CN102594146B - 具有快速瞬时响应机制的降压电路及其运作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有快速瞬时响应机制的降压电路，包含：高侧、低侧金属氧化物半导体晶体管、瞬时控制模块以及运作控制模块。低侧金属氧化物半导体晶体管与高侧金属氧化物半导体晶体管通过连接点相连接，以于连接点根据高侧金属氧化物半导体晶体管所接收的输入电压产生输出电压至外部负载。运作控制模块在外部负载位于重载状态而使瞬时控制模块抑能时，根据输出电压控制高侧金属氧化物半导体晶体管以及低侧金属氧化物半导体晶体管的运作。当外部负载由重载状态转移至轻载状态而使输出电压升高超过预设准位时，瞬时控制模块被致能，以使低侧金属氧化物半导体晶体管导通并进行放电以降低输出电压。

Description

具有快速瞬时响应机制的降压电路及其运作方法

技术领域

本发明是有关于一种降压电路，且特别是有关于一种具有快速瞬时响应(transient response)机制的降压(buck)电路及其运作方法。

背景技术

降压电路是个用以将电压进行压降的直流至直流电源转换器。降压电路除了在直流输出端滤除不必要的电压涟波外，更将输入电压降低准位，而在输出端产生输出电压。

连接在降压电路的输出端的外部负载可能会依运作情形的不同而操作于重载状态或是轻载状态。在由重载状态转移至轻载状态时，外部负载自降压电路所汲取的电流将因而减少。此时，多余的电流无法为外部负载所消耗。然而，在习知的降压电路设计中，其放电的速度缓慢，需要长时间才能放电完成，对于电路的转态并不是理想的结果。

因此，如何设计一个新的降压电路及其运作方法，以具有快速瞬时响应机制来使电路的转态能快速完成，乃为此一业界亟待解决的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种具有快速瞬时响应(transient response)机制的降压(buck)电路及其运作方法，以具有快速瞬时响应机制来使电路的转态能快速完成。

本发明的一实施方式是在提供一种具有快速瞬时响应(transient response)机制的降压(buck)电路，包含：高侧金属氧化物半导体晶体管、低侧金属氧化物半导体晶体管、瞬时控制模块以及运作控制模块。高侧金属氧化物半导体晶体管用以接收输入电压。低侧金属氧化物半导体晶体管连接于高侧金属氧化物半导体晶体管与接地电位之间，其中高侧及低侧金属氧化物半导体晶体管通过连接点相连接，以于连接点根据输入电压产生输出电压至外部负载。瞬时控制模块连接至低侧金属氧化物半导体晶体管的栅极。运作控制模块连接至高侧金属氧化物半导体晶体管之栅极及低侧金属氧化物半导体晶体管的栅极，以在外部负载位于重载状态而使瞬时控制模块抑能时，根据输出电压控制高侧金属氧化物半导体晶体管以及低侧金属氧化物半导体晶体管的运作。其中当外部负载由重载状态转移至轻载状态，而使输出电压升高超过预设准位时，瞬时控制模块被致能，以使低侧金属氧化物半导体晶体管导通并进行放电以降低输出电压。

依据本发明一实施例，当输出电压降低至特定准位，瞬时控制模块被抑能以使运作控制模块根据输出电压控制低侧金属氧化物半导体晶体管的运作。

依据本发明另一实施例，运作控制电路包含运作比较器，以接收运作参考电压以及根据输出电压产生的回授电压，以产生比较结果，其中比较结果为运作参考电压以及回授电压之差。其中回授电压为输出电压的分压。运作控制模块实质上根据比较结果控制高侧金属氧化物半导体晶体管以及低侧金属氧化物半导体晶体管的运作。

依据本发明又一实施例，瞬时控制模块于比较结果的值小于瞬时参考电压时致能，并于比较结果大于瞬时参考电压时抑能。

依据本发明再一实施例，瞬时控制模块于比较结果的值小于第一瞬时参考电压时致能，并于比较结果大于第二瞬时参考电压时抑能。

依据本发明更具有的一实施例，运作控制模块还包含波宽调变器以及运作控制逻辑，以使运作控制逻辑根据波宽调变器由比较结果产生的控制信号，控制高侧金属氧化物半导体晶体管以及低侧金属氧化物半导体晶体管的运作。

依据本发明再具有的一实施例，降压电路还包含：电感以及电容。电感具有连接至连接点的第一端以及连接至外部负载的第二端。电容耦合于第二端。

本发明的另一实施方式是在提供一种降压电路运作方法，应用于具有快速瞬时响应机制的降压电路中，降压电路运作方法包含下列步骤：判断连接于降压电路的外部负载位于重载状态；抑能瞬时控制模块；根据降压电路提供至外部负载的输出电压控制降压电路的高侧金属氧化物半导体晶体管以及低侧金属氧化物半导体晶体管的运作；判断外部负载由重载状态转移至轻载状态，而使输出电压升高超过预设准位；致能瞬时控制模块，以使低侧金属氧化物半导体晶体管导通并进行放电以降低输出电压。

依据本发明一实施例，降压电路运作方法，还包含一步骤：于输出电压降低至特定准位时，抑能瞬时控制模块以使运作控制模块根据输出电压控制低侧金属氧化物半导体晶体管的运作。

依据本发明另一实施例，降压电路运作方法还包含一步骤：接收运作参考电压以及接收根据输出电压产生的回授电压，以产生比较结果，其中比较结果为运作参考电压以及回授电压之差。

依据本发明又一实施例，判断外部负载位于重载状态的步骤还包含判断比较结果的值大于瞬时参考电压。

判断外部负载由重载状态转移至轻载状态的步骤还包含判断比较结果的值小于瞬时参考电压。

依据本发明再一实施例，其中判断外部负载由重载状态转移至轻载状态的步骤还包含判断比较结果的值小于第一瞬时参考电压，判断外部负载位于重载状态的步骤还包含判断比较结果的值大于第二瞬时参考电压。

依据本发明更具有的一实施例，其中高侧金属氧化物半导体晶体管以及低侧金属氧化物半导体晶体管的运作实质上是根据比较结果控制。

应用本发明的优点在于通过运作控制模块以及瞬时控制模块的设置，使降压电路在外部负载维持重载状态时由运作控制模块正常地控制供应到外部负载的输出电压，并在外部负载由重载状态转移至轻载状态时由瞬时控制模块进行放电，避免电路在转态时造成的不稳定，而轻易地达到上述的目的。

附图说明

为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1为本发明一实施例中，具有快速瞬时响应机制的降压电路的电路图；

图2为输出电压在未设置瞬时控制模块时的波型、输出电压在设置瞬时控制模块后的波型以及外部负载状况的示意图；以及

图3为本发明一实施例中，降压电路运作方法的流程图。

【主要组件符号说明】

1：降压电路           10：高侧金属氧化物半导体晶体管

11：放电路径          12：低侧金属氧化物半导体晶体管

14：瞬时控制模块       140：瞬时控制比较器

142：瞬时控制逻辑      16：运作控制模块

160：运作比较器        161：比较结果

162：波宽调变器        163：振荡信号

164：运作控制逻辑      165：控制信号

180：电感              182：电容

301-305：步骤

具体实施方式

请参照图。图1为本发明一实施例中，具有快速瞬时响应机制的降压电路1的电路图。降压电路1包含：高侧金属氧化物半导体晶体管10、低侧金属氧化物半导体晶体管12、瞬时控制模块14以及运作控制模块16。

于本实施例中，高侧金属氧化物半导体晶体管10为P型金属氧化物半导体晶体管，而低侧金属氧化物半导体晶体管12为N型金属氧化物半导体晶体管。高侧金属氧化物半导体晶体管10的源极接收输入电压Vi。低侧金属氧化物半导体晶体管12的源极连接至接地电位GND。高侧金属氧化物半导体晶体管10与低侧金属氧化物半导体晶体管12的漏极通过连接点P而连接在一起。

运作控制模块16连接至高侧金属氧化物半导体晶体管10的栅极以及低侧金属氧化物半导体晶体管12的栅极。于本实施例中，运作控制模块16实质上透过瞬时控制模块14连接至低侧金属氧化物半导体晶体管12的栅极。

运作控制模块16通过控制高侧金属氧化物半导体晶体管10以及低侧金属氧化物半导体晶体管12的栅极，来控制高侧金属氧化物半导体晶体管10以及低侧金属氧化物半导体晶体管12的运作。因此，输出电压Vo可根据高侧金属氧化物半导体晶体管10以及低侧金属氧化物半导体晶体管12的导通周期及关闭周期而产生。于一实施例中，降压电路1还包含电感180以及电容182。电感182具有连接至连接点P的第一端以及连接至外部负载的第二端。因此，由高侧金属氧化物半导体晶体管10以及低侧金属氧化物半导体晶体管12所产生的输出电压Vo将可透过电感180耦合至外部负载。电感180提供输出电压Vo一个稳压的效果。电容182耦合于第二端，以使运作控制模块16控制高侧金属氧化物半导体晶体管10以及低侧金属氧化物半导体晶体管12对电容182充电，以提供足够的电流至外部负载。

运作控制模块16包含运作比较器160、波宽调变器162以及运作控制逻辑164。运作比较器160接收运作参考电压Voref以及根据输出电压Vo产生的回授电压Vfb。回授电压Vfb于本实施例中实质上为输出电压Vo的分压。因此，运作比较器160将产生一个比较结果161，而此比较结果161为运作参考电压Voref以及回授电压Vfb间的差。

波宽调变器162自振荡器(未绘示)中接收一个振荡信号163，也自运作比较器160接收比较结果161。因此，波宽调变器162将产生控制信号165，其中控制信号165的波宽是根据振荡信号163及比较结果161产生。运作控制逻辑164进一步利用控制信号165来控制高侧金属氧化物半导体晶体管10以及低侧金属氧化物半导体晶体管12的栅极。因此，将形成一个回授路径，以使高侧金属氧化物半导体晶体管10以及低侧金属氧化物半导体晶体管12的导通周期及关闭周期可以根据输出电压Vo的状态来进行调整。

一般说来，当外部负载长时间位于重载状态或是轻载状态时，整体电路的运作情形不会有剧烈的改变。上述的回授机制足以提供一个自我调整的机制来处理电路运作中较轻微的不稳定状况。然而，当外部负载由重载状态转移至轻载状态时，外部负载自降压电路1所汲取的电流将因而减少。此时，多余的电流无法为外部负载所消耗，需要长时间才能放电完成，对于电路的转态并不是理想的结果。

因此连接于低侧金属氧化物半导体晶体管12的栅极与运作控制模块16间的瞬时控制模块14，可以在外部负载由重载状态转移至轻载状态时，使低侧金属氧化物半导体晶体管12导通。

瞬时控制模块14将根据运作比较器160所产生的比较结果161来判断外部负载由重载状态转移至轻载状态。当外部负载由重载状态转移至轻载状态时，输出电压Vo将由于电流无法被消耗而快速升高，间接使回授电压Vfb也升高。于一实施例中，升高的回授电压Vfb将使运作参考电压Voref以及回授电压Vfb间的差，亦即比较结果161变小。

于一实施例中，瞬时控制模块14亦包含瞬时控制比较器140以及瞬时控制逻辑142。瞬时控制比较器140使比较结果161更进一步与第一瞬时参考电压Vtref1以及第二瞬时参考电压Vtref2比较。当外部负载由重载状态转移至轻载状态以使输出电压Vo大于一个预设准位时，回授电压Vrf将升高而使比较结果161小于第一瞬时参考电压Vtref1。瞬时控制逻辑142因此将根据瞬时控制比较器140使低侧金属氧化物半导体晶体管12导通，以形成由电感180的第二端经由低侧金属氧化物半导体晶体管12到接地电位的放电路径11。因此，无法由外部负载消耗的电流，将自电感180的第二端经由低侧金属氧化物半导体晶体管12快速地放电至接地电位。

放电行为将使得输出电压Vo快速的降低。回授电压Vfb将随着输出电压Vo降低，并使比较结果161的值升高。于一实施例中，当输出电压Vo降低至一特定准位，瞬时控制比较器140将侦测到比较结果161升高而大于第二瞬时参考电压Vtref2。瞬时控制模块14因此将根据瞬时控制比较器140的侦测结果而被抑能。因此，高侧金属氧化物半导体晶体管10及低侧金属氧化物半导体晶体管12的运作将再次由运作控制模块16控制。

需注意的是，上述的实施例仅是其中一个可能的实施方式。于其它实施例中，瞬时控制模块14以及运作控制模块16的详细控制方式亦可能以不同的设计方式实现，而不为上述实施例所限制。

请参照图2。图2绘示了输出电压Vo在未设置瞬时控制模块14时的波型、输出电压Vo在设置瞬时控制模块14后的波型以及外部负载状况的示意图。时间区间一以及时间区间三表示外部负载位于轻载状态的时间。而时间区间二则为外部负载位于重载状态的时间。当外部负载在时间区间一至时间区间二间，由轻载状态转移至重载状态时，输出电压Vo将由于输出电流为重载所消耗而下降。另一方面，当外部负载在时间区间二至时间区间三间，由重载状态转移至轻载状态时，将有过冲(over-shoot)电流的产生。如在未设置瞬时控制模块14的情形下，将没有额外的放电路径，电流需要花较长的时间来放电，因此，输出电压Vo将缓慢的降低。

然而，当在设置瞬时控制模块14的情形下，虽然过冲情形无法完全避免，但是由于瞬时控制模块14的控制而使低侧金属氧化物半导体晶体管12提供了充电路径11，放电的时间大幅缩短。快速的瞬时响应机制将使原本无法由外部负载消耗的电流快速地放电，而使降压电路1的运作更为稳定。

请参照图3。图3为本发明一实施例中，降压电路运作方法的流程图。降压电路运作方法可应用于图1中所绘示，具有快速瞬时响应机制的降压电路1中。降压电路运作方法包含下列步骤(应了解到，在本实施方式中所提及的步骤，除特别叙明其顺序者外，均可依实际需要调整其前后顺序，甚至可同时或部分同时执行)。

连接于降压电路1的外部负载一开始运作于重载状态。因此于步骤301，瞬时控制模块14被抑能。于步骤302，根据降压电路1提供至外部负载的输出电压Vo控制降压电路1的高侧金属氧化物半导体晶体管10以及低侧金属氧化物半导体晶体管12的运作。于步骤303，判断外部负载是否由重载状态转移至轻载状态，而使输出电压升高超过预设准位。

当外部负载并未由重载状态转移至轻载状态，则步骤301将再次被执行以抑能瞬时控制模块14。当外部负载并由重载状态转移至轻载状态时，瞬时控制模块14将在步骤304中被致能，以使低侧金属氧化物半导体晶体管12导通并进行放电以降低输出电压Vo。

于步骤305，判断输出电压Vo是否降低至特定准位。当输出电压Vo尚未降低至特定准位，则步骤304将再次被执行以继续进行放电。而当输出电压Vo降低至特定准位，则步骤301将被执行，以使瞬时控制模块14被抑能，并由运作控制模块16根据输出电压Vo控制低侧金属氧化物半导体晶体管12的运作。

应用本发明的优点在于通过运作控制模块以及瞬时控制模块的设置，使降压电路在外部负载维持重载状态时由运作控制模块正常地控制供应到外部负载的输出电压，并在外部负载由重载状态转移至轻载状态时由瞬时控制模块进行放电，避免电路在转态时造成的不稳定。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种具有快速瞬时响应机制的降压电路，其特征在于，包含：

一高侧金属氧化物半导体晶体管，用以接收一输入电压；

一低侧金属氧化物半导体晶体管，连接于该高侧金属氧化物半导体晶体管与一接地电位之间，其中该高侧及该低侧金属氧化物半导体晶体管通过一连接点相连接，以于该连接点根据该输入电压产生一输出电压至一外部负载；

一瞬时控制模块，该瞬时控制模块包含：一瞬时控制比较器，用以比较一第一比较结果及至少一瞬时参考电压，以产生一第二比较结果；以及一瞬时控制逻辑，连接至该低侧金属氧化物半导体晶体管的栅极；以及

一运作控制模块，该运作控制模块包含：一运作比较器，用以接收一运作参考电压及一回授电压以相应地产生该第一比较结果，其中该回授电压为该输出电压的一分压；一波宽调变器，用以接收一振荡信号及该第一比较结果以产生一控制信号；以及一运作控制逻辑，连接至该高侧金属氧化物半导体晶体管的栅极及透过该瞬时控制逻辑连接至该低侧金属氧化物半导体晶体管的栅极；

其中当该外部负载不由一重载状态转移至一轻载状态，该瞬时控制模块的该瞬时控制逻辑的运作根据该第二比较结果被抑能，且该运作控制逻辑根据该控制信号，控制该高侧金属氧化物半导体晶体管及该低侧金属氧化物半导体晶体管的运作；

其中当该外部负载由该重载状态转移至该轻载状态，而使该输出电压升高超过一预设准位时，该瞬时控制模块的该瞬时控制逻辑的运作根据该第二比较结果被致能，以使该低侧金属氧化物半导体晶体管导通并进行放电以降低该输出电压。

2.根据权利要求1所述的具有快速瞬时响应机制的降压电路，其特征在于，当该输出电压降低至一特定准位，该瞬时控制模块被抑能以使该运作控制模块根据该输出电压控制该低侧金属氧化物半导体晶体管的运作。

3.根据权利要求1所述的具有快速瞬时响应机制的降压电路，其特征在于，其中该第一比较结果为该运作参考电压以及该回授电压之差。

4.根据权利要求1所述的具有快速瞬时响应机制的降压电路，其特征在于，该瞬时控制模块于该第一比较结果的值小于该瞬时参考电压时致能，并于该第一比较结果大于该瞬时参考电压时抑能。

5.根据权利要求1所述的具有快速瞬时响应机制的降压电路，其特征在于，该瞬时控制模块于该第一比较结果的值小于一第一瞬时参考电压时致能，并于该第一比较结果大于一第二瞬时参考电压时抑能。

6.根据权利要求1所述的具有快速瞬时响应机制的降压电路，其特征在于，还包含：

一电感，具有连接至该连接点的一第一端以及连接至该外部负载的一第二端；以及

一电容，耦合于该第二端。

7.一种降压电路运作方法，其特征在于，应用于具有快速瞬时响应机制的一降压电路中，该降压电路运作方法包含下列步骤：

根据一运作参考电压及一回授电压，通过一运作控制模块的一运作比较器产生一第一比较结果，其中该回授电压为该降压电路中提供至一外部负载的一输出电压的一分压；

通过一瞬时控制模块的一瞬时控制比较器比较该第一比较结果及至少一瞬时参考电压，以产生一第二比较结果；

根据一振荡信号及该第一比较结果，通过一波宽调变器产生一控制信号；

根据该第二比较结果判断连接于该降压电路的该外部负载不由一重载状态转移至一轻载状态，以抑能該瞬时控制模块的一瞬时控制逻辑的运作，及根据该控制信号，通过该运作控制模块的一运作控制逻辑控制一高侧金属氧化物半导体晶体管以及一低侧金属氧化物半导体晶体管的运作；以及

根据该第二比较结果判断该外部负载由该重载状态转移至该轻载状态，而使该输出电压升高超过一预设准位，以根据升高的该输出电压及该第二比较结果致能该瞬时控制模块的该瞬时控制逻辑的运作，以使该低侧金属氧化物半导体晶体管导通并进行放电以降低该输出电压。

8.根据权利要求7所述的降压电路运作方法，其特征在于，还包含一步骤：

于该输出电压降低至一特定准位时，抑能该瞬时控制模块以使该运作控制模块根据该控制信号控制该低侧金属氧化物半导体晶体管的运作。

9.根据权利要求7所述的降压电路运作方法，其特征在于，其中该第一比较结果为该运作参考电压以及该回授电压之差。

10.根据权利要求7所述的降压电路运作方法，其特征在于，判断该外部负载不由该重载状态转移至该轻载状态的步骤还包含判断该第一比较结果的值大于该瞬时参考电压。

11.根据权利要求7所述的降压电路运作方法，其特征在于，判断该外部负载由该重载状态转移至该轻载状态的步骤还包含判断该第一比较结果的值小于该瞬时参考电压。

12.根据权利要求7所述的降压电路运作方法，其特征在于，判断该外部负载由该重载状态转移至该轻载状态的步骤还包含判断该第一比较结果的值小于一第一瞬时参考电压，判断该外部负载不由该重载状态转移至该轻载状态的步骤还包含判断该第一比较结果的值大于一第二瞬时参考电压。

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