CN102761260B - 以低压驱动的升压电路与相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以低压驱动的升压电路与相关方法；升压电路包括一电感、一二极管、一电容、一第一开关与一第二开关。第二开关耦接于第一开关与二极管的阳极之间。第一开关依据一开关信号选择性地导通，第二开关随第一开关的导通而导通。

Description

以低压驱动的升压电路与相关方法

技术领域

本发明是有关于一种低压驱动的升压电路与相关方法，且特别是有关于一种设置迭接开关晶体管而可使用低电压开关信号控制的低压驱动升压电路与相关方法。

背景技术

升压电路用以将一较低的直流电压升高为一较高的直流电压，广泛用于各种需要高电压的应用。

请参照图1，其示意了一已知升压电路10。升压电路10设有一电感L0、一二极管D0、一晶体管M0与一电容C0，用以将较低的直流电压Vi升压为节点nd4的较高直流电压Vo。晶体管M0为开关晶体管，其栅极受控于一开关信号sw1，依据开关信号sw1选择性地在节点nd3与地端电压GND之间导通。图1也示意了开关信号sw1的波形时序，其横轴为时间，纵轴为信号的电压大小。开关信号sw1可以依照一周期T周期性地控制晶体管M0；在每一周期T内，开关信号sw1在时段Ton中以电压Vi0使晶体管M0导通，其余时间则以地端电压GND使晶体管M0关闭不导通。

当晶体管M0导通时，节点nd3被导通至地端电压GND，电压Vi会在电感L0中充入磁能。当开关信号sw1使晶体管M0关闭而停止导通时，电感L0的磁能就能经由顺向导通的二极管D0释放至电容C0，以在节点nd4支持电压Vo，使电压Vo得以高于电压Vi。时段Ton与周期T的比值(即所谓的工作周期，dutycycle)可控制电压Vo与电压Vi间的比值；时段Ton的时间长短越接近周期T，控制电压Vo就越高。举例而言，电压Vi可以是12伏特；经由开关信号sw1的工作周控制，电压Vo可以为60伏特。

不过，当晶体管M0不导通时，节点nd3的电压会是二极管D0的跨压加上电压Vo，使晶体管M0在节点nd3的漏极电压将会超过电压Vo；此时，由于晶体管M0的漏极电压与栅极电压均等于地端电压GND，故晶体管M0的各极间需承受很大的电压差异。因此，晶体管M0必须是一个具有高额定电压(voltagerating)、能耐受高电压的功率晶体管。然而，高额定晶体管M0要被驱动导通时，其临限电压也较高。为因应晶体管M0的较高临限电压，开关信号sw1在时段Ton中也需要以较高的电压Vi0才足以使晶体管M0导通。举例而言，在电压Vi与Vo分别为12与60伏特的应用中，晶体管M0的临限电压会是5伏特或更高。

升压电路10会搭配一控制芯片14以控制电压Vo的大小；控制芯片14会调整开关信号sw1的工作周期(与频率)，藉此控制电压Vo。然而，由于开关信号sw1所需的电压Vi0已经超过控制芯片14能输出的信号电压，故控制芯片14无法直接控制升压电路10。在控制芯片14所能输出的开关信号sw0中，其信号大小只能在电压VH与GND间变化，但电压VH未超越晶体管M0的临限电压，不足以使晶体管M0导通。

因此，已知升压电路10还需搭配一电位位移器12。电位位移器12运作于电压Vi0与地端电压GND之间，设有电阻Rp1、Rp2与Rp3以及晶体管Q1、Q2与Q3，以将节点nd1的低电压开关信号sw0转换为节点nd2的高电压开关信号sw1。经由电位位移器12的运作，开关信号sw1才能用较高的电压Vi0(高于电压VH)来导通晶体管M0。举例而言，为了在电压Vo为60伏特的应用中具有足够的额定，晶体管M0临限电压会增加至5伏特以上，但在控制芯片14输出的开关信号sw0中，电压VH只有3伏特，不足以直接驱动晶体管M0。是故，已知技术需运用电位位移器12，以将开关信号sw1的电压Vi0提升至12伏特。

因为已知升压电路10需搭配电位位移器12，故图1已知升压技术需使用较多的电路元件，占用较大的电路面积，也增加升压技术的成本。再者，较多的电路元件会因电阻电容延迟效应导致反应时间变慢；当开关信号sw0输入电位位移器12，于输出端产生的开关信号sw1的脉冲上升沿和下降沿就会因此发生延迟，影响开关信号sw1的响应速度，使其无法快速地在电压Vi0与GND之间切换；连带地，周期T无法缩短，开关信号sw1的频率也就无法提高。

在以电感搭配开关晶体管的升压技术中，以高频开关信号驱动开关晶体管进行高频切换能带来许多优点；举例而言，电感的尺寸可以缩减，电磁干扰(EMI)可以降低，能量运用的效率也能提升。然而，图1已知升压技术无法适用高频切换。较佳的开关信号频率在百万赫兹左右，但图1已知技术的开关信号频率只能达到数十千个赫兹。

再者，当晶体管M0在导通与关闭间切换时，节点nd3的电压变化情形也不利于高频切换。在晶体管M0的栅极与漏极间有寄生的电容Cgd，如图1所示。当晶体管M0导通时，在电容Cgd的两端，节点nd2与nd3的电压分别为电压Vi0与电压GND；当晶体管M0不导通时，节点nd2的电压转变为电压GND，节点nd3的电压则要转变至超过电压Vo。举例而言，在Vo为60伏特的例子中，当晶体管M0由导通切换至关闭时，节点nd3的电压要由地端电压GND的0伏特升高至超过60伏特。也就是说，当晶体管M0切换时，节点nd2与nd3间的电压差有剧烈的变化；开关信号sw1需要耗费较长的时间对电容Cgd充放电才能达成此变化，进而达成驱动晶体管M0的切换。这也成为已知升压技术无法高频切换的原因之一。

发明内容

本发明提供一种升压电路与相关方法，以改善已知技术的缺点，实现电路精简、可以高频切换的升压技术。

本发明的目的是提供一种以低压驱动的升压电路，设有一电感、一二极管、一电容、一第一开关与一第二开关。电感耦接于一第一电压与一第一节点之间，二极管的阳极与阴极分别耦接第一节点与一第二节点。电容耦接第二节点。第一开关可以包括一第一晶体管，具有第一漏极、第一源极与第一栅极，分别耦接第一开关的一第一通道端、一第二通道端与一第一控制端。第一控制端耦接一开关信号，第一开关依据开关信号选择性地在第一通道端与第二通道端间导通。第二开关可以包括一第二晶体管，具有第二漏极、第二源极与第二栅极，分别耦接第二开关的一第三通道端、一第四通道端与一第二控制端。第三通道端、第四通道端与第二控制端又分别耦接第一节点、第丨通道端与一第二电压。当第一开关于第一通道端与第二通道端间导通时，第二开关于第三通道端与第四通道端间导通；当第一开关停止于第一通道端与第二通道端间导通，第二开关停止于第三通道端与第四通道端间导通。

第二电压可以是一直流电压，且可以等于第一电压。当第一栅极与第一源极间的跨压大于一第一临限电压时，第一晶体管于第一漏极与第一源极间导通。当第二栅极与第二源极间的跨压大于一第二临限电压时，第二晶体管于第二漏极与第二源极间导通。当第一开关停止于第一通道端与第二通道端间导通时，第二开关使第一通道端的电压小于第二电压。因此，第一晶体管可以是低额定、低临限电压的晶体管，亦即，第一临限电压可以小于第二临限电压。所以，第一晶体管可直接受控于控制芯片的低电压开关信号。

配合控制芯片，升压电路中可增设一电压检测电路及/或一电流检测电路。电压检测电路依据第二节点的电压而于一分压节点提供一电压检测信号。举例而言，电压检测电路中可设置一第一电阻与一第二电阻，第一电阻耦接于第二节点与分压节点之间，第二电阻耦接于分压节点与地端电压之间。电流检测电路耦接于第一开关，依据第二通道端的电流提供一电流检测信号；举例而言，电流检测电路可以设置一电阻，耦接于第二通道端与一地端电压之间，使第二通道端的电流大小关联于第二通道端的电压，而第二通道端的电压即可作为电流检测信号。电压检测信号与电流检测信号可传输至控制芯片，让控制芯片据以调整开关信号的时序(如工作周期及/或频率)，以反馈控制升压电路于第二节点的输出电压。

本发明的又一目的是提供一种以低压控制/驱动一升压电路的方法。升压电路接收一第一电压以提供一输出电压，并设有一第二晶体管，此第二晶体管具有一第二栅极与一第二源极。而该方法包括：提供一第一晶体管，其具有一第一栅极与一第一漏极，而第一漏极耦接第二源极；并且，以芯片提供一低压开关信号至第一栅极，以选择性地导通第一晶体管；当开关信号使第一晶体管与该第二晶体管不导通，致使输出电压高于第一电压。再者，使第二栅极耦接至一第二电压，第二电压可以是一直流电压，亦可以等于第一电压。为进行反馈控制，可以提供一电压检测电路，耦接升压电路提供输出电压的第二节点，依据输出电压提供一电压检测信号，并以芯片接收此电压检测信号。以及/或者，提供一电流检测电路，耦接第一晶体管，依据第一漏极的电流提供一电流检测信号，并以芯片接收电流检测信号。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1绘示了一已知升压电路。

图2是依据本发明一实施例的升压电路。

图3是依据本发明另一实施例的升压电路。

主要元件符号说明

10、20、30：升压电路

12：电位位移器

14、36：芯片

22、24：开关

32：电压检测电路

34：电流检测电路

Vi0、Vi、Vi2、Vo、VH、GND、Vn4、Vn5：电压

nd1-nd4、n1-n5：节点

Q1-Q3、M0-M2：晶体管

D0、D：二极管

C0、C、Cc、Cgd：电容

L0、L：电感

Rp1-Rp3、R1-R3：电阻

sw0-sw1、sw：开关信号

Ton：时段

T：周期

具体实施方式

请参考图2，其所示意的是依据本发明一实施例的升压电路20。升压电路20汲取电压Vi而于节点n2提供一输出电压Vo。升压电路20设有一电感L、一二极管D、一电容C与两开关22与24。

在升压电路20中，电感L耦接于电压Vi与节点n1之间。二极管D可以是一肖特基二极管(Schottkydiode)，其阳极与阴极分别耦接节点n1与节点n2。电容C耦接于节点n2与地端电压GND之间。开关22可用晶体管M1实现；晶体管M1可以是一n通道金氧半晶体管，其漏极、源极与栅极作为开关22的两通道端与一控制端，分别耦接节点n3、n4与开关信号sw，使开关22得以依据开关信号sw而选择性地在节点n3与n4间导通。另一开关24可用晶体管M2实现；晶体管M2可以是一n通道金氧半晶体管，其漏极、源极与栅极为开关24的两通道端与一控制端，分别耦接节点n1、n3与一电压Vi2。电压Vi2可以是一直流电压；在一实施例中，电压Vi2可以等于电压Vi。

在一实施例中，晶体管M1可以是一额定电压较低、面积较小、临限电压较低的晶体管；晶体管M2可以是一额定电压较高、临限电压较大的功率晶体管。由于晶体管M1的临限电压较低，可以直接用低电压的开关信号控制其导通。

升压电路20的运作可描述如下。晶体管M1受控于开关信号sw；当开关信号sw使晶体管M1导通时，晶体管M1将节点n3导通至节点n4的地端电压GND。对晶体管M2而言，其源极于节点n3的电压被导通至地端电压GND，但其栅极维持电压Vi2，故其栅极与源极间跨压足以超越晶体管M2的临限电压，使晶体管M2也随晶体管M1一起导通，将节点n1导通至地端电压GND。如此，电压Vi就会在电感L中充入磁能。

当开关信号sw使晶体管M1关闭不导通时，节点n3不再导通于地端电压GND。晶体管M2会向节点n3充电，使节点n3的电压上升；随着节点n3的电压上升，晶体管M2的栅极与源极间跨压也会逐渐减少。当晶体管M2的栅极与源极间跨压小于晶体管M2的临限电压，晶体管M2就会关闭而停止导通。如此，电感L中的磁能就能经由二极管D而释放，以在节点n2支持电压Vo，达成升压的目的。

在一实施例中，电压Vi与Vi2可以等于12伏特；配合开关信号sw的工作周期设定，电压Vo则可以高达60伏特。因此，晶体管M2可以是一高额定电压的功率晶体管，足以承受节点n1的高电压。对晶体管M2而言，当晶体管M1将节点n3导通至地端电压GND时，晶体管M2的栅极电压Vi2(如12伏特)足以超越晶体管M2的临限电压(例如是5伏特)，使晶体管M2能被顺利导通。

再者，由于晶体管M1被迭接于晶体管M2的源极之下，晶体管M1在节点n3的漏极不必承受电压Vo的高电压。当晶体管M2与M1不导通时，节点n3的电压会低于电压Vi2(如12伏特)，故晶体管M1不需要是高额定的功率晶体管；晶体管M1可以是一个面积小、低额定的晶体管，故其临限电压也较低。因为晶体管M1的临限电压较低，故可直接用低电压的开关信号sw控制其导通。举例而言，开关信号sw可以是直接由控制芯片输出的信号；例如，开关信号sw是在0伏特与3伏特间切换的信号。如此，控制芯片就可以直接经由低压驱动之晶体管M1与高压驱动的晶体管M2组合控制升压的运作，不需经由电位位移器等电路才能控制升压电路的运作。

由于本发明升压技术可以不再需要电位位移器，故可施用高频切换，让升压电路20得以体现高频切换的各种优点。再者，本发明升压电路的电路架构设计也有助于高频切换的实现。当晶体管M1由导通切换为关闭时，其在节点n3的漏极电压不会高于电压Vi2(如12伏特)，远小于电压Vo(如60伏特)。也就是说，当晶体管M1在导通与关闭间切换时，其漏极电压的变化不大。因此，对晶体管M1而言，其栅极漏极寄生电容上的米勒效应(Millereffect)会减轻；开关信号sw可以快速地对晶体管M1的栅极漏极寄生电容完成必要的充放电，让晶体管M1可以快速地在导通与关闭之间切换，进而实现高频切换的升压。

请参考图3，其是依据本发明另一实施例的升压电路30。升压电路30可直接受控于一芯片36；芯片36可以是一控制芯片或驱动芯片。类似图2升压电路20，升压电路30设有电感L、二极管D、电容C以及作为开关的晶体管M1与M2，以汲取电压Vi而提供输出的电压Vo；升压电路30的升压运作可由升压电路20的原理类推而得，于此不再赘述。

如图3所示，升压电路30直接受控于芯片36所输出的开关信号sw。为配合芯片36对升压运作的控制，升压电路30可设置一电压检测电路32及一电流检测电路34。电压检测电路32依据电压Vo而提供一电压检测信号，以反应电压Vo的大小。在图3的实施例中，电压检测电路32设有两电阻R1、R2与一电容Cc；电阻R1耦接于节点n2与n5之间，电阻R2耦接于节点n5与地端电压GND之间，电容Cc亦耦接于节点n5与地端电压GND之间。电阻R1与R2间的节点n5可视为一分压节点，两者对电压Vo分压，而节点n5的电压Vn5就可以作为一电压检测信号，以反应电压Vo的电压大小。电压Vn5可以传输至芯片36，以作为反馈控制的依据；电容Cc则用以维持反馈系统的稳定度。

电流检测电路34耦接于晶体管M1，依据晶体管M1的电流提供一电流检测信号。在图3的实施例中，电流检测电路34中设有一电阻R3，耦接于节点n4与地端电压GND之间，使晶体管M1的电流大小关联于节点n4的电压Vn4，而电压Vn4即可作为电流检测信号。电压Vn4亦可传输至芯片36，作为反馈控制的另一个依据。

依据电压Vn5与Vn4的电压检测信号与电流检测信号，芯片36可据以调整开关信号sw的时序(如工作周及/或频率)，藉此反馈控制升压电路30的升压运作(如电压Vo的大小)。

总结来说，相较于已知升压电路与升压技术，本发明升压电路采用二重开关晶体管迭接的架构，故本发明升压电路可直接受控于芯片的开关信号，不仅能节省升压运作的成本与电路面积，还能提高升压开关频率，实现高频切换。本发明升压技术适用于各种需要高电压的应用，例如说是用来驱动显示面板的发光二极管串(LEDstring)。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当由权利要求书所界定为准。

Claims (15)

1.一种以低压驱动的升压电路，包含：

一电感，耦接于一第一电压与一第一节点之间；

一二极管，具有一阳极与一阴极，该阳极耦接该第一节点，该阴极耦接一第二节点；

一电容，耦接该第二节点；

一第一开关，具有一第一通道端、一第二通道端与一第一控制端；该第一控制端耦接一开关信号，该第一开关依据该开关信号选择性地在该第一通道端与该第二通道端间导通；

一第二开关，具有一第三通道端、一第四通道端与一第二控制端，分别耦接该第一节点、该第一通道端与一第二电压，其中，当该第一开关于该第一通道端与该第二通道端间导通时，该第二开关于该第三通道端与该第四通道端间导通；当该第一开关停止于该第一通道端与该第二通道端间导通，该第二开关停止于该第三通道端与该第四通道端间导通；

其中该第一开关包含一第一晶体管，具有一第一漏极、一第一源极与一第一栅极，分别耦接该第一通道端、该第二通道端与该第一控制端；当该第一栅极与该第一源极间的跨压大于一第一临限电压时，该第一晶体管于该第一漏极与该第一源极间导通；该第二开关包含一第二晶体管，该第二晶体管具有一第二漏极、一第二源极与一第二栅极，分别耦接该第三通道端、该第四通道端与该第二控制端；当该第二栅极与该第二源极间的跨压大于一第二临限电压时，该第二晶体管于该第二漏极与该第二源极间导通；其中该第一临限电压小于该第二临限电压，该第一临限电压低至令该第一晶体管能够被该第一栅极与该第一源极间3伏特的跨压导通，该第二临限电压等于5伏特。

2.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，该第二电压是一直流电压。

3.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，该第二电压等于该第一电压。

4.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，当该第一开关停止于该第一通道端与该第二通道端间导通时，该第二开关使该第一通道端的电压小于该第二电压。

5.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，还包含：

一电压检测电路，依据该第二节点的电压而于一分压节点提供一电压检测信号。

6.如权利要求5所述的升压电路，其特征在于，该电压检测电路包含一第一电阻与一第二电阻，该第一电阻耦接于该第二节点与该分压节点之间，该第二电阻耦接于该分压节点与一地端电压之间。

7.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，还包含：

一电流检测电路，耦接于该第一开关，依据该第二通道端的电流提供一电流检测信号。

8.如权利要求7所述的升压电路，其特征在于，该电流检测电路包含一电阻，耦接于该第二通道端与一地端电压之间。

9.一种以低压驱动一升压电路的方法，该升压电路接收一第一电压以提供一输出电压，并包含有一第二晶体管，该第二晶体管具有一第二栅极与一第二源极；而该方法包含：

提供一第一晶体管，具有一第一栅极、一第一源极与一第一漏极，该第一漏极耦接该第二源极；以及

提供一低压开关信号至该第一栅极，以选择性地导通该第一晶体管，当第一晶体管导通时，该第二晶体管导通，当该第一晶体管停止导通时，该第二晶体管停止导通，当该低压开关信号使第一晶体管与该第二晶体管不导通，致使该输出电压高于该第一电压，其中该第一晶体管具有第一临限电压，该第二晶体管具有第二临限电压，该第一临限电压小于该第二临限电压，该第一临限电压低至令该第一晶体管能够被该第一栅极与该第一源极间3伏特的跨压导通，该第二临限电压等于5伏特。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该低压开关信号是由一芯片所提供。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包含：

使该第二栅极耦接至一第二电压。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该第二电压等于该第一电压。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该第二电压是一直流电压。

14.如权利要求10所述的方法，其特征在于该升压电路于一第二节点提供该输出电压，而该方法还包含：

提供一电压检测电路，耦接该第二节点，依据该输出电压提供一电压检测信号；以及

以该芯片接收该电压检测信号。

15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包含：

提供一电流检测电路，耦接于该第一晶体管，依据该第一漏极的电流提供一电流检测信号；以及

以该芯片接收该电流检测信号。