TWI376869B - Direct current converter - Google Patents

Description

1376869 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係指-種直流轉換器，尤指一種可避免發生基體二極體 導通的情形’並增加錯誤制機制，輯持正常運_錢轉換器。 【先前技術】 電子褒置通常包含有不同的元件，每一元件所需的操作電墨可 能都不同。· ’在電子裝置巾’需要透過直流對直流電壓轉換電 路，達到電壓準位的調節（升壓或降壓），並使之穩定在所設定的電 壓數值。依不_電源需求，可延伸出許多不_態的直流對直流 電壓轉換器’但其皆源自於降壓式轉換器（Buck/StepD〇wn Converter)及升壓式轉換器（Boost/StepUpConverter)。顧名思義， 降壓式轉換為可將輸入端的直流電壓下降至一預設電壓準位，而升 壓式轉換器則可提升輸入端的直流電壓β不論降壓式轉換器或升壓 式轉換器，隨著電路技術的演進，兩者皆已演變出許多變化，以適 用於不同的架構，或符合不同的需求。 舉例來說，凊參考第1圖’第1圖為一習知勒；帶式（Bootstrap) 直流降壓轉換器10之示意圖。靴帶式直流降壓轉換器1〇包含有一 驅動級電路100 ' —輸出級電路102、一控制模組104及一靴帶電路 1376869 過”^式直飢㈣轉換器1G由輸人端提供—111定賴Vin，透 對“二1G4及歸電路106產生控制信號至驅動級電路觀， 端電壓的稃定直产電2 錢可得到一個低於輸入 Q2及_=… 驅祕魏⑽包含有功率電晶體Q1、 及驅動早兀DRV 1、Dm/ ?，4P祕仏…，

：：VC ⑽，咖動級電路之辨電晶體Q1、Q2，由-一節點 輸出切換訊號至輸出級電路搬；輸出級電路102包含有一電感 ^於―φ電阻C相授電阻幻、112。節點Y之切換信號透過電感^ 輸出^VG物能量賴’電容c具有穩定輸出端輕之功能， 減少輸出端電壓變化。輸出端電壓透過回授電阻R卜犯，以得回 授電壓VFB，由控制模組產生控制信號VCTRL、VCTRL B ; ^帶 電路ι〇6則包含有-歸電容c—Bs及―：極體m帶式^ 流_轉換器U)之操作原理係本領域具通常知識者所熟知係由 控制單模組及征帶電路產生驅動信號，控制驅動級電路之功率電晶 體’即功率電晶體Q1導通而功率電晶體Q2關閉，或功率電晶體 Q1關閉而功率電晶體Q2料，進而使輸出級電感持續切換:充電 與放電兩種狀態。在此情形下，控制模植1〇4可根據回 R2所產生的回授訊號VFB，透過控制訊號V—CTRL及其反相控制 訊號V—CTRL_B ’調整兩種操作狀態的切換頻率，使得輸出龍％ 之值符合所需。 在轨帶式直流降壓轉換器10中’驅動單元DRV—卜DRV 2通 6 分別受節點χ、γ之電壓、x、v—γ、輪入她η 所驅動。其中，節點Χ係介絲帶電容㉘與 —D—BS之間’❿節點丫則介於驅動級電路1〇〇、輪出 電路娜之間。當功率電晶體Φ導通時，Y節點電位接 带、取低電位VSS，辄帶電壓Vcc透過二極體對轨帶電容c挞充 :口旦功率電晶體卩^通而功率電晶體⑶關閉時’節點^之 ，並接近_壓Vm。此時，由_帶電容 升纖，觸點x彻u會被提 —加上~電壓Vee之值，因而可啟動驅動單itDRV1 =’透過歸f路1G6，當鱗式錢親轉魅1G之模 功率電晶體Q1關閉而功率電晶體Q2導通」切換 電: .，，、X的電壓V-X，以啟動驅動單元DRV_1。 外部，二ί:: 1Q6 1Q4通常係設於晶片 路Γ 將會導致製程成本及電 =_氧半電晶體包一部。然:==: 基==:::;::!況下’金氧半電含之 瓶』此會有漏電咖導通於郎點x及鞋 運作或降健體效率，轴影料 咖,1。的功能。除此之外，錄帶式直嶋轉換器财， 1376869 節點X可能因某些it件損壞而短路，造成外部高電位端（即電壓 Vcc)被拉低（Pull Low) ’因而影響晶片内部的運作。 i 因此，如何改善直流降壓轉換器的歸電路就成為業 的目標之一。 、万刀 【發明内容】 以改善 因此，本發明之主要目的即在於提供一種直流轉換器， 習知技術的缺點。 電種Γ轉換器，用以將一輸入電壓轉換為-輸出 電昼，該直流轉換器包含有一第一節點；一第二節點；一輸入電壓 端，用來接收該輸入電壓；一輸出電壓端，用來輸出該輸出電辩； ，輸端，耦接於一高電位電壓;一低電位 : 位輕；:控制模組，用來產生—控制訊號；—驅動級電路，_ 輸用入該第—節點、該第二節點、該控制模組及該低電 而’用來由該第-節點之電壓、該輸入電壓及該低電位電壓驅動， =控，，將該輸入電壓轉換為一切換訊號，並輸出至該 十一即…勒出級電路’轉接於該第二節點及該輸出電壓端，用 來將該切換訊_換為該輸出電m鱗電路 於該第一節點與該第二節點之間;一心： 緖出-開關峨;以及一串疊單元，輕接於該執帶電壓端、該第 8 1376869 -節點、該控制模組及該錯誤_器，用來根據該開關訊 制訊號，控制該辄帶電壓端至該第-節點之連結。 7…'工 【實施方式】 圖。’第2圖為本發明實施例—直流轉換請之示音 轉_ _、rG之架構及運作方式皆與第1圖之机帶式直流降壓 …H)相似’故相同元件細相同符縣示之， 式直流降嶋器1〇不同之處在於二ΐ: 舰^電路取絲帶式直流降壓轉換器1〇之絲電路 二H於峨請，鱗電路細係以電晶師轉取 ^7202 2 「b自:，、、p型金氧半電晶體’且其汲極相連在-起，因而形 =月靠背」之串叠單元。所謂「背靠背」係指電晶體印及… 域^r、D4^反崎，此結構蝴在正錢作下， 土體=體導通不會互相導通，避免直流轉換器2〇發生錯誤。此 、·曰。吳偵測盗202可根據控制訊號V—CTRL及節點X之電壓 曰於有錯誤發生’並輸出—關訊號V-SW，以控制電 制，^之與截止。而電晶體卩4則受控制訊號V-CTRL之控 ^之’ Ί晶體Q3及Q4係分別受開關訊號v』w及v—ctrl 之以適時切換高電位端（即辄帶電壓㈣至節點X之連結。 其直流轉換 有π電路20及控制模組1〇4通常係設於晶片外部， 9 1376869 :°動作《生異㈣’右無適當保護，很容易對晶片内部造成永久損 壞’進而造成直流轉換器無法動作。因此，在本發明中，錯誤_ *器202可_節點X之電壓v-x是否發生異常，並據以控制電晶 •體Q3,導通。如此一來，若節點X因某些元件損壞而短路時，錯 誤偵測$ 2〇2可適時關閉電晶體Φ，避免外部歸電壓端（即電壓 V:c)被拉低（PU11L0W)，進而保護控制模組及靭帶電路。本發明 提出之直〃/轉換H ’ $僅能提供驅動電壓至駆動級電路，還具有保 φ 護機制’當系統電壓發生異常時，切斷系統與机帶電路之連結。、 需注意的是，第2圖所示之直流轉換器2〇係為本發明之一實施 例’本領域具通常知識者當可據以做不同之修飾，而不限於此。舉 例來說，請參考第3A圖，帛3A gj為錯誤價測器2〇2之一實施例之 示思圖。在第3A圖中，錯誤偵測器202包含有一參考電壓產生器 300、一比較态302及一邏輯單元304。參考電壓產生器3〇〇耦接於 鲁外部低電位端（即電壓Vss)，產生一參考電壓VR£f至比較器观。 比較器302耦接於節點χ與參考電壓產生器3〇〇，其受控制訊號 v V-CTRL之控制，用以比較節點X之電壓V_X與參考電壓VREF， 以產生一比較結果V—CMP至邏輯單元304。邏輯單元304亦受控 制訊號V—CTRL之控制，用來產生開關訊號VJSW。 請繼續參考第3B圖，第3B圖為第3A圖中邏輯單元304之示 意圖。邏輯單元304包含有一延遲單元3〇6及一計數單元3〇8。延 遲單兀306用來將比較器302所產生之比較結果V一CMP延遲一遮 10 2間^a^gW)後’輸出至計數料通，以避免開關訊 〜__SW X机轉換$ 20切換操作狀態時所產生 響，而造細誤動作。計數單元娜可統計比較結μΓ.Ι 錯誤值的次數，並據以輸出開關訊號v—sw。舉例來說，當節點X 因某些元件損壞而短路時，比較器302之比較結果V CMP合顯亍 有錯誤發生，而計數單元扇則統計發生錯誤的次數，並於所統計 人數超過-預設值時，透過關訊號MW，卿電晶體.保 護轨帶電路，進而維持系統的正f運作。 ’、 在第3A11中，比較器3〇2及邏輯單元3〇4皆受控制訊號 v_ct虹之㈣，根據㈣訊號v—ctrl之辦，蝴目關運作， 以避免開關訊號v_sw受切換雜訊影響。亦即，比較器302可於控 制而虎V—CTRL為兩位準或低位準時啟動。在此情形下，比較器迎 僅有-半時間在運作，因此，邏輯單元綱所遮蔽之時間只要能隔 切換雜訊，避免比較器3〇2產生誤動作即可。當然，如第3C圖所 不，比較器302亦可以是全時工作，即不受控制訊號Μ·之控 制，而隨時進行節點x之電壓ν_χ與參考電麼V卿之比較運作。 在此情形下’邏輯單元304所遮蔽之時間必須大於控制訊號 V—CTRL之切換週期’若比較器3〇2超過遮蔽時間後，電壓X仍 大於參考電壓VREF，比較器3〇2仍輸出高電位，則判斷為故障發 生’㈣訊號V—SW_Q3電晶體。在第3C圖中，此狀況下僅 以遮蔽時間判斷故障發生，而不由計數器控制。 1376869 因此，在直流轉換器20中，歸電路除了可提供驅動 DRVj運作所需之電源外，當系統發生問題時，㈣電路· 適時控制電晶體⑦之導通，避免外部高電位端被拉低，以維持孕 統的正常運作0 、糸 如前所述’第2圖所示之直流轉換器2G係為本發明之一私 例丄本領域具通常知識者可做適當之修飾。舉例來說，如第从二 至第4c圖所不，錯誤偵測器2〇2亦可同時根據節點X、γ之電壓 I—=V:Y ’以鞋電電容的跨峨是否發生故障，產生開關訊號 叮—在此情形下’只需改變錯誤偵測器朋之訊號連結方式即 可’相關變化方式可與第2圖、第筮^回 辨不同之處。 ®弟3A圖及第3C圖比較’以清楚分 代時在’若第1财之二極體DJBS以金氧半電晶體取 體晶體皆存在寄生之二極體，在此稱為基體二極 端 早冑曰曰體連接，無論是汲極或是源極連接於轨帶電壓 關閉時，皆可能有電流透過基體二極體，流 響直流轉換器2。正常運作。若直流轉換器發生 響押制模蚊^作五路電流透過基體二極體損壞轨帶電路，甚至影 St:同時’在嶋流降壓轉換器中伽 說帶電路廳_作。愉夕卜。雜低，因而影響 切㈣取代二極體c ^之二本侧以「讀」之電晶體 體C〜BS，可確保在正常操作下，兩個基體二極 12 ^76869 =叻及m不會互相導通，避免直流轉換器2〇發生錯誤。同時， ，偵測器2〇2可_節點X之電壓v—X是否發生異常，並據以 =電晶體Q3 ?導通。如此—來，若節點x因某些元件損壞而短 干恰，錯誤偵測益202可適時關閉電晶體Q3，避免外部高電位端（即 电壓Vcc)餘低，轉持㈣的正f運作^此 改善習知技術的缺點。 綜上所述，本發明係以「背靠背」之電晶體取絲帶電路之二 極體’以避免發生基體二極體導通的情形，並增加了錯誤偵測機制， 以避免外部南電位端被拉低，從轉㈣統的正常運作。 以上所述僅林發明讀佳實_，膽本發”請專利範圍 所做之均等變化與料，皆應屬本發明之涵蓋範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖為一習知靴帶式直流降壓轉換器之示意圖。 第2圖為本發明實施例一直流轉換器之示意圖。 第3A圖為第2圖中-錯誤偵測器之一實施例之示意圖。 弟3B圖為苐3A圖中一邏輯單元之示意圖。 第3C圖為第2圖中-錯誤_器之另一實施例之示意圖。 第4A圖為第2圖之直流轉換器之—變化實施例之示意圖。 第4B圖為第3A圖之錯誤綱器之一變化實施例之示意圖。 13 1376869 第4C圖為第3C圖之錯誤偵測器之一變化實施例之示意圖。 【主要元件符號說明】

10 靴帶式直流降壓轉換器 Vcc 靴帶電壓 Vss 低電位電壓 Vin 輸入電壓 Vo 輸出電壓 100 驅動級電路 102 輸出級電路 104 控制模組 106 靴帶電路 Q1、Q2 功率電晶體 DRV_1 > DRV_2 驅動單元 V_CTRL 控制訊號 V一CTRL—B 反相控制訊號 X、Y 節點 L 電感 C 電阻 R1 ' R2 回授電阻 C—BS 靴帶電容 D BS 二極體 14 1376869

VFB 20 . 200 Q3、Q4 202 D3 ' D4 V_SW • 300 302 304 VREF 306 308

V—CMP 回授訊號 直流轉換器 靴帶電路 電晶體 錯誤偵測器 基體二極體 開關訊號 參考電壓產生器 比較器 邏輯單元 參考電壓 延遲單元 計數單元 比較結果 15

Claims (1)

1. 七、申請專利範圍： 用以將-駄電轉換為_輸出電壓，該直 一第二節點；

   一輸入電壓端，用來接收該輸入電壓 一輪出電壓端，用來輸出該輸出電壓 -把帶電壓端，搞接於一高電位電歷 低電位端，耦接於一低電位電壓； 控制模組，用來產生—控制訊號；

   一種直流轉換器 流轉換器包含有 一第一節點； -驅動級電路，_於該輸人電壓端H節點、該第二節 -玄控她組及該低電位端，用來由該第—節點之電壓、 :輸入電壓及雜電位電壓轉，以根據該控制訊號，將 /輪入電壓轉換為—切換訊號，並輸出至該第二節點； 这’及電路，祕於該第二節點及該輸出電壓端，用來將該 切換afU虎轉換為該輸出電壓；以及 1 化帶電路，包含有： 轨帶電容’叙接於該第一節點與該第二節點之間； 1曰5吳偏測$ ’用來輪出-觸訊號；以及 串疊單元，_於該鱗電壓端、該第—節點、該控制模 3錯誤_器’用來根據該開、 虓，控制該轉電屋端至該第-節點之連結。押^ 16 2. -第述之直流轉換器’其中該驅動級電路包含有： 第ΓΓ包含有一第~端輕接於該輸入電壓端，- =二第三端輕接於該第二節點，用來根據該第二 缟之喊，導通該第—端至該第 一第二功率電晶體，包山 之連、，，口， 一線 一端耦接於該第二節點，一第 二:第三端_低電位端，用來根據該第二端 一苐一驅動單元，包山 連、..口， 端_於該第二、t轉接於該第一節點’一第二 第四I ’―第二频接賊控賴組，及一 一功率電晶體之該第二端，用來由該第 至今第二―郎點之電壓差驅動’以將該控制訊號輸出 至料—功率電晶體之該第二端；以及 一=該=:=輸，，-第 於該第二功率‘之 二一將該控制職 刀手冤日日體之該第二端。 3. 如μ求項2所述之錢额器 ^屬氧化半導體電晶體，該第—端係二 閘極，及該第三端係-料- 17 1376869 4.如請求項2所述之直流轉換器，其中該第二功率電 型金屬氧化半導體電晶體，該第 日日、、 BBLr- „ 係及極，該第二端係一 閘極，及該第三端係一源極。 5. 項1所述之直流轉換器，其中該輸出級電路包含有： 电感，輕接於該第二節點與該輸出端之間·以及 ，另一端栖 接於s亥低電位端。 8'如請求項7所述之直流轉換器，其中评 4领出級電路另包含有: 一第電阻，麵接於該輸出端與該控制模組之間.以及 一第二電阻，_於該控·_該低電位端之間。 9.如請求項7所述之直流轉換器，並 ^ 、宁該控制杈組另用來根據該 電阻蝴二電_魅彻，調整該控制訊號。 J8 1376869 10.如請求項！所述之直流轉換器 -第-㊉一 、〒料疊早7L包含有： 端Γι’包含有一第—端輪於該轉電壓端，一第二 :於該錯糊器，及1三端，用來根據該第二端 2收之該開關訊號，控_第—端至該第三端之連結； 一第:電晶體，包含有-第-喊接於該第—節點，一第二端 笛二^ 第二端耦接於該第一電晶體之該 -用來根據該第二端所接收之該控制訊號 第一端至該第三端之連結。 全所述之直流轉換器，其中該第—電晶體係一 口型 極導體W體’該第1係—源極，該第二端係一問 及°亥第一☆而係一沒極。 12.如請求項10所述之直流轉換器 金屬氧化半導體雷日Τ縣-電日日體係-Ρ型 椏1係—源極，該第二端係一閘 極，及該第三端係一汲極。 13. 制τί 述之直流轉換益’其中該錯誤偵測11係根據該控 制讯#〇、該第一節點之電壓及該 號，該錯誤偵測器包含有：電位電壓，輸出該開關訊 一參考電厂1產生器，祕於該低電㈣，用來根據該低電位電 19 1376869 壓，產生一參考電壓； -比較器，_於該第—節點與該參考電壓產生器，用來比較 ‘ 該第一節點之電顯該參考電虔，以產生-比較結果；以 及 -邏輯單元，墟於該控觀组及該味器，用來根據該控制 錢及該比較結果，產生該開關訊號。 ❿14.如。^求項13所叙直流轉魅，其巾該峨器姑接於該控 制柄組’用來根據該控制訊號，啟動比較該第一節點之電壓與 該參考電壓，以產生該比較結果。 一 15.如。胃求項u所述之直流轉鮮，其中該賴單元包含有一延 遲單元’用來防止該切換訊號中之雜訊影響該開關訊號之正確 、。:求項丨5所述之直流轉換器，其中親遲單元係產生一延 ，才間。K號，以判斷該直流轉換器是否工作於正常狀態，該信 號之遮蔽時間必大於該控制訊號之週期。 如明求項13所述之直流轉換器，其中該邏輯單元另包含有一 °十數單元，用來計算該比較結果為—錯誤值的次數。 .如凊求項1所述之直流轉換器，其中該錯誤偵測器係根據該控 20 制訊號為第即點之電壓及該第二節點之電壓，輸出該開關 訊號，該錯誤偵測器包含有： -參考電壓赴H㉟接於該第—節點，用來根獅第一節點 之電壓’產生-參考電壓； 比接於該第二節點與該參考電壓產生器，用來比較 相二節點之電壓與該參考電麗，以產生一比較結果；以 及 ^輯早70 於該控麵組及該比㈣，时根據該控制 訊號及該比較結果，產生該開關訊號。 所述之直流轉換器，其中該比較器另補於該控 項丨8所狀直流職11 ’射_輯單元包含有-延 ，用來防止該切換訊號中之雜訊影響該開關訊號之正確 延 該信 遲時門.^ 一換5，其中該單元係產生- ^間喊，叫_直流雜作於 ^之遮®時間必大於該控制織之週期。、 如請求項〗8所述之直流_，其中_輯單元猶有一 1376869 計數單元，用來計算該比較結果為一錯誤值的次數。八、圖式.

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