CN103731030A - 同步整流升降压转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同步整流升降压转换器，至少包括控制器、第一晶体管、第二晶体管、电感以及电容，其中控制器连接第一及第二晶体管的栅极以控制第一及第二晶体管的导通，进而控制电感的电流以及电容的充放电，且第一及第二晶体管串联连接并进一步连接控制器及电感，电感可进一步连接第一外部电源单元或第一外部负载装置，而第一晶体管的漏极可连接至第二外部负载装置或第二外部电源单元，藉以将第一外部电源单元的低压输入电源转换成高压输出电源，或将第二外部电源单元的高压输入电源转换成低压输出电源，实现同步整流的升压及降压转换功能。

Description

同步整流升降压转换器

技术领域

本发明涉及一种升降压转换器，尤其是利用低导通电阻的晶体管取代二极管，并具有同步整流功能，以达到双向(升降压)直流对直流(DC/DC)的电源变换需求。

背景技术

对于一般的电子产品或电器产品，需要不同的直流电源以供电气操作，比如一般集成电路需要低压的5V、3V或甚至更低的1.8V而运作，而具有多个串联/并联连接组合的发光二极管的灯条也需要数十伏的电源以点亮所有或部分的发光二极管。此外，电动马达常需要12V的电源而驱动，尤其是还需要较高的驱动电流。

在一般的现有技术中，可利用同步整流技术的升压或降压电路以实现直流电源的升压或降压转换，产生具有所需电压大小的电源。实务上常用的方式是利用二个二极管，配合电容以及单一或二个电感，由控制器适当控制二极管的导通，进而控制电感及电容的充放电，而产生输出电源。

然而，现有技术的缺点在于二极管的导通电阻较大，应用在大电流场合时，会导致转换电路本身的功率损耗过大，尤其是在目前节能减碳的风潮下，欧盟已制定相关耗电的最低范围，并明确设定具体实施日期，藉以淘汰不适合的电子或电气商品。因此，需要一种同步整流升降压转换器，具有很低的功率消耗，藉以解决上述现有技术的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种同步整流升降压转换器，主要包括：控制器、第一晶体管、第二晶体管、电感、电容、升压电阻以及降压电阻，可用以实现同步整流的升压(Boost)及降压(Buck)转换功能，其中第一晶体管的射极以及第二晶体管的漏极相互连接，并进一步连接至控制器及电感的一端，控制器连接第一晶体管及第二晶体管的栅极以控制第一晶体管及第二晶体管的导通或关闭，电感的另一端可连接至升压电阻、电容以及第一外部电源单元/第二外部负载装置，而第一晶体管的漏极可连接至降压电阻以及第一外部负载装置/第二外部电源单元，升压电阻以及降压电阻并分别连接至控制器以提供反馈回路。

控制器可控制电感及电容的充放电操作以实现升压转换，而将第一外部电源单元所提供的低压输入电源转换成高压输出电源，并经第一晶体管的漏极而输出至第一外部负载装置，或实现降压转换，而将来自第二外部电源单元的高压输入电源转换成低压输出电源，并经电感的另一端而输出至第二外部负载装置。

第一晶体管及第二晶体管具有低导通电阻，可减少转换失真并降低功率消耗，尤其是控制器可依据内建的韧体程序而操作。因此，本发明的同步整流升降压转换器可依据实际应用需求，更新所需韧体程序而能轻易达成不同的电气特性需求。

附图说明

图1为显示本发明第一实施例同步整流升降压转换器的升压操作示意图；

图2为显示本发明第一实施例同步整流升降压转换器的降压操作示意图；

图3为显示本发明第二实施例同步整流升降压转换器的升压操作示意图；

图4为显示本发明第二实施例同步整流升降压转换器的降压操作示意图；

图5为显示本发明控制器的功能方块示意图；

图6为显示本发明同步整流升降压转换器的升压操作波形图；

图7为显示本发明同步整流升降压转换器的降压操作波形图；

图8为显示本发明第一实施例中晶体管栅极的波形图；

图9为显示本发明第二实施例中晶体管栅极的波形图。

其中，附图标记说明如下：

10控制器

11选取单元

13脉冲宽度调变(PWM)控制单元

15驱动控制单元

17驱动单元

20第一晶体管

22第一晶体管

30第二晶体管

40电感

50电容

60升压电阻

70降压电阻

80第一外部电源单元

82第二外部电源单元

90第一外部负载装置

92第二外部负载装置

Boost_VFB升压反馈端

Buck_VFB降压反馈端

DRVH    第一驱动端

DRVL    第二驱动端

ON_OFF  切换控制信号

具体实施方式

以下配合图式及元件符号对本发明的实施方式做更详细的说明，以使熟悉本领域的技术人员在研读本说明书后能据以实施。

参考图1及图2，分别为本发明同步整流升降压转换器的升压及降压操作示意图。如图1所示，本发明第一实施例的同步整流升降压转换器包括控制器10、第一晶体管20、第二晶体管30、电感40、电容50、升压电阻60以及降压电阻70，可用以实现具有同步整流特性的升压(Boost)及降压(Buck)转换功能。

具体而言，控制器10至少具有输入使能端Enable、第一驱动端DRVH、第二驱动端DRVL、升压反馈端Boost_VFB以及降压反馈端Buck_VFB，其中输入使能端Enable是传送由外部输入的使能信号，第一驱动端DRVH及第二驱动端DRVL分别连接第一晶体管20及第二晶体管30的栅极，升压反馈端Boost_VFB以及降压反馈端Buck_VFB分别连接升压电阻60的一端及降压电阻70的一端。要注意的是，控制器10可由微处理器藉执行特定韧体程序而实现所需功能，或直接利用特定电路而实现。

第一晶体管20的漏极连接降压电阻70的另一端，第一晶体管20的射极连接第二晶体管30的漏极以及电感40的一端，而第二晶体管30的射极为接地。此外，电感40的另一端连接电容50的一端以及升压电阻60的另一端，而电容50的另一端为接地。

此外，电感40的另一端连接第一外部电源单元80，而第一晶体管20的漏极进一步连接第一外部负载装置90，藉以将第一外部电源单元80所提供的低电压输入电源转换成高电压输出电源而输出至第一外部负载装置90，因而实现升压转换功能。另一方式为，电感40的另一端连接第二外部负载单元92，而第一晶体管20的漏极进一步连接第二外部电源装置82，藉以将第二外部电源单元82所提供的高电压输入电源转换成低电压输出电源而输出至第二外部负载装置92，因而实现降压转换功能。上述的第一外部电源单元80及第二外部电源装置82为直流电源，可包括一次电池、二次电池或太阳能板。

参考图3及图4，分别为本发明第二实施例同步整流升降压转换器的升压及降压操作示意图，其中图3及图4的第二实施例分别类似于图1及图2的第一实施例，其主要差异在于第一实施例中的第一晶体管20及第二晶体管30都是用N型晶体管来实现，但是在第二实施例中，第一晶体管20是使用P型晶体管而第二晶体管30是使用N型晶体管，其中N型晶体管可包括N型金属氧化物半导体晶体管(NMOS)，而P型晶体管可包括P型金属氧化物半导体晶体管(PMOS)。因此，其余元件的特性不再赘述。

上述控制器10的具体操作将以硬件电路单元的方式说明如下。

参考图5，为本发明控制器的功能方块示意图，其中控制器10包括选取单元11、脉冲宽度调变(PWM)控制单元13、驱动控制单元15以及驱动单元17。选取单元11连接输入使能端Enable、升压反馈端Boost_VFB以及降压反馈端Buck_VFB，藉以在输入使能端Enable的使能信号为高位准时，将来自升压电阻60以及降压电阻70并经由升压反馈端Boost_VFB以及降压反馈端Buck_VFB而输入的反馈信号传送至脉冲宽度调变控制单元13，并由脉冲宽度调变控制单元13依据所接收的反馈信号而产生特定的脉冲宽度调变(PWM)控制信号，亦即PWM控制信号中的脉冲宽度是依据反馈信号而适度调变成更大或更小。

接着，驱动控制单元15接收PWM控制信号，并利用施密特触发(SchmittTrigger)电路或滤波电路进行高频噪声或抖动信号(Glitch)的滤波处理，在使能信号为高位准时，输出驱动控制信号至驱动单元17。最后，驱动单元17依据驱动控制信号，并配合切换控制信号ON_OFF，产生并输出相对应的PWM信号，用以驱动第一晶体管20及第二晶体管30。此外，切换控制信号ON_OFF可由内部预设或由外部输入。

要注意的是，上述选取单元11、脉冲宽度调变(PWM)控制单元13、驱动控制单元15以及驱动单元17的操作也可藉执行韧体程序来实现。

为进一步具体说明本发明的实际操作，请参考图6至图9，其中图6为升压操作波形图，图7为降压操作波形图，图8为第一实施例中晶体管栅极的波形图，而图9为第二实施例中晶体管栅极的波形图。

如图6所示，当本发明是利用图1或图3的配置以进行升压操作时，第一晶体管20的打开时序(Q1 on)与第二晶体管30的打开时序(Q2 on)在控制器10以PWM方式的控制下相互错开而不重叠，使得第一外部电源单元80的输入电压(Vi)可经由电感40上的电流(i_L)及配合电容50的操作而升高，因而第一外部负载装置90上输出电压(Vout)的平均电压(Vi/(1-D))大于输入电压(Vi)，以达到升压目的，其中D小于1，被定义为第一晶体管20的打开时序(Q1 on)与***PWM切换周期(Ts)的比值。

另外相类似的，如图7所示，当本发明是利用图2或图4的配置以进行降压操作时，在控制器10的控制下，第一晶体管20的打开时序(Q1 on)是与第二晶体管30的打开时序(Q2 on)可让电感40上的电流(i_L)及配合电容50的操作而使得第二外部电源单元82的输入电压(Vi)被降低到平均电压(DVi)而输出至第二外部负载装置92，藉以达到所需的降压目的。

此外，上述第一晶体管20的栅极电压(VG1或Vgs1)及第二晶体管30的栅极电压(VG1或Vgs1)波形以及第一晶体管22及第二晶体管30的栅极电压(VG2或Vgs2)的相对应波形分别如图8及图9所示，其中第一晶体管20及第二晶体管30为NMOS，而第一晶体管22为PMOS，且图中的NCH-ON表示NMOS被打开，NCH-OFF表示NMOS被关闭，PCH-ON表示PMOS被打开，而PCH-OFF表示PMOS被关闭。

综上所述，本发明的特点在于可利用单一电感，并配合二N型晶体管，而在控制器的适当控制下实现同步整流的升降压转换功能，尤其是也可利用一P型晶体管及一N型晶体管以实现同功能，因而能简化电路结构，进而改善整体操作稳定性。

本发明方法的另一特点在于控制器基本上是以数字操作来实现，因此可降低对***噪声或外部噪声的敏感度，降低干扰程度，而且控制器的电气操作可藉韧体程序来实现，因此可藉更新韧体程序来改变操作特性，以符合实际需要，改善适应性，扩大应用领域。

以上所述仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制。因此，凡有在相同的发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。

Claims (7)

1.一种同步整流升降压转换器，用以实现具有同步整流特性的升压(Boost)及降压(Buck)转换功能，其特征在于，该同步整流升降压转换器包括一控制器、一第一晶体管、一第二晶体管、一电感、一电容、一升压电阻以及一降压电阻，其中该控制器至少具有一输入使能端、一第一驱动端、一第二驱动端、一升压反馈端以及一降压反馈端，该输入使能端是传送由外部输入的一使能信号，该第一驱动端及该第二驱动端分别连接该第一晶体管及该第二晶体管的栅极，该升压反馈端以及该降压反馈端分别连接该升压电阻的一端及该降压电阻的一端，该第一晶体管的漏极连接该降压电阻的另一端，该第一晶体管的射极连接该第二晶体管的漏极以及该电感的一端，而该第二晶体管的射极为接地，该电感的另一端连接该升压电阻的另一端以及该电容的一端，而该电容的另一端为接地，该第一晶体管的漏极进一步连接一第一外部负载装置且该电感的另一端进一步连接一第一外部电源单元，藉以将该第一外部电源单元所提供的低电压输入电源转换成高电压输出电源而输出至该第一外部负载装置，或该第一晶体管的漏极进一步连接一第二外部电源单元且该电感的另一端进一步连接一第二外部负载装置，藉以将该第二外部电源单元所提供的高电压输入电源转换成低电压输出电源而输出至该第二外部负载装置。

2.如权利要求1所述的同步整流升降压转换器，其特征在于，该控制器包括一选取单元、一脉冲宽度调变(PWM)控制单元、一驱动控制单元以及一驱动单元，该选取单元连接该输入使能端、该升压反馈端及该降压反馈端，藉以在该输入使能端的使能信号为高位准时，将来自该升压电阻以及该降压电阻并经由该升压反馈端及该降压反馈端而输入的反馈信号传送至该脉冲宽度调变控制单元，并由该脉冲宽度调变控制单元依据所接收的反馈信号而产生一脉冲宽度调变控制信号，该驱动控制单元接收该脉冲宽度调变控制信号并利用施密特触发(Schmitt Trigger)电路或滤波电路进行滤波处理，进而在该使能信号为高位准时，输出一驱动控制信号至该驱动单元，该驱动单元依据该驱动控制信号并配合一切换控制信号，产生并输出相对应的一脉冲宽度调变信号，用以驱动该第一晶体管及该第二晶体管，而该切换控制信号由内部预设或由外部输入。

3.如权利要求2所述的同步整流升降压转换器，其特征在于，该选取单元、该脉冲宽度调变控制单元、该驱动控制单元以及该驱动单元是利用硬件电路来实现。

4.如权利要求2所述的同步整流升降压转换器，其特征在于，该控制器为一微处理器，而该选取单元、该脉冲宽度调变控制单元、该驱动控制单元以及该驱动单元是藉执行一韧体程序而实现。

5.如权利要求1所述的同步整流升降压转换器，其特征在于，该第一外部电源单元及该第二外部电源装置为直流电源，包括一次电池、二次电池或太阳能板。

6.如权利要求1所述的同步整流升降压转换器，其特征在于，该第一晶体管及该第二晶体管是利用N型晶体管来实现，该N型晶体管包括N型金属氧化物半导体晶体管(NMOS)。

7.如权利要求1所述的同步整流升降压转换器，其特征在于，该第一晶体管是使用P型晶体管而该第二晶体管是使用N型晶体管来实现，该N型晶体管包括N型金属氧化物半导体晶体管(NMOS)，而该P型晶体管包括P型金属氧化物半导体晶体管(PMOS)。

Images