CN101453161B - 具有过电流保护的切换式转换器 - Google Patents
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Abstract
切换式转换器包含第一开关、第二开关、输出电感、输出电容、误差放大器、比较器以及控制电路。该控制电路用来控制该第一开关与该第二开关的开启与关闭。该控制电路包含电容、第一充电泵以及第二充电泵。该电容耦接于该第一开关与该第二开关的控制端。该第一充电泵的控制端是耦接于该比较器，输出端是耦接于该电容。该第二充电泵的控制端是耦接于该比较器的输出端，输出端是耦接于该电容及该第一充电泵。
Description
技术领域
本发明是提供一种具有过电流保护的切换式转换器及方法，尤指一种利用两个充电泵来对一电容进行充放电来达到过电流保护的切换式转换器及方法。
背景技术
转换器通常包含切换式转换器(Switching Regulator)与线性转换器(Liner Regulator)两种，其中，线性转换器使用起来方便且便宜，但是效率很差，通常会消耗掉50％的功率。而切换式转换器利用切换电流的方式将输出电压维持在所设定的数值，其所供应的电流大小有限制，切换式转换器有高频的噪声的问题，但是切换是转换器具有很好的功率转换效果，于现在的电路设计中，占了很重要的部分。
请参考图1。图1为先前技术切换式转换器10的示意图。切换式转换器10包含第一开关Q1、第二开关Q2、控制芯片12、输出电感Lo、输出电容Co以及负载Rload。控制芯片12包含第一输入端122，耦接于输出电感Lo与输出电容Co的接点，第二输入端124用来接收参考电压Vref，输出端126、128是耦接于第一开关Q1与第二开关Q2的控制端，用来控制第一开关Q1与第二开关Q2的开启与关闭。当第一开关Q1开启时，输入电压Vin会对输出电感Lo及输出电容Co进行充电，当第一开关Q1关闭且第二开关Q2开启时，输出电压Vo会通过输出电感Lo及输出电容Co进行放电。输出电压Vo为负载Rload的跨压。
于先前技术中，为了测量负载的电流，通常会在第一开关Q1的源极端或是输出电感Lo的电流路径上加装数十毫欧姆的电阻，利用此电阻上的跨压测量电流。此种方式会造成几个缺点，当为高电流负载时，该毫欧姆的电阻消耗的功率占输出功率比例过大，造成转换效率下降，且第一开关Q1的源极端电流并非直流形式，必须以峰值电流推算实际输出电流值。
发明内容
本发明是提供一种具有过电流保护的切换式转换器，其包含第一开关、第二开关、输出电感、输出电容、误差放大器、比较器以及控制电路。该第二开关耦接于该第一开关，该输出电感耦接于该第一开关与该第二开关的接点。该控制电路用来控制该第一开关与该第二开关的开启与关闭。该误差放大器具有第一输入端，耦接于该输出电感与该输出电容的接点，用来接收输出电压，第二输入端，用来接收参考电压，该误差放大器用来根据两输入端接收的信号产生误差信号。该比较器具有第一输入端，耦接于该误差放大器的输出端，及第二输入端。该控制电路包含电容、第一充电泵以及第二充电泵。该电容耦接于该第一开关与该第二开关的控制端。该第一充电泵的控制端是耦接于该比较器，输出端是耦接于该电容，该第一充电泵用来产生对该电容充电的第一电流。该第二充电泵的控制端是耦接于该比较器的输出端，输出端是耦接于该电容及该第一充电泵，该第二充电泵用来产生对该电容放电的第二电流。
本发明是提供一种电压切换的方法，该方法包含根据控制信号开启第一开关，对输出电感与输出电容进行充电；根据该控制信号关闭该第一开关并开启第二开关，对该输出电感与该输出电容进行放电；根据该输出电容的跨压与参考电压产生误差信号；比较该误差信号与锯齿波信号产生脉宽调制信号；以及根据该脉宽调制信号对电容进行充电与放电。
附图说明
图1为先前技术切换式转换器的示意图。
图2为本发明切换式转换器的示意图。
图3为图2中控制逻辑的示意图。
[主要元件标号说明]
10、20 切换式转换器
Q1 第一开关 Q2 第二开关
12 控制芯片 Lo 输出电感
Co 输出电容 Rload 负载
122、222、242 第一输入端
124、224、244 第二输入端
126、128、226、246 输出端
Vref 参考电压
Vin 输入电压 Vo 输出电压
22 误差放大器 24 比较器
28 参考电压产生器
27 控制逻辑单元 29 过电流保护单元
Vsaw 锯齿波信号 VPWM 脉宽调制信号
26 控制电路 C 电容
32 第一充电泵 34 第二充电泵
36 反相器 V 电容跨压
V1 电压源 I1 第一电流
I2 第二电流
具体实施方式
请参考图2。图2为本发明一切换式转换器20的示意图。切换式转换器20包含第一开关Q1、第二开关Q2、输出电感Lo、输出电容Co、误差放大器22、比较器24以及控制电路26，控制电路26包含有控制逻辑单元27以及过电流保护单元29。第二开关Q2耦接于第一开关Q1，输出电感Lo耦接于第一开关Q1与第二开关Q2的接点。控制电路26用来控制第一开关Q1与第二开关Q2的开启与关闭。误差放大器22具有第一输入端222，耦接于输出电感Lo与输出电容Co的接点，用来接收输出电压Vo，第二输入端224，用来接收参考电压Vref，误差放大器22用来根据两输入端接收的信号产生误差信号。比较器24具有第一输入端242，耦接于误差放大器22的输出端226，及第二输入端244，用来接收锯齿波信号Vsaw。控制电路26的输入端是耦接于比较器24的输出端246，用来接收脉宽调制信号VPWM，输出端耦接于第一开关Q1与第二开关Q2的控制端，用来控制第一开关Q1与第二开关Q2的开启与关闭。当第一开关Q1开启时，输入电压Vin会对输出电感Lo及输出电容Co进行充电，当第一开关Q1关闭且第二开关Q2开启时，输出电压Vo会通过输出电感Lo及输出电容Co进行放电。其中，第一开关Q1与第二开关Q2为金属氧化物半导体晶体管，第一开关Q1为P型金属氧化物半导体晶体管，第二开关Q2为N型金属氧化物半导体晶体管。切换式转换器20还包含 参考电压产生器28，耦接于误差放大器22的第二输入端224，用来产生参考电压Vref。脉宽调制信号VPWM的工作周期(Duty-Cycle)与提供的电流有正比关系，亦即工作周期越长，提供电流值则越大。请注意，在此控制电路26包括有控制逻辑单元27以及过电流保护单元29，控制逻辑单元27为控制电路26中主要的逻辑元件，用来控制第一开关Q1与第二开关Q2的开启与关闭。过电流保护单元29为控制逻辑单元27的辅助电路，可提供控制电路26目前电流负载的情况，则控制逻辑单元27据以判断是否要开启或关闭第一开关Q1与第二开关Q2。
请参考图3。图3为图2中控制逻辑单元27的示意图。控制逻辑单元27包含电容C、第一充电泵32、第二充电泵34以及反相器36。第一充电泵32的控制端用来接收脉宽调制信号(耦接于比较器24的输出端246，请参考图2)，输出端是耦接于电容C，第一充电泵32用来产生对电容C充电的第一电流I1。反相器36是耦接于第二充电泵34的控制端，用来对该脉宽调制信号进行反相运算。第二充电泵34的控制端是耦接于反相器36的输出端，用来接收经过反相运算的脉宽调制信号，输出端是耦接于电容C及第一充电泵32，第二充电泵34用来产生对电容C放电的第二电流I2。其中，V为电容跨压，第一充电泵32的输入端是耦接于电压源V1，第二充电泵34的输入端是耦接于地。
请继续参考图3。根据该脉宽调制信号对电容C进行充电、放电，当该脉宽调制信号为高电平时，对电容C进行充电，当该脉宽调制信号为低电平时，对电容C进行放电。假设第二电流I2为第一电流I1的四倍，即对应至80％的工作周期，即原设计中工作周期的上限。亦可以通过改变电流比例来随之调整工作周期的上限值。若工作周期超过80％，表示此电路已经超出原设计的安全范围，电容跨压V会随之上升，当此电容跨压V超过预设的参考电压时，即关闭电流供应，达到过电流保护的目的。
以上所述的实施例仅用来说明本发明，并不局限本发明的范畴。文中所提到第二电流I2为第一电流I1的四倍，但并不局限于此。可视电路的需求，调整第二电流I2与第一电流I1的比例，进而通过改变电流比例来随之调整工作周期的上限值。
由上可知，本发明提供一种具过电流保护的切换式转换器。利用第一充电泵32以及第二充电泵34来对电容C进行充电、放电，先设定第二电流I2 与第一电流I1的大小，当工作周期超过原先的设计，表示此电路已经超出安全范围。亦可以通过调整第二电流I2与第一电流I1的比例，来调整工作周期的上限值，适用于可调制输出电压的系统。且本发明无须外加被动元件来测量输出电流，不但可以节省成本，且不会因为外部电阻造成的功率耗损以提升电压转换效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种具有过电流保护的切换式转换器，包含有：
第一开关；
第二开关，耦接于该第一开关；
输出电感，耦接于该第一开关与该第二开关的接点；
输出电容，耦接于该输出电感；
误差放大器，其具有第一输入端，耦接于该输出电感与该输出电容的接点，用来接收输出电压，第二输入端，用来接收参考电压，该误差放大器用来根据两输入端接收的信号产生误差信号；
比较器，其具有第一输入端，耦接于该误差放大器的输出端，及第二输入端，用来接收锯齿波信号；以及
控制电路，其输入端是耦接于该比较器的输出端，输出端耦接于该第一开关与该第二开关的控制端，用来控制该第一开关与该第二开关的开启与关闭，该控制电路包含控制逻辑单元及过电流保护单元，其中该控制逻辑单元包含：
电容，耦接于该第一开关与该第二开关的控制端；
第一充电泵，其控制端是耦接于该比较器的输出端，输出端是耦接于该电容，该第一充电泵用来产生对该电容充电的第一电流；以及
第二充电泵，其控制端是耦接于该比较器的输出端，输出端是耦接于该电容及该第一充电泵，该第二充电泵用来产生对该电容放电的第二电流，
反相器，耦接于该第二充电泵的控制端及该比较器的输出端之间，用来对该比较器输出的信号进行反相运算。
2.根据权利要求1所述的切换式转换器，其中该第一开关与该第二开关为金属氧化物半导体晶体管。
3.根据权利要求1所述的切换式转换器，其还包含参考电压产生器，耦接于该误差放大器的第二输入端，用来产生该参考电压。
4.一种电压切换的方法，包含有：
根据控制信号开启第一开关，对输出电感与输出电容进行充电；
根据该控制信号关闭该第一开关并开启第二开关，对该输出电感与该输出电容进行放电；
根据该输出电容的跨压与参考电压产生误差信号；
比较该误差信号与锯齿波信号产生脉宽调制信号；以及
根据该脉宽调制信号对耦接于该第一开关与该第二开关的控制端的电容进行充电与放电。
5.根据权利要求4所述的方法，其中根据该脉宽调制信号对该电容进行充电、放电为以第一预定电流对该电容进行充电，以第二预定电流对该电容进行放电。
6.根据权利要求5所述的方法，其还包含改变该第一预定电流与该第二预定电流。
7.根据权利要求4所述的方法，其还包含根据该脉宽调制信号产生该控制信号。
8.根据权利要求4所述的方法，其还包含参考电压产生器产生该参考电压。
9.根据权利要求4所述的方法，其还包含对该脉宽调制信号进行反相运算。
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