TWI381603B - Overvoltage Protection Circuit and Method of Pulse Width Modulation Regulator - Google Patents

Description

脈寬調變穩壓器之過壓保護電路及方法

本發明是有關於一種脈寬調變穩壓器(Pulse Width Modulation Regulator，簡稱PWM Regulator)，且特別是有關於一種脈寬調變穩壓器之過壓保護電路。

隨著半導體科技的快速演進，使得例如電腦及其週邊數位產品等也日益地更新。在電腦及其週邊數位產品之應用積體電路(Integrated Circuit，簡稱IC)中，由於半導體製程之快速變化，造成積體電路電源之更多樣化需求，以致應用如升壓器(Boost Converter)、降壓器(Buck Converter)等各種不同組合之脈寬調變穩壓器，來達成各種積體電路之不同電源需求，也成為能否提供多樣化數位產品的極重要因素之一。

當輸入電壓接近額定上限，為了提高脈寬調變穩壓器在此時之可靠度，除了避免輸入電壓的直流誤差所造成的過壓，且避免因輸入脈寬調變穩壓器在工作時之電源的瞬間電壓變化，主要是功率電晶體開關時，伴隨發生輸入電源之漣波(Ripple)或突波(Spike)所造成之瞬間電壓變化，以致毀損了脈寬調變穩壓器電路、或甚至牽連損壞了脈寬調變穩壓器供應電源之其他應用電路等，通常係應用一種稱為過壓保護電路(Over Voltage Protection，簡稱OVP)之額外電路來保護，以避免因輸入電源電壓之偶然變 化而損壞主要電路，達成積體電路之可靠性的需求。

習知之一種過壓保護電路，係在欲保護之主要電路的電源輸入端，串聯一能切斷輸入電源之開關。此一開關另搭配有一偵測電路，可於偵測到輸入之電源電壓過高時，自動切斷輸入電源，以避免因輸入電源之電壓的變化，損壞了主要電路之功能。此種作法，雖能達成保護積體電路之功能需求，但對於大功率、大電流之脈寬調變穩壓器電路而言，串聯開關不僅會提高電路的輸出阻抗，也會因為其功率損耗過高而不符效能與成本的需求。

習知另一種過壓保護電路，係在欲保護之主要電路的電源輸入端，並聯如齊納二極體(Zener Diode)等能箝制輸入電壓之裝置，以避免因輸入電源之電壓的提昇，損壞了主要電路之功能。此種作法，雖然同樣也能達成保護積體電路之功能需求，但卻因可應用之箝制裝置在不同製程上之選擇極為有限，使得其應用十分不便。

有鑑於此，本發明之目的是提供一種脈寬調變穩壓器之過壓保護電路及方法，其無須在輸入電源串聯開關或並聯電壓箝制裝置，可在不損耗電路工作效能且不過度提高成本的情形下，方便地達成過壓保護之功能需求。

為達上述及其他目的，本發明提供一種脈寬調變穩壓器之過壓保護電路，包括：功率電晶體、用以產生驅動功率電晶體之脈寬調變驅動訊號的控制驅動電路、以及用以 偵測輸入功率電晶體之電源電壓的電壓偵測電路。其中，過壓保護電路係於電壓偵測電路偵測到電源電壓到達一預設電壓值時，以其輸出之過壓保護訊號，來關閉脈寬調變驅動訊號對於功率電晶體之驅動。

在一實施例中，此脈寬調變穩壓器之過壓保護電路的電壓偵測電路包括：用以取得所欲偵測之電源電壓的分壓之兩串聯電阻、以及用以將所取得之分壓與一參考電壓作比較之比較器。其中，比較器係當所欲偵測之電源電壓到達前述之預設電壓值時，即輸出前述之過壓保護訊號，以關閉脈寬調變驅動訊號對於功率電晶體之驅動。

在一實施例中，此脈寬調變穩壓器之過壓保護電路的過壓保護訊號，係與脈寬調變驅動訊號一同輸入至一致能開關，以當所偵測之電源電壓到達前述之預設電壓值時，關閉驅動功率電晶體之脈寬調變驅動訊號。其中，致能開關可以為及閘、或閘、反及閘與反或閘之其一，以因應過壓保護訊號之輸出與否，來決定是否關閉驅動功率電晶體之脈寬調變驅動訊號。

在一實施例中，此脈寬調變穩壓器之過壓保護電路的功率電晶體，係為如NPN功率電晶體、PNP功率電晶體、NMOS功率電晶體或PMOS功率電晶體等之其一。

本發明另提供一種脈寬調變穩壓器之過壓保護方法，可應用於具有受脈寬調變驅動訊號驅動之功率電晶體的脈寬調變穩壓器。此過壓保護方法包括下列步驟：首先偵測輸入功率電晶體之電源電壓的電壓值；以及當偵測到電源 電壓已達一預設電壓值時，輸出一過壓保護訊號，以關閉脈寬調變驅動訊號對於功率電晶體之驅動。

其中，偵測輸入功率電晶體之電源電壓的電壓值之步驟包括：取得輸入功率電晶體之電源電壓的分壓；以及將所取得之分壓與一參考電壓作比較，以當電源電壓到達前述之預設電壓值時，輸出前述之過壓保護訊號。

其中，此脈寬調變穩壓器之過壓保護方法，係將前述之過壓保護訊號與脈寬調變驅動訊號一同輸入至例如是及閘、或閘、反及閘與反或閘之其一的致能開關，以當所偵測之電源電壓到達前述預設電壓值時，藉由輸出之過壓保護訊號，來關閉脈寬調變驅動訊號。

綜上所述，本發明所提供之一種脈寬調變穩壓器之過壓保護電路及方法，係以電壓偵測電路來偵測輸入功率電晶體之電源電壓，在一般情況下，當積體電路(IC)的耐壓決定在功率電晶體時，在電壓偵測電路偵測到電源電壓到達一預設電壓值，也就是接近功率電晶體導通(ON)時之崩潰電壓值時，以輸出之過壓保護訊號，來關閉脈寬調變驅動訊號對於功率電晶體之驅動。除了可以消除電源因功率電晶體開關時所造成的漣波(Ripple)及突波(Spike)引起的瞬間過壓，且由於功率電晶體在關閉(OFF)時之崩潰電壓，通常較導通(ON)時之崩潰電壓高約百分之十至二十左右，因而可進一步保護脈寬調變穩壓器之功率電晶體免於損壞。另外，當積體電路(IC)耐壓決定於其他某些內部元件時，此時當輸入電壓接近預設過壓電壓時，過壓保護 訊號會輸出來關閉功率電晶體，使瞬間輸入電壓上的漣波(Ripple)或是突波(Spike)不致出現，以保護內部元件。此方式因無須在輸入電源串聯開關或並聯電壓箝制裝置，故可在不損耗電路工作效能且不過度提高成本的情形下，方便地達成過壓保護之功能需求。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特以較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

圖1係為根據本發明第一實施例之一種脈寬調變穩壓器之過壓保護電路示意圖，圖2則為圖1之操作波形示意圖。實施例中，係以脈寬調變穩壓器之降壓器(Buck Converter)的應用為例來說明。

圖1中，脈寬調變穩壓器之降壓器包括：電壓偵測電路11、控制驅動電路12、作為上橋之PMOS功率電晶體13、作為下橋之NMOS功率電晶體14、作為輸出濾波器之電感15與電容16、以及提供控制驅動電路12迴授分壓FB之電阻17、18等元件。

其中，控制驅動電路12係依據電阻17、18之迴授分壓FB的大小，來產生分別驅動PMOS功率電晶體13與NMOS功率電晶體14等功率電晶體之脈寬調變驅動訊號UG與LG。常態運作時，脈寬調變驅動訊號UG與LG係受控制驅動電路12之控制，而如圖2之UG前段般地在高準位與低 準位間循序變動，脈寬調變驅動訊號UG與LG的脈寬則參考迴授分壓FB來調變，並分別驅動PMOS功率電晶體13與NMOS功率電晶體14而產生震盪之輸出LX，達成調節輸出電壓Vout之目的。

為了提高脈寬調變穩壓器之可靠性，圖中並以電壓偵測電路11，來偵測輸入至PMOS功率電晶體13與NMOS功率電晶體14等功率電晶體之電源電壓VIN。電壓偵測電路11設定有一預設電壓值Vth，此一預設電壓值Vth可以參考PMOS功率電晶體13與NMOS功率電晶體14等功率電晶體之崩潰電壓來設定，以當電壓偵測電路11偵測到電源電壓VIN到達預設電壓值Vth時，可以藉由輸出之過壓保護訊號OVP，來關閉脈寬調變驅動訊號UG與LG分別對於PMOS功率電晶體13與NMOS功率電晶體14等功率電晶體之驅動，避免因輸入之電源電壓VIN過高時，導致PMOS功率電晶體13與NMOS功率電晶體14等功率電晶體之損壞。另外，如圖2後段所示，當電源電壓VIN恢復低於預設電壓值Vth時，電壓偵測電路11則停止輸出過壓保護訊號OVP，使脈寬調變穩壓器再度恢復其常態運作功能。

由於如PMOS功率電晶體13與NMOS功率電晶體14等功率電晶體，其關閉(OFF)時之崩潰電壓，通常較導通(ON)時之崩潰電壓高約百分之十至二十左右，故前述當電壓偵測電路11偵測到電源電壓VIN到達預設電壓值Vth時，藉由輸出之過壓保護訊號OVP，來關閉脈寬調變驅動訊號UG與LG分別對於PMOS功率電晶體13與NMOS功率電晶體14 等功率電晶體之驅動的方法，即可適時地保護脈寬調變穩壓器之功率電晶體免於損壞。

請參考圖3所示，其為圖1之電壓偵測電路的實施例示意圖。圖中，電壓偵測電路11係以兩串聯之電阻31、32，來取得所欲偵測之輸入電源電壓VIN的分壓，然後將所取得之分壓輸入至比較器33，以與參考電壓Vref作比較。因此，當比較器33偵測到輸入之電源電壓VIN到達預設電壓值Vth時，即可輸出過壓保護訊號OVP。

請參考圖4所示，其為圖1之控制驅動電路實施例示意圖。圖中，控制驅動電路12內部產生之驅動訊號UG’，係先行輸入至例如是或閘41之致能開關，然後才經由驅動器42之驅動，產生驅動PMOS功率電晶體13之脈寬調變驅動訊號UG。因此，即可藉由過壓保護訊號OVP之有無，來關閉脈寬調變驅動訊號UG，以停止其對於PMOS功率電晶體13之驅動，適時地保護脈寬調變穩壓器之PMOS功率電晶體13免於損壞。

圖4中，雖然是以或閘41來作為驅動訊號UG’之致能開關，然熟習此藝者應知，也可以使用如及閘、反或閘、反及閘等各種不同之邏輯閘，來達成致能開關之功能，以因應過壓保護訊號OVP之輸出與否，來決定是否關閉脈寬調變驅動訊號UG，以停止其對於PMOS功率電晶體13之驅動。另外，關閉脈寬調變驅動訊號UG對於PMOS功率電晶體13之驅動的方式，也可以是在控制驅動電路12中，參考過壓保護訊號OVP之輸出，而直接地將驅動訊號UG’予以 關閉。

圖5係為根據本發明第二實施例之一種脈寬調變穩壓器之過壓保護電路示意圖，實施例中，係以脈寬調變穩壓器之升壓器(Boost Converter)的應用為例來說明。

圖5中，脈寬調變穩壓器之升壓器包括：電壓偵測電路51、控制驅動電路52、NMOS功率電晶體54、電感55、二極體59、電容56、以及提供控制驅動電路52迴授分壓FB之電阻57、58等元件。

其中，控制驅動電路52係依據電阻57、58之迴授分壓FB的大小，來產生驅動NMOS功率電晶體54之脈寬調變驅動訊號LG。常態運作時，脈寬調變驅動訊號LG係受控制驅動電路52之控制，而在高準位與低準位間循序變動，脈寬調變驅動訊號LG的脈寬則參考迴授分壓FB來調變，以驅動NMOS功率電晶體54而產生震盪之輸出LX，達成調節輸出電壓Vout之目的。

假設積體電路(IC)之電源電壓VIN的上限是來自某些內部元件的崩潰電壓，當電源電壓VIN接近這些崩潰電壓時，電壓偵測電路51輸出過壓保護訊號OVP，以啟動過壓保護線路並關閉NMOS功率電晶體54，進而消除電源電壓VIN端的漣波(Ripple)/突波(Spike)，達到保護內部元件的目的。

前述實施例中，脈寬調變穩壓器之過壓保護電路的功率電晶體，雖然是僅以NMOS功率電晶體與PMOS功率電晶體為例，然熟習此藝者應知，其他如NPN功率電晶體或PNP 功率電晶體等，也可以應用此一方式，來達成過壓保護之目的。

綜上所述，可歸納一種脈寬調變穩壓器之過壓保護方法，可應用於具有受脈寬調變驅動訊號驅動之功率電晶體的脈寬調變穩壓器。此過壓保護方法包括下列步驟：首先偵測輸入功率電晶體之電源電壓VIN的電壓值；以及當偵測到電源電壓VIN已達一預設電壓值Vth時，輸出一過壓保護訊號OVP，以關閉脈寬調變驅動訊號UG、LG對於功率電晶體之驅動。

其中，偵測輸入功率電晶體之電源電壓VIN的電壓值之步驟包括：取得輸入功率電晶體之電源電壓VIN的分壓；以及將所取得之分壓與一參考電壓Vref作比較，以當電源電壓VIN到達前述之預設電壓值Vth時，輸出前述之過壓保護訊號OVP，以關閉脈寬調變驅動訊號UG、LG對於功率電晶體之驅動。

其中，此脈寬調變穩壓器之過壓保護方法，係將前述之過壓保護訊號OVP與脈寬調變驅動訊號UG或LG，一同輸入至例如是及閘、或閘、反及閘與反或閘之其一的致能開關，以當所偵測之電源電壓VIN到達前述預設電壓值Vth，並輸出前述之過壓保護訊號OVP時，藉以關閉脈寬調變驅動訊號UG、LG。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之各種更動與潤飾，亦屬本發明之範圍。因 此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

11、51‧‧‧電壓偵測電路

12、52‧‧‧控制驅動電路

13‧‧‧PMOS功率電晶體

14、54‧‧‧NMOS功率電晶體

15、55‧‧‧電感

16、56‧‧‧電容

17、18、31、32、57、58‧‧‧電阻

33‧‧‧比較器

41‧‧‧或閘

42‧‧‧驅動器

59‧‧‧二極體

圖1係顯示根據本發明第一實施例之一種脈寬調變穩壓器之過壓保護電路示意圖。

圖2係顯示圖1之操作波形示意圖。

圖3係顯示圖1之電壓偵測電路實施例示意圖。

圖4係顯示圖1之控制驅動電路實施例示意圖。

圖5係顯示根據本發明第二實施例之一種脈寬調變穩壓器之過壓保護電路示意圖。

11‧‧‧電壓偵測電路

12‧‧‧控制驅動電路

13‧‧‧PMOS功率電晶體

14‧‧‧NMOS功率電晶體

15‧‧‧電感

16‧‧‧電容

17、18‧‧‧電阻

Claims (9)

1. 一種脈寬調變穩壓器之過壓保護電路，包括：一功率電晶體；一控制驅動電路，用以產生驅動該功率電晶體之一脈寬調變驅動訊號；以及一電壓偵測電路，用以偵測輸入該功率電晶體之一電源電壓，且當該電源電壓到達一預設電壓值時，輸出一過壓保護訊號，用以關閉該脈寬調變驅動訊號對於該功率電晶體之驅動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之脈寬調變穩壓器之過壓保護電路，其中該電壓偵測電路包括：一第一電阻；一第二電阻，串聯該第一電阻，以產生該電源電壓之一分壓；以及一比較器，用以將該分壓與一參考電壓作比較，以在該電源電壓到達該預設電壓值時，輸出該過壓保護訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之脈寬調變穩壓器之過壓保護電路，其中該過壓保護訊號係與該脈寬調變驅動訊號一同輸入至一致能開關，以當該電源電壓到達該預設電壓值時，關閉該脈寬調變驅動訊號。
4. 如申請專利範圍第3項所述之脈寬調變穩壓器之過壓保護電路，其中該致能開關係為及閘、或閘、反及閘與反或閘之其一。
5. 如申請專利範圍第1項所述之脈寬調變穩壓器之過 壓保護電路，其中該功率電晶體係為NPN功率電晶體、PNP功率電晶體、NMOS功率電晶體與PMOS功率電晶體之其一。
6. 一種脈寬調變穩壓器之過壓保護方法，該脈寬調變穩壓器具有受一脈寬調變驅動訊號驅動之一功率電晶體，該方法包括下列步驟：偵測輸入該功率電晶體之一電源電壓；以及當該電源電壓到達一預設電壓值時，輸出一過壓保護訊號，以關閉該脈寬調變驅動訊號對於該功率電晶體之驅動。
7. 如申請專利範圍第6項所述之脈寬調變穩壓器之過壓保護方法，其中偵測該電源電壓之步驟包括：取得該電源電壓之一分壓；以及將該分壓與一參考電壓作比較，以在該電源電壓到達該預設電壓值時，輸出該過壓保護訊號。
8. 如申請專利範圍第6項所述之脈寬調變穩壓器之過壓保護方法，其中係將該過壓保護訊號與該脈寬調變驅動訊號一同輸入至一致能開關，以當該電源電壓到達該預設電壓值時，關閉該脈寬調變驅動訊號。
9. 如申請專利範圍第8項所述之脈寬調變穩壓器之過壓保護方法，其中該致能開關係為及閘、或閘、反及閘與反或閘之其一。