TWI535167B - 用以降低注入電流之升壓轉換器及其驅動方法 - Google Patents

用以降低注入電流之升壓轉換器及其驅動方法 Download PDF

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TWI535167B TW104120049A TW104120049A TWI535167B TW I535167 B TWI535167 B TW I535167B TW 104120049 A TW104120049 A TW 104120049A TW 104120049 A TW104120049 A TW 104120049A TW I535167 B TWI535167 B TW I535167B
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陳建廷
邱聯鼎
洪揚程
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Description

用以降低注入電流之升壓轉換器及其驅動方法
本發明係關於一種升壓轉換器及其驅動方法，特別是關於一種用以降低注入電流之升壓轉換器及其驅動方法。
在目前的技術中，許多電池供電系統、不斷電系統(UPS)或是太陽能發電系統皆需使用升壓式的轉換器，其中不斷電系統及太陽能發電系統更是需要較高的電壓轉換比之轉換器。目前已有關於較高電壓轉換比的多種提高電壓轉換比之升壓轉換裝置。其中升壓轉換器(boost converter)的應用非常廣泛，許多應用中的正/負高電位電壓，都是藉由該升壓轉換器去進行取得。
請參照第1、2圖所示，為一升壓轉換器，包含一電源VDD、一控制電路11、一偵測電路12、一功率電晶體13及一電感14，其中該控制電路11係輸出一驅動訊號VGDR至該功率電晶體13的閘極，並利用該電感14的充放電特性(即該電感電流IL的波形呈三角波)，而將該電源VDD(例如低電位電壓的系統電池)轉換成正高電位電壓。
然而，當該升壓轉換器剛啟動時，該電源VDD會被抽取一股較大的注入電流IVDD，此時，該注入電流IVDD的電流峰值會逐漸往上增加(見 第2圖)，在特定應用中，該電源VDD即為一電池，當該注入電流IVDD的電流峰值過大時，該電池於長期使用下，該注入電流IVDD較容易對該電池產生損害，並造成該電池的使用壽命減低。
因此，有必要對習知技術的升壓轉換器進行改良，以解決習知技術之升壓轉換器較容易對該電池產生損害，並且造成該電池的使用壽命減低的問題。
本發明之主要目的在於提供一種用以降低注入電流之升壓轉換器，利用軟啟動電路的設計，而產生更小的注入電流。
本發明之另一目的在於提供一種用以降低注入電流之升壓轉換器的驅動方法，利用功率電晶體的閘極在抑制注入電流模式中接收工作週期較小的方波，在普通模式中接收工作週期較大的方波，藉此避免電源受到損害並延長使用壽命。
為達上述之目的，本發明提供一種用以降低注入電流之升壓轉換器，包括一電感、一功率電晶體、一個二極體、一第一電容、一電阻及一控制單元；該電感包含一電源端及一連接端，該電源端電性連接一電源，且該電源及該電感之間具有一注入電流；該功率電晶體包含一閘極、一汲極及一源極，該汲極電性連接該連接端；該二極體的一端電性連接該電感之連接端；該第一電容電性連接該二極體的另一端；該電阻電性連接該功率電晶體的源極；該控制單元包含一控制電路、一軟啟動電路及一偵測電路，該控制電路電性連接該功率電晶體之閘極，用以輸出一驅動訊號至該閘極，該軟啟動電路電性連接該控制電路，該偵測電路分別電性連接 該控制電路及該二極體的另一端；其中該軟啟動電路用以使該控制電路在一抑制注入電流模式及一普通模式之間切換，其中該抑制注入電流模式之驅動訊號的工作週期小於該普通模式之驅動訊號的工作週期。
在本發明之一實施例中，該偵測電路具有一比較器，用以比較該第一電容之一負載電壓，並產生一偵測電壓。
在本發明之一實施例中，該控制電路具有一波形產生器，該波形產生器利用接收該偵測電壓及該電阻的一重置電壓而輸出該普通模式之驅動訊號。
在本發明之一實施例中，該軟啟動電路具有一選擇器、一短脈衝產生器及及一計數組件，其中該選擇器電性連接該功率電晶體之閘極，並用以接收該普通模式之驅動訊號，該短脈衝產生器用以產生該抑制注入電流模式之驅動訊號並傳送至該選擇器，該計數組件用以計數時間而產生的一軟啟動訊號並傳送至該選擇器。
在本發明之一實施例中，該計數組件具有一時脈產生器、一計數器及一正反器，該計數器電性連接該時脈產生器，用以計算該時脈產生器產生的時脈次數並進行判斷，該正反器電性連接該計數器，用以產生該軟啟動訊號。
為達上述之目的，本發明提供一種用以降低注入電流之升壓轉換器的驅動方法，包含一啟動步驟、一短脈衝步驟、一軟啟動步驟及一切換步驟；該啟動步驟用以開啟一電源，使一功率電晶體導通；該短脈衝步驟用以在一抑制注入電流模式中，利用一短脈衝產生器產生一抑制注入電流模式之一驅動訊號，並由一選擇器傳送至該功率電晶體的一閘極； 該軟啟動步驟用以在一普通模式中，利用一計數組件將一軟啟動訊號傳送至該選擇器；該切換步驟經由該選擇器選擇將一波形產生器產生的該普通模式之一驅動訊號傳送至該功率電晶體的閘極，其中該抑制注入電流模式之驅動訊號的工作週期小於該普通模式之驅動訊號的工作週期。
在本發明之一實施例中，在該切換步驟之後，還包含一重置判斷步驟，其利用該波形產生器接收一重置電壓，並使該重置電壓與一第一參考電壓比較，因而判斷是否將該普通模式之驅動訊號調整為一低準位邏輯。
在本發明之一實施例中，在該重置判斷步驟中，利用一電流源對一第二電容充電而產生一充電電壓，該波形產生器接收該充電電壓，並使該充電電壓與一第二參考電壓比較，因而判斷是否將該普通模式之驅動訊號調整為一高準位邏輯。
在本發明之一實施例中，在該重置判斷步驟之後，還包含一偵測步驟，其利用一偵測電路接收一負載電壓，並使該負載電壓與一第三參考電壓比較，因而判斷是否關閉該升壓轉換器。
如上所述，利用該軟啟動電路的設計，使該功率電晶體的閘極在抑制注入電流模式中接收工作週期較小的方波，在普通模式中接收工作週期較大的方波，進而使該注入電流在該抑制注入電流模式中的電流峰值被壓低，而能夠產生更小的注入電流，藉此避免該電源受到損害，並延長使用壽命。
11‧‧‧控制電路
12‧‧‧偵測電路
13‧‧‧功率電晶體
14‧‧‧電感
100‧‧‧升壓轉換器
2‧‧‧電感
21‧‧‧電源端
22‧‧‧連接端
3‧‧‧功率電晶體
4‧‧‧二極體
5‧‧‧電容
6‧‧‧電阻
7‧‧‧控制單元
71‧‧‧控制電路
711‧‧‧波形產生器
712‧‧‧第二電容
72‧‧‧軟啟動電路
721‧‧‧選擇器
722‧‧‧短脈衝產生器
723‧‧‧計數組件
724‧‧‧時脈產生器
725‧‧‧計數器
726‧‧‧正反器
73‧‧‧偵測電路
731‧‧‧比較器
VGDR‧‧‧驅動訊號
VDD‧‧‧電源
I‧‧‧電流源
IVDD‧‧‧注入電流
IL‧‧‧電感電流
VD‧‧‧順向電壓
VP‧‧‧負載電壓
VC‧‧‧充電電壓
VPOK‧‧‧偵測電壓
VRESE‧‧‧重置電壓
VON‧‧‧第一參考電壓
VOFF‧‧‧第二參考電壓
VREF‧‧‧第三參考電壓
S201‧‧‧啟動步驟
S202‧‧‧短脈衝步驟
S203‧‧‧軟啟動步驟
S204‧‧‧切換步驟
S205‧‧‧重置判斷步驟
S206‧‧‧偵測步驟
第1圖是根據習知的升壓轉換器的電路示意圖；第2圖是根據習知的升壓轉換器之各元件電壓及電流的比較圖；第3至5圖是根據本發明之用以降低注入電流之升壓轉換器的一較佳實施例的電路示意圖；第6圖是根據本發明之用以降低注入電流之升壓轉換器的一較佳實施例之各元件電壓及電流的比較圖；及第7圖是根據本發明之用以降低注入電流之升壓轉換器的驅動方法的一較佳實施例的流程圖。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。
請參照第3圖所示，為本發明之用以降低注入電流之升壓轉換器的一較佳實施例，該升壓轉換器100包括一電感2、一功率電晶體3、一個二極體4、一第一電容5、一電阻6及一控制單元7，本發明將於下文詳細說明各元件的細部構造、組裝關係及其運作原理。
請參照第3圖所示，該電感2包含一電源端21及一連接端22，該電源端21電性連接一電源VDD，且該電源VDD及該電感2之間具有一注入電流IVDD。
續參照第3圖所示，該功率電晶體3為N型金氧半場效電晶體(NMOS)，且該功率電晶體3包含一閘極、一汲極及一源極，其中該汲極電性連接該電感2的連接端22。
續參照第3圖所示，在本實施例中，該二極體4為點接觸式二極體，其中該二極體4的一端電性連接該電感2之連接端22，當對該二極體4施加一正電壓時，該二極體4即產生一順向電壓VD。
續參照第3圖所示，在本實施例中，該第一電容5為負載電容，且該第一電容5電性連接該二極體4的另一端並且接地，當該二極體4導通時，該第一電容5即產生一負載電壓VP。
續參照第3圖所示，在本實施例中，該電阻6係電性連接該功率電晶體3的源極，且當該功率電晶體3導通時，該電阻6即產生一重置電壓VRESE。
請參照第3、4圖所示，該控制單元7包含一控制電路71、一軟啟動電路72及一偵測電路73；其中該控制電路71電性連接該功率電晶體3之閘極，且該控制電路71用以輸出一驅動訊號VGDR至該閘極；該軟啟動電路72電性連接該控制電路71；該偵測電路73分別電性連接該控制電路71及該二極體4的另一端。在本實施例中，該軟啟動電路72用以使該控制電路71在一抑制注入電流模式及一普通模式之間切換，其中該抑制注入電流模式之驅動訊號VGDR的工作週期小於該普通模式之驅動訊號VGDR的工作週期(見第6圖)。
請參照第3、5圖所示，在本實施例中，該偵測電路73具有一比較器731，用以將該第一電容5之負載電壓VP與一第三參考電壓VREF進行比較，並產生一偵測電壓VPOK。
請參照第3、4圖所示，該控制電路71具有一波形產生器711，該波形產生器711利用接收該偵測電壓VPOK及該電阻6的重置電壓VRESE，進而輸出該普通模式之驅動訊號VGDR。在本實施例中，該波形產生器711係由比較器及SR正反器所組成，藉由接收該重置電壓VRESE並比較該重置電壓VRESE與一第一參考電壓VON，或藉由接收該負載電壓VP並比較一充電電壓Vc與一第二參考電壓VOFF，而形成該普通模式之驅動訊號VGDR傳送至該功率電晶體3之閘極。
續參照第3、4圖所示，該軟啟動電路72具有一選擇器721、一短脈衝產生器722及及一計數組件723，其中該選擇器721電性連接該功率電晶體3之閘極31，並用以接收該普通模式之驅動訊號；該短脈衝產生器722用以產生該抑制注入電流模式之驅動訊號並傳送至該選擇器721，該計數組件723用以計數時間而產生的一軟啟動訊號並傳送至該選擇器721。
續參照第3、4圖所示，該計數組件723具有一時脈產生器724、一計數器725及一正反器726，該計數器725電性連接該時脈產生器724，用以計算該時脈產生器724產生的時脈次數並進行判斷，該正反器726電性連接該計數器725，用以接收該計數器725的判斷結果，並產生該軟啟動訊號。
依據上述的結構，該選擇器721初期先將該短脈衝產生器722產生的抑制注入電流模式的驅動訊號VGDR傳送至該功率電晶體3的閘 極，並且該軟啟動電路72之計數組件723計數該時脈產生器724的所產生的時脈週期；接著，當該計數組件723計數該時脈產生器724的所產生的時脈週期達到預定目標，即產生該軟啟動訊號傳送至該選擇器721，該選擇器721接收該軟啟動訊號之後，即選擇將該波形產生器711產生的該普通模式之驅動訊號VGDR傳送至該功率電晶體3的閘極。
要說明的是，配合第6圖所示，該波形產生器711輸出的普通模式之驅動訊號VGDR的波形概呈工作週期較大的方波，以高準位邏輯及低準位邏輯交替輸出，該短脈衝產生器722輸出的抑制注入電流模式的驅動訊號VGDR的波形概呈工作週期較小的方波，該電感2的電感電流IL係對應於該抑制注入電流模式的驅動訊號VGDR及該普通模式之驅動訊號VGDR，進而分別產生工作週期較小的三角波及工作週期較大的三角波，該注入電流IVDD受到該電感電流IL的變化的影響，因而使該注入電流IVDD在該抑制注入電流模式中的電流峰值被壓低，而能夠產生更小的注入電流IVDD。
如上所述，本發明藉由該軟啟動電路72的設計，使該功率電晶體3的閘極在抑制注入電流模式中接收工作週期較小的方波，在普通模式中接收工作週期較大的方波，進而使該注入電流IVDD在該抑制注入電流模式中的電流峰值被壓低，而能夠產生更小的注入電流IVDD，藉此避免該電源VDD受到損害並延長使用壽命。
請參照第7圖並配合第3、4、5圖所示，本發明之用以降低注入電流之升壓轉換器的驅動方法的一較佳實施例，係藉由上述用以降低注入電流之升壓轉換器的較佳實施例進行驅動，該驅動方法包含一啟動步 驟201、一短脈衝步驟202、一軟啟動步驟203、一切換步驟204、一重置判斷步驟205及一偵測步驟206。
續參照第7圖所示，在該啟動步驟201中，開啟一電源VDD，並使一升壓轉換器100的一功率電晶體3導通，其中當該升壓轉換器100剛啟動時，該升壓轉換器100的二極體4導通並產生一電壓VD，使該升壓轉換器100之一第一電容5之負載電壓VP為VDD-VD。
續參照第7圖所示，在該短脈衝步驟202中，控制該升壓轉換器100的一控制電路71在一抑制注入電流模式中，即利用該升壓轉換器100的一短脈衝產生器722產生一抑制注入電流模式之一驅動訊號VGDR(見第6圖)，並由該升壓轉換器100的一選擇器721將該抑制注入電流模式的驅動訊號VGDR傳送至該功率電晶體3的一閘極。在本實施例中，該升壓轉換器100的一軟啟動電路72之計數組件723的計數未達到預定目標時，該選擇器721將持續以該抑制注入電流模式的驅動訊號VGDR輸出至該閘極，如第6圖所示，該抑制注入電流模式之驅動訊號VGDR係為該短脈衝產生器722所產生的工作周期較小之方波，藉由該抑制注入電流模式的驅動訊號VGDR直接傳送至該功率電晶體3的閘極，抑制由該電源VDD充電的一注入電流IVDD，使該注入電流IVDD的電流值被壓低。
續參照第7圖所示，在該軟啟動步驟203中，利用該計數組件723將一軟啟動訊號傳送至該選擇器721，使該控制電路71被控制在一普通模式中。在本實施例中，該軟啟動電路72的一時脈產生器724經過多次周期之後，該計數組件723計數該時脈產生器724的所產生的時脈週期已達到預定目標，即產生該軟啟動訊號傳送至該選擇器721。
續參照第6圖所示，在該切換步驟204中，該選擇器721接收該軟啟動訊號之後，即選擇將一波形產生器711產生的該普通模式之驅動訊號VGDR傳送至該功率電晶體3的閘極，其中該抑制注入電流模式之驅動訊號VGDR的工作週期小於該普通模式之驅動訊號VGDR的工作週期(見第6圖)。
續參照第7圖所示，在該重置判斷步驟205中，係利用該波形產生器711接收一重置電壓VRESE，並使該重置電壓VRESE與一第一參考電壓VON進行比較，因而判斷是否將該普通模式之驅動訊號調整為一低準位邏輯；或利用一電流源I對一第二電容712進行充電而產生該充電電壓VC，該波形產生器711接收該充電電壓VC，並使該充電電壓VC與一第二參考電壓VOFF進行比較，因而判斷是否將該普通模式之驅動訊號調整為一高準位邏輯。
舉例來說，當該重置電壓VRESE高於該第一參考電壓VON，該波形產生器711的SR正反器會將該普通模式之驅動訊號VGDR變為低準位邏輯，使該功率電晶體3關閉，其中該電感2為放電狀態，該電感2之電流往該第一電容5灌入，而完成一次升壓動作；此時，該普通模式之驅動訊號VGDR為低準位邏輯，利用該電流源I對一第二電容712進行充電而產生一充電電壓VC，當該充電電壓VC高於該第二參考電壓VOFF，即透過該波形產生器711的SR正反器將該普通模式之驅動訊號VGDR變為高準位邏輯。
續參照第7圖所示，在該偵測步驟中206中，係利用一偵測電路73接收一負載電壓VP，並使該負載電壓VP與一第三參考電壓VREF進行比較，因而判斷是否關閉該升壓轉換器100。在本實施例中，如第6圖所示，該負載電壓VP會隨著時間而遞增，因此藉由該偵測電路73偵測該負載電壓 VP的電壓值，當該負載電壓VP超過該第三參考電壓VREF即關閉該升壓轉換器100。
如上所述，如第6圖所示的該普通模式之驅動訊號VGDR的波形概呈工作週期較大的方波，以高準位邏輯及低準位邏輯交替輸出，而該電感2的電感電流IL係對應於該抑制注入電流模式的驅動訊號VGDR及該普通模式之驅動訊號VGDR，進而分別產生工作週期較小的三角波及工作週期較大的三角波，該注入電流IVDD受到該電感電流IL的變化的影響，因而使該注入電流IVDD在該抑制注入電流模式中的電流峰值被壓低，而能夠產生更小的注入電流IVDD，藉此避免該電源VDD受到損害並延長使用壽命。
雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，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。
100‧‧‧升壓轉換器
2‧‧‧電感
21‧‧‧電源端
22‧‧‧連接端
3‧‧‧功率電晶體
4‧‧‧二極體
5‧‧‧電容
6‧‧‧電阻
7‧‧‧控制單元
71‧‧‧控制電路
72‧‧‧軟啟動電路
73‧‧‧偵測電路
VDD‧‧‧電源
VGDR‧‧‧驅動訊號
VRESE‧‧‧重置電壓
VP‧‧‧負載電壓
VD‧‧‧順向電壓
IVDD‧‧‧注入電流

Claims (9)

  1. 一種用以降低注入電流之升壓轉換器，包括：一電感，包含一電源端及一連接端，該電源端電性連接一電源，且該電源及該電感之間具有一注入電流；一功率電晶體，包含一閘極、一汲極及一源極，該汲極電性連接該連接端；一個二極體，該二極體的一端電性連接該電感之連接端；一第一電容，電性連接該二極體的另一端；一電阻，電性連接該功率電晶體的源極；及一控制單元，包含：一控制電路，電性連接該功率電晶體之閘極，用以輸出一驅動訊號至該閘極；一軟啟動電路，電性連接該控制電路；及一偵測電路，分別電性連接該控制電路及該二極體的另一端；其中該軟啟動電路用以使該控制電路在一抑制注入電流模式及一普通模式之間切換，其中該抑制注入電流模式之驅動訊號的工作週期小於該普通模式之驅動訊號的工作週期。
  2. 根據申請專利範圍第1項之用以降低注入電流之升壓轉換器，其中該偵測電路具有一比較器，用以比較該第一電容之一負載電壓，並產生一偵測電壓。
  3. 根據申請專利範圍第2項之用以降低注入電流之升壓轉換器，其中該控制電路具有一波形產生器，該波形產生器利用接收該偵測電壓及該電阻的一重置電壓而輸出該普通模式之驅動訊號。
  4. 根據申請專利範圍第3項之用以降低注入電流之升壓轉換器，其中該軟啟動電路具有：一選擇器，電性連接該功率電晶體之閘極，並用以接收該普通模式之驅動訊號；一短脈衝產生器，用以產生該抑制注入電流模式之驅動訊號並傳送至該選擇器；及一計數組件，用以計數時間而產生的一軟啟動訊號並傳送至該選擇器。
  5. 根據申請專利範圍第4項之用以降低注入電流之升壓轉換器，其中該計數組件具有：一時脈產生器；一計數器，電性連接該時脈產生器，用以計算該時脈產生器產生的時脈次數並進行判斷；及一正反器，電性連接該計數器，用以產生該軟啟動訊號。
  6. 一種用以降低注入電流之升壓轉換器的驅動方法，包括步驟：一啟動步驟，用以開啟一電源，使一功率電晶體導通；一短脈衝步驟，用以在一抑制注入電流模式中，利用一短脈衝產生器產生一抑制注入電流模式之一驅動訊號，並由一選擇器傳送至該功率電晶體的一閘極；一軟啟動步驟，用以在一普通模式中，利用一計數組件將一軟啟動訊號傳送至該選擇器；及 一切換步驟，經由該選擇器選擇將一波形產生器產生的該普通模式之一驅動訊號傳送至該功率電晶體的閘極，其中該抑制注入電流模式之驅動訊號的工作週期小於該普通模式之驅動訊號的工作週期。
  7. 根據申請專利範圍第6項之用以降低注入電流之升壓轉換器的驅動方法，其中在該切換步驟之後，還包含一重置判斷步驟，其利用該波形產生器接收一重置電壓，並使該重置電壓與一第一參考電壓比較，因而判斷是否將該普通模式之驅動訊號調整為一低準位邏輯。
  8. 根據申請專利範圍第7項之用以降低注入電流之升壓轉換器的驅動方法，在該重置判斷步驟中，利用一電流源對一第二電容充電而產生一充電電壓，該波形產生器接收該充電電壓，並使該充電電壓與一第二參考電壓比較，因而判斷是否將該普通模式之驅動訊號調整為一高準位邏輯。
  9. 根據申請專利範圍第8項之用以降低注入電流之升壓轉換器的驅動方法，其中在該重置判斷步驟之後，還包含一偵測步驟，其利用一偵測電路接收一負載電壓，並使該負載電壓與一第三參考電壓比較，因而判斷是否關閉該升壓轉換器。
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