TWM452547U - 電壓轉換裝置 - Google Patents

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Description

電壓轉換裝置
本創作是有關於一種電壓轉換裝置，且特別是有關於一種降壓式以及升壓型的降壓式電壓轉換裝置。
隨著電子科技的進步，電子產品已成為人們生活中必備的工具。為了使電子產品可以提供多樣化的功能，在電子產品中供應多種不同的電源來給多個應用電路來使用成為一種必然的趨勢。而透過所謂的電壓轉換器(voltage converter)來產生所需的電源則為較常見的方式。
通常來說，電壓轉換器多半需要脈寬調變信號產生電路以提供脈寬調變信號來驅動電壓轉換器中的功率電晶體以進行電壓轉換的動作。在綠色能源的考量下，習知技術通常會利用電壓轉換器所產生的輸出電壓來進行處理，以作為脈寬調變信號產生電路的輔助的操作電源。值得注意的是，當電壓轉換器所產生的輸出電壓的電壓值與脈寬調變信號產生電路的操作電源的電壓值有一定的差異的同時，上述的輔助的操作電源的產生動作需要透過複雜的電路元件來完成，增加了電路的成本。並且，要依據電壓轉換器所產生的輸出電壓來提供穩定的操作電源給要脈寬調變信號產生電路也有一定技術上的困難，也為本領域設計者的重要課題之一。
本創作提供一種電壓轉換裝置，用以提供穩定的回授電源作為脈寬調變信號產生電路的操作電源。
本創作提出一種電壓轉換裝置，包括脈寬調變信號產生電路、功率電晶體、第一電感、第二電感以及回授整流器。脈寬調變信號產生電路接收回授電源以作為操作電源，並產生脈寬調變信號。功率電晶體具有第一端、第二端以及控制端，其第一端接收輸入電壓，其控制端耦接脈寬調變信號產生電路並接收脈寬調變信號，其第二端耦接至第一參考接地端。第一電感串接在第一參考接地端與電壓轉換裝置的第一輸出端間。第二電感的一端耦接第一參考接地端，其第二端耦合第一電感上的電壓並產生耦合電壓。回授整流器耦接在第二電感的第二端以及脈寬調變信號產生電路接收回授電源的端點間，針對耦合電壓進行整流以產生回授電源。
在本創作之一實施例中，電壓轉換裝置更包括第一電阻、第一電容以及第二電容。第一電阻的第一端接收輸入電壓。第一電容的第一端與第一電阻的第二端共同耦接至脈寬調變信號產生電路接收回授電源的端點，第一電容的第二端耦接至第一參考接地端。第二電容的第一端接收輸入電壓，其第二端耦接至第二參考接地端。
在本創作之一實施例中，電壓轉換裝置更包括第二電阻。第二電阻串接在功率電晶體的第二端耦接第一參考接地端的路徑間。
在本創作之一實施例中，電壓轉換裝置更包括濾波電容、第三電阻以及二極體。濾波電容串接在電壓轉換裝置的第一輸出端與第二參考接地端間。第三電阻串接在電壓轉換裝置的第一輸出端與第二參考接地端間。二極體的陰極耦接至功率電晶體的第二端，其陽極耦接至第二參考接地端，其中，第二參考接地端為電壓轉換裝置的第二輸出端，第一輸出端上的電壓值大於第二輸出端上的電壓值。
在本創作之一實施例中，電壓轉換裝置更包括第二電阻以及二極體。第二電阻的第一端耦接至功率電晶體的第二端。二極體的陰極耦接至第二電阻的第二端，其陽極耦接至電壓轉換裝置的第二輸出端，其中，電壓轉換裝置的第一輸出端等於第二參考接地端，且第一輸出端上的電壓大於第二輸出端上的電壓。
在本創作之一實施例中，電壓轉換裝置更包括濾波電容以及第三電阻。濾波電容串接在電壓轉換裝置的第二輸出端與第二參考接地端間。第三電阻串接在電壓轉換裝置的第二輸出端與第二參考接地端間。
在本創作之一實施例中，上述之回授整流器包括第一二極體。第一二極體的陽極耦接至第二電感的第二端，第一二極體的陰極提供回授電壓。
在本創作之一實施例中，上述之回授整流器更包括第二二極體以及電阻。第二二極體串接在第一二極體與第二電感的耦接路徑間，第二二極體的陰極耦接至第二電感的第二端，第二二極體的陽極耦接至第一二極體的陽極。電 阻串接在第一二極體的陰極與脈寬調變信號產生電路的耦接路徑間。
在本創作之一實施例中，上述之回授整流器在當該功率電晶體切斷時，針對耦合電壓進行整流以產生回授電源。
在本創作之一實施例中，電壓轉換裝置更包括回授電阻。回授電阻串接在脈寬調變信號產生電路以及第二電感的第二端間，其中，脈寬調變信號產生電路透過回授電阻偵測第一電感的零電流現象。
基於上述，本創作透過利用第二電感來耦合電壓轉換裝置中的第一電感上的電壓，並針對這個電壓來進行整流以產生回授電源。回授電源會被提供至脈寬調變信號產生電路中，以作為脈寬調變信號產生電路輔助的操作電源。如此一來，穩定的回授電源可以被提供至電壓轉換裝置，並使電壓轉換裝置的功率消耗可以更為節省。另外，在使用不同電壓準位的輸入電壓的狀態下，配合第二電感以及回授整流器仍可產生出合適電壓準位的回授電源以作為脈寬調變信號產生電路的輔助操作電源，提升電壓轉換裝置的可被應用的範圍。
為讓本創作之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。
請參照圖1，圖1繪示本創作一實施例的電壓轉換裝置100的示意圖。電壓轉換裝置100包括脈寬調變信號產 生電路110、功率電晶體Q1、電感L1及L2、回授整流器130、電阻R1~R3、二極體D1、濾波電容C1以及電容C2~C3。電壓轉換裝置100用來驅動負載10。其中，在本實施例中，負載10耦接在電壓轉換裝置100的第一輸出端OUT1以及第二輸出端OUT2間，負載10為多個串連的發光二極體LD1~LDN。其中，第一輸出端OUT1上的電壓大於第二輸出端OUT2上的電壓。其中，電壓轉換裝置100為所謂的非隔離式(non-isolation)電壓轉換裝置。
脈寬調變信號產生電路110用來產生脈寬調變信號PWM1，並提供脈寬調變信號PWM1至功率電晶體Q1的控制端(例如功率電晶體Q1的閘極)。脈寬調變信號產生電路110透過電阻R2耦接至輸入電壓Va，而輸入電壓Va透過電阻R2以及電容C3所形成的電阻電容電路(RC circuit)來在電阻R2以及電容C3的耦接點上提供主要的操作電源給脈寬調變信號產生電路110。另外，脈寬調變信號產生電路110也透過電阻R2以及電容C3的耦接點來接收由回授整流器130所提供的回授電源AUXP以作為輔助的操作電源。
值得一提的，電容C3的一端與電阻R2相耦接，而電容C3的另一端則是耦接到第一參考接地端GND1。而輸入電壓Va與第二參考接地端GND2間則串接電容C2，在此，第一參考接地端GND1與第二參考接地端GND2並不相同，並且，本實施例中的第二參考接地端GND2等於電壓轉換裝置100的第二輸出端OUT2。
功率電晶體Q1的第一端(例如功率電晶體Q1的源極)接收輸入電壓Va，而功率電晶體Q1的第二端(例如功率電晶體Q1的汲極)則透過電阻R1耦接至第一參考接地端GND1。並且，二極體D1反偏於功率電晶體Q1的第二端以及第二參考接地端GND2間。其中，透過調整電阻R1的電阻值，可以調整流過發光二極體LD1~LDN的電流大小。
電感L1串接在第一參考接地端GND1與第一輸出端OUT1間以配合功率電晶體Q1的導通及斷開的動作進行電壓轉換動作。電感L2的一端耦接至第一參考接地端GND1，而電感L2的另一端則耦接至回授整流器130。電感L2與電感L1相耦合，並透過耦合電感L1上的電壓來產生耦合電壓VCP。另外，濾波電容C1以及電阻R3串接在電壓轉換裝置100的第一輸出端OUT1以及第二參考接地端GND2間。其中，濾波電容C1用以濾除電壓轉換裝置100的第一輸出端OUT1上所產生的輸出電壓Vo的雜訊。
在電壓轉換裝置100的整體動作方面，電壓轉換裝置100是一個降壓型(buck)的電壓轉換裝置，當功率電晶體Q1依據所接收的脈寬調變信號PWM1而導通時，輸入電壓Va通過被導通的功率電晶體Q1傳向電感L1，而電感L1上的跨壓約等於輸入電壓Va減去輸出電壓Vo。在此同時，電感L2耦合電感L1上的電壓並產生耦合電壓VCP以傳送至回授整流器130。
相對的，在當功率電晶體Q1依據所接收的脈寬調變信號PWM1而斷開時，輸入電壓Va通過第一接地端GND1傳向電感L1，而電感L1上的跨壓約等於輸出電壓Vo。同時，電感L2同樣耦合電感L1上的電壓並產生耦合電壓VCP以傳送至回授整流器130。
而值得注意的，回授整流器130僅在功率電晶體Q1被斷開時針對耦合電壓VCP來進行整流的動作，並藉以產生回授電源AUXP。也就是說，當功率電晶體Q1被導通時，回授整流器130並不會產生回授電源AUXP。如此一來，回授整流器130可以提供具有穩定電壓值的回授電源AUXP。
在本實施例中，耦合電壓VCP的電壓大小可以透過設定電感L1以及電感L2的線圈的匝數比來加以設定。也就是說，不論電壓轉換裝置100所設定要產生的輸出電壓Vo的電壓大小為何，設計者都可以利用合適的電感L1以及電感L2的線圈的匝數比的設定，來產生適用的耦合電壓VCP。當然，回授電源AUXP的電壓大小也可以有效的被控制。
以下舉兩個實際的範例來說明，首先，當電壓轉換裝置100所設定要產生的輸出電壓Vo的電壓等於3V，而脈寬調變信號產生電路110所需要操作電源為12V時，設計者可以設定電感L1以及電感L2的線圈的匝數比等於1：5，如此一來，回授整流器130就可以產生大於12V的回授電源AUXP以供應脈寬調變信號產生電路100作為輔助 的操作電源。另外，若是電壓轉換裝置100所設定要產生的輸出電壓Vo的電壓等於100V，而脈寬調變信號產生電路110所需要操作電源為12V時，設計者可以設定電感L1以及電感L2的線圈的匝數比等於20：3，如此一來，回授整流器130就可以產生大於12V的回授電源AUXP以供應脈寬調變信號產生電路100作為輔助的操作電源。
由上述的說明可以得知，本創作實施例只要藉由調整電感L1以及電感L2的線圈的匝數比，就可以適用於產生各種不同輸出電壓的電壓轉換裝置。
此外，輸入電壓Va可以透過整流器來產生。整流器可以接收交流輸入電壓，並針對交流輸入電壓進行全波整流來產生輸入電壓Va。或者，輸入電壓Va也可以透過提供直流電壓的電源來提供，例如是電池。
以下請參照圖2，圖2繪示本創作實施例的回授整流器130的實施方式的示意圖。回授整流器130包括二極體ZD11、D11以及R11。二極體ZD11為齊納二極體(zener diode)，其陰極接收耦合電壓VCP，其陽極耦接至二極體D11的陽極。另外，二極體D11的陰極耦接至電阻R11，電阻R11未耦接二極體D11的端點則產生回授電源AUXP。
請注意，請同時參照圖1及圖2，在當功率電晶體Q1導通時，耦合電壓VCP不足以使二極體ZD11以及D11導通，並被二極體ZD11以及D11所阻隔而使回授整流器130不會對應產生回授電源AUXP。相對的，當功率電晶 體Q1斷開時，二極體ZD11可以視為短路，而二極體D11被導通，並透過電阻R11依據耦合電壓VCP產生回授電源AUXP。
附帶一提，而在最節省電路元件的情況下，回授整流器130可以僅包括二極體D11就可以實施。二極體ZD11以及電阻R11並非必要的構件。
以下請參照圖3，圖3繪示本創作另一實施例的電壓轉換裝置300的示意圖。本實施例的電壓轉換裝置300為升壓型的降壓(buck-boost)電壓轉換器。與前一實施例不相同的，本實施例的電壓轉換裝置300的第一輸出端OUT1與第二參考接地端GND2是相同的端點，也因此，電感L1的一端耦接至第一參考接地端GND1外，其另一端則耦接至第二參考接地端GND2(等於第一輸出端OUT1)。而電阻R1以及二極體D1則是依序串接在第一參考接地端GND1以及第二輸出端OUT2間。附帶一提的，由發光二極體LD1~LDN所構成的負載30則順向偏壓於第一輸出端OUT1以及第二輸出端OUT2間，也就是說，第一輸出端OUT1的電壓大於第二輸出端OUT2的電壓。
與前一實施例相同的，本實施例同樣藉由電感L2來耦合電感L1上的電壓以產生耦合電壓VCP，並透過回授整流器330在功率電晶體Q1斷開時產生回授電源AUXP，並提供回授電源AUXP至脈寬調變信號產生電路310以作為脈寬調變信號產生電路310的輔助的操作電源。
以下請參照圖4，圖4繪示本創作再一實施例的電壓 轉換裝置400的示意圖。與圖1繪示的實施例不相同的，本實施例的電壓轉換裝置400更包括回授電阻RZCD。其中，回授電阻RZCD串接在電感L2未耦接電感L1的端點以及脈寬調變信號產生電路410間。回授電阻RZCD則用來提供脈寬調變信號產生電路410偵測電感L1上的零電流現象。
附帶一提的，脈寬調變信號產生電路410可以透過偵測回授電阻RZCD上的電壓變化來判斷電感L1上的零電流現象。而關於脈寬調變信號產生電路410偵測電感L1上的零電流現象的動作細節為本領域具通常知識者所熟知的技術，在此恕不多贅述。
綜上所述，本創作藉由設置多的電感來耦合電壓轉換裝置中的電感上的電壓以產生耦合電壓，並在功率電晶體斷開時，將耦合電壓進行整流以產生回授電源，並送回授電源以作為脈寬調變信號產生電路的輔助的操作電源。如此一來，電壓轉換裝置的電量消耗可以有效降低，達到省電的功效。
雖然本創作已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、300、400‧‧‧電壓轉換裝置
110、310、410‧‧‧脈寬調變信號產生電路
130、330、430‧‧‧回授整流器
10、30‧‧‧負載
Q1‧‧‧功率電晶體
L1、L2‧‧‧電感
R1~R3、R11、RZCD‧‧‧電阻
D1、D11、ZD11‧‧‧二極體
C1‧‧‧濾波電容
C2~C3‧‧‧電容
OUT1、OUT2‧‧‧輸出端
PWM1‧‧‧脈寬調變信號
AUXP‧‧‧回授電源
Vo‧‧‧輸出電壓
VCP‧‧‧耦合電壓
Va‧‧‧輸入電壓
GND1、GND2‧‧‧參考接地端
LD1~LDN‧‧‧發光二極體
圖1繪示本創作一實施例的電壓轉換裝置100的示意 圖。
圖2繪示本創作實施例的回授整流器130的實施方式的示意圖。
圖3繪示本創作另一實施例的電壓轉換裝置300的示意圖。
圖4繪示本創作再一實施例的電壓轉換裝置400的示意圖。
100‧‧‧電壓轉換裝置
110‧‧‧脈寬調變信號產生電路
10‧‧‧負載
Q1‧‧‧功率電晶體
L1、L2‧‧‧電感
130‧‧‧回授整流器
R1~R3‧‧‧電阻
D1‧‧‧二極體
C1‧‧‧濾波電容
C2~C3‧‧‧電容
OUT1、OUT2‧‧‧輸出端
PWM1‧‧‧脈寬調變信號
AUXP‧‧‧回授電源
Vo‧‧‧輸出電壓
VCP‧‧‧耦合電壓
Va‧‧‧輸入電壓
GND1、GND2‧‧‧參考接地端
LD1~LDN‧‧‧發光二極體

Claims (10)

  1. 一種電壓轉換裝置，包括：一脈寬調變信號產生電路，接收一回授電源以作為操作電源，並產生一脈寬調變信號；一功率電晶體，具有第一端、第二端以及控制端，其第一端接收一輸入電壓，其控制端耦接該脈寬調變信號產生電路並接收該脈寬調變信號，其第二端耦接至一第一參考接地端；一第一電感，串接在該第一參考接地端與該電壓轉換裝置的一第一輸出端間；一第二電感，其一端耦接該第一參考接地端，其第二端耦合該第一電感上的電壓並產生一耦合電壓；以及一回授整流器，耦接在該第二電感的第二端以及該脈寬調變信號產生電路接收該回授電源的端點間，針對該耦合電壓進行整流以產生該回授電源。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換裝置，其中更包括：一第一電阻，其第一端接收該輸入電壓；一第一電容，其第一端與該第一電阻的第二端共同耦接至該脈寬調變信號產生電路接收該回授電源的端點，該第一電容的第二端耦接至該第一參考接地端；以及一第二電容，其第一端接收該輸入電壓，其第二端耦接至一第二參考接地端。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電壓轉換裝置，其中 更包括：一第二電阻，串接在該功率電晶體的第二端耦接該第一參考接地端的路徑間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電壓轉換裝置，其中更包括：一濾波電容，串接在該電壓轉換裝置的該第一輸出端與該第二參考接地端間；一第三電阻，串接在該電壓轉換裝置的該第一輸出端與該第二參考接地端間；以及一二極體，其陰極耦接至該功率電晶體的第二端，其陽極耦接至該第二參考接地端，其中，該第二參考接地端為該電壓轉換裝置的一第二輸出端，該第一輸出端上的電壓值大於該第二輸出端上的電壓值。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之電壓轉換裝置，其中更包括：一第二電阻，其第一端耦接至該功率電晶體的第二端；以及一二極體，其陰極耦接至該第二電阻的第二端，其陽極耦接至該電壓轉換裝置的一第二輸出端，其中，該電壓轉換裝置的該第一輸出端等於該第二參考接地端，且該第一輸出端上的電壓大於該第二輸出端上的電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電壓轉換裝置，其中 更包括：一濾波電容，串接在該電壓轉換裝置的該第二輸出端與該第二參考接地端間；以及一第三電阻，串接在該電壓轉換裝置的該第二輸出端與該第二參考接地端間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換裝置，其中該回授整流器包括：一第一二極體，其陽極耦接至該第二電感的第二端，該第一二極體的陰極提供該回授電源。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電壓轉換裝置，其中該回授整流器更包括：一第二二極體，串接在該第一二極體與該第二電感的耦接路徑間，該第二二極體的陰極耦接至該第二電感的第二端，該第二二極體的陽極耦接至該第一二極體的陽極；以及一電阻，串接在該第一二極體的陰極與該脈寬調變信號產生電路的耦接路徑間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換裝置，其中該回授整流器在當該功率電晶體切斷時，針對該耦合電壓進行整流以產生該回授電源。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之電壓轉換裝置，其中更包括：一回授電阻，串接在該脈寬調變信號產生電路以及該第二電感的第二端間， 其中，該脈寬調變信號產生電路透過該回授電阻偵測該第一電感的零電流現象。
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