TWI756891B - 降壓-升壓變換器 - Google Patents

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Abstract

一種降壓-升壓變換器，包括電感器、第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體、第四電晶體、電壓偵測電路及電壓控制電路。第一電晶體耦接電感器的第一端且接收第一控制信號。第二電晶體耦接電感器的第一端且接收第二控制信號。第三電晶體耦接電感器的第二端且接收第三控制信號。第四電晶體耦接電感器的第二端且接收第四控制信號電壓。偵測電路偵測第三控制信號以選擇性地提供壓降指示信號。當電壓變換模式為降壓模式時，電壓控制電路反應於壓降指示信號切換第三控制信號的導通狀態。

Description

降壓-升壓變換器
本發明是有關於一種直流-直流轉換器，且特別是有關於一種降壓-升壓變換器。
隨著可攜式電子裝置的遍及，由於直流-直流轉換器不需作交流轉換，具有較高的轉換效率，於是被大量應用於使用電池作為主要電源的可攜式電子裝置中。直流-直流轉換器大致可分為降壓變換器、升壓變換器及降壓-升壓變換器。在降壓-升壓變換器中，當操作於降壓模式時，升壓側的上側開關需保持足夠的電性導通，以致於傳統的升壓側的上側開關及下側開關會以固定頻率的方式交替導通。但是，切換的頻率太快會造成消耗的能量太多，導致效率變差，並且切換的頻率太慢可能會有開關擊穿（shoot through）的風險，甚至造成輸出電源不穩定的情況發生。
本發明提供一種降壓-升壓變換器，可提高電晶體的切換效率。
本發明的降壓-升壓變換器，包括電感器、第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體、第四電晶體、電壓偵測電路及電壓控制電路。電感器具有第一端及第二端。第一電晶體具有接收輸入電壓的汲極端、耦接電感器的第一端的源極端、以及接收第一控制信號的閘極端。第二電晶體具有耦接電感器的第一端的汲極端、接收接地電壓的源極端、以及接收第二控制信號的閘極端。第三電晶體具有提供輸出電壓的汲極端、耦接電感器的第二端的源極端、以及接收第三控制信號的一閘極端。第四電晶體具有耦接電感器的第二端的汲極端、接收接地電壓的源極端、以及接收第四控制信號的閘極端。電壓偵測電路耦接於第三電晶體之閘極端，用以接收第三控制信號以偵測第三控制信號的電壓準位，並且基於第三控制信號的偵測結果選擇性地提供壓降指示信號。電壓控制電路耦接於第一電晶體之閘極端、第二電晶體之閘極端、第三電晶體之閘極端及第四電晶體之閘極端，用以當降壓-升壓變換器操作於降壓模式時，電壓控制電路反應於壓降指示信號決定第三控制信號的電壓準位由當前準位切換至截止準位。
基於上述，本發明實施例的降壓-升壓變換器，會偵測第三控制信號的電壓準位，以反應於第三控制信號的電壓下降切換第三電晶體及第四電晶體的導通，進而提高降壓-升壓變換器的操作效率。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1為依據本發明一實施例的降壓-升壓變換器的示意圖。請參照圖1，在本實施例中，降壓-升壓變換器100包括電感器L1、第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、第三電晶體Q3、第四電晶體Q4、電壓控制電路110、電壓偵測電路120、第一電容C1、第二電容C2及電阻R1-R4。
第一電晶體Q1具有接收輸入電壓VIN的汲極端、耦接電感器L1的第一端a的源極端、以及接收第一控制信號UGATE1的閘極端。第二電晶體Q2具有耦接電感器L1的第一端a的汲極端、接收接地電壓AGND的源極端、以及接收第二控制信號LGATE1的閘極端。
第三電晶體Q3具有提供輸出電壓VOUT的汲極端、耦接電感器L1的第二端b的源極端、以及接收第三控制信號UGATE2的閘極端。第四電晶體Q4具有耦接電感器L1的第二端b的汲極端、接收接地電壓AGND的源極端、以及接收第四控制信號LGATE2的閘極端。第一電容C1耦接於輸入電壓VIN與接地電壓AGND之間。第二電容C2耦接於輸出電壓VOUT與接地電壓AGND之間。
電壓控制電路110分別透過電阻R1-R4耦接至第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、第三電晶體Q3及第四電晶體Q4的閘極端，並且基於降壓-升壓變換器100的電壓變換模式提供第一控制信號UGATE1、第二控制信號LGATE1、第三控制信號UGATE2及第四控制信號LGATE2至第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、第三電晶體Q3及第四電晶體Q4的閘極端。
進一步來說，當輸出電壓VOUT的目標電壓大於輸出電壓VOUT的當前電壓時，降壓-升壓變換器100可以操作於升壓模式；當輸出電壓VOUT的目標電壓小於輸出電壓VOUT的當前電壓時，降壓-升壓變換器100可以操作於降壓模式。
電壓偵測電路120接收第三控制信號UGATE2，以偵測第三控制信號UGATE2的電壓準位，並且基於第三控制信號UGATE2的偵測結果選擇性發送壓降指示信號SVD。當降壓-升壓變換器100的電壓變換模式為降壓模式時，電壓控制電路110會反應於壓降指示信號SVD而決定第三控制信號UGATE2由導通準位切換至截止準位的切換時間點，亦即決定第三電晶體Q3由導通切換為截止的時間點。
進一步來說，當降壓-升壓變換器100操作於降壓模式且反應第三控制信號UGATE2的電壓準位過低（亦即能量不足）的壓降指示信號SVD被發送時，電壓控制電路110會在接收到壓降指示信號SVD時將第三控制信號UGATE2由導通準位切換至截止準位，同時電壓控制電路110將第四控制信號LGATE2由截止準位切換至導通準位，以重置第三電晶體Q3的閘極端的狀態。藉此，透過偵測第三電晶體Q3的控制信號的電壓準位，以反應於第三電晶體Q3的控制信號的電壓下降程度決定切換第三電晶體Q3及第四電晶體Q4的導通的時間點，進而提高降壓-升壓變換器的操作效率。
接著，電壓偵測電路120於第三控制信號UGATE2切換至截止準位後經過一預設時間（例如，幾微秒）後，會將第三控制信號UGATE2由截止準位切換回至導通準位以導通第三電晶體Q3。此外，當電壓變換模式為降壓模式且電壓控制電路110在未接收到壓降指示信號SVD時，第三控制信號UGATE2會維持於導通準位以持續導通第三電晶體Q3。
在本發明實施例中，當電壓變換模式為升壓模式時，第一控制信號UGATE1維持於導通準位，第二控制信號LGATE1維持於截止準位，第三控制信號UGATE2維持於截止準位，並且第四控制信號LGATE2週期性地在截止準位與導通準位之間切換，以控制輸出電壓VOUT的電壓準位。當電壓變換模式為降壓模式時，第一控制信號UGATE1週期性地在截止準位與導通準位之間切換，以控制輸出電壓VOUT的電壓準位，第二控制信號LGATE1維持於截止準位，第三控制信號UGATE2維持於導通準位，並且第四控制信號LGATE2維持於截止準位。
在本實施例中，第一電容C1及第二電容C2是繪示一顆以說明，但在本發明實施例中，第一電容C1及數量及第二電容C2及數量可依據電路需求而定，亦即第一電容C1及第二電容C2的數量可以分別是一個或一個以上，本發明雷施例不以此為限。
圖2為依據本發明一實施例的降壓-升壓變換器的第三控制信號及第四控制信號的波形示意圖。請參照圖1及圖2，在本實施例中，電壓偵測電路120於時間點T0偵測到第三控制信號UGATE2的電壓準位低於預設電壓準位Vth，此時電壓偵測電路120將壓降指示信號SVD提供至電壓控制電路110。當電壓控制電路110在接收壓降指示信號SVD時，則於切換時間點T1開始將第四控制信號LGATE2由截止準位Loff切換至導通準位Lon，並且接著在延緩時間ΔT後將第三控制信號UGATE2由當前的準位（亦即預設電壓準位Vth）切換至截止準位Loff，其中延緩時間時間ΔT與耦接至第三電晶體Q3的閘極端的等效電阻值及等效電容值相關，例如電阻R3的電阻值、耦接至電阻R3的電容（未繪示）的電容值。
在本發明實施例中，預設電壓準位Vth可以是導通準位Lon與截止準位Loff的中間準位（亦即平均值），或略高於中間準位，此可依據電路需求而定。
圖3為依據本發明一實施例的降壓-升壓變換器的第三電晶體及第四電晶體於降壓模式中的操作流程圖。請參照圖3，在本實施例中，當降壓-升壓變換器操作於降壓模式時，會先偵測第三電晶體的第三控制信號的電壓準位（步驟S310），並且判斷第三控制信號的電壓準位是否小於預設電壓準位（步驟S320）。當第三控制信號的電壓準位未小於預設電壓準位，亦即步驟S320的判斷結果為“否”，則代表第三控制信號正常（步驟S330），接著回到步驟S310；當第三控制信號的電壓準位小於預設電壓準位，亦即步驟S320的判斷結果為“是”，則代表第三控制信號的電壓準位過低，接著會將第三控制信號切換為截止準位（步驟S340）以及將第四控制信號切換為導通準位（步驟S350），並且在預設時間後回到步驟S310。其中，步驟S310、S320、S330、S340及S350的順序為用以說明，本發明實施例不以此為限。並且，步驟S310、S320、S330、S340及S350的細節可參照圖1及圖2實施例所示，在此則不再贅述。
綜上所述，本發明實施例的降壓-升壓變換器，會偵測第三控制信號的電壓準位，以反應於第三控制信號的電壓下降切換第三電晶體及第四電晶體的導通，進而提高降壓-升壓變換器的操作效率。
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，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:降壓-升壓變換器 110:電壓控制電路 120:電壓偵測電路 a:第一端 AGND:接地電壓 b:第二端 C1:第一電容 C2:第二電容 L1:電感器 LGATE1:第二控制信號 LGATE2:第四控制信號 Loff:截止準位 Lon:導通準位 Q1:第一電晶體 Q2:第二電晶體 Q3:第三電晶體 Q4:第四電晶體 R1-R4:電阻 SVD:壓降指示信號 T0:時間點 T1:切換時間點 UGATE1:第一控制信號 UGATE2:第三控制信號 VIN:輸入電壓 VOUT:輸出電壓 Vth:預設電壓準位 S310、S320、S330、S340、S350:步驟 ΔT:延緩時間
圖1為依據本發明一實施例的降壓-升壓變換器的示意圖。 圖2為依據本發明一實施例的降壓-升壓變換器的第三控制信號及第四控制信號的波形示意圖。 圖3為依據本發明一實施例的降壓-升壓變換器的第三電晶體及第四電晶體於降壓模式中的操作流程圖。
100:降壓-升壓變換器
110:電壓控制電路
120:電壓偵測電路
a:第一端
AGND:接地電壓
b:第二端
C1:第一電容
C2:第二電容
L1:電感器
LGATE1:第二控制信號
LGATE2:第四控制信號
Q1:第一電晶體
Q2:第二電晶體
Q3:第三電晶體
Q4:第四電晶體
R1-R4:電阻
SVD:壓降指示信號
UGATE1:第一控制信號
UGATE2:第三控制信號
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓

Claims (8)

  1. 一種降壓-升壓變換器，包括： 一電感器，具有一第一端及一第二端； 一第一電晶體，具有接收一輸入電壓的一汲極端、耦接該電感器的該第一端的一源極端、以及接收一第一控制信號的一閘極端； 一第二電晶體，具有耦接該電感器的該第一端的一汲極端、接收一接地電壓的一源極端、以及接收一第二控制信號的一閘極端； 一第三電晶體，具有提供一輸出電壓的一汲極端、耦接該電感器的該第二端的一源極端、以及接收一第三控制信號的一閘極端； 一第四電晶體，具有耦接該電感器的該第二端的一汲極端、接收該接地電壓的一源極端、以及接收一第四控制信號的一閘極端； 一電壓偵測電路，耦接於該第三電晶體之該閘極端，用以接收該第三控制信號以偵測該第三控制信號的電壓準位，並且基於該第三控制信號的一偵測結果選擇性地提供一壓降指示信號；以及 一電壓控制電路，耦接於該第一電晶體之該閘極端、該第二電晶體之該閘極端、該第三電晶體之該閘極端及該第四電晶體之該閘極端，用以當該降壓-升壓變換器操作於一降壓模式時，該電壓控制電路反應於該壓降指示信號決定該第三控制信號的電壓準位由一當前準位切換至一截止準位。
  2. 如請求項1所述的降壓-升壓變換器，其中該電壓偵測電路於該第三控制信號的電壓準位低於一預設電壓準位時，將該壓降指示信號提供至該電壓控制電路，並且該電壓控制電路在接收該壓降指示信號時將該第三控制信號的電壓準位由該當前準位切換至該截止準位。
  3. 如請求項2所述的降壓-升壓變換器，其中該預設電壓準位為一導通準位與該截止準位的一中間準位。
  4. 如請求項2所述的降壓-升壓變換器，其中該電壓偵測電路於該第三控制信號的電壓準位切換至該截止準位後等待一預設時間，再將該第三控制信的電壓準位由該截止準位切換至一導通準位。
  5. 如請求項2所述的降壓-升壓變換器，其中當該降壓-升壓變換器操作於該降壓模式時，該第一控制信號的電壓準位週期性地在該截止準位與一導通準位之間切換，該第二控制信號的電壓準位維持於該截止準位，該第三控制信號的電壓準位維持於該導通準位，並且該第四控制信號的電壓準位維持於該截止準位。
  6. 如請求項5所述的降壓-升壓變換器，其中該電壓控制電路反應於該壓降指示信號在將該第四控制信號由該截止準位切換至該導通準位之後，將該第三控制信號的電壓準位由該當前準位切換至該截止準位。
  7. 如請求項2所述的降壓-升壓變換器，其中該電壓控制電路在未接收到壓降指示信號時，將該第三控制信號維持於一導通準位。
  8. 如請求項1所述的降壓-升壓變換器，其中更包括： 至少一第一電容，耦接於該輸入電壓與該接地電壓之間；以及 至少一第二電容，耦接於該輸出電壓與該接地電壓之間。
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