专利名称：升降压直流转换器以及脉波宽度调变控制器的制作方法
技术领域：
本发明一般而言为有关于一种由电池运作的电源供应装置的控制器，更确切的讲，为一种通过控制开关组件与双反馈线路组成的升降压直流转换器的控制器。
背景技术：
由电池(battery)供电的电子装置，如个人计算机、手机等必须藉由电压的转换(conversion)，从电池的输出电压改变为该装置线路所需要的电压。由电池供电的电源供应器(power suppliers)一般有两种，其一为线性式(linear)的，它的效率(efficiency)是得自于输出与输入两电压的比值，它主要的缺憾是只能运用在降压(step down)上。另一为交换式(switching)的，因为有良好的转换效率和功率密度(power density)、可靠性、和简易性等因素，所以被广泛的使用。直流(DC-DC)交换式电源供应器的运作一般是经由储存能量于储能(energy-storage)组件如电感、电容、电感与电容两者兼具或变压器(transformers)等，接着由控制器所设定的一段时间内将该储存的能量给下一级需用到电源的系统(负载，load)，以一种借着低电阻开关间断式的将能量送达负载。继之以反馈线路(feedback circuitry)来调节能量的转移以维持一个负载所限制的固定的输出电压。
现今现有的升降压控制器多采用反激式(flyback)或串联式(cascade)生降压转换架构。反激式升降压控制器如图1所示，该反激式升降压控制器1为一简单的单端2控制器，但是需要一变压器3。因为电压器为一储能组件，所以输出入电压转换效率并不佳。串联式生降压控制器如图2所示，该串联式生降压控制器10一般采用一非隔离反激型的转换架构。其中，变压器11并非必要的构成组件，所以效率可不受该储能组件影响。然而，转换器本身使用了四个同时动作的开关组件12，13，14，和15，所以效率仍然有限。
发明内容
本发明的升降压直流转换器是运用于一仅以开关组件导通的直流/直流电压转换器中，以控制该直流/直流电压转换器，在不过分牺牲效能之下，达成高效率且快速反应的目的。
目前市场上的升降压直流转换器大多采用串联式升降降压架构，但是都有同样的缺点，就是当输出与输入电压相等(Vin＝Vout)时，电压转换效率不佳。原因是因为在输出与输入电压相等的状态下，转换器通过开关组件与储能组件将输入的功率转移至输出。如果能仅用开关组件导通输入至输出的电压转换路径，则电压转换的效能必可大幅提升。唯一剩下需要考量的仅是输出入瞬时变化的问题，然而这个问题是所有转换器设计厂商目前仍然在解决的课题。
因此，在设计人多方评估下完成本发明的一特殊反馈方式的控制器，可以在不过分牺牲效能之下，改善目前现有技术，达到高效率且快速反应的目的。此外，本发明在电性匹配上，亦能利用目前以浮压驱动方式的金属氧化物晶体管闸极驱动器，进而提升输出功率至数佰瓦特。
图1为现有的反激式(flyback)升降压控制器的示意图；图2为现有的串联式(cascade)升降压控制器的示意图；图3为本发明的电压转换器中的开关组件模块；图4为本发明的电压转换器中的开关组件模块；图5为本发明具有特殊的分压器与双反馈线路的示意图；图6为本发明的脉波宽度调变控制器；图7为本发明的较佳实例中讯号的时序图。
具体实施例方式
本发明的反馈适应式升降压控制装置，为一脉波宽度调变控制器(PWM controller)运用于一种直流/直流电压转换器，通过仅使用开关组件，使得输入端至输出端的导通效能提升。该转换器的开关组件模块20，如图3和4所示，包含有一第一晶体管21，提供接收该输入端Vin电压的途径、一第二晶体管22，提供接地的途径、一第一节点25，电性连结该第一晶体管21与该第二晶体管22、一第三晶体管23，提供通往该输出端Vout的途径、一第四晶体管24，提供接地的途径、一第二节点26，电性连结该第三晶体管23与该第四晶体管24及一桥接电感组件27，电性连结该第一节点25与该第二节点26。
藉由控制器的一PWM讯号28，第一晶体管21与第二晶体管22的电压电平相反。同理，藉由控制器的另一PFM讯号29，第三晶体管23与第四晶体管24的电压电平相反。如此，通过第一晶体管21与第三晶体管23同时为ON时，第二晶体管22与第四晶体管24则同为OFF，于是经由第一晶体管21、第一节点25、桥接电感组件27、第二节点26与第三晶体管23构成一从输入端至输出端功率移转的途径。
如图5所示，本发明的转换器位于输出端Vout与控制器31之间具有一双路径(dual-path)反馈电路30，该双路径反馈电路30包括有一第一电阻32，电性连结转换器的输出端Vout与一第三节点35、一第二电阻33，电性连结该第三节点35与一第四节点36、一第三电阻34，电性连结第四节点36与接地。此外，由第一电阻32、第二电阻33及第三电阻34形成的一分压器(voltage divider)。
其中，第三节点35通过分压器的分压作用而获得一FB+分压，该FB+分压讯号经由该双路径的一途径37回返至控制器，同时，第四节点36亦通过分压作用而获得一FB-分压，该FB-分压讯号经由双路径的另一途径38回返至控制器。
本发明的脉波宽度调变控制器，通过参考双路径反馈电路的双反馈讯号、定时器(counter)的运用和脉波宽度调变讯号的工作周率(duty rate)的持续调整，可以得到所期待的模拟(analog)输出讯号电平(level)，且输入端至输出端的转换效能与现有技术相比也提升了。如图6所示，该脉波宽度调变控制器包括有一第一缓冲器51，其输入端接收该升降压直流转换器的一FB+反馈讯号，经过延迟一缓冲器的反应时间后输出、一第二缓冲器52，其输入端接收该升降压直流转换器的一FB-反馈讯号，经过延迟一缓冲器的反应时间后输出、一第一比较器53，其负输入端接收来自第一缓冲器51输出的缓冲的讯号，并且其正输入端电性连结至一参考电压，在经由正负输入端电压电平比较后输出一讯号、一第二比较器54，其负输入端接收来自第二缓冲器52输出的缓冲的讯号，并且其正输入端电性连结至该参考电压，在经由正负输入端电压电平比较后输出一讯号、一第一PWM控制逻辑单元55，其输入端接收来自第一比较器的输出讯号，依据一控制模式而由其输出端提供一脉波宽度调变讯号PWM至该升降压直流转换器、一第二PFM控制逻辑单元56，其输入端接收来自第二比较器的输出讯号，且其连结端具有与第一PWM控制逻辑单元55的连结端相互连结的功能，依据一与第一PWM控制逻辑单元55相同的控制模式，而由其输出端提供一脉波宽度调变讯号PFM至该升降压直流转换器、及一充电定时器单元57，提供控制器所需的充电时脉和使电容器持续充电。
如图7所示，其中当该转换器的状态为升压(buck status)40A，即输入端电压Vin大于输出端电压Vo(Vin＞Vo)时，PWM讯号中高电平(ON)逐渐加长，即更多的输入功率转移至输出，该PFM讯号始终位于高电平(ON)，即第三晶体管23总是处于等待接通的状态，仅充电时瞬间降至低电平(OFF)且与此用为充电的充电时脉(reflash)同步。同时，相对于一参考电压(Vref)，该FB-讯号电压高于该FB+讯号电压。其次，当该转换器的状态为导通(short status)40B，即输入端电压Vin等于输出端电压Vo(Vin＝Vo)时，该PWM讯号与该PFM讯号皆位于高电平，即输入端以最大功率转移至输出端，仅充电时瞬间降至低电平且与该充电时脉同步。另外，当该转换器的状态为导通(short status)40C，即输入端电压Vin小于输出端电压Vo(Vin＜Vo)时，PFM讯号中高电平(ON)逐渐减短，PWM讯号始终位于高电平，仅充电时瞬间降至低电平且与该充电时脉同步。
权利要求
1.一种升降压直流转换器，通过控制开关组件组成的串联转换器，可以得到稳定的输出电压，使得输入端至输出端的转换效能提升，该转换器至少包括一第一晶体管，提供接收该输入端电压的途径；一第二晶体管，提供接地的途径；一第一节点，电性连结该第一晶体管与该第二晶体管；一第三晶体管，提供通往该输出端的途径；一第四晶体管，提供接地的途径；一第二节点，电性连结该第三晶体管与该第四晶体管；及一桥接电感组件，电性连结该第一节点与该第二节点；其中，一脉波宽度调变控制器的一PWM讯号控制该第一晶体管与该第二晶体管，以及通过该脉波宽度调变控制器的一PFM讯号控制该第三晶体管与该第四晶体管。
2.如权利要求1所述的升降压直流转换器，其中当该第一晶体管与该第二晶体管藉由调整该脉波宽度调变控制器的该PWM讯号，使得该第一晶体管与该第二晶体管的电压电平相反。
3.如权利要求1所述的升降压直流转换器，其中该第三晶体管与该第四晶体管藉由调整该脉波宽度调变控制器的该PFM讯号，使得该第三晶体管与该第四晶体管的电压电平相反。
4.如权利要求1所述的升降压直流转换器，其中该转换器的该输出端电压与该脉波宽度调变控制器之间具有一反馈电路。
5.如权利要求1所述的升降压直流转换器，其中该转换器的该输出端电压与该脉波宽度调变控制器之间具有一双路径反馈电路，该双路径反馈电路包括一第一电阻，电性连结该转换器的输出端与一第三节点；一第二电阻，电性连结该第三节点与一第四节点；一第三电阻，电性连结该第四节点与接地；及一由该第一、该第二及该第三电阻形成的一分压器；其中，该第三节点通过该分压器的分压作用而获得一FB+反馈讯号，该FB+反馈讯号经由该双路径的一途径回返至该脉波宽度调变控制器，同时，该第四节点通过该分压器的分压作用而获得一FB-反馈讯号，该FB-反馈讯号经由该双路径的另一途径回返至该脉波宽度调变控制器。
6.一种控制升降压直流转换器的脉波宽度调变控制器，通过参考该升降压直流转换器的反馈讯号、定时器的运用和波幅调变讯号的工作周率的持续调整，可以得到所期待的输出模拟反馈讯号电平，使得输入端至输出端的转换效能提升，该脉波宽度调变控制器包括一第一缓冲器，其输入端接收该升降压直流转换器的一FB+反馈讯号，在经过延迟处理后输出缓冲的该FB+反馈讯号；一第二缓冲器，其输入端接收该升降压直流转换器的一FB-反馈讯号，在经过延迟处理后输出缓冲的该FB-反馈讯号；一第一比较器，其负输入端接收来自该第一缓冲器的缓冲的该FB+反馈讯号，并且其正输入端电性连结至一参考电压，在经由输出端提供一第一相位讯号；一第二比较器，其负输入端接收来自该第二缓冲器的缓冲的该FB-反馈讯号，并且其正输入端电性连结至该参考电压，在经由输出端提供一第二相位讯号；一第一脉波宽度调变与控制逻辑单元，其输入端接收来自该第一比较器的该第一相位讯号，依据一控制模式而由其输出端提供一脉波宽度调变讯号PWM至该升降压直流转换器；一第二脉波宽度调变与控制逻辑单元，其输入端接收来自该第二比较器的该第二信位讯号，且其连结端具有与该第一脉波宽度调变与控制逻辑单元的连结端相互连结的功能，依据该控制模式而由其输出端提供一脉波宽度调变讯号PFM至该升降压直流转换器；及一充电定时器单元，提供控制器所需的时脉和电容器的持续充电。
7.如权利要求6所述的脉波宽度调变控制器，其中该控制模式为该升降压直流转换器的该输入端电压大于该输出端电压时，该脉波宽度调变控制器即调整该PWM讯号，使得高电平逐渐加长，该PFM讯号始终位于高电平，仅充电时瞬间降至低电平且与一充电时脉同步，同时，相对于一参考电压，该FB-反馈讯号的电压高于该FB+反馈讯号的电压。
8.如权利要求6所述的脉波宽度调变控制器，其中该控制模式为该转换器的该输入端电压等于其该输出端电压时，该脉波宽度调变控制器即维持该PWM讯号与该PFM讯号位于高电平，仅充电时瞬间降至低电平且与该充电时脉同步，同时，相对于该参考电压，该FB-反馈讯号的电压高于该FB+反馈讯号的电压。
9.如权利要求6所述的脉波宽度调变控制器，其中该控制模式为该转换器的输入端电压小于该输出端电压时，该脉波宽度调变控制器即调整该PFM讯号，使得高电平逐渐减短，该PWM讯号始终位于高电平，仅充电时瞬间降至低电平且与该充电时脉同步，同时，相对于该参考电压，该FB-反馈讯号的电压高于该FB+反馈讯号的电压。
全文摘要
本发明为一种升降压直流转换器以及脉波宽度调变控制器，该脉波宽度调变控制器(PWM controller)，适用于一种直流/直流电压转换器与一交换式电源供应系统的电压转换器上，通过仅使用非储能的开关组件，特殊的分压器与双反馈线路的设计转换器的开关组件模块(20)，如，使得目前现有技术在输入电压等于输出电压状态下，转换效率的瓶颈与反应速度均能相当的提升。
文档编号H02M3/28GK1728522SQ20041007114
公开日2006年2月1日 申请日期2004年7月28日 优先权日2004年7月28日
发明者洪清财, 周重甫 申请人:丰昱科技股份有限公司