CN113258755B

CN113258755B - 升压转换器

Info

Publication number: CN113258755B
Application number: CN202010090687.8A
Authority: CN
Inventors: 詹子增
Original assignee: Acer Inc
Current assignee: Acer Inc
Priority date: 2020-02-13
Filing date: 2020-02-13
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2040-02-13
Also published as: CN113258755A

Abstract

一种升压转换器，包括：一第一电感器、一功率切换器、一调整电路，以及一输出级电路。第一电感器是用于接收一输入电位。功率切换器内建一寄生电容器。功率切换器是根据一时钟电位来选择性地将第一电感器耦接至一接地电位。输出级电路是用于产生一输出电位。调整电路包括一第二电感器、一第三电感器，以及一限流路径。第二电感器是耦接至第一电感器和功率切换器。第三电感器是经由限流路径耦接至输出级电路。第一电感器、第二电感器，以及第三电感器是互相耦合，以形成一等效变压器。

Description

升压转换器

技术领域

本发明涉及一种升压转换器，特别涉及一种高输出效率的升压转换器。

背景技术

在传统升压转换器中，各切换器往往具有非理想的寄生电容，故当切换器由禁能状态转为使能状态时，其通常无法达成完美的零电压切换(Zero Voltage Switching，ZVS)操作，并导致升压转换器的输出效率变低。有鉴于此，势必要提出一种全新的解决方案，以克服现有技术所面临的困境。

发明内容

在优选实施例中，本发明提出一种升压转换器，包括：一第一电感器，用于接收一输入电位；一功率切换器，内建一寄生电容器，其中该功率切换器是根据一时钟电位来选择性地将该第一电感器耦接至一接地电位；一输出级电路，用于产生一输出电位；以及一调整电路，包括一第二电感器、一第三电感器，以及一限流路径，其中该第二电感器是耦接至该第一电感器和该功率切换器，而该第三电感器是经由该限流路径耦接至该输出级电路；其中该第一电感器、该第二电感器，以及该第三电感器是互相耦合，以形成一等效变压器。

在一些实施例中，该第一电感器和该第二电感器是位于该等效变压器的同一侧，而该第三电感器是位于该等效变压器的相对另一侧。

在一些实施例中，该等效变压器是用于平衡该寄生电容器的充电及放电操作，使得该寄生电容器所存储的电荷量大致维持为零。

在一些实施例中，该第一电感器具有一第一端和一第二端，该第一电感器的该第一端是耦接至一输入节点以接收该输入电位，而该第一电感器的该第二端是耦接至一第一节点。

在一些实施例中，该功率切换器包括：一晶体管，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中该晶体管的该控制端是用于接收该时钟电位，该晶体管的该第一端是耦接至该接地电位，而该晶体管的该第二端是耦接至该第一节点。

在一些实施例中，该寄生电容器具有一第一端和一第二端，该寄生电容器的该第一端是耦接至该第一节点，而该寄生电容器的该第二端是耦接至该接地电位。

在一些实施例中，该输出级电路包括：一第一二极管，具有一阳极和一阴极，其中该第一二极管的该阳极是耦接至该第一节点，而该第一二极管的该阴极是耦接至一输出节点以输出该输出电位；以及一电容器，具有一第一端和一第二端，其中该电容器的该第一端是耦接至该输出节点，而该电容器的该第二端是耦接至该接地电位。

在一些实施例中，该第二电感器具有一第一端和一第二端，该第二电感器的该第一端是耦接至该第一节点，而该第二电感器的该第二端是耦接至该接地电位。

在一些实施例中，该第三电感器具有一第一端和一第二端，该第三电感器的该第一端是耦接至一第二节点，而该第三电感器的该第二端是耦接至该接地电位。

在一些实施例中，该限流路径包括：一电阻器，具有一第一端和一第二端，其中该电阻器的该第一端是耦接至该第二节点，而该电阻器的该第二端是耦接至一第三节点；以及一第二二极管，具有一阳极和一阴极，其中该第二二极管的该阳极是耦接至该第三节点，而该第二二极管的该阴极是耦接至该输出节点。

附图说明

图1是显示根据本发明一实施例所述的升压转换器的示意图。

图2是显示根据本发明一实施例所述的升压转换器的示意图。

图3是显示根据本发明一实施例所述的升压转换器的电位波形图。

图4是显示根据本发明一实施例所述的升压转换器的电流波形图。

其中，附图标记说明如下：

100、200～升压转换器；

110、210～功率切换器；

130、230～调整电路；

140、240～限流路径；

150、250～输出级电路；

160、260～等效变压器；

C1～电容器；

CP1～寄生电容器；

D1～第一二极管；

D2～第二二极管；

ID1～电流；

L1～第一电感器；

L2～第二电感器；

L3～第三电感器；

M1～晶体管；

N1～第一节点；

N2～第二节点；

N3～第三节点；

NIN～输入节点；

NOUT～输出节点；

R1～电阻器；

VA～时钟电位；

V1～第一电压；

V2～第二电压；

V3～第三电压；

VIN～输入电位；

VOUT～输出电位；

VP～寄生电压；

VSS～接地电位。

具体实施方式

为让本发明的目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出本发明的具体实施例，并配合附图，作详细说明如下。

在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”及“包括”一词为开放式的用语，故应解释成“包含但不仅限定于”。“大致”一词则是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，达到所述基本的技术效果。此外，“耦接”一词在本说明书中包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接至一第二装置，则代表该第一装置可直接电性连接至该第二装置，或经由其它装置或连接手段而间接地电性连接至该第二装置。

图1是显示根据本发明一实施例所述的升压转换器100的示意图。升压转换器100可应用于一移动装置，例如：台式电脑、笔记本电脑，或一体成形电脑。如图1所示，升压转换器100包括：一第一电感器L1、一功率切换器110、一调整电路130，以及一输出级电路150，其中功率切换器110内建一寄生电容器CP1，而调整电路130包括一第二电感器L2、一第三电感器L3，以及一限流路径140。必须注意的是，虽然未显示于图1中，但升压转换器100还可包括其他元件，例如：一稳压器或(且)一负反馈电路。

第一电感器L1可视为升压转换器100的一升压电感器。第一电感器L1是用于接收一输入电位VIN。输入电位VIN可来自一外部电源，其中输入电位VIN可为具有任意频率和任意振幅的一交流电位。例如，交流电位的频率可约为50Hz或60Hz，而交流电位的方均根值可约为110V或220V。在另一些实施例中，输入电位VIN亦可改为一直流电位，其电位电平可介于90V至264V之间。功率切换器110可根据一时钟电位VA来选择性地将第一电感器L1耦接至一接地电位VSS(例如：0V)。例如，若时钟电位VA为高逻辑电平(例如：逻辑“1”)，则功率切换器110即将第一电感器L1耦接至接地电位VSS(亦即，功率切换器110可近似于一短路路径)；反之，若时钟电位VA为低逻辑电平(例如：逻辑“0”)，则功率切换器110不会将第一电感器L1耦接至接地电位VSS(亦即，功率切换器110可近似于一开路路径)。功率切换器110的二端之间的总寄生电容可模拟为前述的寄生电容器CP1，其并非一外部独立元件。时钟电位VA于升压转换器100初始化时可维持于一固定电位，而在升压转换器100进入正常使用阶段后则可提供周期性的时钟波形。调整电路130是耦接于功率切换器110和输出级电路150之间，其可用于补偿功率切换器110的寄生电容器CP1。详细而言，在调整电路130中，第二电感器L2是耦接至第一电感器L1和功率切换器110，而第三电感器L3是经由限流路径140耦接至输出级电路150。输出级电路150是用于产生一输出电位VOUT。输出电位VOUT可为一直流电位，其中输出电位VOUT的电位电平是高于输入电位VIN的最大值。必须注意的是，在升压转换器100中，第一电感器L1、第二电感器L2，以及第三电感器L3是互相耦合，以形成一等效变压器160，其中第一电感器L1和第二电感器L2可位于此等效变压器160的同一侧，而第三电感器L3可位于此等效变压器160的相对另一侧。举例而言，等效变压器160可通过一共同铁芯穿越过第一电感器L1、第二电感器L2，以及第三电感器L3三者的中心通孔而实施，但亦不仅限于此。等效变压器160是用于平衡寄生电容器CP1的充电及放电操作，使得寄生电容器CP1所存储的电荷量大致维持为零。根据实际测量结果，这种电路设计方式可抑制寄生电容器CP1的非理想特性，并使功率切换器110可实现几乎无损耗的零电压切换操作，故能有效提高升压转换器100的输出效率。

以下实施例将介绍升压转换器100的详细结构及操作方式。必须理解的是，这些附图和叙述仅为举例，而非用于限制本发明的范围。

图2是显示根据本发明一实施例所述的升压转换器200的示意图。在图2的实施例中，升压转换器200具有一输入节点NIN和一输出节点NOUT，并包括一第一电感器L1、一功率切换器210、一调整电路230，以及一输出级电路250，其中功率切换器210内建一寄生电容器CP1，而调整电路230包括一第二电感器L2、一第三电感器L3，以及一限流路径240。升压转换器200的输入节点NIN可由一外部电源处接收一输入电位VIN，而升压转换器200的输出节点NOUT可用于输出一输出电位VOUT，其中输出电位VOUT的电位电平是高于输入电位VIN的最大值。

第一电感器L1具有一第一端和一第二端，其中第一电感器L1的第一端是耦接至输入节点NIN，而第一电感器L1的第二端是耦接至一第一节点N1。

功率切换器210包括一晶体管M1。晶体管M1可为一N型金属氧化物半导体场效晶体管。晶体管M1具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中晶体管M1的控制端是用于接收一时钟电位VA，晶体管M1的第一端是耦接至一接地电位VSS，而晶体管M1的第二端是耦接至第一节点N1。例如，时钟电位VA于升压转换器200初始化时可维持于一固定电位(例如：接地电位VSS)，而在升压转换器200进入正常使用阶段后则可提供周期性的时钟波形。晶体管M1的第一端和第二端之间的总寄生电容可模拟为前述的寄生电容器CP1，其并非一外部独立元件。寄生电容器CP1具有一第一端和一第二端，其中寄生电容器CP1的第一端是耦接至第一节点N1，而寄生电容器CP1的第二端是耦接至接地电位VSS。

输出级电路250包括一第一二极管D1和一电容器C1。第一二极管D1具有一阳极和一阴极，其中第一二极管D1的阳极是耦接至第一节点N1，而第一二极管D1的阴极是耦接至输出节点NOUT。电容器C1具有一第一端和一第二端，其中电容器C1的第一端是耦接至输出节点NOUT，而电容器C1的第二端是耦接至接地电位VSS。

在调整电路230中，第二电感器L2具有一第一端和一第二端，其中第二电感器L2的第一端是耦接至第一节点N1，而第二电感器L2的第二端是耦接至接地电位VSS。另一方面，第三电感器L3具有一第一端和一第二端，其中第三电感器L3的第一端是耦接至一第二节点N2，而第三电感器L3的第二端是耦接至接地电位VSS。

调整电路230的限流路径240包括一电阻器R1和一第二二极管D2。电阻器R1具有一第一端和一第二端，其中电阻器R1的第一端是耦接至第二节点N2，而电阻器R1的第二端是耦接至一第三节点N3。第二二极管D2具有一阳极和一阴极，其中第二二极管D2的阳极是耦接至第三节点N3，而第二二极管D2的阴极是耦接至输出节点NOUT。

必须注意的是，在升压转换器200中，第一电感器L1、第二电感器L2，以及第三电感器L3是互相耦合，以形成一等效变压器260，其中第一电感器L1和第二电感器L2可位于此等效变压器260的同一侧，而第三电感器L3可位于此等效变压器260的相对另一侧。举例而言，等效变压器260可通过一共同铁芯穿越过第一电感器L1、第二电感器L2，以及第三电感器L3三者的中心通孔而实施，但亦不仅限于此。等效变压器260是用于平衡寄生电容器CP1的充电及放电操作，使得寄生电容器CP1所存储的电荷量大致维持为零。

在一些实施例中，升压转换器200是交替地操作于一第一模式和一第二模式，其详细操作原理可如下列所述。

在第一模式中，时钟电位VA为高逻辑电平，使得晶体管M1为使能且第一二极管D1为禁能，且寄生电容器CP1进行充电操作。在此同时，第二电感器L2与第一电感器L1互相耦合，第二电感器L2与寄生电容器CP1进行谐振，而第三电感器L3又与第二电感器L2互相耦合。是以，寄生电容器CP1亦同时进行放电操作，且寄生电容器CP1的能量会间接转移至电容器C1上。换言之，在第一模式中，寄生电容器CP1因充放电平衡，其上最终将不会存储任何电荷或能量。

在第二模式中，时钟电位VA为低逻辑电平，使得晶体管M1为禁能且第一二极管D1为使能。此时，寄生电容器CP1既不充电也不放电，其上最终亦不会存储任何电荷或能量。

图3是显示根据本发明一实施例所述的升压转换器200的电位波形图，其中横轴代表时间，而纵轴代表各个电位电平。如图3所示，时钟电位VA具有交替且周期性的高逻辑区间及低逻辑区间，其中第一电感器L1的第一端和第二端之间的电压是定义为一第一电压V1，第二电感器L2的第一端和第二端之间的电压是定义为一第二电压V2，第三电感器L3的第一端和第二端之间的电压是定义为一第三电压V3，而寄生电容器CP1的第一端和第二端之间的电压是定义为一寄生电压VP。在此假设第一二极管D1和第二二极管D2皆为理想二极管，其切入电压皆设定为0V。当时钟电位VA处于其高逻辑区间时，通过第一电感器L1的电流将逐渐上升。此时，第一电感器L1的第一电压V1可大致等于输入电位VIN(亦即，V1＝VIN)，第二电感器L2的第二电压V2可大致等于输入电位VIN的负值(亦即，V2＝-VIN)，而第三电感器L3的第三电压V3可大致等于输出电位VOUT(亦即，V3＝VOUT)。反之，当时钟电位VA处于其低逻辑区间时，通过第一电感器L1的电流将逐渐下降。此时，第一电感器L1的第一电压V1可大致等于输入电位VIN再减去输出电位VOUT(亦即，V1＝VIN-VOUT)，第二电感器L2的第二电压V2可大致等于接地电位VSS(亦即，V2＝0)，而第三电感器L3的第三电压V3亦可大致等于接地电位VSS(亦即，V3＝0)。必须注意的是，无论时钟电位VA处于高逻辑区间或是低逻辑区间，寄生电容器CP1的寄生电压VP皆可不改变且恒维持于接地电位VSS(亦即，VP＝0)。

图4是显示根据本发明一实施例所述的升压转换器200的电流波形图，其中横轴代表时间，而纵轴代表电流值。如图4所示，若已使用调整电路230，则可有效抑制寄生电容器CP1的非理想特性。当功率切换器210由禁能状态转换为使能状态时，通过晶体管M1的一电流ID1会逐渐上升。必须注意的是，早在晶体管M1的电流ID1开始上升之前，寄生电容器CP1的寄生电压VP即已完全放电至零(如图4的虚线框所示)，使得功率切换器210可实现近乎无损耗的零电压切换操作。

在一些实施例中，升压转换器200的元件参数可如下列所述。寄生电容器CP1的电容值可介于142.5pF至157.5pF之间，优选为150pF。电容器C1的电容值可介于612μF至748μF之间，优选为680μF。第一电感器L1的电感值可介于570μH至630μH之间，优选为600μH。第二电感器L2的电感值可介于38μH至42μH之间，优选为40μH。第三电感器L3的电感值可介于190μH至210μH之间，优选为200μH。电阻器R1的电阻值可介于90Ω至110Ω之间，优选为100Ω。时钟电位VA的切换频率可约为65kHz。以上参数范围是根据多次实验结果而得出，其有助于最佳化升压转换器200的转换效率。

本发明提出一种新颖的升压转换器，其包括调整电路及其限流路径。根据实际测量结果，使用前述设计的升压转换器可消除功率切换器的非理想寄生电容效应，从而可实现近乎无损耗的零电压切换操作。大致而言，本发明可有效提高升压转换器的输出效率，故其很适合应用于各种各式的电子装置当中。

值得注意的是，以上所述的电位、电流、电阻值、电感值、电容值，以及其余元件参数均非为本发明的限制条件。设计者可以根据不同需要调整这些设定值。本发明的升压转换器并不仅限于图1-图4所示出的状态。本发明可以仅包括图1-图4的任何一或多个实施例的任何一或多项特征。换言之，并非所有图示的特征均须同时实施于本发明的升压转换器当中。虽然本发明的实施例是使用金属氧化物半导体场效晶体管为例，但本发明并不仅限于此，本技术领域人士可改用其他种类的晶体管，例如：接面场效晶体管，或是鳍式场效晶体管等等，而不至于影响本发明的效果。

在本说明书以及权利要求中的序数，例如“第一”、“第二”、“第三”等等，彼此之间并没有顺序上的先后关系，其仅用于标示区分两个具有相同名字的不同元件。

本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims

1.一种升压转换器，包括：

一第一电感器，用于接收一输入电位；

一功率切换器，内建一寄生电容器，其中，该功率切换器是根据一时钟电位来选择性地将该第一电感器耦接至一接地电位；

一输出级电路，用于产生一输出电位；以及

一调整电路，包括一第二电感器、一第三电感器，以及一限流路径，其中该第二电感器是耦接至该第一电感器和该功率切换器，而该第三电感器是经由该限流路径耦接至该输出级电路；

其中，该第一电感器、该第二电感器，以及该第三电感器是互相耦合，以形成一等效变压器；

其中，该第二电感器与该寄生电容器两者为并联耦接。

2.如权利要求1所述的升压转换器，其中该第一电感器和该第二电感器是位于该等效变压器的同一侧，而该第三电感器是位于该等效变压器的相对另一侧。

3.如权利要求1所述的升压转换器，其中，该等效变压器是用于平衡该寄生电容器的充电及放电操作，使得该寄生电容器所存储的电荷量大致维持为零。

4.如权利要求1所述的升压转换器，其中，该第一电感器具有一第一端和一第二端，该第一电感器的该第一端是耦接至一输入节点以接收该输入电位，而该第一电感器的该第二端是耦接至一第一节点。

5.如权利要求4所述的升压转换器，其中，该功率切换器包括：

一晶体管，具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中该晶体管的该控制端是用于接收该时钟电位，该晶体管的该第一端是耦接至该接地电位，而该晶体管的该第二端是耦接至该第一节点。

6.如权利要求4所述的升压转换器，其中，该寄生电容器具有一第一端和一第二端，该寄生电容器的该第一端是耦接至该第一节点，而该寄生电容器的该第二端是耦接至该接地电位。

7.如权利要求4所述的升压转换器，其中，该输出级电路包括：

一第一二极管，具有一阳极和一阴极，其中该第一二极管的该阳极是耦接至该第一节点，而该第一二极管的该阴极是耦接至一输出节点以输出该输出电位；以及

一电容器，具有一第一端和一第二端，其中该电容器的该第一端是耦接至该输出节点，而该电容器的该第二端是耦接至该接地电位。

8.如权利要求7所述的升压转换器，其中，该第二电感器具有一第一端和一第二端，该第二电感器的该第一端是耦接至该第一节点，而该第二电感器的该第二端是耦接至该接地电位。

9.如权利要求7所述的升压转换器，其中，该第三电感器具有一第一端和一第二端，该第三电感器的该第一端是耦接至一第二节点，而该第三电感器的该第二端是耦接至该接地电位。

10.如权利要求9所述的升压转换器，其中，该限流路径包括：

一电阻器，具有一第一端和一第二端，其中该电阻器的该第一端是耦接至该第二节点，而该电阻器的该第二端是耦接至一第三节点；以及

一第二二极管，具有一阳极和一阴极，其中该第二二极管的该阳极是耦接至该第三节点，而该第二二极管的该阴极是耦接至该输出节点。