可快速切換輸出電壓的電源裝置的製作方法

2023-08-09 07:00:31 3

專利名稱：可快速切換輸出電壓的電源裝置的製作方法
技術領域：
本發明是指一種可快速切換輸出電壓的電源裝置，尤指一種可快速切換輸出電壓，並減 少能量消耗的電源裝置。
背景技術：
在電子產品中，為了減少成本，通常僅提供少數的主要電壓源，因此當電路中需使用多 個大小不同的直流電壓時， 一般會使用一組直流對直流轉換器(DC-DC converter)來進行轉 換，以節省外部組件及集成電路的數量。
請參考圖1，圖1為一習知升壓式直流對直流轉換器10的示意圖。 一般來說，為了穩定 輸出電壓Vout的準位，直流對直流轉換器10會藉由一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulat ion, PWM)控制器ll,產生一切換開關訊號，來控制一功率電晶體102的工作周期(DutyCycle)， 以增加或減少傳遞至負載的能量。關於直流對直流轉換器的詳細操作原理，是本領域具通常 知識者所熟知，於此不贅述。在習知技術中，當輸出電壓Vout由一高準位切換至一低準位時， 直流對直流轉換器10會暫時停止脈衝寬度調變控制器11的運作，例如將切換開關訊號設為 失效(Disable),以使負載電流1^透過汲取負載電容(^中的電荷來降低輸出電壓Voi]t的準 位，直到輸出電壓Vout下降到目標準位後，再恢復脈衝寬度調變控制器ll的運作。
在此情形下，負載電容C,的大小將會影響電壓下降的速度，並且大量的功率將無謂地消 耗在外部電路中，尤其是某些外部需連接大電容的特殊應用，例如液晶顯示器的發光二極體 背光模塊。
為了加快輸出電壓的切換速度，習知技術通常會藉由產生另一電流路徑來增加或降低輸 出電壓的準位。舉例來說，請參考第2圖，第2圖為一習知直流對直流轉換器20的示意圖。 在第2圖中，當輸出電壓Vout由高準位切換至低準位時，開關SL將被開啟，使得負載電容 C^中的電荷可直接透過電感L1導通至地端，而迅速降低輸出電壓Vmit的準位。然而，將負 載電容C,的電荷直接導通至地端，等於是將多餘的能量全部都浪費掉。另一方面，當輸出電 壓Vmit由低準位切換至高準位時，'開關SH將被開啟，使得輸入電壓Vin可直接透過電感Ll 對負載電容CJS行充電，因而可快速地提升輸出電壓Vout的準位。然而，此種藉由直接導通 輸入電壓Vin來提升輸出電壓Vout的作法，無法應用在輸出電壓Vout大於輸入電壓Vin的 情況下，亦即不適用在升壓式直流對直流轉換器中。
綜上所述，習知技術雖然可藉由產生額外的電流路徑，來加快直流對直流轉換器的輸出
4電壓切換的速度，然而，其將導致能量的浪費，且不適用在升壓式直流對直流轉換器中。

發明內容
因此，本發明的目的即在於提供一種可快速切換輸出電壓的電源裝置。其能有效的加快 輸出電壓的準位調整速度，並可減少裝置內部的能量消耗。
本發明是揭露一種可快速切換輸出電壓的電源裝置。該電源裝置包含有一升壓式直流對 直流轉換器及一電荷回收電路。該升壓式直流對直流轉換器用來對一輸入電壓進行升壓轉換， 以產生一輸出電壓，並根據一準位調整訊號，調整該輸出電壓的準位。該電荷回收電路電性 連接於該升壓式直流對直流轉換器，用來根據該準位調整訊號，產生一電流路徑，以於該輸 出電壓由一高準位調整至一低準位時，透過該電流路徑，從該升壓式直流對直流轉換器中回 收多餘的電荷，並於該輸出電壓由該低準位調整至該高準位時，透過該電流路徑將所儲存的 能量釋放至該升壓式直流對直流轉換器，從而加快該輸出電壓的準位調整速度，並減少該升 壓式直流對直流轉換器的能量消耗。


圖1為一習知升壓式直流對直流轉換器的示意圖。
圖2為另一習知直流對直流轉換器的示意圖。
圖3為本發明可快速調整輸出電壓的一電源裝置的實施例示意圖。
圖4為圖3實施例的相關波形示意圖。 .
圖5為本發明一發光二極體背光模塊的實施例示意圖。
圖6為圖5實施例的相關訊號時序的示意圖。
附圖中主要組件符號說明如下-10、 31——升壓式直流對直流轉換器，Vin——輸入電壓， Voiit——輸出電壓， 11、 21、 312 ——脈衝寬度調變控制器，
102、 mpi——功率電晶體，i———負載電流， a——負載電容，
SL、 SH——開關，Ll——電感， 30、 51——電源裝置，
32——電荷回收電路，EffiF——準位調整訊號，PathJ——電流路徑，
322——儲能單元， 324——控制單元， MUX ——多任務器， V。N ——導
通電壓， V。FF——關閉電壓， E，CT——制訊號，
ND1、 ND2、 ND3——端點，LRMy。le——儲能電感，CRe。yele——儲能電容，
326——分壓電路， 328、 323、 325——比較器，Rl、 R2——電阻，VREF——參考電壓， 321——單擊電路， RSp腿、RS肌l——拴鎖器， 327 —
一與非門， VI——低電壓準位， V2——高電壓準位，
Tl、 T2——時點，I,——電感電流， 50——發光二極體背光模塊，
52——處理器， 53——電流平衡電路，
Rl Rn——紅色發光二極體串， Gl Gn——綠色發光二極體串， Bl Bn——藍色發光二極體串。
具體實施例方式
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的組件。所屬領域中具 有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的組件。本說明書及後續的 申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區別組件的方式，而是以組件在功能上的差異來作為 區別的基準。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含j是為一開放式的用語，故 應解釋成「包含但不限定於」。此外，「電性連接」 一詞在此是包含任何直接及間接的電氣連 接手段。因此，若文中描述一第一裝置電性連接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接連 接於該第二裝置，或透過其它裝置或連接手段間接地連接至該第二裝置。
請參考圖3，圖3為本發明可快速調整輸出電壓的一電源裝置30的實施例示意圖。電源 裝置30包含有一升壓式直流對直流轉換器.(DC-DC Boost Converter) 31及一電荷回收電路 32。升壓式直流對直流轉換器31用來對一輸入電壓Vin進行升壓轉換，以產生具有較高準位 的一輸出電壓Vout，並根據一準位調整訊號E咖，調整輸出電壓Vout的準位。電荷回收電路 32電性連接於升壓式直流對直流轉換器31，用來根據準位調整訊號EffiF，產生一電流路徑 Path—1，以於輸出電壓Vout由一高準位調整至一低準位時，透過電流路徑Path_l，從升壓 式直流對直流轉換器31中回收多餘的電荷，並於輸出電壓Vout由低準位調整至高準位時， 透過電流路徑Path—1將所儲存的能量釋放至升壓式直流對直流轉換器31，從而加快輸出電 壓Vout的準位調整速度，並減少升壓式直流對直流轉換器31的能量消耗。
其中，電荷回收電路32更包含有一儲能單元322、 一多任務器MUX、 一功率電晶體MP1 及一控制單元324。多任務器MUX電性連接於一導通電壓V。w及一關閉電壓V。pp，用來根據一控
制訊號E,ch，切換輸出導通電壓V。N及關閉電壓V。pp。功率電晶體MP1較佳地是一 P型金氧半
導體電晶體，其具有一第一端ND1電性連接於儲能單元322， 一第二端ND2電性連接於升壓 式直流對直流轉換器31，以及一控制端ND3電性連接於多任務器MUX，用來根據多任務器MUX 所輸出的電壓，控制第一端ND1與第二端ND2的電性連結，以形成電流路徑Path—1。控制單 元324電性連接於多任務器MUX、功率電晶體MP1及升壓式直流對直流轉換舉31，用來根據
6準位調整訊號E,，輸出一第一邏輯準位(例如 一高邏輯準位)的控制訊號Ew，以控制 多任務器MUX切換輸出導通電壓V。、，並根據第一端ND1與第二端ND2間的一導通電流大小， 輸出一第二邏輯準位(亦即， 一低邏輯準位)的控制訊號E測，以控制多任務器MUX輸出關
閉電壓V。n，。
因此，當升壓式直流對直流轉換器31根據準位調整訊號E^，將輸出電壓Voiit由一高準 位調整至一低準位時，電荷回收電路32可透過電流路徑Path—1將升壓式直流對直流轉換器 31中多餘的電荷回收至儲能單元322;而於輸出電壓Vout由低準位調整至高準位時，電荷回 收電路32可透過電流路徑Path—l釋放儲能單元322中所儲存的能量。如此一來，本發明不 但可加快升壓式直流對直流轉換器31調整輸出電壓準位的速度，更可避免多餘的能量被浪 費。
較佳地，儲能單元322是由一儲能電感L一。^及一儲能電容C^油組成。儲能電感U—e 是以串聯方式電性連接於功率電晶體MP1的第一端ND1，而儲能電容C一^則電性連接於儲能 電感。16及一地端之間。在此情形下，電荷回收電路32另包含有一分壓電路326及一比較 器328。分壓電路326電性連接於儲能電容C一。k及地端之間，其是由電阻Rl及R2組成，用 來對儲能電容U。^的輸出電壓進行分壓。比較器328具有一正輸入端電性連接於分壓電路 326，及一負輸出端電性連接於一參考電壓V,，用來比較分壓電路326的分壓結果與參考電 壓V附的大小，以產生關閉電壓V岍。導通電壓V。w則較佳地電性連接於地端。
此外，控制單元324更包含有一單擊電路321、拴鎖器RSpusH及RS肌L、比較器323及325 及一與非門327。單擊電路321用來根據準位調整訊號E腳，產生一單擊(one shot)訊號。 拴鎖器RS,及RS隱較佳地是設定/重置栓鎖器(RSLatch)，其分別具有一設定端、 一重置 端及一反相輸出端。拴鎖器RSp^及RS,的設定端分別電性連接於單擊電路321，用來接收該 單擊訊號。比較器323具有一正輸入端、 一負輸入端及一輸出端，其正輸入端電性連接於功 率電晶體MP1的第一端ND1，其負輸入端電性連接於功率電晶體MP1的第二端ND2，而其輸出 端則電性連接於拴鎖器RSpisH的重置端。比較器325亦具有一正輸入端、 一負輸入端及一輸出 端，其正輸入端電性連接於功率電晶體MP1的第二端ND2，其負輸入端電性連接於功率晶體 管MP1的第一端ND1，而其輸出端則電性連接於拴鎖器RS隱的重置端。與非門327具有一第 一輸入端、 一第二輸入端及一輸出端，其第一輸入端電性連接於拴鎖器RSp^的反相輸出端， 其第二輸入端電性連接於拴鎖器RS^的反相輸出端，而其輸出端則電性連接於多任務器MUX,
用來輸出控制訊號E SWITCH o
關於電源裝置30的詳細操作，請繼續參考以下說明。首先，在本發明實施例中，控制訊 號Esw唚是預設為低邏輯準位，因此當電路激活時，電荷回收電路32可藉由分壓電路326及比較器328所形成的一回授網絡，將儲能電容CK。，,。的電壓提升並保持在一特定電壓準位，例 如升壓式直流對直流轉換器31所能輸出的一低電壓準位V1。相關操作是本領域具通常知 識者所熟知，於此不贅述。值得注意的是，由於在電路激活後，分壓電路326所產生的分壓 一般會大於參考電壓V,;EF，因此比較器328所產生的關閉電壓VoH,通常會保持在高電壓準位， 以用來關閉功率電晶體MP1。
接著，當升壓式直流對直流轉換器31根據準位調整訊號E^，將輸出電壓Vout由一高電 壓準位V2切換至低電壓準位VI時，電荷回收電路32同時根據準位調整訊號ER￡F,控制單擊 電路321產生一單擊訊號，以觸發栓鎖器RSpush，使得與非門327輸出高邏輯準位的控制訊號 Esmuf。在此情形下，升壓式直流對直流轉換器31會暫時停止運作，而多任務器MUX會切換輸 出導通電壓V,以導通功率電晶體MP1。此時，由於儲能電容Ck。一的電壓小於輸出電壓Vout， 因此負載電容C,上的電荷將透過功率電晶體MP1所產生的電流路徑Path_l快速轉移至儲能電 容C—丄，而加快輸出電壓Vout下降的速度。此外，更由於電感具有反抗電流變化的特性， 因此當輸出電壓Vout與儲能電容"。一的電壓相等時，儲能電感U。^可繼續由負載電容C, 汲取電流至儲能電容CRs。y。ls，以儲存較大的能量。直到電感電流lL的大小變為0時，即電流 方向改變時，藉由比較器325輸出一高邏輯準位訊號VpusH至栓鎖器RS,的重置端，以使與非 門327輸出低邏輯準位的控制訊號Ew，而結束電荷回收的周期，並恢復升壓式直流對直流 轉換器31的運作，以穩定輸出電壓Vout的準位。
接下來，當輸出電壓Vout欲由低電壓準位VI切換至高電壓準位V2時，電荷回收電路 32同樣地會根據準位調整訊號EraF,控制單擊電路321產生一單擊訊號至栓鎖器RS^的設定 端，以使與非門327輸出高邏輯準位的控制訊號E,cH。在此情形下，升壓式直流對直流轉換 器31會暫時停止運作，而多任務器MUX會切換輸出導通電壓V冊，以導通功率電晶體MP1。此 時，由於儲能電容"。一的電壓會大於輸出電壓Vout，因此電荷回收電路32將透過功率晶體 管MP1所產生的電流路徑Path—1釋放儲能電容"。y^上的能量至負載電容C,，以有效率並增 快輸出電壓Vout上升的速度。此外，由於電感具有反抗電流變化的特性，因此當輸出電壓 Vout與儲能電容Cw的電壓相等時，儲能電感U，^可繼續由儲能電容C^。一汲取電荷至負 載電容C,，直到電感電流I,的大小變為0時，即電流方向改變時，藉由比較器323輸出一高 邏輯準位訊號V^至栓鎖器RSpi的重置端，以使與非門327輸出低邏輯準位的控制訊號Esw"cH， 而結束電荷回收的周期，並恢復升壓式直流對直流轉換器31的運作，以維持輸出電壓Vout 的準位。關於上述實施例的相關波形，請參考第4圖，其中時點Tl代表輸出電壓Vout由高 電壓準位V2切換至低電壓準位VI時所對應的時間，而時點T2則代表輸出電壓Vout由低電 壓準位VI切換至高電壓準位V2時所對應的時間。簡言之，藉由電荷回收電路32，本發明實施例可於升壓式直流對直流轉換器31的輸出 電壓Vout由高準位切換至低準位時，將負載電容C,上的電荷轉移並儲存在儲能電容C一。,。， 並於輸出電壓Vout由低準位切換至高準位時，將儲能電容C一^中所儲存的電荷釋放給負載 電容C,。如此一來，本發明電源裝置30除了加快輸出電壓的切換速度之外，更可減少能量 的浪費。
如此一來，本發明電源裝置30將可應用在任何需要快速切換輸出電壓準位的電子裝置 中，例如色序式液晶顯示器的發光二極體(Light Emit Diode)背光模塊，且不限於此。由 於不同顏色的發光二極體有其不同的製程與材料，使得點亮不同顏色的發光二極體所需要的 電壓準位也會有所差別，例如，紅色發光二極體的驅動電壓一般為18伏特，而綠色及藍色發 光二極體的驅動電壓為22.5伏特。因此，為了在面板上實現色序法顯示，發光二極體背光模 塊需要使用一電源裝置，用來對輸入電壓進行升壓，並快速地切換輸出電壓，以驅動不同顏 色的發光二極體。
舉例來說，請參考圖5，圖5為本發明一發光二極體背光模塊50的實施例示意圖。發光 二極體背光模塊50是用於一色序式液晶顯示器中，用以在一個時間內只點亮同一種顏色的發 光二極體。發光二極體背光模塊50包含有一電源裝置51、 一處理器52、 一電流平衡電路53、 紅色發光二極體串Rl Rn、綠色發光二極體串Gl Gn及藍色發光二極體串Bl Bn。其中， 電源裝置51是由圖3中的電源裝置30實現，其更包含有一升壓式直流對直流轉換器531及 一電荷回收電路532。
當發光二極體背光模塊50要由點亮綠、藍色發光二極體(高驅動電壓)轉換成點亮紅色 發光二極體(低驅動電壓)時，處理器52會產生準位調整訊號E^，來通知升壓式直流對直 流轉換器531，並激活電荷回收電路532的運作，以加快切換輸出電壓Vout的準位。在此情 形下，電荷回收電路532會在控制訊號E,cH處於高邏輯準位的時間內形成一電流路徑，將升 壓式直流對直流轉換器531中的多餘電荷傳送至一儲能電容(圖未示)儲存起來，並暫時停 止升壓式直流對直流轉換器531的運作。
接著，當發光二極體背光模塊50要由點亮紅色發光二極體(低驅動電壓)轉換成點亮綠、 藍色發光二極體(高驅動電壓)時，處理器52同樣會產生準位調整訊號E,，來通知升壓式 直流對直流轉換器531，並激活電荷回收電路532的運作，以加快切換輸出電壓Vout的準位。 在此情形下，電荷回收電路532會在控制訊號Ew處於高邏輯準位的時間內形成一電流路徑， 將所儲存的電荷還給升壓式直流對直流轉換器531中的負載電容，並暫時停止升壓式直流對 直流轉換器531的運作。關於上述訊號的相關時序，請參考圖6。因此，發光二極體背光模塊50可藉由電源裝置51，快速地切換驅動電壓的準位，以依 序點亮不同顏色的發光二極體，進而在面板上實現色序法顯示。
綜上所述，本發明電源裝置除了可藉由產生額外的電流路徑，加快直流對直流轉換器的 輸出電壓切換的速度之外，更藉由回收多餘的電荷，來減少能量的消耗。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修 飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1. 一種可快速切換輸出電壓的電源裝置，包含有一升壓式直流對直流轉換器，用來對一輸入電壓進行升壓轉換，以產生一輸出電壓，並根據一準位調整訊號，調整該輸出電壓的準位；以及一電荷回收電路，電性連接於該升壓式直流對直流轉換器，用來根據該準位調整訊號，產生一電流路徑，以於該輸出電壓由一高準位調整至一低準位時，透過該電流路徑，從該升壓式直流對直流轉換器中回收多餘的電荷，並於該輸出電壓由該低準位調整至該高準位時，透過該電流路徑將所儲存的能量釋放至該升壓式直流對直流轉換器，從而加快該輸出電壓的準位調整速度，並減少該升壓式直流對直流轉換器的能量消耗。
2. 根據權利要求1所述的可快速切換輸出電壓的電源裝置，其特徵在於所述的電荷回收 電路包含有一儲能單元；一多任務器，電性連接於一導通電壓及一關閉電壓，用來根據一控制訊號，切換輸出該 導通電壓及該關閉電壓；一功率電晶體，具有一第一端電性連接於該儲能單元， 一第二端電性連接於該升壓式直 流對直流轉換器，以及一控制端電性連接於該多任務器，用來根據該多任務器所輸 出的電壓，控制該第一端與該第二端的電性連結，以產生該電流路徑；以及一控制單元，電性連接於該多任務器、該功率電晶體及該升壓式直流對直流轉換器，用 來根據該準位調整訊號，輸出一第一邏輯準位的該控制訊號，以控制該多任務器輸 出該導通電壓，並根據該功率電晶體的該第一端與該第二端間的一導通電流大小， 輸出一第二邏輯準位的該控制訊號，以控制該多任務器輸出該關閉電壓。
3. 根據權利要求2所述的可快速切換輸出電壓的電源裝置，其特徵在於所述的升壓式直 流對直流轉換器是於該控制單元輸出該第一邏輯準位的該控制訊號時停止運作。
4. 根據權利要求2所述的可快速切換輸出電壓的電源裝置，其特徵在於所述的儲能單元包含有-一電感，具有一第一端及一第二端，該第一端電性連接於該功率電晶體的該第一端；以 及一電容，具有一第一端電性連接於該電感的該第二端，及一第二端電性連接於一地端。
5. 根據權利要求4所述的可快速切換輸出電壓的電源裝置，其特徵在於所述的電荷回收 電路另包含有一回授單元，電性連接於該電容及該多任務器，用來根據該電容的輸出電 壓，產生該關閉電壓。
6. 根據權利要求5所述的可快速切換輸出電壓的電源裝置，其特徵在於所述的回授單元包含有一分壓電路，電性連接於該電容的該第一端及該地端之間，用來對該電容的輸出電壓進 行分壓；以及一比較器，具有一正輸入端電性連接於該分壓電路，及一負輸出端電性連接於一參考電 壓，用來比較該分壓電路的分壓結果與該參考電壓的大小，以產生該關閉電壓。
7. 根據權利要求5所述的可快速切換輸出電壓的電源裝置，其特徵在於所述的控制訊號 是預設為該第二邏輯準位，以於電路起始時，將該電容的輸出電壓維持於一特定準位。
8. 根據權利要求2所述的可快速切換輸出電壓的電源裝置，其特徵在於所述的導通電壓 是電性連接於一地端；所述的功率電晶體是一P信道金氧半導體電晶體。
9. 根據權利要求2所述的可快速切換輸出電壓的電源裝置，其特徵在於所述的控制單元 包含有-一單擊電路，用來根據該準位調整訊號，產生一單擊訊號；一第一拴鎖器，具有一設定端、 一重置端及一反相輸出端，該設定端電性連接於該單擊電路，用來接收該單擊訊號； 一第二拴鎖器，具有一設定端、 一重置端及一反相輸出端，該設定端電性連接於該單擊電路，用來接收該單擊訊號； 一第一比較器，具有一正輸入端、 一負輸入端及一輸出端，該正輸入端電性連接於該功率電晶體的該第一端，該負輸入端電性連接於該功率電晶體的該第二端，該輸出端電性連接於該第一拴鎖器的該重置端； 一第二比較器，具有一正輸入端、 一負輸入端及一輸出端，該正輸入端電性連接於該功率電晶體的該第二端，該負輸入端電性連接於該功率電晶體的該第一端，該輸出端電性連接於該第二拴鎖器的該重置端；以及 一與非門，具有一第一輸入端、 一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端電性連接於該第一拴鎖器的該反相輸出端，該第二輸入端電性連接於該第二拴鎖器的該反相輸出端，該輸出端用來輸出該控制訊號；所述的第一拴鎖器及該第二栓鎖器是設定/重置栓鎖器。
10. 根據取利要求2所述的可快速切換輸出電壓的電源裝置，其特徵在於所述的電源裝置 是用於一色序式液晶顯示器的發光二極體背光模塊；所述的準位調整訊號是由該發光二極體背光模塊產生，用以驅動不同顏色的發光二極體。
全文摘要
本發明提供一種可快速切換輸出電壓的電源裝置，其包含有一升壓式直流對直流轉換器及一電荷回收電路。該升壓式直流對直流轉換器用來對一輸入電壓進行升壓轉換，以產生一輸出電壓，並根據一準位調整訊號，調整該輸出電壓的準位。該電荷回收電路電性連接於該升壓式直流對直流轉換器，用來根據該準位調整訊號，產生一電流路徑，以於該輸出電壓由一高準位調整至一低準位時，透過該電流路徑，回收多餘的電荷，並於該輸出電壓由該低準位調整至該高準位時，透過該電流路徑釋放所儲存的電荷，從而加快該輸出電壓的準位調整速度，並減少能量消耗。
文檔編號H03K19/00GK101534051SQ20091011144
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月9日 優先權日2009年4月9日
發明者劉家麟, 張世孟, 莫啟能, 謝俊禹, 陳科宏 申請人:福州華映視訊有限公司;中華映管股份有限公司