TWI343695B - - Google Patents

Description

1343695 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種升降壓轉換器，特別是指一種直 流電壓轉直流電壓的升降壓轉換器。 【先前技術】 現今的電子設備，例如PDA' Mp3咖州等可播式設 備或汽車的電子設備，它們所需的電源電壓各自不同因 此都需要電壓轉換器來將電池電壓轉換成所需的電源電壓 〇 隔離式的升降壓轉換器有相當多種類，例如buck b〇〇st 轉換器、Cuk轉換器、SEPIC轉換器、轉換器等以 buck-boost轉換器來說，它工作於連續導通模式（ccm， Continuous Current Mode)時有右半平面零點（〇ne right haif plane zero)，致使它的控制器參數較難設計，穩定性也較差 ’而且負載暫態響應較慢。 另外如Cuk轉換器、SEPIC轉換器、2咖轉換器它 們不只有上述buck-boost轉換器的缺點，而且還需要兩個 電感來實現電路，如此多增加了轉換器的體積。 【發明内容】 因此，本發明之目的，即在提供一種暫態響應快且輸 出漣波小的升降壓轉換器。 於是，本發明升降壓轉換器是電連接於一電源及一負 載之間’包含一順向導通元件、一第一開關元件、一電感 、一第二開關元件'一第三開關元件、一第一電容、一第 5 1343695 四開關元件及一第二電容。 m向導通几件具有_與該電源電連接的第一端，及一 第二端。 1關元件具有一與該順向導通元件的第二端電連 接的第$ —第二端，及-與該順向導通元件的第-端 電連接的第三端。 電感具有一與該第一開關元件的第二端電連接的第一 端，及-與該負載電連接的第二端。 第二開關元件，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。 第二開關元件具有一與該第二開關元件的第二端電連 接的第一端，及一接地的第二端。 第一電容是電連接於該順向導通元件的第二端與該第 二開關元件的第二端之間。 第四開關元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。 第二電容具有與該負载的兩端電連接的一第一端及一 第二端。 當第二開關元件導通且該第三、第四開關元件不導通 時’該順向導通元件不導通’而該第一開關元件導通，使 得電流由該電源依序流經該第二開關元件、該第一電容及 該第一開關元件而對該電感及該第二電容充電；當第二開 關元件不導通且該第三、第四開關元件同時導通時，該順 向導通元件被導通’而該第一開關元件不導通，使得電流 6 1343695 由該電源依序流經該順向導通元件、該第—電容及該第三 開關7L件而對該第—電容充電，並使該電感產生一反電動 勢向該第二電容充電。 【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 以下配合參考圖式之—個較佳實施例的詳細說明中，將可 清楚的呈現。 參閱圖1，本發明升降壓轉換器100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 給的直流電壓V'n轉換成另-個直流輸出電壓V〇ut而施加於 負載92上。本實施例升降壓轉換器1〇〇包含一順向導通元 件卜一第一開關元件2、一電感3、一第二開關元件4、 -第三開關元件5、-第一電容6、一第四開關元件7及一 第一電容8。上述的元件皆具有一第一 端 11 、 21 、 31 41、 51 71 81 及一第二端 、22、32、42 ' 52、72、82。（但 第一電容6之兩端未編號）

順向導通元件1的第一端u是與電源91電連接，其第 二端12是與第一開關元件2的第一端21 f連接。在本實 施例中順向導通元件1為—極體，如飛輪二極體，且其 第一端11為p極，第二端12為η極。 第開關元件2的第二端22是與電感3的第一端31 相連，其還具有—與順向導通元件i的第一端η電連接的 第三端23 °在本實施例中，第m件2為Ρ型金氧半 場效電晶體（P.MOS)，其第三端23為閘極，第一端21為源 7 第22為汲極，第一端2i與第二端22之間更反向 運接一個二極體〇 體9’以利未導通時放電之用。 電感3的第二端32是與負載92電連接，且盥第-電 容8的第一踹上 ，、乐一電 81相連，而第二電容8的第二端82為接地 且與負載92電迷接。 第-開關tl件4與第三開關元件$為串接，其中，第 -一開關元件4的·^ *1» 的第一知4丨與順向導通元件1的第一端u電 、 "第一端42與第三開關元件5的第一端51電連接 ’而第三開關元件5的第二端52則是接地。在本實施例中 :第二、第三開關元件4、5皆為N型金氧半場效電晶體 _M〇S)，其第—端41、51皆為源極，第二端42、52皆為 /及極’且皆具有—為閘極的第三$ 43、53，其閘極皆受一 個控制電路"控制’以決定第二、第三開關元件4、5的 導通與否。另外’它們的第一端41、51與第二端I” 之間皆分別反向連接-個二極體9,以利未導通時放電之用 。而在第二開關元# 4與第三開關元件5的串接處電連接 有-個第-電容6,第-電容6的另—端則電連接於順向導 通元件1的第二端12。 -山第四開關it件7的第-端71是與第—開關元件2的第 端22電連接，其第二端72接地，如同第二、第三開關 元件4、5’第四開關元件7也是㈣金氧半場效電晶體， 其第-端7!為源極，第二端72為汲極，另具有一為閘極 的第三端73 ’此閘極也受控制電路99控制以決定第四開 關元件7的導通與否。另外，它的第…i與第二端72 1343695 之間也反向連接一個二極體9，以利未導通時放電之用。 參閱圖2，圖中的箭頭方向為電流的流動方向，假設第 —電容6上已具有一等於輸入電壓vin的跨壓，此時由控制 電路99輸出脈寬調變（PWM)訊號導通第二開關元件4且使 第二、第四開關元件5、7不導通時，由於第一電容6的跨 壓為電源91的輸入電壓Vin且第二開關元件4的兩端41、 42間無壓差，所以第一開關元件2的第一端21 (源極）與第 二編23(閘極）間的壓差等於第一電容6的跨壓，第一開 關7L件2因此被導通。電流由電源91依序流經第二開關元 件4、第一電容6及第一開關元件2而對電感3及第二電容 8充電，以提供輸出電壓V〇ut給負載％。下面以交流小訊 號分析電感3的跨壓及流經第二電容8的電流：電感3的 第一端31的電壓為第-電容6的跨壓〜加上電源91輸入 電壓νιη(即2vln)’其第二端32的電壓為輸出電壓、…所 以得到電感3的跨壓為Lf =、'···⑴，其中，L為 電感3的值；而流經第二雷玄s 弟更奋8的電流為流經電感3的電 流減去流經負載92的電流，即⑽· v。， = · · · (2)，其中 ，C為第二電容8的值，r為負恭 、戟92的值，i為流經電感3 的電流。 參閱圖3’圖中的箭頭方向為電流的流動方向，此時由 9 1343695 控制電路99輸出脈寬調變（PWM)訊號導通第三、第四開關 5、7元件且使第二開關元件4不導通，此時順向導通元件 1被導通，所以第一開關元件2的第一端21 (源極）與第三端 23(閘極）間的壓差為零，第一開關元件2因此不導通。電流 由電源91依序流經順向導通元件1、第一電容6及第三開 關元件5而對該第一電容6充電，同時電感3因為第一開

關元件2被關閉而產生一反電動勢向第二電容8持續充電 °。下面同樣以交流小訊號分析電感3的跨壓及流經第二 電容8的電流：由於第四開關元件7導通，所以電感3兩 端的跨壓就等於負的第二電容8的跨壓（即負的輸出電壓）， 即-vout，所以得到電感3的跨壓為· ·（3);而流 經第二電容8的電流與前述計算方式相同，即^ · dt ~ ·Τ

• ·⑷。 又第二開關元件4的導通週期為D，則第三、第四開 :元件5、7的導通週期就是i_D，由於第一開關元件“ 衡=元件4同步，所以其導通週期也是D。根據伏秒平 到直電量等於其放電量)及(1)(2)(3⑽ v V,n與直流輸出電壓、間的關係： 。我n=2D。由於導通· D的大小是介於q跟 Μ可以得知輪出電壓與輸入電壓的比是介於 ’另外，當導通週期D大於。.5時，此時2D大於= 10 1343695

是升壓’相反地’當導通週期D小於0.5時，2D小於卜 此時為降壓。 、 圖4為四個開關元件2、4、5、7的第三端Μ、” 、73 (閘極）的驅動訊號，其中f . 现具甲(a)為第二開關元件4的間極 驅動㈣’ (b)為第三開關元# 5的間極驅動訊號⑷為第 -開關元件2的閘極驅動訊號’⑷為第四開關元件7 極驅動訊號。由圖中可看出’ (b)⑷的訊號是同步的表：

第三、第四開關元# 5、7是同時導通同時關閉；另外： ⑷⑷的訊號是同步的，因為第—開關元件2是p_M〇s，第 二開關元件4 | N_M0S，所以兩者的閘極驅動訊號的高低 電位恰好相反，當⑷圖是高電位時，（b)圖則是低電位，如 此也表示第-、第二開關元件2、4是同時導通同時關閉的

參閱圖5,圖中⑷為電感3的跨壓圖形，（b)為流經電 感3的電流圖形，（c)為第一電容6的跨壓圖形，（幻為流經 第一電容6的電流圖形。由（b)可以觀察到，流經電感3的 電流是連續導通模式（Continuous Current Mode，CCM)，所 以證實本升降壓轉換器1 〇〇係工作於連續導通模式。 參閲圖6與圖7，在輸入電壓為i〇V的情況下圖 所示為加載致能訊號’（b)所示為空載至滿裁的輸出電壓暫 態波形，圖7(a)所示為卸載致能訊號，（b)所示為滿載至介 載的輸出電壓暫態波形；由圖中可以觀察到，輸出電壓暫 態回復時間相當的短。再參閱圖8與圖9，此兩圖是在輸入 電壓為16V的情況下所量測，其（a)(b)圖形的意義是與圖6 11 1343695 電=的相同’故不賛述，，圖中同樣可以觀察到，輪出 電壓暫態回復時間相當的短。 θ綜上所述，本發明結構簡單，相當易於實現且由於 =工作在連續導通模式，所以輸出電壓㈣波可以大大減 小，即使輸入電壓的變動較大也能壓制住輸出電壓的漣波 大小’再者’由圖6〜圖9也可證實其輸出電壓暫態回復時 間相當的短’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 能以此限定本發明實施之範圍’即大凡依本發明中請專利 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疋電路示意圖，說明本發明的一較佳實施例電 連接於一電源及一負載之間； 圖2是一電路示意圖，說明該較佳實施例的電流流向

圖3是一電路示意圖，說明該較佳實施例的電流流向 t 圖4疋一不意圖，說明第一、第二、第三、第四開關 元件的第三端（閘極）的驅動訊號； 圖5是一不意圖’說明電感及第一電容的電壓、電流 圖形； 圖6是一不意圖’說明輸入電壓為10V時，輸出電壓 的暫態波形（加載時）； 12 ^43695

圖7是—示意圖，說明輸入電壓為10V時，輸出電壓 的暫態波形（卸栽時）； 圖8是一示意圖，說明輸入電壓為16V時，輸出電壓 的暫態波形（加栽時）；及 圖9是一示意圖，說明輸入電壓為16V時，輸出電壓 的暫態波形（卸栽時）。 S ) 13 1343695 【主要元件符號說明】 1 順向導通元件 51 第一端 11 第一端 52 第二端 12 第二端 53 第三端 100 升降壓轉換器 6 第一電容 2 第一開關元件 7 第四開關元件 21 第一端 71 第一端 22 第二端 72 第二端 23 第三端 73 第三端 3 電感 8 第二電容 31 第一端 81 第一端 32 第二端 82 第二端 4 第二開關元件 9 二極體 41 第一端 91 電源 42 第二端 92 負載 43 第三端 99 控制電路 5 第三開關元件 14

Claims (1)

1343695 十、申請專利範圍： .種升降壓轉換器，電連接於—電源、及〆負載之間該 升降壓轉換器包含： 一順向導通元件，具有—斑兮咖 * -I* /Λ 丁 丹另興忒電源電連接的第一端 ’及一第二端； 一第一開關7〇件，具有一與該順向導通元件的第二 端電連接的第一端、一第二端’及一與該順向導通元件 的第一端電連接的第三端； 電感，具有一與該第一開關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； 一第二開關元件，具有一與該順向導通元件的第一 %電連接的第一端，及一第二端； 一第三開關元件，具有一與該第二開關元件的第二 端電連接的第一端，及一接地的第二端. 一第一電容’電連接於該順向導通元件的第二端與 該第二開關元件的第二端之間； 一第四開關元件’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 一第二電容，具有與該負載的兩端電連接的一第一 端及一第二端； 當第二開關元件導通且該第三、第四開關元件不導 通時，該順向導通元件不導通，而該第一開關元件導通 ，使得電流由該電源依序流經該第二開關元件、該第一 電容及該第一開關元件而對該電感及該第二電容充電； 15 !343695 當第二開關元件不導通且該第三、第 乐四開關7L件同時導 通時，該順向導通元件被導通，而嗲坌 叩"茨第一開關元件不導 通，使得電流由該電源依序流經該觸向導通元件、該第 -電容及該第三開關元件而對該第一電容充電，並使該 電感產生一反電動勢向該第二電容充電。 2·依據申請專利範圍第1項所述之升降壓轉換器，其中， 該順向導通元件為二極體’且其第一端4 PS,第二端 為η極。

壓轉換器，其中， 端與第二端之間更 3.依據申請專利範圍第2項所述之升降 έ玄第一、第三及第四開關元件的第_ 分別反向連接一二極體。 4.依據巾請專利範圍第3項所述之升降壓轉換器，盆中， 該第二、第三及第四開關元件皆為Ν型金氧半場效電晶 體’而其閘極則受控制以決定該第二、第三及第四開關 元件導通與否。 5. 依據中請專利範圍帛μ㈣中任—項所述之升降壓轉 換器’其中，該第-開關元件為ρ型金氧半場效電晶體 ’其第二端為閘極，第一端為源極二 6. 依據申請專利範圍第5項所述之升降壓轉換器，其中， 該第-開關元件的第—端與第二端之間更反向連接一二 極體。 7. 依射請專利範圍第6項所述之升降壓轉換器，其輸出 電壓與輸入電壓的比介於0到2之間。 8. 依據f請專利_第7項所述之升降壓轉換器，其係工

16 5 1343695 作於連續導通模式（CCM)。 .5時 當該第 該 9.依據申請專利範圍第1項所述之升降壓轉換器，其中， 當該第一開關元件和第二開關元件的導通週期大於 時，該升降壓轉換器的輸出電壓大於輸入電壓於 -開關元件和第二開關元件的導通週期小於：， 升降歷轉換器的輸出電麼小於輪入電厘。、.

(：£ 17