手持式装置的升降压转换器介绍一.pdf

手持式裝置的升降壓轉換器介紹 一、前言 手持式裝置大多是指手機、數位相機、GPS、平板電腦等電池裝置。隨著科 技的日新月異與輕薄快速多功能的市場需求，手持式設備已趨向方便且多功能 的發展，甚至能夠全面執行消費者與企業所需的應用功能。因此，手持式產品 需更近一歩達成電源省電與降低成本的需求。以手持式鋰離子電池為例，一個 鋰離子電池的最大變動電壓範圍為4.2伏特至2.7伏特，若須提供3.3伏特的 應用電壓時，一般設計方式是使用兩組DC/DC轉換器，先升壓至4.5伏特以上 再降壓至3.3伏特。而此設計所需零件甚多，不但成本高且增加體積。有鑑於 此，本文將藉由新型高效率同步升降壓轉換器(Buck-Boost Converter)的使用 方案，達成此一目標。 二、升降壓轉換器架構與工作原理 傳統升降壓轉換器顧名思義就是將降壓(Buck)和升壓(Boost)串接組合而 成，如圖1(a)所示。當主開關S導通二極體D截止，輸入端將能量儲存在電感 上，由輸出電容提供能量至負載，如圖1(b)所示。當主開關S截止二極體D導 通，電感能量將釋放至輸出端，如圖1(c)所示。而升降壓轉換器最大的優點是 允許輸入電壓大於小於或等於輸出電壓，但卻付出諸多缺點:(1)主開關S與二 極體D的電壓應力等於輸入電壓與輸出電壓之和，與降壓或升壓轉換器相較下 的電壓應力大、(2)輸入電流與輸出電流皆不連續，會產生電磁干擾(EMI)與高 輸出雜訊、(3)輸入端與輸出端不共地(GND)、(4)能量必須透過電感來傳遞，需 要使用大的電感器。 (a) (b) S導通D截止之等效電路。 (c) S截止D導通之等效電路。 圖1傳統升降壓轉換器電路 新型升降壓電路架構使用兩個P-MOSFET和兩個N-MOSFET，如圖2(a)所 示，開關依不同的切換方式，同時完成降壓、升壓、升降壓的電路架構。 當開關PMOS2永遠導通與開關NMOS2永遠截止時，則開關PMOS1與開關 NMOS1構成降壓的電路架構。當開關PMOS1永遠導通與開關NMOS1永遠截止 時，則開關PMOS2與開關NMOS2構成升壓的電路架構。 當輸入電壓接近輸出電壓時，會進入升降壓工作模式，而升降壓工作模式 有4個階段，第一階段將開關PMOS1和NMOS2導通，開關NMOS1和PMOS2截 止，輸入端將能量儲存在電感上，如圖2(b)所示。第二階段將開關PMOS1和 PMOS2導通，開關NMOS1和NMOS2截止，若輸入電壓大於輸出電壓，則輸入端 提供能量至負載與電感儲能，若輸入電壓小於輸出電壓，則輸入端與電感提供 能量至輸出端，若輸入電壓等於輸出電壓，則輸出端的能量完全由輸入端提 供，電感能量不變，如圖2(c)所示。第三階段將開關NMOS1和PMOS2導通，開 關PMOS1和NMOS2截止，電感能量釋放至輸出端，如圖2(d)所示，而第四階段 如同第二階段。 與傳統升降壓相比，雖然多了兩個開關，但也改善許多缺點:(1)降壓開關 (PMOS1、NMOS1)電壓應力為輸入電壓，升壓開關(PMOS2、NMOS2)電壓應力為輸 出電壓，並非輸入電壓與輸出電壓之和，可減少體積和成本、(2)轉壓比接近的 條件下，允許使用第二與第四階段工作模式，因電感上較無電壓差，所以電感 電流無劇烈的變動，有效的減小電感交流電流的大小與輸出入不連續電流的切 換頻率，所以降低輸出的雜訊與EMI產生問題、(3)輸入端與輸出端為共地訊 號。