TWI279955B - Switching regulator with over-current protection - Google Patents

Description

1279955 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於切換式穩壓器（switching regulator)，特 別是關於一種過電流保護（over-current protection)之切換 式穩壓器。 【先前技術】 切換式穩壓裝置是藉著調整電源電路的開關時間，來 得到不同的輸出電壓與電流。第丨圖為傳統切換式穩壓裝 置之架構方塊圖。如第1圖所示，傳統切換式穩壓裝置^ 包含一誤差放大器（error amplifier)102、一脈波寬度調變器 (pulse width modnlat〇r)l〇4、一閘極驅動單元（gate driver)106、一輸出電路（tank circuit)i2〇 與一負載 13〇。切

換式穩壓裝置的工作原理為利用輸出電壓與參考位準 電壓vref的比較，來控制開關（switch)電路1〇8的兩個電晶 體（transistor)開關10仏與1〇扑的開關時間，以達到穩定 電壓的目#。在輸出電壓v〇ut低於參考位準電壓v ^時， 控制電路會將開關嶋開啟，開關祕關閉，Μ便儲 存在整流電感11〇與輸出電容112，從

。反之，在輸出電壓ν各扒失I从、鱼不平〗®电I V out同於參考位準電壓V 時， 控制電路會將開關l〇8b開啟，門關1nQ日曰 ㈣與輸出電容m會整流電感 降低輸出電壓vQUt。維持電流與電壓的任務，進而 …一般而言，傳統切換式穩壓襄置1〇〇最常 法是直接或間接比對誤差放大 ' 盥一個一自* μα、隹,大為102輸出的誤差訊號Vc 興個二角波的位準（週缃钤咕、 、 虎），以分別決定開關1〇8a、 6 1279955 108b開啟時間的長短 控制開關⑽a與108h :用所明的脈波寬度調變法來 l〇8a開啟時間（工作週越作週期（dUty Cycle)。即開關 負載電、、☆ T ^ I長，開關108b開啟時間越短， 、机L越開關10仏開啟時間（工作^^& 關難開啟時間越長，負_ =作週期）越短，開 為防分別為第1圖外加電阻後之架構方塊圖。 的上/值1^超出系統設計負載（lGad)所能承受 ^上限’傳統㈣換式穩壓裝4 2GG(25G)會在pM〇s電S曰 體開關i〇8a的源極（_叫端（第2a圖），或是在 u〇的電流路徑上(第2b圖)加裝一電一。r)R，= 電阻R上的跨壓量測開_ l〇8a源極端之電流，以隨時監 控輸出電流值H上述的外加電阻之電流量測方式= 以下的缺點：第一，由於切換式穩壓裝置所具有之低輸出 電壓、高電流量特性，電阻R之值不能太大，否則功率消 耗太多，造成轉換效率下降；第二，開關〗〇8a的源極端之 電流不是直流形式，必須以峰值（peak)電流推算實際 電流值。 【發明内容】 本發明的目的之一，在於提供一種具有過電流保護之 切換式穩壓裝置。 本發明的目的之一，在於提供一種具有過電流保護之 穩壓方法。 為達成上述目的，本發明之過電流保護的切換式穩壓 裝置包含有一輸出電路，係接收一驅動訊號，用以將該驅 7 1279955 動訊號轉換成一輸出電壓與一輸出電流；一第一比較器， 比較一參考位準電壓與該輸出電壓，以產生一誤差訊號； 一第二比較器’比較該誤差訊號與一週期訊號，以產生一 脈波訊號；一過電流保護單元，用以將一控制訊號致能； 一閘極驅動單元，係根據該脈波訊號與該控制訊號以產生 該驅動訊號。 在本發明之一實施例中，過電流保護單元係根據誤差 说5虎與一預设標準電壓’以產生一控制訊號。 依據本發明之實施例，亦揭露一種具有過電流保護的 穩壓方法，係使用於一切換式穩壓裝置，該切換式穩壓裝 置用以產生一輸出電壓，該方法包含有比較該輸出電壓與 -參考位丨電壓以產生—帛差訊號；tb較該誤差訊號與一 週期訊號以產生一脈波訊號，同時比較該誤差訊號與一預 設標準電麼以將一控制訊號致能；依據該脈波訊號與該控 制訊號以產生一驅動訊號；以及依據該驅動訊號以產生該 輸出電壓。 兹配合下列圖示、實施例之詳細說明及巾請專利範 圍，將上述及本發明之其他目的與優點詳述於後。 【實施方式】 第3圖為本發明之具有過雷滿保續 β I电々丨L保邊之切換式穩壓裝置 的架構示意圖。具有過電流俘螬 电/瓜保邊之切換式穩壓裝置300具 有一誤差放大器102、一脈诚宮洚姻綠口口 脈/反見度凋變器1 04、一過電流 8 1279955 保護单元310、一閘極驅動單元1〇6、一輸出電路i2〇與 一負載130 。

誤差放大器102比較一參考位準電壓vref與輸出電壓 Vout，以產生一誤差訊號Vc，誤差訊號Vc的不同的振幅 高低’將造成脈波寬度調變器104所產生的脈波訊號具有 不同的工作週期。脈波寬度調變器104比較誤差訊號Vc 與一週期訊號之後，產生一脈波訊號。過電流保護單元3 1 〇 比較誤差訊號VC的電壓與一預設標準電壓νδ之後，若判 斷切換式穩壓裝置300是在過電流狀態，將一控制訊號致 能以控制閘極驅動單元1〇6的動作，也就是將開關1〇8& 關閉以降低輸出電流II。閘極驅動單元1〇6係根據脈波訊 號與控制訊號以產生一驅動訊號來控制開關1〇8&與 108b，其中閘極驅動單元1〇6依據脈波訊號以控制開關 1〇8a ^ 1〇8b之方式為習知技術，故於此不再贅述。輸出 電路120接收此驅動訊號，用以將驅動訊號轉換成一輸出 電壓ν。"與一輸出電流。 口其中，脈波寬度調變器104所輸出的一連串之脈波訊 號=有固定的頻率與電壓位準，但具有變動的工作週期以 改㈣載的輸出電流II，進而使輸出電壓v_維持穩定。 /^、4b目說明切換式穩壓裝i 3〇〇之二種過電流的 大况一第一種過電流情況如第4a圖所示，誤差訊號Vc在 預&時間中（例如Ta>=16Qus)超出預設標準 數大於一第一蚱R伯。丨， ^ ^ ”值（例如7次）a夺，表示此時的輸出電 u月匕已超過電路設計的標準負載電流之上限。其中， 9 I279955 ，設標準電壓Vs可依據電路料之標準負載電流來決 疋。因此，預設標準電a Vs可依據切換式穩麼裝置綱 的不同負載量去調整。至於’第二種過電流情況，如第4b 圖所不，誤差訊號^持續超出預設標準電壓力的時間過 長（例如Tb>=70us)，表7F此段時間中輸出電流^可能持續 =過電路設計的標準負載電流之上限，且開關⑽a的開啟 時間過長，此時可能是發生短路狀況。

第3圖所示之實施例中，誤差放大器1〇2、一脈波寬 度調變器1〇4、一過電流保護單元31〇、以及間極驅動器 1 〇6係位於一控制晶片350之内。另一實施例中，該控制 晶片350亦可包括開關電路1〇8。

第5圖為過電流保護單元的架構示意圖。過電流保護 單元310包含一第三比較器511、一第一計數邏輯電路 512、一第二計數邏輯電路513、一第三計數邏輯電路514 與一或閘5 15。第三比較器5 11係比較誤差訊號vc與預設 標準電壓V s的大小’以產生一比較訊號。第一計數邏輯 電路5 12接收比較訊號之後，用以累計誤差訊號vc的電 壓超過預設標準電壓Vs的連續次數（參考第4a圖），並在 次數超出第一臨界值時，將一第一控制訊號致能。同時， 在每次誤差訊號Vc的電壓超過該預設標準電壓vs時，第 一計數邏輯電路512亦產生一第一重置訊號以重置第三計 數邏輯電路514。第三計數邏輯電路514係用來計數一時 間T2，當時間T2超出一第三臨界值時，即產生一第二重 置訊號以重置第一計數邏輯電路512，而當第三計數邏輯 1279955 電路5 14接收到該筮一 τ2，並重新計數時間τ"訊號後，則重置已計數之時間 =繼：參照第5圖，第二計數邏輯電路5 車父訊號，當誤差邙祙Λ/ h 條叹比 的電M超過預設標準電壓％時， 第一 δ十數邏輯電路513如斗管& g ^ 即计异誤差訊號Vc的電壓持續超 過預設標準電壓Vs的η士叫/么心μ ^ 扣山墙、 的日守間（參考第仆圖）l，並在時間Τι 超出一第二£?σ界值睡，脸 1 、 字一第二控制訊號致能。至於，戎 閘515在接收到第__岳丨丨％味斗斤 ^ 或 才工制Λ唬或弟二控制訊號後，即 控制訊號以控制閘極驅動單 叙昼-動作，亦即使閘極驅 兀 驅動訊號將開關l〇8a關閉以降低輸出電流 II。 其中，設置第三計數邏輯電路514的目的是為了使第 -計數邏輯電路512的運作更精確。譬如，當兩次相鄰之 誤差訊號Vc的電壓超過預設標準M %的時間間隔太 久，超出一定的時間（如前述之第三臨界值）時，第三^數 邏輯電路514即產生第：重置訊號將第—計數邏輯電路 512重置’使第—計數邏輯電路512中的計數器的次數再 從零開始計算。 上述貫施例中，第一計數邏輯電路5丨2與第二計數邏 輯電路513以及第三計數邏輯電路514係分別連接到二組 不同頻率的時脈產生器（cl〇ck generat〇r)。例如，連接到第 一計數邏輯電路512與第二計數邏輯電路513的第一時脈 產生器516產生lOOKHz之固定頻率的第一脈波訊號，而 連接到第三計數邏輯電路514的第二時脈產生器5if產生 1279955 1MHz之固定頻率的第二脈波訊號。 本發明各實施例可設置於晶片350内部，並藉由監控 誤差訊號Vc的電壓高低變化，以偵測及控制晶片35〇外 部的輸出電流iL之變化。另外，預設標準電壓Vs可直接 由控制晶片350作設定或調整，以適用於可調變輸出電壓 的裝置。 第ό圖為本發明之具有過電流保護的穩壓方法的流程 圖。本發明之具有過電流保護的穩壓方法係使用於一切換 式穩壓裝置，此切換式穩壓裝置用以產生一輸出電壓 Vout，此方法包含以下步驟：首先，在步驟S6〇l中，比較 輸出電壓與一參考位準電壓Vref以產生一誤差訊號 Vc。接著，在步驟S6〇2中，比較誤差訊號Vc與一週期訊 唬以產生一脈波訊號，同時比較誤差訊號Ve與一預設標 準電壓Vs將一控制訊號致能。在步驟S6〇3中，依據脈波 汛號與控制訊號以產生一驅動訊號。最後，在步驟S6〇4 中’依據驅動5虎以產生輸出電壓。 其中，在步驟S604中，當誤差訊號Vc的電壓超出預 設標準電M Vs的次數大於—第—臨界值，或者誤差訊號 Vc的電壓超過預設標準電壓Vs的連續時間大於一第二臨 界值時，將控制訊號致能以控制閘極驅動單元1〇6的動 作’將開關1 〇8a關閉以降低輸出電流l。 第7圖為本發明《具有過電流保護之切換式穩壓裝置 的另一實施例示意圖。由第7圖可知，切換式穩壓裝置7〇〇 與第3圖所示之切換式穩壓裝置3〇〇之差別在於過電流保 12 1279955 護單元710係依據脈波寬度調變器i〇4所產生之脈波訊號 來將控制訊號致能，藉以控制閘極驅動單元106來產生驅 動訊號，進而控制開關l〇8a及108b。本實施例中，過電 流保護單元710係偵測脈波寬度調變器1 〇4所輸出脈波訊 號之脈波寬度來將該控制訊號致能，當過電流保護單元 - 710偵測到脈波訊號之寬度大於一預定脈波寬度時（如 ， 800ns )，即開始計數，當於一預定時間内之累積計數次數 超過一第四臨界值時，過電流保護單元710將該控制訊號 ® 致能，以控制閘極驅動單元106產生驅動訊號，進而將開 ‘ 關l〇8a關閉以降低輸出電流iL。 第8圖為第7圖所示之過電流保護單元71 〇之一實施 例示思圖’由第8圖可知，第四計數邏輯電路§ 12係接收 脈波訊號，並依據第三時脈產生器816來計數該脈波訊號 中，大於預定脈波寬度之脈波的數目，第四計數邏輯電路 812並於所計數之脈波數目大於第四臨界值時，將控制訊 5虎致月b且輸出至閘極驅動单元1 〇 6。另外，第四計數邏輯 _ 電路812於每次增加計數值時，亦產生一第三重置訊號以 重置第五計數邏輯電路814。第五計數邏輯電路814係依 ^ 據第四時脈產生器8 1 7來計數一時間丁3，當時間τ3超出 一第五臨界值時，即產生一第四重置訊號以重置第四計數 邏輯電路812，而當第五計數邏輯電路814接收到該第三 ‘ 重置訊號後，則重置已計數之時間I，並重新計數時間 • Τ3。 以上雖以實施例說明本發明，但並不因此限定本發明 13 1279955 之範圍，只要不脫離本菸明亜匕，兮 心離+七咧之要日，，亥仃業者可進行各種 變形或變更。 【圖式簡單說明】 第1圖為傳統切換式穩壓裝置之架構方塊圖。 第2a、2b目分別$帛1圖外加電阻後之架構方塊圖。 第3圖為本务明之具有過電流保護之切換式穩壓裝置 的架構不意圖。 第4a、4b圖說明切換式穩壓裝置之二種過電流的狀 況。 第5圖為過電流保護單元的架構示意圖。 第6圖為本發明之具有過電流保護的穩壓方法的流程 圖。 第7圖為本發明之具有過電流保護之切換式穩壓裝置 的另一貫施例示意圖。 第8圖為第7圖之過電流保護單元的實施例示意圖。 圖號說明： 1〇〇、200、250傳統切換式穩壓裝置 1〇2誤差放大器 1〇4脈波寬度調變器 106閘極驅動單元 1〇8開關電路 l〇8a，、i〇8b電晶體開關 11 〇整流電感 112輸出電容 120輸出電路 3 0 0、7 0 〇具有過電流保護之切換式穩壓裝置 310、710過電流保護單元 350、750控制晶片 14 1279955 5 11第三比較器 5 12第一計數邏輯電路 513第二計數邏輯電路514第三計數邏輯電路 5 1 5或閘 5 1 6第一時脈產生器 517第二時脈產生器 812第四計數邏輯電路 814第五計數邏輯電路816第三時脈產生器 817第四時脈產生器

Claims (1)

1279955 拾、申請專利範圍： 1. 一種具有過電流保護之切換式穩壓裝置，包含： 一輸出電路，係接收一驅動訊號，用以依據該驅動訊號轉換成 一輸出電壓與一輸出電流； 一第一比較器，比較一參考位準電壓與該輸出電壓，以產生一 誤差訊號； 一第二比較器，比較該誤差訊號與一週期訊號，以產生一脈波 訊號； 一過電流保護單元，係計數該誤差訊號大於一預設電壓之次 數，並在該次數高於一預設次數時，將一控制訊號致能；以 及 一閘極驅動單元，係根據該脈波訊號與該控制訊號以產生該驅 動訊號。 2. 如申請專利範圍第1項所述之切換式穩壓裝置，其中該過電流 保護單元包含： 一第三比較器，比較該誤差訊號與該預設電壓，以產生一比較 訊號；以及 一第一計數邏輯電路，係接收該比較訊號，用以於一預定時間 内計數該誤差訊號的電壓超過該預設電壓的次數，並在該次數 超出一第一臨界值時，將該控制訊號致能。 3. 如申請專利範圍第2項所述之切換式穩壓裝置，其中該過電流 保護單元進一步包含： 16

1279955 一第二計數邏輯電路，係接收該比較訊號，用以累計該誤差訊 號的電壓持續超過該預設電壓的時間，並在該時間超出一第二 臨界值時，將該控制訊號致能。 4. 如申請專利範圍第2項所述之切換式穩壓裝置，其中該過電流 保護單元進一步包含： 一第三計數邏輯電路，用以計數該預定時間，並於計數完該預 定時間時，產生一重置訊號以重置該第一計數邏輯電路。 5. 如申請專利範圍第1項所述之具有過電流保護之切換式穩壓 裝置，其中前述輸出電路包含： 一開關單元，係由複數個的電晶體所組成，該開關單元根據前 述驅動訊號來產生該輸出電壓與該輸出電流； 一電感，搞接至該複數個電晶體；以及 一電容，耦接至該電感。 6. 如申請專利範圍第1項所述之具有過電流保護之切換式穩壓 裝置，其中該第一比較器、該第二比較器、該過電流保護單元、 該閘極驅動單元以及該開關單元係内建於一控制晶片。 7. 如申請專利範圍第1項所述之具有過電流保護之切換式穩壓 裝置，其中該第一比較器、該第二比較器、該過電流保護單元 以及該閘極驅動單元係内建於一控制晶片。 8. 一種具有過電流保護的穩壓方法，用以產生一輸出電壓，該方 法包含有： 比較該輸出電壓與一參考位準電壓以產生一誤差訊號； 比較該誤差訊號與一週期訊號以產生一脈波訊號； 產生一控制訊號，係計數該誤差訊號於一預定時間内大於一預 17 1279955 設電壓之次數，並在該次數大於一第一臨界值時將該控制訊號 致能； 依據該脈波訊號與該控制訊號以產生一驅動訊號；以及 依據該驅動訊號以產生該輸出電壓。 9.如申請專利範圍第8項所述之方法，其中前述產生一控制訊號 的步驟中還包含： 計數該誤差訊號的電壓持續超過該預設電壓的時間，並於該時 間大於一第二臨界值時，將該控制訊號致能。