TWI656721B - 單電感雙極性輸出升壓轉換器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

在單電感雙極性輸出升壓轉換器內，一電感電流從一輸入流經一電感與一第一開關而流向接地端，以充電該電感。釋放該電感所儲能的能量，該電感電流從該電感流經一第二開關與一第一電容而流向接地端，以充電該第一電容，且在該第一電容上產生一第一正輸出。該電感由該輸入所充電，且該電感電流從該電感流經兩個第三開關，以流至一第三電容，以對該第三電容充電，且在該第三電容上產生一第二正輸出。該第三電容透過兩個第四開關放電，以充電一第二電容，以在該第二電容上產生一負輸出。產生該第二正輸出的時序不重疊於產生該負輸出的時序。

Description

單電感雙極性輸出升壓轉換器及其操作方法
本發明是有關於一種單電感雙極性輸出升壓轉換器(SIBO (Single Inductor Bipolar Output) boost converter)及其操作方法。
行動系統與顯示器需要有效的長時間電池使用。此外，顯示品質是重要性能特徵之一，但即便在重負載電流變動、大電壓降轉態與直流-直流轉換器的切換雜訊中，顯示品質仍不能被犧牲。
主動式矩陣OLED(active matrix OLED，AMOLED)顯示在行動顯示應用中愈來愈普遍，因為主動式矩陣OLED的優點在於，高顯示品質、低功率消耗與低材質成本。主動式矩陣OLED面板通常需要具有不同電壓的正極性與負極性電源供應，其有關於各顯示面板的負載。不同面板可能具有不同輸出電流與電壓的需求，通常取決於面板尺寸、畫素數量、顯示品質、製程等。
第1圖顯示習知的單電感AMOLED電源供應器，其為兩級SIBO轉換器。如第1圖所示，習知兩級SIBO轉換器100包括：同步升壓電路(synchronous boost circuit)120，電荷泵(charge pump)140，電感L11與電容C11-C15。電容C11-C13是去耦合電容。電容C14-C15是飛馳電容(fly capacitor)。習知兩級SIBO轉換器100產生正輸出Vop與正電流Iop以驅動負載160，並產生負輸出Von與負電流Ion以驅動負載180。輸入端提供輸入電壓Vin與輸入電流Iin。
同步升壓電路120用以將輸入電壓Vin升壓以產生正輸出Vop。
電荷泵140用以從正輸出Vop產生負輸出Von。電荷泵140可有4段(step)，-1x、-0.66x、-0.5x與-0.33x。利用飛馳電容C14，電荷泵140可實現-1x，亦即Von=Vop*(-1)。利用飛馳電容C14與C15，電荷泵140可實現-0.66x、-0.5x與-0.33x，亦即Von=Vop*(-0.66)或Von=Vop*(-0.5)或Von=Vop*(-0.33)。
由第1圖可看出，正輸出Vop與負輸出Von的產生是獨立控制的。
第2圖顯示兩級SIBO轉換器100的變壓效率圖。變壓效率定義如下：
Efficiency=
如第2圖所示，當Vop等於4.6(V)時，習知兩級SIBO轉換器100在Von=Vop*(-0.5)=4.6*(-0.5)=-2.3(V)或者Von=Vop*(-0.33)=4.6*(-0.33)=-1.51(V)時有最佳變壓效率。然而，當Von不等於-2.3(V)或者-1.51(V)時，習知兩級SIBO轉換器100的變壓效率不佳。
因而，需要改善習知兩級SIBO轉換器的變壓效率。
根據本案一實施例，提出一種單電感雙極性輸出升壓轉換器，包括：一控制器；一電感，耦合至一輸入與該控制器；複數個開關，耦合至該電感與該控制器；以及複數個電容，耦合至該些開關。在一第一時相，一電感電流從該輸入流經該電感與該些開關的一第一開關而流向接地端，以充電該電感。在一第二時相與一第三時相中之一時相，該電感將所儲能的能量放電，且該電感電流從該電感流經該些開關之一第二開關與該些電容之一第一電容而流向接地端，以充電該些電容之該第一電容，且在該第一電容上產生一第一正輸出。在該第二與該第三時相之另一時相，該電感由該輸入所充電，且該電感電流從該電感流經該些開關之兩個第三開關，以流至該些電容之一第三電容，以對該第三電容充電，且在該第三電容上產生一第二正輸出。在該第一時相，及/或該第二時相與該第三時相中之該一時相，該第三電容透過該些開關之兩個第四開關放電，以充電該些電容之一第二電容，以在該第二電容上產生一負輸出。產生該第二正輸出的時序不重疊於產生該負輸出的時序，該第一正輸出與該負輸出回授至該控制器，且該控制器根據該第一正輸出與該負輸出而控制該些開關。
根據本案另一實施例，提出一種單電感雙極性輸出升壓轉換器的操作方法。該單電感雙極性輸出升壓轉換器包括一電感，複數個開關與複數個電容。該操作方法包括：在一第一時相，一電感電流從該輸入流經該電感與該些開關的一第一開關而流向接地端，以充電該電感；在一第二時相與一第三時相中之一時相，釋放該電感所儲能的能量，該電感電流從該電感流經該些開關之一第二開關與該些電容之一第一電容而流向接地端，以充電該些電容之該第一電容，且在該第一電容上產生一第一正輸出；在該第二與該第三時相之另一時相，該電感由該輸入所充電，且該電感電流從該電感流經該些開關之兩個第三開關，以流至該些電容之一第三電容，以對該第三電容充電，且在該第三電容上產生一第二正輸出；以及在該第一時相，及/或該第二時相與該第三時相中之該一時相，該第三電容透過該些開關之兩個第四開關放電，以充電該些電容之一第二電容，以在該第二電容上產生一負輸出。產生該第二正輸出的時序不重疊於產生該負輸出的時序，該第一正輸出與該負輸出回授以控制該些開關。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
本說明書的技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。本揭露之各個實施例分別具有一或多個技術特徵。在可能實施的前提下，本技術領域具有通常知識者可選擇性地實施任一實施例中部分或全部的技術特徵，或者選擇性地將這些實施例中部分或全部的技術特徵加以組合。
第3圖顯示根據本案一實施例的單電感雙極性輸出(SIBO，Single Inductor Bipolar Output)升壓轉換器300的電路圖。SIBO升壓轉換器300是單電感雙極性輸出升壓功率級。SIBO升壓轉換器300包括：SIBO升壓控制器(SIBO boost controller)310、電感L31、開關SW1、SW2、SW31、SW32、SW41與SW42，以及電容C31、C32、C33與C34。電容C31、C32與C34是去耦合電容，而電容C33是飛馳電容(fly capacitor)。
根據第一正輸出Vop與負輸出Von，SIBO升壓控制器310產生控制信號S1、S2、S3與S4。開關SW1由控制信號S1所控制。開關SW2由控制信號S2所控制。開關SW31與SW32由控制信號S3所控制。開關SW41與SW42由控制信號S4所控制。SIBO升壓控制器310的架構在此不限定之。
電感L31耦合於輸入Vin與節點302之間。開關SW1耦合於節點302與接地端GND之間。開關SW2耦合於節點302與電容C31的第一端之間。開關SW31耦合於節點302與電容C33的第一端之間。開關SW32耦合於輸入Vin與電容C33的第二端之間。開關SW41耦合於接地端GND與電容C33的第一端之間。開關SW42耦合於電容C33的第二端與電容C32的第二端之間。電容C34耦合於輸入Vin與接地端GND之間。電容C31耦合於開關SW2與接地端GND之間。電容C32耦合於接地端GND與開關SW42之間。電容C33耦合於開關SW41與開關SW42之間。
第一正輸出Vop，高於0V，係產生於電容C31之上。第一正輸出Vop 可用正電流Iop來驅動負載360。第二正輸出Vcp，也高於0V，係產生於電容C33之上。負輸出Von，低於0V，係產生於電容C32之上。負輸出Von 可用負電流Ion來驅動負載380。產生輸出Vop、Vcp與Von的細節如下。
第4A圖至第4C圖顯示第3圖的SIBO升壓轉換器300的3個時相。第5圖顯示第3圖的SIBO升壓轉換器的多個信號的時序圖。
參照第4A圖與第5圖。在第一時相P1中，開關SW1導通，而開關SW2、SW31與SW32關閉。因而，電感電流IL從輸入Vin流經電感L31與開關SW1而流向接地端GND，以充電電感L31。
參照第4B圖與第5圖。在切換至第二時相P2後，開關SW1關閉，開關SW2導通，開關SW31與SW32關閉。因而，電感L31將所儲能的能量放電，且電感電流IL從電感L31流經開關S2與電容C31而流向接地端GND。因此，充電電容C31，且在電容C31上產生第一正輸出Vop。
參照第4C圖與第5圖。在切換至第三時相P3後，開關SW1關閉，開關SW2關閉，開關SW31與SW32導通。因而，形成閉迴路。電感L31由輸入Vin所充電，且電感電流IL從電感L31流至電容C33。因此，對電容C33充電，且在電容C33上產生第二正輸出Vcp。在第三時相P3中，透過回授控制，對第二正輸出Vcp升壓，直到所需的電壓值。例如，如果輸入Vin是+3.7V，第一正輸出Vop的所需值是+4.6V，負輸出Von的所需值是-2.4V，則第二正輸出Vcp將為+3.7V-(-2.4V)+dV=+6.1V+dV，其中，dV代表開關SW41與SW42的切換與導通損失，且在底下描述中，為方便起見，將dV忽略不計。
現將說明如何產生負輸出Vcp。在本案實施例中，只有當開關SW31與SW32為關閉時，才允許開關SW41與SW42為導通。當開關SW41與SW42為導通時，電容C33為放電而電容C32為充電。因為第二正輸出Vcp為+6.1V，且輸入Vin是+3.7V，則在第三時相P3時，電容C33的跨壓是6.1V-3.7V=2.4V。當開關SW41與SW42為導通一段時間時，電容C33的跨壓與電容C32的跨壓將會相同。因此，負輸出Von將產生於電容C32上，負輸出Von的值為0-2.4V=-2.4V(因為電容C32的一端接地，且電容C32的跨壓為2.4V)。因此，如第5圖所示，在第一時相P1及/或第二時相P2下，負輸出Von將產生於電容C32上。然而，在第三時相P3，因為開關SW31與SW32為導通，不允許將開關SW41與SW42導通。如果開關SW31、SW32、SW41與SW42在同時間全部導通，則發生短路。因此，在本案實施例中，產生第二正輸出Vcp的時序不重疊於產生負輸出Von的時序。
如第5圖所示，SIBO升壓轉換器300具有兩種操作模式：連續導通模式(continuous conduction mode，CCM)與非連續導通模式(discontinuous conduction mode，DCM)。
在CCM模式下，電感L31的電感電流IL是連續的。在重負載下，利用正確的回授控制，SIBO升壓轉換器300進入CCM模式。
相反地，在輕負載下，利用正確的回授控制，SIBO升壓轉換器300進入DCM模式。在輕負載下，電感電流IL的平均電流較小，且可能放電至0。當電感電流IL的平均電流接近0時，開關SW31與SW32將被關閉，電感L31未被充電也未被放電，直到下一個時脈周期CLK。
在本案其他可能實施例中，產生第一正輸出Vop與產生第二正輸出Vcp的時序順序可以不同於第4A圖至第4C圖所示。亦即，在本案其他可能實施例的SIBO升壓轉換器可以在第二時相產生第二正輸出Vcp，而在第三時相產生第一正輸出Vop(但是電感L31在第一時相充電，且當開關SW31與SW32關閉時，產生負輸出Von)。此亦在本案精神範圍內。
簡言之，本案實施例的SIBO升壓轉換器300中，透過一個電感、複數個電容與複數個開關，可以產生兩個輸出電壓(正輸出Vop與負輸出Von)。
如第6圖所示，本案實施例的SIBO升壓轉換器具有平滑且高變壓效率(幾乎介於80%-85%之間)，相較於習知兩級SIBO轉換器100的變壓效率 (介於40%-85%之間)。因而，本案實施例的SIBO升壓轉換器變壓效率獲得改良。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，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。
100‧‧‧兩級SIBO轉換器
120‧‧‧同步升壓電路
140‧‧‧電荷泵
L11‧‧‧電感
C11-C15‧‧‧電容
Vop‧‧‧正輸出
Iop‧‧‧正電流
160，180‧‧‧負載
Von‧‧‧負輸出
Ion‧‧‧負電流
Vin‧‧‧輸入電壓
Iin‧‧‧輸入電流
300‧‧‧SIBO升壓轉換器
310‧‧‧SIBO升壓控制器
L31‧‧‧電感
SW1、SW2、SW31、SW32、SW41與SW42‧‧‧開關
C31、C32、C33與C34‧‧‧電容
360，380‧‧‧負載
S1、S2、S3與S4‧‧‧控制信號
IL‧‧‧電感電流
302‧‧‧節點
Vcp‧‧‧第二正輸出
P1、P2、P3‧‧‧時相
CLK‧‧‧時脈周期
CCM‧‧‧連續導通模式
DCM‧‧‧非連續導通模式
第1圖(習知技術)顯示習知的兩級SIBO轉換器。 第2圖(習知技術)顯示第1圖的習知兩級SIBO轉換器的變壓效率圖。 第3圖顯示根據本案一實施例的SIBO升壓轉換器300的電路圖。 第4A圖至第4C圖顯示第3圖的SIBO升壓轉換器300的3個時相。 第5圖顯示第3圖的SIBO升壓轉換器的多個信號的時序圖。 第6圖顯示本案實施例與習知兩級SIBO轉換器的變壓效率比較圖。

Claims (14)

  1. 一種單電感雙極性輸出升壓轉換器，包括： 一控制器； 一電感，耦合至一輸入與該控制器； 複數個開關，耦合至該電感與該控制器；以及 複數個電容，耦合至該些開關， 其中， 在一第一時相，一電感電流從該輸入流經該電感與該些開關的一第一開關而流向接地端，以充電該電感； 在一第二時相與一第三時相中之一時相，該電感將所儲能的能量放電，且該電感電流從該電感流經該些開關之一第二開關與該些電容之一第一電容而流向接地端，以充電該些電容之該第一電容，且在該第一電容上產生一第一正輸出； 在該第二與該第三時相之另一時相，該電感由該輸入所充電，且該電感電流從該電感流經該些開關之兩個第三開關，以流至該些電容之一第三電容，以對該第三電容充電，且在該第三電容上產生一第二正輸出； 在該第一時相，及/或該第二時相與該第三時相中之該一時相，該第三電容透過該些開關之兩個第四開關放電，以充電該些電容之一第二電容，以在該第二電容上產生一負輸出；以及 產生該第二正輸出的時序不重疊於產生該負輸出的時序，該第一正輸出與該負輸出回授至該控制器，且該控制器根據該第一正輸出與該負輸出而控制該些開關。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之單電感雙極性輸出升壓轉換器，其中， 該第一正輸出高於0V； 該第二正輸出高於0V；以及 該負輸出低於0V。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之單電感雙極性輸出升壓轉換器，其中， 該電感耦合於該輸入與一節點之間； 該第一開關耦合於該節點與接地端之間； 該第二開關耦合於該節點與該第一電容的一第一端之間； 該兩個第三開關之一開關耦合於該節點與該第三電容的一第一端之間，該兩個第三開關之另一開關耦合於該輸入與該第三電容的一第二端之間； 該兩個第四開關之一開關耦合於接地端與該第三電容的該第一端之間，該兩個第四開關之另一開關耦合於該第三電容的該第二端與該第二電容的該第二端之間； 該第一電容耦合於該第二開關與接地端之間，且該第一正輸出產生於該第二開關與該第一電容間的一連接節點之上； 該第二電容耦合於接地端與該兩個第四開關之該另一開關之間，且該負輸出產生於該第二電容與該兩個第四開關之該另一開關間的一連接節點之上；以及 該第三電容耦合於該兩個第四開關之間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之單電感雙極性輸出升壓轉換器，其中， 在該第一時相，該第一開關導通，該第二開關與該兩個第三開關關閉，以充電該電感。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之單電感雙極性輸出升壓轉換器，其中， 在該第二時相與該第三時相中之該一時相，該第一開關關閉，該第二開關導通，該兩個第三開關關閉，以在該第一電容上產生該第一正輸出。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之單電感雙極性輸出升壓轉換器，其中， 在該第二與該第三時相之該另一時相，該第一開關關閉，該第二關閉，且該兩個第三開關導通，以在該第三電容上產生該第二正輸出。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之單電感雙極性輸出升壓轉換器，其中， 在該第一時相，及/或該第二時相與該第三時相中之該一時相，該兩個第三開關關閉而該兩個第四開關導通，因而，該第三電容上的一跨壓相同於該第二電容上的一跨壓，以產生該負輸出於該第二電容上。
  8. 一種單電感雙極性輸出升壓轉換器的操作方法，該單電感雙極性輸出升壓轉換器包括一電感，複數個開關與複數個電容，該操作方法包括： 在一第一時相，一電感電流從該輸入流經該電感與該些開關的一第一開關而流向接地端，以充電該電感； 在一第二時相與一第三時相中之一時相，釋放該電感所儲能的能量，該電感電流從該電感流經該些開關之一第二開關與該些電容之一第一電容而流向接地端，以充電該些電容之該第一電容，且在該第一電容上產生一第一正輸出； 在該第二與該第三時相之另一時相，該電感由該輸入所充電，且該電感電流從該電感流經該些開關之兩個第三開關，以流至該些電容之一第三電容，以對該第三電容充電，且在該第三電容上產生一第二正輸出；以及 在該第一時相，及/或該第二時相與該第三時相中之該一時相，該第三電容透過該些開關之兩個第四開關放電，以充電該些電容之一第二電容，以在該第二電容上產生一負輸出； 其中，產生該第二正輸出的時序不重疊於產生該負輸出的時序，該第一正輸出與該負輸出回授以控制該些開關。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之操作方法，其中， 該第一正輸出高於0V； 該第二正輸出高於0V；以及 該負輸出低於0V。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之操作方法，其中， 該電感耦合於該輸入與一節點之間； 該第一開關耦合於該節點與接地端之間； 該第二開關耦合於該節點與該第一電容的一第一端之間； 該兩個第三開關之一開關耦合於該節點與該第三電容的一第一端之間，該兩個第三開關之另一開關耦合於該輸入與該第三電容的一第二端之間； 該兩個第四開關之一開關耦合於接地端與該第三電容的該第一端之間，該兩個第四開關之另一開關耦合於該第三電容的該第二端與該第二電容的該第二端之間； 該第一電容耦合於該第二開關與接地端之間，且該第一正輸出產生於該第二開關與該第一電容間的一連接節點之上； 該第二電容耦合於接地端與該兩個第四開關之該另一開關之間，且該負輸出產生於該第二電容與該兩個第四開關之該另一開關間的一連接節點之上；以及 該第三電容耦合於該兩個第四開關之間。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之操作方法，其中， 在該第一時相，該第一開關導通，該第二開關與該兩個第三開關關閉，以充電該電感。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之操作方法，其中， 在該第二時相與該第三時相中之該一時相，該第一開關關閉，該第二開關導通，該兩個第三開關關閉，以在該第一電容上產生該第一正輸出。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之操作方法，其中， 在該第二與該第三時相之該另一時相，該第一開關關閉，該第二關閉，且該兩個第三開關導通，以在該第三電容上產生該第二正輸出。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之操作方法，其中， 在該第一時相，及/或該第二時相與該第三時相中之該一時相，該兩個第三開關關閉而該兩個第四開關導通，因而，該第三電容上的一跨壓相同於該第二電容上的一跨壓，以產生該負輸出於該第二電容上。
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