TWI435525B - Dual Output Boost Converter - Google Patents

Description

雙輸出升壓轉換器

本發明是有關於一種雙輸出升壓轉換器(Dual-Output Boost Converter)，特別是指一種能提供一正輸出電壓及一負輸出電壓的雙輸出升壓轉換器。

為了使半橋式D類音頻放大器(half-bridge class-D audio amplifier)能獲得較佳的低頻響應，一般是以能提供一正輸出電壓及一負輸出電壓的雙輸出升壓轉換器作為半橋式D類音頻放大器的電源供應。藉此，半橋式D類音頻放大器的一隔離電容(Blocking Capacitor)可被移除，從而使半橋式D類音頻放大器獲得較佳的低頻響應。

然而，一般的雙輸出升壓轉換器具有電路龐大以及複雜的缺點，使其不利於相關產業的應用。因此，如何發展出一種新的雙輸出升壓轉換器，其電路架構簡單而易於實施，遂成為本案進一步要探討的重點。

因此，本發明之目的，即在提供一種電路架構簡單而易於實施的雙輸出升壓轉換器。

於是，本發明雙輸出升壓轉換器，包含一開關單元、一儲能單元、一第一電感、一第二電感、一第二電容、一第三電容、一第四電容、一第五電容、一第一切換開關，及一第二切換開關。

該開關單元具有一接收一直流輸入電壓的第一端、一第二端，及一接收一驅動訊號的控制端，且受該驅動訊號控制使其第一端及第二端切換於導通與不導通之間。該儲能單元電連接於該開關單元的第二端與地之間，且根據該開關單元是否導通來對應地充放電，且包括一第一電容，該第一電容具有一第一端及一第二端。該第一電感具有一電連接該第一電容的第一端之第一端，及一接地的第二端。該第二電感具有一電連接該開關單元的第二端之第一端，及一電連接該第一電容的第二端之第二端，且與該第一電感相互耦合。

該第二電容具有一第一端，及一電連接該開關單元的第二端之第二端。該第三電容具有一電連接該開關單元的第二端之第一端，及一第二端。該第四電容具有一用以產生一正值的第一輸出電壓的第一端，及一接地的第二端。該第五電容具有一用以產生一負值的第二輸出電壓的第一端，及一接地的第二端。該第一切換開關電連接於該第二電容的第一端、該第四電容的第一端及地之間，且可切換地使該第二電容的第一端導通於該第四電容的第一端或地。該第二切換開關電連接於該第三電容的第二端、該第五電容的第一端及地之間，且可切換地使該第三電容的第二端導通於該第五電容的第一端或地。

該雙輸出升壓轉換器能根據該驅動訊號交替地操作於一第一模式及一第二模式，於該第一模式，該開關單元導通，該第一電容、該第一電感及該第二電感充電，該第一切換開關使該第二電容的第一端導通於該第四電容的第一端，該第二切換開關使該第三電容的第二端導通於地；於該第二模式，該開關單元不導通，該第一電容、該第一電感及該第二電感放電，該第一切換開關使該第二電容的第一端導通於地，該第二切換開關使該第三電容的第二端導通於該第五電容的第一端。

較佳地，該儲能單元還包括一第一二極體及一第二二極體，該第一二極體的陽極及陰極分別電連接於該開關單元的第二端及該第一電容的第一端，該第二二極體的陽極及陰極分別電連接於該第一電容的第二端及地。

較佳地，該第一切換開關包括一第三二極體及一第四二極體，該第三二極體的陽極及陰極分別電連接於地及該第二電容的第一端，該第四二極體的陽極及陰極分別電連接於該第二電容的第一端及該第四電容的第一端。

較佳地，該第二切換開關包括一第五二極體及一第六二極體，該第五二極體的陽極及陰極分別電連接於該第三電容的第二端及地，該第六二極體的陽極及陰極分別電連接於該第五電容的第一端及該第三電容的第二端。

較佳地，該第一電感與該第二電感的匝數相同。

較佳地，該開關單元具有一電晶體及一第七二極體，該電晶體的汲極、源極及閘極分別電連接於該開關單元的第一端、第二端及控制端，該第七二極體的陽極及陰極分別電連接於該開關單元的第二端及第一端。

本發明之功效在於透過第一電容、第一電感及第二電感於第一模式儲存能量且於第二模式釋放能量，搭配第二電容及第三電容充放電，而能以簡單的電路架構產生正值的第一輸出電壓及負值的第二輸出電壓。

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，本發明雙輸出升壓轉換器之較佳實施例包含一開關單元1、一儲能單元2、一第一電感N₁ 、一第二電感N₂ 、一第二電容C₂ 、一第三電容C₃ 、一第四電容C₄ 、一第五電容C₅ 、一第一切換開關3，及一第二切換開關4。

開關單元1具有一接收一直流輸入電壓V_in 的第一端、一第二端，及一接收一驅動訊號V_D 的控制端，且受驅動訊號V_D 控制使其第一端及第二端切換於導通與不導通之間。在本實施例中，開關單元1具有一電晶體Q及一第七二極體D₇ 。電晶體Q的汲極、源極及閘極分別電連接開關單元1的第一端、第二端及控制端。第七二極體D₇ 的陽極及陰極分別電連接於開關單元1的第二端及第一端。

儲能單元2電連接於開關單元1的第二端與地之間，且根據開關單元1是否導通來對應地充放電。儲能單元2包括一第一電容C₁ 、一第一二極體D₁ 及一第二二極體D₂ 。第一二極體D₁ 的陽極及陰極分別電連接於開關單元1的第二端及第一電容C₁ 的一第一端。第二二極體D₂ 的陽極及陰極分別電連接於第一電容C₁ 的一第二端及地。

第一電感N₁ 具有一電連接第一電容C₁ 的第一端之第一端，及一接地的第二端。第二電感N₂ 具有一電連接開關單元1的第二端之第一端，及一電連接第一電容C₁ 的第二端之第二端。第二電感N₂ 與第一電感N₁ 相互耦合。本實施例中的第一電感N₁ 與第二電感N₂ 的匝數相同。

第二電容C₂ 具有一第一端，及一電連接開關單元1的第二端之第二端。第三電容C₃ 具有一電連接開關單元1的第二端之第一端，及一第二端。值得一提的是，第一電容C₁ 、第二電容C₂ 及第三電容C₃ 係電荷幫浦電容(Charge Pump Capacitor)。

第四電容C₄ 具有一用以產生一正值的第一輸出電壓V_O1 的第一端，及一接地的第二端。第五電容C₅ 具有一用以產生一負值的第二輸出電壓V_O2 的第一端，及一接地的第二端。

第一切換開關3電連接於第二電容C₂ 的第一端、第四電容C₄ 的第一端及地之間。第一切換開關3可切換地使第二電容C₂ 的第一端導通於第四電容C₄ 的第一端或地。在本實施例中，第一切換開關3包括一第三二極體D3及一第四二極體D₄ 。第三二極體D₃ 的陽極及陰極分別電連接於地及第二電容C₂ 的第一端。第四二極體D₄ 的陽極及陰極分別電連接於第二電容C₂ 的第一端及第四電容C₄ 的第一端。

第二切換開關4電連接於第三電容C₃ 的第二端、第五電容C₅ 的第一端及地之間。第二切換開關4可切換地使第三電容C₃ 的第二端導通於第五電容C₅ 的第一端或地。在本實施例中，第二切換開關4包括一第五二極體D₅ 及一第六二極體D₆ 。第五二極體D₅ 的陽極及陰極分別電連接於第三電容C₃ 的第二端及地。第六二極體D₆ 的陽極及陰極分別電連接於第五電容C₅ 的第一端及第三電容C₃ 的第二端。

補充說明的是，圖2中所示之電壓V_C1 、V_C2 、V_C3 、V_C4 及V_C5 分別為第一電容C₁ 、第二電容C₂ 、第三電容C₃ 、第四電容C₄ 及第五電容C₅ 的電壓，電流I_C1 、I_C2 、I_C3 、I_C4 及I_C5 分別為第一電容C₁ 、第二電容C₂ 、第三電容C₃ 、第四電容C₄ 及第五電容C₅ 的電流。電壓V_N1 及V_N2 分別為第一電感N₁ 及第二電感N₂ 的電壓，電流I_N1 及I_N2 分別為第一電感N₁ 及第二電感N₂ 的電流。電流I_DS 為電晶體Q的電流，電壓V_DS 為電晶體Q的端電壓。

雙輸出升壓轉換器工作於連續電流導通模式(Continuous Conduction Mode；CCM)，且能根據驅動訊號V_D 交替地操作於一第一模式及一第二模式。參閱圖2，於第一模式下，開關單元1的電晶體Q受驅動訊號V_D 控制使其導通，第一二極體D₁ 及第二二極體D₂ 被順向偏壓，第一電容C₁ 被充電至直流輸入電壓V_in 。由於第一電感N₁ 及第二電感N₂ 被直流輸入電壓V_in 磁化，因此第一電感N₁ 的電流I_N1 及第二電感N₂ 的電流I_N2 逐漸增加。由於第一電感N₁ 及第二電感N₂ 的匝數相同，因此第一電感N₁ 的電流I_N1 及第二電感N₂ 的電流I_N2 相等。同時，第一切換開關3使第二電容C₂ 的第一端導通於第四電容C₄ 的第一端，第二切換開關4使第三電容C₃ 的第二端導通於地。更明確的說，第三二極體D₃ 被逆向偏壓，第四二極體D₄ 被順向偏壓，第五二極體D₅ 被順向偏壓，第六二極體D₆ 被逆向偏壓。由於第五二極體D₅ 被順向偏壓，因此第三電容C₃ 被充電到直流輸入電壓V_in 。由於第二電容C₂ 的第二端被拉升到直流輸入電壓V_in ，因此第四二極體D₄ 被順向偏壓，使得第一輸出電壓V_O1 等於第二電容C₂ 的電壓V_C2 加上直流輸入電壓V_in ，藉此，對第四電容C₄ 充電，並提供產生第一輸出電壓V_O1 所需之能量。此外，在第一模式下，產生第二輸出電壓V_O2 的能量是由第五電容C₅ 提供。

參閱圖3，於第二模式下，開關單元1的電晶體Q受驅動訊號V_D 控制使其不導通，第一二極體D₁ 及第二二極體D₂ 被逆向偏壓，儲存於第一電容C₁ 、第一電感N₁ 及第二電感N₂ 的能量將釋放，第一切換開關3使第二電容C₂ 的第一端導通於地，第二切換開關4使第三電容C₃ 的第二端導通於第五電容C₅ 的第一端，即第三二極體D₃ 及第六二極體D₆ 被順向偏壓，第四二極體D₄ 及第五二極體D₅ 被逆向偏壓。藉此，能對第二電容C₂ 及第五電容C₅ 充電，並提供產生第二輸出電壓V_O2 所需之能量。此外，在第二模式下，產生第一輸出電壓V_O1 的能量是由第四電容C₄ 提供。

依照伏特-秒平衡(volt-second balance)原理可得

其中，週期T_S 為驅動訊號V_D 的週期，D為驅動訊號V_D 的責任導通比，且N₁ 等於N₂ ，因此

由於在第一模式

V _{C 1} =V _in ................................................................(3)

因此將(3)代入(2)可得

在第一模式下

且

V _{o 2} =V _{C 5} ................................................................(6)

在第二模式下

且

V _{o 2} =V _{C 5} =-(V _{C 2} +V _{C 3} ).................................................(8)

同樣地，在第一模式

V _{C 3} =V _in ..............................................................(9)

因此，將(4)及(9)代入(8)可得

即

圖4繪示本較佳實施例於驅動訊號V_D 的一週期T_S 內多數個元件的電壓及電流波形圖。其中，於時間t₀ 到時間t₁ 雙輸出升壓轉換器操作於第一模式，於時間t₁ 到時間t₀ +T_S 雙輸出升壓轉換器操作於第二模式。

綜上所述，本發明雙輸出升壓轉換器透過第一電容C₁ 、第一電感N₁ 及第二電感N₂ 於第一模式儲存能量且於第二模式釋放能量，搭配第二電容C₂ 及第三電容C₃ 充放電，而能以簡單的電路架構產生正值的第一輸出電壓V_O1 及負值的第二輸出電壓V_O2 ，從而利於相關產業的應用，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。

1．．．開關單元

Q．．．電晶體

D₇ ．．．第七二極體

2．．．儲能單元

C₁ ．．．第一電容

D₁ ．．．第一二極體

D₂ ．．．第二二極體

N₁ ．．．第一電感

N₂ ．．．第二電感

C₂ ．．．第二電容

C₃ ．．．第三電容

C₄ ．．．第四電容

C₅ ．．．第五電容

3．．．第一切換開關

D₃ ．．．第三二極體

D₄ ．．．第四二極體

4．．．第二切換開關

D₅ ．．．第五二極體

D₆ ．．．第六二極體

V_in ．．．直流輸入電壓

V_O1 ．．．第一輸出電壓

V_O2 ．．．第二輸出電壓

V_D ．．．驅動訊號

V_C1 、V_C2 、V_C3 、V_C4 、V_C5 、V_N1 、V_N2 、V_DS ．．．電壓

I_C1 、I_C2 、I_C3 、I_C4 、I_C5 、I_N1 、I_N2 、I_DS ．．．電流

t₀ 、t₁ ．．．時間

T_S ．．．週期

圖1是本發明雙輸出升壓轉換器的較佳實施例的一電路圖；

圖2顯示該較佳實施例操作於一第一模式時的電流方向；

圖3顯示該較佳實施例操作於一第二模式時的電流方向；及

圖4是該較佳實施例於一驅動訊號的一週期內多數個元件的電壓及電流波形圖。

1．．．開關單元

Q．．．電晶體

D₇ ．．．第七二極體

2．．．儲能單元

C₁ ．．．第一電容

D₁ ．．．第一二極體

D₂ ．．．第二二極體

N₁ ．．．第一電感

N₂ ．．．第二電感

C₂ ．．．第二電容

C₃ ．．．第三電容

C₄ ．．．第四電容

C₅ ．．．第五電容

3．．．第一切換開關

D₃ ．．．第三二極體

D₄ ．．．第四二極體

4．．．第二切換開關

D₅ ．．．第五二極體

D₆ ．．．第六二極體

V_in ．．．直流輸入電壓

V_O1 ．．．第一輸出電壓

V_O2 ．．．第二輸出電壓

V_D ．．．驅動訊號

V_C1 、V_C2 、V_C3 、V_C4 、V_C5 、V_N1 、V_N2 、V_DS ．．．電壓

I_C1 、I_C2 、I_C3 、I_C4 、I_C5 、I_N1 、I_N2 、I_DS ．．．電流

Claims (6)

1. 一種雙輸出升壓轉換器，包含：一開關單元，具有一接收一直流輸入電壓的第一端、一第二端，及一接收一驅動訊號的控制端，且受該驅動訊號控制使其第一端及第二端切換於導通與不導通之間；一儲能單元，電連接於該開關單元的第二端與地之間，且根據該開關單元是否導通來對應地充放電，且包括一第一電容，該第一電容具有一第一端及一第二端；一第一電感，具有一電連接該第一電容的第一端之第一端，及一接地的第二端；一第二電感，具有一電連接該開關單元的第二端之第一端，及一電連接該第一電容的第二端之第二端，且與該第一電感相互耦合；一第二電容，具有一第一端，及一電連接該開關單元的第二端之第二端；一第三電容，具有一電連接該開關單元的第二端之第一端，及一第二端；一第四電容，具有一用以產生一正值的第一輸出電壓的第一端，及一接地的第二端；一第五電容，具有一用以產生一負值的第二輸出電壓的第一端，及一接地的第二端；一第一切換開關，電連接於該第二電容的第一端、該第四電容的第一端及地之間，且可切換地使該第二電容的第一端導通於該第四電容的第一端或地；及一第二切換開關，電連接於該第三電容的第二端、該第五電容的第一端及地之間，且可切換地使該第三電容的第二端導通於該第五電容的第一端或地；該雙輸出升壓轉換器能根據該驅動訊號交替地操作於一第一模式及一第二模式，於該第一模式，該開關單元導通，該第一電容、該第一電感及該第二電感充電，該第一切換開關使該第二電容的第一端導通於該第四電容的第一端，該第二切換開關使該第三電容的第二端導通於地，於該第二模式，該開關單元不導通，該第一電容、該第一電感及該第二電感放電，該第一切換開關使該第二電容的第一端導通於地，該第二切換開關使該第三電容的第二端導通於該第五電容的第一端。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之雙輸出升壓轉換器，其中，該儲能單元還包括一第一二極體及一第二二極體，該第一二極體的陽極及陰極分別電連接於該開關單元的第二端及該第一電容的第一端，該第二二極體的陽極及陰極分別電連接於該第一電容的第二端及地。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之雙輸出升壓轉換器，其中，該第一切換開關包括一第三二極體及一第四二極體，該第三二極體的陽極及陰極分別電連接於地及該第二電容的第一端，該第四二極體的陽極及陰極分別電連接於該第二電容的第一端及該第四電容的第一端。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之雙輸出升壓轉換器，其中，該第二切換開關包括一第五二極體及一第六二極體，該第五二極體的陽極及陰極分別電連接於該第三電容的第二端及地，該第六二極體的陽極及陰極分別電連接於該第五電容的第一端及該第三電容的第二端。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之雙輸出升壓轉換器，其中，該第一電感與該第二電感的匝數相同。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之雙輸出升壓轉換器，其中，該開關單元具有一電晶體及一第七二極體，該電晶體的汲極、源極及閘極分別電連接於該開關單元的第一端、第二端及控制端，該第七二極體的陽極及陰極分別電連接於該開關單元的第二端及第一端。