TWI385497B - 啟動電壓模式切換電源供應至偏壓負載之方法 - Google Patents

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Description

啟動電壓模式切換電源供應至偏壓負載之方法
本發明係關於電壓模式切換電源供應，且尤其關於一種啟動一電壓模式切換電源供應至一偏壓負載之方法。
許多電子系統中，當該系統不使用時，於正常作業期間，供應電源至該系統之de rigueur切換調整器將關機，而且一小型"保持帶電"調整器將系統電源維持在剛好足以留存資料和邏輯狀態資訊的一電壓。圖1係圖解一示範電子系統的一方塊圖，其中於一全電源模式，代表被供電之電子系統之組件的一負載係由一主電源供應供電，而且於一電源切斷模式，係由一保持帶電之電源供應供電。當該系統使用時，該主電源供應提供全系統電壓(例如：2.5伏特)，且當該系統不使用時則關機。當該主電源供應關機時，該保持帶電之電源供應提供一"保持帶電"電位(例如：1.0伏特)至該負載。通常取決於作業模式，藉由使用金屬氧半導體(MOS)電晶體實作的一對開關選擇希望之電源供應。
對於圖1所示系統之類型，主電源供應通常以一"電壓模式"切換電源供應加以實作，因為一電壓模式切換電源供應可普遍取得、經濟而且具雜訊容許度。然而，在如圖1所示具有備份電源的一系統中，使用一電壓模式切換電源供應將有問題。其係因為：一電壓模式切換電源供應的一顯著特徵為：其操作係從零伏特發展其輸出電壓。因此啟動一電壓模式切換電源供應至一偏壓負載將有問題，因為於該切換電源供應之啟動時期中，該偏壓負載位在一非零電壓。
更特別的是，當圖1之系統在電源切斷模式時，主電源供應關機，而且保持帶電之電源供應使該負載的電源導軌電壓偏移至保持帶電電位。當該系統切換至全電源模式時，扮演主電源供應之電壓模式切換電源供應開機，而且引發該負載之電源導軌電壓從保持帶電電壓下降至該電壓模式切換電源供應令該電源導軌電壓上升至穩態全電源位準前的虛擬零電壓。從保持帶電之電源供應切換至主電源供應期間該負載的電源導軌電壓降並非所希望，因為其將引發該系統損失由該保持帶電之電源供應儲存於該系統的資料載邏輯狀態。
一電壓模式切換電源供應之啟動作業可簡述如下。為了軟啟動一電壓模式切換電源供應，初始時令工作週期非常小，然後該工作週期逐漸發展而達到穩態。根據平均，對於一工作週期D，該切換電源供應之切換輸出電壓(VS W )節點的有效電壓為D*Vin。如果在輸出電壓節點之DC輸出電壓VO U T 為零伏特，則該電壓模式切換電源供應將正常啟動，而且電流將從輸出電感器流入耦合至該負載之輸出電壓節點。
然而，如果該DC輸出電壓已為零以上之某一偏壓電壓，則於啟動時，該輸出電壓節點之電壓將高於該切換輸出電壓節點的平均切換電壓，而且電流將透過該輸出電感器流回該電壓模式切換電源供應之切換電晶體。逆向電流將繼續，直到切換調整器之工作週期達到在該輸出電壓節點之平均輸出電壓與輸出電壓相同的一位準為止。進入主電源供應之逆向電流並非所希望，因為其可能引發由保持帶電之電源供應所偏移的負載輸出電壓下降。
某些情況下，可使用一電流模式切換電源供應作為主電源供應。一電流模式控制之電源供應可啟動至一偏壓負載，因為其將調節工作週期，因而獲得一正電感器電流(其中定義：正電流為進入該負載之電流)。此為一電流模式切換電源供應之基本作業的一結果，其圍繞著強制電感器電流等於電壓感測電流所決定的一數值而轉動。反之，電壓模式切換電源供應單獨根據該負載電壓之數值而調節工作週期，與該電感器電流之方向或大小無關。雖然使用一電流模式切換電源供應解決啟動時招致負載偏壓電壓之問題，但該電流模式切換電源供應較難實作，而且有時對雜訊較敏感。
根據本發明的一具體實施例，說明一種啟動一電壓模式切換電源供應之方法。該電壓模式切換電源供應接收一輸入電壓，而且在一DC輸出電壓終端提供一已調整DC輸出電壓。該電壓模式切換電源供應被操作以提供具有一第一數值的一最後DC輸出電壓。該DC輸出電壓終端耦合至一負載，其中該負載偏移至具有大於零且小於該第一數值的一第二數值的一負載電壓。該方法包括：計算具有該第二數值之負載電壓對該輸入電壓的一比例、產生用以指示該電壓模式切換電源供應之工作週期的一第一信號、比較用以指示該工作週期之第一信號與該比例，而且僅於用以指示該工作週期之第一信號等於該比例時將該電壓模式切換電源供應的一輸出級開機。該輸出級產生一第二信號，其具有對應於該DC輸出電壓終端之DC輸出電壓的一平均值。
根據本發明之另一具體實施例，一電壓模式切換電源供應包括：用以接收一輸入電壓的一輸入終端、用以提供一種供指示一已調整DC輸出電壓用之第一信號的一切換輸出終端，及用以提供該已調整DC輸出電壓的一DC輸出電壓終端。該電壓模式切換電源供應進一步包括：一錯誤放大器、一控制電路、一輸出級、一工作週期計算器和一比較器。該錯誤放大器具有：被耦合以接收一種對應於該調整器DC輸出電壓之回饋電壓的一第一輸入節點、耦合至一第一參考電壓的一第二輸入節點，及用以提供一種指示該回饋電壓與該參考電壓其間之差之錯誤電壓的一輸出節點。該控制電路包括：用以接收該錯誤電壓的一第一輸入節點、用以接收一致能信號的一第二輸入節點，及用以提供一或更多控制信號以響應該錯誤電壓的一輸出節點，其中該等控制信號具有該錯誤電壓所決定的一工作週期。該輸出級被耦合以接收一或更多控制信號，而且產生用以指示該已調整DC輸出電壓之第一信號。該工作週期計算器電路被耦合以接收該輸入電壓和一第一電壓，其中該第一電壓大於零而且小於該已調整DC輸出電壓的一最後數值。該工作週期計算器電路提供用以指示該第一電壓對該輸入電壓之比例的一工作週期預設信號。該比較器包括用以接收該錯誤電壓的一第一輸入節點及用以接收該工作週期預設信號的一第二輸入節點，該比較器將用以提供致能信號。
作業中，當該錯誤電壓等於該工作週期預設信號時判定致能信號。該致能信號之判定引發該控制電路產生用以驅動該輸出級的一或更多控制信號。
考慮以下之詳細說明和附圖時將可更了解本發明。
根據本發明之原理，一種啟動一電壓模式切換電源供應之電路及方法允許該電壓模式切換電源供應啟動及供應電源至一偏壓負載，而未減弱該偏壓負載之負載電壓。尤其，本發明之啟動電路及方法可操作以允許該電壓模式切換電源供應僅於該電源供應之輸出電壓近似等於該偏壓負載之電壓時啟動切換。以此方式，當啟動該電壓模式切換電源供應而供應電源至一偏壓負載時，該偏壓負載之現存電壓得以保留，而且防止損失保存於該負載的資料或邏輯狀態。
本發明之啟動電路及方法可應用於電壓模式切換電源供應，而且對於用來當作合併一待用電源供應之電子系統其主電源供應的電壓模式切換電源供應而言尤其有用。在這類系統中，當該系統使用時，該電壓模式切換電源供應於一全電源模式提供全電源至該負載。當該系統不使用時，該電壓模式切換電源供應於一電源切斷模式或待用模式期間關機，而且一待用電源供應將供應一待用電位至該負載。當該系統再度切換至全電源模式時，該電壓模式切換電源供應回復開機，以供應全電源至該負載。藉由將本發明之啟動電路併入該電壓模式切換電源供應，可啟動該電壓模式切換電源供應，而未減弱在該偏壓負載上由該待用電源供應所供應的現存待用電壓。
圖2係一系統之示意圖，該系統合併一電壓模式切換電源供應當作主電源供應，該電壓模式切換電源供應藉此實作本發明之啟動方法，以便啟動至一偏壓負載。參照圖2，系統50包括當作主電源供應的一電壓模式切換電源供應100("電源供應100")和當作待用電源供應的一待用電源供應102。兩電源供應透過開關S1和S2可切換連接至一負載104，以便供應電源至該負載。當系統50使用時，開關S1關閉，所以電源供應100供應希望之全系統電壓至負載104。當系統50不使用時，電源供應100關機，而且系統50進入待用模式。開關S2關閉，而且待用電源供應102供應一待用電壓VS B 至負載104，以維護儲存於負載104中之資料或邏輯狀態。因此，在系統50中，負載104之電壓因而永遠至少維持在待用電壓VS B 。當系統50回到全電源模式時，電源供應100開機，而且根據本發明之啟動方法，將開始令負載104之電壓從待用電壓VS B 增加至希望的全電源電壓。
圖2圖解一電壓模式切換電源供應的一示範組態，而且進一步圖解本發明之啟動電路及方法在一電壓模式切換電源供應中的實作。應了解：該電壓模式切換電源供應之正確組態並非本發明之實施的關鍵。本發明之啟動電路及方法可併入具有各種組態的電壓模式切換電源供應，以允許該電壓模式切換電源供應啟動至一偏壓負載。再者，圖2之盒子100表示也許是也許不是在一單一積體電路上形成之電壓模式切換電源供應的組件。例如，電感器L1和電容器C1經常使用分離組件予以形成。
參照圖2，電壓模式切換電源供應100在一節點106接收一輸入電壓Vin。輸入電壓Vin耦合至一對串聯連接之切換電晶體M1和M2，其形成該電源供應的輸出級。在本圖解中，切換電晶體M1和M2係NMOS電晶體，而且由一PWM連接器126加以控制。切換電晶體M1與M2間之共同節點提供一切換輸出電壓VS W 。該切換輸出電壓VS W 耦合至包括電感器L1和電容器C1的一電感器電容器(LC)網路，其用以過濾切換輸出電壓VS W ，及在一DC輸出電壓節點108產生本質上具有恆定大小的一DC輸出電壓VO U T 。如吾人所熟知：切換輸出電壓VS W 之工作週期乘上輸入電壓Vin決定DC輸出電壓VO U T 的大小，因而決定電源供應100提供的全電源電壓。換言之，如工作週期D與輸入電壓Vin之乘積給定的切換輸出電壓VS W 之平均值(avg(VS W ))將表示DC輸出電壓VO U T 。
PWM控制器126接收來自一PWM斜波產生器120的一PWM斜波信號，和來自一錯誤放大器122的一錯誤電壓信號VC o m p 。輸出電壓VO U T 耦合回錯誤放大器122，以便形成一回饋控制迴路，用以調整切換輸出電壓VS W 。尤其，圖2中，輸出電壓VO U T 回饋作為一感測電壓VS e n s e ，而且耦合至錯誤放大器122的一第一輸入終端。一參考電壓VR e f 耦合至錯誤放大器122的一第二輸入終端。錯誤放大器122評估感測電壓VS e n s e 與參考電壓VR e f 間之差，而且提供錯誤電壓信號VC o m p 當作一輸出信號給PWM控制器126。作業中，錯誤電壓信號VC o m p 決定PWM控制器126之工作週期。根據錯誤電壓信號VC o m p 之控制，PWM控制器126驅動切換電晶體M1和M2，以設置希望之切換輸出電壓VS W ，而且最終設置希望之DC輸出電壓VO U T 。
在一傳統電壓模式切換電源供應中，該電源供應係藉由初始時令該工作週期非常小然後逐漸增加該工作週期達到其穩態而啟動。如以上所討論，以一傳統方式啟動一電壓模式切換電源供應至一偏壓負載將引發輸出電壓VO U T 垂直降至零伏特，此並非所希望。
根據本發明的一具體實施例，電壓模式電源供應100實作本發明之啟動方法，藉此直到該電源供應之工作週期達到將提供等於該偏壓負載之電壓的一DC輸出電壓VO U T 的一位準為止，才允許該電源供應之輸出級切換。以此方式，當該電壓模式切換電源供應之輸出級最後被啟動以供應電源至一偏壓負載時，該電源供應將不會引發該偏壓負載的現存電壓下降。取而代之，該電壓模式切換電源供應將被啟動以提供等於該偏壓負載之現存電壓的一DC輸出電壓VOUT ，而且將繼續增加該DC輸出電壓VOUT ，直到達到希望之最後電壓為止。
圖2圖解一種可併入電壓模式切換電源供應100以實作本發明之啟動方法的啟動電路其一具體實施例。在圖2之實作中，該電源供應之輸出級(亦即：電晶體M1和M2)直到該電源供應之工作週期達到用以指示DC輸出電壓VOUT 之平均切換輸出電壓avg(VSW )的一位準至少等於待用電壓VSB 為止才啟動切換。
參照圖2，電源供應100包括一工作週期預設計算器130和一比較器132。工作週期時間計算器130接收待用電壓VSB 當作X輸入值和輸入電壓Vin當作Y輸入值，而且計算X/Y的一比例當作工作週期預設值。因此比例X/Y將指示可啟動電源供應100而未減弱在偏壓負載由待用電壓VSB 供電之電壓的工作週期值。在比較器132將比較錯誤電壓信號VComp 與此工作週期預設值，以產生一致能信號EN-SW(節點134)。當電壓VComp 小於工作週期預設值X/Y時，解除判定致能信號EN-SW。當電壓VComp 等於工作週期預設值X/Y時，先判定致能信號EN-SW，而且當電壓VComp 大於工作週期預設值X/Y時依舊為判定。
致能信號EN-SW耦合至PWM控制器126之方式為：僅於判定致能信號EN-SW時才引發PWM控制器126啟動切換電晶體M1和M2的操作。以此方式，該啟動電路如電壓VComp 所指示而監視電源供應100之工作週期。當電壓VComp 小於 該工作週期預設值時，解除判定致能信號EN-SW，所以PWM控制器126不使切換電晶體M1和M2開機。當電壓VComp 增加達到該工作週期預設值時，亦即當VComp 等於VSB /Vin時，該電源供應之工作週期已增加至足以允許該等切換電晶體開機的一位準。然後判定致能信號EN-SW，而且PWM控制器126可啟動切換電晶體M1和M2，以產生切換輸出電壓VSW 。
因此，根據本發明之啟動方法，比較錯誤電壓信號VComp 與該待用電壓對該輸入電壓其比例之工作週期預設值，而且電源供應100僅於錯誤電壓信號VComp 等於該工作週期預設值時開機。當錯誤電壓信號VComp 等於工作週期預設值時，電晶體M1和M2所提供之切換輸出電壓的平均值(avg(VSW ))等於令負載104偏移之待用電壓VSB 。因此，可啟動電源供應100以供應電源至偏壓負載，而未減弱該偏壓負載之電壓。錯誤電壓信號VComp 與工作週期D間之關係給定為：D=VComp /VR ，其中VR 為PWM斜波產生器120提供之斜波信號的峰值至峰值電壓。如果電壓VComp 為零，則工作週期亦為零工作週期。如果電壓VComp 等於VR ，則工作週期為100%。
如以上所討論，平均切換輸出電壓avg(VSW )給定為：avg(VSW )=D*Vin，其中平均切換輸出電壓avg(VSW )等於LC濾波器網路提供之DC輸出電壓VOUT (節點108)。於電源供應100啟動時，該電源供應之DC輸出電壓VO U T 必須在與該偏壓負載相同之電壓位準，以防止使該偏壓負載之電壓降級。因此，於啟動時，avg(VS W )應等於待用電壓VS B 。代換及重排以上兩等式中之項目，錯誤電壓信號VC o m p 可表達成：VC o m p ＝VS B * VR/Vin
因此，錯誤電壓信號VC o m p 與該偏壓負載保有之待用電壓對輸入電壓Vin的比例成比例。藉由比較電壓VC o m p 與該待用電壓對該輸入電壓之比例及使用該結果致能該電壓模式切換電源供應之輸出級，可將該電源供應開機以供應全電源至一偏壓負載而沒有任何不利效應。尤其，當根據本發明之方法將該電壓模式切換電源供應開機時，該電源供應之DC輸出電壓VO U T 已在待用電壓，因而該偏壓負載之電壓並未減弱。
電源供應100中之工作週期預設計算器130可以熟習此項技藝者已知之各種方式加以實作。在一具體實施例中，工作週期預設計算器130為可操作而將兩DC電壓X和Y相除的一類比除法器。
以上提供之詳細說明用以圖解本發明的特定具體實施例，並不希望作為其限制。在本發明之範圍內可能有許多修正和變化。例如，在圖2所示之組態中，該電壓模式切換電源供應接收DC輸出電壓VO U T 當作回饋電壓與參考電壓VR e f 相比較。其他組態中，可能為DC輸出電壓VO U T 的一步降版本回饋至該錯誤放大器。本發明係藉由附加請求項加以定義。
M1,M2‧‧‧切換電晶體
S1,S2‧‧‧開關
C1‧‧‧電容器
L1‧‧‧電感器
50‧‧‧系統
100‧‧‧電壓模式切換電源供應
102‧‧‧待用電源供應
104‧‧‧負載
106,134‧‧‧節點
108‧‧‧DC輸出電壓節點
120‧‧‧PWM斜波產生器
122‧‧‧錯誤放大器
126‧‧‧PWM控制器
130‧‧‧工作週期預設計算器
132‧‧‧比較器
圖1係用以圖解一種藉由一主電源供應和一保持帶電之電源供應加以供電之示範電子系統的一方塊圖。
圖2係一種合併一電壓模式切換電源供應當作主電源供應之系統的示意圖，該電壓模式切換電源供應藉此實作用以啟動至一偏壓負載之本發明的啟動方法。
M1,M2‧‧‧切換電晶體
S1,S2‧‧‧開關
C1‧‧‧電容器
L1‧‧‧電感器
50‧‧‧系統
100‧‧‧電壓模式切換電源供應
102‧‧‧待用電源供應
104‧‧‧負載
106,134‧‧‧節點
108‧‧‧DC輸出電壓節點
120‧‧‧PWM斜波產生器
122‧‧‧錯誤放大器
126‧‧‧PWM控制器
130‧‧‧工作週期預設計算器
132‧‧‧比較器

Claims (11)

  1. 一種啟動一電壓模式切換電源供應之方法，該電壓模式切換電源供應接收一輸入電壓而且在一DC輸出電壓終端提供一已調整DC輸出電壓，該電壓模式切換電源供應被操作以提供具有一第一數值的一最後DC輸出電壓，該DC輸出電壓終端耦合至一負載，其中該負載被偏壓至一負載電壓，其具有大於零而且小於該第一數值的一第二數值，該方法包含：計算具有該第二數值之負載電壓對該輸入電壓的一比例；產生用以指示該電壓模式切換電源供應之工作週期的一第一信號；比較用以指示該工作週期之第一信號與該比例；以及僅於用以指示該工作週期之第一信號等於該比例時將該電壓模式切換電源供應的一輸出級打開，該輸出級產生一第二信號，其具有對應於該DC輸出電壓終端之DC輸出電壓的一平均值。
  2. 如請求項1之方法，其中比較用以指示該電壓模式切換電源供應之工作週期的第一信號與該比例包含：比較一錯誤電壓信號與該比例，該錯誤電壓信號用以指示對應於該DC輸出終端之已調整DC輸出電壓的一電壓與一參考電壓間之差。
  3. 如請求項1之方法，其中僅於用以指示該工作週期之信號等於該比例時將該電壓模式切換電源供應的一輸出級開機包含：當用以指示該工作週期之第一信號小於該比例時去能該電壓模式切換電源供應之輸出級；以及當用以指示該工作週期之第一信號等於該比例時致能該電壓模式切換電源供應之輸出級。
  4. 如請求項3之方法，其中該電壓模式切換電源供應之輸出級包含一或更多切換電晶體，該一或更多切換電晶體係由一PWM控制器加以控制。
  5. 如請求項4之方法，其中去能該電壓模式切換電源供應之輸出級包含：解除判定耦合至該PWM控制器的一致能信號，其中該解除判定引發該PWM控制器將該一或更多切換電晶體關機。
  6. 如請求項4之方法，其中致能該電壓模式切換電源供應之輸出級包含判定耦合至該PWM控制器的一致能信號，其中該判定引發該PWM控制器開始控制該一或更多切換電晶體產生該第二信號。
  7. 一種電壓模式切換電源供應，包含：用以接收一輸入電壓的一輸入終端；用以提供一種指示一已調整DC輸出電壓之第一信號的一切換輸出終端；用以提供該已調整DC輸出電壓的一DC輸出電壓終端；一錯誤放大器，其具有被耦合以接收一種對應於該調整器DC輸出電壓之回饋電壓的一第一輸入節點、耦合至一第一參考電壓的一第二輸入節點，和用以提供一種指示該回饋電壓與該參考電壓其間之差之錯誤電壓的一輸出節點；一控制電路，其包含用以接收該錯誤電壓的一第一輸入節點、用以接收一致能信號的一第二輸入節點，和用以提供一或更多控制信號以響應該錯誤電壓的一輸出節點，該控制信號具有該錯誤電壓所決定的一工作週期；一輸出級，其被耦合以接收該一或更多控制信號，而且產生用以指示該已調整DC輸出電壓之第一信號；一工作週期計算器電路，其被耦合以接收該輸入電壓和一第一電壓，該第一電壓大於零而且小於該已調整DC輸出電壓的一最後數值，該工作週期計算器電路提供用以指示該第一電壓對該輸入電壓之比例的一工作週期預設信號；以及一比較器，其包含用以接收該錯誤電壓的一第一輸入節點和用以接收該工作週期預設信號的一第二輸入節點，該比較器將提供該致能信號；其中當該錯誤電壓等於或大於該工作週期預設信號時判定該致能信號，判定該致能信號引發該控制電路產生用以驅動該輸出級的一或更多控制信號。
  8. 如請求項7之電壓模式切換電源供應，其中當該錯誤電壓小於該工作週期預設信號時解除判定該致能信號，解除判定該致能信號引發該控制電路產生用以去能該輸出級的一或更多控制信號。
  9. 如請求項7之電壓模式切換電源供應，其中該電壓模式切換電源供應之輸出級包含由該控制電路加以控制的一或更多切換電晶體。
  10. 如請求項7之電壓模式切換電源供應，其中該切換輸出終端耦合至用以產生該已調整DC輸出電壓的一輸出濾波器電路。
  11. 如請求項7之電壓模式切換電源供應，其中該工作週期計算器電路包含將該第一電壓除以該輸入電壓的一類比除法器。
TW095101420A 2005-01-14 2006-01-13 啟動電壓模式切換電源供應至偏壓負載之方法 TWI385497B (zh)

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