TW202131614A - 升壓轉換器 - Google Patents

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Abstract

一種升壓轉換器，包括：一分壓電路、一第一比較器、一可調電感元件、一功率切換器、一第二比較器、一輸出級電路，以及一控制器。分壓電路可接收一輸入電位。可調電感元件係耦接至分壓電路，其中可調電感元件之總電感值係由第一比較器來作控制。輸出級電路係耦接至可調電感元件和功率切換器。輸出級電路包括一可調電阻元件，其中可調電阻元件之總電阻值係由第二比較器來作控制。當升壓轉換器操作於一第一模式時，輸出級電路之一輸出電位具有一較高電位位準。當升壓轉換器操作於一第二模式時，輸出級電路之輸出電位具有一較低電位位準。

Description

升壓轉換器
本發明係關於一種升壓轉換器，特別係關於一種高轉換效率之升壓轉換器。
在傳統升壓轉換器中，無論輸入電位為何，其輸出電位通常皆維持於一較高電位位準。然而，具有較高電位位準之輸出電位容易造成較大之功率損耗，並導致升壓轉換器之轉換效率變低。有鑑於此，勢必要提出一種全新之解決方案，以克服先前技術所面臨之困境。
在較佳實施例中，本發明提出一種升壓轉換器，包括：一分壓電路，根據一輸入電位來產生一分壓電位；一第一比較器，比較該分壓電位與一第一參考電位，以產生一第一控制電位；一可調電感元件，耦接至該分壓電路，其中該可調電感元件之總電感值係根據該第一控制電位來進行調整；一功率切換器，根據一時脈電位來選擇性地將該可調電感元件耦接至一接地電位；一第二比較器，比較該第一控制電位與一第二參考電位，以產生一第二控制電位；一輸出級電路，耦接至該可調電感元件和該功率切換器，並根據一第三參考電位和該第二控制電位來產生一輸出電位，其中該輸出級電路包括一可調電阻元件，而該可調電阻元件之總電阻值係根據該第二控制電位來進行調整；以及一控制器，產生該時脈電位、該第一參考電位、該第二參考電位，以及該第三參考電位。
為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的「包含」及「包括」一詞為開放式的用語，故應解釋成「包含但不僅限定於」。「大致」一詞則是指在可接受的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，達到所述基本之技術效果。此外，「耦接」一詞在本說明書中包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接至一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接至該第二裝置，或經由其它裝置或連接手段而間接地電性連接至該第二裝置。
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器100之示意圖。例如，升壓轉換器100可應用於一桌上型電腦、一平板電腦、一筆記型電腦，或一體成形電腦。如第1圖所示，升壓轉換器100包括：一分壓電路110、一第一比較器120、一可調電感元件130、一功率切換器140、一第二比較器150、一輸出級電路160，以及一控制器180，其中輸出級電路160包括一可調電阻元件170。必須注意的是，雖然未顯示於第1圖中，但升壓轉換器100更可包括其他元件，例如：一穩壓器或(且)一負回授電路。
分壓電路110係根據一輸入電位VIN來產生一分壓電位VD，其中分壓電位VD可僅為輸入電位VIN之一特定比例(例如：1%至20%)。輸入電位VIN可來自一外部電源，其中輸入電位VIN可為具有任意頻率和任意振幅之一交流電位。例如，交流電位之頻率可約為50Hz或60Hz，而交流電位之方均根值可約為110V或220V。第一比較器120可比較分壓電位VD與一第一參考電位VR1，以產生一第一控制電位VC1。可調電感元件130可視為升壓轉換器100之一升壓電感器。可調電感元件130係耦接至分壓電路110，其中可調電感元件130之總電感值可根據第一控制電位VC1來進行調整。功率切換器140可根據一時脈電位VA來選擇性地將可調電感元件130耦接至一接地電位VSS(例如：0V)。例如，若時脈電位VA為高邏輯位準(例如：邏輯「1」)，則功率切換器140即將可調電感元件130耦接至接地電位VSS(亦即，功率切換器140可近似於一短路路徑)；反之，若時脈電位VA為低邏輯位準(例如：邏輯「0」)，則功率切換器140不會將可調電感元件130耦接至接地電位VSS(亦即，功率切換器110可近似於一開路路徑)。第二比較器150可比較第一控制電位VC1與一第二參考電位VR2，以產生一第二控制電位VC2。輸出級電路160係耦接至可調電感元件130和功率切換器140，並根據一第三參考電位VR3和第二控制電位VC2來產生一輸出電位VOUT。輸出電位VOUT可為一直流電位，其中輸出電位VOUT之電位位準係高於輸入電位VIN之最大值。輸出級電路160之可調電阻元件170之總電阻值可根據第二控制電位VC2來進行調整。控制器180可為一積體電路晶片，其可用於產生時脈電位VA、第一參考電位VR1、第二參考電位VR2，以及第三參考電位VR3。例如，時脈電位VA於升壓轉換器100初始化時可維持於一固定電位，而在升壓轉換器100進入正常使用階段後則可提供週期性之時脈波形。另外，第一參考電位VR1、第二參考電位VR2，以及第三參考電位VR3則可各自維持於一恆定電位位準。在一些實施例中，若輸入電位VIN高於或等於一臨界電位，則升壓轉換器100將操作於一第一模式且輸出電位VOUT將具有一較高電位位準；反之，若輸入電位VIN低於前述之臨界電位，則升壓轉換器100將操作於一第二模式且輸出電位VOUT將具有一較低電位位準。根據實際量測結果，此種雙輸出模式之設計方式可避免較低之輸入電位VIN造成較高之功率損耗，故能有效改善升壓轉換器100之轉換效率。
以下實施例將介紹升壓轉換器100之詳細結構及操作方式。必須理解的是，這些圖式和敘述僅為舉例，而非用於限制本發明之範圍。
第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器200之示意圖。在第2圖之實施例中，升壓轉換器200具有一輸入節點NIN和一輸出節點NOUT，並包括一分壓電路210、一第一比較器220、一可調電感元件230、一功率切換器240、一第二比較器250、一輸出級電路260，以及一控制器280，其中輸出級電路260包括一可調電阻元件270。升壓轉換器200之輸入節點NIN可由一外部電源處接收一輸入電位VIN，而升壓轉換器200之輸出節點NOUT可用於輸出一輸出電位VOUT，其中輸出電位VOUT之電位位準係高於輸入電位VIN之最大值。
分壓電路210包括一第一電阻器R1、一第二電阻器R2，以及一第一電容器C1。第一電阻器R1具有一第一端和一第二端，其中第一電阻器R1之第一端係耦接至輸入節點NIN，而第一電阻器R1之第二端係耦接至一第一節點N1以輸出一分壓電位VD。第二電阻器R2具有一第一端和一第二端，其中第二電阻器R2之第一端係耦接至第一節點N1，而第二電阻器R2之第二端係耦接一接地電位VSS。第一電容器C1具有一第一端和一第二端，其中第一電容器C1之第一端係耦接至第一節點N1，而第一電容器C1之第二端係耦接至接地電位VSS。分壓電位VD之電位位準可根據第一電阻器R1和第二電阻器R2兩者之電阻比值來決定。另外，根據實際量測結果，第一電容器C1可使第一節點N1之分壓電位VD更為穩定。
第一比較器220可由一運算放大器來實施。詳細而言，第一比較器220具有一正輸入端、一負輸入端，以及一輸出端，其中第一比較器220之正輸入端係用於接收一第一參考電位VR1，第一比較器220之負輸入端係用於接收分壓電位VD，而第一比較器220之輸出端係用於輸出一第一控制電位VC1。例如，若第一參考電位VR1高於或等於分壓電位VD，則第一控制電位VC1將可為高邏輯位準；反之，若第一參考電位VR1低於分壓電位VD，則第一控制電位VC1將可為低邏輯位準。
可調電感元件230包括一第一電感器L1、一第二電感器L2，以及一第一電晶體M1。第一電晶體M1可為一N型金氧半場效電晶體。第一電感器L1具有一第一端和一第二端，其中第一電感器L1之第一端係耦接至輸入節點NIN，而第一電感器L1之第二端係耦接至一第二節點N2。第二電感器L2具有一第一端和一第二端，其中第二電感器L2之第一端係耦接至輸入節點NIN，而第二電感器L2之第二端係耦接至一第三節點N3。第一電晶體M1具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中第一電晶體M1之控制端係用於接收第一控制電位VC1，第一電晶體M1之第一端係耦接至第三節點N3，而第一電晶體M1之第二端係耦接至第二節點N2。在一些實施例中，若第一電晶體M1為致能，則第二電感器L2將與第一電感器L1並聯耦接；反之，若第一電晶體M1為禁能，則第二電感器L2將不會與第一電感器L1並聯耦接。因此，可調電感元件230之總電感值可由第一比較器220利用第一控制電位VC1來進行調整。
功率切換器240包括一第二電晶體M2。第二電晶體M2可為一N型金氧半場效電晶體。第二電晶體M2具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中第二電晶體M2之控制端係用於接收一時脈電位VA，第二電晶體M2之第一端係耦接至接地電位VSS，而第二電晶體M2之第二端係耦接至第二節點N2。亦即，第二電晶體M2可選擇性地將第二節點N2耦接至接地電位VSS。
第二比較器250可由一運算放大器來實施。詳細而言，第二比較器250具有一正輸入端、一負輸入端，以及一輸出端，其中第二比較器250之正輸入端係用於接收一第二參考電位VR2，第二比較器250之負輸入端係用於接收第一控制電位VC1，而第二比較器250之輸出端係用於輸出一第二控制電位VC2。例如，若第二參考電位VR2高於或等於第一控制電位VC1，則第二控制電位VC2將可為高邏輯位準；反之，若第二參考電位VR2低於第一控制電位VC1，則第二控制電位VC2將可為低邏輯位準。
除了可調電阻元件270以外，輸出級電路260更包括一二極體D1和一第二電容器C2。二極體D1具有一陽極和一陰極，其中二極體D1之陽極係耦接至第二節點N2，而二極體D2之陰極係耦接至輸出節點NOUT。第二電容器C2具有一第一端和一第二端，其中第二電容器C2之第一端係耦接至輸出節點NOUT，而第二電容器C2之第二端係耦接至接地電位VSS。
輸出級電路260之可調電阻元件270包括一第三電阻器R3、一第四電阻器R4、一第五電阻器R5，以及一第三電晶體M3。第三電晶體M3可為一N型金氧半場效電晶體。第三電阻器R3具有一第一端和一第二端，其中第三電阻器R3之第一端係耦接至輸出節點NOUT，而第三電阻器R3之第二端係耦接至一第四節點N4以接收一第三參考電位VR3。第四電阻器R4具有一第一端和一第二端，其中第四電阻器R4之第一端係耦接至第四節點N4，而第四電阻器R4之第二端係耦接至接地電位VSS。第三電晶體M3具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中第三電晶體M3之控制端係用於接收第二控制電位VC2，第三電晶體M3之第一端係耦接至一第五節點N5，而第三電晶體M3之第二端係耦接至第四節點N4。第五電阻器R5具有一第一端和一第二端，其中第五電阻器R5之第一端係耦接至第五節點N5，而第五電阻器R5之第二端係耦接至接地電位VSS。在一些實施例中，若第三電晶體M3為致能，則第五電阻器R5將與第四電阻器R4並聯耦接；反之，若第三電晶體M3為禁能，則第五電阻器R5將不會與第四電阻器R4並聯耦接。因此，可調電阻元件270之總電阻值可由第二比較器250利用第二控制電位VC2來進行調整。
控制器280可為一積體電路晶片，其可用於產生時脈電位VA、第一參考電位VR1、第二參考電位VR2，以及第三參考電位VR3。例如，時脈電位VA於升壓轉換器200初始化時可維持於一固定電位(例如：接地電位VSS)，而在升壓轉換器200進入正常使用階段後則可提供週期性之時脈波形。另外，第一參考電位VR1、第二參考電位VR2，以及第三參考電位VR3則可各自維持於一恆定電位位準。
在一些實施例中，升壓轉換器200係操作於一第一模式或一第二模式兩者擇一，其詳細操作原理可如下列所述。
若輸入電位VIN高於或等於一臨界電位，則升壓轉換器200將可操作於一第一模式。由於分壓電位VD高於第一參考電位VR1，故第一控制電位VC1將為低邏輯位準以禁能第一電晶體M1，使得可調電感元件230之總電感值大致等於第一電感器L1之電感值(亦即，可調電感元件230之總電感值相對較大)。再者，第二控制電位VC2將為高邏輯位準以致能第三電晶體M3。因為第五電阻器R5係與第四電阻器R4並聯耦接，所以通過第四節點N4之電流I4將會相對較大。在第一模式中，可調電感元件230會儲存更多能量，而升壓轉換器200之輸出電位VOUT則具有一較高電位位準。
若輸入電位VIN低於前述之臨界電位，則升壓轉換器200將可操作於一第二模式。由於分壓電位VD低於第一參考電位VR1，故第一控制電位VC1將為高邏輯位準以致能第一電晶體M1，使得可調電感元件230之總電感值大致等於第一電感器L1和第二電感器L2兩者之並聯電感值(亦即，可調電感元件230之總電感值相對較小)。再者，第二控制電位VC2將為低邏輯位準以禁能第三電晶體M3。因為第五電阻器R5未與第四電阻器R4並聯耦接，所以通過第四節點N4之電流I4將會相對較小。在第二模式中，可調電感元件230會儲存更少能量，而升壓轉換器200之輸出電位VOUT則具有一較低電位位準。
綜上所述，升壓轉換器200之二種不同操作模式可如下表一所述：
  輸入電位 VIN 可調電感元件130 第一電晶體M1 第三電晶體M3 輸出電位VOUT
第一模式 高於或等於臨界電位 總電感值較大 禁能 致能 較高電位位準
第二模式 低於臨界電位 總電感值較小 致能 禁能 較低電位位準
表一：升壓轉換器200之不同操作模式
根據實際量測結果，此種設計方式可降低升壓轉換器200於第二模式下之輸入功率，從而能提高升壓轉換器200之轉換效率(因為轉換效率為輸出功率與輸入功率兩者之比值，其中升壓轉換器200之輸出功率皆大致維持不變)。例如，使用本發明之升壓轉換器200於第二模式下之轉換效率可由原本約90%改良至約94%，但其亦不僅限於此。
在一些實施例中，升壓轉換器200之元件參數可如下列所述。輸入電位VIN之臨界電位可約為170V。在第一模式中，輸入電位VIN可介於170V至240V之間，而輸出電位VOUT之較高電位位準可約為400V。在第二模式中，輸入電位VIN可介於100V至170V之間，而輸出電位VOUT之較低電位位準可約為250V。第一電阻器R1之電阻值可大致等於16kΩ。第二電阻器R2之電阻值可大致等於1kΩ。第三電阻器R3之電阻值可大致等於49kΩ。第四電阻器R4之電阻值可大致等於1kΩ。第五電阻器R5之電阻值可大致等於1.63kΩ。第一電容器C1之電容值可介於44.65μF至49.35μF之間，較佳為47μF。第二電容器C2之電容值可介於1350μF至1650μF之間，較佳為1500μF。第一電感器L1之電感值可介於180μH至220μH之間，較佳為200μH。第二電感器L2之電感值可介於180μH至220μH之間，較佳為200μH。時脈電位VA之切換頻率可約為65kHz。第一參考電位VR1可約恆定為10V。第二參考電位VR2可約恆定為14V。第三參考電位VR3可約恆定為5V。以上參數範圍係根據多次實驗結果而得出，其有助於最佳化升壓轉換器200之轉換效率。
本發明提出一種新穎之升壓轉換器，其可操作於第一模式或第二模式，以提供具有不同電位位準之輸出電位。根據實際量測結果，使用前述設計之升壓轉換器可減少其整體之功率損耗。總而言之，本發明可有效提高升壓轉換器之轉換效率，故其很適合應用於各種各式之電子裝置當中。
值得注意的是，以上所述之電位、電流、電阻值、電感值、電容值，以及其餘元件參數均非為本發明之限制條件。設計者可以根據不同需要調整這些設定值。本發明之升壓轉換器並不僅限於第1-2圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-2圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之升壓轉換器當中。雖然本發明之實施例係使用金氧半場效電晶體為例，但本發明並不僅限於此，本技術領域人士可改用其他種類之電晶體，例如：接面場效電晶體，或是鰭式場效電晶體等等，而不致於影響本發明之效果。
在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100,200:升壓轉換器 110,210:分壓電路 120,220:第一比較器 130,230:可調電感元件 140,240:功率切換器 150,250:第二比較器 160,260:輸出級電路 170,270:可調電阻元件 180,280:控制器 C1:第一電容器 C2:第二電容器 D1:二極體 I4:電流 L1:第一電感器 L2:第二電感器 M1:第一電晶體 M2:第二電晶體 M3:第三電晶體 N1:第一節點 N2:第二節點 N3:第三節點 N4:第四節點 NIN:輸入節點 NOUT:輸出節點 R1:第一電阻器 R2:第二電阻器 R3:第三電阻器 R4:第四電阻器 R5:第五電阻器 VA:時脈電位 VC1:第一控制電位 VC2:第二控制電位 VD:分壓電位 VIN:輸入電位 VOUT:輸出電位 VR1:第一參考電位 VR2:第二參考電位 VR3:第三參考電位 VSS:接地電位
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器之示意圖。 第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器之示意圖。
100:升壓轉換器
110:分壓電路
120:第一比較器
130:可調電感元件
140:功率切換器
150:第二比較器
160:輸出級電路
170:可調電阻元件
180:控制器
VA:時脈電位
VC1:第一控制電位
VC2:第二控制電位
VD:分壓電位
VIN:輸入電位
VOUT:輸出電位
VR1:第一參考電位
VR2:第二參考電位
VR3:第三參考電位
VSS:接地電位

Claims (10)

  1. 一種升壓轉換器，包括： 一分壓電路，根據一輸入電位來產生一分壓電位； 一第一比較器，比較該分壓電位與一第一參考電位，以產生一第一控制電位； 一可調電感元件，耦接至該分壓電路，其中該可調電感元件之總電感值係根據該第一控制電位來進行調整； 一功率切換器，根據一時脈電位來選擇性地將該可調電感元件耦接至一接地電位； 一第二比較器，比較該第一控制電位與一第二參考電位，以產生一第二控制電位； 一輸出級電路，耦接至該可調電感元件和該功率切換器，並根據一第三參考電位和該第二控制電位來產生一輸出電位，其中該輸出級電路包括一可調電阻元件，而該可調電阻元件之總電阻值係根據該第二控制電位來進行調整；以及 一控制器，產生該時脈電位、該第一參考電位、該第二參考電位，以及該第三參考電位。
  2. 如請求項1所述之升壓轉換器，其中若該輸入電位高於或等於一臨界電位，則該升壓轉換器將操作於一第一模式且該輸出電位將具有一較高電位位準，而若該輸入電位低於該臨界電位，則該升壓轉換器將操作於一第二模式且該輸出電位將具有一較低電位位準。
  3. 如請求項1所述之升壓轉換器，其中該分壓電路包括： 一第一電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該第一電阻器之該第一端係耦接至一輸入節點以接收該輸入電位，而該第一電阻器之該第二端係耦接至一第一節點以輸出該分壓電位； 一第二電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該第二電阻器之該第一端係耦接至該第一節點，而該第二電阻器之該第二端係耦接該接地電位；以及 一第一電容器，具有一第一端和一第二端，其中該第一電容器之該第一端係耦接至該第一節點，而該第一電容器之該第二端係耦接至該接地電位。
  4. 如請求項1所述之升壓轉換器，其中該第一比較器具有一正輸入端、一負輸入端，以及一輸出端，該第一比較器之該正輸入端係用於接收該第一參考電位，該第一比較器之該負輸入端係用於接收該分壓電位，而該第一比較器之該輸出端係用於輸出該第一控制電位。
  5. 如請求項3所述之升壓轉換器，其中該可調電感元件包括： 一第一電感器，具有一第一端和一第二端，其中該第一電感器之該第一端係耦接至該輸入節點，而該第一電感器之該第二端係耦接至一第二節點； 一第二電感器，具有一第一端和一第二端，其中該第二電感器之該第一端係耦接至該輸入節點，而該第二電感器之該第二端係耦接至一第三節點；以及 一第一電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第一電晶體之該控制端係用於接收該第一控制電位，該第一電晶體之該第一端係耦接至該第三節點，而該第一電晶體之該第二端係耦接至該第二節點。
  6. 如請求項5所述之升壓轉換器，其中該功率切換器包括： 一第二電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第二電晶體之該控制端係用於接收該時脈電位，該第二電晶體之該第一端係耦接至該接地電位，而該第二電晶體之該第二端係耦接至該第二節點。
  7. 如請求項1所述之升壓轉換器，其中該第二比較器具有一正輸入端、一負輸入端，以及一輸出端，該第二比較器之該正輸入端係用於接收該第二參考電位，該第二比較器之該負輸入端係用於接收該第一控制電位，而該第二比較器之該輸出端係用於輸出該第二控制電位。
  8. 如請求項5所述之升壓轉換器，其中該輸出級電路更包括： 一二極體，具有一陽極和一陰極，其中該二極體之該陽極係耦接至該第二節點，而該二極體之該陰極係耦接至一輸出節點以輸出該輸出電位；以及 一第二電容器，具有一第一端和一第二端，其中該第二電容器之該第一端係耦接至該輸出節點，而該第二電容器之該第二端係耦接至該接地電位。
  9. 如請求項8所述之升壓轉換器，其中該可調電阻器包括： 一第三電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該第三電阻器之該第一端係耦接至該輸出節點，而該第三電阻器之該第二端係耦接至一第四節點以接收該第三參考電位；以及 一第四電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該第四電阻器之該第一端係耦接至該第四節點，而該第四電阻器之該第二端係耦接至該接地電位。
  10. 如請求項9所述之升壓轉換器，其中該可調電阻器更包括： 一第三電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第三電晶體之該控制端係用於接收該第二控制電位，該第三電晶體之該第一端係耦接至一第五節點，而該第三電晶體之該第二端係耦接至該第四節點；以及 一第五電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該第五電阻器之該第一端係耦接至該第五節點，而該第五電阻器之該第二端係耦接至該接地電位。
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