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TW201429138A - 具有電荷泵的切換式電源供應器 - Google Patents

具有電荷泵的切換式電源供應器 Download PDF

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TW201429138A
TW201429138A TW103100313A TW103100313A TW201429138A TW 201429138 A TW201429138 A TW 201429138A TW 103100313 A TW103100313 A TW 103100313A TW 103100313 A TW103100313 A TW 103100313A TW 201429138 A TW201429138 A TW 201429138A
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voltage
circuit
power supply
coupled
charge pump
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TW103100313A
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Inventor
Ching-Yu Chen
Feng-Wei Lin
Kwang-Jae Kim
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Richtek Technology Corp
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Abstract

本發明提出一種具有電荷泵的切換式電源供應器，用以將輸入電壓轉換為輸出電壓，所述切換式電源供應器包含：功率級電路，用以根據驅動訊號，切換其中至少一個功率開關以將輸入電壓轉換為輸出電壓，功率級電路包括：主動(active)電路，包括功率開關與一電感，用以接收輸入電壓與驅動訊號，而將輸入電壓轉換為前置電壓；以及被動(passive)電路，與主動電路耦接，該被動電路中包括一電荷泵(charge pump)，以將前置電壓轉換為輸出電壓；以及控制電路，與功率級電路耦接，用以根據回授訊號，以產生驅動訊號。

Description

具有電荷泵的切換式電源供應器
本發明係有關一種具有電荷泵的切換式電源供應器，特別是指一種降低功率開關耐壓(withstand voltage)需求之切換式電源供應器。
第1圖顯示一種典型的切換式電源供應器100示意圖。如第1圖所示，切換式電源供應器100包含功率級電路110與控制電路120。控制電路120根據相關於輸出電壓Vout的回授訊號FB，產生操作訊號GATE，以操作功率級電路110中功率開關M，而將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。功率級電路110為一種升壓型的功率級電路，包含功率開關M、電感L、與二極體元件D。其操作模式為此技術領域中具有通常知識者所熟知，在此不予贅述。
前述的切換式電源供應器100操作時，功率級電路110中的功率開關M耐壓需求大約與輸出電壓Vout相當，也就是功率開關M於切換式電源供應器100操作時，需要能夠承受的最大電壓約為輸出電壓Vout。如果輸出電壓Vout相對較高時，則需要耐高壓的功率開關M。然而，在先前技術中，提高功率開關M的高壓承受能力，切換式電源供應器100的電力轉換效率往往會降低；此外，在高壓操作的狀況下，功率級電路110中的電感電流相對較高，於特定負載情況時，會產生音頻噪音(audio noise)。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種切換式電源供應器，在相同的輸出電壓情況下，可降低功率開關的耐壓需求，並可降低切換損失(switching loss)，提高轉換效率，並避免音頻噪音， 而增加切換式電源供應器的應用範圍。
就其中一個觀點言，本發明提供了一種切換式電源供應器，用以將輸入電壓轉換為輸出電壓，所述切換式電源供應器包含：一功率級電路，根據一驅動訊號，切換其中至少一個功率開關以將輸入電壓轉換為輸出電壓，該功率級電路包括：一主動(active)電路，包括該功率開關與一電感，用以接收該輸入電壓與該驅動訊號，而將該輸入電壓轉換為一前置電壓；以及一被動(passive)電路，與該主動電路耦接，該被動電路中包括一由被動元件組成而不包括主動元件的電荷泵(charge pump)，以將該前置電壓轉換為該輸出電壓；以及一控制電路，與該功率級電路耦接，用以根據一回授訊號，以產生該驅動訊號。
在一種較佳實施型態中，該電荷泵電路包括一電容，其一端耦接於該功率開關與電感間之一節點；一第一二極體元件，其陽極耦接於該電容之另一端，其陰極耦接於該輸出電壓；以及一第二二極體元件，其陽極接收一電壓，此電壓可為前述輸入電壓或其他電壓，其陰極耦接於該電容之另一端。
在一種較佳實施型態中，該主動電路與該電荷泵電路中之第一二極體元件構成一升壓型功率轉換電路。
在一種較佳實施型態中，該被動電路接收一預設電壓，且該預設電壓即為該輸入電壓或不高於該輸入電壓。
就另一個觀點言，本發明提供了一種切換式電源供應器，用以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，所述切換式電源供應器包含：一功率級電路，用以根據一驅動訊號，切換其中至少一個功率開關以將該輸入電壓轉換為該輸出電壓，該功率級電路包括：一主動(active)電路，包括該功率開關、一電感與一共用二極體，三者互相耦接於一共同節點，用以接收該輸入電壓與該驅動訊號，而將該輸入電 壓轉換為一前置電壓；以及一被動(passive)電路，與該主動電路耦接，該被動電路中包括一電荷泵(charge pump)，以將該前置電壓轉換為該輸出電壓，其中，該電荷泵與該主動電路共用該共用二極體；以及一控制電路，與該功率級電路耦接，用以根據一回授訊號，以產生該驅動訊號。
在一種較佳實施型態中，該電荷泵由被動元件組成而不包括主動元件。
在一種較佳實施型態中，該電荷泵包括一電容，其一端耦接於該功率開關與電感間之一節點；一共用二極體元件，其陽極耦接於該電容之另一端，其陰極耦接於該輸出電壓；以及一非共用二極體元件，其陽極接收一電壓，此電壓可為前述輸入電壓或其他電壓，其陰極耦接於該電容之該另一端。
在一種較佳實施型態中，該主動電路構成一升壓型功率轉換電路。
在一種較佳實施型態中，該被動電路接收一預設電壓，且該預設電壓即為該輸入電壓或不高於該輸入電壓。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
100,200,300‧‧‧切換式電源供應器
110,210‧‧‧功率級電路
120,220‧‧‧控制電路
211,311‧‧‧主動電路
213‧‧‧被動電路
C1‧‧‧電容
D,D1,D2‧‧‧二極體元件
FB‧‧‧回授訊號
GATE‧‧‧驅動訊號
I,I1,I2,I3,ID1,Iin,IL‧‧‧電流
L,L1‧‧‧電感
LX1,LX2‧‧‧節點
M,M1‧‧‧功率開關
T,T’‧‧‧工作比
Vin‧‧‧輸入電壓
VL‧‧‧跨壓
Vout‧‧‧輸出電壓
第1圖顯示一種典型的切換式電源供應器100示意圖。
第2圖顯示本發明的第一個實施例。
第3A-3J圖顯示同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、升降壓型、與升反壓型功率級電路。
第4圖顯示本發明第二個實施例。
第5圖顯示本發明第三個實施例。
第6A-6G圖舉例說明本發明優於先前技術之處。
第7A-7B圖舉例比較先前技術與本發明的功率轉換與功率開關切換損失。
第8A-8B圖舉例顯示被動電路的其他實施例。
請參閱第2圖，顯示本發明的第一個實施例。如第2圖所示，切換式電源供應器200包含功率級電路210與控制電路220。功率級電路210根據一驅動訊號GATE，切換其中功率開關M以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。控制電路220與功率級電路210耦接，並根據回授訊號FB，以產生驅動訊號GATE。功率級電路210包括主動(active)電路211與被動(passive)電路213。主動電路211包括功率開關M與一電感(未示出，於後詳述)，用以接收輸入電壓Vin與驅動訊號GATE，而將輸入電壓Vin轉換為前置電壓。被動電路213與主動電路211耦接，包括電荷泵(charge pump，未示出，於後詳述)，以將前置電壓轉換為輸出電壓Vout。其中，主動電路211例如但不限於為同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、或升降壓型功率轉換電路，如第3A-3J圖所示。
第4圖顯示本發明第二個實施例。本實施例顯示根據本發明之切換式電源供應器200一種較具體的實施例。如圖所示，主動電路211包括前述升壓型功率轉換電路，其包含功率開關M1、電感L1、與二極體元件D1。被動電路213包含電容C1與二極體元件D1、D2，其中，電容C1與二極體元件D1、D2形成電荷泵，亦即，該電荷泵包括電容C1，其一端耦接於該功率開關M1與電感L1間之一節點；一第一二極體元件D1，其陽極耦接於電容C1之另一端，其陰極耦接於輸出電壓Vout；以及一第二二極體元件，其陽極接收一電壓，此電壓可為前述輸入電壓Vin1或其他預設電壓Vin2，其陰極耦接於電容C1之 該另一端。以上安排中，主動電路211與被動電路213共用第一二極體元件D1，或也可以視為，主動電路211中僅包含功率開關M1、電感L1，這些元件與被動電路213中的第一二極體元件D1構成完整的功率轉換電路。請參閱第3D、3H、和3J圖，在這些功率轉換電路的架構中，主動電路211與被動電路213都可以共用二體元件，如圖中虛線方塊所示。被動電路213所接收的預設電壓Vin2可以為與輸入電壓Vin1相同或不相同的電壓，例如，預設電壓Vin2可以不高於輸入電壓Vin1。當然，預設電壓Vin2亦可以與輸入電壓Vin1為不同的電壓來源但具有相同位準。
比較第1圖所顯示之先前技術切換式電源供應器100與第4圖所顯示之根據本發明之切換式電源供應器200：在先前技術切換式電源供應器100中，功率開關M的耐壓要求大約等於輸出電壓Vout，而在根據本發明之切換式電源供應器200中，功率開關M1的耐壓要求大約等於輸出電壓Vout減去預設電壓Vin2，相較於先前技術切換式電源供應器100，根據本發明之切換式電源供應器200中的功率開關M1耐壓要求較低；相對而言，若使用相同耐壓條件的功率開關，應用本發明之切換式電源供應器可以承受較先前技術之切換式電源供應器更高的輸出電壓Vout。
另外，在先前技術切換式電源供應器100中，電感電流為：
其中，η為功率級電路110的電力轉換效率(power conversion efficiency)。而根據本發明之切換式電源供應器200的電感電流為：
當Vin與Vin1相等時，根據本發明之切換式電源供應器200中的電感電流較低，也就是說，本發明之切換式電源供應器200只需產生較小的電 感電流，即可完成與先前技術之切換式電源供應器100相同的電壓轉換。
需說明的是，在第二個實施例中，輸入電壓Vin1、預設電壓Vin2、與輸出電壓Vout可以為各種不同高低位準的組合。一種較佳的實施方式為預設電壓Vin2不超過輸入電壓Vin1。此外，電荷泵亦不限於如圖所示的電路，可以為各種不同形式的電荷泵電路，例如但不限於二倍壓電路、負倍壓電路等。在較佳實施型態中，電荷泵電路宜全由被動元件組成而不包括主動元件，除第二個實施例中所示外，舉例而言，第8A-8B圖舉例顯示被動電路的其他實施例。
第5圖顯示本發明第三個實施例。本實施例顯示根據本發明之切換式電源供應器300另一種較具體的實施例。如圖所示，主動電路311包括另一種形式的升壓型電路，其包含功率開關M1、電感L1、與二極體元件D2。被動電路213包含電容C1與二極體元件D1、D2，其中，電容C1與二極體元件D1、D2形成電荷泵。此外，主動電路311與被動電路213包括共同二極體元件D2。被動電路213例如但不限於更接收預設電壓Vin2，且預設電壓Vin2例如不高於輸入電壓Vin1，當然，預設電壓Vin2亦可以與輸入電壓Vin1具有相同位準。
第6A-6G圖舉例說明本發明優於先前技術之處。以前述第二個實施例為例，當驅動訊號GATE導通功率開關M1，電流I1對電感L1儲能，且電流I2流經二極體元件D2並對電容C1充電，其總和流經功率開關M1。而當驅動訊號GATE不導通功率開關M1，電流I3自電感L1流出，流經電容C1與二極體元件D1，而流往輸出端Vout。
請參閱第6B、6C與6D圖，舉例顯示本發明第二個實施例的訊號波形圖。其中，第6B與6C圖分別顯示節點LX2、LX1的電壓訊號波形圖；而第6D圖顯示電感L1的跨壓VL與電流IL的波形示意圖。其中，T’為功率開關M1導通的工作比(duty ratio)，工作比T’的公式推導如下： T'×V in =(1-T')×(V out -2V in )
(2-T')×V in =(1-T')×V out
相對地，第1圖所示的先前技術切換式電源供應器100中，其工作比T的公式如下：
可知，在將相同的輸入電壓轉換為相同輸出電壓的情況下，先前技術的功率開關需要較高的工作比來完成轉換。
第6E圖顯示在固定的輸出電壓(30V)的條件下，先前技術與根據本發明的工作比與輸入電壓Vin的特性曲線。如第6E圖所示，在相同的輸出電壓Vout的情況下，先前技術的功率開關相較於本發明需要較高的工作比來完成轉換。此外，在輸入電壓增加的情況下，根據本發明的功率開關工作比低於先前技術的功率開關工作比的幅度也隨之增加。
第6F圖顯示先前技術與根據本發明的工作比與輸出/入電壓比的特性曲線。如第6F圖所示，如同前述的結論，在將相同的輸入電壓轉換為相同輸出電壓的情況下，先前技術的功率開關相較於本發明需要較高的工作比來完成轉換。
第6G圖顯示在相同的輸出電壓Vout(例如為9.9V)條件 下，先前技術與根據本發明的電流ID1、IL1，與LX2節點電壓的訊號波形圖。如第6G圖所示，先前技術的電流ID1、IL1，與LX2節點電壓，相較於本發明電流ID1、IL1，與LX2節點電壓都明顯較高。
第7A圖與第7B圖分別舉例顯示先前技術與應用本發明的切換式電源供應器操作時的電流與電壓示意圖，以比較功率轉換效率。先前技術的切換式電源供應器操作時的功率消耗與切換損失計算如下：PMOS=I in 2×R DS_ON ×T
P DCR =I in 2×R DCR ×T
其中，PMOS為功率開關M的消耗功率，Iin為輸入電流，RDS_ON為功率開關M的汲極-源極導通電阻，T為前述工作比；PDCR為電感L的消耗功率，RDCR為電感L的等效電阻；PSW為功率開關M的功率切換損失，tr為功率開關M的上升時間(rising time)，tr為功率開關M的下降時間(falling time)，fsw為功率開關M的切換頻率。另一方面，根據本發明的切換式電源供應器操作時的功率消耗與切換損失計算如下：PMOS=I in 2×R DS_ON ×T'
P DCR =I 1 2×R DCR ×T'
其中，需說明的是，Iin為輸入電流等於I1+I2，T’為前述工作比。在相同條件下，即相同輸出電壓Vout與相同輸入電流Iin的情況下，先前技術的切換式電源供應器，在操作時的功率消耗與切換損失，皆高於根據本發明的切換式電源供應器操作時的功率消耗與切換損失，可見根據本發明的切換式電源供應器可提高功率轉換效率，減少功率消耗與切換損 失，此亦為本發明優於先前技術之處。並且，在耐壓條件相同的功率開關，根據本發明的切換式電源供應器可操作於較高的輸出電壓Vout。相對而言，在相同的輸出電壓Vout條件下，應用本發明可降低功率開關耐壓(withstand voltage)需求。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，各實施例中圖示直接連接的兩電路或元件間，可插置不影響主要功能的其他電路或元件。凡此種種，皆可根據本發明的教示類推而得，因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
200‧‧‧切換式電源供應器
210‧‧‧功率級電路
211‧‧‧主動電路
213‧‧‧被動電路
220‧‧‧控制電路
M‧‧‧功率開關
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓

Claims (9)

  1. 一種切換式電源供應器，用以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，所述切換式電源供應器包含：一功率級電路，用以根據一驅動訊號，切換其中至少一個功率開關以將該輸入電壓轉換為該輸出電壓，該功率級電路包括：一主動(active)電路，包括該功率開關與一電感，用以接收該輸入電壓與該驅動訊號，而將該輸入電壓轉換為一前置電壓；以及一被動(passive)電路，與該主動電路耦接，該被動電路中包括一由被動元件組成而不包括主動元件的電荷泵(charge pump)，以將該前置電壓轉換為該輸出電壓；以及一控制電路，與該功率級電路耦接，用以根據一回授訊號，以產生該驅動訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源供應器，其中該電荷泵包括一電容，其一端耦接於該功率開關與電感間之一節點；一第一二極體元件，其陽極耦接於該電容之另一端，其陰極耦接於該輸出電壓；以及一第二二極體元件，其陽極接收一電壓，此電壓可為前述輸入電壓或其他電壓，其陰極耦接於該電容之該另一端。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之切換式電源供應器，其中該主動電路與該電荷泵中之第一二極體元件構成一升壓型功率轉換電路。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之切換式電源供應器，其中該被動電路接收一預設電壓，且該預設電壓即為該輸入電壓或不高於該輸入電壓。
  5. 一種切換式電源供應器，用以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，所述切換式電源供應器包含：一功率級電路，用以根據一驅動訊號，切換其中至少一個功率開關以將該輸入電壓轉換為該輸出電壓，該功率級電路包括：一主動(active)電路，包括該功率開關、一電感與一共用二極體， 三者互相耦接於一共同節點，用以接收該輸入電壓與該驅動訊號，而將該輸入電壓轉換為一前置電壓；以及一被動(passive)電路，與該主動電路耦接，該被動電路中包括一電荷泵(charge pump)，以將該前置電壓轉換為該輸出電壓，其中，該電荷泵與該主動電路共用該共用二極體；以及一控制電路，與該功率級電路耦接，用以根據一回授訊號，以產生該驅動訊號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之切換式電源供應器，其中該電荷泵由被動元件組成而不包括主動元件。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之切換式電源供應器，其中該電荷泵包括一電容，其一端耦接於該功率開關與電感間之一節點；一共用二極體元件，其陽極耦接於該電容之另一端，其陰極耦接於該輸出電壓；以及一非共用二極體元件，其陽極接收一電壓，此電壓可為前述輸入電壓或其他電壓，其陰極耦接於該電容之該另一端。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之切換式電源供應器，其中該主動電路構成一升壓型功率轉換電路。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之切換式電源供應器，其中該被動電路接收一預設電壓，且該預設電壓即為該輸入電壓或不高於該輸入電壓。
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