TWI514738B - Voltage converter - Google Patents

Description

電壓轉換器

本發明係有關於一種電壓轉換器，其係尤指一種可同時提供一正電壓與一負電壓的電壓轉換器。

按，電壓調整一般需要被用以對各種微電子元件提供電源的供應電壓之變化，例如數位晶片(IC)、半導體記憶體、顯示器模組、硬碟驅動器、射頻(RF)電路、微處理器、數位信號處理器以及類比晶片(IC)，特別是用於如行動電話、筆記型電腦與消費者產品此類的電池供應應用。

由於電子產品之電池或直流(DC)輸入電壓必須被逐步升高到較高的直流電壓或是逐步降低到較低的直流電壓，所以，該些調整裝置被稱為直流對直流轉換器。每當一電池之電壓大於期望的負載電壓時，將使用降壓轉換器以降低電池的電壓。降壓轉換器可包含一電感切換調整器(inductive switching regulators)、電容電荷泵以及線性調整器。相反地，每當一電池之電壓低於需用以對其負載提供電源的電壓時，則使用升壓轉換器。升壓轉換器可包含電感切換調整器或電容電荷泵。

再者，由於薄膜電晶體-液晶顯示器(TFT-LCD)的面板與主動矩陣有機發光二極體(AMOLED)的面板都需要數個不同準位的電壓，其中，薄膜電晶體-液晶顯示器之面板的驅動電壓常使用電容電荷泵，所以必須使用很多個電容來完成，而主動矩陣有機發光 二極體之面板的驅動電壓則需要使用多個電感與多個電容來產生不同準位的電壓，如此，將會增加電路的面積，進而增加成本。

因此，如何針對上述問題而提出一種新穎電壓轉換器，其可避免使用多個電感或多個電容來產生多個不同準位的電壓，而避免增加電路面積，進而增加成本，使可解決上述之問題。

本發明之目的之一，在於提供一種電壓轉換器，其藉由一電感而可產生正電壓與負電壓，如此，可避免使用多個電感或多個電容來產生多個不同準位的電壓，而減少電路的面積，進而減少製作成本。

本發明之目的之一，在於提供一種電壓轉換器，其藉由一迴授控制電路控制電感對複數輸出電容充電，進而控制電壓轉換器精確輸出正電壓與負電壓而增加精確度。

本發明之電壓轉換器包含一電感、複數輸出電容、複數輸出開關與一迴授控制電路。電感耦接於一電源與一參考電壓之間，以提供一供應電壓，該些輸出電容分別耦接電感之二側，並接收供應電壓以產生一正電壓與一負電壓，該些輸出開關分別耦接電感之二側，並控制電感對該些輸出電容充電，迴授控制電路依據正電壓與負電壓，產生一控制訊號以控制該些輸出開關。如此，本發明藉由電感而可產生正電壓與負電壓，因此，本發明之電壓轉換器可避免使用多個電感或多個電容來產生多個不同準位的電壓，而減少電路的面積，進而減少製作成本。

本發明：

1‧‧‧電壓轉換器

10‧‧‧電感

20‧‧‧第一輸出電容

22‧‧‧第二輸出電容

24‧‧‧第三輸出電容

26‧‧‧第四輸出電容

30‧‧‧第一輸出開關

32‧‧‧第二輸出開關

34‧‧‧第三輸出開關

36‧‧‧第四輸出開關

40‧‧‧迴授控制電路

42‧‧‧第一電壓感測單元

44‧‧‧第二電壓感測單元

46‧‧‧第三電壓感測單元

48‧‧‧第四電壓感測單元

49‧‧‧控制單元

50‧‧‧第一控制開關

52‧‧‧第二控制開關

60‧‧‧第一電流感測單元

62‧‧‧第二電流感測單元

70‧‧‧電壓感測單元

第一圖為本發明之一較佳實施例之電壓轉換器的電路圖； 第二圖為本發明之兩正電壓與兩負電壓輸出之電壓轉換器之一實施例的波形圖；第三圖為本發明之當第一輸出電壓已達設定值，但其他輸出電壓未達設定值之電壓轉換器的電路圖；第四圖為本發明之第三圖的波形圖；第五圖為本發明之當第一輸出電壓和第三輸出電壓已達設定值，但其他輸出電壓未達設定值之電壓轉換器的電路圖；第六圖為本發明之第五圖的波形圖；第七圖為本發明之當第一輸出電壓、第二輸出電壓和第三輸出電壓已達設定值，但第四輸出電壓未達設定值之電壓轉換器的電路圖；第八圖為本發明之第七圖的波形圖；第九圖係為本發明之當第一輸出電壓、第二輸出電壓、第三輸出電壓和第四輸出電壓都已達設定值之電壓轉換器的電路圖；以及第十圖為本發明之第九圖的波形圖。

茲為使 貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：請參閱第一圖，係為本發明之一較佳實施例之電壓轉換器的電路圖。如圖所示，本發明之電壓轉換器1包含一電感10、複數輸出電容20，22，24，26、複數輸出開關30，32，34，36與一迴授控制電路40。電感10各經一第一控制開關50與一第二控制開關52耦接一電源V_DD與一參考電壓VSS之間，以提供一供應電壓。該 些輸出電容20，22，24，26，分別經過開關30，32，34，36耦接電感10之二側，並接收供應電壓以產生正電壓與負電壓輸出，於此實施例中，該些輸出電容20，22，24，26分別為一第一輸出電容20、一第二輸出電容22、一第三輸出電容24與一第四輸出電容26，第一輸出電容20與第二輸出電容22耦接於電感10之一端產生正電壓輸出，而第三輸出電容24與第四輸出電容26耦接於電感10之另一端產生負電壓輸出。

承上所述，該些輸出開關30、32、34、36分別耦接電感10之二側，並控制電感10對該些輸出電容20，22，24，26進行充電，迴授控制電路40依據正電壓與負電壓產生一控制訊號以控制該些輸出開關30、32、34、36，於此實施例中，該些輸出開關30、32、34、36分別為一第一輸出開關30、一第二輸出開關32、一第三輸出開關34與一第四輸出開關36。第一輸出開關30與第二輸出開關32耦接電感10之一側，並第一輸出開關30耦接於電感10與第一輸出電容20之間，而第二輸出開關32耦接於電感10與第二輸出電容22之間，以控制電感10對第一輸出電容20與第二輸出電容22進行充電。第三輸出開關34與第四輸出開關36耦接電感10之另一側，並第三輸出開關34耦接於電感10與第三輸出電容24之間，而第四輸出開關36耦接於電感10與第四輸出電容26之間，以控制電感10對第三輸出電容24與第四輸出電容26進行充電。其中，第一輸出電容20與第二輸出電容22用以輸出不同電位的正電壓以供後續電路使用，而第三輸出電容24與第四輸出電容26用以輸出不同電位的負電壓以供後續電路使用。由上述可知，本發明藉由電感10而可產生正電壓與負電壓，而可避免使用多個電感或多個電容來產生多個不同準位的電壓，而減少電路的面積，進而減少製作成 本。

此外，迴授控制電路40包含複數電壓感測單元42、44、46、48與一控制單元49。該些電壓感測單元42、44、46、48分別耦接該些輸出電容20、22、24、26，並依據該些輸出電容20、22、24、26所產生的正電壓與負電壓而產生一電壓感測訊號，即該些電壓感測單元42、44、46、48分別為一第一電壓感測單元42、一第二電壓感測單元44、一第三電壓感測單元46與一第四電壓感測單元48。第一電壓感測單元42與第二電壓感測單元44分別耦接第一輸出電容20與第二輸出電容44，並偵測第一輸出電容20與第二輸出電容22輸出的正電壓而分別產生第一電壓感測訊號SV1與一第二電壓感測訊號SV2。同樣地，第三電壓感測單元46與第四電壓感測單元48分別耦接第三輸出電容24與第四輸出電容26，並偵測第三輸出電容24與第四輸出電容26輸出的負電壓而分別產生一第三電壓感測訊號SV3與第四電壓感測訊號SV4。

控制單元49係耦接該些電壓感測單元42、44、46、48，並依據該些電壓感測單元42、44、46、48所產生之電壓感測訊號SV1、SV2、SV3、SV4而分別產生一第一控制訊號CS1、一第二控制訊號CS2、一第三控制訊號CS3與一第四控制訊號CS4，以控制第一輸出開關30、第二輸出開關32、第三輸出開關34與第四輸出開關36，進而控制電感10對第一輸出電容20、第二輸出電容22、第三輸出電容24與第四輸出電容26充電。

另外，本發明之電壓轉換器1更包含複數控制開關50，52與複數電流感測單元60，62。該些控制開關50，52分別耦接電感10之二側，以控制電源V_DD對電感10進行充電，即該些控制開關50，52為第一控制開關50與第二控制開關52，第一控制開關50耦接於 一參考電壓端與電感10之間，而第二控制開關52耦接於一電源端與電感10之間，以控制電源V_DD對電感10充電。該些電流感測單元60，62分別耦接該些控制開關50，52，以偵測該些控制開關50，52的一電流而分別產生一第一電流感測訊號SI1與一第二電流感測訊號SI2，並傳送第一電流感測訊號SI1與第二電流感測訊號SI2至迴授控制電路40，迴授控制電路40依據該些電流感測單元60，62所產生之電流感測訊號控制該些控制開關50，52，即該些電流感測單元60，62分別為第一電流感測單元60與第二電流感測單元62，並分別串聯於第一控制開關50與第二控制開關52，以偵測流過第一控制開關50與第二控制開關52的電流，而產生第一電流感測訊號SI1與第二電流感測訊號SI2，控制單元49係接收第一電流感測訊號SI1與第二電流感測訊號SI2，以得知電源V_DD對電感10充電的狀態，並依據第一電流感測訊號SI1與第二電流感測訊號SI2產生一第五控制訊號CS5與一第六控制訊號CS6，以控制第一控制開關50與第二控制開關52導通或截止。

再者，本發明之電壓轉換器1更包含一電壓感測單元70。電壓感測單元70係耦接電感10之二端，用以偵測電感10之二端的電壓而產生一電壓偵測訊號SVL，即電壓感測單元70可偵測電感10之二端的電壓差而產生電壓偵測訊號SVL，並傳送電壓偵測訊號SVL至迴授控制電路40。迴授控制電路40可依據電壓偵測訊號SVL而得知電感10目前是否還儲存能量，進而決定控制第一控制開關50與第二控制開關52以及第一輸出開關30、第二輸出開關32、第三輸出開關34與第四輸出開關36的導通或截止。

另外，本發明之控制單元49係依據第一電流感測訊號SI1、第二電流感測訊號SI2、第一電壓感測訊號SV1、第二電壓感測訊 號SV2、第三電壓感測訊號SV3、第四感測訊號SV4與電壓偵測訊號SVL，而控制第一控制開關50與第二控制開關52以及第一輸出開關30、第二輸出開關32、第三輸出開關34與第四輸出開關36的導通或截止。如此，本發明利用該些感測單元來控制該些控制開關與該些輸出開關導通或截止，而不需要利用額外時脈產生器產生的一輸入時脈訊號來控制該些開關導通或截止，以達到減少電路面積進而達到節省成本的目的。

請一併參閱第二圖，係為本發明之兩正電壓與兩負電壓輸出之電壓轉換器之一實施例的波形圖。如圖所示，本發明之電壓轉換器1的初始狀態係為控制第一控制開關50與第二控制開關52導通而使電源V_DD開始對電感10進行儲能，當電感10充滿能量時，便截止第一控制開關50，而導通第二控制開關52與第一輸出開關30，使電感10的能量對第一輸出電容20進行充電，當電感10的能量完全轉移到電容20後，便截止第一輸出開關30，而導通第一控制開關50與第二控制開關52再度使電源V_DD開始對電感10進行儲能，當電感10充滿能量時，便截止第二控制開關52，而導通第一控制開關50與第三輸出開關34，使電感10的能量對第三輸出電容24進行充電，當電感10的能量完全轉移到電容24後，便截止第三輸出開關34，而導通第一控制開關50與第二控制開關52再度使電源V_DD開始對電感10進行儲能，當電感10充滿能量時，便截止第一控制開關50，而導通第二控制開關52與第二輸出開關32，使電感10的能量對第二輸出電容22進行充電，當電感10的能量完全轉移到電容22後，便截止第二輸出開關32，而導通第一控制開關50與第二控制開關52再度使電源V_DD開始對電感10進行儲能，當電感10充滿能量時，便截止第二控制開關52，而導通第一控制開關50與第四 輸出開關36，使電感10的能量對第四輸出電容26進行充電，當電感10的能量完全轉移到第四輸出電容26後，便截止第四輸出開關36，如此依序循環而達到輸出不同電位的正負電壓。

請一併參閱第三圖與第四圖，係為本發明之當第一輸出電壓已達設定值，但其他輸出電壓未達設定值之電壓轉換器的電路圖與波形圖。如圖所示，本實施例於上一實施例不同之處，在於本實施例於第一電壓感測單元42感測第一輸出電壓已達設定值，產生第一電壓感測訊號SV1，控制單元49接收到第一電壓感測訊號SV1後，係截止第一輸出開關30，而重新導通第一控制開關50與第二控制開關52，使電源VDD再一次對電感10進行充電，當電感10充滿能量時，便截止第二控制開關52，而導通第一控制開關50與第三輸出開關34，而使電感10對第三輸出電容24進行充電，當電感10的能量完全轉移到電容24後，便截止第三輸出開關34，而導通第一控制開關50與第二控制開關52再度使電源V_DD開始對電感10進行儲能，當電感10充滿能量時，便截止第一控制開關50，而導通第二控制開關52與第二輸出開關32，使電感10的能量對第二輸出電容22進行充電，當電感10的能量完全轉移到第二輸出電容22後，便截止第二輸出開關32，而導通第一控制開關50與第二控制開關52再度使電源V_DD開始對電感10進行儲能，當電感10充滿能量時，便截止第二控制開關52，而導通第一控制開關50與第四輸出開關36，使電感10的能量對第四輸出電容26進行充電，當電感10的能量完全轉移到第四輸出電容26後，便截止第四輸出開關36，因為第一輸出電壓已達設定值所以就不再對第一輸出電壓充電，而是依序對第三輸出電壓→第二輸出電壓→第四輸出電壓→第二輸出電壓→第三輸出電壓，循環充電，直到當第一輸出電壓有 低於設定值時才會再度對第一輸出電容20進行充電。

請一併參閱第五圖與第六圖，係為本發明之當第一輸出電壓和第三輸出電壓已達設定值，但其他輸出電壓未達設定值之電壓轉換器的電路圖與波形圖。如圖所示，本實施例於上一實施例不同之處，在於本實施例於第三電壓感測單元46感測第三輸出電容24充電完畢後，產生第三電壓感測訊號SV3，控制單元49接收到第三電壓感測訊號SV3後，係截止第三輸出開關34，而重新導通第一控制開關50與第二控制開關52，使電源VDD再一次對電感10進行充電，當電感10充滿能量時，便截止第一控制開關50，而導通第二控制開關52與第二輸出開關32，而使電感10對第二輸出電容22進行充電，因為第一輸出電壓和第三輸出電壓已達設定值所以就不再對第一輸出電容20和第三輸出電容24進行充電，而是依序對第二輸出電容22與第四輸出電容26進行循環充電，直到第一輸出電壓或第三輸出電壓低於設定值才會再度對應對第一輸出電容20或第三輸出電容24加入充電循環。

請一併參閱第七圖與第八圖，係為本發明之當第一輸出電壓、第二輸出電壓和第三輸出電壓已達設定值，但第四輸出電壓未達設定值之電壓轉換器的電路圖與波形圖。如圖所示，本實施例於上一實施例不同之處，在於本實施例於第二電壓感測單元44感測第二輸出電容22充電完畢後，產生第二電壓感測訊號SV2，控制單元49接收到第二電壓感測訊號SV2後，係截止第二輸出開關32，而重新導通第一控制開關50與第二控制開關52，使電源VDD再一次對電感10進行充電，當電感10充滿能量時，便截止第二控制開關52，而導通第二控制開關52與第四輸出開關36，而使電感10對第四輸出電容26進行充電，直到第一輸出電壓，第二輸出電 壓或第三輸出電壓低於設定值才會再度對應對第一輸出電容20、第二輸出電容24或第三輸出電容26加入充電循環，否則就一直對第四輸出電容26進行充電。

請一併參閱第九圖與第十圖，係為本發明之當第一輸出電壓、第二輸出電壓、第三輸出電壓和第四輸出電壓都已達設定值之電壓轉換器的電路圖與波形圖。如圖所示，本實施例於上一實施例不同之處，在於本實施例於第四電壓感測單元48感測第四輸出電容26充電完畢後，產生第四電壓感測訊號SV4，控制單元49接收到第四電壓感測訊號SV4後，係截止第四輸出開關32，而完成全部的多電壓產生，之後直到第一輸出電容20、第二輸出電容22、第三輸出電容24或第四輸出電容26有低於設定值才會再度起動充電控制。此外，由上述可知迴授控制電路40依據一時間，依序導通該些控制開關50，52與該些輸出開關30，32，34，36，以控制電感10依序對該些輸出電容20，22，24，26充電。再者，該些控制開關50，52與該些輸出開關30，32，34，36為一場效電晶體(FET)。

綜上所述，本發明之電壓轉換器係由一電感耦接於一電源與一參考電壓之間，以提供一供應電壓，複數輸出電容分別耦接電感之二側，並接收供應電壓以產生一正電壓與一負電壓，複數輸出開關分別耦接電感之二側，並控制電感對該些輸出電容充電，一迴授控制電路依據正電壓與負電壓，產生一控制訊號以控制該些輸出開關。如此，本發明藉由電感而可產生正電壓與負電壓，因此，本發明之電壓轉換器可避免使用多個電感或多個電容來產生多個不同準位的電壓，而減少電路的面積，進而減少製作成本。

本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

1‧‧‧電壓轉換器

10‧‧‧電感

20‧‧‧第一輸出電容

22‧‧‧第二輸出電容

24‧‧‧第三輸出電容

26‧‧‧第四輸出電容

30‧‧‧第一輸出開關

32‧‧‧第二輸出開關

34‧‧‧第三輸出開關

36‧‧‧第四輸出開關

40‧‧‧迴授控制電路

42‧‧‧第一電壓感測單元

44‧‧‧第二電壓感測單元

46‧‧‧第三電壓感測單元

48‧‧‧第四電壓感測單元

49‧‧‧控制單元

50‧‧‧第一控制開關

52‧‧‧第二控制開關

60‧‧‧第一電流感測單元

62‧‧‧第二電流感測單元

70‧‧‧電壓感測單元

Claims (9)

1. 一種電壓轉換器，其包含：一電感，耦接於一電源與一參考電壓之間，以提供一供應電壓；複數輸出電容，分別耦接於該電感之二側，並接收該供應電壓，以產生一正電壓與一負電壓；複數輸出開關，分別耦接該電感之二側，並控制該電感對該些輸出電容充電；一電壓感測單元，耦接該電感，以偵測該電感之二端電壓，產生一電壓偵測訊號；以及一迴授控制電路，接收並依據該電壓偵測訊號、該正電壓與該負電壓，產生一控制訊號以控制該些輸出開關，而不需另外一輸入時脈訊號控制該些輸出開關導通或截止。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換器，其中該迴授控制電路依據一時間，依序導通該些輸出開關，以控制該電感依序對該些輸出電容充電。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換器，其中該迴授控制電路包含：複數電壓感測單元，分別耦接該些輸出電容，並依據該些輸出電容產生之該正電壓與該負電壓，產生一電壓感測訊號；以及一控制單元，耦接用於產生該電壓感測訊號之該些電壓感測單元，並依據該電壓感測訊號，產生該控制訊號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換器，其更包含：複數控制開關，分別耦接該電感之二側，以控制該電源 對該電感充電。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電壓轉換器，其更包含：複數電流感測單元，分別耦接該些控制開關，以偵測該些控制開關之一電流，產生一電流感測訊號，並傳送該電流感測訊號至該迴授控制電路，該迴授控制電路依據該電流感測訊號控制該些控制開關。
6. 如申請專利範圍第4項所述之電壓轉換器，其更包含：複數電流感測單元，分別耦接該些控制開關，以偵測該些控制開關之一電流，產生一電流感測訊號；其中，該迴授控制電路接收該電流感測訊號與該電壓偵測訊號，並依據該電流感測訊號與該電壓偵測訊號控制該些輸出開關。
7. 如申請專利範圍第4項所述之電壓轉換器，其中該迴授控制電路依據一時間，依序導通該些控制開關與該些輸出開關，以控制該電感依序對該些輸出電容充電。
8. 如申請專利範圍第4項所述之電壓轉換器，其中該些控制開關為一場效電晶體(FET)。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換器，其中該些輸出開關為一場效電晶體(FET)。