TWI392989B - 切換式昇降壓電源供應器及其控制方法 - Google Patents

切換式昇降壓電源供應器及其控制方法 Download PDF

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    • H02M3/1582—Buck-boost converters

Description

切換式昇降壓電源供應器及其控制方法
本發明係有關一種切換式昇降壓電源供應器(buck-boost switching regulator)及其控制方法，特別是指一種具有高效率的切換式昇降壓電源供應器，以及其控制方法。
第1圖示出習知切換式昇降壓電源供應器1的大致電路結構，電路1中包含有四個開關SW1~SW4，全部透過同一個控制電路14來控制。電路1自輸出端萃取反饋電壓FB，在誤差放大器12中與參考電壓Vref相比較，其比較結果輸入控制電路14，以決定如何控制切換四個開關SW1~SW4。
上述先前技術中，缺點是四個開關SW1~SW4都受同一個迴路所控制，在同一個週期內都會作動，因此其切斷損失(switching loss)較高，換言之效率較低。且電源供應器的整體頻寬受到昇壓模式的限制。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種具有高效率的切換式昇降壓電源供應器，以及其控制方法。
本發明之第一目的在提供一種高效率的切換式昇降壓 電源供應器。
本發明之第二目的在提供一種切換式昇降壓電源供應器之控制方法。
為達上述之目的，就其中一個觀點言，本發明提供了一種切換式電源供應器，其中包含：(1)第一迴路，包括：相互電連接的第一開關與第二開關，該第一開關之一端電連接於輸入電壓，該第二開關之一端接地；和第一控制電路，用以控制第一和第二開關的操作；(2)第二迴路，包括：相互電連接的第三開關與第四開關，該第三開關之一端接地，該第四開關之一端電連接於輸出電壓；和第二控制電路，用以控制第三和第四開關的操作；以及(3)電感器電路，電連接於第一與第二開關間之節點和第三與第四開關間之節點間。
上述切換式昇降壓電源供應器中，所述之第一迴路和第二迴路分別將反饋電壓與不同之參考電壓相比較，或將不同之反饋電壓與相同之參考電壓相比較。
此外，就另一個觀點言，本發明也提供了一種切換式電源供應器之控制方法，包含以下步驟：一種切換式昇降壓電源供應器之控制方法，包含以下步驟：提供一個切換式電源供應器，該切換式電源供應器包括相互電連接的第一開關與第二開關，該第一開關之一端電連接於輸入電壓，該第二開關之一端接地；相互電連接的第三開關與第 四開關，該第三開關之一端接地，該第四開關之一端電連接於輸出電壓；和電感器電路，電連接於第一與第二開關間之節點和第三與第四開關間之節點間；以及以第一控制電路控制第一與第二開關，並以第二控制電路控制第三與第四開關。
較佳地，上述切換式昇降壓電源供應器和控制方法中，當輸入電壓高於輸出電壓時，第三開關保持斷路，第四開關保持導通；當輸入電壓低於輸出電壓時，第一開關保持導通，第二開關保持斷路。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效；其中，相似的元件以相同的符號來標示。
請參考第2圖，其中以示意電路圖的方式顯示本發明的其中一個實施例。如圖所示，在本發明的切換式昇降壓電源供應器2中，係分開控制降壓模式的兩個開關SW1、SW2與昇壓模式的兩個開關SW3、SW4。
詳言之，電路3中係透過誤差放大器22和降壓控制電路24來控制開關SW1、SW2，並透過誤差放大器26和昇壓控制電路28來控制開關SW3、SW4。當輸入電壓Vin相對高於輸出電壓Vout，足以支持降壓操作模式時，開關SW3保持斷路、SW4保持導通，開關SW1、SW2則在降壓控制電路24的控制下，根據需求而切換，使電路平衡在FB=Vref 的狀態。
當輸入電壓Vin對輸出電壓Vout之相對值下降，以致Vref-ΔV<FB<Vref時，開關SW1、SW2將以100%的工作週(duty cycle)來操作，但輸出電壓Vout仍會下降，直至到達FB=Vref-ΔV。此時電路2進入昇壓操作模式，開關SW3、SW4在降壓控制電路28的控制下，根據需求而切換，而開關SW1則保持導通、SW2保持斷路，使電路平衡在FB=Vref-ΔV的狀態。
以上說明中之SW1~SW4例如可使用NMOS或PMOS電晶體來製作。
與第1圖之先前技術相較，本發明之優點包括：一、四個開關分屬兩個迴路，個別控制，因此不會有四個開關在同一個週期同時運作的情形發生；本發明電路之切換損失較低。
二、由於降壓和昇壓模式的控制迴路不同，因此降壓模式的操作頻寬不必受限於昇壓模式的操作頻寬、且其暫態響應也較佳。
三、降壓模式可一直運作至100%工作週，之後才進入昇壓模式，因此其效率較佳，且降壓和昇壓模式間的轉換更為順暢。
四、ΔV的設定具有彈性，使電路可更適應應用端的需求。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已， 並非用來限定本發明之權利範圍。對於熟悉本技術者，當可在本發明精神內，立即思及各種等效變化；例如，在所示各實施例中，係舉例以分壓方式，從輸出端萃取反饋電壓訊號，以供與參考電壓Vref或Vref-ΔV進行比較，但萃取反饋訊號的方式，並不侷限於此；將同一反饋電壓FB與不同的參考電壓Vref或Vref-ΔV進行比較，亦可改為將反饋電壓FB和反饋電壓FB+ΔFB與相同的參考電壓Vref比較；ΔV或ΔFB不一定需要以實體的電路元件來製作，亦可在誤差放大器22和26內以輸入偏壓(input offset voltage)來達成。故凡依本發明之概念與精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
1‧‧‧切換式昇降壓電源供應器(先前技術)
2‧‧‧切換式昇降壓電源供應器(本發明)
12‧‧‧誤差放大器
14‧‧‧控制電路
22‧‧‧誤差放大器
24‧‧‧降壓控制電路
26‧‧‧誤差放大器
28‧‧‧昇壓控制電路
FB‧‧‧反饋電壓
SW1~SW4‧‧‧開關
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vref,Vref-ΔV‧‧‧參考電壓
圖式說明：第1圖為先前技術之切換式昇降壓電源供應器的示意電路圖。
第2圖為本發明之切換式昇降壓電源供應器的其中一個實施例之示意電路圖。
2‧‧‧切換式昇降壓電源供應器
22‧‧‧誤差放大器
24‧‧‧降壓控制電路
26‧‧‧誤差放大器
28‧‧‧昇壓控制電路
FB‧‧‧反饋電壓
SW1~SW4‧‧‧開關
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vref,Vref-ΔV‧‧‧參考電壓

Claims (10)

  1. 一種切換式昇降壓電源供應器，包含：(1)第一迴路，包括：相互電連接的第一開關與第二開關，該第一開關之一端電連接於輸入電壓，該第二開關之一端接地；第一誤差放大器，將自輸出端萃取之第一反饋電壓與第一參考電壓相比較；和第一控制電路，用以控制第一和第二開關的操作；(2)第二迴路，包括：相互電連接的第三開關與第四開關，該第三開關之一端接地，該第四開關之一端電連接於輸出電壓；第二誤差放大器，將自輸出端萃取之第一反饋電壓與第二參考電壓相比較；和第二控制電路，用以控制第三和第四開關的操作；以及(3)電感器電路，電連接於第一與第二開關間之節點和第三與第四開關間之節點間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之切換式昇降壓電源供應器，其中當輸入電壓高於輸出電壓時，第三開關保持斷路，第四開關保持導通。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之切換式昇降壓電源供應器，其中當輸入電壓低於輸出電壓時，第一開關保持導通，第二開關保持斷路。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之切換式昇降壓電源供應器，其中該第二參考電壓低於該第一參考電壓。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之切換式昇降壓電源供應器，其中第二迴路更包括第二誤差放大器，此第二誤差放大器將自輸出端萃取之第二反饋電壓與第一參考電壓相比較，且該第二反饋電壓高於第一反饋電壓。
  6. 一種切換式昇降壓電源供應器之控制方法，包含以下步驟：提供一個切換式電源供應器，該切換式電源供應器包括相互電連接的第一開關與第二開關，該第一開關之一端電連接於輸入電壓，該第二開關之一端接地；相互電連接的第三開關與第四開關，該第三開關之一端接地，該第四開關之一端電連接於輸出電壓；和電感器電路，電連接於第一與第二開關間之節點和第三與第四開關間之節點間；自輸出端萃取第一反饋電壓，將該第一反饋電壓與第一參考電壓相比較，根據比較結果控制該第一控制電路，進而以第一控制電路控制第一與第二開關；以及自輸出端萃取第一反饋電壓，將該第一反饋電壓與第二參考電壓相比較，根據比較結果控制該第二控制電路進而以第二控制電路控制第三與第四開關。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之控制方法，其中當輸入電壓高於輸出電壓時，第三開關保持斷路，第四開關保持導通。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之控制方法，其中當輸入電壓低於輸出電壓時，第一開關保持導通，第二開關保持斷路。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之控制方法，其中該第二參考電壓低於該第一參考電壓。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之控制方法，更包含以下步驟：自輸出端萃取第二反饋電壓；將該第二反饋電壓與第一參考電壓相比較，其中該第二反饋電壓高於第一反饋電壓；根據比較結果控制該第二控制電路。
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