TWI578678B - 降壓轉換器及降壓轉換裝置 - Google Patents

降壓轉換器及降壓轉換裝置 Download PDF

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羅有綱
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Description

降壓轉換器及降壓轉換裝置
本發明是有關於降壓轉換技術，特別是指一種降壓轉換器及一種降壓轉換裝置。
習知的降壓轉換器接收一個輸入電壓，且將輸入電壓轉換成一個小於輸入電壓的輸出電壓。然而，當習知的降壓轉換器的降壓比高時，對於習知的降壓轉換器的一個主要開關而言，由於其工作比相對較小，因此流經其的電流的均方根相對較大，這使得其所承受的最大電流及其導通損失也相對較大。
因此，本發明之目的即在提供一種降壓轉換器及一種降壓轉換裝置，可以改善先前技術的缺點。
於是，根據本發明的一個層面，一種降壓轉換器包含一個第一輸入端、一個第二輸入端、一個第一輸出端、一個第二輸出端、一個內部節點、一個第一電感、一個第二電感、一個第三電感、一個第四電感、一個主要開關、一個第一輔助開關及一個第二輔助開關。該第一電感 、該第二電感及該主要開關在該第一輸入端與該內部節點之間串聯。該第三電感電連接在該內部節點與該第一輸出端之間。該第四電感電連接在該第二輸入端與該第二輸出端之間。該第一輔助開關電連接在該內部節點與該第二輸出端之間。該第二輔助開關電連接在該第二輸入端與該第一輸出端之間。
根據本發明的另一個層面，一種降壓轉換裝置包含一個第一降壓轉換器及一個第二降壓轉換器。該第一降壓轉換器及該第二降壓轉換器的每一個是一個如上所述的降壓轉換器。該第一降壓轉換器的該第一輸入端及該第二輸入端適用於電連接到一個電壓源。該第一降壓轉換器的該第一輸出端及該第二輸出端適用於電連接到一個負載。該第二降壓轉換器的該第一輸入端、該第二輸入端、該第一輸出端及該第二輸出端分別電連接到該第一降壓轉換器的該第一輸入端、該第二輸入端、該第一輸出端及該第二輸出端。
根據本發明的又一個層面，一種降壓轉換裝置包含一個第一降壓轉換器、一個第二降壓轉換器、一個第一控制開關及一個第二控制開關。該第一降壓轉換器及該第二降壓轉換器的每一個是一個如上所述的降壓轉換器。該第一降壓轉換器的該第一輸入端適用於電連接到一個電壓源。該第一降壓轉換器的該第一輸出端及該第二輸出端適用於電連接到一個負載。該第二降壓轉換器的該第一輸入端、該第一輸出端及該第二輸出端分別電連接到該第一 降壓轉換器的該第一輸入端、該第一輸出端及該第二輸出端。該第一控制開關具有一個適用於電連接到該電壓源的第一端，及一個電連接到該第一降壓轉換器的該第二輸入端的第二端。該第二控制開關電連接在該第一控制開關的該第一端與該第二降壓轉換器的該第二輸入端之間。
本發明之功效在於：由於該降壓轉換器的降壓比相關於該第一電感至該第四電感的匝數，所以當該降壓轉換器的降壓比高時，該主要開關的工作比相對較大，且因此流經該主要開關的電流的均方根相對較小。
11‧‧‧第一輸入端
12‧‧‧第二輸入端
13‧‧‧第一輸出端
14‧‧‧第二輸出端
15‧‧‧內部節點
21‧‧‧第一電感
22‧‧‧第二電感
23‧‧‧第三電感
24‧‧‧第四電感
25‧‧‧主要開關
26‧‧‧第一輔助開關
27‧‧‧第二輔助開關
28‧‧‧電容
29‧‧‧控制器
3‧‧‧電壓源
4‧‧‧負載
51‧‧‧第一降壓轉換器
52‧‧‧第二降壓轉換器
61‧‧‧第一降壓轉換器
62‧‧‧第二降壓轉換器
63‧‧‧第一控制開關
64‧‧‧第二控制開關
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，說明本發明降壓轉換器的實施例；圖2是一個時序圖，說明圖1所示的實施例的操作；圖3是一個示意圖，說明對於圖1所示的實施例及一個習知的降壓轉換器而言，一個輸出電壓與一個主要開關的工作比之間的關係；圖4是一個電路方塊圖，說明本發明降壓轉換裝置的第一實施例；及圖5是一個電路方塊圖，說明本發明降壓轉換裝置的第二實施例。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1，本發明降壓轉換器的實施例包含一個第一輸入端11、一個第二輸入端12、一個第一輸出端13、一個第二輸出端14、一個內部節點15、一個第一電感21、一個第二電感22、一個第三電感23、一個第四電感24、一個主要開關25、一個第一輔助開關26、一個第二輔助開關27、一個電容28及一個控制器29。本實施例的降壓轉換器適用於從第一輸入端11及第二輸入端12接收一個來自一個電壓源3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，且適用於從第一輸出端13及第二輸出端14將輸出電壓Vout輸出到一個負載4。
第一電感21、第二電感22及主要開關25在第一輸入端11與內部節點15之間串聯。在本實施例中，第一電感21具有一個電連接到第一輸入端11的第一端，及一個第二端；第二電感22具有一個電連接到第一電感21的第二端的第一端，及一個第二端，且與第一電感21具有相同的匝數；且主要開關25電連接在第二電感22的第二端與內部節點15之間，且是一個N型金氧半場效電晶體。
第三電感23電連接在內部節點15與第一輸出端13之間。在本實施例中，第三電感23具有一個電連接到內部節點15的第一端，及一個電連接到第一輸出端13的第二端，且磁性耦合到第一電感21；且第三電感23的第 一端與第一電感21的第一端具有相同的電壓極性。
第四電感24電連接在第二輸入端12與第二輸出端14之間。在本實施例中，第四電感24具有一個電連接到第二輸出端14的第一端，及一個電連接到第二輸入端12的第二端，磁性耦合到第二電感22，且與第三電感23具有相同的匝數；且第四電感24的第一端與第二電感22的第一端具有相同的電壓極性。
第一輔助開關26電連接在內部節點15與第二輸出端14之間。第二輔助開關27電連接在第二輸入端12與第一輸出端13之間。在本實施例中，第一輔助開關26及第二輔助開關27都是N型金氧半場效電晶體。
電容28電連接在第一輸出端13與第二輸出端14之間，用於降低在第一輸出端13及第二輸出端14被輸出的輸出電壓Vout中的漣波。
參閱圖1與圖2，控制器29電連接到第一輸出端13、第二輸出端14、主要開關25、第一輔助開關26及第二輔助開關27，且根據在第一輸出端13及第二輸出端14被輸出的輸出電壓Vout，控制主要開關25、第一輔助開關26及第二輔助開關27的每一個在導通與不導通之間的切換，以穩定輸出電壓Vout到一個目標值。在本實施例中，控制器29使得第一輔助開關26及第二輔助開關27在主要開關25導通時都不導通，而在主要開關25不導通時都導通，且使得主要開關25、第一輔助開關26及第二輔助開關27的每一個的切換週期T及工作週期的至少一個是可變 的，其中，主要開關25的工作週期為DT，第一輔助開關26及第二輔助開關27的每一個的工作週期為(1-D)T，D是主要開關25的工作比。
在主要開關25的每一個切換週期T中，在主要開關25導通且第一輔助開關26及第二輔助開關27都不導通的期間，流過第三電感23的電流的變化量如以下方程式所示： 而在主要開關25不導通且第一輔助開關26及第二輔助開關27都導通的期間，流過第三電感23的電流的變化量如以下方程式所示： 其中，La、Lb、Lc及Ld分別表示第一電感21至第四電感24的電感值。由於這兩個變化量△I+、△I-的總和為零，因此根據方程式1、方程式2、La=Lb及Lc=Ld，可以得到輸出電壓Vout對輸入電壓Vin的比，其如以下方程式所示： 其中，Na表示第一電感21及第二電感22的每一個的匝數，Nc表示第三電感23及第四電感24的每一個的匝數，且Na：Nc=La：Lc。由方程式3可知，在設計本實施例的降壓轉換器時，針對給定的輸入電壓Vin，可以藉由調整第一電感21至第四電感24的匝數，來改變輸出電壓Vout與主要開關25的工作比D之間的關係，使得當本實施例的降壓轉換 器的降壓比高時，主要開關25的工作比D能夠達到一個足夠大的值，且因此流過主要開關25的電流的均方根能夠達到一個足夠低的值。
圖3畫出本實施例的降壓轉換裝置的輸出電壓Vout與主要開關25的工作比D之間的範例性關係，在此例中，輸入電壓Vin為12V，且第一電感21及第二電感22的每一個的匝數為第三電感23及第四電感24的每一個的匝數的三倍(即Na：Nc=3：1)。圖3還畫出習知的降壓轉換器的輸出電壓Vout與主要開關的工作比D之間的範例性關係，在此例中，習知的降壓轉換器的轉換特性為Vout=DVin，且輸入電壓Vin為12V。由圖3可知，為了使輸出電壓Vout為1.5V，習知的降壓轉換器的主要開關的工作比D需為0.125，而本實施例的降壓轉換器的主要開關25的工作比D需為0.533，明顯大於0.125。所以，與習知的降壓轉換器相比，當本實施例的降壓轉換器的降壓比高時，對於主要開關25而言，由於其工作比D相對較大，因此流經其的電流的均方根相對較小，這使得其所承受的最大電流及其導通損失也相對較小。
值得注意的是，在其它實施例中，可以對本實施例做出以下修改：
1.第一電感21至第四電感24可以彼此磁性耦合。此時，第一電感21至第四電感24的第一端具有相同的電壓極性。
2.電容28可以被省略。
3.第一輔助開關26及第二輔助開關27可以是二極體。此時，控制器29到第一輔助開關26與第二輔助開關27的電連接及控制器29的關聯於第一輔助開關26與第二輔助開關27的控制邏輯被省略。
此外，在某些情況下，可以是多個如圖1所示的降壓轉換器相配合以將來自電壓源3的輸入電壓Vin轉換成給負載4的輸出電壓Vout。以下詳細說明兩個降壓轉換器相配合以將輸入電壓Vin轉換成輸出電壓Vout的情況。更多個降壓轉換器相配合以將輸入電壓Vin轉換成輸出電壓Vout的情況可以從以下說明推知，因此將不多加說明。
參閱圖4，本發明降壓轉換裝置的第一實施例包含一個第一降壓轉換器51及一個第二降壓轉換器52。第一降壓轉換器51及第二降壓轉換器52的每一個是一個如圖1所示的降壓轉換器。第一降壓轉換器51的第一輸入端11及第二輸入端12適用於電連接到電壓源3。第一降壓轉換器51的第一輸出端13及第二輸出端14適用於電連接到負載4。第二降壓轉換器52的第一輸入端11、第二輸入端12、第一輸出端13及第二輸出端14分別電連接到第一降壓轉換器51的第一輸入端11、第二輸入端12、第一輸出端13及第二輸出端14。第一降壓轉換器51及第二降壓轉換器52以同步運作方式將來自電壓源3的輸入電壓Vin轉換成給負載4的輸出電壓Vout。
參閱圖5，本發明降壓轉換裝置的第二實施例包 含一個第一降壓轉換器61、一個第二降壓轉換器62、一個第一控制開關63及一個第二控制開關64。第一降壓轉換器61及第二降壓轉換器62的每一個是一個如圖1所示的降壓轉換器。第一降壓轉換器61的第一輸入端11適用於電連接到電壓源3。第一降壓轉換器61的第一輸出端13及第二輸出端14適用於電連接到負載4。第二降壓轉換器62的第一輸入端11、第一輸出端13及第二輸出端14分別電連接到第一降壓轉換器61的第一輸入端11、第一輸出端13及第二輸出端14。第一控制開關63(例如一個N型金氧半場效電晶體)具有一個適用於電連接到電壓源3的第一端，及一個電連接到第一降壓轉換器61的第二輸入端12的第二端。第二控制開關64(例如一個N型金氧半場效電晶體)電連接在第一控制開關63的第一端與第二降壓轉換器62的第二輸入端12之間。第一控制開關63及第二控制開關64不是同步在導通與不導通之間切換，且因此第一降壓轉換器61及第二降壓轉換器62以非同步運作方式將來自電壓源3的輸入電壓Vin轉換成給負載4的輸出電壓Vout。
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。
11‧‧‧第一輸入端
12‧‧‧第二輸入端
13‧‧‧第一輸出端
14‧‧‧第二輸出端
15‧‧‧內部節點
21‧‧‧第一電感
22‧‧‧第二電感
23‧‧‧第三電感
24‧‧‧第四電感
25‧‧‧主要開關
26‧‧‧第一輔助開關
27‧‧‧第二輔助開關
28‧‧‧電容
29‧‧‧控制器
3‧‧‧電壓源
4‧‧‧負載

Claims (22)

  1. 一種降壓轉換器，包含：一個第一輸入端；一個第二輸入端；一個第一輸出端；一個第二輸出端；一個內部節點；一個第一電感、一個第二電感及一個主要開關，在該第一輸入端與該內部節點之間串聯；一個第三電感，電連接在該內部節點與該第一輸出端之間；一個第四電感，電連接在該第二輸入端與該第二輸出端之間；一個第一輔助開關，電連接在該內部節點與該第二輸出端之間；及一個第二輔助開關，電連接在該第二輸入端與該第一輸出端之間。
  2. 如請求項1所述的降壓轉換器，其中，該第一電感及該第三電感彼此磁性耦合，且該第二電感及該第四電感彼此磁性耦合。
  3. 如請求項1所述的降壓轉換器，其中，該第一電感至該第四電感彼此磁性耦合。
  4. 如請求項1所述的降壓轉換器，其中，該第一電感及該第二電感具有相同的匝數，且該第三電感及該第四電感 具有相同的匝數。
  5. 如請求項1所述的降壓轉換器，還包含：一個電容，電連接在該第一輸出端與該第二輸出端之間。
  6. 如請求項1所述的降壓轉換器，還包含：一個控制器，電連接到該主要開關、該第一輔助開關及該第二輔助開關，且控制該主要開關、該第一輔助開關及該第二輔助開關的每一個在導通與不導通之間的切換，使得該第一輔助開關及該第二輔助開關在該主要開關導通時都不導通，而在該主要開關不導通時都導通。
  7. 如請求項6所述的降壓轉換器，其中，該控制器還電連接到該第一輸出端及該第二輸出端，且根據一個在該第一輸出端及該第二輸出端被輸出的輸出電壓，控制該主要開關、該第一輔助開關及該第二輔助開關的每一個在導通與不導通之間的切換，使得該主要開關、該第一輔助開關及該第二輔助開關的每一個的切換週期及工作週期的至少一個是可變的。
  8. 一種降壓轉換裝置，包含：一個如請求項1所述的降壓轉換器之第一降壓轉換器及一個如請求項1所述的降壓轉換器之第二降壓轉換器；其中，該第一降壓轉換器的該第一輸入端及該第二輸入端適用於電連接到一個電壓源，該第一降壓轉換器 的該第一輸出端及該第二輸出端適用於電連接到一個負載；及其中，該第二降壓轉換器的該第一輸入端、該第二輸入端、該第一輸出端及該第二輸出端分別電連接到該第一降壓轉換器的該第一輸入端、該第二輸入端、該第一輸出端及該第二輸出端。
  9. 如請求項8所述的降壓轉換裝置，其中，對於該第一降壓轉換器及該第二降壓轉換器的每一個而言，該第一電感及該第三電感彼此磁性耦合，且該第二電感及該第四電感彼此磁性耦合。
  10. 如請求項8所述的降壓轉換裝置，其中，對於該第一降壓轉換器及該第二降壓轉換器的每一個而言，該第一電感至該第四電感彼此磁性耦合。
  11. 如請求項8所述的降壓轉換裝置，其中，對於該第一降壓轉換器及該第二降壓轉換器的每一個而言，該第一電感及該第二電感具有相同的匝數，且該第三電感及該第四電感具有相同的匝數。
  12. 如請求項8所述的降壓轉換裝置，其中，該第一降壓轉換器及該第二降壓轉換器的每一個還包括：一個電容，電連接在該第一輸出端與該第二輸出端之間。
  13. 如請求項8所述的降壓轉換裝置，其中，該第一降壓轉換器及該第二降壓轉換器的每一個還包括：一個控制器，電連接到該主要開關、該第一輔助開 關及該第二輔助開關，且控制該主要開關、該第一輔助開關及該第二輔助開關的每一個在導通與不導通之間的切換，使得該第一輔助開關及該第二輔助開關在該主要開關導通時都不導通，而在該主要開關不導通時都導通。
  14. 如請求項13所述的降壓轉換裝置，其中，對於該第一降壓轉換器及該第二降壓轉換器的每一個而言，該控制器還電連接到該第一輸出端及該第二輸出端，且根據一個在該第一輸出端及該第二輸出端被輸出的輸出電壓，控制該主要開關、該第一輔助開關及該第二輔助開關的每一個在導通與不導通之間的切換，使得該主要開關、該第一輔助開關及該第二輔助開關的每一個的切換週期及工作週期的至少一個是可變的。
  15. 一種降壓轉換裝置，包含：一個如請求項1所述的降壓轉換器之第一降壓轉換器、一個如請求項1所述的降壓轉換器之第二降壓轉換器、一個第一控制開關及一個第二控制開關；其中，該第一降壓轉換器的該第一輸入端適用於電連接到一個電壓源，該第一降壓轉換器的該第一輸出端及該第二輸出端適用於電連接到一個負載；其中，該第二降壓轉換器的該第一輸入端、該第一輸出端及該第二輸出端分別電連接到該第一降壓轉換器的該第一輸入端、該第一輸出端及該第二輸出端；其中，該第一控制開關具有一個適用於電連接到該 電壓源的第一端，及一個電連接到該第一降壓轉換器的該第二輸入端的第二端；及其中，該第二控制開關電連接在該第一控制開關的該第一端與該第二降壓轉換器的該第二輸入端之間。
  16. 如請求項15所述的降壓轉換裝置，其中，對於該第一降壓轉換器及該第二降壓轉換器的每一個而言，該第一電感及該第三電感彼此磁性耦合，且該第二電感及該第四電感彼此磁性耦合。
  17. 如請求項15所述的降壓轉換裝置，其中，對於該第一降壓轉換器及該第二降壓轉換器的每一個而言，該第一電感至該第四電感彼此磁性耦合。
  18. 如請求項15所述的降壓轉換裝置，其中，對於該第一降壓轉換器及該第二降壓轉換器的每一個而言，該第一電感及該第二電感具有相同的匝數，且該第三電感及該第四電感具有相同的匝數。
  19. 如請求項15所述的降壓轉換裝置，其中，該第一降壓轉換器及該第二降壓轉換器的每一個還包括：一個電容，電連接在該第一輸出端與該第二輸出端之間。
  20. 如請求項15所述的降壓轉換裝置，其中，該第一降壓轉換器及該第二降壓轉換器的每一個還包括：一個控制器，電連接到該主要開關、該第一輔助開關及該第二輔助開關，且控制該主要開關、該第一輔助開關及該第二輔助開關的每一個在導通與不導通之間 的切換，使得該第一輔助開關及該第二輔助開關在該主要開關導通時都不導通，而在該主要開關不導通時都導通。
  21. 如請求項20所述的降壓轉換裝置，其中，對於該第一降壓轉換器及該第二降壓轉換器的每一個而言，該控制器還電連接到該第一輸出端及該第二輸出端，且根據一個在該第一輸出端及該第二輸出端被輸出的輸出電壓，控制該主要開關、該第一輔助開關及該第二輔助開關的每一個在導通與不導通之間的切換，使得該主要開關、該第一輔助開關及該第二輔助開關的每一個的切換週期及工作週期的至少一個是可變的。
  22. 如請求項15所述的降壓轉換裝置，其中，該第一控制開關及該第二控制開關不是同步在導通與不導通之間切換。
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