TWI811085B - 混合型切換式電源轉換器 - Google Patents

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Abstract

一種混合型切換式電源轉換器用以進行一第一電源、一第二電源與一第三電源之間的電源轉換。混合型切換式電源轉換器包括一切換電感式轉換電路以及一切換電容式轉換電路，其中切換電感式轉換電路用以進行第一電源與第二電源之間的電源轉換，切換電容式轉換電路用以進行第二電源與第三電源之間的電源轉換。切換電感式轉換電路包括複數電感開關，其中該些電感開關包括一第一開關及一第二開關。切換電容式轉換電路包括複數電容開關，其中該些電容開關包括該第一開關及該第二開關。

Description

混合型切換式電源轉換器
本發明係有關一種轉換器，特別是指一種混合型切換式電源轉換器。
有別於過去的USB PD(Universal Serial Bus Power Delivery)規範所定義的最大輸出電壓，最新的USB PD 3.1規範定義了48伏特(V)的最大輸出電壓，使其具有較寬範圍的輸出電壓以對各類型的攜帶式電子產品(例如手機、平板、筆記型電腦等)進行充電。在各類型的攜帶式電子產品中，電池組係由複數電池串聯而成(例如為1至4個電池)，使得所述電池組的電壓介於一範圍之間(例如為0伏特至18伏特)。然而，過去的電源轉換器(power converter)大多以過去的USB PD規範為基礎而設計，使得過去的電源轉換器並無法轉換具有較大電壓值的電源(例如為48伏特)。因此，如果將USB PD 3.1的規範直接套用於過去的電源轉換器，會使得USB PD 3.1規範的優勢並無法被凸顯出來，亦會產生電源轉換器中元件的耐壓不足而燒毀的問題。
有鑑於此，本發明提出一種適於USB PD 3.1規範的混合型切換式電源轉換器，其不僅可以實現高效率及較寬電壓範圍的電源轉換，更有著成本、尺寸及整體功率損耗較小的優勢存在。
本發明提供了一種混合型切換式電源轉換器，用以進行一第一電源、一第二電源與一第三電源之間的電源轉換，包含：一切換電感式轉換電路，包括複數電感開關與一電感器，該些電感開關包括一第一開關及一第二開關，該切換電感式轉換電路用以切換該電感器與該第一電源及該第二電源之間的耦接關係，以進行該第一電源與該第二電源之間的電源轉換；以及一切換電容式轉換電路，包括複數電容開關與一轉換電容器，該些電容開關包括該第一開關及該第二開關，該切換電容式轉換電路用以切換該轉換電容器與該第二電源及該第三電源之間的耦接關係，以進行該第二電源與該第三電源之間的電源轉換；其中，當該第三電源之電壓大於該第一電源之電壓與一預設倍率之乘積時，該切換電感式轉換電路根據一第一占空比操作於一第一電感轉換模式以進行該第一電源與該第二電源之間的電源轉換，該切換電容式轉換電路根據該第一占空比操作於一電容轉換模式以進行該第二電源與該第三電源之間的電源轉換，其中該第二電源之電壓大於該第一電源之電壓，該第三電源之電壓為該第二電源之電壓與該預設倍率之乘積，該預設倍率大於1；其中，當該切換電感式轉換電路操作於該第一電感轉換模式時，該切換電感式轉換電路根據該第一占空比控制該電感器之一第一端切換而週期性地導通於該第二電源或一接地電位，並控制該電感器之一第二端與該第一電源之間恆導通狀態；當該切換電容式轉換電路操作於該電容轉換模式時，該切換電容式轉換電路根據該第一占空比控制該轉換電容器之一第三端切換而週期性地導通於該第三電源或該第二電源，並控制該轉換電容器之一第四端切換而週期性地導通於該第二電源或該接地電位。
在一些實施例中，上述混合型切換式電源轉換器，其中該預設倍率為2倍。
在一些實施例中，當該第三電源之電壓小於該第一電源之電壓時，該切換電感式轉換電路根據一第二占空比操作於一第二電感轉換模式以進行該第一電源與該第二電源之間的電源轉換，該切換電容式轉換電路操作於一旁通模式，其中該第二電源之電壓小於該第一電源之電壓；當該第三電源之電壓大於該第一電源之電壓且小於該第一電源之電壓與該預設倍率之乘積時，該切換電感式轉換電路根據一第三占空比操作於該第一電感轉換模式以進行該第一電源與該第二電源之間的電源轉換，該切換電容式轉換電路根據該第三占空比操作於一適應模式；其中，當該切換電感式轉換電路操作於該第二電感轉換模式時，該切換電感式轉換電路控制該電感器之該第一端與該第二電源之間恆導通狀態，並根據該第二占空比控制該電感器之該第二端切換而週期性地導通於該第一電源或該接地電位；當該切換電容式轉換電路操作於該旁通模式時，該切換電容式轉換電路控制該第二電源與該第三電源之間恆導通狀態；當該切換電容式轉換電路操作於該適應模式時，該切換電容式轉換電路根據該第三占空比控制該轉換電容器之該第四端切換而週期性地導通於該第二電源或該接地電位，使得該轉換電容器之跨壓維持為一固定值，其中當該轉換電容器之該第四端導通於該第二電源時，該切換電容式轉換電路控制該第二電源與該第三電源之間導通；當該轉換電容器之該第四端導通於該接地電位時，該切換電容式轉換電路控制該第二電源與該第三電源之間開路。
在一些實施例中，該固定值為0伏特。
在一些實施例中，該些電感開關更包括一第三開關及一第四開關，其中該第一開關與該第二開關串聯於該第二電源與該接地電位之間，並共同耦接該電感器之該第一端與該轉換電容器之該第四端，該第三開關與該第四開關串聯耦接於該接地電位與該第一電源之間，並共同耦接該電感器之該第二端；該些電容開關更包括一第五開關及一第六開關，其中該第五開關與該第六開關串聯耦接於該第二電源與該第三電源之間，並共同耦接該轉換電容器之該第三端，該第五開關與該第一開關串聯耦接於該轉換電容器之該第三端與該第四端之間，並共同耦接該第二電源；該第一電源耦接該第四開關，該第二電源耦接於該第一開關與該第五開關之間，該第三電源耦接該第六開關。
在一些實施例中，當該切換電容式轉換電路操作於該第一電感轉換模式時，該第一開關及該第二開關根據該第一占空比週期性地輪流切換於一導通狀態，該第三開關恆不導通狀態，該第四開關恆導通狀態。
在一些實施例中，當該切換電容式轉換電路操作於該第二電感轉換模式時，該第一開關恆導通狀態，該第二開關恆不導通狀態，該第三開關及該第四開關根據該第二占空比週期性地輪流切換於一導通狀態。
在一些實施例中，該切換電容式轉換電路操作於該電容轉換模式時，該第一開關、該第二開關、該第五開關及該第六開關根據該第一占空比週期性地以該第一開關與該第六開關同相切換，且該第二開關與該第五開關同相切換的方式，輪流切換於一導通狀態。
在一些實施例中，當該切換電容式轉換電路操作於該旁通模式時，該第一開關、該第五開關及該第六開關恆導通狀態，該第二開關恆不導通狀態。
在一些實施例中，當該切換電容式轉換電路操作於該適應模式時，該第一開關及該第二開關根據該第二占空比週期性地輪流切換於一導通狀態，且該第五開關及該第六開關與該第一開關同相切換。
在一些實施例中，當該第三電源之電壓與該第一電源之電壓的差值絕對值小於一預設電壓差時，該切換電感式轉換電路根據一第四占空比操作於一第三電感轉換模式以進行該第一電源與該第二電源之間的電源轉換，該切換電容式轉換電路操作於該適應模式，其中該第二電源之電壓等於該第三電源之電壓；其中，當該切換電感式轉換電路操作於該第三電感轉換模式時，該切換電感式轉換電路根據該第四占空比控制該電感器之該第一端與該第二端切換，而使該電感器週期性地導通於該第二電源與該接地電位之間或導通於該第一電源與該接地電位之間；當該切換電容式轉換電路操作於該適應模式時，該切換電容式轉換電路根據該第四占空比控制該轉換電容器之該第四端切換而週期性地導通於該第二電源或該接地電位，使得該轉換電容器之跨壓維持為一固定值，其中當該轉換電容器之該第四端導通於該第二電源時，該切換電容式轉換電路控制該第二電源與該第三電源之間導通；當該轉換電容器之該第四端導通於該接地電位時，該切換電容式轉換電路控制該第二電源與該第三電源之間開路。
以下將藉由具體實施例詳加說明，以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。
100:混合型切換式電源轉換器
110:切換電感式轉換電路
120:切換電容式轉換電路
CFLY:轉換電容器
CV1:第一電容器
CV2:第二電容器
CV3:第三電容器
GA:第一控制訊號
GB:第二控制訊號
GC:第三控制訊號
GD:第四控制訊號
GE:第五控制訊號
GF:第六控制訊號
I1-I10,I1’,I2’,I3’,I8’,I9’:電流
L:電感器
LX1:第一切換節點
LX2:第二切換節點
QA:第一開關
QB:第二開關
QC:第三開關
QD:第四開關
QE:第五開關
QF:第六開關
t1:第一時點
t2:第二時點
t3:第三時點
t4:第四時點
t5:第五時點
t6:第六時點
t7:第七時點
t8:第八時點
t9:第九時點
T1:第一時段
T2:第二時段
T3:第三時段
T4:第四時段
T5:第五時段
T6:第六時段
V1:第一電源
V2:第二電源
V3:第三電源
圖1是本發明之一實施例中，混合型切換式電源轉換器的方塊示意圖。
圖2是本發明之一實施例中，混合型切換式電源轉換器的電路示意圖。
圖3A是本發明之一實施例中，當第三電源之電壓大於第一電源之電壓與預設倍率之乘積時，混合型切換式電源轉換器中的電流路徑圖(一)。
圖3B是本發明之一實施例中，當第三電源之電壓大於第一電源之電壓與預設倍率之乘積時，混合型切換式電源轉換器中的電流路徑圖(二)。
圖4是本發明之一實施例中，當第三電源之電壓大於第一電源之電壓與預設倍率之乘積時，混合型切換式電源轉換器的電壓波形圖。
圖5A是本發明之一實施例中，當第三電源之電壓小於第一電源之電壓時，混合型切換式電源轉換器中的電流路徑圖(一)。
圖5B是本發明之一實施例中，當第三電源之電壓小於第一電源之電壓時，混合型切換式電源轉換器中的電流路徑圖(二)。
圖6是本發明之一實施例中，當第三電源之電壓小於第一電源之電壓時，混合型切換式電源轉換器的電壓波形圖。
圖7A是本發明之一實施例中，當第三電源之電壓大於第一電源之電壓且小於第一電源之電壓與預設倍率之乘積時，混合型切換式電源轉換器中的電流路徑圖(一)。
圖7B是本發明之一實施例中，當第三電源之電壓大於第一電源之電壓且小於第一電源之電壓與預設倍率之乘積時，混合型切換式電源轉換器中的電流路徑圖(二)。
圖8是本發明之一實施例中，當第三電源之電壓大於第一電源之電壓且小於第一電源之電壓與預設倍率之乘積時，混合型切換式電源轉換器的電壓波形圖。
圖9A是本發明之一實施例中，當第三電源之電壓大於第一電源之電壓與預設倍率之乘積時，混合型切換式電源轉換器中的電流路徑圖(三)。
圖9B是本發明之一實施例中，當第三電源之電壓大於第一電源之電壓與預設倍率之乘積時，混合型切換式電源轉換器中的電流路徑圖(四)。
圖10A是本發明之一實施例中，當第三電源之電壓與第一電源之電壓的差值絕對值小於預設電壓差時，混合型切換式電源轉換器中的電流路徑圖(一)。
圖10B是本發明之一實施例中，當第三電源之電壓與第一電源之電壓的差值絕對值小於預設電壓差時，混合型切換式電源轉換器中的電流路徑圖(二)。
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。
請參照圖1，圖1是本發明之一實施例中，混合型切換式電源轉換器100的方塊示意圖。如圖1所示，混合型切換式電源轉換器100包含切換電感式轉換電路110、切換電容式轉換電路120以及控制電路130。控制電 路130用以根據第一電源V1、第二電源V2與第三電源V3而產生第一控制訊號GA、第二控制訊號GB、第三控制訊號GC、第四控制訊號GD、第五控制訊號GE與第六控制訊號GF，並決定各控制訊號的占空比，進而控制電感式轉換電路110中的複數電感開關以及切換電容式轉換電路120中的複數電容開關，以進行第一電源V1、第二電源V2與第三電源V3彼此之間的電源轉換。以下實施例詳細說明混合型切換式電源轉換器100各種模式的操作，為使各模式的細節容易理解，並省略控制電路130。
請參照圖2，圖2是本發明之一實施例中，混合型切換式電源轉換器100的電路示意圖，其中混合型切換式電源轉換器100用以進行第一電源V1、第二電源V2與第三電源V3之間的電源轉換。如圖2所示，混合型切換式電源轉換器100包含切換電感式轉換電路110以及切換電容式轉換電路120，其中切換電感式轉換電路110用以切換其中電感器L與第一電源V1及第二電源V2之間的耦接關係，以進行第一電源V1與第二電源V2之間的電源轉換；切換電容式轉換電路120用以切換其中一轉換電容器CFLY與第二電源V2及第三電源V3之間的耦接關係，以進行第二電源V2與第三電源V3之間的電源轉換。以下將詳細解釋切換電感式轉換電路110以及切換電容式轉換電路120各自的結構與功能，並說明彼此間的設置方式。
如圖2所示，切換電感式轉換電路110包括複數電感開關與電感器L，切換電容式轉換電路120包括複數電容開關與轉換電容器CFLY。在一些實施例中，該些電感開關包括第一開關QA(由第一控制訊號GA控制)、第二開關QB(由第二控制訊號GB控制)、第三開關QC(由第三控制訊號GC控制)以及第四開關QD(由第四控制訊號GD控制)。該些電容開關包括第一開關QA(由第一控制訊號GA控制)、第二開關QB(由第二控制訊號GB控制)、第五 開關QE(由第五控制訊號GE控制)以及第六開關QF(由第六控制訊號GF控制)。其中，電感器L具有第一端對應第一切換節點LX1，電感器L具有第二端對應第二切換節點LX2。轉換電容器CFLY具有第三端耦接於第五開關QE與第六開關QF之間，轉換電容器CFLY具有第四端對應第一切換節點LX1。
在一些實施例中，第一開關QA與第二開關QB串聯於第二電源V2與接地電位之間，並共同耦接電感器L之第一端(對應第一切換節點LX1)與轉換電容器CFLY之第四端(對應第一切換節點LX1)。第三開關QC與第四開關QD串聯耦接於接地電位與第一電源V1之間，並共同耦接電感器L之第二端(對應第二切換節點LX2)。在一些實施例中，第五開關QE與第六開關QF串聯耦接於第二電源V2與第三電源V3之間，並共同耦接轉換電容器CFLY之第三端。第五開關QE與第一開關QA串聯耦接於轉換電容器CFLY之第三端與該四端之間(對應第一切換節點LX1)，並共同耦接第二電源V2。在一些實施例中，第一電源V1及第一電容器CV1耦接第四開關QD，第二電源V2及第二電容器CV2耦接於第一開關QA與第五開關QE之間，第三電源V3及第三電容器CV3耦接第六開關QF，其中第一電容器CV1、第二電容器CV2及第三電容器CV3係用以儲能。
請參照表1，表1是本發明之一實施例中，切換電感式轉換電路110與切換電容式轉換電路120在不同電源轉換條件下的操作模式組合表。如表1所示，在一些實施例中，混合型切換式電源轉換器100具有四種電源轉換條件，其中當第三電源V3之電壓大於第一電源V1之電壓與預設倍率(如表1中的c所示)之乘積時，切換電感式轉換電路110操作於第一電感轉換模式且切換電容式轉換電路120操作於電容轉換模式；當第三電源V3之電壓小於第一電源V1之電壓時，切換電感式轉換電路110操作於第二電感轉換模 式且切換電容式轉換電路120操作於旁通模式；當第三電源V3之電壓大於第一電源V1之電壓且小於第一電源V1之電壓與預設倍率c之乘積時，切換電感式轉換電路110操作於所述第一電感轉換模式且切換電容式轉換電路120操作於適應模式；當第三電源V3之電壓與第一電源V1之電壓的差值絕對值小於一預設電壓差(如表1中的Vth所示)時，切換電感式轉換電路110操作於第三電感轉換模式。其中，預設電壓差Vth可以由使用者設定，在一種較佳的實施例中，預設電壓差Vth為小於第三電源V3之電壓五分之一、十分之一或二十分之一。以下將詳細解釋切換電感式轉換電路110及切換電容式轉換電路120各自的操作模式及運作方法。
Figure 111132885-A0305-02-0013-1
在一些實施例中，當第三電源V3之電壓大於第一電源V1之電壓與所述預設倍率c之乘積時，切換電感式轉換電路110根據第一占空比操作於所述第一電感轉換模式以進行第一電源V1與第二電源V2之間的電源轉換，切換電容式轉換電路120根據所述第一占空比操作於所述電容轉換模式以進行第二電源V2與該第三電源V3之間的電源轉換，其中第二電源V2之電壓大於第一電源V1之電壓，第三電源V3之電壓為第二電源V2之電壓與 所述預設倍率c之乘積，所述預設倍率c大於1，在一實施例中，預設倍率c例如為2倍。
在一些實施例中，當第三電源V3之電壓小於第一電源V1之電壓時，切換電感式轉換電路110根據第二占空比操作於第二電感轉換模式以進行該第一電源V1與第二電源V2之間的電源轉換，切換電容式轉換電路120操作於旁通模式，其中第二電源V2之電壓小於第一電源V1之電壓。
當第三電源V3之電壓大於第一電源V1之電壓且小於第一電源V1之電壓與預設倍率c之乘積時，切換電感式轉換電路110根據第三占空比操作於第一電感轉換模式以進行第一電源V1與第二電源V2之間的電源轉換，切換電容式轉換電路120根據第三占空比操作於適應模式。
當切換電感式轉換電路110操作於第二電感轉換模式時，切換電感式轉換電路110控制電感器L之第一端與第二電源之間恆導通狀態，並根據第二占空比控制電感器L之第二端切換而週期性地導通於第一電源V1或接地電位。
當該切換電容式轉換電路120操作於旁通模式時，切換電容式轉換電路120控制第二電源V2與第三電源V3之間恆導通狀態。
當該切換電容式轉換電路120操作於適應模式時，切換電容式轉換電路120根據第三占空比控制轉換電容器CFLY之第四端切換而週期性地導通於第二電源V2或接地電位，使得轉換電容器CFLY之跨壓維持為一固定值，其中當轉換電容器CFLY之第四端導通於第二電源V2時，切換電容式轉換電路120控制第二電源V2與第三電源V3之間導通；當轉換電容器CFLY之第四端導通於接地電位時，切換電容式轉換電路120控制第二電源V2與第三電源V3之間開路。
當第三電源V3之電壓與第一電源V1之電壓的差值絕對值小於預設電壓差Vth時，切換電感式轉換電路110根據第四占空比操作於第三電感轉換模式以進行第一電源V1與第二電源V2之間的電源轉換，且切換電容式轉換電路120操作於適應模式，其中第二電源V2之電壓等於第三電源V3之電壓。
其中，當切換電感式轉換電路110操作於第三電感轉換模式時，切換電感式轉換電路110根據第四占空比控制電感器L之第一端與第二端切換，而使電感器L週期性地導通於第二電源V2與接地電位之間或導通於第一電源V1與接地電位之間。
當此電感式轉換電路110操作於第三電感轉換模式時，切換電容式轉換電路120操作於適應模式時，切換電容式轉換電路120根據第四占空比控制轉換電容器CFLY之第四端切換而週期性地導通於第二電源V2或接地電位，使得轉換電容器CFLY之跨壓維持為一固定值，其中轉換電容器CFLY之第四端導通於第二電源V2時，切換電容式轉換電路120控制第二電源V2與第三電源V3之間導通；當轉換電容器CFLY之第四端導通於接地電位時，切換電容式轉換電路120控制第二電源V2與第三電源V3之間開路。
請同時參照圖3A及圖3B，圖3A及圖3B是本發明之一實施例中，當第三電源V3之電壓大於第一電源V1之電壓與所述預設倍率c之乘積時，且以第三電源V3轉換為第一電源V1與第二電源V2為例的電流路徑圖，其中圖3A及圖3B顯示混合型切換式電源轉換器100中在一個週期中兩個程序的電流路徑圖。在本實施例中，切換電感式轉換電路110操作於所述第一電感轉換模式，切換電感式轉換電路110係根據所述第一占空比控制電感器L之第一端(對應第一切換節點LX1)切換而週期性地導通於第二電源V2或接 地電位，也就是在一個週期中，第一開關QA與第二開關QB根據第一占空比而輪流導通；並控制電感器L之第二端(對應第二切換節點LX2)與第一電源V1之間恆導通狀態。
如圖3A及圖3B所示，切換電感式轉換電路110係控制第一開關QA及第二開關QB各自根據所述第一占空比週期性地切換於導通狀態與不導通狀態之間，且第一開關QA切換於導通狀態時，第二開關QB切換於不導通狀態，第二開關QB切換於導通狀態時，第一開關QA切換於不導通狀態，使得電感器L之第一端週期性地切換而導通於第二電源V2或所述接地電位。此外，切換電感式轉換電路110係控制第三開關QC恆不導通狀態且第四開關QD恆導通狀態，使得電感器L之第二端與第一電源V1之間恆導通狀態。
在本實施例中，切換電容式轉換電路120操作於所述電容轉換模式，切換電容式轉換電路120係根據所述第一占空比控制轉換電容器CFLY之第三端切換而週期性地導通於第三電源V3或第二電源V2，並控制轉換電容器CFLY之第四端切換而週期性地導通於第二電源V2或所述接地電位。如圖3A及圖3B所示，切換電容式轉換電路120係控制第五開關QE及第六開關QF，各自根據所述第一占空比週期性地切換於導通狀態與不導通狀態之間，且第五開關QE切換於導通狀態時，第六開關QF切換於不導通狀態，第六開關QF切換於導通狀態時，第五開關QE切換於不導通狀態，使得轉換電容器CFLY之第三端切換而週期性地導通於第三電源V3或第二電源V2。
此外，由於切換電感式轉換電路110(也可以視為切換電容式轉換電路120，因為第一開關QA及第二開關QB為切換電感式轉換電路110與切換電容式轉換電路120共用)係同時控制第一開關QA及第二開關QB各自 根據所述第一占空比週期性地切換於導通狀態與不導通狀態之間，使得轉換電容器CFLY之第四端切換而週期性地導通於第二電源V2或所述接地電位。其中，第一開關QA與第六開關QF同相操作，第二開關QB與第五開關QE同相操作。
在本實施例中，切換電感式轉換電路110操作於第一電感轉換模式，且切換電容式轉換電路120操作於電容轉換模式，而將第三電源V3轉換為第一電源V1與第二電源V2。當然，第一電源V1、第二電源V2與第三電源V3之間可以彼此轉換，例如當切換電感式轉換電路110操作於第一電感轉換模式，且切換電容式轉換電路120操作於電容轉換模式時，也可以將第一電源V1轉換為第二電源V2與第三電源V3，或是將第二電源V2轉換為第一電源V1與第三電源V3等。
請參照圖4，圖4是本發明之一實施例中，當第三電源V3大於第一電源V1與預設倍率c之乘積時，混合型切換式電源轉換器100的電壓波形圖，其中第一電源V1之電壓為8伏特(V)，第二電源V2之電壓為24伏特，第三電源V3之電壓為48伏特，所述預設倍率為2倍。如圖4所示，第一時點t1、第二時點t2及第三時點t3為混合型切換式電源轉換器100切換開關的時點，其中第一時點t1與第二時點t2之間為第一時段T1，第二時點t2與第三時點t3之間為第二時段T2，所述第一佔空比係相關於第一時段T1之時間長度及第二時段T2之時間長度，其中第一時段T1與第二時段T2之組合可以視為一完整週期。
在一些實施例中，於第一時點t1及第三時點t3時，切換電感式轉換電路110係控制第一開關QA切換為導通狀態並控制第二開關QB切換為不導通狀態，使得電感器L之第一端導通於第二電源V2；切換電容式轉換電 路120係控制第五開關QE切換為不導通狀態並控制第六開關QF切換為導通狀態，使得轉換電容器CFLY之第三端導通於第三電源V3。在本實施例中(或於第一時段T1中)，混合型切換式電源F轉換器100中的電流路徑如圖2A中的電流I1與電流I1’所示，此時第一電源V1及第二電源V2為輸出電源且第三電源為V3輸入電源，其中第三電源V3係對電感器L及轉換電容器CFLY充電並同時對第一電源V1及第二電源V2供電。
在一些實施例中，於第二時點t2時，切換電感式轉換電路110係控制第一開關QA切換為不導通狀態並控制第二開關QB切換為導通狀態，使得電感器L之第一端接地；切換電容式轉換電路120係控制第五開關QE切換為導通狀態並控制第六開關QF切換為不導通狀態，使得轉換電容器CFLY之第三端導通於第二電源V2。在本實施例中(或於第二時段T2中)，混合型切換式電源轉換器100中的電流路徑如圖2B中的電流I2、I3所示，此時第一電源V1及第二電源V2為輸出電源且第三電源V3為輸入電源，其中電感器L係放電以對第一電源V1供電，轉換電容器CFLY係放電以對第二電源V2供電。
請同時參照圖5A及圖5B，圖5A及圖5B是本發明之一實施例中，當第三電源V3之電壓小於第一電源V1之電壓時，且以第三電源V3轉換為第一電源V1為例的電流路徑圖，其中圖5A及圖5B顯示混合型切換式電源轉換器100中在一個週期中兩個程序的電流路徑圖。在本實施例中，切換電感式轉換電路110操作於所述第二電感轉換模式時，切換電感式轉換電路110係控制電感器L之第一端與第二電源V2之間恆導通狀態，並根據所述第二占空比控制電感器L之另一端切換而週期性地導通於第一電源V1或所述接地電位。如圖5A及圖5B所示，切換電感式轉換電路110係控制第一開關QA恆導通狀態且第二開關QB恆不導通狀態，使得電感器L之第一端與第二電 源V2之間恆導通狀態。此外，切換電感式轉換電路110係控制第三開關QC及第四開關QD根據所述第二占空比而輪流導通，以週期性地將電感器L之第二端切換於第一電源V1或所述接地電位，使得電感器L之第二端切換而週期性地導通於第一電源V1或所述接地電位。
在本實施例中，切換電容式轉換電路120操作於所述旁通模式，切換電容式轉換電路120係控制第五開關QE及第六開關QF恆導通狀態，使得第二電源V2與第三電源V3之間恆導通狀態，而使得第二電源V2之電壓等於第三電源V3之電壓。此外，由於切換電感式轉換電路110係同時控制第一開關QA恆導通狀態且第二開關QB恆不導通狀態，使得轉換電容器CFLY被短路而不會產生功效。
請參照圖6，圖6是本發明之一實施例中，當第三電源V3之電壓小於第一電源V1之電壓時，混合型切換式電源轉換器100的電壓波形圖，其中第一電源V1之電壓為8伏特(V)，第二電源V2之電壓為5伏特，第三電源V3之電壓為5伏特。如圖6所示，第四時點t4、第五時點t5及第六時點t6為混合型切換式電源轉換器100切換開關的時點，其中第四時點t4與第五時點t5之間為第三時段T3，第五時點t5與第六時點t6之間為第四時段T4，所述第二佔空比係相關於第三時段T3之時間長度及第四時段T4之時間長度，其中第三時段T3與第四時段T4之組合可以視為一完整週期。
在一些實施例中，於第四時點t4及第六時點t6時，切換電感式轉換電路110係控制第三開關QC切換為導通狀態並控制第四開關QD切換為不導通狀態，使得電感器L之第二端接地。在本實施例中(或於第三時段T3中)，混合型切換式電源轉換器100中的電流路徑如圖5A中的電流I4所示，此 時第一電源V1及第二電源V2為輸出電源且第三電源V3為輸入電源，其中第三電源V3係對電感器L充電並同時對第二電源V2供電。
在一些實施例中，於第五時點t5時，切換電感式轉換電路110係控制第三開關QC切換為不導通狀態並控制第四開關QD切換為導通狀態，使得電感器L之第二端導通於第一電源V1。在本實施例中(或於第四時段T4中)，混合型切換式電源轉換器100中的電流路徑如圖5B中的電流I5所示，此時第一電源V1及第二電源V2為輸出電源且第三電源V3為輸入電源，其中第三電源V3係對電感器L充電並同時對第一電源V1及第二電源V2供電。
請同時參照圖7A及圖7B，圖7A及圖7B是本發明之一實施例中，當第三電源V3之電壓大於第一電源V1之電壓且小於第一電源V1之電壓與預設倍率c之乘積時，且以第三電源V3轉換為第一電源V1與第二電源V2為例的電流路徑圖，其中圖7A及圖7B顯示混合型切換式電源轉換器100中在一個週期中兩個程序的電流路徑圖。在本實施例中，當切換電感式轉換電路110操作於所述第一電感轉換模式時，切換電感式轉換電路110係根據所述第三占空比控制電感器L之第一端切換而週期性地導通於第二電源V2或接地電位；也就是在一個週期中，第一開關QA與第二開關QB根據第三占空比而輪流導通，並控制電感器L之第二端與第一電源V1之間恆導通狀態。
如圖7A及圖7B所示，切換電感式轉換電路110係控制第一開關QA及第二開關QB各自根據所述第三占空比週期性地切換於導通狀態與不導通狀態之間，且第一開關QA切換於導通狀態時，第二開關QB切換於不導通狀態，第二開關QB切換於導通狀態時，第一開關QA切換於不導通狀態，使得電感器L之第一端切換而週期性地導通於第二電源V2或所述接地電位。 此外，切換電感式轉換電路110係控制第三開關QC恆不導通狀態且第四開關QD恆導通狀態，使得電感器L之另一端與第一電源V1之間恆導通狀態。
在本實施例中，切換電容式轉換電路120操作於所述適應模式時，切換電容式轉換電路120係根據所述第三占空比控制轉換電容器CFLY之第四端切換而週期性地導通於第二電源V2或所述接地電位，使得轉換電容器CFLY之跨壓維持為一固定值，其中當轉換電容器CFLY之第三端導通於第二電源V2時，切換電容式轉換電路120係控制第二電源V2與第三電源V3之間導通；當轉換電容器CFLY之第四端導通於所述接地電位時，切換電容式轉換電路120係控制第二電源V2與第三電源V3之間開路(open)。在一些實施例中，所述固定值為0伏特。
請參照圖8，圖8是本發明之一實施例中，當第三電源V3之電壓大於第一電源V1之電壓且小於第一電源V1之電壓與所述預設倍率c之乘積時，混合型切換式電源轉換器100的電壓波形圖，其中第一電源V1之電壓為8伏特，第二電源V2之電壓為12伏特，第三電源V3之電壓為12伏特，所述預設倍率為2倍。如圖8所示，第七時點t7、第八時點t8及第九時點t9為混合型切換式電源轉換器100切換開關的時點，其中第七時點t7與第八時點t8之間為第五時段T5，第八時點t8與第九時點t9之間為第六時段T6，所述第三佔空比係相關於第五時段T5之時間長度及第六時段T6之時間長度，其中第五時段T5與第六時段T6之組合可以視為一完整週期。
在一些實施例中，於第七時點t7及第九時點t9時，切換電感式轉換電路110係控制第一開關QA切換為導通狀態並控制第二開關QB切換為不導通狀態，使得電感器L之第一端導通於第二電源V2；切換電容式轉換電路120係控制第五開關QE及第六開關QF跟隨第一開關QA而切換為導通狀 態(同相切換)，使得第二電源V2與第三電源V3之間導通。在本實施例中(或於第五時段T5中)，混合型切換式電源轉換器100中的電流路徑如圖7A中的電流I6所示，此時第一電源V1及第二電源V2為輸出電源且第三電源V3為輸入電源，其中第三電源V3係對電感器L充電並同時對第一電源V1及第二電源V2供電。
在一些實施例中，於第二時點t2時，切換電感式轉換電路110係控制第一開關QA切換為不導通狀態並控制第二開關QB切換為導通狀態，使得電感器L之一端接地；切換電容式轉換電路120係控制第五開關QE及第六開關QF跟隨第一開關QA而切換為不導通狀態(同相切換)，使得第二電源V2與第三電源V3之間開路。在本實施例中(或於第六時段T6中)，混合型切換式電源轉換器100中的電流路徑如圖7B中的電流I7所示，此時第一電源V1及第二電源V2為輸出電源且第三電源V3為輸入電源，其中電感器L係放電以對第一電源V1供電。
在一些實施例中，第一電源V1及第二電源V2為輸入電源，第三電源V3為輸出電源。請同時參照圖4、圖9A及圖9B，圖9A及圖9B是本發明之一實施例中，當第三電源V3之電壓大於第一電源V1之電壓與所述預設倍率c之乘積時，混合型切換式電源轉換器100中在一個週期中兩個程序的電流路徑圖。舉例來說，如圖4所示，在第一時段T1中，混合型切換式電源轉換器100中的電流路徑如圖9A中的電流I8與I8’所示，此時第一電源V1及第二電源V2為輸入電源且第三電源V3為輸出電源，其中第一電源V1及第二電源V2對第三電源V3供電，電感器L及轉換電容器CFLY係放電以對第三電源V3供電。在第二時段T2中，混合型切換式電源轉換器100中的電流路徑如圖9B中的電流I2’、I3’所示，此時第一電源V1及第二電源V2為輸入電源且第 三電源V3為輸出電源，其中第一電源V1係對電感器L充電，第二電源V2係對轉換電容器CFLY充電。
請同時參照圖10A及圖10B，圖10A及圖10B是本發明之一實施例中，當第三電源V3之電壓與第一電源V1之電壓的差值絕對值小於預設電壓差Vth時，且以第三電源V3轉換為第一電源V1與第二電源V2為例的電流路徑圖，其中圖10A及圖10B顯示混合型切換式電源轉換器100中在一個週期中兩個程序的電流路徑圖。在本實施例中，切換電感式轉換電路110操作於所述第三電感轉換模式，以進行第一電源V1與第二電源V2之間的電源轉換。切換電感式轉換電路110係根據所述第四占空比控制電感器L之第一端與第二端切換，而使電感器L週期性地導通於第二電源V2與接地電位之間或導通於第一電源V1與接地電位之間，也就是在一個週期中，第一開關QA與第三開關QC同相操作，第二開關QB與第四開關QD同相操作，而根據第四占空比而輪流導通。
如圖10A及圖10B所示，切換電感式轉換電路110係控制第一開關QA與第三開關QC同步、第二開關QB與第四開關QD同步，兩組開關各自根據所述第四占空比週期性地切換於導通狀態與不導通狀態之間，且第一開關QA與第三開關QC切換於導通狀態時，第二開關QB與第四開關QD切換於不導通狀態，第二開關QB與第四開關QD切換於導通狀態時，第一開關QA與第三開關QC切換於不導通狀態，使得電感器L週期性地導通於第二電源V2與接地電位之間或導通於第一電源V1與接地電位之間。
在本實施例中，切換電容式轉換電路120操作於所述適應模式時，切換電容式轉換電路120係根據所述第四占空比控制轉換電容器CFLY之第四端切換而週期性地導通於第二電源V2或所述接地電位，使得轉 換電容器CFLY之跨壓維持為一固定值，其中當轉換電容器CFLY之第三端導通於第二電源V2時，切換電容式轉換電路120係控制第二電源V2與第三電源V3之間導通；當轉換電容器CFLY之第四端導通於所述接地電位時，切換電容式轉換電路120係控制第二電源V2與第三電源V3之間開路(open)。在一些實施例中，所述固定值為0伏特。
在一些實施例中，上述開關(包括第一開關QA、第二開關QB、第三開關QC、第四開關QD、第五開關QE以及第六開關Q6)為一N型金氧半電晶體(NMOS)或一P型金氧半電晶體(PMOS)，其中上述開關之控制端對應N型金氧半電晶體之閘極(Gate)或P型金氧半電晶體之閘極，上述開關之一輸出端對應N型金氧半電晶體之汲極(Drain)或P型金氧半電晶體之源極(Source)，上述開關之另一輸出端對應N型金氧半電晶體之源極或P型金氧半電晶體之汲極。
綜上所述，當USB PD 3.1規範套用於本發明之混合型切換式電源轉換器100時，本發明可以有效地進行高效率及較寬電壓範圍的電源轉換。此外，本發明之混合型切換式電源轉換器100可以在一次電源轉換中同時對二個獨立的輸出電源供電，使得本發明之應用更加多元。再者，由於本發明之切換電感式轉換電路110及切換電容式轉換電路120共同使用了第一開關QA及第二開關QB，使得本發明減少了混合型切換式電源轉換器100中的元件數量，進而使本發明有著成本、尺寸及整體功率損耗較小的優勢存在。
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。
100:混合型切換式電源轉換器 110:切換電感式轉換電路 120:切換電容式轉換電路 CFLY:轉換電容器 CV1:第一電容器 CV2:第二電容器 CV3:第三電容器 GA:第一控制訊號 GB:第二控制訊號 GC:第三控制訊號 GD:第四控制訊號 GE:第五控制訊號 GF:第六控制訊號 L:電感器 LX1:第一切換節點 LX2:第二切換節點 QA:第一開關 QB:第二開關 QC:第三開關 QD:第四開關 QE:第五開關 QF:第六開關 V1:第一電源 V2:第二電源 V3:第三電源

Claims (11)

  1. 一種混合型切換式電源轉換器，用以進行一第一電源、一第二電源與一第三電源之間的電源轉換，包含：一切換電感式轉換電路，包括複數電感開關與一電感器，該些電感開關包括一第一開關及一第二開關，該切換電感式轉換電路用以切換該電感器與該第一電源及該第二電源之間的耦接關係，以進行該第一電源與該第二電源之間的電源轉換；以及一切換電容式轉換電路，包括複數電容開關與一轉換電容器，該些電容開關包括該第一開關及該第二開關，該切換電容式轉換電路用以切換該轉換電容器與該第二電源及該第三電源之間的耦接關係，以進行該第二電源與該第三電源之間的電源轉換；其中，當該第三電源之電壓大於該第一電源之電壓與一預設倍率之乘積時，該切換電感式轉換電路根據一第一占空比操作於一第一電感轉換模式以進行該第一電源與該第二電源之間的電源轉換，該切換電容式轉換電路根據該第一占空比操作於一電容轉換模式以進行該第二電源與該第三電源之間的電源轉換，其中該第二電源之電壓大於該第一電源之電壓，該第三電源之電壓為該第二電源之電壓與該預設倍率之乘積，該預設倍率大於1；其中，當該切換電感式轉換電路操作於該第一電感轉換模式時，該切換電感式轉換電路根據該第一占空比控制該電感器之一第一端切換而週期性地導通於該第二電源或一接地電位，並控制該電感器之一第二端與該第一電源之間恆導通狀態；當該切換電容式轉換電路操作於該電容轉換模式時，該切換電容式轉換電路根據該第一占空比控制該轉換電容器之一第三端切換而週期性地導 通於該第三電源或該第二電源，並控制該轉換電容器之一第四端切換而週期性地導通於該第二電源或該接地電位。
  2. 如請求項1所述之混合型切換式電源轉換器，其中該預設倍率為2倍。
  3. 如請求項1所述之混合型切換式電源轉換器，其中當該第三電源之電壓小於該第一電源之電壓時，該切換電感式轉換電路根據一第二占空比操作於一第二電感轉換模式以進行該第一電源與該第二電源之間的電源轉換，該切換電容式轉換電路操作於一旁通模式，其中該第二電源之電壓小於該第一電源之電壓；當該第三電源之電壓大於該第一電源之電壓且小於該第一電源之電壓與該預設倍率之乘積時，該切換電感式轉換電路根據一第三占空比操作於該第一電感轉換模式以進行該第一電源與該第二電源之間的電源轉換，該切換電容式轉換電路根據該第三占空比操作於一適應模式；其中，當該切換電感式轉換電路操作於該第二電感轉換模式時，該切換電感式轉換電路控制該電感器之該第一端與該第二電源之間恆導通狀態，並根據該第二占空比控制該電感器之該第二端切換而週期性地導通於該第一電源或該接地電位；當該切換電容式轉換電路操作於該旁通模式時，該切換電容式轉換電路控制該第二電源與該第三電源之間恆導通狀態；當該切換電容式轉換電路操作於該適應模式時，該切換電容式轉換電路根據該第三占空比控制該轉換電容器之該第四端切換而週期性地導通於該第二電源或該接地電位，使得該轉換電容器之跨壓維持為一固定值，其中當該轉換電容器之該第四端導通於該第二電源時，該切換電容式轉換電路 控制該第二電源與該第三電源之間導通；當該轉換電容器之該第四端導通於該接地電位時，該切換電容式轉換電路控制該第二電源與該第三電源之間開路。
  4. 如請求項3所述之混合型切換式電源轉換器，其中該固定值為0伏特。
  5. 如請求項3所述之混合型切換式電源轉換器，其中該些電感開關更包括一第三開關及一第四開關，其中該第一開關與該第二開關串聯於該第二電源與該接地電位之間，並共同耦接該電感器之該第一端與該轉換電容器之該第四端，該第三開關與該第四開關串聯耦接於該接地電位與該第一電源之間，並共同耦接該電感器之該第二端；該些電容開關更包括一第五開關及一第六開關，其中該第五開關與該第六開關串聯耦接於該第二電源與該第三電源之間，並共同耦接該轉換電容器之該第三端，該第五開關與該第一開關串聯耦接於該轉換電容器之該第三端與該第四端之間，並共同耦接該第二電源；該第一電源耦接該第四開關，該第二電源耦接於該第一開關與該第五開關之間，該第三電源耦接該第六開關。
  6. 如請求項5所述之混合型切換式電源轉換器，其中當該切換電容式轉換電路操作於該第一電感轉換模式時，該第一開關及該第二開關根據該第一占空比週期性地輪流切換於一導通狀態，該第三開關恆不導通狀態，該第四開關恆導通狀態。
  7. 如請求項5所述之混合型切換式電源轉換器，其中當該切換電容式轉換電路操作於該第二電感轉換模式時，該第一開關恆導通狀態，該 第二開關恆不導通狀態，該第三開關及該第四開關根據該第二占空比週期性地輪流切換於一導通狀態。
  8. 如請求項5所述之混合型切換式電源轉換器，其中當該切換電容式轉換電路操作於該電容轉換模式時，該第一開關、該第二開關、該第五開關及該第六開關根據該第一占空比週期性地以該第一開關與該第六開關同相切換，且該第二開關與該第五開關同相切換的方式，輪流切換於一導通狀態。
  9. 如請求項5所述之混合型切換式電源轉換器，其中當該切換電容式轉換電路操作於該旁通模式時，該第一開關、該第五開關及該第六開關恆導通狀態，該第二開關恆不導通狀態。
  10. 如請求項5所述之混合型切換式電源轉換器，其中當該切換電容式轉換電路操作於該適應模式時，該第一開關及該第二開關根據該第二占空比週期性地輪流切換於一導通狀態，且該第五開關及該第六開關與該第一開關同相切換。
  11. 如請求項1所述之混合型切換式電源轉換器，其中當該第三電源之電壓與該第一電源之電壓的差值絕對值小於一預設電壓差時，該切換電感式轉換電路根據一第四占空比操作於一第三電感轉換模式以進行該第一電源與該第二電源之間的電源轉換，該切換電容式轉換電路操作於該適應模式，其中該第二電源之電壓等於該第三電源之電壓；其中，當該切換電感式轉換電路操作於該第三電感轉換模式時，該切換電感式轉換電路根據該第四占空比控制該電感器之該第一端與該第二端切換，而使該電感器週期性地導通於該第二電源與該接地電位之間或導通於該第一電源與該接地電位之間； 當該切換電容式轉換電路操作於該適應模式時，該切換電容式轉換電路根據該第四占空比控制該轉換電容器之該第四端切換而週期性地導通於該第二電源或該接地電位，使得該轉換電容器之跨壓維持為一固定值，其中當該轉換電容器之該第四端導通於該第二電源時，該切換電容式轉換電路控制該第二電源與該第三電源之間導通；當該轉換電容器之該第四端導通於該接地電位時，該切換電容式轉換電路控制該第二電源與該第三電源之間開路。
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