TW201424233A - 靴帶式直流至直流轉換器 - Google Patents

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Chih-Yuan Chen
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Abstract

一種靴帶式直流至直流轉換器，包含有一下橋驅動單元，用來根據一控制訊號，產生一下橋控制訊號；一下橋開關，用來根據該下橋控制訊號進行開啟與關閉；以及一靴帶電壓維持電路，用來產生該控制訊號，使該下橋開關每次開啟時至少開啟一最小關閉時間。

Description

靴帶式直流至直流轉換器
本發明係指一種靴帶式(Bootstrap)直流至直流轉換器(DC-DC converter)，尤指可維持靴帶電壓使上橋開關正常開啟，以避免高責任週期下因低電壓保護(under voltage protection，UVP)而關閉的靴帶式直流至直流轉換器。
電源供應相關裝置於現代資訊科技中扮演重要角色。在所有的電源供應裝置之中，直流至直流轉換器(DC-DC converter)已被廣泛使用，其主要功能在於提供穩定之一輸出電壓給電子元件使用。
簡單來說，請參考第1圖，第1圖為習知一靴帶式(Bootstrap)直流至直流轉換器10之示意圖。如第1圖所示，當一時脈訊號VCLK具有一高準位脈波而對一SR正反器100之一設定端S觸發時，SR正反器100會持續輸出高準位之一控制訊號CON予一預驅動單元102，預驅動單元102再據以控制上橋驅動單元104及下橋驅動單元106輸出上橋控制訊號UG及下橋控制訊號LG，使得上橋開關108開啟而下橋開關110關閉，以透過一輸出電感LO輸出一電感電流IL，再透過一輸出電容CO及一等效串聯電阻RESR產生一輸出電壓VOUT予一負載RLOAD。接著，當一回授電壓VF(輸出電壓VOUT透過輸出分壓電阻R1、R2所產生之一分壓)大於一參考電壓VREF 時，一誤差放大器112輸出一誤差訊號EAO(一補償網路118進行補償)指示一脈波寬度調變(pulse width modulation，PWM)控制迴路114對SR正反器100之一重置端R進行重置，此時SR正反器100輸出低準位之控制訊號CON，預驅動單元102再據以控制上橋驅動單元104及下橋驅動單元106輸出上橋控制訊號UG及下橋控制訊號LG，使得上橋開關108關閉而下橋開關110開啟，直到時脈訊號VCLK再具有一高準位脈波而再對SR正反器100之設定端S觸發，然後重覆上述操作。
其中，當下橋控制訊號LG為高準位而控制下橋開關110開啟時，一開關116亦會導通一系統電壓PVCC與一靴帶電容CBOOT之連結以對靴帶電容CBOOT進行充電，其電壓大小為VBOOT，因此當控制訊號CON為高準位而欲開啟上橋開關108時，上橋驅動單元104之一驅動電壓大小足以開啟上橋開關108(此時一節點BOOT之電壓大小為一輸入電壓VIN加上靴帶電容CBOOT之靴帶電壓VBOOT，而上橋開關108之閘源極電壓差大小為靴帶電壓VBOOT)。靴帶式直流至直流轉換器10之操作為本領域具通常知識者所熟知，於此不再贅述。
在此結構下，當靴帶式直流至直流轉換器10應用於高責任週期(duty)電壓轉換時(如輸入電壓VIN與所欲輸出電壓VOUT之差較小)，上橋開關108幾乎長期開啟而下橋開關110僅短暫開啟，此時靴帶電容CBOOT會充電不足，而造成上橋開關108無法開啟，輸入 電壓VIN能量無法傳遞到輸出電壓VOUT，造成低電壓保護而關閉。
對於上述問題，習知改善方式之一係加入一充電幫浦使得上橋驅動單元104之驅動電壓變高，然而此作法因充電幫浦而需消耗較多佈局面積。另一方面，習知另一改善方式係以一比較器比較靴帶電容CBOOT之靴帶電壓VBOOT與一參考電壓，於靴帶電壓VBOOT低於參考電壓時強制開啟下橋開關110並對靴帶電容CBOOT充電，然而此作法比較器需以高壓元件實現特性較差，且亦需消耗較多佈局面積。有鑑於此，習知技術實有改善之必要。
因此，本發明之主要目的即在於提供一種可維持靴帶電壓使上橋開關正常開啟，以避免高責任週期下因低電壓保護而關閉的靴帶式直流至直流轉換器。
本發明另揭露一種靴帶式直流至直流轉換器。該靴帶式直流至直流轉換器包含有一下橋驅動單元，用來根據一控制訊號，產生一下橋控制訊號；一下橋開關，用來根據該下橋控制訊號進行開啟與關閉；以及一靴帶電壓維持電路，用來產生該控制訊號，使該下橋開關每次開啟時至少開啟一最小關閉時間。
請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一靴帶式(Bootstrap) 直流至直流轉換器20之示意圖。靴帶式直流至直流轉換器20與靴帶式直流至直流轉換器10部分相似，因此功能相同之元件與訊號以相同符號表示。靴帶式直流至直流轉換器20與靴帶式直流至直流轉換器10之主要差別在於，靴帶式直流至直流轉換器20中SR正反器100係輸出一啟動訊號Q1，且靴帶式直流至直流轉換器20另包含一靴帶電壓維持電路200，用來產生一控制訊號CON’，使下橋開關110每次開啟時至少開啟一最小關閉時間Tmin。在此情況下，由於下橋開關110每次開啟時至少開啟一最小關閉時間Tmin，且最小關閉時間Tmin可適當設計為可將靴帶電容CBOOT充電至足以正常開啟上橋開關108之時間，因此即使在高責任週期下仍可以固定的最小關閉時間Tmin對靴帶電容CBOOT充以足夠電量(即責任週期具有一上限)。如此一來，本發明可維持靴帶電壓VBOOT使上橋開關108正常開啟，以避免高責任週期下因低電壓保護而關閉。
詳細來說，靴帶電壓維持電路200包含有一SR正反器202、一脈衝產生器204、一最小關閉控制電路206以及一邏輯電路208。脈衝產生器204可於啟動訊號Q1之下緣產生一脈衝設定訊號SET觸發SR正反器202之一設定端S，最小關閉控制電路206可於下橋開關110開啟最小關閉時間Tmin後，產生一重置訊號RESET重置SR正反器202之一重置端R，SR正反器202可根據脈衝設定訊號SET及重置訊號RESET，於一負輸出端QN產生一最小關閉訊號MINOFF，而邏輯電路208可根據啟動訊號Q1及最小關閉訊號MINOFF產生控制訊號CON’。如此一來，靴帶電壓維持電路200 可產生一控制訊號CON’，使下橋開關110每次開啟時至少開啟一最小關閉時間Tmin。
具體而言，請參考第3A圖及第3B圖，第3A圖為第2圖所示之下橋開關110未強制開啟最小關閉時間Tmin時，靴帶式直流至直流轉換器20之訊號示意圖，第3B圖為第2圖所示之下橋開關110強制開啟最小關閉時間Tmin時，靴帶式直流至直流轉換器20之訊號示意圖。如第2圖及第3A圖所示，當回授電壓VF大於參考電壓VREF時(即輸出電壓VOUT到達所欲電壓)，脈波寬度調變(pulse width modulation，PWM)控制迴路114對SR正反器100之重置端R進行重置，因此啟動訊號Q1切換至低準位。此時邏輯電路208中一反及閘210判斷啟動訊號Q1為低準位而輸出高準位訊號(啟動訊號Q1及最小關閉訊號MINOFF當中一者為低準位則輸出高準位訊號)，再經由邏輯電路208中一反相器212而輸出低準位之控制訊號CON’，因此上橋控制訊號UG切換至低準位將上橋開關108關閉而下橋控制訊號LG切換至高準位將下橋開關110開啟。在此同時，脈衝產生器204於啟動訊號Q1之下緣產生高準位之脈衝設定訊號SET觸發SR正反器202之設定端S，因此SR正反器202於負輸出端QN所產生之最小關閉訊號MINOFF切換至低準位，而最小關閉控制電路206根據脈波寬度調變控制迴路114之輸出，對下橋開關110開啟之時間計時。
接著，當最小關閉控制電路206的計時結果顯示下橋開關110 開啟最小關閉時間Tmin時，最小關閉控制電路206產生高準位之重置訊號RESET重置SR正反器202之重置端R，因此SR正反器202於負輸出端QN所產生之最小關閉訊號MINOFF切換至高準位。之後，時脈訊號VCLK具有一高準位脈波而對SR正反器100之設定端S觸發，SR正反器100持續輸出高準位之啟動訊號Q1，此時由於啟動訊號Q1及最小關閉訊號MINOFF皆為高準位，因此反及閘210輸出低準位訊號，再經由反相器212而輸出高準位之控制訊號CON’，使得上橋控制訊號UG切換至高準位將上橋開關108開啟而下橋控制訊號LG切換至低準位將下橋開關110關閉，然後重覆上述操作。在此情況下，由於下橋開關110開啟最小關閉時間Tmin後，時脈訊號VCLK才具有一高準位脈波，因此下橋開關110並未強制開啟最小關閉時間Tmin(在時脈訊號VCLK之操作下下橋開關110開啟時間大於最小關閉時間Tmin)，且靴帶式直流至直流轉換器20之一切換頻率等於時脈訊號VCLK之頻率。
另一方面，如第2圖及第3B圖所示，當回授電壓VF大於一參考電壓VREF時(即輸出電壓VOUT到達所欲電壓)，脈波寬度調變控制迴路114對SR正反器100之重置端R進行重置，因此啟動訊號Q1切換至低準位。此時邏輯電路208中反及閘210判斷啟動訊號Q1為低準位而輸出高準位訊號(啟動訊號Q1及最小關閉訊號MINOFF當中一者為低準位則輸出高準位訊號)，再經由邏輯電路208中反相器212而輸出低準位之控制訊號CON’，因此上橋控制訊號UG切換至低準位將上橋開關108關閉而下橋控制訊號LG切 換至高準位將下橋開關110開啟。在此同時，脈衝產生器204於啟動訊號Q1之下緣產生高準位之脈衝設定訊號SET觸發SR正反器202之設定端S，因此SR正反器202於負輸出端QN所產生之最小關閉訊號MINOFF切換至低準位，而最小關閉控制電路206根據脈波寬度調變控制迴路114之輸出，對下橋開關110開啟之時間計時。此部分操作與第3A圖所示相似。
接著，當最小關閉控制電路206計時結果為下橋開關110開啟未滿最小關閉時間Tmin時，時脈訊號VCLK具有一高準位脈波而對SR正反器100之設定端S觸發，SR正反器100持續輸出高準位之啟動訊號Q1，此時由於最小關閉訊號MINOFF仍為低準位，因此控制訊號CON’仍為低準位，且上橋控制訊號UG維持低準位將上橋開關108關閉而下橋控制訊號LG維持高準位將下橋開關110開啟。之後，最小關閉控制電路206於計時結果為下橋開關110開啟最小關閉時間Tmin時，產生高準位之重置訊號RESET重置SR正反器202之重置端R，因此SR正反器202於負輸出端QN所產生之最小關閉訊號MINOFF切換至高準位，此時由於啟動訊號Q1及最小關閉訊號MINOFF皆為高準位，因此反及閘210輸出低準位訊號，再經由反相器212而輸出高準位之控制訊號CON’，使得上橋控制訊號UG切換至高準位將上橋開關108開啟而下橋控制訊號LG切換至低準位將下橋開關110關閉，然後重覆上述操作。在此情況下，由於下橋開關110開啟最小關閉時間Tmin前，時脈訊號VCLK即具有一高準位脈波，此時下橋開關110仍需強制開啟最小關閉時間Tmin 才能關閉(在時脈訊號VCLK之操作下下橋開關110開啟時間小於最小關閉時間Tmin)。由於下橋開關110開啟時間變長且上橋開關108需開啟更長時間才能將輸出電壓VOUT升高至所欲準位，因此靴帶式直流至直流轉換器20之一切換頻率於高責任週期下降低且小於時脈訊號VCLK之頻率。
請參考第3C圖，第3C圖為第2圖所示之下橋開關110強制開啟最小關閉時間Tmin且輸入電壓VIN逐漸降低時，靴帶式直流至直流轉換器20之訊號示意圖。如第3C圖所示，當輸入電壓VIN逐漸降低而接近所欲輸出電壓VOUT時，責任週期愈來愈高，造成上橋控制訊號UG及下橋控制訊號LG切換上橋開關108及下橋開關110開啟與關閉之切換頻率降低(切換之時間間隔拉長)。
值得注意的是，本發明之主要精神在於使下橋開關110每次開啟時至少開啟一最小關閉時間Tmin，以將靴帶電容CBOOT充電至足以正常開啟上橋開關108之時間，因此可維持靴帶電壓VBOOT使上橋開關108正常開啟，而避免高責任週期下因低電壓保護而關閉。本領域具通常知識者當可據以修飾或變化，而不限於此。舉例來說，在上述實施例中，最小關閉控制電路206係根據脈波寬度調變控制迴路114之輸出，對下橋開關110開啟之時間計時，但在其它實施例中，最小關閉控制電路206亦可根據下橋控制訊號LG，對下橋開關110開啟之時間計時。
此外，請參考第4圖，第4圖為第2圖所示之脈衝產生器204之電路示意圖。如第4圖所示，脈衝產生器204包含有一反相器400、一電容402以及一反或閘404。反相器400可接收啟動訊號Q1，以產生一反相訊號INV1，電容402耦接於反相器400與一接地端之間，反或閘404可根據啟動訊號Q1及反相訊號INV1，產生脈衝設定訊號SET。在此結構下，由於當啟動訊號Q1為低準位時，係利用反相器400中P型電晶體弱抬升對電容402充電，因此啟動訊號Q1下緣切換至低準位時反相器400無法馬上將反相訊號INV1切換至高準位，因此反或閘404可產生高準位脈波。
再者，請參考第5圖，第5圖為第2圖所示之最小關閉控制電路206之電路示意圖。如第5圖所示，最小關閉控制電路206包含有反相器500、502以及一電容504。反相器500可接收相關於下橋控制訊號LG之一訊號(如第2圖所示接收脈波寬度調變控制迴路114之輸出，或如第5圖所示接收下橋控制訊號LG)，以產生一反相訊號INV2，電容504耦接於反相器500與一接地端之間，反相器502可根據反相訊號INV2，產生重置訊號SET。在此結構下，當相關於下橋控制訊號LG之訊號為高準位時，係利用反相器500中N型電晶體弱降低對電容504放電，因此相關於下橋控制訊號LG之訊號下緣切換至低準位時反相器500無法馬上將反相訊號INV2切換至高準位，因此反相器502可因延遲產生具有一高準位脈波之重置訊號SET，此延遲時間即為最小關閉時間Tmin。
在習知技術中，加入一充電幫浦使得上橋驅動單元104之驅動電壓變高之改善方式，會因充電幫浦而需消耗較多佈局面積，而以一比較器比較靴帶電容CBOOT之靴帶電壓VBOOT與一參考電壓，於靴帶電壓VBOOT低於參考電壓時強制開啟下橋開關110並對靴帶電容CBOOT充電之改善方式，比較器需以高壓元件實現特性較差，且亦需消耗較多佈局面積。相較之下，本發明使下橋開關110每次開啟時至少開啟一最小關閉時間Tmin，以將靴帶電容CBOOT充電至足以正常開啟上橋開關108之時間，因此可維持靴帶電壓VBOOT使上橋開關108正常開啟，而避免高責任週期下因低電壓保護而關閉。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10、20‧‧‧靴帶式直流至直流轉換器
100、202‧‧‧SR正反器
102‧‧‧預驅動單元
104‧‧‧上橋驅動單元
106‧‧‧下橋驅動單元
108‧‧‧上橋開關
110‧‧‧下橋開關
112‧‧‧誤差放大器
114‧‧‧脈波寬度調變控制迴路
116‧‧‧開關
118‧‧‧補償網路
204‧‧‧脈衝產生器
206‧‧‧最小關閉控制電路
208‧‧‧邏輯電路
210‧‧‧反及閘
212、400、500、502‧‧‧反相器
402、504‧‧‧電容
404‧‧‧反或閘
VCLK‧‧‧時脈訊號
S‧‧‧設定端
CON、CON’‧‧‧控制訊號
UG‧‧‧上橋控制訊號
LG‧‧‧下橋控制訊號
IL‧‧‧電感電流
VOUT‧‧‧輸出電壓
RLOAD‧‧‧負載
VF‧‧‧回授電壓
VREF‧‧‧參考電壓
EAO‧‧‧誤差訊號
R‧‧‧重置端
PVCC‧‧‧系統電壓
CBOOT‧‧‧靴帶電容
VBOOT‧‧‧靴帶電壓
BOOT‧‧‧節點
VIN‧‧‧輸入電壓
Q1‧‧‧啟動訊號
SET‧‧‧脈衝設定訊號
RESET‧‧‧重置訊號
QN‧‧‧負輸出端
Q‧‧‧輸出端
MINOFF‧‧‧最小關閉訊號
Tmin‧‧‧最小關閉時間
INV1‧‧‧反相訊號
CO‧‧‧輸出電容
RESR‧‧‧等效串聯電阻
LO‧‧‧輸出電感
R1、R2‧‧‧輸出分壓電阻
第1圖為習知一靴帶式直流至直流轉換器之示意圖。
第2圖為本發明實施例一靴帶式直流至直流轉換器之示意圖。
第3A圖為第2圖所示之一下橋開關未強制開啟一最小關閉時間時，靴帶式直流至直流轉換器之訊號示意圖。
第3B圖為第2圖所示之下橋開關強制開啟最小關閉時間時，靴帶式直流至直流轉換器之訊號示意圖。
第3C圖為第2圖所示之下橋開關強制開啟最小關閉時間且一輸入電壓逐漸降低時，靴帶式直流至直流轉換器之訊號示意圖。
第4圖為第2圖所示之一脈衝產生器之電路示意圖。
第5圖為第2圖所示之一最小關閉控制電路之電路示意圖。
10、20‧‧‧靴帶式直流至直流轉換器
100、202‧‧‧SR正反器
102‧‧‧預驅動單元
104‧‧‧上橋驅動單元
106‧‧‧下橋驅動單元
108‧‧‧上橋開關
110‧‧‧下橋開關
112‧‧‧誤差放大器
114‧‧‧脈波寬度調變控制迴路
116‧‧‧開關
118‧‧‧補償網路
204‧‧‧脈衝產生器
206‧‧‧最小關閉控制電路
208‧‧‧邏輯電路
210‧‧‧反及閘
212‧‧‧反相器
VCLK‧‧‧時脈訊號
S‧‧‧設定端
CON’‧‧‧控制訊號
UG‧‧‧上橋控制訊號
LG‧‧‧下橋控制訊號
IL‧‧‧電感電流
VOUT‧‧‧輸出電壓
RLOAD‧‧‧負載
VF‧‧‧回授電壓
VREF‧‧‧參考電壓
EAO‧‧‧誤差訊號
R‧‧‧重置端
PVCC‧‧‧系統電壓
CBOOT‧‧‧靴帶電容
VBOOT‧‧‧靴帶電壓
BOOT‧‧‧節點
VIN‧‧‧輸入電壓
Q1‧‧‧啟動訊號
SET‧‧‧脈衝設定訊號
RESET‧‧‧重置訊號
QN‧‧‧負輸出端
Q‧‧‧輸出端
MINOFF‧‧‧最小關閉訊號
CO‧‧‧輸出電容
RESR‧‧‧等效串聯電阻
LO‧‧‧輸出電感
R1、R2‧‧‧輸出分壓電阻

Claims (7)

  1. 一種靴帶式(Bootstrap)直流至直流轉換器(DC-DC converter)，包含有：一下橋驅動單元，用來根據一控制訊號，產生一下橋控制訊號；一下橋開關，用來根據該下橋控制訊號進行開啟與關閉；以及一靴帶電壓維持電路，用來產生該控制訊號，使該下橋開關於開啟時至少開啟一最小關閉時間。
  2. 如請求項1所述之靴帶式直流至直流轉換器，其另包含有：一上橋驅動單元，由一靴帶電壓驅動，用來根據該控制訊號，產生一上橋控制訊號；一上橋開關，耦接於該下橋開關，用來根據該上橋控制訊號進行開啟與關閉；一靴帶電容，其一端耦接於該上橋開關與該下橋開關之間；以及一開關，用來根據該下橋控制訊號，導通與切斷一系統電壓與該靴帶電容之另一端之連結；其中，該開關於該下橋開關開啟時，導通該系統電壓與該靴帶電容之該另一端之連結，以對該靴帶電容進行充電。
  3. 如請求項1所述之靴帶式直流至直流轉換器，其中該靴帶電壓維持電路包含有：一第一SR正反器，用來於一負輸出端產生一最小關閉訊號； 一脈衝產生器，用來於一啟動訊號之下緣產生一脈衝設定訊號觸發該第一SR正反器之一設定端；一最小關閉控制電路，用來於該下橋開關開啟該最小關閉時間時，產生一重置訊號重置該第一SR正反器之一重置端；以及一邏輯電路，用來根據該啟動訊號及該最小關閉訊號產生該控制訊號。
  4. 如請求項3所述之靴帶式直流至直流轉換器，其另包含有一第二SR正反器，包含有一設定端用來接收一時脈訊號，以及一正輸出端用來輸出該啟動訊號。
  5. 如請求項3所述之靴帶式直流至直流轉換器，其中該最小關閉控制電路包含有：一第一反相器，用來接收該啟動訊號，以產生一第一反相訊號；一第一電容，耦接於該第一反相器與一接地端之間；以及一反或閘，用來根據該啟動訊號及該第一反相訊號，產生該脈衝設定訊號。
  6. 如請求項3所述之靴帶式直流至直流轉換器，其中該脈衝產生器包含有：一第二反相器，用來接收相關於該下橋控制訊號之一訊號，以產生一第二反相訊號； 一電容，耦接於該第二反相器與一接地端之間；以及一第三反相器，用來根據該第二反相訊號，產生該重置訊號。
  7. 如請求項1所述之靴帶式直流至直流轉換器，其中該靴帶式直流至直流轉換器之一切換頻率於高責任週期下降低。
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