TWI792507B - 電壓產生裝置以及產生方法 - Google Patents

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Abstract

一種電壓產生裝置以及產生方法被提出。電壓產生裝置包括第一電壓產生器、第二電壓產生器、第三電壓產生器以及輸出電壓產生器。第一電壓產生器至第三電壓產生器分別產生第一電壓至第三電壓。輸出電壓產生器依據第一電壓、第二電壓以及第三電壓以在輸出端產生輸出電壓。當輸出電壓在第一電壓與第二電壓間轉換時，在第一間區間中，第一電壓產生器提供第一電壓至第一電容，第三電壓產生器使輸出電壓由第二電壓變更為第三電壓。在第二時間區間中，第一電壓產生器以及第一電容使輸出電壓由第三電壓變更為第一電壓。

Description

電壓產生裝置以及產生方法
本發明是有關於一種電壓產生裝置以及產生方法，且特別是有關於一種可減低浪湧電流的電壓產生裝置以及產生方法。
在電壓產生裝置中，當輸出電壓發生大幅度的改變時，會因為外部電容負載與切換時間的限制，造成很大的瞬時浪湧電流發生。這個浪湧電流的發生，容易造成電壓產生裝置和整個系統因電流的衝擊現象而造成一定程度的損壞，並進而造成壽命的降低。
本發明提供一種電壓產生裝置以及產生方法，可減低浪湧電流。
本發明的電壓產生裝置包括第一電壓產生器、第二電壓產生器、第三電壓產生器以及輸出電壓產生器。第一電壓產生器至第三電壓產生器分別產生第一電壓至第三電壓。其中，第一電壓與第二電壓不相同，第三電壓介於第一電壓與第二電壓間。輸出電壓產生器依據第一電壓、第二電壓以及第三電壓以在輸出端產生輸出電壓。當輸出電壓在第一電壓與第二電壓間轉換時，在第一間區間中，第一電壓產生器提供第一電壓至第一電容，第三電壓產生器使輸出電壓由第二電壓變更為第三電壓，在第二時間區間中，第一電壓產生器以及第一電容使輸出電壓由第三電壓變更為第一電壓。
本發明的電壓產生方法包括：提供第一電壓產生器以產生第一電壓；提供第二電壓產生器以產生第二電壓，其中第一電壓與第二電壓不相同；提供第三電壓產生器以提供第三電壓，其中第三電壓介於第一電壓與該第二電壓間；提供輸出電壓產生器以依據第一電壓、第二電壓以及第三電壓以在一輸出端產生輸出電壓；當輸出電壓在第一電壓與第二電壓間轉換時，在第一間區間中，使第一電壓產生器提供第一電壓至第一電容，提供第三電壓產生器使輸出電壓由第二電壓變更為第三電壓；以及，在第二時間區間中，提供第一電壓產生器以及第一電容使輸出電壓由第三電壓變更為第一電壓。
基於上述，本發明的電壓產生裝置透過使第一電壓產生器在輸出電壓發生轉變的第一時間區間，先行提供或汲取對應的第一電容的電流，並同時使輸出電壓被調整為中間值的第三電壓。接著，在第二時間區間，同時配合第一電壓產生器以及對應的第一電容，來調整輸出電壓至目標的電壓值。如此一來，可有效降低電壓調整過程所產生的浪湧電流，降低所可能產生的干擾以及破壞。
請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的電壓產生裝置的示意圖。電壓產生裝置100包括電壓產生器110~130、輸出電壓產生器140、開關SW1、SW2以及電容CH、CL以及CO。電壓產生器110用以產生電壓VH；電壓產生器120則用以產生電壓VL。輸出電壓產生器140耦接至電壓產生器110、120，並接收電壓產生器110、120所分別產生的電壓VH以及VL，其中電壓VH與電壓VL的電壓值不相同。輸出電壓產生器140依據電壓VH以及VL以在電壓產生裝置100的輸出端OE上產生輸出電壓VO。
另外，電壓產生器130耦接至輸出端OE，並用以產生電壓VM，其中電壓VM的電壓值介於電壓VH以及VL的電壓值間。
在本實施例中，開關SW1耦接在輸出電壓產生器140以及輸出端OE間。開關SW2則耦接在電壓產生器130以及輸出端OE間。開關SW1可依據控制信號CT1以被導通或斷開。開關SW2則可依據控制信號CT2以被導通或斷開。控制信號CT1以及控制信號CT2可由輸出電壓產生器140來提供。並且，開關SW1以及開關SW2不會同時被導通。
在另一方面，電容CH耦接在電壓產生器110產生電壓VH的端點以及參考接地端GND間。電容CL耦接在電壓產生器120產生電壓VL的端點以及參考接地端GND間。電容CO則耦接在輸出端OE以及參考接地端GND間。以電壓VH大於VL為範例，在當電壓產生器110產生電壓VH時，電容CH可接收電壓VH並進行充電動作；在當電壓產生器120產生電壓VL時，電容CL可接收電壓VL並進行充電或放電動作。電容CO則可作為輸出電壓VO的穩壓電容。
在本實施例中，電壓VH的電壓值可以高於電壓VM的電壓值，電壓VM的電壓值則高於電壓VL的電壓值。
在動作細節上，以輸出電壓VO初始等於電壓VL為範例，當輸出電壓VO發生變換時，在其中的第一間區間中，開關SW1被斷開且開關SW2被導通。同時，電壓產生器110可提供電壓VH至電容CH，並使電容CH進行充電。電壓產生器130則同時產生電壓VM，透過開關SW2使輸出電壓VO由電壓VL變更為電壓VM。接著，在第一時間區間後的第二時間區間中，開關SW1被導通且開關SW2被斷開，電壓產生器110以及電容CH可提供電流以通過開關SW2來使輸出電壓VO由電壓VM變更為電壓VH。
在另一方面，以輸出電壓VO初始等於電壓VH為範例，當輸出電壓VO發生變換時，在其中的第一間區間中，開關SW1被斷開且開關SW2被導通。同時，電壓產生器120可提供電壓VL至電容CL，並由電容CL汲取電流。電壓產生器130同時產生電壓VM，透過開關SW2使輸出電壓VO由電壓VH變更為電壓VM。接著，在第一時間區間後的第二時間區間中，開關SW1被導通且開關SW2被斷開，電壓產生器120以及電容CL可通過開關SW2由電容VO汲取電流，來使輸出電壓VO由電壓VM變更為電壓VL。
由上述的說明可以得知，本發明實施例的電壓產生裝置100，在所產生的輸出電壓VO發生電壓值的變化時，可使輸出電壓VO先被調整至介於中間電壓值的電壓VM，再被調整至目標的電壓VH或VL。並且，本發明實施例的電壓產生裝置100可配合電容CH或CL以進行預先的充電或放電動作，來輔助電壓產生裝置100在第二時間區間中所進行的輸出電壓VO調整動作，可有效降低所產生的浪湧電流的電流值。
以下請參照圖2A、圖2B以及圖3，其中，圖2A以及圖2B繪示本發明另一實施例的電壓產生裝置及其動作示意圖。圖3則繪示本發明實施例的電壓產生裝置的動作波形圖。在圖2A中，電壓產生裝置200包括電壓產生器210~230、輸出電壓產生器240、開關SW1、SW2以及電容CH、CL以及CO。在本實施例中，輸出電壓產生器240包括控制器241以及電壓驅動緩衝器242。控制器241以及電壓驅動緩衝器242相互耦接，電壓驅動緩衝器242並可依據控制信號CT3以依據電壓VH或電壓VL來在輸出端OE產生輸出電壓VO。控制器241用以產生控制信號CT1~CT3，控制信號CT1~CT2分別控制開關SW1、SW2的導通或斷開狀態。
在本實施例中，控制器241可以應用任意形式的數位電路來建構，並可依據電壓切換指令來產生控制信號CT1~CT3。其中，電壓切換指令可以由外部電子裝置來提供。
在動作細節中，當輸出電壓VO需由相對低的電壓VL變更為相對高的電壓VH時，在此請同步參照圖2A以及圖3，第一時間區間T1中，控制器241產生控制信號CT1、CT2以使開關SW1被斷開，並使開關SW2被導通。同時，控制器241透過控制信號CT3以使電壓驅動緩衝器242不動作以節省電能。同時，在第一時間區間T1中，電壓產生器230被啟動並提供電壓VM至輸出端OE，以使輸出電壓VO由電壓VL拉升至電壓VM。輸出電壓VO可等於電壓VM一段維持時間區間。
在另一方面，在第一時間區間T1中，電壓產生器210被啟動，並透過提供等於電流值I1的電流IH以對電容CH充電。基於電容CH的充電動作，電壓產生器210所產生的電壓VH的電壓值可被線性的提升至電壓值VHH。
在第一時間區間T1後，可進入第二時間區間T2。請同步參照圖2B以及圖3，在第二時間區間T2中，控制器241產生控制信號CT1、CT2以使開關SW1被導通，並使開關SW2被斷開。同時，控制器241透過控制信號CT3以使電壓驅動緩衝器242啟動。此時電壓產生器210以及電容CH可分別提供等於電流值I1的電流IH以及電流ICH至電壓驅動緩衝器242。電壓驅動緩衝器242並使電流IH以及ICH被傳送至電容CO以針對電容CO進行充電，並進以產生輸出電壓VO。
值得一提的，在本實施例中，在第一時間區間T1中，電容CH上的電壓可線性上升，並在第二時間區間T2中，電容CH上的電壓則可線性下降。另外，不論是在時間區間T1或是在時間區間T2中，電壓產生器210所提供的電流IH都可以維持等於電流值I1。其中，電流值I1與電壓值VHH、電壓VH、電容CH以及第一時間區間T1的關係為：I1 = CH * (VHH-VH) / T1。電流值I1與電壓值VHH、電壓VM、VH、電容CO以及第二時間區間T2的關係為：I1 = [CO * (VH-VM) – CH * (VHH – VH)] / T2。而電流值I1與總和時間T（=第一時間區間T1+第二時間區間T2）間的關係可以為：I1 = CO * (VH -VM) / T。
在本發明實施例中，電壓產生器210可以持續的在第一時間區間T1以及第二時間區間T2提供電流IH，以做為拉升輸出電壓VO的依據，如此一來，電壓產生器210可以降低所需要提供的電流IH的電流值I1，有效降低浪湧電流的大小。
請參照圖4，圖4繪示本發明另一實施例的電壓產生裝置的另一實施方式的動作波形圖。在圖4的繪示中，電壓產生裝置200產生的輸出電壓VO由相對高的電壓VH下降為相對低的電壓VL。在時間區間T1中，開關SW1被斷開且開關SW2被導通，電壓產生器220可針對電容CL汲取為電流值I2的電流IL，同時電壓產生器230提供電壓VM以使輸出電壓VO由電壓VH被拉低至電壓VM。基於電壓產生器220的電流汲取動作，電容CL上的電壓VL可線性下降至電壓值VLL。
接著，在時間區間T2中，在開關SW1被導通且開關SW2被斷開，電壓產生器220以及電容CL可分別由輸出端OE汲取電流，並使輸出電壓VO由電壓VM下拉為電壓VL。基於電容CL的電流汲取動作，電容CL上的電壓VL可線性上升。其中，電流值I2與電壓值VLL、電壓VL、電容CL以及第一時間區間T1的關係為：I2 = CL * (VL-VLL) / T1。電流值I2與電壓值VLL、電壓VM、VL、電容CO以及第二時間區間T2的關係為：I2 = [CO * (VM-VL) – CL * (VL – VLL)] / T2。而電流值I2與總和時間T（=第一時間區間T1+第二時間區間T2）間的關係可以為：I2 = CO * (VM -VL) / T。
同樣的，在本發明實施例中，電壓產生器220可以持續的在第一時間區間T1以及第二時間區間T2汲取電流IL，以做為拉低輸出電壓VO的依據，如此一來，電壓產生器220可以降低所需要提供的電流IL的電流值I2，有效降低浪湧電流的大小
以下請參照圖5，圖5繪示本發明實施例電壓產生裝置中的第一電壓產生器的實施方式的示意圖。在本發明實施例中，電壓產生裝置中的第一電壓產生器510（如圖2A實施例中的電壓產生器110或120）可耦接至控制器521（如圖2A實施例中的控制器241）。其中，在一實施方式中，控制器521可提供一參考電壓VREF至第一電壓產生器510。第一電壓產生器510則可依據參考電壓VREF來產生對應的電壓VH或VL。若對應圖3的實施方式，參考電壓VREF在第一時間區間T1中可以為線性上升的電壓，在時間區間T2中則可以為線性下降的電壓，而第一電壓產生器510可產生電壓VH。若對應圖4的實施方式，參考電壓VREF在第一時間區間T1中可以為線性下降的電壓，在時間區間T2中則可以為線性上升的電壓，而第一電壓產生器510可產生電壓VL。
在另一實施方式中，控制器521可產生控制信號CT4。若對應圖3的實施方式，第一電壓產生器510則可依據控制信號CT4以在第一時間區間T1操作在定電壓輸出模式，在第二時間區間T2操作在定電流輸出模式。
以下請參照圖6，圖6繪示本發明實施例的電壓產生方法的流程圖。其中，在步驟S610中，提供第一電壓產生器以產生第一電壓；在步驟S620中，提供第二電壓產生器以產生第二電壓，其中第一電壓與第二電壓不相同；在步驟S630中，提供第三電壓產生器以提供第三電壓，其中第三電壓介於第一電壓與該第二電壓間；在步驟S640中提供輸出電壓產生器以依據第一電壓、第二電壓以及第三電壓以在一輸出端產生輸出電壓；在步驟S650中，在當輸出電壓在第一電壓與第二電壓間轉換時，在第一間區間中，使第一電壓產生器提供第一電壓至第一電容，提供第三電壓產生器使輸出電壓由第二電壓變更為第三電壓；以及，在步驟S660中，在第二時間區間中，提供第一電壓產生器以及第一電容使輸出電壓由第三電壓變更為第一電壓。
關於上述的步驟的實施細節，在前述的多個實施例以及實施方式已有詳細的說明，以下恕不多贅述。
綜上所述，本發明的電壓產生裝置在輸出電壓發生轉變時，在第一時間區間中，先透過使第一電壓產生器提供或汲取對應的第一電容的電流，並同時使輸出電壓被調整為中間值的第三電壓。接著，在第二時間區間，同時配合第一電壓產生器以及對應的第一電容，來拉高或拉低輸出電壓至目標的電壓值。如此一來，可有效降低電壓調整過程所產生的浪湧電流，降低所可能產生的干擾以及破壞。
100、200:電壓產生裝置 110~130、210~230、510:電壓產生器 140、240:輸出電壓產生器 241、521:控制器 242:電壓驅動緩衝器 CH、CL、CO:電容 CT1、CT2、CT3、CT4:控制信號 IH、IL、ICH:電流 I1、I2:電流值 GND:參考接地端 SW1、SW2:開關 VREF:參考電壓 VH、VL、VM:電壓 VHH、VLL:電壓值 VO:輸出電壓 T1、T2:時間區間 S610~S660:步驟
圖1繪示本發明一實施例的電壓產生裝置的示意圖。 圖2A以及圖2B繪示本發明另一實施例的電壓產生裝置及其動作示意圖。 圖3繪示本發明實施例的電壓產生裝置的動作波形圖。 圖4繪示本發明另一實施例的電壓產生裝置的另一實施方式的動作波形圖。 圖5繪示本發明實施例電壓產生裝置中的第一電壓產生器的實施方式的示意圖。 圖6繪示本發明實施例的電壓產生方法的流程圖。
100:電壓產生裝置
110~130:電壓產生器
140:輸出電壓產生器
CH、CL、CO:電容
CT1、CT2:控制信號
GND:參考接地端
SW1、SW2:開關
VH、VL、VM:電壓
VO:輸出電壓

Claims (13)

  1. 一種電壓產生裝置，包括： 一第一電壓產生器，用以產生一第一電壓； 一第二電壓產生器，用以產生一第二電壓，其中該第一電壓與該第二電壓不相同； 一第三電壓產生器，提供一第三電壓，其中該第三電壓介於該第一電壓與該第二電壓間；以及 一輸出電壓產生器，接收該第一電壓以及該第二電壓，依據該第一電壓、該第二電壓以及該第三電壓以在一輸出端產生一輸出電壓， 其中，當該輸出電壓在該第一電壓與該第二電壓間轉換時，在一第一間區間中，該第一電壓產生器提供該第一電壓至一第一電容，該第三電壓產生器使該輸出電壓由該第二電壓變更為該第三電壓，在一第二時間區間中，該第一電壓產生器以及該第一電容使該輸出電壓由該第三電壓變更為該第一電壓。
  2. 如請求項1所述的電壓產生裝置，更包括： 一第一開關，耦接在該輸出電壓產生器與該輸出端間；以及 一第二開關，耦接在該第三電壓產生器與該輸出端間， 其中該第一開關依據一第一控制信號以被導通或斷開，該第二開關依據一第二控制信號以被導通或斷開，該第一開關與該第二開關不同時被導通。
  3. 如請求項2所述的電壓產生裝置，其中該輸出電壓產生器包括： 一控制器，用以產生該第一控制信號、該第二控制信號以及一第三控制信號；以及 一電壓驅動緩衝器，耦接該控制器，依據該第三控制信號以依據該第一電壓或該第二電壓來在該輸出端產生該輸出電壓。
  4. 如請求項2所述的電壓產生裝置，更包括： 一第二電容，耦接至該第一電壓產生器，接收該第二電壓；以及 一第三電容，耦接至該輸出端。
  5. 如請求項4所述的電壓產生裝置，其中當該第一電壓大於該第二電壓時， 其中，在一第一時間區間中： 該第一開關被斷開，該第二開關被導通，該第一電壓產生器提供該一第一電流對該第一電容充電，該第二電壓產生器提供該第三電壓至該第三電容以使該輸出電壓由該第二電壓變更為該第三電壓， 其中，在該第一時間區間後的一第二時間區間中： 該第一開關被導通，該第二開關被斷開，該第一電壓產生器與該第一電容提供分別提供一第二電流與一第三電流至該第三電容，以使該輸出電壓由該第三電壓上升至該第一電壓。
  6. 如請求項5所述的電壓產生裝置，其中在該第一時間區間中，該第一電容上的電壓線性上升，在該第二時間區間中，該第一電容上的電壓線性下降。
  7. 如請求項6所述的電壓產生裝置，其中該第一電壓產生器依據一參考電壓以產生該第一電壓，該參考電壓在該第一間區間中線性上升，該參考電壓在該第二間區間中線性下降。
  8. 如請求項5所述的電壓產生裝置，其中該第一電壓產生器在該第一時間區間操作在定電壓輸出模式，在該第二時間區間操作在定電流輸出模式。
  9. 如請求項4所述的電壓產生裝置，其中當該第一電壓小於該第二電壓時， 其中，在一第一時間區間中： 該第一開關被斷開，該第二開關被導通，該第一電壓產生器對該第一電容充電汲取一第一電流，該第二電壓產生器提供該第三電壓至該第三電容以使該輸出電壓由該第二電壓變更為該第三電壓， 其中，在該第一時間區間後的一第二時間區間中： 該第一開關被導通，該第二開關被斷開，該第一電壓產生器與該第一電容提供分別由該第三電容汲取一第二電流與一第三電流至，以使該輸出電壓由該第三電壓下降至該第一電壓。
  10. 一種電壓產生方法，包括： 提供一第一電壓產生器以產生一第一電壓； 提供一第二電壓產生器以產生一第二電壓，其中該第一電壓與該第二電壓不相同； 提供一第三電壓產生器以提供一第三電壓，其中該第三電壓介於該第一電壓與該第二電壓間； 提供一輸出電壓產生器以依據該第一電壓、該第二電壓以及該第三電壓以在一輸出端產生一輸出電壓； 當該輸出電壓在該第一電壓與該第二電壓間轉換時，在一第一間區間中，使該第一電壓產生器提供該第一電壓至一第一電容，提供該第三電壓產生器使該輸出電壓由該第二電壓變更為該第三電壓；以及 在一第二時間區間中，提供該第一電壓產生器以及該第一電容使該輸出電壓由該第三電壓變更為該第一電壓。
  11. 如請求項10所述的電壓產生方法，更包括： 其中當該第一電壓大於該第二電壓時，在該第一時間區間中，使該第一電容上的電壓線性上升，在該第二時間區間中，該第一電容上的電壓線性下降。
  12. 如請求項11所述的電壓產生方法，更包括： 使該第一電壓產生器依據一參考電壓以產生該第一電壓；以及 使該參考電壓在該第一間區間中線性上升，並使該參考電壓在該第二間區間中線性下降。
  13. 如請求項10所述的電壓產生方法，更包括： 使該第一電壓產生器在該第一時間區間操作在定電壓輸出模式，並使該第一電壓產生器在該第二時間區間操作在定電流輸出模式。
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