CN101114795A - 逆向电流防止电路及其方法 - Google Patents
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Abstract
同步切换式电压转换器具有第一开关、第二开关、以及电感，三者共同耦合于切换节点。逆向电流防止电路具有电流探测电路、电压探测电路、延迟时间调整电路、以及闭锁电路。当电感电流降低至一预定的临界电流时，电流探测电路产生一最初的防止信号。电压探测电路探测切换节点处的切换电压。响应最初的防止信号，延迟时间调整电路产生修正的防止信号，使得修正的防止信号与最初的防止信号间相差一可调整延迟时间。所述可调整延迟时间根据切换电压而调整。响应修正的防止信号，闭锁电路使得第二开关变为不导通。
Description
技术领域
本发明关于一种逆向电流防止电路，尤其关于一种用于同步切换式电压转换器的逆向电流防止电路，可准确地防止逆向电流的发生。
背景技术
图1(a)示出现有同步切换式电压转换器10的电路图。同步切换式电压转换器10将输入电压Vin转换成输出电压Vout，而供应至负载Ld。上侧开关SH耦合于输入电压Vin与切换节点SN间，而下侧开关SL则耦合于切换节点SN与接地电位间。在图1(a)所示的例子中，上侧开关SH由PMOS晶体管所实现而下侧开关SL则由NMOS晶体管所实现。电感L耦合于切换节点SN与输出端O间。切换控制电路12产生切换控制信号CS，例如脉冲宽度调制信号(Pulse WidthModulation，PWM)，用以决定上侧开关SH与下侧开关SL的导通与不导通。响应输出电压Vout的反馈，切换控制电路12调整切换控制信号CS的工作周期(Duty Cycle)，从而调节输出电压Vout。此外，输出电容Co耦合于输出端O，以便对输出电压Vout进行过滤。
图1(b)示出现有同步切换式电压转换器10的理想操作波形时序图。在时间ta至tb中，上侧开关SH导通且下侧开关SL不导通，使得电感电流IL从输入电压Vin经由上侧开关SH流向输出端O并且逐渐上升。在此情况下，切换节点SN处的切换电压VSN被拉高至输入电压Vin。在时间tb处，上侧开关SH转变为不导通且下侧开关SL转变为导通，使得电感电流IL从接地电位经由下侧开关SL流向输出端O并且逐渐下降。在此情况下，切换节点SN处的切换电压VSN瞬间被拉低至接地电位以下。当电感电流IL降低至一预定的临界电流Ith时，也就是在时间tc处，电感电流IL在感测电阻RS上所造成的电位差变为小于参考电压源Vref。结果，比较器CP1的非反相输入端所接收的电位大于反相输入端所接收的电位。由于比较器CP1因实际操作速度有限而造成反应时间tR，故必须等到时间td时比较器CP1所输出的防止信号PR1才会从低电平转变为高电平，其中td-tc＝tR。响应比较器CP1所输出的防止信号PR1的高电平，闭锁电路15输出低电平信号使得下侧开关SL不导通。理想上地，闭锁电路15使下侧开关SL不导通的时机安排于电感电流IL刚好降低至零的时候，也就是时间td，从而防止电感电流IL逆转方向而降低效率。为了达成这一理想效果，必须精确掌握电感电流IL的下降速率与比较器CP1的反应时间tR，从而决定适当的临界电流Ith。
然而，电感电流IL的下降速率正比于输出电压Vout且反比于电感L。假设临界电流Ith一经设定即维持恒定。倘若电感电流IL的下降速率太慢，则在下侧开关SL变为不导通时，电感电流IL仍未降低至零，如图2(a)所示。倘若电感电流IL的下降速率太快，则在下侧开关SL变为不导通时，电感电流IL已经逆转方向，如图2(b)所示。在这两种情况中，同步切换式电压转换器10的操作效率都发生降低的不良后果。
而且，所设定的临界电流Ith实际上会随着工艺参数变化与温度改变而发生变动。倘若临界电流Ith增大而变为过大的临界电流Ith’，如图3(a)所示，则下侧开关SL在电感电流IL尚未降低至零时已经变为不导通。倘若临界电流Ith减小而变为过小的临界电流Ith”，如图3(b)所示，则在电感电流IL已经逆转方向后下侧开关SL才变为不导通。在这两种情况中，同步切换式电压转换器10的操作效率都发生降低的不良后果。
发明内容
针对前述问题，本发明的目的在于提供一种逆向电流防止电路，应用于同步切换式电压转换器，即使在输出电压、电感值、工艺参数、温度等因素的变化影响下仍可准确地防止逆向电流的发生。
依据本发明的一个方面，提供一种逆向电流防止电路，应用于同步切换式电压转换器中。该同步切换式电压转换器具有第一开关、第二开关、以及电感，三者共同耦合于切换节点。当该第一开关导通且该第二开关不导通时，流经该电感的电感电流增加。当该第一开关不导通且该第二开关导通时，该电感电流则减少。该逆向电流防止电路包含：电流探测电路、电压探测电路、延迟时间调整电路、以及闭锁电路。当该电感电流降低至一预定的临界电流时，该电流探测电路产生最初的防止信号。电压探测电路探测该切换节点处的切换电压。响应该最初的防止信号，该延迟时间调整电路产生修正的防止信号，使得该修正的防止信号与该最初的防止信号间相差一可调整延迟时间。该可调整延迟时间根据该切换节点处的该切换电压而调整。响应该修正的防止信号，该闭锁电路使得该同步切换式电压转换器的该第二开关变为不导通。
依据本发明的另一方面，提供一种逆向电流防止方法，应用于同步切换式电压转换器中。该同步切换式电压转换器具有第一开关、第二开关、以及电感，三者共同耦合于切换节点。当该第一开关导通且该第二开关不导通时，流经该电感的电感电流增加，而当该第一开关不导通且该第二开关导通时，该电感电流则减少。该逆向电流防止方法包含：探测该电感电流；当该电感电流降低至一预定的临界电流时，产生最初的防止信号；探测该切换节点处的切换电压；响应该最初的防止信号而产生修正的防止信号，使得该修正的防止信号与该最初的防止信号间相差一可调整延迟时间；根据该切换节点处的该切换电压而调整该可调整延迟时间；以及响应该修正的防止信号，使得该同步切换式电压转换器的该第二开关变为不导通。
附图说明
图1(a)示出现有同步切换式电压转换器的电路图；
图1(b)示出现有同步切换式电压转换器的理想操作波形时序图；
图2(a)示出现有同步切换式电压转换器的实际操作波形时序图；
图2(b)示出现有同步切换式电压转换器的实际操作波形时序图；
图3(a)示出现有同步切换式电压转换器的实际操作波形时序图；
图3(b)示出现有同步切换式电压转换器的实际操作波形时序图；
图4示出依据本发明的同步切换式电压转换器的电路图；
图5示出依据本发明的同步切换式电压转换器的操作波形时序图；
图6示出依据本发明的延迟时间调整电路的例子的详细电路图；
图7示出依据本发明的可调整延迟电路的例子的详细电路图。
具体实施方式
下文中的说明与附图将使本发明的前述与其他目的、特征、以及优点更明显。现在将参考附图详细说明依据本发明的优选实施例。
图4示出依据本发明的同步切换式电压转换器40的电路图。具体而言，同步切换式电压转换器40具有同步切换电路11、切换控制电路12、驱动电路13、电流探测电路14、闭锁电路15、电压探测电路41、以及延迟时间调整电路42。同步切换式电压转换器40将输入电压Vin转换成输出电压Vout，而供应至负载Ld。同步切换电路11具有上侧开关SH、下侧开关SL、以及电感L。上侧开关SH耦合于输入电压Vin与切换节点SN间，而下侧开关SL则耦合于切换节点SN与接地电位间。在图4所示的例子中，上侧开关SH由PMOS晶体管所实现，而下侧开关SL则由NMOS晶体管所实现。电感L耦合于切换节点SN与输出端O间。切换控制电路12产生切换控制信号CS，例如脉冲宽度调制信号。切换控制信号CS经由驱动电路13而形成上侧驱动信号PH与下侧驱动信号PL，用以分别决定上侧开关SH与下侧开关SL的导通与不导通。响应输出电压Vout的反馈，切换控制电路12调整切换控制信号CS的工作周期，从而调节输出电压Vout。此外，输出电容Co耦合于输出端O，以便对输出电压Vout进行过滤。
依据本发明的同步切换式电压转换器40不同于现有同步切换式电压转换器10之处在于依据本发明的同步切换式电压转换器40设置有电压探测电路41与延迟时间调整电路42。具体而言，依据本发明的逆向电流防止电路由电流探测电路14、闭锁电路15、电压探测电路41、以及延迟时间调整电路42所共同构成。
电流探测电路14具有感测电阻RS、参考电压源Vref、以及比较器CP1。感测电阻RS串联耦合于下侧开关SL与接地电位间。参考电压源Vref表示预定的临界电流Ith。比较器CP1具有非反相输入端与反相输入端。非反相输入端耦合于感测电阻RS与下侧开关SL间的耦合点，并且反相输入端经由该参考电压源Vref而耦合于接地电位。电压探测电路41由比较器CP2与使能电路EL所实现。比较器CP2具有非反相输入端与反相输入端。非反相输入端耦合于切换节点SN，并且反相输入端耦合于接地电位。使能电路EL控制比较器CP2，使其于上侧开关SH导通时停止操作、但在上侧开关SH不导通时进行操作。
当电感电流IL降低至预定的临界电流Ith时，电流探测电路14产生最初的防止信号PR1。最初的防止信号PR1经过延迟时间调整电路42而调整成修正的防止信号PR2。修正的防止信号PR2与最初的防止信号PR1间相差一可调整延迟时间tadj。响应修正的防止信号PR2，闭锁电路15使得下侧开关SL变为不导通，从而防止逆向电流的发生。此种可调整延迟时间tadj是延迟时间调整电路42基于电压探测电路41所探测的切换节点SN处的切换电压VSN所确定。当闭锁电路15使得下侧开关SL变为不导通时，倘若切换节点SN处的切换电压VSN小于零，表示电感电流IL尚未降低至零，则可调整延迟时间tadj必须延长，使得修正的防止信号PR2延后产生。当闭锁电路15使得下侧开关SL变为不导通时，倘若切换节点SN处的切换电压VSN大于零，表示电感电流IL已经逆转方向，则可调整延迟时间tadj必须缩短，使得修正的防止信号PR2提早产生。
现在将参照图5详细说明依据本发明的同步切换式电压转换器40的防止逆向电流的操作方法如下。在时间t0至t1中，上侧开关SH导通且下侧开关SL不导通，因此电感电流IL逐渐上升，并且电压探测电路41处于停止操作的状态。从时间t1起，上侧开关SH不导通且下侧开关SL导通，因此电感电流IL逐渐下降。电压探测电路41被允许对于切换节点SN处的切换电压VSN进行探测操作，并产生电压探测信号VD。从电感电流IL降低至临界电流Ith起再经过比较器CP1的反应时间tR后，最初的防止信号PR1转变为高电平。假设在时间t0至t3的第一周期中，可调整延迟时间tadj、即设定为零，则修正的防止信号PR2与最初的防止信号PR1于相同时间转变为高电平，也就是时间t2。修正的防止信号PR2的高电平指示出使下侧开关SL变为不导通的时间。然而在时间t2，切换节点SN处的切换电压VSN小于零，表示电感电流IL尚未完全降低至零。换言之，在第一周期中，当下侧开关SL变为不导通时，电压探测信号VD处于低电平。响应电压探测信号VD的低电平，延迟时间调整电路42增加可调整延迟时间tadj，使其从零变为dt，以应用于下一周期。
在时间t3至t6的第二周期中，从电感电流IL降低至临界电流Ith起再经过比较器CP1的反应时间tR后，最初的防止信号PR1转变为高电平。由于可调整延迟时间tadj在第一周期过后已经增加为dt，所以第二周期的修正的防止信号PR2比最初的防止信号PR1还延迟了dt后才于时间t5转变为高电平。在时间t5，切换节点SN处的切换电压VSN小于零，表示电感电流IL尚未完全降低至零。换言之，在第二周期中，当下侧开关SL变为不导通时，电压探测信号VD处于低电平。响应电压探测信号VD的低电平，延迟时间调整电路42再次增加可调整延迟时间tadj，使其从dt变为2*dt，以应用于下一周期。
在时间t6至t9的第三周期中，从电感电流IL降低至临界电流Ith起再经过比较器CP1的反应时间tR后，最初的防止信号PR1转变为高电平。由于可调整延迟时间tadj在第二周期过后已经增加为2*dt，所以第三周期的修正的防止信号PR2比最初的防止信号PR1还延迟了2*dt后才于时间t8转变为高电平。在时间t8，切换节点SN处的切换电压VSN小于零，表示电感电流IL尚未完全降低至零。换言之，在第三周期中，当下侧开关SL变为不导通时，电压探测信号VD处于低电平。响应电压探测信号VD的低电平，延迟时间调整电路42再次增加可调整延迟时间tadj，使其从2*dt变为3*dt，以应用于下一周期。
在时间t9至t12的第四周期中，从电感电流IL降低至临界电流Ith起再经过比较器CP1的反应时间tR后，最初的防止信号PR1转变为高电平。由于可调整延迟时间tadj在第三周期过后已经增加为3*dt，所以第四周期的修正的防止信号PR2比最初的防止信号PR1还延迟了3*dt后才于时间t11转变为高电平。在时间t11，切换节点SN处的切换电压VSN大于零，表示电感电流IL已经发生方向逆转。换言之，在第四周期中，当下侧开关SL变为不导通时，电压探测信号VD处于高电平。响应电压探测信号VD的高电平，延迟时间调整电路42减少可调整延迟时间tadj，使其从3*dt变为2*dt，以应用于下一周期。
在时间t12至t15的第五周期中，从电感电流IL降低至临界电流Ith起再经过比较器CP1的反应时间tR后，最初的防止信号PR1转变为高电平。由于可调整延迟时间tadj在第四周期过后已经减少为2*dt，所以第五周期的修正的防止信号PR2比最初的防止信号PR1还延迟了2*dt后才于时间t14转变为高电平。在时间t14，切换节点SN处的切换电压VSN小于零，表示电感电流IL尚未完全降低至零。换言之，在第五周期中，当下侧开关SL变为不导通时，电压探测信号VD处于低电平。响应电压探测信号VD的低电平，延迟时间调整电路42增加可调整延迟时间tadj，使其从2*dt变为3*dt，以应用于下一周期。
事实上，第五周期的操作与第三周期的操作相同，其可调整延迟时间tadj均为2*dt。因此，第六周期(未示出)的操作将与第四周期的操作相同，其可调整延迟时间tadj均为3*dt。换言之，在图5所示的实施例中，可调整延迟时间tadj最后收敛于2*dt与3*dt间来回震荡。因此，依据本发明的逆向电流防止电路有效地使防止电流发生逆转方向的时间达到dt范围内的准确度。
图6示出依据本发明的延迟时间调整电路42的例子的详细电路图。参照图6，延迟时间调整电路42具有可调整延迟电路61、增减计数器62、增减判断电路63、以及脉冲产生器64。可调整延迟电路61接收最初的防止信号PR1，并且在经过可调整延迟时间tadj后输出修正的防止信号PR2。可调整延迟电路61所提供的可调整延迟时间tadj根据增减计数器62所产生的计数信号Num而决定。增减计数器62响应增减判断电路63所产生的增减信号U/D而使计数信号Num增加或减少。脉冲产生器64决定增减判断电路63的判断时机。具体而言，脉冲产生器64由修正的防止信号PR2所触发而产生脉冲信号PS。响应脉冲信号PS，增减判断电路63提取此时的电压探测信号VD的状态，作为增减信号U/D。当电压探测信号VD的状态为低电平时，增减信号U/D使增减计数器62的计数信号Num增加。当电压探测信号VD的状态为高电平时，增减信号U/D使增减计数器62的计数信号Num减少。将时脉信号CLK施加至增减计数器62，并且将切换控制信号CS与时脉信号CLK施加至增减判断电路63，以提供每周期的更新。
图7示出依据本发明的可调整延迟电路61的例子的详细电路图。在图7所示的实施例中，假设计数信号Num为一个四位的信号[B3，B2，B1，B0]。PMOS晶体管PQ与NMOS晶体管NQ构成充电/放电开关，其由最初的防止信号PR1所控制。当最初的防止信号PR1从低电平转变为高电平时，晶体管PQ导通且晶体管NQ不导通，使得输入电压Vin对于延迟节点NT充电。当最初的防止信号PR1从高电平转变为低电平时，晶体管PQ不导通且晶体管NQ导通，使得延迟节点NT放电至接地电位。延迟节点NT上的电压经过两个反相器后输出作为修正的防止信号PR2。
当位B0＝0时，开关晶体管G0导通，使得延迟节点NT可经由电容C0耦合于接地电位；当位B0＝1时，开关晶体管G0不导通，使得延迟节点NT不受电容C0的影响。当位B1＝0时，开关晶体管G1导通，使得延迟节点NT可经由电容C1耦合于接地电位；当位B1＝1时，开关晶体管G1不导通，使得延迟节点NT不受电容C1的影响。当位B2＝0时，开关晶体管G2导通，使得延迟节点NT可经由电容C2耦合于接地电位；当位B2＝1时，开关晶体管G2不导通，使得延迟节点NT不受电容C2的影响。当位B3＝0时，开关晶体管G3导通，使得延迟节点NT可经由电容C3耦合于接地电位；当位B3＝1时，开关晶体管G3不导通，使得延迟节点NT不受电容C3的影响。
延迟节点NT的充电/放电时间由耦合于延迟节点NT的电容值所决定。当耦合于延迟节点NT的电容值越高时，延迟节点NT的充电/放电时间越长，使得修正的防止信号PR2与最初的防止信号PR1间的可调整延迟时间tadj越长。因此，四个电容的电容值设计成[C3，C2，C1，C0]＝[8*C0，4*C0，2*C0，C0]。每当计数信号Num增加一时，耦合于延迟节点NT的电容值即相应地减少C0，导致可调整延迟时间tadj对应地减少一固定量，例如图5所示的dt。每当计数信号Num减少壹时，耦合于延迟节点NT的电容值即相应地增加C0，导致可调整延迟时间tadj相应地增加一固定量，例如图5所示的dt。
请注意虽然前述实施例仅对于同步降压式电压转换器加以说明，但依据本发明的逆向电流防止电路可应用至同步升压式电压转换器以及其他各种类型的同步切换式电压转换器。
虽然本发明已经通过将优选实施例作为示例加以说明，应该了解的是本发明不限于在此被公开的实施例。相反地，本发明意欲涵盖对于本领域技术人员而言明显的各种修改与相似配置。因此，权力要求的范围应根据最广的解释，以包容所有此类修改与相似配置。
Claims (10)
1.一种逆向电流防止电路，应用于同步切换式电压转换器中，所述同步切换式电压转换器具有第一开关、第二开关、以及电感，三者共同耦合于切换节点，使得当所述第一开关导通且所述第二开关不导通时，流经所述电感的电感电流增加，而当所述第一开关不导通且所述第二开关导通时，所述电感电流则减少，所述逆向电流防止电路包含：
电流探测电路，用以探测所述电感电流，当所述电感电流降低至预定的临界电流时，所述电流探测电路产生最初的防止信号；
电压探测电路，用以探测所述切换节点处的切换电压；
延迟时间调整电路，用以响应所述最初的防止信号而产生修正的防止信号，使得所述修正的防止信号与所述最初的防止信号间相差一可调整延迟时间，所述可调整延迟时间根据所述切换节点处的所述切换电压而调整；以及
闭锁电路，响应所述修正的防止信号，使得所述同步切换式电压转换器的所述第二开关变为不导通。
2.如权利要求1所述的逆向电流防止电路，其中：
当所述电压探测电路探测到所述切换节点处的所述切换电压具有第一极性时，所述延迟时间调整电路缩短所述可调整延迟时间，并且
当所述电压探测电路探测到所述切换节点处的所述切换电压具有第二极性时，所述延迟时间调整电路延长所述可调整延迟时间。
3.如权利要求2所述的逆向电流防止电路，其中：
所述第一极性表示所述切换节点处的所述切换电压大于零，并且
所述第二极性表示所述切换节点处的所述切换电压小于零。
4.如权利要求1所述的逆向电流防止电路，其中：
所述电压探测电路由比较器所实现，所述比较器具有非反相输入端与反相输入端，所述非反相输入端耦合于所述切换节点，并且所述反相输入端耦合于接地电位。
5.如权利要求4所述的逆向电流防止电路，其中：
所述电压探测电路还设有使能电路，用以控制所述比较器，使其于所述第一开关导通时停止操作但在所述第一开关不导通时进行操作。
6.如权利要求1所述的逆向电流防止电路，其中：
所述电流探测电路包含：
电阻，串联耦合于所述第二开关与接地电位间；
参考电压源，用以表示所述预定的临界电流；以及
比较器，具有非反相输入端与反相输入端，所述非反相输入端耦合于所述电阻与所述第二开关间的耦合点，并且所述反相输入端经由所述参考电压源而耦合于所述接地电位。
7.如权利要求1所述的逆向电流防止电路，其中：
所述延迟时间调整电路包含：
可调整延迟电路，用以接收所述最初的防止信号，并且在经过所述可调整延迟时间后输出所述修正的防止信号；
增减计数器，用以施加计数信号至所述可调整延迟电路，以决定所述可调整延迟时间；以及
增减判断电路，用以根据所述电压探测电路所探测的所述切换节点处的所述切换电压而施加增减信号至所述增减计数器使得所述计数信号增加或减少。
8.如权利要求7所述的逆向电流防止电路，其中：
所述延迟时间调整电路还包含：
脉冲产生器，由所述修正的防止信号所触发而产生脉冲信号，所述脉冲信号施加至所述增减判断电路，用以允许所述增减判断电路提取所述电压探测电路所探测的所述切换节点处的所述切换电压。
9.如权利要求7所述的逆向电流防止电路，其中：
当所述切换节点处的所述切换电压具有第一极性时，所述增减判断电路施加所述增减信号至所述增减计数器使得所述计数信号增加，并且
当所述切换节点处的所述切换电压具有第二极性时，所述增减判断电路施加所述增减信号至所述增减计数器使得所述计数信号减少。
10.如权利要求9所述的逆向电流防止电路，其中：
所述第一极性表示所述切换节点处的所述切换电压大于零，并且
所述第二极性表示所述切换节点处的所述切换电压小于零。
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2006
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| CN104052276A (zh) * | 2013-03-15 | 2014-09-17 | 马克西姆综合产品公司 | 自动调整用于开关调节器的零交叉电路的系统和方法 |
| CN104052276B (zh) * | 2013-03-15 | 2018-11-09 | 马克西姆综合产品公司 | 自动调整用于开关调节器的零交叉电路的系统和方法 |
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