CN101958532A - 直流-直流转换器的过电流保护装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种直流-直流转换器的过电流保护装置与方法，且该直流-直流转换器的一电压输出端可产生一输出电流通过一主板上的一电源层铜箔并传递至该主板上的一负载。此过电流保护方法包括下列步骤：检测该电源层铜箔上的一电压降；当该电压降小于一临界值时，控制该直流-直流转换器正常工作；以及，当该电压降大于该临界值时，控制该直流-直流转换器停止工作。

Description

直流-直流转换器的过电流保护装置与方法

技术领域

本发明有关一种直流-直流转换器的过电流保护装置与方法，且特别是有关利用一种检测主板上电源层铜箔压降的直流-直流转换器的过电流保护装置与方法。

背景技术

一般来说，电脑系统中会有一个电源供应器，此电源供应器可提供稳定的直流电压，例如12V或者5V，至电脑系统使得电脑系统可以运作。然而，由于电脑系统中的电子元件(electronic device)，例如中央处理器(CPU)、控制芯片(Chip set)、或者内存(memory)的操作电压(operation voltage)与电源供应器所提供的直流电压并不相同，因此，在电脑系统的主板上必须另行提供一直流-直流转换器(DC-DCconverter)将较高的直流电压(例如12V)降压成为电子元件的操作电压(例如1.3V)。其中，上述的电子元件皆可视为直流-直流转换器的负载。

请参照图1，其所示为已知直流-直流转换器。直流-直流转换器包括一脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)单元10、一功率级电路(power stage circuit)30。其中，PWM单元10可以输出第一驱动信号(S1)与第二驱动信号(S2)，而PWM单元10可控制第一驱动信号(S1)与第二驱动信号(S2)的脉冲宽度。

功率级电路30中包括一上功率晶体管(upper power FET，M1)、一下功率晶体管(lower power FET，M2)、一输出电感(output inductor，L)、输出电容(output capacitor，C)。其中，上功率晶体管(M1)的漏极(D)连接至一电压输入端(Vin)，上功率晶体管(M1)的栅极(G)接收第一驱动信号(S1)，上功率晶体管(M1)的源极(S)连接至输出电感(L)的第一端。下功率晶体管(M2)的漏极(D)连接至输出电感(L)的第一端，下功率晶体管(M2)的栅极(G)接收第二驱动信号(S2)，下功率晶体管(M1)的源极(S)连接至接地端(GND)。再者，输出电感(L)的第二端为电压输出端(Vout)，而输出电容C连接于电压输出端(Vout)与接地端(GND)之间。其中，上功率晶体管M1与下功率晶体管M2为n型金属氧化物半导体场效应晶体管(n-MOSFET)。

再者，电压输出端(Vout)可连接至主板上的电源层铜箔(power layer)40，而电源层铜箔40则连接至主板上的负载50。

于直流-直流转换器的稳态(steady state)时，电压输出端(Vout)可提供一回馈信号(FB)至PWM单元10，使得PWM单元10可以根据输出电压(Vout)的变化来控制第一驱动信号(S1)与第二驱动信号(S2)。此时，输出电感(L)上会产生一电感电流(IL)，而输出电容(output capacitor，C)上的电容电流(Ic)为零。此时，电感电流(IL)的有效值等于输出电流(Io)。

请参照图2，其所示为直流-直流转换器的输出电压(Vout)与输出电流(Io)示意图。于直流-直流转换器的稳态时，通过第一驱动信号(S1)与第二驱动信号(S2)的控制，当上功率晶体管(M1)被开启(turn on)而下功率晶体管被关闭(turn off)时，输出电流(Io)上升；反之，当上功率晶体管(M1)被关闭(turn off)而下功率晶体管被开启(turn on)时，输出电流(Io)下降。如此，输出电流(Io)可维持在一稳态电流(I1，例如10A)附近，并且输出电压(Vout)维持在一固定电压(V1，例如1.3V)。

再者，当直流-直流转换器于负载50短路时，直流-直流转换器会产生过高的输出电流(Io)，为了防止电感电流(IL)随之增加，造成直流-直流转换器中上功率晶体管(M1)、下功率晶体管(M2)、输出电感(L)、或者输出电容(C)的损毁，一般皆会另外提供一过电流保护装置(over current protecting apparatus)。已知的过电流保护装置皆是检测电感电流(IL)的变化来决定直流-直流转换器是否产生过电流。

举例来说，过电流保护装置可检测电感电流(IL)流经输出电感(L)所产生的压降来决定直流-直流转换器是否产生过电流；或者，可检测电感电流(IL)流经上功率晶体管(M1)或者下功率晶体管(M2)所产生的压降来决定直流-直流转换器是否产生过电流。

请参照图3，其所示为过电流保护装置的信号示意图。此过电流保护装置可于电感电流(IL)到达感测保护电流(Iocp)时动作。如图所示，在时间点t1之前，直流-直流转换器处于稳态，此时，电感电流(IL)等于输出电流(Io)并可维持在稳态电流(I1)附近，且输出电压(Vout)维持在固定电压(V1)。

于时间点t1后，主板上负载端发生短路(short circuit)，于时间点t1的瞬间输出电流(Io)会遽增而输出电压(Vout)会略降。然而，由于电感电流(IL)无法快速地遽增，因此，输出电容(C)也会提供电容电流(Ic)。也就是说，主板上负载端发生短路时，输出电流(Io)同时是由电感电流(IL)以及电容电流(Ic)所提供。而图3中虚线的区域即代表电容电流(Ic)的大小。

于时间点t2，电感电流(IL)缓慢上升到达感测保护电流(Iocp)，电流保护装置会动作并且禁能(disable)PWM单元，使得PWM单元停止产生第一驱动信号(S1)与第二驱动信号(S2)。因此，输出电压(Vout)、输出电流(Io)与电感电流(IL)快速降低至零。很明显地，电流保护装置需花费(t2-t1)的时间才可动作并禁能PWM单元。

由上述可知，已知过电流保护装置皆是利用检测电感电流(IL)来保护直流-直流转换器(DC-DC converter)。然而，由图3可知，虽然当电感电流(IL)大小尚未到达感测保护电流(Iocp)，但输出电流(Io)已经到达感测保护电流(Iocp)，且PWM单元仍被致能(enable)。因此，主板上的电子元件可能会受到输出电流(Io)的影响并且造成损毁。再者，当电感电流(IL)大小到达感测保护电流(Iocp)时，上功率晶体管(M1)与下功率晶体管(M2)也必须承受相同大小的电流量，因此也容易造成上功率晶体管(M1)与下功率晶体管(M2)的损毁。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种直流-直流转换器的过电流保护装置与方法，过电流保护装置可直接检测输出电流(Io)，并利用检测主板上电源层铜箔压降来决定直流-直流转换器是否产生过电流，并据以保护整个线路中的电子元件。

本发明提出一种过电流保护装置，运用于一直流-直流转换器且该直流-直流转换器的一电压输出端可产生一输出电流通过一主板上的一电源层铜箔并传递至该主板上的一负载，该过电流保护装置包括：一压降电路；一比较器，具有一第一输入端与一第二输入端，该第一输入端与该直流-直流转换器的该电压输出端之间连接该压降电路，该第二输入端连接至该负载；以及，一取样保持电路，连接至该比较器的一输出端，且可根据该比较器的该输出端产生的信号来控制该直流-直流转换器正常工作或停止工作。

本发明提出一种过电流保护装置，运用于一直流-直流转换器且该直流-直流转换器的一电压输出端可产生一输出电流通过一主板上的一电源层铜箔并传递至该主板上的一负载，该过电流保护装置包括：一误差放大器，具有一第一输入端与一第二输入端，该第一输入端连接至该直流-直流转换器的该电压输出端，该第二输入端连接至该负载；一取样保持电路，连接至该误差放大器的一输出端，并可产生一取样信号；以及，一比较器，比较该取样信号以及一临界电压，且根据该比较器的比较结果来控制该直流-直流转换器正常工作或停止工作。

本发明提出一种过电流保护方法，运用于一直流-直流转换器且该直流-直流转换器的一电压输出端可产生一输出电流通过一主板上的一电源层铜箔并传递至该主板上的一负载，该过电流保护方法包括下列步骤：检测该电源层铜箔上的一电压降；当该电压降小于一临界值时，控制该直流-直流转换器正常工作；以及，当该电压降大于该临界值时，控制该直流-直流转换器停止工作。

附图说明

为了使能更进一步了解本发明特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制，其中：

图1所示为已知直流-直流转换器。

图2所示为直流-直流转换器的输出电压与输出电流示意图。

图3所示为过电流保护装置的信号示意图。

图4所示为本发明直流-直流转换器的过电流保护装置的第一实施例。

图5所示为本发明直流-直流转换器的过电流保护装置上的信号示意图。

图6所示为本发明直流-直流转换器的过电流保护装置的第二实施例。

图7所示为本发明直流-直流转换器的过电流保护装置的第三实施例。

具体实施方式

请参照图4，其所示为本发明直流-直流转换器的过电流保护装置的第一实施例。直流-直流转换器包括一PWM单元110、一功率级电路130。PWM单元110可以输出第一驱动信号(S1)与第二驱动信号(S2)。再者，功率级电路130可根据第一驱动信号(S1)与第二驱动信号(S2)于电压输出端(Vout)产生一输出电流(Io)。而输出电流(Io)会通过主板上的电源层铜箔140传递至主板上的负载150。其中，功率级电路130与图1中的功率级电路动作原理相同，不再赘述。

再者，过电流保护装置包括一设定电阻(Rset)、一设定电流源(Iset)、一比较器(comparator)170、一取样保持电路(sample-and-hold circuit)160。其中，比较器170负输入端与功率级电路130的电压输出端(Vout)之间连接设定电阻(Rset)，比较器170负输入端连接设定电流源(Iset)；比较器170正输入端连接至负载150。比较器170输出端连接至取样保持电路160，而取样保持电路160可输出一控制信号用以致能(enable)或者禁能(disable)PWM单元110。

根据本发明的第一实施例，由于电源层铜箔上的阻抗(impedance)很小，因此，于直流-直流转换器的稳态时，输出电压(Vout)约等于比较器170正输入端的电压(V-)。再者，利用设定电阻(Rset)与设定电流源(Iset)可于设定电阻(Rset)上产生一设定电压(Vrset)的压降。因此，比较器170负输入端的电压(V-)为固定的(Vout-Vrset)，而此电压可视为一临界电压(threshold voltage)。

很明显地，于直流-直流转换器的稳态时，比较器170正输入端的电压(V+)大于比较器170负输入端的电压(V-)，比较器170输出端产生高电平至取样保持电路160，而取样保持电路160则根据接收的高电平产生相对应的控制信号用以致能PWM单元110，使得直流-直流转换器正常工作。

当主板上产生短路时，输出电流(Io)会遽增，使得输出电流(Io)流经电源层铜箔140产生更大的电压降(voltage droop)。当比较器170正输入端的电压(V+)小于比较器170负输入端的电压(V-)(亦即临界电压)时，比较器170输出端产生低电平至取样保持电路160，而取样保持电路160则根据接收的低电平产生相对应的控制信号用以禁能PWM单元110，使得直流-直流转换器停止工作，并且使得输出电流(Io)急遽下降。

请参照图5，其所示为本发明直流-直流转换器的过电流保护装置上的信号示意图。于时间点t3之前，直流-直流转换器处于稳态，比较器170正输入端的电压(V+)大于比较器170负输入端的电压(V-)，使得直流-直流转换器正常工作。于时间点t3时主板产生短路，此时输出电流(Io)会遽增，使得输出电流(Io)流经电源层铜箔140产生更大的电压降(voltage droop)。于时间点t4时，比较器170正输入端的电压(V+)小于比较器170负输入端的电压(V-)，此时的输出电流(Io)已到达感测保护电流(Iocp)。因此，比较器170输出端产生低电平至取样保持电路160，而取样保持电路160则根据接收的低电平产生相对应的控制信号用以禁能PWM单元110。于时间点t4之后，直流-直流转换器停止工作，并且使得输出电流(Io)急遽下降。

很明显地，本发明的电流保护装置仅需花费(t4-t3)的时间即可关闭PWM单元，与已知过电流保护装置相比较，可更快速地关闭PWM单元。再者，本发明的过电流保护装置皆是利用检测输出电流(Io)来保护直流-直流转换器(DC-DC converter)。因此，当输出电流(Io)到达感测保护电流(Iocp)时，但电感电流(IL)还不大尚未到达感测保护电流(Iocp)，因此功率级电路130内的上功率晶体管(M1)与下功率晶体管(M2)也不会损毁。

请参照图6，其所示为本发明直流-直流转换器的过电流保护装置的第二实施例。与第一实施例的差别在于第二实施例利用第一设定电阻(Rset)与第二设定电阻(Rset’)串接于电压输出端(Vout)与接地端之间，而比较器170负输出端连接至第一设定电阻(Rset)与第二设定电阻(Rset’)连接的节点。利用第一设定电阻(Rset)与第二设定电阻(Rset’)的分压产生设定电压(Vrset)。其第二实施例的动作原理与第一实施例皆相同因此不再赘述。

请参照图7，其所示为本发明直流-直流转换器的过电流保护装置的第三实施例。直流-直流转换器包括一PWM单元210、一功率级电路230。PWM单元210可以输出第一驱动信号(S1)与第二驱动信号(S2)。再者，功率级电路230可根据第一驱动信号(S1)与第二驱动信号(S2)于电压输出端(Vout)产生一输出电流(Io)。而输出电流(Io)会通过主板上的电源层铜箔240传递至主板上的负载250。

再者，过电流保护装置包括一误差放大器(error amplifier)270、一取样保持电路260、一比较器280、与一临界电压(Vth)。其中，误差放大器270正输入端连接至功率级电路230的电压输出端(Vout)；误差放大器270负输入端连接至负载250。误差放大器270输出端连接至取样保持电路260，而取样保持电路260可输出一取样信号至比较器280的正输入端；比较器280的负输入端接收临界电压(Vth)，而比较器280的输出端即为控制信号用以致能(enable)或者禁能(disable)PWM单元210。

由于电源层铜箔上的阻抗(impedance)很小，因此，于直流-直流转换器的稳态时，电源层铜箔240上的电压降(voltage droop)很小。误差放大器270放大此电压降，之后取样保持电路260取样成为取样信号并传递至比较器280的正输入端。

根据本发明的实施例，于直流-直流转换器的稳态时，取样保持电路260输出的取样信号小于临界电压(Vth)，使得比较器280输出端产生低电平的控制信号用以致能PWM单元210，使得直流-直流转换器正常工作。

反之，当主板上发生短路时，电源层铜箔240上的电压降(voltage droop)很大。误差放大器270放大此电压降，之后取样保持电路260取样成为取样信号并传递至比较器280的正输入端。

根据本发明的实施例，于主板短路时，取样保持电路260输出的取样信号大于临界电压(Vth)，使得比较器280输出端产生高电平的控制信号用以禁能PWM单元210，使得直流-直流转换器停止工作，并且使得输出电流(Io)急遽下降。

根据上述实施例，本发明提出一种直流-直流转换器的过电流保护装置与方法，过电流保护装置可直接检测输出电流(Io)并利用检测主板上电源层铜箔的压降来决定直流-直流转换器是否产生过电流。当电源层铜箔的压降不大时，则致能PWM单元；当电源层铜箔的压降太大时，则禁能PWM单元。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作出各种等同的改变或替换，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定的为准。

Claims (15)

1.一种过电流保护装置，运用于直流-直流转换器且所述直流-直流转换器的电压输出端可产生输出电流通过主板上的电源层铜箔并传递至所述主板上的负载，其特征在于所述过电流保护装置包括：

压降电路；

比较器，具有第一输入端与第二输入端，所述第一输入端与所述直流-直流转换器的所述电压输出端之间连接所述压降电路，所述第二输入端连接至所述负载；以及

取样保持电路，连接至所述比较器的输出端，且可根据所述比较器的所述输出端产生的信号来控制所述直流-直流转换器正常工作或停止工作。

2.根据权利要求1所述的过电流保护装置，其特征在于其中所述压降电路包括：

设定电阻，连接于所述比较器所述第一输入端与所述直流-直流转换器的所述电压输出端之间；以及

设定电流源，连接至所述比较器的所述第一输入端。

3.根据权利要求1所述的过电流保护装置，其特征在于其中所述压降电路包括：

第一设定电阻，连接于所述比较器所述第一输入端与所述直流-直流转换器的所述电压输出端之间；以及

第二设定电阻，连接于所述比较器所述第一输入端与接地端之间。

4.根据权利要求1所述的过电流保护装置，其特征在于其中所述比较器的所述第一输入端为负输入端，且所述比较器的所述第二输入端为正输入端。

设定电流源，连接至所述比较器的所述第一输入端。

5.根据权利要求1所述的过电流保护装置，其特征在于其中所述直流-直流转换器包括：

脉冲宽度调制单元，输出第一驱动信号与第二驱动信号；以及

功率级电路，根据第一驱动信号与第二驱动信号于所述电压输出端产生输出电流。

6.根据权利要求5所述的过电流保护装置，其特征在于其中，所述脉冲宽度调制单元被致能时，所述直流-直流转换器正常工作；以及，所述脉冲宽度调制单元被禁能时，所述直流-直流转换器停止工作。

7.根据权利要求1所述的过电流保护装置，其特征在于其中，于所述主板短路时，所述比较器的所述输出端产生第一电平使得所述取样保持电路控制所述直流-直流转换器停止工作；以及，于所述主板未短路时，所述比较器的所述输出端产生第二电平使得所述取样保持电路控制所述直流-直流转换器停止工作。

8.一种过电流保护装置，运用于直流-直流转换器且所述直流-直流转换器的电压输出端可产生输出电流通过主板上的电源层铜箔并传递至所述主板上的负载，其特征在于所述过电流保护装置包括：

误差放大器，具有第一输入端与第二输入端，所述第一输入端连接至所述直流-直流转换器的所述电压输出端，所述第二输入端连接至所述负载；

取样保持电路，连接至所述误差放大器的输出端，并可产生取样信号；以及

比较器，比较所述取样信号以及临界电压，且根据所述比较器的比较结果来控制所述直流-直流转换器正常工作或停止工作。

9.根据权利要求8所述的过电流保护装置，其特征在于其中所述误差放大器的所述第一输入端为正输入端，且所述误差放大器的所述第二输入端为负输入端。

10.根据权利要求8所述的过电流保护装置，其特征在于其中所述直流-直流转换器包括：

脉冲宽度调制单元，输出第一驱动信号与第二驱动信号；以及

功率级电路，根据第一驱动信号与第二驱动信号于所述电压输出端产生输出电流。

11.根据权利要求10所述的过电流保护装置，其特征在于其中，所述脉冲宽度调制单元被致能时，所述直流-直流转换器正常工作；以及，所述脉冲宽度调制单元被禁能时，所述直流-直流转换器停止工作。

12.根据权利要求8所述的过电流保护装置，其特征在于其中，于所述主板短路时，所述比较器的所述输出端产生第一电平使得所述直流-直流转换器停止工作；以及，于所述主板未短路时，所述比较器的所述输出端产生第二电平使得所述直流-直流转换器正常工作。

13.一种过电流保护方法，运用于直流-直流转换器且所述直流-直流转换器的电压输出端可产生输出电流通过主板上的电源层铜箔并传递至所述主板上的负载，其特征在于所述过电流保护方法包括下列步骤：

检测所述电源层铜箔上的电压降；

当所述电压降小于临界值时，控制所述直流-直流转换器正常工作；以及

当所述电压降大于所述临界值时，控制所述直流-直流转换器停止工作。

14.根据权利要求13所述的过电流保护方法，其特征在于其中所述直流-直流转换器包括：

脉冲宽度调制单元，输出第一驱动信号与第二驱动信号；以及

功率级电路，根据第一驱动信号与第二驱动信号于所述电压输出端产生输出电流。

15.根据权利要求14所述的过电流保护方法，其特征在于其中，所述脉冲宽度调制单元被致能时，所述直流-直流转换器正常工作；以及，所述脉冲宽度调制单元被禁能时，所述直流-直流转换器停止工作。

Images