TWI439023B - 低雜訊降壓轉換電路及低雜訊電壓供應總成 - Google Patents

Description

低雜訊降壓轉換電路及低雜訊電壓供應總成

本發明有關於直流轉直流整流電路，特別是關於一種低雜訊降壓轉換電路及具備該轉換電路之低雜訊電壓供應總成。

請參閱「第1圖」所示，係為一典型的非同步整流Buck電路(Buck Converter)。Buck電路為習知技術中常見的直流轉直流整流電路(DC-DC Converter)。Buck電路係透過一快速切換開關10，例如電晶體開關，將一直流電壓源V之電壓輸出轉換為不連續電流模式輸出，例如脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)訊號，再透過電感20、電容30、二極體40之整流，而供應低電壓之電流至負載電路L。

快速切換開關10不斷地進行開啟及關閉，使得直流電壓源V透過快速切換開關10輸出不連續電流。此一不連續電流與輸入阻抗交互作用之下，將形成漣波電壓(Ripple Voltage)及電磁干擾(Electromagnetic interference，EMI)，漣波電壓及電磁干擾的強度若超過負載電路L的可容許強度門檻，將影響負載電路L的運作，甚至破壞負載電路L。縱使對負載電路L無明顯的負面影響，電磁干擾也會影響周遭電子器材之運作。

關於整流電路的輸出可能影響負載電路L的問題，美國專利US5,124,873號專利提出一種突波壓制電路，其係透過基納二極體(Zener Diode)反向地連接電壓源之輸出端，而將該輸出端旁通接地。在有高電壓突波由電壓源朝向負載電路L輸出時，基納二極體將因為反向偏壓超過崩潰電壓，而反向導通以將高電壓突波旁通至接地線路而予以消除。但US5,124,873主要係解決來自電壓源本身不穩定或外部導入之高壓電所產生的高電壓突波，並未解決直流轉直流整流電路中所面臨的漣波電壓及電磁干擾。

而美國專利US7,038,899的說明書之背景技術提到一種濾波電路，用以濾除或抑制放大器輸出之雜訊。但該項技術的揭露並未解決漣波電壓的問題，同時未解決直流轉直流整流電路中所面臨的漣波電壓及電磁干擾問題。

鑑於直流轉直流整流電路中所面臨的漣波電壓及電磁干擾問題，本發明提出一種低雜訊降壓轉換電路，係可抑制漣波電壓及並降低電磁干擾。

本發明提出一種低雜訊降壓轉換電路，用以接收一輸入電壓，而加以轉換並輸出一轉換電壓至一負載電路。低雜訊降壓轉換電路包括一整流電壓輸出端、一脈波產生器、一整流二極體一整流電感、一整流電容及一阻抗元件。

整流電壓輸出端用以輸出轉換電壓。脈波產生器包括一脈波輸出端；脈波產生器用以接收輸入電壓，而透過脈波輸出端輸出一脈波。整流二極體反向地耦接於脈波輸出端，而使脈波之負載部分對整流二極體產生反向偏壓。整流電感之一端連接於脈波輸出端以接收脈波，另一端連接於整流電壓輸出端。整流電容之一端連接於整流電壓輸出端，另一端電性接地。阻抗元件至少提供電阻阻抗及電感阻抗，其中整流二極體及該阻抗元件互相串聯且電性接地。

透過阻抗元件匹配負載電路之輸入阻抗，本發明之低雜訊降壓轉換電路係可有效地抑制漣波電壓並消除電磁干擾。

鑑於直流轉直流整流電路中所面臨的漣波電壓及電磁干擾問題，本發明提出一種低雜訊電壓供應總成，其輸出具有漣波電壓強度及低電磁干擾強度之優點。

本發明提出一種低雜訊電壓供應總成，用以輸出一轉換電壓至一負載電路。低雜訊電壓供應總成包括一整流電壓輸出 端、一脈波輸出裝置、一整流電感、一整流電容、一整流二極體及一阻抗元件。

整流電壓輸出端用以輸出該轉換電壓。脈波輸出裝置包括一脈波輸出端，用以輸出一脈波。整流電感之一端連接於脈波輸出端以接收脈波，另一端連接於整流電壓輸出端。整流電容之一端連接於整流電壓輸出端，另一端電性接地。整流二極體反向地耦接於脈波輸出端，而使脈波之負載部分對整流二極體產生反向偏壓。阻抗元件至少提供電阻阻抗及電感阻抗，其中整流二極體及阻抗元件互相串聯且電性接地。

透過阻抗元件匹配負載電路之輸入阻抗，本發明之低雜訊電壓供應總成所輸出之轉換電壓，具有低漣波電壓強度及低電磁干擾強度之特點。

本發明各實施例有效地抑制漣波電壓之大小，從而避免漣波電壓對負載電路產生之破壞。同時，對於漣波電壓之抑制，也可以有效降地電磁干擾之強度，使得本發明各實施例提供之電壓供應方案具備低雜訊之特性。

請參閱「第2圖」所示，為本發明第一實施例所揭露之一種低雜訊電壓供應總成1，包括一低雜訊降壓轉換電路100(Low Noise Step-Down Converter)及一直流電壓源200。

如「第2圖」所示，直流電壓源200用以提供一輸入電壓Vin，並通過直流電壓源200之一直流電壓供應端210，輸出輸入電壓Vin至低雜訊降壓轉換電路100。

低雜訊降壓轉換電路100用以自直流電壓供應端210接收輸入電壓Vin，並且將輸入電壓Vin轉換為包括相對低電壓之轉換電壓Vout。最後，低雜訊降壓轉換電路100透過一整流電壓輸出端101，輸出前述之轉換電壓Vout，以供應轉換電壓 Vout至負載電路L。

如「第2圖」所示，低雜訊降壓轉換電路100更包括一脈波產生器110、一整流二極體120(Rectifying Diode)、一阻抗元件130(Impedance Element)、一整流電感140及一整流電容150。

如「第2圖」所示，脈波產生器110電性連接於直流電壓供應端210以接收輸入電壓Vin，而週期性地切換輸出為開啟(On)及關閉(Off)，而使輸入電壓Vin形成脈波P之型態輸出。脈波產生器110包括一脈波輸出端111，用以輸出脈波P。直流電壓源200提供之輸入電壓Vin為固定不變，而係透過脈波產生器110之切換，使輸入電壓Vin形成脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)訊號型態之脈波P。

如「第2圖」所示，整流二極體120之一端耦接於脈波輸出端111，另一端間接地透過阻抗元件130電性接地，使得整流二極體120之順向偏壓方向係由電性接地之一端指向脈波輸出端111。更具體而言，整流二極體120係反向地(Reversely)耦接於脈波輸出端111，而使脈波P之負載部分對整流二極體120產生反向偏壓。

整流二極體120之一具體實施例為蕭特基二極體(Schottky Diode)，蕭特基二極體的反向恢復時間僅有數十個百億分之一秒(picosecond，ps)，也就是蕭特基二極體由流過順向偏壓電流的導通狀態，切換到反向偏壓而不導通狀態所需的時間，僅有數十個ps，減少反向電流所造成之問題。

如「第2圖」所示，阻抗元件130(Impedance Element)至少提供電阻阻抗及電感阻抗。整流二極體120及阻抗元件130互相串聯，且串聯地電性接地。

如「第2圖」所示，阻抗元件130之一具體實施例為陶鐵磁珠(Ferrite Bead)，其係同時具備良好的電阻阻抗及電感阻 抗。同時，陶鐵磁珠為單一元件且體積小，有利於電路之佈局設計，並且陶鐵磁珠包括良好的耐受性，而可延長使用壽命。

整流電感140之一端連接於脈波輸出端111以接收脈波P，另一端連接於整流電壓輸出端101。整流電容150之一端連接於該整流電壓輸出端101，另一端電性接地。

如「第3圖」所示，當脈波產生器110輸出之脈波P訊號為高準位的半週期時，直流電壓源200通過脈波產生器110、整流電感140而直接供應一第一電流I至負載電路L，並同時對整流電容150充電。此時因為直流電壓源200輸出之電流同時也對對整流電容150充電，因此第一電流I係呈現隨時間遞增(整流電容150逐漸呈現飽和而降低通過整流電容150之電流)。而整流二極體120因為受到反向偏壓，因此整流二極體120及阻抗元件130無電流通過。

如「第4圖」所示，當脈波產生器110輸出之脈波P訊號為低準位的半週期時，整流電容150進行放電，使得整流二極體120接受順向偏壓，而形成第二電流I”供應至負載電路L。因為第二電流I”係由整流電容150供應，因此第二電流I”係隨時間遞減。

如「第5圖」所示，脈波P訊號不斷以高頻率在高低準位之間切換。在欠缺阻抗元件130串聯於整流二極體120的情況下，輸入電壓Vin會帶有漣波電壓R，並且產生電磁干擾(Electromagnetic interference，EMI)，而影響到負載電路L的運作。

如「第6圖」所示，漣波電壓R的產生，主要係受到脈波P訊號頻率及負載電路L的輸入阻抗所影響。其中脈波P訊號的頻率通常為固定，因此必須透過負載電路L的輸入阻抗Z來改變漣波電壓R的大小。如「第5圖」所示，若將負載電路L的輸入阻抗Z以一複數(complex)表示，則輸入阻抗Z 可分為實部之電阻阻抗R及虛部之電感阻抗xL。而漣波電壓R的大小主要係受到虛部之電感阻抗xL影響。此時，阻抗元件130提供電阻阻抗及電感阻抗之大小，就可以依據脈波P訊號的頻率，找出對應的虛部之電感阻抗xL，從而挑選適當的阻抗元件130。

如「第7圖」所示，在將適當的阻抗元件130串聯於整流二極體120之後，就可以適度地降低漣波電壓R的大小至一可容許強度門檻之下。

如「第8圖」所示，為本發明第二實施例所揭露之一種低雜訊電壓供應總成1，包括一整流電壓輸出端101。低雜訊電壓供應總成1透過整流電壓輸出端101輸出一轉換電壓Vout至一負載電路L。低雜訊電壓供應總成1更包括一脈波輸出裝置201、一整流二極體120、一阻抗元件130、一整流電感140、一整流電容150。

如「第8圖」所示，脈波輸出裝置201包括一脈波輸出端111a，用以輸出一脈波P。脈波輸出裝置201包括一直流電壓源200及一脈波產生器110a。直流電壓源200包括一直流電壓供應端210，且直流電壓源200透過直流電壓供應端210提供一輸入電壓Vin。

脈波產生器110a係可結合於整流二極體120、阻抗元件130、整流電感140、整流電容150，而形成如第一實施例所述之低雜訊降壓轉換電路100。脈波產生器110a之一具體實施例為一電晶體切換器，設置於該直流電壓供應端210及脈波輸出端111之間。

如「第8圖」所示，作為脈波產生器110a，電晶體切換器之閘極G連接於一震盪器或一控制訊號源，以接收一週期切換訊號S。受到週期切換訊號S的觸發，電晶體切換器週期地切換直流電壓供應端210及脈波輸出端111之間為導通或是 斷路，而形成脈波P且自脈波輸出端111輸出脈波P。由於直流電壓源200提供之輸入電壓Vin為固定不變，而負載部分的頻寬係透過脈波產生器110a之切換決定，因此該脈波P係為脈衝寬度調變訊號。

如「第8圖」所示，整流二極體120之具體實施例為蕭特基二極體，反向地耦接於脈波輸出端111，而使脈波P之負載部分對整流二極體120產生反向偏壓。

阻抗元件130之具體實施例為陶鐵磁珠，至少提供電阻阻抗及電感阻抗。整流二極體120及阻抗元件130互相串聯且電性接地；具體實施方式為：阻抗元件130串聯於整流二極體120，使整流二極體120透過阻抗元件130電性接地。電感阻抗的選擇係針對脈波P的切換頻率，找出與負載電路L匹配之電感阻抗值，以抵銷輸入阻抗中的虛功部分，從而降低輸出電壓Vin中的漣波電壓。

整流電感140之一端連接於脈波輸出端111以接收脈波P，另一端連接於整流電壓輸出端101。整流電容150之一端連接於該整流電壓輸出端101，另一端電性接地。

如「第9圖」所示，係為第二實施例之具體實施方式，於商業化實施時，脈波產生器110a可整合於一電源供應晶片110b中，脈波輸出端111a係為電源供應晶片之一腳位，用以連接阻抗元件130、整流電感140及整流電容150。

如「第10圖」所示，為本發明第三實施例之一種低雜訊電壓供應總成1，係用以提供一阻抗元件130a之具體實施方式，以結合於本發明各實施例之電路中，而達成低雜訊電壓供應總成1及低雜訊降壓轉換電路100之變化。

於第三實施例中，阻抗元件130a包括一匹配電感器131及一匹配電阻器132。匹配電感器131及匹配電阻器132互相串聯，且串聯於整流二極體120。於此實施例中，獨立之匹配電感器131可以供更快速地選擇找出與負載電路L匹配之電感阻抗值，以抵銷輸入阻抗中的虛功部分，從而降低輸出電壓Vin中的漣波電壓。

本發明各實施例透過阻抗元件130/130a之匹配選擇，有效地抑制漣波電壓R之大小，從而避免漣波電壓R對負載電路L產生之破壞。同時，對於漣波電壓R之抑制，也可以有效降地電磁干擾之強度，使得本發明各實施例提供之電壓供應方案具備低雜訊之特性。

本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，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。

10．．．快速切換開關

20．．．電感

30．．．電容

40．．．二極體

1．．．低雜訊電壓供應總成

100．．．低雜訊降壓轉換電路

101．．．整流電壓輸出端

110．．．脈波產生器

110a．．．脈波產生器

110b．．．電源供應晶片

111．．．脈波輸出端

111a．．．脈波輸出端

120．．．整流二極體

130．．．阻抗元件

130a．．．阻抗元件

131．．．匹配電感器

132．．．匹配電阻器

140．．．整流電感

150．．．整流電容

200．．．直流電壓源

201．．．脈波輸出裝置

210‧‧‧直流電壓供應端

V‧‧‧直流電壓源

L‧‧‧負載電路

Vin‧‧‧輸入電壓

Vout‧‧‧轉換電壓

P‧‧‧脈波

I‧‧‧第一電流

I”‧‧‧第二電流

Z‧‧‧輸入阻抗

R‧‧‧電阻阻抗

xL‧‧‧電感阻抗

G‧‧‧閘極

S‧‧‧週期切換訊號

第1圖為習知技術之直流轉直流整流電路之電路示意圖。

第2圖為本發明第一實施例之電路圖。

第3圖及第4圖為第2圖之電路於不同半週期中，電流流動方向之示意圖。

第5圖為習知技術之整流電路輸出之雜訊強度與切換頻率之關係圖。

第6圖為輸入阻抗與切換頻率之關係圖。

第7圖為本發明第一實施例之電路輸出雜訊強度與切換頻率之關係圖。

第8圖為本發明第二實施例之電路圖。

第9圖為本發明第二實施例之一具體實施方式之電路圖。

第10圖為本發明第三實施例之電路圖。

1．．．低雜訊電壓供應總成

100．．．低雜訊降壓轉換電路

101．．．整流電壓輸出端

110．．．脈波產生器

111．．．脈波輸出端

120．．．整流二極體

130．．．阻抗元件

140．．．整流電感

150．．．整流電容

200．．．直流電壓源

210．．．直流電壓供應端

L．．．負載電路

Vin．．．輸入電壓

Vout．．．轉換電壓

P．．．脈波

Claims (20)

1. 一種低雜訊降壓轉換電路，用以接收一輸入電壓，而加以轉換並輸出一轉換電壓至一負載電路，該低雜訊降壓轉換電路包括：一整流電壓輸出端，用以輸出該轉換電壓；一脈波產生器，包括一脈波輸出端；其中該脈波產生器用以接收該輸入電壓，而透過該脈波輸出端輸出一脈波；一整流二極體，反向地耦接於該脈波輸出端，而使該脈波之負載部分對該整流二極體產生反向偏壓；一整流電感，一端連接於該脈波輸出端以接收該脈波，另一端連接於該整流電壓輸出端；一整流電容，一端連接於該整流電壓輸出端，另一端電性接地；及一阻抗元件，至少提供電阻阻抗及電感阻抗，其中該整流二極體及該阻抗元件互相串聯且電性接地。
2. 如申請專利範圍第1項所述之低雜訊降壓轉換電路，其中該脈波為脈衝寬度調變訊號。
3. 如申請專利範圍第2項所述之低雜訊降壓轉換電路，其中該整流二極體之一端耦接於該脈波輸出端，另一端間接地透過阻抗元件電性接地。
4. 如申請專利範圍第3項所述之低雜訊降壓轉換電路，其中該阻抗元件為一陶鐵磁珠。
5. 如申請專利範圍第4項所述之低雜訊降壓轉換電路，其中該整流二極體為一蕭特基二極體。
6. 如申請專利範圍第5項所述之低雜訊降壓轉換電路，其中該脈 波產生器包括：一電晶體切換器，設置於該直流電壓供應端及該脈波輸出端之間，用以週期地切換該直流電壓供應端及該脈波輸出端之間為導通或是斷路。
7. 如申請專利範圍第3項所述之低雜訊降壓轉換電路，其中該阻抗元件包括一匹配電感器及一匹配電阻器，該匹配電感器及該匹配電阻器互相串聯，且串聯於該整流二極體。
8. 如申請專利範圍第7項所述之低雜訊降壓轉換電路，其中該脈波產生器包括：一電晶體切換器，設置於該直流電壓供應端及該脈波輸出端之間，用以週期地切換該直流電壓供應端及該脈波輸出端之間為導通或是斷路。
9. 如申請專利範圍第8項所述之低雜訊降壓轉換電路，其中該整流二極體為一蕭特基二極體。
10. 一種低雜訊電壓供應總成，用以輸出一轉換電壓至一負載電路，該低雜訊電壓供應總成包括：一整流電壓輸出端，用以輸出該轉換電壓；一脈波輸出裝置，包括一脈波輸出端用以輸出一脈波；一整流電感，一端連接於該脈波輸出端以接收該脈波，另一端連接於該整流電壓輸出端；一整流電容，一端連接於該整流電壓輸出端，另一端電性接地；一整流二極體，反向地耦接於該脈波輸出端，而使該脈波之負載部分對該整流二極體產生反向偏壓；及一阻抗元件，至少提供電阻阻抗及電感阻抗，其中該整流二極體及該阻抗元件互相串聯且電性接地。
11. 如申請專利範圍第10項所述之低雜訊電壓供應總成，其中該阻抗元件為一陶鐵磁珠。
12. 如申請專利範圍第11項所述之低雜訊降壓轉換總成，其中該脈波為脈衝寬度調變訊號。
13. 如申請專利範圍第12項所述之低雜訊降壓轉換總成，其中脈波輸出裝置包括：一直流電壓源，包括一直流電壓供應端用以提供該輸入電壓；及一脈波產生器，包括該脈波輸出端；該脈波產生器用以週期地切換該直流電壓供應端及該脈波輸出端之間為導通或是斷路。
14. 如申請專利範圍第13項所述之低雜訊降壓轉換總成，其中該脈波產生器包括：一電晶體切換器，設置於該直流電壓供應端及該脈波輸出端之間，用以週期地切換該直流電壓供應端及該脈波輸出端之間為導通或是斷路。
15. 如申請專利範圍第14項所述之低雜訊電壓供應總成，其中該整流二極體之一端耦接於該脈波輸出端，另一端間接地透過阻抗元件電性接地。
16. 如申請專利範圍第14項所述之低雜訊電壓供應總成，其中該整流二極體為一蕭特基二極體。
17. 如申請專利範圍第10項所述之低雜訊電壓供應總成，其中該阻抗元件包括一匹配電感器及一匹配電阻器，該匹配電感器及該匹配電阻器互相串聯，且串聯於該整流二極體。
18. 如申請專利範圍第17項所述之低雜訊電壓供應總成，其中該整流二極體為一蕭特基二極體，其一端耦接於該脈波輸出端，另一端間接地透過阻抗元件電性接地。
19. 如申請專利範圍第18項所述之低雜訊降壓轉換總成，其中該脈波為脈衝寬度調變訊號。
20. 如申請專利範圍第19項所述之低雜訊降壓轉換總成，其中該脈波輸出裝置包括：一直流電壓源，包括一直流電壓供應端用以提供該輸入電壓；及一電晶體切換器，設置於該直流電壓供應端及該脈波輸出端之間，用以週期地切換該直流電壓供應端及該脈波輸出端之間為導通或是斷路。