TWI392206B - Step-up conversion device and step-up conversion circuit - Google Patents
Step-up conversion device and step-up conversion circuit Download PDFInfo
- Publication number
- TWI392206B TWI392206B TW99101773A TW99101773A TWI392206B TW I392206 B TWI392206 B TW I392206B TW 99101773 A TW99101773 A TW 99101773A TW 99101773 A TW99101773 A TW 99101773A TW I392206 B TWI392206 B TW I392206B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- voltage
- coupled
- power switch
- diode
- capacitor
- Prior art date
Links
Landscapes
- Dc-Dc Converters (AREA)
Description
本發明是有關於一種升壓轉換電路，特別是指一種可提供負電壓輸出的升壓轉換電路。
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：車用電池、可攜式電子裝置、運算放大器、比較器、音訊放大器或電腦PCI(Peripheral Component Interconnect)卡等皆需要負電壓才能正常工作。
邱克型轉換器(Cuk Converter)是一種習知可提供負電壓輸出的轉換器，但由於其開關為浮接，導致驅動電路設計不易，且效率不高。另外，如公開論文”Negative output multiple-lift push-pull SC Luo-converters,”IEEE ESC’03,vol. 4,pp. 1571-1576,2003.，揭示一種具負電壓輸出的羅式轉換器(Luo Converter)，其中係藉由電荷幫浦(Charge Pump)以推挽式(push-pull)的方式使兩功率開關相互作動，如此架構只適用於小瓦特數的應用，若需要得到較高的負電壓輸出，則電容與功率開關的數量需要相對增加，因而增加電路成本。
因此，本發明之目的，即在提供一種電路簡單且可提供一高功率負電壓輸出的升壓轉換電路。
於是，本發明升壓轉換電路，用以對一電壓源所輸出的一輸入電壓進行升壓轉換以輸出一負電壓，該升壓轉換電路包含：一儲能電感、一功率開關、一儲能電容、一第一二極體、一第二二極體及一輸出電容。
儲能電感具有一接收電壓源所輸出之輸入電壓的第一端及一第二端；功率開關具有一耦接於儲能電感之第二端的第一端及一第二端；儲能電容具有一耦接於儲能電感之第二端的第一端及一第二端；第一二極體的陽極耦接該儲能電容之第二端，且第一二極體的陰極耦接於功率開關的第二端；第二二極體的陰極耦接儲能電容之第二端；輸出電容具有一耦接於第二二極體之陽極的第一端及一耦接於該功率開關之第二端的第二端，當功率開關不導通時，儲能電感對儲能電容釋能，而當功率開關導通時，電壓源對儲能電感儲能，且儲能電容同時對輸出電容釋能，並在輸出電容上產生負電壓。
較佳地，當功率開關不導通時，儲能電感對儲能電容釋能，使儲能電容儲能至與負電壓相同之電壓值。
此外，本發明之另一目的，即在提供一種全數位控制的升壓轉換裝置。
於是，本發明升壓轉換裝置包含一升壓轉換電路及一控制電路。該升壓轉換電路包括一儲能電感、一功率開關、一儲能電容、一第一二極體、一第二二極體及一輸出電容。
儲能電感具有一接收一電壓源所輸出之一輸入電壓的第一端及一第二端；功率開關具有一耦接於儲能電感之第二端的第一端及一第二端；儲能電容具有一耦接於儲能電感之第二端的第一端及一第二端；第一二極體的陽極耦接該儲能電容之第二端，且第一二極體的陰極耦接於功率開關的第二端；第二二極體的陰極耦接儲能電容之第二端；輸出電容具有一耦接於第二二極體之陽極的第一端及一耦接於該功率開關之第二端的第二端，當功率開關不導通時，儲能電感對儲能電容釋能，而當功率開關導通時，電壓源對儲能電感儲能，且儲能電容同時對輸出電容釋能，並在輸出電容上產生負電壓。
控制電路包括一比較器及一比例積分控制器，比較器比較輸出電容的電壓與一參考電壓並輸出一數位邏輯訊號；比例積分控制器根據該數位邏輯訊號產生一控制功率開關啟閉的控制訊號。
較佳地，控制電路還包括一耦接於升壓轉換電路與比較器之間的分壓器，該分壓器根據一分壓比例將輸出電容的電壓進行分壓。
較佳地，控制電路還包括一耦接於比例積分控制器與升壓轉換電路之間的閘極驅動器，用以將控制訊號轉換成足以驅動功率開關的驅動訊號。
本發明之功效在於，可以提供一個電路簡單、穩定度高的負電壓電源。
有關本發明之前述及其他技術內容、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包含一升壓轉換電路1及一控制電路2，藉由控制電路2的控制，使得升壓轉換電路1提供一負電壓V o
輸出至一負載R o
。
升壓轉換電路1包括有一儲能電感L
、一功率開關S w
、儲能電容C b
、一第一二極體D f
、一第二二極體D b
及一輸出電容C o
。
儲能電感L
具有一耦接於一電壓源10並接收該電壓源10所輸出的一輸入電壓V i
的第一端101及一第二端102；功率開關S w
為N型金氧半場效電晶體(N-MOS)，其汲極103耦接於儲能電感L
之第二端102，然而，功率開關S w
亦可為P型金氧半場效電晶體(P-MOS)。儲能電容C b
具有一耦接於儲能電感L
之第二端102的第一端105及一第二端106；第一二極體D f
的陽極107耦接儲能電容C b
之第二端106，且第一二極體D f
的陰極108耦接於功率開關S w
的源極104；第二二極體D b
的陰極109耦接儲能電容C b
之第二端106；輸出電容C o
具有一耦接於第二二極體D b
之陽極110的第一端111及一耦接於功率開關S w
的源極104的第二端112，其中，輸出電容C o
的第一端111為升壓轉換電路1的輸出端，而負載R o
則並聯於輸出電容C o
。
在本實施例中，升壓轉換電路1可操作於連續導通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)、不連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)及邊界導通模式(Boundary Conduction Mode，BCM)其中之一，以下將以升壓轉換電路1操作於連續導通模式下，詳細說明其中各個元件的作動及如何輸出負電壓V o
。
配合參閱圖2，當功率開關S w
為導通狀態時，電壓源10及儲能電感L
相互串聯而形成一第一迴路I，電壓源10會以輸入電壓V i
對儲能電感L
進行儲能，使得儲能電感L
上的跨壓
其中，i i
為輸入電壓v i
所輸出的電流。由於儲能電感L
經由輸入電壓V i
的激磁，使得第一二極體D f
因反向偏壓而進入截止狀態，且第二二極體D b
因順向偏壓而進入導通狀態，此時，儲能電容C b
、輸出電容C o
及負載R o
形成一第二迴路II，儲能電容C b
同時對輸出電容C o
及負載R o
釋能，以提供輸出電容C o
及負載R o
所需的能量，而二個路徑I及II的電流方向如圖2之虛線所示，且流經輸出電容C o
的電流i c
為
配合參閱圖3，當功率開關S w
為不導通狀態時，輸入電壓v i
所輸出的電流i i
會通過儲能電感L
對儲能電容C b
充電，因此，第一二極體D f
會因順向偏壓而導通，第二二極體D b
則因逆向偏壓而進入截止狀態，使得電壓源10、儲能電感L
及儲能電容C b
相互串聯而形成一第三迴路III，輸出電容C o
及負載R o
形成一第四迴路IV，在第三迴路III中，電壓源10及儲能電感L
會同時對儲能電容C b
進行釋能，其電流方向如圖3之虛線所示，使得儲能電容C b
被充電至與輸出負電壓v o
相同的電壓，且儲能電感L
兩端的跨壓為
同時，在第四迴路中，輸出電容C o
會對負載R o
進行釋能，並在負載R o
上產生負電壓v o
，且流經輸出電容C o
的電流i c
為
特別說明的是，當功率開關S w
為不導通狀態時，電壓源及儲能電感L
係以順時針方向對儲能電容C b
進行儲能，如圖3之第三迴路III的虛線方向所示，故儲能電容C b
的第一端105電壓會大於儲能電容C b
的第二端106電壓。因此，當功率開關S w
為導通狀態時，儲能電容C b
則係以逆時針方向對輸出電容C o
釋能，如圖2之第二迴路II的虛線方向所示。同樣地，儲能電容C b
係以逆時針方向對輸出電容C o
進行充電，則輸出電容C o
的第二端112電壓會大於輸出電容C o
的第一端111電壓，故當功率開關S w
再度切換為不導通狀態時，輸出電容C o
會以逆時針方向對負載R o
釋能，以在負載R o
上產生負電壓v o
。
因此，整體來說，本實施例之升壓轉換電路1在功率開關S w
為不導通狀態時，利用輸出電容C o
所儲存的能量供應負電壓v o
輸出；在功率開關S w
為導通狀態時，則是藉由儲能電容C b
所儲存的能量供應負電壓v o
輸出。此外，由於儲能電感L
的跨壓在穩態時需要符合伏秒平衡(Volt-Second Balance)，故由上述(1)至(4)式，可得出升壓轉換電路1的電壓轉換比為
其中，D
為功率開關S w
的責任週期(duty cycle)。
再參閱圖1，本實施例之控制電路2包含一分壓器(voltage divider)21、一比較器(comparator)22、一比例積分(Proportional Integral，PI)控制器23及一閘極驅動器(gate driver)24。
分壓器21耦接於升壓轉換電路1的輸出端(即輸出電容C o
的第一端111)，用以接收輸出電壓V o
，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V o
轉換成正電壓輸出。比較器22耦接於分壓器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1及邏輯0所組成之資料流(data stream)。在本實施例中，比例積分控制器23係應用場效可規劃邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)，且耦接於比較器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S w
的責任週期D
。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S w
啟閉的驅動訊號。
也就是說，分壓器21接收升壓轉換電路1的輸出電壓V o
，透過比較器22比較後傳送至比例積分控制器23，比例積分控制器23根據輸出電壓V o
產生下一週期的功率開關S w
的責任週期D
，以維持輸出電壓V o
為-12伏特。值得一提的是，本實施例之比較器22利用輸出電壓V o
與參考電壓進行多次比較，而產生串列式的控制訊號(即資料流)，以取代類比數位轉換器(Analog-to-Digital Converter，ADC)。
參閱圖4，為升壓轉換裝置100利用模擬軟體Ispice所產生的模擬結果，其中波形由上至下分別為閘極驅動器24所輸出的驅動訊號M 1
、升壓轉換裝置100的輸出電壓V o
、儲能電容C b
的跨電壓V b
，及流經儲能電感L
的電流i L
。此外，輸出電壓V o
是以正電壓來表示(絕對值)。
由圖4可知，升壓轉換裝置100透過控制電路2的控制，適當地調整功率開關S w
的責任週期，使得輸出電壓V o
維持一個固定的12伏特(負)電壓輸出，且輸出電流為1安培，而驅動功率開關S w
啟閉的驅動訊號之振幅為20伏特，儲能電容C b
的跨電壓V b
會維持在12伏特。圖5則為圖4之實際量測的波形圖。
參閱圖6，為升壓轉換裝置100利用模擬軟體Ispice所產生的模擬結果，其中的設定大致圖4相同，不同的是輸出電流為2安培。同樣的，輸出電壓V o
會保持12伏特的電壓，驅動功率開關S w
啟閉的驅動訊號之振幅為20伏特，儲能電容C b
的跨電壓V b
仍維持在12伏特。而圖7則為圖6之實際量測的波形圖。
綜上所述，本發明升壓轉換裝置100藉由升壓轉換電路1及控制電路2相互配合而產生一固定的負電壓輸出，且整體的電路架構較習知技術簡單。此外，整個控制電路2皆是利用數位的方式實現，可改善輸出電壓V o
隨著溫度變化或是控制電路2中元件的老化等因素所產生的誤差，以增加系統的穩定度。
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，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內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內。
100‧‧‧升壓轉換裝置
1‧‧‧升壓轉換電路
10‧‧‧電壓源
101‧‧‧儲能電感的第一端
102‧‧‧儲能電感的第二端
103‧‧‧功率開關的汲極
104‧‧‧功率開關的源極
105‧‧‧儲能電容的第一端
106‧‧‧儲能電容的第二端
107‧‧‧第一二極體的陽極
108‧‧‧第一二極體的陰極
109‧‧‧第二二極體的陰極
110‧‧‧第二二極體的陽極
111‧‧‧輸出電容的第一端
112‧‧‧輸出電容的第二端
2‧‧‧控制電路
21‧‧‧分壓器
22‧‧‧比較器
23‧‧‧比例積分控制器
24‧‧‧閘極驅動器
圖1是一電路圖，說明本發明升壓轉換裝置之較佳實施例；
圖2是一充放電路徑圖，說明當功率開關為導通狀態時，升壓轉換電路的充放電狀態，其中，電壓源及儲能電感L
形成第一迴路I，儲能電容C b
、輸出電容C o
及負載R o
形成第二迴路II；
圖3是一充放電路徑圖，說明當功率開關為不導通狀態時，升壓轉換電路的充放電狀態，其中，電壓源、儲能電感L
及儲能電容C b
形成第三迴路III，輸出電容C o
及負載R o
形成第四迴路IV；
圖4是一模擬圖，說明閘極驅動器24所輸出的驅動訊號M 1
、升壓轉換裝置100的輸出電壓V o
、儲能電容C b
的跨電壓V b
，及流經儲能電感L
的電流i L
的波形，其中，升壓轉換電路的輸出電壓V o
為12伏特(負)電壓，且輸出電流為1安培；
圖5是一量測圖，說明圖4中閘極驅動器24所輸出的驅動訊號M 1
、升壓轉換裝置100的輸出電壓V o
、儲能電容C b
的跨電壓V b
，及流經儲能電感L
的電流i L
的實際量測波形；
圖6是一模擬圖，說明閘極驅動器24所輸出的驅動訊號M 1
、升壓轉換裝置100的輸出電壓V o
、儲能電容C b
的跨電壓V b
，及流經儲能電感L
的電流i L
的波形，其中，升壓轉換電路的輸出電壓V o
為12伏特(負)電壓，且輸出電流為2安培；及
圖7是一量測圖，說明圖6中閘極驅動器24所輸出的驅動訊號M 1
、升壓轉換裝置100的輸出電壓V o
、儲能電容C b
的跨電壓V b
，及流經儲能電感L
的電流i L
的實際量測波形。
100．．．升壓轉換裝置
1．．．升壓轉換電路
10．．．電壓源
101．．．儲能電感的第一端
102．．．儲能電感的第二端
103．．．功率開關的汲極
104．．．功率開關的源極
105．．．儲能電容的第一端
106．．．儲能電容的第二端
107．．．第一二極體的陽極
108．．．第一二極體的陰極
109．．．第二二極體的陰極
110．．．第二二極體的陽極
111．．．輸出電容的第一端
112．．．輸出電容的第二端
2．．．控制電路
21．．．分壓器
22．．．比較器
23．．．比例積分控制器
24．．．閘極驅動器
Claims (5)
- 一種升壓轉換電路，用以對一電壓源所輸出的一輸入電壓進行升壓轉換以輸出一負電壓，該升壓轉換電路包含：一儲能電感，具有一接收該輸入電壓的第一端及一第二端；一功率開關，具有一耦接於該儲能電感之第二端的第一端及一第二端；一儲能電容，具有一耦接於該儲能電感之第二端的第一端及一第二端；一第一二極體，該第一二極體的陽極耦接該儲能電容之第二端，該第一二極體的陰極耦接於該功率開關的第二端；一第二二極體，該第二二極體的陰極耦接該儲能電容之第二端；及一輸出電容，具有一耦接於該第二二極體之陽極的第一端及一耦接於該功率開關之第二端的第二端，該功率開關不導通時，該儲能電感對該儲能電容釋能，使該儲能電容儲能至與該負電壓相同之電壓值，該功率開關導通時，該電壓源對該儲能電感儲能，且該儲能電容對該輸出電容釋能，並在該輸出電容上產生該負電壓。
- 一種升壓轉換裝置，包含：一升壓轉換電路，包括一儲能電感，具有一耦接於一電壓源且接收該 電壓源所輸出之一輸入電壓的第一端及一第二端，一功率開關，具有一耦接於該儲能電感之第二端的第一端及一第二端，一儲能電容，具有一耦接於該儲能電感之第二端的第一端及一第二端，一第一二極體，該第一二極體的陽極耦接該儲能電容之第二端，該第一二極體的陰極耦接於該功率開關的第二端，一第二二極體，該第二二極體的陰極耦接該儲能電容之第二端，及一輸出電容，具有一耦接於該第二二極體之陽極的第一端及一耦接於該功率開關之第二端的第二端，該功率開關不導通時，該儲能電感對該儲能電容釋能，使該儲能電容儲能至與該負電壓相同之電壓值，該功率開關導通時，該電壓源對該儲能電感儲能，且該儲能電容對該輸出電容釋能，並在該輸出電容上產生該負電壓；及一控制電路，根據該負電壓對應控制該功率開關的啟閉。
- 依據申請專利範圍第2項所述之升壓轉換裝置，其中，該控制電路包括一比較器及一比例積分控制器，該比較器比較該輸出電容的電壓與一參考電壓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。
- 依據申請專利範圍第3項所述之升壓轉換裝置，其中，該控制電路還包括一耦接於該升壓轉換電路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電容的電壓進行分壓。
- 依據申請專利範圍第3或4項所述之升壓轉換裝置，其中，該控制電路還包括一耦接於該比例積分控制器與該升壓轉換電路之間的閘極驅動器，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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW99101773A TWI392206B (zh) | 2010-01-22 | 2010-01-22 | Step-up conversion device and step-up conversion circuit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW99101773A TWI392206B (zh) | 2010-01-22 | 2010-01-22 | Step-up conversion device and step-up conversion circuit |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201126882A TW201126882A (en) | 2011-08-01 |
| TWI392206B true TWI392206B (zh) | 2013-04-01 |
Family
ID=45024663
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW99101773A TWI392206B (zh) | 2010-01-22 | 2010-01-22 | Step-up conversion device and step-up conversion circuit |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI392206B (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090059630A1 (en) * | 2006-12-30 | 2009-03-05 | Advanced Analogic Technologies, Inc. | High-efficiency DC/DC voltage converter including capacitive switching pre-converter and down inductive switching post-regulator |
| TWI311397B (en) * | 2006-04-26 | 2009-06-21 | Chunghwa Picture Tubes Ltd | Boost dc/dc converter |
-
2010
- 2010-01-22 TW TW99101773A patent/TWI392206B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI311397B (en) * | 2006-04-26 | 2009-06-21 | Chunghwa Picture Tubes Ltd | Boost dc/dc converter |
| US20090059630A1 (en) * | 2006-12-30 | 2009-03-05 | Advanced Analogic Technologies, Inc. | High-efficiency DC/DC voltage converter including capacitive switching pre-converter and down inductive switching post-regulator |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201126882A (en) | 2011-08-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20190341850A1 (en) | Hybrid Buck-Boost Converter | |
| US10063147B2 (en) | Multiple output boost DC-DC power converter | |
| US8354825B2 (en) | Two-stage charge equalization method and apparatus for series-connected battery string | |
| US7852056B2 (en) | Switching regulator | |
| US9647557B2 (en) | Three phases controller for buck-boost regulators | |
| US7342389B1 (en) | High efficiency charge pump DC to DC converter circuits and methods | |
| US8743567B2 (en) | Multi-output voltage converter with switching arrangement and method for voltage conversion | |
| JP5877074B2 (ja) | コンパレータ、それを用いたオシレータ、ｄｃ／ｄｃコンバータの制御回路、ｄｃ／ｄｃコンバータ、電子機器 | |
| JP4871970B2 (ja) | 電源装置 | |
| US7880453B2 (en) | Interleaved switching converter, and switching controller and controlling method thereof | |
| US20160105096A1 (en) | Power factor correction controller and power supply apparatus using the same | |
| US20120091978A1 (en) | Dc-dc converter | |
| US8564234B2 (en) | Driving circuits, power devices and electric devices including the same | |
| US7535284B2 (en) | Switching control circuit | |
| US9496789B2 (en) | Independent output control for single-inductor, bipolar outputs, buck-boost converters | |
| TWI540818B (zh) | 控制電路、直流轉直流（ｄｃｄｃ）轉換器及驅動方法 | |
| TWI384741B (zh) | 具有暫態控制功能之切換式電源電路與其控制電路與方法 | |
| JP2016531542A (ja) | 単一の制御ループを有するマルチ出力昇圧レギュレータ | |
| JP2008072877A (ja) | 電源システム及び出力電圧の制御方法 | |
| US10056837B2 (en) | DC-DC converter and power source device | |
| TW201918002A (zh) | 單電感雙極性輸出升壓轉換器及其操作方法 | |
| TW201909533A (zh) | 用於提供最小on時間的pwm控制方案 | |
| US20230353036A1 (en) | Power conversion phases and coupling inductance | |
| JP2010004691A (ja) | フラッシュ用電源装置 | |
| KR20100012237A (ko) | 직류/직류 변환기 및 그 구동방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |