TWI291281B - Mechanism for providing over-voltage protection during power up of DC-DC converter - Google Patents

Mechanism for providing over-voltage protection during power up of DC-DC converter Download PDF

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Description

1291281 第92135521號專利申請案 修正、補充無劃線修訂本 2005年9月修訂 玖、發明說明： 【相關申請案對照】 本申請案主張由Noel B. Dequina等人於2002年12月31曰申 請’題為「DC-DC轉換器電源啟動期間提供過電壓保護之機制」 (Mechanism for Providing Over-voltage Protection During Power Up of DC-DC Converter，，)之美國申請序號60/437，179號案之權益，該案經 讓渡予本申請案之受讓人，其揭示内容整併於此。 【發明所屬之技術領域】 本發明大致係相關於DC電源供應系統(DC power supply systems) 以及其組件，並特別相關於一種新穎且改進的過電壓保護裝置 (ovei-voltage protection apparatus)，其係被建構來感應與 DC-DC 轉換 1§中之短路上FET相關聯之過電壓狀況的啟始（onset of an over-voltage condition)，並且，反應於狀況之啟始，達成過電壓狀況 之受控下的旁路(controlledby-pass),以及關閉電源供應器，以保護所 其所驅動之電子電路。 【先前技術】 諸如但不限定於個人電腦之微處理器晶片等之積體電路(1C)的 電源，一般係由一或多個直流（電池）電源所供應，例如第1圖中以 電置模式(buck-mode)，脈波寬度調變(PWM)為基礎之DC_DC轉換器 (converter) 〇如圖所示，一 PWM控制電路對一開關電路驅動器2提 供一同步PWM信號，其中該驅動器2控制著一對電子電源開關元件 (electronic power switching device)之開啟與關閉，而電子電源開關元 件則耦接被驅動之一負載9。在此種圖示之DODC轉換器之中，電 1291281 第92135521號專利申請案 修正、補充無劃線修訂本 2005年9月修訂 子電源開關元件包含一上(或高側)功率NM〇SFET(^ NPE乃元件3， 以及一下(或低側)功率NFET元件4，其汲極一源極電流路徑串聯連 接於一對電源供應軌(例如，VIN與接地(GND))之間。 上NEFT元件3係利用由驅動器2供應至其閘極的一上閘極開關 信號UGATE而開啟與關閉，而下则丁元件4則利用由驅動器2供 應至其閘極的一下閘極開關信號LGate而開啟和關閉。兩丁之 間的一共同或相位節點5，經由一電感6而被耦接至一負載儲存電容 斋7，該電容器7則耦接至一參考電壓端((_)。電感6與電容器7 之間的連結8係作為-輸出節點，由此輸出節點可將—所需[經調節 後)之DC輸出電壓Vout施加至一 L〇AD 9(叙接至_)。 輸出節點連結8亦經由-回饋電阻1〇而饋回至pWM控制器i 内之錯誤放大器電路。錯誤放大器電路被用來調節轉換器之相對於一 麥考電屢的DC輸出電壓。此外，可控制開關nfet之間的共同節點 5係經由-電流感應電阻n而減至控制器丨内的電流感應電路， 反應於電流感應電路，控制器在必要時可·卩魏信號的任務週期 ㈣㈣），以將轉換器之Dc輸出維持在一組職參數範圍内。 魏電職應II供應電駐其卿動德件的赚巾，極端重要 的是，電源供應路徑中的異常(an贿ly)，諸如上開關刪τ中之短路 (其可能是因-故障組件或製造期間其沒極的不當短路)，不可以傳遞 到下游的電路，特別是微處理器晶片之中。 【發明内容】· 並且，反應於 t明藉整躲FET開關電路内的過電壓保護電路而成功解決 二在啊。此過電壓保護電路可操作而感齡統初始啟動期間出 現在通過上或高側FET電路路徑中的短路錯誤狀況 1291281 第92135521號專利申請案 修.正、補充無劃線修訂本 2005年9月修訂 . 此狀況而將T NFET耕開啟。此可娜過電驗況的立即旁路路狎 到接地，並因而避免從輸出端將過高的電塵施加於下游的被驅動電= 【實施方式】 參考第2 ®，其巾根據本發明之過賴倾作法—實施例係如圖 示包含一過電壓保護(OVP, overv〇ltage pr〇tecti〇n)控制電路1〇，其^ 供應以一電源啟動重置(P0R, p〇wer 〇n reset)信號，此係合併作為前述 第1圖中電路之驅動電路2的額外增加部份。控制電路1〇可操作而 執行第1圖中控制電路i之功能，其並合併應用了下面所將說明過電 壓保護控制功能的組合邏輯和正反器。第2圖中之保護電路進一步包 含個別的上及下前置驅動器電路3〇以及4〇，其可操作以對上3 以及下NPET 4供應閘驅動信號。此外，另有一過電壓包護電阻％ 亦被麵接於相位節點5以及下NFET4的LGATE輸入之間。 上前置驅動電路30被耦接來從0VP控制器電路1〇之處接收一 上驅動控制信號，並具有分別耦接至上pFET開關33及上npet開 關34閘極的弟一與弟一輸出控制線Η和開關33及NFET 開關34以其源極-汲極通路串聯耦接於啟動環帶(b〇〇叩)供應節點 BOOT與PHASE節點5之間。PFET 33與NFET 34之共同連結35 則作為一上閘極|區動UGATE而|馬接至上NFET 3。 下前置驅動器電路40被耦接來從0VP控制器電路1〇之處接收 一下驅動控制信號，並具有分別耦接至下pFET開關43及下NPET 開關44閘極的第一與第二輸出控制線路4丨及42。pFET開關奶與 NFET開關44以其源極一汲極通路串聯耦接於一 12伏供應節點與一 電源接地(PGND)節點之間。PFET 43與NFET 44之共同連結45則作 1291281 第92135521號專利申請案 修正、補充無劃線修訂‘ 2005年9月修訂 為一下閘極驅動LGATE而|禺接至下NFET4。 士第3A 3E圖係為上fet 3兩端無短路狀況時的正常啟動操作之 牯序圖。特別的’第3A圖係顯示上前置驅動器電路對上υρΕτ 3之 閘極施=G伏特程度電壓值的上閘極UGATE電壓。第3b圖則顯示 在相位節·、，、占5上之相位電壓同樣也為〇伏特。類似的，第％ 顯示 下則置驅動器對LFET 4之閘極施以〇伏特程度電壓值的下閉極 LGATE⑨壓。帛3D圖顯示電源啟動重置輪入電壓上升，以追循第 3E圖中賴示的，施加於電壓輸人端的電源供應電壓之上升。逐漸 地’如第3D圖所示，操作竜源位準達到了 5 wc程度的電壓。之後， 開關模式的操作便開始，如各圖右手邊部分所顯示的，以使輸出節點 處於其調節電壓上。 電·驗軸間，上NFET3之雜—祕通路兩端發生短路狀況 的情形係顯示於第4A_4D圖中。制的，第4A _示輸入節點之電 壓Vin由零朝向12伏上升。當上翻τ 3之源極_汲極通路兩端發 生短路時，會導致PHASE節點5處的電壓也開始朝向十二伏供應線 路上升。隨著相位電壓增高，〇Vp電阻5〇便將此電壓耦接至下 4之LGATE輸入，如第4Β圖所示。反應於此電壓之超越τΝρΕΤ4 之臨限包屢，NFET4即開啟，產生出由電壓為Vin之電源供應輸入， ’、工由UFET3與LFET4兩者之源極—汲極通路，而至電源接地的一 .條電流路徑。 當此種情況發生時，電源供應之控制電路中的電壓錯誤放大器便 會偵測到由供應輸出到接地的短路，並且採取行動以關閉轉換器之操 乍、避免對被驅動組件之潛在抽害。除此之外，在此短路狀況期間， 該控制器1即可操作雨致使前置驅動器電路30和40將上與下FET 之配對33，34以及43，44關斷。如此即可確保對於L]FET4之閘極 1291281 第92135521號專利申請案 修正、補充無劃線修訂本 2005年9月修訂 驅動僅只會經由OW電阻50而追循㈣了 3之短路狀態。第牝圖 即顯示UGATE之上升，而第4D圖則顯示電源啟動重置（p〇R)電 壓上升至五伏。 如之敘频可以了解者，本發日⑽、可_整併於航 開關電路中之過電壓紐電路峨作，以避免諸如dc_dc電源供應 之上關電子裝置之祕等的異常之傳遞至下游桃。此過電壓保護 電路係可操作，，而在系統初始電源啟動的期間，感應通過上或高側 FET電路雜帽魅義簡雜g。此可域過賴狀態的立即 旁路接地，並因此而可避免讓輸出端將過高的電壓施加於下游的被驅 動電路上。 職前面已展示並綱了依據本發明之實施例，但應要瞭觸是本發 明並不限定於誠實_之說明細，f於本聽者可對之進行各種 改變及修改。本發明因此即不應受限於前面之詳細說日月，而應涵蓋所 、有習於本技藝者所可進行的此等改變及修改。 【圖式簡單說明】 (一）圖式部分 第1圖顯示一習知電置模式(buck m〇de)，脈波寬度調變(PWM) 為基礎< DC-DC轉換器； 第2圖顯示本發明過電壓保護作法之-實施例； 第3A-3E圖辱員示應用了圖2之過電壓保護作法之一 dc_dc轉換 裔，其正常電源啟動操作相關之時序圖；以及 第4A-4D ®顯示應用了圖2之過電壓保護作法之一 DC-DC轉換 1291281 第92135521號專利申請案 修正、補充無劃線修訂本 2005年9月修訂 器，其上FET的源極1 一汲極通路發生短路時相關之時序圖 (二)元件符號說明 1 PWM控制器 2 驅動器 3 上NFET裝置 4 下NFET裝置 5 共同或相位節點 6 電感 7 負載儲存電容器 8 輸出節點連結 10 OVP控制電路 30 上前置驅動器輩路 31 (上前置驅動器電路之)第一輸出控制線 32 、（上前置驅動器電路之)第二輸出控制線 33 上PFET開關 34 上NFET開關 40 下前置驅動器電路 41 (下前置驅動器電路之)第一輸出控制線 42 (下前置驅動器電路之)第二輸出控制線 43 下PFET開關. 44 下NFET開關 45 共同連結 50 OVP電阻 ·

Claims (1)

  1. 1291281 第92135521號專利申請案 修正、補充無劃線修訂本、 2005年9月修訂 拾、申請專利範園 出被驅動裝置之—輪出節點上產生調節直流(DC)輸 出包屋之一種裝置，其包含： 一 DC-DC轉換器’输至一供應電壓，並可操作以產 節輸纏，該咖轉換器具有—脈波寬度調變 /，可產生一PWM_信號，其以可開關方式控制-開 關電路之操作，該開關電路包含分別搞接於第一與第二電源供應 間的第-及第二電子電源删元件，其—制節點係經由—電感元件 而轉接至該輸出節點；與 過電[感應電路，其監視在該共同節點上之電塵，並可於該裝 置之初始起動_，反應於該朗_上之賴達到代錄_第一 電源供應端與該共弱點之_該第_電子電源關元件之短路而 在該共同節點上開始出現—過電壓狀況的—值而操作，以開啟該第二 .電子電测關元件，以便提供由該共同節點至該第二電源供應端的一 旁路電流路徑，並因此而避免過的情況__輸出節點上以及 因此而施加於該被驅動裝置上。 2·根據申請專利範圍第1項之裝置，其巾該過輕感應電路包 含一過電壓感應電阻，其係耦接於該第一電子電源開關元件之一輸出 以及該第二電子電源開關元件之一控制輸入之間。 3·根據申請專利範圍第2項之裝置，其中該開關·電路更包含有 一上前置驅動器開關電路，其包含有分別耦接於一第三電源供應端以 及該第一與第二電子電源開關元件之共同連接點之間的第三與第四 電子電源開關元件，並且具有其耦接至該第一電子電源開關元件之控 12 1291281 第92135521號專利申請案 修正、補充無劃線修訂本 2005年9月修訂 制電極上的一共同節點。 4·根據中請專利範圍第3項之裝置， 關電路，其包含有分 二間的第五與第六電子電源開件，並且具有其 接該弟—電子％源開·件之控制電極上的-共同節點。 5·根據申請專利範圍第4項之裝置，其中該1>购產生器包含— 而_第—電子電關關元件之該短路期__ 上則置.瞒摘關電路之第三與第四電子電源關元件與該下前置 驅動裔_電路之第五與第六f子電源_元件。 _接至-被驅動裝置之—輸出節點上產生調節直 出電壓之一種裝置，其包含： -;DC-DC轉換器’麵接至一供應電壓，並可操作以產生得自該 供應Μ之-調節触電壓，該DC_DC#_具有—脈波寬度調變 (PWM)產生器’可產生- PWM開關信號，其以可開關方式控制一開 關電路之操作，該開關電路包含分別输於第一與第二電源供應端之 間的第-及第二電子電源關元件，其—共同節點係經由—電感元件 而耦接至該輸出節點；與 過包壓保濩電路’其監視在該共同節點上之糕，並可於該裝 置之初始起動_，反應於該共同節點上之賴_代表著因該第一 電源供應频該共觸點之間— t子電源開關元件之短路而 在該共同節點上開始出現-過電驗況的—值而操作，以致開始出現 之該過電錄況狀测！^轉_輸$ _並讀電源供應， 13 1291281 第92135521號專利申請案 修正、補充無劃線修訂本 2005年9月修訂 以便保護其所驅動之電子電路。 7·根據申請專利範圍第6項之裝置，其中該過電壓感應電路可 反應於跨越該第一電源開關元件之受控電流路徑之短路而操作，以開 啟該第二電子電源開關元件，以便在該第一與第二電源供應端之間提 供一過電壓旁路電流路徑，並因此而避免該過電壓狀況由該輸出節點 而施加於該被驅動裝置之上。
    8·根據申請專利範圍第6項之裝置，其中該過電壓感應電路包 含一過電壓感應電阻，其係耦接於該第一電子電源開關元件之一輸出 以及該弟一電子電源開關元件之一控制輸入之間。 9·根據申請專利範圍第8項之裝置，其中該開關電路更包含有 一上前置驅動器開關電路，其包含有分別耦接於一第三電源供應端以 及該第一與第二電子電源開關元件之共同連接點之間的第三與第四 電子電源_元件，並且具有其输至該第—電子電關關元件之控 制電極上的一共同節點。
    =·根據申請專利範崩第9項之裝置，其中該開關電路更包含有 一^置驅動器開關電路，其包含有分別耗接於—第四電源供應端與 二之間的第五與第六電子電源開關元件，並且具有其麵接 以-電子鶴_元件之控制電極上的—制節點。 一栌專利範圍第1G項之裝置，其中該PWM產生器包含 社前钉麵咖元狀舰_間關閉 °。咖電路之第三與^電子《«元件與該下前 14 1291281 第92135521號專利申請案 修正、補充無劃線修訂本 2005年9月修訂 置驅動器開關電路之第五與第六電子電源開關元件。 了 控制W換器之運作的_種方法，該dc_ ^作以在-被驅絲置馳㈣―㈣節點 以產生得自該供應«之該輪出麵，並且具有—脈波宽度調树 (刚)產生H ’可產生-驗她號，其以可瞻式控= 關電路之操作，關_路包含分接於第—與第二賴供應端之 間的第-及第二電子電源關元件，其—共同節點伽由—電感元件 而麵接至該輸出節點端，該方法之步驟包含： (a) 監視該共同節點上之電M以監看因第—電源供應端至該共同 節點經由該第-電子電源關元件之短路狀況的過電壓狀況之發 生；與 " (b) 反應於在該共同節點上之偵測到該過電壓狀況而提供其旁 路’並且關斷電源供應，以保護其所驅動之電子電路。 J3.根據申請專利範圍第12項之方法，其中步驟(b)包含，反應 於跨越該第一電源開關元件之受控電流路徑之短路，開啟該第二電子 電源開關元件以便在該第一與第二電源供應端之間提供一過電壓旁 路電流路徑，並因此而避免該過電壓狀況由該輸出節點而施加於該被 驅動震置之上。 14_根據申請專利範圍第12項之方法，其中步驟(b)包含將一過 電壓感應電阻耦接於該第一電子電源開關元件之一輸出以及該第二 電子電源開關元件之一控制輸入之間，反應於該過電壓感應電阻之感 15 1291281 192135521號專利申請案 修訂本 應到遠第一電子電源開關元件之受控電流路徑兩端的短路即以可控 制方式開啟該第二電子電源開關元件，以便在該第一與第二電源供應 端之間提供一過電壓旁路電流路徑，並因此而避免該過電壓狀況由該 輪出郎點而施加於該被驅動裝置之上。 15. 根據申請專利範圍第14項之方法，其中該開關電路更包含 有-上前置關電路’其包含有分_接於—第三魏供應端 以及該第-與第二電子電源開關元件之共同連接點之間的第三^第 四電子電源開關元件，並且具有其耗接至該第—電子電源開關元狀 控制電極上的一共同節點。 - 16. 根據申請專利範圍帛15項之方法，其中該開關電路更包含 ^一下前置驅動器開關電路’其包含有分簡接於—第四電源供 -、一電源供應參考端之間的第五盘第丄堂 μ Ά' 甘h 與H子魏關元件，並且且有 ，、-接至該第二電子電源開關元件之控制電極上的一共同節點。- π·根據申請專利範圍第16項之方法，其中該_ 人 -控制器’其可操作而於該第—電子電源 _ 該上前置驅動器開關電路之第三^f +二路期間關閉 置驅動器開關電路之第五與第六電子電源開關"元件^ 70件與該下前 is.於麵接至一被驅動裝置之一輸點念 輸出電墨之-種裝置，其包含： P”社產生直流(DC) - dc-dc轉換器，_接至—供應麵开 供應《之-調節輪出糕，該DC_D 二轉以產生得自該 、态具有一脈波寬度調變 16 1291281 第92135521號專利申請案 修正、補充無劃線修訂本、 2005年9月修訂 益’可產生—PWM開關信號，其以可開關方式控制一開 電路包含分_接於第m驗應端之 、第及弟一電子電源開關元件，J：一丑門# έ 而祕至該輪出節點；與 〜J即點她由-電感元件 今第2電路，其不需監視該輪出節點上之霞，即可操作而痛測 該第-電源供應端與該共 =及：：並_避免過電崎—- 19. 根獅請專利細第18項之裝置，其中該旁 一 dir。其耦接於該共同節點與該第二電子電源開關元< W 牛之一控制 有一2上0前 專利範圍第19項之裝置，其中該開關電路更包含 以及該第-㈣m路，其包含有分難接於—第三電源供應端 四電子電丨、子電源開關元件之共同連接點之間的第三與第 控制電極具有其紐該第一電子電賴^ 有_-p-ii- ™ : '、’ 員 置 ’其中該開關電路更包含 鱼-電電路，其包含有分顺接於—細電源供應端 其轉接供應端之間的第五與第六電子電源關元件，並且具有 / 一电子電源開關元件之控制電極上的一共同節點。 17 1291281 第92135521號專利申請案 修正、補充無劃線修訂本 2005年9月修訂 2Zj艮據申請專利範圍第21項之裳置，其中該驗產生器包含 控制為，其可刼作而於該第一電子電 ^ 电原開關兀件之該短路期間關閉 该上前置驅動器_電路之第三與第 & 电于电源開關兀件與該下前 驅動器開Μ路之第五與第六電子電_關元件。 • : - ·轉換器之運作的一種方法，該D⑼ ==以在-被驅練置___輸出節點上產生—調節^ Q輸出縣’該DC_DC職H係被_至—供應賴，並可操作 嶋微細㈣龍，並場—微寬度調變 ^ 可產生—職開_，細可_式控制一開 =之操ί，該_電路包含分接於第-與第二魏供應端之 =弟-及弟二電子電源開關元件，其—共同節點係經由—電感元件 而耦接至該輸出節點，該方法之步驟包含·· ⑻監視該共同節點點及該輪出_上之輕以監看因第一電 源供應端至該制節雜由轉1關元狀短職 況之發生；與 (b)反應於在”彡制相上之細彳到該過電壓狀況之發生以及 電源之關斷而提供經由該第二開件而至該第二電源端的一旁 路，以便賴其所《_之電子魏科該過賴影響。 24.如申凊專利範圍第23項之方法，其中步驟⑻包含將一感應 電_接於該共同節點與該第二電子電源關元件之—控制輸入之 1並且反應於该過電懲感應冑阻於該共同節點上之感應到一預定 包[而開啟韻_電子電源關元件，讀在該共同節點與該第二電 源i、應‘之間提供-旁路糕路#，並因此而聽該過電紐況被施 18 1291281 第92135521號專利申請案 ；[多正、補充無劃線修訂本 2005年9月修訂 加於該輸出節點及該被驅動裝置之上。 25·如申5月專利範圍第24項之方法，其中該開關電路更包含有 〜上，1_器_電路，其包含有分職接於—第三電源供應端以 恭該第與第一电子電源開關元件之共同連接點之間的第三與第四 子電源簡元件’並且具有其_接至該第_電子電賴關元件之控 制電極上的一共同節點。 有-2下專利顧第25項之方法，其中該_電路更包含 與-“其包含有分別_於-第四電源供應端 其第五與第六電子電源開關元件，並且具有 、輕接至料—電子電源關元件之控崎極上的—點 27.根據申請專利範圍第26項之方法， 〜控制器，其可操作而於該第—電子電源關中^购產生器包含 該上前置驅動關_路之第三與第4子短路期間關閉 置驅動器_之第五鄕六電子魏_= 侧元件與該下前 拾壹、圖式: 如次頁 19 1291281 第92135521號專利申請案 修正、補充無劃線修訂本 2005年9月修訂 柒、指定代表圖 (一) 本案指定代表圖為：第(2)圖 (二) 本代表圖之元件代表符號簡單說明 3 上NFET裝置 4 下NFET裝置 5 共同或相位節點 6 電感 7 肩載儲存電容器 、 8 輸出節點連結 10 OVP控制電路 30 上前置驅動器電路 31 (上前置驅動器電路之)第一輸出控制線 32 (上前置驅動器電路之)第二輸出控制線 33 上PFET開關 34 上NFET開關 40 下前置驅動器電路 41 (下前置驅動器電路之)第一輸出控制線 42 (下前置驅動器電路之)第二輸出控制線 43 下PFET開關 44 下NFET開關 45 共同連結 50 0 VP電阻 捌、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的 化學式：
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