TWI726759B - 改良輸出穩定度之升壓轉換器 - Google Patents

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Abstract

一種可改良輸出穩定度之升壓轉換器，包括：一變壓器、一偵測電路、一第一電阻器、一功率切換器、一輸出級電路、一回授補償電路、一控制器、一反相器，以及一乘法器。變壓器包括一主線圈和一副線圈。主線圈可用於接收一輸入電位。偵測電路係耦接至副線圈。偵測電路可用於產生一偵測電位。第一電阻器係耦接至主線圈。輸出級電路可用於產生一輸出電位。回授補償電路可根據輸出電位來產生一回授電位。反相器可產生一反相振盪電位。乘法器可根據偵測電位、反相振盪電位，以及回授電位來產生一補償電位差，其中補償電位差係施加於第一電阻器。

Description

改良輸出穩定度之升壓轉換器
本發明係關於一種升壓轉換器，特別係關於一種可改良輸出穩定度之升壓轉換器。
傳統升壓轉換器通常會採用電流模式控制。然而，當功率切換器之責任週期大於50%時，升壓轉換器容易產生次諧波振盪，並造成整體輸出穩定度下降。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，本發明提出一種改良輸出穩定度之升壓轉換器，包括：一變壓器，包括一主線圈和一副線圈，其中該主線圈係用於接收一輸入電位；一偵測電路，耦接至該副線圈，其中該偵測電路係用於產生一偵測電位；一第一電阻器，耦接至該主線圈；一功率切換器，根據一時脈電位來選擇性地將該第一電阻器耦接至一接地電位；一輸出級電路，耦接至該第一電阻器，其中該輸出級電路係用於產生一輸出電位；一回授補償電路，包括一線性光耦合器和一穩壓器，其中該回授補償電路係根據該輸出電位來產生一回授電位；一控制器，根據該回授電位和一振盪電位來產生該時脈電位；一反相器，根據該振盪電位來產生一反相振盪電位；以及一乘法器，根據該偵測電位、該反相振盪電位，以及該回授電位來產生一補償電位差，而該補償電位差係施加於該第一電阻器。
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升壓轉換器100之示意圖。例如，升壓轉換器100可應用於桌上型電腦、筆記型電腦，或一體成形電腦。如第1圖所示，升壓轉換器100包括：一變壓器110、一偵測電路120、一第一電阻器R1、一功率切換器130、一輸出級電路140、一回授補償電路150、一控制器160、一反相器170，以及一乘法器180。必須注意的是，雖然未顯示於第1圖中，但升壓轉換器100更可包括其他元件，例如：一穩壓器或(且)一負回授電路。
變壓器110包括一主線圈111和一副線圈112，其中主線圈111可位於變壓器110之一側，而副線圈112可位於變壓器110之相對另一側。主線圈111可用於接收一輸入電位VIN。輸入電位VIN可來自一外部輸入電源，其中輸入電位VIN可為具有任意頻率和任意振幅之一交流電位。例如，輸入電位VIN之頻率可約為50Hz或60Hz，而輸入電位VIN之方均根值可由90V至264V，但亦不僅限於此。偵測電路120係耦接至副線圈112，其中偵測電路120可用於產生一偵測電位VE，其可與輸入電位VIN有互相關聯。第一電阻器R1係耦接至主線圈111。功率切換器130可根據一時脈電位VA來選擇性地將第一電阻器R1耦接至一接地電位VSS(例如：0V)。舉例而言，若時脈電位VA為高邏輯位準，則功率切換器130即將第一電阻器R1耦接至接地電位VSS(亦即，功率切換器130可近似於一短路路徑)；反之，若時脈電位VA為低邏輯位準，則功率切換器130不會將第一電阻器R1耦接至接地電位VSS(亦即，功率切換器130可近似於一開路路徑)。輸出級電路140係耦接至第一電阻器R1，其中輸出級電路140可用於產生一輸出電位VOUT。例如，輸出電位VOUT可大致為一直流電位，其位準可約為400V，但亦不僅限於此。回授補償電路150包括一線性光耦合器152和一穩壓器154，其中回授補償電路150可根據輸出電位VOUT來產生一回授電位VF。例如，控制器160可為一脈衝寬度調變積體電路，其可自動產生一振盪電位VT。控制器160更可根據回授電位VF和振盪電位VT來產生時脈電位VA。反相器170可根據振盪電位VT來產生一反相振盪電位VN。乘法器180可根據偵測電位VE、反相振盪電位VN，以及回授電位VF來產生一補償電位差VD，其中此補償電位差VD係施加於第一電阻器R1。在此設計下，即使功率切換器230之責任週期大於50%，乘法器180仍可提供具有負斜率之補償電位差VD，以有效抑制升壓轉換器100中不必要之次諧波振盪。因此，升壓轉換器100之輸出穩定度將可大幅提升。
以下實施例將介紹升壓轉換器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升壓轉換器200之示意圖。在第2圖之實施例中，升壓轉換器200具有一輸入節點NIN和一輸出節點NOUT，並包括：一變壓器210、一偵測電路220、一第一電阻器R1、一功率切換器230、一輸出級電路240、一回授補償電路250、一控制器260、一反相器270，以及一乘法器280。升壓轉換器200之輸入節點NIN可接收一輸入電位VIN，而升壓轉換器200之輸出節點NOUT可輸出一輸出電位VOUT，其中輸出電位VOUT可高於輸入電位VIN。
變壓器210包括一主線圈211和一副線圈212，其中主線圈211可位於變壓器210之一側，而副線圈212可位於變壓器210之相對另一側。主線圈211之第一端係耦接至輸入節點NIN，而主線圈211之第二端係耦接至一第一節點N1。副線圈212之第一端係耦接至一第二節點N2，而副線圈212之第二端係耦接至一第三節點N3。
偵測電路220包括一第一電容器C1、一第二電阻器R1、一第三電阻器R3，以及一第一二極體D1。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之第二端係耦接至一第四節點N4以輸出一偵測電位VE。第一電容器C1之第一端係耦接至第四節點N4，而第一電容器C1之第二端係耦接至一接地電位VSS。第一二極體D1之陽極係耦接至第四節點N4，而第一二極體D1之陰極係耦接至第三節點N3。第三電阻器R3之第一端係耦接至第三節點N3，而第三電阻器R3之第二端係耦接至接地電位VSS。
第一電阻器R1之第一端係耦接至第一節點N1，而第一電阻器R1之第二端係耦接至一第五節點N5。
功率切換器230包括一電晶體M1。電晶體M1可為一N型金氧半場效電晶體。電晶體M1之控制端係用於接收一時脈電位VA，電晶體M1之第一端係耦接至接地電位VSS，而電晶體M1之第二端係耦接至第五節點N5。時脈電位VA可用於調整功率切換器230之責任週期。例如，時脈電位VA於升壓轉換器200初始化時可維持於一固定電位，而在升壓轉換器200進入正常使用階段後則可提供週期性之時脈波形。詳細而言，若時脈電位VA為高邏輯位準，則電晶體M1將被致能；反之，若時脈電位VA為低邏輯位準，則電晶體M1將被禁能。
輸出級電路240包括一第二二極體D2和一第二電容器C2。第二二極體D2之陽極係耦接至第五節點N5，而第二二極體D2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。
回授補償電路250包括一線性光耦合器252、一穩壓器254、一第三電容器C3、一第四電容器C4、一第四電阻器R4、一第五電阻器R5，以及一第六電阻器R6。第四電阻器R4之第一端係耦接至輸出節點NOUT以接收輸出電位VOUT，而第四電阻器R4之第二端係耦接至一第六節點N6。第三電容器C3之第一端係耦接至一第七節點N7，而第三電容器C3之第二端係耦接至一第八節點N8。第五電阻器R5之第一端係耦接至輸出節點NOUT以接收輸出電位VOUT，而第五電阻器R5之第二端係耦接至第八節點N8。第六電阻器R6之第一端係耦接至第八節點N8，而第六電阻器R6之第二端係耦接至接地電位VSS。第四電容器C4之第一端係耦接至一第九節點N9，而第四電容器C4之第二端係耦接至接地電位VSS。
在一些實施例中，線性光耦合器252係由一PC817電子元件來實施。線性光耦合器252包括一發光二極體DL和一雙載子接面電晶體Q1。發光二極體DL具有一陽極和一陰極，其中發光二極體DL之陽極係耦接至第六節點N6，而發光二極體DL之陰極係耦接至第七節點N7。雙載子接面電晶體Q1具有一集極和一射極，其中雙載子接面電晶體Q1之集極係耦接至第九節點N9以輸出一回授電位VF，而雙載子接面電晶體Q1之射極係耦接至接地電位VSS。
在一些實施例中，穩壓器254係由一TL431電子元件來實施。穩壓器254具有一陽極、一陰極，以及一參考端，其中穩壓器254之陽極係耦接至接地電位VSS，穩壓器254之陰極係耦接至第七節點N7，而穩壓器254之參考端係耦接至第八節點N8。
控制器260可以是一脈衝寬度調變積體電路。控制器260包括一三角波產生器262和一比較器264。三角波產生器262可產生一振盪電位VT，其可具有一三角波形。比較器264可由一運算放大器來實施。比較器264具有一正輸入端、一負輸入端，以及一輸出端，其中比較器264之正輸入端係耦接至第九節點N9以接收回授電位VF，比較器264之負輸入端耦接至三角波產生器262以接收振盪電位VT，而比較器264之輸出端係用於輸出時脈電位VA。例如，若回授電位VF高於或等於振盪電位VT，則時脈電位VA將具有高邏輯位準；反之，若回授電位VF低於振盪電位VT，則時脈電位VA將具有低邏輯位準。
反相器270具有一輸入端和一輸出端，其中反相器270之輸入端係耦接至三角波產生器262以接收振盪電位VT，而反相器270之輸出端係用於輸出一反相振盪電位VN。在一些實施例中，反相器270之轉換函數可如下列方程式(1)所述：
Figure 02_image001
…………………………………………(1) 其中「VN」代表反相振盪電位VN，而「VT」代表振盪電位VT。
乘法器280具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第三輸入端、一第一輸出端，以及一第二輸出端，其中乘法器280之第一輸入端係耦接至第四節點N4以接收偵測電位VE，乘法器280之第二輸入端係耦接至反相器270以接收反相振盪電位VN，乘法器280之第三輸入端係耦接至第九節點N9以接收回授電位VF，乘法器280之第一輸出端係耦接至第一節點N1，而乘法器280之第二輸出端係耦接至該第五節點N5，使得一補償電位差VD係形成於第一節點N1和第五節點N5之間。因此，第一電阻器R1之第一端和第二端之間之一電位差係等於前述之補償電位差VD。在一些實施例中，乘法器280之轉換函數可如下列方程式(2)所述：
Figure 02_image003
……………………………………(2) 其中「VD」代表補償電位差VD，「VE」代表偵測電位VE，「VN」代表反向振盪電位VN，而「VF」代表回授電位VF。
第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器200之信號波形圖，其中橫軸代表時間，而縱軸代表電位位準。參考第3圖之量測結果，升壓轉換器200之操作原理可如下列所述。回授補償電路250可根據輸出電位VOUT來產生回授電位VF。控制器260再將回授電位VF與振盪電位VT作比較，以調變功率切換器230之責任週期並達成穩定輸出電位VOUT之功效。另外，乘法器280之補償電位差VD具有一負斜率，其可施加於第一電阻器R1，從而抑制一電感電流IL通過主線圈211和第一電阻器R1時所產生之次諧波振盪(特別是針對功率切換器230之責任週期大於50%之情況)。必須注意的是，功率切換器230為升壓轉換器200之一核心元件，而本發明將第一電阻器R1設計於功率切換器230之前，可有效抑制通過功率切換器230之電流中之次諧波成份，並進一步強化升壓轉換器200之輸出穩定度。
第4圖係顯示傳統升壓轉換器之信號波形圖，其中橫軸代表時間，而縱軸代表電位位準或電流值。如第4圖所示，一第一曲線CC1代表電感電流之波形，而一第二曲線CC2代表次諧波電位之波形。根據第4圖之量測結果，當功率切換器之責任週期大於50%時，不必要之次諧波振盪將會隨著時間前進而發散，此將對整體電路穩定度造成負面影響。
第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器200之信號波形圖，其中橫軸代表時間，而縱軸代表電位位準或電流值。如第5圖所示，一第三曲線CC3代表電感電流IL之波形，一第四曲線CC4代表次諧波電位之波形，而一第五曲線CC5代表補償電位差VD之波形。根據第5圖之量測結果，即使功率切換器230之責任週期大於50%，因為有乘法器280之補償電位差VD施加於第一電阻器R1，不必要之次諧波振盪將會隨著時間前進而收斂。因此，本發明之設計將能大幅改良升壓轉換器200之輸出穩定度。
在一些實施例中，升壓轉換器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42.3μF至51.7μF之間，較佳可為47μF。第二電容器C2之電容值可介於612μF至748μF之間，較佳可為680μF。第三電容器C3之電容值可介於1.49nF至1.51nF之間，較佳可為1.5nF。第四電容器C4之電容值可介於0.99nF至1.01nF之間，較佳可為1nF。主線圈211之激磁電感值可介於540μH至660μH之間，較佳可為600μH。副線圈212之輔助電感值可介於45μH至55μH之間，較佳可為50μH。第一電阻器R1之電阻值可介於0.95Ω至1.05Ω之間，較佳可為1Ω。第二電阻器R2之電阻值可介於9.5KΩ至10.5KΩ之間，較佳可為10KΩ。第三電阻器R3之電阻值可介於0.95KΩ至1.05KΩ之間，較佳可為1KΩ。第四電阻器R4之電阻值可介於42.75KΩ至47.25KΩ之間，較佳可為45KΩ。第五電阻器R5之電阻值可介於46.55KΩ至51.45KΩ之間，較佳可為49KΩ。第六電阻器R6之電阻值可介於0.95KΩ至1.05KΩ之間，較佳可為1KΩ。主線圈211對副線圈212之匝數比值可介於1至100之間，較佳可為12。以上參數範圍係根據多次實驗結果而得出，其有助於最小化升壓轉換器200之次諧波振盪。
本發明提出一種新穎之升壓轉換器，其包括反相器和乘法器以抑制次諧波振盪。根據實際量測結果，使用前述設計之升壓轉換器可大幅提高輸出穩定度，故其很適合應用於各種各式之裝置當中。
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。本發明之升壓轉換器並不僅限於第1-5圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-5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升壓轉換器當中。
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:升壓轉換器 110,210:變壓器 111,211:主線圈 112,212:副線圈 120,220:偵測電路 130,230:功率切換器 140,240:輸出級電路 150,250:回授補償電路 152,252:線性光耦合器 154,254:穩壓器 160,260:控制器 170,270:反相器 180,280:乘法器 262:三角波產生器 264:比較器 C1:第一電容器 C2:第二電容器 C3:第三電容器 C4:第四電容器 CC1:第一曲線 CC2:第二曲線 CC3:第三曲線 CC4:第四曲線 CC5:第五曲線 D1:第一二極體 D2:第二二極體 DL:發光二極體 IL:電感電流 M1: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 N6:第六節點 N7:第七節點 N8:第八節點 N9:第九節點 NIN:輸入節點 NOUT:輸出節點 Q1:雙載子接面電晶體 R1:第一電阻器 R2:第二電阻器 R3:第三電阻器 R4:第四電阻器 R5:第五電阻器 R6:第六電阻器 VA:時脈電位 VD:補償電位差 VE:偵測電位 VF:回授電位 VIN:輸入電位 VN:反相振盪電位 VOUT:輸出電位 VSS:接地電位 VT:振盪電位
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器之示意圖。 第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器之示意圖。 第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器之信號波形圖。 第4圖係顯示傳統升壓轉換器之信號波形圖。 第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器之信號波形圖。
100:升壓轉換器
110:變壓器
111:主線圈
112:副線圈
120:偵測電路
130:功率切換器
140:輸出級電路
150:回授補償電路
152:線性光耦合器
154:穩壓器
160:控制器
170:反相器
180:乘法器
R1:第一電阻器
VA:時脈電位
VD:補償電位差
VE:偵測電位
VF:回授電位
VIN:輸入電位
VN:反相振盪電位
VOUT:輸出電位
VSS:接地電位
VT:振盪電位

Claims (10)

  1. 一種改良輸出穩定度之升壓轉換器，包括： 一變壓器，包括一主線圈和一副線圈，其中該主線圈係用於接收一輸入電位； 一偵測電路，耦接至該副線圈，其中該偵測電路係用於產生一偵測電位； 一第一電阻器，耦接至該主線圈； 一功率切換器，根據一時脈電位來選擇性地將該第一電阻器耦接至一接地電位； 一輸出級電路，耦接至該第一電阻器，其中該輸出級電路係用於產生一輸出電位； 一回授補償電路，包括一線性光耦合器和一穩壓器，其中該回授補償電路係根據該輸出電位來產生一回授電位； 一控制器，根據該回授電位和一振盪電位來產生該時脈電位； 一反相器，根據該振盪電位來產生一反相振盪電位；以及 一乘法器，根據該偵測電位、該反相振盪電位，以及該回授電位來產生一補償電位差，而該補償電位差係施加於該第一電阻器。
  2. 如請求項1所述之升壓轉換器，其中該主線圈具有一第一端和一第二端，該主線圈之該第一端係耦接至一輸入節點以接收該輸入電位，該主線圈之該第二端係耦接至一第一節點，該副線圈具有一第一端和一第二端，該副線圈之該第一端係耦接至一第二節點，而該副線圈之該第二端係耦接至一第三節點。
  3. 如請求項2所述之升壓轉換器，其中該偵測電路包括： 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一第四節點以輸出該偵測電位； 一第一電容器，具有一第一端和一第二端，其中該第一電容器之該第一端係耦接至該第四節點，而該第一電容器之該第二端係耦接至該接地電位； 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該第四節點，而該第一二極體之該陰極係耦接至該第三節點；以及 一第三電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該第三電阻器之該第一端係耦接至該第三節點，而該第三電阻器之該第二端係耦接至該接地電位。
  4. 如請求項3所述之升壓轉換器，其中該第一電阻器具有一第一端和一第二端，該第一電阻器之該第一端係耦接至該第一節點，該第一電阻器之該第二端係耦接至一第五節點，而該第一節點和該第五節點之間之一電位差係等於該補償電位差。
  5. 如請求項4所述之升壓轉換器，其中該功率切換器包括： 一電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該電晶體之該控制端係用於接收該時脈電位，該電晶體之該第一端係耦接至該接地電位，而該電晶體之該第二端係耦接至該第五節點。
  6. 如請求項5所述之升壓轉換器，其中該輸出級電路包括： 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該第五節點，而該第二二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。
  7. 如請求項6所述之升壓轉換器，其中該回授補償電路更包括： 一第四電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該第四電阻器之該第一端係耦接至該輸出節點以接收該輸出電位，而該第四電阻器之該第二端係耦接至一第六節點； 一第三電容器，具有一第一端和一第二端，其中該第三電容器之該第一端係耦接至一第七節點，而該第三電容器之該第二端係耦接至一第八節點； 一第五電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該第五電阻器之該第一端係耦接至該輸出節點，而該第五電阻器之該第二端係耦接至該第八節點； 一第六電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該第六電阻器之該第一端係耦接至該第八節點，而該第六電阻器之該第二端係耦接至該接地電位；以及 一第四電容器，具有一第一端和一第二端，其中該第四電容器之該第一端係耦接至一第九節點，而該第四電容器之該第二端係耦接至該接地電位； 其中該穩壓器具有一陽極、一陰極，以及一參考端，該穩壓器之該陽極係耦接至該接地電位，該穩壓器之該陰極係耦接至該第七節點，而該穩壓器之該參考端係耦接至該第八節點。
  8. 如請求項7所述之升壓轉換器，其中該線性光耦合器包括一發光二極體和一雙載子接面電晶體，該發光二極體具有一陽極和一陰極，該發光二極體之該陽極係耦接至該第六節點，該發光二極體之該陰極係耦接至該第七節點，該雙載子接面電晶體具有一集極和一射極，該雙載子接面電晶體之該集極係耦接至該第九節點以輸出該回授電位，而該雙載子接面電晶體之該射極係耦接至該接地電位。
  9. 如請求項8所述之升壓轉換器，其中該控制器包括： 一三角波產生器，產生該振盪電位；以及 一比較器，具有一正輸入端、一負輸入端，以及一輸出端，其中該比較器之該正輸入端係耦接至該第九節點以接收該回授電位，該比較器之該負輸入端係用於接收該振盪電位，而該比較器之該輸出端係用於輸出該時脈電位。
  10. 如請求項9所述之升壓轉換器，其中該反相器具有一輸入端和一輸出端，該反相器之該輸入端係耦接至該三角波產生器以接收該振盪電位，該反相器之該輸出端係用於輸出該反相振盪電位，該乘法器具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第三輸入端、一第一輸出端，以及一第二輸出端，該乘法器之該第一輸入端係耦接至該第四節點以接收該偵測電位，該乘法器之該第二輸入端係用於接收該反相振盪電位，該乘法器之該第三輸入端係耦接至該第九節點以接收該回授電位，該乘法器之該第一輸出端係耦接至該第一節點，而該乘法器之該第二輸出端係耦接至該第五節點。
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