TW201415779A - 單級降壓轉換電路 - Google Patents

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Abstract

本揭露係關於一種單級降壓轉換電路，包括：一降壓裝置；一半導體元件，耦接該降壓裝置；一第一諧振電路，耦接該半導體元件，用以調整動作時間常數；以及一第二諧振電路，耦接該第一諧振電路，用以抑制漣波。

Description

單級降壓轉換電路
本揭露係為一種單級降壓轉換電路，尤其是有關於一種具有輸入快速響應、低漣波輸出電流與較長電路使用壽命之單級降壓轉換電路。
由於降壓型轉換器之儲能元件電感器感值其大小，將影響輸入電流之響應速度以及輸出電流漣波，若儲能元件電感器之感值較小時，降壓型轉換器之輸入電流響應速度較快，但是輸出電流漣波較大，反之，若儲能元件電感器之感值較大時，降壓型轉換器之輸入電流響應速度較慢，但是可得到較小的輸出電流漣波。爰此，傳統降壓型轉換器常使用較小感值之電感器與較大容值的輸出電容器，以期達到較快的輸入電流響應速度與較低輸出電流漣波，然而較大容值的電容器，則必須使用電解電容，但是電解電容容易受到開關切換與溫度等外在環境因素影響，使得其壽命較短，進而縮短轉換器之使用壽命。
傳統非隔離型降壓型轉換器中，如圖1所示之理想降壓(Buck)轉換器為最基本傳統降壓型轉換器，主要是由控制IC、開關元件、二極體、儲能電感以及電容所組成。其動作原裡敘述如下，當功率晶體(M)導通時，此時電壓源對儲能電感充電，同時對電容C充電並提供能量至輸出負載，當功率晶體(M)截止時，儲能電感將其儲能經由二極體D對電容C充電，同時提供能量至輸出負載。
圖2所示為目前普遍使用的傳統返馳式轉換器，主要應用在100W以下的隔離型降壓型轉換器，由於電路簡單成本低，電路中的返馳變壓器又能兼作儲能使用，且次級端僅需一個二極體及一個電容器，單從成本的角度來說，返馳式轉換器電路在市場上極具競爭力。返馳式轉換器電路主要是由控制IC、功率晶體(M)、返馳變壓器(T)、二極體D、電容器(C)組成：藉由控制IC來控制功率晶體(M)的導通與截止，經過返馳變壓器之磁化電感進行儲能與釋能，並配合次級側的二極體和電容，進行輸出電壓的整流與濾波，如此即可得到直流電壓的輸出。其基本動作原理敘述如下：該電路中藉由返馳變壓器T使其具有電氣隔離、變壓和儲能電感的三重功能，嚴謹學理而言，返馳變壓器並非真正的變壓器，而是耦合電感器。藉由控制功率晶體(M)的導通與截止，將儲存於在返馳變壓器的能量傳遞給次級側，經由二極體對電容C充電，並維持直流電壓於設定值。當功率晶體(M)導通時，此時電壓源Vin對返馳變壓器充電，並使二極體D反向偏壓，同時電容C提供能量至輸出端。當功率晶體(M)截止時，返馳變壓器將能量經由二極體對電容C充電提供能量至輸出端。
在一實施例中，本揭露提供一種單級降壓轉換電路，包括：一降壓裝置；一半導體元件，耦接該降壓裝置；一第一諧振電路，耦接該半導體元件，用以調整動作時間常數；以及一第二諧振電路，耦接該第一諧振電路，用以抑 制漣波。
為使 貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，下文特將本發明之裝置的相關細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得 審查委員可以了解本揭露之特點，詳細說明陳述如下：圖3顯示根據本揭露一實施例之一單級降壓轉換器。該單級降壓轉換器包括：一降壓裝置11、一半導體元件12、一第一諧振電路13與一第二諧振電路14。該半導體元件12可為一二極體，其用以調整輸出功率或輸出電壓。該第一諧振電路13，其耦接該半導體元件12，用以調整動作時間常數。該第二諧振電路14，耦接該第一諧振電路13，用以抑制漣波。且該降壓裝置11亦可為一降壓轉換器。
圖4顯示應用本揭露之一例子。於本例子，該降壓裝置11包括一電晶體S、一第一二極體D1，其耦接該電晶體S以及一第一電感L1，其耦接該電晶體S，且與該第一二極體D1並聯。該半導體元件12為一二極體D2。該第一諧振電路13包括一第一電容C1與一第二電感L2，且該第一電容C1與該第二電感L2並聯，且該第一諧振電路13更包括一第二二極體D3，其耦接該第一電容C1，並與該第二電感串聯L2。該第二諧振電路14更包括一第二電容C2與一第三電感L3，且該第二電容C2與該第三電感L3並聯，且該第二諧振電路14更包括一第三二極體D4，其耦接該第二電容C2，並與該串聯。前述之第二諧振電路14更包括 一負載Load，其耦接該第二電容C2，並與該第三二極體D4串聯。於本例子，假設所有的電路元件均為理想，且負載為電阻R，其工作原理如下：
工作模式一：當功率晶體S導通時，電路進入工作模式一，輸入電壓Vin開始對第一電感L1與第一電容C1、第二電感L2、第三電感L3以及第二電容C2充電，同時提供能量至負載Load，如圖5所示。而當第二二極體D3導通時，此時本揭露之單級降壓轉換電路即進入工作模式二。
工作模式二：當電晶體S截止時，單級降壓轉換電路進入工作模式二，第一電感L1經過第一二極體D1進行充放電路釋能，且第一電容C1與第二電感L2共振將能量快速傳送至第二電容C2與第三電感L3，藉此抑制因輸入能量增加時造成之輸出電流漣波，當二極體D2導通時，此時本揭露之單級降壓轉換電路即進入工作模式三，如圖6所示。
工作模式三：當二極體D2導通時，單級降壓轉換電路進入工作模式三，此時第一電容C1、第二電感L2經由二極體D2構成迴路，配合第二電容C2與第三電感L3將儲存能量傳送至負載Load，抑制因輸入能量停止時造成之輸出電流漣波，如圖7所示，當電晶體S再度導通時，即完成本揭露之單級降壓轉換電路之一週期動作。
圖8顯示代入表一之元件參數所得到的模擬波形。如圖8所示，PWM為本揭露之單級降壓轉換電路之控制信號、本揭露之單級降壓轉換電路VOA為本揭露之單級降壓轉換電路之輸出電壓、VOB為傳統降壓轉換電路之輸出電壓、iL1為第一電感L1電流、iL為傳統降壓轉換電路之電感 器L的電流、iL2為第二電感L2電流、VC1為第一電容C1的電壓、iOA為輸出電流、iOB為傳統降壓轉換電路之輸出電流以及iD1與iD2為二極體D1與D2的電流。如圖8所示，本揭露之單級降壓轉換電路的輸出電流漣波為1.3mA，而傳統降壓轉換電路之輸出電流漣波為21.8mA，因此，可得到傳統降壓轉換電路之輸出電流漣波為本創作電路之輸出電流漣波的16.77倍。此外，由圖8模擬結果也可得到本揭露之單級降壓轉換電路中電感器L1之電流iL1，當開關導通時iL1上升速率大於傳統降壓轉換電路之電感器L的電流iL之上升速率，由此可知本揭露之單級降壓轉換電路具有輸入較快速之響應特性。
本揭露所提出的單級降壓轉換電路，其主要電路架構為整合降壓(Buck)轉換器與電流型自動電荷抽放(Auto Charge Pump)電路，透過參數設計以及LC共振電路作用，使得電路具有可變電路結構特性，實現共用儲能與濾波元 件的電路設計方式，進而達到具有輸入快速響應、低漣波輸出電流與延長電路使用壽命。本揭露電路結合電容器C1與電感器L2並聯電路、另一個電容器C2、另一個電感器L3以及三個二極體，構成電流型自動電荷抽放電路，透過自動電荷抽放電路動作，可使得電感器L2、電感器L3、電容器C1與電容器C2間儲存能量達到平衡。本揭露透過電路設計與共振電路作用，使得各個電容與電感之充放電時間常數為所需值，進而控制二極體導通時間與電容之放電時間。此外，本揭露電路工作於能量輸入模式時，儲能元件之電感器L1與L2則為儲能元件，由於電流型自動電荷抽放電路作用，使得電容器C1上的跨壓反轉成為-Vo，因此可使輸入電流具有更快速響應。再者，由於電容器C2的容值大於電容器C1的容值，所以輸入電壓透過電容分壓原理，將大部份跨於電容器C1上，藉此降低輸出入電流造成之輸出電流漣波。另外，當本揭露電路工作於能量輸入模式時，該電路之輸入電流具有快速響應；而當電路工作於能量輸出模式時，該電路之輸出電壓具有較低輸出漣波，因此電路設計可使用較小容值之電容器，以避免使用電解電容，進而延長電路使用壽命。或者是，本揭露電路之電路參數設計可選用感值較小之儲能電感，使得電路具有輸入快速響應，且透過自動改變電路結構之特性，輸出濾波電路可共用電路之儲能與濾波元件，藉以改變輸出濾波電路之動作時間常數，使得電路具有低漣波輸出電流，進而在電路設計上，得以避免使用電解電容，延長轉換器之工作年限。
總而言之，本揭露透過LC共振電路計時方式，以控制電路結構改變之作動時間，且不需要主動元件可自動改變電路結構，且無需控制能量可自動平衡，可簡化電路設計。再者，本揭露具負電壓源特性，可克服負載電壓之電位障壁問題，如LED順向導通電壓以及主動功因校正電路之零交越失真(Zero Crossing Distortion)，亦可實現共用儲能與濾波元件之電路設計方式，達到輸入快速響應、低漣波輸出以及長壽命。
唯以上所述者，僅為本發明之範例實施態樣爾，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
11‧‧‧降壓裝置
12‧‧‧半導體元件
13‧‧‧第一諧振電路
14‧‧‧第二諧振電路
Vin、VL1、VL2、VL3、VC1、VC2、Vo‧‧‧電壓
iL1、iL2、iL3、iD1、iD2、io‧‧‧電流
圖1顯示基本傳統降壓型轉換器；圖2顯示傳統返馳式轉換器；圖3顯示顯示根據本揭露一實施例之一單級降壓轉換器；圖4顯示應用本揭露之一例子；圖5顯示圖4之電路操作於工作模式一；圖6顯示圖4之電路操作於工作模式二；圖7顯示圖4之電路操作於工作模式三；以及圖8顯示代入表一之元件參數所得到的模擬波形。
11‧‧‧降壓裝置
12‧‧‧半導體元件
13‧‧‧第一諧振電路
14‧‧‧第二諧振電路

Claims (8)

  1. 一種單級降壓轉換電路，包括：一降壓裝置；一半導體元件，耦接該降壓裝置；一第一諧振電路，耦接該半導體元件，用以調整動作時間常數；以及一第二諧振電路，耦接該第一諧振電路，用以抑制漣波。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之單級降壓轉換電路，其中該降壓裝置更包括：一電晶體；一第一二極體，耦接該電晶體；以及一第一電感，耦接該電晶體，且與該第一二極體並聯。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之單級降壓轉換電路，其中該第一諧振電路更包括一第一電容與一第二電感，且該第一電容與該第二電感並聯。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之單級降壓轉換電路，其中該第一諧振電路更包括一第二二極體，其耦接該第一電容，並與該第二電感串聯。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之單級降壓轉換電路，其中該第二諧振電路更包括一第二電容與一第三電感，且該第二電容與該第三電感並聯。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之單級降壓轉換電路，其中該第二諧振電路更包括一第三二極體，其耦接該第二電 容，並與該第三電感串聯。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之單級降壓轉換電路，其中該第二諧振電路更包括一負載，其耦接該第二電容，並與該第三二極體串聯。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之單級降壓轉換電路，其中該半導體元件為二極體，且用於調整輸出功率或輸出電壓。
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