专利名称：可快速切换输出电压的电源装置的制作方法
技术领域：
本发明是指一种可快速切换输出电压的电源装置，尤指一种可快速切换输出电压，并减 少能量消耗的电源装置。
背景技术：
在电子产品中，为了减少成本，通常仅提供少数的主要电压源，因此当电路中需使用多 个大小不同的直流电压时， 一般会使用一组直流对直流转换器(DC-DC converter)来进行转 换，以节省外部组件及集成电路的数量。
请参考图1，图1为一习知升压式直流对直流转换器10的示意图。 一般来说，为了稳定 输出电压Vout的准位，直流对直流转换器10会藉由一脉冲宽度调变(Pulse Width Modulat ion, PWM)控制器ll,产生一切换开关讯号，来控制一功率晶体管102的工作周期(DutyCycle)， 以增加或减少传递至负载的能量。关于直流对直流转换器的详细操作原理，是本领域具通常 知识者所熟知，于此不赘述。在习知技术中，当输出电压Vout由一高准位切换至一低准位时， 直流对直流转换器10会暂时停止脉冲宽度调变控制器11的运作，例如将切换开关讯号设为 失效(Disable),以使负载电流1^透过汲取负载电容(^中的电荷来降低输出电压Voi]t的准 位，直到输出电压Vout下降到目标准位后，再恢复脉冲宽度调变控制器ll的运作。
在此情形下，负载电容C,的大小将会影响电压下降的速度，并且大量的功率将无谓地消 耗在外部电路中，尤其是某些外部需连接大电容的特殊应用，例如液晶显示器的发光二极管 背光模块。
为了加快输出电压的切换速度，习知技术通常会藉由产生另一电流路径来增加或降低输 出电压的准位。举例来说，请参考第2图，第2图为一习知直流对直流转换器20的示意图。 在第2图中，当输出电压Vout由高准位切换至低准位时，开关SL将被开启，使得负载电容 C^中的电荷可直接透过电感L1导通至地端，而迅速降低输出电压Vmit的准位。然而，将负 载电容C,的电荷直接导通至地端，等于是将多余的能量全部都浪费掉。另一方面，当输出电 压Vmit由低准位切换至高准位时，'开关SH将被开启，使得输入电压Vin可直接透过电感Ll 对负载电容CJS行充电，因而可快速地提升输出电压Vout的准位。然而，此种藉由直接导通 输入电压Vin来提升输出电压Vout的作法，无法应用在输出电压Vout大于输入电压Vin的 情况下，亦即不适用在升压式直流对直流转换器中。
综上所述，习知技术虽然可藉由产生额外的电流路径，来加快直流对直流转换器的输出
4电压切换的速度，然而，其将导致能量的浪费，且不适用在升压式直流对直流转换器中。
发明内容
因此，本发明的目的即在于提供一种可快速切换输出电压的电源装置。其能有效的加快 输出电压的准位调整速度，并可减少装置内部的能量消耗。
本发明是揭露一种可快速切换输出电压的电源装置。该电源装置包含有一升压式直流对 直流转换器及一电荷回收电路。该升压式直流对直流转换器用来对一输入电压进行升压转换， 以产生一输出电压，并根据一准位调整讯号，调整该输出电压的准位。该电荷回收电路电性 连接于该升压式直流对直流转换器，用来根据该准位调整讯号，产生一电流路径，以于该输 出电压由一高准位调整至一低准位时，透过该电流路径，从该升压式直流对直流转换器中回 收多余的电荷，并于该输出电压由该低准位调整至该高准位时，透过该电流路径将所储存的 能量释放至该升压式直流对直流转换器，从而加快该输出电压的准位调整速度，并减少该升 压式直流对直流转换器的能量消耗。
图1为一习知升压式直流对直流转换器的示意图。
图2为另一习知直流对直流转换器的示意图。
图3为本发明可快速调整输出电压的一电源装置的实施例示意图。
图4为图3实施例的相关波形示意图。 .
图5为本发明一发光二极管背光模块的实施例示意图。
图6为图5实施例的相关讯号时序的示意图。
附图中主要组件符号说明如下-10、 31——升压式直流对直流转换器，Vin——输入电压， Voiit——输出电压， 11、 21、 312 ——脉冲宽度调变控制器，
102、 mpi——功率晶体管，i———负载电流， a——负载电容，
SL、 SH——开关，Ll——电感， 30、 51——电源装置，
32——电荷回收电路，EffiF——准位调整讯号，PathJ——电流路径，
322——储能单元， 324——控制单元， MUX ——多任务器， V。N ——导
通电压， V。FF——关闭电压， E，CT——制讯号，
ND1、 ND2、 ND3——端点，LRMy。le——储能电感，CRe。yele——储能电容，
326——分压电路， 328、 323、 325——比较器，Rl、 R2——电阻，VREF——参考电压， 321——单击电路， RSp腿、RS肌l——拴锁器， 327 —
一与非门， VI——低电压准位， V2——高电压准位，
Tl、 T2——时点，I,——电感电流， 50——发光二极管背光模块，
52——处理器， 53——电流平衡电路，
Rl Rn——红色发光二极管串， Gl Gn——绿色发光二极管串， Bl Bn——蓝色发光二极管串。
具体实施例方式
在说明书及后续的申请专利范围当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领域中具 有通常知识者应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及后续的 申请专利范围并不以名称的差异来作为区别组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为 区别的基准。在通篇说明书及后续的请求项当中所提及的「包含j是为一开放式的用语，故 应解释成「包含但不限定于」。此外，「电性连接」 一词在此是包含任何直接及间接的电气连 接手段。因此，若文中描述一第一装置电性连接于一第二装置，则代表该第一装置可直接连 接于该第二装置，或透过其它装置或连接手段间接地连接至该第二装置。
请参考图3，图3为本发明可快速调整输出电压的一电源装置30的实施例示意图。电源 装置30包含有一升压式直流对直流转换器.(DC-DC Boost Converter) 31及一电荷回收电路 32。升压式直流对直流转换器31用来对一输入电压Vin进行升压转换，以产生具有较高准位 的一输出电压Vout，并根据一准位调整讯号E咖，调整输出电压Vout的准位。电荷回收电路 32电性连接于升压式直流对直流转换器31，用来根据准位调整讯号EffiF，产生一电流路径 Path—1，以于输出电压Vout由一高准位调整至一低准位时，透过电流路径Path_l，从升压 式直流对直流转换器31中回收多余的电荷，并于输出电压Vout由低准位调整至高准位时， 透过电流路径Path—1将所储存的能量释放至升压式直流对直流转换器31，从而加快输出电 压Vout的准位调整速度，并减少升压式直流对直流转换器31的能量消耗。
其中，电荷回收电路32更包含有一储能单元322、 一多任务器MUX、 一功率晶体管MP1 及一控制单元324。多任务器MUX电性连接于一导通电压V。w及一关闭电压V。pp，用来根据一控
制讯号E,ch，切换输出导通电压V。N及关闭电压V。pp。功率晶体管MP1较佳地是一 P型金氧半
导体晶体管，其具有一第一端ND1电性连接于储能单元322， 一第二端ND2电性连接于升压 式直流对直流转换器31，以及一控制端ND3电性连接于多任务器MUX，用来根据多任务器MUX 所输出的电压，控制第一端ND1与第二端ND2的电性连结，以形成电流路径Path—1。控制单 元324电性连接于多任务器MUX、功率晶体管MP1及升压式直流对直流转换举31，用来根据
6准位调整讯号E,，输出一第一逻辑准位(例如 一高逻辑准位)的控制讯号Ew，以控制 多任务器MUX切换输出导通电压V。、，并根据第一端ND1与第二端ND2间的一导通电流大小， 输出一第二逻辑准位(亦即， 一低逻辑准位)的控制讯号E測，以控制多任务器MUX输出关
闭电压V。n，。
因此，当升压式直流对直流转换器31根据准位调整讯号E^，将输出电压Voiit由一高准 位调整至一低准位时，电荷回收电路32可透过电流路径Path—1将升压式直流对直流转换器 31中多余的电荷回收至储能单元322;而于输出电压Vout由低准位调整至高准位时，电荷回 收电路32可透过电流路径Path—l释放储能单元322中所储存的能量。如此一来，本发明不 但可加快升压式直流对直流转换器31调整输出电压准位的速度，更可避免多余的能量被浪 费。
较佳地，储能单元322是由一储能电感L一。^及一储能电容C^油组成。储能电感U—e 是以串联方式电性连接于功率晶体管MP1的第一端ND1，而储能电容C一^则电性连接于储能 电感。16及一地端之间。在此情形下，电荷回收电路32另包含有一分压电路326及一比较 器328。分压电路326电性连接于储能电容C一。k及地端之间，其是由电阻Rl及R2组成，用 来对储能电容U。^的输出电压进行分压。比较器328具有一正输入端电性连接于分压电路 326，及一负输出端电性连接于一参考电压V,，用来比较分压电路326的分压结果与参考电 压V附的大小，以产生关闭电压V岍。导通电压V。w则较佳地电性连接于地端。
此外，控制单元324更包含有一单击电路321、拴锁器RSpusH及RS肌L、比较器323及325 及一与非门327。单击电路321用来根据准位调整讯号E腳，产生一单击(one shot)讯号。 拴锁器RS,及RS隱较佳地是设定/重置栓锁器(RSLatch)，其分别具有一设定端、 一重置 端及一反相输出端。拴锁器RSp^及RS,的设定端分别电性连接于单击电路321，用来接收该 单击讯号。比较器323具有一正输入端、 一负输入端及一输出端，其正输入端电性连接于功 率晶体管MP1的第一端ND1，其负输入端电性连接于功率晶体管MP1的第二端ND2，而其输出 端则电性连接于拴锁器RSpisH的重置端。比较器325亦具有一正输入端、 一负输入端及一输出 端，其正输入端电性连接于功率晶体管MP1的第二端ND2，其负输入端电性连接于功率晶体 管MP1的第一端ND1，而其输出端则电性连接于拴锁器RS隐的重置端。与非门327具有一第 一输入端、 一第二输入端及一输出端，其第一输入端电性连接于拴锁器RSp^的反相输出端， 其第二输入端电性连接于拴锁器RS^的反相输出端，而其输出端则电性连接于多任务器MUX,
用来输出控制讯号E SWITCH o
关于电源装置30的详细操作，请继续参考以下说明。首先，在本发明实施例中，控制讯 号Esw吣是预设为低逻辑准位，因此当电路激活时，电荷回收电路32可藉由分压电路326及比较器328所形成的一回授网络，将储能电容CK。，,。的电压提升并保持在一特定电压准位，例 如升压式直流对直流转换器31所能输出的一低电压准位V1。相关操作是本领域具通常知 识者所熟知，于此不赘述。值得注意的是，由于在电路激活后，分压电路326所产生的分压 一般会大于参考电压V,;EF，因此比较器328所产生的关闭电压VoH,通常会保持在高电压准位， 以用来关闭功率晶体管MP1。
接着，当升压式直流对直流转换器31根据准位调整讯号E^，将输出电压Vout由一高电 压准位V2切换至低电压准位VI时，电荷回收电路32同时根据准位调整讯号ER￡F,控制单击 电路321产生一单击讯号，以触发栓锁器RSpush，使得与非门327输出高逻辑准位的控制讯号 Esmuf。在此情形下，升压式直流对直流转换器31会暂时停止运作，而多任务器MUX会切换输 出导通电压V,以导通功率晶体管MP1。此时，由于储能电容Ck。一的电压小于输出电压Vout， 因此负载电容C,上的电荷将透过功率晶体管MP1所产生的电流路径Path_l快速转移至储能电 容C—丄，而加快输出电压Vout下降的速度。此外，更由于电感具有反抗电流变化的特性， 因此当输出电压Vout与储能电容"。一的电压相等时，储能电感U。^可继续由负载电容C, 汲取电流至储能电容CRs。y。ls，以储存较大的能量。直到电感电流lL的大小变为0时，即电流 方向改变时，藉由比较器325输出一高逻辑准位讯号VpusH至栓锁器RS,的重置端，以使与非 门327输出低逻辑准位的控制讯号Ew，而结束电荷回收的周期，并恢复升压式直流对直流 转换器31的运作，以稳定输出电压Vout的准位。
接下来，当输出电压Vout欲由低电压准位VI切换至高电压准位V2时，电荷回收电路 32同样地会根据准位调整讯号EraF,控制单击电路321产生一单击讯号至栓锁器RS^的设定 端，以使与非门327输出高逻辑准位的控制讯号E,cH。在此情形下，升压式直流对直流转换 器31会暂时停止运作，而多任务器MUX会切换输出导通电压V冊，以导通功率晶体管MP1。此 时，由于储能电容"。一的电压会大于输出电压Vout，因此电荷回收电路32将透过功率晶体 管MP1所产生的电流路径Path—1释放储能电容"。y^上的能量至负载电容C,，以有效率并增 快输出电压Vout上升的速度。此外，由于电感具有反抗电流变化的特性，因此当输出电压 Vout与储能电容Cw的电压相等时，储能电感U，^可继续由储能电容C^。一汲取电荷至负 载电容C,，直到电感电流I,的大小变为0时，即电流方向改变时，藉由比较器323输出一高 逻辑准位讯号V^至栓锁器RSpi的重置端，以使与非门327输出低逻辑准位的控制讯号Esw"cH， 而结束电荷回收的周期，并恢复升压式直流对直流转换器31的运作，以维持输出电压Vout 的准位。关于上述实施例的相关波形，请参考第4图，其中时点Tl代表输出电压Vout由高 电压准位V2切换至低电压准位VI时所对应的时间，而时点T2则代表输出电压Vout由低电 压准位VI切换至高电压准位V2时所对应的时间。简言之，藉由电荷回收电路32，本发明实施例可于升压式直流对直流转换器31的输出 电压Vout由高准位切换至低准位时，将负载电容C,上的电荷转移并储存在储能电容C一。,。， 并于输出电压Vout由低准位切换至高准位时，将储能电容C一^中所储存的电荷释放给负载 电容C,。如此一来，本发明电源装置30除了加快输出电压的切换速度之外，更可减少能量 的浪费。
如此一来，本发明电源装置30将可应用在任何需要快速切换输出电压准位的电子装置 中，例如色序式液晶显示器的发光二极管(Light Emit Diode)背光模块，且不限于此。由 于不同颜色的发光二极管有其不同的制程与材料，使得点亮不同颜色的发光二极管所需要的 电压准位也会有所差别，例如，红色发光二极管的驱动电压一般为18伏特，而绿色及蓝色发 光二极管的驱动电压为22.5伏特。因此，为了在面板上实现色序法显示，发光二极管背光模 块需要使用一电源装置，用来对输入电压进行升压，并快速地切换输出电压，以驱动不同颜 色的发光二极管。
举例来说，请参考图5，图5为本发明一发光二极管背光模块50的实施例示意图。发光 二极管背光模块50是用于一色序式液晶显示器中，用以在一个时间内只点亮同一种颜色的发 光二极管。发光二极管背光模块50包含有一电源装置51、 一处理器52、 一电流平衡电路53、 红色发光二极管串Rl Rn、绿色发光二极管串Gl Gn及蓝色发光二极管串Bl Bn。其中， 电源装置51是由图3中的电源装置30实现，其更包含有一升压式直流对直流转换器531及 一电荷回收电路532。
当发光二极管背光模块50要由点亮绿、蓝色发光二极管(高驱动电压)转换成点亮红色 发光二极管(低驱动电压)时，处理器52会产生准位调整讯号E^，来通知升压式直流对直 流转换器531，并激活电荷回收电路532的运作，以加快切换输出电压Vout的准位。在此情 形下，电荷回收电路532会在控制讯号E,cH处于高逻辑准位的时间内形成一电流路径，将升 压式直流对直流转换器531中的多余电荷传送至一储能电容(图未示)储存起来，并暂时停 止升压式直流对直流转换器531的运作。
接着，当发光二极管背光模块50要由点亮红色发光二极管(低驱动电压)转换成点亮绿、 蓝色发光二极管(高驱动电压)时，处理器52同样会产生准位调整讯号E,，来通知升压式 直流对直流转换器531，并激活电荷回收电路532的运作，以加快切换输出电压Vout的准位。 在此情形下，电荷回收电路532会在控制讯号Ew处于高逻辑准位的时间内形成一电流路径， 将所储存的电荷还给升压式直流对直流转换器531中的负载电容，并暂时停止升压式直流对 直流转换器531的运作。关于上述讯号的相关时序，请参考图6。因此，发光二极管背光模块50可藉由电源装置51，快速地切换驱动电压的准位，以依 序点亮不同颜色的发光二极管，进而在面板上实现色序法显示。
综上所述，本发明电源装置除了可藉由产生额外的电流路径，加快直流对直流转换器的 输出电压切换的速度之外，更藉由回收多余的电荷，来减少能量的消耗。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修 饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1. 一种可快速切换输出电压的电源装置，包含有一升压式直流对直流转换器，用来对一输入电压进行升压转换，以产生一输出电压，并根据一准位调整讯号，调整该输出电压的准位；以及一电荷回收电路，电性连接于该升压式直流对直流转换器，用来根据该准位调整讯号，产生一电流路径，以于该输出电压由一高准位调整至一低准位时，透过该电流路径，从该升压式直流对直流转换器中回收多余的电荷，并于该输出电压由该低准位调整至该高准位时，透过该电流路径将所储存的能量释放至该升压式直流对直流转换器，从而加快该输出电压的准位调整速度，并减少该升压式直流对直流转换器的能量消耗。
2. 根据权利要求1所述的可快速切换输出电压的电源装置，其特征在于所述的电荷回收 电路包含有一储能单元；一多任务器，电性连接于一导通电压及一关闭电压，用来根据一控制讯号，切换输出该 导通电压及该关闭电压；一功率晶体管，具有一第一端电性连接于该储能单元， 一第二端电性连接于该升压式直 流对直流转换器，以及一控制端电性连接于该多任务器，用来根据该多任务器所输 出的电压，控制该第一端与该第二端的电性连结，以产生该电流路径；以及一控制单元，电性连接于该多任务器、该功率晶体管及该升压式直流对直流转换器，用 来根据该准位调整讯号，输出一第一逻辑准位的该控制讯号，以控制该多任务器输 出该导通电压，并根据该功率晶体管的该第一端与该第二端间的一导通电流大小， 输出一第二逻辑准位的该控制讯号，以控制该多任务器输出该关闭电压。
3. 根据权利要求2所述的可快速切换输出电压的电源装置，其特征在于所述的升压式直 流对直流转换器是于该控制单元输出该第一逻辑准位的该控制讯号时停止运作。
4. 根据权利要求2所述的可快速切换输出电压的电源装置，其特征在于所述的储能单元包含有-一电感，具有一第一端及一第二端，该第一端电性连接于该功率晶体管的该第一端；以 及一电容，具有一第一端电性连接于该电感的该第二端，及一第二端电性连接于一地端。
5. 根据权利要求4所述的可快速切换输出电压的电源装置，其特征在于所述的电荷回收 电路另包含有一回授单元，电性连接于该电容及该多任务器，用来根据该电容的输出电 压，产生该关闭电压。
6. 根据权利要求5所述的可快速切换输出电压的电源装置，其特征在于所述的回授单元包含有一分压电路，电性连接于该电容的该第一端及该地端之间，用来对该电容的输出电压进 行分压；以及一比较器，具有一正输入端电性连接于该分压电路，及一负输出端电性连接于一参考电 压，用来比较该分压电路的分压结果与该参考电压的大小，以产生该关闭电压。
7. 根据权利要求5所述的可快速切换输出电压的电源装置，其特征在于所述的控制讯号 是预设为该第二逻辑准位，以于电路起始时，将该电容的输出电压维持于一特定准位。
8. 根据权利要求2所述的可快速切换输出电压的电源装置，其特征在于所述的导通电压 是电性连接于一地端；所述的功率晶体管是一P信道金氧半导体晶体管。
9. 根据权利要求2所述的可快速切换输出电压的电源装置，其特征在于所述的控制单元 包含有-一单击电路，用来根据该准位调整讯号，产生一单击讯号；一第一拴锁器，具有一设定端、 一重置端及一反相输出端，该设定端电性连接于该单击电路，用来接收该单击讯号； 一第二拴锁器，具有一设定端、 一重置端及一反相输出端，该设定端电性连接于该单击电路，用来接收该单击讯号； 一第一比较器，具有一正输入端、 一负输入端及一输出端，该正输入端电性连接于该功率晶体管的该第一端，该负输入端电性连接于该功率晶体管的该第二端，该输出端电性连接于该第一拴锁器的该重置端； 一第二比较器，具有一正输入端、 一负输入端及一输出端，该正输入端电性连接于该功率晶体管的该第二端，该负输入端电性连接于该功率晶体管的该第一端，该输出端电性连接于该第二拴锁器的该重置端；以及 一与非门，具有一第一输入端、 一第二输入端及一输出端，该第一输入端电性连接于该第一拴锁器的该反相输出端，该第二输入端电性连接于该第二拴锁器的该反相输出端，该输出端用来输出该控制讯号；所述的第一拴锁器及该第二栓锁器是设定/重置栓锁器。
10. 根据取利要求2所述的可快速切换输出电压的电源装置，其特征在于所述的电源装置 是用于一色序式液晶显示器的发光二极管背光模块；所述的准位调整讯号是由该发光二极管背光模块产生，用以驱动不同颜色的发光二极管。
全文摘要
本发明提供一种可快速切换输出电压的电源装置，其包含有一升压式直流对直流转换器及一电荷回收电路。该升压式直流对直流转换器用来对一输入电压进行升压转换，以产生一输出电压，并根据一准位调整讯号，调整该输出电压的准位。该电荷回收电路电性连接于该升压式直流对直流转换器，用来根据该准位调整讯号，产生一电流路径，以于该输出电压由一高准位调整至一低准位时，透过该电流路径，回收多余的电荷，并于该输出电压由该低准位调整至该高准位时，透过该电流路径释放所储存的电荷，从而加快该输出电压的准位调整速度，并减少能量消耗。
文档编号H03K19/00GK101534051SQ20091011144
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月9日 优先权日2009年4月9日
发明者刘家麟, 张世孟, 莫启能, 谢俊禹, 陈科宏 申请人:福州华映视讯有限公司;中华映管股份有限公司