TW201414158A - 降壓轉換電路 - Google Patents

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Abstract

一種降壓轉換電路，包括：一開關，其一端與一直流電壓源耦接，另一端耦接至一第一電感以及與該第一電感串聯之一第一二極體；以及一自動電荷抽放電路，耦接至該第一電感以及該第二二極體，並提供一輸出電流給一負載。

Description

降壓轉換電路
本發明係關於一種轉換電路，特別是一種單級降壓轉換電路。
由於傳統降壓(Buck)轉換器之儲能元件(例如，電感)之電感值大小，將影響輸入電流之響應速度以及輸出電壓漣波。當電感之電感值較小時，降壓轉換器之輸入電流響應速度較快，但是輸出電壓漣波較大。反之，當電感之電感值較大時，降壓轉換器之輸入電流響應速度較慢，但是可得到較小的輸出電壓漣波。爰此，傳統降壓轉換器常使用較小具有電感值之電感與具有較大電容值的輸出電容，以期達到較快的輸入電流響應速度與較低輸出電壓漣波。
然而，必須使用電解電容才能具有較大電容值，但是電解電容易受到開關切換與溫度等外在環境因素影響，使得其壽命較短，進而縮短轉換器之使用壽命。
圖1所示為傳統降壓轉換電路10示意圖。降壓轉換電路10由開關16、二極體D、電感L以及電容C所組成。當開關16導通時，此時電壓源12對電感L充電，同時對電容C充電並提供能量至負載14，當開關16截止時，電感L將其所儲存之能量經由二極體D對電容C充電，同時提供能量至負載14。
圖2所示為傳統返馳式轉換電路20示意圖。返馳式轉換電路20主要應用在100瓦以下的隔離型降壓型轉換器， 由於電路簡單成本低，圖2中所示之返馳變壓器28能兼作儲能使用。且返馳變壓器28之二次側僅需一個二極體D及一個電容C，單從成本的角度來說，返馳式轉換器電路20在市場上極具競爭力。返馳式轉換器電路20由開關26、返馳變壓器28、二極體D、電容(C)組成。藉由控制開關26的導通與截止，經過返馳變壓器28之磁化電感進行儲能與釋能，並配合二次側的二極體D和電容C，進行輸出電壓Vo的整流與濾波，如此即可得到直流電壓的輸出。返馳式轉換器電路20中藉由返馳變壓器28使其具有電氣隔離、變壓和儲能電感的三重功能。嚴謹學理而言，返馳變壓器28並非真正的變壓器，而是耦合電感器。藉由控制開關26的導通與截止，將儲存於在返馳變壓器28的能量傳遞給二次側，經由二極體D對電容C充電，並維持直流電壓於設定值。
當開關26導通時，此時電壓源22對返馳變壓器28充電，並使二極體D反向偏壓，同時電容C提供能量至負載24。當開關26截止時，返馳變壓器28將能量經由二極體D對電容C充電，並提供能量至負載24。
由上述圖1及圖2所示之降壓轉換電路與返馳式轉換電路20可知電感L與返馳變壓器28之主要作用為能量的傳遞，而電容C之主要作用則為輸出電壓的濾波。
本發明之目的係在提供一種降壓轉換電路，包括：一開關，其一端與一直流電壓源耦接，另一端耦接至一第一電感 以及與該第一電感串聯之一第一二極體；以及一自動電荷抽放電路，耦接至該第一電感以及該第二二極體，並提供一輸出電流給一負載。
本發明所提供之直流/直流轉換電路可避免使用較大電容值之電解電容，進而可延長轉換電路之使用年限。且透過嵌入自動電荷抽放電路，可達到不需主動元件即可實現電路結構可變與能量平衡之優點，進而使電路具輸入快速響應、低漣波輸出電壓以及使用壽命長之優點。
以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。
此外，在以下對本發明的詳細描述中，為了提供針對本發明的完全的理解，提供了大量的具體細節。然而，於本技術領域中具有通常知識者將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大家熟知的方法、程序、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明之主旨。
圖3所示為根據本發明一實施例之單級降壓轉換電路30示意圖。單級降壓轉換電路30包含一開關36(例如，功率電晶體，但並不以此為限)，其一端與一直流電壓源32耦接，另一端耦接至一第一二極體及一第一電感、以及一自動 電荷抽放電路39。自動電荷抽放電路39包含一半共振電路38，其係由電感L2串聯二極體D2後，並聯電容C1構成。半共振電路38串聯電容C2以進行分壓。當電容C2之電容值遠大於電容C1之電容值時，電壓源32所輸入之能量先儲存於半共振電路38，而使得電容C1跨壓快速上升。單級降壓轉換電路30透過開關36的切換與電感L2與電容C1共振，而將電容C1之儲能，轉換成電感電流i L2，同時將電容C1跨壓極性反轉，使得二極體D3導通後改變電路結構，構成電壓型自動電荷抽放電路(Auto Charge Pump)39，達到電路能量平衡與持續運轉之目的。
以輸入至自動電荷抽放電路39之電源為脈衝電源為例，當脈衝電源開始提供脈衝電壓對電感L2、電容器C1、電容器C2開始充電，直到脈衝電源輸入電流停止變動時。電容C1經由二極體D2與電感L2共振，將電容C1所儲存之能量傳送至電感L2，同時將電容C1跨壓極性反轉，當電感L2上跨壓大小大於電容C2之電壓時，電感L2之電流經由二極體D3對電容器C2充電。當二極體D3導通後，電路結構亦隨之改變，此時電感L2跨壓、電容C1跨壓以及電容C2跨壓之大小均相等，直到脈衝電源開始提供另一脈衝電壓時完成一週期運作。因自動電荷抽放電路39之動作，可使得電感L2、電容C1與電容C2間所儲存能量之傳輸更為平順。
其中，電感L1與L2實為將傳統降壓轉換器之儲能電感分成兩個部份。由於電容C1與C2串聯路徑瞬間可視為短路，故當開關36導通，單級降壓轉換電路30之電感L1 較傳統電路中之電感小，因此可獲得較快速之響應。而當開關36截止時，二極體D1作用則與傳統降壓轉換器相同。然而，由於自動電荷抽放電路39之故，卻可使輸出電壓Vo具有甚小之漣波。換言之，單級降壓轉換電路30中之電容C1與C2，透過設計後可採用具有較小電容值之交流電容，而不必使用電解電容，故可以獲得較長之使用。
單級降壓轉換電路30之可操作在三種模式：電感L1與L2均操作於電流連續導通模式、以及電感L1操作於電流不連續導通模式與電感L2操作於連續導通模式、以及電感L1與L2均操作於電流不連續導通模式。當開關36導通時，電感L1、自動電荷抽放電路39與電壓源32連接。此時，電壓源32對電感L1與自動電荷抽放電路39之電感L2、電容C1以及電容C2充電。當開關36截止時，電感L1經由二極體D1將所儲存之能量傳送自動電荷抽放電路39。當開關36再度導通時，單級降壓轉換電路30即完成一週期之能量傳輸。
在一實施例中，透過改變開關36之導通時間，可相應調整單級降壓轉換電路30輸出至負載34之輸出電壓Vo。在另一實施例中，透過改變開關36之切換頻率，可相應調整單級降壓轉換電路30輸出至負載34之輸出電壓Vo。
為方便清楚說明，以下假設所有電路元件均為理想，而輸出電壓Vo維持近似於一定值。同時，在一實施例中，負載34為一電阻。
圖4A所示為根據本發明一實施例之單級降壓轉換電路30工作於第一工作模式示意圖。在此實施例中，電感 L1與L2均操作於電流連續導通模式。當開關36導通且二極體D3截止時，單級降壓轉換電路30電路進入第一工作模式，電壓源32開始對電感L1與自動電荷抽放電路39之電感L2、電容C1以及電容C2充電。其狀態方程式如下所示：
圖4B所示為根據本發明一實施例之單級降壓轉換電路30工作於第二工作模式示意圖。當開關36截止時，單級降壓轉換電路30即進入第二工作模式。電感L1經由二極體D1對自動電荷抽放電路39釋能，且電容C1與電感L2共振並經由二極體D2限制其方向。同時將電容C1之儲能轉換成電感電流i L2，並將電容C1之跨壓反轉。狀態方程式如下所示：
圖4C所示為根據本發明一實施例之單級降壓轉換電路30工作於第三工作模式示意圖。當二極體D3導通時，單級降壓轉換電路30進入第三工作模式。電感L2產生反向的電壓，經由二極體D3對電容C2充電。當開關36再度導通時，即完成單級降壓轉換電路30之一週期動作。第三 工作模式之狀態方程式如下所示：
V C1=-V o (11)
圖4D所示為根據本發明一實施例之單級降壓轉換電路30工作於第四工作模式示意圖。第四工作模式為電感L1操作於電流不連續導通模式，而電感L2操作於連續導通模式。當二極體D1截止時，單級降壓轉換電路30進入第四工作模式。此時電容C1、電感L2經由二極體D3構成一迴路，配合電容C2將儲存能量傳送至負載34，當開關36再度導通時，即完成單級降壓轉換電路30之一週期動作。第四工作模式之狀態方程式如下所示： i L1=0 (13)
V c1=-V o (15)
圖4E所示為根據本發明一實施例之單級降壓轉換電路30工作於第五工作模式示意圖。第五工作模式為電感L1與L2均操作於電流不連續導通模式。當二極體D3截止時，單級降壓轉換電路30進入第五工作模式，此時僅由電容C2提供能量給予負載34。當開關36再度導通時，即完成單級降壓轉換電路30之一週期動作。第五工作模式之狀態方程式如下所示： i L1=0 (17)
i L2=0 (18)
V C1=0 (19)
本發明提出之單級降壓轉換電路，其主要整合降壓(Buck)轉換器與電壓型自動電荷抽放(Auto Charge Pump)電路，透過參數設計以及LC共振電路作用，使得降壓轉換電路具有可變電路結構特性，實現共用儲能與濾波元件的電路設計方式。使用者可透過參數設計，使得降壓轉換電路工作於能量輸入模式時，輸入電流具有快速響應。而當降壓轉換電路工作於能量輸出模式時，輸出電壓具有較低輸出漣波。除此之外，本發明所提出之單級降壓轉換電路，具有低輸出電壓漣波特性，電路設計可避免使用具有較大電容值之電解電容，進而可延長電路使用壽命。且本發明所提出之單級降壓轉換電路透過嵌入自動電荷抽放電路，可避免半共振電路之電容飽和，達到不需要主動元件，即可實現電路結構可變與能量平衡，進而達到電路具輸入快速響應、低漣波輸出電壓以及長壽命之目的。
上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離權利要求書所界定的本發明精神和發明範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本領域技術人員應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用於說明而非限制，本發明之範圍由後附權利要求及其合法等同物界定，而不限於此前之描述。
10‧‧‧降壓轉換電路
12‧‧‧電壓源
14‧‧‧負載
16‧‧‧開關
20‧‧‧返馳式轉換電路
22‧‧‧電壓源
24‧‧‧負載
26‧‧‧開關
28‧‧‧返馳變壓器
30‧‧‧單級降壓轉換電路
32‧‧‧電壓源
34‧‧‧負載
36‧‧‧開關
38‧‧‧半共振電路
39‧‧‧自動電荷抽放電路
以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進行詳細的描述，以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中：圖1所示為傳統降壓轉換電路示意圖。
圖2所示為傳統返馳式轉換電路示意圖。
圖3所示為根據本發明一實施例之單級降壓轉換電路示意圖。
圖4A所示為根據本發明一實施例之單級降壓轉換電路工作於第一工作模式示意圖。
圖4B所示為根據本發明一實施例之單級降壓轉換電路工作於第一工作模式示意圖。
圖4C所示為根據本發明一實施例之單級降壓轉換電路工作於第三工作模式示意圖。
圖4D所示為根據本發明一實施例之單級降壓轉換電路工作於第四工作模式示意圖。
圖4E所示為根據本發明一實施例之單級降壓轉換電路工作於第五工作模式示意圖。
30‧‧‧單級降壓轉換電路
32‧‧‧電壓源
34‧‧‧負載
36‧‧‧開關
38‧‧‧半共振電路
39‧‧‧自動電荷抽放電路

Claims (6)

  1. 一種降壓轉換電路，包括：一開關，其一端與一直流電壓源耦接，另一端耦接至一第一電感以及與該第一電感串聯之一第一二極體；以及一自動電荷抽放電路，耦接至該第一電感以及該第二二極體，並提供一輸出電流給一負載。
  2. 如申請專利範圍第1項的降壓轉換電路，其中，該自動電荷抽放電路包括：一半共振電路；一第一電容，串聯耦接至該半共振電路；以及一第二二極體，並聯耦接至該第一電容與該半共振電路。
  3. 如申請專利範圍第2項的降壓轉換電路，其中，該半共振電路包括：串聯耦接之一第二電感以及一第三二極體；以及一第二電容，並聯耦接至該第二電感以及該第三二極體。
  4. 如申請專利範圍第3項的降壓轉換電路，其中，該第二電容之一端係耦接至該第一電感，且另一端係耦接至該第一電容、該第二電感以及該負載。
  5. 如申請專利範圍第1項的降壓轉換電路，其中，該開關係為一功率電晶體。
  6. 如申請專利範圍第1項的降壓轉換電路，其中，該自動電荷抽放電路係為一電壓型自動電荷抽放電路。
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