CN103546031A

CN103546031A - 具有缓启动电路的电压转换器

Info

Publication number: CN103546031A
Application number: CN201210236826.9A
Authority: CN
Inventors: 游东明
Original assignee: Elite Semiconductor Memory Technology Inc
Current assignee: Elite Semiconductor Memory Technology Inc
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2032-07-09
Also published as: CN103546031B

Abstract

本发明揭示一种具有缓启动电路的电压转换器，其用以接收一输入电压以调节产生一输出电压。在本发明一实施例中，该电压转换器包含一输出垫、一缓启动垫以及一控制电路。该输出垫用以输出该输出电压。该缓启动垫系选择性地耦接至该控制电路的外部的一第一电容。该控制电路以集成电路的方式实施，其中该控制电路包含一第二电容、一误差放大器和该缓启动电路。该第一电容的容值大于该第二电容的容值。在本发明中该缓启动电路会根据该第一电容的连接状况以提供一缓启动时间间隔。

Description

具有缓启动电路的电压转换器

技术领域

本发明涉及一种具有缓启动电路的电压转换器。

背景技术

直流至直流电压转换器可用以将一输入电压调节成一稳定的输出电压，藉以供应负载所需的电流。一般而言，直流至直流电压转换器根据输入电压和输出电压值的大小分为升压式电压转换器(boost converter)、降压式电压转换器(buck converter)和升降压式电压转换器(buck-boost converter)。图1绘示一典型的升压式电压转换器10的架构示意图。参照图1，该升压式电压转换器10包含一输入电容C_IN、一电感L、两功率开关元件SW₁和SW₂、一输出电容C_OUT及一控制电路12，其中该控制电路28和功率开关元件SW_A及SW_B以集成电路(integrated circuit)的方式实施。该控制电路12用以提供控制两功率开关元件SW₁和SW₂的两驱动信号D₁和D₂，使得功率开关元件SW₁和SW₂能被交替地导通及关闭。

参照图1，该控制电路12包含一误差放大器122、一补偿网络124、一比较器126、一振荡电路128以及一脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)电路130。该补偿网络124用以补偿该误差放大器122的稳定度。该振荡电路128用以产生一时钟信号osc至该脉冲宽度调制电路130和产生一锯齿波信号saw至该比较器126。该时钟信号osc用以提供该控制电路12的切换时序，该时钟信号osc的升缘会使得功率开关元件SW₁导通和使得另一功率开关元件SW₂截止。该升压式电压转换器10还包含一分压电路14，其用以检测输出电压V_OUT的变化。该分压电路14通过两串联电阻R₁和R₂将输出电压V_OUT进行分压以产生相对应的反馈电压V_FB。根据参考电压V_REF和反馈电压V_FB之间的电压差值，该误差放大器122产生一相对应的输出电压V_E。该比较器126在比较误差放大器10传来的输出电压V_E和该锯齿波信号V_SAW后，产生一脉冲信号。该脉冲信号传送至该脉冲宽度调制电路130以产生相对应的驱动信号D₁和D₂。通过驱动信号D₁和D₂交替地开启或关闭功率开关元件SW₁和SW₂而对电感L进行充电或放电，该升压式电压转换器10可产生所需要的负载电流及稳定的输出电压。

参照图1，在已知架构中，该升压式电压转换器10还包含一缓启动(soft-start)垫132以提供一缓启动功能。在系统启动初期时，由于输出电压V_OUT的起始值会远低于稳定时的电压值，因此功率开关元件SW₁的导通时间会很高。在此状况下电感电流的上升幅度会在短时间内超过其平衡值，导致系统启动初期时的过大涌入电流(inrush current)和输出电压过冲(overshoot)状况。为了改善此一状况，图1中的该控制电路12包含一内部电流源I_S，其连接至一外部电容C_SS，以提供一缓启动时间间隔。在该缓启动时间间隔内，缓启动垫132上的电压会缓慢地线性上升直到该电压大于参考电压V_REF。因此，该控制电路12可控制开关SW₁的导通时间，使得输出电压V_OUT会逐渐增加，进而达到缓启动的功能。

然而，已知架构中需要额外的缓启动垫以连接外部的电容，而外部电容的设置亦增加了电路板的整体面积和成本。因此，有必要提出一种改良的控制电路以支持缓启动功能，藉以改善系统启动初期时电压过冲和涌流的状况。

发明内容

本发明的目的是提供一种可改善系统启动初期时的过大涌入电流和输出电压过冲状况的电压转换器。该电压转换器系接收一输入电压并藉以调节产生一输出电压。

为达到上述的目的，本发明的电压转换器的一实施例包含一输出垫、一缓启动垫以及一控制电路。该输出垫用以输出该输出电压。该缓启动垫系选择性地耦接至该控制电路的外部的一第一电容。该控制电路以集成电路的方式实施，其中该控制电路包含一第二电容、一误差放大器和一缓启动电路。该误差放大器具有接收一参考电压的一第一正相输入端、耦接至该缓启动垫的一第二正相输入端、耦接至该第二电容的一第三正相输入端、接收关联于该输出电压的一反馈电压的一反相输入端和提供一误差电压的一输出端。该缓启动电路具有耦接至该第二电容的一第一端及耦接至该缓启动垫的一第二端。该第一电容的容值大于该第二电容的容值。该缓启动电路系根据该第一电容的连接状况以提供一缓启动时间间隔。

附图说明

图1绘示一典型的升压式电压转换器的架构示意图；

图2显示结合本发明一实施例的可改善过大涌入电流和输出电压过冲状况的电压转换器的架构示意图；

图3显示结合本发明一实施例的该缓启动切换电路的细部电路图；以及

图4A和图4B显示可能形成该预定电压的几种电路配置。

【主要元件符号说明】

10 升压式电压转换器

12 控制电路

122 误差放大器

124 补偿网络

126 比较器

128 振荡电路

130 脉冲宽度调制电路

132 缓启动垫

14 分压电路

20 电压转换器

22 输入垫

24 分压电路

26 输出垫

28 控制电路

282 缓启动电路

2822 开关元件

2824 比较电路

284 误差放大器

29 输入垫

30 缓启动垫

C_IN，C_OUT，C₁，电容

C₂，C_SSIN，C_SSEXT

I₁，I₂，I₃，电流源

I_S，I_S1，I_S2

L，L₁ 电感

M_P 晶体管

R₁，R₂，电阻

R_A，R_B，R_C

SW₁，SW₂，功率开关元件

SW_A，SW_B

具体实施方式

本发明在此所探讨的方向为一种可改善系统启动初期时的过大涌入电流和输出电压过冲状况的电压转换器。为了能彻底地了解本发明，将在下列的描述中提出详尽的步骤及结构。显然地，本发明的施行并未限定于本领域技术人员所熟悉的特殊细节。另一方面，众所周知的结构或步骤并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。本发明的优选实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其他的实施例中，且本发明的范围不受限定，其以之后的权利要求书为准。

图2显示结合本发明一实施例的可改善过大涌入电流和输出电压过冲状况的电压转换器20的架构示意图。该电压转换器20用以接收一输入电压藉V_IN以调节产生一输出电压V_OUT。参照图2，该电压转换器20包含一输入电容C₁、一电感L₁、两开关SW_A和SW_B、一输出电容C₂、一控制电路28和一分压电路24。该控制电路28用以提供控制功率开关元件SW_A和SW₂的两驱动信号，使得开关SW_A和SW_B能被交替地导通及关闭。图2中的电压转换器20包含图1所示的传统的电压转换器10的元件124，126，128和130，元件124，126，128和130的运作方式在此不再赘述。此外，该控制电路28增加了一缓启动电路282，且在该控制电路28中，一误差放大器284取代了图1中的已知控制电路12中的误差放大器122。

在本实施例中该控制电路28和功率开关元件SW_A及SW_B以集成电路(integrated circuit)的方式实施。然而，本发明不应以此为限。在其他实施例中，功率开关元件SW_A及SW_B可以为外部元件。参照图2，一输入垫22耦接至电感L₁、另一输入垫29耦接至该分压电路24、而一输出垫26用以传送该输出电压V_OUT。该分压电路24由两串联电阻R_A和R_B所构成，其用以将输出电压V_OUT进行分压以产生相对应的反馈电压V_FB。该控制电路28包含一内部电容C_SSIN、该缓启动电路282和该误差放大器284，其中该电容C_SSIN连接至该缓启动电路282，且该缓启动电路282通过一缓启动垫30而选择性地连接至一外部的电容C_SSEXT。该误差放大器284具有接收一参考电压V_REF的一第一正相输入端、耦接至该缓启动垫30的一第二正相输入端、耦接至该电容C_SSIN的一第三正相输入端、接收该反馈电压V_FB的一反相输入端和提供一误差电压V_ERR的一输出端。此外，该缓启动电路282具有耦接至该电容C_SSIN的一第一端及耦接至该缓启动垫30的一第二端。

参照图2，该缓启动电路282是根据该外部电容C_SSEXT的连接状况以提供一缓启动时间间隔。在该缓启动时间间隔内，缓启动电压SS₁(SS₂)会使得反馈电压V_FB通过误差放大器284的控制而跟随其变化。因此，输出电压V_OUT会平滑地增加而达到缓启动的功能，藉以最小化系统启动初期时的过大涌入电流状况。当缓启动电压SS₁(SS₂)大于该参考电压V_REF时，缓启动电压SS₁(SS₂)不会再主导输出电压V_OUT的控制。代替性地，反馈电压V_FB和参考电压V_REF会经由该误差放大器284的负反馈控制而调节输出电压V_OUT至一目标值。

图3显示结合本发明一实施例的该缓启动电路282的细部电路图。参照图3，该缓启动电路282包含电流源I₁，I₂和I₃、一开关元件2822和一比较电路2824。该电流源I₁耦接至该缓启动垫30。该电流源I₂耦接至该开关元件2822。该电流源I₃耦接至该电容C_SSIN。该开关元件2822用以根据该比较电路2824的输出信号CM以选择性地耦接该电流源I₂至该电容C_SSIN。该比较电路2824具有接收一预定电压V_SET的一第一输入端、耦接至该缓启动垫30的一第二输入端和提供该输出信号CM的一输出端。

图4A和图4B显示可能形成该预定电压V_SET的几种电路配置。参照图4A，该预定电压V_SET可通过一电流源I_S1和一栅-漏极端短路的P型晶体管MP所组成。因此，该预定电压V_SET的电压电平大致为VDD-V_GS(MP)。参照图4B，该预定电压V_SET可通过一电流源I_S2和一电阻R_C所组成。因此，该预定电压V_SET的电压电平会由该电流源I_S2和该电阻R_C的值所决定。

现配合图2、图3和图4A描述该缓启动电路282的运作方式。参照图3，当该缓启动垫30为浮接状态时(亦即，该缓启动垫30未连接至该外部电容C_SSEXT)，该缓启动垫30上的电压电平由于该电流源I₁会上拉至电压源V_DD的电平。由于该预定电压V_SET的电压电平大致为VDD-V_GS(MP)，此时该比较电路2824会输出一具有逻辑0的信号CM，使得该开关元件2822截止。因此，电容C_SSIN上的电压信号SS₁仅经由该电流源I₃充电而线性地缓慢上升。由于在缓启动时间间隔内电压信号SS₂的电平大于电压信号SS₁的电平，故图2中的反馈电压V_FB在该时间间隔内会跟随电压信号SS₁的变化，进而达到缓启动的功能。

另一方面，当该缓启动垫30上有连接外部电容C_SSEXT时，该缓启动垫30上的电压电平会经由该电流源I₁充电而线性地缓慢上升。一般而言，该外部电容C_SSEXT的容值大于该内部电容C_SSIN的容值。故在本实施例中，该电流源I₁的电流值较佳为实质上等同于该电流源I₂的电流值，且该电流源I₁的电流值较佳为大于该电流源I₃的电流值。然而，本发明不应以此为限。该外部电容C_SSEXT的容值可能大于该内部电容C_SSIN的容值十倍以上。在另一实施例中，该外部电容C_SSEXT的容值选择为nＦ以上等级，而该内部电容C_SSIN的容值选择为pＦ左右等级。故在该实施例中，该电流源I₁的电流值较佳为实质上等同于该电流源I₂的电流值，且该电流源I₃的电流值可视电容C_SSEXT和电容C_SSIN的比例而进行调整。参照图3，当该缓启动垫30上的电压电平小于VDD-V_GS(MP)时，该比较电路2824会输出一具有逻辑1的信号CM，使得该开关元件2822导通。因此，电容C_SSIN上的电压信号SS₁会同时经由该电流源I₂和该电流源I₃充电而快速地上升至电压源V_DD的电平，使得在缓启动时间间隔内电压信号SS₂的电平会小于电压信号SS₁的电平。因此，在该时间间隔内，图2中的反馈电压V_FB会跟随电压信号SS₂的变化，进而达到缓启动的功能。

此外，在缓启动时间间隔内，当电压信号SS₂的电平上升至VDD-V_GS(MP)时，该比较电路2824会输出一具有逻辑0的信号CM，使得该开关元件2822截止。因此，电容C_SSIN上的电压信号SS₁会经由该电流源I₃而保持为电压源V_DD的电平。由于该开关元件2822为截止状态，故该电流源I₂不会耦接至该电容C_SSIN，进而减少功率的损耗。

在上述实施例中，以升压式电压转换器20为例说明本发明的实施方式及其功效，然而本发明不应以此为限。举例而言，降压式电压转换器和升降压式电压转换器由于具有相同或近似配置的控制电路，故本发明也可施行于其上。此外，本发明所揭示的电路也可能实施于返驰式（Flyback）或顺向式（Forward）电压转换器或交流转直流的电压转换器上。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为所附的权利要求书要求保护的范围所涵盖。

Claims

1.一种电压转换器，用以接收一输入电压藉以调节产生一输出电压，该电压转换器包含：

一输出垫，用以输出该输出电压；

一缓启动垫，其选择性地耦接至一控制电路的外部的一第一电容；以及

该控制电路，其以集成电路的方式实施，该控制电路包含：

一第二电容；

一误差放大器，具有接收一参考电压的一第一正相输入端、耦接至该缓启动垫的一第二正相输入端、耦接至该第二电容的一第三正相输入端、接收关联于该输出电压的一反馈电压的一反相输入端和提供一误差电压的一输出端；及

一缓启动电路，具有耦接至该第二电容的一第一端及耦接至该缓启动垫的一第二端；

其中该第一电容的容值大于该第二电容的容值；且

其中该缓启动电路系根据该第一电容的连接状况以提供一缓启动时间间隔。

2.如权利要求1的电压转换器，其中该缓启动电路包含：

一第一电流源，耦接至该缓启动垫；

一第二电流源，耦接至一开关元件；

一第三电流源，耦接至该控制电路中的该第二电容；

该开关元件，用以根据一比较信号以选择性地耦接该第二电流源至该第二电容；以及

一比较电路，具有接收一预定电压的一第一输入端、耦接至该缓启动垫的一第二输入端和提供该比较信号的一输出端。

3.如权利要求2的电压转换器，其中该预定电压的电压电平由一第四电流源和一栅-漏极端短路的P型晶体管所决定。

4.如权利要求2的电压转换器，其中该第一电流源的电流值实质相同于该第二电流源的电流值，且该第一电流源的电流值大于该第三电流源的电流值。

5.如权利要求2的电压转换器，其中该第一电容的容值大于该第二电容的容值十倍以上，且该第一电流源的电流值实质相同于该第二电流源的电流值，而该第一电流源的电流值大于该第三电流源的电流值十倍以上。

6.如权利要求4的电压转换器，其中当该第一电容未耦接于该缓启动垫时，该缓启动时间隔由该第二电容的容值、该第三电流源的电流值和该参考电压的电压电平所决定。

7.如权利要求6的电压转换器，其中当该第二输入端的电压电平大于该预定电压的电压电平时，该开关元件为截止状态。

8.如权利要求4的电压转换器，其中当该第一电容耦接于该缓启动垫时，该缓启动时间隔由该第一电容的容值、该第一电流源的电流值和该参考电压的电压电平所决定。

9.如权利要求8的电压转换器，其中当该第二输入端的电压电平大于该预定电压的电压电平时，该开关元件为截止状态。

10.如权利要求1的电压转换器，其中该电压转换器为升压式电压转换器、降压式电压转换器或升降压式电压转换器。