TWI405392B

TWI405392B - 電壓轉換器

Info

Publication number: TWI405392B
Application number: TW97128782A
Authority: TW
Inventors: Min Chu Chien; Wenchun Hsu
Original assignee: Upi Semiconductor Corp
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2013-08-11
Also published as: TW201006108A

Description

電壓轉換器

本發明係有關於一種電壓轉換器，特別是有關於一種具有較佳轉換效率的電壓轉換器。

現今，電壓轉換器廣泛使用在不同電子產品上，例如可攜式電子產品、電腦產品等，其中電壓轉換器的轉換效率會決定電子產品的使用時間。

脈波寬度調變(pulse width modulation，PWM)控制器為連續時間模式之電壓轉換器的一種切換控制方式。如此技藝之人士所知，脈波寬度調變控制器可產生脈波寬度調變信號來控制耦接於電壓轉換器之輸出電感的電晶體。藉由調整脈波寬度調變信號之工作週期(duty cycle)，脈波寬度調變控制器可控制電晶體的切換狀態(即導通以及關閉/不導通)，使得電壓轉換器能維持在特定的電壓值內。舉例來說，當電壓轉換器的負載增加時，脈波寬度調變控制器會增加脈波寬度調變信號之工作週期。反之，當電壓轉換器的負載減少時，脈波寬度調變控制器會減少脈波寬度調變信號之工作週期。

然而，對傳統的電壓轉換器而言，在輕載狀態(light load condition)下，切換式電壓轉換器的轉換效率會因為功率電晶體的切換損耗(switching loss)而降低；而在重載狀態(heavy load condition)下，切換式電壓轉換器的轉換效率會因為功率電晶體的傳導損耗(conduction loss)而降低。因此，需要一種電壓轉換器能在輕載狀態以及重載狀態下具有較佳的轉換效率。

本發明提供一種電壓轉換器，用以將一輸入電壓轉換成一輸出電壓。上述電壓轉換器包括：一輸入端，用以接收上述輸入電壓；一第一輸出端，用以輸出上述輸出電壓；一切換電路，耦接於上述輸入端以及一接地端之間，包括一第二輸出端；一電感，耦接於上述第一輸出端以及上述第二輸出端之間；一脈波寬度調變控制器，用以根據上述輸出電壓產生一第一脈波寬度調變信號；一驅動電路，用以根據上述第一脈波寬度調變信號提供一第一驅動信號至上述切換電路；以及一驅動電壓產生電路，用以根據上述電感的電流選擇性地提供一第一驅動電壓或是一第二驅動電壓至上述驅動電路，以作為上述驅動電路的操作電壓。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

實施例：

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之電壓轉換器。電壓轉換器100將輸入端N_in 所接收之輸入電壓V_in 轉換成輸出電壓V_out ，並經由輸出端N_out 將輸出電壓V_out 提供給負載150使用，其中電壓轉換器100可以是升壓轉換器或是降壓轉換器。如第1圖所顯示，電壓轉換器100包括驅動電壓產生電路110、脈波寬度調變(pulse width modulation，PWM)控制器120、驅動電路130、切換電路140以及電感L。切換電路140包括電晶體M1以及電晶體M2，並且經由輸出節點N_phase 耦接於電感L，其中電晶體M1係耦接於輸入端N_in 以及節點N_phase 之間，而電晶體M2係耦接於節點N_phase 以及接地端GND之間。電感L係耦接於節點N_phase 以及輸出端N_out 之間。在電壓轉換器100內，脈波寬度調變控制器120可根據回授之輸出電壓V_out 而產生脈波寬度調變信號PWM₁ 以及脈波寬度調變信號PWM₂ 至驅動電路130。驅動電路130包括驅動器D1以及驅動器D2。驅動器D1接收脈波寬度調變信號PWM₁ 並產生驅動信號S₁ 至電晶體M1，而驅動器D2接收脈波寬度調變信號PWM₂ 並產生驅動信號S₂ 至電晶體M2。因此，藉由切換電晶體M1以及電晶體M2可在電感L感應出電流I_out ，以便在輸出端N_out 提供輸出電壓V_out 以供負載150使用。

在驅動電路130中，驅動器D1以及驅動器D2的操作電壓皆由驅動電壓產生電路110所提供。此外，驅動器D1的共同參考點(common reference point)係耦接至節點N_phase ，而驅動器D2的共同參考點係耦接至接地端GND。當負載150的負載量增加時，電流I_out 會增加；而當負載150的負載量減少時，電流I_out 會減少。驅動電壓產生電路110可根據電感L的電流I_out 提供電壓V_DH 至驅動電路 130，以作為驅動器D1的操作電壓。相似地，驅動電壓產生電路110可根據電流I_out 提供電壓V_DL 至驅動電路130，以作為驅動器D2的操作電壓。因此，驅動電壓產生電路110可根據負載的狀態(例如輕載狀態或是重載狀態)而決定電壓V_DH 以及電壓V_DL 的電壓位準，即驅動器D1以及驅動器D2的操作電壓。此外，除了偵測電感L的電流I_out 之外，驅動電壓產生電路110亦可根據來自外部電路(例如微處理器)之控制信號S_ctrl 而提供具有不同電壓位準之電壓V_DH 以及電壓V_DL ，以分別作為驅動器D1以及驅動器D2的操作電壓。

第2A圖係顯示根據本發明一實施例所述之驅動器的操作電壓與負載電流之關係圖。當電壓轉換器100操作在輕載狀態I時，驅動電壓產生電路110會根據電流I_out 而提供具有電壓位準L₁ 之電壓V_DH 至驅動器D₁ ，使得驅動信號S₁ 可操作在電壓位準L₁ 以及節點N_phase 上信號S_phase 的電壓位準之間。同時地，驅動電壓產生電路110亦會提供具有電壓位準L₃ 之電壓V_DL 至驅動器D2，使得驅動信號S₂ 可操作在電壓位準L₃ 以及接地端GND的電壓位準之間。再者，當電壓轉換器100操作在重載狀態Ⅱ時，驅動電壓產生電路110會提供具有電壓位準L₂ 之電壓V_DH 至驅動器D1，使得驅動信號S₁ 可操作在電壓位準L₂ 以及節點N_phase 上信號S_phase 的電壓位準之間。同時地，驅動電壓產生電路110亦會提供具有電壓位準L₄ 之電壓V_DL 至驅動器D2，使得驅動信號S₂ 可操作在電壓位準L₄ 以及接地端 GND的電壓位準之間。在一實施例中，電壓位準L₂ 係等於電壓位準L₄ ，而電壓位準L₁ 係等於電壓位準L₃ 。在另一實施例中，電壓位準L₁ 、L₂ 、L₃ 及L₄ 係各不相同。

在第2A圖中，驅動電壓產生電路110可根據電流I_out 而提供具有電壓位準L₁ 之電壓V_DH 或是具有電壓位準L₂ 之電壓V_DH (即具有不同電壓位準的電壓)至驅動器D1，以作為驅動器D1的操作電壓。相同地，驅動電壓產生電路110可根據電流I_out 而提供具有電壓位準L₃ 之電壓V_DL 或是具有電壓位準L₄ 之電壓V_DL 至驅動器D2，以作為驅動器D2的操作電壓。因此，在輕載狀態I下，使用低電壓位準之驅動電壓可降低電晶體M1及電晶體M2所造成之切換損耗。在重載狀態Ⅱ時，使用高電壓位準之驅動電壓可降低電晶體M1及電晶體M2所造成之傳導損耗。

再者，驅動電壓產生電路110亦可根據輸入電壓V_in 與輸出電壓V_out 之轉換比例而決定驅動器D1以及驅動器D2之操作電壓的改變。第2B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之驅動器的操作電壓與負載電流之關係圖。如第2B圖所顯示，驅動電壓產生電路110會根據負載的狀態而提供具有不同電壓位準之電壓V_DH 至驅動器D1，以作為驅動器D1的操作電壓。例如，在輕載狀態I下，驅動電壓產生電路110會提供低電壓位準之電壓V_DH 至驅動器D1，而在重載狀態Ⅱ下，驅動電壓產生電路110會提供高電壓位準之電壓V_DH 至驅動器D1。然而，不論在輕載狀態I或是重載狀態Ⅱ下，驅動電壓產生電路110僅提供具有相同電壓位準之電壓V_DL 至驅動器D2。

第2C圖係顯示根據本發明另一實施例所述之驅動器的操作電壓與負載電流之關係圖。如第2C圖所顯示，驅動電壓產生電路110會根據負載的狀態而提供具有不同電壓位準之電壓V_DL 至驅動器D2，以作為驅動器D2的操作電壓。然而，不論在輕載狀態I或是重載狀態Ⅱ時，驅動電壓產生電路110僅提供具有相同電壓位準之電壓V_DH 至驅動器D1。在此實施例中，電壓轉換器100可以是一種降壓轉換器，其中輸入電壓V_in 為20伏特(V)，而輸出電壓V_out 為2伏特。因此，輸入電壓V_in 與輸出電壓V_out 之轉換比例為十分之一，即脈波寬度調變信號之工作週期為10%，使得切換電路140中電晶體M2導通的時間較長。因此，調整驅動器D2的操作電壓即可有效增加轉換效率。參考第3A以及第3B圖，其分別顯示上述降壓轉換器之負載電流與轉換效率之關係圖。在第3A圖中，曲線AA係顯示驅動電壓產生電路110提供低電壓位準之電壓V_DL 至驅動器D2的轉換效率，而曲線BB係顯示驅動電壓產生電路110提供高電壓位準之電壓V_DL 至驅動器D2的轉換效率。在第3B圖中，曲線CC係顯示驅動電壓產生電路110提供具有不同電壓位準之電壓V_DL 至驅動器D2的轉換效率。如第3B圖所顯示，當負載電流I_out 小於5安培(A)時，降壓轉換器係操作在輕載狀態I下，而驅動電壓產生電路110會提供低電壓位準之電壓V_DL 至驅動器D2。當負載電流I_out 超過5安培時，降壓轉換器係操作在重載狀態Ⅱ下，而驅動電壓產生電路110會提供高電壓位準之電壓V_DL 至驅動器D2。因此，在此實施例中，降壓轉換器在輕載狀態以及重載狀態下皆具有較佳的轉換效率。

第4A圖係顯示根據本發明一實施例所述之驅動電壓產生電路400A。驅動電壓產生電路400A包括選擇電路410、選擇電路420以及電壓產生器430A。電壓產生器430A可產生具有不同電壓位準之電壓V_H 以及電壓V_L ，其中電壓V_H 的電壓值係大於電壓V_L 的電壓值。選擇電路410可根據電流I_out 或是控制信號S_ctrl 選擇性地提供電壓V_H 或是電壓V_L 以作為電壓V_DH 。此外，選擇電路420可根據電流I_out 或是控制信號S_ctrl 選擇性地提供電壓V_H 或是電壓V_L 以作為電壓V_DL 。

第4B以及4C圖係分別顯示根據本發明另一實施例所述之驅動電壓產生電路400B以及400C。在第4B圖中，電壓V_L 係由電壓產生器430B所產生。接著，升壓電路440會根據電壓V_L 而產生電壓V_H 。在一實施例中，升壓電路440可以是充電泵(charge pump)或是靴帶式電路(bootstrap circuit)。在第4C圖中，電壓V_H 係由電壓產生器430C所產生。接著，降壓電路450會根據電壓V_H 而產生電壓V_L 。在一實施例中，降壓電路450可以是低壓降穩壓器(low dropout regulator，LDO)或是並聯穩壓器(shunt regulator)。

在本發明一實施例中，電壓轉換器可以是非同步轉換器，其中切換電路僅包括上橋(high－side)電晶體以及下橋(low－side)電晶體之一者。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電壓轉換器

110‧‧‧驅動電壓產生電路

120‧‧‧脈波寬度調變控制器

130‧‧‧驅動電路

140‧‧‧切換電路

150‧‧‧負載

400A、400B、400C‧‧‧驅動電壓產生電路

410、420‧‧‧選擇電路

430A、430B、430C‧‧‧電壓產生器

440‧‧‧升壓電路

450‧‧‧降壓電路

AA、BB、CC‧‧‧曲線

D1、D2‧‧‧驅動器

GND‧‧‧接地端

L‧‧‧電感

I_out ‧‧‧電流

M1、M2‧‧‧電晶體

N_in ‧‧‧輸入端

N_out ‧‧‧輸出端

N_phase ‧‧‧節點

PWM₁ 、PWM₂ ‧‧‧脈波寬度調變信號

S₁ 、S₂ 、S_phase ‧‧‧信號

S_ctrl ‧‧‧控制信號

V_H 、V_L 、V_DH 、V_DL ‧‧‧電壓

V_in ‧‧‧輸入電壓

V_out ‧‧‧輸出電壓

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之電壓轉換器；第2A－2C圖係分別顯示根據本發明實施例所述之驅動器的操作電壓與負載電流之關係圖；第3A－3B圖係分別分別顯示根據本發明一實施例所述之負載電流與轉換效率之關係圖；第4A圖係顯示根據本發明一實施例所述之驅動電壓產生電路；以及第4B－4C圖係分別顯示根據本發明另一實施例所述之驅動電壓產生電路。