TWI484743B - 以低壓驅動之升壓電路與相關方法 - Google Patents

Description

以低壓驅動之升壓電路與相關方法

本發明是有關於一種低壓驅動之升壓電路與相關方法，且特別是有關於一種設置疊接開關電晶體而可使用低電壓開關訊號控制的低壓驅動升壓電路與相關方法。

升壓電路用以將一較低的直流電壓升高為一較高的直流電壓，廣泛用於各種需要高電壓的應用。

請參照第1圖，其示意了一習知升壓電路10。升壓電路10設有一電感L0、一二極體D0、一電晶體M0與一電容C0，用以將較低的直流電壓Vi升壓為節點nd4的較高直流電壓Vo。電晶體M0為開關電晶體，其閘極受控於一開關訊號sw1，依據開關訊號sw1選擇性地在節點nd3與地端電壓GND之間導通。第1圖也示意了開關訊號sw1的波形時序，其橫軸為時間，縱軸為訊號的電壓大小。開關訊號sw1可以依照一週期T週期性地控制電晶體M0；在每一週期T內，開關訊號sw1在時段Ton中以電壓Vi0使電晶體M0導通，其餘時間則以地端電壓GND使電晶體M0關閉不導通。

當電晶體M0導通時，節點nd3被導通至地端電壓GND，電壓Vi會在電感L0中充入磁能。當開關訊號sw1使電晶體M0關閉而停止導通時，電感L0的磁能就能經由順向導通的二極體D0釋放至電容C0，以在節點nd4支持電壓Vo，使電壓Vo得以高於電壓Vi。時段Ton與週期T的比值(即所謂的工作週期，duty cycle)可控制電壓Vo與電壓Vi間的比值；時段Ton的時間長短越接近週期T，控制電壓Vo就越高。舉例而言，電壓Vi可以是12伏特；經由開關訊號sw1的工作週控制，電壓Vo可以為60伏特。

不過，當電晶體M0不導通時，節點nd3的電壓會是二極體D0的跨壓加上電壓Vo，使電晶體M0在節點nd3的汲極電壓將會超過電壓Vo；此時，由於電晶體M0的汲極電壓與閘極電壓均等於地端電壓GND，故電晶體M0的各極間需承受很大的電壓差異。因此，電晶體M0必須是一個具有高額定電壓(voltage rating)、能耐受高電壓的功率電晶體。然而，高額定電晶體M0要被驅動導通時，其臨限電壓也較高。為因應電晶體M0的較高臨限電壓，開關訊號sw1在時段Ton中也需要以較高的電壓Vi0才足以使電晶體M0導通。舉例而言，在電壓Vi與Vo分別為12與60伏特的應用中，電晶體M0的臨限電壓會是5伏特或更高。

升壓電路10會搭配一控制晶片14以控制電壓Vo的大小；控制晶片14會調整開關訊號sw1的工作週期(與頻率)，藉此控制電壓Vo。然而，由於開關訊號sw1所需的電壓Vi0已經超過控制晶片14能輸出的訊號電壓，故控制晶片14無法直接控制升壓電路10。在控制晶片14所能輸出的開關訊號sw0中，其訊號大小只能在電壓VH與GND間變化，但電壓VH未超越電晶體M0的臨限電壓，不足以使電晶體M0導通。

因此，習知升壓電路10還需搭配一位準位移器12。位準位移器12運作於電壓Vi0與地端電壓GND之間，設有電阻Rp1、Rp2與Rp3以及電晶體Q1、Q2與Q3，以將節點nd1的低電壓開關訊號sw0轉換為節點nd2的高電壓開關訊號sw1。經由位準位移器12的運作，開關訊號sw1才能用較高的電壓Vi0(高於電壓VH)來導通電晶體M0。舉例而言，為了在電壓Vo為60伏特的應用中具有足夠的額定，電晶體M0臨限電壓會增加至5伏特以上，但在控制晶片14輸出的開關訊號sw0中，電壓VH只有3伏特，不足以直接驅動電晶體M0。是故，習知技術需運用位準位移器12，以將開關訊號sw1的電壓Vi0提昇至12伏特。

因為習知升壓電路10需搭配位準位移器12，故第1圖習知升壓技術需使用較多的電路元件，佔用較大的電路面積，也增加升壓技術的成本。再者，較多的電路元件會因電阻電容延遲效應導致反應時間變慢；當開關訊號sw0輸入位準位移器12，於輸出端產生的開關訊號sw1的脈波上升緣和下降緣就會因此發生延遲，影響開關訊號sw1的響應速度，使其無法快速地在電壓Vi0與GND之間切換；連帶地，週期T無法縮短，開關訊號sw1的頻率也就無法提高。

在以電感搭配開關電晶體的升壓技術中，以高頻開關訊號驅動開關電晶體進行高頻切換能帶來許多優點；舉例而言，電感的尺寸可以縮減，電磁干擾(EMI)可以降低，能量運用的效率也能提昇。然而，第1圖習知升壓技術無法適用高頻切換。較佳的開關訊號頻率在百萬赫茲左右，但第1圖習知技術的開關訊號頻率只能達到數十千個赫茲。

再者，當電晶體M0在導通與關閉間切換時，節點nd3的電壓變化情形也不利於高頻切換。在電晶體M0的閘極與汲極間有寄生的電容Cgd，如第1圖所示。當電晶體M0導通時，在電容Cgd的兩端，節點nd2與nd3的電壓分別為電壓Vi0與電壓GND；當電晶體M0不導通時，節點nd2的電壓轉變為電壓GND，節點nd3的電壓則要轉變至超過電壓Vo。舉例而言，在Vo為60伏特的例子中，當電晶體M0由導通切換至關閉時，節點nd3的電壓要由地端電壓GND的0伏特升高至超過60伏特。也就是說，當電晶體M0切換時，節點nd2與nd3間的電壓差有劇烈的變化；開關訊號sw1需要耗費較長的時間對電容Cgd充放電才能達成此變化，進而達成驅動電晶體M0的切換。這也成為習知升壓技術無法高頻切換的原因之一。

本發明係有關於一種升壓電路與相關方法，以改善習知技術的缺點，實現電路精簡、可以高頻切換的升壓技術。

本發明的目的是提供一種以低壓驅動之升壓電路，設有一電感、一二極體、一電容、一第一開關與一第二開關。電感耦接於一第一電壓與一第一節點之間，二極體的陽極與陰極分別耦接第一節點與一第二節點。電容耦接第二節點。第一開關可以包括一第一電晶體，具有第一汲極、第一源極與第一閘極，分別耦接第一開關的一第一通道端、一第二通道端與一第一控制端。第一控制端耦接一開關訊號，第一開關依據開關訊號選擇性地在第一通道端與第二通道端間導通。第二開關可以包括一第二電晶體，具有第二汲極、第二源極與第二閘極，分別耦接第二開關的一第三通道端、一第四通道端與一第二控制端。第三通道端、第四通道端與第二控制端又分別耦接第一節點、第一通道端與一第二電壓。當第一開關於第一通道端與第二通道端間導通時，第二開關於第三通道端與第四通道端間導通；當第一開關停止於第一通道端與第二通道端間導通，第二開關停止於第三通道端與第四通道端間導通。

第二電壓可以是一直流電壓，且可以等於第一電壓。當第一閘極與第一源極間的跨壓大於一第一臨限電壓時，第一電晶體於第一汲極與第一源極間導通。當第二閘極與第二源極間的跨壓大於一第二臨限電壓時，第二電晶體於第二汲極與第二源極間導通。當第一開關停止於第一通道端與第二通道端間導通時，第二開關使第一通道端的電壓小於第二電壓。因此，第一電晶體可以是低額定、低臨限電壓的電晶體，亦即，第一臨限電壓可以小於第二臨限電壓。所以，第一電晶體可直接受控於控制晶片的低電壓開關訊號。

配合控制晶片，升壓電路中可增設一電壓偵測電路及/或一電流偵測電路。電壓偵測電路依據第二節點的電壓而於一分壓節點提供一電壓偵測訊號。舉例而言，電壓偵測電路中可設置一第一電阻與一第二電阻，第一電阻耦接於第二節點與分壓節點之間，第二電阻耦接於分壓節點與地端電壓之間。電流偵測電路耦接於第一開關，依據第二通道端的電流提供一電流偵測訊號；舉例而言，電流偵測電路可以設置一電阻，耦接於第二通道端與一地端電壓之間，使第二通道端的電流大小關聯於第二通道端的電壓，而第二通道端的電壓即可作為電流偵測訊號。電壓偵測訊號與電流偵測訊號可傳輸至控制晶片，讓控制晶片據以調整開關訊號的時序(如工作週期及/或頻率)，以回授控制升壓電路於第二節點的輸出電壓。

本發明的又一目的是提供一種以低壓控制/驅動一升壓電路的方法。升壓電路接收一第一電壓以提供一輸出電壓，並設有一第二電晶體，此第二電晶體具有一第二閘極與一第二源極。而該方法包括：提供一第一電晶體，其具有一第一閘極與一第一汲極，而第一汲極耦接第二源極；並且，以晶片提供一低壓開關訊號至第一閘極，以選擇性地導通第一電晶體；當開關訊號使第一電晶體與該第二電晶體不導通，致使輸出電壓高於第一電壓。再者，使第二閘極耦接至一第二電壓，第二電壓可以是一直流電壓，亦可以等於第一電壓。為進行回授控制，可以提供一電壓偵測電路，耦接升壓電路提供輸出電壓的第二節點，依據輸出電壓提供一電壓偵測訊號，並以晶片接收此電壓偵測訊號。以及/或者，提供一電流偵測電路，耦接第一電晶體，依據第一汲極的電流提供一電流偵測訊號，並以晶片接收電流偵測訊號。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

請參考第2圖，其所示意的係依據本發明一實施例的升壓電路20。升壓電路20汲取電壓Vi而於節點n2提供一輸出電壓Vo。升壓電路20設有一電感L、一二極體D、一電容C與兩開關22與24。

在升壓電路20中，電感L耦接於電壓Vi與節點n1之間。二極體D可以是一肖特基二極體(Schottky diode)，其陽極與陰極分別耦接節點n1與節點n2。電容C耦接於節點n2與地端電壓GND之間。開關22可用電晶體M1實現；電晶體M1可以是一n通道金氧半電晶體，其汲極、源極與閘極作為開關22的兩通道端與一控制端，分別耦接節點n3、n4與開關訊號sw，使開關22得以依據開關訊號sw而選擇性地在節點n3與n4間導通。另一開關24可用電晶體M2實現；電晶體M2可以是一n通道金氧半電晶體，其汲極、源極與閘極為開關24的兩通道端與一控制端，分別耦接節點n1、n3與一電壓Vi2。電壓Vi2可以是一直流電壓；在一實施例中，電壓Vi2可以等於電壓Vi。

在一實施例中，電晶體M1可以是一額定電壓較低、面積較小、臨限電壓較低的電晶體；電晶體M2可以是一額定電壓較高、臨限電壓較大的功率電晶體。由於電晶體M1的臨限電壓較低，可以直接用低電壓的開關訊號控制其導通。

升壓電路20的運作可描述如下。電晶體M1受控於開關訊號sw；當開關訊號sw使電晶體M1導通時，電晶體M1將節點n3導通至節點n4的地端電壓GND。對電晶體M2而言，其源極於節點n3的電壓被導通至地端電壓GND，但其閘極維持電壓Vi2，故其閘極與源極間跨壓足以超越電晶體M2的臨限電壓，使電晶體M2也隨電晶體M1一起導通，將節點n1導通至地端電壓GND。如此，電壓Vi就會在電感L中充入磁能。

當開關訊號sw使電晶體M1關閉不導通時，節點n3不再導通於地端電壓GND。電晶體M2會向節點n3充電，使節點n3的電壓上升；隨著節點n3的電壓上升，電晶體M2的閘極與源極間跨壓也會逐漸減少。當電晶體M2的閘極與源極間跨壓小於電晶體M2的臨限電壓，電晶體M2就會關閉而停止導通。如此，電感L中的磁能就能經由二極體D而釋放，以在節點n2支持電壓Vo，達成升壓的目的。

在一實施例中，電壓Vi與Vi2可以等於12伏特；配合開關訊號sw的工作週期設定，電壓Vo則可以高達60伏特。因此，電晶體M2可以是一高額定電壓的功率電晶體，足以承受節點n1的高電壓。對電晶體M2而言，當電晶體M1將節點n3導通至地端電壓GND時，電晶體M2的閘極電壓Vi2(如12伏特)足以超越電晶體M2的臨限電壓(例如是5伏特)，使電晶體M2能被順利導通。

再者，由於電晶體M1被疊接於電晶體M2的源極之下，電晶體M1在節點n3的汲極不必承受電壓Vo的高電壓。當電晶體M2與M1不導通時，節點n3的電壓會低於電壓Vi2(如12伏特)，故電晶體M1不需要是高額定的功率電晶體；電晶體M1可以是一個面積小、低額定的電晶體，故其臨限電壓也較低。因為電晶體M1的臨限電壓較低，故可直接用低電壓的開關訊號sw控制其導通。舉例而言，開關訊號sw可以是直接由控制晶片輸出的訊號；例如，開關訊號sw是在0伏特與3伏特間切換的訊號。如此，控制晶片就可以直接經由低壓驅動之電晶體M1與高壓驅動之電晶體M2組合控制升壓的運作，不需經由位準位移器等電路才能控制升壓電路的運作。

由於本發明升壓技術可以不再需要位準位移器，故可施用高頻切換，讓升壓電路20得以體現高頻切換的各種優點。再者，本發明升壓電路的電路架構設計也有助於高頻切換的實現。當電晶體M1由導通切換為關閉時，其在節點n3的汲極電壓不會高於電壓Vi2(如12伏特)，遠小於電壓Vo(如60伏特)。也就是說，當電晶體M1在導通與關閉間切換時，其汲極電壓的變化不大。因此，對電晶體M1而言，其閘極汲極寄生電容上的米勒效應(Miller effect)會減輕；開關訊號sw可以快速地對電晶體M1的閘極汲極寄生電容完成必要的充放電，讓電晶體M1可以快速地在導通與關閉之間切換，進而實現高頻切換的升壓。

請參考第3圖，其係依據本發明另一實施例的升壓電路30。升壓電路30可直接受控於一晶片36；晶片36可以是一控制晶片或驅動晶片。類似第2圖升壓電路20，升壓電路30設有電感L、二極體D、電容C以及作為開關的電晶體M1與M2，以汲取電壓Vi而提供輸出的電壓Vo；升壓電路30的升壓運作可由升壓電路20的原理類推而得，於此不再贅述。

如第3圖所示，升壓電路30直接受控於晶片36所輸出的開關訊號sw。為配合晶片36對升壓運作的控制，升壓電路30可設置一電壓偵測電路32及一電流偵測電路34。電壓偵測電路32依據電壓Vo而提供一電壓偵測訊號，以反應電壓Vo的大小。在第3圖的實施例中，電壓偵測電路32設有兩電阻R1、R2與一電容Cc；電阻R1耦接於節點n2與n5之間，電阻R2耦接於節點n5與地端電壓GND之間，電容Cc亦耦接於節點n5與地端電壓GND之間。電阻R1與R2間的節點n5可視為一分壓節點，兩者對電壓Vo分壓，而節點n5的電壓Vn5就可以作為一電壓偵測訊號，以反應電壓Vo的電壓大小。電壓Vn5可以傳輸至晶片36，以作為回授控制的依據；電容Cc則用以維持回授系統之穩定度。

電流偵測電路34耦接於電晶體M1，依據電晶體M1的電流提供一電流偵測訊號。在第3圖的實施例中，電流偵測電路34中設有一電阻R3，耦接於節點n4與地端電壓GND之間，使電晶體M1的電流大小關聯於節點n4的電壓Vn4，而電壓Vn4即可作為電流偵測訊號。電壓Vn4亦可傳輸至晶片36，作為回授控制的另一個依據。

依據電壓Vn5與Vn4的電壓偵測訊號與電流偵測訊號，晶片36可據以調整開關訊號sw的時序(如工作週及/或頻率)，藉此回授控制升壓電路30的升壓運作(如電壓Vo的大小)。

總結來說，相較於習知升壓電路與升壓技術，本發明升壓電路採用二重開關電晶體疊接的架構，故本發明升壓電路可直接受控於晶片的開關訊號，不僅能節省升壓運作的成本與電路面積，還能提高升壓開關頻率，實現高頻切換。本發明升壓技術適用於各種需要高電壓的應用，例如說是用來驅動顯示面板的發光二極體串(LED string)。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。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。

10、20、30．．．升壓電路

12．．．位準位移器

14、36．．．晶片

22、24．．．開關

32．．．電壓偵測電路

34．．．電流偵測電路

Vi0、Vi、Vi2、Vo、VH、GND、Vn4、Vn5．．．電壓

nd1-nd4、n1-n5．．．節點

Q1-Q3、M0-M2．．．電晶體

D0、D．．．二極體

C0、C、Cc、Cgd．．．電容

L0、L．．．電感

Rp1-Rp3、R1-R3．．．電阻

sw0-sw1、sw．．．開關訊號

Ton．．．時段

T．．．週期

第1圖繪示一習知升壓電路。

第2圖係依據本發明一實施例的升壓電路。

第3圖係依據本發明另一實施例的升壓電路。

20．．．升壓電路

22、24．．．開關

Vi、Vi2、Vo、GND．．．電壓

n1-n4．．．節點

M1-M2．．．電晶體

D．．．二極體

C．．．電容

L．．．電感

sw．．．開關訊號

Claims (14)

1. 一種以低壓驅動之升壓電路，包含：一電感，耦接於一第一電壓與一第一節點之間；一二極體，具有一陽極與一陰極，該陽極耦接該第一節點，該陰極耦接一第二節點；一電容，耦接該第二節點；一第一開關，具有一第一通道端、一第二通道端與一第一控制端；該第一控制端耦接一開關訊號，該第一開關依據該開關訊號選擇性地在該第一通道端與該第二通道端間導通；一第二開關，具有一第三通道端、一第四通道端與一第二控制端，分別耦接該第一節點、該第一通道端與一第二電壓，其中，當該第一開關於該第一通道端與該第二通道端間導通時，該第二開關於該第三通道端與該第四通道端間導通；當該第一開關停止於該第一通道端與該第二通道端間導通，該第二開關停止於該第三通道端與該第四通道端間導通；其中，該第一開關的臨限電壓與額定電壓小於該第二開關；並且當該第一開關停止於該第一通道端與該第二通道端間導通時，該第二開關使該第一通道端的電壓小於該第二電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述的升壓電路，其中該第二電壓係一直流電壓。
3. 如申請專利範圍第1項所述的升壓電路，其中該第二電壓等於該第一電壓。
4. 如申請專利範圍第1項所述的升壓電路，其中該第一開關包含一第一電晶體，具有一第一汲極、一第一源極與一第一閘極，分別耦接該第一通道端、該第二通道端與該第一控制端；當該第一閘極與該第一源極間的跨壓大於該第一開關臨限電壓時，該第一電晶體於該第一汲極與該第一源極間導通；該第二開關包含一第二電晶體，該第二電晶體具有一第二汲極、一第二源極與一第二閘極，分別耦接該第三通道端、該第四通道端與該第二控制端；當該第二閘極與該第二源極間的跨壓大於該第二開關臨限電壓時，該第二電晶體於該第二汲極與該第二源極間導通。
5. 如申請專利範圍第1項所述的升壓電路，更包含：一電壓偵測電路，依據該第二節點的電壓而於一分壓節點提供一電壓偵測訊號。
6. 如申請專利範圍第5項所述的升壓電路，其中該電壓偵測電路包含一第一電阻與一第二電阻，該第一電阻耦接於該第二節點與該分壓節點之間，該第二電阻耦接於該分壓節點與一地端電壓之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述的升壓電路，更包含：一電流偵測電路，耦接於該第一開關，依據該第二通道端的電流提供一電流偵測訊號。
8. 如申請專利範圍第7項所述的升壓電路，其中該電流偵測電路包含一電阻，耦接於該第二通道端與一地端電壓之間。
9. 一種以低壓驅動一升壓電路的方法，該升壓電路接收一第一電壓以提供一輸出電壓，並包含有一第二電晶體，該第二電晶體具有一第二閘極與一第二源極；而該方法包含：使該第二閘極耦接至一第二電壓；提供一第一電晶體，具有一第一閘極與一第一汲極，該第一汲極耦接該第二源極；以及提供一低壓開關訊號至該第一閘極，以選擇性地導通該第一電晶體，當該低壓開關訊號使第一電晶體與該第二電晶體不導通，致使該輸出電壓高於該第一電壓，並使該第一汲極的電壓小於第二電壓；其中，該第一電晶體的臨限電壓與額定電壓小於該第二電晶體。
10. 如申請專利範圍第9項所述的方法，其中該低壓開關訊號係由一晶片所提供。
11. 如申請專利範圍第9項所述的方法，其中該第二電壓等於該第一電壓。
12. 如申請專利範圍第9項所述的方法，其中該第二電壓係一直流電壓。
13. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中該升壓電路係於一第二節點提供該輸出電壓，而該方法更包含：提供一電壓偵測電路，耦接該第二節點，依據該輸出電壓提供一電壓偵測訊號；以及以該晶片接收該電壓偵測訊號。
14. 如申請專利範圍第10項所述的方法，更包含：提供一電流偵測電路，耦接於該第一電晶體，依據該第一汲極的電流提供一電流偵測訊號；以及以該晶片接收該電流偵測訊號。