TW201537874A - 動態預充電之電壓轉換裝置 - Google Patents

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Abstract

電壓轉換裝置，包含回授模組，用來根據回授電壓及參考電壓產生比較訊號；脈衝寬度調變模組，用來根據該比較信號產生驅動訊號；電壓轉換模組，包含下橋開關，用來根據驅動訊號控制節點與地端間的連接；上橋開關，用來根據控制訊號控制節點與輸出端間的連接；電感，耦接於節點與輸入端之間；回授電壓產生單元，用來根據輸出端輸出電壓及比例產生回授電壓；可變電流產生單元，用來根據調整訊號產生電流訊號；以及控制單元，用來根據輸出電壓及輸入電壓選擇驅動訊號或電流訊號作為控制訊號；以及電流調整模組，用來根據比較訊號產生調整訊號。

Description

動態預充電之電壓轉換裝置
本發明係指一種電壓轉換裝置，尤指一種能夠根據輸出負載動態調整預充電電流之電壓轉換裝置。
電子裝置通常包含有不同的元件，每一元件所需的操作電壓可能都不同。因此，在電子裝置中，需要透過直流對直流電壓轉換電路，達到電壓準位的調節(升壓或降壓)，並使之穩定在所設定的電壓數值。依不同的電源需求，可延伸出許多不同型態的直流對直流電壓轉換器，但其皆源自於降壓式轉換器(Buck/Step Down Converter)及升壓式轉換器(Boost/Step Up Converter)。顧名思義，降壓式轉換器可將輸入端的直流電壓下降至一預設電壓準位，而升壓式轉換器則可提升輸入端的直流電壓。不論降壓式轉換器或升壓式轉換器，隨著電路技術的演進，兩者皆已演變出許多變化，以適用於不同的架構，或符合不同的需求。
在傳統的升壓式轉換器中，升壓式轉換器輸出端的輸出電壓必須大於輸入端的輸入電壓，升壓式轉換器才可正常運作。因此，傳統的升壓式轉換器於起始運作時，需進行一充電程序，以使輸出端的輸出電壓大於輸入端的輸入電壓後，再進入正常運作程序。然而，當耦接於升壓式轉換器輸出端的負載超過升壓式轉換器中預設之固定充電電流所能驅動的覆載時，可能會造成此充電程序無法正常運作，進而造成輸出電壓無法超越輸入電壓。由此可知，習知技術實有改進之必要。
因此，本發明提供一種電壓轉換裝置，其可根據耦接於電壓轉換裝置輸出端的負載動態調整於起始運作時用來使輸出端電壓上升之充電電流。
本發明揭露一種電壓轉換裝置，包含有一回授模組，用來根據一回授電壓及一參考電壓間之大小關係，產生一比較訊號；一脈衝寬度調變模組，耦接於該回授模組，用來根據該比較信號，產生一驅動訊號；一電壓轉換模組，包含有一下橋開關，耦接於該脈衝寬度調變模組，用來根據該驅動訊號，控制一節點與地端間的連接；一上橋開關，耦接於該節點與一輸出端之間，用來根據一控制訊號，控制該節點與該輸出端間的連接；一電感，耦接於該節點與一輸入端之間；一回授電壓產生單元，用來根據該輸出端的一輸出電壓及一比例，產生該回授電壓；一可變電流產生單元，用來根據一調整訊號，產生一電流訊號；以及一控制單元，用來根據該輸出電壓及該輸入端的一輸入電壓，選擇該驅動訊號及該電流訊號其中一者作為該控制訊號；以及一電流調整模組，耦接於該回授模組及該可變電流產生單元，用來根據該比較訊號，產生該調整訊號。
10、20、40‧‧‧電壓轉換裝置
100、200、400‧‧‧回授模組
102、202、402‧‧‧脈衝寬度調變模組
104、204、404‧‧‧電壓轉換模組
106、206、406‧‧‧比較單元106
108、208、408‧‧‧濾波單元
110、210、410‧‧‧回授電壓產生單元
112‧‧‧固定電流產生單元
212、412‧‧‧可變電流產生單元
114、214、414‧‧‧控制單元
216、416‧‧‧電流調整模組
418‧‧‧箝制模組
ADJ‧‧‧調整訊號
COM‧‧‧比較訊號
CON‧‧‧控制訊號
DRI‧‧‧驅動訊號
I‧‧‧電流訊號
L‧‧‧電感
LS‧‧‧下橋開關
OUT‧‧‧輸出端
US‧‧‧上橋開關
VFB‧‧‧回授電壓
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
VREF‧‧‧參考電壓
VTAR‧‧‧預設電壓
第1圖為本發明實施例一電壓轉換裝置的示意圖。
第2圖為本發明實施例另一電壓轉換裝置的示意圖。
第3圖為第2圖所示的電壓轉換裝置運作時相關訊號的示意圖。
第4圖為本發明實施例又另一電壓轉換裝置的示意圖。
請參考第1圖，第1圖為本發明實施例一電壓轉換裝置10的示意圖。電壓轉換裝置10用來將一輸入電壓VIN升壓轉換為一輸出電壓VOUT。舉例來說，電壓轉換裝置10可為一升壓式直流對直流電壓轉換器。如第1圖所示，電壓轉換裝置10包含有一回授模組100、一脈衝寬度調變模組102及一電壓轉換模組104。回授模組100包含有一比較單元106以及一濾波單元108，用來根據一回授電壓VFB及一參考電壓VREF間的大小關係，產生一比較訊號COM。脈衝寬度調變模組102耦接於回授模組100，用來根據比較訊號COM，產生一驅動訊號DRI。電壓轉換模組104耦接於脈衝寬度調變模組102及回授模組100，且包含有一下橋開關LS、一上橋開關US、一電感L、一回授電壓產生單元110、一固定電流產生單元112以及一控制單元114。電壓轉換模組104用來於電壓轉換裝置10起始運作時，以使輸出電壓VOUT上升至超越輸入電壓VIN，然後再根據驅動訊號DRI控制下橋開關LS及上橋開關US，以將輸出電壓VOUT提升至一預設電壓VTAR。電壓轉換模組104另根據輸出電壓VOUT及回授電壓產生單元110中電阻R1、R2間的比例，產生回授電壓VFB，以透過回授模組100、脈衝寬度調變模組102及電壓轉換模組104組成的回授路徑，使輸出電壓VOUT穩定於預設電壓VTAR。
詳細來說，電壓轉換模組104中的控制單元114會根據輸出電壓VOUT輸入電壓VIN間的大小關係，選擇驅動訊號DRI與固定電流產生單元112產生的電流訊號I其中一者作為輸入至上橋開關US的控制訊號CON。當電壓轉換裝置10起始運作時，由於輸入電壓VIN大於輸出電壓VOUT，電壓轉換裝置進入一預充電(precharge)模式。控制單元114會輸出電流訊號I作為控制訊號CON，以使上橋開關US導通，進而讓輸入電壓VIN對輸出電壓VOUT進行充電。接下來，當輸出電壓VOUT超過輸入電壓VIN時，電壓轉換裝置10進入一脈衝寬度調變(pulse width modulation)模式，控制單元114改為輸出驅動訊號DRI作為控制訊號CON。由於驅動訊號DRI 係透過回授模組100、脈衝寬度調變模組102及電壓轉換模組104組成的回授路徑所產生的訊號，因此藉由驅動訊號DRI控制上橋開關US與下橋開關LS，可使輸出電壓VOUT上升並穩定於預設電壓VTAR。回授模組100、脈衝寬度調變模組102及電壓轉換模組104組成的回授路徑的運作原理應為本領域具通常知識者所熟知，為求簡潔，在此不贅述。
然而，由於在第1圖所示的電流訊號I具有固定電流值，因此當耦接至輸出端OUT之負載改變時，電壓轉換裝置10的效能及運作可能會受到影響。舉例來說，當耦接至輸出端OUT的負載降低時，具有固定電流值的電流訊號I將會造成電壓轉換裝置10多餘的功率消耗並於輸出端OUT產生過衝(overshoot)現象；而當耦接至輸出端OUT的負載增加時，具有固定電流值的電流訊號I可能會過小而無法使輸出電壓VOUT上升並超越輸入電壓VIN，進而造成電壓轉換裝置10不正常工作。
因此，本發明另揭露一種可根據輸出端的輸出電壓與負載調整於起始運作時用來使輸出電壓上升之充電電流(如第1圖所示的電流訊號I)的電壓轉換裝置。請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一電壓轉換裝置20的示意圖。電壓轉換裝置20類似於第1圖所示的電壓轉換裝置10，因此具有相似功能的元件及訊號沿用相同的符號。不同於電壓轉換裝置10，電壓轉換裝置20新增一電流調整模組216，其用來根據比較訊號COM產生一調整訊號ADJ並輸出至可變電流產生單元212，從而根據耦接至輸出端OUT的負載調整電流訊號I的電流值。在一實施例中，當比較訊號COM指示回授電壓VFB(正比於輸出電壓VOUT)與參考電壓VREF差距越大時，電流調整模組216指示可變電流產生單元212產生的電流訊號I的電流值越大；隨著輸出電壓VOUT與輸入電壓VIN間電壓差距縮小，電流調整模組216指示可變電流產生單元212產生的電流訊號I的電流值亦隨之減少。也就是說，電流 訊號I的電流值正比於回授電壓VFB與參考電壓VREF間電壓差距(即比較訊號COM)。如此一來，當電壓轉換裝置20開機時，輸出電壓VOUT受到輸入電壓VIN充電而上升的充電電流會因耦接至輸出端OUT之負載大小改變，電流調整模組216從而根據回授電壓VFB(正比於輸出電壓VOUT)與參考電壓VREF間的電壓差距調整電流訊號I的電流值。換言之，電流調整模組216係根據輸出電壓VOUT與負載調整電流訊號I的電流值，以確保輸出電壓VOUT可上升至輸入電壓VIN之電壓準位。於輸出電壓VOUT超越輸入電壓VIN之後，電壓轉換裝置20進入脈衝寬度調變模式，從而使輸出電壓VOUT的電壓值達到預設電壓VTAR。
需注意的是，由於電流調整模組216係利用回授模組100、脈衝寬度調變模組102及電壓轉換模組104所組成的回授路徑產生的比較訊號COM來調整電流訊號I的電流值，因此電壓轉換裝置20僅需新增電流調整模組216(如一gm放大器)即可達成動態調整電流訊號I的目的。進一步地，由於電流調整模組216調整電流訊號I及驅動訊號DRI的產生皆是根據比較訊號COM，因此當電壓轉換裝置20由預先充電模式轉換為脈衝寬度調變模式的過程平穩，且輸出電壓VOUT上不會產生過衝(overshoot)現象。
關於第2圖所示的電壓轉換裝置20詳細運作過程舉例說明如下。請參考第3圖，第3圖為第2圖所示的電壓轉換裝置20運作時相關訊號的示意圖。為了避免峰值電流(peak current)造成電壓轉換裝置20中電子元件損壞，比較單元206可另接收一軟啟動(soft start)訊號SS，並以軟啟動訊號SS與參考電壓VREF間具有較小電壓者與回授電壓VFB進行比較。當電壓轉換裝置20於時間點T1起始運作時，參考電壓VREF大於軟啟動訊號SS，比較單元206係以軟啟動訊號SS與回授電壓VFB進行比較並產生比較訊號COM。此時，輸出電壓VOUT為0，因此比較訊號COM隨著軟啟動訊號SS 由0開始上升。在時間點T2，比較訊號COM到的一臨界電壓TH1，電流調整模組216藉由調整訊號ADJ指示可變電流產生單元212產生電流訊號I。由於此時輸出電壓VOUT仍小於輸入電壓VIN，控制單元214輸出電流訊號I作為控制訊號CON，以導通上橋開關US，輸入電壓VIN對輸出電壓VOUT充電。於時間點T3，輸出電壓VOUT等於輸入電壓VIN之後，電壓轉換裝置20進入脈衝寬度調變模式。於時間點T4，軟啟動訊號SS超越參考電壓VREF，回授模組100係以參考電壓VREF與回授電壓VFB進行比較並產生比較訊號COM，輸出電壓VOUT逐漸逼近並穩定於預設電壓VTAR。
值得注意的是，上述實施例利用電壓轉換裝置中原有的回授路徑所產生的比較訊號，動態調整於電壓轉換裝置起始運作時使輸出電壓上升之充電電流(如第2圖所示的電流訊號I)。據此，在起始運作時用來使輸出電壓上升之充電電流可被適應性調整，從而避免電壓轉換裝置因負載過大而無法正常工作。根據不同應用及設計理念，本領域具通常知識者應可實施合適的更動及修改。舉例來說，請參考第4圖，第4圖為本發明實施例一電壓轉換裝置40的示意圖。電壓轉換裝置40類似於第2圖所示的電壓轉換裝置20，因此功能相似的元件及訊號沿用相同的符號。相較於第2圖所示的電壓轉換裝置20，電壓轉換裝置40新增一箝制模組418。箝制模組418耦接於回授模組400，用來限制比較訊號COM不超過一上限。透過新增箝制模組418，電流調整模組416所指示的電流訊號I之電流值不會無限制上升，從而避免電流訊號I之電流值過大而導致電壓轉換裝置40中元件的損壞。
綜上所述，上述實施例所揭露的電壓轉換裝置利用電壓轉換裝置中原有的回授路徑所產生的比較訊號，動態調整於電壓轉換裝置起始運作時使輸出電壓上升之充電電流，從而避免電壓轉換裝置因負載變化而無法正常工作。此外，由於上述實施例的電壓轉換裝置係利用原有之回授路徑進行電 流之調整，電壓轉換裝置可以簡潔的架構所實現；並且，上述實施例的電壓轉換裝置由預先充電模式切換至脈衝寬度調變模式的過程平穩，輸出電壓VOUT上不會產生過衝現象。
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。
20‧‧‧電壓轉換裝置
200‧‧‧回授模組
202‧‧‧脈衝寬度調變模組
204‧‧‧電壓轉換模組
206‧‧‧比較單元
208‧‧‧濾波單元
210‧‧‧回授電壓產生單元
212‧‧‧可變電流產生單元
214‧‧‧控制單元
216‧‧‧電流調整模組
ADJ‧‧‧調整訊號
COM‧‧‧比較訊號
CON‧‧‧控制訊號
DRI‧‧‧驅動訊號
I‧‧‧電流訊號
L‧‧‧電感
LS‧‧‧下橋開關
OUT‧‧‧輸出端
US‧‧‧上橋開關
VFB‧‧‧回授電壓
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
VREF‧‧‧參考電壓

Claims (6)

  1. 一種電壓轉換裝置，包含有：一回授模組，用來根據一回授電壓及一參考電壓間之大小關係，產生一比較訊號；一脈衝寬度調變模組，耦接於該回授模組，用來根據該比較信號，產生一驅動訊號；一電壓轉換模組，包含有：一下橋開關，耦接於該脈衝寬度調變模組，用來根據該驅動訊號，控制一節點與地端間的連接；一上橋開關，耦接於該節點與一輸出端之間，用來根據一控制訊號，控制該節點與該輸出端間的連接；一電感，耦接於該節點與一輸入端之間；一回授電壓產生單元，用來根據該輸出端的一輸出電壓及一比例，產生該回授電壓；一可變電流產生單元，用來根據一調整訊號，產生一電流訊號；以及一控制單元，用來根據該輸出電壓及該輸入端的一輸入電壓，選擇該驅動訊號及該電流訊號其中一者作為該控制訊號；以及一電流調整模組，耦接於該回授模組及該可變電流產生單元，用來根據該比較訊號，產生該調整訊號。
  2. 如請求項1所述的電壓轉換裝置，其中當該輸出電壓小於該輸入電壓時，該控制單元選擇該電流訊號作為該控制訊號。
  3. 如請求項1所述的電壓轉換裝置，其中當該輸出電壓大於等於該輸入電 壓時，該控制單元選擇該驅動訊號作為該控制訊號。
  4. 如請求項1所述的電壓轉換裝置，其中電流調整模組根據該比較訊號，產生該調整訊號，以使該電流訊號正比於該比較訊號。
  5. 如請求項1所述的電壓轉換裝置，其中該回授單元另接收一軟開機訊號，並選擇該參考訊號與該軟開機訊號間具有較小電壓者與回授電壓進行比較，以產生該比較訊號。
  6. 如請求項1所述的電壓轉換裝置，另包含有：一箝制模組，耦接於該回授模組，用來使該比較訊號不超過一上限。
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