TWI334686B - - Google Patents
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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)
- 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
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