电源转换装置、输出级装置及其运作方法与流程

本发明与电源转换有关，尤其是关于一种电源转换装置、输出级装置及其运作方法。

背景技术：

在传统的输出级装置中，耦接控制电路的位准移位电路通过驱动单元耦接电力开关(上桥开关)，由于位准移位电路与驱动单元的供电均来自相同的工作电压，一旦电力开关受到驱动单元的驱动而完全导通时，将会导致相当大的瞬间电流输出而造成浪涌电流(inrushcurrent)的异常现象。

传统上，虽可通过在输入电压与输出电压之间额外串接一颗功率金氧半场效晶体管(powermosfet)开关来降低导通瞬间的浪涌电流，但也同时带来成本增加与电源转换效率降低等缺点。

技术实现要素：

本发明提出一种电源转换装置、输出级装置及其运作方法，以有效解决现有技术所遭遇到的上述问题。

依据本发明的一具体实施例为一种输出级装置。于此实施例中，输出级装置具有第一接脚及工作电压接脚。该输出级装置包括第一电力开关、第一驱动单元及位准移位电路。第一驱动单元耦接该第一接脚及该第一电力开关。位准移位电路耦接该工作电压接脚及该第一驱动单元。在启动期间，该位准移位电路通过该工作电压接脚接收第一预设电压，且该第一驱动单元通过该第一接脚接收第二预设电压。该第二预设电压于预设时间内具有一斜率(slewrate)。

于一实施例中，输出级装置还包括第二接脚、第三接脚、相位接脚、第一靴带电容、第二靴带电容、第二电力开关及第二驱动单元。第二接脚耦接该位准偏移电路。第三接脚耦接该第一驱动单元。第一靴带电容耦接于该第二接脚与该相位接脚之间。第二靴带电容耦接于该第三接脚与该相位接脚之间。第二电力开关与该第一电力开关串接于输入电压及接地端之间。第二驱动单元耦接该第一接脚及该第二电力开关。

依据本发明的另一具体实施例为一种电源转换装置。于此实施例中，电源转换装置包括第一电力开关、第二电力开关、第三电力开关、第四电力开关、位准移位电路及第一驱动单元。第一至第四电力开关依序彼此串接于输入电压与接地端之间。位准移位电路接收第一预设电压。第一驱动单元耦接于该第一电力开关及该位准移位电路之间，接收第二预设电压。在启动期间，该第二预设电压于预设时间内具有一斜率。

于一实施例中，电源转换装置还包括输出节点及预充电电路。输出节点用以提供输出电压。预充电电路耦接该输出节点，提供预充电电压至该输出节点，以对该输出电压进行预充电。

于一实施例中，该位准移位电路根据脉宽调变信号控制第一驱动单元驱动该第一电力开关，且于预充电期间内，该脉宽调变信号均维持于高位准(常开)或该脉宽调变信号包含多个脉冲。

于一实施例中，于正常运作期间内，该第一电力开关与该第三电力开关均运作于第一相且该第二电力开关与该第四电力开关均运作于第二相，该第一相与该第二相彼此反相。

于一实施例中，该第一电力开关的导通时间与该第三电力开关的导通时间之间具有时间差、该第一电力开关的关闭时间与该第三电力开关的关闭时间之间具有时间差、该第二电力开关的导通时间与该第四电力开关的导通时间之间具有时间差、或该第二电力开关的关闭时间与该第四电力开关的关闭时间之间具有时间差，由以达到零电压切换。

依据本发明的一具体实施例为一种输出级装置运作方法。于此实施例中，输出级装置具有第一接脚及工作电压接脚。该输出级装置包括第一电力开关、第一驱动单元及位准移位电路。该第一驱动单元耦接该第一接脚及该第一电力开关。该位准移位电路耦接该工作电压接脚及该第一驱动单元。该输出级装置运作方法包括下列步骤：

在启动期间，该位准移位电路通过该工作电压接脚接收第一预设电压，且该第一驱动单元通过该第一接脚接收第二预设电压，该第二预设电压于预设时间内具有一斜率(slewrate)。

于一实施例中，该位准移位电路根据脉宽调变信号控制该第一驱动单元驱动该第一电力开关，且于预充电期间内，该脉宽调变信号均维持于高位准(常开)或该脉宽调变信号包含多个脉冲。

于一实施例中，该输出级装置还包括第二接脚、第二电力开关及第二驱动单元。该第二电力开关与该第一电力开关串接于输入电压及接地端之间。该第二驱动单元耦接该第二接脚及该第二电力开关。于正常运作期间内，该第一电力开关运作于第一相且该第二电力开关运作于第二相。该第一相与该第二相彼此反相。

相较于现有技术，本发明的电源转换装置、输出级装置及其运作方法提供具有斜率的电源电压给上桥驱动单元，使得上桥驱动单元能够缓缓开启上桥电力开关，避免上桥电力开关忽然完全导通而产生瞬间的大电流输出形成浪涌电流。

此外，本发明也可通过预充电方式对输出节点进行预充电，由以减少输出节点从开机起始至开机完成时的电压差，进而减少输出电流的变化，达到抑制浪涌电流的效果。

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附附图得到进一步的了解。

附图说明

图1为根据本发明的一实施例的电源转换装置的示意图。

图2为根据本发明的另一实施例的输出级装置(drmos)的示意图。

图3a及图3b为第一电力开关与第三电力开关之间具有导通时间差的示意图。

图4a及图4b为第一电力开关与第三电力开关之间具有关闭时间差的示意图。

图5a及图5b为第二电力开关与第四电力开关之间具有导通时间差的示意图。

图6a及图6b为第二电力开关与第四电力开关之间具有关闭时间差的示意图。

图7a为于一实施例中，输入电压、输出电压、第一预设电压、第二预设电压及第一脉宽调变信号～第四脉宽调变信号在预充电期间与正常运作期间内的时序图。

图7b为于另一实施例中，输入电压、输出电压、第一预设电压、第二预设电压及第一脉宽调变信号～第四脉宽调变信号在预充电期间与正常运作期间内的时序图。

图8为根据本发明的另一实施例的输出级装置运作方法的流程图。

主要元件符号说明：

1：输出级装置

10：控制电路

v：预设电压

2：电源转换装置

20：位准移位电路

22：第一驱动单元

q1～q4：第一电力开关～第四电力开关

v1：第一预设电压

v2：第二预设电压

vin：输入电压(接脚)

vout：输出电压

c1～c2：第一电容～第二电容

3：输出级装置

vcc：工作电压接脚

vin：输入电压接脚

phase：相位接脚

gnd：接地接脚

vdrv：第一接脚

bt1：第二接脚

bt2：第三接脚

bt：接脚

30：控制电路

ls：位准移位电路

dr1：第一驱动单元

dr2：第二驱动单元

sw1：第一开关

sw2：第二开关

sw：开关

cbt1：第一靴带电容

cbt2：第二靴带电容

pwm：脉宽调变信号

con：控制信号

d1：第一驱动信号

d2：第二驱动信号

i：电流

on：导通

off：关闭

pwm1～pwm4：第一脉宽调变信号～第四脉宽调变信号

t1：起始期间

t2：预充电期间

t3：正常运作期间

具体实施方式

现在将详细参考本发明的示范性实施例，并在附图中说明所述示范性实施例的实例。在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

依据本发明的一具体实施例为一种电源转换装置。请参照图1，图1为此实施例中的电源转换装置的示意图。

如图1所示，电源转换装置2包括第一电力开关q1、第二电力开关q2、第三电力开关q3、第四电力开关q4、第一电容c1、第二电容c2、位准移位电路20及第一驱动单元22。

第一电力开关q1、第二电力开关q2、第三电力开关q3及第四电力开关q4彼此串接。第一电力开关q1及第四电力开关q4耦接输入电压vin。第一电容c1的一端耦接至第一电力开关q1与第二电力开关q2之间，且其另一端耦接至第三电力开关q3与第四电力开关q4之间。第二电容c2的一端耦接至第二电力开关q2与第三电力开关q3之间的输出节点out，且其另一端耦接输入电压vin。

位准移位电路20通过第一驱动单元22耦接第一电力开关q1。在一启动期间，位准移位电路20接收第一预设电压v1，第一驱动单元22接收第二预设电压v2。

第一预设电压v1可由工作电压接脚提供，第二预设电压v2可由靴带接脚提供，两者不相同。在电源转换装置启动期间的预设时间内(以下简称预设时间)，第二预设电压v2具有一斜率，也就是说，第二预设电压v2是从低位准缓缓上升至高位准，而不是瞬间从低位准上升至高位准。由此，第一驱动单元22能够缓缓开启第一电力开关q1，故可有效避免第一电力开关q1忽然完全导通而产生瞬间的浪涌电流。

于实际应用中，启动期间为软启动(softstart)期间。第一电力开关q1用以作为输出级的上桥开关，但不以此为限。此外，输出节点out也可耦接预充电电路，并由预充电电路在一预充电期间提供预充电电压至输出节点out对输出节点out上的输出电压vout进行预充电，由以减少输出节点out从开机起始至结束的电压差，进而减少输出电流的变化，以达到抑制浪涌电流的效果。

接着，请参照图2，图2为根据本发明的另一实施例的输出级装置(drmos)的示意图。

如图2所示，输出级装置3具有工作电压接脚vcc、输入电压接脚vin、相位接脚phase、接地接脚gnd、第二接脚bt1、第一接脚vdrv及第三接脚bt2。输出级装置3包括控制电路30、位准移位电路ls、第一驱动单元dr1、第二驱动单元dr2、第一电力开关q1、第二电力开关q2、第一开关sw1、第二开关sw2、第一靴带电容cbt1及第二靴带电容cbt2。第一电力开关q1及第二电力开关q2分别作为输出级装置3的上桥开关及下桥开关。

控制电路30分别耦接第一开关sw1、第二开关sw2、位准移位电路ls、第一驱动单元dr1、第一电力开关q1、相位接脚phase及第二驱动单元dr2。第一电力开关q1及第二电力开关q2串接于输入电压接脚vin与接地接脚gnd之间。第一驱动单元dr1耦接于位准移位电路ls与第一电力开关q1之间。第一驱动单元dr1还耦接第三接脚bt2以及通过第一开关sw1耦接第一接脚vdrv。位准移位电路ls耦接于控制电路30与第一驱动单元dr1之间。位准移位电路ls还耦接第二接脚bt1以及通过第二开关sw2耦接工作电压接脚vcc。

第一靴带电容cbt1耦接于第二接脚bt1与相位接脚phase之间。第二靴带电容cbt2耦接于第三接脚bt2与相位接脚phase之间。相位接脚phase耦接至第一电力开关q1与第二电力开关q2之间、第一驱动单元dr1、位准移位电路ls及控制电路30。第二驱动单元dr2耦接于控制电路30与第二电力开关q2之间，且第二驱动单元dr2还耦接于第一接脚vdrv与接地接脚gnd之间。

当控制电路30提供脉宽调变信号pwm给位准移位电路ls时，位准移位电路ls根据脉宽调变信号pwm提供控制信号con给第一驱动单元dr1，使得第一驱动单元dr1发出第一驱动信号d1驱动第一电力开关q1。

在启动期间，第一开关sw1与第二开关sw2均维持导通状态，使得位准移位电路ls可通过工作电压接脚vcc接收第一预设电压v1，且第一驱动单元dr1可通过第一接脚vdrv接收第二预设电压v2。

工作电压接脚vcc所提供的第一预设电压v1与第一接脚vdrv所提供的第二预设电压v2并不相同。第二预设电压v2于预设时间内具有斜率，也就是说，第二预设电压v2是在一段预设时间内缓缓从低位准上升至高位准，而不是瞬间从低位准上升至高位准。由此，第一驱动单元dr1能够缓缓开启第一电力开关q1，故可有效避免第一电力开关q1瞬间完全导通所造成的浪涌电流。

于实际应用中，图1中的电源转换装置2可通过第一电力开关q1～第四电力开关q4的开关切换时序，达到零电压切换(zerovoltageswitching)，由以减少寄生电感产生的谐振电压。接下来，将通过不同的实施例进行说明。

请参照图3a及图3b，图3a及图3b为第一电力开关q1与第三电力开关q3之间具有导通时间差的示意图。如图3a所示，当第一电力开关q1先导通(on)时，第三电力开关q3仍维持关闭(off)。此时可让电流i先流经体二极管(bodydiode)。如图3b所示，经过一段预设时间(例如1us～5us)后，第三电力开关q3才延迟导通，由以达到零电压切换，以减少寄生电感产生的谐振电压。

请参照图4a及图4b，图4a及图4b为第一电力开关q1与第三电力开关q3之间具有关闭时间差的示意图。如图4a所示，当第三电力开关q3先关闭时，第一电力开关q1仍维持导通。此时可让电流先流经体二极管。如图4b所示，经过一段预设时间(例如1us～5us)后，第一电力开关q1才延迟关闭，由以达到零电压切换，以减少寄生电感产生的谐振电压。

同理，如图5a及图5b所示，第二电力开关q2与第四电力开关q4之间也可具有导通时间差。当第二电力开关q2先导通时，第四电力开关q4仍维持关闭。此时可让电流先流经体二极管。经过一段预设时间后，第四电力开关q4才延迟导通，由以达到零电压切换，以减少寄生电感产生的谐振电压。

同理，如图6a及图6b所示，第四电力开关q4与第二电力开关q2之间也可具有关闭时间差。当第四电力开关q4先关闭时，第二电力开关q2仍维持导通。此时可让电流先流经体二极管。经过一段预设时间后，第二电力开关q2才延迟关闭，由以达到零电压切换，由以减少寄生电感产生的谐振电压。

接着，请参照图7a。图7a为于一实施例中，输入电压、输出电压、第一预设电压、第二预设电压及第一脉宽调变信号～第四脉宽调变信号在预充电期间与正常运作期间内的时序图。

如图7a所示，在预充电期间t2内，预充电电路提供预充电电压给输出节点out，控制电路30提供第一脉宽调变信号pwm1～第四脉宽调变信号pwm4用以分别驱动相对应的第一电力开关q1～第四电力开关q4。

假设第三电力开关q3在第一电力开关q1为关闭状态，则在预充电期间t2内的第一脉宽调变信号pwm1、第二脉宽调变信号pwm2及第四脉宽调变信号pwm4可包括多个脉冲，输出节点out的输出电压vout会在预充电期间t2内从零预充电至1/2(输出电压vin)，第一接脚vdrv提供的第二预设电压v2在预充电期间t2内由零增加至与工作电压接脚vcc提供的第一预设电压v1相等。由此，本发明可减少输出节点out从开机起始至结束的电压差，进而减少输出电流的变化，以达到抑制浪涌电流的效果。

此外，于正常运作期间t3内，对应于第一电力开关q1的第一脉宽调变信号pwm1与对应于第三电力开关q3的第三脉宽调变信号pwm3均运作于第一相且对应于第二电力开关q2的第二脉宽调变信号pwm2与对应于第四电力开关q4的第四脉宽调变信号pwm4均运作于第二相，第一相与第二相彼此反相。

于另一实施例中，如图7b所示，在预充电期间t2内的第一脉宽调变信号pwm1、第二脉宽调变信号pwm2及第四脉宽调变信号pwm4也可维持常开状态而达到相同的效果。于正常运作期间t3内，对应于第一电力开关q1的第一脉宽调变信号pwm1与对应于第三电力开关q3的第三脉宽调变信号pwm3均运作于第一相且对应于第二电力开关q2的第二脉宽调变信号pwm2与对应于第四电力开关q4的第四脉宽调变信号pwm4均运作于第二相，第一相与第二相彼此反相。

依据本发明的一具体实施例为一种输出级装置运作方法。于此实施例中，输出级装置具有第二接脚、第二接脚及工作电压接脚。输出级装置包括第一电力开关、第一驱动单元及位准移位电路。第一驱动单元耦接第二接脚及第一电力开关。位准移位电路耦接工作电压接脚及第一驱动单元。

请参照图8，图8为输出级装置运作方法的流程图。如图8所示，输出级装置运作方法可包括下列步骤：

步骤s10：进入输出级装置的启动期间；

步骤s12：位准移位电路通过工作电压接脚接收第一预设电压；以及

步骤s14：第一驱动单元通过第二接脚接收第二预设电压，第二预设电压于预设时间内具有一斜率(slewrate)。

于一实施例中，位准移位电路根据脉宽调变信号控制第一驱动单元驱动第一电力开关。于预充电期间内，脉宽调变信号均维持于高位准(常开)或脉宽调变信号包含多个脉冲。

于一实施例中，输出级装置还包括第二电力开关及第二驱动单元。第二电力开关与第一电力开关串接于输入电压及接地端之间。第二驱动单元耦接第二接脚及第二电力开关。于正常运作期间内，第一电力开关运作于第一相且第二电力开关运作于第二相。第一相与第二相彼此反相。

由于位准移位电路通过工作电压接脚所接收的第一预设电压不同于第一驱动单元通过第二接脚所接收的第二预设电压，并且第二预设电压于预设时间内具有一斜率，亦即第二预设电压是从低位准缓缓上升至高位准，而不是瞬间从低位准上升至高位准。由此，第一驱动单元能够缓缓开启第一电力开关，而不会发生现有技术中的第一电力开关忽然完全导通而瞬间产生浪涌电流的现象。

相较于现有技术，本发明的电源转换装置、输出级装置及其运作方法提供具有斜率的电源电压给上桥驱动单元，使得上桥驱动单元能够缓缓开启上桥电力开关，避免上桥电力开关忽然完全导通而产生瞬间的大电流输出形成浪涌电流。

此外，本发明也可通过预充电方式对输出节点进行预充电，由以减少输出节点从开机起始至结束的电压差，进而减少输出电流的变化，达到抑制浪涌电流的效果。

由此，本发明的电源控制电路及电源转换装置能够有效避免一侧的电源转换电路的输出电压上升，也可防止在负载开关完全关闭前负载受到过大的输出电压而毁损，由以提供双重保护的功效。