CN101145065A - 具有过电流保护的切换式稳压装置 - Google Patents

Abstract

一种具有过电流保护的切换式稳压装置包含一输出电路、一误差放大器、一脉冲宽度调制器、一过电流保护单元、一栅极驱动单元。本发明藉由监控误差讯号的电压高低变化，来检测到外部的输出电流的变化以提供电路的过电流保护，所以可减少因外加电阻造成的功率损耗以提升电压转换效率。

Description

具有过电流保护的切换式稳压装置

技术领域

本发明涉及切换式稳压器(switching regulator)，特别是涉及一种过电流保护(over-current protection)的切换式稳压器。

背景技术

切换式稳压装置是借着调整电源电路的开关时间，来得到不同的输出电压与电流。图1为传统切换式稳压装置的结构方块图。如图1所示，传统切换式稳压装置100包含一误差放大器(error amplifier)102、一脉冲宽度调制器(pulse width modulator)104、一栅极驱动单元(gate driver)106、一输出电路(tankcircuit)120与一负载130。切换式稳压装置的工作原理为利用输出电压V_out与参考电平电压V_ref的比较，来控制开关(switch)电路108的两个晶体管(transistor)开关108a与108b的开关时间，以达到稳定电压的目的。在输出电压V_out低于参考电平电压V_ref时，控制电路会将开关108a开启，开关108b关闭，电能便储存在整流电感110与输出电容112，从而提升输出电压V_out。反之，在输出电压V_out高于参考电平电压V_ref时，控制电路会将开关108b开启，开关108a关闭，整流电感110与输出电容112会负起维持电流与电压的任务，进而降低输出电压V_out。

一般而言，传统切换式稳压装置100最常用的控制方法是直接或间接比对误差放大器102输出的误差讯号Vc与一个三角波的电平(周期信号)，以分别决定开关108a、108b开启时间的长短，亦即利用所谓的脉冲宽度调制法来控制开关108a与108b的工作周期(duty cycle)。即开关108a开启时间(工作周期)越长，开关108b开启时间越短，负载电流I_L越大。开关108a开启时间(工作周期)越短，开关108b开启时间越长，负载电流I_L越小。

图2a、2b分别为图1外加电阻后的结构方块图。为防止输出电流过高而超出系统设计负载(load)所能承受的上限，传统的切换式稳压装置200(250)会在PMOS晶体管开关108a的源极(source)端(图2a)，或是在整流电感110的电流路径上(图2b)加装一电阻(resistor)R，利用电阻R上的跨压量测开关108a源极端的电流，以随时监控输出电流值。然而，上述的外加电阻的电流量测方式有以下的缺点：第一，由于切换式稳压装置所具有的低输出电压、高电流量特性，电阻R的值不能太大，否则功率消耗太多，造成转换效率下降；第二，开关108a的源极端的电流不是直流形式，必须以峰值(peak)电流推算实际输出电流值。

发明内容

本发明的目的之一，在于提供一种具有过电流保护的切换式稳压装置。

本发明的目的之一，在于提供一种具有过电流保护的稳压方法。

为实现上述目的，本发明的过电流保护的切换式稳压装置包含有一输出电路，其接收一驱动讯号，用以将该驱动讯号转换成一输出电压与一输出电流；一第一比较器，比较一参考电平电压与该输出电压，以产生一误差讯号；一第二比较器，比较该误差讯号与一周期讯号，以产生一脉冲讯号；一过电流保护单元，用以将一控制讯号致能；一栅极驱动单元，其根据该脉冲讯号与该控制讯号以产生该驱动讯号。

在本发明的一实施例中，过电流保护单元根据误差讯号与一预设标准电压，以产生一控制讯号。

依据本发明的实施例，亦披露一种具有过电流保护的稳压方法，使用于一切换式稳压装置，该切换式稳压装置用以产生一输出电压，该方法包含有比较该输出电压与一参考电平电压以产生一误差讯号；比较该误差讯号与一周期讯号以产生一脉冲讯号，同时比较该误差讯号与一预设标准电压以将一控制讯号致能；依据该脉冲讯号与该控制讯号以产生一驱动讯号；以及依据该驱动讯号以产生该输出电压。

下面结合附图、实施例的详细说明及权利要求，将上述及本发明的其它目的与优点详述于后。

附图说明

图1为传统切换式稳压装置的结构方块图。

图2a、2b分别为图1外加电阻后的结构方块图。

图3为本发明的具有过电流保护的切换式稳压装置的结构示意图。

图4a、4b说明切换式稳压装置的二种过电流的状况。

图5为过电流保护单元的结构示意图。

图6为本发明的具有过电流保护的稳压方法的流程图。

图7为本发明的具有过电流保护的切换式稳压装置的另一实施例示意图。

图8为图7的过电流保护单元的实施例示意图。

附图符号说明

100、200、250传统切换式稳压装置

102误差放大器

104脉冲宽度调制器

106栅极驱动单元

108开关电路

108a，、108b晶体管开关

110整流电感

112输出电容

120输出电路

300、700具有过电流保护的切换式稳压装置

310、710过电流保护单元

350、750控制芯片

511第三比较器

512第一计数逻辑电路

513第二计数逻辑电路

514第三计数逻辑电路

515或门

516第一时钟产生器

517第二时钟产生器

812第四计数逻辑电路

814第五计数逻辑电路

816第三时钟产生器

817第四时钟产生器

具体实施方式

图3为本发明的具有过电流保护的切换式稳压装置的结构示意图。具有过电流保护的切换式稳压装置300具有一误差放大器102、一脉冲宽度调制器104、一过电流保护单元310、一栅极驱动单元106、一输出电路120与一负载130。

误差放大器102比较一参考电平电压V_ref与输出电压V_out，以产生一误差讯号Vc，误差讯号Vc的不同的振幅高低，将造成脉冲宽度调制器104所产生的脉冲讯号具有不同的工作周期。脉冲宽度调制器104比较误差讯号Vc与一周期讯号之后，产生一脉冲讯号。过电流保护单元310比较误差讯号Vc的电压与一预设标准电压Vs之后，若判断切换式稳压装置300是在过电流状态，将一控制讯号致能以控制栅极驱动单元106的操作，也就是将开关108a关闭以降低输出电流I_L。栅极驱动单元106根据脉冲讯号与控制讯号以产生一驱动讯号来控制开关108a与108b，其中栅极驱动单元106依据脉冲讯号以控制开关108a与108b的方式为现有技术，故于此不再赘述。输出电路120接收此驱动讯号，用以将驱动讯号转换成一输出电压V_out与一输出电流I_L。

其中，脉冲宽度调制器104所输出的一连串的脉冲讯号具有固定的频率与电压电平，但具有变动的工作周期以改变负载的输出电流I_L，进而使输出电压V_out维持稳定。

图4a、4b说明切换式稳压装置300的二种过电流的状况。第一种过电流情况如图4a所示，误差讯号Vc在一预定时间中(例如Ta>＝160us)超出预设标准电压Vs的次数大于一第一临界值(例如7次)时，表示此时的输出电流I_L可能已超过电路设计的标准负载电流的上限。其中，预设标准电压Vs可依据电路设计的标准负载电流来决定。因此，预设标准电压Vs可依据切换式稳压装置300的不同负载量去调整。至于，第二种过电流情况，如图4b所示，误差讯号Vc持续超出预设标准电压Vs的时间过长(例如Tb>＝70us)，表示此段时间中输出电流I_L可能持续超过电路设计的标准负载电流的上限，且开关108a的开启时间过长，此时可能是发生短路状况。

图3所示的实施例中，误差放大器102、一脉冲宽度调制器104、一过电流保护单元310、以与门极驱动器106位于一控制芯片350之内。另一实施例中，该控制芯片350亦可包括开关电路108。

图5为过电流保护单元的结构示意图。过电流保护单元310包含一第三比较器511、一第一计数逻辑电路512、一第二计数逻辑电路513、一第三计数逻辑电路514与一或门515。第三比较器511比较误差讯号Vc与预设标准电压Vs的大小，以产生一比较讯号。第一计数逻辑电路512接收比较讯号之后，用以累计误差讯号Vc的电压超过预设标准电压Vs的连续次数(参考第4a图)，并在次数超出第一临界值时，将一第一控制讯号致能。同时，在每次误差讯号Vc的电压超过该预设标准电压Vs时，第一计数逻辑电路512亦产生一第一重置讯号以重置第三计数逻辑电路514。第三计数逻辑电路514用来计数一时间T₂，当时间T₂超出一第三临界值时，即产生一第二重置讯号以重置第一计数逻辑电路512，而当第三计数逻辑电路514接收到该第一重置讯号后，则重置已计数的时间T₂，并重新计数时间T₂。

请继续参照图5，第二计数逻辑电路513亦接收比较讯号，当误差讯号Vc的电压超过预设标准电压Vs时，第二计数逻辑电路513即计算误差讯号Vc的电压持续超过预设标准电压Vs的时间(参考图4b)T₁，并在时间T₁超出一第二临界值时，将一第二控制讯号致能。另外，或门515在接收到第一控制讯号或第二控制讯号后，即产生控制讯号以控制栅极驱动单元106的操作，亦即使栅极驱动单元106产生驱动讯号将开关108a关闭以降低输出电流I_L。

其中，设置第三计数逻辑电路514的目的是为了使第一计数逻辑电路512的运作更精确。譬如，当两次相邻的误差讯号Vc的电压超过预设标准电压Vs的时间间隔太久，超出一定的时间(如前述的第三临界值)时，第三计数逻辑电路514即产生第二重置讯号将第一计数逻辑电路512重置，使第一计数逻辑电路512中的计数器的次数再从零开始计算。

上述实施例中，第一计数逻辑电路512与第二计数逻辑电路513以及第三计数逻辑电路514分别连接到二组不同频率的时钟产生器(clockgenerator)。例如，连接到第一计数逻辑电路512与第二计数逻辑电路513的第一时钟产生器516产生100KHz的固定频率的第一脉冲讯号，而连接到第三计数逻辑电路514的第二时钟产生器517产生1MHz的固定频率的第二脉冲讯号。

本发明各实施例可设置于芯片350内部，并藉由监控误差讯号Vc的电压高低变化，以检测及控制芯片350外部的输出电流I_L的变化。另外，预设标准电压Vs可直接由控制芯片350作设定或调整，以适用于可调制输出电压的装置。

图6为本发明的具有过电流保护的稳压方法的流程图。本发明的具有过电流保护的稳压方法使用于一切换式稳压装置，此切换式稳压装置用以产生一输出电压V_out，此方法包含以下步骤：首先，在步骤S601中，比较输出电压V_out与一参考电平电压V_ref以产生一误差讯号Vc。接着，在步骤S602中，比较误差讯号Vc与一周期讯号以产生一脉冲讯号，同时比较误差讯号Vc与一预设标准电压Vs将一控制讯号致能。在步骤S603中，依据脉冲讯号与控制讯号以产生一驱动讯号。最后，在步骤S604中，依据驱动讯号以产生输出电压。

其中，在步骤S604中，当误差讯号Vc的电压超出预设标准电压Vs的次数大于一第一临界值，或者误差讯号Vc的电压超过预设标准电压Vs的连续时间大于一第二临界值时，将控制讯号致能以控制栅极驱动单元106的操作，将开关108a关闭以降低输出电流I_L。

图7为本发明的具有过电流保护的切换式稳压装置的另一实施例示意图。由图7可知，切换式稳压装置700与图3所示的切换式稳压装置300的差别在于过电流保护单元710是依据脉冲宽度调制器104所产生的脉冲讯号来将控制讯号致能，藉以控制栅极驱动单元106来产生驱动讯号，进而控制开关108a及108b。本实施例中，过电流保护单元710是检测脉冲宽度调制器104所输出脉冲讯号的脉冲宽度来将该控制讯号致能，当过电流保护单元710检测到脉冲讯号的宽度大于一预定脉冲宽度时(如800ns)，即开始计数，当于一预定时间内的累积计数次数超过一第四临界值时，过电流保护单元710将该控制讯号致能，以控制栅极驱动单元106产生驱动讯号，进而将开关108a关闭以降低输出电流I_L。

图8为图7所示的过电流保护单元710的一实施例示意图，由图8可知，第四计数逻辑电路812接收脉冲讯号，并依据第三时钟产生器816来计数该脉冲讯号中，大于预定脉冲宽度的脉冲的数目，第四计数逻辑电路812并于所计数的脉冲数目大于第四临界值时，将控制讯号致能且输出至栅极驱动单元106。另外，第四计数逻辑电路812于每次增加计数值时，亦产生一第三重置讯号以重置第五计数逻辑电路814。第五计数逻辑电路814依据第四时钟产生器817来计数一时间T₃，当时间T₃超出一第五临界值时，即产生一第四重置讯号以重置第四计数逻辑电路812，而当第五计数逻辑电路814接收到该第三重置讯号后，则重置已计数的时间T₃，并重新计数时间T₃。

以上虽以实施例说明本发明，但并不因此限定本发明的范围，只要不脱离本发明的要旨，本领域的技术人员可进行各种变形或变更。

Claims (9)

1.一种具有过电流保护的切换式稳压装置，包含：

一输出电路，接收一驱动讯号，用以依据该驱动讯号转换成一输出电压与一输出电流；

一第一比较器，比较一参考电平电压与该输出电压，以产生一误差讯号；

一第二比较器，比较该误差讯号与一周期讯号，以产生一脉冲讯号；

一过电流保护单元，计数该误差讯号大于一预设电压的次数，并在该次数高于一预设次数时，将一控制讯号致能；以及

一栅极驱动单元，根据该脉冲讯号与该控制讯号以产生该驱动讯号。

2.如权利要求1所述的切换式稳压装置，其中该过电流保护单元包含：

一第三比较器，比较该误差讯号与该预设电压，以产生一比较讯号；以及

一第一计数逻辑电路，接收该比较讯号，用以于一预定时间内计数该误差讯号的电压超过该预设电压的次数，并在该次数超出一第一临界值时，将该控制讯号致能。

3.如权利要求2所述的切换式稳压装置，其中该过电流保护单元进一步包含：

一第二计数逻辑电路，接收该比较讯号，用以累计该误差讯号的电压持续超过该预设电压的时间，并在该时间超出一第二临界值时，将该控制讯号致能。

4.如权利要求2所述的切换式稳压装置，其中该过电流保护单元进一步包含：

一第三计数逻辑电路，用以计数该预定时间，并于计数完该预定时间时，产生一重置讯号以重置该第一计数逻辑电路。

5.如权利要求1所述的具有过电流保护的切换式稳压装置，其中前述输出电路包含：

一开关单元，由多个晶体管所组成，该开关单元根据前述驱动讯号来产生该输出电压与该输出电流；

一电感，耦接至该多个晶体管；以及

一电容，耦接至该电感。

6.如权利要求1所述的具有过电流保护的切换式稳压装置，其中该第一比较器、该第二比较器、该过电流保护单元、该栅极驱动单元以及该开关单元内建于一控制芯片。

7.如权利要求1所述的具有过电流保护的切换式稳压装置，其中该第一比较器、该第二比较器、该过电流保护单元以及该栅极驱动单元内建于一控制芯片。

8.一种具有过电流保护的稳压方法，用以产生一输出电压，该方法包含有：

比较该输出电压与一参考电平电压以产生一误差讯号；

比较该误差讯号与一周期讯号以产生一脉冲讯号；

产生一控制讯号，计数该误差讯号于一预定时间内大于一预设电压的次数，并在该次数大于一第一临界值时将该控制讯号致能；

依据该脉冲讯号与该控制讯号以产生一驱动讯号；以及

依据该驱动讯号以产生该输出电压。

9.如权利要求8所述的方法，其中前述产生一控制讯号的步骤中还包含：

计数该误差讯号的电压持续超过该预设电压的时间，并于该时间大于一第二临界值时，将该控制讯号致能。

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