TWI751768B

TWI751768B - 緩啟動之升壓轉換器

Info

Publication number: TWI751768B
Application number: TW109138046A
Authority: TW
Inventors: 詹子增
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2020-11-02
Filing date: 2020-11-02
Publication date: 2022-01-01
Also published as: TW202220352A

Abstract

一種緩啟動之升壓轉換器，包括：一橋式整流器、一第一電感器、一限流電路、一功率切換器、一脈衝寬度調變積體電路、一可調緩衝電路、一放電電路，以及一輸出級電路。橋式整流器可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。第一電感器可接收整流電位。功率切換器可根據一脈衝寬度調變電位來選擇性地將第一電感器經由限流電路耦接至一接地電位。可調緩衝電路包括一第二電感器，其中第二電感器係與第一電感器互相耦合。可調緩衝電路係經由放電電路耦接至接地電位。輸出級電路係耦接至可調緩衝電路，並產生一輸出電位。

Description

緩啟動之升壓轉換器

本發明係關於一種升壓轉換器，特別係關於一種緩啟動之升壓轉換器。

傳統升壓轉換器之操作頻率通常設定為65kHz。若須使用較高之操作頻率，則升壓轉換器之輸出電位往往會產生較嚴重之暫態異常(Transient Error)。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，本發明提出一種緩啟動之升壓轉換器，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；一第一電感器，接收該整流電位；一限流電路；一功率切換器，根據一脈衝寬度調變電位來選擇性地將該第一電感器經由該限流電路耦接至一接地電位；一脈衝寬度調變積體電路，產生該脈衝寬度調變電位；一可調緩衝電路，包括一第二電感器，其中該第二電感器係與該第一電感器互相耦合；一放電電路，其中該可調緩衝電路係經由該放電電路耦接至該接地電位；以及一輸出級電路，耦接至該可調緩衝電路，並產生一輸出電位。

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：一橋式整流器110、一第一電感器L1、一限流電路120、一功率切換器130、一脈衝寬度調變積體電路140、一可調緩衝電路150、一放電電路160，以及一輸出級電路170。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。

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由90V至264V，但亦不僅限於此。第一電感器L1可接收整流電位VR。功率切換器130可根據一脈衝寬度調變電位VM來選擇性地將第一電感器L1經由限流電路120耦接至接地電位VSS(例如：0V)。例如，若脈衝寬度調變電位VM為高邏輯位準，則功率切換器130即可將第一電感器L1經由限流電路120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，若脈衝寬度調變電位VM為低邏輯位準，則功率切換器130不會將第一電感器L1經由限流電路120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)。脈衝寬度調變積體電路140可產生脈衝寬度調變電位VM。可調緩衝電路150包括一第二電感器L2，其中第二電感器L2係與第一電感器L1互相耦合。可調緩衝電路150係經由放電電路160耦接至接地電位VSS。輸出級電路170係耦接至可調緩衝電路150，並可產生一輸出電位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。在此設計下，可調緩衝電路150可形成一阻尼電路，使得輸出電位VOUT能更平滑地上升至一穩態位準。根據實際量測結果，即使脈衝寬度調變電位VM具有相對較高之操作頻率(例如：高於傳統設計之65kHz甚多)，本發明所提之設計方式仍可幾乎完全消除升壓轉換器100之輸出暫態異常，從而達成緩啟動之功效。

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：一橋式整流器210、一第一電感器L1、一限流電路220、一功率切換器230、一脈衝寬度調變積體電路240、一可調緩衝電路250、一放電電路260，以及一輸出級電路270。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)。

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。

第一電感器L1可視為升壓轉換器200之一升壓電感器。第一電感器L1之第一端係耦接至第一節點N1以接收整流電位VR，而第一電感器L1之第二端係耦接至一第二節點N2。另外，一電感電流IL可流經第一電感器L1。

限流電路220包括一第一電阻器R1和一第二電阻器R2。第一電阻器R1之第一端係耦接至第二節點N2，而第一電阻器R1之第二端係耦接至一第三節點N3。第二電阻器R2之第一端係耦接至一第四節點N4，而第二電阻器R2之第二端係耦接至接地電位VSS。

功率切換器230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之第一端係耦接至第四節點N4，而第一電晶體M1之第二端係耦接至第三節點N3。脈衝寬度調變電位VM可用於調整功率切換器230之責任週期。例如，若脈衝寬度調變電位VM為高邏輯位準，則第一電晶體M1將被致能；反之，若脈衝寬度調變電位VM為低邏輯位準，則第一電晶體M1將被禁能。

脈衝寬度調變積體電路240可產生脈衝寬度調變電位VM。例如，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。

可調緩衝電路250包括一第五二極體D5、一第六二極體D6、一第三電阻器R3、一第一電容器C1、一第二電容器C2、一第二電感器L2，以及一第二電晶體M2。可調緩衝電路250之第二電感器L2係與前述之第一電感器L1互相耦合。例如，第一電感器L1與第二電感器L2兩者可形成於同一鐵芯上，但亦不僅限於此。

第五二極體D5之陽極係耦接至第二節點N2，而第五二極體D5之陰極係耦接至一第五節點N5。第三電阻器R3之第一端係耦接至第二節點N2，而第三電阻器R3之第二端係耦接至一第六節點N6。第六二極體D6之陽極係耦接至第六節點N6，而第六二極體D6之陰極係耦接至一第七節點N7。第一電容器C1之第一端係耦接至第五節點N5，而第一電容器C1之第二端係耦接至第七節點N7。第二電感器L2之第一端係耦接至第五節點N5，而第二電感器L2之第二端係耦接至輸出節點NOUT。第二電容器C2具有一第一端和一第二端，其中第二電容器C2之第一端係耦接至第五節點N5，而第二電容器C2之第二端係耦接至一第八節點N8。

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之控制端係耦接至輸出節點NOUT，第二電晶體M2之第一端係耦接至第八節點N8，而第二電晶體M2之第二端係耦接至輸出節點NOUT。另外，第二電晶體M2可內建一寄生二極體DP。寄生二極體DP可為第二電晶體M2製造時所附帶產生之一固有元件，其並非一外部獨立元件。寄生二極體DP之陽極係耦接至第八節點N8，而寄生二極體DP之陰極係耦接至輸出節點NOUT。

放電電路260包括一第七二極體D7和一第四電阻器R4。第七二極體D7之陽極係耦接至第五節點N5，而第七二極體D7之陰極係耦接至一第九節點N9。第四電阻器R4之第一端係耦接至第九節點N9，而第四電阻器R4之第二端係耦接至接地電位VSS。

輸出級電路270包括一第八二極體D8和一第三電容器C3。第八二極體D8之陽極係耦接至第七節點N7，而第八二極體D8之陰極係耦接至輸出節點NOUT。第三電容器C3之第一端係耦接至輸出節點NOUT，而第三電容器C3之第二端係耦接至接地電位VSS。

在一些實施例中，升壓轉換器200可交替地操作於一第一模式和一第二模式，其操作原理可如下列所述。

在第一模式中，脈衝寬度調變電位VM為高邏輯位準，故第一電晶體M1被致能。此時，第一電感器L1逐漸儲存能量，其中電感電流IL亦逐漸變大。就第一電感器L1而言，第一節點N1處之整流電位VR可高於第二節點N2處之電位V2。就第二電感器L2而言，輸出節點NOUT處之輸出電位VOUT可高於第五節點N5處之電位V5。因此，第二電晶體M2被致能，而寄生二極體DP被關閉。第三電容器C3上所儲存之輸出電位VOUT可由一第一路徑、一第二路徑，以及一第三路徑所提供。詳細而言，前述之第一路徑可由第三電阻器R3、第六二極體D6，以及第八二極體D8所共同形成。前述之第二路徑可由第五二極體D5、第一電容器C1，以及第八二極體D8所共同形成。前述之第三路徑可由第五二極體D5、第二電感器L2、第二電容器C2，以及致能之第二電晶體M2所共同形成。

在第二模式中，脈衝寬度調變電位VM為低邏輯位準，故第一電晶體M1被禁能。此時，第一電感器L1逐漸釋放能量，其中電感電流IL亦逐漸變小。就第一電感器L1而言，第一節點N1處之整流電位VR可低於第二節點N2處之電位V2。就第二電感器L2而言，輸出節點NOUT處之輸出電位VOUT可低於第五節點N5處之電位V5。因此，第二電晶體M2被禁能，而寄生二極體DP被導通。第三電容器C3上所儲存之輸出電位VOUT可由一第四路徑、一第五路徑，以及一第六路徑所提供。詳細而言，前述之第四路徑可由第三電阻器R3、第六二極體D6，以及第八二極體D8所共同形成。前述之第五路徑可由第五二極體D5、第一電容器C1，以及第八二極體D8所共同形成。前述之第六路徑可由第五二極體D5、第二電容器C2，以及導通之寄生二極體DP所共同形成。

必須注意的是，無論是第一模式或第二模式，可調緩衝電路250皆可形成一RLC阻尼電路來微調輸出電位VOUT，使得輸出電位VOUT能更平滑地上升至一穩態位準。另一方面，在第二模式中，儲存於第二電感器L2上之能量更可經由第七二極體D7和第四電阻器R4釋放至接地電位VSS。

第3圖係顯示傳統升壓轉換器之輸出電位VOUT之波形圖，其中橫軸代表時間，而縱軸代表電位位準。根據第3圖之量測結果，當使用較高之操作頻率時，傳統升壓轉換器容易面臨輸出暫態異常之問題(如第3圖中之虛線框所示)。

第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器200之輸出電位VOUT之波形圖，其中橫軸代表時間，而縱軸代表電位位準。根據第4圖之量測結果，即使脈衝寬度調變電位VM具有相對較高之操作頻率，本發明所提之設計方式仍可使輸出電位VOUT平滑地上升至一穩態位準，而未有輸出暫態異常之情況發生。

在一些實施例中，升壓轉換器200之元件參數可如下列所述。脈衝寬度調變電位VM之操作頻率可介於150kHz至250kHz之間。第一電容器C1之電容值可介於264nF至396nF之間，較佳可為330nF。第二電容器C2之電容值可介於376nF至564nF之間，較佳可為470nF。第三電容器C3之電容值可介於1200μF至1800μF之間，較佳可為1500μF。第一電感器L1之電感值可介於297μH至363μH之間，較佳可為330μH。第二電感器L2之電感值可介於36μH至44μH之間，較佳可為40μH。第一電阻器R1之電阻值可介於8.5KΩ至11.5KΩ之間，較佳可為10KΩ。第二電阻器R2之電阻值可介於8.5KΩ至11.5KΩ之間，較佳可為10KΩ。第三電阻器R3之電阻值可介於12.75KΩ至17.25KΩ之間，較佳可為15KΩ。第四電阻器R4之電阻值可介於0.9KΩ至1.1KΩ之間，較佳可為1KΩ。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之輸出暫態異常。

本發明提出一種新穎之升壓轉換器，其包括可調緩衝電路和放電電路。根據實際量測結果，使用前述設計之升壓轉換器幾乎可完全消除非理想之輸出暫態異常，同時達成緩啟動之功效，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1-4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。

在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。

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:橋式整流器 120,220:限流電路 130,230:功率切換器 140,240:脈衝寬度調變積體電路 150,250:可調緩衝電路 160,260:放電電路 170,270:輸出級電路 C1:第一電容器 C2:第二電容器 C3:第三電容器 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 D7:第七二極體 D8:第八二極體 DP:寄生二極體 IL:電感電流 M1:第一電晶體 M2:第二電晶體 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 NIN1:第一輸入節點 NIN2:第二輸入節點 NOUT:輸出節點 L1:第一電感器 L2:第二電感器 R1:第一電阻器 R2:第二電阻器 R3:第三電阻器 R4:第四電阻器 V3,V5: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: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圖係顯示傳統升壓轉換器之輸出電位之波形圖。第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器之輸出電位之波形圖。

100:升壓轉換器

110:橋式整流器

120:限流電路

130:功率切換器

140:脈衝寬度調變積體電路

150:可調緩衝電路

160:放電電路

170:輸出級電路

L1:第一電感器

L2:第二電感器

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:整流電位

VSS:接地電位

Claims

一種緩啟動之升壓轉換器，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；一第一電感器，接收該整流電位；一限流電路；一功率切換器，根據一脈衝寬度調變電位來選擇性地將該第一電感器經由該限流電路耦接至一接地電位；一脈衝寬度調變積體電路，產生該脈衝寬度調變電位；一可調緩衝電路，包括一第二電感器，其中該第二電感器係與該第一電感器互相耦合；一放電電路，其中該可調緩衝電路係經由該放電電路耦接至該接地電位；以及一輸出級電路，耦接至該可調緩衝電路，並產生一輸出電位。
如請求項1所述之升壓轉換器，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該接地電位，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所述之升壓轉換器，其中該第一電感器具有一第一端和一第二端，該第一電感器之該第一端係耦接至該第一節點以接收該整流電位，而該第一電感器之該第二端係耦接至一第二節點。
如請求項3所述之升壓轉換器，其中該限流電路包括：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該第二節點，而該第一電阻器之該第二端係耦接至一第三節點；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一第四節點，而該第二電阻器之該第二端係耦接至該接地電位。
如請求項4所述之升壓轉換器，其中該功率切換器包括：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第四節點，而該第一電晶體之該第二端係耦接至該第三節點；其中該脈衝寬度調變電位之操作頻率係介於150kHz至250kHz之間。
如請求項3所述之升壓轉換器，其中該可調緩衝電路包括：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該第二節點，而該第五二極體之該陰極係耦接至一第五節點；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二節點，而該第三電阻器之該第二端係耦接至一第六節點；以及一第六二極體，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六節點，而該第六二極體之該陰極係耦接至一第七節點。
如請求項6所述之升壓轉換器，其中該可調緩衝電路更包括：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五節點，而該第一電容器之該第二端係耦接至該第七節點；其中該第二電感器具有一第一端和一第二端，該第二電感器之該第一端係耦接至該第五節點，而該第二電感器之該第二端係耦接至一輸出節點；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第五節點，而該第二電容器之該第二端係耦接至一第八節點。
如請求項7所述之升壓轉換器，其中該可調緩衝電路更包括：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耦接至該輸出節點，該第二電晶體之該第一端係耦接至該第八節點，而該第二電晶體之該第二端係耦接至該輸出節點；其中該第二電晶體內建一寄生二極體，該寄生二極體具有一陽極和一陰極，該寄生二極體之該陽極係耦接至該第八節點，而該寄生二極體之該陰極係耦接至該輸出節點。
如請求項6所述之升壓轉換器，其中該放電電路包括：一第七二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第七二極體之該陽極係耦接至該第五節點，而該第七二極體之該陰極係耦接至一第九節點；以及一第四電阻器，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第九節點，而該第四電阻器之該第二端係耦接至該接地電位。
如請求項7所述之升壓轉換器，其中該輸出級電路包括：一第八二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第八二極體之該陽極係耦接至該第七節點，而該第八二極體之該陰極係耦接至該輸出節點以輸出該輸出電位；以及一第三電容器，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該輸出節點，而該第三電容器之該第二端係耦接至該接地電位。