TW200929818A - A buck-boost converter - Google Patents

Description

200929818 九、發明說明： * 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種升降壓轉換器，特別是指一種直 流電壓轉直流電壓的升降壓轉換器。 【先前技術】 現今的電子設備，例如PDA、MP3 player等可攜式設 備或汽車的電子設備，它們所需的電源電壓各自不同，因 此都需要電壓轉換器來將電池電壓轉換成所需的電源電壓 〇 。 隔離式的升降壓轉換器有相當多種類，例如buck-boost 轉換器、Cuk轉換器、SEPIC轉換器、Zeta轉換器等，以 buck-boost轉換器來說，它工作於連續導通模式（CCM， Continuous Current Mode)時有右半平面零點（One right-half plane zero)，致使它的控制器參數較難設計，穩定性也較差 ，而且負載暫態響應較慢。 另外如Cuk轉換器、SEPIC轉換器、Zeta轉換器，它 © 們不只有上述buck-boost轉換器的缺點，而且還需要兩個 電感來實現電路，如此多增加了轉換器的體積。 【發明内容】 因此，本發明之目的，即在提供一種暫態響應快且輸 出漣波小的升降壓轉換器。 於是，本發明升降壓轉換器是電連接於一電源及一負 載之間，包含一順向導通元件、一第一開關元件、一電感 、一第二開關元件、一第三開關元件、一第一電容、一第 200929818 四開關元件及一第二電容。 順向導通元件具有一與該電源電連接的第一端，及一 第二端。 第一開關元件具有一與該順向導通元件的第二端電連 接的第一端、一第二端，及一與該順向導通元件的第一端 電連接的第三端。 電感具有一與該第一開關元件的第二端電連接的第一 端，及一與該負載電連接的第二端。 〇 第二開關元件，具有一與該順向導通元件的第一端電 連接的第一端，及一第二端。 第三開關元件具有一與該第二開關元件的第二端電連 接的第一端，及一接地的第二端。 第電谷疋電連接於該順向導通元件的第二端與該第 二開關元件的第二端之間。 第四開關元件具有一與該第—開關元件的第二端電連 接的第一端，及一接地的第二端。 Ο 第二電容具有與該負載的兩端電連接的一第一端及一 第二端。 當第二開關元件導通且該第三、第四開關元件不導通 時，該順向導通元件不導通，而該第一開關元件導通，使 得電流由該電源依序流經該第二開關元件、該第一電容及 該第一開關元件而對該電感及該第二電容充電；當第二開 關兀件不導通且該第三、第四開關元件同時導通時，該順 向導通7G件被導通，而該第一開關元件不導通，使得電流 200929818 由該電源依序流經該順向導通元件、該第—電容及該第三 開關兀件而對該第—電容充電，並使該電感產生一反電動 勢向該第二電容充電。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可 清楚的呈現。 ❹

參閱圖1，本發明升降壓轉換器100的較佳實施例是電 連接於-電源91及一負載92之間’其功用是將電源9ι供 給的直流電壓Vin轉換成另一個直流輸出電壓U施加於 負載92上。本實施例升降壓轉換器1〇〇包含一順向導通元 件1、-第-開關元件2、一電感3、一第二開關元件4、 -第三開關元件5、一第一電容6、一第四開關元件7及— 第二電容8。上述的元件皆具有一第一端u、幻、m …、以及-第二端12、22、32、42、52、72、82。(作 第一電容6之兩端未編號) 一順向導通元件1的第—端11是與電源91電連接，其第 一端12是與第一開關元件2 、 叼第端21電連接。在本营 施例中，順向導通元件1為二 +頁 一極體，如飛輪二極體， 第一端11為P極，第二端12為η極。 、 第一開關元件2的第二端a ,# ^ β 是與電感3的第一端31 相連，其還具有一與順向導通.元 干1的第一端11電遠垃 第三端23。在本實施例中，第一 接的 開關兀*件2為Ρ型金 場效電晶體（P-MOS)，其第三^ 2 金氧+ 端23為閘極，第一端以為源 200929818 極，第二端22為汲極，第—端21與第二端22之間更反向 連接一個二極體9，以利未導通時放電之用。 電感3的第一端32是與負載92電連接，且與第二電 谷8的第一端81相連，而第二電容8的第二端82為接地 且與負載92電連接。 第二開關元件4與第三開關元件5為串接，其中，第 二開關元件4的第一端41與順向導通元件丨的第一端u電

連接，其第二端42與第三開關元件5的第一端51電連接 ，而第三開關元件5的第二端52則是接地。在本實施例中 ’第二、第三開關元件4、5皆為N型金氧半場效電晶體 (N MOS)，其第-端41、51皆為源極，第二端42、52皆為 汲極，且皆具有一為閘極的第三端43、53，其閘極皆受一 個控制電路99控制，以決定第二、第三開關元件4、5的

導通與否。另外，它們的第-端41、51與第二端“I 之間皆分別反向連接-個二極體9，以利未導通時放電之用 。而在第二開關元件4與第三開關元件5的串接處電連接 有一個第-電容6,第-電容6的另—端則電連接於順向導 通兀件1的第二端12。 _第四開關元件7的第一端71是與第一開關元件2的第 —端22電連接’其第二端72接地，如同第二、第三開關 :件二、5,第四開關元件7也是㈣金氧半場效電晶體， j 一端為源極’第二端72驗極，另具有—為間極 、第二端73 ’此閘極也受控制電路99控制，以決定第四開 關元件7的導通與否。另外，它的第—端7ι與第二端μ 200929818 之間也反向連接一個二極體9，以利未導通時放電之用。 參閱圖2,圖中的箭頭方向為電流的流動方向，假設第 一電谷6上已具有一等於輸入電壓Vin的跨壓，此時由控制 電路99輸出脈寬調變（PWM)訊號導通第二開關元件4且使 第二、第四開關兀件5、7不導通時，由於第一電容6的跨 壓為電源9丨的輸入電壓Vin且第二開關元件4的兩端41、 42間無壓差’所以第-開關元件2的第一端21(源極）與第 三端23(閘極）間的壓差等於第一電容6的跨壓，第一開 關元件2因此被導通。電流由電源91依序流經第二開關元 件4、第-電容6及第—開關元件2而對電〇及第二電容 8充電，以提供輸出電壓給負載92。下面以交流小訊 號分析電感3的跨壓及流經第二電容8的電流：電感3的 第-端Μ的電壓為第一電容6的跨壓、加上電源Μ輸入

G 以得到電感3的跨壓為l! = 2v dt * ~ 電壓、(即〜)，其第二端32的電壓為輸出電壓，所 • · · (1) ’其中，L為 電感3的值；而流經第二電容8的電流為流經電感3的電 流減去流經負載92的電流，即生^ V(ju 1 . · (2) ’ 其中 ，C為第二電容8的值，r 们值R為負載92的值，i為流經電感3 的電流。 參閱圖 ，圖中的箭頭方向為電流的流動方向， 此時由 9 200929818 . 控制電路99輸出脈寬調變（PWM)訊號導通第三、第四開關 5、7 το件且使第二開關元件4不導通，此時順向導通元件 1被導通’所以第-開關元件2的第一端21(源極）與第三端 23(閘極）間的壓差為零’第一開關元件2因此不導通。電流 由電源91依序流經順向導通元件j、第一電容6及第三開 關％件5而對該第一電容6充冑，同時電感3 0為第一開 〇 關兀件2被關閉而產生一反電動勢向第二電容8持續充電 下面同樣以交流小訊號分析電感3的跨壓及流經第二 電容8的電流：由於第四開關元件7導通，所以電感3兩 端的跨壓就等於負的第二電容8的跨壓（即負的輸出電壓卜 即，所以得到電感3的跨壓為L| = _v_· · ·(3);而流 經第二電容8的電流與前述計算方式相同，即c企:^ = ·

dt R 私 .·⑷。 假設第二開關元件4的導通週期為D，則第三、第四開 關兀件5、7的導通週期就是卜〇，由於第一開關元件2與 第一開關元件4同步，所以其導通週期也是D。根據伏秒平 衡（即電感3的充電量等於其放電量）及⑴(2)⑶⑷式可以得 到直流輸入電壓vin與直流輸出電壓V()ut間的關係： V〇Ut/Vin=2D。由於導通週期〇的大小是介於〇跟1之間， 所以可以得知輸出電壓與輸入電壓的比是介於0到2之間 ’另外’當導通週期D大於〇.5時，此時2D大於1，所以 10 200929818 • 是升壓，相反地’當導通週期D小於0.5時，2D小於1 , 此時為降壓。 圖4為四個開關元件2、4、5、7的第三端23、43、53 、73 (間極）的驅動訊號’其中⑷為第二開關元件4的閘極 驅動訊號，⑻為第三開關元件5的問極驅動訊號，⑷為第 -開關元件2的閘極驅動訊號，⑷為第四開關元件7的問 極驅動訊號。由圖中可看出，_)的訊號是同步的，表示 帛三、第四開關元件5、7是同時導通同時關閉；另外， ⑷⑷的訊號是同步的，因為第一開關元件2是p_M〇s，第 二開關元件4是N_MOS，所以兩者的閘極驅動訊號的高低 電位恰好相反，當⑷圖是高電位時，⑼圖則是低電位，如 此也表示第-、第二開關元件2、4是同時導通同時關閉的 〇 參閱圖5，圖中⑷為電感3的跨壓圖形，⑻為流經電 感3的電流圖形，⑷為第一電容6的跨壓圖形⑷為流經 Q 第一電容6的電流圖形。由（b)可以觀察到，流經電感3的 電流是連續導通模式（Continuous Current Mode，CCM)，所 以證實本升降壓轉換器100係工作於連續導通模式。 參閱圖6與® 7，在輸入電壓為lov的情況下，圖6⑷ 所示為加載致能訊號，（b)所示為空載至滿載的輸出電壓暫 態波形，圖7(a)所示為卸載致能訊號，（b)所示為滿載至空 載的輸出電壓暫態波形；由圖中可以觀察到，輸出電壓暫 態回復時間相當的短。再參閱圖8與圖9，此兩圖是在輸入 電壓為16V的情況下所量測，其（a)(b)圖形的意義是與圖6 200929818 ' 、圖7的相同，故不贅述，由圖中同樣可以觀察到，輸出 電壓暫態回復時間相當的短。 綜上所述，本發明結構簡單，相當易於實現，且由於 是工作在連續導通模式，所以輸出電壓的漣波可以大大減 小，即使輸入電壓的變動較大也能壓制住輸出電壓的漣波 大小，再者，由圖6〜圖9也可證實其輸出電壓暫態回復時 間相當的短，故確實能達成本發明之目的。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 〇 能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利 範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1疋一電路示意圖，說明本發明的一較佳實施例電 連接於一電源及一負載之間； 圖2是一電路示意圖，說明該較佳實施例的電流流向 9 ® 圖3疋一電路不意圖，說明該較佳實施例的電流流向 9 圖4是一示意圖，說明第一、第二、第三、第四開關 元件的第三端（閘極）的驅動訊號； 圖5是一示意圖，說明電感及第一電容的電壓、電流 圖形； 圖6是一示意圖，說明輸入電壓為1〇v時，輸出電壓 的暫態波形（加載時）； 12 200929818 圖7是一示意圖，說明輸入電壓為10V時，輸出電壓 的暫態波形（卸載時）； 圖8是一示意圖，說明輸入電壓為16V時，輸出電壓 的暫態波形（加載時）；及 圖9是一示意圖，說明輸入電壓為16V時，輸出電壓 的暫態波形（卸載時）。

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【主要元件符號說明】 1 順向導通元件 51 第一端 11 第一端 52 第二端 12 第二端 53 第三端 100 升降壓轉換器 6 第一電容 2 第一開關元件 7 第四開關元件 21 第一端 71 第一端 22 第二端 72 第二端 23 第三端 73 第三端 3 電感 8 第二電容 31 第一端 81 第一端 32 第二端 82 第二端 4 第二開關元件 9 二極體 41 第一端 91 電源 42 第二端 92 負載 43 第三端 99 控制電路 5 第三開關元件 14

Claims (1)

1. 200929818 十、申請專利範圍：

   一種升降壓轉換器， 升降壓轉換器包含： 電連接於— 電源及一負載之間 該 具有—與該電源電連接的第一端 一順向導通元件， 及一第二端； 一第一開關元件，具有_ 嫂带4 w 與该順向導通元件的第二 &電連接的第一端、一第_ 认咕 矛—知’及一與該順向導通元件 的第一端電連接的第三端； ❹

   電感，具有-與該第一開關元件的第二端電連接 的第-端’及-與該負載電連接的第二端； 第一開關7L件，具有一與該順向導通元件的第一 端電連接的第一端，及一第二端； 一第三開關元件，具有一與該第二開關元件的第二 端電連接的第一端，及一接地的第二端； 一第一電容，電連接於該順向導通元件的第二端與 該第二開關元件的第二端之間； 一第四開關元件，具有一與該第一開關元件的第二 端電連接的第一端，及一接地的第二端；及 一第二電容，具有與該負載的兩端電連接的一第一 端及一第二端； 當第二開關元件導通且該第三、第四開關元件不導 通時，該順向導通元件不導通，而該第一開關元件導通 ’使得電流由該電源依序流經該第二開關元件、該第— 電容及該第一開關元件而對該電感及該第二電容充電； 15 200929818 當第二開關元件不導通且該第三、第四開關元件同時導 通時，該順向導通元件被導通，而該第m件不導 通’使得電流由該電源依序流經該順向導通元件、該第 -電容及該第三開關元件而對該第一電容充電，並使該 電感產生一反電動勢向該第二電容充電。 2.依據中請專利範圍帛丨項所述之升降壓轉換器，其中， 該順向導通元件為二極體，且其第一端為…第二端 為U極。 〇 3· 依據申請專利範圍第2項所述之升降麼轉換器，其中， 該第二、第三及第四開關元件的第一端與第二端之間更 分別反向連接一二極體。 4. 依據申請專利範圍第3項所述之升降壓轉換器，其中， 該第二、第三及第四開關元件皆為n型金氧半場效電晶 體，而其閘極則受控制以決定該第二、第三及第四開關 元件導通與否。 5. 〇 6. 依據申請專利範圍第卜4項其中任一項所述之升降塵轉 換H ’其中’該第—開關元件為p型金氧半場效電晶體 ’其第三端為閘極，第一端為源極，第二端為汲極。 依據申明專利範圍第5項所述之升降壓轉換器，其中， 該第-開關元件的第一端與第二端之間更反向連接一二 極體。 依據申請專利範圍第6項所述之升降麼轉換器，其輸出 電壓與輸入電壓的比介於0到2之間。 8·依據申請專利範圍帛7項所述之升降壓轉換器，其係工 16 200929818 作於連續導通模式（CCM)。 9.依據申請專利範圍第1項所述之升降壓轉換器，其中， 當該第一開關元件和第二開關元件的導通週期大於0.5 時，該升降壓轉換器的輸出電壓大於輸入電壓，當該第 一開關元件和第二開關元件的導通週期小於0.5時，該 升降壓轉換器的輸出電壓小於輸入電壓。

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