TWI826006B - 電源轉換器 - Google Patents

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Abstract

一種電源轉換器，包含一個上橋開關、一個下橋開關、一個下橋驅動器、一個負載偵測器、一個可調式電壓調節器及一個上橋驅動器。該下橋驅動器產生一個下橋驅動信號來控制該下橋開關。該負載偵測器產生一個指示輸出。該可調式電壓調節器接收該指示輸出，並且根據該指示輸出產生一個調節電壓。該上橋驅動器接收該調節電壓及一個輸入電壓，並且產生一個上橋驅動信號來控制該上橋開關。

Description

電源轉換器
本發明是有關於一種電源轉換器，特別是指一種用於進行升降壓轉換的電源轉換器。
參閱圖1，一個現有的電源轉換器91與一個電感92一起使用以進行升降壓轉換，從而將一個輸入電壓VIN轉換成一個輸出電壓VNEG。輸入電壓VIN具有正的幅值。輸出電壓VNEG具有負的幅值，並且被供應給一個負載93。現有的電源轉換器91包括一個上橋開關911、一個下橋開關912、一個下橋驅動器913、一個固定式電壓調節器914及一個上橋驅動器915。下橋驅動器913產生在輸出電壓VNEG與一個電壓VA之間切換的一個下橋驅動信號Vgn，來控制下橋開關912在不導通與導通之間的切換。電壓VA的幅值大於輸出電壓VNEG的幅值。固定式電壓調節器914產生一個調節電壓Vhs_reg。調節電壓Vhs_reg的幅值固定，並且小於輸入電壓VIN的幅值。上橋驅動器915產生在輸入電壓VIN與調節電壓Vhs_reg之間切換的一個上橋驅動信號Vgp，來控制上橋開關911在不導通與導通之間的切換。現有的電源轉換器91在輕載時的缺點是具有較大的開關切換損失、較多的熱能產生及較低的轉換效率。
因此，本發明的目的即在提供一種電源轉換器。該電源轉換器能夠克服先前技術的至少一個缺點。
於是，本發明電源轉換器包括一個上橋開關、一個下橋開關、一個下橋驅動器、一個負載偵測器、一個可調式電壓調節器及一個上橋驅動器。該上橋開關具有一個第一端、一個第二端及一個控制端。該上橋開關的該第一端接收一個輸入電壓。該上橋開關的該第二端適用於電連接到一個電感。該上橋開關的該控制端接收一個上橋驅動信號。該下橋開關具有一個第一端、一個第二端及一個控制端。該下橋開關的該第一端電連接到該上橋開關的該第二端。該下橋開關的該第二端適用於電連接到一個負載，並且提供一個輸出電壓。該下橋開關的該控制端接收一個下橋驅動信號。該下橋驅動器電連接到該下橋開關的該控制端，並且產生該下橋驅動信號給該下橋開關的該控制端接收。該負載偵測器產生一個指示輸出。該可調式電壓調節器電連接到該負載偵測器以接收該指示輸出，並且根據該指示輸出產生一個調節電壓。該上橋驅動器電連接到該可調式電壓調節器以接收該調節電壓，還電連接到該上橋開關的該控制端，還接收該輸入電壓，並且產生該上橋驅動信號。
本發明的功效在於：藉由該負載偵測器產生該指示輸出，並且藉由該可調式電壓調節器根據該指示輸出產生該調節電壓，該電源轉換器在輕載時能具有較小的開關切換損失、較少的熱能產生及較高的轉換效率。
參閱圖2，本發明電源轉換器1的一個實施例與一個電感2一起使用以進行升降壓轉換，從而將一個輸入電壓VIN轉換成一個輸出電壓VNEG。輸入電壓VIN具有正的幅值。輸出電壓VNEG具有負的幅值，並且被供應給一個負載3。輸入電壓VIN的幅值可以落在3V到5V的範圍內，並且輸出電壓VNEG的幅值可以落在-7V到-4V的範圍內，但是本發明不限於此。本實施例的電源轉換器1可以被安裝在一個電子設備（例如筆記型電腦、電腦顯示器或電視機）中，並且輸出電壓VNEG可以被供應給電子設備的至少一個部件（例如液晶面板及/或用於驅動液晶面板的源驅動器），但是本發明不限於此。
本實施例的電源轉換器1包括一個上橋開關11、一個下橋開關12、一個下橋驅動器13、一個負載偵測器14、一個可調式電壓調節器15及一個上橋驅動器16。
上橋開關11（例如P型金屬氧化物半導體場效應電晶體）具有一個第一端（例如源極端）、一個第二端（例如汲極端）及一個控制端（例如閘極端）。上橋開關11的第一端接收輸入電壓VIN。上橋開關11的第二端適用於電連接到電感2。上橋開關11的控制端接收一個上橋驅動信號Vgp。電感2還電連接到地。當上橋開關11導通時，電感2儲存來自提供輸入電壓VIN的一個電源供應器（圖未示）的能量。
下橋開關12（例如N型金屬氧化物半導體場效應電晶體）具有一個第一端（例如汲極端）、一個第二端（例如源極端）及一個控制端（例如閘極端）。下橋開關12的第一端電連接到上橋開關11的第二端。下橋開關12的第二端適用於電連接到負載3，並且提供輸出電壓VNEG。下橋開關12的控制端接收一個下橋驅動信號Vgn。負載3還電連接到地。當下橋開關12導通時，電感2將其儲存的能量釋放給負載3。
下橋驅動器13電連接到下橋開關12的第二端以接收輸出電壓VNEG，還電連接到下橋開關12的控制端，並且還接收一個電壓VA。電壓VA的幅值比輸出電壓VNEG的幅值大一個預定量（例如5V）。下橋驅動器13產生在輸出電壓VNEG與電壓VA之間切換的下橋驅動信號Vgn給下橋開關12的控制端接收，來控制下橋開關12在不導通與導通之間的切換。
負載偵測器14偵測本實施例的電源轉換器1是輕載還是重載，以產生一個指示輸出。
可調式電壓調節器15電連接到負載偵測器14以接收指示輸出，並且根據指示輸出產生一個調節電壓Vauto_ctrl。調節電壓Vauto_ctrl的幅值小於輸入電壓VIN的幅值，並且在指示輸出指示本實施例的電源轉換器1輕載時較大，而在指示輸出指示本實施例的電源轉換器1重載時較小。
上橋驅動器16電連接到可調式電壓調節器15以接收調節電壓Vauto_ctrl，還電連接到上橋開關11的控制端，並且還接收輸入電壓VIN。上橋驅動器16產生在輸入電壓VIN與調節電壓Vauto_ctrl之間切換的上橋驅動信號Vgp給上橋開關11的控制端接收，來控制上橋開關11在不導通與導通之間的切換。
參閱圖3及圖4，在本實施例中，下橋驅動器13及上橋驅動器16各自是一個緩衝器。在一個時鐘信號CLK的每一個下降緣，上橋驅動信號Vgp從輸入電壓VIN切換到調節電壓Vauto_ctrl，因此上橋開關11從不導通切換到導通，然後流過電感2的一個電流iL（以下稱為電感電流iL）的幅值逐漸增大。從時鐘信號CLK的下降緣開始經過一個時間間隔後，上橋驅動信號Vgp從調節電壓Vauto_ctrl切換到輸入電壓VIN，因此上橋開關11從導通切換到不導電。時間間隔比時鐘信號CLK的週期短，並且在本實施例的電源轉換器1輕載時較短，而在本實施例的電源轉換器1重載時較長。在上橋驅動信號Vgp每一次從調節電壓Vauto_ctrl切換到輸入電壓VIN時，下橋驅動信號Vgn從輸出電壓VNEG切換到電壓VA，因此下橋開關12從不導通切換到導通，然後電感電流iL的幅值逐漸減小。當本實施例的電源轉換器1輕載時，電源轉換器1操作在一個不連續導通模式，並且在電感電流iL的幅值減小到零時，下橋驅動信號Vgn從電壓VA切換到輸出電壓VNEG，因此下橋開關12從導通切換到不導通。當本實施例的電源轉換器1重載時，電源轉換器1操作在一個連續導通模式，並且在時鐘信號CLK的每一個下降緣，下橋驅動信號Vgn從電壓VA切換到輸出電壓VNEG，因此下橋開關12從導通切換到不導通。
在本實施例中，負載偵測器14還電連接到下橋驅動器13以接收下橋驅動信號Vgn，還接收時鐘信號CLK，並且根據下橋驅動信號Vgn及時鐘信號CLK產生指示輸出。具體來說，指示輸出包括一個指示信號DCM及一個反相指示信號DCMB。反相指示信號DCMB的邏輯值互補於指示信號DCM的邏輯值。此外，負載偵測器14包括一個第一反相器141、一個第二反相器142及一個D型正反器143。第一反相器141具有一個輸入端及一個輸出端。第一反相器141的輸入端電連接下橋驅動器13以接收下橋驅動信號Vgn。第二反相器142具有一個輸入端及一個輸出端。第二反相器142的輸入端接收時鐘信號CLK。D型正反器143具有一個資料輸入端、一個時鐘輸入端、一個資料輸出端及一個反相資料輸出端。D型正反器143的資料輸入端電連接到第一反相器141的輸出端。D型正反器143的時鐘輸入端電連接到第二反相器142的輸出端。D型正反器143的資料輸出端提供指示信號DCM。D型正反器143的反相資料輸出端提供反相指示信號DCMB。因此，在時鐘信號CLK的每一個下降緣，負載偵測器14使指示信號DCM的邏輯值互補於下橋驅動信號Vgn的邏輯值，並且使反相指示信號DCMB的邏輯值相同於下橋驅動信號Vgn的邏輯值。當本實施例的電源轉換器1輕載時，下橋驅動信號Vgn在時鐘信號CLK的各個下降緣為邏輯值“0”（對應輸出電壓VNEG），因此指示信號DCM及反相指示信號DCMB分別保持在邏輯值“1”及邏輯值“0”。當本實施例的電源轉換器1重載時，下橋驅動信號Vgn在時鐘信號CLK的各個下降緣為邏輯值“1”（對應電壓VA），因此指示信號DCM及反相指示信號DCMB分別保持在邏輯值“0”及邏輯值“1”。
在本實施例中，可調式電壓調節器15還電連接到下橋開關12的第二端以接收輸出電壓VNEG，還電連接到一個端點以接收一個參考電壓，並且還接收輸入電壓VIN。參考電壓可以是地電壓。當指示輸出指示本實施例的電源轉換器1輕載時（即指示信號DCM及反相指示信號DCMB分別在邏輯值“1”及邏輯值“0”），可調式電壓調節器15由輸入電壓VIN相對於地電壓來供電。當指示輸出指示本實施例的電源轉換器1重載時（即指示信號DCM及反相指示信號DCMB分別在邏輯值“0”及邏輯值“1”），可調式電壓調節器15由輸入電壓VIN相對於輸出電壓VNEG來供電。具體來說，可調式電壓調節器15包括一個第一電阻151、一個第二電阻152、一個第一電晶體153、一個第二電晶體154、一個電流源155、一個第一開關156及一個第二開關157。第一電阻151具有一個第一端及一個第二端。第一電阻151的第一端接收輸入電壓VIN。第二電阻152具有一個第一端及一個第二端。第二電阻152的第一端接收輸入電壓VIN。第一電晶體153（例如P型金屬氧化物半導體場效應電晶體）具有一個第一端（例如源極端）、一個第二端（例如汲極端）及一個控制端（例如閘極端）。第一電晶體153的第一端電連接到第一電阻151的第二端。第一電晶體153的控制端電連接到第一電晶體153的第二端。第二電晶體154（例如P型金屬氧化物半導體場效應電晶體）具有一個第一端（例如源極端）、一個第二端（例如汲極端）及一個控制端（例如閘極端）。第二電晶體154的第一端電連接到第二電阻152的第二端。第二電晶體154的控制端電連接到第一電晶體153的控制端。電流源155電連接在第一電晶體153的第二端與第二電晶體154的第二端之間，並且產生從第一電晶體153的第二端流到第二電晶體154的第二端的一個電流。第一開關156具有一個第一端、一個第二端及一個控制端。第一開關156的第一端電連接到第二電晶體154的第二端。第一開關156的第二端電連接到地以接收地電壓。第一開關156的控制端電連接到負載偵測器14以接收指示信號DCM。當指示信號DCM在邏輯值“1”時，第一開關156導通。當指示信號DCM在邏輯值“0”時，第一開關156不導通。第二開關157具有一個第一端、一個第二端及一個控制端。第二開關157的第一端電連接到第二電晶體154的第二端。第二開關157的第二端電連接到下橋開關12的第二端以接收輸出電壓VNEG。第二開關157的控制端電連接到負載偵測器14以接收反相指示信號DCMB。當反相指示信號DCMB在邏輯值“1”時，第二開關157導通。當反相指示信號DCMB在邏輯值“0”時，第二開關157不導通。調節電壓Vauto_ctrl在第二電阻152與第二電晶體154的一個共同節點處提供。因此，當指示輸出指示本實施例的電源轉換器1輕載時，調節電壓Vauto_ctrl的幅值等於地電壓的幅值（即調節電壓Vauto_ctrl的幅值為0V）。當指示輸出指示本實施例的電源轉換器1重載時，調節電壓Vauto_ctrl的幅值小於地電壓的幅值並且大於輸出電壓VNEG的幅值（即調節電壓Vauto_ctrl的幅值為VIN-I×R，其中，“I”表示電流源155所產生的電流，“R”表示第一電阻151的電阻值，並且VIN＜I×R＜VIN-VNEG）。如圖4所示，在VIN=3.3V並且I×R=5V的範例中，VIN-I×R=-1.7V。
由於上橋開關11的第一端與控制端之間的一個電壓Vsg在指示輸出指示本實施例的電源轉換器1輕載時的擺動較小，而在指示輸出指示本實施例的電源轉換器1重載時的擺動較大，所以本實施例的電源轉換器1的開關切換損失在指示輸出指示本實施例的電源轉換器1輕載時可以被降低，從而降低本實施例的電源轉換器1的熱能產生，並且提高本實施例的電源轉換器1的轉換效率。
參閱圖1、圖3及圖5，圖5說明本實施例的電源轉換器1及現有的電源轉換器91的轉換效率對負載電流特性，其中，一個負載電流iLoad（其是電感電流iL在時鐘信號CLK的每一個週期中的平均值）落在0mA到200mA的範圍內。可以從圖5合理地確定，當本實施例的電源轉換器1及現有的電源轉換器91都輕載時，本實施例的電源轉換器1比現有的電源轉換器91具有更好的轉換效率。
綜上所述，在本實施例中，藉由負載偵測器14偵測電源轉換器1是輕載還是重載來產生指示輸出，並且藉由可調式電壓調節器15使調節電壓Vauto_ctrl的幅值在指示輸出指示電源轉換器1輕載時較大而在指示輸出指示電源轉換器1重載時較小，與現有的電源轉換器91相比，電源轉換器1在輕載時可以具有較小的開關切換損失、較少的熱能產生及較高的轉換效率。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
1:電源轉換器
11:上橋開關
12:下橋開關
13:下橋驅動器
14:負載偵測器
141:第一反相器
142:第二反相器
143:D型正反器
15:可調式電壓調節器
151:第一電阻
152:第二電阻
153:第一電晶體
154:第二電晶體
155:電流源
156:第一開關
157:第二開關
16:上橋驅動器
2:電感
3:負載
91:電源轉換器
911:上橋開關
912:下橋開關
913:下橋驅動器
914:固定式電壓調節器
915:上橋驅動器
92:電感
93:負載
CLK:時鐘信號
DCM:指示信號
DCMB:反相指示信號
iL:電感電流
iLoad:負載電流
VA:電壓
Vauto_ctrl:調節電壓
Vgn:下橋驅動信號
Vgp:上橋驅動信號
Vhs_reg:調節電壓
VIN:輸入電壓
VNEG:輸出電壓
Vsg:電壓
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一個電路方塊圖，說明現有的電源轉換器； 圖2是一個電路方塊圖，說明本發明電源轉換器的一個實施例； 圖3是一個電路方塊圖，說明該實施例的一個負載偵測器及一個可調式電壓調節器； 圖4是一個時序圖，說明該實施例的操作；及 圖5是一個示意圖，說明該實施例及現有電源轉換器的轉換效率對負載電流特性。
1:電源轉換器
11:上橋開關
12:下橋開關
13:下橋驅動器
14:負載偵測器
15:可調式電壓調節器
16:上橋驅動器
2:電感
3:負載
VA:電壓
Vauto_ctrl:調節電壓
Vgn:下橋驅動信號
Vgp:上橋驅動信號
VIN:輸入電壓
VNEG:輸出電壓
Vsg:電壓

Claims (7)

  1. 一種電源轉換器，包含：一個上橋開關，具有一個第一端、一個第二端及一個控制端，該上橋開關的該第一端接收一個輸入電壓，該上橋開關的該第二端適用於電連接到一個電感，該上橋開關的該控制端接收一個上橋驅動信號；一個下橋開關，具有一個第一端、一個第二端及一個控制端，該下橋開關的該第一端電連接到該上橋開關的該第二端，該下橋開關的該第二端適用於電連接到一個負載，並且提供一個輸出電壓，該下橋開關的該控制端接收一個下橋驅動信號；一個下橋驅動器，電連接到該下橋開關的該控制端，並且產生該下橋驅動信號給該下橋開關的該控制端接收；一個負載偵測器，接收該下橋驅動信號以產生一個指示輸出；一個可調式電壓調節器，電連接到該負載偵測器以接收該指示輸出，並且根據該指示輸出產生一個調節電壓；及一個上橋驅動器，電連接到該可調式電壓調節器以接收該調節電壓，還電連接到該上橋開關的該控制端，還接收該輸入電壓，並且產生該上橋驅動信號。
  2. 如請求項1所述的電源轉換器，其中，該可調式電壓調節器還電連接到該下橋開關的該第二端以接收該輸出電壓，並且還接收該輸入電壓及一個參考電壓。
  3. 如請求項2所述的電源轉換器，其中，當該指示輸出指示該電源轉換器輕載時，該調節電壓的幅值等於該參考電壓的幅值，當該指示輸出指示該電源轉換器重載時，該調節電壓的幅值小於該參考電壓的幅值並且大於該輸出電壓的幅值。
  4. 如請求項2所述的電源轉換器，其中，該指示輸出包括一個指示信號及一個反相指示信號，並且該可調式電壓調節器包括：一個第一電阻，具有一個第一端及一個第二端，該第一電阻的該第一端接收該輸入電壓；一個第二電阻，具有一個第一端及一個第二端，該第二電阻的該第一端接收該輸入電壓；一個第一電晶體，具有一個第一端、一個第二端及一個控制端，該第一電晶體的該第一端電連接到該第一電阻的該第二端，該第一電晶體的該控制端電連接到該第一電晶體的該第二端；一個第二電晶體，具有一個第一端、一個第二端及一個控制端，該第二電晶體的該第一端電連接到該第二電阻的該第二端，該第二電晶體的該控制端電連接到該第一電晶體的該控制端； 一個電流源，電連接在該第一電晶體的該第二端與該第二電晶體的該第二端之間；一個第一開關，具有一個第一端、一個第二端及一個控制端，該第一開關的該第一端電連接到該第二電晶體的該第二端，該第一開關的該第二端接收該參考電壓，該第一開關的該控制端電連接到該負載偵測器以接收該指示信號；及一個第二開關，具有一個第一端、一個第二端及一個控制端，該第二開關的該第一端電連接到該第二電晶體的該第二端，該第二開關的該第二端電連接到該下橋開關的該第二端以接收該輸出電壓，該第二開關的該控制端電連接到該負載偵測器以接收該反相指示信號；該調節電壓在該第二電阻與該第二電晶體的一個共同節點處提供。
  5. 如請求項1所述的電源轉換器，其中，該負載偵測器還電連接到該下橋驅動器以接收該下橋驅動信號，還接收一個時鐘信號，並且根據該下橋驅動信號及該時鐘信號產生該指示輸出。
  6. 如請求項5所述的電源轉換器，其中：該指示輸出包括一個指示信號及一個反相指示信號；在該時鐘信號的每一個下降緣，該負載偵測器使該指示信號的邏輯值互補於該下橋驅動信號的邏輯值，並 且使該反相指示信號的邏輯值相同於該下橋驅動信號的邏輯值。
  7. 如請求項5所述的電源轉換器，其中，該指示輸出包括一個指示信號及一個反相指示信號，並且該負載偵測器包括：一個第一反相器，具有一個輸入端及一個輸出端，該第一反相器的該輸入端電連接到該下橋驅動器以接收該下橋驅動信號；一個第二反相器，具有一個輸入端及一個輸出端，該第二反相器的該輸入端接收該時鐘信號；及一個D型正反器，具有一個資料輸入端、一個時鐘輸入端、一個資料輸出端及一個反相資料輸出端，該D型正反器的該資料輸入端電連接到該第一反相器的該輸出端，該D型正反器的該時鐘輸入端電連接到該第二反相器的該輸出端，該D型正反器的該資料輸出端電連接到該可調式電壓調節器，並且提供該指示信號，該D型正反器的該反相資料輸出端電連接到該可調式電壓調節器，並且提供該反相指示信號。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20170302178A1 (en) * 2016-04-13 2017-10-19 Texas Instruments Incorporated Dc-dc converter and control circuit with low-power clocked comparator referenced to switching node for zero voltage switching
TW202143611A (zh) * 2020-04-30 2021-11-16 加拿大商萬國半導體國際有限合夥公司 將控制資訊從電源轉換器之二次側提供至一次側的訊號傳輸電路，以及電源轉換器的控制電路

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