CN113765415A - 降压转换器 - Google Patents

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Abstract

一种降压转换器，包括：一桥式整流器、一功率切换器、一输出级电路、一第一二极管、一第一电感器，以及一检测及补偿电路。桥式整流器可根据一第一输入电位和一第二输入电位来产生一整流电位。功率切换器是根据一时钟电位来选择性地将桥式整流器耦接至一接地电位。输出级电路可产生一输出电位。第一电感器是耦接于检测及补偿电路和输出级电路之间。检测及补偿电路可监控并比较整流电位和输出电位。若检测到整流电位低于输出电位，则检测及补偿电路即重新调整前述的整流电位，使得重新调整后的整流电位高于或等于输出电位。

Description

降压转换器
技术领域
本发明涉及一种降压转换器，特别涉及一种高转换效率的降压转换器。
背景技术
一般低瓦特数的电源供应器通常会使用降压转换器来提升其功率因数。然而，在传统降压转换器当中，若其输入(整流)电位低于其输出电位，则会发生“死区(Dead Zone)”的问题，造成整体电路无法运行且转换效率降低。有鉴于此，势必要提出一种全新的解决方案，以克服现有技术所面临的困境。
发明内容
在优选实施例中，本发明提出一种降压转换器，包括：一桥式整流器，根据一第一输入电位和一第二输入电位来产生一整流电位；一功率切换器，根据一时钟电位来选择性地将该桥式整流器耦接至一接地电位；一输出级电路，产生一输出电位；一检测及补偿电路，监控并比较该整流电位和该输出电位；一第一电感器，耦接于该检测及补偿电路和该输出级电路之间；以及一第一二极管，耦接至该检测及补偿电路和该第一电感器；其中若检测到该整流电位低于该输出电位，则该检测及补偿电路即重新调整该整流电位，使得重新调整后的该整流电位高于或等于该输出电位。
附图说明
图1是显示根据本发明一实施例所述的降压转换器的示意图。
图2是显示根据本发明一实施例所述的降压转换器的示意图。
图3是显示传统降压转换器的整流电位的电位波形图。
图4是显示根据本发明一实施例所述的降压转换器的整流电位的电位波形图。
其中，附图标记说明如下：
100，200：降压转换器
110，210：桥式整流器
120，220：功率切换器
130，230：输出级电路
160，260：检测及补偿电路
265：比较器
311，312：死区
C1：第一电容器
C2：第二电容器
D1：第一二极管
D2：第二二极管
D3：第三二极管
D4：第四二极管
D5：第五二极管
D6：第六二极管
D7：第七二极管
L1：第一电感器
L2：第二电感器
M1：第一晶体管
M2：第二晶体管
N1：第一节点
N2：第二节点
N3：第三节点
N4：第四节点
N5：第五节点
N6：第五节点
NIN1：第一输入节点
NIN2：第二输入节点
NOUT：输出节点
R1：电阻器
VA：时钟电位
VC：控制电位
VIN1：第一输入电位
VIN2：第二输入电位
VOUT：输出电位
VR：整流电位
VSS：接地电位
具体实施方式
为让本发明的目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出本发明的具体实施例，并配合附图，作详细说明如下。
在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求并不以名称的差异作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”及“包括”一词为开放式的用语，故应解释成“包含但不仅限定于”。“大致”一词则是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，达到所述基本的技术效果。此外，“耦接”一词在本说明书中包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接至一第二装置，则代表该第一装置可直接电性连接至该第二装置，或经由其它装置或连接手段而间接地电性连接至该第二装置。
图1是显示根据本发明一实施例所述的降压转换器100的示意图。例如，降压转换器100可应用于一电源供应器，但亦不仅限于此。如图1所示，降压转换器100包括：一桥式整流器110、一功率切换器120、一输出级电路130、一第一二极管D1、一第一电感器L1，以及一检测及补偿电路160。必须注意的是，虽然未显示于图1中，但降压转换器100还可包括其他元件，例如：一稳压器或(且)一负反馈电路。
桥式整流器110可根据一第一输入电位VIN1和一第二输入电位VIN2来产生一整流电位VR。第一输入电位VIN1和第二输入电位VIN2皆可来自一外部输入电源，其中第一输入电位VIN1和第二输入电位VIN2之间可形成具有任意频率和任意振幅的一交流电压。例如，交流电压的频率可约为50Hz或60Hz，而交流电压的方均根值可约由90V至264V，但亦不仅限于此。功率切换器120是根据一时钟电位VA来选择性地将桥式整流器110耦接至一接地电位VSS(例如：0V)。时钟电位VA于降压转换器100初始化时可维持于一固定电位，而在降压转换器100进入正常使用阶段后则可提供周期性的时钟波形。例如，若时钟电位VA为高逻辑电平(例如：逻辑“1”)，则功率切换器120即将桥式整流器110耦接至接地电位VSS(亦即，功率切换器120可近似于一短路路径)；反之，若时钟电位VA为低逻辑电平(例如：逻辑“0”)，则功率切换器120不会将桥式整流器110耦接至接地电位VSS(亦即，功率切换器120可近似于一开路路径)。输出级电路130可产生一输出电位VOUT，其可大致为一直流电位。第一电感器L1是耦接于检测及补偿电路160和输出级电路130之间。第一二极管D1是同时耦接至检测及补偿电路160和第一电感器L1。检测及补偿电路160是用于监控并比较整流电位VR和输出电位VOUT。详细而言，若检测到整流电位VR低于输出电位VOUT，则检测及补偿电路160即可重新调整前述的整流电位VR，使得重新调整后的整流电位VR高于或等于输出电位VOUT；反之，若检测到整流电位VR已高于或等于输出电位VOUT，则检测及补偿电路160不会再重新调整前述的整流电位VR。在此设计下，由于检测及补偿电路160可保证整流电位VR一定高于或等于输出电位VOUT，故降压转换器100的所有操作周期中皆不会出现任何死区，从而能大幅提升降压转换器100的转换效率。
以下实施例将介绍降压转换器100的详细结构及操作方式。必须理解的是，这些附图和叙述仅为举例，而非用于限制本发明的范围。
图2是显示根据本发明一实施例所述的降压转换器200的示意图。在图2的实施例中，降压转换器200具有一第一输入节点NIN1、一第二输入节点NIN2，以及一输出节点NOUT，并包括一桥式整流器210、一功率切换器220、一输出级电路230、一第一二极管D1、一第一电感器L1，以及一检测及补偿电路260。降压转换器200的第一输入节点NIN1和第二输入节点NIN2可由一外部输入电源处分别接收一第一输入电位VIN1和一第二输入电位VIN2，其中第一输入电位VIN1和第二输入电位VIN2之间可形成具有任意频率和任意振幅的一交流电压。降压转换器200的输出节点NOUT可输出一输出电位VOUT，其可大致为一直流电位。
桥式整流器210包括一一第二二极管D2、一第三二极管D3、一第四二极管D4，以及一第五二极管D5。第二二极管D2的阳极是耦接至第一输入节点NIN1，而第二二极管D2的阴极是耦接至一第一节点N1以输出一整流电位VR。第三二极管D3的阳极是耦接至第二输入节点NIN2，而第三二极管D3的阴极是耦接至第一节点N1。第四二极管D4具有一阳极和一阴极，其中第四二极管D4的阳极是耦接至一第二节点N2，而第四二极管D4的阴极是耦接至第一输入节点NIN1。第五二极管D5的阳极是耦接至第二节点N2，而第五二极管D5的阴极是耦接至第二输入节点NIN2。
功率切换器220包括一第一晶体管M1，其可视为降压转换器200的一主要切换器。第一晶体管M1可以是一N型金属氧化物半导体场效晶体管。第一晶体管M1的控制端是用于接收一时钟电位VA，第一晶体管M1的第一端是耦接至第二节点N2，而第一晶体管M1的第二端是耦接至一接地电位VSS(例如：0V)。例如，时钟电位VA于降压转换器200初始化时可维持于一固定电位(例如：接地电位VSS)，而在降压转换器200进入正常使用阶段后则可提供周期性的时钟波形。在一些实施例中，若时钟电位VA为高逻辑电平，则第一晶体管M1将被使能；反之，若时钟电位VA为低逻辑电平，则第一晶体管M1将被禁能。
第一二极管D1的阳极是耦接至接地电位VSS，而第一二极管D1的阴极是耦接至一第三节点N3。
输出级电路230包括一第一电容器C1。第一电容器C1的第一端是耦接至输出节点NOUT，而第一电容器C1的第二端是耦接至接地电位VSS。
第一电感器L1可视为降压转换器200的一降压电感器。第一电感器L1的第一端是耦接至第三节点N3，而第一电感器L1的第二端是耦接至输出节点NOUT。
检测及补偿电路260包括：一比较器265、一第二晶体管M2、一第六二极管D6、一第七二极管D7、一电阻器R1、一第二电感器L2，以及一第二电容器C2。比较器265可以用一运算放大器来实施。详细而言，比较器265的正输入端是用于接收输出电位VOUT，比较器265的负输入端是用于接收整流电位VR，而比较器265的输出端是用于输出一控制电位VC。例如，若整流电位VR低于输出电位VOUT，则比较器265将输出具有高逻辑电平的控制电位VC；反之，若整流电位VR高于或等于输出电位VOUT，则比较器265将输出具有低逻辑电平的控制电位VC。
第二晶体管M2可以是一N型金属氧化物半导体场效晶体管。第二晶体管M2的控制端是用于接收控制电位VC，第二晶体管M2的第一端是耦接至一第四节点N4，而第二晶体管M2的第二端是耦接至一第五节点N5。在一些实施例中，若控制电位VC为高逻辑电平，则第二晶体管M2将被使能；反之，若控制电位VC为低逻辑电平，则第二晶体管M2将被禁能。
第六二极管D6的阳极是耦接至第四节点N4，而第六二极管D6的阴极是耦接至第一节点N1。电阻器R1的第一端是耦接至第一节点N1，而电阻器R1的第二端是耦接至第五节点N5。
第二电感器L2的第一端是耦接至第五节点N5，而第二电感器L2的第二端是耦接至第三节点N3。第二电容器C2的第一端是耦接至第五节点N5，而第二电容器C2的第二端是耦接至一第六节点N6。第七二极管D7的阳极是耦接至第六节点N6，而第七二极管D7的阴极是耦接至第三节点N3。在一些实施例中，第二电感器L2是与第一电感器L1形成于同一铁芯上，使得第二电感器L2和第一电感器L1可以互相耦合。
在一些实施例中，降压转换器200的操作原理可如下列所述。在一初始模式中，降压转换器200尚未接收到第一输入电位VIN1和第二输入电位VIN2，且时钟电位VA维持于低逻辑电平，故第一晶体管M1和第二晶体管M2皆为禁能状态，而第一二极管D1和第七二极管D7皆为断路状态。接着，在降压转换器200已接收到第一输入电位VIN1和第二输入电位VIN2之后，降压转换器200可交替地操作于一第一模式、一第二模式，以及一第三模式。
在第一模式中，时钟电位VA处于高逻辑电平以使能第一晶体管M1，而整流电位VR是高于或等于输出电位VOUT，故控制电位VC为低逻辑电平以禁能第二晶体管M2。此时，第一二极管D1和第七二极管D7皆为断路状态，而第一电感器L1、第二电感器L2，以及第二电容器C2皆逐渐存储能量。必须注意的是，由于第七二极管D7为断路状态，故第二电容器C2不会与第二电感器L2发生谐振，也不会有任何谐振电压或谐振能量影响降压转换器200的操作。
在第二模式中，时钟电位VA处于低逻辑电平以禁能第一晶体管M1，而整流电位VR是高于或等于输出电位VOUT，故控制电位VC为低逻辑电平以禁能第二晶体管M2。此时，第一二极管D1为通路状态，第七二极管D7为断路状态，第二电感器L2和第二电容器C2皆逐渐存储能量，而第一电感器L1则逐渐释放能量给第一电容器C1。
在第四模式中，无论时钟电位VA为高逻辑电平或低逻辑电平，整流电位VR皆低于输出电位VOUT，故控制电位VC为高逻辑电平以使能第二晶体管M2。此时，降压转换器200是处于异常操作状态，而检测及补偿电路260将自动重新调整前述的整流电位VR。详细而言，先前存储于第二电容器C2的能量可经由使能的第二晶体管M2和导通的第六二极管D6传送至第一节点N1，以拉升整流电位VR的电平至输出电位VOUT之上。另外，第二电感器L2则可补充能量给第二电容器C2，以维持整流电位VR于一稳定电平。最终，降压转换器200会自动回复至正常操作状态。
图3是显示传统降压转换器的整流电位VR的电位波形图。若未使用检测及补偿电路260，则传统降压转换器将于每一操作周期中出现至少两个死区311、312(亦即，当整流电位VR低于输出电位VOUT时)，此将对传统降压转换器的转换效率造成负面影响。
图4是显示根据本发明一实施例所述的降压转换器200的整流电位VR的电位波形图。若已在降压转换器200中加入检测及补偿电路260，则因整流电位VR恒高于输出电位VOUT，故降压转换器200于所有操作周期中均不会出现任何死区。根据实际测量结果，使用检测及补偿电路260的降压转换器200的转换效率将可大幅提升。
在一些实施例中，降压转换器200的元件参数可如下列所述。第一电容器C1的电容值可介于646μF至714μF之间，优选为680μF。第二电容器C2的电容值可介于108μF至132μF之间，优选为120μF。第一电感器L1的电感值可介于90.25μH至99.75μH之间，优选为95μH。第二电感器L2的电感值可介于36μH至44μH之间，优选为40μH。电阻器R1的电阻值可介于0.9KΩ至1.1KΩ之间，优选为1KΩ。时钟电位VA的切换频率可约为65kHz。以上参数范围是根据多次实验结果而得出，其有助于最佳化降压转换器200的转换效率。
本发明提出一种新颖的降压转换器，其包括检测及补偿电路。根据实际测量结果，使用前述设计的降压转换器可完全消除其每一操作周期中的死区。大致而言，本发明可有效改善降压转换器的整体转换效率，故其很适合应用于各种各式的电子装置当中。
值得注意的是，以上所述的电位、电流、电阻值、电感值、电容值，以及其余元件参数均非为本发明的限制条件。设计者可以根据不同需要调整这些设定值。本发明的降压转换器并不仅限于图1-图4所示的状态。本发明可以仅包括图1-图4的任何一或多个实施例的任何一或多项特征。换言之，并非所有图示的特征均须同时实施于本发明的降压转换器当中。虽然本发明的实施例是使用金属氧化物半导体场效晶体管为例，但本发明并不仅限于此，本技术领域人士可改用其他种类的晶体管，例如：接面场效晶体管，或是鳍式场效晶体管等等，而不致于影响本发明的效果。
本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种降压转换器，包括：
一桥式整流器，根据一第一输入电位和一第二输入电位来产生一整流电位；
一功率切换器，根据一时钟电位来选择性地将该桥式整流器耦接至一接地电位；
一输出级电路，产生一输出电位；
一检测及补偿电路，监控并比较该整流电位和该输出电位；
一第一电感器，耦接于该检测及补偿电路和该输出级电路之间；以及
一第一二极管，耦接至该检测及补偿电路和该第一电感器；
其中若检测到该整流电位低于该输出电位，则该检测及补偿电路即重新调整该整流电位，使得重新调整后的该整流电位高于或等于该输出电位。
2.如权利要求1所述的降压转换器，其中该桥式整流器包括：
一第二二极管，具有一阳极和一阴极，其中该第二二极管的该阳极是耦接至一第一输入节点以接收该第一输入电位，而该第二二极管的该阴极是耦接至一第一节点以输出该整流电位；
一第三二极管，具有一阳极和一阴极，其中该第三二极管的该阳极是耦接至一第二输入节点以接收该第二输入电位，而该第三二极管的该阴极是耦接至该第一节点；
一第四二极管，具有一阳极和一阴极，其中该第四二极管的该阳极是耦接至一第二节点，而该第四二极管的该阴极是耦接至该第一输入节点；以及
一第五二极管，具有一阳极和一阴极，其中该第五二极管的该阳极是耦接至该第二节点，而该第五二极管的该阴极是耦接至该第二输入节点。
3.如权利要求2所述的降压转换器，其中该功率切换器包括：
一第一晶体管，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中该第一晶体管的该控制端是用于接收该时钟电位，该第一晶体管的该第一端是耦接至该第二节点，而该第一晶体管的该第二端是耦接至该接地电位。
4.如权利要求2所述的降压转换器，其中该第一二极管具有一阳极和一阴极，该第一二极管的该阳极是耦接至该接地电位，而该第一二极管的该阴极是耦接至一第三节点。
5.如权利要求4所述的降压转换器，其中该输出级电路包括：
一第一电容器，具有一第一端和一第二端，其中该第一电容器的该第一端是耦接至一输出节点以输出该输出电位，而该第一电容器的该第二端是耦接至该接地电位。
6.如权利要求5所述的降压转换器，其中该第一电感器具有一第一端和一第二端，该第一电感器的该第一端是耦接至该第三节点，而该第一电感器的该第二端是耦接至该输出节点。
7.如权利要求4所述的降压转换器，其中该检测及补偿电路包括：
一比较器，具有一正输入端、一负输入端，以及一输出端，其中该比较器的该正输入端是用于接收该输出电位，该比较器的该负输入端是用于接收该整流电位，而该比较器的该输出端是用于输出一控制电位。
8.如权利要求7所述的降压转换器，其中该检测及补偿电路还包括：
一第二晶体管，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中该第二晶体管的该控制端是用于接收该控制电位，该第二晶体管的该第一端是耦接至一第四节点，而该第二晶体管的该第二端是耦接至一第五节点。
9.如权利要求8所述的降压转换器，其中该检测及补偿电路还包括：
一第六二极管，具有一阳极和一阴极，其中该第六二极管的该阳极是耦接至该第四节点，而该第六二极管的该阴极是耦接至该第一节点；以及
一电阻器，具有一第一端和一第二端，其中该电阻器的该第一端是耦接至该第一节点，而该电阻器的该第二端是耦接至该第五节点。
10.如权利要求9所述的降压转换器，其中该检测及补偿电路还包括：
一第二电感器，具有一第一端和一第二端，其中该第二电感器的该第一端是耦接至该第五节点，而该第二电感器的该第二端是耦接至该第三节点；
一第二电容器，具有一第一端和一第二端，其中该第二电容器的该第一端是耦接至该第五节点，而该第二电容器的该第二端是耦接至一第六节点；以及
一第七二极管，具有一阳极和一阴极，其中该第七二极管的该阳极是耦接至该第六节点，而该第七二极管的该阴极是耦接至该第三节点。
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