TWI431914B - A boost converter with positive and negative outputs - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種升壓型轉換器，特別是指一種具有正負輸出端之升壓型轉換器。
許多應用需要帶有穩壓輸出的正負電壓供應源，例如：自引擎帶動發電機對12V鉛酸電池充電後產生之車用電源可以供給車內電子裝置，包括引擎控制系統、音響以及其他娛樂設備。然而，使用車用電源的電子裝置會面臨輸入電壓變化過大的考驗，例如：車用電源即將耗盡之際，車用電池電壓將降低至10V，或當車用電池連接線鬆脫或斷裂時，前端穩壓電路會輸出高達16V的電壓至後端的電路等。
由於車用電池之電壓會隨引擎轉速而有所變化，就以12V的正常工作電壓，當應用於半橋驅動架構所設計的音響放大器時，僅能夠在常用的4歐姆的揚聲器負載上得到4.5W的輸出功率，這顯然是不足的。因此，有必要將放大器操作於更高電壓，且為了提供更好的低頻響應輸出，最好是使用正負電壓供應，使半橋驅動D類放大器可以省略直流阻隔電容。
目前對於將單電源轉換為正負輸出的電路已經有許多先前的研究文獻，如羅方林(Luo,F.L.)發表的論文「雙輸出升壓技術(Double output Luo-converters-voltage lift technique)」，但是電路架構複雜，元件較多。而後亦有提出較為簡單的架構，但是負輸出之電容電壓會有電壓不平衡的
問題。
因此，本發明之目的，即在提供一種電路易於實現的具有正負輸出端之升壓型轉換器。
於是，本發明具有正負輸出端之升壓型轉換器包括一開關元件、一電感、一正電壓輸出電路及一負電壓輸出電路。
該開關元件具有一電連接於電源的第一端及一第二端；該電感具有一接地之第一端及一與該開關元件之第二端電連接的第二端。
該正電壓輸出電路電連接該電感的第二端及該正輸出端之間，具有：一第一電容，具有一電連接該電感的第二端之第一端及一第二端；一第一導通元件，具有一與該第一電容的第二端電連接的第一端及一接地之第二端；一第二導通元件，具有一與該第一導通元件的第一端電連接的第一端及一電性連接該正輸出端之第二端；及一第二電容，具有一電連接於該第二導通元件之第二端及該正輸出端之間的第一端及一接地的第二端。
該負電壓輸出電路電連接該電感的第二端及該負輸出端之間，具有一第三電容，具有一電連接該電感的第二端之第一端及一第二端；一第三導通元件，具有一與該第三電容的第二端電連接的第一端及一接地之第二端；一第四導通元件，具有一與該第三導通元件的第一端電連接的第一端及一電性連接該負輸出端之第二端；及一第四電容，具有一電連接於該第四導通元件之第二端及該正輸出端之間的第一端
及一接地的第二端。
藉此，該開關元件導通或不導通時，該正電壓輸出電路之第一電容及第二電容及該負電壓輸出電路之第三電容及第四電容皆對該電感供應電流而使該電感激磁而令該正輸出端及該負輸出端升壓。
本發明之技術特點即在於，無論該開關元件導通或不導通時，該正電壓輸出電路及該負電壓輸出電路皆對該電感供應電流而使該電感激磁而令正負輸出端升壓，因此可供給需要穩壓輸出的正負電壓供應源的電子裝置使用。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖1，本發明之較佳實施例中，升壓型轉換器100包括一開關元件Q 1
、一電感L 1
、一正電壓輸出電路101、一負電壓輸出電路102、一正輸出端61及一負輸出端62；其中，開關元件Q 1
具有一電連接於電源60的第一端11及一第二端12；電感L 1
具有一接地之第一端21及一與開關元件Q 1
之第二端12電連接的第二端22；正電壓輸出電路101電連接電感L 1
的第二端22及正輸出端61之間，該負電壓輸出電路電連接該電感L 1
的第二端22及負輸出端62之間。
本發明之技術特點即在於，電感L 1
具有類似於升壓(Buck-Boost)的功能，搭配正電壓輸出電路101及負電壓輸出電路102具有的電容以達成正負升壓輸出，無論開關元件Q 1
導通或不導通時，正電壓輸出電路101及負電壓輸出電路102皆對電感L 1
供應電流而使電感L 1
激磁而令正輸出端61及負輸出端62升壓，因此可供給需要帶有穩壓輸出的正負電壓供應源的電子裝置使用。
茲將本較佳實施例的詳細電路介紹如下。
開關元件Q 1
的第一端11與第二端12之間反向連接一二極體D b
1
，開關元件Q 1
為N型金氧半場效電晶體，第一端11為源極，第二端12為汲極，其閘極受控決定導通與否。
正電壓輸出電路101具有一第一電容C 1
、一第一導通元件D 1
、一第二導通元件D 2
及一第二電容C 3
。
第一電容C 1
具有一電連接電感L 1
的第二端22之第一端311及一第二端312，第一導通元件D 1
具有一與第一電容C 1
的第二端312電連接的第一端331及一接地之第二端332，第二導通元件D 2
具有一與第一導通元件D 1
的第一端331電連接的第一端321及一電性連接正輸出端61之第二端322，第二電容C 3
具有一電連接於第二導通元件D 2
之第二端322及正輸出端61之間的第一端341及一接地的第二端342；其中的第一電容C 1
及第二電容C 3
即是負責提供正輸出端61之升壓能量。
負電壓輸出電路102具有一第三電容C 2
、一第三導通元件D 3
、一第四導通元件D 4
及一第四電容C 4
。
第三電容C 2
具有一電連接電感L 1
的第二端22之第一端511及一第二端512，第三導通元件D 3
具有一與第三電容C 2
的第二端512電連接的第一端531及一接地之第二端532，
第四導通元件D 4
具有一與第三導通元件D 3
的第一端531電連接的第一端521及一電性連接負輸出端62之第二端522，第四電容C 4
具有一電連接於第四導通元件D 4
之第二端522及負輸出端62之間的第一端541及一接地的第二端542；其中的第三電容C 2
及第四電容C 4
即是負責提供負輸出端62之升壓能量。
以下配合圖2及圖3為各元件的模擬電流、電壓時序波形圖，圖4為開關元件Q 1
導通期間為時間t0
至t1
(以下稱第一模式)之電流流向，及圖5為開關元件Q 1
不導通期間為時間t1
至t2
(以下稱第二模式)之電流流向，將本較佳實施例的各元件的動作原理介紹如下。
第一模式：
參閱圖4，開關元件Q 1
導通(時間t0
至t1
)時，電感L 1
激磁使I L
1
電流上升，同時，第三導通元件D 3
因順偏而導通，第三電容C 2
被充電至輸入電壓V in
；此外，由於第一電容C 1
負端被提升至輸入電壓V in
以提供升壓能量，因此第二導通元件D 2
被順偏導通，所以正輸出端61之正輸出電壓V o
1
=V C
3
=V C
1
+V in
，負輸出端62之能量是由第四電容C 4
所提供升壓能量，所以負輸出端62之負輸出電壓V o
2
=V C
4
。
第二模式：
參閱圖5，開關元件Q 1
不導通(時間t1
至t2
)時，電感L 1
激磁使I L
1
電流上升，同時，電感L 1
串聯第三電容C 2
跨壓對第四電容C 4
充電，此時，正輸出端61之電壓V o
1
由第二電容C 3
提供升壓能量，因此正輸出端61之正輸出電壓V o
1
=V C
3
且負輸出端62之電壓V o
2
=V C
4
=-(V C
2
+V L
1
)，又由於電感L 1
亦對第一電容C 1
充電以提供升壓能量，所以電感L 1
之電壓V L
1
=-V C
1
，因此負輸出端62之負輸出電壓V o
2
=-(V C
2
+V C
1
)。
假設C 1
已經充電至V C
1
，藉由電感L 1
之伏秒平衡(volt-second balance)原理得知D
×V in
=(1-D
)×V C
1
，因此，
在第一模式時，
及V o
1
=V C
4
公式3
在第二模式時，由於第二電容C 3
之跨壓仍穩住在公式2所表示之電壓，因此，
且V o
2
=-(V C
1
-V L
1
)=-(V C
1
-(-V C
2
))=-(V C
1
+V C
2
) 公式5
由於C 2
之跨壓於第一模式時已快速充電為輸入電壓V in
，因此公式5可改寫為
及
本較佳實施例之實驗條件為：(i)直流輸入電壓V in
為10至16伏；(ii)等比例輸出電壓V o
1
為+25伏及V o2
為-25伏；(iii)等比例輸出電流I c4
為1.25安培；(iv)等比例輸出功率為62.5
瓦；(v)開關頻率為200kHz；(vi)第一電容C 1
及第三電容C 2
之電容值為22μF；(vii)第二電容C 3
及第四電容C 4
之電容值為330μF；(viii)開關元件Q 1
的型號為IRF540NS；及(ix)第一導通元件D 1
、第二導通元件D 2
、第三導通元件D 3
及第四導通元件D 4
的型號為MS22。
參閱圖6及圖7，為使用前述元件的電路架構，提供輸入電壓V in
為10伏時，對應於圖2的不同元件實際測得的電流、電壓時序波形圖。
參閱圖8、圖9及圖10，圖8是在輸入電壓V in
為10伏所產生的電壓Vgs
、Vds
、Vd1
及Vd2
之波形；圖9是在輸入電壓V in
為12伏所產生的電壓Vgs
、Vds
、Vd1
及Vd2
之波形；圖10是在輸入電壓V in
為16伏所產生的電壓Vgs
、Vds
、Vd1
及Vd2
之波形。
參閱圖11、圖12及圖13，分別是輸入電壓V in
為10伏、12伏及16伏，且各圖中均顯示開關元件Q 1
之閘級驅動訊號(gate driving signal)之電壓Vgs
、電感電流IL1
、第一電容C 1
及第三電容C 2
的電壓Vc1
及Vc2
時序波形圖。
配合圖2及前述時序波形圖可知，單一正電壓電源可以在正輸出端61及負輸出端62分別得到穩定的升壓輸出，此外，參閱圖14，無論是何種負載率(Load percentage)，在輸入電壓10伏、12伏、14伏及16伏的轉換效率(Efficiency)皆在91.8%以上。
綜上所述，本發明具有的優點為：只需單一電源的輸入電壓V in
就可以得到升壓的正輸出電壓V o
1
及負輸出電壓V o2
、可
應用於D類放大器，以及電路易於實現，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100‧‧‧升壓型轉換器
101‧‧‧正電壓輸出電路
102‧‧‧負電壓輸出電路
11、21、311、321、331、341、511、521、531、541‧‧‧第一端
12、22、312、322、332、342、512、522、532、542‧‧‧第二端
60‧‧‧電源
61‧‧‧正輸出端
62‧‧‧負輸出端
C 1
‧‧‧第一電容
C 3
‧‧‧第二電容
C 2
‧‧‧第三電容
C 4
‧‧‧第四電容
D 1
‧‧‧第一導通元件
D 2
‧‧‧第二導通元件
D 3
‧‧‧第三導通元件
D 4
‧‧‧第四導通元件
D b
1
‧‧‧二極體
L 1
‧‧‧電感
Q 1
‧‧‧開關元件
V o
1
‧‧‧正輸出電壓
V o
2
‧‧‧負輸出電壓
圖1是一電路圖，說明本發明升壓型轉換器之較佳實施例；圖2是一時序波形圖，說明圖1的一部分元件的模擬電流、電壓波形；圖3是一時序波形圖，說明圖1的另一部分元件的模擬電流、電壓波形；圖4是一電路圖，說明圖1的開關元件導通的電流流向；圖5是一電路圖，說明圖1的開關元件不導通的電流流向；圖6是一時序波形圖，說明圖1的一部分元件實際測得的電流、電壓波形；圖7是一時序波形圖，說明圖1的另一部分元件實際測得的電流、電壓波形；圖8是一時序波形圖，說明在輸入電壓為10伏的的電壓Vgs
、Vds
、Vd1
及Vd2
之波形；圖9是一時序波形圖，說明在輸入電壓為12伏的的電壓Vgs
、Vds
、Vd1
及Vd2
之波形；
圖10是一時序波形圖，說明在輸入電壓為16伏的的電壓Vgs
、Vds
、Vd1
及Vd2
之波形；圖11是一時序波形圖，說明輸入電壓為10伏的開關元件之閘級驅動訊號之電壓、電感電流、第一電容及第三電容之電壓波形；圖12是一時序波形圖，說明輸入電壓為12伏的開關元件之閘級驅動訊號之電壓、電感電流、第一電容及第三電容之電壓波形；圖13是一時序波形圖，說明輸入電壓為16伏的開關元件之閘級驅動訊號之電壓、電感電流、第一電容及第三電容之電壓波形；及圖14是一波形圖，說明對應不同負載率在不同輸出電壓的轉換效率。
100‧‧‧升壓型轉換器
101‧‧‧正電壓輸出電路
102‧‧‧負電壓輸出電路
11、21、311、321、331、
341、511、521、531、541‧‧‧第一端
12、22、312、322、332、342、512、522、532、542‧‧‧第二端
60‧‧‧電源
61‧‧‧正輸出端
62‧‧‧負輸出端
C 1
‧‧‧第一電容
C 3
‧‧‧第二電容
C 2
‧‧‧第三電容
C 4
‧‧‧第四電容
D 1
‧‧‧第一導通元件
D 2
‧‧‧第二導通元件
D 3
‧‧‧第三導通元件
D 4
‧‧‧第四導通元件
D b
1
‧‧‧二極體
L 1
‧‧‧電感
Q 1
‧‧‧開關元件
V o
1
‧‧‧正輸出電壓
V o
2
‧‧‧負輸出電壓
Claims (2)
- 一種具有正負輸出端之升壓型轉換器，包括：一開關元件，具有一接收一輸入電壓的第一端及一第二端；一電感，具有一接地之第一端及一與該開關元件之第二端電連接的第二端；一正電壓輸出電路，電連接該電感的第二端及該正輸出端之間，具有：一第一電容，具有一電連接該電感的第二端之第一端及一第二端，一第一導通元件，具有一與該第一電容的第二端電連接的第一端及一接地之第二端，一第二導通元件，具有一與該第一導通元件的第一端電連接的第一端及一電性連接該正輸出端之第二端，及一第二電容，具有一電連接於該第二導通元件之第二端及該正輸出端之間的第一端及一接地的第二端；及一負電壓輸出電路，電連接該電感的第二端及該負輸出端之間，具有：一第三電容，具有一電連接該電感的第二端之第一端及一第二端，一第三導通元件，具有一與該第三電容的第二端電連接的第一端及一接地之第二端，一第四導通元件，具有一與該第三導通元件的第一 端電連接的第一端及一電性連接該負輸出端之第二端，及一第四電容，具有一電連接於該第四導通元件之第二端及該正輸出端之間的第一端及一接地的第二端；藉此，該開關元件導通或不導通時，該正電壓輸出電路之第一電容及第二電容及該負電壓輸出電路之第三電容及第四電容皆對該電感供應電流而使該電感激磁而令該正輸出端及該負輸出端升壓。
- 依據申請專利範圍第1項所述之具有正負輸出端之升壓型轉換器，其中，該開關元件的第一端與第二端之間反向連接一二極體，且該開關元件為N型金氧半場效電晶體，第一端為源極，第二端為汲極，其閘極則受控決定導通與否。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW99138138A TWI431914B (zh) | 2010-11-05 | 2010-11-05 | A boost converter with positive and negative outputs |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW99138138A TWI431914B (zh) | 2010-11-05 | 2010-11-05 | A boost converter with positive and negative outputs |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201220658A TW201220658A (en) | 2012-05-16 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW99138138A TWI431914B (zh) | 2010-11-05 | 2010-11-05 | A boost converter with positive and negative outputs |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| TW (1) | TWI431914B (zh) |
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| CN104935164A (zh) * | 2014-03-20 | 2015-09-23 | 广东易事特电源股份有限公司 | 可输出正负电压的直流变换器 |
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2010
- 2010-11-05 TW TW99138138A patent/TWI431914B/zh not_active IP Right Cessation
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| MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |