TWI751658B - 低損耗之升壓轉換器 - Google Patents

Abstract

一種低損耗之升壓轉換器，包括：一控制電路、一升壓電感器、一第一切換器、一脈衝寬度調變積體電路、一輸出級電路、一第二切換器，以及一第三切換器。控制電路可根據一第一輸入電位、一第二輸入電位，以及一參考電位來產生一第一控制電位和一第二控制電位。第一切換器可根據一脈衝寬度調變電位來選擇性地將升壓電感器耦接至一接地電位。輸出級電路可產生一輸出電位。第二切換器可根據第一控制電位來選擇性地將升壓電感器耦接至輸出級電路。第三切換器可根據第二控制電位來選擇性地將升壓電感器耦接至輸出級電路。

Description

低損耗之升壓轉換器

本發明係關於一種升壓轉換器，特別係關於一種低損耗之升壓轉換器。

在傳統升壓轉換器中，由於輸出電位高於輸入電位，故輸入電流必須大於輸出電流(遵守能量守恆定律)。然而，當相對較大之輸入電流進入升壓轉換器之橋式整流器時，橋式整流器中之多個二極體將會產生相對較高之損耗，此導致升壓轉換器之整體轉換效率下滑。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，本發明提出一種低損耗之升壓轉換器，包括：一控制電路，根據一第一輸入電位、一第二輸入電位，以及一參考電位來產生一第一控制電位和一第二控制電位；一升壓電感器，接收該第一輸入電位；一第一切換器，根據一脈衝寬度調變電位來選擇性地將該升壓電感器耦接至一接地電位；一脈衝寬度調變積體電路，產生該脈衝寬度調變電位和該參考電位；一輸出級電路，產生一輸出電位；一第二切換器，根據該第一控制電位來選擇性地將該升壓電感器耦接至該輸出級電路；以及一第三切換器，根據該第二控制電位來選擇性地將該升壓電感器耦接至該輸出級電路。

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：一控制電路110、一升壓電感器LU、一第一切換器120、一脈衝寬度調變積體電路130、一輸出級電路140、一第二切換器150，以及一第三切換器160。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。

控制電路110可根據一第一輸入電位VIN1、一第二輸入電位VIN2，以及一參考電位VR來產生一第一控制電位VC1和一第二控制電位VC2。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由90V至264V，但亦不僅限於此。升壓電感器LU可接收第一輸入電位VIN1。第一切換器120可根據一脈衝寬度調變電位VM來選擇性地將升壓電感器LU耦接至一接地電位VSS(例如：0V)。例如，若脈衝寬度調變電位VM為高邏輯位準，則第一切換器120即將升壓電感器LU耦接至接地電位VSS(亦即，第一切換器120可近似於一短路路徑)；反之，若脈衝寬度調變電位VM為低邏輯位準，則第一切換器120不會將升壓電感器LU耦接至接地電位VSS(亦即，第一切換器120可近似於一開路路徑)。脈衝寬度調變積體電路130可產生脈衝寬度調變電位VM和參考電位VR，其中參考電位VR可具有一恆定位準。輸出級電路140可產生一輸出電位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。第二切換器150可根據第一控制電位VC1來選擇性地將升壓電感器LU耦接至輸出級電路140。例如，若第一控制電位VC1為高邏輯位準，則第二切換器150即將升壓電感器LU耦接至輸出級電路140(亦即，第二切換器150可近似於一短路路徑)；反之，若第一控制電位VC1為低邏輯位準，則第二切換器150不會將升壓電感器LU耦接至輸出級電路140(亦即，第二切換器150可近似於一開路路徑)。相似地，第三切換器160可根據第二控制電位VC2來選擇性地將升壓電感器LU耦接至輸出級電路140。例如，若第二控制電位VC2為高邏輯位準，則第三切換器160即將升壓電感器LU耦接至輸出級電路140(亦即，第三切換器160可近似於一短路路徑)；反之，若第二控制電位VC2為低邏輯位準，則第三切換器160不會將升壓電感器LU耦接至輸出級電路140(亦即，第三切換器160可近似於一開路路徑)。必須注意的是，本發明之升壓轉換器100不包括任何橋式整流器。藉由適當之設計，控制電路110、第二切換器150，以及第三切換器160之組合亦可發揮整流之功效，而不影響升壓轉換器100之轉換操作。根據實際量測結果，由於除去傳統橋式整流器所所產生之較大損耗，故本發明之升壓轉換器100之整體轉換效率將可大幅提升。

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：一控制電路210、一升壓電感器LU、一第一切換器220、一脈衝寬度調變積體電路230、一輸出級電路240、一第二切換器250，以及一第三切換器260。升壓轉換器200之第一輸入節點NIN1和第二輸入節點NIN2可分別由一外部輸入電源處接收一第一輸入電位VIN1和一第二輸入電位VIN2，而升壓轉換器200之輸出節點NOUT可用於輸出一輸出電位VOUT至一電子裝置(未顯示)。

控制電路210包括一第一電阻器R1、一第二電阻器R2、一第一比較器212，以及一第二比較器214，其中第一比較器212和第二比較器214可各自以一運算放大器來實施。第一電阻器R1具有一第一端和一第二端，其中第一電阻器R1之第一端係耦接至第一輸入節點NIN1，而第一電阻器R1之第二端係耦接至第二輸入節點NIN2。第二電阻器R2具有一第一端和一第二端，其中第二電阻器R2之第一端係耦接至第二輸入節點NIN2，而第二電阻器R2之第二端係耦接至一接地電位VSS。第二電阻器R2可具有相對較小之電阻值，在其他實施例中亦可用一短路路徑來取代。

第一比較器212具有一正輸入端、一負輸入端，以及一輸出端，其中第一比較器212之正輸入端係用於接收第一輸入電位VIN1，第一比較器212之負輸入端係用於接收一參考電位VR，而第一比較器212之輸出端係用於輸出一第一控制電位VC1。例如，若第一輸入電位VIN1高於或等於參考電位VR，則第一比較器212將可產生具有高邏輯位準之第一控制電位VC1；反之，若第一輸入電位VIN1低於參考電位VR，則第一比較器212將可產生具有低邏輯位準之第一控制電位VC1。

第二比較器214具有一正輸入端、一負輸入端，以及一輸出端，其中第二比較器214之正輸入端係用於接收參考電位VR，第二比較器214之負輸入端係用於接收第一控制電位VC1，而第二比較器214之輸出端係用於輸出一第二控制電位VC2。例如，若參考電位VR高於或等於第一輸入電位VC1，則第二比較器214將可產生具有高邏輯位準之第二控制電位VC2；反之，若參考電位VR低於第一輸入電位VC1，則第二比較器214將可產生具有低邏輯位準之第二控制電位VC2。

升壓電感器LU具有一第一端和一第二端，其中升壓電感器LU之第一端係耦接至第一輸入節點NIN1，而升壓電感器LU之第二端係耦接至一第一節點N1。

第一切換器220包括一第一電晶體M1。例如，第一電晶體M1可為一N型金氧半場效電晶體。第一電晶體M1具有一控制端(例如：一閘極)、一第一端(例如：一源極)，以及一第二端(例如：一汲極)，其中第一電晶體M1之控制端係用於接收一脈衝寬度調變電位VM，第一電晶體M1之第一端係耦接至接地電位VSS，而第一電晶體M1之第二端係耦接至第一節點N1。例如，當脈衝寬度調變電位VM為高邏輯位準時，第一電晶體M1將可被致能，而當脈衝寬度調變電位VM為低邏輯位準時，第一電晶體M1將可被禁能。

脈衝寬度調變積體電路230可產生脈衝寬度調變電位VM和參考電位VR，其中參考電位VR可具有一恆定位準。另外，脈衝寬度調變電位VM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。

輸出級電路240包括一第一二極體D1、一第二二極體D2，以及一輸出電容器CO。第一二極體D1具有一陽極和一陰極，其中第一二極體D1之陽極係耦接至接地電位VSS，而第一二極體D1之陰極係耦接至輸出節點NOUT。第二二極體D2具有一陽極和一陰極，其中第二二極體D2之陽極係耦接至一第二節點N2，而第二二極體D2之陰極係耦接至接地電位VSS。輸出電容器CO具有一第一端和一第二端，其中輸出電容器CO之第一端係耦接至輸出節點NOUT，而輸出電容器CO之第二端係耦接至第二節點N2。

第二切換器250包括一第二電晶體M2。例如，第二電晶體M2可為一N型金氧半場效電晶體。第二電晶體M2具有一控制端(例如：一閘極)、一第一端(例如：一源極)，以及一第二端(例如：一汲極)，其中第二電晶體M2之控制端係用於接收第一控制電位VC1，第二電晶體M2之第一端係耦接至輸出節點NOUT，而第二電晶體M2之第二端係耦接至第一節點N1。例如，當第一控制電位VC1為高邏輯位準時，第二電晶體M2將可被致能，而當第一控制電位VC1為低邏輯位準時，第二電晶體M2將可被禁能。

第三切換器260包括一第三電晶體M3。例如，第三電晶體M3可為一N型金氧半場效電晶體。第三電晶體M3具有一控制端(例如：一閘極)、一第一端(例如：一源極)，以及一第二端(例如：一汲極)，其中第三電晶體M3之控制端係用於接收第二控制電位VC2，第三電晶體M3之第一端係耦接至第二節點N2，而第三電晶體M3之第二端係耦接至第一節點N1。例如，當第二控制電位VC2為高邏輯位準時，第三電晶體M3將可被致能，而當第二控制電位VC2為低邏輯位準時，第三電晶體M3將可被禁能。

第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器200之電位波形圖，其中橫軸代表時間，而縱軸代表電位位準。大致而言，升壓轉換器200可交替地操作於一第一階段T1和一第二階段T2，其原理可如下列所述。

在第一階段T1期間，第一輸入電位VIN1係高於或等於參考電位VR。此處假設參考電位VR為高於接地電位VSS之一恆定電位，但其可根據不同需求進行調整。第一比較器212可產生具有高邏輯位準之第一控制電位VC1以致能第二電晶體M2，而第二比較器214可產生具有低邏輯位準之第二控制電位VC2以禁能第三電晶體M3。根據脈衝寬度調變電位VM之變化，第一階段T1又可細分為二種不同模態來討論。當脈衝寬度調變電位VM為高邏輯位準且第一電晶體M1被致能時，升壓轉換器200之主要電流將由第一輸入節點NIN1起，經過升壓電感器LU、第一電晶體M1，以及第二電阻器R2，再流往第二輸入節點NIN2。此時，升壓電感器LU正逐漸儲存電磁能量。相反地，當脈衝寬度調變電位VM為低邏輯位準且第一電晶體M1被禁能時，升壓轉換器200之主要電流將由第一輸入節點NIN1起，經過升壓電感器LU、第二電晶體M2、輸出電容器CO、第二二極體D2，以及第二電阻器R2，再流往第二輸入節點NIN2。此時，升壓電感器LU正逐漸釋放電磁能量至輸出電容器CO，使得輸出電容器CO可進行充電操作。

在第二階段T2期間，第一輸入電位VIN1係低於參考電位VR。第一比較器212可產生具有低邏輯位準之第一控制電位VC1以禁能第二電晶體M2，而第二比較器214可產生具有高邏輯位準之第二控制電位VC2以致能第三電晶體M3。根據脈衝寬度調變電位VM之變化，第二階段T2又可細分為二種不同模態來討論。當脈衝寬度調變電位VM為高邏輯位準且第一電晶體M1被致能時，升壓轉換器200之主要電流將由第二輸入節點NIN2起，經過第二電阻器R2、第一電晶體M1，以及升壓電感器LU，再流往第一輸入節點NIN1。此時，升壓電感器LU正逐漸儲存電磁能量。相反地，當脈衝寬度調變電位VM為低邏輯位準且第一電晶體M1被禁能時，升壓轉換器200之主要電流將由第二輸入節點NIN2起，經過第二電阻器R2、第一二極體D1、輸出電容器CO、第三電晶體M3，以及升壓電感器LU，再流往第一輸入節點NIN1。此時，升壓電感器LU正逐漸釋放電磁能量至輸出電容器CO，使得輸出電容器CO可進行充電操作。

簡而言之，升壓轉換器200之不同階段及對應之元件操作狀態可整理如下表一：

	第一電晶體M1	第二電晶體M2	第三電晶體M3	第一二極體D1	第二二極體D2
第一階段T1	致能	致能	禁能	禁能	禁能
禁能	致能	禁能	禁能	致能
第二階段T2	致能	禁能	致能	禁能	禁能
禁能	禁能	致能	致能	禁能

表一：升壓轉換器200之各元件操作狀態

在一些實施例中，升壓轉換器200之元件參數可如下列所述。輸出電容器CO電容值可介於1200μF至1800μF之間，較佳可為1500μF。升壓電感器LU之電感值可介於240μH至360μH之間，較佳可為300μH。第一電阻器R1之電阻值可介於2.55MΩ至3.45MΩ之間，較佳可為3MΩ。第二電阻器R2之電阻值可介於8mΩ至12mΩ之間，較佳可為10mΩ。參考電位VR可具有-1V至1V之間之一恆定位準，例如：-0.5V、0V，或0.5V。由脈衝寬度調變電位VM所控制之第一電晶體M1之切換頻率可約為65kHz(高頻切換)。由第一控制電位VC1所控制之第二電晶體M2之切換頻率可介於60Hz至80Hz之間(低頻切換)。由第二控制電位VC2所控制之第三電晶體M3之切換頻率可介於60Hz至80Hz之間(低頻切換)。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之損耗，以及最大化升壓轉換器200之轉換效率。與具有橋式整流器之傳統設計相比，本發明之升壓轉換器200可提升其整體轉換效率達至少1.5%以上。

本發明提出一種新穎之升壓轉換器，其藉由控制電路和對應之二組切換器來取代傳統橋式整流器。根據實際量測結果，使用前述設計之升壓轉換器可有效去除傳統橋式整流器所造成之相關損耗，同時提高升壓轉換器之整體轉換效率，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1-3圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-3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。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:升壓轉換器

110,210:控制電路

120,220:第一切換器

130,230:脈衝寬度調變積體電路

140,240:輸出級電路

150,250:第二切換器

160,260:第三切換器

212:第一比較器

214:第二比較器

CO:輸出電容器

D1:第一二極體

D2:第二二極體

LU:升壓電感器

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

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

T1:第一階段

T2:第二階段

VC1:第一控制電位

VC2:第二控制電位

VIN1:第一輸入電位

VIN2:第二輸入電位

VM:脈衝寬度調變電位

VOUT:輸出電位

VR:參考電位

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電位波形圖。

100:升壓轉換器

110:控制電路

120:第一切換器

130:脈衝寬度調變積體電路

140:輸出級電路

150:第二切換器

160:第三切換器

LU:升壓電感器

VC1:第一控制電位

VC2:第二控制電位

VIN1:第一輸入電位

VIN2:第二輸入電位

VM:脈衝寬度調變電位

VOUT:輸出電位

VR:參考電位

VSS:接地電位

Claims (10)

1. 一種低損耗之升壓轉換器，包括：一控制電路，根據一第一輸入電位、一第二輸入電位，以及一參考電位來產生一第一控制電位和一第二控制電位；一升壓電感器，接收該第一輸入電位；一第一切換器，根據一脈衝寬度調變電位來選擇性地將該升壓電感器耦接至一接地電位；一脈衝寬度調變積體電路，產生該脈衝寬度調變電位和該參考電位；一輸出級電路，產生一輸出電位；一第二切換器，根據該第一控制電位來選擇性地將該升壓電感器耦接至該輸出級電路；以及一第三切換器，根據該第二控制電位來選擇性地將該升壓電感器耦接至該輸出級電路；其中該控制電路包括：一第一比較器，具有一正輸入端、一負輸入端，以及一輸出端，其中該第一比較器之該正輸入端係用於接收該第一輸入電位，該第一比較器之該負輸入端係用於接收該參考電位，而該第一比較器之該輸出端係用於輸出該第一控制電位。
2. 如請求項1所述之升壓轉換器，其中該升壓轉換器不包括任何橋式整流器。
3. 如請求項1所述之升壓轉換器，其中該控制電路包括：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一第一輸入節點以接收該第一輸入電位，而該第一電阻器之該第二端係耦接至一第二輸入節點以接收該第二輸入電位；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輸入節點，而該第二電阻器之該第二端係耦接至該接地電位。
4. 如請求項1所述之升壓轉換器，其中該控制電路更包括：一第二比較器，具有一正輸入端、一負輸入端，以及一輸出端，其中該第二比較器之該正輸入端係用於接收該參考電位，該第二比較器之該負輸入端係用於接收該第一控制電位，而該第二比較器之該輸出端係用於輸出該第二控制電位。
5. 如請求項3所述之升壓轉換器，其中該升壓電感器具有一第一端和一第二端，該升壓電感器之該第一端係耦接至該第一輸入節點，而該升壓電感器之該第二端係耦接至一第一節點。
6. 如請求項5所述之升壓轉換器，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脈衝寬度調變電位，該第 一電晶體之該第一端係耦接至該接地電位，而該第一電晶體之該第二端係耦接至該第一節點。
7. 如請求項6所述之升壓轉換器，其中該輸出級電路器包括：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該接地電位，而該第一二極體之該陰極係耦接至一輸出節點以輸出該輸出電位；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節點，而該第二二極體之該陰極係耦接至該接地電位；以及一輸出電容器，具有一第一端和一第二端，其中該輸出電容器之該第一端係耦接至該輸出節點，而該輸出電容器之該第二端係耦接至該第二節點。
8. 如請求項7所述之升壓轉換器，其中該第二切換器包括：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第一控制電位，該第二電晶體之該第一端係耦接至該輸出節點，而該第二電晶體之該第二端係耦接至該第一節點。
9. 如請求項7所述之升壓轉換器，其中該第三切換器包括： 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第二控制電位，該第三電晶體之該第一端係耦接至該第二節點，而該第三電晶體之該第二端係耦接至該第一節點。
10. 一種低損耗之升壓轉換器，包括：一控制電路，根據一第一輸入電位、一第二輸入電位，以及一參考電位來產生一第一控制電位和一第二控制電位；一升壓電感器，接收該第一輸入電位；一第一切換器，根據一脈衝寬度調變電位來選擇性地將該升壓電感器耦接至一接地電位；一脈衝寬度調變積體電路，產生該脈衝寬度調變電位和該參考電位；一輸出級電路，產生一輸出電位；一第二切換器，根據該第一控制電位來選擇性地將該升壓電感器耦接至該輸出級電路；以及一第三切換器，根據該第二控制電位來選擇性地將該升壓電感器耦接至該輸出級電路；其中該控制電路包括：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一第一輸入節點以接收該第一輸入電位，而該第一電阻器之該第二端係耦接至一第二輸入節點以接收該第二輸入電位；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輸入節點，而該第二電阻器之該第二端係耦接至該接地電位。

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