TWI575859B - 交錯式降壓轉換器 - Google Patents

Description

交錯式降壓轉換器

本發明是有關於電源轉換技術，特別是指一種交錯式降壓轉換器。

一個習知的交錯式降壓轉換器藉由控制其兩個開關中的每一個在導通與不導通之間的切換來進行降壓轉換。這些開關具有相同的切換週期及相同的工作比，且一個從其中一個開關切換為導通到其中另一個開關切換為不導通的時間延遲等於這些開關的切換週期的一半。這些開關在其工作比大於50%時，都能以零電壓切換方式切換為導通，而在其工作比小於50%時，都不能以零電壓切換方式切換為導通。因此，習知的交錯式降壓轉換器在這些開關的工作比小時有轉換效率相對較低的缺點。

因此，本發明之目的即在提供一種可以改善先前技術缺點的交錯式降壓轉換器。

於是，本發明交錯式降壓轉換器包含一個第一開關、一個第二開關、一個第三開關、一個第四開關、一 個第一電感、一個第二電感、一個第三電感、一個輸出電容及一個控制器。該第一開關具有一個適用於接收一個輸入電壓的第一端、一個第二端及一個控制端。該第二開關具有一個耦接到該第一開關的該第一端的第一端、一個第二端及一個控制端。該第三開關具有一個耦接到該第一開關的該第二端的第一端，及一個耦接到一個參考節點的第二端。該第四開關具有一個耦接到該第二開關的該第二端的第一端，及一個耦接到該參考節點的第二端。該第一電感具有一個耦接到該第一開關的該第二端的第一端，及一個適用於提供一個輸出電壓的第二端。該第二電感耦接在該第二開關的該第二端及該第一電感的該第二端之間。該第三電感耦接在該第一開關的該第二端及該第二開關的該第二端之間。該輸出電容耦接在該第一電感的該第二端及該參考節點之間。該控制器耦接到該第一開關的該控制端及該第二開關的該控制端，且控制該第一開關及該第二開關中的每一個在導通與不導通之間的切換，使得該第一開關及該第二開關具有相同的切換週期及相同的導通時段，且一個從該第一開關切換為導通到該第二開關切換為導通的時間延遲等於該第一開關及該第二開關的該導通時段減去一個預設時段。

本發明之功效在於：藉由讓從該第一開關切換 為導通到該第二開關切換為導通的該時間延遲等於該第一開關及該第二開關的該導通時段減去該預設時段，可以使得該交錯式降壓轉換器在該第一開關及該第二開關的 該工作比小時具有相對較高的轉換效率。

1‧‧‧交錯式降壓轉換器

11‧‧‧第一開關

111‧‧‧本質二極體

112‧‧‧寄生電容

12‧‧‧第二開關

121‧‧‧本質二極體

122‧‧‧寄生電容

13‧‧‧第三開關

14‧‧‧第四開關

15‧‧‧第一電感

16‧‧‧第二電感

17‧‧‧第三電感

18‧‧‧輸出電容

19‧‧‧控制器

2‧‧‧電壓源

3‧‧‧負載

ID2‧‧‧流過第四開關的電流

IL1‧‧‧流過第一電感的電流

IL2‧‧‧流過第二電感的電流

IL3‧‧‧流過第三電感的電流

IQ1‧‧‧流過第一開關、其本質二 極體或其寄生電容的電 流

IQ2‧‧‧流過第二開關、其本質二 極體或其寄生電容的電 流

t‧‧‧時間

t0-t9‧‧‧時點

Td‧‧‧時間延遲的長度

Ton‧‧‧導通時段的長度

Tp‧‧‧預設時段的長度

Tsw‧‧‧切換週期的長度

4‧‧‧參考節點

ID1‧‧‧流過第三開關的電流

Vgs1‧‧‧第一控制信號

Vgs2‧‧‧第二控制信號

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一個電路方塊圖，說明本發明交錯式降壓轉換器的實施例；圖2是一個時序圖，說明實施例的一個用於控制一個第一開關的第一控制信號及一個用於控制一個第二開關的第二控制信號在第一開關及第二開關的一個工作比為30%時的情況；圖3是一個時序圖，說明實施例的第一控制信號及第二控制信號在第一開關及第二開關的工作比為50%時的情況；圖4是一個時序圖，說明實施例的第一控制信號及第二控制信號在第一開關及第二開關的工作比為62.5%時的情況；圖5是一個時序圖，說明實施例的操作；及圖6至圖14是等效電路圖，分別說明實施例操作在第一模式至第九模式時的情況。

參閱圖1，本發明交錯式降壓轉換器1的實施例適用於接收一個來自一個電壓源2的輸入電壓Vin，將 輸入電壓Vin轉換成一個小於輸入電壓Vin的輸出電壓Vout，且適用於將輸出電壓Vout輸出到一個負載3。

本實施例的交錯式降壓轉換器1包括一個第一 開關11、一個第二開關12、一個第三開關13、一個第四開關14、一個第一電感15、一個第二電感16、一個第三電感17、一個輸出電容18及一個控制器19。

第一開關11具有一個適用於耦接到電壓源2 以接收輸入電壓Vin的第一端、一個第二端及一個控制端。在本實施例中，第一開關11是一個N型金氧半場效電晶體，且此N型金氧半場效電晶體具有一個充當第一開關11的第一端的汲極、一個充當第一開關11的第二端的源極，及一個充當第一開關11的控制端的閘極。

第二開關12具有一個耦接到第一開關11的第 一端的第一端、一個第二端及一個控制端。在本實施例中，第二開關12是一個N型金氧半場效電晶體，且此N型金氧半場效電晶體具有一個充當第二開關12的第一端的汲極、一個充當第二開關12的第二端的源極，及一個充當第二開關12的控制端的閘極。

第三開關13具有一個耦接到第一開關11的第 二端的第一端，及一個耦接到一個參考節點4(例如地)的第二端。在本實施例中，第三開關13是一個二極體，且此二極體具有一個充當第三開關13的第一端的陰極，及一個充當第三開關13的第二端的陽極。

第四開關14具有一個耦接到第二開關12的第 二端的第一端，及一個耦接到參考節點4的第二端。在本實施例中，第四開關14是一個二極體，且此二極體具有一個充當第四開關14的第一端的陰極，及一個充當第四開關14的第二端的陽極。

第一開關11、第二開關12、第三開關13及第 四開關14中的每一個可以在導通與不導通之間切換。

第一電感15具有一個耦接到第一開關11的第 二端的第一端，及一個適用於耦接到負載3以提供輸出電壓Vout的第二端。第二電感16耦接在第二開關12的第二端及第一電感15的第二端之間。第三電感17耦接在第一開關11的第二端及第二開關12的第二端之間。輸出電容18耦接在第一電感15的第二端及參考節點4之間。

參閱圖1至圖4，控制器19耦接到第一電感 15的第二端以接收輸出電壓Vout，還耦接到第一開關11的控制端及第二開關12的控制端，且根據輸出電壓Vout產生分別給第一開關11及第二開關12的一個第一控制信號Vgs1及一個第二控制信號Vgs2，來控制第一開關11及第二開關12中的每一個在導通與不導通之間的切換，以穩定輸出電壓Vout在一個預設目標值。在控制器19的控制下，第一開關11及第二開關12具有相同的切換週期(其長度為Tsw)及相同的導通時段(其長度為Ton)，一個從第一開關11切換為導通到第二開關12切換為導通的時間延遲(其長度為Td)等於第一開關11及第二開關12的導通時段減去一個預設時段(其長度為Tp) (即Td=Ton-Tp)，且第一開關11及第二開關12的切換週期及導通時段中的至少一個是可變的。換句話說，第一開關11及第二開關12具有相同的工作比(即Ton/Tsw×100%)，且第一開關11及第二開關12在其切換週期中至少同時導通預設時段。在本實施例中，控制器19使用比例積分微分(proportional-integral-derivative，PID)控制技術來根據輸出電壓Vout控制第一開關11及第二開關12中的每一個在導通與不導通之間的切換；且在控制器19的控制下，如圖3及圖4所示，當第一開關11及第二開關12的工作比大於一個預設值(例如50%)時，第一開關11及第二開關12的切換週期是可變的，而如圖2及圖3所示，當第一開關11及第二開關12的工作比小於預設值(即50%)時，第一開關11及第二開關12的導通時段是可變的。

參閱圖5至圖14，當第一開關11及第二開關12的工作比小於50%×(1+Tp/Tsw)時，本實施例的交錯式降壓轉換器1循環地操作在第一模式至第九模式。在圖6至圖14中，第一開關11及第二開關12中的每一個的一個本質二極體111、121及一個寄生電容112、122被畫出，控制器19沒被畫出，且導通的元件以實線畫出，而不導通的元件以虛線畫出。圖5畫出第一控制信號Vgs1、第一開關11的跨壓Vds1、流經第一電感15的電流IL1、流經第一開關11、其本質二極體111或其寄生電容112的電流IQ1、流經第三開關13的電流ID1、 流經第三電感17的電流IL3、第二控制信號Vgs2、第二開關12的跨壓Vds2、流經第二電感16的電流IL2、流經第二開關12、其本質二極體121或其寄生電容122的電流IQ2及流經第四開關14的電流ID2中的每一個對時間t的關係。需注意的是，在圖5中，電流IL1、IQ1、ID1、IL3、IL2、IQ2、ID2中的每一個的波形同時傳達了關於此電流的大小及方向的資訊(即此電流的正值及負值指示此電流的相反方向)，而在圖6至圖14中，電流IL1、IQ1、ID1、IL3、IL2、IQ2、ID2中的每一個的方向由一個相對應的箭頭表示。

參閱圖5與圖6，本實施例的交錯式降壓轉換 器1在時點t0到時點t1期間操作在第一模式。在第一模式中，第一開關11不導通，且第二開關12導通。第三開關13切換為導通，使得第一開關11的跨壓Vds1維持在Vin。第四開關14不導通。第二開關12的跨壓Vds2為零。流經第一電感15的電流IL1的大小逐漸下降。流經第二電感16的電流IL2的大小逐漸上升。流經第三電感17的電流IL3的大小從等於流經第二電感16的電流IL2的大小逐漸下降到零，然後其方向反轉且其大小從零逐漸上升到等於流經第一電感15的電流IL1的大小。圖6只畫出流經第三電感17的電流IL3的方向反轉後的情況。

參閱圖5與圖7，本實施例的交錯式降壓轉換 器1在時點t1到時點t2期間操作在第二模式。在第二模 式中，第一開關11維持在不導通，且第二開關12維持在導通。第三開關13切換為不導通。第四開關14維持在不導通。第一開關11的寄生電容112及第三電感17諧振，使得第一開關11的跨壓Vds1從Vin下降到零。第二開關12的跨壓Vds2維持在零。流經第一電感15的電流IL1的大小逐漸上升。流經第二電感16的電流IL2的大小逐漸上升。流經第三電感17的電流IL3的大小逐漸上升。

參閱圖5與圖8，本實施例的交錯式降壓轉換 器1在時點t2到時點t3期間操作在第三模式。在第三模式中，第一開關11維持在不導通，且第二開關12維持在導通。第三開關13維持在不導通。第四開關14維持在不導通。第一開關11的本質二極體111導通，使得第一開關11的跨壓Vds1維持在零。第二開關12的跨壓Vds2維持在零。流經第一電感15的電流IL1的大小逐漸上升。流經第二電感16的電流IL2的大小逐漸上升。流經第三電感17的電流的大小不變。

參閱圖5與圖9，本實施例的交錯式降壓轉換 器1在時點t3到時點t4期間操作在第四模式。在第四模式中，第一開關11維持在不導通，且第二開關12切換為不導通。第三開關13維持在不導通。第四開關14維持在不導通。第一開關11的本質二極體111導通，使得第一開關11的跨壓Vds1維持在零。第二開關12的寄生電容122被充電，使得第二開關12的跨壓Vds2從零上升 到Vin。流經第一電感15的電流IL1的大小逐漸上升。 流經第二電感12的電流IL2的大小逐漸上升。流經第三電感17的電流IL3的大小逐漸下降至小於流經第一電感15的電流IL1的大小。

參閱圖5與圖10，本實施例的交錯式降壓轉換 器1在時點t4到時點t5期間操作在第五模式。在第五模式中，第一開關11維持在不導通，且第二開關12維持在不導通。第三開關13切換為導通，使得第一開關11的跨壓Vds1從零上升到Vin。第四開關14切換為導通，使得第二開關12的跨壓Vds2維持在Vin。流經第一電感15的電流IL1的大小逐漸下降至等於流經第三電感17的電流IL3的大小。流經第二電感16的電流IL2的大小逐漸下降。流經第三電感17的電流IL3的大小不變。

參閱圖5與圖11，本實施例的交錯式降壓轉換 器1在時點t5到時點t6期間操作在第六模式。在第六模式中，第一開關11切換為導通，且第二開關12維持在不導通。第三開關13切換為不導通。第四開關14維持在導通，使得第二開關12的跨壓Vds2維持在Vin。第一開關11的跨壓Vds1從Vin下降到零。流經第一電感15的電流IL1的大小逐漸上升。流經第二電感16的電流IL2的大小逐漸下降。流經第三電感17的電流IL3的大小從等於流經第一電感15的電流IL1的大小逐漸下降到零，然後其方向反轉且其大小從零逐漸上升到等於流經第二電感16的電流IL2的大小。圖11只畫出流經第三電 感17的電流IL3的方向反轉後的情況。

參閱圖5與圖12，本實施例的交錯式降壓轉換 器1在時點t6到時點t7期間操作在第七模式。在第七模式中，第一開關11維持在導通，且第二開關12維持在不導通。第三開關13維持在不導通。第四開關14切換為不導通。第一開關11的跨壓Vds1維持在零。第二開關12的寄生電容122及第三電感17諧振，使得第二開關12的跨壓Vds2從Vin下降到零。流經第一電感15的電流IL1的大小逐漸上升。流經第二電感16的電流IL2的大小逐漸上升。流經第三電感17的電流IL3的大小逐漸上升。

參閱圖5與圖13，本實施例的交錯式降壓轉換 器1在時點t7到時點t8期間操作在第八模式。在第八模式中，第一開關11維持在導通，且第二開關12先維持在不導通，然後切換為導通。第三開關13維持在不導通。 第四開關14維持在不導通。第一開關11的跨壓Vds1維持在零。第二開關12的本質二極體121導通，使得第二開關12的跨壓Vds2維持在零，且第二開關12以零電壓切換方式切換為導通。流經第一電感15的電流IL1的大小逐漸上升。流經第二電感16的電流IL2的大小逐漸上升。流經第三電感17的電流IL3的大小不變。

參閱圖5與圖14，本實施例的交錯式降壓轉換 器1在時點t8到時點t9期間操作在第九模式。在第九模式中，第一開關11切換為不導通，且第二開關12維持在 導通。第三開關13維持在不導通。第四開關14維持在不導通。第一開關11的寄生電容112被充電，使得第一開關11的跨壓Vds1從零上升到Vin。第二開關12的本質二極體121導通，使得第二開關12的跨壓Vds2維持在零。流經第一電感15的電流IL1的大小逐漸上升。流經第二電感16的電流IL2的大小逐漸上升。流經第三電感17的電流IL3的大小逐漸下降。

參閱圖1，值得注意的是，本領域中具有通常 知識者可以由上述內容推知，在第一開關11及第二開關12的工作比大於50%×(1+Tp/Tsw)時，本實施例的交錯式降壓轉換器1的操作，及第一開關11與第二開關12都能以零電壓切換方式切換為導通，因此將不多加說明。

綜上所述，本實施例的交錯式降壓轉換器1藉 由讓從第一開關11切換為導通到第二開關12切換為導通的時間延遲等於第一開關11及第二開關12的導通時段減去預設時段，可以使得在第一開關11及第二開關12的工作比小於50%×(1+Tp/Tsw)時，第二開關12能以零電壓切換方式切換為導通。所以，本實施例的交錯式降壓轉換器1在第一開關11及第二開關12的工作比小時具有相對較高的轉換效率。

值得注意的是，在其它實施例中，第三開關13 及第四開關14中的每一個可以是一個N型金氧半場效電晶體。此時，控制器19還耦接到第三開關13及第四開關14，且控制第三開關13及第四開關14中的每一個在導 通與不導通之間的切換。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書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。

Td‧‧‧時間延遲的長度

Tsw‧‧‧切換週期的長度

Ton‧‧‧導通時段的長度

Vgs1‧‧‧第一控制信號

Tp‧‧‧預設時段的長度

Vgs2‧‧‧第二控制信號

Claims (8)

1. 一種交錯式降壓轉換器，包含：一個第一開關，具有一個適用於接收一個輸入電壓的第一端、一個第二端及一個控制端；一個第二開關，具有一個耦接到該第一開關的該第一端的第一端、一個第二端及一個控制端；一個第三開關，具有一個耦接到該第一開關的該第二端的第一端，及一個耦接到一個參考節點的第二端；一個第四開關，具有一個耦接到該第二開關的該第二端的第一端，及一個耦接到該參考節點的第二端；一個第一電感，具有一個耦接到該第一開關的該第二端的第一端，及一個適用於提供一個輸出電壓的第二端；一個第二電感，耦接在該第二開關的該第二端及該第一電感的該第二端之間；一個第三電感，耦接在該第一開關的該第二端及該第二開關的該第二端之間；一個輸出電容，耦接在該第一電感的該第二端及該參考節點之間；及一個控制器，耦接到該第一開關的該控制端及該第二開關的該控制端，且控制該第一開關及該第二開關中的每一個在導通與不導通之間的切換，使得該第一開關及該第二開關具有相同的切換週期及相同的導通時段，且一個從該第一開關切換為導通到該第二開關切換 為導通的時間延遲等於該第一開關及該第二開關的該導通時段減去一個預設時段。
2. 如請求項第1項所述的交錯式降壓轉換器，其中，該控制器還電連接到該第一電感的該第二端以接收該輸出電壓，且根據該輸出電壓控制該第一開關及該第二開關中的每一個在導通與不導通之間的切換，使得該第一開關及該第二開關的該切換週期及該導通時段中的至少一個是可變的。
3. 如請求項第2項所述的交錯式降壓轉換器，其中，當該第一開關及該第二開關的一個工作比大於一個預設值時，該第一開關及該第二開關的該切換週期是可變的，而當該第一開關及該第二開關的該工作比小於該預設值時，該第一開關及該第二開關的該導通時段是可變的。
4. 如請求項第2項所述的交錯式降壓轉換器，其中，該控制器使用比例積分微分控制技術來根據該輸出電壓控制該第一開關及該第二開關中的每一個在導通與不導通之間的切換。
5. 如請求項第1項所述的交錯式降壓轉換器，其中，該第一開關及該第二開關中的每一個是一個N型金氧半場效電晶體。
6. 如請求項第5項所述的交錯式降壓轉換器，其中，該N型金氧半場效電晶體具有一個充當該相對應開關的該第一端的汲極、一個充當該相對應開關的該第二端 的源極，及一個充當該相對應開關的該控制端的閘極。
7. 如請求項第1項所述的交錯式降壓轉換器，其中，該第三開關及該第四開關中的每一個是一個二極體。
8. 如請求項第7項所述的交錯式降壓轉換器，其中，該二極體具有一個充當該相對應開關的該第一端的陰極，及一個充當該相對應開關的該第二端的陽極。