CN100414823C - 主动式钳位电路以及电源供应系统 - Google Patents

Abstract

一种主动式钳位电路，适用于一直流-直流转换器，其中所述转换器具有一输出端，用以供应一输出电压至一负载，所述主动式钳位电路包括一判别电路，用以检测输出电压，当输出电压超过一第一参考电压时，输出一第一使能信号；一拉低电路，耦接判别电路，用以根据使能信号拉低输出电压；一电感，具有一第一端耦接于直流-直流转换器的输出端；以及一二极管，耦接于电感与所述直流-直流转换器的一输入端之间，以提供一电路流径，将部分放电电流回收至直流-直流转换器的输入端。

Description

主动式钳位电路以及电源供应系统

(1)技术领域

本发明有关一种主动式钳位电路，特别有关一种直流-直流转换器的主动式钳位电路。

(2)背景技术

如图1a及1b所示，一降压型直流-直流的转换电路10，是耦接一输入电压V_in，然后输出一输出电压V_CORE至负载LD。其中开关组件S1、S2会根据一外部信号切换，用以将输出电压V_CORE稳定地维持在一既定电平(如1.35V左右)。当输出电压V_CORE低于一第一电压电平(如1.3V)时，开关组件S₁导通、S₂截止，使得输入电压V_in对电容Co充电，以拉高输出电压V_CORE。反过来说，当输出电压高于一第二电压电平(如1.4V)时，则开关组件S₂导通、S₁截止，使得输入电压V_in停止对电容Co充电。

然而，瞬时响应是最常发生于负载产生大变化时，例如处理器(CPU)由休眠模式切换到正常模式时，或由正常模式切换到休眠模式时。请参阅图1a，举例来说，当CPU由休眠模式切换到正常模式时，负载LD会由轻载进入重载，输出电压V_CORE的电平会瞬间被拉低，故开关组件S₁会导通、开关组件S₂会截止，使得输入电压V_in对电容Co充电，以拉高输出电压V_CORE。此时，电感电流i_L的变化率会为

$\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{Vin}-V_{\mathrm{CORE}}}{L}.$

请参阅图1b，当CPU由正常模式切换到休眠模式时，负载LD会由重载进入轻载，输出电压V_CORE瞬间会拉高，故开关组件S₂会导通、开关组件S₁会截止，使得输出电压V_CORE藉由开关组件S₂放电至该既定电平。此时，电感电流i_L的变化率会为

$\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}=\frac{-V_{\mathrm{CORE}}}{L}.$

然而，由于降压型直流-直流转换电路10的输入电压V_in会远大于输出电压V_CORE，所以由重载进入轻载(during step-down)时的电流变化率，会比由轻载进入重载(during step-up)时的电流变化率小得多，即重载进入轻载(during step-down)时，输出电压V_CORE进入稳态的时间，将是轻载进入重载(during step-up)时的好几倍。也就是说，降压型直流-直流的转换电路在负载由重载转换到轻载时的瞬时响应很差。

(3)发明内容

有鉴于此，本发明的首要目的，是于直流-直流转换器的负载由重载转轻载时，藉由一主动式钳位电路，将输出电压的过冲(voltage overshoot)拉下来，让转换器较快速地进入稳态，以增进瞬时响应。

根据本发明一方面的主动式钳位电路，适用于一直流-直流转换器，其中所述直流-直流转换器具有一输出端，用以供应一输出电压至一负载，该主动式钳位电路包括一拉低电路，耦接于直流-直流转换器的输出端；一判别电路，用以检测输出电压，当输出电压超过一第一参考电压时，输出一第一使能信号，致能拉低电路以拉低输出电压；一电感，具有耦接于直流-直流转换器的输出端的一第一端；以及一二极管，耦接于电感与直流-直流转换器的一输入端之间。因此，当负载由重载转轻载，使输出电压超过一第一参考电压时，拉低电路会拉低输出电压的过冲(voltage overshoot)，藉以改善转换器于负载由重载转轻载时的瞬时响应。另外并藉由二极管提供一电路流径，将部分放电电流回收至直流-直流转换器的输入端。

根据本发明另一方面的一种主动式钳位电路，适用于一直流-直流转换器，其特征在于所述直流-直流转换器具有一输出端，用以供应一输出电压至一负载，所述主动式钳位电路包括：一检测电路，耦接所述直流-直流转换器的输出端，根据所述输出电压产生一第一电压信号及一第二电压信号；一比较器，耦接所述第一、第二电压信号，根据所述第一、第二电压信号，产生一第一使能信号；一电感，具有一第一端连接所述直流-直流转换器的输出端；一开关晶体管，具有一第一端及第二端，分别耦接所述电感的一第二端与一接地电位；一二极管，连接于所述电感的一第二端与所述直流-直流转换器的一输入端之间，以及一驱动器，用以根据所述第一使能信号，而导通所述开关晶体管，以拉低所述输出电压。

根据本发明又一方面的一种电源供应系统，包括：一直流-直流电压转换电路，用以将一输入电压转换成一输出电压，并藉由一输出端输出至一负载；一判别电路，用以检测所述输出电压，当所述输出电压超过一第一参考电压时，输出一第一使能信号；一电感，具有一第一端连接于所述直流-直流转换器的输出端；一二极管，耦接于所述电感与所述直流-直流转换器的一输入端之间；以及一拉低电路，耦接于所述判别电路，用以根据所述使能信号，拉低所述输出电压；其中当跨在所述二极管二端的电压差，大于所述二极管的导通电压时，所述二极管会导通以在所述电感与所述直流-直流转换器的输入端之间产生一电流路径。

本发明采用一种主动式钳位电路，当直流-直流转换器的输出电压，超过一第一参考电压时，可拉低输出电压的过冲(voltage overshoot)，藉以改善直流-直流转换器于负载由重载转轻载时的瞬时响应，并且藉由一电路流径将部分放电电流回收至直流-直流转换器的输入端。

为了让本发明的上述和其它目的、特点和优点能更明显易懂，下面将通过一较佳实施例，并配合附图进行详细说明。

(4)附图说明

图1a~1b为降压型直流-直流的转换电路的示意图。

图2是表示本发明的具有主动式钳位电路的直流-直流转换电路示意图。

图3是为本发明中输出电压V_CORE与开关晶体管S₄的动作的关系图。

图4中所示为已知直流-直流转换电路与本发明的直流-直流转换电路，于重载转轻载时瞬时响应的比较图。

(5)具体实施方式

图2是表示本发明的具有主动式钳位电路的电源转换系统100。如图2中所示，电感L₁、L_o、电容C1、C_o及开关组件S₁、S₂构成一降压型直流-直流电压转换器10(buck dc-to-dc converter)，是用以将输入电压V_in(例如12V)，转换成输出电压V_CORE输出至负载LD。其中，开关组件S₁、S₂是交替地导通，使得输出电压V_CORE维持在1.35V左右。举例来说，于输出电压V_CORE低于1.3V时，开关组件S₁会导通，而开关组件S₂截止，使得输入电压V_in对电容C_o充电。于输出电压高于1.4V时，开关组件S₁会截止，而开关组件S₂导通，则输入电压Vin停止对电容C_o充电。

另外，本发明的主动式钳位电路20包括一拉低电路22，耦接于直流-直流(dc-to-dc)转换电路10的输出端；以及一判别电路24，用以检测输出电压V_CORE，当输出电压V_CORE由于负载LD由重载转轻载，而超过一第一参考电压V_ref(如1.8V)时，输出一第一使能信号En，致能拉低电路22以拉低输出电压V_CORE。

于本实施例中，拉低电路22是由一开关晶体管S₄及一驱动器23所构成，其中驱动器23是由一NPN晶体管Q₁、一PNP晶体管Q₂以及一电阻R₅所组成，用以根据第一使能信号En，导通开关晶体管S₄，以拉低输出电压V_CORE。

此外，判别电路24是由一比较器25以及一检测电路26所构成，其中检测电路26是由电阻R₁~R₃及电容C₂所组成，电阻R₁及R₂皆具有一端是耦接到转换电路10的输出端。检测电路26是根据输出电压V_CORE产生一第一电压信号V₁及一第二电压信号V₂。由于第一电压信号V₁为电阻R₁、R₃对输出电压V_CORE的分压，因此第一电压信号V₁会随着输出电压V_CORE瞬时地变化，而第二电压信号V₂是为电容C₂上储存的电压，因此第二电压信号V₂将无法随着输出电压V_CORE瞬时地变化。比较器25是耦接第一电压信号V₁以及第二电压信号V₂，当第一电压信号V₁高于第二电压信号V₂时，比较器25会输出前述第一使能信号En，致使驱动器23去导通开关晶体管S₄。

于本实施例中，负载LD举例来说是为一中央处理器(CPU)，当CPU由休眠模式切换到正常模式时，即负载LD由轻载进入重载，输出电压V_CORE的电平会瞬间被拉低，故开关组件S₁会导通、开关组件S₂会保持截止，使得输入电压V_in对电容C_o充电，以拉高输出电压V_CORE。

又，当CPU由正常模式切换到休眠模式时，即负载LD由重载进入轻载，存于电感L_o中的能量会注入到输出电容C_o，故输出电压V_CORE瞬间会飙高即电压过冲(voltage overshoot)，即超过1.8V。因此开关组件S₂会导通、开关组件S₁截止，使得输出电压V_CORE藉由开关组件S₂慢慢放电。同时，由本发明中连接一主动钳位电路于直流-直流转换电路10的输出端，故当输出电压V_CORE超过一第一参考电压(如1.8V)时，则主动钳位电路20会拉低输出电压V_CORE的过冲，以缩短输出电压V_CORE进入稳态的时间，即改善转换器于负载由重载转轻载时的瞬时响应。

以下参照图3说明本发明的主动式钳位电路的动作，图3是为输出电压V_CORE与开关晶体管S₄的动作的关系图。由于检测电路26是耦接到转换电路10的输出端，因此当输出电压V_CORE超过第一参考电压V_ref(如1.8V)时，第一电压信号V₁就会高于第二电压信号V2，故比较器25会输出第一使能信号En，以导通开关晶体管S₄。此时，存于电感L₀中的能量就会藉由电感L₂、开关晶体管S₄流到地去，且输出电压V_CORE会降下来。当第一电压信号V₁低于第二电压信号V₂时，比较器25则停止输出使能信号En，故开关晶体管S₄会截止。此时，因为电感L₂上的电流无法瞬间改变，因此电感L₂上能量会使得开关晶体管S₄的第一端(连接到二极管D1的阳极)的电压上升。当跨在二极管D₁上的电压差，大于其导通电压时，二极管D1会导通，让电感L2上的能量回收到直流-直流转换电路10的输入端，直到直流-直流转换电路进入稳态响应。要注意的是，此时虽然输出电压V_CORE低于第一参考电压V_ref以下，但仍然大于1.3V，因此开关组件S₁不会导通。

图4中所示为已知直流-直流转换电路与本发明的直流-直流转换电路，于重载转轻载时瞬时响应的比较图。曲线C_r1表示已知直流-直流转换电路于重载转轻载时，输出电压V_CORE的变化，曲线C_r2使用本发明所提的主动虚拟负载后直流-直流转换电路由重载转轻载时，输出电压V_CORE的变化。由图可知，藉由本发明的主动式钳位电路，可以在负载重载转轻载时，比已知转换电路更快将存于电感L_o中的能量释放掉，故可以改进负载由重载转轻载时的瞬时响应，并且同时可以将释放的瞬时能量回收到直流-直流转换电路的输入端，以提升直流-直流电压转换电路的运作效率。虽然于本实施例中，直流-直流转换电路是为一降压型直流-直流(buck dc-to-dc)电压转换电路，但并非用以限定本发明，故亦可为一升压型直流-直流电压转换电路(boost dc-to-dc converter)，或其它直流-直流电压转换电路。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉本技术的人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作出种种的等效更动与替换，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1. 一种主动式钳位电路，适用于直流-直流转换器，其中所述直流-直流转换器具有输出端，用以供应输出电压至负载，所述主动式钳位电路包括：

判别电路，用以检测所述输出电压，所述判别电路预设第一参考电压，于所述输出电压超过所述第一参考电压时，输出第一使能信号；

拉低电路，耦接所述判别电路，用以根据所述第一使能信号，拉低所述输出电压；

电感，具有耦接于所述直流-直流转换器的输出端的第一端；以及

第一开关组件，耦接于所述电感的第二端与所述直流-直流转换器的输入端之间，用以于所述第一开关组件导通时在所述电感与所述直流-直流转换器的输入端间产生电流路径。

2. 权利要求1所述的主动式钳位电路，其特征在于所述判别电路包括：

检测电路，耦接于该转换器的输出端，根据该输出电压产生第一电压信号，其为该输出电压的分压，以及第二电压信号，其与该第一参考电压相等；以及

比较器，耦接于该检测电路，所述比较器是接收该第一、第二电压信号，而于该第一电压信号大于该第二电压信号时，产生该第一使能信号，输出至该拉低电路。

3. 权利要求1所述的主动式钳位电路，其特征在于所述第一开关组件为二极管。

4. 如权利要求3所述的主动式钳位电路，其特征在于所述拉低电路包括：

开关晶体管，具有连接所述电感的第二端与所述二极管的阳极的第一端，以及耦接接地电位的第二端；以及

驱动器，用以根据所述第一使能信号，而导通所述开关晶体管，以拉低所述输出电压。

5. 如权利要求3所述的主动式钳位电路，其特征在于当跨在所述二极管二端的电压差大于所述二极管的导通电压时，所述二极管会导通，用以在所述电感与所述直流-直流转换器的输入端之间产生该电流路径。

6. 如权利要求1所述的主动式钳位电路，其特征在于所述直流-直流转换器至少包括：

第二、第三开关组件，耦接所述直流-直流转换器的输入电压，所述第二、第三开关组件是交替地导通，以维持所述输出电压于既定电平，其中所述输出电压高于第二参考电压时，所述第三开关组件导通，而所述输出电压低于第三参考电压时，所述第二开关组件导通，并且所述第一参考电压高于所述第二参考电压，所述第二参考电压高于所述第三参考电压。

7. 如权利要求1所述的主动式钳位电路，其特征在于所述直流-直流转换器为降压型直流-直流转换器。

8. 一种主动式钳位电路，适用于直流-直流转换器，其特征在于所述直流-直流转换器具有输出端，用以供应输出电压至负载，所述主动式钳位电路包括：

检测电路，耦接所述直流-直流转换器的输出端，根据所述输出电压产生第一电压信号及第二电压信号；

比较器，耦接所述第一、第二电压信号，根据所述第一、第二电压信号，产生第一使能信号；

电感，具有耦接于所述直流-直流转换器的输出端的第一端；

开关晶体管，具有第一端及第二端，分别耦接所述电感的第二端与接地电位；

二极管，连接于所述电感的第二端与所述直流-直流转换器的输入端之间，

以及

驱动器，用以根据所述第一使能信号，而导通所述开关晶体管，以拉低所述输出电压。

9. 如权利要求8所述的主动式钳位电路，其特征在于当跨在所述二极管二端的电压差大于所述二极管的导通电压时，所述二极管会导通，以在所述电感与所述直流-直流转换器的输入端之间产生电流路径。

10. 一种电源供应系统，包括：

直流-直流转换器，用以将输入电压转换成输出电压，并藉由输出端输出至负载；

判别电路，用以检测所述输出电压，当所述输出电压超过第一参考电压时，输出第一使能信号；

电感，具有耦接于所述直流-直流转换器的输出端的第一端；

二极管，耦接于所述电感的第二端与所述直流-直流转换器的输入端之间；

以及

拉低电路，耦接于所述判别电路，用以根据所述使能信号，拉低所述输出电压；其中当跨在所述二极管二端的电压差，大于所述二极管的导通电压时，所述二极管会导通以在所述电感与所述直流-直流转换器的输入端之间产生电流路径。

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