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TW201501455A - 直流升壓轉換器 - Google Patents

直流升壓轉換器 Download PDF

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TW201501455A
TW201501455A TW102122133A TW102122133A TW201501455A TW 201501455 A TW201501455 A TW 201501455A TW 102122133 A TW102122133 A TW 102122133A TW 102122133 A TW102122133 A TW 102122133A TW 201501455 A TW201501455 A TW 201501455A
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TW
Taiwan
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switch
voltage
node
boost converter
control circuit
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TW102122133A
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English (en)
Inventor
Chih-Yuan Chen
Tzu-Yang Yen
Original Assignee
Anpec Electronics Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Anpec Electronics Corp filed Critical Anpec Electronics Corp
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Priority to US13/968,811 priority patent/US20140375285A1/en
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Abstract

本發明提供一種直流升壓轉換器，操作於一脈衝頻率調變模式，所述直流升壓轉換器包括電感、第一開關、電容、第二開關以及控制電路。電感耦接於輸入電壓節點以及相位節點之間。第一開關耦接於相位節點與輸出電壓節點之間。電容耦接於輸出電壓節點與接地之間。第二開關耦接於相位節點以及接地之間。控制電路控制第一開關以及第二開關的導通狀態。控制電路偵測相位節點之電壓在預設時間內是否改變。當在預設時間內相位節點之電壓不改變時，則控制電路打開第一開關。藉此避免直流升壓轉換器在操作時產生對應於人耳可以聽到的頻率的噪音。

Description

直流升壓轉換器
本發明有關於一種轉換器，且特別是一種直流升壓轉換器。
請參照圖1，圖1是傳統的直流升壓轉換器的電路圖。傳統的直流升壓轉換器1包括電感11、第一開關12、電容13、第二開關14、控制電路15、分壓單元16與驅動單元17、18。控制電路15用以控制直流升壓轉換器操作在脈衝寬度調變模式(Pulse Width Modulation mode，PWM mode)或脈衝頻率調變模式(Pulse Frequency Modulation mode，PFM mode)。脈衝頻率調變模式適用於負載是輕載的情況。控制電路15透過分壓電路16的回授節點104得到對應於輸出電壓Vout的回授電壓FB。依據回授電壓FB，控制電路15透過驅動單元17、18分別控制第一開關12與第二開關14的導通狀態，藉此調整輸出電壓Vout的大小。當輸出電壓Vout大小不足時，第二開關14與第一開關12依序被導通以使電感11對電容13充電。當輸出電壓Vout大小足夠時，第二開關14與第一開關12皆不會被切換。
請同時參照圖1和圖2，圖2是圖1的直流升壓轉換器運作時的電壓與電流的波形圖。當第二開關14的控制端G2的電壓改變而使第二開關打開(turn on)時，電感電流以Vin/L的斜率上升，其中L是電感11的電感值。當第二開關14關閉(turn off)時，接著第一開關12的控制端G1的電壓改變而使第一開關12打開，則電感電流以(Vin-Vout)/L的斜率下降。值得一提的是，在第二開關14打開時，相位節點103的電壓由輸入電壓Vin降為接近接地電壓( 零伏特)。接著，在第二開關14關閉且第一開關12打開時，相位節點103由接近接地電壓(零伏特)改變為輸出電壓Vout。
本發明實施例提供一種直流升壓轉換器，其所具有的開關在一預設時間之內切換，所述預設時間對應於的頻率大於人耳所能聽到的音頻範圍(大於20kHz)，以避免直流升壓轉換器在操作時產生對應於人耳可以聽到的頻率的噪音。
本發明實施例提供一種直流升壓轉換器，操作於一脈衝頻率調變模式，所述直流升壓轉換器包括電感、第一開關、電容、第二開關以及控制電路。電感耦接於輸入電壓節點以及相位節點之間。第一開關耦接於相位節點與輸出電壓節點之間。電容耦接於輸出電壓節點與接地之間。第二開關耦接於相位節點以及接地之間。控制電路依據對應於輸出電壓節點之電壓的回授電壓，以控制第一開關以及第二開關的導通狀態。控制電路判斷相位節點之電壓在預設時間內是否改變。當在預設時間內相位節點之電壓不改變時，則控制電路持續打開(turn on)第一開關一個導通時間。
本發明實施例提供一種直流升壓轉換器，操作於一脈衝頻率調變模式，所述直流升壓轉換器包括電感、第一開關、電容、第二開關以及控制電路。電感耦接於輸入電壓節點以及相位節點之間。第一開關耦接於相位節點與輸出電壓節點之間。電容耦接於輸出電壓節點與接地之間。第二開關耦接於相位節點以及接地之間。控制電路依據對應於輸出電壓節點之電壓的回授電壓，以控制第一開關以及第二開關的導通狀態。控制電路判斷相位節點之電壓在一預設時間內是否改變。當在預設時間內相位節點之電壓不改變時，則控制電路持續打開(turn on)第一開關直至回授電壓低於一參考電壓。
本發明實施例提供一種直流升壓轉換器，操作於一脈衝頻率調變模式，所述直流升壓轉換器包括電感、第一開關、電容、第 二開關以及控制電路。電感耦接於輸入電壓節點以及相位節點之間。第一開關耦接於相位節點與輸出電壓節點之間。電容耦接於輸出電壓節點與接地之間。第二開關耦接於相位節點以及接地之間。控制電路依據對應於輸出電壓節點之電壓的回授電壓，以控制第一開關以及第二開關的導通狀態。控制電路判斷第二開關的導通狀態在預設時間內是否改變。當在預設時間內第二開關的導通狀態不改變時，則控制電路打開(turn on)第一開關。
綜上所述，本發明實施例提供一種直流升壓轉換器，其判斷相位節點之電壓在預設時間內是否改變。當在預設時間內相位節點之電壓不改變時，代表在預設時間內直流升壓轉換器的第一開關以及第二開關沒有切換(改變導通狀態)，則控制電路打開第一開關，以避免直流升壓轉換器在操作時產生對應於人耳可以聽到的頻率的噪音。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
1‧‧‧傳統的直流升壓轉換器
2‧‧‧直流升壓轉換器
11、21‧‧‧電感
12、22‧‧‧第一開關
13、23‧‧‧電容
14、24‧‧‧第二開關
15、25‧‧‧控制電路
16、26‧‧‧分壓單元
161、162、261、262‧‧‧電阻
GND‧‧‧接地
G1、G2‧‧‧控制端
17、18、27、28‧‧‧驅動單元
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
101、201‧‧‧輸入節點
102、202‧‧‧輸出節點
103、203‧‧‧相位節點
104、204‧‧‧回授節點
251‧‧‧計時器
X、Y、Z‧‧‧導通時間
S401、S402、S403、S404、S405、S601、S602、S603、S604、S605‧‧‧步驟流程
圖1是傳統的直流升壓轉換器的電路圖。
圖2是圖1的直流升壓轉換器運作時的電壓與電流的波形圖。
圖3是本發明實施例提供的直流升壓轉換器的電路圖。
圖4是本發明實施例提供的直流升壓轉換器的運作流程圖。
圖5是本發明實施例提供的直流升壓轉換器運作時的電壓與電流的波形圖。
圖6是本發明另一實施例提供的直流升壓轉換器的運作流程圖。
圖7是本發明另一實施例提供的直流升壓轉換器運作時的電 壓與電流的波形圖。
〔直流升壓轉換器之實施例〕
請參照圖3，圖3是本發明實施例提供的直流升壓轉換器的電路圖。直流升壓轉換器2操作於脈衝頻率調變模式(PFM mode)，所述直流升壓轉換器2包括電感21、第一開關22、電容23、第二開關24、控制電路25、分壓單元26與驅動單元27、28。驅動單元27、28是用以提供對應於第二開關24和第一開關22足夠的驅動電壓，驅動單元27、28可依據開關(22、24)的類型而改變，也可以整合至控制電路25之中。
電感21耦接於輸入電壓節點201以及相位節點203之間。第一開關22耦接於相位節點203與輸出電壓節點202之間。電容23耦接於輸出電壓節點202與接地GND之間。第二開關24耦接於相位節點203以及接地GND之間。控制電路25透過驅動單元27耦接第二開關24的控制端G2，且控制電路透過驅動單元28耦接第一開關22的控制端G1。控制電路25耦接相位節點203以偵測相位節點203的電壓。
分壓電路26是作為回授電路，分壓單元26耦接輸出電壓節點202，且依據輸出電壓節點202之電壓Vout而產生回授電壓FB。更詳細地說，分壓電路26由耦接於輸出電壓節點206和回授節點204之間的電阻261和耦接於回授節點204和接地GND之間的電阻262所構成，分壓電路26並將輸出電壓節點202的電壓分壓而在回授節點204產生回授電壓FB。
控制電路25依據對應於輸出電壓節點202之電壓Vout的回授電壓FB，以控制第一開關22以及第二開關24的導通狀態(打開或關閉)。在本實施例中，第一開關22是P型金氧半場效電晶體(P-channel MOSFET，PMOS)，第二開關24是N型金氧半場效電晶體(N-channel MOSFET，NMOS)，然而，本發明並不因此限定。 第一開關22和第二開關24也可以是其他類型的電晶體，本發明也不限定第一開關22和第二開關24的類型。
控制電路25包括計時器251，所述計時器用以決定一預設時間。一般人耳所能聽到的音頻範圍是介於2kHz至20kHz之間。設定預設時間為所對應的頻率是在超聲波的頻率，例如大於20kHz。例如：預設時間設定為32微秒(μsec)，32微秒所對應的頻率大約是31kHz，此頻率的聲音是人耳所聽不到的。控制電路25判斷相位節點203之電壓在預設時間內是否改變。相位節點203的電壓改變與否是受控於第一開關22和第二開關24的導通狀態的改變。在直流升壓轉換器2工作於脈衝頻率調變模式時，此時負載是輕載，因為負載所消耗的電力通常相對較少(相對於操作於脈衝寬度調變模式)，所以在輸出電壓Vout仍足夠大時(依據比較回授電壓FB與控制電路25內的一個參考電壓Vref的結果可以得知)，於第二開關24和第一開關22皆不會切換。當直流升壓轉換器2操作在傳統的脈衝頻率調變模式(PFM mode)時，若第二開關24(和第一開關22)相隔兩次的切換時間所對應的頻率低於20kHz，則開關切換產生的噪音的頻率是落入人耳可聽到的頻率範圍內。
在所述預設時間內，相位節點203之電壓若有改變，則代表在預設時間內第一開關22或第二開關24有切換(由打開改變為關閉，或者由關閉改變為打開)，如此，第一開關22或第二開關24的切換所產生的噪音的頻率是高於20kHz，如此高頻的聲音是人耳所聽不到的。相對地，當在預設時間內相位節點203之電壓不改變時，則本發明實施例的控制電路25持續打開(turn on)第一開關22一個導通時間X。換句話說，控制電路25可以至少在每隔一段預設時間到達時打開第一開開關22，以使開關切換所產生的噪音的頻率維持在高於人耳所能聽到的聲音的頻率(大於20kHz)。更詳細的說明，請參照圖4與圖5所述的操作流程。
請同時參照圖3、圖4與圖5。圖4是本發明實施例提供的直 流升壓轉換器的運作流程圖。圖5是本發明實施例提供的直流升壓轉換器運作時的電壓與電流的波形圖。首先，在圖4的步驟S401中，判斷直流升壓轉換器2是否操作在脈衝頻率調變模式(PFM mode)。若直流升壓轉換器2並非操作在脈衝頻率調變模式，則控制電路25維持傳統的運作狀態，例如：以脈衝寬度調變模式(PWM mode)運作，然而本發明並不因此限定。若直流升壓轉換器2是操作在脈衝頻率調變模式(PFM mode)，則進行步驟S402。例如：圖5中的SKIP信號代表操作在脈衝頻率調變模式(PFM mode)時，回授電壓FB大於控制電路25內的一個參考電壓Vref。在步驟S402中，重設計時器，此時計時器開始計時，例如：計時器計時32微秒(μsec)的時間。
接著，進行步驟S403。在步驟S403中，判斷相位節點203的電壓在預設時間內是否改變。若相位節點203的電壓在預設時間內有改變，則再次進行步驟S401，此時，因為第一開關22(或第二開關)有切換的動作，開關切換所產生的噪音的頻率是人耳聽不到的(頻率大於20kHz)。值得一提的是，若在預設值間之內第一開關22(或第二開關24)有切換的動作，則代表輸出電壓Vout的電壓不足，電容23需要被補充能量，此時的第一開關22與第二開關24進行切換的原理是利用習知的脈衝頻率調變(PFM)技術，不再贅述。
相對地，若相位節點203的電壓在預設時間內沒有改變，則進行步驟S404。在步驟S404中，持續打開第一開關22一個導通時間X，如圖5所示，在計時32微秒(μsec)之後第一開關22的控制端G1的電壓改變且維持一個導通時間X。然後，在步驟S405中，關閉第一開關22。在步驟S405結束後，再次進行步驟S401，並重複上述的流程。
值得一提的是，第一開關22被打開且維持一個導通時間X的過程中，電壓輸出節點202的能量是透過電感21流向電壓輸入節 點201，此時即代表洩放部分電壓輸出節點201(或電容23)的能量至電壓輸入節點201。在上述洩放能量的過程中，只要輸出電壓Vout能夠保持大於直流升壓轉換器2所設定的電壓值(控制電路25透過偵測回授電壓FB來判斷)，第二開關24就不會切換，如圖5所示，第二開關24的控制端G2的電壓並不改變。
換句話說，只要直流升壓轉換器2維持操作在脈衝頻率調變模式(PFM mode)，控制電路25可以至少在每隔一個預設時間(例如32微秒)就切換第一開關22，以使開關切換所造成的噪音的頻率大於20kHz。
〔直流升壓轉換器之另一實施例〕
請同時參照圖3、圖6與圖7，圖6是本發明另一實施例提供的直流升壓轉換器的運作流程圖。圖7是本發明另一實施例提供的直流升壓轉換器運作時的電壓與電流的波形圖。在本實施例中，直流升壓轉換器2的電路結構沒有改變，僅改變控制電路25打開第一開關22的時間。更詳細地說，前一實施例的步驟S401至S405改變為圖6的步驟S601至S605。首先，在步驟S601中，判斷直流升壓轉換器2是否操作在脈衝頻率調變模式。步驟S601和步驟S401相同。接著，在步驟S602，重設計時器，藉此開始計時預設時間。步驟S602也與步驟S402相同。然後，在步驟S603中，判斷相位節點203的電壓在預設時間內是否改變。步驟S603也與步驟S402相同，請參照前一實施例的說明。
接著，若相位節點203的電壓在預設時間內改變，則進行步驟S604。在步驟S604中，持續打開第一開關22直至回授電壓FB低於參考電壓Vref。當回授電壓FB低於參考電壓Vref時，代表輸出電壓Vout不足，此時電容23需要被充電。所述的參考電壓Vref對應於直流升壓轉換器2所被設定的輸出電壓Vout。電容23需要被充電時，第二開關24會被打開。如圖7所示，步驟S604持續打開第一開關22直至回授電壓FB低於參考電壓Vref的過程 所經過的時間會因為輸出電壓Vout的大小和參考電壓Vref的設定有關。電容23所儲存的能量越多，則第一開關22打開的時間越長。因此，如圖7所示，依據第一開關22打開前電容23所儲存的能量大小，第一開關22的導通時間Y和導通時間Z可能不相同。
接著，因為輸出電壓Vout低於直流升壓轉換器2所設定的電壓值(控制電路25透過偵測回授電壓FB來判斷)，在第一開關22關閉後(步驟S605)，第二開關24被打開。值得一提的是，第一開關22關閉後(步驟S605)，第二開關24被打開的切換動作是控制電路25利用習知的脈衝頻率調變(PFM)技術來控制。
換句話說，只要直流升壓轉換器2維持操作在脈衝頻率調變模式(PFM mode)，控制電路25可以至少在每隔一個預設時間(例如32微秒)就打開第一開關22，並維持第一開關22的導通狀態直至輸出電壓Vout低於直流升壓轉換器2所設定的電壓值(例如：輸出電壓Vout等於輸入電壓Vin)。藉此，直流升壓轉換器2的開關至少在每隔一個預設時間被切換，使得開關切換所造成的噪音的頻率可以大於20kHz。
〔直流升壓轉換器之另一實施例〕
復參照圖3，圖3的控制電路25不僅可以透過判斷相位節點203之電壓在一預設時間內是否改變，以作為是否打開第一開關22(即使第一開關22切換一次)的依據。控制電路25也可透過判斷第二開關24的導通狀態在預設時間內是否改變(是否至少切換一次)，以作為是否打開第一開關22的依據。當在預設時間內第二開關24的導通狀態不改變時，則控制電路25打開第一開關22。值得一提的是，在本實施例中，控制電路25不需耦接相位節點203。更詳細地說，控制電路25可以持續打開(turn on)第一開關22一個導通時間X或者持續打開第一開關22直至回授電壓FB低於參考電壓Vref。亦即，將圖4與圖6的步驟S403與步驟S603改為判
斷第二開關24的導通狀態在預設時間內是否改變。換句話說，第二開關24的導通狀態在預設時間內改變時，相位節點203的電壓也隨之改變，本實施例提供了控制電路25的判斷機制的另一個實現方式。
〔實施例的可能功效〕
綜上所述，本發明實施例所提供的直流升壓轉換器，其判斷相位節點之電壓在預設時間內是否改變。當在預設時間內相位節點之電壓不改變時，代表在預設時間內直流升壓轉換器的第一開關以及第二開關沒有切換(改變導通狀態)，則控制電路打開第一開關，以避免直流升壓轉換器在操作時產生對應於人耳可以聽到的頻率的噪音。透過計時器，控制電路可以在預設時間達到時打開第一開關一個預設的導通時間。或者，控制電路可以在預設時間達到時，控制電路持續導通第一開關直到輸出電壓Vout低於直流升壓轉換器2所設定的電壓值。
以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。
2‧‧‧直流升壓轉換器
21‧‧‧電感
22‧‧‧第一開關
23‧‧‧電容
24‧‧‧第二開關
25‧‧‧控制電路
26‧‧‧分壓單元
261、262‧‧‧電阻
GND‧‧‧接地
G1、G2‧‧‧控制端
27、28‧‧‧驅動單元
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
201‧‧‧輸入節點
202‧‧‧輸出節點
203‧‧‧相位節點
204‧‧‧回授節點
251‧‧‧計時器

Claims (17)

  1. 一種直流升壓轉換器，操作於一脈衝頻率調變模式，該直流升壓轉換器包括：一電感，耦接於一輸入電壓節點以及一相位節點之間；一第一開關，耦接於該相位節點與一輸出電壓節點之間；一電容，耦接於該輸出電壓節點與一接地之間；一第二開關，耦接於該相位節點以及該接地之間；以及一控制電路，依據對應於該輸出電壓節點之電壓的一回授電壓，以控制該第一開關以及該第二開關的導通狀態；其中，該控制電路判斷該相位節點之電壓在一預設時間內是否改變，當在該預設時間內該相位節點之電壓不改變時，則該控制電路持續打開該第一開關一導通時間。
  2. 根據申請專利範圍第1項之直流升壓轉換器，其中該控制電路更包括一計時器，該計時器用以決定該預設時間。
  3. 根據申請專利範圍第1項之直流升壓轉換器，其中該預設時間所對應的頻率是在超聲波的頻率。
  4. 根據申請專利範圍第1項之直流升壓轉換器，其中該第一開關是P型金氧半場效電晶體(P-channel MOSFET，PMOS)。
  5. 根據申請專利範圍第1項之直流升壓轉換器，其中該第二開關是N型金氧半場效電晶體(N-channel MOSFET，NMOS)。
  6. 根據申請專利範圍第1項之直流升壓轉換器，更包括：一分壓單元，耦接該輸出電壓節點，依據該輸出電壓節點之電壓而產生該回授電壓。
  7. 一種直流升壓轉換器，操作於一脈衝頻率調變模式，該直流升壓轉換器包括：一電感，耦接於一輸入電壓節點以及一相位節點之間；一第一開關，耦接於該相位節點與一輸出電壓節點之間；一電容，耦接於該輸出電壓節點與一接地之間； 一第二開關，耦接於該相位節點以及該接地之間；以及一控制電路，依據對應於該輸出電壓節點之電壓的一回授電壓，以控制該第一開關以及該第二開關的導通狀態；其中，該控制電路判斷該相位節點之電壓在一預設時間內是否改變，當在該預設時間內該相位節點之電壓不改變時，則該控制電路持續打開該第一開關直至該回授電壓低於一參考電壓。
  8. 根據申請專利範圍第8項之直流升壓轉換器，其中該控制電路更包括一計時器，該計時器用以決定該預設時間。
  9. 根據申請專利範圍第8項之直流升壓轉換器，其中該預設時間所對應的頻率是在超聲波的頻率。
  10. 根據申請專利範圍第8項之直流升壓轉換器，其中該第一開關是P型金氧半場效電晶體(P-channel MOSFET，PMOS)。
  11. 根據申請專利範圍第8項之直流升壓轉換器，其中該第二開關是N型金氧半場效電晶體(N-channel MOSFET，NMOS)。
  12. 根據申請專利範圍第8項之直流升壓轉換器，更包括：一分壓單元，耦接該輸出電壓節點，依據該輸出電壓節點之電壓而產生該回授電壓。
  13. 一種直流升壓轉換器，操作於一脈衝頻率調變模式，該直流升壓轉換器包括：一電感，耦接於一輸入電壓節點以及一相位節點之間；一第一開關，耦接於該相位節點與一輸出電壓節點之間；一電容，耦接於該輸出電壓節點與一接地之間；一第二開關，耦接於該相位節點以及該接地之間；以及一控制電路，依據對應於該輸出電壓節點之電壓的一回授電壓，以控制該第一開關以及該第二開關的導通狀態；其中，該控制電路判斷該第二開關的導通狀態在一預設時間內是否改變，當在該預設時間內該第二開關的導通狀態不改變時，則該控制電路打開該第一開關。
  14. 根據申請專利範圍第14項之直流升壓轉換器，其中當在該預設時間內該第二開關的導通狀態不改變時，則該控制電路持續打開該第一開關一導通時間。
  15. 根據申請專利範圍第14項之直流升壓轉換器，其中當在該預設時間內該第二開關的導通狀態不改變時，則該控制電路持續打開該第一開關直至該回授電壓低於一參考電壓。
  16. 根據申請專利範圍第14項之直流升壓轉換器，其中該控制電路更包括一計時器，該計時器用以決定該預設時間。
  17. 根據申請專利範圍第14項之直流升壓轉換器，其中該預設時間所對應的頻率是在超聲波的頻率。
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