CN1581654A - 降压式直流转直流的电源转换器及电源转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一降压式直流转直流的电源转换器及电源转换方法。该降压式直流转直流的电源转换器包含两第一开关及两降压回路。该两第一开关并联于一直流电源，两者的通路和断路状态相反，但通路和断路持续时间相同。各降压回路的一端分别连接于第一开关，另一端并联于一负载。各降压回路包含一第二开关、一电感及一电容。该第二开关的通路和断路状态与第一开关相反。由于两第一开关的通路和断路持续时间相同且其通路和断路状态相反，因此该直流电源可产生占空比均为50％且相位相差180度的一第一脉冲信号及一第二脉冲信号。该两降压回路分别感应第一脉冲信号及第二脉冲信号，从而产生一第一电流及一第二电流。最终整合该第一电流及第二电流并传输至一负载。

Description

降压式直流转直流的电源转换器及电源转换方法

技术领域

本发明是关于一种直流转直流的电源转换器及电源转换方法，特别是关于一种降压式直流转直流的电源转换器(buck/step-down DC/DCconverter)及电源转换方法。

背景技术

一般而言，电压调整模块(Voltage Regulator Module，VRM)是内建于主机板上，用来处理并调整中央处理器(Central Processing Unit，CPU)所需的电压。

传统上，降压式的电压调整模块或称为降压式直流转直流电源转换器是将三组以上的降压回路并联使用。参照图1，三组降压回路11、12、13的一端并联于一直流电源14，另一端并联于一负载15。各降压回路11、12、13分别由三个开关S1、S2、S3控制其导通，且均包含一二极管D1、一电感L1及一电容C1。若该三组降压回路11、12、13为同相，此种电路结构将产生涟波(ripple)较大、动态反应(dynamic response)慢等缺点，且需使用均流技术。

目前常用于改善涟波过大的方法是将该三组降压电路11、12、13分为三相，且分别相隔120°，其时序(timing)如图2所示。当相位不同时，各电感L1中电流的升降并不同步，可藉此互相抵消，从而得以改善涟波过大的现象。此外，若该直流电源14的电压为Vi，负载15的压差为Vo，则该时序中的脉冲占空比(duty cycle)等于Vo/Vi。假设Vi＝10V且Vo＝3V，则脉冲的占空比为30％，其小于三分之一，因而此时该降压电路11、12及12、13的脉冲将产生不连续或不重叠(non-overlapping)的现象，其间隔时间t即所谓的空载时间(dead time)，将延缓动态反应的速度。

综上所述，虽然利用不同相位的技术，可改善涟波过大的缺点，但空载时间的问题仍然存在，再加上需使用均流技术，往往使得电路较为复杂。

发明内容

本发明是提供一种直流转直流的电源转换器及电源转换方法，可降低涟波、加快动态反应，以满足大电流、低电压的需要。此外，本发明的直流转直流的电源转换器及电源转换方法具有自动均流特性，可简化电路的设计。

本发明的降压式直流转直流的电源转换器包含两第一开关及两降压回路。两第一开关并联于一直流电源，且两者的开(OFF)、关(ON)状态相反，而各第一开关的通路和断路持续时间相同。各降压回路的一端分别连接于各第一开关，另一端并联于一负载。各降压回路包含一第二开关、一电感及一电容。该第二开关的通路和断路状态与该第一开关相反。

该第二开关可采用一金属氧化物半导体场效应晶体管，以采取同步整流控制，从而提高电源转换效率。另外，该降压回路可装设一检测器以检测其中电流。当发现电流降至约等于零或产生逆流时，使该金属氧化物半导体场效应晶体管形成断路，以避免当发生不连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)时降低电源转换效率。

本发明的降压式直流转直流的电源转换方法包含下列步骤：

(1)提供一直流电源；

(2)以该直流电源产生占空比均为50％的一第一脉冲信号及一第二脉冲信号，且两者的相位相差180度；

(3)以该第一脉冲信号输入一第一降压回路，从而产生一第一电流，且以该第二脉冲信号输入一第二降压回路，产生一第二电流；

(4)整合该第一电流及第二电流并传输至一负载。

此外，本发明可利用同步整流控制该第一降压回路及第二降压回路的电流路径，且对该第一降压回路及第二降压回路进行检测。若检测到该第一降压回路或第二降压回路的电流约等于零或产生逆流，使该第一降压回路或第二降压回路成为断路，以避免电流损失。

本发明的降压式直流转直流的电源转换器及电源转换方法除了可应用于CPU的电压调整模块外，还可应用于通讯电源及低噪声的用电场所。

附图说明

本发明将依照附图加以说明，其中：

图1是已知的降压式直流转直流的电源转换器的电路示意图；

图2是已知的降压式直流转直流的电源转换器的时序图；

图3是本发明的一实施例的降压式直流转直流的电源转换器的电路示意图；

图4显示本发明的降压式直流转直流的电源转换器的时序图；

图5是本发明的另一降压式直流转直流的电源转换器的电路示意图；

图6显示本发明的降压式直流转直流的电源转换器发生不连续导通模式的时序图。

图中元件符号说明：

30电源转换器

31第一降压回路

32第二降压回路

34直流电源

35负载

51、52检测器

S4、S5第一开关

D4、D5二极管

L4、L5电感

C4、C5电容

具体实施方式

图3是本发明的一实施例的降压式直流转直流的电源转换器30的示意图。一第一降压回路31及一第二降压回路32的一端并联于一直流电源34，另一端并联于一负载35。该第一及第二降压回路31、32分别由第一开关S4、S5控制其导通，且该第一降压回路31包含一二极管D4、一电感L4及一电容C4，而该第二降压回路32则包含一二极管D5、一电感L5及一电容C5。

参照图4，本发明的降压式直流转直流的电源转换器30是利用控制开关S4及S5的通路和断路而将一第一脉冲信号及一第二脉冲信号输入该第一及第二降压回路31、32，并将两者的相位差控制为约180°。即当S4为通路时，S5为断路；或S4为断路时，S5为通路。此外，该第一及第二脉冲信号的占空比控制为约50％，即该开关S4及S5的通路和断路的持续时间相同。如此一来，当S4导通时，该电感L4的电压ΔV_L为Vi-Vo。依电感公式 $\mathrm{\Δ}{V}_L=L\frac{d{I}_L}{\mathrm{dt}},$ 此时该第一降压回路31的电感L4所感应的一第一电流I_L4将逐渐上升，且其上升斜率为(Vi-Vo)/L。相反地，当S4为断路时，该第一电流I_L4将逐渐下降，从而形成类似波浪状的型态。同样地，流经该电感L5的第二电流I_L5也将呈现波浪状。因该S4及S5输入的第一及第二脉冲信号的相位相差180°，故当I_L4上升时，I_L5为下降，而当I_L4下降时，I_L5为上升。因此，在理想状态下，结合第一及第二电流而输出至该负载35的总电流I_T将形成一无涟波的电流。此外，因该第一及第二脉冲信号的占空比均约为50％，且其相位相差约180°，故可避免已知技术的空载时间现象的发生，且不需采用均流技术。

该第一开关S4、S5还可仅由一开关代表。当第一降压回路31作用时，该开关则连接直流电源34至该第一降压回路31。而当该第二二降压回路32作用时，则该开关连接直流电源34至该第二降压回路32。

一般而言，该二极管D4、D5是应用较小电流(例如小于30安培)的需求。本发明的降压式直流转直流的电源转换器还可应用同步整流(synchronous rectify)技术以提高电源转换效率，且可应用于大电流(例如大于30安培)的状况。

参照图5，图4中的该二极管D4、D5(代表第二开关)也可分别以金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)T4、T5代替，从而得以直接进行控制。该T4及T5的本体二极管(body diode)的通路和断路时机分别与该开关S4及S5相反，例如S4为断路时，T4为导通，而S4为导通时，T4为断路。当该负载35是处于轻载(light load)状态时，相当于Io较小，使得该电感L4及L5的电流I_L4及I_L5较低，甚至可能趋近或降至零，而产生如图6的不连续导通模式。此时原本储存于电容C4、C5的电荷可能会释放在电路中而产生逆流，造成电源转换的损失。

为了防止该第一降压回路31及第二降压回路32在不连续导通模式下发生逆流的现象，可在各降压回路31、32中分别设置检测器51、52，一旦检测到I_L4或I_L5约降至零或发生逆流现象时，即将T4和T5形成断路，以保持电源转换的高效率。

因为本发明的降压式直流转直流的电源转换器的占空比固定在50％，因此无法应用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)进行控制。然而，本发明的降压式直流转直流的电源转换器可采用变频式的脉冲跳跃调制(Pulse Skipping Modulation，PSM)的控制方式，藉由其较小静态电流(quiescent current)的特性，可维持较佳的转换效率。此外，当应用于重载状况时，该第一及第二脉冲信号可采用较低的频率，等于加长电流爬升的时间。反观当应用于轻载状况时，该第一及第二脉冲信号则采用较高的频率。

综上所述，本发明的降压式直流转直流的电源转换方法大致可归纳为下列步骤：

(1)提供一直流电源；

(2)以该直流电源产生占空比为50％的一第一脉冲信号及一第二脉冲信号，而两者的相位相差180度；

(3)以该第一脉冲信号输入一第一降压回路而产生一第一电流，且以该第二脉冲信号输入一第二降压回路而产生一第二电流；

(4)整合该第一电流及第二电流而输至一负载。

该第一脉冲信号及第二脉冲信号的相位可利用同步整流进行控制，以提高传输效率。此外，该第一降压回路及第二降压回路中的电流可进行检测。若检测到该第一降压回路或第二降压回路的电流约等于零或将产生逆流，将该第一降压回路或第二降压回路形成断路状态，以避免电源转换的损失。

本发明的技术内容及技术特点已公开如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明的教示及公开而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所公开的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种降压式直流转直流的电源转换器，包含：

至少一第一开关，用于产生一第一脉冲信号和第二脉冲信号，其中该第一和第二脉冲信号具有约相同的占空比且彼此的相位差约180度；以及

两降压回路，各降压回路的一端是连接于该至少一第一开关，另一端并联于一负载，各降压回路包含：

一第二开关，其通路和断路状态与该至少一第一开关相反；

一电感；

一电容。

2.根据权利要求1所述的降压式直流转直流的电源转换器，其特征在于所述第二开关是一二极管。

3.根据权利要求1所述的降压式直流转直流的电源转换器，其特征在于所述第二开关是一金属氧化物半导体场效应晶体管。

4.根据权利要求3所述的降压式直流转直流的电源转换器，其特征在于所述各降压回路另包含一检测器，用以检测流经该电感的电流。

5.根据权利要求1所述的降压式直流转直流的电源转换器，其特征在于所述第一开关有两个，且分别连接于该两降压回路。

6.一种降压式直流转直流的电源转换方法，包含下列步骤：

提供一直流电源；

以该直流电源产生占空比约为50％的一第一脉冲信号及一第二脉冲信号，且两者的相位相差约180度；

以该第一脉冲信号输入一第一降压回路而产生一第一电流，且以该第二脉冲信号输入一第二降压回路而产生一第二电流；

整合该第一电流及第二电流并传输至一负载。

7.根据权利要求6所述的降压式直流转直流的电源转换方法，其特征在于所述第一降压回路及第二降压回路的电流路径是以同步整流进行控制。

8.根据权利要求6所述的降压式直流转直流的电源转换方法，其特征在于其另包含一检测该第一降压回路及第二降压回路中的电流的步骤。

9.根据权利要求8所述的降压式直流转直流的电源转换方法，其特征在于其另包含一断路步骤，其用于在检测出该第一降压回路或第二降压回路的电流约为零时形成断路。

10.根据权利要求6所述的降压式直流转直流的电源转换方法，其特征在于所述第一脉冲信号及第二脉冲信号是采用变频式控制。

11.根据权利要求6所述的降压式直流转直流的电源转换方法，其特征在于其另包含下列步骤：

若所述负载为重载情况时，则降低该第一脉冲信号及第二脉冲信号的频率；

若所述负载为轻载状况时，则提高该第一脉冲信号及第二脉冲信号的频率。

12.根据权利要求6所述的降压式直流转直流的电源转换方法，其特征在于所述第一脉冲信号及第二脉冲信号是采用脉冲跳跃调制进行控制。

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