TW201417484A - 電壓轉換電路及驅動降壓電路之方法 - Google Patents

電壓轉換電路及驅動降壓電路之方法 Download PDF

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Abstract

一種電壓轉換電路，其包括第一電路模組、第二電路模組及降壓電路，該第一電路模組產生第一PWM訊號，該第二電路模組包括第一邏輯單元，該降壓電路包括上側電晶體及下側電晶體，該第二電路模組還包括訊號產生單元及第二邏輯單元，該訊號產生單元產生第二PWM訊號，該第一、第二PWM訊號均為方波，且其頻率不同，該第二邏輯單元將該第一、第二PWM訊號進行與操作以得到第一控制訊號，該第一邏輯單元將該第一控制訊號反相以得到第二控制訊號，該第一、第二控制訊號分別驅動上側、下側電晶體以控制降壓電路之輸出電壓。

Description

電壓轉換電路及驅動降壓電路之方法
本發明涉及一種電壓轉換電路及驅動該電壓轉換電路中降壓電路之方法，特別涉及一種直流-直流(DC-DC)型電壓轉換電路。
傳統之電壓轉換電路包括降壓型(Buck)型DC-DC轉換器、升壓型(Boost)型DC-DC轉換器以及升降壓型(Buck-Boost)DC-DC轉換器，均可對電壓進行升/降壓調節。以降壓型電壓轉換器而言，通常使用控制晶片(如:脈寬調製電路)產生第一方波訊號，再經過一驅動晶片(如：反相放大器)將該第一方波訊號進行處理(如反相、放大)後以得到第二方波訊號，再將該第一方波訊號及該第二方波訊號分別提供給Buck電路之上側電晶體(又稱主電晶體)與下側電晶體(又稱同步電晶體)以控制Buck電路之輸出電壓，從而為電子器件，諸如處理器(CPU)、記憶體(DRAM)等負載提供所需電能。隨著時代之進步，電子器件之體積越來越小，電子器件所需之工作電壓也隨之降低。而對於現有之電壓轉化器，在輸入電壓之電壓值不變之情況下，要想得到較低之輸出電壓之電壓值，則需降低第一方波訊號之佔空比。然而，礙於場效應電晶體本身之限制，佔空比為較低(如低於10%)之方波訊號已相當接近電晶體操作之極限。因此，在輸入電壓一定之情況下，傳統之電壓轉換電路已無法提供所需之更低之輸出電壓。
有鑑於此，有必要提供一種能夠輸出較低電壓之電壓轉換電路及驅動該電壓轉換電路中降壓電路之方法。
一種電壓轉換電路，該電壓轉換電路包括第一電路模組、第二電路模組及降壓電路，該第一電路模組用於產生第一PWM訊號，該第二電路模組包括第一邏輯單元，該降壓電路包括上側電晶體及下側電晶體，該第二電路模組還包括訊號產生單元及第二邏輯單元，該訊號產生單元用於產生第二PWM訊號，該第一PWM訊號及該第二PWM訊號均為方波，該第一PWM訊號之頻率與該第二PWM訊號之頻率不同，該第二邏輯單元用於將該第一PWM訊號及該第二PWM訊號進行與操作以得到第一控制訊號，該第一邏輯單元用於將該第一控制訊號反相以得到第二控制訊號，該第一控制訊號及該第二控制訊號用於驅動該上側電晶體及該下側電晶體以控制該降壓電路之輸出電壓。
一種驅動降壓電路之驅動方法，該降壓電路包括上側電晶體及下側電晶體，該上側電晶體及該下側晶體管用於在控制訊號之驅動下控制該降壓電路之輸出電壓，該方法包括：提供週期變化之第一控制訊號給該上側電晶體，該第一控制訊號在每個最小週期裏包括第一子週期及第二子週期，該第一子週期無訊號輸出，該第二子週期包含若干個週期變化之方波訊號；將該第一控制訊號反相以得到第二控制訊號，並將該第二控制訊號提供給該下側電晶體，以控制該下側電晶體在該上側電晶體開啟時閉合，該下側電晶體在該上側電晶體閉合時開啟。
與先前技術相較，本發明之電壓轉換電路及驅動該電壓轉換電路中降壓電路之方法，通過在第二電路模組中增加訊號產生單元及第二邏輯單元。該訊號產生單元產生第二PWM訊號，該第二邏輯單元將該第二PWM訊號與該第一電路模組產生之第一PWM訊號進行與操作以得到第一控制訊號。該第一邏輯單元對該第一控制訊號反相以得到第二控制訊號。由於該降壓電路輸出之第二直流電壓之電壓值為該電源產生之第一直流電壓之電壓值與該第一PWM訊號及該第二PWM訊號之乘積。因此，本發明之電壓轉換電路相較於傳統之電壓轉換電路輸出電壓之電壓值更低。
另外，本發明之電壓轉換電路保持了典型電壓轉換電路之拓撲結構，從而達到了節約成本之技術效果。
下面將結合附圖對本發明作具體介紹。請參閱圖1，其係本發明電壓轉換電路一較佳實施例之電路圖。在本實施方式中，電壓轉換電路1包括第一電路模組10、第二電路模組30及降壓電路50。該第一電路模組10用於產生一具有一第一頻率之第一脈寬調製（Pulse Width Modulation，PWM）訊號。該第二電路模組30包括第一邏輯單元31、第二邏輯單元33及訊號產生單元35。該訊號產生單元35用於產生一具有一第二頻率之第二PWM訊號。該第二邏輯單元33用於將該第一PWM訊號及該第二PWM訊號進行“與(AND)”操作以得到第一控制訊號。該第一邏輯單元31用於將該第一控制訊號反相以得到第二控制訊號。該第二控制訊號及該第二控制訊號用於分別驅動該降壓電路50之上側電晶體53與下側電晶體55。
在本發明中，該第一PWM訊號及該第二PWM訊號均為按週期變化之方波訊號，且該第一PWM訊號之頻率與該第二PWM訊號之頻率不同。優選地，該第二PWM訊號之頻率小於該第一PWM訊號之頻率。該第一PWM訊號及該第二PWM訊號進行“與”操作後得到之該第一控制訊號亦為按週期變化之訊號，其中，該第一控制訊號在每個最小週期裏包括兩個子週期：第一子週期及第二子週期。該第一子週期內無訊號輸出，該第二子週期包含複數按週期變化之方波訊號。在本實施方式中，該第一電路模組10為傳統之控制集成晶片，該第二電路模組30為驅動集成晶片，該降壓電路50為傳統之降壓型轉換電路。
在本實施方式中，該第二邏輯單元33為及閘，該第一邏輯單元31為反閘。
該降壓電路50為一Buck電路，進一步包括一電源51、一電感57、一輸出電容59、第一電壓輸出端a及第二電壓輸出端b。該電源51用於產生第一直流電壓，為方便描述，該第一直流電壓之電壓值定義為Vs。該上側電晶體53及該下側電晶體55用於在該第一控制訊號及該第二控制訊號之驅動下以控制該降壓電路50之輸出電壓。該上側電晶體53包括第一導通控制端531、第二導通控制端532及第三導通控制端533。該下側電晶體55包括第一導通控制端551、第二導通控制端552及第三導通控制端553。該電源51之正極511依次串聯該上側電晶體53之第三導通控制端、該上側電晶體53之第二導通控制端532、該電感57、第一電壓輸出端a該輸出電容59及該第二電壓輸出端b至該電源51之負極513。該下側電晶體55之第二導通控制端552連接該負極513，該下側電晶體55之該第三導通控制端553連接該上側電晶體53之該第二導通控制端532。該上側電晶體53之該第一導通控制端531用於接收該第一控制訊號，並在該第一控制訊號之控制下控制該上側電晶體53之導通或者截止。該下側電晶體55之該第一導通控制端551用於接收該第二控制訊號，並在該第二控制訊號之控制下控制該下側電晶體之導通或者截止。在本實施方式中，該上側電晶體53及該下側電晶體55均為NMOS(Negative channel-Metal-Oxide-Semiconductor)場效應電晶體。其中，該第一導通控制端531、551為該NMOS場效應電晶體之閘極，該第二導通控制端532、552為該NMOS場效應電晶體之源極，該第三導通控制端533、553為該NMOS場效應電晶體之汲極。
由於該第二控制訊號與該第一控制訊號反相，則當該上側電晶體53導通時，該下側電晶體55截止。當該上側電晶體53截止時，該下側電晶體55導通。
該電感57及該輸出電容59用於配合該上側電晶體53及該下側電晶體55將該第一直流電壓轉換為第二直流電壓。為方便描述，該第二直流電壓之電壓值定義為Vo。該第一電壓輸出端a及該第二電壓輸出端b用於將該第二直流電壓輸出至負載。
為方面描述，該第一PWM訊號之佔空比定義為DH，該第二PWM訊號之佔空比定義為DL。該第一PWM訊號之週期定義為TH，該第二PWM訊號之週期定義為TL。工作時，當該上側電晶體53導通，該下側電晶體55截止時，該電感57充電並儲存能量。當該上側電晶體53截止，該下側電晶體55導通時，該電感57將儲存之能量釋放。根據伏秒平衡定律(Voltage-Second-Balance-Principle)，可有：[(Vs-Vo)‧DHTH‧DLTL/TH]+[(-Vo)‧(1-DH)TH‧DLTL/TH+(-Vo)‧(1-DL)TL]=0，則可知，第二直流電壓之電壓值與該第一直流電壓之電壓值之比為：Vo/Vs=DH‧DL。
由於DH，DL分別為該第一PWM訊號及該第二PWM訊號之佔空比，DH小於1，DL小於1。因此，該降壓電路50之輸出之第二直流電壓之電壓值Vo相較於傳統之電源轉換電路中只有一個控制訊號之情況下之輸出電壓值更小。相較於傳統之電源轉換電路，本發明之電壓轉換電路1輸出之第二直流電壓之電壓值Vo更低。
應當明瞭，本案中之第一控制訊號可通過其他電路獲得，而並不局限於本實施例中所闡述之方式獲得，但可以理解，本實施力中設計之電路結構簡單易行，為一較佳實施方式。
請參閱圖2，其係本發明驅動降壓電路，以降壓電路50為例之驅動方法一較佳實施例之流程圖。
步驟S100，提供按週期變化之第一控制訊號給該上側電晶體53，該第一控制訊號在每個最小週期裏包括第一子週期及第二子週期，該第一子週期無訊號輸出，該第二子週期包含若干個週期變化之方波訊號；
步驟S200，將該第一控制訊號反相以得到第二控制訊號，並將該第二控制訊號提供給該下側電晶體55，以控制該下側電晶體55在該上側電晶體53開啟時閉合，該下側電晶體55在該上側電晶體53閉合時開啟。
在一變更實施方式中，該步驟S100中該第一控制訊號之形成方法為：
步驟S101，提供第一PWM訊號及第二PWM訊號，該第一PWM訊號及該第二PWM訊號均為方波訊號且該第一PWM訊號之頻率與該第二PWM訊號之頻率不同，將該第一PWM訊號及該第二PWM訊號進行與操作以得到該第一控制訊號。
與先前技術相較，本發明之電壓轉換電路1及驅動該電壓轉換電路1中降壓電路50之方法，通過在第二電路模組30中增加訊號產生單元35及第二邏輯單元33。該訊號產生單元35產生第二PWM訊號，該第二邏輯單元33將該第二PWM訊號與該第一電路模組10產生之第一PWM訊號進行與操作以得到第一控制訊號。該第一邏輯單元31對該第一控制訊號反相以得到第二控制訊號。由於該降壓電路50輸出之第二直流電壓之電壓值為該電源51產生之第一直流電壓之電壓值與該第一PWM訊號及該第二PWM訊號之乘積。因此，本發明之電壓轉換電路1相較於傳統之電壓轉換電路輸出電壓之電壓值更低。
另外，本發明之電壓轉換電路1保持了典型電壓轉換電路之拓撲結構，從而達到了節約成本之技術效果。
雖然本發明以優選實施方式揭示如上，然其並非用以限定本發明，任何本領域技術人員，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做各種之變化，這些依據本發明精神所做之變化，都應包含在本發明所要求之保護範圍之內。
1．．．電壓轉換電路
10．．．第一電路模組
30．．．第二電路模組
50．．．降壓電路
31．．．第一邏輯單元
33．．．第二邏輯單元
35．．．訊號產生單元
51．．．電源
53．．．上側電晶體
55．．．下側電晶體
57．．．電感
59．．．輸出電容
511．．．正極
513．．．負極
531、551．．．第一導通控制端
532、552．．．第二導通控制端
533、553．．．第三導通控制端
a．．．第一電壓輸出端
b．．．第二電壓輸出端
S100~S200，S101．．．步驟
圖1係本發明電壓轉換電路一較佳實施例之電路圖。
圖2係本發明驅動降壓電路之驅動方法一較佳實施例之流程圖。
1．．．電壓轉換電路
10．．．第一電路模組
30．．．第二電路模組
50．．．降壓電路
31．．．第一邏輯單元
33．．．第二邏輯單元
35．．．訊號產生單元
51．．．電源
53．．．上側電晶體
55．．．下側電晶體
57．．．電感
59．．．輸出電容
511．．．正極
513．．．負極
531、551．．．第一導通控制端
532、552．．．第二導通控制端
533、553．．．第三導通控制端
a．．．第一電壓輸出端
b．．．第二電壓輸出端

Claims (9)

  1. 一種電壓轉換電路，該電壓轉換電路包括第一電路模組、第二電路模組及降壓電路，該第一電路模組用於產生第一PWM訊號，該第二電路模組包括第一邏輯單元，該降壓電路包括上側電晶體及下側電晶體，該第二電路模組進一步包括訊號產生單元及第二邏輯單元，該訊號產生單元用於產生第二PWM訊號，該第一PWM訊號及該第二PWM訊號均為方波，該第一PWM訊號之頻率與該第二PWM訊號之頻率不同，該第二邏輯單元用於將該第一PWM訊號及該第二PWM訊號進行與(AND)操作以得到第一控制訊號，該第一邏輯單元用於將該第一控制訊號反相以得到第二控制訊號，該第一控制訊號及該第二控制訊號用於驅動該上側電晶體及該下側電晶體以控制該降壓電路之輸出電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換電路，其中，該第一邏輯單元為反閘，該第二邏輯單元為及閘。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換電路，其中，第二PWM訊號之頻率小於第一PWM訊號之頻率。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述之電壓轉換電路，其中，該第一PWM訊號與該第二PWM訊號之佔空比相同。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所述之電壓轉換電路，其中，該第一PWM訊號與該第二PWM訊號之佔空比不同。
  6. 一種驅動降壓電路之方法，該降壓電路包括上側電晶體及下側電晶體，該上側電晶體及該下側晶體管用於在控制訊號之驅動下控制該降壓電路之輸出電壓，該方法包括：
    提供週期變化之第一控制訊號給該上側電晶體，該第一控制訊號在每個最小週期裏包括第一子週期及第二子週期，該第一子週期無訊號輸出，該第二子週期包含若干個週期變化之方波訊號；
    將該第一控制訊號反相以得到第二控制訊號，並將該第二控制訊號提供給該下側電晶體，以控制該下側電晶體在該上側電晶體開啟時閉合，該下側電晶體在該上側電晶體閉合時開啟。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之驅動降壓電路之方法，其中，提供第一PWM訊號及第二PWM訊號，該第一PWM訊號及該第二PWM訊號均為方波訊號且該第一PWM訊號之頻率與該第二PWM訊號之頻率不同，將該第一PWM訊號及該第二PWM訊號進行與操作以得到該第一控制訊號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之驅動降壓電路之方法，其中，該第一PWM訊號與該第二PWM訊號之佔空比相同。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之驅動降壓電路之方法，其中，該第一PWM訊號與該第二PWM訊號之佔空比不同。
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