升降壓直流轉換器以及脈波寬度調變控制器的製作方法

2023-05-02 00:03:41

專利名稱：升降壓直流轉換器以及脈波寬度調變控制器的製作方法
技術領域：
本發明一般而言為有關於一種由電池運作的電源供應裝置的控制器，更確切的講，為一種通過控制開關組件與雙反饋線路組成的升降壓直流轉換器的控制器。
背景技術：
由電池(battery)供電的電子裝置，如個人計算機、手機等必須藉由電壓的轉換(conversion)，從電池的輸出電壓改變為該裝置線路所需要的電壓。由電池供電的電源供應器(power suppliers)一般有兩種，其一為線性式(linear)的，它的效率(efficiency)是得自於輸出與輸入兩電壓的比值，它主要的缺憾是只能運用在降壓(step down)上。另一為交換式(switching)的，因為有良好的轉換效率和功率密度(power density)、可靠性、和簡易性等因素，所以被廣泛的使用。直流(DC-DC)交換式電源供應器的運作一般是經由儲存能量於儲能(energy-storage)組件如電感、電容、電感與電容兩者兼具或變壓器(transformers)等，接著由控制器所設定的一段時間內將該儲存的能量給下一級需用到電源的系統(負載，load)，以一種借著低電阻開關間斷式的將能量送達負載。繼之以反饋線路(feedback circuitry)來調節能量的轉移以維持一個負載所限制的固定的輸出電壓。
現今現有的升降壓控制器多採用反激式(flyback)或串聯式(cascade)生降壓轉換架構。反激式升降壓控制器如圖1所示，該反激式升降壓控制器1為一簡單的單端2控制器，但是需要一變壓器3。因為電壓器為一儲能組件，所以輸出入電壓轉換效率並不佳。串聯式生降壓控制器如圖2所示，該串聯式生降壓控制器10一般採用一非隔離反激型的轉換架構。其中，變壓器11並非必要的構成組件，所以效率可不受該儲能組件影響。然而，轉換器本身使用了四個同時動作的開關組件12，13，14，和15，所以效率仍然有限。

發明內容
本發明的升降壓直流轉換器是運用於一僅以開關組件導通的直流/直流電壓轉換器中，以控制該直流/直流電壓轉換器，在不過分犧牲效能之下，達成高效率且快速反應的目的。
目前市場上的升降壓直流轉換器大多採用串聯式升降降壓架構，但是都有同樣的缺點，就是當輸出與輸入電壓相等(Vin＝Vout)時，電壓轉換效率不佳。原因是因為在輸出與輸入電壓相等的狀態下，轉換器通過開關組件與儲能組件將輸入的功率轉移至輸出。如果能僅用開關組件導通輸入至輸出的電壓轉換路徑，則電壓轉換的效能必可大幅提升。唯一剩下需要考量的僅是輸出入瞬時變化的問題，然而這個問題是所有轉換器設計廠商目前仍然在解決的課題。
因此，在設計人多方評估下完成本發明的一特殊反饋方式的控制器，可以在不過分犧牲效能之下，改善目前現有技術，達到高效率且快速反應的目的。此外，本發明在電性匹配上，亦能利用目前以浮壓驅動方式的金屬氧化物電晶體閘極驅動器，進而提升輸出功率至數佰瓦特。


圖1為現有的反激式(flyback)升降壓控制器的示意圖；圖2為現有的串聯式(cascade)升降壓控制器的示意圖；圖3為本發明的電壓轉換器中的開關組件模塊；圖4為本發明的電壓轉換器中的開關組件模塊；圖5為本發明具有特殊的分壓器與雙反饋線路的示意圖；圖6為本發明的脈波寬度調變控制器；圖7為本發明的較佳實例中訊號的時序圖。
具體實施例方式
本發明的反饋適應式升降壓控制裝置，為一脈波寬度調變控制器(PWM controller)運用於一種直流/直流電壓轉換器，通過僅使用開關組件，使得輸入端至輸出端的導通效能提升。該轉換器的開關組件模塊20，如圖3和4所示，包含有一第一電晶體21，提供接收該輸入端Vin電壓的途徑、一第二電晶體22，提供接地的途徑、一第一節點25，電性連結該第一電晶體21與該第二電晶體22、一第三電晶體23，提供通往該輸出端Vout的途徑、一第四電晶體24，提供接地的途徑、一第二節點26，電性連結該第三電晶體23與該第四電晶體24及一橋接電感組件27，電性連結該第一節點25與該第二節點26。
藉由控制器的一PWM訊號28，第一電晶體21與第二電晶體22的電壓電平相反。同理，藉由控制器的另一PFM訊號29，第三電晶體23與第四電晶體24的電壓電平相反。如此，通過第一電晶體21與第三電晶體23同時為ON時，第二電晶體22與第四電晶體24則同為OFF，於是經由第一電晶體21、第一節點25、橋接電感組件27、第二節點26與第三電晶體23構成一從輸入端至輸出端功率移轉的途徑。
如圖5所示，本發明的轉換器位於輸出端Vout與控制器31之間具有一雙路徑(dual-path)反饋電路30，該雙路徑反饋電路30包括有一第一電阻32，電性連結轉換器的輸出端Vout與一第三節點35、一第二電阻33，電性連結該第三節點35與一第四節點36、一第三電阻34，電性連結第四節點36與接地。此外，由第一電阻32、第二電阻33及第三電阻34形成的一分壓器(voltage divider)。
其中，第三節點35通過分壓器的分壓作用而獲得一FB+分壓，該FB+分壓訊號經由該雙路徑的一途徑37回返至控制器，同時，第四節點36亦通過分壓作用而獲得一FB-分壓，該FB-分壓訊號經由雙路徑的另一途徑38回返至控制器。
本發明的脈波寬度調變控制器，通過參考雙路徑反饋電路的雙反饋訊號、定時器(counter)的運用和脈波寬度調變訊號的工作周率(duty rate)的持續調整，可以得到所期待的模擬(analog)輸出訊號電平(level)，且輸入端至輸出端的轉換效能與現有技術相比也提升了。如圖6所示，該脈波寬度調變控制器包括有一第一緩衝器51，其輸入端接收該升降壓直流轉換器的一FB+反饋訊號，經過延遲一緩衝器的反應時間後輸出、一第二緩衝器52，其輸入端接收該升降壓直流轉換器的一FB-反饋訊號，經過延遲一緩衝器的反應時間後輸出、一第一比較器53，其負輸入端接收來自第一緩衝器51輸出的緩衝的訊號，並且其正輸入端電性連結至一參考電壓，在經由正負輸入端電壓電平比較後輸出一訊號、一第二比較器54，其負輸入端接收來自第二緩衝器52輸出的緩衝的訊號，並且其正輸入端電性連結至該參考電壓，在經由正負輸入端電壓電平比較後輸出一訊號、一第一PWM控制邏輯單元55，其輸入端接收來自第一比較器的輸出訊號，依據一控制模式而由其輸出端提供一脈波寬度調變訊號PWM至該升降壓直流轉換器、一第二PFM控制邏輯單元56，其輸入端接收來自第二比較器的輸出訊號，且其連結端具有與第一PWM控制邏輯單元55的連結端相互連結的功能，依據一與第一PWM控制邏輯單元55相同的控制模式，而由其輸出端提供一脈波寬度調變訊號PFM至該升降壓直流轉換器、及一充電定時器單元57，提供控制器所需的充電時脈和使電容器持續充電。
如圖7所示，其中當該轉換器的狀態為升壓(buck status)40A，即輸入端電壓Vin大於輸出端電壓Vo(Vin＞Vo)時，PWM訊號中高電平(ON)逐漸加長，即更多的輸入功率轉移至輸出，該PFM訊號始終位於高電平(ON)，即第三電晶體23總是處於等待接通的狀態，僅充電時瞬間降至低電平(OFF)且與此用為充電的充電時脈(reflash)同步。同時，相對於一參考電壓(Vref)，該FB-訊號電壓高於該FB+訊號電壓。其次，當該轉換器的狀態為導通(short status)40B，即輸入端電壓Vin等於輸出端電壓Vo(Vin＝Vo)時，該PWM訊號與該PFM訊號皆位於高電平，即輸入端以最大功率轉移至輸出端，僅充電時瞬間降至低電平且與該充電時脈同步。另外，當該轉換器的狀態為導通(short status)40C，即輸入端電壓Vin小於輸出端電壓Vo(Vin＜Vo)時，PFM訊號中高電平(ON)逐漸減短，PWM訊號始終位於高電平，僅充電時瞬間降至低電平且與該充電時脈同步。
權利要求
1.一種升降壓直流轉換器，通過控制開關組件組成的串聯轉換器，可以得到穩定的輸出電壓，使得輸入端至輸出端的轉換效能提升，該轉換器至少包括一第一電晶體，提供接收該輸入端電壓的途徑；一第二電晶體，提供接地的途徑；一第一節點，電性連結該第一電晶體與該第二電晶體；一第三電晶體，提供通往該輸出端的途徑；一第四電晶體，提供接地的途徑；一第二節點，電性連結該第三電晶體與該第四電晶體；及一橋接電感組件，電性連結該第一節點與該第二節點；其中，一脈波寬度調變控制器的一PWM訊號控制該第一電晶體與該第二電晶體，以及通過該脈波寬度調變控制器的一PFM訊號控制該第三電晶體與該第四電晶體。
2.如權利要求1所述的升降壓直流轉換器，其中當該第一電晶體與該第二電晶體藉由調整該脈波寬度調變控制器的該PWM訊號，使得該第一電晶體與該第二電晶體的電壓電平相反。
3.如權利要求1所述的升降壓直流轉換器，其中該第三電晶體與該第四電晶體藉由調整該脈波寬度調變控制器的該PFM訊號，使得該第三電晶體與該第四電晶體的電壓電平相反。
4.如權利要求1所述的升降壓直流轉換器，其中該轉換器的該輸出端電壓與該脈波寬度調變控制器之間具有一反饋電路。
5.如權利要求1所述的升降壓直流轉換器，其中該轉換器的該輸出端電壓與該脈波寬度調變控制器之間具有一雙路徑反饋電路，該雙路徑反饋電路包括一第一電阻，電性連結該轉換器的輸出端與一第三節點；一第二電阻，電性連結該第三節點與一第四節點；一第三電阻，電性連結該第四節點與接地；及一由該第一、該第二及該第三電阻形成的一分壓器；其中，該第三節點通過該分壓器的分壓作用而獲得一FB+反饋訊號，該FB+反饋訊號經由該雙路徑的一途徑回返至該脈波寬度調變控制器，同時，該第四節點通過該分壓器的分壓作用而獲得一FB-反饋訊號，該FB-反饋訊號經由該雙路徑的另一途徑回返至該脈波寬度調變控制器。
6.一種控制升降壓直流轉換器的脈波寬度調變控制器，通過參考該升降壓直流轉換器的反饋訊號、定時器的運用和波幅調變訊號的工作周率的持續調整，可以得到所期待的輸出模擬反饋訊號電平，使得輸入端至輸出端的轉換效能提升，該脈波寬度調變控制器包括一第一緩衝器，其輸入端接收該升降壓直流轉換器的一FB+反饋訊號，在經過延遲處理後輸出緩衝的該FB+反饋訊號；一第二緩衝器，其輸入端接收該升降壓直流轉換器的一FB-反饋訊號，在經過延遲處理後輸出緩衝的該FB-反饋訊號；一第一比較器，其負輸入端接收來自該第一緩衝器的緩衝的該FB+反饋訊號，並且其正輸入端電性連結至一參考電壓，在經由輸出端提供一第一相位訊號；一第二比較器，其負輸入端接收來自該第二緩衝器的緩衝的該FB-反饋訊號，並且其正輸入端電性連結至該參考電壓，在經由輸出端提供一第二相位訊號；一第一脈波寬度調變與控制邏輯單元，其輸入端接收來自該第一比較器的該第一相位訊號，依據一控制模式而由其輸出端提供一脈波寬度調變訊號PWM至該升降壓直流轉換器；一第二脈波寬度調變與控制邏輯單元，其輸入端接收來自該第二比較器的該第二信位訊號，且其連結端具有與該第一脈波寬度調變與控制邏輯單元的連結端相互連結的功能，依據該控制模式而由其輸出端提供一脈波寬度調變訊號PFM至該升降壓直流轉換器；及一充電定時器單元，提供控制器所需的時脈和電容器的持續充電。
7.如權利要求6所述的脈波寬度調變控制器，其中該控制模式為該升降壓直流轉換器的該輸入端電壓大於該輸出端電壓時，該脈波寬度調變控制器即調整該PWM訊號，使得高電平逐漸加長，該PFM訊號始終位於高電平，僅充電時瞬間降至低電平且與一充電時脈同步，同時，相對於一參考電壓，該FB-反饋訊號的電壓高於該FB+反饋訊號的電壓。
8.如權利要求6所述的脈波寬度調變控制器，其中該控制模式為該轉換器的該輸入端電壓等於其該輸出端電壓時，該脈波寬度調變控制器即維持該PWM訊號與該PFM訊號位於高電平，僅充電時瞬間降至低電平且與該充電時脈同步，同時，相對於該參考電壓，該FB-反饋訊號的電壓高於該FB+反饋訊號的電壓。
9.如權利要求6所述的脈波寬度調變控制器，其中該控制模式為該轉換器的輸入端電壓小於該輸出端電壓時，該脈波寬度調變控制器即調整該PFM訊號，使得高電平逐漸減短，該PWM訊號始終位於高電平，僅充電時瞬間降至低電平且與該充電時脈同步，同時，相對於該參考電壓，該FB-反饋訊號的電壓高於該FB+反饋訊號的電壓。
全文摘要
本發明為一種升降壓直流轉換器以及脈波寬度調變控制器，該脈波寬度調變控制器(PWM controller)，適用於一種直流/直流電壓轉換器與一交換式電源供應系統的電壓轉換器上，通過僅使用非儲能的開關組件，特殊的分壓器與雙反饋線路的設計轉換器的開關組件模塊(20)，如，使得目前現有技術在輸入電壓等於輸出電壓狀態下，轉換效率的瓶頸與反應速度均能相當的提升。
文檔編號H02M3/28GK1728522SQ20041007114
公開日2006年2月1日 申請日期2004年7月28日 優先權日2004年7月28日
發明者洪清財, 周重甫 申請人:豐昱科技股份有限公司