CN109510175B - 电压转换装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电压转换装置及其控制方法，电压转换装置包含电源供应电路、电压转换电路以及保护电路。电源供应电路包含第一开关。第一开关传输电源以产生输入电压。电压转换电路产生第一电压。电压转换电路的第二开关接收输入电压。电压转换电路的第三开关耦接于第二开关与地端之间。保护电路包含侦测电路。侦测电路依据第一电压、对应于第一电压的第二电压以及参考电压产生第控制信号。当误差信号的电压值小于参考电压时，侦测电路输出第一控制信号以截止第一开关。误差信号的电压值对应于第一电压与第二电压之间的电压差。当保护电路的接脚之间发生阻抗异常或高侧开关发生异常时，本发明可避免高侧开关发生热熔问题。

Description

电压转换装置及其控制方法
技术领域
本发明是有关于一种电压转换装置及其控制方法。
背景技术
在各式电子装置中，电压转换器已被广泛使用。电压转换器用以将输入电压进行电压转换以产生输出电压。然而，当电压转换器的内部发生阻抗异常或电压转换器的内部开关(例如：高侧开关)发生异常时，若输入电压仍持续被输入至电压转换器，电压转换器的内部开关可能会被烧毁而发生热熔问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种当保护电路的接脚之间发生阻抗异常或高侧开关发生异常时，保护电路可控制电源供应电路停止提供输入电压给高侧开关，从而可避免高侧开关发生热熔问题的电压转换装置及其控制方法。
本发明的一些实施方式是关于一种电压转换装置。电压转换装置包含电源供应电路、电压转换电路以及保护电路。电源供应电路包含第一开关。第一开关传输电源以产生输入电压。电压转换电路产生第一电压。电压转换电路的第二开关接收输入电压。电压转换电路的第三开关耦接于第二开关与接地端之间。保护电路包含侦测电路。侦测电路依据第电压、对应于第一电压的第二电压以及参考电压产生第一控制信号。当误差信号的电压值小于参考电压时，侦测电路输出第一控制信号以截止第一开关。误差信号的电压值对应于第一电压与第二电压之间的电压差。
本发明的一些实施方式是关于一种电压转换装置的控制方法。电压转换装置的控制方法包含：通过电源供应电路的第一开关传输电源以产生输入电压；通过电压转换电路的第二开关接收输入电压，其中第三开关耦接于第二开关与地端之间；通过电压转换电路依据输入电压产生输出电压以及第一电压；以及通过侦测电路依据第一电压、对应于第一电压的第二电压以及参考电压产生第一控制信号。当误差信号的电压值小于参考电压时，通过侦测电路输出第一控制信号以截止第一开关。误差信号的电压值对应于第一电压与第二电压之间的电压差。
综上所述，本发明中的电压转换装置及其控制方法，当保护电路的接脚之间发生阻抗异常或高侧开关发生异常时，保护电路控制电源供应电路停止提供输入电压给高侧开关。如此，可避免高侧开关发生热熔问题。
附图说明
为让本案的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，现结合附图说明如下：
图1是依照本发明一实施例所示的一种电压转换装置的示意图；
图2A～图2B是一实施例中阻抗异常的示意图；以及
图3是依照本发明一实施例所示的一种电压转换装置的控制方法的流程图。
具体实施方式
关于本文中所使用的“第一”、“第二”、“第三”…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的元件或操作而已。
在本文中所使用的用词“耦接”也可指“电性耦接”，且用词“连接”也可指“电性连接”。“耦接”及“连接”也可指二个或多个元件相互配合或相互互动。
请参考图1。图1是依照本发明一实施例所示的一种电压转换装置100的示意图。在一实施例中，电压转换装置100是降压型电源转换器(buck converter)，但本发明不以此为限制。电压转换装置100包含电源供应电路120、电压转换电路140、靴带(boot)电路160、保护电路180以及第二控制电路190。
电源供应电路120包含第一开关SW1以及第五开关SW5。第一开关SW1与第五开关SW5反向串联。第一开关SW1的第一端接收电源DOCK_IN，第一开关SW1的第二端与第五开关SW5的第一端耦接于节点N3，第五开关SW5的第二端耦接电压转换电路140以提供输入电压VIN给电压转换电路140。第一开关SW1以及第五开关SW5的控制端耦接于节点N2以接收来自保护电路180的控制信号S1或来自第二控制电路190的控制信号S3。控制信号S1或控制信号S3用以控制第一开关SW1以及第五开关SW5为导通或截止。当第一开关SW1以及第五开关SW5为导通时，第一开关SW1以及第五开关SW5传输电源DOCK_IN以产生输入电压VIN。
在一实施例中，电压转换电路140包含第一电容器C1、第二电容器C2、第一电感器L1、第二开关SW2以及第三开关SW3。第一电容器C1的第一端以及第二开关SW2的第一端接收来自电源供应电路120的输入电压VIN。第二电容器C2的第一端耦接第一电感器L1的第一端。第一电容器C1的第二端、第二电容器C2的第二端以及第三开关SW3的第一端耦接地端GND。第二开关SW2的第二端、第三开关SW3的第二端以及第一电感器L1的第二端耦接于节点N1。电压转换电路140接收输入电压VIN后会将输入电压VIN进行电压转换以于第一电感器L1的第一端产生输出电压VOUT，且于第一电感器L1的第二端(节点N1)产生第一电压V1。
靴带电路160耦接于电压转换电路140以及保护电路180之间。在一实施例中，靴带电路160包含第三电容器C3以及第一电阻器R1。第三电容器C3的第一端耦接节点N1，第三电容器C3的第二端耦接第一电阻器R1的第一端，第一电阻器R1的第二端耦接保护电路180。位于节点N1的第一电压V1经由靴带电路160的靴带效应后会于第一电阻R1的第二端产生第二电压V2(例如：靴带电压)。
在一实施例中，保护电路180包含第一接脚PHASE、第二接脚BOOT、第三接脚UGATE、第四接脚LGATE、侦测电路182以及第一控制电路184。
侦测电路182包含误差放大器EA、比较器CP以及第四开关SW4。在一实施例中，误差放大器EA以及比较器CP皆接收工作电压VCC以进行运作。误差放大器EA的第一输入端(例如：负输入端)耦接第一接脚PHASE以通过第一接脚PHASE接收第一电压V1。误差放大器EA的第二输入端(例如：正输入端)耦接第二接脚BOOT以通过第二接脚BOOT接收第二电压V2。第一电压V1与第二电压V2之间的电压差对应于误差信号ERR。在一实施例中，误差放大器EA将第一电压V1与第二电压V2之间的电压差放大以产生误差信号ERR。误差信号ERR被传输至比较器CP的第一输入端(例如：负输入端)。参考电压VREF被传输至比较器CP的第二输入端(例如：正输入端)。接着，比较器CP对误差信号ERR的电压值以及参考电压VREF进行比较，且依据比较结果输出控制信号S2。在一实施例中，当参考电压VREF大于(小于)误差信号ERR的电压值时，控制信号S2具有逻辑值1(0)。在一实施例中，参考电压VREF为2.5伏特，但参考电压VREF的电压值可依据实际需求设定。比较器CP的输出端耦接第四开关SW4的控制端以将控制信号S2传输至第四开关SW4的控制端。第四开关SW4耦接于节点N2与地端GND之间，且控制信号S2用以控制第四开关SW4为导通或截止。
在一实施例中，上述第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4以及第五开关SW5分别是以单一个N型金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)实现。本发明不限制上述这些开关的晶体管型式。各种得以实现上述这些开关的晶体管型式皆在本发明的范围内。在一实施例中，这些开关的晶体管型式可为双极结型晶体管(BJT)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
当保护电路180的这些接脚之间发生阻抗异常或者当第二开关SW2异常时，第一电压V1与第二电压V2之间的电压差可能对应地变小。此相关内容将搭配图2A～图2B描述，图2A～图2B是一实施例中阻抗异常的示意图。
请参考图2A。当第二接脚BOOT与第三接脚UGATE之间发生阻抗异常时，第二接脚BOOT与第三接脚UGATE之间会存在异常导电路径。当第三开关SW3导通时，第三接脚UGATE与第一接脚PHASE之间会存在导电路径。因此，当第二接脚BOOT与第三接脚UGATE之间发生阻抗异常且第三开关SW3导通时，将会存在第一放电路径P1。当第一放电路径P1存在，第一接脚PHASE所接收到的第一电压V1与第二接脚BOOT所接收到的第二电压V2之间的电压差将会变小。
请参考图2B。当第三接脚UGATE与第一接脚PHASE之间发生阻抗异常时，第三接脚UGATE与第一接脚PHASE之间会存在异常导电路径。当第二开关SW2导通或发生异常(例如：损坏)时，第二接脚BOOT与第三接脚UGATE之间会存在导电路径。因此，当第三接脚UGATE与第一接脚PHASE之间发生阻抗异常且第二开关SW2导通或发生异常时，将会存在第二放电路径P2。于另一实施例中，当第二接脚BOOT与第一接脚PHASE之间发生阻抗异常时，也会存在第二放电路径P2。当第二放电路径P2存在，第一接脚PHASE所接收到的第一电压V1与第二接脚BOOT所接收到的第二电压V2之间的电压差将会变小。
请再次参考图1，当第一电压V1与第二电压V2之间的电压差变小时，误差信号ERR的电压值可能小于参考电压VREF。当误差信号ERR的电压值小于参考电压VREF时，比较器CP输出具有逻辑值“1”的控制信号S2。第四开关SW4依据具有逻辑值“1”的控制信号S2导通。当第四开关SW4导通，位于节点N2的电压将通过第四开关SW4被下拉至地。此时，由第四开关SW4所输出的控制信号S1具有逻辑值“0”。当控制信号S1具有逻辑值“0”时，第一开关SW1以及第五开关SW5将依据具有逻辑值“0”的控制信号S1截止。如此，电源供应电路120无法传输电源DOCK_IN以提供输入电压VIN给电压转换电路140的第二开关SW2。这将可避免第二开关SW2发生热熔问题，以达到保护电压转换装置100的功效。
第一控制电路184的输入端耦接比较器CP以接收控制信号S2。第一控制电路184依据控制信号S2的逻辑值选择性输出第三电压V3以及第四电压V4。第一控制电路184的第一输出端耦接第三接脚UGATE，且第二电阻器R2耦接于第三接脚UGATE与第二开关SW2的控制端之间以将来自第一控制电路184的第三电压V3传输至第二开关SW2的控制端。第三电压V3用以控制第二开关SW2为导通或截止。第一控制电路184的第二输出端耦接第四接脚LGATE，且第三电阻器R3耦接于第四接脚LGATE与第三开关SW3的控制端之间以将来自第一控制电路184的第四电压V4传输至第三开关SW3的控制端。第四电压V4用以控制第三开关SW3为导通或截止。
在一实施例中，当无异常发生时，误差信号ERR的电压值不小于参考电压VREF。当误差信号ERR的电压值不小于参考电压VREF时，比较器CP所输出的控制信号S2具有逻辑值“0”。当第一控制电路184接收到具有逻辑值“0”的控制信号S2，第一控制电路184将产生第三电压V3以及第四电压V4。第三电压V3通过第三接脚UGATE以及第二电阻R2传输至第二开关SW2的控制端以控制第二开关SW2为导通或截止，第四电压V4通过第四接脚LGATE以及第三电阻R3传输至第三开关SW3的控制端以控制第三开关SW3为导通或截止。在一实施例中，第一控制电路184是以脉波宽度调制(PWM)控制器实现，且第三电压V3以及第四电压V4为PWM信号。如前所述，当异常发生时，控制信号S2具有逻辑值“1”。此时，第一控制电路184依据具有逻辑值“1”的控制信号S2失能。失能的第一控制电路184将停止输出第三电压V3以及第四电压V4。
第二控制电路190耦接于节点N3与节点N2之间。在一实施例中，第二控制电路190侦测位于节点N3的电压，且依据侦测结果输出控制信号S3至节点N2以控制第一开关SW1以及第五开关SW5为导通或截止，进而控制电源供应电路120是否传输电源DOCK_IN。在一实施例中，第二控制电路190以及第一控制电路184例如是以控制芯片实现。
请参考图3。图3是依照本发明一实施例所示的一种电压转换装置的控制方法300的流程图。为了以优选的方式理解本发明，控制方法300将搭配图1的电压转换装置100进行讨论，但本发明不以此为限制。
在一实施例中，控制方法300包含步骤S310、步骤S320、步骤S330以及步骤S340。
在步骤S310中，电源供应电路120的至少一个第一开关传输电源DOCK_IN以产生输入电压VIN。在一实施例中，电源供应电路120包含第一开关SW1以及第五开关SW5。当控制信号S1具有逻辑值“0”时，第一开关SW1以及第五开关SW5导通。第一开关SW1以及第五开关SW5传输电源DOCK_IN以产生输入电压VIN。在一实施例中，输入电压VIN为12伏特，但本发明不以此为限制。
在步骤S320中，电压转换电路140的第二开关SW2接收输入电压VIN。在一实施例中，第二开关SW2为高侧开关(high side switch)，第三开关SW3为低侧开关(low sideswitch)。电压转换电路140通过第二开关SW2接收来自电源供应电路120的输入电压VIN以对输入电压VIN进行电压转换操作。
在步骤S330中，电压转换电路140依据输入电压VIN产生输出电压VOUT以及第一电压V1。在一实施例中，电压转换电路140对输入电压VIN进行电压转换以于第一电感器L1的第一端产生输出电压VOUT，并于第一电感器L1的第二端(节点N1)产生第一电压V1。
在步骤S340中，保护电路180的侦测电路182依据第一电压V1、对应于第一电压V1的第二电压V2以及参考电压VREF产生控制信号S1。在一实施例中，误差放大器EA依据第一电压V1以及第二电压V2的电压差输出误差信号ERR。当误差信号ERR的电压值小于参考电压VREF时，比较器CP输出具有逻辑值“1”的控制信号S2。第四开关SW4接收且依据具有逻辑值“1”的控制信号S2导通以输出具有逻辑值“0”的控制信号S1。具有逻辑值“0”的控制信号S1被传输至节点N2，使得第一开关SW1以及第五开关SW5截止。如此，电源DOCK_IN将无法通过第一开关SW1以及第五开关SW5传输，且电源供应电路120将停止提供输入电压VIN给第二开关SW2。
综上所述，本发明中的电压转换装置及其控制方法，当保护电路的接脚之间发生阻抗异常或高侧开关发生异常时，保护电路控制电源供应电路停止提供输入电压给高侧开关。如此，可避免高侧开关发生热熔问题。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定为准。

Claims (11)

1.一种电压转换装置，其特征是，包含：
电源供应电路，包含第一开关，所述第一开关传输电源以产生输入电压；
电压转换电路，依据所述输入电压产生输出电压以及第一电压，所述电压转换电路包含：
第二开关，接收所述输入电压；以及
第三开关，耦接于所述第二开关与地端之间；
靴带电路，耦接于所述电压转换电路，所述靴带电路依据所述第一电压产生第二电压；以及
保护电路，包含：
侦测电路，依据所述第一电压、所述第二电压以及参考电压产生第一控制信号，其中当误差信号的电压值小于所述参考电压时，所述侦测电路输出所述第一控制信号以截止所述第一开关，其中所述侦测电路包含误差放大器，以依据所述第一电压以及所述第二电压之间的电压差产生所述误差信号的所述电压值。
2.如权利要求1所述的电压转换装置，其特征是，所述侦测电路包含：
比较器，比较所述误差信号的所述电压值与所述参考电压以产生第二控制信号；以及
第四开关，依据所述第二控制信号导通或截止以产生所述第一控制信号。
3.如权利要求2所述的电压转换装置，其特征是，所述保护电路还包含：
第一控制电路，耦接于所述比较器与所述电压转换电路之间，当所述误差信号的所述电压值小于所述参考电压时，所述第一控制电路依据所述第二控制信号失能，以停止输出第三电压给所述第二开关的控制端且停止输出第四电压给所述第三开关的控制端。
4.如权利要求1所述的电压转换装置，其特征是，所述第二开关包含第一端以及第二端，所述第二开关的所述第一端接收所述输入电压以在所述第二开关的所述第二端产生所述第一电压，所述第二开关的所述第二端耦接所述保护电路的第一接脚以通过所述第一接脚将所述第一电压传输给所述侦测电路，所述第三开关包含第一端以及第二端，所述第三开关的所述第一端耦接所述地端，所述第三开关的所述第二端耦接所述第二开关的所述第二端。
5.如权利要求1所述的电压转换装置，其特征是，还包含：
所述靴带电路通过所述保护电路的第二接脚将所述第二电压传输给所述侦测电路。
6.如权利要求1所述的电压转换装置，其特征是，所述电源供应电路还包含第五开关，所述第五开关与所述第一开关反向串联以传输所述电源。
7.一种电压转换装置的控制方法，其特征是，包含：
通过电源供应电路的第一开关传输电源以产生输入电压；
通过电压转换电路的第二开关接收所述输入电压，其中第三开关耦接于所述第二开关与地端之间；
通过所述电压转换电路依据所述输入电压产生输出电压以及第一电压；
通过靴带电路依据所述第一电压产生第二电压；
通过保护电路的侦测电路依据所述第一电压、所述第二电压以及参考电压产生第一控制信号；以及
通过误差放大器依据所述第一电压以及所述第二电压之间的电压差产生误差信号的电压值，其中当所述误差信号的所述电压值小于所述参考电压时，通过所述侦测电路输出所述第一控制信号以截止所述第一开关。
8.如权利要求7所述的电压转换装置的控制方法，其特征是，产生所述第一控制信号包含：
通过比较器比较所述误差信号的所述电压值与所述参考电压以产生第二控制信号；以及
依据所述第二控制信号导通或截止所述侦测电路的第四开关以产生所述第一控制信号。
9.如权利要求8所述的电压转换装置的控制方法，其特征是，还包含：
当所述误差信号的所述电压值小于所述参考电压时，依据所述第二控制信号失能所述保护电路的第一控制电路，以使所述第一控制电路停止输出第三电压给所述第二开关的控制端且停止输出第四电压给所述第三开关的控制端。
10.如权利要求7所述的电压转换装置的控制方法，其特征是，产生所述第一电压包含：
通过所述第二开关的第一端接收所述输入电压以在所述第二开关的第二端产生所述第一电压；以及
通过所述保护电路的第一接脚将所述第一电压自所述第二开关的所述第二端传输给所述侦测电路。
11.如权利要求7所述的电压转换装置的控制方法，其特征是，还包含：
通过所述保护电路的第二接脚将所述第二电压自所述靴带电路传输给所述侦测电路。
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