切换式电源转换电路与切换电路的制作方法

本发明涉及一种切换式电源转换电路，特别是指一种同时具有电容性与电感性电源转换功能，且具有高转换效率的切换式电源转换电路。本发明还涉及一种切换电路，可用以组成上述的的切换式电源转换电路。

背景技术：

图1a显示一种现有技术的切换式电源转换电路(切换式电源转换电路1)，其包含切换控制电路10、泵压(chargepump)电路11及降压型(buck)切换式电源转换电路12。切换控制电路10用以产生切换控制信号dduty、ddutyb及dpwmb。泵压电路11包括开关sw1、sw3、sw4及sw5，以及电容c1’与c2’，开关sw1、sw3、sw4及sw5根据切换控制信号dduty或ddutyb而切换电容c1’与c2’，以将输入电压vin转换为中继电压vcp，中继电压vcp的位准大致为输入电压vin的2倍。降压型切换式电源转换电路12包括开关sw2、swh、电感l’及输出电容co’，开关sw2及swh根据切换控制信号dpwmb而切换电感l’，以将中继电压vcp转换为输出电压vout，其中输出电压vout的位准大致为中继电压vcp的小于1的预设降压倍数，且输出电压vout与输入电压vin的比例相关于切换控制信号dpwmb的占空比。图1b显示对应于图1a的一种操作波形图，由于泵压电路11及降压型切换式电源转换电路12可视为独立的两级电源转换电路，因此，切换控制信号dduty可具有与切换控制信号dpwmb不同的占空比，就另一角度而言，切换控制信号dduty与切换控制信号dpwmb的占空比并不相关，此外，二者的切换频率也可不同或无关。

值得注意的是，图1a的现有技术中，中继电压vcp大致上为稳定的，非脉波式的电压，而切换电压vlx’则为脉波式的电压，此现有技术中，切换电压vlx’在中继电压vcp与接地电位之间切换。

本发明相较于图1a的现有技术，其优点在于，本发明能以数量较少的元件实现与现有技术更佳的效果，使得效率提升，并降低成本。

技术实现要素：

就其中一个观点言，本发明提供了一种切换式电源转换电路，包含：一转换电容器；一电容式电源转换电路，包括多个切换元件，其中该电容式电源转换电路的该多个切换元件用以根据一切换控制信号而切换该转换电容器，以将一输入电压转换为一中继电压，其中该电容式电源转换电路的该多个切换元件包括第一切换元件，该中继电压与该输入电压具有一预设的比例关系；一电感器；一电感式电源转换电路，包括多个切换元件，其中该电感式电源转换电路的该多个切换元件用以根据该切换控制信号而切换该电感器，以将该中继电压转换为一输出电压，其中该电感式电源转换电路的该多个切换元件包括该第一切换元件；以及一切换控制电路，用以产生该切换控制信号，其中该电容式电源转换电路的该多个切换元件根据该切换控制信号的一占空比，周期性地切换该转换电容器在一比例电压节点、该输入电压、以及一接地电位之间的耦接关系，以于该转换电容器的第一端上产生该中继电压，其中该中继电压为脉波形式；其中该电感式电源转换电路的该多个切换元件根据该占空比，周期性地切换该电感器在该中继电压、该输出电压以及该接地电位之间的耦接关系，而产生该输出电压，其中该电感器的第一端耦接于该比例电压节点；其中该输出电压与该中继电压的一高位准之间的比例关系相关于该占空比。

在一较佳实施例中，该电感式电源转换电路配置为一降压型(buck)切换式电源转换电路，其中该电感式电源转换电路的该多个切换元件还包括第二切换元件，其中该第一切换元件耦接于该转换电容器的该第一端与该比例电压节点之间，该电感器的第二端耦接于该输出电压，该第二切换元件耦接于该比例电压节点与该接地电位之间；该电容式电源转换电路配置为一泵压(chargepump)电路，其中该中继电压的该高位准高于该输入电压；其中于一占空比期间，该第一切换元件导通该转换电容器的该第一端与该比例电压节点间的连接路径，且同时导通该电感器的该第一端与该中继电压间的连接路径，其中该占空比期间是指该第一切换元件根据该占空比而控制为导通的期间。

在一较佳实施例中，该输入电压的位准可选地大于或小于该输出电压的位准。

在一较佳实施例中，该第一切换元件为一开关，该第二切换元件为一二极管或一开关，其中该第一与第二切换元件根据该切换控制信号的该占空比而对应操作，使该电感器的该第一端周期性地对应耦接于该中继电压或该接地电位，使得该输出电压的位准大致为该中继电压的该高位准的一预设的降压倍数(voltagescale-downfactor)，其中该预设的降压倍数小于1。

在一较佳实施例中，该电容式电源转换电路的该多个切换元件还包括：第三切换元件，耦接于该输入电压与该转换电容器的该第一端之间；第四切换元件，耦接于该输入电压与该转换电容器的第二端之间；以及第五切换元件，耦接于该转换电容器的该第二端与该接地电位之间；其中该第一、第三、第四及第五切换元件根据该切换控制信号的该占空比而对应操作，使该转换电容器周期性地对应耦接于该输入电压与该接地电位之间、或该比例电压节点与该输入电压之间，使得该中继电压的该高位准大致为该输入电压的位准的一预设的增压倍数(voltagescale-upfactor)，其中该预设的增压倍数大于1。

在一较佳实施例中，该预设的增压倍数为2。

在一较佳实施例中，该中继电压的一低位准大致上等同于该输入电压的位准。

在一较佳实施例中，于该占空比期间，该中继电压具有该高位准；其中于一非占空比期间，该中继电压具有一低位准，其中该非占空比期间是指该第一切换元件根据该占空比而控制为不导通的期间。

在一较佳实施例中，该第三、第四及第五切换元件为开关；其中于该占空比期间，该第一及第四切换元件控制为导通，且该第二、第三及第五切换元件同时控制为不导通，使得该输入电压与该转换电容器的该第二端间的连接路径，以及该转换电容器的该第一端与该比例电压节点间的连接路径被控制为导通，进而使得该中继电压具有该高位准，且该电感器的该第一端具有该高位准；其中于该非占空比期间，该第二、第三及第五切换元件控制为导通，该第一及第四切换元件同时控制为不导通，使得该输入电压与该转换电容器的该第一端间的连接路径、该转换电容器的该第二端与该接地电位间的连接路径，以及该电感器的该第一端与该接地电位间的连接路径被控制为导通，进而使得该中继电压具有该低位准，且该电感器的该第一端具有该接地电位。

在一较佳实施例中，该第一、第三及第四切换元件为pmos晶体管，该第二及第五切换元件为nmos晶体管。

在一较佳实施例中，该电感器的该第一端与该转换电容器的该第一端之间具有一且唯一开关，且该第一切换元件对应于该一且唯一开关。

就另一个观点言，本发明也提供了一种切换电路，包含：一电容式电源转换电路，包括多个切换元件，其中该电容式电源转换电路的该多个切换元件用以根据一切换控制信号而切换一转换电容器，以将一输入电压转换为一中继电压，其中该电容式电源转换电路的该多个切换元件包括第一切换元件，该中继电压与该输入电压具有一预设的比例关系；一电感式电源转换电路，包括多个切换元件，其中该电感式电源转换电路的该多个切换元件用以根据该切换控制信号而切换一电感器，以将该中继电压转换为一输出电压，其中该电感式电源转换电路的该多个切换元件包括该第一切换元件；以及一切换控制电路，用以产生该切换控制信号，其中该电容式电源转换电路的该多个切换元件根据该切换控制信号的一占空比，周期性地切换该转换电容器在一比例电压节点、该输入电压、以及一接地电位之间的耦接关系，以于该转换电容器的第一端上产生该中继电压，其中该中继电压为脉波形式；其中该电感式电源转换电路的该多个切换元件根据该占空比，周期性地切换该电感器在该中继电压、该输出电压以及该接地电位之间的耦接关系，而产生该输出电压，其中该电感器的第一端耦接于该比例电压节点；其中该输出电压与该中继电压的一高位准之间的比例关系相关于该占空比。

以下通过具体实施例详加说明，应当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所实现的功效。

附图说明

图1a显示一种现有技术的切换式电源转换电路。

图1b显示对应于图1a的一种操作波形图。

图2显示本发明的切换式电源转换电路的一种实施例方块图。

图3显示本发明的切换式电源转换电路的一种实施例示意图。

图4a显示本发明的切换式电源转换电路的一种具体实施例示意图。

图4b显示对应于图4a的一种操作波形图。

图5a显示本发明的切换式电源转换电路的一种具体实施例示意图。

图5b显示本发明的切换式电源转换电路中，第二切换元件的两种具体实施例示意图。

图6a显示根据本发明的切换式电源转换电路的一种具体实施例示意图。

图6b显示对应于图6a的一种操作波形图。

图7显示本发明的切换电路的一种实施例方块图。

图8显示现有技术与本发明对应不同负载的电源转换效率图。

图中符号说明

1,2,3,4,5,6切换式电源转换电路

10切换控制电路

11泵压电路

12降压型切换式电源转换电路

200切换电路

21,31,41,51,61电容式电源转换电路

22,32,42,52,62电感式电源转换电路

c1转换电容器

c1’,c2’电容

cep1转换电容器c1的第一端

cep2转换电容器c1的第二端

co,co’输出电容

ctrl切换控制信号

dduty,ddutyb切换控制信号

dpwm,dpwmb切换控制信号

l电感器

l’电感

lep1电感器l的第一端

lep2电感器l的第二端

np比例电压节点

sc1-scn切换元件

sc1-scm切换元件

sc2,sc21,sc22切换元件

sc3,sc4,sc5切换元件

sw1,sw2,sw3开关

sw4,sw5,swh开关

t1,t3占空比期间

t2非占空比期间

vcp中继电压

vin输入电压

vlx比例电压

vlx’切换电压

vm中继电压

vout输出电压

具体实施方式

本发明中的附图均属示意，主要意在表示各电路间的耦接关系，以及各信号波形之间的关系，至于电路、信号波形与频率则并未依照比例绘制。

请参阅图2，图2显示本发明的切换式电源转换电路的一种实施例方块图(切换式电源转换电路2)。在一实施例中，如图2所示，切换式电源转换电路2包含转换电容器c1、电容式电源转换电路21、电感器l、电感式电源转换电路22以及切换控制电路10。

在一实施例中，如图2所示，电容式电源转换电路21包括多个切换元件，其中该多个切换元件包括第一切换元件sc1至第n切换元件scn，其中n为大于1的整数。电容式电源转换电路21的多个切换元件(切换元件sc1～scn)用以根据切换控制电路10所产生的切换控制信号ctrl而切换转换电容器c1，以将输入电压vin转换为中继电压vm，其中，中继电压vm与输入电压vin具有一预设的比例关系。

在一实施例中，如图2所示，电感式电源转换电路22包括多个切换元件，其中该多个切换元件包括第一切换元件sc1至第m切换元件scm，其中m为大于1的整数。具体而言，第一切换元件sc1为电容式电源转换电路21的切换元件，且同时为电感式电源转换电路22的切换元件。电感式电源转换电路22的多个切换元件(切换元件sc1～scm)用以根据切换控制信号ctrl而切换电感器l，以将中继电压vm转换为输出电压vout。

请继续参阅图2，在一实施例中，切换控制电路10用以产生切换控制信号ctrl。在一实施例中，电容式电源转换电路21的多个切换元件(切换元件sc1～scn)根据切换控制信号ctrl的占空比，周期性地切换转换电容器c1在比例电压节点np、输入电压vin、以及接地电位之间的耦接关系，以于转换电容器c1的第一端cep1上产生中继电压vm，其中中继电压vm为脉波形式，换言之，于多个切换元件(切换元件sc1～scn)切换操作时，中继电压vm具有至少两种以上的位准。在一实施例中，电感式电源转换电路22的多个切换元件(切换元件sc1～scm)根据切换控制信号ctrl的占空比，周期性地切换电感器l在中继电压vm、输出电压vout以及接地电位之间的耦接关系，而产生输出电压vout，其中输出电压vout与中继电压vm的高位准之间的比例关系相关于占空比。在一实施例中，电感器l的第一端lep1耦接于比例电压节点np。

请参阅图3，图3显示本发明的切换式电源转换电路的一种实施例示意图(切换式电源转换电路3)。在一实施例中，如图3所示，电感式电源转换电路32配置为降压型(buck)切换式电源转换电路，在本实施例中，电感式电源转换电路32的多个切换元件还包括第二切换元件sc2。

在一实施例中，如图3所示，第一切换元件sc1耦接于转换电容器c1的第一端cep1与比例电压节点np之间，电感器l的第二端lep2耦接于输出电压vout，输出电容co耦接于电感器l的第二端lep2与接地电位之间，第二切换元件sc2耦接于比例电压节点np与接地电位之间。

请继续参阅图3，在一实施例中，电容式电源转换电路31配置为泵压(chargepump)电路，在本实施例中，中继电压vm的高位准高于输入电压vin的位准。就一角度而言，电容式电源转换电路31与电感式电源转换电路32共享了至少第一切换元件sc1。在一实施例中，其共享的方式如下：于占空比期间，即第一切换元件sc1根据占空比而控制为导通的期间，对电容式电源转换电路31来说，第一切换元件sc1导通转换电容器c1的第一端cep1与比例电压节点np间的连接路径，另一方面，对电感式电源转换电路32来说，第一切换元件sc1也同时导通电感器l的第一端lep1与中继电压vm间的连接路径。

请参阅图4a，图4a显示本发明的切换式电源转换电路的一种具体实施例示意图(切换式电源转换电路4)。在一实施例中，如图4a所示，电容式电源转换电路41的多个切换元件还包括：第三切换元件sc3、第四切换元件sc4及第五切换元件sc5。

在一具体实施例中，如图4a所示，第三切换元件sc3耦接于输入电压vin与转换电容器c1的第一端cep1之间，第四切换元件sc4耦接于输入电压vin与转换电容器c1的第二端cep2之间，第五切换元件sc5耦接于转换电容器c1的第二端cep2与接地电位之间。

请同时参阅图4a与图4b，图4b显示对应于图4a的一种操作波形图。在一实施例中，第一切换元件sc1、第三切换元件sc3、第四切换元件sc4及第五切换元件sc5根据切换控制电路10所产生的切换控制信号ctrl的占空比而对应操作，使得转换电容器c1周期性地对应耦接于输入电压vin与接地电位之间、或比例电压节点np与输入电压vin之间，使得中继电压vm的高位准大致为输入电压vin的位准的一预设的增压倍数(voltagescale-upfactor)，其中预设的增压倍数大于1(在本实施例中，增压倍数可为2)。

在一实施例中，图4a的电感式电源转换电路42例如可对应于图3的电感式电源转换电路32，第一切换元件sc1与第二切换元件sc2根据切换控制信号ctrl的占空比而对应操作，使电感器l的第一端lep1周期性地对应耦接于中继电压vm或接地电位，使得输出电压vout的位准大致为中继电压vm的高位准的一预设的降压倍数(voltagescale-downfactor)，其中预设的降压倍数小于1。需注意的是，比例电压节点np上的比例电压vlx，其高位准大致上与中继电压vm的高位准相同，其低位准大致上为接地电位的位准，且输出电压vout的位准大致为比例电压vlx位准的平均值，其相关于切换控制信号ctrl的占空比。本实施例中，输出电压vout的位准与比例电压vlx位准的关系例如为：vout＝2*vin*d，其中d为切换控制信号ctrl的占空比，本实施例中，切换控制信号ctrl的占空比例如为t1/(t1+t2)。

具体而言，对电容式电源转换电路41来说，于非占空比期间(如图4b所示的t2期间)，第三切换元件sc3及第五切换元件sc5控制为导通，第一切换元件sc1及第四切换元件sc4同时控制为不导通，此时转换电容器c1对应耦接于输入电压vin与接地电位之间，使得输入电压vin与转换电容器c1的第一端cep1间的连接路径、转换电容器c1的第二端cep2与接地电位间的连接路径被控制为导通，亦即，通过第三切换元件sc3及第五切换元件sc5对转换电容器c1充电至输入电压vin相同的位准，进而使得中继电压vm具有低位准(在本实施例中，如图4b的t2期间所示，中继电压vm的低位准大致上等同于输入电压vin的位准)。另一方面，对电感式电源转换电路42来说，第一切换元件sc1控制为不导通且第二切换元件sc2控制为导通，使比例电压节点np上的比例电压vlx具有接地电位，换言之，在非占空比期间，电感器l的第一端lep1对应耦接于接地电位而具有接地电位。

接着，于占空比期间(如图4b所示的t3或t1期间)，对电容式电源转换电路41来说，第一切换元件sc1及第四切换元件sc4控制为导通，且第三切换元件sc3及第五切换元件sc5同时控制为不导通，此时转换电容器c1对应耦接于比例电压节点np与输入电压vin之间，使得输入电压vin与转换电容器c1的第二端cep2间的连接路径，以及转换电容器c1的第一端cep1与比例电压节点np间的连接路径被控制为导通，此时通过输入电压vin与转换电容器c1上所储存的跨压(本实施例中也为vin)相迭加而将中继电压vm泵送至高位准，在本实施例中，如图所示，于占空比期间(如t3期间)，中继电压vm会被泵送至2vin。另一方面，对电感式电源转换电路42来说，第一切换元件sc1控制为导通且第二切换元件sc2控制为不导通，使比例电压节点np上的比例电压vlx具有高位准(2vin)，换言之，在占空比期间，电感器l的第一端lep1对应耦接于中继电压vm，因此电感器l的第一端lep1也具有高位准。

请继续参阅图4a，在一实施例中，中继电压vm的高位准大致为输入电压vin的位准的一预设的增压倍数，且输出电压vout的位准大致为中继电压vm的高位准的一预设的降压倍数，因此输入电压vin的位准可选地大于或小于输出电压vout的位准。综上所述，本发明的切换式电源转换电路可通过一电容式电源转换电路及一电感式电源转换电路，实现升降压型(buck-boost)切换式电源转换电路的效果，但无需采用较为复杂的电感式的升降压型切换式电源转换电路。

请参阅图5a与图5b，图5a显示本发明的切换式电源转换电路的一种具体实施例示意图(切换式电源转换电路5)，图5b显示本发明的切换式电源转换电路中，第二切换元件的两种具体实施例示意图(第二切换元件sc21、sc22)。在一实施例中，如图5a所示，第一切换元件sc1为开关。在一实施例中，电容式电源转换电路51的第三切换元件sc3、第四切换元件sc4及第五切换元件sc5为开关。本实施例的操作与前述图4a的实施例相似，在此不赘述。如图5b所示，在一实施例中，第二切换元件(例如对应于图5a的第二切换元件sc2)可配置为二极管(sc22)或开关(sc21)。需说明的是，当第二切换元件配置为二极管(sc22)时，切换控制信号ctrl并不直接控制第二切换元件sc22的导通与否，而是通过电流的方向来决定。

请参阅图6a，图6a显示根据本发明的切换式电源转换电路的一种具体实施例示意图(切换式电源转换电路6)。在一实施例中，如图6a所示，电容式电源转换电路61中的第一切换元件sc1、第三切换元件sc3及第四切换元件sc4为pmos晶体管，第五切换元件sc5为nmos晶体管，电感式电源转换电路62中的第二切换元件sc2为nmos晶体管。

请同时参阅图6a与图6b，图6b显示对应于图6a的一种操作波形图。在本实施例中，切换控制电路10所产生的切换控制信号ctrl包括切换控制信号dpwm及切换控制信号dpwmb，切换控制信号dpwm例如与前述图4b中的切换控制信号ctrl的波形互为同相，切换控制信号dpwmb与切换控制信号ctrl的波形互为反相。在本实施例中，第一切换元件sc1、第二切换元件sc2、第四切换元件sc4及第五切换元件sc5根据切换控制信号dpwmb而对应操作，第三切换元件sc3根据切换控制信号dpwm而对应操作，使得转换电容器c1周期性地对应耦接于输入电压vin与接地电位之间、或比例电压节点np与输入电压vin之间，且使得电感器l的第一端lep1周期性地对应耦接于中继电压vm或接地电位，其操作细节与效果如图4a的实施例所述，在此不赘述。

从另一角度而言，本发明也公开了一种切换电路，如图7所示，图7显示本发明的切换电路的一种实施例方块图(切换电路200)。在一实施例中，切换电路200包含电容式电源转换电路21、电感式电源转换电路22以及切换控制电路10，其中切换控制电路10用以产生切换控制信号ctrl，以控制电容式电源转换电路21中的切换元件sc1至切换元件scn，且切换控制信号ctrl也用以控制电感式电源转换电路22中的切换元件sc1至切换元件scm。在一实施例中，切换电路200用以切换转换电容器c1以及电感器l，其操作细节与具体实施例如图2至图6a的实施例所述，在此不赘述。

值得注意的是，与前述图1a中的现有技术相比，本发明的切换式电源转换电路(如切换式电源转换电路3-6)，由于共享了第一切换元件sc1，因此，可节省至少一个电容器(即无需如图1a现有技术中的c2’)以及至少一个开关(即如图1a现有技术中的开关sw1与swh合并为本发明中的第一切换元件sc1)，可有效节省成本，且由于减少了电源路径上的开关数量，因此也减低了开关的导通电阻值，可提升电源转换效率请参阅图8，图8显示现有技术与本发明分别对应不同负载的电源转换效率图，如图8所示，本发明的切换式电源转换电路的电源转换效率优于现有技术。此外，由于本发明的切换式电源转换电路，电容式电源转换电路21与电感式电源转换电路22中所有的切换元件都可根据彼此相关的切换控制信号(ctrl、dpwm、dpwmb)而操作，因此，也可大幅简化控制的复杂度。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，但以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。所说明的各个实施例，并不限于单独应用，也可以组合应用，举例而言，两个或以上的实施例可以组合运用，而一实施例中的部分组成也可用以取代另一实施例中对应的组成部件。此外，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，举例而言，本发明所称“根据某信号进行处理或运算或产生某输出结果”，不限于根据该信号的本身，也包含于必要时，将该信号进行电压电流转换、电流电压转换、及/或比例转换等，之后根据转换后的信号进行处理或运算产生某输出结果。由此可知，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，其组合方式甚多，在此不一一列举说明。因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。