TWI440292B - 切換調節電路及其控制電路、及用於其中的輸入電壓偵測方法 - Google Patents

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Description

切換調節電路及其控制電路、及用於其中的輸入電壓偵測方法
本發明係有關一種切換調節電路及其控制電路、及用於其中的輸入電壓偵測方法，特別是指一種可更正確判斷功率級電路電源是否就緒之切換調節電路及其控制電路與相關方法。
切換調節電路的作用係將輸入電壓轉換為輸出電壓(或輸出電流)，通常由一控制晶片控制一功率級電路來達成，其中，晶片與功率級電路可能各別接收不同的電源。而當晶片本身的電源就緒並開始執行軟啟動(soft-start)時，必須確認功率級電路之電源亦就緒。若晶片在功率級電路之電源未就緒的情況下便執行軟啟動，整體電路可能因此受損。
針對上述問題，美國專利編號第US7233131號專利提出一種可偵測功率級電路電源是否就緒之切換調節電路。請參考第1A圖，先前技術之切換調節電路10包含：功率級電路11；以及控制晶片12，包括：雙電源感測器121；電流源122，用以進行過電流保護；第一比較器123；第二比較器124；第三比較器125；第一驅動閘極126；以及第二驅動閘極127。控制晶片12產生測試訊號Vc1及Vc2，使功率級電路11之上橋元件UG導通(ON)且下橋元件LG關閉(OFF)，以致於第一比較器122可在上橋元件UG導通時藉由比較中間電壓之分壓Vp與一過電流臨界電壓Voc來確認輸入電壓Vin是否已就緒。如第1B圖所示，當輸入電壓Vin已就緒，功率級電路11之中間電壓Vph等於輸入電壓Vin，以致於其分壓Vp大於參考電壓Voc；如第1C圖所示，當輸入電壓Vin未就緒(Vin=0，如圖所示)且上橋元件UG導通時，功率級電路之中間電壓Vph等於輸入電壓Vin(等於地電位0V)，以致於其分壓Vp小於參考電壓Voc。因此，如適當安排偵測時機，例如圖中偵測訊號det所示，令上橋元件UG導通後對分壓Vp和過電流臨界電壓Voc的相對關係進行偵測，即可判斷出輸入電壓Vin是否就緒。
但第1C圖所示之情況為理想情況，實際上輸出電壓Vout不必然等於地電位0V。如第1D圖所示之實際情況，當輸入電壓Vin未就緒(Vin浮動，如圖所示)且上橋元件UG導通時，功率級電路之中間電壓Vph等於輸出電壓Vout，此時由於功率級電路之輸出端Vout若有殘存電壓，則中間電壓Vph之分壓Vp就有可能大於參考電壓Voc。因此，先前技術便會在第1D圖所示之情況當中誤判輸入電壓Vin已就緒，以致於控制晶片12仍然會在功率級電路11之電源未就緒的情況下執行軟啟動，造成整體電路受損。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種切換調節電路及其控制電路、及用於其中的輸入電壓偵測方法，可更正確的判斷功率級電路之輸入電壓Vin是否就緒。
本發明的目的之一在提供一種切換調節電路。
本發明的另一目的是提供一種切換調節電路之控制電路。
本發明的再一目的是提供一種用於切換調節電路的輸入電壓偵測方法。
為達上述之目的，就其中一個觀點言，本發明提供了一種切換調節電路，包含：一功率級電路，包括互相耦接之一上橋元件與一下橋元件，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，並在該上橋元件與一下橋元件間之一節點處產生一中間電壓；以及一控制電路，此控制電路包括：一開關操作電路，用以操作該功率級電路，其輸入一測試訊號至該上橋元件，以使該上橋元件導通一段時間後關閉；以及一比較器，於該上橋元件導通時間結束後，根據該中間電壓與一參考電壓之比較結果，產生一就緒訊號表示輸入電壓是否就緒。
就另一個觀點言，本發明提供了一種切換調節電路之控制電路，該切換調節電路包含一功率級電路，其包括互相耦接之一上橋元件與一下橋元件，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，並在該上橋元件與一下橋元件間之一節點處產生一中間電壓；該切換調節電路之控制電路包含：一開關操作電路，用以操作該功率級電路，其輸入一測試訊號至該上橋元件，以使該上橋元件導通一段時間後關閉；以及一比較器，於該上橋元件導通時間結束後，根據該中間電壓與一參考電壓之比較結果，產生一就緒訊號表示輸入電壓是否就緒。
上述切換調節電路或控制電路中，可更進一步包含一過電流保護電路，且該比較器可包含一切換開關，使得該比較器可選擇性地接收該參考電壓或一過電流臨界電壓，與該中間電壓比較；當該比較器選擇性接收該過電流臨界電壓時，該比較器之輸出與該過電流保護電路耦接。
上述切換調節電路或控制電路中，該參考電壓宜具有以下關係：0＞參考電壓＞-Vf，其中Vf為二極體的順向偏壓。
就再一個觀點言，本發明提供了一種輸入電壓偵測方法，包含：提供一功率級電路，包括互相耦接之一上橋元件與一下橋元件，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，並在該上橋元件與一下橋元件間之一節點處產生一中間電壓；產生一測試訊號至該上橋元件，以使上橋元件導通一段時間；以及於該導通時間結束後，比較該中間電壓與一參考電壓，當該中間電壓為一負電壓，且其絕對值大於該參考電壓時，產生一就緒訊號，用以表示該輸入電壓已就緒。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
請參考第2A圖，本發明之切換調節電路20包含：功率級電路21；以及控制電路22(可與其他電路整合成一控制晶片)，包括：開關操作電路221；比較器222；第一驅動閘223；以及第二驅動閘224。本發明不同於先前技術之處在於，比較器222的參考電壓設定位準和比較時機，皆與先前技術不同；詳言之，本發明先藉由開關操作電路221產生測試訊號Vc1，使功率級電路11之上橋元件UG導通(ON)一段時間，再於上橋元件UG不導通(OFF)時比較中間電壓Vph(或中間電壓Vph之分壓)與一參考電壓Vref來確認輸入電壓Vin是否已就緒。測試訊號Vc1例如可根據電路啟動時的啟動重置訊號(Power On Reset)來產生。
請參考第3A-3D圖，以瞭解本發明如何正確無誤地確認輸入電壓Vin是否已就緒，其中，第3A-3B圖顯示電壓Vin已就緒之情形，而第3C-3D圖顯示電壓Vin未就緒之情形。如第3A圖所示，若輸入電壓Vin已就緒且上橋元件UG因測試訊號Vc1而導通時(以上橋元件UG為NMOS電晶體為例，此時上橋節點Vug處於高電位)，電流iL將由功率級電路21之輸入端Vin流向功率級電路21之輸出端Vout，此時中間電壓Vph約等於輸入電壓Vin；接著，如第3B圖所示，當測試訊號Vc1結束後，上橋元件UG不導通(上橋元件UG為NMOS電晶體時，上橋節點Vug處於低電位)，此時由於電感L之效應，電流iL將由地電位經過下橋元件LG(下橋元件LG例如為圖示之電晶體，亦可為二極體)，進而流向輸出端Vout，此時中間電壓Vph與地電位之差值至少等於下橋元件LG電晶體中寄生之二極體的順向偏壓Vf。亦即，當輸入電壓已就緒，經過第3A-3B圖之測試步驟使上橋元件UG導通再關閉後，中間電壓Vph將為一負電壓且其絕對值至少等於二極體的順向偏壓Vf。
第3C-3D圖顯示在輸入電壓Vin未就緒且功率級電路21之輸出端Vout有殘存電壓之情況。如第3C圖所示，當上橋元件UG開關因測試訊號Vc1而導通時，電流iL將由功率級電路21之輸出端Vout流向輸入端Vin，此時中間電壓Vph約等於輸出電壓Vout；接著，如第3D圖所示，當測試訊號Vc1結束後，上橋元件UG不導通，此時電流iL仍然繼續由輸出端Vout經過上橋元件UG電晶體寄生之二極體，流向輸入端Vin。因此，中間電壓Vph至少等於輸入電壓Vin加上上橋元件UG電晶體中寄生之二極體的順向偏壓Vf(Vph=Vin+Vf)，因輸入電壓Vin至少為零而不為負值，故中間電壓Vph為正值(即Vph>0>-Vf)。
又，在輸入電壓Vin未就緒且輸出端Vout沒有殘存電壓的情況下，當上橋元件UG開關因測試訊號Vc1而導通時，電感兩端沒有電壓差，因此不會產生電感電流，而當測試訊號Vc1結束後，上橋元件UG不導通，此時仍然沒有電流，故中間電壓Vph為0。
綜合以上三種情況，可根據下列方式判斷輸入電壓Vin是否就緒：
請回頭參閱第2A-2D圖，當中顯示由於本發明之偵測時間點與偵測機制皆有別於先前技術，因此可更正確的偵測功率級電路21之輸入電壓Vin是否就緒。第2A圖中，Vref可設為任何大於-Vf且小於0之值；如第2B圖所示，在輸入電壓Vin已就緒之情況下，若上橋元件UG導通後再關閉，中間電壓Vph將小於等於-Vf，故可在上橋元件UG關閉後立即或延遲一小段時間後產生偵測訊號det，在偵測訊號det的致能下，比較器222將中間電壓Vph與參考電壓Vref比較；如同第3C-3D圖中所描述之機制，若Vph≦-Vf，則代表輸入電壓Vin已就緒。此外，如第2C圖所示，在輸入電壓Vin未就緒(Vin=0)且輸出端Vout沒有殘存電壓(Vout=0)之情況下，中間電壓Vph將等於0而大於參考電壓Vref，亦即，Vph=0＞-Vf；又如第2D圖所示，在輸入電壓Vin未就緒(Vin浮動)且輸出端Vout有殘存電壓之情況下，中間電壓Vph將大於參考電壓Vref，亦即，Vph＞0＞-Vf。以上如與先前技術之第1B-1D圖對照，可充分顯示，本發明在功率級電路21之輸出端Vout有殘存電壓時，亦能正確的偵測出輸入電壓Vin未就緒，此為本發明優於先前技術之原因之一。
第4圖示出本發明之另一個實施例，當中控制電路22更可包含一過電流保護電路225。在第4圖中，比較器222亦可更包含切換開關226與227，使得在比較器222除了可接收參考電壓Vref之外，亦可接收一過電流臨界電壓Voc，且其輸出傳送給開關操作電路221或過電流保護電路225。在電路啟動時，比較器222將中間電壓Vph與參考電壓Vref比較，判斷輸入電壓Vin是否就緒；一旦輸入電壓Vin就緒後，切換開關226與227改變狀態，使比較器222將中間電壓Vph與過電流臨界電壓Voc相比較，並輸出比較結果給過電流保護電路225。換言之，在本實施例中，過電流保護電路225及開關操作電路221可共用同一比較器222。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，各實施例圖示之兩直接相連的元件間，可插置不影響電路主要功能的其他元件；再如，功率級電路11中的功率開關的電晶體可以為NMOSFET亦可為PMOSFET；又如，本發明之功率級電路並不限於同步降壓轉換器，亦可類推於其他同步與非同步之降壓、升壓、升降壓轉換器，如第5A到5H圖舉例所示；再如，將中間電壓Vph和參考電壓Vref比較，亦可改為將中間電壓Vph的分壓和參考電壓Vref的比例值比較，或將負值轉換為絕對值來比較等等。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
10,20‧‧‧切換式調節電路
11,21‧‧‧功率級電路
12‧‧‧控制晶片
121‧‧‧雙電源感應器
122‧‧‧電流源
123‧‧‧第一比較器
124‧‧‧第二比較器
125‧‧‧第三比較器
126,223‧‧‧第一驅動閘極
127,224‧‧‧第二驅動閘極
22‧‧‧控制電路
221‧‧‧開關操作電路
222‧‧‧比較器
225‧‧‧過電流保護電路
226,227‧‧‧切換開關
UG‧‧‧上橋元件
LG‧‧‧下橋元件
iL‧‧‧電流
L‧‧‧電感
Vug‧‧‧上橋節點
Vcc1‧‧‧晶片輸入電壓
Vph‧‧‧中間電壓
Vp‧‧‧中間電壓之分壓
Voc‧‧‧過電流臨界電壓
Vref‧‧‧參考電壓
Vc1,Vc2‧‧‧控制訊號
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
det‧‧‧偵測訊號
第1A圖為先前技術之切換調節電路的示意圖。
第1B-1D圖顯示先前技術無法完全正確地偵測功率級電路之輸入電壓是否就緒。
第2A圖示出本發明之一個實施例。
第2B-2D圖顯示本發明可正確地偵測功率級電路之輸入電壓是否就緒。
第3A-3D圖顯示本發明如何偵測輸入電壓是否就緒。
第4圖示出本發明之另一個實施例。
第5A-5H圖示出功率級電路的數個實施例。
20‧‧‧切換式調節電路
21‧‧‧功率級電路
22‧‧‧控制電路
221‧‧‧開關操作電路
222‧‧‧比較器
223‧‧‧第一驅動閘極
224‧‧‧第二驅動閘極
UG‧‧‧上橋元件
LG‧‧‧下橋元件
L‧‧‧電感
Vph‧‧‧中間電壓
Vref‧‧‧參考電壓
Vc1‧‧‧控制訊號
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vug‧‧‧上橋節點
det‧‧‧偵測訊號

Claims (11)

  1. 一種切換調節電路，包含：一功率級電路，包括互相耦接之一上橋元件與一下橋元件，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，並在該上橋元件與一下橋元件間之一節點處產生一中間電壓；以及一控制電路，包括：一開關操作電路，用以操作該功率級電路，其中在該功率級電路開始將該輸入電壓轉換為該輸出電壓之前，該開關操作電路輸入一測試訊號至該上橋元件，以使該上橋元件導通一段時間後關閉；以及一比較器，於該上橋元件導通時間結束後，根據該中間電壓與一參考電壓之比較結果，產生一就緒訊號表示輸入電壓是否就緒。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之切換調節電路，其中該參考電壓具有以下關係：0>參考電壓>-Vf，其中Vf為二極體的順向偏壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之切換調節電路，其中該比較器更包含一切換開關，使得該比較器可選擇性地接收該參考電壓或一過電流臨界電壓，與該中間電壓比較。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之切換調節電路，更包含有一過電流保護電路，當該比較器選擇性接收該過電流臨界電壓時，該比較器之輸出與該過電流保護電路耦接。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之切換調節電路，其中該功率級電路包括：降壓轉換電路、升壓轉換電路、或升降壓轉換電路。
  6. 一種切換調節電路之控制電路，該切換調節電路包 含一功率級電路，其包括互相耦接之一上橋元件與一下橋元件，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，並在該上橋元件與一下橋元件間之一節點處產生一中間電壓；該切換調節電路之控制電路包含：一開關操作電路，用以操作該功率級電路，其中在該功率級電路開始將該輸入電壓轉換為該輸出電壓之前，該開關操作電路輸入一測試訊號至該上橋元件，以使該上橋元件導通一段時間後關閉；以及一比較器，於該上橋元件導通時間結束後，根據該中間電壓與一參考電壓之比較結果，產生一就緒訊號表示輸入電壓是否就緒。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之切換調節電路之控制電路，其中該參考電壓具有以下關係：0>參考電壓>-Vf，其中Vf為二極體的順向偏壓。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之切換調節電路之控制電路，其中該比較器更包含一切換開關，使得該比較器可選擇性地接收該參考電壓或一過電流臨界電壓，與該中間電壓比較。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之切換調節電路之控制電路，更包含有一過電流保護電路，當該比較器選擇性接收該過電流臨界電壓時，該比較器之輸出與該過電流保護電路耦接。
  10. 一種輸入電壓偵測方法，包含：提供一功率級電路，包括互相耦接之一上橋元件與一下橋元件，以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，並在該上橋元件與一下橋元件間之一節點處產生一中間電壓；在開始將該輸入電壓轉換為該輸出電壓之前，利用以下方 式確認該輸入電壓是否已就緒：產生一測試訊號至該上橋元件，以使上橋元件導通一段時間；以及於該導通時間結束後，比較該中間電壓與一參考電壓，當該中間電壓為一負電壓，且其絕對值大於該參考電壓時，產生一就緒訊號，用以表示該輸入電壓已就緒。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之輸入電壓偵測方法，其中該參考電壓具有以下關係：0>參考電壓>-Vf，其中Vf為二極體的順向偏壓。
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