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TWI848595B - 具線性轉換功能之切換式轉換器及其轉換控制電路及方法 - Google Patents

具線性轉換功能之切換式轉換器及其轉換控制電路及方法 Download PDF

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TWI848595B
TWI848595B TW112107741A TW112107741A TWI848595B TW I848595 B TWI848595 B TW I848595B TW 112107741 A TW112107741 A TW 112107741A TW 112107741 A TW112107741 A TW 112107741A TW I848595 B TWI848595 B TW I848595B
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bridge switch
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auxiliary transistor
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劉三賢
伍哲緯
范伯欽
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立錡科技股份有限公司
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Abstract

一種切換式轉換器，用以轉換輸入電壓而產生輸出電壓，包含：功率級電路，包括上橋開關、下橋開關以及輔助電晶體；以及轉換控制電路，用以控制上橋開關、下橋開關以及輔助電晶體。於切換轉換模式下，轉換控制電路控制輔助電晶體導通，且控制上橋開關與下橋開關用以切換電感以轉換輸入電壓而產生輸出電壓。於預充電模式下，轉換控制電路控制下橋開關關斷，且控制輔助電晶體用以對輸出電壓預充電。於線性轉換模式下，轉換控制電路控制下橋開關關斷，且根據回授訊號控制輔助電晶體將輸入電壓線性轉換為輸出電壓，其中回授訊號相關於輸出電壓。

Description

具線性轉換功能之切換式轉換器及其轉換控制電路及方法
本發明係有關一種切換式轉換器，特別是指一種具有線性轉換功能，可適用於輸入電壓大範圍變化的切換式轉換器。本發明也有關於用以控制切換式轉換器的轉換控制電路及方法。
請參閱圖1A，圖1A顯示先前技術之切換式轉換器。圖1A中，切換式轉換器900包括功率級電路90、預充電電路91以及控制電路95。功率級電路90中的開關Q1、開關Q2根據控制電路95而切換電感L1，以轉換輸入電壓Vin而產生輸出電壓Vout。先前技術之功率級電路90為升壓(boost)轉換器。
請同時參閱圖1A與圖1B，圖1B顯示對應於圖1A之輸出電壓操作波形圖。如圖1B所示，切換式轉換器900於時點t1開始操作時，首先進入預充電模式，此時開關Q1不導通，預充電電路91用以根據偏置電流源Ib而控制電晶體Q3產生預充電電流I1，使得輸出電壓Vout之位準以一斜率上升。需說明的是，當輸出電壓Vout之位準甚低時，以電晶體Q3控制預充電電流I1，可避免過大的湧浪電流，防止電流路徑上的電源器件毀損。當輸出電壓Vout之位準上升至與輸入電壓Vin之位準相等時，切換式轉換器900進入切換模式，此時電晶體Q3導通，開關Q1與開關Q2用以切換電感L1，使得輸出電壓Vout之位準上升至目標電壓值V1。
一般而言，先前技術之升壓轉換器中，目標電壓值V1高於輸入電壓Vin，然而，上述先前技術之缺點即在於，當目標電壓值V1與輸入電壓Vin之位準的差值過小，甚至輸入電壓Vin之位準大於目標電壓值V1時，如圖1B之時點t2至時點t3，先前技術之切換式轉換器900進入旁通模式，此時輸出電壓Vout之位準僅能等於輸入電壓Vin之位準，而無法調節於目標電壓值V1(因功率級電路90為升壓轉換器)。當輸入電壓Vin之位準遠大於目標電壓值V1時，輸出電壓Vout之位準將遠偏離目標電壓值V1。
有鑑於此，針對上述先前技術之不足，本發明提出一種切換式轉換器，可於目標電壓值與輸入電壓之位準的差值小於預設值時，進入一種線性轉換模式，在線性轉換模式下，當輸入電壓之位準大於目標電壓值時，輸出電壓之位準仍可調節於目標電壓值，而不受限於功率級電路為升壓轉換器，值得注意的是，本發明將用以控制預充電之功率電晶體共用於線性轉換，因而可節省成本與尺寸。
就其中一個觀點言，本發明提供了一種切換式轉換器，用以轉換一輸入電壓而產生一輸出電壓，包含：一功率級電路，包括一上橋開關、一下橋開關以及一輔助電晶體，其中該上橋開關之一端、該下橋開關之一端與一電感之一端耦接於一切換節點，該上橋開關之另一端與該輔助電晶體之一端耦接於一中繼節點，該輔助電晶體之另一端耦接於該輸出電壓；以及一轉換控制電路，用以控制該上橋開關、該下橋開關以及該輔助電晶體；其中於一切換轉換模式下，該轉換控制電路控制該輔助電晶體導通，且控制該上橋開關與該下橋開關用以切換該電感以轉換該輸入電壓而產生該輸出電壓；其中於一預充電模式下，該轉換控制電路控制該下橋開關關斷，且控制該輔助電晶體用以對該輸出電壓預充電；其中於一線性轉換模式下，該轉換控制電路控制該下橋開關關斷，且根據一第一回授訊號控制該輔助電晶體將該輸入電壓線性轉換為該輸出電壓，其中該第一回授訊號相關於該輸出電壓。
在一較佳實施例中，於該預充電模式下，該轉換控制電路控制該上橋開關關斷，及/或，於該線性轉換模式下，該轉換控制電路控制該上橋開關導通。
在一較佳實施例中，於該切換轉換模式下，該轉換控制電路控制該上橋開關與該下橋開關之切換以調節該輸出電壓至一目標電壓值，其中當該目標電壓值與該輸入電壓之差值小於一第一預設值時，進入該線性轉換模式。
在一較佳實施例中，於該線性轉換模式下，該轉換控制電路控制該輔助電晶體以調節該輸出電壓至該目標電壓值，其中當該目標電壓值與該輸入電壓之差值大於一第二預設值時，進入該切換轉換模式。
在一較佳實施例中，於該預充電模式下，當該輸出電壓預充電至接近該輸入電壓後，進入該切換轉換模式。
在一較佳實施例中，該上橋開關的一本體二極體之陽極與陰極分別耦接於該切換節點及該中繼節點，該輔助電晶體的一本體二極體之陽極與陰極分別耦接於該輸出電壓及該中繼節點。
在一較佳實施例中，該轉換控制電路包括：一第一回授電路，用以根據該輸出電壓產生一第一回授訊號；以及一誤差放大器，其中該誤差放大器用以放大該第一回授訊號與一第一參考訊號之差值以產生一誤差放大訊號；其中於該線性轉換模式下，該輔助電晶體根據該誤差放大訊號而將該輸入電壓線性轉換為該輸出電壓。
在一較佳實施例中，該轉換控制電路更包括一電流鏡電路，其中該電流鏡電路包括該輔助電晶體；其中於該預充電模式下，該電流鏡電路用以鏡像一偏置電流源以控制該輔助電晶體產生一預充電電流，以預充電該輸出電壓，其中該預充電電流正比於該偏置電流源。
在一較佳實施例中，該轉換控制電路更包括一轉導電晶體；其中於該線性轉換模式下，該轉導電晶體用以根據該誤差放大訊號產生一線性控制電流，其中該電流鏡電路更用以鏡像該線性控制電流以控制該輔助電晶體將該輸入電壓線性轉換為該輸出電壓。
在一較佳實施例中，該轉換控制電路更包括一轉導電晶體以及一電流鏡電路，其中該電流鏡電路包括該輔助電晶體；其中於該線性轉換模式下，該轉導電晶體用以根據該誤差放大訊號產生一線性控制電流，其中該電流鏡電路用以鏡像該線性控制電流以控制該輔助電晶體將該輸入電壓線性轉換為該輸出電壓。
在一較佳實施例中，於該輸出電壓高於一過高電壓閾值、該輸出電壓低於一過低電壓閾值，及/或，相關於該輸出電壓之一輸出電流高於一過高電流閾值時，該轉換控制電路控制該輔助電晶體關斷。
就另一個觀點言，本發明也提供了一種轉換控制電路，用以控制一切換式轉換器，其中該切換式轉換器用以轉換一輸入電壓而產生一輸出電壓，其中該切換式轉換器包括：一上橋開關、一下橋開關以及一輔助電晶體，其中該上橋開關之一端、該下橋開關之一端與一電感之一端耦接於一切換節點，該上橋開關之另一端與該輔助電晶體之一端耦接於一中繼節點，該輔助電晶體之另一端耦接於該輸出電壓，該轉換控制電路包含：一切換控制電路，用以於一切換轉換模式下，控制該上橋開關與該下橋開關用以切換該電感以轉換該輸入電壓而產生該輸出電壓，其中於該切換轉換模式下，該輔助電晶體導通；一預充電控制電路，用以於一預充電模式下，控制該輔助電晶體用以對該輸出電壓預充電，其中於該預充電模式下，該下橋開關關斷；以及一線性控制電路，用以於一線性轉換模式下，根據一第一回授訊號控制該輔助電晶體將該輸入電壓線性轉換為該輸出電壓，其中該第一回授訊號相關於該輸出電壓，其中於該線性轉換模式下，該下橋開關關斷。
就另一個觀點言，本發明也提供了一種轉換控制方法，用以控制一切換式轉換器，其中該切換式轉換器用以轉換一輸入電壓而產生一輸出電壓，其中該切換式轉換器包括：一上橋開關、一下橋開關以及一輔助電晶體，該轉換控制方法包含：於一切換轉換模式下，控制該輔助電晶體導通，且控制該上橋開關與該下橋開關用以切換一電感以轉換該輸入電壓而產生該輸出電壓；於一預充電模式下，控制該下橋開關關斷，且控制該輔助電晶體用以對該輸出電壓預充電；以及於一線性轉換模式下，控制該下橋開關關斷，且根據一第一回授訊號控制該輔助電晶體將該輸入電壓線性轉換為該輸出電壓，其中該第一回授訊號相關於該輸出電壓。
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。
本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各電路間之耦接關係，以及各訊號波形之間之關係，至於電路、訊號波形與頻率則並未依照比例繪製。
請參閱圖2，圖2顯示本發明之切換式轉換器之一實施例方塊圖。在一實施例中，切換式轉換器2000用以轉換輸入電壓Vin而產生輸出電壓Vout，切換式轉換器2000包含功率級電路100以及轉換控制電路200。在一實施例中，功率級電路100為升壓(boost)轉換器，包括：上橋開關QH、下橋開關QL、輔助電晶體QA以及電感L。在一實施例中，轉換控制電路200用以控制上橋開關QH、下橋開關QL以及輔助電晶體QA，轉換控制電路200包括：切換控制電路210、預充電控制電路220以及線性控制電路230。
在一實施例中，如圖2所示，上橋開關QH例如為P型金屬氧化半導體(metal oxide semiconductor, MOS)元件，下橋開關QL例如為N型MOS元件，輔助電晶體QA例如為P型MOS元件。在一實施例中，上橋開關QH之一端、下橋開關QL之一端與電感L之一端耦接於切換節點LX，下橋開關QL之另一端耦接於接地電位，上橋開關QH之另一端與輔助電晶體QA之一端耦接於中繼節點NX，輔助電晶體QA之另一端耦接於輸出電壓Vout。在一實施例中，上橋開關QH的本體二極體與輔助電晶體QA的本體二極體反向耦接，以避免於切換節點LX至輸出電壓Vout的開關路徑關斷時，仍可能因為二極體順偏而產生電流，具體而言，在本實施例中，上橋開關QH的本體二極體之陽極與陰極分別耦接於切換節點LX及中繼節點NX，輔助電晶體QA的本體二極體之陽極與陰極分別耦接於輸出電壓Vout及中繼節點NX。
在一實施例中，切換控制電路210用以根據相關於輸出電壓Vout之訊號、預充電控制電路220與線性控制電路230所傳送之資訊而控制上橋開關QH與下橋開關QL，預充電控制電路220用以根據切換控制電路210所傳送之資訊而控制輔助電晶體QA，線性控制電路230用以根據相關於輸出電壓Vout之訊號及切換控制電路210所傳送之資訊而控制輔助電晶體QA。
請同時參閱圖2與圖3，圖3顯示本發明之切換式轉換器之一實施例操作流程圖。在一實施例中，如圖3所示，切換式轉換器2000首先於步驟S100開始操作，接著進入步驟S200之預充電模式，於預充電模式下，預充電控制電路220用以控制輔助電晶體QA用以對輸出電壓Vout預充電。於步驟S200之後，接著進入判斷步驟S210，判斷輸出電壓Vout之位準是否接近於輸入電壓Vin之位準，若結果為是，則進入步驟S300之切換轉換模式，否則回到判斷步驟S210。在一實施例中，當判斷步驟S210之結果為是時，更等待延遲時間Td後，始進入步驟S300之切換轉換模式。於步驟S300之切換轉換模式下，切換控制電路210用以控制上橋開關QH與下橋開關QL用以切換電感L，以調節輸出電壓Vout至目標電壓值Vid。
在一實施例中，於步驟S300之後，接著進入判斷步驟S310，判斷目標電壓值Vid與輸入電壓Vin之差值是否小於第一預設值Vp1，若結果為是，則進入步驟S400之線性轉換模式，否則回到判斷步驟S310。於步驟S400之線性轉換模式下，線性控制電路230根據相關於輸出電壓Vout之訊號而控制輔助電晶體QA將輸入電壓Vin線性轉換為輸出電壓Vout。於步驟S400之後，接著進入判斷步驟S410，判斷目標電壓值Vid與輸入電壓Vin之差值是否大於第二預設值Vp2，若結果為是，則進入步驟S300之切換轉換模式，否則回到判斷步驟S410。
需注意的是，在一實施例中，切換式轉換器2000僅於操作開始時進入預充電模式，接著皆操作於切換轉換模式或線性轉換模式。
請參閱圖2、圖4與圖5，圖4顯示本發明之切換式轉換器中輸出電壓之一實施例操作波形圖，圖5顯示本發明之切換式轉換器在三種模式下，上橋開關、下橋開關及輔助電晶體之狀態表。在一實施例中，如圖4所示，切換式轉換器2000於時點t1開始操作，並進入預充電模式。在一實施例中，於時點t1至時點t2之預充電模式下，切換控制電路210控制下橋開關QL關斷，並控制上橋開關QH為導通或關斷，預充電控制電路220控制輔助電晶體QA漸進導通，以對輸出電壓Vout預充電，使得輸出電壓Vout在預設時段T1內，以一預設波形(例如以一線性斜率)上升至接近輸入電壓Vin。需說明的是，在上橋開關QH控制為關斷的實施例中，預充電電流可自輸入電壓Vin經由上橋開關QH之本體二極體而提供。
在一實施例中，於圖4之時點t2’，判斷步驟S210判斷輸出電壓Vout之位準接近於輸入電壓Vin之位準，經延遲時間Td後，於時點t2進入切換轉換模式。在一實施例中，於時點t2至時點t3之切換轉換模式下，輔助電晶體QA被控制為導通，切換控制電路210用以控制上橋開關QH與下橋開關QL根據一占空比(duty)而切換，以調節輸出電壓Vout至目標電壓值Vid。在一實施例中，於圖4之時點t3，判斷步驟S310判斷目標電壓值Vid與輸入電壓Vin之差值小於第一預設值Vp1，因此進入線性轉換模式。在一實施例中，於時點t3至時點t4之線性轉換模式下，切換控制電路210控制上橋開關QH導通，且控制下橋開關QL關斷，線性控制電路230控制輔助電晶體QA以調節輸出電壓Vout至目標電壓值Vid。在本實施例中，線性控制電路230控制輔助電晶體QA將輸出電壓Vout調節於目標電壓值Vid加上偏移電壓值Vof，在一實施例中，偏移電壓值Vof大於等於0，在本實施例中，偏移電壓值Vof大於0，使得當負載為重載時，輸出電壓Vout仍不致於過低。在一實施例中，於圖4之時點t4，判斷步驟S410判斷目標電壓值Vid與輸入電壓Vin之差值大於第二預設值Vp2，因此進入切換轉換模式。在一實施例中，第二預設值Vp2大於第一預設值Vp1，以提供遲滯，藉此穩定切換轉換模式與線性轉換模式之間的切換。
需說明的是，一般而言，上述實施例之升壓轉換器(功率級電路100)中，目標電壓值Vid高於輸入電壓Vin，而本發明藉由線性轉換模式下，線性控制電路230對於輔助電晶體QA之控制，可於輸入電壓Vin接近或高於目標電壓值Vid時，還可藉由線性轉換方式將輸出電壓Vout調節於目標電壓值Vid。
還需說明的是，上述圖4之實施例中，於時點t1至時點t4，目標電壓值Vid維持不變，輸入電壓Vin則隨時間改變，惟此並非用以限制本發明之範圍。具體而言，不論目標電壓值Vid及/或輸入電壓Vin改變，只要目標電壓值Vid與輸入電壓Vin之差值過低時，本發明之切換式轉換器便能進入線性轉換模式，以將輸出電壓Vout調節於目標電壓值Vid。相較於先前技術之切換式轉換器受限於升壓轉換器之特性，當輸入電壓大於目標電壓值時，輸出電壓僅能等於輸入電壓，而無法將輸出電壓調節於目標電壓值；本發明之切換式轉換器則不受限於升壓轉換器之特性，當輸入電壓大於目標電壓值時，仍能將輸出電壓調節於目標電壓值。
請參閱圖6，圖6顯示本發明之切換式轉換器之一實施例示意圖。在一實施例中，圖6之切換式轉換器6000中，轉換控制電路200包括：切換控制電路211、預充電控制電路220以及線性控制電路231。在一實施例中，線性控制電路231包括：第一回授電路31以及誤差放大器32，切換控制電路211包括：第二回授電路11、誤差放大器12、脈寬調變電路13以及驅動電路14。
在一實施例中，於切換轉換模式下，輔助電晶體QA受控制為導通，第二回授電路11用以根據輸出電壓Vout產生第二回授訊號Vfb2，誤差放大器12用以放大第二回授訊號Vfb2與第二參考訊號Vr2之差值以產生誤差放大訊號Eao2，脈寬調變電路13用以根據誤差放大訊號Eao2產生脈寬調變訊號Spwm，驅動電路14用以根據脈寬調變訊號Spwm產生驅動訊號，以控制上橋開關QH與下橋開關QL根據脈寬調變訊號Spwm而切換而將輸入電壓Vin線性轉換為輸出電壓Vout。
在一實施例中，於線性轉換模式下，下橋開關QL受控制為關斷，上橋開關QH受控制為導通，第一回授電路31用以根據輸出電壓Vout產生第一回授訊號Vfb1，誤差放大器32用以放大第一回授訊號Vfb1與第一參考訊號Vr1之差值以產生誤差放大訊號Eao1。在一實施例中，於線性轉換模式下，輔助電晶體QA根據誤差放大訊號Eao1而將輸入電壓Vin線性轉換為輸出電壓Vout。
請參閱圖7，圖7顯示本發明之切換式轉換器之一具體實施例示意圖。圖7之切換式轉換器7000相似於圖6之切換式轉換器6000，相較於圖6之實施例，在一具體實施例中，圖7之預充電控制電路221包括電流鏡電路21以及偏置電流源Ib。在一實施例中，電流鏡電路21包括輔助電晶體QA以及電晶體QM，在本實施例中，輔助電晶體QA及電晶體QM皆為P型MOS元件。在一實施例中，於預充電模式下，電流鏡電路21用以鏡像偏置電流源Ib以控制輔助電晶體QA產生預充電電流Ip，以預充電輸出電壓Vout，其中預充電電流Ip正比於偏置電流源Ib。
請參閱圖8，圖8顯示本發明之切換式轉換器之一具體實施例示意圖。圖8之切換式轉換器8000相似於圖7之切換式轉換器7000，相較於圖7之實施例，圖8之線性控制電路232更包括轉導電晶體QN以及輔助電晶體QA。在圖8之實施例中，於線性轉換模式下，轉導電晶體QN用以根據誤差放大訊號Eao1產生線性控制電流In。在本實施例中，於線性轉換模式下，電流鏡電路21更用以鏡像線性控制電流In而產生線性輸出電流ILDO，藉此控制輔助電晶體QA，以將輸入電壓Vin線性轉換為輸出電壓Vout。在本實施例中，功率級電路100、預充電控制電路221以及線性控制電路232共用輔助電晶體QA。
值得注意的是，本發明之切換式轉換器中，輔助電晶體QA不僅可用以對輸出電壓Vout預充電，更可於輸入電壓Vin高於目標電壓值Vid時，作為線性控制電晶體，用以將輸入電壓Vin線性轉換為輸出電壓Vout。換言之，本發明藉由共用預充電控制電路的電晶體，在不提高成本與電路尺寸的前提下，可同時具有預充電功能，且於輸入電壓Vin接近或高於目標電壓值Vid時，還可藉由線性轉換方式將輸出電壓Vout調節於目標電壓值Vid。
請參閱圖9，圖9顯示本發明之切換式轉換器之一實施例示意圖。圖9之切換式轉換器9000相似於圖6之切換式轉換器6000，相較於圖6之實施例，圖9之線性控制電路233更包括轉導電晶體QN以及電流鏡電路21，其中電流鏡電路21包括輔助電晶體QA以及電晶體QM。在一實施例中，於線性轉換模式下，轉導電晶體QN用以根據誤差放大訊號Eao1產生線性控制電流In。在本實施例中，電流鏡電路21用以鏡像線性控制電流In以控制輔助電晶體QA將輸入電壓Vin線性轉換為輸出電壓Vout。本實施例中，預充電控制電路220控制輔助電晶體QA進行預充電的方式則不予限制。
請參閱圖10，圖10顯示本發明之切換式轉換器中轉換控制電路之一部分實施例示意圖。在一實施例中，圖2之轉換控制電路200更包括比較器25、比較器26以及比較器27(如圖10所示)，比較器25用以比較輸出電壓Vout與過高電壓閾值Vthov而產生過高電壓示意訊號SOV，比較器26用以比較電流感測訊號Vcs與過高電流閾值Vthoc而產生過高電流示意訊號SOC，比較器27用以比較輸出電壓Vout與過低電壓閾值Vthuv而產生過低電壓示意訊號SUV。在一實施例中，上述電流感測訊號Vcs於預充電模式、切換轉換模式與線性轉換模式下分別相關於預充電電流Ip、流經電感L的電感電流IL與線性輸出電流ILDO。
請同時參閱圖10與圖11，圖11顯示本發明之切換式轉換器之一實施例操作流程圖。圖11之操作流程圖相似於圖3之操作流程圖，相較於圖3，在一實施例中，圖11之步驟S300結束後，更進入判斷步驟S305，藉由比較器25、比較器26及比較器27，以判斷輸出電壓Vout是否高於過高電壓閾值Vthov、輸出電壓Vout是否低於過低電壓閾值Vthuv，及/或，電流感測訊號Vcs(相關於輸出電壓Vout之輸出電流)是否高於過高電流閾值Vthoc，亦即，判斷步驟S305用以判斷過高電壓示意訊號SOV、過高電流示意訊號SOC或過低電壓示意訊號SUV是否為高位準。在一實施例中，當判斷步驟S305之判斷結果為是時，進入步驟S500，轉換控制電路200控制輔助電晶體QA關斷，使得上橋開關QH與下橋開關QL亦關斷，藉此達成過高電壓、過高電流或過低電壓保護。在一實施例中，當判斷步驟S305之判斷結果為否時，進入判斷步驟S310，細節如圖3之實施例所述。在一實施例中，圖11之步驟S400結束後，更進入判斷步驟S405，判斷步驟S405之細節與判斷步驟S305相同，在此不贅述。
請參閱圖12A至圖12D，圖12A至圖12D顯示本發明之切換式轉換器之功率級電路的多種實施例。本發明之切換式轉換器之功率級電路包括彼此耦接之至少一開關與一電感，其中至少一開關根據控制訊號而切換該電感，以將輸入電源轉換為輸出電源。如圖12A至圖12D所示，本發明之功率級電路包括例如但不限於升壓(boost)轉換器或升降壓(buck-boost)轉換器。
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。所說明之各個實施例，並不限於單獨應用，亦可以組合應用，舉例而言，兩個或以上之實施例可以組合運用，而一實施例中之部分組成亦可用以取代另一實施例中對應之組成部件。此外，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以及各種組合，舉例而言，本發明所稱「根據某訊號進行處理或運算或產生某輸出結果」，不限於根據該訊號的本身，亦包含於必要時，將該訊號進行電壓電流轉換、電流電壓轉換、及／或比例轉換等，之後根據轉換後的訊號進行處理或運算產生某輸出結果。由此可知，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以及各種組合，其組合方式甚多，在此不一一列舉說明。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
100:功率級電路
11:第二回授電路
12:誤差放大器
13:脈寬調變電路
14:驅動電路
200:轉換控制電路
2000:切換式轉換器
21:電流鏡電路
210,211:切換控制電路
220,221:預充電控制電路
230,231,232,233:線性控制電路
25,26,27:比較器
31:第一回授電路
32:誤差放大器
6000:切換式轉換器
7000:切換式轉換器
8000:切換式轉換器
90:功率級電路
900:切換式轉換器
9000:切換式轉換器
91:預充電電路
95:控制電路
Eao1,Eao2:誤差放大訊號
I1:預充電電流
Ib:偏置電流源
IL:電感電流
ILDO:線性輸出電流
In:線性控制電流
Ip:預充電電流
L,L1:電感
LX:切換節點
NX:中繼節點
Q1,Q2:開關
Q3,QM:電晶體
QA:輔助電晶體
QH:上橋開關
QL:下橋開關
QN:轉導電晶體
S100,S200,S300,S400,S500:步驟
S210,S305,S310,S405,S410:判斷步驟
SOV:過高電壓示意訊號
Spwm:脈寬調變訊號
SUV:過低電壓示意訊號
T1:預設時段
t1-t4:時點
t2’:時點
Td:延遲時間
V1:目標電壓值
Vcs:電流感測訊號
Vfb1:第一回授訊號
Vfb2:第二回授訊號
Vid:目標電壓值
Vin:輸入電壓
Vof:偏移電壓值
Vout:輸出電壓
Vp1:第一預設值
Vp2:第二預設值
Vr1:第一參考訊號
Vr2:第二參考訊號
Vthoc:過高電流閾值
Vthov:過高電壓閾值
圖1A顯示先前技術之切換式轉換器。
圖1B顯示對應於圖1A之輸出電壓操作波形圖。
圖2顯示本發明之切換式轉換器之一實施例方塊圖。
圖3顯示本發明之切換式轉換器之一實施例操作流程圖。
圖4顯示本發明之切換式轉換器中輸出電壓之一實施例操作波形圖。
圖5顯示本發明之切換式轉換器在三種模式下，上橋開關、下橋開關及輔助電晶體之狀態表。
圖6顯示本發明之切換式轉換器之一實施例示意圖。
圖7顯示本發明之切換式轉換器之一具體實施例示意圖。
圖8顯示本發明之切換式轉換器之一具體實施例示意圖。
圖9顯示本發明之切換式轉換器之一實施例示意圖。
圖10顯示本發明之切換式轉換器中轉換控制電路之一部分實施例示意圖。
圖11顯示本發明之切換式轉換器之一實施例操作流程圖。
圖12A至圖12D顯示本發明之切換式轉換器之功率級電路的多種實施例。
無
100:功率級電路
11:第二回授電路
12:誤差放大器
13:脈寬調變電路
14:驅動電路
200:轉換控制電路
211:切換控制電路
220:預充電控制電路
231:線性控制電路
31:第一回授電路
32:誤差放大器
6000:切換式轉換器
Eao1,Eao2:誤差放大訊號
L:電感
QA:輔助電晶體
QH:上橋開關
QL:下橋開關
Spwm:脈寬調變訊號
Vfb1:第一回授訊號
Vfb2:第二回授訊號
Vin:輸入電壓
Vout:輸出電壓
Vr1:第一參考訊號
Vr2:第二參考訊號

Claims (30)

  1. 一種切換式轉換器，用以轉換一輸入電壓而產生一輸出電壓，包含：一功率級電路，包括一上橋開關、一下橋開關以及一輔助電晶體，其中該上橋開關之一端、該下橋開關之一端與一電感之一端耦接於一切換節點，該上橋開關之另一端與該輔助電晶體之一端耦接於一中繼節點，該輔助電晶體之另一端耦接於該輸出電壓；以及一轉換控制電路，用以控制該上橋開關、該下橋開關以及該輔助電晶體；其中於一切換轉換模式下，該轉換控制電路控制該輔助電晶體導通，且控制該上橋開關與該下橋開關用以切換該電感以轉換該輸入電壓而產生該輸出電壓；其中於一預充電模式下，該轉換控制電路控制該下橋開關關斷，且控制該輔助電晶體漸進導通，以對該輸出電壓預充電；其中於一線性轉換模式下，該轉換控制電路控制該下橋開關關斷，且根據一第一回授訊號線性控制該輔助電晶體將該輸入電壓線性轉換為該輸出電壓，藉此線性調節該輸出電壓，其中該第一回授訊號相關於該輸出電壓。
  2. 如請求項1所述之切換式轉換器，其中於該預充電模式下，該轉換控制電路控制該上橋開關關斷，及/或，於該線性轉換模式下，該轉換控制電路控制該上橋開關導通。
  3. 如請求項1所述之切換式轉換器，其中於該切換轉換模式下，該轉換控制電路控制該上橋開關與該下橋開關之切換以調節該輸出電 壓至一目標電壓值，其中當該目標電壓值與該輸入電壓之差值小於一第一預設值時，進入該線性轉換模式。
  4. 如請求項3所述之切換式轉換器，其中於該線性轉換模式下，該轉換控制電路控制該輔助電晶體以調節該輸出電壓至該目標電壓值，其中當該目標電壓值與該輸入電壓之差值大於一第二預設值時，進入該切換轉換模式。
  5. 如請求項1所述之切換式轉換器，其中於該預充電模式下，當該輸出電壓預充電至接近該輸入電壓後，進入該切換轉換模式。
  6. 如請求項1所述之切換式轉換器，其中該上橋開關的一本體二極體之陽極與陰極分別耦接於該切換節點及該中繼節點，該輔助電晶體的一本體二極體之陽極與陰極分別耦接於該輸出電壓及該中繼節點。
  7. 如請求項1所述之切換式轉換器，其中該轉換控制電路包括：一第一回授電路，用以根據該輸出電壓產生一第一回授訊號；以及一誤差放大器，其中該誤差放大器用以放大該第一回授訊號與一第一參考訊號之差值以產生一誤差放大訊號；其中於該線性轉換模式下，該輔助電晶體根據該誤差放大訊號而將該輸入電壓線性轉換為該輸出電壓。
  8. 如請求項7所述之切換式轉換器，其中該轉換控制電路更包括一電流鏡電路，其中該電流鏡電路包括該輔助電晶體；其中於該預充電模式下，該電流鏡電路用以鏡像一偏置電流源以控制該輔助電晶體產生一預充電電流，以預充電該輸出電壓，其中該預充電電流正比於該偏置電流源。
  9. 如請求項8所述之切換式轉換器，其中該轉換控制電路更包括一轉導電晶體；其中於該線性轉換模式下，該轉導電晶體用以根據該誤差放大訊號產生一線性控制電流，其中該電流鏡電路更用以鏡像該線性控制電流以控制該輔助電晶體將該輸入電壓線性轉換為該輸出電壓。
  10. 如請求項7所述之切換式轉換器，其中該轉換控制電路更包括一轉導電晶體以及一電流鏡電路，其中該電流鏡電路包括該輔助電晶體；其中於該線性轉換模式下，該轉導電晶體用以根據該誤差放大訊號產生一線性控制電流，其中該電流鏡電路用以鏡像該線性控制電流以控制該輔助電晶體將該輸入電壓線性轉換為該輸出電壓。
  11. 如請求項1所述之切換式轉換器，其中於該輸出電壓高於一過高電壓閾值、該輸出電壓低於一過低電壓閾值，及/或，相關於該輸出電壓之一輸出電流高於一過高電流閾值時，該轉換控制電路控制該輔助電晶體關斷。
  12. 一種轉換控制電路，用以控制一切換式轉換器，其中該切換式轉換器用以轉換一輸入電壓而產生一輸出電壓，其中該切換式轉換器包括：一上橋開關、一下橋開關以及一輔助電晶體，其中該上橋開關之一端、該下橋開關之一端與一電感之一端耦接於一切換節點，該上橋開關之另一端與該輔助電晶體之一端耦接於一中繼節點，該輔助電晶體之另一端耦接於該輸出電壓，該轉換控制電路包含： 一切換控制電路，用以於一切換轉換模式下，控制該上橋開關與該下橋開關用以切換該電感以轉換該輸入電壓而產生該輸出電壓，其中於該切換轉換模式下，該輔助電晶體導通；一預充電控制電路，用以於一預充電模式下，控制該輔助電晶體漸進導通，以對該輸出電壓預充電，其中於該預充電模式下，該下橋開關關斷；以及一線性控制電路，用以於一線性轉換模式下，根據一第一回授訊號線性控制該輔助電晶體將該輸入電壓線性轉換為該輸出電壓，藉此線性調節該輸出電壓，其中該第一回授訊號相關於該輸出電壓，其中於該線性轉換模式下，該下橋開關關斷。
  13. 如請求項12所述之轉換控制電路，其中於該預充電模式下，該轉換控制電路控制該上橋開關關斷，及/或，於該線性轉換模式下，該轉換控制電路控制該上橋開關導通。
  14. 如請求項12所述之轉換控制電路，其中於該切換轉換模式下，該轉換控制電路控制該上橋開關與該下橋開關之切換以調節該輸出電壓至一目標電壓值，其中當該目標電壓值與該輸入電壓之差值小於一第一預設值時，進入該線性轉換模式。
  15. 如請求項14所述之轉換控制電路，其中於該線性轉換模式下，該轉換控制電路控制該輔助電晶體以調節該輸出電壓至該目標電壓值，其中當該目標電壓值與該輸入電壓之差值大於一第二預設值時，進入該切換轉換模式。
  16. 如請求項12所述之轉換控制電路，其中於該預充電模式下，當該輸出電壓預充電至接近該輸入電壓後，進入該切換轉換模式。
  17. 如請求項12所述之轉換控制電路，其中該上橋開關的一本體二極體之陽極與陰極分別耦接於該切換節點及該中繼節點，該輔助電晶體的一本體二極體之陽極與陰極分別耦接於該輸出電壓及該中繼節點。
  18. 如請求項12所述之轉換控制電路，其中該線性控制電路包括：一第一回授電路，用以根據該輸出電壓產生一第一回授訊號；以及一誤差放大器，其中該誤差放大器用以放大該第一回授訊號與一第一參考訊號之差值以產生一誤差放大訊號；其中於該線性轉換模式下，該輔助電晶體根據該誤差放大訊號而將該輸入電壓線性轉換為該輸出電壓。
  19. 如請求項18所述之轉換控制電路，其中該預充電控制電路包括一電流鏡電路，其中該電流鏡電路包括該輔助電晶體；其中於該預充電模式下，該電流鏡電路用以鏡像一偏置電流源以控制該輔助電晶體產生一預充電電流，以預充電該輸出電壓，其中該預充電電流正比於該偏置電流源。
  20. 如請求項19所述之轉換控制電路，其中該線性控制電路更包括一轉導電晶體；其中於該線性轉換模式下，該轉導電晶體用以根據該誤差放大訊號產生一線性控制電流，其中該電流鏡電路更用以鏡像該線性控制電流以控制該輔助電晶體將該輸入電壓線性轉換為該輸出電壓。
  21. 如請求項18所述之轉換控制電路，其中該線性控制電路更包括一轉導電晶體以及一電流鏡電路，其中該電流鏡電路包括該輔助電晶體； 其中於該線性轉換模式下，該轉導電晶體用以根據該誤差放大訊號產生一線性控制電流，其中該電流鏡電路用以鏡像該線性控制電流以控制該輔助電晶體將該輸入電壓線性轉換為該輸出電壓。
  22. 一種轉換控制方法，用以控制一切換式轉換器，其中該切換式轉換器用以轉換一輸入電壓而產生一輸出電壓，其中該切換式轉換器包括：一上橋開關、一下橋開關以及一輔助電晶體，該轉換控制方法包含：於一切換轉換模式下，控制該輔助電晶體導通，且控制該上橋開關與該下橋開關用以切換一電感以轉換該輸入電壓而產生該輸出電壓；於一預充電模式下，控制該下橋開關關斷，且控制該輔助電晶體漸進導通，以對該輸出電壓預充電；以及於一線性轉換模式下，控制該下橋開關關斷，且根據一第一回授訊號線性控制該輔助電晶體將該輸入電壓線性轉換為該輸出電壓，藉此線性調節該輸出電壓，其中該第一回授訊號相關於該輸出電壓。
  23. 如請求項22所述之轉換控制方法，其中於該預充電模式下，更控制該上橋開關關斷，及/或，於該線性轉換模式下，更控制該上橋開關導通。
  24. 如請求項22所述之轉換控制方法，其中於該切換轉換模式下，更控制該上橋開關與該下橋開關之切換以調節該輸出電壓至一目標電壓值，其中當該目標電壓值與該輸入電壓之差值小於一第一預設值時，進入該線性轉換模式。
  25. 如請求項24所述之轉換控制方法，其中於該線性轉換模式下，更控制該輔助電晶體以調節該輸出電壓至該目標電壓值，其中當該目標電壓值與該輸入電壓之差值大於一第二預設值時，進入該切換轉換模式。
  26. 如請求項22所述之轉換控制方法，其中於該預充電模式下，當該輸出電壓預充電至接近該輸入電壓後，進入該切換轉換模式。
  27. 如請求項22所述之轉換控制方法，更包含：根據該輸出電壓產生一第一回授訊號；放大該第一回授訊號與一第一參考訊號之差值以產生一誤差放大訊號；以及於該線性轉換模式下，控制該輔助電晶體根據該誤差放大訊號而將該輸入電壓線性轉換為該輸出電壓。
  28. 如請求項27所述之轉換控制方法，更包含：於該預充電模式下，鏡像一偏置電流源以控制該輔助電晶體產生一預充電電流，以預充電該輸出電壓，其中該預充電電流正比於該偏置電流源。
  29. 如請求項28所述之轉換控制方法，更包含：於該線性轉換模式下，根據該誤差放大訊號產生一線性控制電流，且鏡像該線性控制電流以控制該輔助電晶體將該輸入電壓線性轉換為該輸出電壓。
  30. 如請求項22所述之轉換控制方法，其中於該輸出電壓高於一過高電壓閾值、該輸出電壓低於一過低電壓閾值，及/或，相關於該輸出電壓之一輸出電流高於一過高電流閾值時，更控制該輔助電晶體關斷。
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