TWI713288B

TWI713288B - 切換式電源轉換電路與切換電路

Info

Publication number: TWI713288B
Application number: TW109102320A
Authority: TW
Inventors: 林水木; 黃宗偉; 楊奐箴; 莊詠竣
Original assignee: 立錡科技股份有限公司
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2020-12-11
Also published as: TW202130103A; US20210226530A1; US11329553B2

Abstract

一種切換式電源轉換電路，包括轉換電容器、電容式電源轉換電路、電感器、電感式電源轉換電路以及切換控制電路。電容式電源轉換電路包括複數切換元件，以將輸入電壓轉換為中繼電壓，使得中繼電壓與輸入電壓具有一預設之比例關係；電感式電源轉換電路包括複數切換元件，以將中繼電壓轉換為輸出電壓；切換控制電路用以產生切換控制訊號；電容式電源轉換電路及電感式電源轉換電路的複數切換元件分別根據切換控制訊號的占空比，週期性地切換轉換電容器及電感器。電容式電源轉換電路與電感式電源轉換電路共用其中一切換元件。

Description

切換式電源轉換電路與切換電路

本發明係有關一種切換式電源轉換電路，特別是指一種同時具有電容性與電感性電源轉換功能，且具有高轉換效率之切換式電源轉換電路。本發明也有關於一種切換電路，可用以組成上述的的切換式電源轉換電路。

第1A圖顯示一種先前技術之切換式電源轉換電路(切換式電源轉換電路1)，其包含切換控制電路10、泵壓（charge pump）電路11及降壓型（buck）切換式電源轉換電路12。切換控制電路10用以產生切換控制訊號dDUTY、dDUTYB及dPWMB。泵壓電路11包括開關SW1、SW3、SW4及SW5，以及電容C1’與C2’，開關SW1、SW3、SW4及SW5根據切換控制訊號dDUTY或dDUTYB而切換電容C1’與C2’，以將輸入電壓Vin轉換為中繼電壓VCP，中繼電壓VCP之位準大致為輸入電壓Vin之2倍。降壓型切換式電源轉換電路12包括開關SW2、SWH、電感L’及輸出電容Co’，開關SW2及SWH根據切換控制訊號dPWMB而切換電感L’，以將中繼電壓VCP轉換為輸出電壓Vout，其中輸出電壓Vout之位準大致為中繼電壓VCP之小於1的預設降壓倍數，且輸出電壓Vout與輸入電壓Vin的比例相關於切換控制訊號dPWMB的占空比。第1B圖顯示對應於第1A圖之一種操作波形圖，由於泵壓電路11及降壓型切換式電源轉換電路12可視為獨立的兩級電源轉換電路，因此，切換控制訊號dDUTY可具有與切換控制訊號dPWMB不同之占空比，就另一角度而言，切換控制訊號dDUTY與切換控制訊號dPWMB之占空比並不相關，此外，二者的切換頻率亦可不同或無關。

值得注意的是，第1A圖之先前技術中，中繼電壓VCP大致上為穩定的，非脈波式的電壓，而切換電壓VLX’則為脈波式的電壓，此先前技術中，切換電壓VLX’在中繼電壓VCP與接地電位之間切換。

本發明相較於第1A圖之先前技術，其優點在於，本發明能以數量較少的元件達成與先前技術更佳之效果，使得效率提升，並降低成本。

就其中一個觀點言，本發明提供了一種切換式電源轉換電路，包含：一轉換電容器；一電容式電源轉換電路，包括複數切換元件，其中該電容式電源轉換電路的該複數切換元件用以根據一切換控制訊號而切換該轉換電容器，以將一輸入電壓轉換為一中繼電壓，其中該電容式電源轉換電路的該複數切換元件包括第一切換元件，該中繼電壓與該輸入電壓具有一預設之比例關係；一電感器；一電感式電源轉換電路，包括複數切換元件，其中該電感式電源轉換電路的該複數切換元件用以根據該切換控制訊號而切換該電感器，以將該中繼電壓轉換為一輸出電壓，其中該電感式電源轉換電路的該複數切換元件包括該第一切換元件；以及一切換控制電路，用以產生該切換控制訊號，其中該電容式電源轉換電路的該複數切換元件根據該切換控制訊號的一占空比，週期性地切換該轉換電容器在一比例電壓節點、該輸入電壓、以及一接地電位之間的耦接關係，以於該轉換電容器的第一端上產生該中繼電壓，其中該中繼電壓為脈波形式；其中該電感式電源轉換電路的該複數切換元件根據該占空比，週期性地切換該電感器在該中繼電壓、該輸出電壓以及該接地電位之間的耦接關係，而產生該輸出電壓，其中該電感器的第一端耦接於該比例電壓節點；其中該輸出電壓與該中繼電壓的一高位準之間的比例關係相關於該占空比。

在一較佳實施例中，該電感式電源轉換電路配置為一降壓型（buck）切換式電源轉換電路，其中該電感式電源轉換電路的該複數切換元件更包括第二切換元件，其中該第一切換元件耦接於該轉換電容器的該第一端與該比例電壓節點之間，該電感器的第二端耦接於該輸出電壓，該第二切換元件耦接於該比例電壓節點與該接地電位之間；該電容式電源轉換電路配置為一泵壓（charge pump）電路，其中該中繼電壓的該高位準高於該輸入電壓；其中於一占空比期間，該第一切換元件導通該轉換電容器的該第一端與該比例電壓節點間的連接路徑，且同時導通該電感器的該第一端與該中繼電壓間的連接路徑，其中該占空比期間係指該第一切換元件根據該占空比而控制為導通的期間。

在一較佳實施例中，該輸入電壓的位準可選地大於或小於該輸出電壓的位準。

在一較佳實施例中，該第一切換元件為一開關，該第二切換元件為一二極體或一開關，其中該第一與第二切換元件根據該切換控制訊號的該占空比而對應操作，使該電感器的該第一端週期性地對應耦接於該中繼電壓或該接地電位，使得該輸出電壓之位準大致為該中繼電壓的該高位準的一預設之降壓倍數 (voltage scale-down factor)，其中該預設之降壓倍數小於1。

在一較佳實施例中，該電容式電源轉換電路的該複數切換元件更包括：第三切換元件，耦接於該輸入電壓與該轉換電容器的該第一端之間；第四切換元件，耦接於該輸入電壓與該轉換電容器的第二端之間；以及第五切換元件，耦接於該轉換電容器的該第二端與該接地電位之間；其中該第一、第三、第四及第五切換元件根據該切換控制訊號的該占空比而對應操作，使該轉換電容器週期性地對應耦接於該輸入電壓與該接地電位之間、或該比例電壓節點與該輸入電壓之間，使得該中繼電壓的該高位準大致為該輸入電壓之位準的一預設之增壓倍數 (voltage scale-up factor)，其中該預設之增壓倍數大於1。

在一較佳實施例中，該預設之增壓倍數為2。

在一較佳實施例中，該中繼電壓的一低位準大致上等同於該輸入電壓之位準。

在一較佳實施例中，於該占空比期間，該中繼電壓具有該高位準；其中於一非占空比期間，該中繼電壓具有一低位準，其中該非占空比期間係指該第一切換元件根據該占空比而控制為不導通的期間。

在一較佳實施例中，該第三、第四及第五切換元件為開關；其中於該占空比期間，該第一及第四切換元件控制為導通，且該第二、第三及第五切換元件同時控制為不導通，使得該輸入電壓與該轉換電容器的該第二端間的連接路徑，以及該轉換電容器的該第一端與該比例電壓節點間的連接路徑被控制為導通，進而使得該中繼電壓具有該高位準，且該電感器的該第一端具有該高位準；其中於該非占空比期間，該第二、第三及第五切換元件控制為導通，該第一及第四切換元件同時控制為不導通，使得該輸入電壓與該轉換電容器的該第一端間的連接路徑、該轉換電容器的該第二端與該接地電位間的連接路徑，以及該電感器的該第一端與該接地電位間的連接路徑被控制為導通，進而使得該中繼電壓具有該低位準，且該電感器的該第一端具有該接地電位。

在一較佳實施例中，該第一、第三及第四切換元件為PMOS電晶體，該第二及第五切換元件為NMOS電晶體。

在一較佳實施例中，該電感器的該第一端與該轉換電容器的該第一端之間具有一且唯一開關，且該第一切換元件對應於該一且唯一開關。

就另一個觀點言，本發明也提供了一種切換電路，包含：一電容式電源轉換電路，包括複數切換元件，其中該電容式電源轉換電路的該複數切換元件用以根據一切換控制訊號而切換一轉換電容器，以將一輸入電壓轉換為一中繼電壓，其中該電容式電源轉換電路的該複數切換元件包括第一切換元件，該中繼電壓與該輸入電壓具有一預設之比例關係；一電感式電源轉換電路，包括複數切換元件，其中該電感式電源轉換電路的該複數切換元件用以根據該切換控制訊號而切換一電感器，以將該中繼電壓轉換為一輸出電壓，其中該電感式電源轉換電路的該複數切換元件包括該第一切換元件；以及一切換控制電路，用以產生該切換控制訊號，其中該電容式電源轉換電路的該複數切換元件根據該切換控制訊號的一占空比，週期性地切換該轉換電容器在一比例電壓節點、該輸入電壓、以及一接地電位之間的耦接關係，以於該轉換電容器的第一端上產生該中繼電壓，其中該中繼電壓為脈波形式；其中該電感式電源轉換電路的該複數切換元件根據該占空比，週期性地切換該電感器在該中繼電壓、該輸出電壓以及該接地電位之間的耦接關係，而產生該輸出電壓，其中該電感器的第一端耦接於該比例電壓節點；其中該輸出電壓與該中繼電壓的一高位準之間的比例關係相關於該占空比。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各電路間之耦接關係，以及各訊號波形之間之關係，至於電路、訊號波形與頻率則並未依照比例繪製。

請參閱第2圖，第2圖顯示本發明之切換式電源轉換電路的一種實施例方塊圖（切換式電源轉換電路2）。在一實施例中，如第2圖所示，切換式電源轉換電路2包含轉換電容器C1、電容式電源轉換電路21、電感器L、電感式電源轉換電路22以及切換控制電路10。

在一實施例中，如第2圖所示，電容式電源轉換電路21包括複數切換元件，其中該複數切換元件包括第一切換元件SC1至第n切換元件SCn，其中n為大於1之整數。電容式電源轉換電路21的複數切換元件（切換元件SC1~SCn）用以根據切換控制電路10所產生之切換控制訊號CTRL而切換轉換電容器C1，以將輸入電壓Vin轉換為中繼電壓Vm，其中，中繼電壓Vm與輸入電壓Vin具有一預設之比例關係。

在一實施例中，如第2圖所示，電感式電源轉換電路22包括複數切換元件，其中該複數切換元件包括第一切換元件SC1至第m切換元件SCm，其中m為大於1之整數。具體而言，第一切換元件SC1為電容式電源轉換電路21之切換元件，且同時為電感式電源轉換電路22之切換元件。電感式電源轉換電路22的複數切換元件（切換元件SC1~SCm）用以根據切換控制訊號CTRL而切換電感器L，以將中繼電壓Vm轉換為輸出電壓Vout。

請繼續參閱第2圖，在一實施例中，切換控制電路10用以產生切換控制訊號CTRL。在一實施例中，電容式電源轉換電路21的複數切換元件（切換元件SC1~SCn）根據切換控制訊號CTRL的占空比，週期性地切換轉換電容器C1在比例電壓節點Np、輸入電壓Vin、以及接地電位之間的耦接關係，以於轉換電容器C1的第一端Cep1上產生中繼電壓Vm，其中中繼電壓Vm為脈波形式，換言之，於複數切換元件（切換元件SC1~SCn）切換操作時，中繼電壓Vm具有至少兩種以上的位準。在一實施例中，電感式電源轉換電路22的複數切換元件（切換元件SC1~SCm）根據切換控制訊號CTRL的占空比，週期性地切換電感器L在中繼電壓Vm、輸出電壓Vout以及接地電位之間的耦接關係，而產生輸出電壓Vout，其中輸出電壓Vout與中繼電壓Vm的高位準之間的比例關係相關於占空比。在一實施例中，電感器L的第一端Lep1耦接於比例電壓節點Np。

請參閱第3圖，第3圖顯示本發明之切換式電源轉換電路的一種實施例示意圖（切換式電源轉換電路3）。在一實施例中，如第3圖所示，電感式電源轉換電路32配置為降壓型（buck）切換式電源轉換電路，在本實施例中，電感式電源轉換電路32的複數切換元件更包括第二切換元件SC2。

在一實施例中，如第3圖所示，第一切換元件SC1耦接於轉換電容器C1的第一端Cep1與比例電壓節點Np之間，電感器L的第二端Lep2耦接於輸出電壓Vout，輸出電容Co耦接於電感器L的第二端Lep2與接地電位之間，第二切換元件SC2耦接於比例電壓節點Np與接地電位之間。

請繼續參閱第3圖，在一實施例中，電容式電源轉換電路31配置為泵壓（charge pump）電路，在本實施例中，中繼電壓Vm的高位準高於輸入電壓Vin之位準。就一角度而言，電容式電源轉換電路31與電感式電源轉換電路32共用了至少第一切換元件SC1。在一實施例中，其共用之方式如下：於占空比期間，即第一切換元件SC1根據占空比而控制為導通的期間，對電容式電源轉換電路31來說，第一切換元件SC1導通轉換電容器C1的第一端Cep1與比例電壓節點Np間的連接路徑，另一方面，對電感式電源轉換電路32來說，第一切換元件SC1也同時導通電感器L的第一端Lep1與中繼電壓Vm間的連接路徑。

請參閱第4A圖，第4A圖顯示本發明之切換式電源轉換電路的一種具體實施例示意圖（切換式電源轉換電路4）。在一實施例中，如第4A圖所示，電容式電源轉換電路41的複數切換元件更包括：第三切換元件SC3、第四切換元件SC4及第五切換元件SC5。

在一具體實施例中，如第4A圖所示，第三切換元件SC3耦接於輸入電壓Vin與轉換電容器C1的第一端Cep1之間，第四切換元件SC4耦接於輸入電壓Vin與轉換電容器C1的第二端Cep2之間，第五切換元件SC5耦接於轉換電容器C1的第二端Cep2與接地電位之間。

請同時參閱第4A圖與第4B圖，第4B圖顯示對應於第4A圖之一種操作波形圖。在一實施例中，第一切換元件SC1、第三切換元件SC3、第四切換元件SC4及第五切換元件SC5根據切換控制電路10所產生之切換控制訊號CTRL的占空比而對應操作，使得轉換電容器C1週期性地對應耦接於輸入電壓Vin與接地電位之間、或比例電壓節點Np與輸入電壓Vin之間，使得中繼電壓Vm的高位準大致為輸入電壓Vin之位準的一預設之增壓倍數 (voltage scale-up factor)，其中預設之增壓倍數大於1（在本實施例中，增壓倍數可為2）。

在一實施例中，第4A圖之電感式電源轉換電路42例如可對應於第3圖之電感式電源轉換電路32，第一切換元件SC1與第二切換元件SC2根據切換控制訊號CTRL的占空比而對應操作，使電感器L的第一端Lep1週期性地對應耦接於中繼電壓Vm或接地電位，使得輸出電壓Vout之位準大致為中繼電壓Vm的高位準的一預設之降壓倍數 (voltage scale-down factor)，其中預設之降壓倍數小於1。需注意的是，比例電壓節點Np上的比例電壓VLX，其高位準大致上與中繼電壓Vm的高位準相同，其低位準大致上為接地電位之位準，且輸出電壓Vout之位準大致為比例電壓VLX位準之平均值，其相關於切換控制訊號CTRL的占空比。本實施例中，輸出電壓Vout之位準與比例電壓VLX位準之關係例如為：Vout=2*Vin*D，其中D為切換控制訊號CTRL的占空比，本實施例中，切換控制訊號CTRL的占空比例如為T1/(T1+T2)。

具體而言，對電容式電源轉換電路41來說，於非占空比期間（如第4B圖所示之T2期間），第三切換元件SC3及第五切換元件SC5控制為導通，第一切換元件SC1及第四切換元件SC4同時控制為不導通，此時轉換電容器C1對應耦接於輸入電壓Vin與接地電位之間，使得輸入電壓Vin與轉換電容器C1的第一端Cep1間的連接路徑、轉換電容器C1的第二端Cep2與接地電位間的連接路徑被控制為導通，亦即，通過第三切換元件SC3及第五切換元件SC5對轉換電容器C1充電至輸入電壓Vin相同的位準，進而使得中繼電壓Vm具有低位準（在本實施例中，如第4B圖的T2期間所示，中繼電壓Vm的低位準大致上等同於輸入電壓Vin之位準）。另一方面，對電感式電源轉換電路42來說，第一切換元件SC1控制為不導通且第二切換元件SC2控制為導通，使比例電壓節點Np上的比例電壓VLX具有接地電位，換言之，在非占空比期間，電感器L的第一端Lep1對應耦接於接地電位而具有接地電位。

接著，於占空比期間（如第4B圖所示之T3或T1期間），對電容式電源轉換電路41來說，第一切換元件SC1及第四切換元件SC4控制為導通，且第三切換元件SC3及第五切換元件SC5同時控制為不導通，此時轉換電容器C1對應耦接於比例電壓節點Np與輸入電壓Vin之間，使得輸入電壓Vin與轉換電容器C1的第二端Cep2間的連接路徑，以及轉換電容器C1的第一端Cep1與比例電壓節點Np間的連接路徑被控制為導通，此時藉由輸入電壓Vin與轉換電容器C1上所儲存的跨壓（本實施例中亦為Vin）相疊加而將中繼電壓Vm泵送至高位準，在本實施例中，如圖所示，於占空比期間（如T3期間），中繼電壓Vm會被泵送至2Vin。另一方面，對電感式電源轉換電路42來說，第一切換元件SC1控制為導通且第二切換元件SC2控制為不導通，使比例電壓節點Np上的比例電壓VLX具有高位準（2Vin），換言之，在占空比期間，電感器L的第一端Lep1對應耦接於中繼電壓Vm，因此電感器L的第一端Lep1亦具有高位準。

請繼續參閱第4A圖，在一實施例中，中繼電壓Vm的高位準大致為輸入電壓Vin之位準的一預設之增壓倍數，且輸出電壓Vout之位準大致為中繼電壓Vm的高位準的一預設之降壓倍數，因此輸入電壓Vin的位準可選地大於或小於輸出電壓Vout的位準。綜上所述，本發明之切換式電源轉換電路可藉由一電容式電源轉換電路及一電感式電源轉換電路，達成升降壓型（buck-boost）切換式電源轉換電路之效果，但無須採用較為複雜的電感式的升降壓型切換式電源轉換電路。

請參閱第5A圖與第5B圖，第5A圖顯示本發明之切換式電源轉換電路的一種具體實施例示意圖（切換式電源轉換電路5），第5B圖顯示本發明之切換式電源轉換電路中，第二切換元件的兩種具體實施例示意圖（第二切換元件SC21、SC22）。在一實施例中，如第5A圖所示，第一切換元件SC1為開關。在一實施例中，電容式電源轉換電路51之第三切換元件SC3、第四切換元件SC4及第五切換元件SC5為開關。本實施例之操作與前述第4A圖之實施例相似，在此不贅述。如第5B圖所示，在一實施例中，第二切換元件（例如對應於第5A圖之第二切換元件SC2）可配置為二極體（SC22）或開關（SC21）。需說明的是，當第二切換元件配置為二極體（SC22）時，切換控制訊號CTRL並不直接控制第二切換元件SC22的導通與否，而是藉由電流的方向來決定。

請參閱第6A圖，第6A圖顯示根據本發明之切換式電源轉換電路的一種具體實施例示意圖（切換式電源轉換電路6）。在一實施例中，如第6A圖所示，電容式電源轉換電路61中的第一切換元件SC1、第三切換元件SC3及第四切換元件SC4為PMOS電晶體，第五切換元件SC5為NMOS電晶體，電感式電源轉換電路62中的第二切換元件SC2 為NMOS電晶體。

請同時參閱第6A圖與第6B圖，第6B圖顯示對應於第6A圖之一種操作波形圖。在本實施例中，切換控制電路10所產生之切換控制訊號CTRL包括切換控制訊號dPWM及切換控制訊號dPWMB，切換控制訊號dPWM例如與前述第4B圖中的切換控制訊號CTRL之波形互為同相，切換控制訊號dPWMB與切換控制訊號CTRL之波形互為反相。在本實施例中，第一切換元件SC1、第二切換元件SC2、第四切換元件SC4及第五切換元件SC5根據切換控制訊號dPWMB而對應操作，第三切換元件SC3根據切換控制訊號dPWM而對應操作，使得轉換電容器C1週期性地對應耦接於輸入電壓Vin與接地電位之間、或比例電壓節點Np與輸入電壓Vin之間，且使得電感器L的第一端Lep1週期性地對應耦接於中繼電壓Vm或接地電位，其操作細節與效果如第4A圖之實施例所述，在此不贅述。

從另一角度而言，本發明也揭露了一種切換電路，如第7圖所示，第7圖顯示本發明之切換電路的一種實施例方塊圖（切換電路200）。在一實施例中，切換電路200包含電容式電源轉換電路21、電感式電源轉換電路22以及切換控制電路10，其中切換控制電路10用以產生切換控制訊號CTRL，以控制電容式電源轉換電路21中的切換元件SC1至切換元件SCn，且切換控制訊號CTRL亦用以控制電感式電源轉換電路22中的切換元件SC1至切換元件SCm。在一實施例中，切換電路200用以切換轉換電容器C1以及電感器L，其操作細節與具體實施例如第2圖至第6A圖之實施例所述，在此不贅述。

值得注意的是，與前述第1A圖中的先前技術相比，本發明的切換式電源轉換電路（如切換式電源轉換電路3-6），由於共用了第一切換元件SC1，因此，可節省至少一個電容器（即無須如第1A圖先前技術中的C2’）以及至少一個開關（即如第1A圖先前技術中的開關SW1與SWH合併為本發明中的第一切換元件SC1），可有效節省成本，且由於減少了電源路徑上的開關數量，因此也減低了開關的導通電阻值，可提昇電源轉換效率請參閱第8圖，第8圖顯示先前技術與本發明分別對應不同負載之電源轉換效率圖，如第8圖所示，本發明的切換式電源轉換電路之電源轉換效率優於先前技術。此外，由於本發明的切換式電源轉換電路，電容式電源轉換電路21與電感式電源轉換電路22中所有的切換元件皆可根據彼此相關的切換控制訊號（CTRL、dPWM、dPWMB）而操作，因此，亦可大幅簡化控制的複雜度。

以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。所說明之各個實施例，並不限於單獨應用，亦可以組合應用，舉例而言，兩個或以上之實施例可以組合運用，而一實施例中之部分組成亦可用以取代另一實施例中對應之組成部件。此外，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，舉例而言，本發明所稱「根據某訊號進行處理或運算或產生某輸出結果」，不限於根據該訊號的本身，亦包含於必要時，將該訊號進行電壓電流轉換、電流電壓轉換、及／或比例轉換等，之後根據轉換後的訊號進行處理或運算產生某輸出結果。由此可知，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，其組合方式甚多，在此不一一列舉說明。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。

1, 2, 3, 4, 5, 6:切換式電源轉換電路 10:切換控制電路 11:泵壓電路 12:降壓型切換式電源轉換電路 200:切換電路 21, 31, 41, 51, 61:電容式電源轉換電路 22, 32, 42, 52, 62:電感式電源轉換電路 C1:轉換電容器 C1’, C2’:電容 Cep1:轉換電容器C1的第一端 Cep2:轉換電容器C1的第二端 Co, Co’:輸出電容 CTRL:切換控制訊號 dDUTY, dDUTYB:切換控制訊號 dPWM, dPWMB:切換控制訊號 L:電感器 L’:電感 Lep1:電感器L的第一端 Lep2:電感器L的第二端 Np:比例電壓節點 SC1-SCn:切換元件 SC1-SCm:切換元件 SC2, SC21, SC22:切換元件 SC3, SC4, SC5:切換元件 SW1, SW2, SW3:開關 SW4, SW5, SWH:開關 T1, T3:占空比期間 T2:非占空比期間 VCP:中繼電壓 Vin:輸入電壓 VLX:比例電壓 VLX’:切換電壓 Vm:中繼電壓 Vout:輸出電壓

第1A圖顯示一種先前技術之切換式電源轉換電路。

第1B圖顯示對應於第1A圖之一種操作波形圖。

第2圖顯示本發明之切換式電源轉換電路的一種實施例方塊圖。

第3圖顯示本發明之切換式電源轉換電路的一種實施例示意圖。

第4A圖顯示本發明之切換式電源轉換電路的一種具體實施例示意圖。

第4B圖顯示對應於第4A圖之一種操作波形圖。

第5A圖顯示本發明之切換式電源轉換電路的一種具體實施例示意圖。

第5B圖顯示本發明之切換式電源轉換電路中，第二切換元件的兩種具體實施例示意圖。

第6A圖顯示根據本發明之切換式電源轉換電路的一種具體實施例示意圖。

第6B圖顯示對應於第6A圖之一種操作波形圖。

第7圖顯示本發明之切換電路的一種實施例方塊圖。

第8圖顯示先前技術與本發明對應不同負載之電源轉換效率圖。

無

10:切換控制電路

5:切換式電源轉換電路

51:電容式電源轉換電路

52:電感式電源轉換電路

C1:轉換電容器

Cep1:轉換電容器C1的第一端

Cep2:轉換電容器C1的第二端

Co:輸出電容

CTRL:切換控制訊號

L:電感器

Lep1:電感器L的第一端

Lep2:電感器L的第二端

Np:比例電壓節點

SC1,SC3,SC4,SC5:開關

SC2:切換元件

Vin:輸入電壓

VLX:比例電壓

Vm:中繼電壓

Vout:輸出電壓

Claims

一種切換式電源轉換電路，包含：一轉換電容器；一電容式電源轉換電路，包括複數切換元件，其中該電容式電源轉換電路的該複數切換元件用以根據一切換控制訊號而切換該轉換電容器，以將一輸入電壓轉換為一中繼電壓，其中該電容式電源轉換電路的該複數切換元件包括第一切換元件，該中繼電壓與該輸入電壓具有一預設之比例關係；一電感器；一電感式電源轉換電路，包括複數切換元件，其中該電感式電源轉換電路的該複數切換元件用以根據該切換控制訊號而切換該電感器，以將該中繼電壓轉換為一輸出電壓，其中該電感式電源轉換電路的該複數切換元件包括該第一切換元件；以及一切換控制電路，用以產生該切換控制訊號，其中該電容式電源轉換電路的該複數切換元件根據該切換控制訊號的一占空比，週期性地切換該轉換電容器在一比例電壓節點、該輸入電壓、以及一接地電位之間的耦接關係，以於該轉換電容器的第一端上產生該中繼電壓，其中該中繼電壓為脈波形式；其中該電感式電源轉換電路的該複數切換元件根據該占空比，週期性地切換該電感器在該中繼電壓、該輸出電壓以及該接地電位之間的耦接關係，而產生該輸出電壓，其中該電感器的第一端耦接於該比例電壓節點；其中該輸出電壓與該中繼電壓的一高位準之間的比例關係相關於該占空比；其中該電感式電源轉換電路配置為一降壓型(buck)切換式電源轉換電路，其中該電感式電源轉換電路的該複數切換元件更包括第二切換元件，其中該第一切換元件耦接於該轉換電容器的該第一端與該比例電壓節點之間，該電感器的第二端耦接於該輸出電壓，該第二切換元件耦接於該比例電壓節點與該接地電位之間；該電容式電源轉換電路配置為一泵壓(charge pump)電路，其中該中繼電壓的該高位準高於該輸入電壓；其中於一占空比期間，該第一切換元件導通該轉換電容器的該第一端與該比例電壓節點間的連接路徑，且同時導通該電感器的該第一端與該中繼電壓間的連接路徑，其中該占空比期間係指該第一切換元件根據該占空比而控制為導通的期間。
如申請專利範圍第1項所述之切換式電源轉換電路，其中該輸入電壓的位準可選地大於或小於該輸出電壓的位準。
如申請專利範圍第1項所述之切換式電源轉換電路，其中該第一切換元件為一開關，該第二切換元件為一二極體或一開關，其中該第一與第二切換元件根據該切換控制訊號的該占空比而對應操作，使該電感器的該第一端週期性地對應耦接於該中繼電壓或該接地電位，使得該輸出電壓之位準大致為該中繼電壓的該高位準的一預設之降壓倍數(voltage scale-down factor)，其中該預設之降壓倍數小於1。
如申請專利範圍第3項所述之切換式電源轉換電路，其中該電容式電源轉換電路的該複數切換元件更包括：第三切換元件，耦接於該輸入電壓與該轉換電容器的該第一端之間；第四切換元件，耦接於該輸入電壓與該轉換電容器的第二端之間；以及第五切換元件，耦接於該轉換電容器的該第二端與該接地電位之間；其中該第一、第三、第四及第五切換元件根據該切換控制訊號的該占空比而對應操作，使該轉換電容器週期性地對應耦接於該輸入電壓與該接地電位之間、或該比例電壓節點與該輸入電壓之間，使得該中繼電壓的該高位準大致為該輸入電壓之位準的一預設之增壓倍數(voltage scale-up factor)，其中該預設之增壓倍數大於1。
如申請專利範圍第4項所述之切換式電源轉換電路，其中該預設之增壓倍數為2。
如申請專利範圍第4項所述之切換式電源轉換電路，其中該中繼電壓的一低位準大致上等同於該輸入電壓之位準。
如申請專利範圍第4項所述之切換式電源轉換電路，其中於該占空比期間，該中繼電壓具有該高位準；其中於一非占空比期間，該中繼電壓具有一低位準，其中該非占空比期間係指該第一切換元件根據該占空比而控制為不導通的期間。
如申請專利範圍第7項所述之切換式電源轉換電路，其中該第三、第四及第五切換元件為開關；其中於該占空比期間，該第一及第四切換元件控制為導通，且該第二、第三及第五切換元件同時控制為不導通，使得該輸入電壓與該轉換電容器的該第二端間的連接路徑，以及該轉換電容器的該第一端與該比例電壓節點間的連接路徑被控制為導通，進而使得該中繼電壓具有該高位準，且該電感器的該第一端具有該高位準；其中於該非占空比期間，該第二、第三及第五切換元件控制為導通，該第一及第四切換元件同時控制為不導通，使得該輸入電壓與該轉換電容器的該第一端間的連接路徑、該轉換電容器的該第二端與該接地電位間的連接路徑，以及該電感器的該第一端與該接地電位間的連接路徑被控制為導通，進而使得該中繼電壓具有該低位準，且該電感器的該第一端具有該接地電位。
如申請專利範圍第4項所述之切換式電源轉換電路，其中該第一、第三及第四切換元件為PMOS電晶體，該第二及第五切換元件為NMOS電晶體。
如申請專利範圍第3項所述之切換式電源轉換電路，其中該電感器的該第一端與該轉換電容器的該第一端之間具有一且唯一開關，且該第一切換元件對應於該一且唯一開關。
一種切換電路，包含：一電容式電源轉換電路，包括複數切換元件，其中該電容式電源轉換電路的該複數切換元件用以根據一切換控制訊號而切換一轉換電容器，以將一輸入電壓轉換為一中繼電壓，其中該電容式電源轉換電路的該複數切換元件包括第一切換元件，該中繼電壓與該輸入電壓具有一預設之比例關係；一電感式電源轉換電路，包括複數切換元件，其中該電感式電源轉換電路的該複數切換元件用以根據該切換控制訊號而切換一電感器，以將該中繼電壓轉換為一輸出電壓，其中該電感式電源轉換電路的該複數切換元件包括該第一切換元件；以及一切換控制電路，用以產生該切換控制訊號，其中該電容式電源轉換電路的該複數切換元件根據該切換控制訊號的一占空比，週期性地切換該轉換電容器在一比例電壓節點、該輸入電壓、以及一接地電位之間的耦接關係，以於該轉換電容器的第一端上產生該中繼電壓，其中該中繼電壓為脈波形式；其中該電感式電源轉換電路的該複數切換元件根據該占空比，週期性地切換該電感器在該中繼電壓、該輸出電壓以及該接地電位之間的耦接關係，而產生該輸出電壓，其中該電感器的第一端耦接於該比例電壓節點；其中該輸出電壓與該中繼電壓的一高位準之間的比例關係相關於該占空比；其中該電感式電源轉換電路配置為一降壓型(buck)切換式電源轉換電路，其中該電感式電源轉換電路的該複數切換元件更包括第二切換元件，其中該第一切換元件耦接於該轉換電容器的該第一端與該比例電壓節點之間，該電感器的第二端耦接於該輸出電壓，該第二切換元件耦接於該比例電壓節點與該接地電位之間；該電容式電源轉換電路配置為一泵壓(charge pump)電路，其中該中繼電壓的該高位準高於該輸入電壓；其中於一占空比期間，該第一切換元件導通該轉換電容器的該第一端與該比例電壓節點間的連接路徑，且同時導通該電感器的該第一端與該中繼電壓間的連接路徑，其中該占空比期間係指該第一切換元件根據該占空比而控制為導通的期間。
如申請專利範圍第11項所述之切換電路，其中該輸入電壓的位準可選地大於或小於該輸出電壓的位準。
如申請專利範圍第11項所述之切換電路，其中該第一切換元件為一開關，該第二切換元件為一二極體或一開關，其中該第一與第二切換元件根據該切換控制訊號的該占空比而對應操作，使該電感器的該第一端週期性地對應耦接於該中繼電壓或該接地電位，使得該輸出電壓之位準大致為該中繼電壓的該高位準的一預設之降壓倍數(voltage scale-down factor)，其中該預設之降壓倍數小於1。
如申請專利範圍第13項所述之切換電路，其中該電容式電源轉換電路的該複數切換元件更包括：第三切換元件，耦接於該輸入電壓與該轉換電容器的該第一端之間；第四切換元件，耦接於該輸入電壓與該轉換電容器的第二端之間；以及第五切換元件，耦接於該轉換電容器的該第二端與該接地電位之間；其中該第一、第三、第四及第五切換元件根據該切換控制訊號的該占空比而對應操作，使該轉換電容器週期性地對應耦接於該輸入電壓與該接地電位之間、或該比例電壓節點與該輸入電壓之間，使得該中繼電壓的該高位準大致為該輸入電壓之位準的一預設之增壓倍數(voltage scale-up factor)，其中該預設之增壓倍數大於1。
如申請專利範圍第14項所述之切換電路，其中該預設之增壓倍數為2。
如申請專利範圍第14項所述之切換電路，其中該中繼電壓的一低位準大致上等同於該輸入電壓之位準。
如申請專利範圍第14項所述之切換電路，其中於該占空比期間，該中繼電壓具有該高位準；其中於一非占空比期間，該中繼電壓具有一低位準，其中該非占空比期間係指該第一切換元件根據該占空比而控制為不導通的期間。
如申請專利範圍第17項所述之切換電路，其中該第三、第四及第五切換元件為開關；其中於該占空比期間，該第一及第四切換元件控制為導通，且該第二、第三及第五切換元件同時控制為不導通，使得該輸入電壓與該轉換電容器的該第二端間的連接路徑，以及該轉換電容器的該第一端與該比例電壓節點間的連接路徑被控制為導通，進而使得該中繼電壓具有該高位準，且該電感器的該第一端具有該高位準；其中於該非占空比期間，該第二、第三及第五切換元件控制為導通，該第一及第四切換元件同時控制為不導通，使得該輸入電壓與該轉換電容器的該第一端間的連接路徑、該轉換電容器的該第二端與該接地電位間的連接路徑，以及該電感器的該第一端與該接地電位間的連接路徑被控制為導通，進而使得該中繼電壓具有該低位準，且該電感器的該第一端具有該接地電位。
如申請專利範圍第14項所述之切換電路，其中該第一、第三及第四切換元件為PMOS電晶體，該第二及第五切換元件為NMOS電晶體。
如申請專利範圍第13項所述之切換電路，其中該電感器的該第一端與該轉換電容器的該第一端之間具有一且唯一開關，且該第一切換元件對應於該一且唯一開關。