TWI382625B - 具軟啟動功能直流-直流轉換器的啟動短路保護裝置與方法 - Google Patents

具軟啟動功能直流-直流轉換器的啟動短路保護裝置與方法 Download PDF

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Description

具軟啟動功能直流-直流轉換器的啟動短路保護裝置與方法
本發明是有關於一種直流-直流轉換器的保護裝置與方法，且特別是有關於一種具軟啟動功能直流-直流轉換器的啟動短路保護裝置與方法。
一般來說，電腦系統中會有一個電源供應器，此電源供應器可提供穩定的直流電壓，例如12V或者5V，至電腦系統使得電腦系統可以運作。然而，由於電腦系統中的電子元件(electronic device)，例如中央處理器(CPU)、控制晶片(Chip set)、或者記憶體(memory)，的操作電壓(operation voltage)與電源供應器所提供的直流電壓並不相同，因此，在電腦系統的主機板上必須另行提供一直流-直流轉換器(DC-DC converter)將較高的直流電壓(例如12V)降壓成為電子元件的操作電壓(例如1.3V)。而上述的電子元件即可視為直流-直流轉換器的負載。
請參照第一圖，其所繪示為習知直流-直流轉換器。直流-直流轉換器包括一脈波寬度調變(pulse width modulation，PWM)單元10、一功率級電路(power stage circuit)30。其中，PWM單元10可以輸出第一驅動信號 (S1)與第二驅動信號(S2)，而PWM單元10可控制第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)的脈波寬度。
功率級電路30中包括一上功率電晶體(upper power FET，M1)、一下功率電晶體(lower power FET，M2)、一輸出電感(output inductor，L)、輸出電容(output capacitor，C)。其中，上功率電晶體(M1)的汲極(D)連接至一電壓輸入端(Vin)，上功率電晶體(M1)的閘極(G)接收第一驅動信號(S1)，上功率電晶體(M1)的源極(S)連接至輸出電感(L)的第一端。下功率電晶體(M2)的汲極(D)連接至輸出電感(L)的第一端，下功率電晶體(M2)的閘極(G)接收第二驅動信號(S2)，下功率電晶體(M2)的源極(S)連接至接地端(GND)。再者，輸出電感(L)的第二端為電壓輸出端(Vout)，而輸出電容C連接於電壓輸出端(Vout)與接地端(GND)之間。其中，上功率電晶體M1與下功率電晶體M2為n型金氧半電晶體(n-MOSFET)。
再者，電壓輸出端(Vout)連接至主機板上的負載端(load)50，因此，輸出電壓(Vout)以及輸出電流(Io)即可供應至負載端50。而直流-直流轉換器的電壓輸出端(Vout)可提供一回授信號(FB)至PWM單元10，使得PWM單元可以根據輸出電壓(Vout)的變化來控制第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)。
一般來說，當負載端(例如主機板或者電子元件)發生短路(short circuit)時，輸出電流(Io)會快速上升， 因此會造成功率級電路30內的上功率電晶體(M1)、下功率電晶體(M2)、或者輸出電感(L)損毀。
因此，為了要保護直流-直流轉換器，必須提供一過電流保護裝置(over current protecting apparatus)用以偵測直流-直流轉換器的輸出電流(Io)。亦即，當輸出電流(Io)超過一保護電流(Iocp)時，過電流保護裝置可控制PWM單元停止輸出第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)，因此，直流-直流轉換器的輸出電流(Io)可快速地降低至零。
請參照第二圖，其所繪示為習知過電流保護裝置的信號示意圖。假設直流-直流轉換器啟動之前負載端即發生短路。於時間點t1時，直流-直流轉換器啟動，第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)控制上功率電晶體(M1)、下功率電晶體(M2)產生輸出電流(Io)。由於負載端50於啟動之前已經短路，所以上功率電晶體(M1)、下功率電晶體(M2)快速地產生輸出電流至負載端50。
於時間點t2時，輸出電流(Io)到達保護電流(Iocp)，因此，過電流保護裝置動作並停止PWM單元10繼續輸出第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)，因此，直流-直流轉換器的輸出電流(Io)可快速地降低至零。再者，由第二圖中可知，由於負載端50發生短路，因此輸出電壓(Vout)維持在0V附近，並不隨著輸出電流(Io)增加而上升。
對於一般的直流-直流轉換器過電流保護裝置，直流- 直流轉換器於啟動之前負載端已經短路時，輸出電流(Io)必須增加至保護電流(Iocp)才可被過電流保護裝置偵測出並保護。
為了要防止直流-直流轉換器於啟動之後輸出電流(Io)上升速度太快，一種具有軟啟動功能(soft-start function)分段電流限制的直流-直流轉換器被提出。請參照第三圖，其所繪示為習知具有軟啟動功能(soft-start function)分段電流限制的直流-直流轉換器的方塊示意圖。
具有軟啟動功能(soft-start function)分段電流限制的直流-直流轉換器包括一脈波寬度調變(PWM)單元110、一功率級電路130、以及一軟啟動控制器(soft-start controller)160。其中，PWM單元110可以輸出第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)，而PWM單元110可控制第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)的脈波寬度。再者，功率級電路130可根據第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)於電壓輸出端(Vout)產生一輸出電流(Io)至負載端150。其中，功率級電路130與第一圖中的功率級電路動作原理相同，不再贅述。
再者，軟啟動控制器160包括一電流感測器(current sensor)162、以及一分段式電流限制器164。其中，電流感測器162可以偵測輸出電流(Io)，而分段式電流限制器164可根據電流感測器162產生的電流信號來控制PWM單元110並進而控制第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)的脈波寬度。
一般來說，習知具有軟啟動功能分段電流限制的直流-直流轉換器具有一啟動時間(startup time)，於啟動時間內分段式電流限制器164可根據電流感測器162輸出的電流信號來控制PWM單元110，使得輸出電流(Io)採分段式的增加。
請參照第四圖，其所繪示為習知具有軟啟動功能分段電流限制的直流-直流轉換器的信號示意圖。其係於正常狀態下的信號示意圖。於正常狀態下啟動，分段式電流限制器164可於不同的時間區間中將輸出電流(Io)限定在多個電流準位(例如10A、20A、等等)。如圖所示，於時間點t1，直流-直流轉換器啟動，輸出電流(Io)快速上升至第一電流準位(10A)，此時，分段式電流限制器164會控制PWM單元10使得輸出電流(Io)限制在第一電流準位。
於時間點t2，分段式電流限制器164會控制PWM單元110提高輸出電流(Io)，當輸出電流(Io)上升至第二電流準位(20A)時，分段式電流限制器164會控制PWM單元110使得輸出電流(Io)限制在第二電流準位。
於時間點t3，分段式電流限制器164會控制PWM單元110提高輸出電流(Io)，此時輸出電流(Io)可上升至穩態電流準位(28A)並且於時間點t4時確認輸出電流(Io)會維持在穩態電流準位。
由上述可知，於正常狀態，隨著輸出電流(Io)的增加，相對應的輸出電壓(Vout)也會增加，直到輸出電流(Io)到達穩態電流時，輸出電壓(Io)也可以到達穩態。 再者，由時間點t1至時間點t4即為啟動時間(startup time)。再者，第四圖中每個時間區間約為200微秒(μs)。再者，由於保護電流(Iocp)的設定(例如50A)大於穩態電流，因此，過電流保護裝置不會動作，使得直流-直流轉換器正常操作。
請參照第五圖，其所繪示為習知具有軟啟動功能分段電流限制的直流-直流轉換器的信號示意圖。其係於直流-直流轉換器啟動之前負載端已經發生短路時的信號示意圖。於時間點t1時，直流-直流轉換器啟動。很顯然地，由於負載端已經短路，所以於第一個時間週期(t1-t2)，分段式電流限制器164會控制PWM單元110使得輸出電流(Io)限制在第一電流準位(10A)；於第二個時間週期(t2-t3)，分段式電流限制器164會控制PWM單元110使得輸出電流(Io)限制在第二電流準位(20A)；於第三個時間週期(t3-t4)，分段式電流限制器164會控制PWM單元110使得輸出電流(Io)限制在第三電流準位(30A)；於第四個時間週期(t4-t5)，分段式電流限制器164會控制PWM單元110使得輸出電流(Io)限制在第四電流準位(40A)；於第五個時間週期(t5-t6)，分段式電流限制器164會控制PWM單元110使得輸出電流(Io)限制在第五電流準位(50A)。
由於直流-直流轉換器的保護電流(Iocp)設定為50A，因此，於第五個時間週期(t5-t6)之後，過電流保護裝置啟動。由第五圖可知，於時間點t6之後，才會使得輸出電 流(Io)降低至零。再者，由時間點t1至時間點t6即為啟動時間(startup time)，且每個時間區間約為200微秒(μs)。
很顯然地，習知具有軟啟動功能分段電流限制的直流-直流轉換器於啟動之前負載端已經發生短路時，必須經過啟動時間之後才有可能使得過電流保護裝置動作，因此，輸出電流(Io)必須經過啟動時間(startup time)後到達保護電流(Iocp)時才可能被過電流保護裝置偵測出來。
因此，本發明的目的在提出一種具軟啟動功能分段電流限制直流-直流轉換器的啟動短路保護裝置與方法，本發明所提供的啟動短路保護裝置與方法，可於啟動時間(startup time)之內偵測直流-直流轉換器的負載端是否發生短路。
本發明提出一種啟動短路保護裝置，運用於具一軟啟動功能的一直流-直流轉換器且該直流-直流轉換器的一電壓輸出端可於啟動後的複數個時間週期中分段增加一輸出電流，該啟動短路保護裝置包括：一電壓偵測器，連接至該電壓輸出端以偵測一輸出電壓；一啟動計時器，於該直流-直流轉換器啟動後的一設定週期產生一致能信號；以及，一比較電路，連接至該電壓偵測器以及該啟動計時器，該比較電路可根據該致能信號比較該輸出電壓以及一設定 電壓；其中，該些時間週期的總和為該直流-直流轉換器的一啟動時間，且該啟動時間大於該設定週期，且當該輸出電壓小於該設定電壓時，該比較電路輸出一控制信號使得該直流-直流轉換器停止工作。
本發明更提出一種啟動短路保護方法，運用於具一軟啟動功能的一直流-直流轉換器且該直流-直流轉換器的一電壓輸出端可於啟動後的複數個時間週期中分段增加一輸出電流，該啟動短路保護方法包括下列步驟：於該直流-直流轉換器啟動時開始計時；經過一設定週期後，比較該輸出電壓與一設定電壓；以及當該輸出電壓小於該設定電壓時，控制該直流-直流轉換器停止工作；其中，該些時間週期的總和為該直流-直流轉換器的一啟動時間，且該啟動時間大於該設定週期。
為了使 貴審查委員能更進一步瞭解本發明特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
請參照第六圖，其所繪示為本發明具有軟啟動功能(soft-start function)的直流-直流轉換器的方塊示意圖。具有軟啟動功能(soft-start function)的直流-直流轉換器包括一脈波寬度調變(PWM)單元210、一功率級電路230、啟動短路保護裝置270、以及一軟啟動控制器(soft-start controller)260。其中，PWM單元210可以輸出第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)，而PWM單元210可控制第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)的脈波寬度。再者，功率級電路230可根據第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)於電壓輸出端(Vout)產生一輸出電流(Io)至負載端250。其中，功率級電路230與第一圖中的功率級電路動作原理相同，不再贅述。
再者，軟啟動控制器260包括一電流感測器(current sensor)262、以及一分段式電流限制器264。其中，電流感測器262可以偵測輸出電流(Io)，而分段式電流限制器264可根據電流感測器262產生的電流信號來控制PWM單元210並進而控制第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)的脈波寬度。
本發明的具有軟啟動功能的直流-直流轉換器具有一啟動時間(startup time)，於啟動時間內分段式電流限制器264可根據電流感測器262輸出的電流信號來控制PWM單元210，使得輸出電流(Io)採分段式的增加。
根據本發明的實施例，啟動短路保護裝置270可於直流-直流轉換器的啟動時間內偵測負載端250是否發生短路，並於發生短路時，控制PWM單元210停止輸出第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)，使得直流-直流轉換器停止工作。由於直流-直流轉換器於正常操作時，輸出電壓(Vout)會隨著輸出電流(Io)增加而增加；而於直流-直流轉換器的負載端短路時，輸出電壓(Vout)不會隨 著輸出電流(Io)增加而增加。因此，本發明即利用上述特性來於啟動時間之內進行負載端短路的測試，並且可即時讓直流-直流轉換器停止工作，不需等到輸出電流(Io)到達保護電流(Iocp)時才可被過電流保護裝置偵測出來。
再者，啟動短路保護裝置270包括一電壓偵測器(voltage sensor)272、一啟動計時器276、與一比較電路274。其中，於直流-直流轉換器啟動時，啟動計時器276開始計時，並於計時一設定週期(T)後，產生一致能信號(En)至比較電路274。而比較電路274則比較輸出電壓(Vout)與一設定電壓(Vset)之間的關係。當輸出電壓(Vout)小於設定電壓(Vset)時，比較電路274確認負載端250發生短路，而比較電路274輸出的控制信號可使得PWM單元210停止輸出第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)，並使得直流-直流轉換器停止工作。
反之，當輸出電壓(Vout)大於設定電壓(Vset)時，比較電路274確認負載端250未發生短路，而比較電路274輸出的控制信號可使得PWM單元210繼續輸出第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)，並使得直流-直流轉換器繼續工作。
根據本發明的實施例，於最佳的狀況設定週期(T)大於軟啟動控制器所設定的一個時間週期(200微秒)，也就是說，於輸出電流由第一電流準位變換至第二電流準位後，再進行本發明的短路判斷會有較佳的判斷結果。
請參照第七圖，其所繪示為本發明具有軟啟動功能的 直流-直流轉換器的信號示意圖。其係於直流-直流轉換器啟動之前負載端已經發生短路時的信號示意圖。於時間點t1時，直流-直流轉換器啟動。很顯然地，由於負載端已經短路，所以於第一個時間週期(t1-t2)，分段式電流限制器264會控制PWM單元210使得輸出電流(Io)限制在第一電流準位(10A)。
再者，於第二個時間週期時，啟動計時器276已經計時設定週期(T)，此時比較電路274接收的輸出電壓(Vout)小於設定電壓(Vset)時，比較電路274確認負載端250發生短路，使得直流-直流轉換器停止工作並且輸出電流(Iout)降低至零。
由第七圖可知，本發明於啟動後經過設定週期(T)即可以偵測出負載端已經發生短路。相較於習知利用過電流保護裝置必須於啟動時間(t1-t3)後且輸出電流(Io)必須到達保護電流(Iocp)才可停止直流-直流轉換器。因此，本發明更快速地讓直流-直流轉換器停止工作，並且更可防止功率級電路230內的上功率電晶體(M1)、下功率電晶體(M2)、或者輸出電感(L)損毀。
請參照第八圖，其所繪示為本發明比較電路。比較電路274包括一比較器(comparator)277、一及閘278、與一拴鎖器(latch)279。其中，比較器277正端接收設定電壓(Vset)，負端接收輸出電壓(Vout)。及閘278二輸入端分別連接至比較器277輸出端以及啟動計時器276。拴鎖器279則連接至及閘278輸出端並可產生控制信號。
於直流-直流轉換器啟動時，啟動計時器276開始計時，並於計時一設定週期(T)後，產生高準位的致能信號(En)至及閘278。於短路時，輸出電壓(Vout)小於設定電壓(Vset)，因此，比較器277輸出高準位至及閘278，使得及閘278輸出端為高準位。因此，拴鎖器279可輸出高準位的控制信號至PWM單元，使得PWM單元210停止輸出第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)，並使得直流-直流轉換器停止工作。
綜上所述，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，當可作各種更動與潤飾，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。
本案圖式中所包含之各元件列示如下：
10‧‧‧PWM單元
30‧‧‧功率級電路
50‧‧‧負載端
110‧‧‧PWM單元
130‧‧‧功率級電路
150‧‧‧負載端
160‧‧‧軟啟動控制器
162‧‧‧電流感測器
164‧‧‧分段式電流限制器
210‧‧‧PWM單元
230‧‧‧功率級電路
250‧‧‧負載端
260‧‧‧軟啟動控制器
262‧‧‧電流感測器
264‧‧‧分段式電流限制器
270‧‧‧啟動短路保護裝置
272‧‧‧電壓偵測器
274‧‧‧比較電路
276‧‧‧啟動計時器
277‧‧‧比較器
278‧‧‧及閘
279‧‧‧拴鎖器
本案得藉由下列圖式及說明，俾得一更深入之了解：
第一圖所繪示為習知直流-直流轉換器。
第二圖所繪示為習知過電流保護裝置的信號示意圖。
第三圖所繪示為習知具有軟啟動功能的直流-直流轉換器的方塊示意圖。
第四圖所繪示為習知具有軟啟動功能的直流-直流轉換器的信號示意圖。
第五圖所繪示為習知具有軟啟動功能的直流-直流轉換器的信號示意圖。
第六圖所繪示為本發明具有軟啟動功能的直流-直流轉換器的方塊示意圖。
第七圖所繪示為本發明具有軟啟動功能的直流-直流轉換器的信號示意圖。
第八圖所繪示為本發明比較電路。
210‧‧‧PWM單元
230‧‧‧功率級電路
250‧‧‧負載端
260‧‧‧軟啟動控制器
262‧‧‧電流感測器
264‧‧‧分段式電流限制器
270‧‧‧啟動短路保護裝置
272‧‧‧電壓偵測器
274‧‧‧比較電路
276‧‧‧啟動計時器

Claims (7)

  1. 一種啟動短路保護裝置，運用於具一軟啟動功能的一直流-直流轉換器且該直流-直流轉換器的一電壓輸出端可於啟動後的複數個時間週期中分段增加一輸出電流，該啟動短路保護裝置包括：一電壓偵測器，連接至該電壓輸出端以偵測一輸出電壓；一啟動計時器，於該直流-直流轉換器啟動後的一設定週期產生一致能信號；以及一比較電路，連接至該電壓偵測器以及該啟動計時器，該比較電路可根據該致能信號比較該輸出電壓以及一設定電壓；其中，該些時間週期的總和為該直流-直流轉換器的一啟動時間，且該啟動時間大於該設定週期，且當該輸出電壓小於該設定電壓時，該比較電路輸出一控制信號使得該直流-直流轉換器停止工作。
  2. 如申請專利範圍1所述之啟動短路保護裝置，其中該直流-直流轉換器包括：一PWM單元，輸出第一驅動信號與第二驅動信號；以及一功率級電路，根據第一驅動信號與第二驅動信號於該電壓輸出端產生一輸出電流。
  3. 如申請專利範圍2所述之啟動短路保護裝置，更包括一 軟啟動控制器，該軟啟動控制器包括一電流感測器、以及一分段式電流限制器；其中，電流感測器可以偵測該輸出電流，且該分段式電流限制器可根據該電流感測器產生的一電流信號來控制該PWM單元並進而控制該第一驅動信號與該第二驅動信號的脈波寬度，使得該輸出電流採分段式的增加。
  4. 如申請專利範圍1所述之啟動短路保護裝置，其中該比較電路包括：一比較器，該比較器的正端接收該設定電壓，該比較器的負端接收該輸出電壓；一及閘，具有二輸入端分別連接至該比較器輸出端以及該啟動計時器；以及一拴鎖器，連接至該及閘輸出端並可產生該控制信號。
  5. 如申請專利範圍1所述之啟動短路保護裝置，其中該設定週期大於任一該些時間週期。
  6. 一種啟動短路保護方法，運用於具一軟啟動功能的一直流-直流轉換器且該直流-直流轉換器的一電壓輸出端可於啟動後的複數個時間週期中分段增加一輸出電流，該啟動短路保護方法包括下列步驟：於該直流-直流轉換器啟動時開始計時；經過一設定週期後，比較該輸出電壓與一設定電壓；以及當該輸出電壓小於該設定電壓時，控制該直流-直流轉換器停止工作； 其中，該些時間週期的總和為該直流-直流轉換器的一啟動時間，且該啟動時間大於該設定週期。
  7. 如申請專利範圍6所述之啟動短路保護方法，其中該設定週期大於任一該些時間週期。
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