TWI376866B - - Google Patents

Description

1376866 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於-種升壓轉換n，特別是指—種具有 負電壓輸出的升壓轉換器。 【先前技術】 隨著科技的進步’負電壓電源的應用與需求也越來越 多，例如：音訊放大器或電腦PCI(Peripherai㈤卿邮 Interconnect)卡等皆需要負電壓才能正常工作。 習知的負電壓電源可為-個直流/直流轉換器（dc/dc converter)，主要是應用於供電給車用電池或是手提式電子 八中升降壓型直流/直流轉換器（buck_b〇〇st Π:，適合低功率的應用，但是其中的功率開關卻不易 二因此，如何提供—個電路簡單、成本較低且實用性 同的_轉換器則為本案之發明重點。 【發明内容】 - 本發明之目的，即在提供—種電路簡單且提供 負電屋輸出的升星轉換器。 壓轉換=輪壓轉換器’用以對—輸入電壓進行升 電感、—I負電塵’其中包含：-功率開關、-儲能 出電容。 第一極體、一弟二二極體及一輸 工力率開關具有—接 儲能電感具有—接輸電壓的輸入端及-輸出端； 地的第二端.：^接於功率開關之輸出端的第一端及一接 儲能電容具有一耦接於功率開關之輸出端的 第-：及-第二端；第一二極體& p極耦接於儲能電容之 第ίΛ&且N極接地，第二二極體的N極輕接於儲能電容之 第端’輸出電谷具有一耦接於第二二極體之P極的第一 &及一接地的第二端。 當功率開關導通時，儲能電感、儲能電容及第一二極 體形成-充電迴路，使輸人電壓對儲能電感及儲能電容進 =儲能；反之’當功率開關不導通時，儲能電《、儲能電 容、第二二極體及輸出電容形成一放電迴路，使儲能電感 及储能電容對輸出電容釋能，且在輸出電容上產生負電 壓。 此外’本發明之另一目的，即在提供一種電路簡單且 成本較低的控制模組。 本發明控制模組’適合與一直流/直流轉換器⑴C脱 ⑶一)配合使用’該直流/直流轉換器具有一功率開關 該控制模組包含：—比㈣及-比例積分控制器。 . 較器用以將直流/直流轉換器的輸出電壓與一參考電 壓進行比較，並輸出-數位邏輯訊號；比例積分控制器根 據數位邏輯訊號產生L力率開關啟閉的控制訊號。 較佳地，控制模址還包含一耗接於直流/直流轉換器的 -輸出端與比較器之間的分壓器，用以根據一分壓比例將 輸出端的電壓進行分壓。 較佳地’控制她還包含_純於比例積分控制器與 直流/直流轉換器的功率開關之間的閘極驅動器，用以將控 制訊號轉換成足以驅動功率_的驅動訊號。 ，此外本發明之另一目的，即在提供一種電路簡單、 成本較低且提供一負電愿輸出的升⑽換裝置。 本發明升屡轉換裝置包含：一升麗轉換器及一控制模 組。其令，升屢轉換器包含：―功率開關、一储能電感、 -儲能電容、一第一二極體、一第二二極體及一輸出電 容。 ▲率開關具有-接收輸入電壓的輸入端及-輸出端； 此電感具彳耦接於功率開關之輸出端的第一端及一接 也端儲能電容具有一輕接於功率開關之輸出端的 第:端及-第二端；第一二極體的p極耗接於儲能電容之 第端且N極接地，第二二極體的N極輕接於儲能電容之 第二端；輸出電容具有一輕接於第二二極體之p極的第一 端及一接地的第二端。 當功率開關導通時，儲能電感、儲能電容及第一二極 體形成-充電迴路，使輸入電壓對儲能電感及儲能電容進 ㈣能；反之’當功率開關不導通時’儲能電感 '儲能電 容、第二二極體及輸出電容形成一放電迴路，使儲能電感 及儲能電容對輪出電容釋能，且在輸出電容上產生負電 壓。而控制模組用以根據升壓轉換器所輸出之負電壓對應 控制功率開關的啟閉。 ‘ 進一步地，控制模組的内部架構可如同上述控制模組 包含：一分壓器、-比較器、-比例積分控制器及一閘極 驅動器。 本發明之功效在於，可以提供一個電路簡單、成本較 1376866 低且實用性尚的負電壓電源。 【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一個較佳實施例的詳細說明中，將可 清楚的呈現。 參閱圖1，為本發明升壓轉換裝置之較佳實施例，該升 壓轉換裝置100用以對一輸入電壓γ進行升壓轉換以輸出一 負電壓，其中包含一升壓轉換器（Boost converter)1及一控 制模組2。 升壓轉換器1包括—功率開關之、一儲能電感I、一儲 舱電容、一第一二極體巧 '一第二二極體仏及一輸出電容 功率開關又為N型金氧半場效電晶體（N M〇s)並具有一 接收輸入電壓γ的輸入端1〇1及一輸出端1〇2，輸入電壓^ 所供應之電壓為5伏特，然而，功率開關U可為Ρ型金氧 半場效電晶體（P-MOS)。储能電感£具有一耗接於功率開關 I之輸出端1〇2的第-端103及—接地的第二端iQ4;_ 電容Q具有-耗接於功率開關&之輸出端ι〇2的第—端阳 及第一端1〇6。第一一極體巧具有一輕接於儲能電容Q之 第二端106的Μ 107及一接地的N極108 ;第二二極體β 具有一輕接於儲能電容β第二端1〇6 # Ν極ι〇9及—^ 極u〇。輸出電以。具有-爐第二二極體衫ρ極ιι〇的 第-端111’及一接地的第二端112，其十，輸出電容c。的 第一端111為升壓轉換器〗的輸出端。 6 接著’將詳細說明升壓轉換器1中各個元件的作動及 如何輸出負電壓’且在本實施例中，升壓轉換g i是操作 在連續導通模式（Continuous C〇nducti〇n M〇de , CCM),因 此升壓轉換^ 1將有兩個操作模式，以下將分別進行說 明。當然，升壓轉換器丨亦可操作在不連續導通模式 (Discontinuous Conduction Mode，DCM)或是邊界導通模式 (Boundary Conductl〇n M〇de ’ Bcm)，不以連續導通模式為 限。 。配Q參閱圖2 ’當功率開關心為導通狀態時，升壓轉換 器1進人帛操作模式：輪人電壓㈣始對儲能電感I及儲 能電容Q進行充電(儲能)，此時，第一二極體d，的？極1〇7 的電壓高於其N極刚的電壓而導通，第二二極體A會因 為其P極11〇的電壓低於其N極1〇9的電壓而截止。值得 一提的是’在第一操作媪十 保作模式下，儲能電容C；的跨電壓會被充 電至輸入電壓v;.。 模式 '丨'土 TT抓M i 賀•，一卿 充電路徑：第一路徑I盍鉍、_ 马輸入電壓V,.通過功率開關心及儲能 電感I至地；第二路和·< ττ去Μ 玉 為輸入電壓'通過功率開關心、儲 月b電容G及第一二極體β ,至地。二個路徑Ϊ及II的充電電 k方向如圖2之虛線所示， di 且符合以下方程式（1): Z—= V, dt ' c. !~h= dt (1) v<所輸出的電流 其中’ 為輸入電壓 V為通過儲能電感 Z的電流，V,.為儲能電容0所儲存的電壓，v。為升壓轉換器 1的輸出電壓，Λ。為跨接於輸出電容ς的-負載（圖未示）。 ，合參閱圖3,當功率開關夂為非導通狀態時，升壓轉 換器1進入第二操作模式：儲能電感！及儲能電容q對輸出 電容q進行充電，第二二極體_ ρ極11〇電塵高於其ν 極109的電愿，因此，第二二極體a為導通，而第一二極體 :因為其N極108電塵高於其？極1〇7電壓而截止。值得 -提的是’由於儲能電感£的瞬間電流方向不變，使得功率 開關&從導通狀態進人非導通狀態時，電感電U以逆時 針方向對輸出電容C。進行充電，如圖3之虛線方向所示。因 轉換器1為第—操作模式時，輸出電容c。同樣會 以逆時針的方向對負载進行放電。 々在第二操作模式下，升壓轉換器1只有-個充放電路 住，且會符合以下方程式（2) · vi~\ dt A, (2) h=-h 其中’ S為流經儲能電容q的電流。 整體來說，本實施例之升壓轉換器丨在第—操作模 下’利用輸出電容C。所儲存的能量供應負電壓輸第· =模=下，則是藉甴儲能電感续錯能電容q對輸出電; 。進仃充電。此外，透過功率 旱開關、的責任週期，， 綺入二可調整升麗轉換^ 1所輸出之負電壓K的大小 ”輸^電^與輸出電計。之關係會符合以下方程式（3): 1-Z) 一 — (3) 伏特，輸出電壓匕為、12 58.3%’其中’輪出電 在本實施例中，輸入電壓γ為5 伏特，故功率開關又的貴任週期^為 壓K是取絕對值進行運算。 此外，在本實施例中，升壓轉換器1的規格如下： (1) 輸入電壓γ為5V ; (2) 輸出電壓匕為12v(取絕對值）； (3) 輸出功率&㈣為24w ; (4) 功率開關\的開關頻率為195kHz ; ⑺升壓轉換器i操作在連續導通模式下的最小輪出功 率為3.6W ;及 (6)最大峰對峰（peak_t〇_peak)輸出電壓的連波⑴卯⑹ △v。為60mV。（以上單位v :伏特，w :瓦特） 接著，配合上述規格，針對儲能電感£、儲能電容&及 輸出電容ς進行設計。在本實施例中，儲能電容q會符合下 列方程式（4): 值得一提的是，儲能電容Cfc符合方程式（4)需有以下 點假設： ⑴在第一操作模式下，儲能電容C6維持一個常數電 壓’其常數電壓為輸入電壓γ ; (ii)储能電容在充電及放電之間所產生的能量誤差ε 為0.1% ;及 (111)在不同的負載下’輸入功率皆等於輪出功率。 因此，帶入所有規格參數的數值’可得儲能電容為 1376866 855pF。換言之’儲能電容〇：6的數值只要大於855gF即可， 而本實施例是設計為1 ΟΟΟμΡ，但不以此為限。 而且，儲能電感I及輸出電容C；則是分別符合下列方程 式（5)及（6): r κ2·ο-^ϋ 2 * 尸α-min /i ^ °~(l-D)V0Av0 ⑹ 同樣地，帶入所有規格參數的數值，可得儲能電感£及 輸出電容Q的最小值分別為7·4μΗ及1560pF。本實施例是 分別設計為1〇μΗ及2200μΡ。 再參閱圖1 ’本實施例之控制模組2包含一分壓器 (voltage divider)21、一 比較器（comparator)22 ' 一比例積分 (Proportional Integra卜 PI)控制器 23 及一閘極驅動器（gate driver)24 〇 分壓器21耦接於升壓轉換器1的輸出端（即輸出電容c。 的第一端111)，用以接收輸出電壓匕，並且根據一分壓比例 將其進行分壓，此外，為了使邏輯電路正常運作，分壓器 21還會將輸出電壓κ轉換成正電壓輸出。比較器22麵接於 分壓器21’用以接收分壓器21的輸出電壓，並與一參考電 壓相互比較而輸出一數位邏輯訊號，即邏輯丨及邏輯〇所 組成之資料流（data stream);比例積分控制器23耗接於比較 器22，用以根據數位邏輯訊號輸出一控制訊號，以決定功 率開關又的責任週期Z);閘極驅動器24耦接於比例積分控 制器23，用以將控制訊號轉換成足以驅動功率開關$啟閉 10

Claims (1)

1. ,1376866 1Φ1. 8 .^' ϋ- 年月日修正替換頁 第〇98丨2〇6丨〇號專利申請案發明專利補充、修正無劃線之說明書替換I : 101年8月 七、申請專利範圍： 1. 一種升壓轉換器，用以對一輸入電壓進行升壓轉換以輸 出一負電壓，該升壓轉換器包含： 一功率開關，具有一接收該輸入電壓的輸入端及一 輸出端； 一儲能電感，具有一耦接於該功率開關之輸出端的 第一端及一接地的第二端； 一儲能電容，具有一耦接於該功率關關之輸出端的 第一端及一第二端； 一第一二極體，其Ρ極耦接該儲能電容之第二端， 其Ν極接地； 一第二二極體，其Ν極耦接該儲能電容之第二端； 及 一輸出電容，其一第一端與該第二二極體之Ρ極耦 接，其一第二端接地，該功率開關導通時，該儲能電 感、該儲能電容及該第一二極體形成一充電迴路，使該 輸入電壓對該儲能電感及該儲能電容進行儲能，該功率 開關不導通時，該儲能電感、該儲能電容、該第二二極 體及該輸出電容形成一放電迴路，使該儲能電感及該儲 能電容對該輸出電容釋能，且在該輸出電容上產生該負 電壓。 2. 依據申請專利範圍第1項所述之升壓轉換器，其中，該 儲能電容的容值與該升壓轉換器的輸出功率呈正比，且 與該儲能電容在儲能與釋能之間所產生的能量誤差、該 14 132^Μ^ι 。曰修正替換頁I伽細細I㈣咖職'㈣版㈣咖胃:⑼年8月 輸入電壓、該負電壓、該功率開關的切換頻率及該 開關的責任週期呈反比。 Λ 平 3·依據申請專利範圍第！項所述之特轉換器，1中1 儲能電感的感值與該負電壓的平方呈正比，且與該^ 轉換器的最小輪出功率、該功率開關的切換頻率：該： 率開關的責任週期的三次方呈反比。 μ工 4.依攄申請專利範圍帛丨項所述之升壓轉換器，其中，士 輸出電容的容值與該該升壓轉換器的最小輪出功、率呈: 比’且與該負電壓、該負電壓的連波電 的責任週期呈反比。 力羊開關 5. 種升壓轉換裝置，包含： 一升壓轉換器，包括 一功率開關，具有一接收—+ ρ 刀私一 ㈣輸入電壓的輪入端 及一輸出端， 响 一儲能電感，具有一耦接於該 端的第一端及一接地的第二端，革開關之輪出 —儲能電容’具有一輕接於該功率開關之輸出 糕的第一端及一第二端， 輸出 端 -第-二極體’纟Ρ極耦接該儲能電容之 其Ν極接地， 乐— 端，及 —輸出電容，其一第一端與該一 JL-ς . ^ — ~* 極體 fP 。轉接’其-第二端接地’該功率開關導通時，該 -第二二極體’ # Ν極㈣該儲能電容之第二 15 1376866 年月日修正替換頁 L----1第098120610號專利申請案發明專利補充、修正無刻線之說明書替換頁：101年8月 儲此電感、該儲能電容及該第一二極體形成一充電 迴路，使該輸入電壓對該儲能電感及該儲能電容進 行儲能，該功率開關不導通時，該儲能電感、該儲 能電容、該第二二極體及該輸出電容形成一放電迴 使該儲此電感及該儲能電容對該輸出電容釋 且在該輸出電容上產生該負電壓；及 一控制模組，根據該負電壓對應控制該功率開關的 啟閉。 6. 依據申請專利範圍第5項所述之升壓轉換裝置，其中， 控制模組包括一比較器及一比例積分控制器，該比較器 :較該輸出電容的電壓與一參考電塵，並輸出一數位邏 輯訊號，該比例積分控制器根據該數位邏輯訊號產生一 控制該功率開關啟閉的控制訊號。 7. 依據申請專利範圍第6項所述之升壓轉換裝置，其中， 控制模組還包括一耦接於該升壓轉換器與該比較器之間 的分壓器，該分壓器根據一分壓比例將該輸出端的電壓 進行分壓。 8. 依據申請專利範圍第6或7項所述之升壓轉換裝置，其 中，控制模組還包括一耦接於該比例積分控制器與該升 壓轉換器之間的閘極驅動器，用以將該控制訊號轉換成 足以驅動該功率開關的驅動訊號。 9. 依據申請專利範圍第5項所述之升壓轉換裝置，其中， 該儲能電容的容值與該升壓轉換器的輸出功率呈正比， 且與該儲能電容在儲能與釋能之間所產生的能量誤差、 16 1376866 :01·1: 3 0 - 年月日修正替換頁 第觀2關號專利申請案發明專利補充、修正無刻線之說明書替換頁⑼年8月 該輸入電壓、該負電壓、該功率開關的切換頻率及該功: 率開關的責任週期呈反比。 / 10.依射料利範圍第5項所述之升壓轉換裝置，其中， 該儲能電感的感值與該負電壓的平方呈正比且與該升 壓轉換器的最小輸出功率、該功率開關的切換 功率開關的責任週期的三次方呈反比。 - 11.依據申請專利範圍第 項所述之升壓轉換裝置，其中， 該輸出電容_ ήίι 55* ,:¾. y· 的夺值與該該升壓轉換器的最小輸出功率呈 正比’且盘号Γ鱼添》阳_ /、V員电壓、該負電壓的連波電壓及該功 關的責任週期呈反比。 17 1001376866 101. θ.-8-e- 年月日修正替換頁 八、圖式： 厂 L 厂 L

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   2 圖 ΐψ·Ι^ I 年月曰修正替換頁 第〇9812〇61〇號專利申諳案發明專利補充、修正無劃線之說明書替換頁：101年8月 ---—:~ .四、指走代表圖： .......(^-)本案指定代表圖為：圖（1 )。 (二）本代表圖之元件符號簡單說明： 100… ••…升壓轉換裝置 109··· …·Ν極（第二二極體） 1....... …··升壓轉換器 110… ••…Ρ極（第二二極體） 101… ••…輸入端 111… •…第一端（輸出電容） 102… ••…輸出端 112… •…第一端（輸出電容） 103… •…第一端（儲能電感) 2…… •…·控制模組 104… •…第二端（儲能電感） 21·.··· ••…分壓器 105… •…第一端（儲能電容） 22•…· ••…比較器 106… •…第二端（儲能電容） 23•.… …··比例積分控制器 107… ••…P極（第一二極體） 24••… ••…閘極驅動器 108… ••••N極（第一二極體） 五、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：