TWI334686B - - Google Patents

Description

、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種升壓電路，特別是指一種直流電 壓轉直流電壓的升壓電路。 【先前技術】 現今的電子設備，例如PDA、MP3 player等可攜式影 音設備或其它的可攜式通訊設備，都需要用到升壓電路來 將低電壓的電池電源轉換成較高電壓，以提供數位及類比 電路運作。 這些電子δ又備對於輸出電源的漣波與雜訊要求相當高 ，但是傳統所使用的升壓型b〇〇st電路（如圖i所示），由於 其輸出電流呈現脈衝型式，因此輸出電壓的漣波也較大， 一般有二種解決方式：第一種方式是在輸出端使用低 ESR(equivalent series resisUnce，等效串聯電阻）的電容；第 一種方式是提高切換頻率。第一種方式的缺點是會造成成 本增加；而第二種方式雖然藉著提高切換頻率使得輸出電 流連波以及輸出電壓漣波變小’不過缺點是會造成開關切 換損失增加，且對周邊電路的電磁干擾増加。 針對這些問題，雖然有人提出低漣波的升壓電路架構 ，但是缺點是需要兩組儲能電感，外加元件多，電路複雜 且體積大，另外控制電路較為複雜造成控制器不易設計， 穩定性不佳是其缺點。 【發明内容】 因此，本發明之目的，即在提供一種使用較少元件、 1334686 穩定性佳且負載暫態響應較好的升壓電路。 於是，本發明升壓電路是電連接於一電源及一負載之 間，使施加於該負載的電壓高於該電源供給的電壓，升壓 電路包含一順向導通元件、一電感、第一開關元件、第二 開關元件及一電容。 順向導通元件具有一與電源電連接的第一端，及一第 二端。 電感具有一與順向導通元件的第二端電連接的第一端 ，及一與負載電連接的第二端。 第一開關元件具有一與順向導通元件的第一端電連接 的第一端，及一第二端。 第二開關元件具有一與第一開關元件的第二端電連接 的第一端，及一接地的第二端。 電容是電連接於順向導通元件的第二端與第一開關元 件的第二端之間。 當第一開關元件導通且第二開關元件不導通時，順向 導通元件不導通，電流由電源依序流經第一開關元件、電 容、電感及負載，而對電感充電，使流經電感的電流逐漸 上升；當第二開關元件導通且第一開關元件不導通時，顺 向導通元件被導通，使電流由電源流經順向導通元件後分 成兩路，其中一路依序流經電容及第二開關元件，另一路 依序流經電感及負載，而流經電感的電流逐漸下降。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 6 以下配合參考圖式之-個較 清楚的呈現。 I把例的评細說明中’將可 參閱圖2，本發明升爆雷 _雷为91月A &電路1的較佳實施例是電連接於 、☆電源91及—負載92之間，其功用是將電源91供給的直 机電壓轉換成另一電壓值車 电！值孕乂阿的直流電壓而施加於 上。升壓電路1包含一 匕3順向導通兀件2、一電感3、—第一 開關元件4、—第二開關元件5、-電容6及一遽波電容7 上述的兀件皆具有-第-端21、31、41、51、71 二端 22、32、42、兩 a 52、72(但電谷6之兩端未編號）。 順向導通tl件2的第-端21與電源91電連接，其 - ％ 22與電感3的第—端31電連接。在本較佳實施例中 丨頁向導通元件2為二極體’如飛輪二極體，且其第一端 21為p極’第二端22為n極。當然，順向導通元件2也可 為電晶體等能構成順向導通功能的元件。 電感3的第二端32與負載92電連接，也與濾波電容7 的第一端71電連接，而濾波電容7是與負載92並聯，且 其第二端72接地。 第一開關元件4及第二開關元件5在本較佳實施例中 為Ν型金氧半場效電晶體（N-MOS)，它們的第一端41、51 為汲極’第二端42 '52為源極，且兩者的第一端41、51 與第二端42、52之間皆反向連接一個二極體93，以利兩者 未導通時放電之用。另外，兩開關元件4、5還分別具有一 為閘極的第三端43、53，此第三端43、53係受一控制單元 8控制以決定該第一開關元件4及第二開關元件5的導通與 1334686 否。 第-開關元件4的第-端41與順向導通元件2的 端21電連接’其第二端42則與第二開關元件$的第一端 51電連接，而第二開關元件5的第二端“為接地。 另外，電容6是電連接於順向導通元件2的第二端π 與第一開關元件4的第二端42之間。除此之外，還有_ = 電源91並聯的輸入濾波電容94，用以減低電源μ的輪^ 電壓的雜訊。 ~ ~ 參閱圖3(圖中的箭頭方向為電流的流動方向），當第一 開關元件4導通且第二開關元件5不導通時，順向導通元 件2被逆偏壓而不導通，電流由電源91依序流經第一開關 元件4、電容6、電感3及負載92，而對電感3充電使流 經電感3的電流逐漸上升。由於第一開關元件4導通，可 視其兩端41、42並無壓差，所以電感3的第—端31的電 壓值為電源91的電壓加上跨電容6的電壓Vq+ v6，而其 第二端32的電壓值為輸出電壓γη，兩者相減可以得到電 感 3 兩端 31、32 的跨壓 V3= V91+V6-V32____..⑴。 參閱圖4(圖中的箭頭方向為電流的流動方向），當第二 開關元件5導通且第一開關元件4不導通時，順向導通元 件2被導通’使電流由電源91流經順向導通元件2後分成 兩路’其中一路依序流經電容6及第二開關元件5，另一路 依序流經電感3及負載92，而流經電感3的電流逐漸下降 。由於順向導通元件2導通’可視其兩端21、22並無壓差 ’所以電感3的第一端31的電壓值為電源91的電壓v91， 8 而其第二端32的電霍值為輸出電壓V32,兩者相減可以得 到電感3兩端31、32的跨壓V3= V32 -v9l......(2)。 定義充電的週期為D，放電的週期相對的就是丨七，而 根據伏秒平衡（即充電量等於放電量）與（1)(2)式可得〇*( V91+ v6 v32 _v9]),另外，利用 V6= 可將 上式化簡成V32= V91*(l+D)......(3)。由此公式（3)可以 得知輸出電壓V32、輸人電壓V9|及週期D的關係，由此也 可看出輸出電壓與週期的關係是與一般的b〇〇st電路有所不 同，它的負載暫態響應較快，且控制單元8的設計上也較 為穩定。 參閱圖2、圖5與圖6,圖5所示為空載至滿載的負載 92暫態波形，目6為滿載至空載的負載92暫態波形（兩圖 都是第二端32所量測的波形)，可以觀察到，輸出電壓暫態 回復時間相當的短。圖中也可以發現到雖然是處於空載， 但是流經電感3❾電流仍然是連續模式(c〇ntinu〇us。此刪 Mode，CCM) ’並非是真正的非連續模式（Disc〇nti_s Current Mode，DCM)’這是因為本升壓電路丨具有類似同 步整流的性質，亦即電感3電流可以雙向流動（通常發生在 負載92的值較小的情況)’並非單純輕能由輸入端傳送能 量至輸出端而已。這樣的特性可以提高負載92的暫態響應 速度。 參閱圖2 ® 7與圖8，圖7所示為本升壓電路1啟動 時的波形模擬，由圖中我們可以觀察到，輸出渡波電容7 上的連波電流的確是連續電流而非脈衝電流，因此輸出電 1334686 壓漣波也較小。一開始的時候會有較大電流，這是因為啟 動瞬間必須對輸出濾波電容7充電所致。圖8中（a)的波形 可更清楚地說明本升壓電路丨的輸出電壓漣波是較小的。 圖8中（b)的波形則是流經電感3的電流波形。 此外，圖8中（c)的波形是控制單元8用以控制兩開關 元件4、5的其中之一的控制訊號波形。配合參閱圖2，控 制單几8包括一比較器81、一場可程式閘陣列（Fiied

Programmable Gate Array ’ FPGA)處理器 82 及一閘極驅動 器83。比較器81與電感3的第二端32電連接，並由電感 3的第一端32取得輸出電壓值以當成一回授訊號來與另一 參考電壓值作比較，比較之後比較器81會輸出一個方波訊 號’送到場可程式閘陣列處理器82的一主控制模組821做 運算’主控制模組821根據内部的數位參考值計算出輸出 電壓的誤差值，將此誤差值送至一比例積分微分 (Proportional-Integral-Derivative，PID)控制模組 822 計算出 一控制力訊號’並將此控制力訊號回傳給主控制模組8 21 ; 主控制模組821根據此控制力訊號計算出一控制訊號，並 藉此控制訊號驅動閘極驅動器8 3，而控制兩開關元件4、5 的導通時間。 在本較佳實施例中’第一開關元件4及第二開關元件5 為N型金氧半場效電晶體（N-MOS)，然熟知此技藝之人士 ’當可用P型金氧半場效電晶體（P-MOS)來加以取代，此變 化仍屬本創作所涵蓋的範圍。 综上所述，本發明升壓電路1使用較少的元件，相當 10 間早且容易實現，且由於流經電感3的電流是連續模式， 所以輸出電壓的漣波較小，再加上電感3電流在本發明中 為可以雙向流動，因此暫態回復較快，具有較佳的暫態響 應’故確實能達成本發明之目的。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 忐以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利 範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1是一示意圖，說明習知升壓型boost電路的結構； 圖2是一不意圖，說明本發明升壓電路的較佳實施例 的應用； 圖3是一示意、圖，說明該較佳實施例於一第—開關元 件導通且一第二開關元件不導通時，電流的流向； 圖4是-不帛圖，1¾明該較佳實施例於該第二開關元 件導通且該第一開關元件不導通時，電流的流向； 圖5是一 tf意圖，說明該較佳實施例由空載至滿載的 負載暫態波形； 圖6是一示意圖，說明該較佳實施例由滿載至空載的 負載暫態波形； 圖7 7C #思圖1¾ B月該較佳實施例啟動時的輸出電 壓與流經電感的電流之波形；及 圖8疋π思圖m明該較佳實施例的輸出電壓連波 、流經電感的電流與-控制單元的控制訊號的波形。 1334686

【主要元件符號說明】 1 升壓電路 6 2 順向導通元件 7 21 第一端 71 22 第二端 72 3 電感 8 31 第一端 81 32 第二端 82 4 第一開關元件 821 41 第一端 822 42 第二端 83 43 第三端 91 5 第二開關元件 92 51 第一端 93 52 第二端 94 53 第三端 電容 濾波電容 第一端 第二端 控制單元 比較器 場可程式閘陣列處理器 主控制模組 比例積分微分控制模組 閘極驅動器 電源 負載 二極體 濾波電容 12

Claims (1)

1. 十、申請專利範圍： 1. 於^壓電路’電連接於1源及1載之間，使施加 載的電壓高於該電源供給的電壓，該升壓電路包 含： —順向導通元件，且右 也—& ▲ 干一有—與該電源電連接的第一端 ，及一第二端； 一電感’具有—與該順向導通元件的第二端電連接 的第一端，及一與該負載電連接的第二端； 第一開關元件，具有—與該順向導通元件的第一 端電連接的第一端，及一第二端； 第一開關兀件，具有一與該第一開關元件的第二 端電連接的第一端，及一接地的第二端；及 一電容，電連接於該順向導通元件的第二端與該第 一開關元件的第二端之間； 當該第一開關元件導通且該第二開關元件不導通時 ，該順向導通元件不導通，電流由該電源依序流經該第 一開關元件、該電容、該電感及該負载，而對該電感充 電，使流經該電感的電流逐漸上升；當該第二開關元件 導通且該第一開關元件不導通時，該順向導通元件被導 通’使電流由該電源流經該順向導通元件後分成兩路， 其中一路依序流經該電容及該第二開關元件，另一路依 序流經該電感及該負載’而流經該電感的電流逐漸下降 2.依據申請專利範圍第1項所述之升壓電路，其中，該順 13 1334686 向導通元件為二極體：且其第一端為p極，第二端為n 極。 3. 依據申請專利範圍第2項所述之升壓電路，其中，第一 及第一開關7L件的第—端與第二端之間更分別反向連接 一二極體。 4. 依據中請專利範圍帛3項所述之升壓電路，其中，該第 一及第一開關兀件皆為N型金氧半場效電晶體，而其閘 極則受控制以決定該第一及第二開關元件導通與否。 5•依據申請專利範圍第卜4項其中任一項所述之升壓電路 ，更包3濾波電容，具有一與該電感的第二端及該負 載電連接的第一端，及一接地的第二端。 、 6. 依據中請專利範圍第4項所述之升壓電路，其中，該第 :及第二開關元件的閘極係受一控制單元控制，該控制 單兀與該電感的第二端電連接，以根據該電感的第二端 之-回授訊號控制該第一及第二開關元件導通時間。 7. 依，f請專利範圍第6項所述之升壓電路，其中，該控 1單·"。括比較器、一場可程式閘陣列處理器及—閘 極驅動器。該比較器與該電感的第二端電連接，並由該 電感的第二端取得輸出電壓值以當成-回授訊號來與另 -參考電職作比較，比較之後該比較器會輸出一個方 波訊號’送到該場可程式閘陣列處理器做運算；該場可 程式閉陣列處理器根據此方波訊號算出該兩開關元件的 控制訊號’並藉此控制訊號驅動該聞極驅動器，而控制 該兩開關元件的導通時間。 14