131魏 d〇c/e 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於-種升壓式直流/直流轉換器(dc/dc =nverter) ’且特別是關於一種應用脈波調變技術之升壓 直流/直流轉換器。 【先前技術】 +在電源轉換系統中，當負載變化時將造成伴隨而來的 ^源轉換效率之變化’故在系統滿載時或有極大負載變化 Z吾人仍希望此時的系統能提供高效率且穩定的電力轉 換。就應用層面來說，處理器、隨機存取記億體、顯^ ^及手機料子產品等並不會在任何時候都處於滿載的狀 Ά別是手機等行動通訊產品在許多時間都是處於待機 白勺省電核式’所以-個在任何的負載狀態下都能提供高效 ¥•的電源轉換系統是非常重要的。 圖1為習知之升壓式直流/直流轉換器1〇〇之電路示意 圖’在只有使用脈寬調變模式的情形下，轉齡1〇〇包括 切換式升壓電路110、脈寬調變電路12〇與負載13〇。其中 切換式升壓電路110包括電感器m、二極體112、電容器 113、功率電晶體114。透過脈波調變(pWM)的方式來切換 功率電晶體114之導通與否。當功率電晶體114導通時， 二極體112呈現反向偏壓，來自輸入電屢l的電能存於 電感器111 ’此時負載13〇的電能由電容器】13提供。當 功率電晶體114截止時，二極體112呈現順向偏壓，此二 'iwf.doc/e 電容器113以及負载130吸收由輸入電壓Vinl以及電感器 111所提供的電能’因此使得νουί1 > Vinl。 脈寬調變電路120是由控制回授電路組成，包括誤差 放大器121、三角波產生器122、脈寬調變比較器123以及 驅動器124。切換式升壓電路110的輸出電壓v〇mi在經過 電阻器R]與電阻器的分壓後（此時其值為 V0UtlxR2/Rl+R2)再透過誤差放大器m與參考電壓 比較，而脈寬調變比較器123接收誤差放大器121的輸^ DfL號且與二角波產生裔122的輸出訊號比較，而產生脈寬 調變信號PWM—CK。之後再透過驅動器124以放大脈寬調 變信號PWM一CK並驅動功率電晶體1 μ。 請參考圖2繪示為圖1之升壓式直流/直流轉換器1〇〇 之負載電流與系統效率的關係圖，在升壓式直流/直流轉換 器100只使用脈寬調變模式情形下，由圖2可知升壓式直 流/直流轉換器100在負載電流Iu小的情況下(輕载)之系 統效料在貞載料Iu大的情況ΤΧί載H統效率低。 • 這是因為脈寬調變是使用固定頻率的方式來控制，且即便 是在輕載時功♦電晶體114仍是以相同於重载的頻率在做 切換因而在功率電晶體114上消耗過多不必要的切換功 率，因此使得整體的輸入功率損耗提升，而導致系統效率 降低，故設計一個能提升系統效率的升壓式直流/直流轉換 器是必要的。 ^、 【發明内容】 本發明的目的是在提供一種升壓式直流/直流轉換 13113¾ :wf.doc/e 益,·’其可在系統處於輕載、中载以及重载時，使得系統可透 過對應於負載電流的遮罩信號以分別選擇操作在脈寬調變、脈 頻調變與混合脈波遮軍模式中，此種升墨式直流/直流轉換器 =吏得系統效率最佳化以改善習知之升壓式直流/直流轉 換β在輕載時系統效率偏低的情形。 /吉法ΐΪΐ上述及其他目的，本發明提出"*種制式直流 *轉奐态，包括切換式升壓電路、脈寬 1:=其中切換式升壓電路是用以根據控‘ 严ft 提供輸出驢，其中輸出麵大於輸入電 =用以根據輸出電娜考電壓而輸出 =轉換器的負载電流的大小而輸出遮罩=== $ 順信號與遮罩信號並輸 ： 遮罩㈣的責任週期會隨負载電流而改變。虎其中 上逑之升壓式直流/直流轉換哭， 每 :驅動”_ :控 乃佚八开缓電路。分壓電 二電阻器，其中第—電阻 ;電阻器及第 阻器以第-端連接於第一電阻4 出電璧且第二電 電阻器與第二带阳 。。工乂八弟二端接地，第一 分物可將:換;升4::^脈寬調變電路。 後輸出至脈寬調變電路。、別出电屋降低-預設比例 义升斥^之升墨式直流/直流轉換器，在-實;^ 枯 式龍電路包括電感器、二 知例中，切換 电谷益、開關。其中電 131 lM wf.d〇c/e 感器電性連接於輪 + 器，電容器以第—端;,== =性連接於電感 並以其第二端接地，開關則以第一端;生電虔 二極體的陽極之間如第二u接於電感器與 或關斷開關的第一端座第 5據控制信號導通 腹〇s(n-ch_IMeiai；；·。在1施例令，開關為 間極接收㈣錢。 Gndue_晶體’並以其 脈寬調變電路包括有誤差放、二 及比較器。其中誤差放大 ::一:角波產生器、以 壓，並以第-於入= /、弟一輸入端接收參考電 第一輸人性連接輸*電壓的麵，再將上述 哭曰輸入端的電麼放大後輸出。三角波產生 大=的角波’接著比較器會根據三角波與誤差放 二°角=:壓的比較結果，以輸出脈寬調變信號。其中 ^ = 2壓大於誤差放大器的輸出電壓，則比較器將 ’出、輯〶讀’否則比較器將輪出邏輯低電位。 電跋升壓式直流7直流轉換器，在一實施例中，遮罩 以奸；!載偵測器以及遮罩信號產生器。其中負载偵 器|^用u二負载電流而輸出負载信號’且遮罩信號產生 ^負載信號產生遮罩信號。負載信號可為電壓 而且負載信號為負載電流的遞增函數。再者遮罩信 負尚包括有延遲鍊以及暫存器，其中延遲鍊可根據 =一與時脈信號而產生數位信號。而暫存器可定軸 數彳5唬，並根據擷取的數位信號而產生遮罩信號 上述之升壓式直流/直流轉換器，在一實施例中， 13 U撒 twf.doc/e 暫存器為並列輸入/串列輸出暫存器(parallel in/serial 〇ut register)。 上述之升壓式直流/直流轉換器，在一實施例中，延遲 鍊包括有多個延遲單兀，其中每—延遲單元皆接收負載信 號。第-個延遲單元會將時脈信號延遲一預設時間後輸 出延遲單元將第i_H固延遲單元的輸出延遲預設時 ，後輸出，其中1為大於—的整數。數位信號為上述延遲 • 早兀的輪出的集合，而且預設時間為負載電流的遞減函數。 上述之升壓式直流/直流轉換器， =元皆根據-重置信號定時重置延遲單元的輸出且 暫存益所擷取的數位信號當中，數值 位元 载電流的遞增函數。又逆罝作味a ' 又遮罩彳5破的責任週期為暫存器所擷 .號當中’數值為1的位元數量的遞增函數。若 、 、】暫存為以脈頻調變方式產生遮罩信號。 •時，則3明5升壓5直流/直流轉換器中’系統處於重載 頻調變“脈綠處於輕載時’則採用脈 以C脈波遮罩模式。也就是說，本發2 信號上=轉換器可依負载電流的大小來決定遮罩 式；'、脈_變或是混合脈波遮罩模 來調整功率電！輕栽時’皆可藉由遮罩信號 不必要的功去Γ粗勺換认數’以減小在功率電晶體上之 、卞貝失’而達到提高電源轉換效率的目的。 9 13113涊 twf.doc/e 為^發明之上述和其他目的、特徵和伽能更 本發明之較佳實施例，並配合所附， 【實施方式】 干』I:述為本發明之一實施例’請參考圖3 °圖3績 ==明一實施例之升壓式直流/直流轉換請，其 33==壓魏31Q、脈寬輕魏32Q、遮罩電路 • 及閘340、分壓電路现、以及驅鮮遍。 麻v切路310可根據控制信號心，依據輸入電 t電壓/⑽3，且輸出電壓ν。⑽大於該輸 分^ m3p又脈見6周交電路320可根據輸出電塵ν_3之 刀 Μ： 〇ut3xR4/(R3+R4))與參考電壓 罩仁味;‘罩狀可根據負载綠lu以輸出遮 二。㈣340可接收脈寬調變信號pWM⑶與 遮罩彳s唬sMask，並提供控制信號d(t)。 ♦ 換式㈣電路训包括有電感器 ，性連接於輸入轉νιη3，二極體312以陽極電^連接^ 二^ 311’又電容器313以第—端電性連接於 =極與輸出電塵V。⑽’並以其第二端接地。開關3ϊ4是 弟-知電性連接於電感器31】與二極體312的陽極之 =，、亚以其第二端接地，且根據所接收之控制信號心而導 ^或關斷開Μ 3M的第一端與第二端。在本實施例中開關 4 為 NM0S 電晶體(n_channd meia] 〇χ· 。▲恤 10 1311搬 wf.doc/e field effect transist〇r)，以其閑極接收控 式升壓電路310的電路運作情 ^^ c *切換 電路no,故在此不資述 員似於圖1的切換式升壓 切、之脈寬調變電路32G包括有誤差放大器 切是^於 以及比較11 323。其中誤差放大器 端命性遠參考電壓^’如其第二輸入 =連接於輸出電壓vout3之分壓，再 • 2=誤;電爾輸出。三角波產生器; 出一角波，接下來比較器、323將根據三角波細差放 輸线比較結果，_錄寬·信^; 二^二肖波的電壓大於誤差放大器的輸出電壓，則比較 . 電位，爛味H輯出_低電位，反 之亦可。 一 '縣實施例中之遮罩電路330包括負载侦測器331與 遮罩信號產生器332，其中負載偵測器331偵測負載電流 lu並輸出與之相對應的負載信號sL，在本實施中，負載信 • 號^為電壓且其值將隨著負載電流IL3的增加而變大。遮 罩t號產生益332將依據負載信號;§L的大小值以輸出與之 相對應的遮罩信號SMask。 ’ 本實施例的升壓式直流/直流轉換器3〇〇進一步包括 分壓電路350及驅動器360。分壓電路350包含第一電阻 器&以及第二電阻器R_4並用以將輸出電壓v〇ut3乘以一預 設比例RVd+R4)後以使得Vmit3xR4/(R3+R4)的大小近似於 參考電壓Vref3之大小以輸出至比較器323。在分壓電路350 11 doc/e doc/e 中，電p且哭； 電阻器r3與電L = R3,亚以其第二端接地。其中 32〇。如土每‘，.〜的接點亦電性連接於脈寬調變電路 如太廢沪^丄 X”，、a私丨土死佼机胍見5周變畲 美其/士也列中’在輪出電壓V〇ut3與參考電壓V 夕時，公厭 Φ ___„ _ L. . ref3 壓 者相差甚多日士八P 一㈣叫包生v_3兴爹哼m·壓vrft _ 以使4曰私刀堅電路350便可將輸出電壓V⑽3進二^ 子目差;則电壓V_3的分壓與參考電壓V二者 42?入至誤差放大跡如果輸出電壓v的值 略。4哭Γ6(Γ者相近時，那麼分麗電路350便可:Ϊ 大為控制=可用；:將來自及閉340的控制信號^ 圖。虎^€:亚輸出至切換式升壓電路310。 的翅期為之示意圖。遮罩信號、 小是依摅备# +、/、中Tl為貝任週斯。責任週期T1的大 升高日± t、载电流113的大小而決定，亦即，負载電、、* I ，信號W的責任週期W會跟著=一 罩信為遮罩信號產生器332之内部架構圖。遮 中有延遲鍊3321㈣存器3322，其
Sl大小遍b士 r ?根據由負載偵測器％1提供的負载信號 大於號Q而產生數位信號Dl〜Dn(其中n為一 可定日士地正數）。在以下實施例中假設N== 5且暫存器3322 的數：二：數位尨號D1〜D 5 ’並且暫存器3 3 2 2根據所擷取 所需“=rD5而產生遮罩信號W以選擇目前系統 脈坡遮罩^虎的模式是脈寬調變、脈頻調變或混合 入/串^=ΐ™_暫存器3322為並列輸 12 wf.doc/e 13113¾ 請參考圖6為遮罩信號產生器332之動作原理的示意 圖。上述之延遲鍊3321包括有5個延遲單元DUi〜DU5， 而每=遲單元DUi〜而5皆接收負載信號^，其中第一 個延遲單元DR將時脈信號q延遲預設後 IV^個延遲單元DUi將第W個延遲單元；^出二 延遲預叹恰間凡後輸出為A，例如DU3的輪出D3比DU2 的，出d2延遲了預設時間Td，其巾土為大於一的^數。在 :實施，延遲單元的特性是延遲預設時間I:負載信 Γ也成反比。所以，當負載電流大時，負載信號 ^上同時預設時間Td會較小。在擷取時間TL ^ :存，3322將錄數位信號Di〜D5，在暫存器迎操 ^，處於向電位的數位信#uDi〜D5的數目就會多。例如 5 :咼電位’此時數位信號〇广込即為⑴⑴)。反之當 τ $負載彳§號&也跟著變小’同時預設時間 / θ又，在暫存器' 3322擷取日夺，處於邏輯高電位的數 位信號D!〜D5的數目铀合小, 、科门书伹扪著艾 h數尤θν,例如只有三個高電位，此時 DO !1〜5即為（ul〇〇)。在重置時間1^時，每一延 饥早=duhdu5會由—重置信號觸發而重置延遲單元 DU1〜DU5的輸出為邏輯低電位。 接下來’圖7為本實施例中數位信號Di鳴 〇 ^^"^^^^^(00000)^(10000) 罩伴^白^小於1⑶為輕载，暫存器迎輸出的遮 卓仏虎SMask的貝任週期會較小， 人 使升壓式直流/直流轉換¥ 3()f +❿罩彳5#u SMask w 兴°σ 300刼作在脈頻調變模式中。當 13 'wf.doc/e 13113¾ 數位信號仰〜1)5)為（1!!!!)時，此時 載，暫存器3322輸出的遮罩” s ；；大於1 L35為重 且此砗诚罢产哚c 早1以虎〜㈣的貝任週期會較大， 於户r二罩j5#U Mask θ使升壓式直流7直流轉換器300操 (1_)或 _。)時，此時 中載’暫存器3322輸出的遮罩伸s L32 2 L35，間為 小介於上述兩個模式之間，貝任 參 直'•轉換益操作在混合脈波遮軍模式中。 在混合脈波遮罩模式與脈寬調變模式中， W的責任週期與數位信號(Di〜D5)的高電位位元數。 來說’當數位信號(DI，為⑴_)時，處於邏 .元數為2 ’此時遮罩信號sMask的責任週期為 二一方面’當數位信號队，為(11100)時， 週期為3/5 = 6〇%，其_#。试罩的責任 圖8為及閘34()的操作示意圖。當遮罩信號、的責 # f週期較大時，及閘烟的控制信號d⑴之脈波數也會择 二η示當負載電流lL32 < Iu3時，iL33所對應的及 閘340之控制信號d⑴脈波數相較於^會較多，也就是 况IL32所對應的控制信號d⑴脈波數較少，使得圖 開關M4所對應的切換次數較少，也因此可以減少 的切換損失而使得系統效率上升。 綜上所述’負載偵測器331可偵測負載電 輪出與對應的負載錢SL，接下來遮罩信號產生器將依^ 14 1T576 twf.doc/e 負載信號SL而提供遮罩信號SMask ’然後及閘340將依據 遮罩彳§號SMask與脈波調變信號PWM_CK而提供控制信號 d(t) °之後’驅動器360將放大後的控制信號心輸出致切 換式升壓電路310之開關314。藉此，本實施例之升壓式 直流/直流轉換器可依據負載電流之大小以選擇個別地操 作在脈見調變模式、脈頻調變模式或混合脈波遮罩模式。
圖9繪示為本實施例中脈寬調變模式、脈頻調變模式 以及混合脈波遮罩模式三者的效率比較圖。以應用於手機 中的升壓式直流/直流轉換器300為例，當其處於重載，如 手機在通話模式下時使用脈寬調變模式，而在輕載時如省 電模式下使用脈頻調變模式以降低開關次數，免得開關頻 繁切換的損耗降低電源轉換效率。在中載時則使用混合^ 波遮罩模式，如此可使得系統的電源轉換維持在高效率， 如，9所示。由上述說明可知，本發明在輕載、中載、重 载時可個別地使系統操作在脈波頻率調變、混合脈波遮 ，式或脈寬調變的模式下，使系統都能維持在^效率的狀
雖然本發明已哺佳實闕㈣如上，财並非用以 本發明，任何熟習此技#者，在不脫離本發明 内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保错 乾圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 ^ 【圖式簡單說明】 器。 盗之負載與效率 圖1為習知之升壓式直流/直流轉換 圖2為習知之升壓式直流/直流轉換 的關係圖。 、 15 :wf.doc/e 圖3為本發明一實施例的升壓式直流/直流轉換器之示 意圖。 圖4為本發明一實施例中遮罩信號之示意圖。 圖5為本發明一實施例之遮罩信號產生器之内部架構 圖。 圖6為本發明一實施例之遮罩信號產生器之動作原理 的示意圖。 圖7為本發明一實施例之數位信號與負載電流的關係 圖。 圖8為本發明一實施例之及閘的操作示意圖。 圖9為本發明一實施例之脈寬調變模式、脈頻調變模 式及混合脈波遮罩模式三者的效率示意圖。 【主要元件符號說明】 100、300 :升壓式直流/直流轉換器 110、 310 :切換式升壓電路 111、 311 :電感器 112、 312 :二極體 113、 313 :電容器 114 :功率電晶體 314 :開關 130、380 :負載 120、 320 :脈寬調變電路 121、 321 :誤差放大器 16 :wf.doc/e 122、322 :三角波產生器 123 :脈寬調變比較器 323 :比較器 124、360 :驅動器 330 :遮罩電路 331 :負載偵測器 332 :遮罩信號產生器 3321 :延遲鍊 φ 3322:暫存器 340 :及閘 350 :分壓電路 Ri、R3、R〗、Κ·4 .電阻益 PWM_CK :脈寬調變信號 DU^DUn:延遲單元 Dr-D5 :數位信號 SMask :遮罩信號
IlI、IL3、IL31、IL32、IL33、IL34、IL35 :負載電流 • Sc、d(t):控制信號 sL:負載信號 Q:時脈信號 Vinl、Vin3 :輸入電壓 ν。^、ν_3 :輸出電壓 Vrefi、Vref3 :參考電壓 Tl :擷取時間 Tr ;重置時間 17