TW201102799A - Soft start circuit and method for a switching regulator - Google Patents

Description

201102799 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關-種切換式調節器，特別是關於一種切換 式調節器的軟啟動(soft start)電路及方法。 【先前技術】 許多系統中都設有軟啟動機制使系統在開啟時

平穩地啟動，以減少啟動時的衝擊，防止部分元件超 载以及過電壓的發生。在傳統的軟啟動方法中，都是 由零電壓開始軟啟動’然而’系統的輸出端上可能存 在前次操作時殘留下來的電荷，使㈣統在剛啟動時 的輸出電Μ不為零’傳統軟啟動方法會先將系統輸出 端上殘留的電荷釋放後再累積，這樣的方式將使殘留 的電何白白浪費了，而且也可能產生過大的負的電感 電流而造成電路損毀。 圖1係-郷料電壓VQ由錄電壓軟啟動的 切換式調節器1〇,圖2係其信號波形 圖，用以說明殘 餘電壓小於目標值時的軟啟動操作，其中波形30為 輪出電壓波形32為斜坡信號ss_Ramp，波形34 為回授U VFB ’波形36為致能信號EN，波形狀為 致能信號Re(EN’波形40為控制信號S〇urCe_CTL， 波形42為控制信號Sink』TL。在切換式調節器ι〇 中，-對串聯的開關20及22受控制信號—一CTL 及Smk—CTL切換而將輸入電壓vin轉換為輸出電壓 201102799

Vo給負載24及26。在正常工作期間，輸出電壓Vo 將穩定在某個目標值。取樣電路28取樣輸出電壓Vo 產生回授信號VFB給誤差放大器14的反相輸入。多 工器12將參考電壓Vr及斜坡信號SS_Ramp其中之一 送至誤差放大器14的非反相輸入。當切換式調節器 10啟動時，如時間tl，致能信號EN轉為高準位而致 能誤差放大器14,同時多工器12將斜坡信號SS_Ramp 送至誤差放大器14的非反相輸入，使切換式調節器 10進入軟啟動。在此例中，切換式調節器10的輸出 具有小於目標值的殘餘電壓，故回授信號VFB不為 零。在斜坡信號SS_Ramp由零上升至回授信號VFB準 位的期間，如時間tl至t2，誤差放大器14送出低準 位的致能信號Real_EN關閉PWM控制器16。當斜坡信 號SS_Ramp達到回授信號VFB的大小時，如時間12， 致能信號Real_EN轉為高準位而觸發PWM控制器16， 因此PWM控制器16根據誤差放大器14提供的誤差信 號S1產生控制信號Source_CTL及Sink_CTL操作開 關20及22,輸出電壓Vo便由殘餘電壓的準位朝目標 值上升。為了避免出現電感電流IL逆流，軟啟動控 制器18截住控制信號Sink_CTL使開關22維持關閉 一段時間，如時間t2至t3。軟啟動控制器18藉由偵 測斜坡信號SS_Ramp來決定是否釋放控制信號 Sink_CTL。例如，軟啟動結束或斜坡信號SS_Ramp達 到預設值時，軟動控制器18才釋放控制信號 5 [s] 201102799

Sink—CTL，如時間t3所示。 雖然，切換式調節器10可以使輸出電壓…在軟 啟動時由殘餘電壓的準位開始變化，避免電荷的浪 費，同時還能防止負的電感電流，但是此方式需要等 待斜坡信號SS—Ramp上升至回授信號VFB的準位，因 此軟啟動時間Tss較長。此外，由於切換式調節器1〇 往上的單方向斜坡信號SS-Ramp，因此當切換式 々即H 10的輪出具有大於目標值的殘餘電麼時，軟 啟動的效果較差。圖3係圖】的切換式調節器^的 信號波形圖，用以說明殘餘電壓大於目標值時的軟啟 動操作’其t波形44為致能信號εν，波形46為斜坡 “號SS—Ramp，波形48為回授信號VFB，波形5〇為 致能信號Real—EN，波形52為控制信號一⑽―瓜， 波形54為控制信號Sink—CTL。當切換式調節器⑺啟 動時致此仏號EN轉為高準位而致能誤差放大器工4， 如時間t4，同時多工器12將斜坡信號S〇amp送至 誤差放大器14的非反相輸入，使切換式調節器1〇進 入軟啟動。在此例巾，切換式調節器、1〇的輸出具有 大於目私值的殘餘電壓，因此當斜坡信號ss—以师達 到參考電壓Vr的準位時，如時間t5，多工器12 換參考電壓Vr至誤差放大器14的非反相輸入，由於 回授信號VFB大於參考電壓Vr，故pwM控制器不 被觸發’此時，需要等負載電流釋放切換式調節器10 的輸出上的殘餘電荷，直到回授信號VFB略小於參考 201102799 電壓Vr後，致能信號Real—EN才轉為高準位而觸發 PWM控制器16，進而結束軟啟動。然而，當負載電^ 很小時，將導致軟啟動時間Tss過長。 ^ 美國專利號7’ 501，805提出一種使用兩個分別往 上跟往下的單方向斜坡信號加上多工哭υ、μ 裔運成雙向軟 啟動的方法，在輸出電壓大於目標值時也可以有較好 的軟啟動效果。然而’此方法需要多工器及兩個信號 產生器分別提供兩個往上跟往下的斜坡信號故需要 耗費較大的電路面積來實現’此外也沒有改善軟啟 時間過長的問題。 口人 因此，一種減少軟啟動時間的敕啟動電路及 法，乃為所冀。 【發明内容】 調節器的軟啟 本發明的目的之一，在於提出—種切換式 動電路及方法。 種減少軟啟動時間的軟 本發明的目的之一，在於提出 啟動電路及方法。 電路面積的軟啟 本發明的目的之一，在於提出一種減少 動電路。 夕 根據本發明，-種切換式調節器 產生器及比例電路連接該信號產生器。^啟動電路包括信號 產生器提供斜坡信舰购換_糾’該信號 該比例電路提供 壓的準位朝目標值變化。在觸發軟啟動=輪出頓由殘餘電 201102799 ’以提焉該斜

與該殘餘電壓相關的比例電壓給該信號產生器 坡信號的準位，進而縮短軟啟動的時間。B 根據本發明，-種切換式調節器的軟啟動方法在觸發軟 啟動時，提供斜坡信號使該切換式調節騎輪出電㈣殘餘 電壓的準位朝目標值變化，接著根據該殘餘電壓制比例電 壓，藉由該_縣提高該斜坡錄鱗仙雜軟啟動的 時間。 【實施方式】 圖4係本發明的第一實施例。在切換式調節器6〇中，輸 出級66包括一對串聯的開關SW1及SW2，控制信號

Source_CTL及Sink_CTL分別切換開關SW1及sW2以將輸 入電壓Vin轉換為輸出電壓v〇給負載68及70。取樣電路72 取樣輸出電壓Vo產生回授信號VFB給軟啟動電路62和控制 電路64。軟啟動電路62提供斜坡信號Vref_ss給控制電路 64。在控制電路64中，誤差放大器88根據斜坡信號Vref__ss 及回授信號VFB產生誤差信號VEA，PWM控制器90根據 誤差信號VEA產生控制信號Source_CTL及Sink_CTL，軟 啟動控制器92截住控制信號Sink_CTL使開關SW2維 持關閉一段時間。在軟啟動電路62中，信號產生器 74提供斜坡信號Vref_ss。在軟啟動時，斜坡信號 Vref一ss可以使切換式調節器60的輸出電壓Vo由殘 餘電壓的準位朝目標值變化。比例電路（seal ing circuit)78根據回授信號VFB產生比例電壓Vpl以及 201102799 】於或專於該比例電壓Vp 1的臨界值Vp2。比例電壓 Vpl在觸發軟啟動時提高斜玻信號Vref—ss的準位。 較佳者’比例電壓Vpi等於回授信號VFB。控制器76 在觸發軟啟動時打開（turn on)開關SW3 —段時間， 使比例電壓Vpl提供給信號產生器74。控制器76包 括比車又器86比較斜坡信號Vref_ss及臨界值Vp2,當 斜坡信號Vref—ss大於臨界值Vp2時，關閉（turn of f ) I 開關SW3。在此實施例中，信號產生器74包括電容 :乂及電流源82、84分別對電容Css充放電以產生 斜坡彳5旒Vref一ss’以及磁滯比較器go根據斜坡信號 Vref〜ss及參考電壓Vref切換開關別4及別5，以控 制電容Css的充放電。 圖5係圖4的切換式調節器6〇的信號波形圖，用 以說明殘餘電壓小於目標值時，切換式調節器6〇的 軟啟動操作，其中波形94為致能信號EN，波形96為 • 回授信號VFB，波形98為斜坡信號Vref—ss。當切換 式調節器60啟動時，致能信號EN轉為高準位而致能 軟啟動電路62觸發軟啟動，如時間t7及波形94所 不。由於切換式調節器60的輸出上有殘餘電壓，因 此回授彳§號VFB不為零，如波形96所示。比例電路 78根據回授彳s號VFB產生比例電壓Vpl及臨界值 Vp2，在此實施例中，比例電壓Vpl及臨界值Vp2均 等於回授信號VFB。控制器76被致能後比較斜坡信號 Vref_ss及臨界值Vp2，此時斜坡信號Vref_ss小於 201102799 臨界值Vp2，因此控制器76打開開關SW3使比例電壓 vPl對電容Css充電，讓斜坡信號Vref_ss的準位上 升。在斜坡信號Vref_ss達到臨界值vp2後，控制器 76關閉開關SW3 ’此時斜坡信號Vref_ss等於回授電 壓VFB的準位’因此誤差放大器88立即送出致能信 號REN致能PWM控制器9〇，p丽控制器90根據誤差 #號VEA產生控制信號Source_CTL及S i nk—CTL切換 開關SW1及SW2 ’使輸出電壓Vo由殘餘電壓的準位朝 目標值上升。又斜坡信號vref_ss小於參考電Vref， 故L號產生器74中的磁滯比較器讓電流源82對 電谷Css充電使斜坡信號Vref_ss開始上升。當斜坡 4。號Vref—ss達到參考電壓Vref的準位時，如時間 8軟啟動結束，而斜坡信號vref—ss將穩定在參考 電壓Vref的準位。 、圖6係圖4的切換式調節器60的信號波形圖，用 )說明殘餘電壓大於目標值時，切換式調節器6〇的 幸人啟動操作’其中波形100為致能信號EN，波形1〇2 為回授信號VFB，波形1〇4為斜坡錢Vref_ss。當 切換式調節器6G啟動時，致能信號抓轉為高準位而 致能軟啟動電路62觸發軟啟動，如時間切及波形ι〇〇 所示。由於切換式調節器60的輸出上有殘餘電壓， 因此回授信號VFB不為零，如波形1〇2所示。比例電 路78根據回授信號VFB產生比例電壓_及臨界值 Vp2 ’在此實施例中，比例電壓Vpl及臨界值vp2均 201102799 等於回授信號VFB。控制器76被致能後比較斜坡信號 Vref_ss及臨界值Vp2 ’此時斜坡信號Vref_ss小於 臨界值Vp2，因此控制器76打開開關SW3使比例電壓 Vpl對電容Css充電，讓斜坡信號vref_ss的準位上 升。在斜坡信號Vref_ss達到臨界值Vp2後，控制器 76關閉開關SW3 ’此時斜坡信號Vref_ss等於回授電 壓VFB的準位，因此誤差放大器88立即送出致能信 號REN致能PWM控制器90，PWM控制器90根據誤差 信號VEA產生控制信號Source_CTL及Sink_CTL切換 開關SW1及SW2,使輸出電壓V〇由殘餘電壓的準位朝 目標值下降。又斜坡信號Vref_ss大於參考電Vref， 故信號產生器74中的磁滯比較器80讓電流源84對 電容Css放電使斜坡信號Vref_ss開始下降。當斜坡 信號Vref_ss達到參考電壓Vref的準位時，如時間 tlO，軟啟動結束’而斜坡信號Vref—ss將穩定在參 考電壓Vref的準位。 軟啟動電路62在切換式調節器60啟動時，便先 根據切換式調節器60輸出上的殘餘電壓將斜坡信號 Vref—ss拉到接近回授信號VFB的準位，毋需等待斜 坡信號Vref_ss慢慢地上升到回授信號VFB的準位， 因此能有效縮短軟啟動時間Tss。再者，只需要一個 產生斜坡信號Vref_ss的信號產生器，便能實現往上 跟往下的斜坡信號Vref_ss，故能減少電路面積。 圖7係本發明的第二實施例’控制電路64、輸出級66 201102799 及取樣電路72和目4 #實施例相同。在切換式調節器11〇 中，軟啟動電路112除了控制器76、開關SW3及比例電路 78以外，還包含信號產生器114在軟啟動時提供斜坡信號 Vref一ss讓切換式調節器no的輸出電壓v〇由殘餘電壓朝目 標值變化。信號產生器1H包括電容Css及電壓電流轉換器 116，電壓電流轉換器116根據參考電壓Vref及斜坡信號 Vref_ss之間的差值產生電流Icd對電容Css充電或放電而產 生斜坡彳5號Vref—ss。當切換式調節器no啟動時，致能信號 EN致能軟啟動電路112，此時比例電路78根據回授信號vpB 產生比例電壓Vpl及臨界值Vp2，控制器76比較斜坡信號

Vref_ss及臨界值Vp2。若斜坡信號Vref—ss小於臨界值Vp2， 則控制器76打開開關SW3讓比例電壓Vpl對電容Css充 電，使斜坡信號Vref_ss上升到比例電壓Vpi的準位，進而 縮短軟啟動時間。當參考電壓Vref大於斜坡信號Vref ss， 電壓電流轉換器116提供電流led對電容Css充電使斜坡信 號Vref一ss上升；當參考電壓Vref小於斜坡信號Vref_ss，電 壓電流轉換器116提供電流led讓電容Css放電使斜坡信號 Vref_ss 下降。 圖8顯示比例電路78的第一實施例，其包括運算放大器 120、MOS電晶體122及電阻Rl，MOS電晶體122與電阻 R1串聯在電壓Vcc及接地端GND，運算放大器120具有非 反相輸入連接回授信號VFB、反相輸入連接節點124以及輸 出連接MOS電晶體122的閘極’比例電壓Vpl及Vp2由節 點124輸出’根據虛短路原理’運放大器12〇的非反相輸入 12 [S] 201102799 上的回授信號VFB將等於節點124上的比例電壓Vpl及

Vp2。圖9顯示比例電路78的第二實施例，其與圖8同樣包 括運算放大器120及MOS電晶體122,其中MOS電晶體122 與電阻IU、R2及R3串聯在電壓Vcc及接地端（}肌）之間， 根據虛短路原理’節點124上的電壓等於回授信號WB，電 阻Rl、R2及R3分壓回授信號WB產生比例電壓Vpi及 Vp2 〇

以上對於本發明之健實施躺作驗述係為闡明之目 的’而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的 教導或從本侧的實施鮮⑽雜改賴錢可能的，實 施例係為職本發_顧以及讓熟習該項猶者以各種實 發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術 一止圖由以下的中請專利範圍及其均等來決定。 【圖式簡單說明】 圖1係習知的切換式調節器； 圖2係圖1的切換式 闽Q〆 兴式凋即盗的信號波形圖； 圖3係圖1的切換式 ^^ 式凋即态的信號波形圖； 圖4係本發明的第—實施例； 圖5係圖4的切換式綱# R , , 、式調即盗的信號波形圖； 圖6係圖4的切換式★月r 〇。 ^,7 . α 式凋即窃的信號波形圖； 圖7係本發明的第二實施例； 圖8顯示比例電路的第—實施例；以及 圖9顯示比例電路的第二實施例。 201102799 【主要元件符號說明】 10切換式調節器 12多工器 14誤差放大器 16 PWM控制器 18軟啟動控制器 20開關

22開關 24負載 26負載 28取樣電路 30輸出電壓Vo的波形 32斜坡信號SS_Ramp的波形 34回授信號VFB的波形 36致能信號EN的波形 38致能信號Real_EN的波形 40控制信號Source_CTL的波形 42控制信號Sink_CTL的波形 44致能信號EN的波形 46斜坡信號SS_Ramp的波形 48回授信號VFB的波形 50致能信號Real_EN的波形 52控制信號Source_CTL的波形 14 [S] 201102799

54 控制信號Sink_CTL的波形 60 切換式調節器 62 軟啟動電路 64 控制電路 66 輸出級 68 負載 72 取樣電路 74 信號產生器 76 控制器 78 比例電路 80 磁滯比較器 82 電流源 84 電流源 86 比較器 88 誤差放大器 90 PWM控制器 92 軟啟動控制器 94 致能信號EN的波形 96 回授信號VFB的波形 98 斜坡信號Vref_ss的波形 100 致能信號EN的波形 102回授信號VFB的波形 104斜坡信號Vref_ss的波形 110切換式調節器 15 201102799 112軟啟動電路 114信號產生器 116電壓電流轉換器 120運算放大器 122MOS電晶體 124節點

16 [S]

Claims (1)

1. 201102799 七、申請專利範圍·· 1. -種切換式調節器的軟啟動電路，包括·· 信號f生器’在軟啟動時提供斜坡信號使該切換式調節 器的輸出電壓由殘餘電壓的準位朝目標值變化.以 及 ， 比例電路輕接該信號產生器，在觸發軟啟動時，提供與 该殘餘電壓相關的比例電壓給該信號產生器，以提 高該斜坡信號的準位。 2. 如請求項1之軟啟動電路，更包括： 開關連接在該信號產生器及該比例電路之間；以及 控制器連接該開關，在觸發軟啟動時，打開該開關使該 比例電壓提供給該信號產生器。 3. 如請求項2之軟啟動電路’其中該控制器包括比較器比較 該斜坡信號與-臨界值，在該斜坡信號小於該臨界值時打 開該開關’在該斜坡錢等於該臨界值時關_開關。 4. 如請求項3之軟啟動電路，其巾細界值由該比例電路提 供。 5. 如請求項1之軟啟動電路，其中該信號產生器包括： 電容； 二電流源連接該電容，分別對該電容充電及放電以產生 該斜坡信號；以及 磁滯比較器連接該二電流源，根據參考電壓及該斜坡信 號控制該二電流源對該電容的充放電。 6. 如睛求項5之軟啟動電路，其中該比例電路在觸發軟啟動 201102799 時提供該比例電壓對該電容充電，以提高該斜坡信號的準 位。 7. 如請求項1之軟啟動電路，其中該信號產生器包括： 電容；以及 電壓電流轉換器連接該電容’根據參考電壓及在該電容 上的该斜坡信號的差值產生電流對該電容充電或放 電’以產生該斜坡信號。 8. 如清求項7之軟啟動電路，其中該比例電路在觸發軟啟動 時提供該比例電壓對該電容充電，以提高該斜坡信號的準 位。 9·如請求項7之軟啟動電路，其中該斜坡信號的起始準位等 於該比例信號的準位。 10. —種切換式調節器的軟啟動方法，包括： (A) 在觸發軟啟動時提供斜坡信號使該切換式調節器的 輸出電壓由殘餘電壓的準位朝目標值變化； (B) 根據該殘餘電壓得到比例電壓；以及 (C) 藉由該比例電壓提高該斜坡信號的準位。 11. 如請求項10之軟啟動方法，其中該步驟A包括根據參考 電壓及該斜坡信號控制電容的充放電以產生該斜坡信號。 12. 如請求項η之軟啟動方法，其中該步驟c包括提供該比 例電壓對該電容充電，以提高該斜坡信號的準位。 13. 如請求項12之軟啟動方法，其中該步驟c更包括在該斜 坡信號小於一臨界值時，提供該比例電壓對該電容充電， 直到該斜坡信號等於該臨界值。 201102799 14. 如睛求項1〇之軟啟動方法’其中該步驟a包括： 根據該參考電壓及該斜坡信號的差值產生電流；以及 根據該電流對電容充電或放電以產生該斜坡信號。 15. 如凊求項14之軟啟動方法，其中該步驟匸包括提供該比 例電壓對該電容充電，以提高該斜坡信號的準位。 16·如喷求項15之軟啟動方法’其中該步驟C更包括在該斜 坡佗旒小於一臨界值時，提供該比例電壓對該電容充電， 直至4斜坡信號等於該臨界值 17’求項1G之軟啟動方法，其中該步驟C包括讓該斜坡 。號的起始準位等於該比例信號的準位。