度調變信號 提供上述第一驅動信號以控制上述第一電晶體；以及 ^ 一第二驅動器，用以根據上述第二脈波寬度調變信號 表:供一第二驅動信號以控制上述第二電晶體。 17. 如申喷專利範圍第丨6項所述之電壓轉換器，其中 上述驅動電壓產生電路根據上述電感的電流選擇性地提供 ^述第一驅動電壓或是上述第二驅動f壓至上述苐一驅動 器’以作為上述第一驅動器的操作電麗，以及上述驅動電 ❿愿產生，路根據上述電感的電流選擇性地提供一第三驅動 電塵或疋-第四驅動電屢至上述第二驅動器，以作為上述 第一驅動器的操作電屋。 一 &如申β專利範圍第17項所述之電屡轉換器，其中 當上述電感的電流超過一特定電流值時，上述驅動電屢產 生電路分別提供上述第一驅動電麼以及上述第三驅動電麼 至上述第-驅動器以及上述第二驅動器，以及當上述電感 的，流小於上述特定電流值時，上述驅動電堡產生電路分 別提供上述第二驅動電壓以及上述第四驅動電屢至上述第 〇975-A41728twf 17 201006108 一驅動器以及上述第二驅動器，其中上述第一驅動電壓的 電壓值係大於上述第二驅動電壓的電壓值，而上述第三驅 動電壓的電壓值係大於上述第四驅動電壓的電壓值。 19. 如申請專利範圍第18項所述之電壓轉換器，其中 上述第一驅動電壓係等於上述第三驅動電壓，而上述第二 驅動電壓係等於上述第四驅動電壓。 20. 如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換器，其中上 ^ 述驅動電壓產生電路更根據一控制信號選擇性地提供上述 第一驅動電壓或是上述第二驅動電壓至上述驅動電路，以 作為上述驅動電路的操作電壓。 0975-A41728twf 18