同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器，至少包括控制器、第一晶體管、第二晶體管、電感以及電容，其中控制器連接第一及第二晶體管的柵極以控制第一及第二晶體管的導(dǎo)通，進(jìn)而控制電感的電流以及電容的充放電，且第一及第二晶體管串聯(lián)連接并進(jìn)一步連接控制器及電感，電感可進(jìn)一步連接第一外部電源單元或第一外部負(fù)載裝置，而第一晶體管的漏極可連接至第二外部負(fù)載裝置或第二外部電源單元，藉以將第一外部電源單元的低壓輸入電源轉(zhuǎn)換成高壓輸出電源，或?qū)⒌诙獠侩娫磫卧母邏狠斎腚娫崔D(zhuǎn)換成低壓輸出電源，實(shí)現(xiàn)同步整流的升壓及降壓轉(zhuǎn)換功能。
【專利說(shuō)明】同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種升降壓轉(zhuǎn)換器，尤其是利用低導(dǎo)通電阻的晶體管取代二極管，并具有同步整流功能，以達(dá)到雙向(升降壓)直流對(duì)直流(DC/DC)的電源變換需求。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于一般的電子產(chǎn)品或電器產(chǎn)品，需要不同的直流電源以供電氣操作，比如一般集成電路需要低壓的5V、3V或甚至更低的1.8V而運(yùn)作，而具有多個(gè)串聯(lián)/并聯(lián)連接組合的發(fā)光二極管的燈條也需要數(shù)十伏的電源以點(diǎn)亮所有或部分的發(fā)光二極管。此外，電動(dòng)馬達(dá)常需要12V的電源而驅(qū)動(dòng)，尤其是還需要較高的驅(qū)動(dòng)電流。
[0003]在一般的現(xiàn)有技術(shù)中，可利用同步整流技術(shù)的升壓或降壓電路以實(shí)現(xiàn)直流電源的升壓或降壓轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生具有所需電壓大小的電源。實(shí)務(wù)上常用的方式是利用二個(gè)二極管，配合電容以及單一或二個(gè)電感，由控制器適當(dāng)控制二極管的導(dǎo)通，進(jìn)而控制電感及電容的充放電，而產(chǎn)生輸出電源。
[0004]然而，現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)在于二極管的導(dǎo)通電阻較大，應(yīng)用在大電流場(chǎng)合時(shí)，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換電路本身的功率損耗過(guò)大，尤其是在目前節(jié)能減碳的風(fēng)潮下，歐盟已制定相關(guān)耗電的最低范圍，并明確設(shè)定具體實(shí)施日期，藉以淘汰不適合的電子或電氣商品。因此，需要一種同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器，具有很低的功率消耗，藉以解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的在于提供一種同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器，主要包括:控制器、第一晶體管、第二晶體管、電感、電容、升壓電阻以及降壓電阻，可用以實(shí)現(xiàn)同步整流的升壓(Boost)及降壓(Buck)轉(zhuǎn)換功能，其中第一晶體管的射極以及第二晶體管的漏極相互連接，并進(jìn)一步連接至控制器及電感的一端，控制器連接第一晶體管及第二晶體管的柵極以控制第一晶體管及第二晶體管的導(dǎo)通或關(guān)閉，電感的另一端可連接至升壓電阻、電容以及第一外部電源單元/第二外部負(fù)載裝置，而第一晶體管的漏極可連接至降壓電阻以及第一外部負(fù)載裝置/第二外部電源單元，升壓電阻以及降壓電阻并分別連接至控制器以提供反饋回路。
[0006]控制器可控制電感及電容的充放電操作以實(shí)現(xiàn)升壓轉(zhuǎn)換，而將第一外部電源單元所提供的低壓輸入電源轉(zhuǎn)換成高壓輸出電源，并經(jīng)第一晶體管的漏極而輸出至第一外部負(fù)載裝置，或?qū)崿F(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換，而將來(lái)自第二外部電源單元的高壓輸入電源轉(zhuǎn)換成低壓輸出電源，并經(jīng)電感的另一端而輸出至第二外部負(fù)載裝置。
[0007]第一晶體管及第二晶體管具有低導(dǎo)通電阻，可減少轉(zhuǎn)換失真并降低功率消耗，尤其是控制器可依據(jù)內(nèi)建的韌體程序而操作。因此，本發(fā)明的同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器可依據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，更新所需韌體程序而能輕易達(dá)成不同的電氣特性需求。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】[0008]圖1為顯示本發(fā)明第一實(shí)施例同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器的升壓操作示意圖；
[0009]圖2為顯示本發(fā)明第一實(shí)施例同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器的降壓操作示意圖；
[0010]圖3為顯示本發(fā)明第二實(shí)施例同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器的升壓操作示意圖；
[0011]圖4為顯示本發(fā)明第二實(shí)施例同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器的降壓操作示意圖；
[0012]圖5為顯示本發(fā)明控制器的功能方塊示意圖；
[0013]圖6為顯示本發(fā)明同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器的升壓操作波形圖；
[0014]圖7為顯示本發(fā)明同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器的降壓操作波形圖；
[0015]圖8為顯示本發(fā)明第一實(shí)施例中晶體管柵極的波形圖；
[0016]圖9為顯示本發(fā)明第二實(shí)施例中晶體管柵極的波形圖。
[0017]其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下:
[0018]10控制器
[0019]11選取單元
[0020]13脈沖寬度調(diào)變(PWM)控制單元
[0021]15驅(qū)動(dòng)控制單元
[0022]17驅(qū)動(dòng)單元
[0023]20第一晶體管
[0024]22第一晶體管
[0025]30第二晶體管
[0026]40 電感
[0027]50 電容
[0028]60升壓電阻
[0029]70降壓電阻
[0030]80第一外部電源單元[0031 ]82第二外部電源單元
[0032]90第一外部負(fù)載裝置
[0033]92第二外部負(fù)載裝置
[0034]Boost_VFB升壓反饋端
[0035]Buck_VFB降壓反饋端
[0036]DRVH 第一驅(qū)動(dòng)端
[0037]DRVL 第二驅(qū)動(dòng)端
[0038]0N_0FF切換控制信號(hào)
【具體實(shí)施方式】
[0039]以下配合圖式及元件符號(hào)對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做更詳細(xì)的說(shuō)明，以使熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在研讀本說(shuō)明書(shū)后能據(jù)以實(shí)施。
[0040]參考圖1及圖2，分別為本發(fā)明同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器的升壓及降壓操作示意圖。如圖1所示，本發(fā)明第一實(shí)施例的同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器包括控制器10、第一晶體管20、第二晶體管30、電感40、電容50、升壓電阻60以及降壓電阻70，可用以實(shí)現(xiàn)具有同步整流特性的升壓(Boost)及降壓(Buck)轉(zhuǎn)換功能。[0041]具體而言，控制器10至少具有輸入使能端Enable、第一驅(qū)動(dòng)端DRVH、第二驅(qū)動(dòng)端DRVL、升壓反饋端Boost_VFB以及降壓反饋端Buck_VFB,其中輸入使能端Enable是傳送由外部輸入的使能信號(hào)，第一驅(qū)動(dòng)端DRVH及第二驅(qū)動(dòng)端DRVL分別連接第一晶體管20及第二晶體管30的柵極，升壓反饋端Boost_VFB以及降壓反饋端Buck_VFB分別連接升壓電阻60的一端及降壓電阻70的一端。要注意的是，控制器10可由微處理器藉執(zhí)行特定韌體程序而實(shí)現(xiàn)所需功能，或直接利用特定電路而實(shí)現(xiàn)。
[0042]第一晶體管20的漏極連接降壓電阻70的另一端，第一晶體管20的射極連接第二晶體管30的漏極以及電感40的一端，而第二晶體管30的射極為接地。此外，電感40的另一端連接電容50的一端以及升壓電阻60的另一端，而電容50的另一端為接地。
[0043]此外，電感40的另一端連接第一外部電源單元80，而第一晶體管20的漏極進(jìn)一步連接第一外部負(fù)載裝置90，藉以將第一外部電源單元80所提供的低電壓輸入電源轉(zhuǎn)換成高電壓輸出電源而輸出至第一外部負(fù)載裝置90，因而實(shí)現(xiàn)升壓轉(zhuǎn)換功能。另一方式為，電感40的另一端連接第二外部負(fù)載單元92，而第一晶體管20的漏極進(jìn)一步連接第二外部電源裝置82，藉以將第二外部電源單元82所提供的高電壓輸入電源轉(zhuǎn)換成低電壓輸出電源而輸出至第二外部負(fù)載裝置92，因而實(shí)現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換功能。上述的第一外部電源單元80及第二外部電源裝置82為直流電源，可包括一次電池、二次電池或太陽(yáng)能板。
[0044]參考圖3及圖4，分別為本發(fā)明第二實(shí)施例同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器的升壓及降壓操作示意圖，其中圖3及圖4的第二實(shí)施例分別類似于圖1及圖2的第一實(shí)施例，其主要差異在于第一實(shí)施例中的第一晶體管20及第二晶體管30都是用N型晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是在第二實(shí)施例中，第一晶體管20是使用P型晶體管而第二晶體管30是使用N型晶體管，其中N型晶體管可包括N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(NM0S)，而P型晶體管可包括P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(PM0S)。因此，其余元件的特性不再贅述。
[0045]上述控制器10的具體操作將以硬件電路單元的方式說(shuō)明如下。
[0046]參考圖5，為本發(fā)明控制器的功能方塊示意圖，其中控制器10包括選取單元11、脈沖寬度調(diào)變(PWM)控制單元13、驅(qū)動(dòng)控制單元15以及驅(qū)動(dòng)單元17。選取單元11連接輸入使能端Enable、升壓反饋端Boost_VFB以及降壓反饋端Buck_VFB,藉以在輸入使能端Enable的使能信號(hào)為高位準(zhǔn)時(shí)，將來(lái)自升壓電阻60以及降壓電阻70并經(jīng)由升壓反饋端Boost_VFB以及降壓反饋端Buck_VFB而輸入的反饋信號(hào)傳送至脈沖寬度調(diào)變控制單元13，并由脈沖寬度調(diào)變控制單元13依據(jù)所接收的反饋信號(hào)而產(chǎn)生特定的脈沖寬度調(diào)變(PWM)控制信號(hào)，亦即PWM控制信號(hào)中的脈沖寬度是依據(jù)反饋信號(hào)而適度調(diào)變成更大或更小。
[0047]接著,驅(qū)動(dòng)控制單元15接收PWM控制信號(hào)，并利用施密特觸發(fā)(Schmitt Trigger)電路或?yàn)V波電路進(jìn)行高頻噪聲或抖動(dòng)信號(hào)(Glitch)的濾波處理，在使能信號(hào)為高位準(zhǔn)時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)至驅(qū)動(dòng)單元17。最后，驅(qū)動(dòng)單元17依據(jù)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，并配合切換控制信號(hào)0N_0FF，產(chǎn)生并輸出相對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)第一晶體管20及第二晶體管30。此夕卜，切換控制信號(hào)0N_0FF可由內(nèi)部預(yù)設(shè)或由外部輸入。
[0048]要注意的是，上述選取單元11、脈沖寬度調(diào)變(PWM)控制單元13、驅(qū)動(dòng)控制單元15以及驅(qū)動(dòng)單元17的操作也可藉執(zhí)行韌體程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0049]為進(jìn)一步具體說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)際操作，請(qǐng)參考圖6至圖9，其中圖6為升壓操作波形圖，圖7為降壓操作波形圖，圖8為第一實(shí)施例中晶體管柵極的波形圖，而圖9為第二實(shí)施例中晶體管柵極的波形圖。
[0050]如圖6所示，當(dāng)本發(fā)明是利用圖1或圖3的配置以進(jìn)行升壓操作時(shí)，第一晶體管20的打開(kāi)時(shí)序(Q1 on)與第二晶體管30的打開(kāi)時(shí)序(Q2 on)在控制器10以PWM方式的控制下相互錯(cuò)開(kāi)而不重疊，使得第一外部電源單元80的輸入電壓(Vi)可經(jīng)由電感40上的電流(iL)及配合電容50的操作而升高，因而第一外部負(fù)載裝置90上輸出電壓(Vout)的平均電壓(Vi/(1-D))大于輸入電壓(Vi)，以達(dá)到升壓目的，其中D小于1，被定義為第一晶體管20的打開(kāi)時(shí)序(Q1 on)與系統(tǒng)PWM切換周期(Ts)的比值。
[0051]另外相類似的，如圖7所示，當(dāng)本發(fā)明是利用圖2或圖4的配置以進(jìn)行降壓操作時(shí)，在控制器10的控制下，第一晶體管20的打開(kāi)時(shí)序(Q1 on)是與第二晶體管30的打開(kāi)時(shí)序(Q2 on)可讓電感40上的電流(ij及配合電容50的操作而使得第二外部電源單元82的輸入電壓(Vi)被降低到平均電壓(DVi)而輸出至第二外部負(fù)載裝置92，藉以達(dá)到所需的降壓目的。
[0052]此外，上述第一晶體管20的柵極電壓(VG1或Vgsl)及第二晶體管30的柵極電壓(VG1或Vgsl)波形以及第一晶體管22及第二晶體管30的柵極電壓(VG2或Vgs2)的相對(duì)應(yīng)波形分別如圖8及圖9所示，其中第一晶體管20及第二晶體管30為NM0S,而第一晶體管22為PM0S，且圖中的NCH-0N表示NM0S被打開(kāi)，NCH-0FF表示NM0S被關(guān)閉，PCH-0N表示PM0S被打開(kāi)，而PCH-0FF表示PM0S被關(guān)閉。
[0053]綜上所述，本發(fā)明的特點(diǎn)在于可利用單一電感，并配合二 N型晶體管，而在控制器的適當(dāng)控制下實(shí)現(xiàn)同步整流的升降壓轉(zhuǎn)換功能，尤其是也可利用一 P型晶體管及一 N型晶體管以實(shí)現(xiàn)同功能，因而能簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善整體操作穩(wěn)定性。
[0054]本發(fā)明方法的另一特點(diǎn)在于控制器基本上是以數(shù)字操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此可降低對(duì)系統(tǒng)噪聲或外部噪聲的敏感度，降低干擾程度，而且控制器的電氣操作可藉韌體程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此可藉更新韌體程序來(lái)改變操作特性，以符合實(shí)際需要，改善適應(yīng)性，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。
[0055]以上所述僅為用以解釋本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非企圖據(jù)以對(duì)本發(fā)明做任何形式上的限制。因此，凡有在相同的發(fā)明精神下所作有關(guān)本發(fā)明的任何修飾或變更，皆仍應(yīng)包括在本發(fā)明意圖保護(hù)的范疇。
【權(quán)利要求】
1.一種同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器，用以實(shí)現(xiàn)具有同步整流特性的升壓(Boost)及降壓(Buck)轉(zhuǎn)換功能，其特征在于，該同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器包括一控制器、一第一晶體管、一第二晶體管、一電感、一電容、一升壓電阻以及一降壓電阻，其中該控制器至少具有一輸入使能端、一第一驅(qū)動(dòng)端、一第二驅(qū)動(dòng)端、一升壓反饋端以及一降壓反饋端，該輸入使能端是傳送由外部輸入的一使能信號(hào)，該第一驅(qū)動(dòng)端及該第二驅(qū)動(dòng)端分別連接該第一晶體管及該第二晶體管的柵極，該升壓反饋端以及該降壓反饋端分別連接該升壓電阻的一端及該降壓電阻的一端，該第一晶體管的漏極連接該降壓電阻的另一端，該第一晶體管的射極連接該第二晶體管的漏極以及該電感的一端，而該第二晶體管的射極為接地，該電感的另一端連接該升壓電阻的另一端以及該電容的一端，而該電容的另一端為接地，該第一晶體管的漏極進(jìn)一步連接一第一外部負(fù)載裝置且該電感的另一端進(jìn)一步連接一第一外部電源單元，藉以將該第一外部電源單元所提供的低電壓輸入電源轉(zhuǎn)換成高電壓輸出電源而輸出至該第一外部負(fù)載裝置，或該第一晶體管的漏極進(jìn)一步連接一第二外部電源單元且該電感的另一端進(jìn)一步連接一第二外部負(fù)載裝置，藉以將該第二外部電源單元所提供的高電壓輸入電源轉(zhuǎn)換成低電壓輸出電源而輸出至該第二外部負(fù)載裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該控制器包括一選取單元、一脈沖寬度調(diào)變(PWM)控制單元、一驅(qū)動(dòng)控制單元以及一驅(qū)動(dòng)單元，該選取單元連接該輸入使能端、該升壓反饋端及該降壓反饋端，藉以在該輸入使能端的使能信號(hào)為高位準(zhǔn)時(shí)，將來(lái)自該升壓電阻以及該降壓電阻并經(jīng)由該升壓反饋端及該降壓反饋端而輸入的反饋信號(hào)傳送至該脈沖寬度調(diào)變控制單元，并由該脈沖寬度調(diào)變控制單元依據(jù)所接收的反饋信號(hào)而產(chǎn)生一脈沖寬度調(diào)變控制信號(hào)，該驅(qū)動(dòng)控制單元接收該脈沖寬度調(diào)變控制信號(hào)并利用施密特觸發(fā)(Schmitt Trigger)電路或?yàn)V波電路進(jìn)行濾波處理,進(jìn)而在該使能信號(hào)為高位準(zhǔn)時(shí)，輸出一驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)至該驅(qū)動(dòng)單元，該驅(qū)動(dòng)單元依據(jù)該驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)并配合一切換控制信號(hào)，產(chǎn)生并輸出相對(duì)應(yīng)的一脈沖寬度調(diào)變信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)該第一晶體管及該第二晶體管，而該切換控制信號(hào)由內(nèi)部預(yù)設(shè)或由外部輸入。
3.如權(quán)利要求2所述的同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該選取單元、該脈沖寬度調(diào)變控制單元、該驅(qū)動(dòng)控制單元以及該驅(qū)動(dòng)單元是利用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4.如權(quán)利要求2所述的同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該控制器為一微處理器，而該選取單元、該脈沖寬度調(diào)變控制單元、該驅(qū)動(dòng)控制單元以及該驅(qū)動(dòng)單元是藉執(zhí)行一韌體程序而實(shí)現(xiàn)。
5.如權(quán)利要求1所述的同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該第一外部電源單元及該第二外部電源裝置為直流電源，包括一次電池、二次電池或太陽(yáng)能板。
6.如權(quán)利要求1所述的同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該第一晶體管及該第二晶體管是利用N型晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)，該N型晶體管包括N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(NM0S)。
7.如權(quán)利要求1所述的同步整流升降壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該第一晶體管是使用P型晶體管而該第二晶體管是使用N型晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)，該N型晶體管包括N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(NM0S)，而該P(yáng)型晶體管包括P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(PM0S)。
【文檔編號(hào)】H02M3/155GK103731030SQ201210388715
【公開(kāi)日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2012年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月15日
【發(fā)明者】陳宜斌, 林敬淵, 林樹(shù)嘉, 謝文岳 申請(qǐng)人:產(chǎn)晶積體電路股份有限公司