TWI408896B - The switching output of the switching power supply chip detects the protection circuit - Google Patents

Description

開關電源晶片的啟動輸出檢測保護電路

本發明係關於一種開關電源晶片的啟動檢測保護電路，特別是指一種在開關電源啟動前對輸出電壓進行檢測並根據檢測結果適當放電的電路，使得輸出電壓能夠從0開始正常完整的啟動。

請參考第一圖所示，一脈寬調製(PWM)開關電源晶片的輸出級包含有串接的一主開關電晶體(11)及一同步電晶體(12)，兩者在串接節點上連接一輸出電感(L)及輸出電容(C)，在輸出電容上(C)為開關電源的輸出電壓(VOUT)。

為了防止DC/DC開關電源啟動時輸出產生較大的電壓過沖和電感電流產生較大的浪湧電流，會在晶片中加入一軟啟動控制，使輸出電壓和電感電流緩慢變化到預設值。常用的一種控制方法是將一誤差放大器(圖中未示)的正輸入端基準電壓從0開始緩慢提升，通過環路調整使得輸出跟隨基準電壓從0逐漸升高至預設值，避免過沖。在實際應用中，輸出可能存在殘留電壓，並不是從0開始上升。由於啟動過程屬於閉迴路控制，當晶片檢測到輸出反饋的電壓高於該誤差放大器緩慢升高的基準電壓時，控制電路企圖通過導通同步電晶體(12)將輸出電壓(VOUT)拉低，將會長時間打開同步電晶體(12)，使輸出經過電感和同步電晶體(12)持續放電。

在這種情況下，同步電晶體(12)長時間導通，流過同步電晶體(12)的反向電流非常大，增大了同步電晶體(12)的損耗，以至超過其熱限制，嚴重時會損壞同步電晶體(12)。所以希望能夠防止同步電晶體(12)導通的時間太久，持續流過過大的電流。

第二圖是現有的一種解決方案，在晶片準備啟動時對一輸出反饋信號(FB)和一誤差放大器緩慢變化的基準電壓(SSREF)進行比較，如果輸出反饋信號(FB)小於基準電壓(SSREF)，晶片正常啟動；如果輸出反饋信號(FB)大於基準電壓(SSREF)，則關斷主開關電晶體(24)和同步電晶體(25)。基準電壓(SSREF)仍然正常上升，直到高於輸出反饋信號(FB)時，晶片進入啟動過程，主開關電晶體(24)和同步電晶體(25)交替導通。這種方法可以避免輸出反饋信號(FB)大於基準電壓(SSREF)時長時間導通同步電晶體(25)。但輸出電壓(VOUT)上的預存電壓低於系統設定輸出時，啟動過程的初始階段關斷輸出，使啟動過程中存在兩種狀態的切換，容易造成啟動波形的不平滑。如果輸出電壓(VOUT)上的預存電壓高於系統的設定輸出時，在整個軟啟動周期中關斷輸出，主開關電晶體(24)及同步電晶體(25)都不會開啟，軟啟動周期結束後才會通過環路將輸出調整到預設值，調整過程中可能出現過沖。

第三圖是現有的另一種解決方案，利用一比較器(31)對同步電晶體(34)上的電壓(SW)和接地電壓(GND)進行比較，藉此對流過同步電晶體(34)的電流進行檢測，當電流降至0時關斷同步電晶體(34)，避免同步電晶體(34)反向流過電流。但這種方法需要在晶片中增加一個同步電晶體零電流檢測電路，增加了電路的複雜程度。

PCT申請案WO 2008/013871描述了一種新的保護方案，它不對輸出電壓進行檢測，而是通過內部邏輯電路控制同步電晶體的脈寬從小到大逐漸展開，避免同步電晶體長時間導通。這種方法在輸出反饋信號(FB)高於基準電壓(SSREF)時仍可通過環路進行一定量的調整，但控制邏輯過於複雜，不易實現。

本發明之主要目的係提供了一種脈寬調製(PWM)開關電源晶片的輸出啟動檢測保護電路，該電路結構簡單易實現且整合於晶片內部，使晶片整個啟動過程均工作在完全閉迴路控制下，實現軟啟動(soft start)到正常工作的平穩過渡。

本發明包括一輸出反饋電壓檢測模組、一控制邏輯模組、一放電電阻及一開關電晶體。輸出電壓反饋回來的電壓信號輸入到該比較器的負相輸入端，比較器的正相輸入端接收一基準電壓，比較器的輸出信號送至一RS正反器的S端，正反器的R端接收晶片內部的一使能控制信號(enable)，RS正反器的輸出端接反閘的輸入端，反閘的輸出端接開關電晶體的柵極，開關電晶體的漏極接放電電阻的一端，放電電阻的另外一端接開關電源的一輸出電感。

本發明在啟動前對輸出電壓進行檢測並自輸出電感通過該放電電阻及開關電晶體對輸出進行接地放電，使得輸出電壓能夠從0開始正常完整的啟動。電路相對簡單，容易實現。

本發明自輸出電感通過該放電電阻及開關電晶體對輸出進行接地放電，而不是直接由輸出放電。一方面增加了放電的阻尼係數，另一方面避免了可調輸出架構沒有輸出(VOUT)埠而無法由輸出直接放電，使得本方法可以同時應用於固定輸出和可調輸出兩種架構，增加了應用範圍。

請參考第四圖所示，本創作是一開關電源晶片的啟動輸出檢測保護電路，包含有一輸出反饋電壓檢測模組、一控制邏輯模組、一放電電阻(44)及一開關電晶體(45)。

該輸出反饋電壓檢測模組由一比較器(41)構成，比較器(41)的負相輸入端接收一反饋電壓(FB)，正相輸入端接一內部基準信號(REF)，比較器(41)的輸出作為該控制邏輯模組的輸入。

該控制邏輯模組由一RS正反器(42)及一反閘(43)組成，正反器(42)具有一置位端(S)、一重定端(R)和一輸出端(Q)，由前述比較器(41)的輸出信號置位元，由一內部使能信號(EN)重定，當內部使能信號(EN)為高準位時，晶片停止工作；當內部使能信號(EN)為低準位時，晶片正常工作。正反器(42)的輸出連接反閘(43)的輸入，經過反閘(43)後控制該開關電晶體(45)。

反閘(43)的輸出接開關電晶體(45)的柵極，開關電晶體(45)的源極接地，漏極接放電電阻(44)的一端，放電電阻(44)的另一端接一輸出電感(L)。輸出電感(L)連接一輸出電容(C)，在輸出電容的兩端並聯一分壓電路，該分壓電路以兩個分壓電阻(46)(47)串聯構成，分壓中點即提供反饋電壓(FB)給比較器(41)的負相輸入端。

當反饋電壓(FB)信號低於內部基準電壓(REF)時，比較器(41)輸出高電平，RS正反器(42)輸出為高電平，經過反閘(43)反向後為低電平，關斷放電通路；當反饋電壓(FB)信號高於內部基準電壓(REF)時，比較器(41)輸出低電平，RS正反器(42)輸出為低電平，經過反閘(43)反向後為高電平，打開放電通路，通過放電電阻(44)和輸出電感(L)使輸出對地放電。

前述兩個分壓電阻(46)(47)可整合在晶片內部而構成一固定輸出架構，提供固定式分壓比例；亦可將分壓電阻(46)(47)不整合在晶片內部而是連接於晶片外部，構成一可調式輸出架構，通過改變分壓電阻的比例來調節設定輸出電壓，輸出電壓通過晶片的FB管腳回饋到內部電路。

雖然本發明經具體實施例作為示例加以說明，但是應該明確的是，本發明並不限於此處所公開的實施例，也不能被認為是對本發明權利要求的限制，如果其他人員依據本發明做出了非實質性的改變和改進，皆屬於本發明權利要求保護的範圍。

(11)．．．主開關電晶體

(12)．．．同步電晶體

(21)．．．誤差放大器

(24)．．．主開關電晶體

(25)．．．同步電晶體

(31)．．．比較器

(34)．．．同步電晶體

(41)．．．比較器

(42)．．．RS正反器

(43)．．．反閘

(44)．．．放電電阻

(45)．．．開關電晶體

(46)(47)．．．分壓電阻

第一圖：脈寬調製開關電源的輸出級和輸出電感及電容的連接電路圖。

第二圖：為現有技術的啟動保護電路的示意圖。

第三圖：為現有技術的另一種啟動保護電路的示意圖。

第四圖：為本發明啟動輸出檢測保護電路的示意圖。

(41)．．．比較器

(42)．．．RS正反器

(43)．．．反閘

(44)．．．放電電阻

(45)．．．開關電晶體

(46)(47)．．．分壓電阻

Claims (5)

1. 一種開關電源晶片的啟動輸出檢測保護電路，其包含：一輸出反饋電壓檢測模組，係將自一輸出電壓反饋回來的一反饋電壓信號與一基準電壓比較，以判斷反饋的電壓信號是否大於該基準電壓；一控制邏輯模組，係連接該輸出反饋電壓檢測模組接收其比較結果並輸出一控制信號；一開關電晶體，係連接該控制邏輯模組的輸出並依據該控制信號決定是否導通；一放電電阻，其第一端供連接一同步電晶體及一輸出電感，其第二端係連接該開關電晶體，該輸出電感的另一端連接一輸出電容，該輸出電容上係提供該輸出電壓；其中，當反饋的輸出電壓高於基準電壓時，停止軟啟動，開啟該開關電晶體使輸出電壓經由輸出電感及放電電阻而放電；當反饋的輸出電壓低於基準電壓時，關閉該開關電晶體，晶片正常軟啟動。
2. 如申請專利範圍第1項所述開關電源晶片的啟動輸出檢測保護電路，該輸出反饋電壓檢測模組為一比較器，該比較器的正相輸入端接收基準電壓，負相輸入端接收反饋的電壓信號。
3. 如申請專利範圍第2項所述開關電源晶片的啟動輸出檢測保護電路，該控制邏輯模組包含：一RS正反器，係具有一置位端(S)、一重定端(R)和一輸出端(Q)，該置位端連接比較器的輸出端，該重定端接收 一內部使能控制信號；一反閘，其輸入端連接該RS正反器的輸出端，反閘的輸出端連接該開關電晶體。
4. 如申請專利範圍第3項所述開關電源晶片的啟動輸出檢測保護電路，該開關電晶體具有一柵極、一源極及一漏極，該柵極連接反閘的輸出端，該源極接地，該漏極連接放電電阻。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述開關電源晶片的啟動輸出檢測保護電路，該輸出電容並聯一分壓電路，該分壓電路以兩個分壓電阻串聯構成，該兩分壓電阻之分壓中點提供該反饋電壓信號。