专利名称：低噪声降压转换电路及低噪声电压供应总成器的制作方法
技术领域：
本发明有关于直流转直流整流电路，特别是关于一种低噪声降压转换电路及具备该转换电路的低噪声电压供应总成器。
背景技术：
请参阅图I所示，为一典型的异步整流Buck电路(Buck Converter)。Buck电路为已知技术中常见的直流转直流整流电路(DC-DC Converter)。Buck电路通过一快速切换开关10,例如晶体管开关,将一直流电压源V的电压输出转换为不连续电流模式输出，例如脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)信号，再通过电感20、电容30、二极管40的 整流，而供应低电压的电流至负载电路L。快速切换开关10不断地进行开启及关闭，使得直流电压源V通过快速切换开关10输出不连续电流。此不连续电流与输入阻抗交互作用之下，将形成涟波电压(RippleVoltage)及电磁干扰(Electromagnetic interference, EMI),链波电压及电磁干扰的强度若超过负载电路L的可容许强度门坎，将影响负载电路L的运作，甚至破坏负载电路L。纵使对负载电路L无明显的负面影响，电磁干扰也会影响周遭电子器材的运作。关于整流电路的输出可能影响负载电路L的问题，美国专利US5，124，873号专利提出一种突波压制电路，其通过齐纳二极管(Zener Diode)反向地连接电压源的输出端，而将该输出端旁通接地。在有高电压突波由电压源朝向负载电路L输出时，齐纳二极管将因为反向偏压超过崩溃电压，而反向导通以将高电压突波旁通至接地线路而予以消除。但US5，124，873主要是解决来自电压源本身不稳定或外部导入的高压电所产生的高电压突波，并未解决直流转直流整流电路中所面临的涟波电压及电磁干扰。而美国专利US7，038, 899的说明书的背景技术提到一种滤波电路，用以滤除或抑制放大器输出的噪声。但该项技术的揭露并未解决涟波电压的问题，同时未解决直流转直流整流电路中所面临的涟波电压及电磁干扰问题。
发明内容
鉴于直流转直流整流电路中所面临的涟波电压及电磁干扰问题，本发明提出一种低噪声降压转换电路，可抑制涟波电压及并降低电磁干扰。本发明提出一种低噪声降压转换电路，用以接收一输入电压，而加以转换并输出一转换电压至一负载电路。低噪声降压转换电路包括一整流电压输出端、一脉冲产生器、一整流二极管一整流电感、一整流电容及一阻抗元件。整流电压输出端用以输出转换电压。脉冲产生器包括一脉冲输出端；脉冲产生器用以接收输入电压，而通过脉冲输出端输出一脉冲。整流二极管反向地耦接于脉冲输出端，而使脉冲的负载部分对整流二极管产生的反向偏压。整流电感的一端连接于脉冲输出端以接收脉冲，另一端连接于整流电压输出端。整流电容的一端连接于整流电压输出端，另一端电性接地。阻抗元件至少提供电阻阻抗及电感阻抗，其中整流二极管及该阻抗元件互相串联且电性接地。通过阻抗元件匹配负载电路的输入阻抗，本发明的低噪声降压转换电路可有效地抑制涟波电压并消除电磁干扰。鉴于直流转直流整流电路中所面临的涟波电压及电磁干扰问题，本发明提出一种低噪声电压供应总成器，其输出具有链波电压强度及低电磁干扰强度的优点。本发明提出一种低噪声电压供应总成器，用以输出一转换电压至一负载电路。低噪声电压供应总成器包括一整流电压输出端、一脉冲输出装置、一整流电感、一整流电容、一整流二极管及一阻抗元件。整流电压输出端用以输出该转换电压。脉冲输出装置包括一脉冲输出端，用以输出一脉冲。整流电感的一端连接于脉冲输出端以接收脉冲，另一端连接于整流电压输出端。整流电容的一端连接于整流电压输出端，另一端电性接地。整流二极管反向地耦接于脉冲输出端，而使脉冲的负载部分对整流二极管产生的反向偏压。阻抗元件至少提供电阻阻抗 及电感阻抗，其中整流二极管及阻抗元件互相串联且电性接地。通过阻抗元件匹配负载电路的输入阻抗，本发明的低噪声电压供应总成器所输出的转换电压，具有低涟波电压强度及低电磁干扰强度的特点。本发明各实施例有效地抑制涟波电压的大小，从而避免涟波电压对负载电路产生的破坏。同时，对于链波电压的抑制，也可以有效降低电磁干扰的强度，使得本发明各实施例提供的电压供应方案具备低噪声的特性。
图I为已知技术的直流转直流整流电路的电路示意图。图2为本发明第一实施例的电路图。图3及图4为图2的电路于不同半周期中，电流流动方向的示意图。图5为已知技术的整流电路输出的噪声强度与切换频率的关系图。图6为输入阻抗与切换频率的关系图。图7为本发明第一实施例的电路输出噪声强度与切换频率的关系图。图8为本发明第二实施例的电路图。图9为本发明第二实施例的一具体实施方式
的电路图。图10为本发明第三实施例的电路图。[主要元件标号说明]10 快速切换开关20 电感30 电容40 二极管I 低噪声电压供应总成器 100低噪声降压转换电路101整流电压输出端110脉冲产生器IlOa脉冲产生器IlOb电源供应芯片111脉冲输出端Illa脉冲输出端120整流二极管130阻抗元件130a阻抗元件131匹配电感器132匹配电阻器140整流电感
150整流电容200直流电压源201脉冲输出装置210直流电压供应端V直流电压源L 负载电路Vin输入电压Vout转换电压P脉冲I第一电流I”第二电流Z输入阻抗R电阻阻抗xL 电感阻抗G栅极S·周期切换信号
具体实施例方式请参阅图2所示，为本发明第一实施例所揭露的一种低噪声电压供应总成器1，包括一低噪声降压转换电路100 (Low Noise Step-Down Converter)及一直流电压源200。如图2所示，直流电压源200用以提供一输入电压Vin，并通过直流电压源200的一直流电压供应端210，输出输入电压Vin至低噪声降压转换电路100。低噪声降压转换电路100用以自直流电压供应端210接收输入电压Vin，并且将输入电压Vin转换为包括相对低电压的转换电压Vout。最后，低噪声降压转换电路100通过一整流电压输出端101，输出前述的转换电压Vout，以供应转换电压Vout至负载电路L。如图2所示，低噪声降压转换电路100还包括一脉冲产生器110、一整流二极管120 (Rectifying Diode)、一阻抗元件 130 (Impedance Element)、一整流电感 140 及一整流电容150。如图2所示，脉冲产生器110电性连接于直流电压供应端210以接收输入电压Vin，而周期性地切换输出为开启(On)及关闭(Off)，而使输入电压Vin形成脉冲P的型态输出。脉冲产生器Iio包括一脉冲输出端111,用以输出脉冲P。直流电压源200提供的输入电压Vin为固定不变，而通过脉冲产生器110的切换，使输入电压Vin形成脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)信号型态的脉冲 P。如图2所示，整流二极管120的一端耦接于脉冲输出端111，另一端间接地通过阻抗元件130电性接地，使得整流二极管120的顺向偏压方向是由电性接地的一端指向脉冲输出端111。更具体而言，整流二极管120反向地(Reversely)耦接于脉冲输出端111，而使脉冲P的负载部分对整流二极管120产生的反向偏压。整流二极管120的一具体实施例为肖特基二极管(Schottky Diode)，肖特基二极管的反向恢复时间仅有数十个百亿分之一秒(picosecond, ps),也就是肖特基二极管由流过顺向偏压电流的导通状态，切换到反向偏压而不导通状态所需的时间，仅有数十个ps，减少反向电流所造成的问题。如图2所示，阻抗元件130 (Impedance Element)至少提供电阻阻抗及电感阻抗。整流二极管120及阻抗元件130互相串联，且串联地电性接地。如图2所示，阻抗元件130的一具体实施例为陶铁磁珠(Ferrite Bead),其同时具备良好的电阻阻抗及电感阻抗。同时，陶铁磁珠为单一元件且体积小，有利于电路的布局设计，并且陶铁磁珠包括良好的耐受性，而可延长使用寿命。整流电感140的一端连接于脉冲输出端111以接收脉冲P，另一端连接于整流电压输出端101。整流电容150的一端连接于该整流电压输出端101，另一端电性接地。如图3所示，当脉冲产生器110输出的脉冲P信号为高电平的半周期时，直流电压源200通过脉冲产生器110、整流电感140而直接供应一第一电流I至负载电路L，并同时对整流电容150充电。此时因为直流电压源200输出的电流同时也对整流电容150充电，因此第一电流I是呈现随时间递增(整流电容150逐渐呈现饱和而降低通过整流电容150的电流)。而整流二极管120因为受到反向偏压，因此整流二极管120及阻抗元件130无电流通过。如图4所示，当脉冲产生器110输出的脉冲P信号为低电平的半周期时，整流电容150进行放电，使得整流二极管120接受顺向偏压，而形成第二电流I”供应至负载电路L。因为第二电流I”是由整流电容150供应，因此第二电流I”是随时间递减。如图5所示，脉冲P信号不断以高频率在高低电平之间切换。在欠缺阻抗元件130串联于整流二极管120的情况下，输入电压Vin会带有涟波电压R，并且产生电磁干扰(Electromagnetic interference, EMI),而影响到负载电路 L 的运作。 如图6所不,链波电压R的产生,主要是受到脉冲P信号频率及负载电路L的输入阻抗所影响。其中脉冲P信号的频率通常为固定，因此必须通过负载电路L的输入阻抗Z来改变涟波电压R的大小。如图5所示，若将负载电路L的输入阻抗Z以一复数(complex)表示，则输入阻抗Z可分为实部的电阻阻抗R及虚部的电感阻抗xL。而涟波电压R的大小主要是受到虚部的电感阻抗xL影响。此时，阻抗元件130提供电阻阻抗及电感阻抗的大小，就可以依据脉冲P信号的频率，找出对应的虚部的电感阻抗xL，从而挑选适当的阻抗元件 130。如图7所示，在将适当的阻抗元件130串联于整流二极管120之后，就可以适度地降低涟波电压R的大小至一可容许强度门坎之下。如图8所示，为本发明第二实施例所揭露的一种低噪声电压供应总成器1，包括一整流电压输出端101。低噪声电压供应总成器I通过整流电压输出端101输出一转换电压Vout至一负载电路L。低噪声电压供应总成器I还包括一脉冲输出装置201、一整流二极管120、一阻抗元件130、一整流电感140、一整流电容150。如图8所示，脉冲输出装置201包括一脉冲输出端111a，用以输出一脉冲P。脉冲输出装置201包括一直流电压源200及一脉冲产生器110a。直流电压源200包括一直流电压供应端210，且直流电压源200通过直流电压供应端210提供一输入电压Vin。脉冲产生器IlOa可结合于整流二极管120、阻抗元件130、整流电感140、整流电容150，而形成如第一实施例所述的低噪声降压转换电路100。脉冲产生器IlOa的一具体实施例为一晶体管切换器，设置于该直流电压供应端210及脉冲输出端Illa之间。如图8所示，作为脉冲产生器110a，晶体管切换器的栅极G连接于一振荡器或一控制信号源，以接收一周期切换信号S。受到周期切换信号S的触发，晶体管切换器周期地切换直流电压供应端210及脉冲输出端111之间为导通或是断路，而形成脉冲P且自脉冲输出端111输出脉冲P。由于直流电压源200提供的输入电压Vin为固定不变，而负载部分的频宽是通过脉冲产生器IlOa的切换决定，因此该脉冲P为脉冲宽度调制信号。如图8所示，整流二极管120的具体实施例为肖特基二极管，反向地耦接于脉冲输出端111，而使脉冲P的负载部分对整流二极管120产生反向偏压。
阻抗元件130的具体实施例为陶铁磁珠，至少提供电阻阻抗及电感阻抗。整流二极管120及阻抗元件130互相串联且电性接地；具体实施方式
为阻抗元件130串联于整流二极管120，使整流二极管120通过阻抗元件130电性接地。电感阻抗的选择是针对脉冲P的切换频率，找出与负载电路L匹配的电感阻抗值，以抵销输入阻抗中的虚功部分，从而降低输出电压Vin中的涟波电压。整流电感140的一端连接于脉冲输出端111以接收脉冲P,另一端连接于整流电压输出端101。整流电容150的一端连接于该整流电压输出端101，另一端电性接地。如图9所示，为第二实施例的具体实施方式
，于商业化实施时，脉冲产生器IlOa可集成于一电源供应芯片IlOb中，脉冲输出端Illa为电源供应芯片的一脚位，用以连接阻抗元件130、整流电感140及整流电容150。如图10所示，为本发明第三实施例的一种低噪声电压供应总成器1，用以提供一阻抗元件130a的具体实施方式
，以结合于本发明各实施例的电路中，而达成低噪声电压供 应总成器I及低噪声降压转换电路100的变化。于第三实施例中，阻抗元件130a包括一匹配电感器131及一匹配电阻器132。匹配电感器131及匹配电阻器132互相串联，且串联于整流二极管120。于此实施例中，独立的匹配电感器131可以供更快速地选择找出与负载电路L匹配的电感阻抗值，以抵消输入阻抗中的虚功部分，从而降低输出电压Vin中的涟波电压。本发明各实施例通过阻抗元件130/130a的匹配选择，有效地抑制涟波电压R的大小，从而避免链波电压R对负载电路L产生的破坏。同时,对于链波电压R的抑制，也可以有效降地电磁干扰的强度，使得本发明各实施例提供的电压供应方案具备低噪声的特性。本发明的技术内容已经以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所作些许的更动与润饰，皆应涵盖于本发明的范畴内，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。
权利要求
1.一种低噪声降压转换电路，用以接收一输入电压，而加以转换并输出一转换电压至一负载电路，该低噪声降压转换电路包括 一整流电压输出端，用以输出该转换电压； 一脉冲产生器，包括一脉冲输出端；其中该脉冲产生器用以接收该输入电压，而通过该脉冲输出端输出一脉冲； 一整流二极管，反向地耦接于该脉冲输出端，而使该脉冲的负载部分对该整流二极管产生的反向偏压； 一整流电感，一端连接于该脉冲输出端以接收该脉冲，另一端连接于该整流电压输出端; 一整流电容，一端连接于该整流电压输出端，另一端电性接地；及一阻抗元件，至少提供电阻阻抗及电感阻抗，其中该整流二极管及该阻抗元件互相串联且电性接地。
2.根据权利要求I所述的低噪声降压转换电路，其中该脉冲为脉冲宽度调制信号。
3.根据权利要求2所述的低噪声降压转换电路，其中该整流二极管的一端耦接于该脉冲输出端，另一端间接地通过阻抗元件电性接地。
4.根据权利要求3所述的低噪声降压转换电路，其中该阻抗元件为一陶铁磁珠。
5.根据权利要求4所述的低噪声降压转换电路，其中该整流二极管为一肖特基二极管。
6.根据权利要求5所述的低噪声降压转换电路，其中该脉冲产生器包括 一晶体管切换器，设置于该直流电压供应端及该脉冲输出端之间，用以周期地切换该直流电压供应端及该脉冲输出端之间为导通或是断路。
7.根据权利要求3所述的低噪声降压转换电路，其中该阻抗元件包括一匹配电感器及一匹配电阻器，该匹配电感器及该匹配电阻器互相串联，且串联于该整流二极管。
8.根据权利要求7所述的低噪声降压转换电路，其中该脉冲产生器包括 一晶体管切换器，设置于该直流电压供应端及该脉冲输出端之间，用以周期地切换该直流电压供应端及该脉冲输出端之间为导通或是断路。
9.根据权利要求8所述的低噪声降压转换电路，其中该整流二极管为一肖特基二极管。
10.一种低噪声电压供应总成器，用以输出一转换电压至一负载电路，该低噪声电压供应总成器包括 一整流电压输出端，用以输出该转换电压； 一脉冲输出装置，包括一脉冲输出端用以输出一脉冲； 一整流电感，一端连接于该脉冲输出端以接收该脉冲，另一端连接于该整流电压输出端; 一整流电容，一端连接于该整流电压输出端，另一端电性接地； 一整流二极管，反向地耦接于该脉冲输出端，而使该脉冲的负载部分对该整流二极管产生的反向偏压；及 一阻抗元件，至少提供电阻阻抗及电感阻抗，其中该整流二极管及该阻抗元件互相串联且电性接地。
11.根据权利要求8所述的低噪声电压供应总成器，其中该阻抗元件为一陶铁磁珠。
12.根据权利要求9所述的低噪声电压供应总成器，其中该脉冲为脉冲宽度调制信号。
13.根据权利要求10所述的低噪声电压供应总成器，其中脉冲输出装置包括 一直流电压源，包括一直流电压供应端用以提供该输入电压；及 一脉冲产生器，包括该脉冲输出端；该脉冲产生器用以周期地切换该直流电压供应端及该脉冲输出端之间为导通或是断路。
14.根据权利要求11所述的低噪声电压供应总成器，其中该脉冲产生器包括 一晶体管切换器，设置于该直流电压供应端及该脉冲输出端之间，用以周期地切换该直流电压供应端及该脉冲输出端之间为导通或是断路。
15.根据权利要求12所述的低噪声电压供应总成器，其中该整流二极管的一端耦接于该脉冲输出端，另一端间接地通过阻抗元件电性接地。
16.根据权利要求12所述的低噪声电压供应总成器，其中该整流二极管为一肖特基二极管。
17.根据权利要求8所述的低噪声电压供应总成器，其中该阻抗元件包括一匹配电感器及一匹配电阻器，该匹配电感器及该匹配电阻器互相串联，且串联于该整流二极管。
18.根据权利要求17所述的低噪声电压供应总成器，其中该整流二极管为一肖特基二极管，其一端耦接于该脉冲输出端，另一端间接地通过阻抗元件电性接地。
19.根据权利要求18所述的低噪声电压供应总成器，其中该脉冲为脉冲宽度调制信号。
20.根据权利要求19所述的低噪声电压供应总成器，其中该脉冲输出装置包括 一直流电压源，包括一直流电压供应端用以提供该输入电压；及 一晶体管切换器，设置于该直流电压供应端及该脉冲输出端之间，用以周期地切换该直流电压供应端及该脉冲输出端之间为导通或是断路。
全文摘要
一种低噪声降压转换电路，包括一整流电压输出端、一脉冲产生器、一整流二极管、一整流电感、一整流电容及一阻抗元件。整流电压输出端用以输出转换电压。脉冲产生器包括一脉冲输出端；脉冲产生器用以接收输入电压，而通过脉冲输出端输出一脉冲。整流二极管反向地耦接于脉冲输出端。整流电感的一端连接于脉冲输出端以接收脉冲，另一端连接于整流电压输出端。整流电容的一端连接于整流电压输出端，另一端电性接地。阻抗元件至少提供电阻阻抗及电感阻抗，其中整流二极管及该阻抗元件互相串联且电性接地。
文档编号H02M3/06GK102882367SQ20111020761
公开日2013年1月16日 申请日期2011年7月25日 优先权日2011年7月13日
发明者张秋贤, 吴铭峰, 郑乃硕, 陈彦廷 申请人:纬创资通股份有限公司