TWI465876B - A voltage divider circuit with negative output and zero current switching - Google Patents

Description

具有負輸出及零電流切換功能的分壓電路

本發明是有關於一種分壓電路，特別是指一種具有負輸出及零電流切換功能的分壓電路。

在許多電力系統的應用中，如：具有類比電路的運算放大器、感測電路或DC-AC換流器，其包含的電源供應器具有負輸出之功能是不可或缺的。電源供應器具有負輸出之功能的電路設計常見的有：降壓-升壓型轉換器(buck-boost converter)或庫克式轉換器(Cuk converter)，其透過脈波寬度調變的控制技術，除了可以達到負輸出的目的之外，還可以調整負輸出電壓值的升高或降低。

然而，傳統的降壓-升壓型轉換器的轉換效率約只有80%，轉換的效率並不理想，而庫克式轉換器的電路中需要兩個電感，更是大大地影響其輸出之效率。

參閱圖1，為了改善前述負輸出電源供應器的轉換效率，有些電路設計還提供一具有負輸出功能的KY降壓轉換器9(KY buck converter)，KY降壓轉換器9具有一對電感91與電容92，透過電感91與電容92的共振操作，使KY降壓轉換器9的切換開關93進行零電壓及零電流的切換，以達到柔性切換的目的，並將正電壓轉換成負電壓輸出，進而提升負輸出電源供應器之轉換效率。

但是，這樣的KY降壓轉換器9的轉換效率約為80%-87%，因此，勢必仍需要發展一個能提升轉換效率的負輸出轉換電路。

因此，本發明之目的，即在提供一種具有高轉換效率、負輸出及零電流切換功能的分壓電路。

於是，本發明分壓電路，包含一共振電感、一共振電容、一第一切換開關、一第二切換開關、一第三切換開關、一第四切換開關及一控制電路。該共振電容之一端電連接該共振電感的一端。該第一切換開關具有一接收一偏壓的第一端、一電連接該共振電感的另一端的第二端及一控制端。該第二切換開關具有一電連接該第一切換開關之第二端的第一端、一第二端及一控制端。該第三切換開關具有一電連接該共振電容的另一端的第一端、一第二端及一控制端。該第四切換開關具有一電連接該負載的第一端、一電連接該第三切換開關之第一端的第二端及一控制端。該控制電路電連接該第一切換開關、該第二切換開關、該第三切換開關及該第四切換開關的控制端；當該控制電路導通該第一切換開關與該第三切換開關，以及截止該第二切換開關與該第四切換開關時，該第一切換開關、該共振電感、該共振電容及該第三切換開關形成一迴路，該偏壓透過該第一切換開關對該共振電容充電，直到該共振電感藉由與該共振電容之共振，使流經共振電感的電流為零，該控制電路即截止該第一切換開關與該第三切換開關，並導通該第二切換開關與該第四切換開關，該第二切換開關、該共振電感、該共振電容及該第四切換開關形成另一迴路，該共振電容放電，使該第四切換開關的第一端對該負載輸出負電壓，直到該共振電感藉由與該共振電容之共振並使流經共振電感的電流為零時，該控制電路截止該第二切換開關與該第四切換開關。

本發明之功效在於透過共振電容之充放電，達到分壓電路負輸出之功能，並利用共振電感與共振電容之共振操作，使第一切換開關、第二切換開關、第三切換開關或第四切換開關流經之電流為零，以進行零電流的切換，進而提升轉換之效率。

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2，本發明具有負輸出及零電流切換功能的分壓電路100適合結合一輸入電源200以驅動一負載300，分壓電路100之較佳實施例包含一共振電感1、一共振電容2、一第一切換開關3、一第二切換開關4、一第三切換開關5、一第四切換開關6、一控制電路7及一輸出電容8。

輸入電源200為一直流電，其額定之輸入電壓V_i 值為12伏特，使分壓電路100額定之輸出電壓值V_O 為-12伏特，額定的輸出電流I_O 為-5安培，最小的輸出電流I_O 則為-5.5安培，且第一切換開關3、第二切換開關4、第三切換開關5與第四切換開關6切換的操作頻率預定為120k赫茲(Hz)。

共振電容2之一端21電連接共振電感1的一端11。第一切換開關3為一NMOS電晶體，其具有一接收輸入電源200之一偏壓的第一端31(汲極)、一電連接共振電感1的另一端12的第二端32(源極)及一控制端33(閘極)。第二切換開關4為一NMOS電晶體，其具有一電連接第一切換開關3之第二端32的第一端41(汲極)、一接地G的第二端42(源極)及一控制端43(閘極)。第三切換開關5為一NMOS電晶體，其具有一電連接共振電容2的另一端22的第一端51(汲極)、一接地G的第二端52(源極)及一控制端53(閘極)。第四切換開關6為一NMOS電晶體，其具有一電連接負載300的第一端61(汲極)、一電連接第三切換開關5之第一端51的第二端62(源極)及一控制端63(閘極)。控制電路7分別電連接第一切換開關3、第二切換開關4、第三切換開關5及第四切換開關6相對應的控制端33、43、53及63，用以控制每個切換開關的啟閉。輸出電容8電連接於第四切換開關6的第一端61與地G之間。當然本實施例之第一切換開關3、第二切換開關4、第三切換開關5與第四切換開關6分別為一PMOS電晶體、絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)、矽控整流電晶體(Silicon Controlled Rectifier,SCR)或其他半導體開關，不以本實施例為限。

仔細說明的是，由於共振電感1與共振電容2彼此相串聯，且能夠操作在一共振模式，因此，共振電容2與共振電感1的設計可以依下式1與式2，分別計算並設計出共振電容2與共振電感1的大小值。式1說明本實施例之輸出電壓V_O 與輸出電流I_O 的最小乘積值(即最小之輸出功率)與共振電容2、輸出電壓V_O 的平方與切換頻率f_s 成正比，當共振電容2與共振電感1操作於共振模式下，其共振頻率與切換頻率f_s 相同，且關係式為式2。由式1移項即可得式3共振電容2的大小值，將式2代入式1之後，即可得式4共振電感1的大小值。透過將輸入電源200的輸入電壓V_i 代入式3與式4並經過計算之後，得到共振電容2為0.95μ法拉，共振電感1為1.84μ亨利。但是，為了元件取得之方便，本實施例取共振電容2為1μ法拉，共振電感1為2μ亨利，因此，在輸出之最小功率不變的情況下，正確的操作頻率改成112 k赫茲。

進一步說明的是，共振電容2並聯一第二內接二極體23，第二內接二極體23的正向偏壓為由共振電容2電連接第三切換開關5的另一端22指向共振電容2連接共振電感1的一端21，也就是說，共振電容2的一端21電連接第二內接二極體23的負端，共振電容2的另一端22電連接第二內接二極體23的正端。

詳細說明的是，第一切換開關3、第二切換開關4、第三切換開關5及第四切換開關6還分別並聯連接對應的一第一內接二極體24。第一切換開關3、第二切換開關4、第三切換開關5及第四切換開關6的源極分別電連接對應的第一內接二極體24的正端，第一切換開關3、第二切換開關4、第三切換開關5及第四切換開關6的汲極分別電連接對應的第一內接二極體24的負端。

本實施例的控制電路7包括一比較器71、一電連接比較器71的現場可程式閘陣列72、一電連接現場可程式閘陣列72的第一半橋驅動器73及一電連接現場可程式閘陣列72的第二半橋驅動器74，比較器71具有一電連接共振電感1的另一端12的第一輸入端711、一電連接地G的第二輸入端712及一電連接現場可程式閘陣列72的輸出端713，比較器71的第一輸入端711與第二輸入端712分別定義為反向輸入端及非反向輸入端。

第一半橋驅動器73還分別電連接第一切換開關3與第二切換開關4的控制端33、43。第二半橋驅動器74還分別電連接第三切換開關5與第四切換開關6的控制端53、63。

當比較器71的第一輸入端711小於第二輸入端712時，現場可程式閘陣列72分別令第一半橋驅動器73與第二半橋驅動器74分別導通第一切換開關3與第三切換開關5，並令第一半橋驅動器73與第二半橋驅動器74分別截止第二切換開關4與第四切換開關6，當比較器71的第一輸入端711大於第二輸入端712時，現場可程式閘陣列72令第一半橋驅動器73與第二半橋驅動器74分別導通第二切換開關4與第四切換開關6，並令第一半橋驅動器73與第二半橋驅動器74分別截止第一切換開關3與第三切換開關5。當然，比較器74之操作也可在比較器71的第一輸入端711小於第二輸入端712時，令現場可程式閘陣列72使第一半橋驅動器73與第二半橋驅動器74分別導通第二切換開關4與第四切換開關6，並分別截止第一切換開關3與第三切換開關5，不以上述的實施例為限。

輸出電容8包括兩個彼此相並聯的陶瓷積層電容(MLCC，圖未示)，每一陶瓷積層電容的電容值大小為470μ法拉，因此，輸出電容的大小值為940μ法拉。

參閱圖2與圖3，圖3顯示了本發明負輸出及零電流切換功能的分壓電路100之操作波形，橫列為分壓電路100之操作時間，操作的一完整周期為T_S ，其中，V_gs1 、V_gs2 、V_gs3 與V_gs4 分別為第一切換開關3、第二切換開關4、第三切換開關5及第四切換開關6的閘極對源極之電壓，V_ds1 、V_ds2 、V_ds3 與V_ds4 分別為第一切換開關3、第二切換開關4、第三切換開關5及第四切換開關6的汲極對源極之電壓。I_ds1 、I_ds2 、I_ds3 與I_ds4 分別為對應的第一切換開關3、第二切換開關4、第三切換開關5及第四切換開關6流經汲極與源極之間的電流。I_Lr 為流經共振電感1之電流，V_Cr 則為共振電容2之跨壓。

參閱圖2、圖3與圖4，當分壓電路100操作時間為t₁ -t₂ 時，本發明分壓電路100操作在第一模式mode1，第一切換開關3與第三切換開關5的V_gs1 與V_gs3 處於高電壓準位，第二切換開關4與第四切換開關6的V_gs2 與V_gs4 處於低電壓準位，則第一切換開關3與第三切換開關5導通，第二切換開關4與第四切換開關6截止。第一切換開關3、共振電感1、共振電容2及第三切換開關5形成一迴路，且輸入電源200輸入之直流電力經由第一切換開關3與第三切換開關5之傳輸，使共振電感1與共振電容2蓄集輸入電源200之電力，直到共振電容2蓄集之跨壓V_Cr 為一倍之輸入電源200的輸入電壓V_i (V_Cr =V_i )，以及流經共振電感1之電流I_Lr 為一第一峰值peak1，本發明之分壓電路100即進入第二操作模式mode2。

參閱圖2、圖5與圖6，當分壓電路100操作時間為t₂ -t₃ 時，共振電容2蓄集之跨壓V_Cr 繼續增加，直到跨壓V_Cr 為二倍之輸入電源100的輸入電壓V_i (V_Cr =2V_i )，且流經共振電感1之電流I_Lr 由峰值逐漸減少到零，此時串聯共振電容2與共振電感1之第一切換開關3與第三切換開關5的電流也為零，本發明之分壓電路100即進入第三操作模式mode3。

參閱圖2、圖7與圖8，當分壓電路100操作時間為t₃ -t₄ 之區間時，分壓電路100即處於第三操作模式mode3。在t₃ 之瞬間，控制電路7令第一切換開關3與第三切換開關5的V_gs1 與V_gs3 由高電壓準位切換到低電壓準位，第二切換開關4與第四切換開關6的V_gs2 與V_gs4 由低電壓準位切換到高電壓準位，使第一切換開關3與第三切換開關5截止，第二切換開關4與第四切換開關6導通。由於流經第一切換開關3與第三切換開關5的電流為零，控制電路7將可使第一切換開關3與第三切換開關5達到零電流切換之效果，避免第一切換開關3與第三切換開關5消耗輸入電源200之電力。控制電路7導通第二切換開關4與第四切換開關6，使第二切換開關4、共振電感1、共振電容2及第四切換開關6形成一迴路，共振電容2即放電，使流經共振電感1之電流I_Lr 是由負載300流到第二切換開關4，達到本發明分壓電路100之負輸出的功能，直到共振電容2放電使其跨壓V_Cr 達到一倍之輸入電源的輸入電壓V_i (V_Cr =V_i )，分壓電路100即進入到第四操作模式mode4。

參閱圖2、圖9與圖10，當分壓電路100操作時間為t₄ -t₁ +T_s 時，共振電容2蓄集之跨壓V_Cr 繼續放電，直到跨壓V_Cr 的電壓準位為零，流經共振電感1之電流I_Lr 也由第二峰值peak2(如圖7所示)逐漸到零，此時串聯共振電容2與共振電感1之第二切換開關4與第四切換開關6的電流也為零，本發明之分壓電路100即回到第一操作模式mode1。也就是說，控制電路7即令第一切換開關3與第三切換開關5的V_gs1 與V_gs3 處於高電壓準位，第二切換開關4與第四切換開關6的V_gs2 與V_gs4 處於低電壓準位，並使第一切換開關3與第三切換開關5導通，第二切換開關4與第四切換開關6截止，達到第二切換開關4與第四切換開關6的零電流切換，避免第二切換開關4與第四切換開關6消耗輸入電源200之電力，提高本發明之分壓電路100之轉換效率。

參閱圖2與圖11，本發明之分壓電路100經量測之後，隨著負載300之阻值不同，而有著不同之轉換效率，當分壓電路100之輸出連接較輕之負載300，且較輕之負載300的電流約0.5-1安培之間時，最高的轉換效率可達97%，當分壓電路100之輸出連接較重之負載300，且較重之負載的電流約5安培時，轉換效率為87%。

綜上所述，本發明之分壓電路100的共振電感1與共振電容2必須操作在共振頻率，因此，能夠有效降低濾波器(圖未示)設計之複雜度，再者，透過共振電容2的充放電設計，能使分壓電路100達到負輸出之目的，除此之外，共振電感1與共振電容2的共振操作將流經第一切換開關3、第二切換開關4、第三切換開關5或第四切換開關6之電流為零，如此一來，在電流為零的情況下，控制電路7截止第一切換開關3、第二切換開關4、第三切換開關5或第四切換開關6將有效避免切換之功率消耗，進而提升分壓電路100轉換之效率，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。

100．．．分壓電路

200．．．輸入電源

300．．．負載

1．．．共振電感

2．．．共振電容

11、21．．．一端

12、22．．．另一端

23．．．第二內接二極體

24．．．第一內接二極體

3．．．第一切換開關

31、41、51、61．．．第一端

32、42、52、62．．．第二端

33、43、53、63．．．控制端

4．．．第二切換開關

5．．．第三切換開關

6．．．第四切換開關

7．．．控制電路

71．．．比較器

711．．．第一輸入端

712．．．第二輸入端

713．．．輸出端

72．．．現場可程式閘陣列

73．．．第一半橋驅動器

74．．．第二半橋驅動器

8．．．輸出電容

圖1是一電路示意圖，說明一習知轉換器的電路設計；

圖2是一電路示意圖，說明本發明分壓電路之較佳實施例；

圖3、5、7及9是本實施例的操作波形示意圖，說明本實施例分壓電路於第一模式、第二模式、第三模式及第四模式的操作設計；

圖4、6、8及10是本實施例的電路示意圖，說明本實施例分壓電路於第一模式、第二模式、第三模式及第四模式的電路操作；及

圖11是本實施例的量測示意圖，說明本實施例分壓電路於不同負載電流的轉換效率。

100．．．分壓電路

200．．．輸入電源

300．．．負載

1．．．共振電感

2．．．共振電容

11、21．．．一端

12、22．．．另一端

23．．．第二內接二極體

24．．．第一內接二極體

3．．．第一切換開關

31、41、51、61．．．第一端

32、42、52、62．．．第二端

33、43、53、63．．．控制端

4．．．第二切換開關

5．．．第三切換開關

6．．．第四切換開關

7．．．控制電路

71．．．比較器

711．．．第一輸入端

712．．．第二輸入端

713．．．輸出端

72．．．現場可程式閘陣列

73．．．第一半橋驅動器

74．．．第二半橋驅動器

8．．．輸出電容

Claims (5)

1. 一種具有負輸出及零電流切換功能的分壓電路，適合驅動一負載，且包含：一共振電感；一共振電容，其一端電連接該共振電感的一端；一第一切換開關，具有一接收一偏壓的第一端、一電連接該共振電感的另一端的第二端及一控制端；一第二切換開關，具有一電連接該第一切換開關之第二端的第一端、一第二端及一控制端，且該第二切換開關的第二端接地；一第三切換開關，具有一電連接該共振電容的另一端的第一端、一第二端及一控制端，且該第三切換開關的第二端接地；一第四切換開關，具有一電連接該負載的第一端、一電連接該第三切換開關之第一端的第二端及一控制端；及一控制電路，電連接該第一切換開關、該第二切換開關、該第三切換開關及該第四切換開關的控制端；當該控制電路導通該第一切換開關與該第三切換開關，以及截止該第二切換開關與該第四切換開關時，該第一切換開關、該共振電感、該共振電容及該第三切換開關形成一迴路，該偏壓透過該第一切換開關對該共振電容充電，直到該共振電感藉由與該共振電容之共振，使流經共振電感的電流為零，該控制電路即截止該第一切換開 關與該第三切換開關，並導通該第二切換開關與該第四切換開關，該第二切換開關、該共振電感、該共振電容及該第四切換開關形成另一迴路，該共振電容放電，使該第四切換開關的第一端對該負載輸出負電壓，直到該共振電感藉由與該共振電容之共振並使流經共振電感的電流為零時，該控制電路截止該第二切換開關與該第四切換開關；該控制電路包括一比較器、一電連接該比較器的現場可程式閘陣列、一電連接該現場可程式閘陣列的第一半橋驅動器及一電連接該現場可程式閘陣列的第二半橋驅動器，該比較器具有一電連接該共振電感的另一端的第一輸入端、一電連接地的第二輸入端及一電連接該現場可程式閘陣列的輸出端，該第一半橋驅動器還分別電連接該第一切換開關與該第二切換開關的控制端，該第二半橋驅動器還分別電連接該第三切換開關與該第四切換開關的控制端；當該比較器的第一輸入端小於該第二輸入端時，該現場可程式閘陣列分別令該第一半橋驅動器與該第二半橋驅動器分別導通該第一切換開關與該第三切換開關，當該比較器的第一輸入端大於該第二輸入端時，該現場可程式閘陣列分別令該第一半橋驅動器與該第二半橋驅動器分別導通該第二切換開關與該第四切換開關。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之分壓電路，其中，該第一切換開關電連接該共振電感的第二端為源極，該第二 切換開關電連接該第一切換開關的第一端為汲極，該第三切換開關電連接該共振電容的第一端為源極，該第四切換開關電連接該第三切換開關的第二端為汲極。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之分壓電路，其中，該第一切換開關、該第二切換開關、該第三切換開關及該第四切換開關的源極分別電連接對應的一第一內接二極體的正端，該第一切換開關、該第二切換開關、該第三切換開關及該第四切換開關的汲極分別電連接對應的該第一內接二極體的負端，該共振電容並聯一第二內接二極體，該第二內接二極體的正向偏壓為由該共振電容連接該第四切換開關的另一端指向連接該共振電容連接該共振電感的一端。
4. 依據申請專利範圍第1、2或3項所述之分壓電路，其中，該第一切換開關、該第二切換開關、該第三切換開關及該第四切換開關分別為一NMOS。
5. 依據申請專利範圍第1、2或3項所述之分壓電路，其中，該第一切換開關、該第二切換開關、該第三切換開關及該第四切換開關分別為一PMOS。