升压转换电路及其驱动控制模块的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种升压转换电路及其驱动控制模块，该升压转换电路耦接输入端的输入电压并用以提供转换输出电压至输出端，升压转换电路包含储能电感、功率开关、脉宽控制电路以及驱动控制模块。储能电感两端耦接在输入端与输出端之间。功率开关耦接在储能电感与接地端之间。脉宽控制电路用以提供脉宽控制信号至功率开关的栅极，从而控制功率开关的导通状态，进而在第二端形成转换输出电压。根据升压转换电路操作时的电流负载状态，驱动控制模块选择性地依据输入电压或转换输出电压输出栅极电位信号至脉宽控制电路，脉宽控制电路依此调整脉宽控制信号的电压幅度。本发明使功率开关在不同负载时具有不同的导通损耗与切换损耗，达到较高的操作效率。
【专利说明】升压转换电路及其驱动控制模块
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电转换器，尤其涉及一种升压转换电路。
【背景技术】
[0002]升压转换电路(boost converter)为现在电子装置上常见的电源供应电路，广泛用来提供低功率装置(如便携式电子装置)中所需的电力。由于便携式电子装置上的储能元件通常仅能提供较低的直流电压(例如一个电池单元的电压通常为3V至4.2V)，需要通过升压转换电路进行升压至系统操作电压(例如5V)。
[0003]为节省整体空间和成本，升压转换器内部通常包含功率开关。由于功率开关本身的元件特性各不相同，最佳的适用情况有所差异。
[0004]举例来说，例如具有较低导通阻抗(Rds_)的功率开关，当用在输出电力驱动高负载的使用状态上，可带来较少的导通损耗。另一方面，例如具有较高的导通阻抗(Rdsw)的功率开关，当用在输出电力驱动高负载的使用状态上，将可能导致较高的导通损耗。
[0005]一般而言，升压转换器内置的功率开关的导通阻抗(Rdsw)值通常较大，且导通阻抗随着功率开关的栅/源极电压差(Vgs)而改变。一般而言，当栅/源极电压差Vgs低于4V时，功率开关的导通阻抗将快速且大幅升高。因此，若直接使用未经升压的输入电压驱动功率开关的栅极(例如当功率开关的栅/源极电压差Vgs低于4V时)，将使得功率开关具有相当高的导通阻抗，形成相当大的导通损耗，导致效率不高。
【发明内容】
[0006]因此，本发明提出一种升压转换电路及其驱动控制模块。驱动控制模块可监测升压转换电路操作时的负载状态，并选择性地依据负载状态不同而输出不同的栅极电位信号，以调整功率开关其栅极上的脉宽控制信号的电压幅度。
[0007]本发明提出一种升压转换电路，其耦接输入端的输入电压并用以提供转换输出电压至输出端，升压转换电路包含储能电感、功率开关、脉宽控制电路以及驱动控制模块。储能电感的第一端耦接至该输入端，储能电感的第二端耦接至该输出端。功率开关耦接在储能电感的第二端与接地端之间。脉宽控制电路用以提供脉宽控制信号至功率开关的栅极，从而控制功率开关的导通状态，进而在储能电感的第二端形成转换输出电压。根据该升压转换电路操作时的电流负载状态，驱动控制模块选择性地依据输入电压或转换输出电压输出栅极电位信号至脉宽控制电路，脉宽控制电路依此来调整脉宽控制信号的电压幅度。
[0008]本发明还提出一种驱动控制模块，其用以控制升压转换电路，升压转换电路根据输入电压提供转换输出电压至输出端，升压转换电路包含功率开关以及脉宽控制电路，脉宽控制电路用以提供脉宽控制信号至功率开关，从而控制功率开关的导通状态并形成转换输出电压，驱动控制模块包含电流监测单元、选择单元以及逻辑控制单元。电流监测单元用以监测该升压转换电路操作时的电流负载状态。选择单元接收输入电压以及转换输出电压并选择性输出其中之一作为栅极电位信号至脉宽控制电路，从而调整脉宽控制信号的电压幅度。逻辑控制单元与电流监测单元以及选择单元耦接，当电流负载状态为轻载时，逻辑控制单元控制选择单元输出输入电压作为栅极电位信号，当电流负载状态为重载时，逻辑控制单元控制选择单元输出转换输出电压作为栅极电位信号。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为根据本发明一实施例中一种升压转换电路的示意图；
[0010]图2为根据本发明一实施例中升压转换电路及其驱动控制模块的电路示意图；
[0011]图3为图2中升压转换电路相关的信号示意图。
【具体实施方式】
[0012]请参阅图1，其为根据本发明一实施例中一种升压转换电路100的示意图。在此实施例中，升压转换电路100可用于电子装置(图中未示)上，用以提供电子装置中负载222所需要的电力。升压转换电路100耦接输入端200 (举例来说可为电子装置上的电池模块)的输入电压V1,并用以提供转换输出电压\至输出端220。
[0013]如图1所示，升压转换电路100包含储能电感L1、驱动控制模块120、脉宽控制电路140以及功率开关160。在此实施例中，升压转换电路100进一步还包含反馈电路180以及二极管Dl。
[0014]储能电感LI的第一端耦接至输入端200，储能电感LI的第二端经由二极管Dl耦接至输出端220。功率开关160耦接于储能电感LI的第二端与接地端之间。
[0015]脉宽控制电路140用以提供脉宽控制信号Vspwm至功率开关160的栅极，从而控制功率开关160的导通状态，通过储能电感LI的充/放电与功率开关160脉宽式切换对输入电压V1升压，进而在储能电感LI的第二端形成转换输出电压％。通过切换式的功率开关160基于脉宽控制信号\^?进行升压转换为升压转换电路(boost converter)的常见做法，为本领域技术人员所熟知，在此不另赘述其详细原理。
[0016]需特别说明的是，本实施例中升压转换电路100具有驱动控制模块120可根据升压转换电路100操作时的电流负载状态Ikjad控制脉宽控制电路140，以动态调整脉宽控制信号Vspwm的电压幅度，从而使功率开关160具有较高的操作效率。其做法将在下列段落中详述。
[0017]驱动控制模块120可监测操作时的电流负载状态Ikjad,在此实施例中，驱动控制模块120所监测的电流负载状态I^d可为通过储能电感LI的电感电流Iy通过功率开关160的导通电流Ids或输出至输出端220的负载电流‘以得知电流负载状态Ikjadt5
[0018]根据监测到的电流负载状态1-d，驱动控制模块120选择性地依据输入电压V1或转换输出电压I输出栅极电位信号Vg至脉宽控制电路140，脉宽控制电路140根据栅极电位信号Vg调整脉宽控制信号Vgpw的电压幅度。
[0019]请一并参阅图2以及图3，图2为根据本发明一实施例中升压转换电路100及其驱动控制模块120的电路示意图，图3为图2的实施例中升压转换电路100相关的信号示意图。
[0020]如图2所示，驱动控制模块120包含电流监测单元122、逻辑控制单元124以及选择单元126。
[0021]电流监测单元122用以监测电流负载状态，在图2所示的例子中，电流监测单元122与功率开关160串接，用以监测通过功率开关160的导通电流IDS(即代表电流负载状态)，但本发明并不以此为限。
[0022]在其他实施例中，电流监测单元122还可设置在其他位置以监测通过储能电感LI的电感电流U如电流监测单元122与储能电感LI串接)，或监测输出至输出端220的负载电流I。(如电流监测单元122设置在二极管Dl与输出端220之间)，以得知电流负载状态。
[0023]选择单元126接收输入电压V1以及转换输出电压Vcj并选择性输出其中之一作为栅极电位信号Vg至脉宽控制电路140。在此例中，选择单元126包含互斥导通的第一开关Ml与第二开关M2，第一开关Ml接收输入电压V1,第二开关M2接收转换输出电压V。。
[0024]逻辑控制单元124耦接于选择单元126与电流监测单元122，选择单元126根据逻辑控制单元124的输出控制信号而切换，使第一开关Ml或第二开关M2其中之一导通并输出栅极电位信号Vg。
[0025]图3中为当升压转换电路为初始启动(即图3的期间Pl)、当升压转换电路操作于轻载状态时(即图3的期间P2)以及当升压转换电路操作于重载状态时(即图3的期间P3)的信号关系。
[0026]如图3中的期间Pl内，当升压转换电路100为初始启动，此时，转换输出电压Vtj尚未升压至所需的电压电平，也就是说，转换输出电压\可能低于输入电压 '。逻辑控制单元控制选择单元126 (使第一开关Ml导通且第二开关M2关闭)送出输入电压V1作为栅极电位信号Vg至脉宽控制电路140，利用输入电压V1作为栅极电位信号Vg使升压转换电路100完成初始启动。
[0027]如图3中的期间P2内，当升压转换电路100操作于轻载状态时(即电流监测单元122所监测的导通电流Ids低于特定的阈值时)，逻辑控制单元124控制选择单元126 (使第一开关Ml导通且第二开关M2关闭)送出输入电压V1作为栅极电位信号Vg至脉宽控制电路140，此时，脉宽控制电路140产生相对较低电压幅度的脉宽控制信号VgPWM(如图3的期间P2所示)。
[0028]因为当输出端220为轻负载时(升压转换电路100操作于轻载状态)时，功率开关160的导通阻抗(Rds_)所带来的导通损耗影响比重降低，此时，影响效率的主因为驱动切换式的功率开关160所带来的切换损耗，采用较低电压幅度的脉宽控制信号Vspwm(如图3的期间P2所示)可有效降低切换损耗，提供轻载时较高的效率。
[0029]如图3中的期间P3内，当升压转换电路100操作于重载状态时(即电流监测单元122所监测的导通电流Ids高于特定的阈值时)，逻辑控制单元124控制选择单元126 (使第二开关M2导通且第一开关Ml关闭)送出转换输出电压V。作为栅极电位信号Vg至脉宽控制电路140，此时，脉宽控制电路140产生相对较高电压幅度的脉宽控制信号Vspwm (如图3的期间P3所示)。
[0030]因为当输出端220为高负载时(升压转换电路100操作于重载状态)时，功率开关160的导通阻抗(Rds_)所带来的导通损耗影响比重提高，此时，影响效率的主因为功率开关的导通阻抗(Rds_)所带来的导通损耗，而切换损耗的影响极低，采用较高电压幅度的脉宽控制信号Vspwm(如图3的期间P3所示)可有效降低功率开关160的导通阻抗(Rds_)，并降低导通损耗提供重载时较高的效率。
[0031]如图2所示，升压转换电路100进一步还包含反馈电路180以及二极管D1。反馈电路180耦接在二极管Dl与输出端220之间。反馈电路180包含分压电路(如电阻器Rl与电阻器R2)以及反馈放大电路OPl，分压电路用以取样转换输出电压V。，取样后的结果经由反馈放大电路OPl反馈至脉宽控制电路140。
[0032]通过反馈控制，可使储能电感LI与功率开关160产生的转换输出电压VO稳定在预定的输出电压。实际应用中，本技术方案中反馈电路180的详细做法与电路结构并不以图2所示为限，还可采用具有类似功能的反馈电路。
[0033]综上所示为本发明中升压转换电路及其驱动控制模块。驱动控制模块可监测升压转换电路操作时的负载状态，并选择性地依据负载状态不同而输出不同的栅极电位信号，以调整功率开关其栅极上的脉宽控制信号的电压幅度，使功率开关在不同负载时具有不同的导通损耗与切换损耗，从而达到较高的操作效率。
[0034]虽然本发明已经以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属【技术领域】中具有通常知识的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许变动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
【权利要求】
1.一种升压转换电路，其耦接输入端的输入电压并用以提供转换输出电压至输出端，其特征在于，上述升压转换电路包含: 储能电感，该储能电感的第一端耦接至上述输入端，该储能电感的第二端耦接至上述输出端； 功率开关，其耦接于上述储能电感的上述第二端与接地端之间； 脉宽控制电路，其耦接于上述功率开关，上述脉宽控制电路用以提供脉宽控制信号至上述功率开关的栅极，从而控制上述功率开关的导通状态，进而在上述第二端形成上述转换输出电压；以及 驱动控制模块，其耦接于上述脉宽控制电路，根据上述升压转换电路操作时的电流负载状态，该驱动控制模块选择性地依据上述输入电压或上述转换输出电压输出栅极电位信号至上述脉宽控制电路，上述脉宽控制电路依此来调整上述脉宽控制信号的电压幅度。
2.如权利要求1所述的升压转换电路，其特征在于，所述驱动控制模块包含: 电流监测单元，其用以监测所述电流负载状态； 选择单元，其耦接于上述电流监测单元，该选择单元接收所述输入电压以及所述转换输出电压并选择性输出其中之一作为所述栅极电位信号至所述脉宽控制电路；以及 逻辑控制单元，其与上述电流监测单元以及上述选择单元耦接，当所述电流负载状态为轻载时，该逻辑控制单元控制上述选择单元输出所述输入电压作为所述栅极电位信号，当所述电流负载状态为重载时，该逻辑控制单元控制上述选择单元输出所述转换输出电压作为所述栅极电位信号。
3.如权利要求2所述的升压转换电路，其特征在于，其中当所述升压转换电路初始启动时，所述逻辑控制单元控制所述选择单元输出所述输入电压作为所述栅极电位信号。
4.如权利要求2所述的升压转换电路，其特征在于，所述电流监测单元用以监测通过所述储能电感的电感电流、通过所述功率开关的导通电流或输出至所述输出端的负载电流，以得知所述电流负载状态。
5.如权利要求2所述的升压转换电路，其特征在于，所述选择单元包含互斥导通的第一开关与第二开关分别接收所述输入电压或所述转换输出电压，根据所述逻辑控制单元的控制信号将上述第一开关或上述第二开关其中之一导通并输出所述栅极电位信号。
6.如权利要求1所述的升压转换电路，其特征在于，还包含: 反馈电路，其耦接至所述输出端，用以取样所述转换输出电压并反馈至所述脉宽控制电路。
7.—种驱动控制模块，其特征在于，用以控制升压转换电路，该升压转换电路根据输入电压提供转换输出电压至输出端，该升压转换电路包含功率开关以及脉宽控制电路，该脉宽控制电路用以提供脉宽控制信号至该功率开关，从而控制该功率开关的导通状态并形成上述转换输出电压，上述驱动控制模块包含: 电流监测单元，其用以监测上述升压转换电路操作时的电流负载状态； 选择单元，其接收上述输入电压以及上述转换输出电压并选择性输出其中之一作为栅极电位信号至上述脉宽控制电路，从而调整上述脉宽控制信号的电压幅度；以及 逻辑控制单元，其与上述电流监测单元以及上述选择单元耦接，当上述电流负载状态为轻载时，该逻辑控制单元控制上述选择单元输出上述输入电压作为上述栅极电位信号，当上述电流负载状态为重载时，该逻辑控制单元控制上述选择单元输出上述转换输出电压作为上述栅极电位信号。
8.如权利要求7所述的驱动控制模块，其特征在于，其中当所述升压转换电路初始启动时，所述逻辑控制单元控制所述选择单元输出所述输入电压作为所述栅极电位信号。
9.如权利要求7所述的驱动控制模块，其特征在于，所述电流监测单元用以监测通过所述升压转换电路的储能电感的电感电流、通过所述功率开关的导通电流或输出至所述输出端的负载电流，以得知所述电流负载状态。
10.如权利要求7所述的驱动控制模块，其特征在于，所述选择单元包含互斥导通的第一开关与第二开关分别接收所述输入电压或所述转换输出电压，根据所述逻辑控制单元的控制信号上述第一开关或上述第二开关其中之一导通并输出所述栅极电位信号。
【文档编号】H02M3/156GK104283422SQ201310292679
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年7月12日 优先权日:2013年7月12日
【发明者】李青翰, 许志琬, 许溪河, 蔡承祐 申请人:华硕电脑股份有限公司