TWI255088B - DC converting controller with mode-switching and over-current protection by using multifunctional pin and its method - Google Patents

DC converting controller with mode-switching and over-current protection by using multifunctional pin and its method Download PDF

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TWI255088B
TWI255088B TW093114674A TW93114674A TWI255088B TW I255088 B TWI255088 B TW I255088B TW 093114674 A TW093114674 A TW 093114674A TW 93114674 A TW93114674 A TW 93114674A TW I255088 B TWI255088 B TW I255088B
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Description

1255088 五、發明說明（1) ' --— — 【發明所屬之技術領域】 插^ f明係有關一種直流轉換控制器，特別是關於一 夕功能腳位達到模式切換及過電流保護的直流轉 換控制器及其方法。 【先前技術】 直机轉換控制器主要用來將輸入的直流電壓，做電 的調節，並使之穩定在所設定的電壓數值，其藉 f上橋及下橋的功率元件的切換而產生脈波，此脈 Ϊ3 ί感電容組成的低通濾波器產出直流電壓。目前 ，豕所推動的綠色能源（G r e e η Ρ 〇 w e r )的節省能源 明白定出電器用品在待機時所消耗的功•，分析 1 —、的功率消耗可清楚地發現以直流轉換控制器對功 率兀件做開關時造成的切換損耗佔最大比例，因此，降 低此耗損的方法是不固定切換頻率，而是使切換頻率在 =^載時’如待機’被動地被負載大小決定，統稱不連 續模式（Discontinuous mode) QBittner等人在美國專利 第5,568,〇44號中提出一種操作在？懸或？1^(^11136 Frequency Modulation)模式的電壓調節器（v〇ltage Regulator That Operates in Either PWM or PFM Mode)，其利用一PFM控制電路在輸出電流低於一臨界值 時’改變上橋功率元件的切換頻率，使電壓調節器進入 PFM模式。 另外直流轉換控制器的直流轉換系統在一般應用上
HI IH
1255088 五、發明說明（2) 常需要操作在大負載，因此極需要過電流保護的機制， 特別是在高電壓轉低電壓以及高速切換頻率的應用下， 傳統彳貞測上橋功率元件的做法已很難正確的偵測過電 流’舉例來說，假設輸入電壓為丨2 V，想要的輸出電壓為 1 · 2V，脈波切換頻率為5〇〇kHz，則輸出的工作週期（duty cycle)將是〇·；!，上橋M〇s導通的時間為2〇〇n sec，在如 此短的時間内電感、電容、負載變化產生的雜訊極易導 致過電流保護的不正常偵測。 再者’由於上橋及下橋功率元件的切換頻率係藉由 憤測輸出電流來調節，而過電流保護係藉由偵測通過上 橋功率元件來達成，因此傳統的直流轉換控制器要同時 達到過電流保護及CCM/DCM模式切換兩種功能，至少必須 使用，個接腳，若能將過電流保護及CCM/DCM模式切換兩 ，功能使用同一接腳來達成，將可進一步縮小該直流 換控制器的尺寸。 【發明内容】 本發明的目的之一，在於提出一種利用單一接腳達 成過電流保護及CCM/DCM切換的直流轉換控制器及其 法0 σ 八 根據本發明，一種藉一多功能腳位達到 =電流保護的直流轉換控制器及其方法，直&換 弟一驅動指號分別驅動一 出級中連接在輸人電壓及一節點之間的上
1255088 五、發明說明（3) 及連接在該節點及接地電位之間的下橋電晶體，以產生 一輸出電壓，在本發明的直流轉換控制器中，多工器# 據該第二驅動信號產生一第一及第二控制信號，其^ ^ 第一控制信號控制過電流感測電路感測該多功^能&位= 的電壓產生一過電流信號，而該第二控制信號g制 CCM/DCM感測電路感測該多功能腳位上的電壓儿以工及輪 壓，產生一DCM停止信號、一DCM時脈信號及一CCM ^ 1 式信號’該過電流信號、DCM停止信號、DCM時脈作號及' CCM切換模式信號再經CCM/DCM控制電路處理後產生二 三控制信號至上橋及下橋驅動器，以產生該第一及第一 驅動"is说，同時該上橋及下橋驅動器亦接收一啟動電壓 及一電源電壓以推動該上橋電晶體，其中該啟動電壓是 該電源電壓經内部調節器調節而產生的。此外，為了 $ 保過電流保護及CCM/DCM切換的功能可以正常操作'因此 内建一最大工作週期箝制電路以限制該上橋電’晶體的最 大工作週期’使得下橋電晶體無論如何都會被導通。 在本發明中’係藉由一多功能腳位來達到過電流保 瘦及C C M / D C Μ模式切換的功能，故本發明之直流轉換控制 器僅需8隻接腳。 【實施方式】 第一圖係本發明應用在直流對直流轉換器丨〇 〇之實施 _ 例。在直流轉換控制1 〇 〇中，輸出級丨0 2具有一上橋電晶 體1022連接在輸入電壓Vin及節點1〇26之間，一下橋電晶
1255088 五、發明說明（4) =24連，在節點1()26及接地電位㈣ 了;電晶f 0 2 2及1 0 24分別受控驅動信號UV及LV而交互 以 輸出電壓V〇Ut及負載電流H〇ad，一由電阻 R=2所，组成的分壓電路連接在輪出電壓¥〇以及接地電 之間’分壓輸出電壓Vout產生一迴授電壓VFB輸 入至脈衝寬度調變（Pulse Width Modulation ;PWM)控制 器1 04的迴授接腳FB。
在直流轉換控制器1 0 4中，多工器丨丨〇接收驅動信號 LV後’再將其工作週期分割成控制信號q及，為更清楚 說明’第二圖顯示控制信號q及—Q與驅動信號uv &LV之時 序圖，其中波形2 0 0係控制信號q，波形2 〇 2係控制信號 -卩’波形2 0 4係驅動信號1^，而波形2 0 6係驅動信號1^， 由第二圖可知，驅動信號L V的第〆個工作週期被分配給 過電流感測電路1 1 2用以感測過電流，第二個工作週期被 分配給CCM/DCM感測電路1 14用以感測CCM/DCM，而第三個 工作週期再分配給電流感測電路1 1 2，第四個工作週期再 被分配給CCM/DCM感測電路1 1 4，如此依序分割驅動信號 LV的工作週期形成控制信號Q及—Q。
過電流感測電路1 1 2係用以感測負載電流I 1 〇 a d是否 過大，其包含一電流源1 1 2 2供應一電流I s，在下橋電晶 體1 0 24導通，且控制信號Q為高準位時，開關SW1被導 通，電流I s將由多功能腳位phase輸出至相電阻RP，此時 多功能腳位Phase上的電壓
第8頁 1255088
五、發明說明（5)
Va = IloadxRds+IsxRp = -Vds+IsxRp 公式1 其中I load為直流對直流轉換器1 〇〇所輸出之負載電&
Rds為下橋電晶體1024的導通阻抗，Vds為下橋電晶體 1 0 2 4的源/>及極之間的壓差。比較器1 1 2 4比較多功能腳位 Phase上的電壓Va及參考電壓VI ，當電壓
Va> VI 公式2 表示直流對直流轉換器1 〇 〇在正常操作的情況下，若電壓 Va <V1 公式3 則表示直流對直流轉換器1 0 0發生過電流現象，此時’比 較器1124將輸出一過電流信號Soc至連續模式 (Continuous Current Mode ;CCM)/ 不連續模式 (Discontinuous Current Mode ;DCM)控制電路l16，以 關閉上、下橋電晶體1 0 2 2及1 0 2 4。由公式1及公式3可得
Iload < VI - IsxRp Rds 公式4
由公式4可知，若電阻Rds及電流Is均為定值時，調整可 變之相電阻Rp將改變負載電流I load的最大值，即過電流
第9頁 1255088 五、發明說明（6) 的臨界值。 C C M / D C Μ感測電路1 1 4接收控制信號-Q、電壓v a以及 迴授電壓VFB，藉以產生信號DCM_stop、DCM_clock以及 CCM至CCM/DCM控制電路116。第三圖顯示CCM/DCM感測電 路1 1 4的實施例，在C C M / D C Μ感測電路1 1 4中，一開關S W 2 連接在電壓Va及比較器11402之間，其受控於控制信號 -Q，在下橋電晶體1024導通，且控制信號-Q為高準位 時，開關S W 2被導通，電壓V a被輸入至比較器1 1 4 0 2與接 地電位G N D比較，產生一比較信號C 〇 m 1 ，反及閘1 1 4 0 6接 收比較信號Com 1及驅動信號LV產生信號ΝΑ 1至反相閘 1 1412，信號NA1經反相後形成信號NA1’輸入至反或閘 11418，同時反相閘1 1 4 0 8反相驅動信號LV形成信號LV’ ， 反或閘1 1414接收信號LV’及比較信號Coml產生信號N01至 正反器11420的輸入端clock，另外，比較器11404比較一 參考電壓V2及迴授電壓VFB產生比較信號Com2，反及閘 1 141 0根據比較信號Com2及驅動信號LV產生信號NA2，再 經反相器11416反相成為信號NA2’輸入至正反器11420的 重置端R，正反器11420根據信號N 01及NA2’產生信號C CM 以及信號CCM’ ，其中信號CCM被輸入至CCM/DCM控制電路 116，反及閘1 1 424根據信號CCM’產生信號DCM_clock至 CCM/DCM控制電路116，同時信號DCM_clock亦被迴授至反 或閘1 1 4 1 8以及反及閘1 1 4 2 4，反或閘1 1 4 1 8藉由信號 DCM-Clock以及ΝΑΓ產生信號N02，反及閘1 1 42 2根據信號 N02及CCM’產生信號DCM —stop至CCM/DCM控制電路116。
第10頁 1255088 五、發明說明（7) 誤差放大器124根據迴授電壓VFB、内部軟啟動電路 1 2 0所提供之信號S 1以及最大工作週期箝制電路1 2 2所輸 出之信號S2 ’產生一誤差信號EA，其再經内部補償電路 118補償後輸入至CCM/DCM控制電路116，其中最大工作週 期箝制電路122限制了上橋電晶體1〇22的最大工作週期， 以使下橋電晶體1 0 2 4無論如何都會被打開，藉以保證本 發明之直流對直流轉換器1 〇 〇具有過電流保護及切換 D C M / C C Μ的功能。由於内部補償電路1 1 8、内部軟啟動電 路120以及最大工作週期箝制電路122均為此技術領域的 人士所熟知的，故在此不對該等電路做進一步的陳述。 CCM/DCM控制電路1 16接收信號Soc、DCM_stop、 DCM — clock、CCM以及EA後，產生一控制信號S3至上橋及 下橋驅動器108，同時致能信號、啟動電壓以及電源電壓 分別由致能接腳Enable、啟動接腳Boot以及電源接腳VCC 輸入至上橋及下橋驅動器108，其中啟動電壓係供驅動上 橋電晶體1 0 2 2，一内部調節器1 〇 6根據由電源接腳所輸入 的電源電壓產生電壓V3由啟動電壓接腳Vboot輸出，與節 點的電壓結合形成該啟動電壓，上橋及下橋驅動器1〇8接 收控制信號S 3、致能信號、啟動電壓以及電源電壓後， 產生驅動信號UV及LV分別由上橋閘極控制接腳Hgate及下 橋閘極控制接腳L g a t e輸出至上橋電晶體1 〇 2 2及下橋電晶 體 1 0 24。 第四圖係C C M / D C Μ控制電路1 1 6之一實施例，其中反 及閘11602接收過電流信號s〇c及信號DCM一stop產生信號
第11頁 1255088 五、發明說明（8) NA3 ’其再經反相器11604形成#號NA3’ ，比較器11606比 較誤差信號EA及一鋸齒波Ramp產生信號ccM_clock，反及 閘1 1 6 0 8根據信號CCM及CCM_clock產生信號NA4，反及問 11610接收信號DCM — clock及NA4產生信號C^0CK，最後1 及閘11612依據信號NA3’及CLOCK產生控制信號S3。 第五圖顯示迴授電壓VFB、參考電壓V2、電壓Va、電 感電流IL、負載電流I load、驅動信號UV及LV的時序圖， 其中波形3 0 0係迴授電壓V F B，波形3 0 2係參考電壓V 2，波 形3 0 4係電感電流I L，波形3 0 6係負載電流I 1 0 a d，波形 3 0 8係驅動信號U V，波形3 1 0係驅動信號l V，波形3 1 2係電 壓Va。參照第一圖及第五圖，在負載電流H〇ad由重載轉 到輕載後’且驅動信號L V導通下橋電晶體1 〇 2 4時，電壓 Va將開始上升，而迴授電壓VFB將開始下降，當電壓\^大 於0，而迴授電壓VFB小於參考電壓V2時，如時間點T1所 示，CCM/DCM感測電路1 14所輸出之信號DCM —clock為高準 位，而信號CCM為低準位，因此CCM/DCM控制電路1 1 6將根 據信號DC Μ一clock而控制直流對直流轉換器1〇〇進入不連 續模式，此時驅動信號UV的工作週期將被固定，而驅動 信號LV的工作週期將由信號DCM_clock控制。 在進入不連續模式後，首先上橋電晶體1022被導 通，此時迴授電壓VFB開始上升，而電壓Va為一正壓，在 一段時間後上橋電晶體1 0 2 2被截止，同時下橋電晶體 1024被導通，在下橋電晶體1024導通的期間，迴授電壓 VFB開始下降，且電壓Va轉換負壓炎開始上升，當電壓Va
麵 I lem 第12頁 1255088 五、發明說明（9) 大於0 V時，如時間點T 2所示，c C M / D C Μ感測電路1 1 4所輸 出之信號DCM-Stop將轉換低準位，使得驅動信號UV及LV 均為低準位，如時間點T 2至T 3所示，因而上橋及下橋電 晶體1022及1024均被截止，直至迴授電壓VFB再次低於參 考電壓V2時，如時間點T3所示，上橋電晶體1 〇22再次被 導通，並重複前述的步驟。 、 一 當負載電流I load由輕載轉到重載後，如時間點T4所 示’若在下橋電晶體1 〇 2 6導通期間時，電壓ν a小於〇 ν， 而迴授電壓VFB低於參考電壓V2時，如時間點T5所示，此 時CCM/DfM感測電路1 14所輸出之信號DCM — cl〇ck為低準 位1 2 !! ?CCM為高準位’控制直流對直流轉換器1〇〇進
以上對於本發明之較佳 之目的，而無意限定本發明 於以上的教導或從本發明的 是可能的，實施例係為解說 項技術者以各種實施例利用 及敘述，本發明的技術思想 及其均等來決定。 實施例所作的敘述係為闡明 精確地為所揭露的形式，基 實施例學習而作修改或變化 本發明的原理以及讓熟習該 ^發明在實際應用上而選擇 企圖由以下的申請專利範圍
第13頁 1255088 圖式簡單說明 對於熟習本技藝之人士而言，從以下所作的詳細敘 述配合伴隨的圖式，本發明將能夠更清楚地被瞭解，其 上述及其他目的及優點將會變得更明顯，其中： 第一圖係應用本發明之直流對直流轉換器； 第二圖顯示控制信號Q及-Q與驅動信號UV及LV之時序 圖； 第三圖提供CCM/DCM感測電路的實施例； 第四圖係CCM/DCM控制電路之實施例；以及 第五圖顯示迴授電壓VFB、參考電壓V2、電壓Va、電 感電流IL、負載電流I load、驅動信號UV及LV的時序圖 圖式標號說明 100 直流對直流轉換器 102 輸出級 1 0 2 2 上橋電晶體 1 0 2 4 下橋電晶體 1026 節點 104 直流轉換控制器 106 内部調節器 1 08 上橋及下橋驅動器 110 多工器 112 過電流感測電路 1122 電流源 112 4 比較器
第14頁 1255088 圖式簡單說明 114 11402 11404 11406 11408 11410 11412 11414 11416 11418 11420 11422 11424 116 11602 11604 11606 11608 11610 11612 118 120 122 124 CCM/DCM感測電路 比較器 比較器 反及閘 反相器 反及閘 反相器 反或閘 反相器 反或閘 正反器 反及閘 反及閘 CCM/DCM控制電路 反及閘 反相器 比較器 反及閘 反及閘 反及閘 内部補償電路 内部軟啟動電路 最大工作週期箝制電路 誤差放大器
第15頁 1255088 圖式簡單說明 200 控制 202 控制 204 驅動 206 驅動 300 迴授 302 參考 304 電感 306 負載 308 驅動 310 驅動 312 電壓 信號Q的波形 信號-Q的波形 信號UV的波形 信號LV的波形 電壓V F B的波形 電壓V 2的波形 電流I L的波形 電流I 1 〇 a d的波形 信號UV的波形 信號LV的波形 V a的波形

Claims (1)

1255088 六、申請專利範圍 1 · 一種藉一多功能腳位達到模式切換及過電流保護 的直流轉換控制器，其輸出一第一驅動信號及一第二驅 動信號分別驅動一連接在一輸入電壓及一相節點之間的 上橋開關以及一連接在該節點及一接地電位之間的下橋 開關，以產生一輸出電壓，該直流轉換控制器包括： 一驅動器，藉由一第一控制信號提供該第一及第二 驅動信號； 一 C C M / D C Μ控制電路，根據一過電流信號、一 d c Μ停 止信號、一DCM時脈信號以及一cCM模式切換信 號產生該第一控制信號； 一多工器’根據該第二驅動信號產生一第二控制信 號及一第三控制信號； 一多功能腳位，連接該節點； 一過電流感測電路，受控該第一控制信號以感測該 多功能腳位上的電壓，產生該過電流信號；以 及 一CCM/DCM感測電路，受控該第二控制信號以感測該 多功能腳位上的電壓及輸出電壓產生該DCM停止 信號、DCM時脈信號以及CCM模式切換信號，藉 以切換該直流轉換控制器進入CCΜ或DCM模式。 2.如申請專利範圍第1項之直流轉換控制器，其中該 過電流感測電路包括： 一電流源’供應一電流至該多功能腳位； 一開關’連接在該電流源及多功能腳位之間，受控
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1255088 六、申請專利範圍 於該第一控制信號；以及 一比較器，比較一參考電壓與該多功能腳位上電 壓，以產生該過電流信號。 3 .如申請專利範圍第1項之直流轉換控制器，其中該 CCM/DCM感測電路包括·· 一第一比較器，比較該多功能腳位上的電壓及一參 考電壓產生一第一比較信號； 一開關，連接在該多功能腳位及第一比較器之間， 受控於該第二控制信號； 一第二比較器，比較一與該輸出電壓具有比例關係 之迴授電壓及一第二參考電壓產生一第二比較 信號；以及 一邏輯運算電路，根據該第一及第二比較信號產生 該DCM停止信號、DCM時脈信號以及CCM模式切換 信號。 4. 如申請專利範圍第1項之直流轉換控制器，更包括 一最大工作週期箝制電路耦接該CCM/DCM控制電路，用以 限定該上橋開關的最大工作週期。 5. 如申請專利範圍第1項之直流轉換控制器，其中該 驅動器接收一啟動電壓以及一電源電壓，該啟動電壓係 用以推動該上橋開關元件。 6. 如申請專利範圍第5項之直流轉換控制器，更包括 一内部調節器轉換該電源電壓為該啟動電壓。 7. —種藉一多功能腳位達到模式切換及過電流保護
第18頁 1255088 六、申請專利範圍 的方法，其輸出一第一驅動信號及一第二驅動信號分別 驅動一連接在一輸入電壓及一相節點之間的上橋開關以 及一連接在該節點及一接地電位之間的下橋開關，以產 生一輸出電壓，該方法包括下列步驟： 藉由一第一控制信號提供該第一及第二驅動信號； 根據一過電流信號、一DCM停止信號、一DCM時脈信 號以及一CCM模式切換信號產生該第一控制信 號； 根據該第二驅動信號產生一第二控制信號及一第三 控制信號； 連接該相節點至該多功能腳位； 藉由該第二控制信號以感測該多功能腳位上的電 壓，產生該過電流信號；以及 藉由該第三控制信號以感測該多功能腳位上的電壓 及輸出電壓產生該DCM停止信號、DCM時脈信號 以及CCM模式切換信號，藉以切換該直流轉換控 制器進入CCM或DCM模式。 8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中該產生一過電 流信號的步驟包括根據該第二控制信號比較一參考電壓 與該多功能腳位上的電壓，產生該過電流信號。 9. 如申請專利範圍第7項之方法，其中該該DCM停止 信號、DCM時脈信號以及CCM模式切換信號的步驟包括： 根據該第三控制信號比較該節點上的電壓及一第一 參考電壓，產生一第一比較信號；
第19頁 1255088 六、申請專利範圍 比較一與該輸出電壓具有比例關係之迴授電壓及一 第二參考電壓，產生一第二比較信號；以及 藉由該第一及第二比較信號產生該第一信號、第二 信號及第三信號。 1 0 .如申請專利範圍第7項之方法，更包括設定該上 橋開關元件的最大工作週期。 1 1 .如申請專利範圍第7項之方法，更包括藉由一啟 動電壓來推動該上橋電晶體。 1 2.如申請專利範圍第1 1項之方法，更包括將一電源 電壓轉換為該啟動電壓。
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