TWI460952B - 一種保護電路 - Google Patents

Description

一種保護電路

本案是有關於一種保護電路。

隨著電子技術的發展，各式保護電路已普遍地應用在電子裝置中，如緩啟動電路或過電流保護電路等。

低壓降穩壓器(low drop-out regulator，LDO)為一種常見的電壓穩壓器，其具有體積小及低雜訊的特色。一般而言，低壓降穩壓器在啟動時，若其輸出電壓變化過快，則會產生高額的衝擊電流(inrush current)。此衝擊電流可能導致電路中的元件受損，或使得提供給低壓降穩壓器的電源產生壓降，而影響連接於同一電源的其它電路。

因此，一種用以降低或避免前述衝擊電流的緩啟動電路須被實現。

本案提供一種保護電路。根據本案一實施例，保護電路用以連接輸入源並提供輸入電流，且輸出輸出電壓。保護電路包括充電單元、穩壓單元以及比較單元。

充電單元用以接收升壓訊號與過電流訊號，並輸出第一參考電壓。穩壓單元連接充電單元。穩壓單元接收第一參考電壓，並且根據第一參考電壓與回授電壓，調整輸出電壓。

比較單元連接穩壓單元與充電單元，用以接收回授電壓，並比較回授電壓與第一門檻電壓，決定是否輸出升壓訊號至充電單元。

因此本案不只可以提供具備緩啟動功能保護電路且可同時提供具備緩啟動功能及過電流保護功能之保護電路。

10‧‧‧負載

COMP1-COMP3‧‧‧比較器

100‧‧‧保護電路

110‧‧‧充電單元

112‧‧‧或閘

114‧‧‧反閘

116‧‧‧反及閘

118‧‧‧電流源

120‧‧‧穩壓單元

130‧‧‧過電流感測單元

132‧‧‧邊緣檢測電路

134‧‧‧S-R閂鎖器

140‧‧‧比較單元

150‧‧‧參考電壓產生器

C1-C2‧‧‧電容

RF1、RF2、RSEN‧‧‧電阻

MUX1-MUX2‧‧‧多工器

OP‧‧‧放大器

MN1‧‧‧控制開關

MP1、MP2‧‧‧類比開關

SRC‧‧‧輸入源

VREFH、VREFL、VBG、V1、V2、SVREF‧‧‧參考電壓

VIN、VSEN、VRSEN、EX_VO、VFB、、VC1‧‧‧電壓

RISE、PBI、POVC、OVCO、DEOVC、SROVC、SROVC_N、VSEL、DCSW‧‧‧訊號

I‧‧‧輸入電流

VTH‧‧‧門檻電壓

t1-t4‧‧‧時間點

S1-S4‧‧‧狀態

圖1為根據本案一實施例所繪示的保護電路之示意圖；圖2為圖1中的保護電路於一實施例中的狀態時序圖。

以下將以圖式及詳細敘述清楚說明本揭示內容之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本揭示內容之較佳實施例後，當可由本揭示內容所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本揭示內容之精神與範圍。

圖1為根據本案一實施例所繪示的保護電路100之示意圖。保護電路100包括充電單元110、穩壓單元120、過電流感測單元130、比較單元140以及參考電壓產生器 150。充電單元110連接穩壓單元120、過電流感測單元130比較單元140以及參考電壓產生器150。參考電壓產生器150連接過電流感測單元130與比較單元140。

在本實施例中，穩壓單元120用以接收輸入源SRC的輸入電壓VIN，並提供輸出電壓EX_VO至負載10。其中，穩壓單元120包括電容C2，且穩壓單元120係接收第一第一參考電壓SVREF並比較第一參考電壓SVREF與回授電壓VFB，以使輸入源SRC根據第一參考電壓SVREF與回授電壓VFB提供輸入電流I對第二電容C2充電。

充電單元110包括電容C1。充電單元110用以接收並相應於升壓訊號RISE與過電流訊號SRVOC對電容C1充電或放電。其中，充電單元110依據所接收的升壓訊號RISE與過電流訊號SRVOC，來決定輸出電容電壓VC1或固定的第二參考電壓VBG至穩壓單元120，以在緩啟動狀態或重新緩啟動狀態時，令穩壓單元120的輸出電壓EX_VO緩慢上升。並在過電流狀態時，令輸入源SRC與負載10不連接，並使穩壓單元120的輸出電壓EX_VO快速下降。

比較單元140用以接收回授電壓VFB並比較回授電壓VFB與第一門檻電壓VTH，且根據回授電壓VFB與第一門檻電壓VTH決定是否輸出升壓訊號RISE至充電單元110，以在回授電壓VFB超過第一門檻電壓VTH並輸出電壓EX_VO到達期待的電壓值，使輸出電壓EX_VO停止上升。

過電流感測單元130用以接收相關於輸入電流I的感測電壓VRSEN(即輸入電壓VIN-電壓VSEN)，並比較感 測電壓VRSEN與第二門檻電壓V1-V2，以根據感測電壓VRSEN與第二門檻電壓V1-V2決定是否輸出過電流訊號SROVC至充電單元110，以在輸入電流I過大時通知充電單元110，使充電單元110進行過電流保護操作。

當注意到，透過上述穩壓單元120、充電單元110以及比較單元140的設置，一種具備緩啟動功能保護電路100可被實現。而透過過電流感測單元130的設置，更使保護電路100具備過電流保護的功能。

以下將對各單元進行更詳細的介紹。

穩壓單元120可連接輸入源SRC以及負載10。在結構上，穩壓單元120包括放大器OP、類比開關MP1、類比開關MP2、感測電阻RSEN、電阻RF1、電阻RF2以及電容C2。類比開關MP1、MP2例如是P型電晶體。放大器OP的反相輸入端連接充電單元110，放大器OP的非反相輸入端連接電阻RF1、RF2，接收回授電壓VFB，放大器OP的輸出端連接類比開關MP1、MP2的控制端。

類比開關MP1的第一端連接輸入源SRC，類比開關MP1的第二端連接電容C2的第一端。類比開關MP2的第一端連接感測電阻RSEN的第一端，類比開關MP2的第二端連接電容C2的第一端。

感測電阻RSEN的第二端連接輸入源SRC。電阻RF1的第一端連接電容C2的第一端，電阻RF1的第二端連接電阻RF2及放大器OP的非反相輸入端，電阻RF2的第二端連接電容C2的第二端並接地。負載10並聯於電容C2。

在功能上，輸出電壓EX_VO可透過電阻RF1與電阻RF2產生並提供回授電壓VFB至放大器OP。放大器OP可接收並比較第一參考電壓SVREF與回授電壓VFB，並用以根據電壓SVREF與回授電壓VFB的差距調整提供至類比開關MP1、MP2的控制訊號PBI。類比開關MP1、MP2可接收並根據控制訊號PBI而調整流過類比開關MP1、MP2的輸入電流I的大小。亦即，輸入源SRC可根據輸入電壓VIN與控制訊號PBI的電壓差，開啟類比開關MP1、MP2並調整提供至穩壓單元120的輸入電流I，使電容C2充電，並使輸出電壓EX_VO與回授電壓VFB隨電容C2之跨壓提升。換言之，上述的設置係使穩壓單元120形成閉迴路(close loop)，回授電壓VFB隨電壓SVREF提升，而連帶使輸出電壓EX_VO提升。

另外，類比開關MP2與感測電阻RSEN可用以感測輸入電流I。舉例而言，類比開關MP1與類比開關MP2的通道寬度可為預設比例1：K，其中數值K例如是遠大於1，如此一來，通過類比開關MP1與類比開關MP2的電流比可大致等於通道寬度比，當輸入電流I越大，流過感測電阻RSEN的電流就越大，且感測電阻RSEN兩端的跨壓(亦即感測電壓VRSEN=VIN-VSEN)也越大。是以，透過測量感測電壓VRSEN，可得知輸入電流I的大小。當注意到的是，在一實施例中，如保護電路100無過電流保護功能，類比開關MP2與感測電阻RSEN可依實際需求省略。

充電單元110包括或閘112、反閘114、反及閘116、 電流源118、控制開關MN1(例如是N型電晶體)、電容C1以及多工器MUX1。在結構上，或閘112的第一輸入端連接比較單元140，或閘112的第二輸入端連接過電流感測單元130，或閘112的輸出端連接反及閘116的第一輸入端及多工器MUX1的控制端。反閘114的輸入端連接過電流感測單元130，反閘114的輸出端連接連接反及閘116的第二輸入端。

控制開關MN1的第一端連接電流源118與電容C1的第一端，控制開關MN1的第二端連接電容C2的第二端並接地，控制開關MN1的控制端連接反及閘116的輸出端。多工器MUX1的第一輸入端連接參考電壓產生器150，接收第二參考電壓VBG，多工器MUX1的第二輸入端連接電容C1的第一端，多工器MUX1的輸出端連接放大器OP的反相輸入端。

在功能上，或閘112可接收比較單元140提供的升壓訊號RISE以及過電流感測單元130提供的過電流訊號SRVOC，並根據升壓訊號RISE以及過電流訊號SRVOC決定是否輸出選擇訊號VSEL至反及閘116以及多工器MUX1。反閘114可接收並根據過電流訊號SRVOC並決定是否輸出反相的過電流訊號SRVOC_N至反及閘116。

反及閘116可接收選擇訊號VSEL與反相的過電流訊號SRVOC_N，並根據選擇訊號VSEL與反相的過電流訊號SRVOC_N決定是否輸出切換訊號DCSW至控制開關MN1。控制開關MN1接收並根據切換訊號DCSW開啟或關 閉，當控制開關MN1關閉時，電流源118對電容C1充電，當控制開關MN1開啟時電容C1透過控制開關MN1放電。換言之，控制開關MN1可根據升壓訊號RISE與過電流訊號SRVOC以決定開啟或關閉，而分別使電容C1充電或放電。

多工器MUX1可接收第二參考電壓VBG、電容電壓VC1以及選擇訊號VSEL，並根據選擇訊號VSEL而輸出固定的第二參考電壓VBG或電容電壓VC1至穩壓單元120，作為電壓SVREF。其中電容電壓VC1為電容C1之跨壓。

比較單元140可包括多工器MUX2與比較器COMP1。在結構上，多工器MUX2的兩輸入端皆連接參考電壓產生器150，分別接收第三參考電壓VREFH與第二參考電壓VBG，多工器MUX2的輸出端連接比較器COMP1的第一輸入端。比較器COMP1的第二輸入端接收回授電壓VFB，比較器COMP1的輸出端連接多工器MUX2的控制端以及或閘112的第一輸入端。

在功能上，多工器MUX2可接收第三參考電壓VREFH、第二參考電壓VBG以及升壓訊號RISE，並根據升壓訊號RISE輸出第三參考電壓VREFH或第二參考電壓VBG至比較器COMP1，作為第一門檻電壓VTH。比較器COMP1接收並比較第一門檻電壓VTH及回授電壓VFB，以根據第一門檻電壓VTH及回授電壓VFB決定是否輸出升壓信號RISE至多工器MUX2及充電單元110。

過電流感測單元130可包括比較器COMP2、比較 器COMP3、邊緣檢測電路(edge detection circuit)132以及S-R閂鎖器134。在結構上，比較器COMP3的第一輸入端與第二輸入端分別連接感測電阻RSEN的兩端，比較器COMP3的第三輸入端與第四輸入端皆連接參考電壓產生器150，分別接收第四參考電壓V1與第五參考電壓V2，比較器COMP3的輸出端連接邊緣檢測電路132的輸入端。邊緣檢測電路132的輸出端連接S-R閂鎖器134的S端。比較器COMP2的非反相輸入端連接參考電壓產生器150，比較器COMP2的反相輸入端連接電容C2的第一端，比較器COMP2的輸出端連接S-R閂鎖器134的R端。S-R閂鎖器134的輸出端連接或閘112的第二輸入端。

在功能上，比較器COMP3可接收並比較第四參考電壓V1、第五參考電壓V2以及感測電阻RSEN兩端的電壓VIN以及VSEN，以第四參考電壓V1、第五參考電壓V2以及感測電阻RSEN兩端的電壓VIN以及VSEN決定是否輸出輸出比較訊號OVCO至邊緣檢測電路132。邊緣檢測電路132可接收並根據比較訊號OVCO，決定是否輸出脈衝訊號POVC至S-R閂鎖器134。

比較器COMP2可接收並比較第六參考電壓VREFL(即第三門檻電壓)及輸出電壓EX_VO，以根據第六參考電壓VREFL及輸出電壓EX_VO決定是否輸出輸出重置訊號DEOVC至S-R閂鎖器134。S-R閂鎖器134可接收並根據脈衝訊號POVC及重置訊號DEOVC，決定是否輸出過電流訊號SRVOC至充電單元110。換言之，S-R閂鎖器134係用 以在輸入電流I超過預設門檻時，輸出過電流訊號SRVOC(例如是高電位位準)，並在輸出電壓EX_VO小於第三門檻電壓時，停止輸出過電流訊號SRVOC。

參考電壓產生器150可輸出第三參考電壓VREFH、第六參考電壓VREFL、第二參考電壓VBG、第四參考電壓V1及第五參考電壓V2。以上各參考電壓之數值當可依實際需求進行調整。於此實施例中，V1>V2，VBG>VREFH>VREFL。

另外，當注意到，以上各單元中的元件設置與連接關係僅為實施上的例示，本案不以圖1中所示之結構為限。

圖2為圖1中的保護電路100於一實施例中的狀態時序圖。以下將搭配圖1、圖2進一步說明保護電路100的操作。

在時間點t1以前，保護電路100處於未啟動狀態(狀態S0)。此時，輸出電壓EX_VO為0，故回授電壓VFB亦為0。在本實施例中，可設置第三參考電壓VREFH與第二參考電壓VBG皆大於0，以使多工器MUX2無論輸出的電壓為何者皆大於回授電壓VFB。

如此一來，比較器COMP1比較多工器MUX2的輸出電壓與回授電壓VFB，並根據多工器MUX2的輸出電壓與回授電壓VFB輸出升壓訊號RISE(例如是高電位準位)。而後，多工器MUX2根據升壓訊號RISE，輸出第二參考電壓VBG做為第一門檻電壓VTH。另一方面，由於過電流尚 未產生，故S-R閂鎖器134未輸出過電流訊號SRVOC(例如輸出低電位準位)。

在時間點t1時，保護電路100切換至緩啟動狀態(狀態S1)。此時，或閘112接收並根據升壓訊號RISE，輸出選擇訊號VSEL(例如是高電位準位)。反閘114由於沒有接收過電流訊號SRVOC(例如接收低電位準位)，故輸出反相的過電流訊號SRVOC_N(例如是輸出高電位準位)。而後，反及閘116接收並根據選擇訊號VSEL及反相的過電流訊號SRVOC_N，不輸出切換訊號DCSW(例如輸出低電位準位)，以關閉控制開關MN1，而使電流源118對電容C1充電，以令電容C1之跨壓上昇。另一方面，多工器MUX1接收並根據選擇訊號VSEL輸出電容電壓VC1。

當電容C1之跨壓上昇以使電容電壓VC1大於0時，放大器OP接收並比較電容電壓VC1與回授電壓VFB，以根據電容電壓VC1與回授電壓VFB輸出第一電位(例如是低電位)的控制訊號PBI。輸入源SRC可根據輸入電壓VIN與控制訊號PBI的電壓差，可調整地開啟類比開關MP1、MP2以調整提供至穩壓單元120的輸入電流I，，使電容C2充電，而讓輸出電壓EX_VO隨電容C2的跨壓緩慢提升。

在時間點t2時，保護電路100切換至啟動完成狀態(狀態S2)。此時，回授電壓VFB大於第一門檻電壓VTH=VBG，以使比較器COMP1停止輸出升壓訊號RISE(例如是輸出低電壓準位)。相應地，多工器MUX2輸出第三參考電壓VREFH做為第一門檻電壓VTH。

另一方面，或閘112未接收到升壓訊號RISE與過電流訊號SRVOC，故不輸出選擇訊號VSEL(例如是輸出低電壓準位)。反及閘116未接收到選擇訊號VSEL，故輸出切換訊號DCSW(例如是高電位準位)，以開啟控制開關MN1，而令電容C1透過控制開關MN1放電，從而使電容C1之跨壓下降。另一方面，多工器MUX1未接收到選擇訊號VSEL，故輸出固定的第二參考電壓VBG至穩壓電路120，以使輸出電壓EX_VO與回授電壓VFB穩定並停止提升。

在時間點t3時，過電流發生(亦即輸入電流I超過預設門檻)，使保護電路100切換為過電流狀態(狀態S3)。此時，感測電壓VRSEN大於第二門檻電壓，使比較器COMP3輸出比較訊號OVCO(例如是高電位準位)。而後，邊緣檢測電路132接收並根據比較訊號OVCO輸出脈衝訊號POVC。接著，S-R閂鎖器134接收並根據脈衝訊號POVC輸出過電流訊號SRVOC(例如是高電壓準位)。

接著，或閘112接收並根據過電流訊號SRVOC輸出選擇訊號VSEL。另一方面，反閘114接收並根據過電流訊號SRVOC不輸出反相的過電流訊號SRVOC_N(例如是輸出低電壓準位)。反及閘116接收選擇訊號VSEL而未接收反相的過電流訊號SRVOC_N，故相應地輸出切換訊號DCSW，以開啟控制開關MN1。另一方面，多工器MUX1接收並根據選擇訊號VSEL輸出電容電壓VC1至放大器OP。

此外，由於電容C1在時間點t2-t3中為放電狀態且回授電壓VFB在時間點t2-t3中保持穩定，故回授電壓 VFB大於電容電壓VC1，故放大器OP比較電容電壓VC1與回授電壓VFB，並根據電容電壓VC1與回授電壓VFB輸出第二電位(例如是高電位)的控制訊號PBI。由於輸入電壓VIN與控制訊號PBI的電壓差不足以開啟類比開關MP1、MP2，故電晶體MP1、MP2關閉，電容C2放電，且輸出電壓EX_VO及回授電壓VFB隨電容C2的跨壓下降。而後，當回授電壓VFB下降至小於第一門檻電壓VTH=VREFH時，比較器COMP1根據回授電壓VFB與第一門檻電壓VTH輸出升壓訊號RISE。

在時間點t4時，保護電路100切換為重新緩啟動狀態(狀態S4)。此時，輸出電壓EX_VO小於第六參考電壓VREFL，使比較器COMP2輸出比較訊號DEOVC(例如是高電位準位)。S-R閂鎖器134接收並根據比較訊號DEOVC停止輸出過電流訊號SRVOC。此後操作可參照緩啟動狀態(狀態S1)，且此時輸出電壓EX_VO緩慢上升，其中的細節在此不再贅述。

雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧負載

100‧‧‧保護電路

110‧‧‧充電單元

112‧‧‧或閘

114‧‧‧反閘

116‧‧‧反及閘

118‧‧‧電流源

120‧‧‧穩壓單元

130‧‧‧過電流感測單元

132‧‧‧邊緣檢測電路

134‧‧‧S-R閂鎖器

140‧‧‧比較單元

150‧‧‧參考電壓產生器

C1-C2‧‧‧電容

OP‧‧‧放大器

COMP1-COMP3‧‧‧比較器

MN1‧‧‧控制開關

MP1、MP2‧‧‧類比開關

SRC‧‧‧輸入源

VREFH、VREFL、VBG、V1、V2、SVREF‧‧‧參考電壓

VIN、VSEN、VRSEN、EX_VO、VFB、VC1‧‧‧電壓

RISE、PBI、POVC、OVCO、DEOVC、SROVC、SROVC_N、VSEL、DCSW‧‧‧訊號

I‧‧‧輸入電流

VTH‧‧‧門檻電壓

RF1、RF2、RSEN‧‧‧電阻

MUX1-MUX2‧‧‧多工器

Claims (13)

1. 一種保護電路，用以連接一輸入源，該輸入源係用以提供一輸入電流，該保護電路輸出一輸出電壓，其中該保護電路包括：一充電單元，用以接收一升壓訊號與一過電流訊號，並輸出一第一參考電壓；一穩壓單元，電性連接於該充電單元，其中該穩壓單元接收該第一參考電壓，並且根據該第一參考電壓與一相應於該輸入電流的回授電壓，以調整該輸出電壓；以及一比較單元，電性連接於該穩壓單元與該充電單元，用以接收該回授電壓，並比較該回授電壓與一第一門檻電壓，決定是否輸出該升壓訊號至該充電單元。
2. 如請求項1所述之保護電路，其中該充電單元包括一多工器，該多工器接收一第二參考電壓及一電容電壓，並且該多工器依據該升壓訊號及該第二參考電壓決定輸出該第二參考電壓或該電容電壓用以做為該第一參考電壓。
3. 如請求項2所述之保護電路，其中該充電單元更包括：一控制開關；一電流源，電性連接於該控制開關；以及一電容器，電性連接於該控制開關，用以提供該電容 電壓，其中，該控制開關依據該升壓訊號及該過電流訊號調整該電容電壓。
4. 如請求項3所述的保護電路，其中在一緩啟動狀態下，該充電單元藉由該升壓訊號調整該控制開關以提升該電容電壓並輸出該電容電壓至該穩壓單元。
5. 如請求項3所述的保護電路，其中在一啟動完成狀態下，當該回授電壓大於該第一門檻電壓時，該比較單元停止輸出該升壓訊號至該充電單元，使該充電單元降低該電容電壓，並輸出該第二參考電壓至該穩壓單元。
6. 如請求項1所述之保護電路，其中該穩壓單元包括一放大器以及一第一類比開關，該放大器依據該第一參考電壓以及該回授電壓調整該第一類比開關。
7. 如請求項1所述之保護電路，其中該比較單元依據一第三參考電壓與一第二參考電壓產生該第一門檻電壓。
8. 如請求項1所述的保護電路，更包括：一過電流感測單元，電性連接於該穩壓單元以及該充電單元，用以接收穩壓單元中相應於該輸入電流的一感測 電壓，並比較該感測電壓與一第二門檻電壓，以決定是否輸出該過電流訊號。
9. 如請求項8所述的保護電路，其中該充電單元根據該過電流訊號，以選擇性提升或降低該電容電壓並選擇性輸出該電容電壓或該參考電壓。
10. 如請求項8所述的保護電路，其中該穩壓單元包括：一第一類比開關；一第二類比開關；以及一感測電阻，串聯於該第二類比開關，其中該第一類比開關並聯於該第二類比開關與該感測電阻的電路組合，其中流經該第一類比開關的該輸入電流與流經該第二類比開關的電流具有一預設比例，並且流經該第二類比開關的電流在該感測電阻上形成該感測電壓。
11. 如請求項8所述的保護電路，其中在一過電流狀態下，當該感測電壓大於或等於該第二門檻電壓時，該過電流感測單元輸出該過電流訊號至該充電單元，則該充電單元降低該電容電壓並輸出該電容電壓至該穩壓單元，以停止提供該輸入電流至該穩壓單元。
12. 如請求項8所述的保護電路，其中在該過電流狀態下，當該回授電壓小於該第一門檻電壓時，該比較單元輸出該升壓訊號至該充電單元。
13. 如請求項8所述的保護電路，其中該過電流感測單元更用以接收該輸出電壓，並比較該輸出電壓與一第三門檻電壓，並根據該輸出電壓與該第三門檻電壓，決定是否輸出該過電流訊號至該充電單元。