升壓轉換電路及其驅動控制模塊的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種升壓轉換電路及其驅動控制模塊，該升壓轉換電路耦接輸入端的輸入電壓并用以提供轉換輸出電壓至輸出端，升壓轉換電路包含儲能電感、功率開關、脈寬控制電路以及驅動控制模塊。儲能電感兩端耦接在輸入端與輸出端之間。功率開關耦接在儲能電感與接地端之間。脈寬控制電路用以提供脈寬控制信號至功率開關的柵極，從而控制功率開關的導通狀態，進而在第二端形成轉換輸出電壓。根據升壓轉換電路操作時的電流負載狀態，驅動控制模塊選擇性地依據輸入電壓或轉換輸出電壓輸出柵極電位信號至脈寬控制電路，脈寬控制電路依此調整脈寬控制信號的電壓幅度。本發明使功率開關在不同負載時具有不同的導通損耗與切換損耗，達到較高的操作效率。
【專利說明】升壓轉換電路及其驅動控制模塊
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電轉換器，尤其涉及一種升壓轉換電路。
【背景技術】
[0002]升壓轉換電路(boost converter)為現在電子裝置上常見的電源供應電路，廣泛用來提供低功率裝置(如便攜式電子裝置)中所需的電力。由于便攜式電子裝置上的儲能元件通常僅能提供較低的直流電壓(例如一個電池單元的電壓通常為3V至4.2V)，需要通過升壓轉換電路進行升壓至系統操作電壓(例如5V)。
[0003]為節省整體空間和成本，升壓轉換器內部通常包含功率開關。由于功率開關本身的元件特性各不相同，最佳的適用情況有所差異。
[0004]舉例來說，例如具有較低導通阻抗(Rds_)的功率開關，當用在輸出電力驅動高負載的使用狀態上，可帶來較少的導通損耗。另一方面，例如具有較高的導通阻抗(Rdsw)的功率開關，當用在輸出電力驅動高負載的使用狀態上，將可能導致較高的導通損耗。
[0005]一般而言，升壓轉換器內置的功率開關的導通阻抗(Rdsw)值通常較大，且導通阻抗隨著功率開關的柵/源極電壓差(Vgs)而改變。一般而言，當柵/源極電壓差Vgs低于4V時，功率開關的導通阻抗將快速且大幅升高。因此，若直接使用未經升壓的輸入電壓驅動功率開關的柵極(例如當功率開關的柵/源極電壓差Vgs低于4V時)，將使得功率開關具有相當高的導通阻抗，形成相當大的導通損耗，導致效率不高。
【發明內容】
[0006]因此，本發明提出一種升壓轉換電路及其驅動控制模塊。驅動控制模塊可監測升壓轉換電路操作時的負載狀態，并選擇性地依據負載狀態不同而輸出不同的柵極電位信號，以調整功率開關其柵極上的脈寬控制信號的電壓幅度。
[0007]本發明提出一種升壓轉換電路，其耦接輸入端的輸入電壓并用以提供轉換輸出電壓至輸出端，升壓轉換電路包含儲能電感、功率開關、脈寬控制電路以及驅動控制模塊。儲能電感的第一端耦接至該輸入端，儲能電感的第二端耦接至該輸出端。功率開關耦接在儲能電感的第二端與接地端之間。脈寬控制電路用以提供脈寬控制信號至功率開關的柵極，從而控制功率開關的導通狀態，進而在儲能電感的第二端形成轉換輸出電壓。根據該升壓轉換電路操作時的電流負載狀態，驅動控制模塊選擇性地依據輸入電壓或轉換輸出電壓輸出柵極電位信號至脈寬控制電路，脈寬控制電路依此來調整脈寬控制信號的電壓幅度。
[0008]本發明還提出一種驅動控制模塊，其用以控制升壓轉換電路，升壓轉換電路根據輸入電壓提供轉換輸出電壓至輸出端，升壓轉換電路包含功率開關以及脈寬控制電路，脈寬控制電路用以提供脈寬控制信號至功率開關，從而控制功率開關的導通狀態并形成轉換輸出電壓，驅動控制模塊包含電流監測單元、選擇單元以及邏輯控制單元。電流監測單元用以監測該升壓轉換電路操作時的電流負載狀態。選擇單元接收輸入電壓以及轉換輸出電壓并選擇性輸出其中之一作為柵極電位信號至脈寬控制電路，從而調整脈寬控制信號的電壓幅度。邏輯控制單元與電流監測單元以及選擇單元耦接，當電流負載狀態為輕載時，邏輯控制單元控制選擇單元輸出輸入電壓作為柵極電位信號，當電流負載狀態為重載時，邏輯控制單元控制選擇單元輸出轉換輸出電壓作為柵極電位信號。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1為根據本發明一實施例中一種升壓轉換電路的示意圖；
[0010]圖2為根據本發明一實施例中升壓轉換電路及其驅動控制模塊的電路示意圖；
[0011]圖3為圖2中升壓轉換電路相關的信號示意圖。
【具體實施方式】
[0012]請參閱圖1，其為根據本發明一實施例中一種升壓轉換電路100的示意圖。在此實施例中，升壓轉換電路100可用于電子裝置(圖中未示)上，用以提供電子裝置中負載222所需要的電力。升壓轉換電路100耦接輸入端200 (舉例來說可為電子裝置上的電池模塊)的輸入電壓V1,并用以提供轉換輸出電壓\至輸出端220。
[0013]如圖1所示，升壓轉換電路100包含儲能電感L1、驅動控制模塊120、脈寬控制電路140以及功率開關160。在此實施例中，升壓轉換電路100進一步還包含反饋電路180以及二極管Dl。
[0014]儲能電感LI的第一端耦接至輸入端200，儲能電感LI的第二端經由二極管Dl耦接至輸出端220。功率開關160耦接于儲能電感LI的第二端與接地端之間。
[0015]脈寬控制電路140用以提供脈寬控制信號Vspwm至功率開關160的柵極，從而控制功率開關160的導通狀態，通過儲能電感LI的充/放電與功率開關160脈寬式切換對輸入電壓V1升壓，進而在儲能電感LI的第二端形成轉換輸出電壓％。通過切換式的功率開關160基于脈寬控制信號\^?進行升壓轉換為升壓轉換電路(boost converter)的常見做法，為本領域技術人員所熟知，在此不另贅述其詳細原理。
[0016]需特別說明的是，本實施例中升壓轉換電路100具有驅動控制模塊120可根據升壓轉換電路100操作時的電流負載狀態Ikjad控制脈寬控制電路140，以動態調整脈寬控制信號Vspwm的電壓幅度，從而使功率開關160具有較高的操作效率。其做法將在下列段落中詳述。
[0017]驅動控制模塊120可監測操作時的電流負載狀態Ikjad,在此實施例中，驅動控制模塊120所監測的電流負載狀態I^d可為通過儲能電感LI的電感電流Iy通過功率開關160的導通電流Ids或輸出至輸出端220的負載電流‘以得知電流負載狀態Ikjadt5
[0018]根據監測到的電流負載狀態1-d，驅動控制模塊120選擇性地依據輸入電壓V1或轉換輸出電壓I輸出柵極電位信號Vg至脈寬控制電路140，脈寬控制電路140根據柵極電位信號Vg調整脈寬控制信號Vgpw的電壓幅度。
[0019]請一并參閱圖2以及圖3，圖2為根據本發明一實施例中升壓轉換電路100及其驅動控制模塊120的電路示意圖，圖3為圖2的實施例中升壓轉換電路100相關的信號示意圖。
[0020]如圖2所示，驅動控制模塊120包含電流監測單元122、邏輯控制單元124以及選擇單元126。
[0021]電流監測單元122用以監測電流負載狀態，在圖2所示的例子中，電流監測單元122與功率開關160串接，用以監測通過功率開關160的導通電流IDS(即代表電流負載狀態)，但本發明并不以此為限。
[0022]在其他實施例中，電流監測單元122還可設置在其他位置以監測通過儲能電感LI的電感電流U如電流監測單元122與儲能電感LI串接)，或監測輸出至輸出端220的負載電流I。(如電流監測單元122設置在二極管Dl與輸出端220之間)，以得知電流負載狀態。
[0023]選擇單元126接收輸入電壓V1以及轉換輸出電壓Vcj并選擇性輸出其中之一作為柵極電位信號Vg至脈寬控制電路140。在此例中，選擇單元126包含互斥導通的第一開關Ml與第二開關M2，第一開關Ml接收輸入電壓V1,第二開關M2接收轉換輸出電壓V。。
[0024]邏輯控制單元124耦接于選擇單元126與電流監測單元122，選擇單元126根據邏輯控制單元124的輸出控制信號而切換，使第一開關Ml或第二開關M2其中之一導通并輸出柵極電位信號Vg。
[0025]圖3中為當升壓轉換電路為初始啟動(即圖3的期間Pl)、當升壓轉換電路操作于輕載狀態時(即圖3的期間P2)以及當升壓轉換電路操作于重載狀態時(即圖3的期間P3)的信號關系。
[0026]如圖3中的期間Pl內，當升壓轉換電路100為初始啟動，此時，轉換輸出電壓Vtj尚未升壓至所需的電壓電平，也就是說，轉換輸出電壓\可能低于輸入電壓 '。邏輯控制單元控制選擇單元126 (使第一開關Ml導通且第二開關M2關閉)送出輸入電壓V1作為柵極電位信號Vg至脈寬控制電路140，利用輸入電壓V1作為柵極電位信號Vg使升壓轉換電路100完成初始啟動。
[0027]如圖3中的期間P2內，當升壓轉換電路100操作于輕載狀態時(即電流監測單元122所監測的導通電流Ids低于特定的閾值時)，邏輯控制單元124控制選擇單元126 (使第一開關Ml導通且第二開關M2關閉)送出輸入電壓V1作為柵極電位信號Vg至脈寬控制電路140，此時，脈寬控制電路140產生相對較低電壓幅度的脈寬控制信號VgPWM(如圖3的期間P2所示)。
[0028]因為當輸出端220為輕負載時(升壓轉換電路100操作于輕載狀態)時，功率開關160的導通阻抗(Rds_)所帶來的導通損耗影響比重降低，此時，影響效率的主因為驅動切換式的功率開關160所帶來的切換損耗，采用較低電壓幅度的脈寬控制信號Vspwm(如圖3的期間P2所示)可有效降低切換損耗，提供輕載時較高的效率。
[0029]如圖3中的期間P3內，當升壓轉換電路100操作于重載狀態時(即電流監測單元122所監測的導通電流Ids高于特定的閾值時)，邏輯控制單元124控制選擇單元126 (使第二開關M2導通且第一開關Ml關閉)送出轉換輸出電壓V。作為柵極電位信號Vg至脈寬控制電路140，此時，脈寬控制電路140產生相對較高電壓幅度的脈寬控制信號Vspwm (如圖3的期間P3所示)。
[0030]因為當輸出端220為高負載時(升壓轉換電路100操作于重載狀態)時，功率開關160的導通阻抗(Rds_)所帶來的導通損耗影響比重提高，此時，影響效率的主因為功率開關的導通阻抗(Rds_)所帶來的導通損耗，而切換損耗的影響極低，采用較高電壓幅度的脈寬控制信號Vspwm(如圖3的期間P3所示)可有效降低功率開關160的導通阻抗(Rds_)，并降低導通損耗提供重載時較高的效率。
[0031]如圖2所示，升壓轉換電路100進一步還包含反饋電路180以及二極管D1。反饋電路180耦接在二極管Dl與輸出端220之間。反饋電路180包含分壓電路(如電阻器Rl與電阻器R2)以及反饋放大電路OPl，分壓電路用以取樣轉換輸出電壓V。，取樣后的結果經由反饋放大電路OPl反饋至脈寬控制電路140。
[0032]通過反饋控制，可使儲能電感LI與功率開關160產生的轉換輸出電壓VO穩定在預定的輸出電壓。實際應用中，本技術方案中反饋電路180的詳細做法與電路結構并不以圖2所示為限，還可采用具有類似功能的反饋電路。
[0033]綜上所示為本發明中升壓轉換電路及其驅動控制模塊。驅動控制模塊可監測升壓轉換電路操作時的負載狀態，并選擇性地依據負載狀態不同而輸出不同的柵極電位信號，以調整功率開關其柵極上的脈寬控制信號的電壓幅度，使功率開關在不同負載時具有不同的導通損耗與切換損耗，從而達到較高的操作效率。
[0034]雖然本發明已經以實施例公開如上，然其并非用以限定本發明，任何所屬【技術領域】中具有通常知識的人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作些許變動與潤飾，故本發明的保護范圍當視權利要求書所界定者為準。
【權利要求】
1.一種升壓轉換電路，其耦接輸入端的輸入電壓并用以提供轉換輸出電壓至輸出端，其特征在于，上述升壓轉換電路包含: 儲能電感，該儲能電感的第一端耦接至上述輸入端，該儲能電感的第二端耦接至上述輸出端； 功率開關，其耦接于上述儲能電感的上述第二端與接地端之間； 脈寬控制電路，其耦接于上述功率開關，上述脈寬控制電路用以提供脈寬控制信號至上述功率開關的柵極，從而控制上述功率開關的導通狀態，進而在上述第二端形成上述轉換輸出電壓；以及 驅動控制模塊，其耦接于上述脈寬控制電路，根據上述升壓轉換電路操作時的電流負載狀態，該驅動控制模塊選擇性地依據上述輸入電壓或上述轉換輸出電壓輸出柵極電位信號至上述脈寬控制電路，上述脈寬控制電路依此來調整上述脈寬控制信號的電壓幅度。
2.如權利要求1所述的升壓轉換電路，其特征在于，所述驅動控制模塊包含: 電流監測單元，其用以監測所述電流負載狀態； 選擇單元，其耦接于上述電流監測單元，該選擇單元接收所述輸入電壓以及所述轉換輸出電壓并選擇性輸出其中之一作為所述柵極電位信號至所述脈寬控制電路；以及 邏輯控制單元，其與上述電流監測單元以及上述選擇單元耦接，當所述電流負載狀態為輕載時，該邏輯控制單元控制上述選擇單元輸出所述輸入電壓作為所述柵極電位信號，當所述電流負載狀態為重載時，該邏輯控制單元控制上述選擇單元輸出所述轉換輸出電壓作為所述柵極電位信號。
3.如權利要求2所述的升壓轉換電路，其特征在于，其中當所述升壓轉換電路初始啟動時，所述邏輯控制單元控制所述選擇單元輸出所述輸入電壓作為所述柵極電位信號。
4.如權利要求2所述的升壓轉換電路，其特征在于，所述電流監測單元用以監測通過所述儲能電感的電感電流、通過所述功率開關的導通電流或輸出至所述輸出端的負載電流，以得知所述電流負載狀態。
5.如權利要求2所述的升壓轉換電路，其特征在于，所述選擇單元包含互斥導通的第一開關與第二開關分別接收所述輸入電壓或所述轉換輸出電壓，根據所述邏輯控制單元的控制信號將上述第一開關或上述第二開關其中之一導通并輸出所述柵極電位信號。
6.如權利要求1所述的升壓轉換電路，其特征在于，還包含: 反饋電路，其耦接至所述輸出端，用以取樣所述轉換輸出電壓并反饋至所述脈寬控制電路。
7.—種驅動控制模塊，其特征在于，用以控制升壓轉換電路，該升壓轉換電路根據輸入電壓提供轉換輸出電壓至輸出端，該升壓轉換電路包含功率開關以及脈寬控制電路，該脈寬控制電路用以提供脈寬控制信號至該功率開關，從而控制該功率開關的導通狀態并形成上述轉換輸出電壓，上述驅動控制模塊包含: 電流監測單元，其用以監測上述升壓轉換電路操作時的電流負載狀態； 選擇單元，其接收上述輸入電壓以及上述轉換輸出電壓并選擇性輸出其中之一作為柵極電位信號至上述脈寬控制電路，從而調整上述脈寬控制信號的電壓幅度；以及 邏輯控制單元，其與上述電流監測單元以及上述選擇單元耦接，當上述電流負載狀態為輕載時，該邏輯控制單元控制上述選擇單元輸出上述輸入電壓作為上述柵極電位信號，當上述電流負載狀態為重載時，該邏輯控制單元控制上述選擇單元輸出上述轉換輸出電壓作為上述柵極電位信號。
8.如權利要求7所述的驅動控制模塊，其特征在于，其中當所述升壓轉換電路初始啟動時，所述邏輯控制單元控制所述選擇單元輸出所述輸入電壓作為所述柵極電位信號。
9.如權利要求7所述的驅動控制模塊，其特征在于，所述電流監測單元用以監測通過所述升壓轉換電路的儲能電感的電感電流、通過所述功率開關的導通電流或輸出至所述輸出端的負載電流，以得知所述電流負載狀態。
10.如權利要求7所述的驅動控制模塊，其特征在于，所述選擇單元包含互斥導通的第一開關與第二開關分別接收所述輸入電壓或所述轉換輸出電壓，根據所述邏輯控制單元的控制信號上述第一開關或上述第二開關其中之一導通并輸出所述柵極電位信號。
【文檔編號】H02M3/156GK104283422SQ201310292679
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月12日 優先權日:2013年7月12日
【發明者】李青翰, 許志琬, 許溪河, 蔡承祐 申請人:華碩電腦股份有限公司