TWI715464B

TWI715464B - 降壓轉換器

Info

Publication number: TWI715464B
Application number: TW109108732A
Authority: TW
Inventors: 詹子增
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2021-01-01
Also published as: TW202137679A

Abstract

一種降壓轉換器，包括：一橋式整流器、一第一電容器、一電感器、一第一切換器、一保護電路、一輸出級電路、一切換電路，以及一驅動器。橋式整流器係根據一第一輸入電位和一第二輸入電位來產生一整流電位。第一切換器可接收整流電位，其中第一切換器係根據一時脈電位來選擇性地將橋式整流器耦接至電感器。保護電路可提供一保護電位給第一切換器。切換電路係根據時脈電位來選擇性地將保護電路耦接至輸出級電路。輸出級電路可產生一輸出電位。保護電路係用於降低整流電位和保護電位之間之一電位差，以避免第一切換器發生損壞。

Description

降壓轉換器

本發明係關於一種降壓轉換器，特別係關於一種高可靠度之降壓轉換器。

一般低瓦特數之電源供應器通常會使用降壓轉換器來提升其功率因數。然而，在傳統降壓轉換器當中，其主要切換器往往承受較大之電位差，故在多次使用週期後容易發生損壞，同時導致降壓轉換器之可靠度不足。有鑑於此，勢必要提出一種全新之解決方案，以克服先前技術所面臨之困境。

在較佳實施例中，本發明提出一種降壓轉換器，包括：一橋式整流器，根據一第一輸入電位和一第二輸入電位來產生一整流電位；一第一電容器，儲存該整流電位；一輸出級電路，產生一輸出電位；一電感器，耦接至該輸出級電路；一第一切換器，接收該整流電位，其中該第一切換器係根據一時脈電位來選擇性地將該橋式整流器耦接至該電感器；一保護電路，提供一保護電位給該第一切換器；一切換電路，包括一第二切換器和一第三切換器，其中該切換電路係根據該時脈電位來選擇性地將該保護電路耦接至該輸出級電路；以及一驅動器，產生該時脈電位；其中該保護電路係用於降低該整流電位和該保護電位之間之一電位差，以避免該第一切換器發生損壞。

為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的「包含」及「包括」一詞為開放式的用語，故應解釋成「包含但不僅限定於」。「大致」一詞則是指在可接受的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，達到所述基本之技術效果。此外，「耦接」一詞在本說明書中包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接至一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接至該第二裝置，或經由其它裝置或連接手段而間接地電性連接至該第二裝置。

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之降壓轉換器100之示意圖。例如，降壓轉換器100可應用於一電源供應器，但亦不僅限於此。如第1圖所示，降壓轉換器100包括：一橋式整流器110、一第一切換器120、一第一電容器C1、一電感器L1、一保護電路130、一輸出級電路140、一切換電路150，以及一驅動器180，其中切換電路150包括一第二切換器160和一第三切換器170。必須注意的是，雖然未顯示於第1圖中，但降壓轉換器100更可包括其他元件，例如：一穩壓器或(且)一負回授電路。

橋式整流器110可根據一第一輸入電位VIN1和一第二輸入電位VIN2來產生一整流電位VR。第一輸入電位VIN1和第二輸入電位VIN2皆可來自一外部輸入電源，其中第一輸入電位VIN1和第二輸入電位VIN2之間可形成具有任意頻率和任意振幅之一交流電壓。例如，交流電壓之頻率可約為50Hz或60Hz，而交流電壓之方均根值可約由90V至264V，但亦不僅限於此。第一電容器C1係耦接至一接地電位VSS(例如：0V)，並用於儲存整流電位VR。第一切換器120可接收整流電位VR，其中第一切換器120係根據一時脈電位VA來選擇性地將橋式整流器110耦接至電感器L1。例如，若時脈電位VA為高邏輯位準(例如：邏輯「1」)，則第一切換器120即將橋式整流器110耦接至電感器L1(亦即，第一切換器120可近似於一短路路徑)；反之，若時脈電位VA為低邏輯位準(例如：邏輯「0」)，則第一切換器120不會將橋式整流器110耦接至電感器L1(亦即，第一切換器120可近似於一開路路徑)。保護電路130係耦接至接地電位VSS，並用於提供一保護電位VE給第一切換器120。電感器L1係耦接至輸出級電路140。輸出級電路140可產生一輸出電位VOUT，其可為一直流電位並低於前述交流電壓之方均根值。切換電路150之第二切換器160和第三切換器170皆根據時脈電位VA來選擇性地將保護電路130耦接至輸出級電路140。例如，若時脈電位VA為高邏輯位準，則切換電路150之第二切換器160和第三切換器170即將保護電路130耦接至輸出級電路140(亦即，第二切換器160和第三切換器170可各自近似於一短路路徑)；反之，若時脈電位VA為低邏輯位準，則切換電路150之第二切換器160和第三切換器170不會將保護電路130耦接至輸出級電路140(亦即，第二切換器160和第三切換器170可各自近似於一開路路徑)。驅動器180可產生時脈電位VA，其中時脈電位VA於降壓轉換器100初始化時可維持於一固定電位，而在降壓轉換器100進入正常使用階段後則可提供週期性之時脈波形。在此設計下，由於整流電位VR和保護電位VE之間之一電位差VD已大幅降低，故保護電路130和切換電路150可有效避免第一切換器120發生損壞，從而能改善降壓轉換器100之可靠度。

以下實施例將介紹降壓轉換器100之詳細結構及操作方式。必須理解的是，這些圖式和敘述僅為舉例，而非用於限制本發明之範圍。

第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之降壓轉換器200之示意圖。在第2圖之實施例中，降壓轉換器200具有一第一輸入節點NIN1、一第二輸入節點NIN2，以及一輸出節點NOUT，並包括一橋式整流器210、一第一切換器220、一第一電容器C1、一電感器L1、一保護電路230、一輸出級電路240、一切換電路250，以及一驅動器280，其中切換電路250包括一第二切換器260和一第三切換器270。降壓轉換器200之第一輸入節點NIN1和第二輸入節點NIN2可由一外部輸入電源處分別接收一第一輸入電位VIN1和一第二輸入電位VIN2，其中第一輸入電位VIN1和第二輸入電位VIN2之間可形成具有任意頻率和任意振幅之一交流電壓。降壓轉換器200之輸出節點NOUT可輸出一輸出電位VOUT，其可為一直流電位並低於前述交流電壓之方均根值。

橋式整流器210包括一第一二極體D1、一第二二極體D2、一第三二極體D3，以及一第四二極體D4。第一二極體D1之陽極係耦接至第一輸入節點NIN1，而第一二極體D1之陰極係耦接至一第一節點N1以輸出一整流電位VR。第二二極體D2之陽極係耦接至第二輸入節點NIN2，而第二二極體D2之陰極係耦接至第一節點N1。第三二極體D3之陽極係耦接至一接地電位VSS，而第三二極體D3之陰極係耦接至第一輸入節點NIN1。第四二極體D4之陽極係耦接至接地電位VSS，而第四二極體D4之陰極係耦接至第二輸入節點NIN2。

第一電容器C1之第一端係耦接至第一節點N1以接收並儲存整流電位VR，而第一電容器C1之第二端係耦接至接地電位VSS。

第一切換器220包括一第一電晶體M1，其可視為降壓轉換器200之一主要切換器(或是一功率切換器)。第一電晶體M1可以是一N型金氧半場效電晶體。第一電晶體M1具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中第一電晶體M1之控制端係用於接收一時脈電位VA，第一電晶體M1之第一端係耦接至一第二節點N2以接收一保護電位VE，而第一電晶體M1之第二端係耦接至第一節點N1以接收整流電位VR。在一些實施例中，若時脈電位VA為高邏輯位準，則第一電晶體M1將被致能；反之，若時脈電位VA為低邏輯位準，則第一電晶體M1將被禁能。

保護電路230包括一第五二極體D5、一第一電阻器R1，以及一齊納二極體DZ。第五二極體D5之陽極係耦接至一第三節點N3，而第五二極體D5之陰極係耦接至第二節點N2。第一電阻器R1之第一端係耦接至第三節點N3，而第一電阻器R1之第二端係耦接至接地電位VSS。齊納二極體DZ之陽極係耦接至接地電位VSS，而齊納二極體DZ之陰極係耦接至第二節點N2以輸出保護電位VE。

電感器L1可視為降壓轉換器200之一降壓電感器。電感器L1之第一端係耦接至第二節點N2，而電感器L1之第二端係耦接至一第四節點N4。

輸出級電路240包括一第六二極體D6和一第二電容器C2。第六二極體D6之陽極係耦接至第四節點N4，而第六二極體D6之陰極係耦接至輸出節點NOUT。第二電容器C2之第一端係耦接至輸出節點NOUT，而第二電容器C2之第二端係耦接至接地電位VSS。

切換電路250之第二切換器260包括一第二電晶體M2和一第二電阻器R2。第二電晶體M2可以是一N型金氧半場效電晶體。第二電晶體M2之控制端係用於接收時脈電位VA，第二電晶體M2之第一端係耦接至一第五節點N5，而第二電晶體M2之第二端係耦接至第四節點N4。在一些實施例中，若時脈電位VA為高邏輯位準，則第二電晶體M2將被致能；反之，若時脈電位VA為低邏輯位準，則第二電晶體M2將被禁能。第二電阻器R2之第一端係耦接至第二節點N2，而第二電阻器R2之第二端係耦接至第五節點N5。第二電阻器R2係用於限制通過第二電晶體M2之一電流，其屬於一選用元件，在另一些實施例中亦可由一短路路徑所取代。

切換電路250之第三切換器270包括一第三電晶體M3。第三電晶體M3可以是一N型金氧半場效電晶體。第三電晶體M3之控制端係用於接收時脈電位VA，第三電晶體M3之第一端係耦接至輸出節點NOUT，而第三電晶體M3之第二端係耦接至第四節點N4。在一些實施例中，若時脈電位VA為高邏輯位準，則第三電晶體M3將被致能；反之，若時脈電位VA為低邏輯位準，則第三電晶體M3將被禁能。

驅動器280可用於產生時脈電位VA以同時驅動第一電晶體M1、第二電晶體M2，以及第三電晶體M3。例如，時脈電位VA於降壓轉換器200初始化時可維持於一固定電位(例如：接地電位VSS)，而在降壓轉換器200進入正常使用階段後則可提供週期性之時脈波形。

在一些實施例中，降壓轉換器200之操作原理可如下列所述。在一初始模式中，降壓轉換器200尚未接收到第一輸入電位VIN1和第二輸入電位VIN2，且時脈電位VA維持於低邏輯位準，故第一電晶體M1、第二電晶體M2，以及第三電晶體M3皆為禁能狀態。接著，在降壓轉換器200已接收到第一輸入電位VIN1和第二輸入電位VIN2之後，降壓轉換器200可交替地操作於一第一模式和一第二模式。

在第一模式中，時脈電位VA處於高邏輯位準以同時致能第一電晶體M1、第二電晶體M2，以及第三電晶體M3。此時，第六二極體D6為斷路狀態，第一電容器C1和電感器L1開始儲存能量，電感器L1更提供部份能量給第二電容器C2，而齊納二極體DZ則可提供穩定之保護電位VE，其大致等同於齊納二極體DZ之一逆向崩潰電壓。必須注意的是，當第一電晶體M1被致能時，第一電晶體M1之第二端和第一端之間之一電位差VD可大致等於0V。

在第二模式中，時脈電位VA處於低邏輯位準以同時禁能第一電晶體M1、第二電晶體M2，以及第三電晶體M3。此時，第六二極體D6為導通狀態，第一電容器C1持續地儲存能量，電感器L1釋放出部份能量給第二電容器C2，而齊納二極體DZ之保護電位VE(亦即，逆向崩潰電壓)會瞬間施加於第五二極體D5和第一電阻器R1上。必須注意的是，在此設計下，當第一電晶體M1被禁能時，第一電晶體M1之第二端和第一端之間之電位差VD將會大幅縮小，從而可有效避免第一電晶體M1發生損壞。

第3圖係顯示傳統設計中關於第一電晶體M1之電位差VD之電位波形圖。若未使用保護電路130和切換電路150，則第一電晶體M1之第一端將直接耦接至接地電位VSS，使得第一電晶體M1之第二端和第一端之間之電位差VD大致等同於整流電位VR。然而，過大之整流電位VR可能導致第一電晶體M1發生損壞。

第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之降壓轉換器200中關於第一電晶體M1之電位差VD之電位波形圖。若已在降壓轉換器200中加入保護電路130和切換電路150，則第一電晶體M1之第一端將會接收到保護電位VE，使得第一電晶體M1之第二端和第一端之間之電位差VD大致等同於整流電位VR再減去保護電位VE。在此設計下，相對較小之電位差VD可有效保護第一電晶體M1不致發生損壞。

在一些實施例中，降壓轉換器200之元件參數可如下列所述。第一電容器C1之電容值可介於67.32μF至68.68μF之間，較佳為68μF。第二電容器C2之電容值可介於646μF至714μF之間，較佳為680μF。電感器L1之電感值可介於90.25μH至99.75μH之間，較佳為95μH。第一電阻器R1之電阻值可介於90Ω至110Ω之間，較佳為100Ω。第二電阻器R2之電阻值可介於15KΩ至30KΩ之間，較佳為22.5KΩ。齊納二極體DZ之逆向崩潰電壓大致等於50V。時脈電位VA之切換頻率可約為65kHz。以上參數範圍係根據多次實驗結果而得出，其有助於最佳化降壓轉換器200之轉換效率和可靠度。

本發明提出一種新穎之降壓轉換器，其包括保護電路和切換電路。根據實際量測結果，使用前述設計之降壓轉換器可大幅降低其主要切換器因承受過大之電位差而發生損壞之風險。大致而言，本發明可充份改善降壓轉換器之可靠度，故其很適合應用於各種各式之電子裝置當中。

值得注意的是，以上所述之電位、電流、電阻值、電感值、電容值，以及其餘元件參數均非為本發明之限制條件。設計者可以根據不同需要調整這些設定值。本發明之降壓轉換器並不僅限於第1-4圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-4圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之降壓轉換器當中。雖然本發明之實施例係使用金氧半場效電晶體為例，但本發明並不僅限於此，本技術領域人士可改用其他種類之電晶體，例如：接面場效電晶體，或是鰭式場效電晶體等等，而不致於影響本發明之效果。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，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。

100,200:降壓轉換器 110,210:橋式整流器 120,220:第一切換器 130,230:保護電路 140,240:輸出級電路 150,250:切換電路 160,260:第二切換器 170,270:第三切換器 180,280:驅動器 C1:第一電容器 C2:第二電容器 D1:第一二極體 D2:第二二極體 D3:第三二極體 D4:第四二極體 D5:第五二極體 D6:第六二極體 DZ:齊納二極體 L1:電感器 M1:第一電晶體 M2:第二電晶體 M3:第三電晶體 N1:第一節點 N2:第二節點 N3:第三節點 N4:第四節點 N5:第五節點 NIN1:第一輸入節點 NIN2:第二輸入節點 NOUT:輸出節點 R1:第一電阻器 R2:第二電阻器 VA:時脈電位 VD:電位差 VE:保護電位 VIN1:第一輸入電位 VIN2:第二輸入電位 VOUT:輸出電位 VR:整流電位 VSS:接地電位

第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之降壓轉換器之示意圖。第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之降壓轉換器之示意圖。第3圖係顯示傳統設計中關於第一電晶體之電位差之電位波形圖。第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之降壓轉換器中關於第一電晶體之電位差之電位波形圖。

100:降壓轉換器

110:橋式整流器

120:第一切換器

130:保護電路

140:輸出級電路

150:切換電路

160:第二切換器

170:第三切換器

180:驅動器

C1:第一電容器

L1:電感器

VA:時脈電位

VD:電位差

VE:保護電位

VIN1:第一輸入電位

VIN2:第二輸入電位

VOUT:輸出電位

VR:整流電位

VSS:接地電位

Claims

一種降壓轉換器，包括：一橋式整流器，根據一第一輸入電位和一第二輸入電位來產生一整流電位；一第一電容器，儲存該整流電位；一輸出級電路，產生一輸出電位；一電感器，耦接至該輸出級電路；一第一切換器，接收該整流電位，其中該第一切換器係根據一時脈電位來選擇性地將該橋式整流器耦接至該電感器；一保護電路，提供一保護電位給該第一切換器；一切換電路，包括一第二切換器和一第三切換器，其中該切換電路係根據該時脈電位來選擇性地將該保護電路耦接至該輸出級電路；以及一驅動器，產生該時脈電位；其中該保護電路係用於降低該整流電位和該保護電位之間之一電位差，以避免該第一切換器發生損壞。
如請求項1所述之降壓轉換器，其中該橋式整流器包括：一第一二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第一二極體之該陽極係耦接至一第一輸入節點以接收該第一輸入電位，而該第一二極體之該陰極係耦接至一第一節點以輸出該整流電位；一第二二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第二二極體之該陽極係耦接至一第二輸入節點以接收該第二輸入電位，而該第二二極體之該陰極係耦接至該第一節點；一第三二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第三二極體之該陽極係耦接至一接地電位，而該第三二極體之該陰極係耦接至該第一輸入節點；以及一第四二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第四二極體之該陽極係耦接至該接地電位，而該第四二極體之該陰極係耦接至該第二輸入節點。
如請求項2所述之降壓轉換器，其中該第一電容器具有一第一端和一第二端，該第一電容器之該第一端係耦接至該第一節點以接收該整流電位，而該第一電容器之該第二端係耦接至該接地電位。
如請求項2所述之降壓轉換器，其中該第一切換器包括：一第一電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第一電晶體之該控制端係用於接收該時脈電位，該第一電晶體之該第一端係耦接至一第二節點以接收該保護電位，而該第一電晶體之該第二端係耦接至該第一節點以接收該整流電位。
如請求項4所述之降壓轉換器，其中該保護電路包括：一第五二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第五二極體之該陽極係耦接至一第三節點，而該第五二極體之該陰極係耦接至該第二節點；以及一第一電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該第一電阻器之該第一端係耦接至該第三節點，而該第一電阻器之該第二端係耦接至該接地電位。
如請求項5所述之降壓轉換器，其中該保護電路更包括：一齊納二極體，具有一陽極和一陰極，其中該齊納二極體之該陽極係耦接至該接地電位，而該齊納二極體之該陰極係耦接至該第二節點以輸出該保護電位。
如請求項4所述之降壓轉換器，其中該電感器具有一第一端和一第二端，該電感器之該第一端係耦接至該第二節點，而該電感器之該第二端係耦接至一第四節點。
如請求項7所述之降壓轉換器，其中該輸出級電路包括：一第六二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第六二極體之該陽極係耦接至該第四節點，而該第六二極體之該陰極係耦接至一輸出節點以輸出該輸出電位；以及一第二電容器，具有一第一端和一第二端，其中該第二電容器之該第一端係耦接至該輸出節點，而該第二電容器之該第二端係耦接至該接地電位。
如請求項8所述之降壓轉換器，其中該切換電路之該第二切換器包括：一第二電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第二電晶體之該控制端係用於接收該時脈電位，該第二電晶體之該第一端係耦接至一第五節點，而該第二電晶體之該第二端係耦接至該第四節點；以及一第二電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該第二電阻器之該第一端係耦接至該第二節點，而該第二電阻器之該第二端係耦接至該第五節點。
如請求項8所述之降壓轉換器，其中該切換電路之該第三切換器包括：一第三電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該第三電晶體之該控制端係用於接收該時脈電位，該第三電晶體之該第一端係耦接至該輸出節點，而該第三電晶體之該第二端係耦接至該第四節點。