TW201414165A - 電流偵測裝置及升降壓式直流對直流轉換器 - Google Patents

Abstract

一種電流偵測裝置，用於一升降壓式直流對直流轉換器。該電流偵測裝置包含有一偵測端點，耦接於該升降壓式直流對直流轉換器之二下橋電晶體；以及單一電流偵測單元，用來偵測流經該偵測端點之一電流，以偵測該升降壓式直流對直流轉換器之一輸出電流。

Description

電流偵測裝置及升降壓式直流對直流轉換器

本發明係指一種用於升降壓式直流對直流轉換器之電流偵測裝置及其升降壓式直流對直流轉換器，尤指一種可透過單一電流偵測單元來偵測升降壓式直流對直流轉換器之輸出電流，以節省電路面積及成本之電流偵測裝置及其升降壓式直流對直流轉換器。

直流對直流轉換器已廣泛應用於電源管理系統。一般來說，直流對直流轉換器可分為三種類型：降壓式轉換器、升壓式轉換器及升降壓式轉換器。降壓式轉換器係一種輸出電壓低於輸入電壓之直流對直流轉換器，升壓式轉換器係一種輸出電壓高於輸入電壓之直流對直流轉換器，而升降壓式轉換器係一種輸出電壓可能高於或低於輸入電壓之直流對直流轉換器。由於升降壓式直流對直流轉換器之輸出電壓範圍具有較大彈性，使得升降壓式直流對直流轉換器在使用上為較好的選擇。

然而，升降壓式直流對直流轉換器在輸出級使用較多電晶體來實現大範圍的輸出電壓，而輸出級中某些電路因而必須相對應地增大或提高複雜度。舉例來說，請參考第1A圖，第1A圖為習知一同步升降壓式直流對直流轉換器(synchronous buck-boost DC-DC converter)之一輸出級100之示意圖。如第1A圖所示，輸出級100包含一上橋電晶體102、下橋電晶體104、106、一旁路電晶體108、一電感L1、一輸出電容C1及分壓電阻R1、R2。 同步升降壓式直流對直流轉換器之輸出級100具有四個電晶體；相較之下，降壓式直流對直流轉換器或升壓式直流對直流轉換器之輸出級僅具有二個電晶體。此外，如第1A圖所示，輸出級100另包含二個感測電阻RA及RB，可用來偵測輸出電流，其中，感測電阻RA耦接於下橋電晶體104，而感測電阻RB耦接於下橋電晶體106。

請參考第1B圖，第1B圖為習知一非同步升降壓式直流對直流轉換器(asynchronous buck-boost DC-DC converter)之一輸出級150之示意圖。輸出級150之架構與輸出級100相似，因此相同元件以相同符號表示。輸出級150與輸出級100之主要差異在於輸出級150中，下橋電晶體104及旁路電晶體108分別由一下橋二極體154及一旁路二極體158所取代。同樣地，如第1B圖所示，輸出級150亦包含有二個感測電阻RA及RB，可用來偵測輸出電流，其中，感測電阻RA耦接於下橋二極體154，而感測電阻RB耦接於下橋電晶體106。

如第1A圖及第1B圖所示，輸出級100及150皆具有二個感測電阻，分別在不同操作模式下偵測輸出電流，因此升降壓式直流對直流轉換器需要二個電流偵測裝置。對於只有一個輸出電流之輸出級100及150來說，二個電流偵測裝置實屬多餘。因此，習知技術實有改進之必要。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種可透過單一電流偵測單元來偵測升降壓式直流對直流轉換器之輸出電流，以節省電路面積及成本之電流偵測裝置及其升降壓式直流對直流轉換器。

本發明揭露一種電流偵測裝置，用於一升降壓式直流對直流轉換器。該電流偵測裝置包含有一偵測端點，耦接於該升降壓式直流對直流轉換 器之二下橋電晶體；以及單一電流偵測單元，用來偵測流經該偵測端點之一電流，以偵測該升降壓式直流對直流轉換器之一輸出電流。

本發明另揭露一種電流偵測方法，用於一升降壓式直流對直流轉換器。該方法包含有配置一偵測端點，該偵側端點耦接於該升降壓式直流對直流轉換器之二下橋電晶體；以及透過單一電流偵測單元偵測流經該偵測端點之一電流，以偵測該升降壓式直流對直流轉換器之一輸出電流。

本發明另揭露一種升降壓式直流對直流轉換器，包含有一上橋電晶體，用來提供該輸出電流；二下橋電晶體，用來吸收該輸出電流；一旁路電晶體，用來導通該輸出電流至一輸出端；一電感，耦接於該上橋電晶體、該二下橋電晶體及該旁路電晶體之間，用來提供該輸出電流通過之路徑；一輸出電容，耦接於該旁路電晶體；一偵測端點，耦接於該升降壓式直流對直流轉換器之該二下橋電晶體；以及單一電流偵測單元，用來偵測流經該偵測端點之一電流，以偵測該升降壓式直流對直流轉換器之一輸出電流。

100、150、200、250‧‧‧輸出級

102‧‧‧上橋電晶體

104、106‧‧‧下橋電晶體

106‧‧‧多相位時脈除頻器

108‧‧‧旁路電晶體

154‧‧‧下橋二極體

158‧‧‧旁路二極體

L1‧‧‧電感

C1‧‧‧電容

R1、R2‧‧‧分壓電阻

RA、RB、RC‧‧‧感測電阻

Vin‧‧‧輸入電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

I1、I2、I3、I4、I5、I1’、I2’、I3’、I4’、I5’‧‧‧電流

第1A圖為習知一同步升降壓式直流對直流轉換器之一輸出級之示意圖。

第1B圖為習知一非同步升降壓式直流對直流轉換器之一輸出級之示意圖。

第2A圖為本發明實施例一同步升降壓式直流對直流轉換器之一輸出級之示意圖。

第2B圖為本發明實施例一非同步升降壓式直流對直流轉換器之一輸出級之示意圖。

第3A圖為本發明實施例第2A圖之輸出級以降壓式直流對直流轉換器模式運作之示意圖。

第3B圖為本發明實施例第2B圖之輸出級以降壓式直流對直流轉換器模式運作之示意圖。

第4A圖為本發明實施例第2A圖之輸出級以升壓式直流對直流轉換器模式運作之示意圖。

第4B圖為本發明實施例第2B圖之輸出級以升壓式直流對直流轉換器模式運作之示意圖。

請參考第2A圖，第2A圖為本發明實施例一同步升降壓式直流對直流轉換器之一輸出級200之示意圖。如第2A圖所示，輸出級200與輸出級100相似，因此相同元件以相同符號表示。輸出級200與輸出級100之主要差異在於輸出級100具有二個感測電阻RA、RB，分別耦接於下橋電晶體104、106；而輸出級200僅具有一個感測電阻RC，同時耦接於下橋電晶體104、106。在此情況下，輸出級200僅使用單一感測電阻RC即可取代輸出級100中二個感測電阻RA、RB之運作，因而只需要一個偵測端點。因此，除了輸出級200中感測電阻之面積及成本可減半之外，所需電流偵測裝置的電路面積及成本亦可減半。

請參考第2B圖，第2B圖為本發明實施例一非同步升降壓式直流對直流轉換器之一輸出級250之示意圖。如第2B圖所示，輸出級250與輸出級150相似，因此相同元件以相同符號表示。輸出級250與輸出級150之主要差異在於輸出級150具有二個感測電阻RA、RB，分別耦接於下橋二極體154及下橋電晶體106；而輸出級250僅具有一個感測電阻RC，同時耦接於下橋二極體154及下橋電晶體106。在此情況下，輸出級250僅使用單一感測電阻RC即可取代輸出級150中二個感測電阻RA、RB之運作，因而只需要一個偵測端點。因此，除了輸出級250中感測電阻之面積及成本可減半之 外，所需電流偵測裝置的電路面積及成本亦可減半。

詳細來說，升降壓式直流對直流轉換器同時具有降壓式直流對直流轉換器及升壓式直流對直流轉換器的功能，亦即，於第2A圖及第2B圖中，一輸出電壓Vout可能高於或低於一輸入電壓Vin。若輸出電壓Vout低於輸入電壓Vin時，升降壓式直流對直流轉換器之輸出級200、250以降壓式直流對直流轉換器模式運作；若輸出電壓Vout高於輸入電壓Vin時，升降壓式直流對直流轉換器之輸出級200、250以升壓式直流對直流轉換器模式運作。

請參考第3A圖，第3A圖為本發明實施例第2A圖之輸出級200以降壓式直流對直流轉換器模式運作之示意圖。一般來說，以降壓式直流對直流轉換器模式運作之升降壓式直流對直流轉換器具有兩種操作模式。在此兩種操作模式下，下橋電晶體106皆關閉，因此於第3A圖中繪示為虛線。在其中一種操作模式下，上橋電晶體102開啟，下橋電晶體104關閉，且旁路電晶體108開啟。在此情況下，電流I1從輸入端經由上橋電晶體102、電感L1及旁路電晶體108流至輸出端，以利用輸入電壓Vin對輸出電壓Vout進行充電。在另一操作模式下，上橋電晶體102關閉，下橋電晶體104開啟，且旁路電晶體108開啟。在此情況下，電流I2從接地端經由下橋電晶體104、電感L1及旁路電晶體108流至輸出端，以對輸出電壓Vout進行放電。因此，感測電阻RC可在此操作模式下偵測電流I2。

請參考第3B圖，第3B圖為本發明實施例第2B圖之輸出級250以降壓式直流對直流轉換器模式運作之示意圖。一般來說，以降壓式直流對直流轉換器模式運作之升降壓式直流對直流轉換器具有兩種操作模式。在此兩種操作模式下，下橋電晶體106皆關閉，因此於第3B圖中繪示為虛線。在其中一種操作模式下，上橋電晶體102開啟，下橋二極體154為反向偏壓 (reverse biased)狀態，且旁路二極體158為正向偏壓(forward biased)狀態。在此情況下，電流I1’從輸入端經由上橋電晶體102、電感L1及旁路二極體158流至輸出端，以利用輸入電壓Vin對輸出電壓Vout進行充電。在另一操作模式下，上橋電晶體102關閉，下橋二極體154為正向偏壓狀態，且旁路二極體158為正向偏壓狀態。在此情況下，電流I2’從接地端經由下橋二極體154、電感L1及旁路二極體158流至輸出端，以對輸出電壓Vout進行放電。因此，感測電阻RC可在此操作模式下偵測電流I2’。

請參考第4A圖，第4A圖為本發明實施例第2A圖之輸出級200以升壓式直流對直流轉換器模式運作之示意圖。一般來說，以升壓式直流對直流轉換器模式運作之升降壓式直流對直流轉換器具有兩種操作模式。在此兩種操作模式下，下橋電晶體104皆關閉，因此於第4A圖中繪示為虛線。在其中一種操作模式下，上橋電晶體102開啟，下橋電晶體106關閉，且旁路電晶體108開啟。在此情況下，電流I3從輸入端經由上橋電晶體102、電感L1及旁路電晶體108流至輸出端，以利用輸入電壓Vin對輸出電壓Vout進行充電。在另一操作模式下，上橋電晶體102開啟，下橋電晶體106開啟，且旁路電晶體108關閉。在此情況下，電流I4從輸入端經由上橋電晶體102、電感L1及下橋電晶體106流至接地端，而另一電流I5從電容C1流至輸出端，以進一步對輸出電壓Vout進行充電。因此，感測電阻RC可在此操作模式下偵測電流I4。

請參考第4B圖，第4B圖為本發明實施例第2B圖之輸出級250以升壓式直流對直流轉換器模式運作之示意圖。一般來說，以升壓式直流對直流轉換器模式運作之升降壓式直流對直流轉換器具有兩種操作模式。在此兩種操作模式下，下橋二極體154皆為反向偏壓狀態，因此於第4B圖中繪示為虛線。在其中一種操作模式下，上橋電晶體102開啟，下橋電晶體106關 閉，且旁路二極體158為正向偏壓狀態。在此情況下，電流I3’從輸入端經由上橋電晶體102、電感L1及旁路二極體158流至輸出端，以利用輸入電壓Vin對輸出電壓Vout進行充電。在另一操作模式下，上橋電晶體102開啟，下橋電晶體106開啟，且旁路二極體158為反向偏壓狀態。在此情況下，電流I4’從輸入端經由上橋電晶體102、電感L1及下橋電晶體106流至接地端，而另一電流I5’從電容C1流至輸出端，以進一步對輸出電壓Vout進行充電。因此，感測電阻RC可在此操作模式下偵測電流I4’。

值得注意的是，本發明之實施例可利用單一電流偵測單元偵測升降壓式直流對直流轉換器之輸出電流，以節省電路面積及成本。本領域具通常知識者當可據以修飾或變化，而不限於此。舉例來說，輸出級200中的電晶體102、104、106及108及輸出級250中的電晶體102及106皆為金氧半場效電晶體(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)，但於其它實施例中，此等電晶體亦可為雙極性接面電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)，而不限於此。此外，於上述實施例中，輸出電流偵測係透過電阻RC來進行，但於其它實施例中，亦可用其它方法(如電流鏡(current mirror))來偵測輸出電流，而不限於此。一般來說，輸出電流偵測係用於過電流保護，但於部分實施例中，輸出電流偵測可用於其它目的，而不限於此。

於習知技術中，升降壓式直流對直流轉換器之輸出級具有二個感測電阻，分別在不同操作模式下偵測輸出電流，因此升降壓式直流對直流轉換器需要二個電流偵測裝置。對於只有一個輸出電流的升降壓式直流對直流轉換器來說，二個電流偵測裝置實屬多餘。相較之下，本發明可透過單一電阻及相對應的單一電流偵測裝置來偵測升降壓式直流對直流轉換器之輸出電流，以節省電路面積及成本。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

200‧‧‧輸出級

102‧‧‧上橋電晶體

104、106‧‧‧下橋電晶體

106‧‧‧多相位時脈除頻器

108‧‧‧旁路電晶體

L1‧‧‧電感

C1‧‧‧電容

R1、R2‧‧‧分壓電阻

RC‧‧‧感測電阻

Vin‧‧‧輸入電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

Claims (16)

1. 一種電流偵測裝置，用於一升降壓式直流對直流轉換器(buck-boost DC-DC converter)，該電流偵測裝置包含有：一偵測端點，耦接於該升降壓式直流對直流轉換器之二下橋電晶體；以及單一電流偵測單元，用來偵測流經該偵測端點之一電流，以偵測該升降壓式直流對直流轉換器之一輸出電流。
2. 如請求項1所述之電流偵測裝置，其中該單一電流偵測單元偵測該升降壓式直流對直流轉換器之該輸出電流，以進行過電流保護。
3. 如請求項1所述之電流偵測裝置，其中該單一電流偵測單元包含單一電阻，耦接於該偵測端點，用來偵測流經該偵測端點之該電流。
4. 如請求項1所述之電流偵測裝置，其中該升降壓式直流對直流轉換器係一同步升降壓式直流對直流轉換器(synchronous buck-boost DC-DC converter)。
5. 如請求項1所述之電流偵測裝置，其中該升降壓式直流對直流轉換器係一非同步升降壓式直流對直流轉換器(asynchronous buck-boost DC-DC converter)。
6. 一種電流偵測方法，用於一升降壓式直流對直流轉換器(buck-boost DC-DC converter)，該方法包含有：配置一偵測端點，該偵側端點耦接於該升降壓式直流對直流轉換器之二下橋電晶體；以及 透過單一電流偵測單元偵測流經該偵測端點之一電流，以偵測該升降壓式直流對直流轉換器之一輸出電流。
7. 如請求項6所述之方法，其中該單一電流偵測單元偵測該升降壓式直流對直流轉換器之該輸出電流，以進行過電流保護。
8. 如請求項6所述之方法，其中該單一電流偵測單元包含單一電阻，用來偵測流經該偵測端點之該電流。
9. 如請求項6所述之方法，其中該升降壓式直流對直流轉換器係一同步升降壓式直流對直流轉換器(synchronous buck-boost DC-DC converter)。
10. 如請求項6所述之方法，其中該升降壓式直流對直流轉換器係一非同步升降壓式直流對直流轉換器(asynchronous buck-boost DC-DC converter)。
11. 一種升降壓式直流對直流轉換器(buck-boost DC-DC converter)，包含有：一上橋電晶體，用來提供該輸出電流；二下橋電晶體，用來吸收該輸出電流；一旁路電晶體，用來導通該輸出電流至一輸出端；一電感，耦接於該上橋電晶體、該二下橋電晶體及該旁路電晶體之間，用來提供該輸出電流通過之路徑；一輸出電容，耦接於該旁路電晶體；一偵測端點，耦接於該升降壓式直流對直流轉換器之該二下橋電晶體；以及單一電流偵測單元，用來偵測流經該偵測端點之一電流，以偵測該升降壓式直流對直流轉換器之一輸出電流。
12. 如請求項11所述之升降壓式直流對直流轉換器，其中該單一電流偵測單元偵測該升降壓式直流對直流轉換器之該輸出電流，以進行過電流保護。
13. 如請求項11所述之升降壓式直流對直流轉換器，其中該單一電流偵測單元包含單一電阻，耦接於該偵測端點，用來偵測流經該偵測端點之該電流。
14. 如請求項11所述之升降壓式直流對直流轉換器，其中該單一電流偵測單元包含單一電阻，耦接於該二下橋電晶體，用來偵測流經該二下橋電晶體之該電流。
15. 如請求項11所述之升降壓式直流對直流轉換器，其中該升降壓式直流對直流轉換器係一同步升降壓式直流對直流轉換器(synchronous buck-boost DC-DC converter)。
16. 如請求項11所述之升降壓式直流對直流轉換器，其中該升降壓式直流對直流轉換器係一非同步升降壓式直流對直流轉換器(asynchronous buck-boost DC-DC converter)。