TWI752840B - 諧振切換式電源轉換器與其中之驅動電路 - Google Patents

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Abstract

一種諧振切換式電源轉換器包括功率級電路及驅動電路。功率級電路包括諧振電容、諧振電感及複數開關；驅動電路包括：複數驅動器，操作對應之開關；及電源供應電路，提供複數驅動器對應的驅動電源。電源供應電路包括：電壓增高電路，根據直流電壓及輸出相關訊號產生增高電源；複數驅動電容，其每一者之跨壓對應於對應的驅動電源；及複數供應二極體，自增高電源依供應二極體之順向方向彼此串聯耦接，每一供應二極體的反向端耦接於對應的驅動電源的正端，以向對應的驅動電容充電，以產生對應的驅動電源。

Description

諧振切換式電源轉換器與其中之驅動電路
本發明係有關於一種諧振切換式電源轉換器，特定而言係有關於一種能夠支援不同拓樸的切換式電源轉換器之驅動電路以及其諧振切換式電源轉換器。
圖1係顯示習知的切換式諧振腔轉換器。此習知的切換式諧振腔轉換器10包含功率級電路101及驅動電路102a~102d。驅動電路102a~102d用以分別驅動功率級電路101中的複數功率開關Q1~Q10。驅動電路102a用以驅動功率開關Q1及Q2，且其電源來自具有高電壓電容Ccp1之電荷幫浦。驅動電路102b用以驅動功率開關Q3及Q4，且其電源來自具有較低電壓之電容Ccp2之另一電荷幫浦。此習知的切換式諧振腔轉換器中的電容Ccp1及Ccp2須為可耐高壓的電容，且電容C之電壓會被使用到電容Ccp1，故會影響諧振點的操作，並且電路較為複雜。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種可適用於不同拓樸的諧振切換式電源轉換器之驅動電路及其諧振切換式電源轉換器。
於一觀點中，本發明提供一種諧振切換式電源轉換器，用以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，該諧振切換式電源轉換器包含：一功率級電路，包括：至少一諧振電容；至少一諧振電感，耦接於該至少一諧振電容；以及複數功率開關，用以切換所對應之該至少一諧振電容、該至少一諧振電感、該輸入電壓及該輸出電壓之電連接關係；以及一驅動電路，包括：複數驅動器，用以根據複數操作訊號而產生複數驅動訊號，用以週期性地於至少一諧振充電程序與至少一諧振放電程序中，分別操作至少部分對應之該複數功率開關，以諧振方式將該輸入電壓轉換為該輸出電壓；以及一電源供應電路，用以提供部分的該複數驅動器對應的複數驅動電源，包括：一電壓增高電路(voltage booster)，用以根據一時脈訊號、一直流電壓及相關於該輸出電壓的一輸出相關訊號，而產生一增高電源，其中該增高電源的電壓相關於該直流電壓及該輸出相關訊號之和；複數驅動電容，其中每一該驅動電容之跨壓對應於對應的該驅動電源；以及複數供應二極體，自該增高電源，依該供應二極體之順向方向，彼此串聯耦接，其中每一供應二極體的反向端耦接於對應的該驅動電源的該正端，用以向對應的該驅動電容充電，以產生對應的該驅動電源，且用以阻擋逆向電流與逆向電壓。
於一實施例中，該電壓增高電路、對應的該驅動電容與對應的該供應二極體形成一電荷幫浦，當該電壓增高電路產生該增高電源時，對應的該供應二極體根據該增高電源對該驅動電容充電，以產生對應的該驅動電源，其中該驅動電源的該負端耦接該輸出電壓，對應的該驅動電源相關於該直流電壓。
於一實施例中，該電壓增高電路包括一增高電容、一充電二極體以及一緩衝器，當該緩衝器根據該時脈訊號及該直流電壓而產生一高位準電壓時，該增高電容之跨壓疊加該高位準電壓而產生該增高電源，當該緩衝器根據該時脈訊號及一接地電位而產生一低位準電壓時，該充電二極體根據該輸出相關訊號對該增高電容充電，其中該輸出相關訊號對應為該輸出電壓。
於一實施例中，該電荷幫浦之操作頻率大於或等於該複數功率開關的切換頻率。
於一實施例中，該電壓增高電路、對應的該驅動電容、對應的該供應二極體以及對應的功率開關形成一自舉電路(bootstrap)，當該電壓增高電路產生該增高電源時，對應的該供應二極體根據一第二增高電源對該驅動電容充電，以產生對應的該驅動電源，其中該驅動電源的該負端之電壓隨該複數功率開關之切換而變動，該驅動電源的該正端之電壓亦隨該複數功率開關之切換而變動，對應的該驅動電源於穩態時，相關於該直流電壓，其中該第二增高電源相關於該增高電源。
於一實施例中，該電壓增高電路包括一增高電容、一充電二極體以及一緩衝器，當該緩衝器根據該時脈訊號及至少一該驅動電源的該負端之電壓而產生一高位準電壓時，該增高電容之跨壓疊加該高位準電壓而產生該增高電源，當該緩衝器根據該時脈訊號及一接地電位而產生一低位準電壓時，該充電二極體根據該直流電壓對該增高電容充電。
於一實施例中，該至少一諧振電感包括至少一充電諧振電感及至少一放電諧振電感，該至少一放電諧振電感耦接於該輸出電壓與該驅動電源的該負端之間，該驅動電容之負端、對應的該功率開關的一端以及該至少一放電諧振電感之高壓端均耦接至該驅動電源的該負端 ；其中該至少一充電諧振電感用以於該至少一諧振充電程序中，與該至少一諧振電容串聯而以諧振方式充電，該至少一放電諧振電感用以於該至少一諧振放電程序中，與該至少一諧振電容串聯而以諧振方式放電。
於一實施例中，該功率級電路對應於一諧振切換式電容轉換器，其中在該至少一諧振充電程序中，控制該複數功率開關的切換，使該至少一諧振電容與該至少一諧振電感串聯於該輸入電壓與該輸出電壓之間，以形成一充電路徑，而對該至少一諧振電容與該至少一諧振電感以諧振方式充電，在該至少一諧振放電程序中，控制該複數功率開關的切換，使每一該諧振電容與對應之該諧振電感串聯於該輸出電壓與一接地電位間，而同時形成或輪流形成複數放電路徑，而使對應的該至少一諧振電容與該至少一諧振電感以諧振方式放電，以產生該輸出電壓。
於一實施例中，該功率級電路對應於一切換式諧振腔轉換器，其中該功率級電路更包括至少一諧振腔以及對應的至少一非諧振電容，該至少一諧振腔具有彼此串聯的該至少一諧振電容與該至少一諧振電感，該複數功率開關耦接於該至少一諧振腔及對應的該至少一非諧振電容，用以切換所對應之該諧振腔與對應的該至少一非諧振電容之電連接關係，其中於該至少一諧振充電程序中，對所對應之該諧振腔進行諧振充電，其中於該至少一諧振放電程序中，使所對應之該諧振腔，諧振放電至對應的該非諧振電容，藉此產生該輸出電壓。
於一實施例中，該電源供應電路更包括複數驅動電源開關，每一驅動電源開關並聯於對應的該供應二極體，其中當該功率級電路對應於一諧振切換式電容轉換器時，該驅動電源開關設定為恆導通，當該功率級電路對應於一切換式諧振腔轉換器時，該驅動電源開關設定為恆不導通。
於一實施例中，該驅動電源開關為金屬氧化物半導體場效電晶體，其本體二極體對應於該供應二極體。
於一實施例中，該諧振切換式電源轉換器為雙向諧振切換式電源轉換器。
於一實施例中，當該諧振切換式電源轉換器之該輸入電壓與該輸出電壓之電壓轉換比率為N:1時，該至少一諧振電容為N-1個諧振電容，其中N為正整數。
於一實施例中，該諧振切換式電源轉換器根據以下順序而操作：該直流電壓及該時脈訊號備妥以提供至該電壓增高電路；接著，該複數操作訊號備妥以提供至該複數驅動器；接著，該輸入電壓備妥以提供至該功率級電路。
於另一觀點中，本發明提供一種驅動電路，用以驅動一諧振切換式電源轉換器，該諧振切換式電源轉換器用以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓且包含一功率級電路，該功率級電路包含複數功率開關，該驅動電路包含：複數驅動器，用以根據複數操作訊號而產生複數驅動訊號，用以週期性地於至少一諧振充電程序與至少一諧振放電程序中，分別操作至少部分對應之該複數功率開關，以諧振方式將該輸入電壓轉換為該輸出電壓；以及一電源供應電路，用以提供部分的該複數驅動器對應的複數驅動電源，包括：一電壓增高電路(voltage booster)，用以根據一時脈訊號、一直流電壓及相關於該輸出電壓的一輸出相關訊號，而產生一增高電源，其中該增高電源的電壓相關於該直流電壓及該輸出相關訊號之和；複數驅動電容，其中每一該驅動電容之跨壓對應於對應的該驅動電源；以及複數供應二極體，自該增高電源，依該供應二極體之順向方向，彼此串聯耦接，其中每一供應二極體的反向端耦接於對應的該驅動電源的該正端，用以向對應的該驅動電容充電，以產生對應的該驅動電源，且用以阻擋逆向電流與逆向電壓。
於一實施例中，該電壓增高電路、對應的該驅動電容與對應的該供應二極體形成一電荷幫浦，當該電壓增高電路產生該增高電源時，對應的該供應二極體根據該增高電源對該驅動電容充電，以產生對應的該驅動電源，其中該驅動電源的該負端耦接該輸出電壓，對應的該驅動電源相關於該直流電壓。
於一實施例中，該電壓增高電路包括一增高電容、一充電二極體以及一緩衝器，當該緩衝器根據該時脈訊號及該直流電壓而產生一高位準電壓時，該增高電容之跨壓疊加該高位準電壓而產生該增高電源，當該緩衝器根據該時脈訊號及一接地電位而產生一低位準電壓時，該充電二極體根據該輸出相關訊號對該增高電容充電，其中該輸出相關訊號對應為該輸出電壓。
於一實施例中，該電荷幫浦之操作頻率大於或等於該複數功率開關的切換頻率。
於一實施例中，該電壓增高電路、對應的該驅動電容、對應的該供應二極體以及對應的功率開關形成一自舉電路(bootstrap)，當該電壓增高電路產生該增高電源時，對應的該供應二極體根據一第二增高電源對該驅動電容充電，以產生對應的該驅動電源，其中該驅動電源的該負端之電壓隨該複數功率開關之切換而變動，該驅動電源的該正端之電壓亦隨該複數功率開關之切換而變動，對應的該驅動電源於穩態時，相關於該直流電壓，其中該第二增高電源相關於該增高電源。
於一實施例中，該電壓增高電路包括一增高電容、一充電二極體以及一緩衝器，當該緩衝器根據該時脈訊號及至少一該驅動電源的該負端之電壓而產生一高位準電壓時，該增高電容之跨壓疊加該高位準電壓而產生該增高電源，當該緩衝器根據該時脈訊號及一接地電位而產生一低位準電壓時，該充電二極體根據該直流電壓對該增高電容充電。
於一實施例中，該電源供應電路更包括複數驅動電源開關，每一驅動電源開關並聯於對應的該供應二極體，其中當該功率級電路對應於一諧振切換式電容轉換器時，該驅動電源開關設定為恆導通，當該功率級電路對應於一切換式諧振腔轉換器時，該驅動電源開關設定為恆不導通。
於一實施例中，該驅動電源開關為金屬氧化物半導體場效電晶體，其本體二極體對應於該供應二極體。
本發明之一優點係為本發明之驅動電路可支援不同拓樸的切換式電源轉換器且僅使用單一個電源供應電路即可供給足夠的電源給功率級電路。
本發明之另一優點係為本發明之驅動電路可調整供給電壓以達到最佳的功率效率。
本發明之又一優點係為本發明之驅動電路與傳統的驅動電路相比具有較少元件且與傳統驅動電路相比具有較少接腳數。
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。
圖2係根據本發明之一實施例顯示一諧振切換式電源轉換器之電路示意圖。如圖2所示，諧振切換式電源轉換器20包含一功率級電路201、驅動電路202a及202b及控制器203。功率級電路201包含諧振電容C1、C3、至少一非諧振電容C2、功率開關Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10及諧振電感L1、L2。諧振切換式電源轉換器20包含至少一諧振腔，例如諧振腔2011及2012，諧振腔2011具有彼此串聯之一諧振電容C1與一諧振電感L1，而諧振腔2012具有彼此串聯之一諧振電容C3與一諧振電感L2。
功率開關Q1-Q10與諧振腔2011、2012對應耦接，分別根據對應之驅動訊號G1~G10，以切換所對應之該諧振腔2011、2012之電連接關係而對應一諧振充電程序與一諧振放電程序。於該諧振充電程序中，對所對應之諧振腔2011、2012進行諧振充電，於該諧振放電程序中對所對應之諧振腔2011、2012進行諧振放電。
至少一非諧振電容C2係與至少一諧振腔2011、2012耦接，驅動訊號G1~G10切換該非諧振電容C2與該至少一諧振腔2011、2012之電連接關係。非諧振電容C2之跨壓維持與輸入電壓Vin成一固定比例，例如在本實施例中為二分之一輸入電壓Vin。控制器203係用以產生充電操作訊號GA、放電操作訊號GB，以分別對應一諧振充電程序及一諧振放電程序。
驅動電路202a包括複數驅動器Drv1~Drv4以及一電源供應電路2021，驅動電路202b包括複數驅動器Drv5~Drv10。驅動器Drv1~Drv10，用以根據對應的充電操作訊號GA及放電操作訊號GB而產生對應的充電驅動訊號G1, G3, G5, G8, G9，以及對應的放電驅動訊號G2, G4, G6, G7, G10，用以週期性地於至少一諧振充電程序與至少一諧振放電程序中，分別操作對應之功率開關Q1~Q10，以諧振方式將該輸入電壓Vin轉換為該輸出電壓Vout。在一實施例中，充電驅動訊號G1, G3, G5, G8, G9與充電操作訊號GA對應為同相，放電驅動訊號G2, G4, G6, G7, G10與放電操作訊號GB對應為同相，在一實施例中，充電操作訊號GA與放電操作訊號GB互為反相。電源供應電路2021用以提供部分的該複數驅動器Drv1~Drv4對應的複數驅動電源Vcd1~Vcd4。電源供應電路2021包括一電壓增高電路(voltage booster)20211、複數驅動電容Cd1~Cd4及複數供應二極體Ds1~Ds4。電壓增高電路20211用以根據一時脈訊號CLK、一直流電壓VDD及相關於該輸出電壓Vout的一輸出相關訊號Vor，而產生一增高電源Vb。於一實施例中，該增高電源Vb的電壓相關於該直流電壓VDD及該輸出相關訊號Vor之和。其中每一該驅動電容Cd1~Cd4之跨壓對應於對應的驅動電源Vcd1~Vcd4。
於一實施例中，電壓增高電路20211包括一增高電容Cb、一充電二極體Dc以及一緩衝器B。時脈訊號CLK耦接至緩衝器B之輸入端，直流電壓VDD耦接至緩衝器B之電源正端，而接地電位耦接至緩衝器B之電源負端。緩衝器B之輸出端耦接至增高電容Cb之負端，而增高電容Cb之正端與充電二極體Dc之反向端共同耦接至增高電源Vb，輸出相關訊號Vor耦接至充電二極體Dc之非反向端。當緩衝器B根據時脈訊號CLK及一接地電位而於緩衝器輸出Vbo產生一低位準電壓時，充電二極體Dc根據輸出相關訊號Vor對增高電容Cb充電。當緩衝器B根據時脈訊號CLK及直流電壓VDD而於緩衝器輸出Vbo產生一高位準電壓時，增高電容Cb之跨壓Vcb疊加高位準電壓而產生增高電源Vb。於一實施例中，輸出相關訊號Vor對應為輸出電壓Vout。於一實施例中，電壓增高電路20211、對應的驅動電容Cd4與對應的供應二極體Ds4形成一電荷幫浦。當電壓增高電路20211產生增高電源Vb時，對應的供應二極體Ds4根據增高電源Vb對驅動電容Cd4充電，以產生對應的驅動電源Vcd4。於一實施例中，驅動電源Vcd4的負端耦接輸出電壓Vout，對應的驅動電源Vcd4相關於直流電壓VDD。於一實施例中，電荷幫浦之操作頻率大於或等於複數功率開關Q1~Q10的切換頻率。
於一實施例中，電壓增高電路20211、對應的驅動電容Cd1~Cd3、對應的供應二極體Ds1~Ds3以及對應的功率開關Q2~Q4形成一自舉電路(bootstrap)。例如，當電壓增高電路20211產生增高電源Vb時，對應的供應二極體Ds3根據一第二增高電源例如Vb1對驅動電容Cd3充電，以產生對應的驅動電源Vcd3。驅動電源Vcd3的負端之電壓隨功率開關Q3之切換而變動，驅動電源Vcd3的正端之電壓亦隨功率開關Q3之切換而變動，對應的驅動電源Vcd3於穩態時，相關於直流電壓VDD。當電壓增高電路20211產生增高電源Vb時，對應的供應二極體Ds2根據一第二增高電源例如Vb2對驅動電容Cd2充電，以產生對應的驅動電源Vcd2。驅動電源Vcd2的負端之電壓隨功率開關Q2之切換而變動，驅動電源Vcd2的正端之電壓亦隨功率開關Q2之切換而變動，對應的驅動電源Vcd2於穩態時，相關於直流電壓VDD。當電壓增高電路20211產生增高電源Vb時，對應的供應二極體Ds1根據一第二增高電源例如Vb3對驅動電容Cd1充電，以產生對應的驅動電源Vcd1。驅動電源Vcd1的負端之電壓隨功率開關Q1之切換而變動，驅動電源Vcd1的正端之電壓(BT1)亦隨功率開關Q1之切換而變動，對應的驅動電源Vcd1於穩態時，相關於直流電壓VDD。於一實施例中，第二增高電源Vb1、Vb2、Vb3相關於增高電源Vb，供應二極體Ds1~Ds3除了在順向時用以提供上述的第二增高電源Vb1、Vb2、Vb3之外，也同時用以阻擋逆向電流與電壓。在一實施例中，供應二極體Ds1~Ds3可為P-N接面二極體、蕭特基二極體或其他形式的二極體。
就一觀點而言，複數供應二極體Ds1~Ds4自增高電源Vb，依供應二極體Ds1~Ds4之順向方向，彼此串聯耦接。驅動電容Cd2~Cd4之每一者分別耦接於複數供應二極體Ds1~Ds4之間的節點與對應的功率開關Q2~Q4之源極端之間。例如，驅動電容Cd4耦接於供應二極體Ds4及Ds3之間的節點Dn3與功率開關Q4之源極端之間，驅動電容Cd3耦接於供應二極體Ds3及Ds2之間的節點Dn2與功率開關Q3之源極端之間，而驅動電容Cd2耦接於供應二極體Ds2及Ds1之間的節點Dn1與功率開關Q2之源極端之間。驅動電容Cd1耦接於供應二極體Ds1之反向端與功率開關Q1之源極端之間。於一實施例中，每一驅動電容Cd1~Cd4之跨壓對應於對應的驅動電源Vcd1~Vcd4，分別供應於驅動器Drv1~Drv4。於一實施例中，每一驅動電容Cd1~Cd4分別與對應的驅動器Drv1~Drv4並聯於對應的驅動電容Cd1~Cd4的正端與負端之間，而驅動器Drv1~Drv4之輸出端分別耦接至對應的功率開關Q1~Q4之閘極端，以將充電驅動訊號G1、G3及放電驅動訊號G2、G4分別輸出給對應的功率開關Q1~Q4。於一實施例中，每一供應二極體Ds1~Ds4的反向端耦接於對應的驅動電源的正端，用以向對應的驅動電容Cd1~Cd4充電，以產生對應的驅動電源，且用以阻擋逆向電流與逆向電壓，具體而言，第二增高電源Vb1、Vb2、Vb3自增高電源Vb起，各自降低對應數量個二極體的順向導通電壓。驅動電源之負端分別耦接至對應的功率開關Q1~Q4之源極端。
諧振充電程序與諧振放電程序彼此重複地交錯排序，以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。充電操作訊號GA與放電操作訊號GB分別各自切換至一導通位準一段導通期間，且充電操作訊號GA與放電操作訊號GB之複數段導通期間彼此不重疊，以使諧振充電程序與諧振放電程序彼此不重疊。
於一實施例中，諧振切換式電源轉換器根據以下順序而操作，以進行電源轉換：直流電壓及時脈訊號備妥以提供至電壓增高電路；接著，複數操作訊號備妥以提供至複數驅動器；接著，輸入電壓備妥以提供至功率級電路。
有關具有如圖2所示之諧振腔2011及2012之諧振切換式電源轉換器20的操作方式，此為本領域中具有通常知識者所熟知，在此不予贅述。
圖3及圖4係根據本發明之一實施例（圖2）顯示諧振切換式電源轉換器之相關訊號的訊號波形示意圖。圖4為圖3的時間展開版。第二增高電源Vb1、節點BT1之電壓、充電驅動訊號G1、節點S1之電壓、放電驅動訊號G2、節點S2之電壓及輸出電壓Vout如圖3及圖4所示。
圖5係根據本發明之另一實施例顯示一諧振切換式電源轉換器之電路示意圖。如圖5所示，本發明之諧振切換式電源轉換器30包含功率級電路301、驅動電路302a及302b及控制器303。功率級電路301包含諧振電容C1、C2、C3、功率開關Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10及諧振電感L1、L2、L3。功率開關Q1-Q3分別與對應之諧振電容C1-C3串聯，而諧振電容C1-C3分別與對應之諧振電感L1-L3串聯。應注意者為，本發明之諧振切換式電源轉換器中的諧振電容數量並不限於本實施例的三個，亦可為二個或四個以上，且諧振電感數量亦不限於本實施例的三個，亦可為二個或四個以上，本實施例所顯示之元件數量僅用以說明本發明，而非用以限制本發明。於一實施例中，諧振切換式電源轉換器可為雙向諧振切換式電源轉換器。所謂雙向諧振切換式電源轉換器，係指輸入端(提供輸入電壓Vin)與輸出端(提供輸出電壓Vout)的角色對調，意即在如圖5所示的實施例中，諧振切換式電源轉換器30可將輸出電壓Vout轉換為輸入電壓Vin。
如圖5所示，功率開關Q5之一端耦接至功率開關Q1與諧振電容C1之間的節點，功率開關Q6之一端耦接至功率開關Q2與諧振電容C2之間的節點，而功率開關Q7之一端耦接至功率開關Q3與諧振電容C3之間的節點。功率開關Q8之一端耦接至諧振電感L1與功率開關Q2之間的節點，功率開關Q9之一端耦接至諧振電感L2與功率開關Q3之間的節點，而功率開關Q10之一端耦接至諧振電感L3與功率開關Q4之間的節點。如圖5所示，功率開關Q5-Q7之另一端則共同耦接至輸出電壓Vout。功率開關Q8-Q10之另一端係共同耦接至接地電位。功率開關Q4耦接於諧振電感L3與輸出電壓Vout之間，功率開關Q1之一端耦接至輸入電壓Vin。控制器303係用以產生充電操作訊號GA、放電操作訊號GB，以分別對應一諧振充電程序及一諧振放電程序。
驅動電路302a包括複數驅動器Drv1、Drv5~Drv7以及一電源供應電路3021，驅動電路302b包括複數驅動器Drv2~Drv4, Drv8~Drv10。驅動器Drv1~Drv10，用以根據對應的充電操作訊號GA及放電操作訊號GB而產生對應的充電驅動訊號G1~G4，以及對應的放電驅動訊號G5~G10，用以週期性地於至少一諧振充電程序與至少一諧振放電程序中，其中驅動電路302a與驅動電路302b操作對應之複數功率開關Q1~Q10，以諧振方式將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。在一實施例中，充電驅動訊號G1~G4及放電驅動訊號G5~G10與對應的充電操作訊號GA及放電操作訊號GB分別對應為同相。電源供應電路3021用以提供部分的複數驅動器Drv1、Drv5~Drv7對應的複數驅動電源Vcd1、Vcd5~Vcd7。電源供應電路3021包括一電壓增高電路(voltage booster)30211、複數驅動電容Cd1、Cd5~Cd7及複數供應二極體Ds1及Ds2。電壓增高電路30211用以根據一時脈訊號CLK、一直流電壓VDD及相關於輸出電壓Vout的一輸出相關訊號Vor，而產生一增高電源Vb。於一實施例中，增高電源Vb的電壓相關於直流電壓VDD及輸出相關訊號Vor之和。
於一實施例中，電壓增高電路30211包括一增高電容Cb、一充電二極體Dc以及一緩衝器B。時脈訊號CLK耦接至緩衝器B之輸入端，直流電壓VDD耦接至緩衝器B之電源正端，而接地電位耦接至緩衝器B之電源負端。緩衝器B之輸出端耦接至增高電容Cb之負端，而增高電容Cb之正端與充電二極體Dc之反向端共同耦接至增高電源Vb，輸出相關訊號Vor耦接至充電二極體Dc之非反向端。當緩衝器B根據時脈訊號CLK及一接地電位而於緩衝器輸出Vbo產生一低位準電壓時，充電二極體Dc根據輸出相關訊號Vor對增高電容Cb充電。當緩衝器B根據時脈訊號CLK及直流電壓VDD而於緩衝器輸出Vbo產生一高位準電壓時，增高電容Cb之跨壓Vcb疊加高位準電壓而產生增高電源Vb。於一實施例中，輸出相關訊號Vor對應為輸出電壓Vout。於一實施例中，電壓增高電路30211、對應的驅動電容Cd5~Cd7與對應的供應二極體Ds2形成一電荷幫浦。例如，當電壓增高電路30211產生增高電源Vb時，對應的供應二極體Ds2根據增高電源Vb對驅動電容Cd7充電，以產生對應的驅動電源Vcd7，對應的供應二極體Ds2根據增高電源Vb對驅動電容Cd6充電，以產生對應的驅動電源Vcd6，對應的供應二極體Ds2根據增高電源Vb對驅動電容Cd5充電，以產生對應的驅動電源Vcd5。於一實施例中，驅動電源Vcd5~Vcd7的負端耦接輸出電壓Vout，對應的驅動電源相關於直流電壓VDD。於一實施例中，電荷幫浦之操作頻率大於或等於複數功率開關Q1~Q10的切換頻率。
於一實施例中，電壓增高電路30211、對應的驅動電容Cd1、對應的供應二極體Ds1以及對應的功率開關Q1形成一自舉電路(bootstrap)。當電壓增高電路30211產生增高電源Vb時，對應的供應二極體Ds1根據第二增高電源Vb1對驅動電容Cd1充電，以產生對應的驅動電源Vcd1。於一實施例中，驅動電源Vcd1的負端之電壓隨功率開關Q1之切換而變動，驅動電源Vcd1的正端之電壓(BT1)亦隨功率開關Q1之切換而變動，對應的驅動電源於穩態時，相關於直流電壓VDD。於一實施例中，第二增高電源Vb1相關於增高電源Vb。
複數供應二極體Ds1及Ds2自增高電源Vb，依供應二極體Ds1及Ds2之順向方向，彼此串聯耦接。驅動電容Cd5~Cd7之每一者之正端共同耦接至複數供應二極體Ds1及Ds2之間的節點，驅動電容Cd5~Cd7之每一者之負端共同耦接至輸出相關訊號Vor。驅動電容Cd1耦接於供應二極體Ds1之反向端與功率開關Q1之源極端之間。於一實施例中，每一驅動電容Cd1、Cd5~Cd7之跨壓對應於對應的驅動電源Vcd1、Vcd5~Vcd7，分別用以供應電源予驅動器Drv1、Drv5~Drv7，驅動器Drv1、Drv5~Drv7係分別耦接於控制器303與對應的功率開關Q1、Q5~Q7之間，用以根據充電操作訊號GA或放電操作訊號GB控制對應的功率開關Q1、Q5~Q7。於一實施例中，每一驅動電容Cd1、Cd5~Cd7分別與對應的驅動器Drv1、Drv5~Drv7並聯於對應的驅動電容Cd1、Cd5~Cd7的正端與負端之間，而驅動器Drv1、Drv5~Drv7之輸出端分別耦接至對應的功率開關Q1、Q5~Q7之閘極端，以將充電驅動訊號G1及放電驅動訊號G5~G7分別輸出給對應的功率開關Q1、Q5~Q7。於一實施例中，每一供應二極體Ds1及Ds2的反向端耦接於對應的驅動電源的正端，用以向對應的驅動電容Cd1、Cd5~Cd7充電，以產生對應的驅動電源，且用以阻擋逆向電流與逆向電壓。本實施例中，驅動電源Vcd1之負端耦接至功率開關Q1之源極端S1，驅動電源Vcd5~Vcd7之負端耦接於輸出相關訊號Vor，本實施例中，輸出相關訊號Vor對應於輸出電壓Vout。
具體而言，功率開關Q1-Q10可根據充電驅動訊號G1~G4及放電驅動訊號G5~G10，切換所對應之諧振電容C1-C3與諧振電感L1-L3之電連接關係。在一諧振充電程序中，根據充電驅動訊號G1~G4與放電驅動訊號G5~G10，控制功率開關Q1-Q4係為導通，功率開關Q5-Q10係為不導通，使得諧振電容C1-C3與諧振電感L1-L3彼此串聯於輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之間，以形成一充電路徑。在一諧振放電程序中，根據充電驅動訊號G1~G4與放電驅動訊號G5~G10，控制功率開關Q5-Q10係導通，功率開關Q1-Q4係不導通，使諧振電容C1與對應之諧振電感L1串聯於輸出電壓Vout與接地電位間，諧振電容C2與對應之諧振電感L2串聯於輸出電壓Vout與接地電位間，諧振電容C3與對應之諧振電感L3串聯於輸出電壓Vout與接地電位間，而形成複數放電路徑。
圖6係根據本發明之一實施例顯示圖5之諧振切換式電源轉換器之相關訊號的訊號波形示意圖。第二增高電源Vb1、節點BT1之電壓、充電驅動訊號G1、節點S1之電壓、放電驅動訊號G5、節點S5之電壓及輸出電壓Vout如圖6所示。
圖7係根據本發明之又一實施例顯示一諧振切換式電源轉換器之電路示意圖。本實施例與圖5類似，本實施例之諧振切換式電源轉換器40與圖5之實施例的不同在於本實施例之電源供應電路4021包括供應二極體Ds1~Ds4以及驅動電源開關S1及S2。本實施例之功率級電路401、電源供應電路4021、電壓增高電路40211、驅動器Drv1~Drv10、驅動電容Cd1、Cd5~Cd7、控制器403與圖5之功率級電路301、電源供應電路3021、電壓增高電路30211、驅動器Drv1~Drv10、驅動電容Cd1、Cd5~Cd7、控制器303類似，故不贅述。如圖7所示，複數供應二極體Ds1~Ds4自增高電源Vb，依供應二極體Ds1~Ds4之順向方向，彼此串聯耦接。驅動電容Cd5之正端耦接至供應二極體Ds1及Ds2之間的節點Dn1，驅動電容Cd6之正端耦接至供應二極體Ds2及Ds3之間的節點Dn2，驅動電容Cd7之正端耦接至供應二極體Ds3及Ds4之間的節點Dn3，而驅動電容Cd5~Cd7之每一者之負端共同耦接至輸出相關訊號Vor。如圖7所示，驅動電源開關S1並聯於對應的供應二極體Ds2，驅動電源開關S2並聯於對應的供應二極體Ds3。應注意者為，雖然本實施例係顯示將驅動電路402a應用於諧振切換式電容轉換器，然而驅動電路402a亦可應用於圖2所示之切換式諧振腔轉換器。於一實施例中，當功率級電路對應於一諧振切換式電容轉換器時，驅動電源開關S1及S2設定為恆導通。於另一實施例中，當功率級電路對應於一切換式諧振腔轉換器時，驅動電源開關S1及S2設定為恆不導通。於一實施例中，驅動電源開關S1及S2可為金屬氧化物半導體場效電晶體，其本體二極體分別對應於供應二極體Ds2及Ds3，故可省略設置外接的供應二極體。
圖8係根據本發明之再一實施例顯示一諧振切換式電源轉換器之電路示意圖。本實施例之功率級電路501分別於充電路徑與放電路徑上分別配置充電諧振電感L3與放電諧振電感L2，而於對應的諧振充電程序及諧振放電程序分別通過充電諧振電感L3與放電諧振電感L2進行諧振充電與諧振放電。
如圖8所示，本發明之諧振切換式電源轉換器50之功率級電路501包含諧振電容C1、C2、C3、功率開關Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、充電諧振電感L3及放電諧振電感L2。功率開關Q1-Q3分別與對應之諧振電容C1-C3串聯，而功率開關Q4與充電諧振電感L3串聯。應注意者為，本發明之諧振切換式電源轉換器中的諧振電容數量並不限於本實施例的三個，亦可為二個或四個以上，本實施例所顯示之元件數量僅用以說明本發明，而非用以限制本發明。於一實施例中，充電諧振電感L3之電感值可等於放電諧振電感L2之電感值。在另一實施例中，充電諧振電感L3之電感值與放電諧振電感L2之電感值可配置為適當比例，以使諧振充電程序與諧振放電程序的諧振頻率相等。
如圖8所示，功率開關Q5之一端耦接至功率開關Q1與諧振電容C1之間的節點，功率開關Q6之一端耦接至功率開關Q2與諧振電容C2之間的節點，而功率開關Q7之一端耦接至功率開關Q3與諧振電容C3之間的節點。功率開關Q8之一端耦接至諧振電容C1與功率開關Q2之間的節點，功率開關Q9之一端耦接至諧振電容C2與功率開關Q3之間的節點，而功率開關Q10之一端耦接至諧振電容C3與功率開關Q4之間的節點。如圖8所示，功率開關Q5-Q7之另一端共同電連接至一節點後，串聯至放電諧振電感L2。功率開關Q8-Q10之另一端係共同耦接至接地電位。充電諧振電感L3及放電諧振電感L2的另一端係共同耦接至輸出電壓Vout，功率開關Q1之另一端耦接至輸入電壓Vin。控制器503係用以產生充電操作訊號GA、放電操作訊號GB，以分別對應一諧振充電程序及一諧振放電程序。
驅動電路502a包括複數驅動器Drv1、Drv5~Drv7以及一電源供應電路5021。驅動電路502b包括複數驅動器Drv2~Drv4, Drv8~Drv10。驅動器Drv1~Drv10，用以根據對應的充電操作訊號GA及放電操作訊號GB而產生對應的充電驅動訊號G1~G4，以及對應的放電驅動訊號G5~G10，用以週期性地於至少一諧振充電程序與至少一諧振放電程序中，其中驅動電路502a與驅動電路502b操作對應之複數功率開關Q1~Q10，以諧振方式將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。在一實施例中，充電驅動訊號G1~G4及放電驅動訊號 G5~G10與對應的充電操作訊號GA及放電操作訊號GB分別對應為同相。電源供應電路5021用以提供部分的複數驅動器Drv1、Drv5~Drv7對應的驅動電源Vcd1、Vcd5~Vcd7。電源供應電路5021包括一電壓增高電路(voltage booster)50211、複數驅動電容Cd1、Cd5~Cd7、複數供應二極體Ds1~Ds4及驅動電源開關S1及S2。電壓增高電路50211用以根據一時脈訊號CLK、一直流電壓VDD及放電諧振電感高壓端Vlp之電壓(亦即驅動電源的負端之電壓)，而產生一增高電源Vb，本實施例中，前述的輸出相關訊號Vor對應為放電諧振電感高壓端之電壓Vlp。放電諧振電感L2耦接於輸出電壓Vout與驅動電源的負端(亦即放電諧振電感高壓端Vlp)之間。於一實施例中，增高電源Vb的電壓相關於直流電壓VDD及放電諧振電感高壓端Vlp之電壓之和。
於一實施例中，電壓增高電路50211包括一增高電容Cb、一充電二極體Dc以及一緩衝器B。時脈訊號CLK耦接至緩衝器B之輸入端，放電諧振電感高壓端Vlp耦接至緩衝器B之電源正端，而接地電位耦接至緩衝器B之電源負端。緩衝器B之輸出端耦接至增高電容Cb之負端，而增高電容Cb之正端與充電二極體Dc之反向端共同耦接至增高電源Vb，直流電壓VDD耦接至充電二極體DC之非反向端。當緩衝器B根據時脈訊號CLK及一接地電位而於緩衝器輸出Vbo產生一低位準電壓時，充電二極體Dc根據直流電壓VDD對增高電容Cb充電。當緩衝器B根據時脈訊號CLK及放電諧振電感高壓端Vlp之電壓(亦即驅動電源的負端之電壓)而於緩衝器輸出Vbo產生一高位準電壓時，增高電容Cb之跨壓Vcb疊加高位準電壓而產生增高電源Vb。
於一實施例中，電壓增高電路50211、對應的驅動電容Cd1、Cd5~Cd7、對應的供應二極體Ds1~Ds4以及對應的功率開關Q1、Q5~Q7形成一自舉電路(bootstrap)。例如，當電壓增高電路50211產生增高電源Vb時，對應的供應二極體Ds4根據增高電源Vb對驅動電容Cd7充電，以產生對應的驅動電源Vcd7。驅動電容Cd7之負端、對應的功率開關Q7的一端以及放電諧振電感高壓端Vlp均耦接至驅動電源Vcd7的負端。驅動電源Vcd7的負端之電壓隨功率開關Q7之切換而變動，驅動電源Vcd7的正端之電壓亦隨功率開關Q7之切換而變動。當電壓增高電路50211產生增高電源Vb時，對應的供應二極體Ds3根據一第二增高電源例如Vb1對驅動電容Cd6充電，以產生對應的驅動電源Vcd6。驅動電源Vcd6的負端之電壓隨功率開關Q6之切換而變動，驅動電源Vcd6的正端之電壓亦隨功率開關Q6之切換而變動。當電壓增高電路50211產生增高電源Vb時，對應的供應二極體Ds2根據第二增高電源例如Vb2對驅動電容Cd5充電，以產生對應的驅動電源Vcd5。驅動電源Vcd5的負端之電壓隨功率開關Q5之切換而變動，驅動電源Vcd5的正端之電壓亦隨功率開關Q5之切換而變動。當電壓增高電路50211產生增高電源Vb時，對應的供應二極體Ds1根據第二增高電源例如Vb3對驅動電容Cd1充電，以產生對應的驅動電源Vcd1。驅動電源Vcd1的負端之電壓隨功率開關Q1之切換而變動，驅動電源Vcd1的正端之電壓亦隨功率開關Q1之切換而變動。對應的驅動電源於穩態時，相關於直流電壓VDD。於一實施例中，第二增高電源Vb1、Vb2、Vb3相關於增高電源Vb。
複數供應二極體Ds1~Ds4自增高電源Vb，依供應二極體Ds1~Ds4之順向方向，彼此串聯耦接。驅動電容Cd5之正端耦接至供應二極體Ds1及Ds2之間的節點Dn1，驅動電容Cd6之正端耦接至供應二極體Ds2及Ds3之間的節點Dn2，驅動電容Cd7之正端耦接至供應二極體Ds3及Ds4之間的節點Dn3，而驅動電容Cd5~Cd7之每一者之負端共同耦接至放電諧振電感高壓端Vlp。驅動電容Cd1耦接於供應二極體Ds1之反向端與功率開關Q1之源極端之間。於一實施例中，每一驅動電容Cd1、Cd5~Cd7之跨壓對應於對應的驅動電源Vcd1、Vcd5~Vcd7，分別用以供應電源予驅動器Drv1、Drv5~Drv7。於一實施例中，每一驅動電容Cd1、Cd5~Cd7分別與對應的驅動器Drv1、Drv5~Drv7並聯於對應的驅動電容Cd1、Cd5~Cd7的正端與負端之間，而驅動器Drv1、Drv5~Drv7之輸出端分別耦接至對應的功率開關Q1、Q5~Q7之閘極端，以將充電驅動訊號G1及放電驅動訊號G5~G7分別輸出給對應的功率開關Q1、Q5~Q7。於一實施例中，每一供應二極體Ds1~Ds4的反向端耦接於對應的驅動電源的正端，用以向對應的驅動電容Cd1、Cd5~Cd7充電，以產生對應的驅動電源，且用以阻擋逆向電流與逆向電壓。驅動電源Vcd1之負端耦接至功率開關Q1之源極端，驅動電源Vcd5~Vcd7之負端耦接至放電諧振電感高壓端Vlp。驅動器Drv1、Drv5~Drv7係分別耦接於控制器503與對應的功率開關Q1、Q5~Q7之間，用以根據充電操作訊號GA或放電操作訊號GB控制對應的功率開關Q1、Q5~Q7。如圖8所示，驅動電源開關S1並聯於對應的供應二極體Ds2，驅動電源開關S2並聯於對應的供應二極體Ds3。應注意者為，雖然本實施例係顯示將驅動電路502a應用於諧振切換式電容轉換器，然而驅動電路502a亦可應用於圖2所示之切換式諧振腔轉換器。於一實施例中，當功率級電路對應於一諧振切換式電容轉換器時，驅動電源開關S1及S2設定為恆導通。於另一實施例中，當功率級電路對應於一切換式諧振腔轉換器時，驅動電源開關S1及S2設定為恆不導通。於一實施例中，驅動電源開關S1及S2可為金屬氧化物半導體場效電晶體，其本體二極體分別對應於供應二極體Ds2及Ds3，故可省略設置外接的供應二極體。
功率開關Q1-Q10可根據充電驅動訊號G1~G4及放電驅動訊號G5~G10，切換所對應之諧振電容C1-C3與充電諧振電感L3及放電諧振電感L2之電連接關係。在一諧振充電程序中，根據充電驅動訊號G1~G4與放電驅動訊號G5~G10，控制功率開關Q1-Q4係為導通，功率開關Q5-Q10係為不導通，使得諧振電容C1-C3彼此串聯後與充電諧振電感L3串聯於輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之間，以形成一充電路徑。在一諧振放電程序中，根據充電驅動訊號G1~G4與放電驅動訊號G5~G10，控制功率開關Q5-Q10係導通，功率開關Q1-Q4係不導通，使諧振電容C1、諧振電容C2及諧振電容C3彼此並聯後串聯放電諧振電感L2，而形成複數放電路徑。
圖9係根據本發明之又一實施例顯示一諧振切換式電源轉換器之電路示意圖。本實施例之諧振切換式電源轉換器60與圖8之實施例的不同在於本實施例係採用單一諧振電感L1分別於諧振充電程序作為充電諧振電感且於諧振放電程序作為放電諧振電感，如此可更進一步減少電感數量。本實施例之驅動電路602a、控制器603與圖8之驅動電路502a、控制器503類似，故不贅述。本實施例之諧振電感高壓端相關訊號Vlpr係耦接至諧振電感L1之正端且相關於諧振電感L1之正端的電壓。本實施例之電壓增高電路60211之緩衝器B的電源正端係耦接至諧振電感高壓端相關訊號Vlpr，且本實施例之驅動電容Cd5~Cd7之負端係共同耦接至諧振電感高壓端相關訊號Vlpr。如圖9所示，本發明之諧振切換式電源轉換器60包含功率級電路601。功率級電路601包含諧振電容C1、C2、C3、功率開關Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10以及諧振電感L1。功率開關Q1-Q3分別與對應之諧振電容C1-C3串聯，而功率開關Q4與諧振電感L1串聯。於一實施例中，諧振電感L1可為可變諧振電感。
如圖9所示，功率開關Q5之一端耦接至功率開關Q1與諧振電容C1之間的節點，功率開關Q6之一端耦接至功率開關Q2與諧振電容C2之間的節點，而功率開關Q7之一端耦接至功率開關Q3與諧振電容C3之間的節點。功率開關Q8之一端耦接至諧振電容C1與功率開關Q2之間的節點，功率開關Q9之一端耦接至諧振電容C2與功率開關Q3之間的節點，而功率開關Q10之一端耦接至諧振電容C3與功率開關Q4之間的節點。如圖9所示，功率開關Q5-Q7之另一端共同電連接至一節點後，耦接至功率開關Q4與諧振電感L1之間的節點（即前述的諧振電感高壓端相關訊號Vlpr），功率開關Q8-Q10之另一端係共同耦接至接地電位。諧振電感L1的另一端係耦接至輸出電壓Vout，功率開關Q1之另一端耦接至輸入電壓Vin。
再參考圖9，功率開關Q1-Q10可根據充電驅動訊號G1~G4及放電驅動訊號G5~G10，切換所對應之諧振電容C1-C3與諧振電感L1之電連接關係。在一諧振充電程序中，根據充電驅動訊號G1~G4與放電驅動訊號G5~G10，控制功率開關Q1-Q4係為導通，功率開關Q5-Q10係為不導通，使得諧振電容C1-C3彼此串聯後與諧振電感L1串聯於輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之間，以形成一充電路徑。在一諧振放電程序中，根據充電驅動訊號G1~G4與放電驅動訊號G5~G10，控制功率開關Q5-Q10係導通，功率開關Q1-Q4係不導通，使諧振電容C1、諧振電容C2及諧振電容C3彼此並聯後串聯諧振電感L1，而形成複數放電路徑。
應注意者為，上述諧振充電程序與上述諧振放電程序係於不同的時間段重複地交錯進行，而非同時進行。諧振充電程序與諧振放電程序之每一者彼此重複地交錯排序，以將輸入電壓Vin所提供之能量，以諧振方式於諧振充電程序中對前述的諧振電容與諧振電感充電，且以諧振方式於諧振放電程序中將前述的諧振電容與諧振電感中的能量放電，而轉換為輸出電壓Vout。於本實施例中，每個諧振電容C1、C2、C3的直流偏壓均為Vo，故本實施例中的諧振電容C1、C2、C3需要耐較低的額定電壓，故可使用較小體積的諧振電容器。於一實施例中，上述諧振切換式電源轉換器之輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之電壓轉換比率可為4:1、3:1或2:1。
於一實施例中，諧振切換式電源轉換器60之電壓轉換比率可彈性地加以調整，例如於諧振充電程序與諧振放電程序中，藉由選擇將功率開關Q7保持導通，並選擇將功率開關Q10及Q4保持不導通，則可將功率級電路601之電壓轉換比率調整為3:1。同樣地，例如可選擇將功率開關Q6保持導通，並選擇將功率開關Q9、Q3、Q7、Q10及Q4保持不導通，則可將功率級電路601之電壓轉換比率調整為2:1。
本發明如上所述提供了一種諧振切換式電源轉換器，其可支援不同拓樸的切換式電源轉換器、僅使用單一個電源供應電路即可供給足夠的電源給功率級電路、可調整供給電壓以達到最佳的功率效率、與傳統的驅動電路相比具有較少元件且與傳統驅動電路相比具有較少接腳數。
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最廣的權利範圍。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。
10:切換式諧振腔轉換器 20,30,40,50,60:諧振切換式電源轉換器 101,201,301,401,501,601:功率級電路 102a~102d,202a,202b,302a,302b,402a,402b,502a,502b,602a,602b:驅動電路 2011,2012:諧振腔 2021,3021,4021,5021,6021:電源供應電路 20211,30211,40211,50211,60211:電壓增高電路 203,303,403,503,603:控制器 B:緩衝器 BT1,S1,S2,S5:節點 C:電容 C1~C3:諧振電容 Cb:增高電容 Ccp1,Ccp2:(高電壓)電容 Cd1~Cd7:驅動電容 CLK:時脈訊號 Co:輸出電容 Dc:充電二極體 Dn1~Dn3:節點 Drv1~Drv10:驅動器 Ds1~Ds4:供應二極體 L1:諧振電感 L2:(放電)諧振電感 L3:(充電)諧振電感 Q1~Q10:功率開關 GA:充電操作訊號 GB:放電操作訊號 G1~G10:驅動訊號 S1,S2:驅動電源開關 Vb:增高電源 Vb1~Vb3:第二增高電源 Vbo:緩衝器輸出 VDD:直流電壓 Vcb:增高電容跨壓 Vcd1~Vcd7:驅動電源 Vin:輸入電壓 Vlp:放電諧振電感高壓端 Vlpr:諧振電感高壓端相關訊號 Vor:輸出相關訊號 Vout:輸出電壓
圖1係為習知的電源轉換器之示意圖。
圖2係根據本發明之一實施例顯示一諧振切換式電源轉換器之電路示意圖。
圖3及圖4係根據本發明之一實施例顯示圖2之諧振切換式電源轉換器的相關訊號之訊號波形示意圖。
圖5係根據本發明之另一實施例顯示一諧振切換式電源轉換器之電路示意圖。
圖6係根據本發明之一實施例顯示圖5之諧振切換式電源轉換器之相關訊號之訊號波形示意圖。
圖7係根據本發明之又一實施例顯示一諧振切換式電源轉換器之電路示意圖。
圖8係根據本發明之再一實施例顯示一諧振切換式電源轉換器之電路示意圖。
圖9係根據本發明之又一實施例顯示一諧振切換式電源轉換器中之電路示意圖。
40:諧振切換式電源轉換器
401:功率級電路
402a,402b:驅動電路
4021:電源供應電路
40211:電壓增高電路
403:控制器
B:緩衝器
C1~C3:諧振電容
Cb:增高電容
Cd1,Cd5~Cd7:驅動電容
CLK:時脈訊號
Co:輸出電容
Dc:充電二極體
Dn1~Dn3:節點
Drv1、Drv5~Drv7:驅動器
Ds1~Ds4:供應二極體
L1~L3:諧振電感
Q1~Q10:功率開關
GA:充電操作訊號
GB:放電操作訊號
G1~G4:充電驅動訊號
G5~G10:放電驅動訊號
S1,S2:驅動電源開關
Vb:增高電源
Vb1~Vb3:第二增高電源
Vbo:緩衝器輸出
VDD:直流電壓
Vcb:增高電容跨壓
Vcd1,Vcd5~Vcd7:驅動電源
Vin:輸入電壓
Vor:輸出相關訊號
Vout:輸出電壓

Claims (22)

  1. 一種諧振切換式電源轉換器，用以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，該諧振切換式電源轉換器包含： 一功率級電路，包括： 至少一諧振電容； 至少一諧振電感，耦接於該至少一諧振電容；以及 複數功率開關，用以切換所對應之該至少一諧振電容、該至少一諧振電感、該輸入電壓及該輸出電壓之電連接關係；以及 一驅動電路，包括： 複數驅動器，用以根據複數操作訊號而產生複數驅動訊號，用以週期性地於至少一諧振充電程序與至少一諧振放電程序中，分別操作至少部分對應之該複數功率開關，以諧振方式將該輸入電壓轉換為該輸出電壓；以及 一電源供應電路，用以提供部分的該複數驅動器對應的複數驅動電源，包括： 一電壓增高電路(voltage booster)，用以根據一時脈訊號、一直流電壓及相關於該輸出電壓的一輸出相關訊號，而產生一增高電源，其中該增高電源的電壓相關於該直流電壓及該輸出相關訊號之和； 複數驅動電容，其中每一該驅動電容之跨壓對應於對應的該驅動電源；以及 複數供應二極體，自該增高電源，依該供應二極體之順向方向，彼此串聯耦接，其中每一供應二極體的反向端耦接於對應的該驅動電源的該正端，用以向對應的該驅動電容充電，以產生對應的該驅動電源，且用以阻擋逆向電流與逆向電壓。
  2. 如請求項1所述之諧振切換式電源轉換器，其中該電壓增高電路、對應的該驅動電容與對應的該供應二極體形成一電荷幫浦，當該電壓增高電路產生該增高電源時，對應的該供應二極體根據該增高電源對該驅動電容充電，以產生對應的該驅動電源，其中該驅動電源的該負端耦接該輸出電壓，對應的該驅動電源相關於該直流電壓。
  3. 如請求項2所述之諧振切換式電源轉換器，其中該電壓增高電路包括一增高電容、一充電二極體以及一緩衝器，當該緩衝器根據該時脈訊號及該直流電壓而產生一高位準電壓時，該增高電容之跨壓疊加該高位準電壓而產生該增高電源，當該緩衝器根據該時脈訊號及一接地電位而產生一低位準電壓時，該充電二極體根據該輸出相關訊號對該增高電容充電，其中該輸出相關訊號對應為該輸出電壓。
  4. 如請求項2所述之諧振切換式電源轉換器，其中該電荷幫浦之操作頻率大於或等於該複數功率開關的切換頻率。
  5. 如請求項1所述之諧振切換式電源轉換器，其中該電壓增高電路、對應的該驅動電容、對應的該供應二極體以及對應的功率開關形成一自舉電路(bootstrap)，當該電壓增高電路產生該增高電源時，對應的該供應二極體根據一第二增高電源對該驅動電容充電，以產生對應的該驅動電源，其中該驅動電源的該負端之電壓隨該複數功率開關之切換而變動，該驅動電源的該正端之電壓亦隨該複數功率開關之切換而變動，對應的該驅動電源於穩態時，相關於該直流電壓，其中該第二增高電源相關於該增高電源。
  6. 如請求項5所述之諧振切換式電源轉換器，其中該電壓增高電路包括一增高電容、一充電二極體以及一緩衝器，當該緩衝器根據該時脈訊號及至少一該驅動電源的該負端之電壓而產生一高位準電壓時，該增高電容之跨壓疊加該高位準電壓而產生該增高電源，當該緩衝器根據該時脈訊號及一接地電位而產生一低位準電壓時，該充電二極體根據該直流電壓對該增高電容充電。
  7. 如請求項5所述之諧振切換式電源轉換器，其中該至少一諧振電感包括至少一充電諧振電感及至少一放電諧振電感，該至少一放電諧振電感耦接於該輸出電壓與該驅動電源的該負端之間，該驅動電容之負端、對應的該功率開關的一端以及該至少一放電諧振電感之高壓端均耦接至該驅動電源的該負端； 其中該至少一充電諧振電感用以於該至少一諧振充電程序中，與該至少一諧振電容串聯而以諧振方式充電，該至少一放電諧振電感用以於該至少一諧振放電程序中，與該至少一諧振電容串聯而以諧振方式放電。
  8. 如請求項1所述之諧振切換式電源轉換器，其中該功率級電路對應於一諧振切換式電容轉換器，其中在該至少一諧振充電程序中，控制該複數功率開關的切換，使該至少一諧振電容與該至少一諧振電感串聯於該輸入電壓與該輸出電壓之間，以形成一充電路徑，而對該至少一諧振電容與該至少一諧振電感以諧振方式充電，在該至少一諧振放電程序中，控制該複數功率開關的切換，使每一該諧振電容與對應之該諧振電感串聯於該輸出電壓與一接地電位間，而同時形成或輪流形成複數放電路徑，而使對應的該至少一諧振電容與該至少一諧振電感以諧振方式放電，以產生該輸出電壓。
  9. 如請求項1所述之諧振切換式電源轉換器，其中該功率級電路對應於一切換式諧振腔轉換器，其中該功率級電路更包括至少一諧振腔以及對應的至少一非諧振電容，該至少一諧振腔具有彼此串聯的該至少一諧振電容與該至少一諧振電感，該複數功率開關耦接於該至少一諧振腔及對應的該至少一非諧振電容，用以切換所對應之該諧振腔與對應的該至少一非諧振電容之電連接關係，其中於該至少一諧振充電程序中，對所對應之該諧振腔進行諧振充電，其中於該至少一諧振放電程序中，使所對應之該諧振腔，諧振放電至對應的該非諧振電容，藉此產生該輸出電壓。
  10. 如請求項1所述之諧振切換式電源轉換器，其中該電源供應電路更包括複數驅動電源開關，每一驅動電源開關並聯於對應的該供應二極體，其中當該功率級電路對應於一諧振切換式電容轉換器時，該驅動電源開關設定為恆導通，當該功率級電路對應於一切換式諧振腔轉換器時，該驅動電源開關設定為恆不導通。
  11. 如請求項10所述之諧振切換式電源轉換器，其中該驅動電源開關為金屬氧化物半導體場效電晶體，其本體二極體對應於該供應二極體。
  12. 如請求項8所述之諧振切換式電源轉換器，其中該諧振切換式電源轉換器為雙向諧振切換式電源轉換器。
  13. 如請求項8所述之諧振切換式電源轉換器，其中當該諧振切換式電源轉換器之該輸入電壓與該輸出電壓之電壓轉換比率為N:1時，該至少一諧振電容為N-1個諧振電容，其中N為正整數。
  14. 如請求項1所述之諧振切換式電源轉換器，其中該諧振切換式電源轉換器根據以下順序而操作： 該直流電壓及該時脈訊號備妥以提供至該電壓增高電路； 接著，該複數操作訊號備妥以提供至該複數驅動器； 接著，該輸入電壓備妥以提供至該功率級電路。
  15. 一種驅動電路，用以驅動一諧振切換式電源轉換器，該諧振切換式電源轉換器用以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓且包含一功率級電路，該功率級電路包含複數功率開關，該驅動電路包含： 複數驅動器，用以根據複數操作訊號而產生複數驅動訊號，用以週期性地於至少一諧振充電程序與至少一諧振放電程序中，分別操作至少部分對應之該複數功率開關，以諧振方式將該輸入電壓轉換為該輸出電壓；以及 一電源供應電路，用以提供部分的該複數驅動器對應的複數驅動電源，包括： 一電壓增高電路(voltage booster)，用以根據一時脈訊號、一直流電壓及相關於該輸出電壓的一輸出相關訊號，而產生一增高電源，其中該增高電源的電壓相關於該直流電壓及該輸出相關訊號之和； 複數驅動電容，其中每一該驅動電容之跨壓對應於對應的該驅動電源；以及 複數供應二極體，自該增高電源，依該供應二極體之順向方向，彼此串聯耦接，其中每一供應二極體的反向端耦接於對應的該驅動電源的該正端，用以向對應的該驅動電容充電，以產生對應的該驅動電源，且用以阻擋逆向電流與逆向電壓。
  16. 如請求項15所述之驅動電路，其中該電壓增高電路、對應的該驅動電容與對應的該供應二極體形成一電荷幫浦，當該電壓增高電路產生該增高電源時，對應的該供應二極體根據該增高電源對該驅動電容充電，以產生對應的該驅動電源，其中該驅動電源的該負端耦接該輸出電壓，對應的該驅動電源相關於該直流電壓。
  17. 如請求項16所述之驅動電路，其中該電壓增高電路包括一增高電容、一充電二極體以及一緩衝器，當該緩衝器根據該時脈訊號及該直流電壓而產生一高位準電壓時，該增高電容之跨壓疊加該高位準電壓而產生該增高電源，當該緩衝器根據該時脈訊號及一接地電位而產生一低位準電壓時，該充電二極體根據該輸出相關訊號對該增高電容充電，其中該輸出相關訊號對應為該輸出電壓。
  18. 如請求項16所述之驅動電路，其中該電荷幫浦之操作頻率大於或等於該複數功率開關的切換頻率。
  19. 如請求項15所述之驅動電路，其中該電壓增高電路、對應的該驅動電容、對應的該供應二極體以及對應的功率開關形成一自舉電路(bootstrap)，當該電壓增高電路產生該增高電源時，對應的該供應二極體根據一第二增高電源對該驅動電容充電，以產生對應的該驅動電源，其中該驅動電源的該負端之電壓隨該複數功率開關之切換而變動，該驅動電源的該正端之電壓亦隨該複數功率開關之切換而變動，對應的該驅動電源於穩態時，相關於該直流電壓，其中該第二增高電源相關於該增高電源。
  20. 如請求項19所述之驅動電路，其中該電壓增高電路包括一增高電容、一充電二極體以及一緩衝器，當該緩衝器根據該時脈訊號及至少一該驅動電源的該負端之電壓而產生一高位準電壓時，該增高電容之跨壓疊加該高位準電壓而產生該增高電源，當該緩衝器根據該時脈訊號及一接地電位而產生一低位準電壓時，該充電二極體根據該直流電壓對該增高電容充電。
  21. 如請求項15所述之驅動電路，其中該電源供應電路更包括複數驅動電源開關，每一驅動電源開關並聯於對應的該供應二極體，其中當該功率級電路對應於一諧振切換式電容轉換器時，該驅動電源開關設定為恆導通，當該功率級電路對應於一切換式諧振腔轉換器時，該驅動電源開關設定為恆不導通。
  22. 如請求項21所述之驅動電路，其中該驅動電源開關為金屬氧化物半導體場效電晶體，其本體二極體對應於該供應二極體。
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