TW202123591A - 升壓轉換器 - Google Patents

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Abstract

一種升壓轉換器，包括：一第一電感器、一功率切換器、一調整電路，以及一輸出級電路。第一電感器係用於接收一輸入電位。功率切換器內建一寄生電容器。功率切換器係根據一時脈電位來選擇性地將第一電感器耦接至一接地電位。輸出級電路係用於產生一輸出電位。調整電路包括一第二電感器、一第三電感器，以及一限流路徑。第二電感器係耦接至第一電感器和功率切換器。第三電感器係經由限流路徑耦接至輸出級電路。第一電感器、第二電感器，以及第三電感器係互相耦合，以形成一等效變壓器。

Description

升壓轉換器
本發明係關於一種升壓轉換器，特別係關於一種高輸出效率之升壓轉換器。
在傳統升壓轉換器中，各切換器往往具有非理想之寄生電容，故當切換器由禁能狀態轉為致能狀態時，其通常無法達成完美之零電壓切換(Zero Voltage Switching，ZVS)操作，並導致升壓轉換器之輸出效率變低。有鑑於此，勢必要提出一種全新之解決方案，以克服先前技術所面臨之困境。
在較佳實施例中，本發明提出一種升壓轉換器，包括：一第一電感器，用於接收一輸入電位；一功率切換器，內建一寄生電容器，其中該功率切換器係根據一時脈電位來選擇性地將該第一電感器耦接至一接地電位；一輸出級電路，用於產生一輸出電位；以及一調整電路，包括一第二電感器、一第三電感器，以及一限流路徑，其中該第二電感器係耦接至該第一電感器和該功率切換器，而該第三電感器係經由該限流路徑耦接至該輸出級電路；其中該第一電感器、該第二電感器，以及該第三電感器係互相耦合，以形成一等效變壓器。
在一些實施例中，該第一電感器和該第二電感器係位於該等效變壓器之同一側，而該第三電感器係位於該等效變壓器之相對另一側。
在一些實施例中，該等效變壓器係用於平衡該寄生電容器之充電及放電操作，使得該寄生電容器所儲存之電荷量大致維持為零。
在一些實施例中，該第一電感器具有一第一端和一第二端，該第一電感器之該第一端係耦接至一輸入節點以接收該輸入電位，而該第一電感器之該第二端係耦接至一第一節點。
在一些實施例中，該功率切換器包括：一電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該電晶體之該控制端係用於接收該時脈電位，該電晶體之該第一端係耦接至該接地電位，而該電晶體之該第二端係耦接至該第一節點。
在一些實施例中，該寄生電容器具有一第一端和一第二端，該寄生電容器之該第一端係耦接至該第一節點，而該寄生電容器之該第二端係耦接至該接地電位。
在一些實施例中，該輸出級電路包括：一第一二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第一二極體之該陽極係耦接至該第一節點，而該第一二極體之該陰極係耦接至一輸出節點以輸出該輸出電位；以及一電容器，具有一第一端和一第二端，其中該電容器之該第一端係耦接至該輸出節點，而該電容器之該第二端係耦接至該接地電位。
在一些實施例中，該第二電感器具有一第一端和一第二端，該第二電感器之該第一端係耦接至該第一節點，而該第二電感器之該第二端係耦接至該接地電位。
在一些實施例中，該第三電感器具有一第一端和一第二端，該第三電感器之該第一端係耦接至一第二節點，而該第三電感器之該第二端係耦接至該接地電位。
在一些實施例中，該限流路徑包括：一電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該電阻器之該第一端係耦接至該第二節點，而該電阻器之該第二端係耦接至一第三節點；以及一第二二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第二二極體之該陽極係耦接至該第三節點，而該第二二極體之該陰極係耦接至該輸出節點。
為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的「包含」及「包括」一詞為開放式的用語，故應解釋成「包含但不僅限定於」。「大致」一詞則是指在可接受的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，達到所述基本之技術效果。此外，「耦接」一詞在本說明書中包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接至一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接至該第二裝置，或經由其它裝置或連接手段而間接地電性連接至該第二裝置。
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器100之示意圖。升壓轉換器100可應用於一行動裝置，例如：桌上型電腦、筆記型電腦，或一體成形電腦。如第1圖所示，升壓轉換器100包括：一第一電感器L1、一功率切換器110、一調整電路130，以及一輸出級電路150，其中功率切換器110內建一寄生電容器CP1，而調整電路130包括一第二電感器L2、一第三電感器L3，以及一限流路徑140。必須注意的是，雖然未顯示於第1圖中，但升壓轉換器100更可包括其他元件，例如：一穩壓器或(且)一負回授電路。
第一電感器L1可視為升壓轉換器100之一升壓電感器。第一電感器L1係用於接收一輸入電位VIN。輸入電位VIN可來自一外部電源，其中輸入電位VIN可為具有任意頻率和任意振幅之一交流電位。例如，交流電位之頻率可約為50Hz或60Hz，而交流電位之方均根值可約為110V或220V。在另一些實施例中，輸入電位VIN亦可改為一直流電位，其電位位準可介於90V至264V之間。功率切換器110可根據一時脈電位VA來選擇性地將第一電感器L1耦接至一接地電位VSS(例如：0V)。例如，若時脈電位VA為高邏輯位準(例如：邏輯「1」)，則功率切換器110即將第一電感器L1耦接至接地電位VSS(亦即，功率切換器110可近似於一短路路徑)；反之，若時脈電位VA為低邏輯位準(例如：邏輯「0」)，則功率切換器110不會將第一電感器L1耦接至接地電位VSS(亦即，功率切換器110可近似於一開路路徑)。功率切換器110之二端之間之總寄生電容可模擬為前述之寄生電容器CP1，其並非一外部獨立元件。時脈電位VA於升壓轉換器100初始化時可維持於一固定電位，而在升壓轉換器100進入正常使用階段後則可提供週期性之時脈波形。調整電路130係耦接於功率切換器110和輸出級電路150之間，其可用於補償功率切換器110之寄生電容器CP1。詳細而言，在調整電路130中，第二電感器L2係耦接至第一電感器L1和功率切換器110，而第三電感器L3係經由限流路徑140耦接至輸出級電路150。輸出級電路150係用於產生一輸出電位VOUT。輸出電位VOUT可為一直流電位，其中輸出電位VOUT之電位位準係高於輸入電位VIN之最大值。必須注意的是，在升壓轉換器100中，第一電感器L1、第二電感器L2，以及第三電感器L3係互相耦合，以形成一等效變壓器160，其中第一電感器L1和第二電感器L2可位於此等效變壓器160之同一側，而第三電感器L3可位於此等效變壓器160之相對另一側。舉例而言，等效變壓器160可藉由一共同鐵芯穿越過第一電感器L1、第二電感器L2，以及第三電感器L3三者之中心通孔而實施，但亦不僅限於此。等效變壓器160係用於平衡寄生電容器CP1之充電及放電操作，使得寄生電容器CP1所儲存之電荷量大致維持為零。根據實際量測結果，此種電路設計方式可抑制寄生電容器CP1之非理想特性，並使功率切換器110可達成幾乎無損耗之零電壓切換操作，故能有效提高升壓轉換器100之輸出效率。
以下實施例將介紹升壓轉換器100之詳細結構及操作方式。必須理解的是，這些圖式和敘述僅為舉例，而非用於限制本發明之範圍。
第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器200之示意圖。在第2圖之實施例中，升壓轉換器200具有一輸入節點NIN和一輸出節點NOUT，並包括一第一電感器L1、一功率切換器210、一調整電路230，以及一輸出級電路250，其中功率切換器210內建一寄生電容器CP1，而調整電路230包括一第二電感器L2、一第三電感器L3，以及一限流路徑240。升壓轉換器200之輸入節點NIN可由一外部電源處接收一輸入電位VIN，而升壓轉換器200之輸出節點NOUT可用於輸出一輸出電位VOUT，其中輸出電位VOUT之電位位準係高於輸入電位VIN之最大值。
第一電感器L1具有一第一端和一第二端，其中第一電感器L1之第一端係耦接至輸入節點NIN，而第一電感器L1之第二端係耦接至一第一節點N1。
功率切換器210包括一電晶體M1。電晶體M1可為一N型金氧半場效電晶體。電晶體M1具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中電晶體M1之控制端係用於接收一時脈電位VA，電晶體M1之第一端係耦接至一接地電位VSS，而電晶體M1之第二端係耦接至第一節點N1。例如，時脈電位VA於升壓轉換器200初始化時可維持於一固定電位(例如：接地電位VSS)，而在升壓轉換器200進入正常使用階段後則可提供週期性之時脈波形。電晶體M1之第一端和第二端之間之總寄生電容可模擬為前述之寄生電容器CP1，其並非一外部獨立元件。寄生電容器CP1具有一第一端和一第二端，其中寄生電容器CP1之第一端係耦接至第一節點N1，而寄生電容器CP1之第二端係耦接至接地電位VSS。
輸出級電路250包括一第一二極體D1和一電容器C1。第一二極體D1具有一陽極和一陰極，其中第一二極體D1之陽極係耦接至第一節點N1，而第一二極體D1之陰極係耦接至輸出節點NOUT。電容器C1具有一第一端和一第二端，其中電容器C1之第一端係耦接至輸出節點NOUT，而電容器C1之第二端係耦接至接地電位VSS。
在調整電路230中，第二電感器L2具有一第一端和一第二端，其中第二電感器L2之第一端係耦接至第一節點N1，而第二電感器L2之第二端係耦接至接地電位VSS。另一方面，第三電感器L3具有一第一端和一第二端，其中第三電感器L3之第一端係耦接至一第二節點N2，而第三電感器L3之第二端係耦接至接地電位VSS。
調整電路230之限流路徑240包括一電阻器R1和一第二二極體D2。電阻器R1具有一第一端和一第二端，其中電阻器R1之第一端係耦接至第二節點N2，而電阻器R1之第二端係耦接至一第三節點N3。第二二極體D2具有一陽極和一陰極，其中第二二極體D2之陽極係耦接至第三節點N3，而第二二極體D2之陰極係耦接至輸出節點NOUT。
必須注意的是，在升壓轉換器200中，第一電感器L1、第二電感器L2，以及第三電感器L3係互相耦合，以形成一等效變壓器260，其中第一電感器L1和第二電感器L2可位於此等效變壓器260之同一側，而第三電感器L3可位於此等效變壓器260之相對另一側。舉例而言，等效變壓器260可藉由一共同鐵芯穿越過第一電感器L1、第二電感器L2，以及第三電感器L3三者之中心通孔而實施，但亦不僅限於此。等效變壓器260係用於平衡寄生電容器CP1之充電及放電操作，使得寄生電容器CP1所儲存之電荷量大致維持為零。
在一些實施例中，升壓轉換器200係交替地操作於一第一模式和一第二模式，其詳細操作原理可如下列所述。
在第一模式中，時脈電位VA為高邏輯位準，使得電晶體M1為致能且第一二極體D1為禁能，且寄生電容器CP1進行充電操作。在此同時，第二電感器L2與第一電感器L1互相耦合，第二電感器L2與寄生電容器CP1進行諧振，而第三電感器L3又與第二電感器L2互相耦合。是以，寄生電容器CP1亦同時進行放電操作，且寄生電容器CP1之能量會間接轉移至電容器C1上。換言之，在第一模式中，寄生電容器CP1因充放電平衡，其上最終將不會儲存任何電荷或能量。
在第二模式中，時脈電位VA為低邏輯位準，使得電晶體M1為禁能且第一二極體D1為致能。此時，寄生電容器CP1既不充電也不放電，其上最終亦不會儲存任何電荷或能量。
第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器200之電位波形圖，其中橫軸代表時間，而縱軸代表各個電位位準。如第3圖所示，時脈電位VA具有交替且週期性之高邏輯區間及低邏輯區間，其中第一電感器L1之第一端和第二端之間之電壓係定義為一第一電壓V1，第二電感器L2之第一端和第二端之間之電壓係定義為一第二電壓V2，第三電感器L3之第一端和第二端之間之電壓係定義為一第三電壓V3，而寄生電容器CP1之第一端和第二端之間之電壓係定義為一寄生電壓VP。在此假設第一二極體D1和第二二極體D2皆為理想二極體，其切入電壓皆設定為0V。當時脈電位VA處於其高邏輯區間時，通過第一電感器L1之電流將逐漸上升。此時，第一電感器L1之第一電壓V1可大致等於輸入電位VIN(亦即，
Figure 02_image001
)，第二電感器L2之第二電壓V2可大致等於輸入電位VIN之負值(亦即，
Figure 02_image003
)，而第三電感器L3之第三電壓V3可大致等於輸出電位VOUT(亦即，
Figure 02_image005
)。反之，當時脈電位VA處於其低邏輯區間時，通過第一電感器L1之電流將逐漸下降。此時，第一電感器L1之第一電壓V1可大致等於輸入電位VIN再減去輸出電位VOUT(亦即，
Figure 02_image007
)，第二電感器L2之第二電壓V2可大致等於接地電位VSS(亦即，
Figure 02_image009
)，而第三電感器L3之第三電壓V3亦可大致等於接地電位VSS(亦即，
Figure 02_image011
)。必須注意的是，無論時脈電位VA處於高邏輯區間或是低邏輯區間，寄生電容器CP1之寄生電壓VP皆可不改變且恆維持於接地電位VSS(亦即，
Figure 02_image013
)。
第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器200之電流波形圖，其中橫軸代表時間，而縱軸代表電流值。如第4圖所示，若已使用調整電路230，則可有效抑制寄生電容器CP1之非理想特性。當功率切換器210由禁能狀態轉換為致能狀態時，通過電晶體M1之一電流ID1會逐漸上升。必須注意的是，早在電晶體M1之電流ID1開始上升之前，寄生電容器CP1之寄生電壓VP即已完全放電至零(如第4圖之虛線框所示)，使得功率切換器210可達成近乎無損耗之零電壓切換操作。
在一些實施例中，升壓轉換器200之元件參數可如下列所述。寄生電容器CP1之電容值可介於142.5pF至157.5pF之間，較佳為150pF。電容器C1之電容值可介於612μF至748μF之間，較佳為680μF。第一電感器L1之電感值可介於570μH至630μH之間，較佳為600μH。第二電感器L2之電感值可介於38μH至42μH之間，較佳為40μH。第三電感器L3之電感值可介於190μH至210μH之間，較佳為200μH。電阻器R1之電阻值可介於90Ω至110Ω之間，較佳為100Ω。時脈電位VA之切換頻率可約為65kHz。以上參數範圍係根據多次實驗結果而得出，其有助於最佳化升壓轉換器200之轉換效率。
本發明提出一種新穎之升壓轉換器，其包括調整電路及其限流路徑。根據實際量測結果，使用前述設計之升壓轉換器可消除功率切換器之非理想寄生電容效應，從而可達成近乎無損耗之零電壓切換操作。大致而言，本發明可有效提高升壓轉換器之輸出效率，故其很適合應用於各種各式之電子裝置當中。
值得注意的是，以上所述之電位、電流、電阻值、電感值、電容值，以及其餘元件參數均非為本發明之限制條件。設計者可以根據不同需要調整這些設定值。本發明之升壓轉換器並不僅限於第1-4圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-4圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之升壓轉換器當中。雖然本發明之實施例係使用金氧半場效電晶體為例，但本發明並不僅限於此，本技術領域人士可改用其他種類之電晶體，例如：接面場效電晶體，或是鰭式場效電晶體等等，而不致於影響本發明之效果。
在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200:升壓轉換器 110、210:功率切換器 130、230:調整電路 140、240:限流路徑 150、250:輸出級電路 160、260:等效變壓器 C1:電容器 CP1:寄生電容器 D1:第一二極體 D2:第二二極體 ID1:電流 L1:第一電感器 L2:第二電感器 L3:第三電感器 M1:電晶體 N1:第一節點 N2:第二節點 N3:第三節點 NIN:輸入節點 NOUT:輸出節點 R1:電阻器 VA:時脈電位 V1:第一電壓 V2:第二電壓 V3:第三電壓 VIN:輸入電位 VOUT:輸出電位 VP:寄生電壓 VSS:接地電位
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器之示意圖。 第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器之示意圖。 第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器之電位波形圖。 第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之升壓轉換器之電流波形圖。
100:升壓轉換器
110:功率切換器
130:調整電路
140:限流路徑
150:輸出級電路
160:等效變壓器
CP1:寄生電容器
L1:第一電感器
L2:第二電感器
L3:第三電感器
VA:時脈電位
VIN:輸入電位
VOUT:輸出電位
VSS:接地電位

Claims (10)

  1. 一種升壓轉換器，包括： 一第一電感器，用於接收一輸入電位； 一功率切換器，內建一寄生電容器，其中該功率切換器係根據一時脈電位來選擇性地將該第一電感器耦接至一接地電位； 一輸出級電路，用於產生一輸出電位；以及 一調整電路，包括一第二電感器、一第三電感器，以及一限流路徑，其中該第二電感器係耦接至該第一電感器和該功率切換器，而該第三電感器係經由該限流路徑耦接至該輸出級電路； 其中該第一電感器、該第二電感器，以及該第三電感器係互相耦合，以形成一等效變壓器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之升壓轉換器，其中該第一電感器和該第二電感器係位於該等效變壓器之同一側，而該第三電感器係位於該等效變壓器之相對另一側。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之升壓轉換器，其中該等效變壓器係用於平衡該寄生電容器之充電及放電操作，使得該寄生電容器所儲存之電荷量大致維持為零。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之升壓轉換器，其中該第一電感器具有一第一端和一第二端，該第一電感器之該第一端係耦接至一輸入節點以接收該輸入電位，而該第一電感器之該第二端係耦接至一第一節點。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之升壓轉換器，其中該功率切換器包括： 一電晶體，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中該電晶體之該控制端係用於接收該時脈電位，該電晶體之該第一端係耦接至該接地電位，而該電晶體之該第二端係耦接至該第一節點。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之升壓轉換器，其中該寄生電容器具有一第一端和一第二端，該寄生電容器之該第一端係耦接至該第一節點，而該寄生電容器之該第二端係耦接至該接地電位。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之升壓轉換器，其中該輸出級電路包括： 一第一二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第一二極體之該陽極係耦接至該第一節點，而該第一二極體之該陰極係耦接至一輸出節點以輸出該輸出電位；以及 一電容器，具有一第一端和一第二端，其中該電容器之該第一端係耦接至該輸出節點，而該電容器之該第二端係耦接至該接地電位。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之升壓轉換器，其中該第二電感器具有一第一端和一第二端，該第二電感器之該第一端係耦接至該第一節點，而該第二電感器之該第二端係耦接至該接地電位。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之升壓轉換器，其中該第三電感器具有一第一端和一第二端，該第三電感器之該第一端係耦接至一第二節點，而該第三電感器之該第二端係耦接至該接地電位。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之升壓轉換器，其中該限流路徑包括： 一電阻器，具有一第一端和一第二端，其中該電阻器之該第一端係耦接至該第二節點，而該電阻器之該第二端係耦接至一第三節點；以及 一第二二極體，具有一陽極和一陰極，其中該第二二極體之該陽極係耦接至該第三節點，而該第二二極體之該陰極係耦接至該輸出節點。
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