升压转换器的制作方法

1.本发明涉及一种升压转换器，特别涉及一种高转换效率的升压转换器。


背景技术：

2.在传统升压转换器中，无论输入电位为何，其输出电位通常皆维持于一较高电位位准。然而，具有较高电位位准的输出电位容易造成较大的功率损耗，并导致升压转换器的转换效率变低。有鉴于此，势必要提出一种全新的解决方案，以克服现有技术所面临的困境。


技术实现要素：

3.在优选实施例中，本发明提出一种升压转换器，包括：一分压电路，根据一输入电位来产生一分压电位；一第一比较器，比较该分压电位与一第一参考电位，以产生一第一控制电位；一可调电感元件，耦接至该分压电路，其中该可调电感元件的总电感值是根据该第一控制电位来进行调整；一功率切换器，根据一时钟电位来选择性地将该可调电感元件耦接至一接地电位；一第二比较器，比较该第一控制电位与一第二参考电位，以产生一第二控制电位；一输出级电路，耦接至该可调电感元件和该功率切换器，并根据一第三参考电位和该第二控制电位来产生一输出电位，其中该输出级电路包括一可调电阻元件，而该可调电阻元件的总电阻值是根据该第二控制电位来进行调整；以及一控制器，产生该时钟电位、该第一参考电位、该第二参考电位，以及该第三参考电位。
附图说明
4.图1是显示根据本发明一实施例所述的升压转换器的示意图。
5.图2是显示根据本发明一实施例所述的升压转换器的示意图。
6.其中，附图标记说明如下：
7.100，200：升压转换器
8.110，210：分压电路
9.120，220：第一比较器
10.130，230：可调电感元件
11.140，240：功率切换器
12.150，250：第二比较器
13.160，260：输出级电路
14.170，270：可调电阻元件
15.180，280：控制器
16.c1：第一电容器
17.c2：第二电容器
18.d1：二极管
19.i4：电流
20.l1：第一电感器
21.l2：第二电感器
22.m1：第一晶体管
23.m2：第二晶体管
24.m3：第三晶体管
25.n1：第一节点
26.n2：第二节点
27.n3：第三节点
28.n4：第四节点
29.nin：输入节点
30.nout：输出节点
31.r1：第一电阻器
32.r2：第二电阻器
33.r3：第三电阻器
34.r4：第四电阻器
35.r5：第五电阻器
36.va：时钟电位
37.vc1：第一控制电位
38.vc2：第二控制电位
39.vd：分压电位
40.vin：输入电位
41.vout：输出电位
42.vr1：第一参考电位
43.vr2：第二参考电位
44.vr3：第三参考电位
45.vss：接地电位
具体实施方式
46.为让本发明的目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出本发明的具体实施例，并配合附图，作详细说明如下。
47.在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”及“包括”一词为开放式的用语，故应解释成“包含但不仅限定于”。“大致”一词则是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，达到所述基本的技术效果。此外，“耦接”一词在本说明书中包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接至一第二装置，则代表该第一装置可直接电性连接至该第二装置，或经由其它装置或连接手段而间接地电性
连接至该第二装置。
48.图1是显示根据本发明一实施例所述的升压转换器100的示意图。例如，升压转换器100可应用于一台式电脑、一平板电脑、一笔记本电脑，或一体成形电脑。如图1所示，升压转换器100包括：一分压电路110、一第一比较器120、一可调电感元件130、一功率切换器140、一第二比较器150、一输出级电路160，以及一控制器180，其中输出级电路160包括一可调电阻元件170。必须注意的是，虽然未显示于图1中，但升压转换器100还可包括其他元件，例如：一稳压器或(且)一负反馈电路。
49.分压电路110是根据一输入电位vin来产生一分压电位vd，其中分压电位vd可仅为输入电位vin的一特定比例(例如：1％至20％)。输入电位vin可来自一外部电源，其中输入电位vin可为具有任意频率和任意振幅的一交流电位。例如，交流电位的频率可约为50hz或60hz，而交流电位的方均根值可约为110v或220v。第一比较器120可比较分压电位vd与一第一参考电位vr1，以产生一第一控制电位vc1。可调电感元件130可视为升压转换器100的一升压电感器。可调电感元件130是耦接至分压电路110，其中可调电感元件130的总电感值可根据第一控制电位vc1来进行调整。功率切换器140可根据一时钟电位va来选择性地将可调电感元件130耦接至一接地电位vss(例如：0v)。例如，若时钟电位va为高逻辑位准(例如：逻辑“1”)，则功率切换器140即将可调电感元件130耦接至接地电位vss(亦即，功率切换器140可近似于一短路路径)；反之，若时钟电位va为低逻辑位准(例如：逻辑“0”)，则功率切换器140不会将可调电感元件130耦接至接地电位vss(亦即，功率切换器110可近似于一开路路径)。第二比较器150可比较第一控制电位vc1与一第二参考电位vr2，以产生一第二控制电位vc2。输出级电路160是耦接至可调电感元件130和功率切换器140，并根据一第三参考电位vr3和第二控制电位vc2来产生一输出电位vout。输出电位vout可为一直流电位，其中输出电位vout的电位位准是高于输入电位vin的最大值。输出级电路160的可调电阻元件170的总电阻值可根据第二控制电位vc2来进行调整。控制器180可为一集成电路芯片，其可用于产生时钟电位va、第一参考电位vr1、第二参考电位vr2，以及第三参考电位vr3。例如，时钟电位va于升压转换器100初始化时可维持于一固定电位，而在升压转换器100进入正常使用阶段后则可提供周期性的时钟波形。另外，第一参考电位vr1、第二参考电位vr2，以及第三参考电位vr3则可各自维持于一恒定电位位准。在一些实施例中，若输入电位vin高于或等于一临界电位，则升压转换器100将操作于一第一模式且输出电位vout将具有一较高电位位准；反之，若输入电位vin低于前述的临界电位，则升压转换器100将操作于一第二模式且输出电位vout将具有一较低电位位准。根据实际测量结果，这种双输出模式的设计方式可避免较低的输入电位vin造成较高的功率损耗，故能有效改善升压转换器100的转换效率。
50.以下实施例将介绍升压转换器100的详细结构及操作方式。必须理解的是，这些附图和叙述仅为举例，而非用于限制本发明的范围。
51.图2是显示根据本发明一实施例所述的升压转换器200的示意图。在图2的实施例中，升压转换器200具有一输入节点nin和一输出节点nout，并包括一分压电路210、一第一比较器220、一可调电感元件230、一功率切换器240、一第二比较器250、一输出级电路260，以及一控制器280，其中输出级电路260包括一可调电阻元件270。升压转换器200的输入节点nin可由一外部电源处接收一输入电位vin，而升压转换器200的输出节点nout可用于输
出一输出电位vout，其中输出电位vout的电位位准是高于输入电位vin的最大值。
52.分压电路210包括一第一电阻器r1、一第二电阻器r2，以及一第一电容器c1。第一电阻器r1具有一第一端和一第二端，其中第一电阻器r1的第一端是耦接至输入节点nin，而第一电阻器r1的第二端是耦接至一第一节点n1以输出一分压电位vd。第二电阻器r2具有一第一端和一第二端，其中第二电阻器r2的第一端是耦接至第一节点n1，而第二电阻器r2的第二端是耦接一接地电位vss。第一电容器c1具有一第一端和一第二端，其中第一电容器c1的第一端是耦接至第一节点n1，而第一电容器c1的第二端是耦接至接地电位vss。分压电位vd的电位位准可根据第一电阻器r1和第二电阻器r2两者的电阻比值来决定。另外，根据实际测量结果，第一电容器c1可使第一节点n1的分压电位vd更为稳定。
53.第一比较器220可由一运算放大器来实施。详细而言，第一比较器220具有一正输入端、一负输入端，以及一输出端，其中第一比较器220的正输入端是用于接收一第一参考电位vr1，第一比较器220的负输入端是用于接收分压电位vd，而第一比较器220的输出端是用于输出一第一控制电位vc1。例如，若第一参考电位vr1高于或等于分压电位vd，则第一控制电位vc1将可为高逻辑位准；反之，若第一参考电位vr1低于分压电位vd，则第一控制电位vc1将可为低逻辑位准。
54.可调电感元件230包括一第一电感器l1、一第二电感器l2，以及一第一晶体管m1。第一晶体管m1可为一n型金属氧化物半导体场效晶体管。第一电感器l1具有一第一端和一第二端，其中第一电感器l1的第一端是耦接至输入节点nin，而第一电感器l1的第二端是耦接至一第二节点n2。第二电感器l2具有一第一端和一第二端，其中第二电感器l2的第一端是耦接至输入节点nin，而第二电感器l2的第二端是耦接至一第三节点n3。第一晶体管m1具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中第一晶体管m1的控制端是用于接收第一控制电位vc1，第一晶体管m1的第一端是耦接至第三节点n3，而第一晶体管m1的第二端是耦接至第二节点n2。在一些实施例中，若第一晶体管m1为致能，则第二电感器l2将与第一电感器l1并联耦接；反之，若第一晶体管m1为禁能，则第二电感器l2将不会与第一电感器l1并联耦接。因此，可调电感元件230的总电感值可由第一比较器220利用第一控制电位vc1来进行调整。
55.功率切换器240包括一第二晶体管m2。第二晶体管m2可为一n型金属氧化物半导体场效晶体管。第二晶体管m2具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中第二晶体管m2的控制端是用于接收一时钟电位va，第二晶体管m2的第一端是耦接至接地电位vss，而第二晶体管m2的第二端是耦接至第二节点n2。亦即，第二晶体管m2可选择性地将第二节点n2耦接至接地电位vss。
56.第二比较器250可由一运算放大器来实施。详细而言，第二比较器250具有一正输入端、一负输入端，以及一输出端，其中第二比较器250的正输入端是用于接收一第二参考电位vr2，第二比较器250的负输入端是用于接收第一控制电位vc1，而第二比较器250的输出端是用于输出一第二控制电位vc2。例如，若第二参考电位vr2高于或等于第一控制电位vc1，则第二控制电位vc2将可为高逻辑位准；反之，若第二参考电位vr2低于第一控制电位vc1，则第二控制电位vc2将可为低逻辑位准。
57.除了可调电阻元件270以外，输出级电路260还包括一二极管d1和一第二电容器c2。二极管d1具有一阳极和一阴极，其中二极管d1的阳极是耦接至第二节点n2，而二极管d2的阴极是耦接至输出节点nout。第二电容器c2具有一第一端和一第二端，其中第二电容器
c2的第一端是耦接至输出节点nout，而第二电容器c2的第二端是耦接至接地电位vss。
58.输出级电路260的可调电阻元件270包括一第三电阻器r3、一第四电阻器r4、一第五电阻器r5，以及一第三晶体管m3。第三晶体管m3可为一n型金属氧化物半导体场效晶体管。第三电阻器r3具有一第一端和一第二端，其中第三电阻器r3的第一端是耦接至输出节点nout，而第三电阻器r3的第二端是耦接至一第四节点n4以接收一第三参考电位vr3。第四电阻器r4具有一第一端和一第二端，其中第四电阻器r4的第一端是耦接至第四节点n4，而第四电阻器r4的第二端是耦接至接地电位vss。第三晶体管m3具有一控制端、一第一端，以及一第二端，其中第三晶体管m3的控制端是用于接收第二控制电位vc2，第三晶体管m3的第一端是耦接至一第五节点n5，而第三晶体管m3的第二端是耦接至第四节点n4。第五电阻器r5具有一第一端和一第二端，其中第五电阻器r5的第一端是耦接至第五节点n5，而第五电阻器r5的第二端是耦接至接地电位vss。在一些实施例中，若第三晶体管m3为致能，则第五电阻器r5将与第四电阻器r4并联耦接；反之，若第三晶体管m3为禁能，则第五电阻器r5将不会与第四电阻器r4并联耦接。因此，可调电阻元件270的总电阻值可由第二比较器250利用第二控制电位vc2来进行调整。
59.控制器280可为一集成电路芯片，其可用于产生时钟电位va、第一参考电位vr1、第二参考电位vr2，以及第三参考电位vr3。例如，时钟电位va于升压转换器200初始化时可维持于一固定电位(例如：接地电位vss)，而在升压转换器200进入正常使用阶段后则可提供周期性的时钟波形。另外，第一参考电位vr1、第二参考电位vr2，以及第三参考电位vr3则可各自维持于一恒定电位位准。
60.在一些实施例中，升压转换器200是操作于一第一模式或一第二模式两者择一，其详细操作原理可如下列所述。
61.若输入电位vin高于或等于一临界电位，则升压转换器200将可操作于一第一模式。由于分压电位vd高于第一参考电位vr1，故第一控制电位vc1将为低逻辑位准以禁能第一晶体管m1，使得可调电感元件230的总电感值大致等于第一电感器l1的电感值(亦即，可调电感元件230的总电感值相对较大)。再者，第二控制电位vc2将为高逻辑位准以致能第三晶体管m3。因为第五电阻器r5是与第四电阻器r4并联耦接，所以通过第四节点n4的电流i4将会相对较大。在第一模式中，可调电感元件230会存储更多能量，而升压转换器200的输出电位vout则具有一较高电位位准。
62.若输入电位vin低于前述的临界电位，则升压转换器200将可操作于一第二模式。由于分压电位vd低于第一参考电位vr1，故第一控制电位vc1将为高逻辑位准以致能第一晶体管m1，使得可调电感元件230的总电感值大致等于第一电感器l1和第二电感器l2两者的并联电感值(亦即，可调电感元件230的总电感值相对较小)。再者，第二控制电位vc2将为低逻辑位准以禁能第三晶体管m3。因为第五电阻器r5未与第四电阻器r4并联耦接，所以通过第四节点n4的电流i4将会相对较小。在第二模式中，可调电感元件230会存储更少能量，而升压转换器200的输出电位vout则具有一较低电位位准。
63.综上所述，升压转换器200的二种不同操作模式可如下表一所述：
[0064][0065]
表一：升压转换器200的不同操作模式
[0066]
根据实际测量结果，这种设计方式可降低升压转换器200于第二模式下的输入功率，从而能提高升压转换器200的转换效率(因为转换效率为输出功率与输入功率两者的比值，其中升压转换器200的输出功率皆大致维持不变)。例如，使用本发明的升压转换器200于第二模式下的转换效率可由原本约90％改良至约94％，但其亦不仅限于此。
[0067]
在一些实施例中，升压转换器200的元件参数可如下列所述。输入电位vin的临界电位可约为170v。在第一模式中，输入电位vin可介于170v至240v之间，而输出电位vout的较高电位位准可约为400v。在第二模式中，输入电位vin可介于100v至170v之间，而输出电位vout的较低电位位准可约为250v。第一电阻器r1的电阻值可大致等于16kω。第二电阻器r2的电阻值可大致等于1kω。第三电阻器r3的电阻值可大致等于49kω。第四电阻器r4的电阻值可大致等于1kω。第五电阻器r5的电阻值可大致等于1.63kω。第一电容器c1的电容值可介于44.65μf至49.35μf之间，优选为47μf。第二电容器c2的电容值可介于1350μf至1650μf之间，优选为1500μf。第一电感器l1的电感值可介于180μh至220μh之间，优选为200μh。第二电感器l2的电感值可介于180μh至220μh之间，优选为200μh。时钟电位va的切换频率可约为65khz。第一参考电位vr1可约恒定为10v。第二参考电位vr2可约恒定为14v。第三参考电位vr3可约恒定为5v。以上参数范围是根据多次实验结果而得出，其有助于最佳化升压转换器200的转换效率。
[0068]
本发明提出一种新颖的升压转换器，其可操作于第一模式或第二模式，以提供具有不同电位位准的输出电位。根据实际测量结果，使用前述设计的升压转换器可减少其整体的功率损耗。总而言之，本发明可有效提高升压转换器的转换效率，故其很适合应用于各种各式的电子装置当中。
[0069]
值得注意的是，以上所述的电位、电流、电阻值、电感值、电容值，以及其余元件参数均非为本发明的限制条件。设计者可以根据不同需要调整这些设定值。本发明的升压转换器并不仅限于图1-图2所示的状态。本发明可以仅包括图1-图2的任何一或多个实施例的任何一或多项特征。换言之，并非所有图示的特征均须同时实施于本发明的升压转换器当中。虽然本发明的实施例是使用金属氧化物半导体场效晶体管为例，但本发明并不仅限于
此，本技术领域人士可改用其他种类的晶体管，例如：接面场效晶体管，或是鳍式场效晶体管等等，而不致于影响本发明的效果。
[0070]
在本说明书以及权利要求中的序数，例如“第一”、“第二”、“第三”等等，彼此之间并没有顺序上的先后关系，其仅用于标示区分两个具有相同名字的不同元件。
[0071]
本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。