專利名稱：降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器及電源轉(zhuǎn)換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器及電源轉(zhuǎn)換方法，特別是關(guān)于一種降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器(buck/step-down DC/DCconverter)及電源轉(zhuǎn)換方法。
背景技術(shù)：
一般而言，電壓調(diào)整模塊(Voltage Regulator Module，VRM)是內(nèi)建于主機(jī)板上，用來處理并調(diào)整中央處理器(Central Processing Unit，CPU)所需的電壓。
傳統(tǒng)上，降壓式的電壓調(diào)整模塊或稱為降壓式直流轉(zhuǎn)直流電源轉(zhuǎn)換器是將三組以上的降壓回路并聯(lián)使用。參照?qǐng)D1，三組降壓回路11、12、13的一端并聯(lián)于一直流電源14，另一端并聯(lián)于一負(fù)載15。各降壓回路11、12、13分別由三個(gè)開關(guān)S1、S2、S3控制其導(dǎo)通，且均包含一二極管D1、一電感L1及一電容C1。若該三組降壓回路11、12、13為同相，此種電路結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生漣波(ripple)較大、動(dòng)態(tài)反應(yīng)(dynamic response)慢等缺點(diǎn)，且需使用均流技術(shù)。
目前常用于改善漣波過大的方法是將該三組降壓電路11、12、13分為三相，且分別相隔120°，其時(shí)序(timing)如圖2所示。當(dāng)相位不同時(shí)，各電感L1中電流的升降并不同步，可藉此互相抵消，從而得以改善漣波過大的現(xiàn)象。此外，若該直流電源14的電壓為Vi，負(fù)載15的壓差為Vo，則該時(shí)序中的脈沖占空比(duty cycle)等于Vo/Vi。假設(shè)Vi＝10V且Vo＝3V，則脈沖的占空比為30％，其小于三分之一，因而此時(shí)該降壓電路11、12及12、13的脈沖將產(chǎn)生不連續(xù)或不重疊(non-overlapping)的現(xiàn)象，其間隔時(shí)間t即所謂的空載時(shí)間(dead time)，將延緩動(dòng)態(tài)反應(yīng)的速度。
綜上所述，雖然利用不同相位的技術(shù)，可改善漣波過大的缺點(diǎn)，但空載時(shí)間的問題仍然存在，再加上需使用均流技術(shù)，往往使得電路較為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是提供一種直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器及電源轉(zhuǎn)換方法，可降低漣波、加快動(dòng)態(tài)反應(yīng)，以滿足大電流、低電壓的需要。此外，本發(fā)明的直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器及電源轉(zhuǎn)換方法具有自動(dòng)均流特性，可簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)。
本發(fā)明的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器包含兩第一開關(guān)及兩降壓回路。兩第一開關(guān)并聯(lián)于一直流電源，且兩者的開(OFF)、關(guān)(ON)狀態(tài)相反，而各第一開關(guān)的通路和斷路持續(xù)時(shí)間相同。各降壓回路的一端分別連接于各第一開關(guān)，另一端并聯(lián)于一負(fù)載。各降壓回路包含一第二開關(guān)、一電感及一電容。該第二開關(guān)的通路和斷路狀態(tài)與該第一開關(guān)相反。
該第二開關(guān)可采用一金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，以采取同步整流控制，從而提高電源轉(zhuǎn)換效率。另外，該降壓回路可裝設(shè)一檢測(cè)器以檢測(cè)其中電流。當(dāng)發(fā)現(xiàn)電流降至約等于零或產(chǎn)生逆流時(shí)，使該金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管形成斷路，以避免當(dāng)發(fā)生不連續(xù)導(dǎo)通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)時(shí)降低電源轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換方法包含下列步驟(1)提供一直流電源；(2)以該直流電源產(chǎn)生占空比均為50％的一第一脈沖信號(hào)及一第二脈沖信號(hào)，且兩者的相位相差180度；(3)以該第一脈沖信號(hào)輸入一第一降壓回路，從而產(chǎn)生一第一電流，且以該第二脈沖信號(hào)輸入一第二降壓回路，產(chǎn)生一第二電流；(4)整合該第一電流及第二電流并傳輸至一負(fù)載。
此外，本發(fā)明可利用同步整流控制該第一降壓回路及第二降壓回路的電流路徑，且對(duì)該第一降壓回路及第二降壓回路進(jìn)行檢測(cè)。若檢測(cè)到該第一降壓回路或第二降壓回路的電流約等于零或產(chǎn)生逆流，使該第一降壓回路或第二降壓回路成為斷路，以避免電流損失。
本發(fā)明的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器及電源轉(zhuǎn)換方法除了可應(yīng)用于CPU的電壓調(diào)整模塊外，還可應(yīng)用于通訊電源及低噪聲的用電場(chǎng)所。


本發(fā)明將依照附圖加以說明，其中圖1是已知的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器的電路示意圖；圖2是已知的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器的時(shí)序圖；圖3是本發(fā)明的一實(shí)施例的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器的電路示意圖；圖4顯示本發(fā)明的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器的時(shí)序圖；圖5是本發(fā)明的另一降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器的電路示意圖；圖6顯示本發(fā)明的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器發(fā)生不連續(xù)導(dǎo)通模式的時(shí)序圖。
圖中元件符號(hào)說明30電源轉(zhuǎn)換器31第一降壓回路32第二降壓回路34直流電源35負(fù)載51、52檢測(cè)器S4、S5第一開關(guān)D4、D5二極管L4、L5電感
C4、C5電容具體實(shí)施方式
圖3是本發(fā)明的一實(shí)施例的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器30的示意圖。一第一降壓回路31及一第二降壓回路32的一端并聯(lián)于一直流電源34，另一端并聯(lián)于一負(fù)載35。該第一及第二降壓回路31、32分別由第一開關(guān)S4、S5控制其導(dǎo)通，且該第一降壓回路31包含一二極管D4、一電感L4及一電容C4，而該第二降壓回路32則包含一二極管D5、一電感L5及一電容C5。
參照?qǐng)D4，本發(fā)明的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器30是利用控制開關(guān)S4及S5的通路和斷路而將一第一脈沖信號(hào)及一第二脈沖信號(hào)輸入該第一及第二降壓回路31、32，并將兩者的相位差控制為約180°。即當(dāng)S4為通路時(shí)，S5為斷路；或S4為斷路時(shí)，S5為通路。此外，該第一及第二脈沖信號(hào)的占空比控制為約50％，即該開關(guān)S4及S5的通路和斷路的持續(xù)時(shí)間相同。如此一來，當(dāng)S4導(dǎo)通時(shí)，該電感L4的電壓ΔVL為Vi-Vo。依電感公式ΔVL=LdILdt,]]>此時(shí)該第一降壓回路31的電感L4所感應(yīng)的一第一電流IL4將逐漸上升，且其上升斜率為(Vi-Vo)/L。相反地，當(dāng)S4為斷路時(shí)，該第一電流IL4將逐漸下降，從而形成類似波浪狀的型態(tài)。同樣地，流經(jīng)該電感L5的第二電流IL5也將呈現(xiàn)波浪狀。因該S4及S5輸入的第一及第二脈沖信號(hào)的相位相差180°，故當(dāng)IL4上升時(shí)，IL5為下降，而當(dāng)IL4下降時(shí)，IL5為上升。因此，在理想狀態(tài)下，結(jié)合第一及第二電流而輸出至該負(fù)載35的總電流IT將形成一無(wú)漣波的電流。此外，因該第一及第二脈沖信號(hào)的占空比均約為50％，且其相位相差約180°，故可避免已知技術(shù)的空載時(shí)間現(xiàn)象的發(fā)生，且不需采用均流技術(shù)。
該第一開關(guān)S4、S5還可僅由一開關(guān)代表。當(dāng)?shù)谝唤祲夯芈?1作用時(shí)，該開關(guān)則連接直流電源34至該第一降壓回路31。而當(dāng)該第二二降壓回路32作用時(shí)，則該開關(guān)連接直流電源34至該第二降壓回路32。
一般而言，該二極管D4、D5是應(yīng)用較小電流(例如小于30安培)的需求。本發(fā)明的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器還可應(yīng)用同步整流(synchronous rectify)技術(shù)以提高電源轉(zhuǎn)換效率，且可應(yīng)用于大電流(例如大于30安培)的狀況。
參照?qǐng)D5，圖4中的該二極管D4、D5(代表第二開關(guān))也可分別以金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)T4、T5代替，從而得以直接進(jìn)行控制。該T4及T5的本體二極管(body diode)的通路和斷路時(shí)機(jī)分別與該開關(guān)S4及S5相反，例如S4為斷路時(shí)，T4為導(dǎo)通，而S4為導(dǎo)通時(shí)，T4為斷路。當(dāng)該負(fù)載35是處于輕載(light load)狀態(tài)時(shí)，相當(dāng)于Io較小，使得該電感L4及L5的電流IL4及IL5較低，甚至可能趨近或降至零，而產(chǎn)生如圖6的不連續(xù)導(dǎo)通模式。此時(shí)原本儲(chǔ)存于電容C4、C5的電荷可能會(huì)釋放在電路中而產(chǎn)生逆流，造成電源轉(zhuǎn)換的損失。
為了防止該第一降壓回路31及第二降壓回路32在不連續(xù)導(dǎo)通模式下發(fā)生逆流的現(xiàn)象，可在各降壓回路31、32中分別設(shè)置檢測(cè)器51、52，一旦檢測(cè)到IL4或IL5約降至零或發(fā)生逆流現(xiàn)象時(shí)，即將T4和T5形成斷路，以保持電源轉(zhuǎn)換的高效率。
因?yàn)楸景l(fā)明的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器的占空比固定在50％，因此無(wú)法應(yīng)用脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)進(jìn)行控制。然而，本發(fā)明的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器可采用變頻式的脈沖跳躍調(diào)制(Pulse Skipping Modulation，PSM)的控制方式，藉由其較小靜態(tài)電流(quiescent current)的特性，可維持較佳的轉(zhuǎn)換效率。此外，當(dāng)應(yīng)用于重載狀況時(shí)，該第一及第二脈沖信號(hào)可采用較低的頻率，等于加長(zhǎng)電流爬升的時(shí)間。反觀當(dāng)應(yīng)用于輕載狀況時(shí)，該第一及第二脈沖信號(hào)則采用較高的頻率。
綜上所述，本發(fā)明的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換方法大致可歸納為下列步驟(1)提供一直流電源；(2)以該直流電源產(chǎn)生占空比為50％的一第一脈沖信號(hào)及一第二脈沖信號(hào)，而兩者的相位相差180度；
(3)以該第一脈沖信號(hào)輸入一第一降壓回路而產(chǎn)生一第一電流，且以該第二脈沖信號(hào)輸入一第二降壓回路而產(chǎn)生一第二電流；(4)整合該第一電流及第二電流而輸至一負(fù)載。
該第一脈沖信號(hào)及第二脈沖信號(hào)的相位可利用同步整流進(jìn)行控制，以提高傳輸效率。此外，該第一降壓回路及第二降壓回路中的電流可進(jìn)行檢測(cè)。若檢測(cè)到該第一降壓回路或第二降壓回路的電流約等于零或?qū)a(chǎn)生逆流，將該第一降壓回路或第二降壓回路形成斷路狀態(tài)，以避免電源轉(zhuǎn)換的損失。
本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特點(diǎn)已公開如上，然而熟悉本項(xiàng)技術(shù)的人士仍可能基于本發(fā)明的教示及公開而作種種不背離本發(fā)明精神的替換及修飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)不限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，而應(yīng)包括各種不背離本發(fā)明的替換及修飾，并為本專利申請(qǐng)權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器，包含至少一第一開關(guān)，用于產(chǎn)生一第一脈沖信號(hào)和第二脈沖信號(hào)，其中該第一和第二脈沖信號(hào)具有約相同的占空比且彼此的相位差約180度；以及兩降壓回路，各降壓回路的一端是連接于該至少一第一開關(guān)，另一端并聯(lián)于一負(fù)載，各降壓回路包含一第二開關(guān)，其通路和斷路狀態(tài)與該至少一第一開關(guān)相反；一電感；一電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述第二開關(guān)是一二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述第二開關(guān)是一金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述各降壓回路另包含一檢測(cè)器，用以檢測(cè)流經(jīng)該電感的電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述第一開關(guān)有兩個(gè)，且分別連接于該兩降壓回路。
6.一種降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換方法，包含下列步驟提供一直流電源；以該直流電源產(chǎn)生占空比約為50％的一第一脈沖信號(hào)及一第二脈沖信號(hào)，且兩者的相位相差約180度；以該第一脈沖信號(hào)輸入一第一降壓回路而產(chǎn)生一第一電流，且以該第二脈沖信號(hào)輸入一第二降壓回路而產(chǎn)生一第二電流；整合該第一電流及第二電流并傳輸至一負(fù)載。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換方法，其特征在于所述第一降壓回路及第二降壓回路的電流路徑是以同步整流進(jìn)行控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換方法，其特征在于其另包含一檢測(cè)該第一降壓回路及第二降壓回路中的電流的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換方法，其特征在于其另包含一斷路步驟，其用于在檢測(cè)出該第一降壓回路或第二降壓回路的電流約為零時(shí)形成斷路。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換方法，其特征在于所述第一脈沖信號(hào)及第二脈沖信號(hào)是采用變頻式控制。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換方法，其特征在于其另包含下列步驟若所述負(fù)載為重載情況時(shí)，則降低該第一脈沖信號(hào)及第二脈沖信號(hào)的頻率；若所述負(fù)載為輕載狀況時(shí)，則提高該第一脈沖信號(hào)及第二脈沖信號(hào)的頻率。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換方法，其特征在于所述第一脈沖信號(hào)及第二脈沖信號(hào)是采用脈沖跳躍調(diào)制進(jìn)行控制。
全文摘要
本發(fā)明公開一降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器及電源轉(zhuǎn)換方法。該降壓式直流轉(zhuǎn)直流的電源轉(zhuǎn)換器包含兩第一開關(guān)及兩降壓回路。該兩第一開關(guān)并聯(lián)于一直流電源，兩者的通路和斷路狀態(tài)相反，但通路和斷路持續(xù)時(shí)間相同。各降壓回路的一端分別連接于第一開關(guān)，另一端并聯(lián)于一負(fù)載。各降壓回路包含一第二開關(guān)、一電感及一電容。該第二開關(guān)的通路和斷路狀態(tài)與第一開關(guān)相反。由于兩第一開關(guān)的通路和斷路持續(xù)時(shí)間相同且其通路和斷路狀態(tài)相反，因此該直流電源可產(chǎn)生占空比均為50％且相位相差180度的一第一脈沖信號(hào)及一第二脈沖信號(hào)。該兩降壓回路分別感應(yīng)第一脈沖信號(hào)及第二脈沖信號(hào)，從而產(chǎn)生一第一電流及一第二電流。最終整合該第一電流及第二電流并傳輸至一負(fù)載。
文檔編號(hào)H02M3/04GK1581654SQ03152580
公開日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2003年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月5日
發(fā)明者劉興富 申請(qǐng)人:沛亨半導(dǎo)體股份有限公司