TWI479780B - 降壓轉換器 - Google Patents

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Description

降壓轉換器
本發明涉及一種降壓轉換器。
電子產品工作過程中，通常僅通過一個主要電源(例如常用之5V電源)對其供電。由於電子產品中各種不同功能之積體電路往往需要使用不同之工作電壓，故此時需要設置降壓轉換器來將電源電壓轉換為所需之其他數值之電壓。
請參閱圖1，其為已知降壓轉換器之電路圖。所述降壓轉換器用於將輸入電壓V1轉換為輸出電壓V2。所述降壓轉換器包括脈衝寬度調變(Pulse-Width Modulation,PWM)控制器1、連接至該PWM控制器1之電壓轉換電路2及連接於電壓轉換電路2之輸出端與該PWM控制器之輸入端之間之回饋電路3。
PWM控制器1包括三角波電源4、比較器5及N溝道金屬氧化層半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)Q1。三角波電源4輸出三角波V3至比較器5之正相輸入端，回饋電路3之輸出端連接至比較器5之反向輸入端，該比較器5之輸出端即輸出PWM訊號Vp至Q1之柵極；Q1之漏極藉由電阻R1連接至電源，源極接地。
電壓轉換電路2包括N溝道MOSFET Q2、N溝道MOSFET Q3、電感L1及濾波電容C1。Q2之漏極接入輸入電壓V1，柵極連接至比較器5之輸出端、源極連接至Q3之漏極；Q3 之柵極連接至Q1之漏極，源極接地；該電感L1兩端分別連接至Q2之源極及Q3之漏極；該濾波電容C1之另一端接地，該電感L1及濾波電容C1之間輸出輸出電壓V2；所述回饋電路3用於將該輸出電壓轉換成回饋電壓V4之後，回饋至所述比較器5與三角波V3作比較，以輸出PWM訊號Vp(如圖2所示)。當該比較器5之輸出端訊號及PWM訊號Vp為高電平時，使Q2導通且Q3截止，該電感L1儲存電能，輸出電壓V2逐漸提升；當該比較器5之輸出端訊號及PWM訊號Vp為低電平時，Q2截止且Q3導通時，該電感L1釋放電能，輸出電壓V2逐漸下降。
在習知技術中，輸出電壓V2之平均值與輸入電壓V1之關係為：V2/V1=D，其中，D為PWM控制器產生之PWM訊號Vp之佔空比，即PWM訊號Vp之正脈衝時間與PWM訊號Vp之工作週期之比值。因此，藉由調整PWM訊號Vp之佔空比即可產生不同之輸出電壓V2。
所述降壓轉換器在實際使用過程中，其所連接之負載往往會根據需要進行切換。當負載由較小電阻值之輕載變為較大電阻值之重載時，該降壓轉換器之輸出電流會降低，同時輸出電壓V2可能被重載拉低，以致其遠低於預期之數值。上述情況可能會影響輸出電壓V2之穩定性，進而影響使用該降壓轉換器之整個電路之穩定性。
鑒於以上內容，有必要提供一種能根據所接負載之情況來調節輸出電壓大小之降壓轉換器。
一種降壓轉換器，用於將輸入電壓轉換成輸出電壓後提 供至負載，所述降壓轉換器包括依次電性連接之脈衝寬度調變控制器、電壓轉換電路及回饋電路，所述脈衝寬度調變控制器包括三角波電源及比較器，該三角波電源之正極連接至該比較器之正相輸入端；該電壓轉換電路連接至輸入電壓，並輸出輸出電壓；所述回饋電路電性連接至該脈衝寬度調變控制器，回饋電路根據該輸出電壓產生回饋電壓輸入至該比較器之反向輸入端，該比較器之輸出端輸出脈衝寬度調變訊號，該輸出電壓與該脈衝寬度調變訊號之佔空比成正比，所述降壓轉換器還包括：調節電路，包括第一電子開關、第二電子開關及上拉電源，該第一電子開關一端連接至該上拉電源，另一端連接至該三角波電源之負極；該第二電子開關一端接地，另一端連接至該三角波電源之負極；以及偵測電路，電性連接至該第一電子開關及第二電子開關，當該偵測電路偵測到該降壓轉換器之輸出端電流值低於該偵測電路預設之參考電流值時，該偵測電路控制該第一電子開關導通，同時使該第二電子開關截止，該三角波電源藉由該第一電子開關串聯至該上拉電源以增加該脈衝寬度調變訊號之佔空比。
所述之降壓轉換器藉由設置所述偵測電路來偵測該負載之變化，根據負載之變化來控制該調節電路，當該負載由輕載轉換為重載時，該調節電路即在習知三角波電源之基礎上串接上拉電源，來增加該三角波之最低電位元幅度，從而增加脈衝寬度調變訊號之佔空比，最終升高 了該輸出電壓之大小，有效防止了輸出電壓被重載拉低而影響電路之穩定工作。
請參閱圖3，本發明之降壓轉換器100用於將輸入電壓Vin轉換成電位較低之輸出電壓Vout提供給負載200。所述降壓轉換器100包括PWM控制器10、電壓轉換電路20、回饋電路30、調節電路40及偵測電路50。所述電壓轉換電路20連接至輸入電壓Vin，並輸出經其轉換而來之輸出電壓Vout；回饋電路30電性連接至該電壓轉換電路20之輸出端與PWM控制器10之間，根據該輸出電壓Vout產生回饋電壓Vf輸入至該PWM控制器10；該PWM控制器10根據該回饋電壓Vf來輸出PWM訊號Vp，並根據該PWM訊號Vp控制該電壓轉換電路20工作，即該輸出電壓Vout與該PWM訊號Vp之佔空比成正比；該偵測電路50電性連接至負載200，用於偵測該負載200之變化來控制該調節電路40，以調節該PWM控制器10之輸出，最終調節該輸出電壓Vout之大小。
所述PWM控制器10包括三角波電源11、比較器13及N溝道MOSFET Q11。所述三角波電源11之正極連接至該比較器13之正向輸入端，負極連接至該調節電路40。該三角波電源11輸出三角波Vt至比較器13。該比較器13之正相輸入端連接至回饋電路30之輸出端，即該回饋電路30輸出之回饋電壓Vf經由該比較器13之反相輸入端輸入至該比較器13與該三角波Vt進行比較，比較結果即為PWM訊號Vp，該PWM訊號Vp經由該比較器13之輸出端輸出至Q11之 柵極。Q11源極接地，漏極藉由電阻R11連接至一提供+5V電壓之供電電源(圖未標)，且Q11之漏極連接至所述電壓轉換電路20。該PWM訊號Vp與Q11之輸出反相，即當該PWM訊號Vp為高電平時，Q11輸出低電平；當該PWM訊號Vp為低電平時，輸出高電平。該PWM訊號Vp與之輸出均輸入至該電壓轉換電路20，以共同控制該電壓轉換電路20將該輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。
所述調節電路40包括第一電子開關41、第二電子開關43及上拉電源(圖未標)。在本較佳實施方式中，所述上拉電源為數位/類比(D/A)轉換器45。該第一電子開關41一端連接至該D/A轉換器45，另一端連接至該三角波電源11之負極；該第二電子開關43一端接地，另一端連接至該三角波電源11之負極。該第一電子開關41及第二電子開關43均電性連接至該偵測電路50。該第一電子開關41及第二電子開關43在該偵測電路50之控制下導通或截止，且該第一電子開關41及第二電子開關43之開關狀態相反，即當該第一電子開關41導通時，該第二電子開關43截止；當該第一電子開關41截止時，該第二電子開關43導通。如此，即可分別使得該三角波電源11之負極接地或者串聯至該D/A轉換器45。
在本較佳實施方式中，所述第一電子開關41為P溝道MOS-FET Q41，所述第二電子開關43為N溝道MOSFET Q43。Q41之柵極藉由上拉電阻R41連接至所述提供+5V電壓之供電電源，源極連接至該三角波電源11之負極，漏極連接至該D/A轉換器45。在本較佳實施方式中，所述D/A轉 換器45之輸出電壓可調節，即該D/A轉換器45在該偵測電路50之控制下，可以輸出不同電壓值之上拉電壓Vh。Q43之柵極藉由上拉電阻R41連接至所述提供+5V電壓之供電電源，源極接地，漏極連接至該三角波電源11之負極。可以理解，所述第一電子開關41也可以為PNP型三極管，其基極、發射極和集電極分別對應Q41之柵極、源極和漏極。所述第二電子開關43也可以為NPN型三極管，其基極、發射極和集電極分別對應Q43之柵極、源極和漏極。
在本較佳實施方式中，所述偵測電路50包括電性連接之電源管理晶片51及偵測電阻R51。該電源管理晶片51電性連接至Q41之柵極及Q43之柵極，且該電源管理晶片51電性連接至該D/A轉換器45。該偵測電阻R51串聯至該電壓轉換電路20及負載200之間，且該偵測電阻R51兩端電性連接至該電源管理晶片51。該電源管理晶片51內預存有參考電流值、多個電流變化區間及多個數位輸出值Vd，每一個電流變化區間對應一個數位輸出值Vd。所述D/A轉換器內預設有多個上拉電壓Vh，每一個上拉電壓Vh對應一個所述之數位輸出值Vd。當所述負載200之阻值有所變化時，該電源管理晶片51偵測該偵測電阻R51兩端之電壓以得出該偵測電阻R51兩端之電流值，並將該電流值與參考電流值相比較，當該偵測電阻R51兩端之電流值小於該參考電流值時，即得到一個電流差值，該電源管理晶片51即輸出該電流差值所在之電流變化區間對應之數位輸出值Vd至該D/A轉換器，該D/A轉換器即輸出與該數位輸出值Vd相對應之上拉電壓Vh；同時該電源管理晶片51輸 出切換訊號Vs至該第一電子開關41及第二電子開關43，以控制該第一電子開關41及第二電子開關43之導通或截止。
請參閱圖4，圖4所示為當該降壓轉換器100所接負載為標準值即該偵測電阻R51上流過之電流為參考值時之波形圖。此時，該電源管理晶片51輸出低電平之切換訊號Vs至Q41之柵極及Q43之柵極，使得Q41截止，Q43導通，該三角波電源11之負極經由Q43接地。此時，該三角波Vt之最低電位值為0V。
請參閱圖5，當所述負載由輕載切換為重載時，該偵測電阻R51上流過之電流相對於參考電流減小，該電源管理晶片51偵測該偵測電阻R51兩端之電壓以得出該偵測電阻R51兩端之電流值，並將該電流值與參考電流值相比較，並得到一個電流差值，該電源管理晶片51即輸出該電流差值所在之電流變化區間對應之數位輸出值Vd至該D/A轉換器，該D/A轉換器即輸出與該數位輸出值Vd相對應之上拉電壓Vh，在本較佳實施方式中，該上拉電壓Vh為0.5V。同時該電源管理晶片51輸出高電平之切換訊號Vs至Q41之柵極及Q43之柵極，使得Q41導通，該Q43截止，該三角波電源11與該D/A轉換器45提供之上拉電壓Vh串聯疊加，使得輸入至該比較器13之三角波Vt之最低電位值為0.5V，其與回饋電壓Vf經比較器13比較後，輸出之PWM訊號Vp之正脈衝時間相對於所述三角波Vt之最低電位值為0V時有所增加，即增加了該PWM訊號Vp之佔空比，由此提高了該電壓轉換電路20之輸出電壓Vout之大小，從而 阻止該輸出電壓Vout被重載拉得過低。
可以理解，所述上拉電源也可以為具有單一輸出電壓值之電壓源。例如，為0.5V電源，此時，該電源管理晶片51無需控制該0.5V電源之輸出，只要該電源管理晶片51控制Q41導通，Q43截止，該三角波電源11即與該0.5V電源串聯疊加，使得輸入至該比較器13之三角波Vt之最低電位值為0.5V。
相較於習知技術，所述之降壓轉換器100藉由設置所述偵測電路50來偵測該負載之變化，根據負載之變化來控制該調節電路40，當該負載由輕載轉換為重載時，該調節電路40即在習知三角波電源11之基礎上串接上拉電源，來增加該三角波Vt之最低電位元幅度，從而增加PWM訊號Vp之佔空比，最終升高了該輸出電壓Vout大小，有效防止了輸出電壓Vout被重載拉低而影響電路之穩定工作。
綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，在爰依本發明精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下之申請專利範圍內。
100‧‧‧降壓轉換器
1、10‧‧‧PWM控制器
4、11‧‧‧三角波電源
5、13‧‧‧比較器
2、20‧‧‧電壓轉換電路
3、30‧‧‧回饋電路
40‧‧‧調節電路
41‧‧‧第一電子開關
43‧‧‧第二電子開關
45‧‧‧D/A轉換器
L1‧‧‧電感
C1‧‧‧濾波電容
50‧‧‧偵測電路
51‧‧‧電源管理晶片
200‧‧‧負載
Q1、Q2、Q3、Q11、Q43‧‧‧N溝道MOSFET
Q41‧‧‧P溝道MOSFET
R1、R11‧‧‧電阻
R41‧‧‧上拉電阻
R51‧‧‧偵測電阻
V1、Vin‧‧‧輸入電壓
V2、Vout‧‧‧輸出電壓
Vf、V4‧‧‧回饋電壓
V3、Vt‧‧‧三角波
Vd‧‧‧數位輸出值
Vs‧‧‧切換訊號
Vp‧‧‧PWM訊號
Vh‧‧‧上拉電壓
圖1為已知降壓轉換器之簡易電路圖。
圖2為當圖1所示降壓轉換器所接負載為標準值時之PWM訊號波形圖。
圖3為本發明較佳實施方式之降壓轉換器之電路圖。
圖4為當圖3所示降壓轉換器所接負載為標準值時之PWM訊 號波形圖。
圖5為當圖3所示降壓轉換器所接負載為重載時之PWM訊號波形圖。
100‧‧‧降壓轉換器
10‧‧‧PWM控制器
11‧‧‧三角波電源
13‧‧‧比較器
20‧‧‧電壓轉換電路
30‧‧‧回饋電路
40‧‧‧調節電路
41‧‧‧第一電子開關
43‧‧‧第二電子開關
45‧‧‧D/A轉換器
50‧‧‧偵測電路
51‧‧‧電源管理晶片
200‧‧‧負載
Q11、Q43‧‧‧N溝道MOSFET
Q41‧‧‧P溝道MOSFET
R11‧‧‧電阻
R41‧‧‧上拉電阻
R51‧‧‧偵測電路
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vf‧‧‧回饋電壓
Vt‧‧‧三角波
Vd‧‧‧數位輸出值
Vs‧‧‧切換訊號
Vp‧‧‧PWM訊號
Vh‧‧‧上拉電壓

Claims (9)

  1. 一種降壓轉換器，用於將輸入電壓轉換成輸出電壓後提供至負載，所述降壓轉換器包括依次電性連接之脈衝寬度調變控制器、電壓轉換電路及回饋電路，所述脈衝寬度調變控制器包括三角波電源及比較器，該三角波電源之正極連接至該比較器之正相輸入端；該電壓轉換電路連接至輸入電壓，並輸出輸出電壓；所述回饋電路電性連接至該脈衝寬度調變控制器，回饋電路根據該輸出電壓產生回饋電壓輸入至該比較器之反向輸入端，該比較器之輸出端輸出脈衝寬度調變訊號，其改良在於，所述降壓轉換器還包括：調節電路，包括第一電子開關、第二電子開關及上拉電源，該第一電子開關一端連接至該上拉電源，另一端連接至該三角波電源之負極；該第二電子開關一端接地，另一端連接至該三角波電源之負極；以及偵測電路，電性連接至該第一電子開關及第二電子開關，當該偵測電路偵測到該降壓轉換器之輸出端電流值低於該偵測電路預設之參考電流值時，該偵測電路控制該第一電子開關導通，同時使該第二電子開關截止，該三角波電源藉由該第一電子開關串聯至該上拉電源以增加該脈衝寬度調變訊號之佔空比。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之降壓轉換器，其中所述偵測電路偵測電阻及電源管理晶片，該偵測電阻串接至該電壓轉換電路與負載之間，該電源管理晶片通過偵測該偵測電阻兩端之電壓變化來判斷該偵測電阻上流過之電流之變化，以藉由該電源管理晶片來控制第一電子開關及第二電子 開關之開關狀態，同時控制該上拉電源之輸出。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之降壓轉換器，其中該電源管理晶片內預存所述參考電流值、多個電流變化區間及多個數位輸出值，每一個電流變化區間對應一個數位輸出值；該上拉電源為D/A轉換器，所述D/A轉換器內預設有多個上拉電壓，每一個上拉電壓對應一個所述之數位輸出值，該電源管理晶片偵測該偵測電阻兩端之電流值，並將該電流值與參考電流值相比較，當該偵測電阻兩端之電流值小於該參考電流值時，即得到一個電流差值，該電源管理晶片即輸出該電流差值所在之電流變化區間對應之數位輸出值至該D/A轉換器，該D/A轉換器即輸出與該數位輸出值相對應之上拉電壓與所述三角波電源串聯。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之降壓轉換器，其中所述上拉電源為具有單一輸出電壓值之電壓源。
  5. 如申請專利範圍第1至4任一項所述之降壓轉換器，其中所述第一電子開關為P溝道金屬氧化層半導體場效電晶體，所述第二電子開關為金屬氧化層半導體場效電晶體。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之降壓轉換器，其中該P溝道金屬氧化層半導體場效電晶體之柵極連接至偵測電路，源極連接至該三角波電源之負極，漏極連接至該上拉電源；該N溝道金屬氧化層半導體場效電晶體之柵極連接至偵測電路，源極接地，漏極連接至該三角波電源之負極。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之降壓轉換器，其中該P溝道金屬氧化層半導體場效電晶體之柵極藉由上拉電阻連接至供電電源；該N溝道金屬氧化層半導體場效電晶體之柵極藉由所述上拉電阻連接至所述供電電源。
  8. 如申請專利範圍第1至4任一所述之降壓轉換器，其中所述第一電子開關為PNP型三極管，所述第二電子開關為NPN型三極管。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之降壓轉換器，其中該PNP型三極管之基極連接至偵測電路，發射極連接至該三角波電源之負極，集電極連接至該上拉電源；該NPN型三極管之基極連接至偵測電路，發射極接地，集電極連接至該三角波電源之負極。
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