CN102195485A - 直流转直流转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流转直流转换器，适于产生负载所需的电源电压，且其包括降压电路与升压电路。降压电路用以接收直流输入电压，并依据第一控制信号以对直流输入电压进行降压处理后而输出电源电压，或者直接输出直流输入电压。升压电路用以接收降压电路所输出的电源电压或直流输入电压，并依据第二控制信号以对降压电路所输出的直流输入电压进行升压处理后而输出电源电压给负载，或者直接输出降压电路所输出的电源电压给负载。

Description

直流转直流转换器

技术领域

本发明涉及一种电源供应装置，且特别涉及一种具有升降压功能及高效率的直流转直流转换器。

背景技术

传统上，为了要稳定地/精准地提供负载(例如电子装置)所需的电源电压，大多会将直流转直流转换器设计具有升降压功能。图1为传统具有升降压功能的直流转直流转换器100的电路示意图。请参照图1，直流转直流转换器100包括具有隔离作用的变压器TX、开关SW、电容C、二极管D，以及电压反馈控制器VF。

一般而言，电压反馈控制器VF会持续侦测负载LD所接收的电源电压Vpwr，并据以产生可变工作周期(duty cycle)的控制信号CS，而对直流输入电压Vin进行升压(boost)或降压(buck)。如此一来，直流转直流转换器100即可稳定地/精准地提供负载LD所需的电源电压Vpwr。

然而，由于直流转直流转换器100主要是通过具有隔离作用的变压器TX来同时实现升降压功能，故而变压器TX必需负担所有的输出功率(outputpower)，以至于变压器TX的体积会很大，且其效率也不高。也亦因如此，直流转直流转换器100很难实现在现今微型化的电子装置的设计的范畴中。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种具有升降压功能、体积小且效率高的直流转直流转换器。

本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭示的技术特征中得到进一步的了解。

为达上述的一或部份或全部目的或是其他目的，本发明所提供的直流转直流转换器适于产生负载所需的电源电压，且其包括降压电路与升压电路。降压电路用以接收直流输入电压，并依据第一控制信号以对直流输入电压进行降压处理后而输出电源电压，或者直接输出直流输入电压。升压电路耦接负载与降压电路，用以接收降压电路所输出的电源电压或直流输入电压，并依据第二控制信号以对降压电路所输出的直流输入电压进行升压处理后而输出电源电压给负载，或者直接输出降压电路所输出的电源电压给负载。

在本发明的一实施例中，直流转直流转换器还包括控制单元。控制单元耦接降压电路与升压电路，用以侦测降压电路与升压电路的输出的电压，并据以产生第一与第二控制信号来控制降压电路与升压电路。

在本发明的一实施例中，当直流输入电压高于电源电压时，控制单元控制降压电路对直流输入电压进行降压处理后而输出电源电压，并且控制升压电路直接输出降压电路所输出的电源电压给负载。

在本发明的一实施例中，当直流输入电压低于电源电压时，控制单元控制降压电路直接输出直流输入电压，并且控制升压电路对降压电路所输出的直流输入电压进行升压处理后而输出电源电压给负载。

在本发明的一实施例中，升压电路的输出功率可以小于、大于或等于降压电路的输出功率。

基于上述可知，本发明所提出的直流转直流转换器是通过将降压电路与升压电路分开独立设计后再搭配一起使用，藉以来达到具有升降压功能、体积小以及效率高等多项目标。更清楚来说，在直流输入电压高于负载所需的电源电压的条件下，由于只有降压电路会进行降压运作以产生负载所需的电源电压，而升压电路仅会传导降压电路所产生的电源电压给负载，以至于在此条件下，直流转直流转换器可以达到降压功能与提高降压效率的目标。

另一方面，在直流输入电压低于负载所需的电源电压的条件下，由于降压电路仅会传导所接收的直流输入电压，而只有升压电路会进行升压运作以产生负载所需的电源电压，以至于在此条件下，直流转直流转换器可以达到升压功能与提高升压效率的目标。此外，若将本发明的升压电路的输出功率设计的远小于降压电路的输出功率的话，则应用在升压电路中的变压器的体积就得以被缩减相当的多，藉以致使直流转直流转换器可以达到体积小的目标。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举多个实施例，并配合附图，作详细说明如下，但是上述一般描述及以下实施方式仅为例示性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

附图说明

图1为传统具有升降压功能的直流转直流转换器的电路示意图。

图2为本发明一实施例的直流转直流转换器的方块示意图。

图3为本发明一实施例的直流转直流转换器的电路示意图。

主要元件符号说明：

100、200：直流转直流转换器        201：降压电路

203：升压电路                     205：控制单元

TX、TX’：变压器                  207：第一端

209：第二端                       211：打点端

SW、SW1、SW2：开关                C、C1、C2：电容

L：电感                           D、D1～D3：二极管

VF：电压反馈控制器                LD：负载

VF1：第一电压反馈控制器           VF2：第二电压反馈控制器

Vin：直流输入电压                 Vpwr：电源电压

CS：控制信号                      GND：接地电位

CS1：第一控制信号                 CS2：第二控制信号

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合附图的多个实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。另外，现将详细参考本发明的实施例，并在附图中说明所述实施例的实例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件代表相同或类似部分。

图2为本发明一实施例的直流转直流转换器(DC-to-DC converter)200的方块示意图。请参照图2，直流转直流转换器200适于产生负载LD(例如为电子装置，但并不限制于此)所需的电源电压(power voltage)Vpwr，且其包括降压电路(buck circuit)201、升压电路(boost circuit)203以及控制单元(control unit)205。在本实施例中，升压电路203的输出功率(output power)可以小于、大于或等于降压电路201的输出功率，一切根据实际设计需求来决定。

降压电路201用以接收直流输入电压Vin，并依据第一控制信号CS1以对直流输入电压Vin进行降压处理后而输出电源电压Vpwr，或者直接输出直流输入电压Vin。升压电路203耦接负载LD与降压电路201，用以接收降压电路201所输出的电源电压Vpwr或直流输入电压Vin，并依据第二控制信号CS2以对降压电路201所输出的直流输入电压Vin进行升压处理后而输出电源电压Vpwr给负载LD，或者直接输出降压电路201所输出的电源电压Vpwr给负载LD。

控制单元205耦接降压电路201与升压电路203，用以侦测降压电路201与升压电路203的输出的电压，并据以产生第一控制信号CS1与第二控制信号CS2来控制降压电路201与升压电路203。在本实施例中，当直流输入电压Vin高于电源电压Vpwr时，控制单元205控制降压电路201对直流输入电压Vin进行降压处理后而输出电源电压Vpwr，并且控制升压电路203直接输出降压电路201所输出的电源电压Vpwr给负载LD。另一方面，当直流输入电压Vin低于电源电压Vpwr时，控制单元205控制降压电路201直接输出直流输入电压Vin，并且控制升压电路203对降压电路201所输出的直流输入电压Vin进行升压处理后而输出电源电压Vpwr给负载LD。

更清楚来说，图3为本发明一实施例的直流转直流转换器200的电路示意图。请合并参照图2与图3，降压电路201例如可以为降压型转换器(buckconverter，但并不限制于此)，且其包括开关SW1、二极管D1、电感L以及电容C1。开关SW1得以利用MOS晶体管实现，且其第一端用以接收直流输入电压Vin，而其控制端则用以接收第一控制信号CS1。二极管D1的阳极耦接至接地电位GND，而二极管D1的阴极则耦接开关SW1的第二端。电感L的第一端耦接开关SW1的第二端，而电感L的第二端则用以输出电源电压Vpwr或直流输入电压Vin。电容C1的第一端耦接电感L的第二端，而电容C1的第二端则耦接至接地电位GND。

另外，升压电路203例如可以为返驰式升压型转换器(flyback-boostconverter，但并不限制于此)，且其包括变压器TX’、二极管D2与D3、开关SW2以及电容C2。变压器TX’具有第一端207、第二端209以及打点端211。其中，变压器TX’的打点端211耦接电感L的第二端。二极管D2的阳极(anode)耦接变压器TX’的第一端207，而二极管D2的阴极(cathode)则用以输出电源电压Vpwr。二极管D3的阳极耦接电感L的第二端，而二极管D3的阴极则耦接二极管D2的阴极。开关SW2得以利用MOS晶体管实现，且其控制端用以接收第二控制信号CS2、其第一端耦接变压器TX’的第二端209，而其第二端则耦接接地电位GND。

再者，控制单元205包括第一电压反馈控制器(voltage feedback controller)VF1与第二电压反馈控制器VF2。第一电压反馈控制器VF1用以侦测降压电路201的输出的电压，并据以产生第一控制信号CS1。第二电压反馈控制器VF2用以侦测升压电路203的输出的电压，并据以产生第二控制信号CS2。

基于上述，假设负载LD所需的电源电压Vpwr为12V，且此时直流输入电压Vin为12.5V的话，则由于直流输入电压Vin高于电源电压Vpwr，以至于第一电压反馈控制器VF1产生第一控制信号CS1以多次开启与关闭开关SW1，从而致使降压电路201对直流输入电压Vin(即12.5V)进行降压处理后而输出电源电压Vpwr(即12V)。此时，由于第二电压反馈控制器VF2会侦测到升压电路203的输出的电压已为负载LD所需的电源电压Vpwr(即12V)，以至于第二电压反馈控制器VF2会产生第二控制信号CS2以持续关闭开关SW2，从而使得降压电路201所输出的电源电压Vpwr(即12V)会直接经由二极管D3的路径而提供至负载LD，亦即升压电路203会直接输出降压电路201所输出的电源电压Vpwr给负载LD。

由此可知，在直流输入电压Vin高于负载LD所需的电源电压Vpwr的条件下，只有降压电路201会进行降压运作/处理以产生负载LD所需的电源电压Vpwr，而升压电路203仅会传导降压电路201所产生的电源电压Vpwr给负载LD，以至于在此条件下，直流转直流转换器200可以达到降压功能与提高降压效率的目标。

另一方面，假设负载LD所需的电源电压Vpwr为12V，且此时直流输入电压Vin为11.5V的话，则由于直流输入电压Vin低于电源电压Vpwr，以至于第一电压反馈控制器VF1产生第一控制信号CS1以持续开启开关SW1，从而致使降压电路201直接输出直流输入电压Vin(即11.5V)。此时，由于第二电压反馈控制器VF2会侦测到升压电路203的输出的电压非为负载LD所需的电源电压Vpwr(即12V)，以至于第二电压反馈控制器VF2会产生第二控制信号CS2以多次开启与关闭开关SW2。而且，由于变压器TX’的一次侧与二次侧的一端迭置在一起(亦即打点端211)，故而变压器TX’并不具有隔离的作用，以至于变压器TX’所需提供的输出功率不需很大，从而使得降压电路201所输出的直流输入电压Vin(即11.5V)仅需经由升压电路203的小功率升压处理后，而通过二极管D2的路径输出电源电压Vpwr(即12V)给负载LD。换言之，此时的升压电路203只要些微补足降压电路201所输出不足的功率即可。

由此可知，在直流输入电压Vin低于负载LD所需之电源电压Vpwr的条件下，降压电路201仅会传导所接收的直流输入电压Vin，而只有升压电路203会进行升压运作/处理以产生负载LD所需的电源电压Vpwr，以至于在此条件下，直流转直流转换器200可以达到升压功能与提高升压效率的目标。此外，在本实施例中，若将升压电路203的输出功率设计的远小于降压电路201的输出功率的话(例如升压电路203的输出功率仅需为降压电路201的输出功率的10％左右，但并不限制于此)，则应用在升压电路203中的变压器TX’的体积就得以被缩减相当的多(相对于先前技术的直流转直流转换器100的变压器TX而言)，藉以致使直流转直流转换器200可以达到体积小的目标，从而得以轻易地实现在现今微型化的电子装置的设计的范畴中。另一方面，在本发明的其他实施例中，亦可将升压电路203的输出功率设计的大于或等于降压电路201的输出功率，藉以符合某些设计应用上的需求。

综上所述，本发明所提出的直流转直流转换器是通过将降压电路与升压电路分开独立设计后再搭配一起使用，藉以来达到具有升降压功能、体积小以及效率高等多项目标。更清楚来说，在直流输入电压高于负载所需的电源电压的条件下，由于只有降压电路会进行降压运作以产生负载所需的电源电压，而升压电路仅会传导降压电路所产生的电源电压给负载，以至于在此条件下，直流转直流转换器可以达到降压功能与提高降压效率的目标。

另一方面，在直流输入电压低于负载所需的电源电压的条件下，由于降压电路仅会传导所接收的直流输入电压，而只有升压电路会进行升压运作以产生负载所需的电源电压，以至于在此条件下，直流转直流转换器可以达到升压功能与提高升压效率的目标。此外，若将本发明的升压电路的输出功率设计的远小于降压电路之输出功率的话，则应用在升压电路中的变压器的体积就得以被缩减相当的多，藉以致使直流转直流转换器可以达到体积小的目标。

但以上所述的内容，仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，即只要依据本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外，本发明的任一实施例或申请专利范围不须达成本发明所揭示的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利要求。

Claims (15)

1.一种直流转直流转换器，适于产生一负载所需的一电源电压，所述直流转直流转换器包括：

一降压电路，用以接收一直流输入电压，并依据一第一控制信号以对所述直流输入电压进行降压处理后而输出所述电源电压，或者直接输出所述直流输入电压；以及

一升压电路，耦接所述负载与所述降压电路，用以接收所述降压电路所输出的所述电源电压或所述直流输入电压，并依据一第二控制信号以对所述降压电路所输出的所述直流输入电压进行升压处理后而输出所述电源电压给所述负载，或者直接输出所述降压电路所输出的所述电源电压给所述负载。

2.根据权利要求1所述的直流转直流转换器，还包括：

一控制单元，耦接所述降压电路与所述升压电路，用以侦测所述降压电路与所述升压电路的输出的电压，并据以产生所述第一控制信号与所述第二控制信号以控制所述降压电路与所述升压电路。

3.根据权利要求2所述的直流转直流转换器，其中所述降压电路包括：

一第一开关，其第一端用以接收所述直流输入电压，而其控制端则用以接收所述第一控制信号；

一第一二极管，其阳极耦接至一接地电位，而其阴极则耦接所述第一开关的第二端；

一电感，其第一端耦接所述第一开关的第二端，而其第二端则用以输出所述电源电压或所述直流输入电压；以及

一第一电容，其第一端耦接所述电感的第二端，而其第二端则耦接至所述接地电位。

4.根据权利要求3所述的直流转直流转换器，其中所述降压电路为一降压型转换器。

5.根据权利要求3所述的直流转直流转换器，其中所述升压电路包括：

一变压器，具有一第一端、一第二端以及一打点端，其中所述变压器的所述打点端耦接所述电感的第二端；

一第二二极管，其阳极耦接所述变压器的所述第一端，而其阴极则用以输出所述电源电压；

一第三二极管，其阳极耦接所述电感的第二端，而其阴极则耦接所述第二二极管的阴极；以及

一第二开关，其控制端用以接收所述第二控制信号，其第一端耦接所述变压器的所述第二端，而其第二端则耦接所述接地电位。

6.根据权利要求5所述的直流转直流转换器，其中所述升压电路为一返驰式升压型转换器。

7.根据权利要求5所述的直流转直流转换器，其中所述控制单元包括：

一第一电压反馈控制器，用以侦测所述降压电路的输出的电压，并据以产生所述第一控制信号；以及

一第二电压反馈控制器，用以侦测所述升压电路的输出的电压，并据以产生所述第二控制信号。

8.根据权利要求7所述的直流转直流转换器，其中当所述直流输入电压高于所述电源电压时，所述第一电压反馈控制器产生所述第一控制信号以多次开启与关闭所述第一开关，从而致使所述降压电路对所述直流输入电压进行降压处理后而输出所述电源电压。

9.根据权利要求8所述的直流转直流转换器，其中当所述直流输入电压高于所述电源电压时，所述第二电压反馈控制器产生所述第二控制信号以持续关闭所述第二开关，从而致使所述升压电路直接输出所述降压电路所输出的所述电源电压给所述负载。

10.根据权利要求7所述的直流转直流转换器，其中当所述直流输入电压低于所述电源电压时，所述第一电压反馈控制器产生所述第一控制信号以持续开启所述第一开关，从而致使所述降压电路直接输出所述直流输入电压。

11.根据权利要求10所述的直流转直流转换器，其中当所述直流输入电压低于所述电源电压时，所述第二电压反馈控制器产生所述第二控制信号以多次开启与关闭所述第二开关，从而致使所述升压电路对所述降压电路所输出的所述直流输入电压进行升压处理后而输出所述电源电压给所述负载。

12.根据权利要求1所述的直流转直流转换器，其中所述升压电路的输出功率小于所述降压电路的输出功率。

13.根据权利要求1所述的直流转直流转换器，其中所述升压电路的输出功率大于所述降压电路的输出功率。

14.根据权利要求1所述的直流转直流转换器，其中所述升压电路的输出功率等于所述降压电路的输出功率。

15.根据权利要求1所述的直流转直流转换器，其中所述负载至少包括一电子装置。

Images