TWI385887B - 直流－直流轉換器的過電流保護裝置與方法 - Google Patents

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Description

直流-直流轉換器的過電流保護裝置與方法
本發明是有關於一種直流-直流轉換器的過電流保護裝置與方法，且特別是有關於利用一種偵測主機板上電源層銅箔壓降之直流-直流轉換器的過電流保護裝置與方法。
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)。其中，上述的電子元件皆可視為直流-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)可連接至主機板上的電源層銅箔(power layer)40，而電源層銅箔40則連接至主機板上的負載50。
於直流-直流轉換器的穩態(steady state)時，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)。此時，輸出電感(L)上會產生一電感電流(IL)，而輸出電容(output capacitor，C)上的電容電流(Ic)為零。此時，電感電流 (IL)的有效值等於輸出電流(Io)。
請參照第二圖，其所繪示為直流-直流轉換器的輸出電壓(Vout)與輸出電流(Io)示意圖。於直流-直流轉換器的穩態時，經由第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)的控制，當上功率電晶體(M1)被開啟(turn on)而下功率電晶體被關閉(turn off)時，輸出電流(Io)上升；反之，當上功率電晶體(M1)被關閉(turn off)而下功率電晶體被開啟(turn on)時，輸出電流(Io)下降。如此，輸出電流(Io)可維持在一穩態電流(I1，例如10A)附近，並且輸出電壓(Vout)維持在一固定電壓(V1，例如1.3V)。
再者，當直流-直流轉換器於負載50短路時，直流-直流轉換器會產生過高的輸出電流(Io)，為了防止電感電流(IL)隨之增加，造成直流-直流轉換器中上功率電晶體(M1)、下功率電晶體(M2)、輸出電感(L)、或者輸出電容(C)的損毀，一般皆會另外提供一過電流保護裝置(over current protecting apparatus)。習知的過電流保護裝置皆是偵測電感電流(IL)的變化來決定直流-直流轉換器是否產生過電流。
舉例來說，過電流保護裝置可偵測電感電流(IL)流經輸出電感(L)所產生的壓降來決定直流-直流轉換器是否產生過電流；或者，可偵測電感電流(IL)流經上功率電晶體(M1)或者下功率電晶體(M2)所產生的壓降來決定直流-直流轉換器是否產生過電流。
請參照第三圖，其所繪示為過電流保護裝置的信號示意圖。此過電流保護裝置可於電感電流(IL)到達感測保護電流(Iocp)時動作。如圖所示，在時間點t1之前，直流-直流轉換器處於穩態，此時，電感電流(IL)等於輸出電流(Io)並可維持在穩態電流(I1)附近，且輸出電壓(Vout)維持在固定電壓(V1)。
於時間點t1後，主機板上負載端發生短路(short circuit)，於時間點t1的瞬間輸出電流(Io)會遽增而輸出電壓(Vout)會略降。然而，由於電感電流(IL)無法快速地遽增，因此，輸出電容(C)也會提供電容電流(Ic)。也就是說，主機板上負載端發生短路時，輸出電流(Io)同時是由電感電流(IL)以及電容電流(Ic)所提供。而第三圖中斜線的區域即代表電容電流(Ic)的大小。
於時間點t2，電感電流(IL)緩慢上升到達感測保護電流(Iocp)，過電流保護裝置會動作並且禁能(disable)PWM單元，使得PWM單元停止產生第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)。因此，輸出電壓(Vout)、輸出電流(Io)與電感電流(IL)快速降低至零。很明顯地，過電流保護裝置需花費(t2-t1)的時間才可動作並禁能PWM單元。
由上述可知，習知過電流保護裝置皆是利用偵測電感電流(IL)來保護直流-直流轉換器(DC-DC converter)。然而，由第三圖可知，雖然當電感電流(IL)大小尚未到達感測保護電流(Iocp)，但輸出電流(Io)已經到達感測 保護電流(Iocp)，且PWM單元仍被致能(enable)。因此，主機板上的電子元件可能會受到輸出電流(Io)的影響並且造成損毀。再者，當電感電流(IL)大小到達感測保護電流(Iocp)時，上功率電晶體(M1)與下功率電晶體(M2)也必須承受相同大小的電流量，因此也容易造成上功率電晶體(M1)與下功率電晶體(M2)的損毀。
因此，本發明的目的在提出一種直流-直流轉換器的過電流保護裝置與方法，過電流保護裝置可直接偵測輸出電流(Io)，並利用偵測主機板上電源層銅箔壓降來決定直流-直流轉換器是否產生過電流，並據以保護整個線路中的電子元件。
本發明提出一種過電流保護裝置，運用於一直流-直流轉換器且該直流-直流轉換器的一電壓輸出端可產生一輸出電流經由一主機板上的一電源層銅箔並傳遞至該主機板上的一負載，該過電流保護裝置包括：一壓降電路；一比較器，具有一第一輸入端與一第二輸入端，該第一輸入端與該直流-直流轉換器的該電壓輸出端之間連接該壓降電路，該第二輸入端連接至該負載；以及，一取樣保持電路，連接至該比較器的一輸出端，且可根據該比較器的該輸出端產生的信號來控制該直流-直流轉換器正常工作或停止工作。
本發明提出一種過電流保護裝置，運用於一直流-直流轉換器且該直流-直流轉換器的一電壓輸出端可產生一輸出電流經由一主機板上的一電源層銅箔並傳遞至該主機板上的一負載，該過電流保護裝置包括：一誤差放大器，具有一第一輸入端與一第二輸入端，該第一輸入端連接至該直流-直流轉換器的該電壓輸出端，該第二輸入端連接至該負載；一取樣保持電路，連接至該誤差放大器的一輸出端，並可產生一取樣信號；以及，一比較器，比較該取樣信號以及一臨限電壓，且根據該比較器的比較結果來控制該直流-直流轉換器正常工作或停止工作。
本發明提出一種過電流保護方法，運用於一直流-直流轉換器且該直流-直流轉換器的一電壓輸出端可產生一輸出電流經由一主機板上的一電源層銅箔並傳遞至該主機板上的一負載，該過電流保護方法包括下列步驟：偵測該電源層銅箔上的一電壓降；當該電壓降小於一臨限值時，控制該直流-直流轉換器正常工作；以及，當該電壓降大於該臨限值時，控制該直流-直流轉換器停止工作。
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。
請參照第四圖，其所繪示為本發明直流-直流轉換器的 過電流保護裝置之第一實施例。直流-直流轉換器包括一PWM單元110、一功率級電路130。PWM單元110可以輸出第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)。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)。而輸出電流(Io)會經由主機板上的電源層銅箔140傳遞至主機板上的負載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，過電流保護裝置包括一設定電阻(Rset)、一設定電流源(Iset)、一比較器(comparator)170、一取樣保持電路(sample-and-hold circuit)160。其中，比較器170負輸入端與功率級電路130的電壓輸出端(Vout)之間連接設定電阻(Rset)，比較器170負輸入端連接設定電流源(Iset)；比較器170正輸入端連接至負載150。比較器170輸出端連接至取樣保持電路160，而取樣保持電路160可輸出一控制信號用以致能(enable)或者禁能(disable)PWM單元。
根據本發明的第一實施例，由於電源層銅箔上的阻抗(impedance)很小，因此，於直流-直流轉換器的穩態時，輸出電壓(Vout)約等於比較器170正輸入端的電壓(V+)。再者，利用設定電阻(Rset)與設定電流源(Iset)可於設定電阻(Rset)上產生一設定電壓(Vrset)的壓降。因此，比較器170負輸入端的電壓(V-)為固定的(Vout-Vrset)，而此電壓可視為一臨限電壓(threshold voltage)。
很明顯地，於直流-直流轉換器的穩態時，比較器170正輸入端的電壓(V+)大於比較器170負輸入端的電壓(V-)，比較器170輸出端產生高準位至取樣保持電路160，而取樣保持電路160則根據接收的高準位產生相對應的控制信號用以致能PWM單元110，使得直流-直流轉換器正常工作。
當主機板上產生短路時，輸出電流(Io)會遽增，使得輸出電流(Io)流經電源層銅箔140產生更大的電壓降(voltage droop)。當比較器170正輸入端的電壓(V+)小於比較器170負輸入端的電壓(V-)(亦即臨限電壓)時，比較器170輸出端產生低準位至取樣保持電路160，而取樣保持電路160則根據接收的低準位產生相對應的控制信號用以禁能PWM單元110，使得直流-直流轉換器停止工作，並且使得輸出電流(Io)急遽下降。
請參照第五圖，其所繪示為本發明直流-直流轉換器的過電流保護裝置上的信號示意圖。於時間點t3之前，直流-直流轉換器處於穩態，比較器170正輸入端的電壓(V+)大於比較器170負輸入端的電壓(V-)，使得直流-直流轉換器正常工作。於時間點t3時主機板產生短路，此時輸出電流(Io)會遽增，使得輸出電流(Io)流經電源層銅箔140產生更大的電壓降(voltage droop)。於時間點t4時，比較器170正輸入端的電壓(V+)小於比較器170負輸入端的電壓(V-)，此時的輸出電流(Io)已到達感測保護電流(Iocp)。因此，比較器170輸出端產生低準位至取樣保 持電路160，而取樣保持電路160則根據接收的低準位產生相對應的控制信號用以禁能PWM單元110。於時間點t4之後，直流-直流轉換器停止工作，並且使得輸出電流(Io)急遽下降。
很明顯地，本發明的電流保護裝置僅需花費(t4-t3)的時間即可關閉PWM單元，與習知過電流保護裝置相比較，可更快速地關閉PWM單元。再者，本發明的過電流保護裝置皆是利用偵測輸出電流(Io)來保護直流-直流轉換器(DC-DC converter)。因此，當輸出電流(Io)到達感測保護電流(Iocp)時，但電感電流(IL)尚未到達感測保護電流(Iocp)，因此功率級電路130內的上功率電晶體(M1)與下功率電晶體(M2)也不會損毀。
請參照第六圖，其所繪示為本發明直流-直流轉換器的過電流保護裝置之第二實施例。與第一實施例的差別在於第二實施例利用第一設定電阻(Rset)與第二設定電阻(Rset’)串接於電壓輸出端(Vout)與接地端之間，而比較器170負輸入端連接至第一設定電阻(Rset)與第二設定電阻(Rset’)連接的節點。利用第一設定電阻(Rset)與第二設定電阻(Rset’)的分壓產生設定電壓(Vrset)。其第二實施例的動作原理與第一實施例皆相同因此不再贅述。
請參照第七圖，其所繪示為本發明直流-直流轉換器的過電流保護裝置之第三實施例。直流-直流轉換器包括一PWM單元210、一功率級電路230。PWM單元210可以 輸出第一驅動信號(S1)與第二驅動信號(S2)。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)。而輸出電流(Io)會經由主機板上的電源層銅箔240傳遞至主機板上的負載250。
再者，過電流保護裝置包括一誤差放大器(error amplifier)270、一取樣保持電路260、一比較器280、與一臨限電壓(Vth)。其中，誤差放大器270正輸入端連接至功率級電路230的電壓輸出端(Vout)；誤差放大器270負輸入端連接至負載250。誤差放大器270輸出端連接至取樣保持電路260，而取樣保持電路260可輸出一取樣信號至比較器280的正輸入端；比較器280的負輸入端接收臨限電壓(Vth)，而比較器280的輸出端即為控制信號用以致能(enable)或者禁能(disable)PWM單元。
由於電源層銅箔上的阻抗(impedance)很小，因此，於直流-直流轉換器的穩態時，電源層銅箔240上的電壓降(voltage droop)很小。誤差放大器270放大此電壓降，之後取樣保持電路260取樣成為取樣信號並傳遞至比較器280的正輸入端。
根據本發明的實施例，於直流-直流轉換器的穩態時，取樣保持電路260輸出的取樣信號小於臨限電壓(Vth)，使得比較器280輸出端產生低準位的控制信號用以致能PWM單元210，使得直流-直流轉換器正常工作。
反之，當主機板上發生短路時，電源層銅箔240上的 電壓降(voltage droop)很大。誤差放大器270放大此電壓降，之後取樣保持電路260取樣成為取樣信號並傳遞至比較器280的正輸入端。
根據本發明的實施例，於主機板短路時，取樣保持電路260輸出的取樣信號大於臨限電壓(Vth)，使得比較器280輸出端產生高準位的控制信號用以禁能PWM單元210，使得直流-直流轉換器停止工作，並且使得輸出電流(Io)急遽下降。
根據上述實施例，本發明係提出一種直流-直流轉換器的過電流保護裝置與方法，過電流保護裝置可直接偵測輸出電流(Io)並利用偵測主機板上電源層銅箔的壓降來決定直流-直流轉換器是否產生過電流。當電源層銅箔的壓降不大時，則致能PWM單元；當電源層銅箔的壓降太大時，則禁能PWM單元。
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
40‧‧‧電源層銅箔
50‧‧‧負載
110‧‧‧PWM單元
130‧‧‧功率級電路
140‧‧‧電源層銅箔
150‧‧‧負載
160‧‧‧取樣保持電路
170‧‧‧比較器
210‧‧‧PWM單元
230‧‧‧功率級電路
240‧‧‧電源層銅箔
250‧‧‧負載
260‧‧‧取樣保持電路
270‧‧‧誤差放大器
280‧‧‧比較器
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。
第二圖所繪示為直流-直流轉換器的輸出電壓與輸出電流 示意圖。
第三圖所繪示為過電流保護裝置的信號示意圖。
第四圖所繪示為本發明直流-直流轉換器的過電流保護裝置之第一實施例。
第五圖所繪示為本發明直流-直流轉換器的過電流保護裝置上的信號示意圖。
第六圖所繪示為本發明直流-直流轉換器的過電流保護裝置之第二實施例。
第七圖所繪示為本發明直流-直流轉換器的過電流保護裝置之第三實施例。
110‧‧‧PWM單元
130‧‧‧功率級電路
140‧‧‧電源層銅箔
150‧‧‧負載
160‧‧‧取樣保持電路
170‧‧‧比較器

Claims (12)

  1. 一種過電流保護裝置，運用於一直流-直流轉換器且該直流-直流轉換器的一電壓輸出端可產生一輸出電流經由一主機板上的一電源層銅箔並傳遞至該主機板上的一負載，該過電流保護裝置包括：一壓降電路；一比較器，具有一第一輸入端與一第二輸入端，該第一輸入端與該直流-直流轉換器的該電壓輸出端之間連接該壓降電路，該第二輸入端連接至該負載；以及一取樣保持電路，連接至該比較器的一輸出端，且可根據該比較器的該輸出端產生的信號來控制該直流-直流轉換器正常工作或停止工作。
  2. 如申請專利範圍1所述之過電流保護裝置，其中該壓降電路包括：一設定電阻，連接於該比較器該第一輸入端與該直流-直流轉換器的該電壓輸出端之間；以及一設定電流源，連接至該比較器的該第一輸入端。
  3. 如申請專利範圍1所述之過電流保護裝置，其中該壓降電路包括：一第一設定電阻，連接於該比較器該第一輸入端與該直流-直流轉換器的該電壓輸出端之間；以及一第二設定電阻，連接於該比較器該第一輸入端與一接地端之間。
  4. 如申請專利範圍1所述之過電流保護裝置，其中該比較器的該第一輸入端為一負輸入端，且該比較器的該第二輸入端為一正輸入端。
  5. 如申請專利範圍1所述之過電流保護裝置，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。
  6. 如申請專利範圍5所述之過電流保護裝置，其中，該PWM單元被致能時，該直流-直流轉換器正常工作；以及，該PWM單元被禁能時，該直流-直流轉換器停止工作。
  7. 如申請專利範圍1所述之過電流保護裝置，其中，於該主機板短路時，該比較器的該輸出端產生一第一準位使得該取樣保持電路控制該直流-直流轉換器停止工作；以及，於該主機板未短路時，該比較器的該輸出端產生一第二準位使得該取樣保持電路控制該直流-直流轉換器正常工作。
  8. 一種過電流保護裝置，運用於一直流-直流轉換器且該直流-直流轉換器的一電壓輸出端可產生一輸出電流經由一主機板上的一電源層銅箔並傳遞至該主機板上的一負載，該過電流保護裝置包括：一誤差放大器，具有一第一輸入端與一第二輸入端，該第一輸入端連接至該直流-直流轉換器的該電壓輸出端，該第二輸入端連接至該負載； 一取樣保持電路，連接至該誤差放大器的一輸出端，並可產生一取樣信號；以及一比較器，比較該取樣信號以及一臨限電壓，且根據該比較器的比較結果來控制該直流-直流轉換器正常工作或停止工作。
  9. 如申請專利範圍8所述之過電流保護裝置，其中該誤差放大器的該第一輸入端為一正輸入端，且該誤差放大器的該第二輸入端為一負輸入端。
  10. 如申請專利範圍8所述之過電流保護裝置，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。
  11. 如申請專利範圍10所述之過電流保護裝置，其中，該PWM單元被效能時，該直流-直流轉換器正常工作；以及，該PWM單元被禁能時，該直流-直流轉換器停止工作。
  12. 如申請專利範圍8所述之過電流保護裝置，其中，於該主機板短路時，該比較器的該輸出端產生一第一準位使得該直流-直流轉換器停止工作；以及，於該主機板未短路時，該比較器的該輸出端產生一第二準位使得該直流-直流轉換器正常工作。
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