TWI445304B - 電源轉換電路及可調適耐壓之電路 - Google Patents

Description

電源轉換電路及可調適耐壓之電路

本發明係關於一種電源轉換電路，尤指一種應用於電源轉換電路之具可調適耐壓之電晶體開關電路。

請參見第一圖，為習知之直流轉直流升壓轉換電路之電路示意圖。直流轉直流升壓轉換電路包含一電感L、一二極體D、一輸出電容C、一輸出電壓偵測電路VD以及一控制器10，將一輸入電壓源Vin升壓為一輸出電壓Vout。控制器10為一積體電路，包含一控制單元12及一內建電晶體開關14。輸出電壓偵測電路VD偵測輸出電壓Vout以產生一電壓迴授訊號VFB。控制器10根據電壓迴授訊號VFB控制內建電晶體開關14的工作週期(Duty Cycle)，使輸出電壓維持在預定的輸出電壓值。

雖然內建電晶體開關14內建於控制器10內可降低一些外部電路(例如：印刷電路板上的電路佈局電路)所造成的雜訊或寄生元件(電阻、電感、電容)效應。然而，由於內建電晶體開關14的規格已確定，例如：耐壓，使控制器10的應用範圍隨之受限。如第一圖所示之電路，由於直流轉直流升壓轉換電路在內建電晶體開關14截止時，內建電晶體開關14與電感L之連接點的電壓會上升到高於輸出電壓Vout。因此，輸出電壓Vout需低於內建電晶體開關14的耐壓值，以避免電晶體開關14因耐壓不足而毀損。若內建電晶體開關14採用耐壓值較高者，雖可使控制器10在電路應用時較無耐壓限制，然而卻同時增加了控制器10的成本，並無法使應用範圍擴大。上述問題，為現今的內建電晶體之控制器所面臨之問題。

鑑於先前技術中的問題，本發明利用外接一電晶體開關之方式，由外接電晶體開關配合電路所需之耐壓要求，故可避免使用較高耐壓之電晶體開關應用至耐壓需求不高之應用電路。因此，本發明可在最低電路成本下達到應用電路之耐壓需求。而且，此電路結構可同時減少切換損失，使電路的損耗降低以及減少熱的產生。

為達上述目的，本發明提供了一種電源轉換電路，用以將一輸入電壓源之電力轉換成適當之一輸出電源以驅動一負載。電源轉換電路包含一轉換電路、一控制器及一電晶體開關。轉換電路耦接輸入電壓源。控制器具有一內建電晶體開關，內建電晶體開關耦接轉換電路，其中控制器根據代表輸出電源狀態之一迴授訊號控制內建電晶體開關之導通與截止。電晶體開關具有一第一端、一第二端以及一控制端，第一端耦接於內建電晶體開關、第二端耦接轉換電路，控制端接收一控制耐壓訊號以據此導通與截止，使電晶體開關與內建電晶體開關之大致同步導通及截止。

本發明也提供了一種可調適耐壓之電路，包含一控制器及一電晶體開關。控制器包含一控制單元及一內建電晶體開關，控制單元控制內建電晶體開關之導通與截止。電晶體開關具有一第一端、一第二端及一控制端，第一端耦接內建電晶體開關，第二端耦接一輸入電壓源，而控制端接收一控制耐壓訊號。其中，控制耐壓訊號之準位係根據內建電晶體開關之耐壓而定。

本發明更提供了一種可調適耐壓之電路，包含一控制器、一電晶體開關及一耐壓控制電路。控制器包含一控制單元及一內建電晶體開關，控制單元控制內建電晶體開關之導通與截止。電晶體開關具有一第一端、一第二端及一控制端，第一端耦接內建電晶體開關，第二端耦接一輸入電壓源。耐壓控制電路耦接電晶體開關，以根據控制器之一控制開關產生一控制耐壓訊號以控制電晶體開關之導通與截止，使電晶體開關與內建電晶體開關之大致同步導通及截止。

以上的概述與接下來的詳細說明皆為示範性質，是為了進一步說明本發明的申請專利範圍。而有關本發明的其他目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。

請參見第二圖，為根據本發明之一第一較佳實施例之電源轉換電路之電路示意圖。電源轉換電路，包含一轉換電路、一控制器100以及一電晶體開關114，用以將一輸入電壓源Vin之電力轉換成適當之一輸出電源以驅動一負載130。在本實施例，轉換電路為一直流轉直流升壓轉換電路，包含一電感L耦接輸入電壓源Vin、一二極體D、一輸出電容C，以將輸入電壓源Vin的電壓升壓成一輸出電源輸出。控制器100具有一控制單元102以及一內建電晶體開關104，內建電晶體開關104一端耦接電感L，另一端接地。一電流偵測電路RS耦接負載130，並根據負載130之電流產生一電流迴授訊號IFB以代表負載130之電流大小。控制單元102接收電流迴授訊號IFB，以據此產生一控制訊號以控制內建電晶體開關104的導通與截止，使流經負載130的電流穩定在預定電流值。電晶體開關114具有一第一端、一第二端以及一控制端，第一端耦接於內建電晶體開關104、第二端耦接轉換電路中的電感L，控制端接收一控制耐壓訊號Sc以據此導通與截止，使電晶體開關114與內建電晶體開關104之大致同步導通及截止。在本發明，電晶體開關114可以是金氧半電晶體(MOS)、雙載子電晶體(BJT)或其他電晶體(其具有控制端與另一端電壓差高於一特定值來控制導通/截止之特性)。

在本實施例，控制耐壓訊號Sc係由耐壓控制電路112所產生。耐壓控制電路112接收控制單元102所產生的控制訊號，據此產生控制耐壓訊號Sc使內建電晶體開關104及電晶體開關114同時導通及截止。如此，當因內建電晶體開關104截止時，內建電晶體開關104及電晶體開關114的連接點之電壓因電晶體開關114也同時截止而不至於上升至接近或高於輸出電源。

電源轉換電路可更包含一驅動電壓電路120，驅動電壓電路120包含一輸入電阻Ri、一輸入電容Ci及一齊納二極體Z，產生一驅動電壓Vcc至控制器100以提供其操作所需之電力，其中輸入電容Ci及齊納二極體Z並聯，一端接地而另一端耦接輸入電阻Ri之一端；輸入電阻Ri之另一端耦接電容L及電晶體開關114之連接點。

請參見第三圖，為根據本發明之一第二較佳實施例之電源轉換電路之電路示意圖。電源轉換電路包含一轉換電路、一控制器100以及一電晶體開關114，用以將一輸入電壓源Vin之電力轉換成適當之一輸出電源Vout。在本實施例，轉換電路為一直流轉直流反馳式轉換電路，包含一變壓器T、一二極體D、一輸出電容C。變壓器T的初級側之一端耦接輸入電壓源Vin，初級側之另一端耦接控制器100；次級側之一端耦接二極體D，另一端耦接地。二極體D將變壓器T次級側之輸出電壓整波，並經輸出電容C進一步濾波後成為輸出電壓Vout。控制器100具有一控制單元102以及一內建電晶體開關104，內建電晶體開關104之一端耦接變壓器T的初級側，另一端接地。一電壓偵測電路VD耦接輸出電容C，並根據輸出電壓Vout產生一電壓迴授訊號VFB以代表輸出電壓Vout之電壓大小。控制單元102接收電壓迴授訊號VFB，以據此產生一控制訊號以控制內建電晶體開關104的導通與截止，使輸出電壓Vout穩定在預定電壓值。電晶體開關114具有一第一端、一第二端以及一控制端，第一端耦接於內建電晶體開關104、第二端耦接轉換電路中的變壓器T，控制端接收一控制耐壓訊號Sc以據此導通與截止，使電晶體開關114與內建電晶體開關104之大致同步導通及截止。

在本實施例，控制耐壓訊號Sc亦由耐壓控制電路112所產生。耐壓控制電路112接收控制單元102的所產生的控制訊號，據此產生控制耐壓訊號Sc使內建電晶體開關104及電晶體開關114同時導通及截止。如此，當因內建電晶體開關104截止時，內建電晶體開關104及電晶體開關114的連接點之電壓因電晶體開關114也同時截止而不至於上升至等於輸入電壓源Vin之電壓，使電晶體開關114可協助內建電晶體開關104分擔輸入電壓源Vin之電壓。

本發明之電路，不僅可應用於轉換電路做為轉換電路的電晶體開關，亦可以應用任何需開關之電路，以下將以數個實施例做說明。當然，這些可調適耐壓之電路亦可應用於轉換電路做為開關。

請參見第四圖，為根據本發明之一第一較佳實施例之可調適耐壓之電路示意圖。本實施例之可調適耐壓與第二圖及第三圖所示之電路主要差異點為多增加了一齊納二極體Z。齊納二極體Z之一端耦接內建電晶體開關104及電晶體開關114的連接點，另一端接地，且齊納二極體Z的崩潰電壓為等於或小於內建電晶體開關104之耐壓值。如此，可更確保連接點之電壓不會超過內建電晶體開關104之耐壓。另外，控制單元102’可依據一預定之導通截止控制程序來控制內建電晶體開關104之導通與截止，而不一定需如上述實施例般需根據一迴授訊號來決定內建電晶體開關104的工作週期。其餘操作說明請參見第二圖及第三圖對應電路之說明。

請參見第五圖，為根據本發明之一第二較佳實施例之可調適耐壓之電路示意圖。控制器200包含一控制單元202及一內建電晶體開關204，且控制單元202控制內建電晶體開關204之導通與截止。電晶體開關214具有一第一端、一第二端及一控制端，第一端耦接內建電晶體開關204，第二端耦接一輸入電壓源(未繪出)，而控制端接收一控制耐壓訊號Sc。

在本實施例中，控制耐壓訊號Sc為具有一固定準位之訊號，其準位係根據內建電晶體開關204之耐壓值而定，也就是固定準位等於或小於內建電晶體開關204之耐壓值。當內建電晶體開關204截止後，此時電晶體開關214仍導通，使內建電晶體開關204與電晶體開關214之連接點之電壓開始上升。當此連接點電壓上升至接近控制耐壓訊號Sc之準位，使電晶體開關214的控制端與第一端之電位差不足使電晶體開關214維持導通時，電晶體開關214將截止。此時，連接點的電壓將小於或等於控制耐壓訊號Sc之準位，也就是小於或等於內建電晶體開關204之耐壓值。當電晶體開關214導通後，此時電晶體開關214仍截止，此時內建電晶體開關204與電晶體開關214之連接點的電壓開始下降。當電晶體開關214的控制端與第一端之電位差足以使電晶體開關214導通時，電晶體開關214才導通。故，內建電晶體開關204不論導通或截止，電晶體開關214與內建電晶體開關204的連接點電壓均可確保在內建電晶體開關204之耐壓範圍內。

請參見第六圖，為根據本發明之一第三較佳實施例之可調適耐壓之電路示意圖。控制器200包含一控制單元202及一內建電晶體開關204，且控制單元202控制內建電晶體開關204之導通與截止。電晶體開關214具有一第一端、一第二端及一控制端，第一端耦接內建電晶體開關204，第二端耦接一輸入電壓源(未繪出)，而控制端接收一控制耐壓訊號Sc，在本實施例中，電晶體開關214為一雙載子電晶體。

在本實施例中，控制耐壓訊號Sc係由一耐壓控制電路212所產生。耐壓控制電路212偵測電晶體開關214與內建電晶體開關204之連接點電壓，以據此控制電晶體開關214之導通與截止。耐壓控制電路212包含一電壓參考電路220、一電阻R1及一N型金氧半場效電晶體216。電阻R1一端耦接一電壓(例如：輸入電壓源)，另一端耦接電晶體開關214之控制端。電壓參考電路220包含一電組R2、一電容C1以及一齊納二極體Z，其中電容C1以及齊納二極體Z並聯，而電阻R2一端耦接一電壓源(例如：輸入電壓源Vin)，另一端耦接齊納二極體Z，以根據齊納二極體Z之崩潰電壓產生一參考電位至N型金氧半場效電晶體216之源極端，其中參考電位係小於內建電晶體開關204的耐壓值。N型金氧半場效電晶體216之閘極端耦接電晶體開關214與內建電晶體開關204之連接點。當內建電晶體開關204截止使連接點之電壓升高致使N型金氧半場效電晶體216之閘極端與源極端電壓差夠大，N型金氧半場效電晶體216將導通。N型金氧半場效電晶體216之汲極端連接至電晶體開關214之控制端，使得電晶體開關214之控制端下降至接近電壓參考電路220所產生的參考電位，使電晶體開關214截止。當內建電晶體開關204導通使連接點之電壓下降至使N型金氧半場效電晶體216截止，此時，因電阻R1的關係，電晶體開關214的控制端之電位上升而使電晶體開關214於隨後導通。

同樣地，在本實施例內建電晶體開關204不論導通或截止，電晶體開關214與內建電晶體開關204的連接點電壓均可確保在內建電晶體開關204之耐壓範圍內。

依據上述實施例之說明，本發明利用外接一電晶體開關之方式，由外接電晶體開關配合電路所需之耐壓要求，故可避免使用較高耐壓之電晶體開關以應用至耐壓需求不高之應用電路。因此，本發明可在最低電路成本下達到應用電路之耐壓需求。而且內建電晶體開關由截止轉為導通之時間點早於電晶體開關由截止轉為導通之時間點，所以內建電晶體開關由截止轉為導通並無切換損失；而內建電晶體開關由導通轉為截止之時間點早於電晶體開關由導通轉為截止之時間點，電晶體開關由截止轉為導通的切換損失也將下降。

如上所述，本發明完全符合專利三要件：新穎性、進步性和產業上的利用性。本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專利範圍所界定者為準。

先前技術：

L．．．電感

D．．．二極體

C．．．輸出電容

VD．．．輸出電壓偵測電路

10．．．控制器

12．．．控制單元

14．．．內建電晶體開關

Vin．．．輸入電壓源

Vout．．．輸出電壓

VFB．．．電壓迴授訊號

本發明：

100、200．．．控制器

102、102’、202．．．控制單元

104、204．．．內建電晶體開關

112、212、312．．．耐壓控制電路

114、214．．．電晶體開關

120．．．驅動電壓電路

130．．．負載

216．．．N型金氧半場效電晶體

220．．．電壓參考電路

Vin．．．輸入電壓源

L．．．電感

D．．．二極體

C．．．輸出電容

Vout．．．輸出電壓

RS．．．電流偵測電路

IFB．．．電流迴授訊號

Sc．．．控制耐壓訊號

Ri．．．輸入電阻

Ci．．．輸入電容

Z．．．齊納二極體

Vcc．．．驅動電壓

T．．．變壓器

VD．．．電壓偵測電路

R1、R2．．．電阻

第一圖為習知之直流轉直流升壓轉換電路之電路示意圖。

第二圖為根據本發明之一第一較佳實施例之電源轉換電路之電路示意圖。

第三圖為根據本發明之一第二較佳實施例之電源轉換電路之電路示意圖。

第四圖為根據本發明之一第一較佳實施例之可調適耐壓之電路示意圖。

第五圖為根據本發明之一第二較佳實施例之可調適耐壓之電路示意圖。

第六圖為根據本發明之一第三較佳實施例之可調適耐壓之電路示意圖。

100．．．控制器

102．．．控制單元

104．．．內建電晶體開關

112．．．耐壓控制電路

114．．．電晶體開關

120．．．驅動電壓電路

130．．．負載

Vin．．．輸入電壓源

L．．．電感

D．．．二極體

C．．．輸出電容

RS．．．電流偵測電路

IFB．．．電流迴授訊號

Sc．．．控制耐壓訊號

Ri．．．輸入電阻

Ci．．．輸入電容

Z．．．齊納二極體

Vcc．．．驅動電壓

Claims (15)

1. 一種電源轉換電路，用以將一輸入電壓源之電力轉換成適當之一輸出電源以驅動一負載，該電源轉換電路包含：一轉換電路，耦接該輸入電壓源；一控制器，具有一內建電晶體開關，該內建電晶體開關耦接該轉換電路，其中該控制器根據代表該輸出電源狀態之一迴授訊號控制該內建電晶體開關之導通與截止；以及一電晶體開關，具有一第一端、一第二端以及一控制端，該第一端耦接於該內建電晶體開關、該第二端耦接該轉換電路，該控制端接收一控制耐壓訊號以據此導通與截止，使該電晶體開關與該內建電晶體開關之大致同步導通及截止；其中該控制耐壓訊號之準位係根據該內建電晶體開關之耐壓而定。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換電路，更包含一耐壓控制電路，偵測該電晶體開關之該第一端，以據此產生該控制耐壓訊號。
3. 如申請專利範圍第1項至第2項其中之一所述之電源轉換電路，其中該內建電晶體開關由截止轉為導通之時間點早於該電晶體開關由截止轉為導通之時間點。
4. 如申請專利範圍第1項至第2項其中之一所述之電源轉換電路，其中該內建電晶體開關由導通轉為截止之時間點早於該電晶體開關由導通轉為截止之時間點。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換電路，更包含一耐 壓控制電路，耦接該電晶體開關之該控制端，以根據該控制器之一控制開關產生該控制耐壓訊號以控制該電晶體開關之導通與截止。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電源轉換電路，更包含一電壓箝制電路耦接該電晶體開關與該內建電晶體開關之一連接點，該電壓箝制電路之電壓箝制值係根據該內建電晶體開關之耐壓而定。
7. 如申請專利範圍第5項所述之電源轉換電路，其中該內建電晶體開關比電晶體開關早截止且晚導通。
8. 一種可調適耐壓之電路，包含：一控制器，包含一控制單元及一內建電晶體開關，該控制單元控制該內建電晶體開關之導通與截止；以及一電晶體開關，具有一第一端、一第二端及一控制端，該第一端耦接該內建電晶體開關，該第二端耦接一輸入電壓源，而該控制端接收一控制耐壓訊號；其中，該控制耐壓訊號之準位係根據該內建電晶體開關之耐壓而定。
9. 如申請專利範圍第8項所述之可調適耐壓之電路，其中該控制耐壓訊號之準位等於或小於該內建電晶體開關之耐壓值。
10. 如申請專利範圍第8項所述之可調適耐壓之電路，更包含 一耐壓控制電路，偵測該電晶體開關之該第一端以據此產生該控制耐壓訊號。
11. 如申請專利範圍第8項至第10項其中之一所述之可調適耐壓之電路，其中該內建電晶體開關由截止轉為導通之時間點早於該電晶體開關由截止轉為導通之時間點。
12. 如申請專利範圍第8項至第10項其中之一所述之可調適耐壓之電路，其中該內建電晶體開關由導通轉為截止之時間點早於該電晶體開關由導通轉為截止之時間點。
13. 一種可調適耐壓之電路，包含：一控制器，包含一控制單元及一內建電晶體開關，該控制單元控制該內建電晶體開關之導通與截止；一電晶體開關，具有一第一端、一第二端及一控制端，該第一端耦接該內建電晶體開關，該第二端耦接一輸入電壓源；以及一耐壓控制電路，耦接該電晶體開關，以根據該控制器之一控制開關產生一控制耐壓訊號以控制該電晶體開關之導通與截止，使該電晶體開關與該內建電晶體開關之大致同步導通及截止。
14. 如申請專利範圍第13項所述之可調適耐壓之電路，更包含一電壓箝制電路耦接該電晶體開關之該第一端，該電壓箝制電路之電壓箝制值係根據該內建電晶體開關之耐壓而定。
15. 如申請專利範圍第13項所述之可調適耐壓之電路，其中該內建電晶體開關比電晶體開關早截止且晚導通。