TW201528668A - 具有突波電流保護裝置之升壓式直流對直流轉換器及突波電流保護方法 - Google Patents

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Abstract

一種具有一突波電流保護裝置之升壓式直流對直流轉換器，包含有一輸出級及一保護二極體。該輸出級包含有一上橋電晶體，用來提供一輸出電流；一下橋電晶體，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、該下橋電晶體及該旁路電晶體，用來提供該輸出電流通過之路徑；以及一輸出電容，耦接於該旁路電晶體，用來提升該輸出端之一輸出電壓。該保護二極體並聯於該電感及該下橋電晶體，用來避免一突波電流經由該電感及該旁路電晶體流至該輸出端。

Description

具有突波電流保護裝置之升壓式直流對直流轉換器及突波電 流保護方法
本發明係指一種具有一突波電流(Inrush Current)保護裝置的升壓式直流對直流轉換器(Boost DC-DC Converter)及突波電流保護方法，尤指一種可耦接一二極體以提供反向電流來補償來自於電源供應器之突波電流，以避免升壓式直流對直流轉換器中的元件被突波電流燒毀的升壓式直流對直流轉換器及突波電流保護方法。
直流對直流轉換器(DC-DC Converter)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(Buck Converter)、升壓式轉換器(Boost Converter)及升降壓式轉換器(Buck-Boost Converter)。降壓式轉換器係一種輸出電壓低於輸入電壓的直流對直流轉換器，升壓式轉換器係一種輸出電壓高於輸入電壓的直流對直流轉換器，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的直流對直流轉換器。
一般來說，直流對直流轉換器會受到突波電流(Inrush Current)的影響。當電源供應器開啟但直流對直流轉換器內部的電路尚未穩定時，即可能產生突波電流。以一升壓式轉換器為例，請參考第1A圖，第1A圖為習知一同步升壓式直流對直流轉換器(Synchronous Boost DC-DC Converter)之一輸出級100之示意圖。如第1A圖所示，輸出級100包含有一上橋電晶體 102、一下橋電晶體104、一旁路電晶體106、一電感L1、一輸出電容C1及二分壓電阻R1、R2。下橋電晶體104耦接有一電流感測電阻R3，可用來進行電流偵測。當電源供應器開啟時，電源供應端VCC的電壓會快速上升，因而產生一突波電流。若輸出級100內具有接地的導通路徑時，突波電流即由電源供應端VCC流向輸出級100。此時，由於同步升壓式直流對直流轉換器內部的電路尚未穩定，電路中大多數訊號仍維持在低電壓，然而，上橋電晶體102及旁路電晶體106通常是由P型金屬氧化物半導體場效電晶體(P-type Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，PMOSFET)所構成。當上橋電晶體102及旁路電晶體106的閘極(Gate)維持在低電壓時，兩電晶體皆會導通。如此一來，輸出級100中會存在一導通路徑，而突波電流即可經由上橋電晶體102、電感L1、旁路電晶體106及分壓電阻R1、R2或其它負載裝置流至地端。
請參考第1B圖，第1B圖為習知一非同步升壓式直流對直流轉換器(Asynchronous Boost DC-DC Converter)之一輸出級150之示意圖。如第1B圖所示，輸出級150的架構與輸出級100相似，因此具有相同功能的元件及訊號皆以相同符號表示。輸出級150與輸出級100之主要差異在於輸出級150中，旁路電晶體106係由一旁路二極體156所取代。當電源供應器開啟時，電源供應端VCC的電壓會快速上升，因而產生一突波電流。若輸出級150內具有接地的導通路徑時，突波電流即由電源供應端VCC流向輸出級150。此時，由於非同步升壓式直流對直流轉換器內部的電路尚未穩定，電路中大多數訊號仍維持在低電壓，然而，上橋電晶體102通常是由P型金屬氧化物半導體場效電晶體所構成。當上橋電晶體102的閘極(Gate)維持在低電壓時，上橋電晶體102會導通。如此一來，輸出級150中會存在一導通路徑，而突波電流即可經由上橋電晶體102、電感L1、旁路二極體156及分壓電阻R1、R2或其它負載裝置流至地端。
眾所皆知，當一突波電流流經電子裝置時，電子裝置可能會損壞。若電子裝置對突波電流的耐受度較差時，一旦突波電流過，電子裝置即可能被破壞。即使電子裝置的耐受度較強，若每次電源供應器開啟時皆產生一突波電流，長久下來，電子裝置也可能會損壞。因此，實有必要提出一種突波電流保護裝置，以避免突波電流破壞同步及非同步升壓式直流對直流轉換器之輸出級元件。
因此，本發明之主要目的即在於提供一種具有突波電流保護裝置的升壓式直流對直流轉換器(Boost DC-DC Converter)及一突波電流(Inrush Current)保護方法，其可將一二極體耦接於升壓式直流對直流轉換器中，以提供一反向電流來補償電源供應器所產生的突波電流，進而避免升壓式直流對直流轉換器的元件受到突波電流的破壞。
本發明揭露一種具有一突波電流保護裝置之升壓式直流對直流轉換器，包含有一輸出級及一保護二極體。該輸出級包含有一上橋電晶體，用來提供一輸出電流；一下橋電晶體，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、該下橋電晶體及該旁路電晶體，用來提供該輸出電流通過之路徑；以及一輸出電容，耦接於該旁路電晶體，用來提升該輸出端之一輸出電壓。該保護二極體並聯於該電感及該下橋電晶體，用來避免一突波電流經由該電感及該旁路電晶體流至該輸出端。
本發明另揭露一種突波電流保護方法，用於一升壓式直流對直流轉換器，該突波電流保護方法包含有提供一輸出電流至一輸出端；以及配置一保護二極體，使該保護二極體並聯於該升壓式直流對直流轉換器之一輸出 級之一電感及一下橋電晶體，以避免一突波電流流至該輸出端。
100、150、200、250‧‧‧輸出級
102、202‧‧‧上橋電晶體
104、204‧‧‧下橋電晶體
106、206‧‧‧旁路電晶體
156、256‧‧‧旁路二極體
208‧‧‧保護二極體
L1、L1’‧‧‧電感
C1、C1’‧‧‧輸出電容
R1、R2、R1’、R2’‧‧‧分壓電阻
R3、R3’‧‧‧感測電阻
VCC‧‧‧電源供應端
Vout‧‧‧輸出端
Vx‧‧‧電壓
Ix‧‧‧電流
第1A圖為習知一同步升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壓式直流對直流轉換器之一輸出級之示意圖。
第3圖為本發明實施例具有及不具有保護二極體之電源供應端之波形示意圖。
請參考第2A圖，第2A圖為本發明實施例一同步升壓式直流對直流轉換器(Synchronous Boost DC-DC Converter)之一輸出級200之示意圖。如第2A圖所示，輸出級200包含有一上橋電晶體202、一下橋電晶體204、一旁路電晶體206、一電感L1’、一輸出電容C1’、二分壓電阻R1’及R2’、一電流感測電阻R3’及一保護二極體208。上橋電晶體202可由電源供應端VCC提供一輸出電流。下橋電晶體204可用來吸收輸出電流。旁路電晶體206可用來導通輸出電流至一輸出端Vout。電感L1’耦接於上橋電晶體202、下橋電晶體204及旁路電晶體206，可用來提供輸出電流通過的路徑。輸出電容C1’耦接於旁路電晶體206，可用來提升輸出端Vout的輸出電壓。分壓電阻R1’及R2’則用來調整輸出電壓。電流感測電阻R3’耦接於下橋電晶體204，可用來進行電流偵測。保護二極體208並聯於電感L1’及下橋電晶體204，可用來避免突波電流從電源供應端VCC經由導通電感L1’及旁路電晶體206流至輸 出端Vout。
請參考第2B圖，第2B圖為本發明實施例一非同步升壓式直流對直流轉換器(Asynchronous Boost DC-DC Converter)之一輸出級250之示意圖。如第2B圖所示，輸出級250的架構與輸出級200相似，因此具有相同功能的元件及訊號皆以相同符號表示。輸出級250與輸出級200之主要差異在於輸出級250中，旁路電晶體206係由一旁路二極體256所取代。
請繼續參考第2A圖及第2B圖。詳細來說，當電源供應器開啟時，電源供應端VCC的電壓會快速上升，因而產生一突波電流，若輸出級200及250內具有接地的導通路徑時，突波電流即由電源供應端VCC流向輸出級200及250。此時，保護二極體208為順偏狀態，可提供一反向電流來補償突波電流。雖然導通路徑仍存在於輸出級200及250中(由上橋電晶體202、電感L1’及旁路電晶體206或旁路二極體256所構成)，由於保護二極體208提供了反向電流以進行補償，突波電流的強度可因此而減緩。因此，減緩的電流較不易造成輸出級200及250中元件的損壞。
請參考第3圖，第3圖為本發明實施例具有及不具有保護二極體208之電源供應端VCC之波形示意圖。如第3圖所示，電壓Vx表示電源供應端VCC之電壓，電流Ix表示從電源供應端VCC流至輸出級100、150、200及250的電流。對應於不具有保護二極體之輸出級(輸出級100及150)，其電流Ix係以虛線繪示；對應於具有保護二極體208之輸出級(輸出級200及250)，其電流Ix係以實線繪示。如第3圖所示，當升壓式直流對直流轉換器之輸出級200及250具有保護二極體208時，電流Ix會變得較平緩，且不會造成輸出級200及250中元件的損壞。
值得注意的是，本發明可避免突波電流損壞升壓式直流對直流轉換器之輸出級元件，本領域具通常知識者當可據以進行修飾或變化，而不限於此。舉例來說，輸出級200及250中的電晶體202、204及206皆為金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，但在其它實施例，這些電晶體也可以是雙極性接面電晶體(Bipolar Junction Transistor，BJT)，而不限於此。此外，在輸出級200及250中，保護二極體208係並聯於電感L1’及下橋電晶體204，但在其它實施例中，保護二極體208亦可透過其它方式實現，只要保護二極體208可提供額外的電流來補償來自於電源供應端VCC的突波電流即可。
在習知技術中，當電源供應器開啟時，電源供應端的電壓會快速上升，因而產生一突波電流。若升壓式直流對直流轉換器之輸出級內具有接地的導通路徑時，突波電流即由電源供應端流向輸出級，因此輸出級中的元件可能會被突波電流燒毀。相較之下，本發明提供了一種可提供反向電流來補償來自於電源供應端的突波電流之保護二極體，進而避免升壓式直流對直流轉換器之輸出級中的元件受突波電流影響而造成損壞。
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
202‧‧‧上橋電晶體
204‧‧‧下橋電晶體
206‧‧‧旁路電晶體
208‧‧‧保護二極體
L1’‧‧‧電感
C1’‧‧‧輸出電容
R1’、R2’‧‧‧分壓電阻
R3’‧‧‧感測電阻
VCC‧‧‧電源供應端
Vout‧‧‧輸出端

Claims (12)

  1. 一種具有一突波電流(Inrush Current)保護裝置之升壓式直流對直流轉換器(Boost DC-DC Converter)，包含有：一輸出級，包含有：一上橋電晶體，用來提供一輸出電流；一下橋電晶體，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、該下橋電晶體及該旁路電晶體，用來提供該輸出電流通過之路徑；以及一輸出電容，耦接於該旁路電晶體，用來提升該輸出端之一輸出電壓；以及一保護二極體，並聯於該電感及該下橋電晶體，用來避免一突波電流經由該電感及該旁路電晶體流至該輸出端。
  2. 如請求項1所述之升壓式直流對直流轉換器，另包含有一電流感測裝置，用來偵測該輸出電流。
  3. 如請求項2所述之升壓式直流對直流轉換器，其中該電流感測裝置包含一電阻。
  4. 如請求項1所述之升壓式直流對直流轉換器，其中該保護二極體提供一反向電流，用來補償該突波電流，以避免該突波電流經由該電感及該旁路電晶體流至該輸出端。
  5. 如請求項1所述之升壓式直流對直流轉換器，其中該升壓式直流對直流轉換器係一同步升壓式直流對直流轉換器(Synchronous Boost DC-DC Converter)。
  6. 如請求項1所述之升壓式直流對直流轉換器，其中該升壓式直流對直流轉換器係一非同步升壓式直流對直流轉換器(Asynchronous Boost DC-DC Converter)。
  7. 一種突波電流(Inrush Current)保護方法，用於一升壓式直流對直流轉換器(Boost DC-DC Converter)，該突波電流保護方法包含有：提供一輸出電流至一輸出端；以及配置一保護二極體，使該保護二極體並聯於該升壓式直流對直流轉換器之一輸出級之一電感及一下橋電晶體，以避免一突波電流流至該輸出端。
  8. 如請求項7所述之突波電流保護方法，另包含有一電流感測裝置，用來偵測該輸出電流。
  9. 如請求項8所述之突波電流保護方法，其中該電流感測裝置包含一電阻。
  10. 如請求項7所述之突波電流保護方法，其中該保護二極體提供一反向電流，用來補償該突波電流，以避免該突波電流流至該輸出端。
  11. 如請求項7所述之突波電流保護方法，其中該升壓式直流對直流轉換器係一同步升壓式直流對直流轉換器(Synchronous Boost DC-DC Converter)。
  12. 如請求項7所述之突波電流保護方法，其中該升壓式直流對直流轉換器係一非同步升壓式直流對直流轉換器(Asynchronous Boost DC-DC Converter)。
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