TW201902104A - 用於直流電壓輸入的二次升壓電路 - Google Patents

用於直流電壓輸入的二次升壓電路 Download PDF

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Abstract

一種用於直流電壓輸入的二次升壓電路，二次升壓電路轉換直流輸入電壓為直流輸出電壓，且包括：旁路單元、升壓單元及偵測控制單元。當直流輸入電壓小於臨界電壓值時，旁路單元不導通。偵測控制單元控制升壓單元透過內部之升壓倍率將直流輸入電壓升壓轉換為直流輸出電壓，並在維持時間內維持直流輸出電壓高於預定電壓值。

Description

用於直流電壓輸入的二次升壓電路
本發明係有關一種用於直流電壓輸入的二次升壓電路，尤指一種當直流輸入電壓小於臨界電壓值時，提供升壓操作以維持直流輸出電壓符合正常範圍之二次升壓電路。
近年來，由於電子產品越來越普及，且為了穩定供應電子產品運作的電力品質，因此對電源供應裝置的供電要求也隨著電子產品的普及與其對電力品質的重視而逐漸提升。電源供應裝置對電子產品供電的過程中，一旦發生電源供應裝置斷電時，須能夠維持電源供應裝置持續輸出電源一段時間，以讓電子產品有足夠的時間反應，並進行斷電前資料的完整儲存或備份。反之，若電源供應裝置無法於在斷電後的一段時間內提供穩定的輸出電源時，會容易造成因電子產品來不及反應，而使得電子產品的資料流失或電子產品的損壞。
具體而言，電源供應裝置輸出的電源在斷電後，所能提供冗餘供電時間的長短主要是由電源供應裝置的輸出電容(bulk capacitance)所決定。為了有效地延長在斷電後，電源供應裝置尚可提供輸出電源的時間，因此目前現行的作法係將輸出電容的容量增大，利用較大電容量可提供較長放電時間的特性，進而延長斷電後的供電時間。但會使得電源供應裝置的體積及尺寸隨之增加而難以小型化。
因此，如何設計出一種二次升壓電路，以提供升壓操作，進而延長在斷電後，電源供應裝置尚可提供輸出電源的時間，以及實現電源供應裝置小型化的優勢，乃為本案創作人所欲行克服並加以解決的一大課題。
為了解決上述問題，本發明係提供一種用於直流電壓輸入的二次升壓電路，以克服習知技術的問題。因此，本發明二次升壓電路，包括：旁路單元，具有輸入端與輸出端，輸入端耦接第一電容，輸出端耦接第二電容，其中第一電容接收直流輸入電壓。升壓單元，具有初級側與次級側，初級側耦接第一電容，次級側耦接第二電容，其中初級側具有第一感性元件，次級側具有第二感性元件，第二感性元件與第一感性元件之間提供升壓倍率。及偵測控制單元，偵測直流輸入電壓的大小。當直流輸入電壓小於臨界電壓值時，旁路單元不導通，且偵測控制單元控制升壓單元透過升壓倍率將直流輸入電壓升壓轉換為直流輸出電壓。
於一實施例中，其中偵測控制單元控制升壓單元維持時間內維持直流輸出電壓高於預定電壓值。
於一實施例中，其中當直流輸入電壓大於或等於臨界電壓值時，旁路單元導通，且偵測控制單元控制升壓單元關閉，使直流輸入電壓傳送為直流輸出電壓。
於一實施例中，其中旁路單元包括：第一二極體，其一端耦接第一電容，另一端耦接第二電容。第二開關，並聯耦接第一二極體。及第一控制單元，並聯耦接第一二極體。其中，第一控制單元依據直流輸入電壓與直流輸出電壓的大小控制第二開關導通或不導通；當直流輸入電壓大於直流輸出電壓時，第一控制單元控制第二開關導通；當直流輸入電壓小於直流輸出電壓時，第一控制單元控制第二開關不導通。
於一實施例中，其中偵測控制單元包括：偵測單元，耦接第一電容。及第二控制單元，耦接偵測單元與升壓單元。其中，偵測單元偵測直流輸入電壓的大小，並依據直流輸入電壓的大小輸出一偵測訊號至第二控制單元，且當直流輸入電壓小於臨界電壓值時，第二控制單元輸出控制訊號至升壓單元。
於一實施例中，二次升壓電路更包括：緩衝電路，耦接升壓單元與第一電容，以抑制升壓單元運作時所產生的脈衝電壓。
於一實施例中，其中緩衝電路包括：電容器，耦接第一電容。電阻器，並聯耦接電容器。及第二二極體，串聯耦接電容器與升壓單元。其中，當升壓單元運作而產生脈衝電壓時，電阻器與電容器提供抑制脈衝電壓的電壓峰值。
於第一實施例中，其中升壓單元包括：第一開關。第一線圈，設於初級側，其一端耦接第一電容，另一端耦接第一開關。及第二線圈，設於次級側，其一端耦接第一線圈，另一端耦接第二電容。其中，第一線圈與第二線圈形成自耦變壓器拓樸，第一線圈匝數與第二線圈匝數差與第一線圈匝數之間的匝數比為升壓倍率；當偵測控制單元輸出控制訊號控制第一開關時，直流輸入電壓升壓匝數比的倍率為直流輸出電壓。
於第二實施例中，其中升壓單元包括：第一開關。第一線圈，設於初級側，其一端耦接第一電容，另一端耦接第一開關。及第二線圈，設於次級側，耦接第二電容。其中，第一線圈與第二線圈相互隔離，第二線圈匝數與第一線圈匝數之間的匝數比為升壓倍率；當偵測控制單元輸出控制訊號控制第一開關時，直流輸入電壓升壓匝數比的倍率為直流輸出電壓。
於第二實施例中，其中第一線圈與第二線圈形成減極性變壓器拓樸。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：
請參閱圖1係為本發明二次升壓電路第一實施例之電路方塊示意圖。二次升壓電路100係可應用於電源供應裝置，然不以此為限制。二次升壓電路100接收前級轉換單元200提供的直流輸入電壓Vin，且轉換直流輸入電壓Vin為直流輸出電壓Vo，並進一步輸出直流輸出電壓Vo對後級耦接的電子裝置300供電。如圖1所示，二次升壓電路100包括旁路單元120、升壓單元140、偵測控制單元160、第一電容C1及第二電容C2。第一電容C1接收直流輸入電壓Vin，且二次升壓電路100透過第一電容C1儲能並穩定直流輸入電壓Vin的電壓值。第二電容C2接收直流輸出電壓Vo，且二次升壓電路100透過第二電容C2儲能並穩定直流輸出電壓Vo的電壓值。旁路單元120具有輸入端A與輸出端B，且旁路單元120的輸入端A耦接第一電容C1，旁路單元120的輸出端B耦接第二電容C2。升壓單元140並聯耦接旁路單元120，即升壓單元140的輸入側耦接旁路單元120的輸入端A與第一電容C1，以及升壓單元140的輸出側耦接旁路單元120的輸出端B與第二電容C2。偵測控制單元160耦接第一電容C1，且偵測控制單元160偵測直流輸入電壓Vin的電壓值大小，並依據直流輸入電壓Vin的電壓值大小控制升壓單元140。
具體而言，旁路單元120判斷輸入端A與輸出端B的電壓值大小而決定導通或不導通。當旁路單元120的輸入端A上的直流輸入電壓Vin大於輸出端B上的直流輸出電壓Vo時，旁路單元120導通。此時，直流輸入電壓Vin經由旁路單元120對第二電容C2充電為直流輸出電壓Vo。反之，當旁路單元120的輸入端A上的直流輸入電壓Vin小於輸出端B上的直流輸出電壓Vo時，旁路單元120不導通。此時，直流輸入電壓Vin無法經由旁路單元120對第二電容C2充電。尚須一提的，本創作中所記載電壓大於或小於的關係，非為忽略電壓相等的狀況，而僅在於表達兩種相對大小的電壓關係所對應導通與不導通的操作。換言之，本創作中可體現一者為電壓大於而另一者為電壓小於或等於，來表達兩種相對大小的電壓關係，或者一者為電壓大於或等於而另一者為電壓小於，同樣表達兩種相對大小的電壓關係。故此，不以僅為電壓大於或小於的表述來限制本創作，合先敘明。
進一步而言，當二次升壓電路100前級耦接的轉換單元200為正常供電操作時，直流輸入電壓Vin大於或等於臨界電壓值Vt。此時，旁路單元120比較直流輸入電壓Vin與直流輸出電壓Vo。當直流輸入電壓Vin大於直流輸出電壓Vo時，旁路單元120導通，且直流輸入電壓Vin經由旁路單元120的輸入端A至輸出端B的路徑，傳送為直流輸出電壓Vo。當直流輸入電壓Vin小於直流輸出電壓Vo時，旁路單元120不導通，且直流輸入電壓Vin無法經由旁路單元120的輸入端A至輸出端B的路徑，傳送為直流輸出電壓Vo。當二次升壓電路100前級耦接的轉換單元200斷電時，直流輸入電壓Vin會逐漸減小，直到當直流輸入電壓Vin小於臨界電壓值Vt時，二次升壓電路100透過升壓單元140啟動升壓操作，將直流輸入電壓Vin升壓轉換為直流輸出電壓Vo。因此，當直流輸入電壓Vin小於臨界電壓值Vt時，在升壓單元140升壓操作的過程中，直流輸入電壓Vin持續的小於直流輸出電壓Vo，故旁路單元120會持續保持在不導通的狀態。
復參閱圖1，升壓單元140具有初級側142與次級側144，升壓單元140的初級側142耦接第一電容C1，且升壓單元140的次級側144耦接第二電容C2。升壓單元140的初級側142具有第一感性元件N1，升壓單元140的次級側144具有第二感性元件N2，第二感性元件N2與第一感性元件N1之間提供升壓單元140進行升壓操作的升壓倍率Mb。偵測控制單元160偵測直流輸入電壓Vin的電壓值大小，且偵測控制單元160依據直流輸入電壓Vin的電壓值大小而輸出第一控制訊號Sc1控制升壓單元140運作或關閉。當偵測控制單元160偵測到直流輸入電壓Vin的電壓值大於或等於臨界電壓值Vt時，偵測控制單元160不輸出第一控制訊號Sc1，或輸出禁能準位(例如低準位)的第一控制訊號Sc1至升壓單元140，以控制升壓單元140關閉。當偵測控制單元160偵測到直流輸入電壓Vin的電壓值小於臨界電壓值Vt時，偵測控制單元160輸出第一控制訊號Sc1，或輸出致能準位(例如高準位)的第一控制訊號Sc1至升壓單元140，以控制升壓單元140運作。此時，升壓單元140依據第一控制訊號Sc1且透過內部的升壓倍率Mb將直流輸入電壓Vin升壓轉換為直流輸出電壓Vo，並在維持時間(hold-up time)T內維持該直流輸出電壓Vo高於預定電壓值Vp。
進一步而言，當二次升壓電路100前級耦接的轉換單元200斷電時，第一電容C1上的直流輸入電壓Vin會逐漸下降。對應地，第二電容C2上的直流輸出電壓Vo將伴隨著直流輸入電壓Vin的下降，在沒有升壓機制的操作下，直流輸出電壓Vo至終會降至0V。直流輸入電壓Vin與直流輸出電壓Vo下降的速度，分別由第一電容C1與第二電容C2的容值所決定。當第一電容C1與第二電容C2的容值過小時，會造成直流輸入電壓Vin與直流輸出電壓Vo下降速度過快，而容易使得後級耦接的電子裝置300因直流輸出電壓Vo異常而損壞，或後級耦接的電子裝置300尚未完成資料的完整儲存或備份。因此當直流輸入電壓Vin降低至低於臨界電壓值Vt時，二次升壓電路100透過升壓單元140將直流輸入電壓Vin升壓轉換為直流輸出電壓Vo，並在維持時間T內維持直流輸出電壓Vo高於預定電壓值Vp，以達成避免直流輸入電壓Vin與直流輸出電壓Vo下降速度過快，而容易使得後級耦接的電子裝置300因直流輸出電壓Vo異常而損壞，或讓後級耦接的電子裝置300可於維持時間T內進行資料的完整儲存或備份之功效。此外，由於二次升壓電路100可透過升壓單元140將直流輸入電壓Vin升壓轉換為直流輸出電壓Vo，且在維持時間T內維持直流輸出電壓Vo高於預定電壓值Vp，因此不用特別為了避免直流輸入電壓Vin與直流輸出電壓Vo下降速度過快，而選用容值較大的第一電容C1與第二電容C2。故可達成縮小第一電容C1與第二電容C2的尺寸及體積，進而縮小前級耦接的轉換單元200與後級耦接的電子裝置300的電路體積之功效。
請參閱圖2係為本發明二次升壓電路之波形時序示意圖，復配合參閱圖1。當時間於t0時，二次升壓電路100前級耦接的轉換單元200斷電，此時直流輸入電壓Vin逐漸下降。由於升壓單元140尚未進行升壓操作，因此直流輸出電壓Vo亦隨之下降。當時間於t1時，直流輸入電壓Vin下降至臨界電壓值Vt。此時升壓單元140開始運作，且升壓單元140透過內部的升壓倍率Mb將直流輸入電壓Vin升壓轉換為高於預定電壓值Vp的直流輸出電壓Vo。當時間於t2時，由於直流輸入電壓Vin已下降至0V，因此升壓單元140無法再透過升壓轉換直流輸入電壓Vin得到足以持續正常供電的直流輸出電壓Vo，故此於時間於t2後，直流輸出電壓Vo開始有明顯的下降，並且在時間於t2’時下降至低於預定電壓值Vp。由圖2可知，直流輸入電壓Vin於時間t1之後低於臨界電壓值Vt，透過升壓單元140的升壓操作，使得直流輸出電壓Vo能維持正常的輸出供電，直到直流輸入電壓Vin下降至0V後，直流輸出電壓Vo於時間t2’之後才低於預定電壓值Vp，結束正常輸出供電的操作。換言之，於時間t1~t2’時，直流輸出電壓Vo可維持供應後級耦接的電子裝置300正常運作所需的電力，因此，時間t1~t2’定義為維持時間T。由於二次升壓電路100可於維持時間T內維持直流輸出電壓Vo高於預定電壓值Vp，而使得直流輸出電壓Vo相較於直流輸入電壓Vin延長一段時間(時間t2~t3，即直流輸出電壓Vo與直流輸入電壓Vin皆為0V的時間差)後才下降至0V。因此，可達成轉換單元200延長於維持時間T後才關閉電子裝置300之功效。
值得一提，於本實施例中，臨界電壓值Vt旨在維持後級耦接的電子裝置300正常運作所需的最低電壓值，以及作為升壓單元140是否啟動升壓操作的判斷依據，因此不限定臨界電壓值Vt的電壓值大小。換言之，只要可因應不同後級耦接的電子裝置300維持運作所需電力的臨界電壓值Vt，皆應包含在本實施例之範疇當中。此外，預定電壓值Vp旨在避免電壓值的波動而低於臨界電壓值Vt，因此不限定預定電壓值Vp的電壓值大小。換言之，只要預定電壓值Vp在波動時，不會低於臨界電壓值Vt而無法維持後級耦接的電子裝置300正常運作所需電力既可。
請參閱圖3A係為本發明升壓單元第一實施例之電路示意圖，復配合參閱圖1。升壓單元140A的初級側142包括第一開關S1與第一線圈N1a，升壓單元140A的次級側144包括第二線圈N2a。第一線圈N1a的一端耦接第一電容C1，且第一線圈N1a的另一端耦接第一開關S1。第二線圈N2a耦接第二電容C2，且第一線圈N1a與第二線圈N2a相互隔離。第二線圈N2a的匝數與第一線圈N1a的匝數比關係為：，且第二線圈N2a的匝數與第一線圈N1a的匝數比為升壓倍率Mb，即Mb=N2a/N1a。偵測控制單元160透過第一控制訊號Sc1控制第一開關S1的切換，即連續的導通或不導通控制，以控制直流輸入電壓Vin透過升壓單元140A以升壓倍率Mb，即第二線圈N2a的匝數與第一線圈N1a的匝數比，升壓轉換為直流輸出電壓Vo。升壓單元140A更包括第一保護二極體Dp1與第二保護二極體Dp2，第一保護二極體Dp1的陰極耦接第一線圈N1a與第一開關S1的一端，且第一保護二極體Dp1的陽極耦接第一開關S1的另一端與接地點。第二保護二極體Dp2的陰極耦接第二電容C2，且第二保護二極體Dp2的陽極耦接第二線圈N2a。當偵測控制單元160透過第一控制訊號Sc1控制第一開關S1的導通或不導通(切換)時，升壓單元140A透過第二保護二極體Dp2防止電流回灌而造成升壓單元140A的損壞，並且透過第一保護二極體Dp1提供第一開關S1的電流續流路徑。
請參閱圖3A，並配合參閱圖1~2。以升壓式直流對直流電源轉換器(step-up DC-to-DC converter)為例，其輸出電壓與輸入電壓關係為：，其中D為升壓單元140的第一控制訊號Sc1的佔空比，N2a/N1a為第二線圈N2a的匝數與第一線圈N1a的匝數比。具體而言，無本發明升壓單元140的升壓式直流對直流轉換器會受限於輸出電壓與輸入電壓為：的升壓比關係，而僅能將直流輸入電壓Vin的電壓值升壓2倍以內。而本發明透過第二線圈N2a的匝數與第一線圈N1a的匝數比關係以及上述的升壓比關係，可將直流輸入電壓Vin的電壓值升壓大幅地超過2倍以上。換言之，應用本發明之升壓單元140的升壓式直流對直流電源轉換器相較於傳統的升壓轉換器，具有更高的升壓比。因此，本發明之升壓單元140相較於傳統的升壓轉換器可於更低的直流輸入電壓Vin時，能夠大幅地升壓直流輸入電壓Vin使直流輸出電壓Vo高於預定電壓值Vp，故可達成延長維持時間T以維持直流輸出電壓Vo正常輸出供電之功效。
值得一提，於本實施例中，由第一線圈N1a與第二線圈N2a打點端的位置可形成減極性變壓器拓樸，但不以此為限。換言之，第一線圈N1a與第二線圈N2a亦可形成加極性變壓器拓樸。當第一線圈N1a與第二線圈N2a可形成加極性變壓器拓樸時，須於升壓單元140A後端加裝整流單元(圖未示)或極性保持電路(圖未示)，以保持直流輸入電壓Vin經過升壓單元140A升壓轉換後輸出的直流輸出電壓Vo極性，與第二電容C2上的直流輸出電壓Vo極性相同。
請參閱圖3B係為本發明升壓單元第二實施例之電路示意圖，復配合參閱圖1。本實施例之升壓單元140B與第一實施例之升壓單元140A差別在於，第一線圈N1a’與第二線圈N2a’形成自耦變壓器拓樸。第一線圈N1a’設於初級側142’，且第一線圈N1a’的一端耦接第一電容C1，第一線圈N1a’的另一端耦接第一開關S1。第二線圈N2a’設於次級側144’，且第二線圈N2a’的一端耦接第一線圈N1a’，第二線圈N2a’的另一端耦該第二電容C2。透過自耦變壓器拓樸的特性，第二線圈N2a’疊接第一線圈N1a’的匝數與第一線圈N1a’的匝數比關係為：。即第一線圈N1a’的匝數與第二線圈N2a’的匝數差與第一線圈N1a’的匝數之間的匝數比為升壓倍率Mb。本實施例之升壓單元140B相較於圖3A所示升壓式直流對直流電源轉換器的升壓單元140A，升壓單元140B的升壓比關係為：。如此，可透過升壓單元140B大幅地升壓直流輸入電壓Vin以獲得足以維持正常輸出供電的維持直流輸出電壓Vo。有關升壓單元140B的功效、第一線圈N1a’與第二線圈N2a’打點端的位置及功效、第一保護二極體Dp1與第二保護二極體Dp2的連接關係及功用，以及偵測控制單元160控制升壓單元140B的方式，與第一實施例之升壓單元140A相同，在此不再加以贅述。
請參閱圖4係為本發明旁路單元之電路示意圖，復配合參閱圖1。旁路單元120包括第一二極體D1、第二開關S2及第一控制單元122，第一二極體D1的陽極為旁路單元120的輸入端A，且第一二極體D1的陰極為旁路單元120的輸出端B。第二開關S2與第一控制單元122皆並聯耦接第一二極體D1，且第一控制單元122依據直流輸入電壓Vin與直流輸出電壓Vo的大小控制第二開關S2導通或不導通。當直流輸入電壓Vin大於直流輸出電壓Vo時，第一控制單元122輸出高準位的第二控制訊號Sc2控制第二開關S2導通，使旁路單元120提供直流輸入電壓Vin至直流輸出電壓Vo的電源傳送路徑。當直流輸入電壓Vin小於直流輸出電壓Vo時，第一控制單元122輸出低準位的第二控制訊號Sc2，以控制第二開關S2不導通。
具體而言，當直流輸入電壓Vin大於直流輸出電壓Vo時，第一二極體D1為順偏，但由於第一二極體D1本身內阻相較於第二開關S2導通時的內阻高，因此當直流輸入電壓Vin大於直流輸出電壓Vo時，直流輸入電壓Vin會透過第二開關S2導通時的路徑傳送至第二電容C2。而當直流輸入電壓Vin小於直流輸出電壓Vo時，第一二極體D1為逆偏，且第一控制單元122控制第二開關S2不導通，因此旁路單元120為斷路狀態，即直流輸入電壓Vin無法透過旁路單元120傳送至第二電容C2。進一步而言，第二開關S2與第一控制單元122可為O-ring電晶體，因此單一顆O-ring電晶體可不用透過任何的控制器控制，即可達成偵測直流輸入電壓Vin與直流輸出電壓Vo的大小而自驅動地導通或不導通。因此，透過本實施例之O-ring電晶體，二次升壓電路100可無須增加一組控制電路，例如第一控制單元122控制旁路單元120，以達到節省電路成本及體積，以及易於控制之功效。
請參閱圖5係為本發明偵測控制單元之電路方塊示意圖，復配合參閱圖1、3A~3B。偵測控制單元160包括偵測單元162與第二控制單元164。偵測單元162耦接第一電容C1，且偵測單元162偵測直流輸入電壓Vin的大小，並依據直流輸入電壓Vin的大小輸出第一偵測訊號Sd1至第二控制單元164。第二控制單元164耦接偵測單元162與升壓單元140，且第二控制單元164依據第一偵測訊號Sd1而輸出第一控制訊號Sc1至升壓單元140的第一開關S1，以控制第一開關S1的導通或不導通(切換)。當直流輸入電壓Vin小於臨界電壓值Vt時，第二控制單元164輸出第一控制訊號Sc1，或輸出致能準位(例如高準位)的第一控制訊號Sc1至升壓單元140，以控制升壓單元140進行升壓轉換。且當直流輸入電壓Vin大於等於臨界電壓值Vt時，第二控制單元164不輸出第一控制訊號Sc1，或輸出禁能準位(例如低準位)的第一控制訊號Sc1至升壓單元140，以關閉升壓單元140。
請參閱圖6係為本發明緩衝電路之電路示意圖，復配合參閱圖1、3A~3B。二次升壓電路100更包括緩衝電路180，緩衝電路180耦接升壓單元140與第一電容C1，作為抑制升壓單元140運作時所產生的脈衝電壓之用。具體而言，緩衝電路180包括電容器182、電阻器184及第二二極體186。電容器182耦接第一電容C1，且電阻器184並聯耦接電容器182。第二二極體186的陰極耦接電容器182與電阻器184，且第二二極體186的陽極耦接升壓單元140的第一感性元件N1與第一開關S1。當升壓單元140運作而產生脈衝電壓時，電阻器182與電容器184提供抑制脈衝電壓的電壓峰值。值得一提，於本實施例之中，緩衝電路180不限定僅能以上述結構實施，舉凡可達成抑制脈衝電壓電壓峰值的緩衝電路180，皆應包含在本實施例之範疇當中。
具體而言，當直流輸入電壓Vin小於臨界電壓值Vt時，第二控制單元164輸出第一控制訊號Sc1至第一開關S1。此時升壓單元140運作，第一開關S1依據第一控制訊號Sc1的高準位或低準位而導通或不導通。當第一控制訊號Sc1為高準位而導通第一開關S1時，第一開關S1在導通瞬間會產生脈衝電壓。而當脈衝電壓的電壓峰值過高時，會容易造成脈衝電壓的電壓峰值超過第一開關S1所能忍受的最大電壓，而使得第一開關S1損壞。因此，本發明利用緩衝電路180來抑制第一開關S1導通瞬間所產生的脈衝電壓的電壓峰值，以達到避免損壞第一開關S1之功效。
請參閱圖7係為本發明二次升壓電路第二實施例之電路方塊示意圖，復配合參閱圖1、4~5。本實施例之二次升壓電路100’與第一實施例之二次升壓電路100差異在於，二次升壓電路100’中，旁路單元120’內的第二開關S2’為不具備自驅動導通或不導通的電晶體。且偵測控制單元160’包括回授單元166，回授單元166耦接第二電容C2與第二控制單元164’。回授單元166偵測直流輸出電壓Vo的大小，並依據直流輸出電壓Vo的大小輸出第二偵測訊號Sd2至第二控制單元164’。 第二控制單元164’比較第一偵測訊號Sd1與第二偵測訊號Sd2，以判斷直流輸入電壓Vin是否大於直流輸出電壓Vo。當直流輸入電壓Vin大於直流輸出電壓Vo時，第二控制單元164’輸出高準位的第三控制訊號Sc3至第二開關S2’，以導通第二開關S2’。當直流輸入電壓Vin小於直流輸出電壓Vo時，第二控制單元164’輸出低準位的第三控制訊號Sc3至第二開關S2’，以不導通第二開關S2’。值得一提，於本實施例之中第二開關S2’不限定為電晶體。換言之，只要可供第三控制訊號Sc3控制導通或不導通之開關，皆應包含在本實施例之範疇當中。有關二次升壓電路100’的其餘元件之連接關係及控制方式，與第一實施例之二次升壓電路100相同，在此不再加以贅述。
值得一提，於本發明中，高準位及低準位的控制訊號僅為控制開關的導通或不導通，因此本發明中並不限定控制訊號須為高準位才能控制導通開關。例如但不限於，開關亦可應用低準位之控制訊號控制導通。此外，於本發明中，圖3A~圖3B之升壓單元之第一與第二實施例，以及圖6之緩衝電路皆可相容應用於圖1與圖7之二次升壓電路之第一與第二實施例之中。
綜上所述，本發明的一個或多個實施例係至少具有以下其中之一的優點：
1、由於直流輸入電壓降低至低於臨界電壓值時，二次升壓電路可在維持時間內維持直流輸出電壓高於預定電壓值。因此可達成避免直流輸入電壓與直流輸出電壓下降速度過快，而容易使得後級耦接的電子裝置因直流輸出電壓異常而損壞之功效；
2、由於二次升壓電路可在維持時間內維持直流輸出電壓高於預定電壓值，而使二次升壓電路在直流輸入電壓斷電後，尚可於維持時間內提供高於預定電壓值的直流輸出電壓。因此，可達到讓後級耦接的電子裝置於維持時間內進行資料的完整儲存或備份之功效；
3、由於二次升壓電路可在維持時間內維持直流輸出電壓高於預定電壓值，因此不用特別為了避免直流輸入電壓與直流輸出電壓下降速度過快，而選用容值較大的第一電容與第二電容。故可達成縮小第一電容與第二電容的尺寸及體積，進而縮小前級耦接的轉換單元與後級耦接的電子裝置的電路體積之功效；
4、升壓單元的第二保護二極體，可達成防止電流回灌而造成升壓單元的損壞之功效，以及第一保護二極體可提供第一開關S1的電流續流路徑之功效；
5、透過適當地設計升壓倍率Mb，本發明之升壓單元相較於傳統的升壓轉換器，可具有更高的升壓比。因此，相較於傳統的升壓轉換器可於更低的直流輸入電壓時，能夠大幅地升壓直流輸入電壓使直流輸出電壓高於預定電壓值，故可達成延長維持時間以維持直流輸出電壓正常輸出供電之功效；
6、由於本發明之升壓單元可於更低的直流輸入電壓仍能夠大幅地升壓直流輸入電壓以維持直流輸出電壓正常輸出供電，因此具有高度電壓變動的容忍度與抗電壓變動能力之功效；
7、可透過升壓倍率與第一控制訊號的佔空比匹配設計，使得升壓單元同時滿足高轉換效率與高升壓比之功效；
8、由於本發明之旁路單元僅使用單一顆O-ring電晶體偵測直流輸入電壓與直流輸出電壓的大小而自驅動地導通或不導通。因此二次升壓電路可無須增加一組控制訊號控制旁路單元，以達到節省電路成本及體積，以及易於控制之功效；及
9、由於本發明之二次升壓電路包含緩衝電路，以降低第一開關導通瞬間所產生的脈衝電壓的電壓峰值，因此可達到保護第一開關之功效。
惟，以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包括於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
100、100’‧‧‧二次升壓電路
120、120’‧‧‧旁路單元
122‧‧‧第一控制單元
A‧‧‧輸入端
B‧‧‧輸出端
D1‧‧‧第一二極體
S2、S2’‧‧‧第二開關
140、140A、140B‧‧‧升壓單元
142、142’‧‧‧初級側
N1‧‧‧第一感性元件
N1a、N1a’‧‧‧第一線圈
S1‧‧‧第一開關
144、144’‧‧‧次級側
N2‧‧‧第二感性元件
N2a、N2a’‧‧‧第二線圈
Dp1‧‧‧第一保護二極體
Dp2‧‧‧第二保護二極體
160、160’‧‧‧偵測控制單元
162‧‧‧偵測單元
164、164’‧‧‧第二控制單元
166‧‧‧回授單元
C1‧‧‧第一電容
C2‧‧‧第二電容
180‧‧‧緩衝電路
182‧‧‧電容器
184‧‧‧電阻器
186‧‧‧第二二極體
200‧‧‧轉換單元
300‧‧‧電子裝置
Vin‧‧‧直流輸入電壓
Vo‧‧‧直流輸出電壓
Vt‧‧‧臨界電壓值
Vp‧‧‧預定電壓值
Sc1‧‧‧第一控制訊號
Sc2‧‧‧第二控制訊號
Sc3‧‧‧第三控制訊號
Sd1‧‧‧第一偵測訊號
Sd2‧‧‧第二偵測訊號
T‧‧‧維持時間
t1~t3‧‧‧時間
Mb‧‧‧升壓倍率
圖1係為本發明二次升壓電路第一實施例之電路方塊示意圖；
圖2係為本發明二次升壓電路之波形時序示意圖；
圖3A係為本發明升壓單元第一實施例之電路示意圖；
圖3B係為本發明升壓單元第二實施例之電路示意圖；
圖4係為本發明旁路單元之電路示意圖；
圖5係為本發明偵測控制單元之電路方塊示意圖；
圖6係為本發明緩衝電路之電路示意圖；及
圖7係為本發明二次升壓電路第二實施例之電路方塊示意圖。

Claims (10)

  1. 一種用於直流電壓輸入的二次升壓電路，包括： 一旁路單元，具有一輸入端與一輸出端，該輸入端耦接一第一電容，該輸出端耦接一第二電容，其中該第一電容接收一直流輸入電壓； 一升壓單元，具有一初級側與一次級側，該初級側耦接該第一電容，該次級側耦接該第二電容，其中該初級側具有一第一感性元件，該次級側具有一第二感性元件，該第二感性元件與該第一感性元件之間提供一升壓倍率；及 一偵測控制單元，偵測該直流輸入電壓的大小； 當該直流輸入電壓小於一臨界電壓值時，該旁路單元不導通，且該偵測控制單元控制該升壓單元透過該升壓倍率將該直流輸入電壓升壓轉換為一直流輸出電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之二次升壓電路，其中該偵測控制單元控制該升壓單元在一維持時間內維持該直流輸出電壓高於一預定電壓值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之二次升壓電路，其中當該直流輸入電壓大於或等於該臨界電壓值時，該旁路單元導通，且該偵測控制單元控制該升壓單元關閉，使該直流輸入電壓傳送為該直流輸出電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之二次升壓電路，其中該升壓單元包括： 一第一開關； 一第一線圈，設於該初級側，其一端耦接該第一電容，另一端耦接該第一開關；及 一第二線圈，設於該次級側，其一端耦接該第一線圈，另一端耦接該第二電容； 其中，該第一線圈與該第二線圈形成一自耦變壓器拓樸，該第一線圈匝數與該第二線圈匝數差與該第一線圈匝數之間的一匝數比為該升壓倍率；當該偵測控制單元輸出一控制訊號控制該第一開關時，該直流輸入電壓升壓該匝數比的倍率為該直流輸出電壓。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之二次升壓電路，其中該旁路單元包括： 一第一二極體，其一端耦接該第一電容，另一端耦接該第二電容； 一第二開關，並聯耦接該第一二極體；及 一第一控制單元，並聯耦接該第一二極體； 其中，該第一控制單元依據該直流輸入電壓與直流輸出電壓的大小控制該第二開關導通或不導通；當該直流輸入電壓大於該直流輸出電壓時，該第一控制單元控制該第二開關導通；當該直流輸入電壓小於該直流輸出電壓時，該第一控制單元控制該第二開關不導通。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之二次升壓電路，其中該偵測控制單元包括： 一偵測單元，耦接該第一電容；及 一第二控制單元，耦接該偵測單元與該升壓單元； 其中，該偵測單元偵測該直流輸入電壓的大小，並依據直流輸入電壓的大小輸出一偵測訊號至該第二控制單元，且當該直流輸入電壓小於該臨界電壓值時，該第二控制單元輸出一控制訊號至該升壓單元。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之二次升壓電路，其中該升壓單元包括： 一第一開關； 一第一線圈，設於該初級側，其一端耦接該第一電容，另一端耦接該第一開關；及 一第二線圈，設於該次級側，耦接該第二電容； 其中，該第一線圈與該第二線圈相互隔離，該第二線圈匝數與該第一線圈匝數之間的一匝數比為該升壓倍率；當該偵測控制單元輸出一控制訊號控制該第一開關時，該直流輸入電壓升壓該匝數比的倍率為該直流輸出電壓。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之二次升壓電路，其中該第一線圈與該第二線圈形成一減極性變壓器拓樸。
  9. 如申請專利範圍第1項至第8項之任一項所述之二次升壓電路，更包括： 一緩衝電路，耦接該升壓單元與該第一電容，以抑制該升壓單元運作時所產生的一脈衝電壓。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之二次升壓電路，其中該緩衝電路包括： 一電容器，耦接該第一電容； 一電阻器，並聯耦接該電容器；及 一第二二極體，串聯耦接該電容器與該升壓單元； 其中，當該升壓單元運作而產生該脈衝電壓時，該電阻器與該電容器提供抑制該脈衝電壓的電壓峰值。
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