專利名稱：具有降壓調(diào)節(jié)能力的升壓轉(zhuǎn)換器及其降壓調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種升壓轉(zhuǎn)換器，特別是關(guān)于一種升壓轉(zhuǎn)換器的降壓調(diào)節(jié)。
背景技術(shù)：
圖1所示為一種直流對直流升壓轉(zhuǎn)換器，其包括電感L連接在電壓輸入端Vin及切換節(jié)點(diǎn)12之間，作為第一開關(guān)的NMOS晶體管NI連接在切換節(jié)點(diǎn)12及參考電位端Vss之間，作為第二開關(guān)的PMOS晶體管Pl連接在切換節(jié)點(diǎn)12及電壓輸出端Vout之間，電容C連接在電壓輸出端Vout及參考電位端Vss之間，以及控制器10提供柵極電壓Vnl及Vpl分別控制NMOS晶體管NI及PMOS晶體管P1，而將輸入電壓Vin升壓產(chǎn)生輸出電壓Vout。此夕卜，PMOS晶體管Pl的基底與源極連接在一起，以防止其基底二極管(body diode)導(dǎo)通而產(chǎn)生從電壓輸出端Vout流到電壓輸入端Vin的逆向電流。在大部分的應(yīng)用中，參考電位端Vss為地端，即Vss = 0V。在圖1的電路中，若輸入電壓Vin大于想要的輸出電壓Vout超過晶體管的臨界電壓，電容C就會被充電，因此這種轉(zhuǎn)換器只能用來作升壓調(diào)節(jié)，不能作降壓調(diào)節(jié)。此項限制造成這種轉(zhuǎn)換器不適合應(yīng)用在以電池供電的裝置。在電池的生命期當(dāng)中，電池電壓起初大于其供電的裝置需要的電壓，因此需要降壓調(diào)節(jié)，但在電池耗電造成電池電壓小于裝置需要的電壓以后，則需要升壓調(diào)節(jié)。在這種應(yīng)用中，只能使用相對復(fù)雜的轉(zhuǎn)換器，例如降壓轉(zhuǎn)換器加升壓轉(zhuǎn)換器，或單端初級電感轉(zhuǎn)換器(Single-Ended Primary-1nductorConverter ； SEPIC),導(dǎo)致元件的成本增加。為了使用相對簡單的轉(zhuǎn)換器達(dá)成降壓調(diào)節(jié)及升壓調(diào)節(jié)，美國專利號7，084，611在圖1的電路中增加PMOS晶體管P2，如圖2所示，其基底與漏極連接PMOS晶體管Pl的基底，其源極連接PMOS晶體管Pl的源極，受控制器10提供的柵極電壓Vp2控制。圖2的電路在降壓調(diào)節(jié)時的操作如圖3所示，其中波形14切換節(jié)點(diǎn)12的電壓VLX，波形16是輸入電壓Vin，波形18是輸出電壓Vout，波形20是NMOS晶體管NI的柵極電壓Vnl，波形22是PMOS晶體管Pl的柵極電壓Vpl，波形24是電感電流IL。參照圖2及圖3，當(dāng)輸入電壓Vin比想要的輸出電壓Vout還要大時，控制器10對PMOS晶體管Pl持續(xù)施加大于輸入電壓Vin與PMOS晶體管Pl的臨界電壓Vt的壓差的柵極電壓Vpl，如波形22所示，使PMOS晶體管Pl維持關(guān)閉(off)狀態(tài)，再藉切換NMOS晶體管NI，如波形20所示，將輸入電壓Vin降壓產(chǎn)生較小的輸出電壓Vout，如波形16及18所示。更詳而言之,在降壓模式中,VpI = Vp2 = Vin,當(dāng)NMOS晶體管NI打開(turn on)時，如時間tl到期間,VLX = Vss = OV,如波形14所示，電感電流IL以(Vin-Vss)/L的斜率上升，如波形22所示；當(dāng)NMOS晶體管NI關(guān)閉(turn off)時，如時間t2到t3期間，電壓VLX會上升到使Vpl-VLX = Vl < Vt7PMOS晶體管Pl呈現(xiàn)半開狀態(tài)，電感電流IL經(jīng)PMOS晶體管Pl流向電壓輸出端Vout，故電感L釋放能量到電容C，電感電流IL以(Vin-VLX)/L的斜率下降。電感電流IL通過NMOS晶體管NI及PMOS晶體管Pl時，會因NMOS晶體管NI及PMOS晶體管Pl的導(dǎo)通阻值而產(chǎn)生功率消耗，進(jìn)而降低轉(zhuǎn)換器的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一，在于提出一種具有降壓調(diào)節(jié)能力的升壓轉(zhuǎn)換器及其降壓調(diào)節(jié)方法。本發(fā)明的目的之一，在于提出一種降低電感電流變化量的降壓調(diào)節(jié)方法。根據(jù)本發(fā)明，一種升壓轉(zhuǎn)換器的降壓調(diào)節(jié)方法包括關(guān)閉在電感及參考電位端之間的第一開關(guān)，以及切換在該電感及該升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端之間作為第二開關(guān)的PMOS晶體管，以將該升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端的輸入電壓轉(zhuǎn)換為該輸出端的輸出電壓，該輸出電壓小于該輸入電壓。根據(jù)本發(fā)明，一種升壓轉(zhuǎn)換器的降壓調(diào)節(jié)方法包括打開在電感及參考電位端之間的第一開關(guān)并關(guān)閉在該電感及該升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端之間作為第二開關(guān)的PMOS晶體管以使該電感儲能；接著打開該P(yáng)MOS晶體管并關(guān)閉該第一開關(guān)；最后關(guān)閉該第一開關(guān)及該P(yáng)MOS晶體管以使該電感放能。根據(jù)本發(fā)明，一種升壓轉(zhuǎn)換器包括:電感連接在該升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端及切換節(jié)點(diǎn)之間；第一開關(guān)連接在該切換節(jié)點(diǎn)及參考電位端之間；作為第二開關(guān)的PMOS晶體管，連接在該切換節(jié)點(diǎn)及該升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端之間；以及控制器，連接該第一開關(guān)及該P(yáng)MOS晶體管，控制該第一開關(guān)及該P(yáng)MOS晶體管的切換。其中，在降壓模式期間，該控制器關(guān)閉該第一開關(guān)并且切換該P(yáng)MOS晶體管以將該輸入端的輸入電壓轉(zhuǎn)換為該輸出端的輸出電壓,該輸出電壓小于該輸入電壓。根據(jù)本發(fā)明，一種升壓轉(zhuǎn)換器包括:電感，連接在該升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端及切換節(jié)點(diǎn)之間；第一開關(guān)連接在該切換節(jié)點(diǎn)及參考電位端之間；作為第二開關(guān)的PMOS晶體管，連接在該切換節(jié)點(diǎn)及該升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端之間；以及控制器，連接該第一開關(guān)及該P(yáng)MOS晶體管，控制該第一開關(guān)及該P(yáng)MOS晶體管的切換。其中，在降壓模式期間，該控制器依序執(zhí)行下列步驟:打開該第一開關(guān)并關(guān)閉該P(yáng)MOS晶體管以使該電感儲能；打開該P(yáng)MOS晶體管并關(guān)閉該第一開關(guān)；以及關(guān)閉該第一開關(guān)及該P(yáng)MOS晶體管以使該電感放能。本發(fā)明的升壓轉(zhuǎn)換器及其降壓調(diào)節(jié)方法可以減少電感電流的變化量，進(jìn)而降低功率消耗以提高該升壓轉(zhuǎn)換器的效率。


此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。在附圖中:圖1為現(xiàn)有的直流對直流升壓轉(zhuǎn)換器；圖2為現(xiàn)有的可降壓調(diào)節(jié)的直流對直流升壓轉(zhuǎn)換器；圖3為圖2的電路在現(xiàn)有的降壓調(diào)節(jié)時的波形圖；圖4顯示本發(fā)明應(yīng)用在升壓轉(zhuǎn)換器的降壓調(diào)節(jié)方法的第一實施例；圖5為使用圖4的降壓調(diào)節(jié)方法所得到的波形圖；以及圖6顯示本發(fā)明應(yīng)用在升壓轉(zhuǎn)換器的降壓調(diào)節(jié)方法的第二實施例。附圖標(biāo)號:10控制器
12切換節(jié)點(diǎn)14 電壓 VLX16輸入電壓Vin18輸出電壓Vout20柵極電壓Vnl22柵極電壓Vpl24電感電流IL40 電壓 VLX42輸入電壓Vin44輸出電壓Vout46柵極電壓Vnl48柵極電壓Vpl50電感電流IL
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例做進(jìn)一步詳細(xì)說明。在此，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。圖4為本發(fā)明應(yīng)用在圖2的升壓轉(zhuǎn)換器的第一實施例，圖5為其所生的波形圖，其中波形40是切換節(jié)點(diǎn)12的電壓VLX，波形42是輸入電壓Vin，波形44是輸出電壓Vout，波形46是NMOS晶體管NI的柵極電壓Vnl，波形48是PMOS晶體管Pl的柵極電壓VplJ^形50是電感電流IL。產(chǎn)生圖5的波形圖的模擬是使用與圖3的模擬相同的條件，即相同的輸入電壓Vin、輸出電壓Vout及輸出電流lout，其中輸出電流1ut為升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端Vo上的電流。參照圖1、圖4及圖5，在切換升壓轉(zhuǎn)換器到降壓模式后，關(guān)閉NMOS晶體管NI，如圖4的步驟S30及圖5的波形46所示，同時進(jìn)行步驟S32切換PMOS晶體管Pl將5V的輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換成大約3.6V的輸出電壓Vout，如波形42及44所示。當(dāng)PMOS晶體管Pl打開時，如時間t4至t5及波形48所示，電感L儲能，此時切換節(jié)點(diǎn)12的電壓VLX等于Vout，如波形40所示，故電感L的電感電流IL將以(Vin-Vout)/L的斜率上升，如波形50所示。當(dāng)PMOS晶體管Pl關(guān)閉時，如時間t5至t6，切換節(jié)點(diǎn)12的電壓VLX上升，直至柵極電壓Vpl與電壓VLX之間的壓差Vl大于PMOS晶體管Pl的臨界電壓Vt時，PMOS晶體管Pl將呈現(xiàn)半開狀態(tài)，此時電感電流IL將經(jīng)PMOS晶體管Pl流向電壓輸出端Vout，故電感L開始放能，電感電流IL將以(Vin-VLX)/L的斜率下降。在圖5中施加與輸入電壓Vin相等的柵極電壓VpI至PMOS晶體管Pl的柵極以關(guān)閉PMOS晶體管P1，在其他實施例中，柵極電壓Vpl可以是大于Vin-|Vt|的任意電壓。較佳者，柵極電壓Vpl在Vin及Vin-1 Vt I之間的范圍內(nèi)。在現(xiàn)有的降壓 調(diào)節(jié)方法中，電感電流IL的上升斜率為(Vin-Vss)/L，但在本發(fā)明的降壓調(diào)節(jié)方法中，電感電流IL的上升斜率為(Vin-Vout)/L，由于輸出電壓Vout大于參考電位Vss，因此本發(fā)明的降壓調(diào)節(jié)方法能使電感電流IL緩慢上升以產(chǎn)生較小的變化量，進(jìn)而減少因?qū)ㄗ柚刀a(chǎn)生的功率消耗，故本發(fā)明的降壓調(diào)節(jié)方法可以提高升壓轉(zhuǎn)換器的效率。請參照圖2及圖5的模擬圖，在相同的條件下，圖2中電感電流IL的波形24的變化量約為(850-380) = 470mA,圖5中電感電流IL的波形50的變化量約為(620-260) = 360mA,故本發(fā)明的降壓調(diào)節(jié)方法確實可以減少功率消耗，提高效率。圖6顯示本發(fā)明應(yīng)用在升壓轉(zhuǎn)換器的降壓調(diào)節(jié)方法的第二實施例。參照圖1及圖6，在切換升壓轉(zhuǎn)換器到降壓模式后，打開NMOS晶體管NI并關(guān)閉PMOS晶體管P1，如步驟S34所示，此時電感L開始儲能，電感電流以(Vin-Vss)/L的斜率上升。接著進(jìn)行步驟S36打開PMOS晶體管Pl并關(guān)閉NMOS晶體管NI，此時電感電流IL的上升斜率降為(Vin-Vout)/L。最后關(guān)閉NMOS晶體管NI及PMOS晶體管Pl，如步驟S38所示，此時切換節(jié)點(diǎn)12的電壓VLX上升，直至柵極電壓Vpl與電壓VLX之間的壓差Vl等于PMOS晶體管Pl的臨界電壓Vt時，PMOS晶體管Pl將呈現(xiàn)半開狀態(tài)，電感電流IL將經(jīng)PMOS晶體管Pl流向電壓輸出端Vout，故電感L開始放能，電感電流IL將以(Vin-VLX) /L的斜率下降。在現(xiàn)有的降壓調(diào)節(jié)方法中，電感電流IL的上升斜率一直保持在(Vin-Vss)/L，但在圖6的實施例中，電感電流IL 一開始的上升斜率為(Vin-Vss)/L，之后降為(Vin-Vout)/L，因此圖6方法所得到的電感電流IL的變化量仍然比現(xiàn)有的電感電流小，其同樣可以提高升壓轉(zhuǎn)換器的效率。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種升壓轉(zhuǎn)換器的降壓調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述升壓轉(zhuǎn)換器包含電感連接在所述升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端及切換節(jié)點(diǎn)之間、第一開關(guān)連接在所述切換節(jié)點(diǎn)及參考電位端之間以及作為第二開關(guān)的PMOS晶體管連接在所述切換節(jié)點(diǎn)及所述升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端之間，所述降壓調(diào)節(jié)方法包括下列步驟: (A)關(guān)閉所述第一開關(guān)；以及 (B)切換所述PMOS晶體管以將所述輸入端的輸入電壓轉(zhuǎn)換為所述輸出端的輸出電壓，所述輸出電壓小于所述輸入電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的降壓調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述步驟(B)包括提供柵極電壓至所述PMOS晶體管的柵極以關(guān)閉所述PMOS晶體管，所述柵極電壓大于所述輸入電壓減去所述PMOS晶體管的臨界電壓的絕對值的電壓。
3.一種升壓轉(zhuǎn)換器的降壓調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述升壓轉(zhuǎn)換器包含電感連接在所述升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端及切換節(jié)點(diǎn)之間、第一開關(guān)連接在所述切換節(jié)點(diǎn)及參考電位端之間以及作為第二開關(guān)的PMOS晶體管連接在所述切換節(jié)點(diǎn)及所述升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端之間，所述降壓調(diào)節(jié)方法包括下列步驟: (A)打開所述第一開關(guān)并關(guān)閉所述PMOS晶體管以使所述電感儲能； (B)打開所述PMOS晶體管并關(guān)閉所述第一開關(guān)；以及 (C)關(guān)閉所述第一開關(guān)及所述PMOS晶體管以使所述電感放能。
4.如權(quán)利要求3所述的降壓調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述關(guān)閉所述PMOS晶體管的步驟包括提供柵極電壓至所述PMOS晶體管的柵極，所述柵極電壓大于所述輸入電壓減去所述PMOS晶體管的臨界電壓的絕對值。
5.一種升壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于，包括: 電感，連接在所述升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端及切換節(jié)點(diǎn)之間； 第一開關(guān)連接在所述切換節(jié)點(diǎn)及參考電位端之間； 作為第二開關(guān)的PMOS晶體管，連接在所述切換節(jié)點(diǎn)及所述升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端之間；以及 控制器，連接所述第一開關(guān)及所述PMOS晶體管，控制所述第一開關(guān)及所述PMOS晶體管的切換； 其中，在降壓模式期間，所述控制器關(guān)閉所述第一開關(guān)并且切換所述PMOS晶體管以將所述輸入端的輸入電壓轉(zhuǎn)換為所述輸出端的輸出電壓，所述輸出電壓小于所述輸入電壓。
6.如權(quán)利要求5所述的升壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述控制器提供柵極電壓至所述PMOS晶體管的柵極以關(guān)閉所述PMOS晶體管，所述柵極電壓大于所述輸入電壓減去所述PMOS晶體管的臨界電壓的絕對值的電壓。
7.一種升壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于，包括: 電感，連接在所述升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端及切換節(jié)點(diǎn)之間； 第一開關(guān)連接在所述切換節(jié)點(diǎn)及參考電位端之間； 作為第二開關(guān)的PMOS晶體管，連接在所述切換節(jié)點(diǎn)及所述升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端之間；以及 控制器，連接所述第一開關(guān)及所述PMOS晶體管，控制所述第一開關(guān)及所述PMOS晶體管的切換；其中，在降壓模式期間，所述控制器依序執(zhí)行下列步驟:打開所述第一開關(guān)并關(guān)閉所述PMOS晶體管以使所述電感儲能；打開所述PMOS晶體管并關(guān)閉所述第一開關(guān)；以及關(guān)閉所述第一開關(guān)及所述PMOS晶體管以使所述電感放能。
8.如權(quán)利要求7所述的升壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述控制器提供柵極電壓至所述PMOS晶體管的柵極以關(guān)閉所述PMOS晶體管，所述柵極電壓大于所述輸入電壓減去所述PMOS晶體管的臨界電壓的絕對值的電壓。 ·
全文摘要
本發(fā)明公開了一種升壓轉(zhuǎn)換器的降壓調(diào)節(jié)方法，使該升壓轉(zhuǎn)換器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為低于該輸入電壓的輸出電壓。該降壓調(diào)節(jié)方法可以減少電感電流的變化量，進(jìn)而降低功率消耗。
文檔編號H02M3/156GK103187874SQ20121000870
公開日2013年7月3日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者邱子寰, 陳健生, 李貞慶 申請人:立锜科技股份有限公司