TWI669894B - 多模式電源轉換器 - Google Patents

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Abstract

一種多模式電源轉換器包括：儲能元件、第一開關、第二開關、第三開關、第四開關、模式控制裝置及控制裝置。其中模式控制裝置耦接輸入電壓，並依據第一電壓及第二電壓，判斷輸入電壓所在的電壓範圍並輸出分別對應於直通模式、降壓模式、昇壓模式的第一至第三模式訊號。控制裝置依據第一至第三模式訊號輸出第一至第四控制訊號，以分別控制第一至第四開關，使多模式電源轉換器分別運作於直通模式、降壓模式或昇壓模式。其中，於該直通模式中，第一、三開關為完全導通，而第二、四開關為完全關閉。

Description

多模式電源轉換器
本發明是有關於一種電源轉換器，且特別是有關於具有多模式的電源轉換器。
目前電子產品或資訊產品多以直流電源作為輸入源，通常會採用具有升降壓功能之電源轉換器(如：升降壓電源轉換器)之架構作為供應電源的裝置。具有升降壓功能的電源轉換器之優勢在於，可將大範圍變動的輸入直流電源轉換成額定的輸出電源；因此，即便是在不穩定的輸入源之情況下，亦可以提供穩定的額定輸出電源給電子產品，使得電子產品得到穩定工作所需的電力。具升降壓功能的電源轉換器的設計可應用於具有通用串列匯流排(USB)的電源適配器(Power Adapter)等。
在目前的電源轉換器的設計上，通常可操作於升壓模式(Boost Mode)及降壓模式(Buck Mode)。當輸入電壓大於輸出電壓時，電源轉換器啟動降壓模式；反之，當輸入電壓小於輸出電壓時，電源轉換器進入昇壓模式。然而，當電源轉換器接收的輸入電壓過於接近或等於輸出電壓時，會使得電源轉換器的控制裝置在升壓模式及降壓模式之間進行不斷的切換，以維持穩定的輸出電壓。然而，電源轉換器在升壓模式及降壓模式切換過程中產生明顯的切換損耗，使得 電源轉換器的工作效率大幅降低。除此之外，因為電源轉換器的兩種模式的切換，亦會造成升降壓電源轉換器內的開關切換損失(Switching Loss)提高。再者，為了滿足對升壓模式及降壓模式進行切換，電源轉換器中的控制裝置(如：中央處理單元、處理器及微處理器等)需要不斷地改變輸出的控制訊號，使得控制裝置的操作溫度升高而導致損壞。
有鑑於此，本發明提出一種具有直通模式的多模式電源轉換器，當該多模式電源轉換器接收的輸入電壓過於接近或等於輸出電壓的情況發生時，電源轉換器會執行直通模式。藉此，解決上述之問題。
一種多模式電源轉換器包括：儲能元件、第一開關、第二開關、第三開關、第四開關、模式控制裝置及控制裝置。儲能元件具有第一端與第二端。第一開關耦接輸入電壓與第一端。第二開關耦接第一端與參考節點。第三開關耦接第二端與輸出節點。第四開關耦接第二端與參考節點。其中，模式控制裝置耦接輸入電壓，並依據第一電壓及第二電壓，判斷輸入電壓所在的電壓範圍。模式控制裝置依據判斷結果而輸出分別對應於直通模式、降壓模式、昇壓模式的第一至第三模式訊號。第一電壓大於多模式電源轉換器的額定輸出電壓，第二電壓小於額定輸出電壓。控制裝置耦接模式控制裝置與第一至第四開關，且依據第一至第三模式訊號輸出第一至第四控制訊號，以分別控制第一至第四開關進行交替導通/關閉、或是完全導通/關閉，使多 模式電源轉換器分別運作於直通模式、降壓模式或昇壓模式。於直通模式中，第一、三開關為完全導通，而第二、四開關為完全關閉。
100‧‧‧電源轉換器
122~124‧‧‧開關
140‧‧‧儲能元件
162、164‧‧‧開關
170‧‧‧分壓電路
172、174‧‧‧電阻
180‧‧‧比較裝置
200‧‧‧多模式電源轉換器
222‧‧‧第一開關
224‧‧‧第二開關
240‧‧‧儲能元件
242‧‧‧第一端
244‧‧‧第二端
262‧‧‧第三開關
262a‧‧‧寄生二極體
264‧‧‧第四開關
266‧‧‧整流二極體
268‧‧‧第三開關
280‧‧‧模式控制裝置
282‧‧‧比較裝置
284‧‧‧參考電壓電路
290‧‧‧控制裝置
500‧‧‧直流電壓源
600‧‧‧負載
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
VFB‧‧‧電壓回授訊號
S0‧‧‧模式訊號
S1~S4‧‧‧第一至第四控制訊號
S5‧‧‧第五控制訊號
Vref1‧‧‧第一電壓
Vref2‧‧‧第二電壓
N‧‧‧輸出節點
300‧‧‧方法
310~366‧‧‧步驟
第1圖是根據開關控制的習知方法所繪示的電源轉換器之電路圖。
第2圖所示為根據本發明之一實施例的電源轉換器之電路圖。
第3圖所示為根據本發明之其他一些實施例的電源轉換器之電路圖。
第4圖所示為根據本發明之一實施例的電源轉換器之波形圖。
第5圖所示為根據本發明之其他實施例的電源轉換器之波形圖。
第6圖所示根據本發明之一實施例的多模式電源轉換器之方法步驟圖。
參考附圖來描述本發明，其中在所有附圖中使用相同的附圖標記來表示相似或等效的元件。附圖不是按比例繪製的，而是僅用於說明本發明。本發明的幾個形態如下描述，並參考示例應用作為說明。應該理解的是，闡述了許多具體細節、關係和方法以提供對本發明的全面了解。然而，相關領域的普通技術人員將容易認識到，本發明可以被實行即便在沒有一個或多個具體細節的情況下或沒有利用其他方法來實施本發明。在其他情況下，未詳細示出習知的結構或操作以避免模糊本發明。本發明不受所示的行為或事件的順序所限制，因為一些行為可能以不同的順序發生和/或與其他行為或事件同時發 生。此外，並非所有說明的行為或事件都需要根據本發明的方法來實施。
以下說明是本發明的實施例。其目的是要舉例說明本發明的一般性的原則，不應視為本發明之限制，本發明之範圍當以申請專利範圍所界定者為準。
傳統上，電源轉換器配置四個相同的功率電晶體作為切換開關，並且只能操作於升壓模式(Boost Mode)或降壓模式(Buck Mode)。在升壓模式或降壓模式中，由於控制裝置一般無法提供功率電晶體具有占空比(Duty)100%的脈波寬度調變(PWM)訊號，使得具有升降壓功能的電源轉換器中的開關無法完全導通，所以當輸入電壓接近或等於輸出電壓的情況發生時，升降壓電源轉換器只能不斷地在升壓模式及降壓模式之間進行切換。
因此，在輸出電壓接近或等於輸入電壓的情況，傳統的電源轉換器具有工作效率不高的問題，因為在升壓模式及降壓模式之間不斷地進行切換時，將導致控制裝置溫度升高，致使控制裝置易於不正常工作或毀損。此外，開關不斷的進行導通和關閉之交替操作會造成明顯的切換損失。以下將針對造成傳統的電源轉換器工作效率降低之原因進行說明。
第1圖是根據開關控制的習知方法所繪示的電源轉換器100之電路圖。如第1圖所示，習知的電源轉換器100包含開關122、開關124、儲能元件140、開關162、開關164、分壓電路170、比較裝置180及控制裝置190。其中開關122及124用以接收並切換來自直流電壓 源500的輸入電壓Vin，且開關162及164產生輸出電壓Vout給負載600。分壓電路170由電阻172及電阻174所構成，且分壓電路將輸出電壓Vout進行分壓以產生電壓回授訊號VFB。比較裝置180用以接收輸入電壓Vin及電壓回授訊號VFB進行比較。其中，該比較裝置180透過接收電壓回授訊號VFB識別輸出電壓Vout的大小，並比較電壓回授訊號VFB及輸入電壓Vin的大小。比較裝置180將比較的結果輸出給控制裝置190。其中輸出的比較結果包含昇壓模式訊號及降壓模式訊號。控制裝置190將依據比較裝置180的比較結果輸出第一至第四控制訊號S1~S4，並分別控制開關122、124及開關162、164的狀態，使得傳統的電源轉換器100可操作於降壓模式或昇壓模式。其中傳統的電源轉換器100中的開關122、124、162及164皆為N型金氧半場效電晶體(N型MOSFET)。
傳統的電源轉換器100操作於降壓模式及昇壓模式的情況分別如下：當比較裝置180偵測電壓回授訊號VFB大於輸入電壓Vin時，表示電源轉換器100的輸出電壓Vout超過輸入電壓Vin，電源轉換器100進入昇壓模式。當比較裝置180偵測電壓回授訊號VFB小於輸入電壓Vin時，表示電源轉換器100的輸出電壓低於輸入電壓Vin，電源轉換器100進入降壓模式。
當傳統的電源轉換器100的電壓回授訊號VFB被比較裝置180識別與輸入電壓Vin相等時，此時因為輸出電壓Vout與輸入電壓Vin過於接近，為了穩定輸出，造成比較裝置180輸出的比較結果不停地在昇壓模式訊號及降壓模式訊號之間交替。因此電源轉換器100操作 於昇壓模式及降壓模式的交替，讓電源轉換器100產生明顯的切換損失。此外控制裝置也必須不斷改變輸出的控制訊號S1~S4，讓電源轉換器100執行昇壓模式及降壓模式的交替操作，導致控制裝置易處於過熱狀態而毀壞。
不同於習知的電源轉換器100，本發明提供一種具有直通模式(By Pass Mode)的多模式電源轉換器，且該多模式電源轉換器包含兩個相同的P型MOSFET以及兩個相同的N型MOSFET作為切換開關。以下將詳述本發明之方法，可避免在輸出電壓接近或等於輸入電壓的情況下進行切換升壓模式及降壓模式，讓多模式電源轉換器的工作效率提升並保護控制裝置。
第2圖所示為根據本發明之一實施例的多模式電源轉換器200之電路圖。如第2圖所示，多模式電源轉換器200包含第一開關222、第二開關224、第三開關262、第四開關264、儲能元件240、模式控制裝置280及控制裝置290。模式控制裝置280更包含比較裝置282及參考電壓電路284。儲能元件240，在此例如為電感器，具有第一端242與第二端244。第一開關222耦接輸入電壓Vin與儲能元件240的第一端242。第二開關224耦接儲能元件240的第一端242與參考節點Ground。第三開關262耦接儲能元件240的第二端244與輸出節點N。第四開關264耦接該第二端244與該參考節點Ground。模式控制裝置280中的比較裝置282耦接輸入電壓Vin，並依據參考電壓電路284第一電壓Vref1及第二電壓Vref2，判斷該輸入電壓Vin所在的電壓範圍。比較裝置282依據判斷結果而輸出分別對應於直通模式、降壓模式、昇壓 模式的第一至第三模式訊號。在本發明中所提的比較裝置282，其包含複數個比較器(Comparator)或誤差放大器(Error Amplifier)等具有比較功能之電路，用以判斷輸入電壓Vin的範圍，此為本領域具通常知識者可容易理解並實行。
模式控制裝置280中的參考電壓電路284可依據多模式電源轉換器200的額定輸出電壓(Rated Voltage)設置第一電壓Vref1及第二電壓Vref2的值。其中，第一電壓Vref1大於多模式電源轉換器的額定輸出電壓，第二電壓Vref2小於額定輸出電壓。舉例說明，如果多模式電源轉換器200的額定輸出電壓為12V，那麼第一電壓Vref1可設置範圍為12.1~12.5V，第二電壓Vref2可設置範圍為11.5~11.9V。但本發明不以此為限。此外，多模式電源轉換器200的額定輸出電壓是依據負載600的輸入規格所制定，故可根據實際需求進行改變。在第2圖中，分壓電路170對輸出電壓Vout進行分壓以形成電壓回授訊號VFB，模式控制裝置280依據電壓回授訊號VFB判斷輸出電壓Vout的大小。其中模式控制裝置280具有一誤差放大器(error amplifier，未圖示)，將電壓回授訊號VFB與一參考電壓準位(未圖示)進行比較，模式控制裝置280依據比較結果，輸出第五控制訊號S5給控制裝置290。控制裝置290可依據第五控制訊號S5而調整控制所輸出的控制訊號S1~S4的脈波寬度，進而控制第一至第四開關(222、224、262、264)的狀態。如此一來，可確保輸出電壓Vout的穩定。由於模式控制裝置280利用誤差放大器確保輸出電壓Vout穩定之技術為本領域通常知識 者可理解，故本案並未繪出模式控制裝置280中的誤差放大器之連接方式及特別說明其工作原理。
模式控制裝置280中的比較裝置282將輸入電壓Vin與第一電壓Vref1及第二電壓Vref2進行比較之後，依據比較結果而輸出模式訊號S0給控制裝置290。特別注意的是，第2圖中的模式訊號S0代表第一至第三模式訊號。也就是說，模式控制裝置280可依據比較結果輸出第一至第三模式訊號中的任一個，在本發明中為了方便簡單說明，以模式訊號S0代表之。控制裝置290耦接模式控制裝置280與第一開關222至第四開關264，且依據模式訊號S0輸出第一至第四控制訊號S1~S4，以分別控制第一開關222至第四開關264進行導通和關閉之交替操作、完全導通或是完全關閉，使得多模式電源轉換器200可依據開關狀態運作於直通模式(By-pass Mode)、降壓模式(Buck Mode)或昇壓模式(Boost Mode)。其中，本發明的重要特徵在於多模式電源轉換器200的直通模式，在此模式中，第一開關222及第三開關262為完全導通，而該第二開關224及第四開關264為完全關閉。
本發明的一些實施例中，第一至第四開關(222、224、262、264)為能承受高電壓與流通大電流，可採用功率電晶體，在此例如第一開關222、第三開關262為功率PMOS電晶體，第二開關224、第四開關264為功率NMOS電晶體。但本發明並不限於此。此外，前述的MOS電晶體之源極和汲極之間存在有寄生二極體，或是刻意設計令其有二極體。這樣的設計優點在於當第一開關222或第三開關262需要導通時，只要提供PMOS電晶體的閘極端一低電位(或零電位)即可。讓多 模式電源轉換器200在設計上不需另外配置高電位電路給第一開關222及第三開關262。相對於傳統的設計，本發明的設計更加簡單且成本降低。
根據以上所述，當模式控制裝置280偵測輸入電壓低於第二電壓Vref2時，模式控制裝置280輸出第三模式訊號至控制裝置290，使多模式電源轉換器200工作於昇壓模式。當模式控制裝置280偵測輸入電壓高於第一電壓Vref1時，模式控制裝置280輸出第二模式訊號至驅動控制裝置290，使多模式電源轉換器200工作於降壓模式。當模式控制裝置280偵測輸入電壓Vin介於第二電壓Vref2與第一電壓Vref1之間時，模式控制裝置280輸出第一模式訊號至控制裝置290，使多模式電源轉換器200工作於直通模式。總結來說，當輸入電壓Vin大於第一電壓Vref1時，模式控制裝置280輸出第二模式訊號使得多模式電源轉換器執行降壓模式。當輸入電壓Vin小於該第二電壓Vref2時，模式控制裝置280輸出第三模式訊號使得多模式電源轉換器執行昇壓模式。當輸入電壓Vin不大於第一電壓Vref1且不小於第二電壓Vref2時，模式控制裝置280輸出第一模式訊號使得多模式電源轉換器執行直通模式。
在本發明的一些實施例中，當多模式電源轉換器200操作於直通模式時，控制裝置290輸出的控制訊號S1至S4使得第一開關222完全導通、第二開關224完全截止(關閉)；且第三開關262完全導通及第四開關264完全截止。在直通模式中，因為第一開關222導通及第三開關262完全導通，所以來自直流電壓源500的輸入電壓Vin可直通 至輸出節點N，所以輸入電壓Vin等於輸出電壓Vout，且負載600可透過第三開關262接收輸出電壓Vout。也就是說，當輸入電壓Vin介於或等於第二電壓Vref2與第一電壓Vref1之間時，輸入電壓Vin等於輸出電壓Vout。
當多模式電源轉換器200操作於直通模式時，由於第一開關222導通及第三開關262皆維持在導通狀態且第二開關224導通及第四開關264皆維持在截止狀態，所以多模式電源轉換器200中沒有任何開關進行導通和關閉之交替操作。這樣的設計讓多模式電源轉換器200操作於直通模式的情況不具習知的電源轉換器的開關切換損失及模式切換損失，使得多模式電源轉換器200的工作效率大幅提升。
在本發明的一些實施例中，當模式控制裝置280中的比較裝置282識別輸入電壓Vin大於第一電壓Vref1時，多模式電源轉換器200操作於降壓模式。模式控制裝置280中的比較裝置282輸出第二模式訊號，讓控制裝置290依據第二模式訊號輸出的第一至第四控制訊號S1~S4，使得第一開關222及第二開關224分別進行導通和關閉之交替操作；以及第三開關262完全導通及第四開關264完全截止。第一開關222及第二開關224之交替操作可對輸入電壓Vin進行切換並對儲能元件240進行充放電。第三開關262將來自儲能元件240的電壓進行整流以形成輸出電壓Vout。負載600透過第三開關262接收輸出電壓Vout以維持工作所需之電力。特別注意的是，第一開關222及第二開關224進行導通和關閉之交替操作為：當第一開關222導通時，則第二開關224關閉；當第二開關224導通時，則第一開關222關閉。
在本發明的一些實施例中，當模式控制裝置280中的比較裝置282識別輸入電壓Vin低於第二電壓Vref2時，多模式電源轉換器200操作於昇壓模式。模式控制裝置280中的比較裝置282根據比較結果輸出第三模式訊號，讓控制裝置290輸出的第一至第四控制訊號S1~S4，使得第一開關222完全導通及第二開關224完全截止；以及第三開關262完全關閉(此時，第三開關262整體運作為同步整流模式)且第四開關264進行導通和關閉之交替操作，其中該第三開關262為具有一寄生二極體262a(Parasitic Diode)之金氧半場效電晶體，但本發明不以此為限，因此第三開關262在此時(關閉時)會由寄生二極體262a進行同步整流。輸入電壓Vin透過第一開關222對儲能元件240進行充電。第四開關264對來自儲能元件240的直流電壓進行切換並傳送至第三開關262以產生輸出電壓Vout。負載600透過第三開關262接收輸出電壓Vout以維持工作所需之電力。特別注意的是，當第三開關262關閉時，直流電壓仍可透過寄生二極體262a傳送至輸出節點N，並且該寄生二極體262a具有對電壓、電流進行整流之功能。故在此實施例中，第三開關262操作於同步整流模式。
第3圖所示為根據本發明之其他一些實施例的多模式電源轉換器200之電路圖。請一併參閱第2圖及第3圖，第三開關262在第2圖中主要功能是維持導通並對來自儲能元件240的電壓進行整流，所以在其他的實施中第三開關262亦可由其他整流元件所取代。在此示例中，以整流二極體266取代第三開關262，但本發明並不限於此。利用整流二極體266除了可對來自儲能元件的直流電壓進行整流之外，亦可 防止由負載600所產收的逆向電流回灌至多模式電源轉換器200中的其他零件或組件。在此示例中，多模式電源轉換器200的工作方法與原理等同第2圖，故在此不再贅述。
如第3圖所示的實施例，因為開關數量的減少，可使得多模式電源轉換器200電路的設計上更趨簡易化，且控制裝置290所需控制的開關數量降低，降低控制裝置290的損耗。這樣的設計更使得產品生產成本的降低，讓產品在市場上更有競爭力。
第4圖所示為根據本發明之一實施例的多模式電源轉換器之波形圖。請一併參閱第2圖與第4圖，在多模式電源轉換器200的工作初期，如果來自直流電壓源500的輸入電壓Vin大於多模式電源轉換器的第一電壓Vref1時，多模式電源轉換器200從降壓模式開始工作，將輸入電壓Vin轉換成與第一電壓Vref1相同的輸出電壓Vout。若輸入電壓Vin一直維持大於第一電壓Vref1時，多模式電源轉換器200將持續進行降壓模式。
在第2圖及第4圖中，當輸入電壓Vin降低至第一電壓Vref1時，多模式電源轉換器200將停止降壓模式並轉換成直通模式。在直通模式下，因為多模式電源轉換器200讓輸入電壓Vin直接通過至輸出端，所以輸入電壓Vin等於多模式電源轉換器200的輸出電壓Vout。值得注意的是，如果輸入電壓Vin的大小維持在第一電壓Vref1及第二電壓Vtef2之間時，多模式電源轉換器200將持續進行直通模式直到輸入電壓Vin小於第二電壓Vref2或大於第一電壓Vref1。
請參閱第2圖及第4圖，如果輸入電壓Vin小於第二電壓Vref2時，因為多模式電源轉換器200進行昇壓模式，將輸入電壓Vin轉換成與第二電壓Vref2相等的輸出電壓Vout。在直流輸入電壓小於第二電壓Vref2時，多模式電源轉換器200將持續進行昇壓模式直到輸入電壓Vin大於第二電壓Vref2。
第5圖所示根據本發明之其他一些實施例的多模式電源轉換器之波形圖。請一併參閱第2圖與第5圖，如果多模式電源轉換器200的起始工作中，直流電壓源500產生的輸入電壓Vin小於多模式電源轉換器的第二電壓Vref2時，多模式電源轉換器200則由昇壓模式開始工作。此時，多模式電源轉換器200對輸入電壓Vin進行轉換成與第二電壓Vref2等值的輸出電壓Vout，並維持穩定直流輸出電壓。在輸入電壓Vin小於第二電壓Vref2時，多模式電源轉換器200將繼續進行昇壓模式，直到輸入電壓Vin等於第二電壓Vref2，多模式電源轉換器200停止昇壓模式。
請一併參閱第2圖及第5圖，當輸入電壓Vin隨著時間提升至第二電壓Vref2時，多模式電源轉換器200停止昇壓模式並開始執行直通模式。在直通模式下，輸入電壓Vin等於輸出電壓Vout。如果輸入電壓Vin的大小維持在第二電壓Vref2及第一電壓Vref1之間，多模式電源轉換器200將持續進行直通模式。若是輸入電壓Vin大於第一電壓Vref1或小於第二電壓Vref2時，多模式電源轉換器200離開直通模式。
在其他一些實施例中，如果輸入電壓Vin大於第一電壓Vref1時，因多模式電源轉換器進行降壓模式，將輸入電壓Vin進行轉 換為與第一電壓Vref1相等的輸出電壓Vout。在輸入電壓Vin大於第一電壓Vref1時，多模式電源轉換器200將持續進行降壓模式。
在第4圖及第5圖中，其中第一電壓Vref1及第二電壓Vref2可視為電壓門閥值(Voltage Threshold)或參考電壓(Reference Voltage)。其中第二電壓Vref2及第一電壓Vref1可依據負載600的輸入規格或者PWM訊號的占空比(Duty)的上下限進行不同的設置，此為本領域通常知識者可易於理解並以簡單變更及達到本發明之目的。本揭露僅以第一電壓Vref1及第二電壓Vref2作為示例，但並不用於限制本發明。
由第2圖、第4圖及第5圖可知，即使輸入電壓Vin隨著時間進行大範圍的變化的情況下，多模式電源轉換器200的輸出電壓Vout可以穩定維持在第一電壓Vref1及第二電壓Vref2之間。而本發明的設計雖然造成輸出電壓Vout在第一電壓Vref1及第二電壓Vref2之間的變化的缺點，但輸出電壓的些微變化仍可滿足市場上大多數的電子產品維持穩定工作所需之電力的需求，例如：電子計算機、筆記型電腦、平板電腦、智慧型手機、智慧型手錶及行動電源等。以下將詳述本發明的設計方法步驟以達到本發明之目的。
第6圖所示根據本發明之一些實施例的多模式電源轉換器之方法300步驟圖。以下同時參照第2圖以說明方法300的流程。在方法300中，由步驟310開始，透過模式控制裝置280接收輸入電壓Vin之後，多模式電源轉換器200進入步驟315。在第2圖中，模式控制裝置280中的參考電壓電路284設置第一電壓Vref1及第二電壓Vref2。因此，多 模式電源轉換器200執行步驟315時，模式控制裝置280將輸入電壓Vin與第一電壓Vref1及第二電壓Vref2進行比較，且比較結果可為步驟320、340或360，多模式電源轉換器200在依據比較結果分別進入步驟322、342或362。
當模式控制裝置280識別輸入電壓Vin介於第一電壓Vref1及第二電壓Vref2之間，多模式電源轉換器200執行步驟322，模式控制裝置280輸出第一模式訊號給控制裝置290並進入步驟322。在步驟322中，控制裝置290然後輸出第一至第四控制訊號S1~S4給第一開關222、第二開關224、第三開關262及第四開關264並進入步驟326。在步驟326中，多模式電源轉換器200執行直通模式。
當模式控制裝置280識別輸入電壓Vin大於第一電壓Vref1時，多模式電源轉換器200執行步驟342模式控制裝置280輸出第二模式訊號給控制裝置290，在步驟344中，控制裝置290然後輸出第一至第四控制訊號S1~S4改變第一開關222、第二開關224、第三開關262及第四開關264工作狀態並進入步驟346。多模式電源轉換器200執行步驟346之後，多模式電源轉換器200執行降壓模式。
當模式控制裝置280識別輸入電壓Vin小於第二電壓Vref2時，多模式電源轉換器200執行步驟362使得模式控制裝置280輸出第三模式訊號給控制裝置290。在步驟364中，控制裝置290然後輸出第一至第四控制訊號S1~S4給第一開關222、第二開關224、第三開關262及第四開關264，開關依據第一至第四控制訊號S1~S4進行不同 的工作狀態並進入步驟366。在步驟366中，多模式電源轉換器200執行昇壓模式。
在本發明的各個實施例中，多模式電源轉換器200不論進入步驟326、346或366之後，仍然會同時進行步驟310及步驟315。也就是說，模式控制裝置280仍會持續不斷接收輸入電壓Vin，並將輸入電壓Vin與第一電壓Vref1及第二電壓Vref2進行比較。當輸入電壓Vin有任何變化時，多模式電源轉換器可在直通模式、降壓模式及昇壓模式之間進行切換以維持穩定的輸出電壓Vout。
在本發明的一些實施例中，在第2圖至第5圖中的多模式電源轉換器200，可依據實際需求設製一個或兩個以上的參考電壓。在第4圖及第5圖中，為了簡單說明多模式電源轉換器操作於直通模式的工作原理，故設置了第一電壓Vref1及第二電壓Vref2作為示例，但本案不以此為限。
綜上所述，多模式電源轉換器的直通模式操作於第一電壓Vref1及第二電壓Vref2之間，且輸入電壓等於輸出電壓。雖然這樣設計的多模式電源轉換器具有些微的變動輸出電壓之缺陷，但這樣的輸出電壓變動是可被市場上的電子產品所容許。然而，這樣的設計最大的優點在於，當輸入電壓接近輸出電壓時，明顯提高多模式電源轉換器的工作效率及降低開關的切換損失。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何本領域具有通常技術知識者，在不違背本發明精神和 範圍的情況下，可做些許變動與替代，因此本發明之保護範圍當應視隨後所附之申請專利範圍所界定者為準。
本文使用的術語僅用於描述特定實施例，而不旨在限制本發明。如本文所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式「一」、「一個」和「該」也包含複數形式。此外，就術語「包括」、「包含」、「具有」或其他變化用法被用於詳細描述和/或請求項，這些術語旨在以類似於術語「包含」的方式具有相同意思。

Claims (7)

  1. 一種多模式電源轉換器，包括： 一儲能元件，具有一第一端與一第二端； 一第一開關，耦接一輸入電壓與該第一端； 一第二開關，耦接該第一端與一參考節點； 一第三開關，耦接該第二端與一輸出節點； 一第四開關，耦接該第二端與該參考節點； 一模式控制裝置，耦接該輸入電壓，並依據一第一電壓及一第二電壓，判斷該輸入電壓所在的電壓範圍，該模式控制裝置依據判斷結果而輸出分別對應於一直通模式、一降壓模式、一昇壓模式的一第一至一第三模式訊號，該第一電壓值大於該多模式電源轉換器的一額定輸出電壓，該第二電壓小於該額定輸出電壓；以及 一控制裝置耦接該模式控制裝置與該第一至該第四開關，且依據該第一至該第三模式訊號輸出一第一至一第四控制訊號，以分別控制該第一至該第四開關進行交替導通/關閉、或是完全導通/關閉，使該多模式電源轉換器分別運作於該直通模式、該降壓模式或該昇壓模式； 其中，於該直通模式中，該第一、三開關為完全導通，而該第二、四開關為完全關閉。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多模式電源轉換器，其中當該輸入電壓大於該第一電壓值時該模式控制裝置輸出該第二模式訊號，當該輸入電壓小於該第二電壓值時該模式控制裝置輸出該第三模式訊號，當該輸入電壓不大於該第一電壓值且不小於該第二電壓值時該模式控制裝置輸出該第一模式訊號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之多模式電源轉換器，當該多模式電源轉換器運作於該降壓模式時，該控制裝置依據該第二模式訊號輸出該第一至四控制訊號，使得該第一開關與該第二開關進行導通和關閉之交替操作、該第三開關完全導通及該第四開關完全關閉。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之多模式電源轉換器，當該多模式電源轉換器運作於該昇壓模式時，該控制裝置依據該第三模式訊號輸出該第一至四控制訊號，使得該第一開關完全導通、該第二開關完全關閉、該第三開關完全關閉及該第四開關進行導通和關閉之交替操作，其中該第三開關為具有一二極體之金氧半場效電晶體，該第三開關透過該二極體而運作於同步整流模式。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之多模式電源轉換器，其中該第一開關及該第三開關為P型金氧半場效電晶體之導通元件。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之多模式電源轉換器，其中該第二開關及該第四開關為N型金氧半場效電晶體之導通元件。
  7. 一種多模式電源轉換器，包括： 一儲能元件，具有一第一端與一第二端； 一第一開關，耦接一輸入電壓與該第一端； 一第二開關，耦接該第一端與一參考節點； 一第三開關，耦接該第二端與該參考節點； 一整流二極體，耦接該第二端與一輸出節點； 一模式控制裝置，耦接該輸入電壓，並依據一第一電壓及一第二電壓，判斷該輸入電壓所在的電壓範圍，該模式控制裝置依據判斷結果而輸出分別對應於一直通模式、一降壓模式、一昇壓模式的一第一至一第三模式訊號，該第一電壓值大於該多模式電源轉換器的一額定輸出電壓，該第二電壓小於該額定輸出電壓；以及 一控制裝置耦接該模式控制裝置與該第一至該第三開關，且依據該第一至該第三模式訊號輸出一第一至一第三控制訊號，以分別控制該第一至該第三開關進行交替導通/關閉、或是完全導通/關閉，使該多模式電源轉換器分別運作於該直通模式、該降壓模式或該昇壓模式； 其中，於該直通模式中，該第一開關為完全導通，而該第二、三開關為完全關閉。
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