專利名稱：用于同步切換式電壓轉(zhuǎn)換器的逆向電流保護裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及 一 種同步切換式電壓轉(zhuǎn)換器(Synchronous Switching Voltage Converter),尤其涉及一種用于防止電流由輸 出端往輸入端逆流的同步切換式電壓轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
圖1示出公知的同步切換式電壓轉(zhuǎn)換器10的電路圖。同步切換 式電壓轉(zhuǎn)換器10具有切換控制電路12、電感L1、輸出電容Cw、開 關(guān)SP1、及開關(guān)SN1。輸入電壓V^耦合到輸入端IN1且輸出電壓V。, 耦合到輸出端01。同步切換式電壓轉(zhuǎn)換器10屬于升壓型，亦即將較 低的輸入電壓Vw轉(zhuǎn)換成較高的輸出電壓VM。電感Ll耦合到輸入端 INI與切換節(jié)點N1之間。開關(guān)SP1耦合到切換節(jié)點N1與輸出端Ol 間，而開關(guān)SN1則耦合到切換節(jié)點N1與地面電位間。此外，輸出電 容C。i耦合到輸出端01，以便對輸出電壓L進行濾波。在圖l所示 的例子中，開關(guān)SP1由PM0S晶體管所實施而開關(guān)SN1則由麗0S晶 體管所實施。切換控制電路12施加驅(qū)動信號DN1以決定開關(guān)SN1的 導(dǎo)通(0N)與不導(dǎo)通(0FF)，且施加驅(qū)動信號DPI以決定開關(guān)SP1的導(dǎo) 通與不導(dǎo)通。
具體而言，切換控制電路12基于輸出電壓L的反饋而決定驅(qū) 動信號DN1及DP1的占空因數(shù)，以將輸出電壓L調(diào)節(jié)到目標(biāo)值。當(dāng) 輸出電壓V。,低于目標(biāo)值時，驅(qū)動信號DN1及DP1的占空因數(shù)將會變 大，以提高輸出電壓V。,。當(dāng)輸出電壓L高于目標(biāo)值時，驅(qū)動信號 DN1及DP1的占空因數(shù)將會變小，以降低輸出電壓L。
圖2 (a)示出電感Ll的電流Iu在重載(Heavy Loading)時的波形 時序圖，而圖2(b)則示出電感Ll的電流Iu在輕載(Light Loading) 時的波形時序圖。如圖2(a)所示，當(dāng)輸出端01處于重載時，電感Ll的電流Iu不會發(fā)生逆流的現(xiàn)象。然而，如圖2(b)所示，當(dāng)輸出 端01處于輕載時，電感Ll的電流Iu在時間Ta至TB之間會逆轉(zhuǎn)方向 而由輸出端01往輸入端IN1逆流，因而降低功率效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種逆向電流保護裝置，應(yīng)用于同步切 換式電壓轉(zhuǎn)換器，在輕載時可防止電感電流由輸出端往輸入端逆流， 進而提升功率效率。
依據(jù)本發(fā)明的目的，提供一種同步切換式電壓轉(zhuǎn)換器將輸入電
壓轉(zhuǎn)換成輸出電壓，其具有切換電路、電流檢測單元、電流比較 單元、以及時間計算單元。切換電路具有第一開關(guān)、第二開關(guān)、與 電感。該第一開關(guān)、該第二開關(guān)、與該電感共同耦合到切換節(jié)點， 且該電感流過第一電流。電流檢測單元用以提供第二電流，該第二 電流正比于該第一電流。電流比較單元通過比較A^2(x+y)與 I2(x+A*y)以判別該第一電流是否在時間x等于零，其中A為常數(shù)且 滿足不等式0〈A〈1， y表示該第一開關(guān)的導(dǎo)通持續(xù)時間，L(x+y)表示 該第二電流在時間x+y的電流值，而12"+八*7)表示該第二電流在時 間x+A*y的電流值。時間計算單元利用第三電流與第S周期時該第 二開關(guān)的導(dǎo)通持續(xù)時間TVs,用以計算出第(S+l)周期時該第二開關(guān)的 導(dǎo)通持續(xù)時間TPS+1，其中該第三電流正比于該第一電流且S為大于1 的正整數(shù)。該電流檢測單元、該電流比較單元、及該時間計算單元 用以避免該第一 電流發(fā)生逆流現(xiàn)象。


圖1示出公知的同步切換式電壓轉(zhuǎn)換器的電路圖； 圖2(a)示出重載時公知的電感電流的波形時序圖； 圖2(b)示出輕載時公知的電感電流的波形時序圖； 圖3示出依據(jù)本發(fā)明的同步切換式電壓轉(zhuǎn)換器的電路圖； 圖4(a)示出依據(jù)本發(fā)明的同步切換式電壓轉(zhuǎn)換器在重載模式時 的操作方法的波形時序圖；圖4 (b)示出依據(jù)本發(fā)明的同步切換式電壓轉(zhuǎn)換器由重載模式變 為輕載模式時的操作方法的波形時序圖。
具體實施例
下文中的說明與附圖將使本發(fā)明的前述與其他目的、特征、與 優(yōu)點更明顯。這里將參照附圖詳細(xì)說明依據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖3示出依據(jù)本發(fā)明的同步切換式電壓轉(zhuǎn)換器30的電路圖。同 步切換式電壓轉(zhuǎn)換器30具有切換控制電路32、電感L、輸出電容C。、 開關(guān)SP、及開關(guān)SN。輸入電壓Vin耦合到輸入端IN且輸出電壓V。 耦合到輸出端O。同步切換式電壓轉(zhuǎn)換器30屬于升壓型，亦即將較 低的輸入電壓Vi。轉(zhuǎn)換成較高的輸出電壓V。。電感L耦合到輸入端IN 與切換節(jié)點N之間，且電感L流過電流I,。開關(guān)SP耦合到切換節(jié)點 N與輸出端0之間，而開關(guān)SN則耦合到切換節(jié)點N與地面電位之間。 此外，輸出電容C。耦合到輸出端0，且輸出端0耦合到切換控制電 路32。在圖3所示的例子中，開關(guān)SP由PMOS晶體管所實施而開關(guān) SN則由NMOS晶體管所實施。切換控制電路32施加驅(qū)動信號DN以決 定開關(guān)SN的導(dǎo)通與不導(dǎo)通，且施加驅(qū)動信號DP以決定開關(guān)SP的導(dǎo) 通與不導(dǎo)通。
圖4(a)示出輸出端O處于重載時，驅(qū)動信號DN、驅(qū)動信號DP、 以及電流I,的波形時序圖。當(dāng)驅(qū)動信號DN及DP為高電平時，開關(guān) SN導(dǎo)通而開關(guān)SP不導(dǎo)通，此時電感L的電流I,會逐漸增加。當(dāng)驅(qū) 動信號DN及DP為低電平時，幵關(guān)SN不導(dǎo)通而開關(guān)SP導(dǎo)通，此時 電感L的電流L會逐漸減少。在此重載模式操作下電流L不會發(fā)生 逆流的現(xiàn)象。
圖4(b)則示出輸出端O由重載變?yōu)檩p載時，驅(qū)動信號DN、驅(qū) 動信號DP、以及電流I的波形時序圖。請同時參照圖3、圖4(a)及 圖4(b)以便詳細(xì)說明依據(jù)本發(fā)明的切換控制電路32的操作方式。 如圖3所示，切換控制電路32包含電流檢測單元34、電流比較單元 36、以及時間計算單元38，用以避免電感L的電流I!發(fā)生逆流的現(xiàn) 象。電流檢測單元34根據(jù)電流L而產(chǎn)生電流l2及l(fā)3，其中12二13且電流12正比于電流L，用以提供電流12至電流比較單元36且提供電 流13至?xí)r間計算單元38。
如圖4(a)所示，開關(guān)SN在時間x開始導(dǎo)通，此時電流I,為最 小值I^。當(dāng)經(jīng)過開關(guān)SN導(dǎo)通持續(xù)時間y后，電流I,在時間z為最 大值I^且z二x + y。為了避免電感L的電流I,產(chǎn)生逆向電流，首 先必須檢測電流I,何時減少至零。電流比較單元36通過比較 A化(x+y)與12(x+A求y)以判別電流I,是否在時間x等于零，其中A 為常數(shù)且滿足不等式0<A〈1。 12(x+y)表示電流12在時間x+y的電流 值，而I2(x+A*y)表示電流12在時間x+A*y的電流值。因為電流12 正比于電感L的電流L，所以電流比較單元36利用電流12來取代電 流L以作為比較之用，其中LFBH^，B為常數(shù)且滿足不等式0〈B<1。
為了易于實施且便于以下說明，本發(fā)明選擇A = 0. 5。 I2(x+0. 5*y) 表示電流12在時間w的電流值，L(x+0. 5*7)表示電流L在時間w的 電流值，其中Ii(w) = 0. 5水(I^+IJ且w 二 x +0. 5*y。故A*I2(x+y) 二 0. 5*I2(z) = 0.5*B*Imax，且I2(x+A*y) 二 I2(x+0.5*y) 二 I2(w)= 0. 5*B*(U+LX)。當(dāng)I^大于零，表示12(x+A沐y)大于A*I2(x+y)，電 流比較單元36輸出低電平的比較信號CP。當(dāng)L,n降至零，表示 I2 (x+A*y)等于A*I2 (x+y)，電流比較單元36則輸出高電平的比較信 號CP。
如圖4(b)所示，驅(qū)動信號DN及DP具有周期T， T,為第S周期 的開始吋間，即T,二(S-1)*T，此時L的電流為零，其中S為大于l 的正整數(shù)。當(dāng)經(jīng)過開關(guān)SN導(dǎo)通持續(xù)時間Ls后，在時間T2電流比較 單元36會輸出高電平的比較信號CP至?xí)r間計算單元38，以表示目 前同步切換式電壓轉(zhuǎn)換器30操作在輕載模式，其中T^T,+Tws。如前 所述，由于I3 二 I2 二 B*It，所以時間計算單元38利用電流13來計 算第(S+l)周期時的開關(guān)SP導(dǎo)通持續(xù)時間TPS+1、第(S+2)周期時的開 關(guān)SP導(dǎo)通持續(xù)時間Tpw、第(S+3)周期時的開關(guān)SP導(dǎo)通持續(xù)時間TPS+3 等，以避免電流I,發(fā)生逆流現(xiàn)象。
如圖4(b)所示，當(dāng)時間計算單元38接收到高電平的比較信號 CP，首先會儲存時間T2時的電流l3，亦即I3(T2)。當(dāng)經(jīng)過開關(guān)SP導(dǎo)通持續(xù)時間Tps后，在時間T3時L的電流為零，其中L = T2 + T,，s。 時間L是第S周期的結(jié)束時間也是第(S+l)周期的開始時間。時間計 算單元38此時會儲存第S周期時的開關(guān)SP導(dǎo)通持續(xù)時間Tps。當(dāng)經(jīng) 過開關(guān)SN導(dǎo)通持續(xù)時間T,后，時間計算單元38接著會儲存時間 L時的電流13，亦即I3(T4)，其中T4 = T3 + TNS+1。為了避免電流L 在時間Ts之后發(fā)生逆流現(xiàn)象，時間計算單元38將根據(jù)之前儲存的 l3(T2)、 I3(T4)、以及TVs用以決定第(S+l)周期的開關(guān)SP導(dǎo)通持續(xù)時 間TPS+1,其中電流I,在時間Ts時等于零且T5= T4 + Tl>s+1。接著切換 控制電路32會根據(jù)時間計算單元38所計算出的開關(guān)SP導(dǎo)通持續(xù)時 間TW,用以控制驅(qū)動信號DP使得開關(guān)SP不導(dǎo)通。因此，電流I,在 時間Ts至L之間維持為零，其中時間T6是第(S+1)周期的結(jié)束時間， 此時同步切換式電壓轉(zhuǎn)換器30操作于不連續(xù)電流模式 (Discontinuous Current Mode)。
由于電感L的電流L以固定的斜率下降，因此T2、 T3、以及I, 所形成的三角形會類似于T4、 T5、以及L所形成的三角形，如圖4(b) 所示。利用兩個三角形相似的特性，可得T別二 TPS*I,(T4)/L(T2)= TPS*I3(T4)/I3(T2)，其中I"T》表示電流L在時間T2的電流值且 表示電流L在時間T,的電流值。同樣地，第(S+2)周期時的開關(guān)SP 導(dǎo)通持續(xù)時間TPS+2、第(S+3)周期時的開關(guān)SP導(dǎo)通持續(xù)時間Tps+3等， 都可應(yīng)用相似三角形的特性而推得，在此便不再贅述。
因此，切換控制電路32會根據(jù)時間計算單元38所推得的開關(guān) SP導(dǎo)通持續(xù)時間TPS+1、 TPS+2、 Tps+3等用以產(chǎn)生驅(qū)動信號DP，由此防止 電感L的電流I,發(fā)生逆流現(xiàn)象，進而提升功率效率，且使得同步切 換式電壓轉(zhuǎn)換器30在輕載模式下操作于不連續(xù)電流模式。本發(fā)明除 了可應(yīng)用于升壓形電壓轉(zhuǎn)換器外，也可實施于降壓形電壓轉(zhuǎn)換器。
雖然本明已經(jīng)通過優(yōu)選實施例作為例示加以說明，應(yīng)了解的 是本發(fā)明不限于此公開的實施例。相反地，本發(fā)明意在涵蓋對于 本領(lǐng)域一般技術(shù)人員而言明顯的各種修改與相似配置。因此，權(quán)利 要求的范圍應(yīng)根據(jù)最廣的詮釋，以包容所有此類修改與相似配置。
權(quán)利要求
1、一種切換式電壓轉(zhuǎn)換器，用以將輸入電壓轉(zhuǎn)換成輸出電壓，包括切換電路，具有第一開關(guān)、第二開關(guān)、與電感，其中該第一開關(guān)、該第二開關(guān)、與該電感共同耦合到切換節(jié)點，且該電感流過第一電流；電流檢測單元，用以提供第二電流，所述第二電流正比于所述第一電流；以及電流比較單元，通過比較A*I2(x+y)與I2(x+A*y)以判別所述第一電流是否在時間x等于零，其中A為常數(shù)且滿足不等式0<A<1，y表示所述第一開關(guān)的導(dǎo)通持續(xù)時間，I2(x+y)表示所述第二電流在時間x+y的電流值，而I2(x+A*y)表示所述第二電流在時間x+A*y的電流值。
2、 如權(quán)利要求l所述的切換式電壓轉(zhuǎn)換器，還包括 時間計算單元，利用第三電流與第S周期時所述第二開關(guān)的導(dǎo)通持續(xù)吋間，用以計算出第(S+1)周期時所述第二開關(guān)的導(dǎo)通持續(xù)時 間，其中所述第三電流正比于所述第一電流且S為大于1的正整數(shù)。
3、 如權(quán)利要求l所述的切換式電壓轉(zhuǎn)換器，其中A等于0.5。
4、 如權(quán)利要求l所述的切換式電壓轉(zhuǎn)換器，其中所述切換式電 壓轉(zhuǎn)換器屬于升壓型。
5、 如權(quán)利要求2所述的切換式電壓轉(zhuǎn)換器，其中所述電流比較 單元將比較信號輸出到所述時間計算單元，用以表示所述同步切換 式電壓轉(zhuǎn)換器操作于輕載模式。
6、 如權(quán)利要求5所述的切換式電壓轉(zhuǎn)換器，其中所述電流檢測單元、所述電流比較單元、與所述時間計算單元用以避免所述第一 電流發(fā)生逆流現(xiàn)象。
7、如權(quán)利要求2所述的切換式電壓轉(zhuǎn)換器，其中所述切換式電壓轉(zhuǎn)換器在輕載模式時操作于不連續(xù)電流模式。
全文摘要
一種同步切換式電壓轉(zhuǎn)換器，具有電感、第一開關(guān)、第二開關(guān)、電流比較單元、及時間計算單元。電流比較單元用以判別電感電流是否等于零。時間計算單元用以計算第二開關(guān)的導(dǎo)通持續(xù)時間，使得在輕載模式時可避免電感電流發(fā)生逆流現(xiàn)象，并進而提升功率效率。
文檔編號H02M3/04GK101447732SQ20071019349
公開日2009年6月3日 申請日期2007年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月27日
發(fā)明者張簡上裕 申請人:致新科技股份有限公司