TWI463770B - 具有緩停止功能的同步直流對直流轉換器 - Google Patents

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Description

具有緩停止功能的同步直流對直流轉換器
本發明係指一種同步直流對直流轉換器，尤指一種具有緩停止(soft-stop)功能的同步直流對直流轉換器，其可於被關閉時或保護電路啟動時，控制輸出電壓進行緩慢而平順的放電。
直流對直流轉換器可提供彈性的電壓轉換及穩定的輸出電壓，且具有高電源轉換效率之優點，因此已廣泛應用於各種電子系統，作為其電源供應裝置。而直流對直流轉換器可根據系統對電壓的應用需求，分為降壓式轉換器(buck converter)、升壓式轉換器(boost converter)及升降壓式轉換器(buck-boost converter)三種。
請參考第1圖，第1圖為習知一同步直流對直流轉換器10之示意圖。同步直流對直流轉換器10可大致分為一輸出級100及一控制電路110兩部分，用以提供電能至一負載120。輸出級100包含一上橋電晶體102、一下橋電晶體104、一電感L1及一電容C1。上橋電晶體102耦接於電源輸入端VDD及電感L1之間，用來提供一充電電流路徑，以對輸出電壓Vout 進行充電。下橋電晶體104耦接於地端GND及電感L1之間，用來提供一放電電流路徑，以對輸出電壓Vout 進行放電。電感L1及電容C1可穩定輸出電壓Vout 及儲存輸出的電能。此外，控制電路110可透過控制訊號UG及LG分別控 制上橋電晶體102及下橋電晶體104導通及關閉。於控制電路110中，業界已發展出許多控制方式，例如電流模式或電壓模式等，以根據負載120的大小來提供不同程度的電流。
理想的直流對直流轉換器在任何負載之下，皆可提供穩定且固定的輸出電壓。然而，由於同步直流對直流轉換器10必須因應不同大小的負載120提供足夠的電流，因此，上橋電晶體102及下橋電晶體104皆為極大型的電晶體(至少為最小單位電晶體的數百至數千倍)。當同步直流對直流轉換器10被開啟時，控制訊號UG會控制上橋電晶體102導通。於導通的時間內，輸出電壓Vout 快速上升帶動輸出電流達到極大值，可能造成上橋電晶體102或負載端的元件燒毀。因此，業界發展出緩啟動(soft-start)的方式，控制輸出電壓Vout 緩慢上升，以避免瞬間電流過大。然而，當同步直流對直流轉換器10被關閉時或異常狀況發生使得保護電路啟動保護模式時，上橋電晶體102與下橋電晶體104會同時關閉，因此電流須經由負載120放電，使得輸出電壓Vout 下降至零電位。如上所述，同步直流對直流轉換器10必須因應不同大小的負載120，因此，不同負載120的應用會出現不同的放電情形。於重負載時，電流可經由負載120放電；但於輕負載時，可經由負載120放電的電流極小，甚至趨近於零，因此輸出電壓Vout 下降的速率極緩慢，甚至維持原電壓而不下降。在此情形下，於部分需要偵測電壓的應用中，當同步直流對直流轉換器10已關閉而輸出電壓必須為零時，若輸出電壓Vout 未完全放電，可能會造成電壓判斷錯誤。因此，習知技術實有 改善的必要。
因此，本發明之主要目的即在於提供一種具有緩停止功能的同步直流對直流轉換器，其可於被關閉時或保護電路啟動時，控制輸出電壓進行緩慢而平順的放電。
本發明揭露一種具有緩停止功能的同步直流對直流轉換器，包含一輸出級，用來提供一輸出電壓，該輸出級包含一上橋電晶體，用來對該輸出電壓充電；以及一下橋電晶體，用來對該輸出電壓放電；一輸出控制電路，耦接於該輸出級，用來控制該上橋電晶體及該下橋電晶體；至少一保護裝置，用來於一特定狀況發生時，關閉該上橋電晶體，以停止提供該輸出電壓；以及一緩停止控制電路，耦接於該輸出控制電路，用來於該至少一保護裝置控制該上橋電晶體關閉時或該同步直流對直流轉換器被關閉時，導通該下橋電晶體，以對該輸出電壓進行放電。
請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一同步直流對直流轉換器20之示意圖。如第2圖所示，同步直流對直流轉換器20之架構與第1圖之同步直流對直流轉換器10類似，故具有相同或相似功能的元件及訊號以相同符號表示。同步直流對直流轉換器20與同步直流對直流轉換器10不同之處在於，同步直流對直流轉換器20的一 控制電路210包含一輸出控制電路212、保護裝置214_1~214_N及一緩停止控制電路216。
詳細來說，輸出控制電路212耦接於輸出級100，可輸出控制訊號UG及LG，分別用來控制輸出級100中的上橋電晶體102及下橋電晶體104。保護裝置214_1~214_N用來保護同步直流對直流轉換器20，於一特定的異常狀況發生(如：溫度過高、電流過大、輸入電壓過高或過低等)時，控制上橋電晶體102關閉，以停止提供輸出電壓Vout 。其中，每個保護裝置214_1~214_N可能進行一或多種保護。緩停止控制電路216耦接於輸出控制電路212，並接收來自保護裝置214_1~214_N的訊號及一啟動訊號EN，啟動訊號EN係用來控制同步直流對直流轉換器20開啟或關閉的訊號。當保護裝置214_1~214_N開啟保護模式且控制上橋電晶體102關閉時，或是啟動訊號EN關閉(即同步直流對直流轉換器20被關閉)時，會同時通知緩停止控制電路216。此時，緩停止控制電路216開始運作，以控制輸出級100中的下橋電晶體104導通，對輸出電壓Vout 進行放電。
簡言之，當保護裝置214_1~214_N偵測到異常狀況發生時，為了保護同步直流對直流轉換器20，緩停止控制電路216會透過輸出控制電路212控制上橋電晶體102關閉，以停止供應輸出電流。另一方面，當啟動訊號EN關閉同步直流對直流轉換器20時，上橋電晶體102也會被關閉，以停止供應輸出電流。此時，緩停止控制 電路216開始運作。緩停止控制電路216可透過控制訊號LG控制下橋電晶體104導通，對輸出電壓Vout 進行放電。若緩停止控制電路216持續控制下橋電晶體104導通時，放電電流會持續放大，直到輸出電壓Vout 完全放電(即放電到零電位)後才停止。因此，於一實施例中，緩停止控制電路216可透過間歇性的方式控制下橋電晶體104導通及關閉，以對輸出電壓Vout 進行間歇性的放電。如此一來，可避免放電電流過大，而燒毀下橋電晶體104。
於部分實施例中，控制電路210另可藉由偵測通過下橋電晶體104的電流來避免下橋電晶體104因電流過大而燒毀。第2圖中的端點LX為介於上橋電晶體102、下橋電晶體104及電感L1間的節點，因此透過端點LX可同時偵測到針對輸出電壓Vout 的充電及放電電流ILX 。如此一來，可透過偵測電流ILX 來判斷通過下橋電晶體104的電流，以避免放電電流過大而燒毀下橋電晶體104。於其它實施例中，亦可透過不同方式來偵測通過下橋電晶體104的電流，而不限於此。
更進一步地，請參考第3圖，第3圖為第2圖中緩停止控制電路216之一實施例之示意圖。如第3圖所示，緩停止控制電路216包含一過電流偵測裝置302、一時脈產生裝置304、一邏輯裝置306及一終止裝置308。過電流偵測裝置302可用來偵測通過下橋電晶體104的電流ILX ，並輸出一過電流訊號CURR_LIM以顯示電流ILX 是否過大。時脈產生裝置304可用來產生一控制時脈MIN_TON。 邏輯裝置306耦接於過電流偵測裝置302及時脈產生裝置304，用來分別根據過電流訊號CURR_LIM及控制時脈MIN_TON，以間歇性的方式控制下橋電晶體104導通及關閉。
詳細來說，當邏輯裝置306接收到控制時脈MIN_TON的觸發時，控制訊號LG啟動，以控制下橋電晶體104開始導通，由端點LX流向地端GND的電流ILX 開始增加。當電流ILX 增加到一臨界值時，過電流偵測裝置302偵測到過電流狀態並驅動過電流訊號CURR_LIM。此時，邏輯裝置306接收到過電流訊號CURR_LIM的觸發，控制下橋電晶體104關閉，電流ILX 逐漸降低。當控制時脈MIN_TON再次觸發時，下橋電晶體104可再次導通，因此下橋電晶體104可間歇性地導通及關閉，以避免因電流ILX 過大而燒毀。此外，終止裝置308可用來偵測輸出電壓Vout 是否已完全放電，並於輸出電壓Vout 完全放電時，終止緩停止控制電路216的運作。
如上所述，於偵測到保護裝置214_1~214_N控制上橋電晶體102關閉時，或是啟動訊號EN關閉(即同步直流對直流轉換器20被關閉)時，緩停止控制電路216開始運作。詳細運作方式請參考第4圖，第4圖為緩停止控制電路216運作的波形示意圖。如第4圖所示，當緩停止控制電路216開始運作之後，於時脈產生裝置304輸出的控制時脈MIN_TON觸發的瞬間(時間t1)，邏輯裝置306透過控制訊號LG控制下橋電晶體104開始導通，而通過下橋電晶體104的電流ILX 開始增加，以對輸出電壓Vout 進行放電。由於電 流ILX 係造成輸出電壓Vout 下降的放電電流，因此於第4圖中繪示為反向的電流。此外，由於下橋電晶體104為N型金氧化半導體電晶體(NMOS)，因此控制訊號LG係由低電位切換至高電位，以開啟下橋電晶體104。於部分實施例中，若下橋電晶體104為P型金氧化半導體電晶體(PMOS)時，可將控制訊號LG由高電位切換至低電位，以開啟下橋電晶體104，而不限於此。
在放電過程中，過電流偵測裝置302會持續偵測通過下橋電晶體104的電流ILX ，並輸出過電流訊號CURR_LIM。當偵測到電流ILX 達到一限電流值時，於過電流訊號CURR_LIM輸出一脈衝(時間t2)。邏輯裝置306接收到此脈衝的觸發，將控制訊號LG由高電位切換至低電位，以控制下橋電晶體104關閉，此時電流逐漸下降至零。由於端點LX的電流ILX 係流經電感L1，根據電感L1的特性，電流ILX 無法瞬間改變，因此當下橋電晶體104關閉的瞬間，電流ILX 無法瞬間下降至零，而是逐漸下降，其下降速率可根據電感L1的電感值而定，同時輸出電壓Vout 會稍微回升，如第4圖所示。當電流ILX 下降至零後，輸出電壓Vout 停止改變(時間t3)。直到下一次邏輯裝置306接收到控制時脈MIN_TON觸發的瞬間(時間t4)，下橋電晶體104再次導通而電流ILX 再次增加，以對輸出電壓Vout 進行放電。當電流ILX 達到限電流值時，下橋電晶體104再次關閉。如此一來，緩停止控制電路216可對輸出電壓Vout 進行間歇性的放電，以避免放電電流過大而燒毀下橋電晶體104。
於下橋電晶體104進行數次導通/關閉的運作之後，輸出電壓Vout 可能已完全放電。終止裝置308可用來偵測輸出電壓Vout 是否已完全放電，例如，其可設定一參考電壓Vref ，當輸出電壓Vout 下降至低於參考電壓Vref 時(時間t5)，判斷為完全放電。此時，終止裝置308可控制下橋電晶體104關閉，並終止緩停止控制電路216的運作(即下橋電晶體104不再開啟)。於部分實施例中，終止裝置308另可輸出一緩停止完成訊號VSoft_OK 以告知系統，或由外部透過緩停止完成訊號VSoft_OK 偵測緩停止的運作是否已完成。根據上述緩停止控制電路216的運作流程，針對電流ILX 所設定的限電流值以及控制時脈MIN_TON的週期皆可任意設定來調整輸出電壓Vout 的放電速率，進而達成緩慢而平順的放電。
為實現第3圖的緩停止控制電路216及第4圖的波形，可參考第5圖，第5圖為第3圖中緩停止控制電路216之一具體實施例之示意圖。如第5圖所示，邏輯裝置306可透過多個邏輯電路來實現，其可包括一或閘(OR gate)502、SR閂鎖器(SR latch)504、506及一及閘(AND gate)508。或閘502耦接於保護裝置214_1~214_N，同時接收一反向啟動訊號EN’，並輸出一緩停止訊號VSoft 。當任一保護裝置214_x開啟保護模式而控制上橋電晶體102關閉時或是啟動訊號EN關閉時，保護裝置214_x會輸出高電位訊號或是反向啟動訊號EN’被切換至高電位，使得緩停止訊號VSoft 切換至高電位。SR閂鎖器504的S輸入端接收緩停止訊號VSoft ，R輸入端經由一邊緣觸發電路510接收控制時脈MIN_TON的觸發。如第4圖 的波形所示，SR閂鎖器504係於控制時脈MIN_TON的負緣觸發。但於部分實施例中，SR閂鎖器504亦可於控制時脈MIN_TON的正緣觸發，且控制時脈MIN_TON的責任週期(duty cycle)大小亦可根據系統需求而設計，而不限於此。SR閂鎖器506的S輸入端耦接於SR閂鎖器504的Q’輸出端，於控制時脈MIN_TON觸發SR閂鎖器504的同時，亦觸發SR閂鎖器506，使得SR閂鎖器506的Q輸出端輸出高電位的訊號。及閘508可同時接收此高電位訊號及緩停止訊號VSoft ，以輸出高電位的訊號來驅動控制電路110，以將控制訊號LG由低電位切換至高電位，使得下橋電晶體104導通。另一方面，SR閂鎖器506的R輸入端耦接於過電流偵測裝置302，於過電流偵測裝置302偵測到過電流發生的瞬間，透過過電流訊號CURR_LIM來觸發SR閂鎖器506，使得SR閂鎖器506的Q輸出端輸出低電位的訊號。當及閘508接收到此低電位訊號時，會輸出低電位的訊號來驅動控制電路110，以將控制訊號LG由高電位切換至低電位，使得下橋電晶體104關閉。如此一來，緩停止控制電路216可對輸出電壓Vout 進行間歇性的放電，進而控制輸出電壓Vout 進行緩慢而平順的放電，以避免放電電流ILX 過大而燒毀下橋電晶體104。
終止裝置308可透過一比較器520來實現。如第5圖所示，比較器520的兩輸入端分別接收輸出電壓Vout 及參考電壓Vref ，以比較輸出電壓Vout 及參考電壓Vref 的大小。當緩停止控制電路216開始運作時，若輸出電壓Vout 大於參考電壓Vref ，代表輸出電壓Vout 尚未完全放電，此時緩停止控制電路216繼續對輸出電壓Vout 進行間歇性的放電。直到輸出電壓Vout 小於參考電壓Vref ，代表輸出電壓Vout 已完全放電，此時比較器輸出一終止訊號VStop 來驅動控制電路110，以將控制訊號LG由高電位切換至低電位，使得下橋電晶體104關閉，並終止緩停止控制電路216的運作(即下橋電晶體104不再開啟)。
值得注意的是，本發明之主要精神在於當同步直流對直流轉換器被關閉或保護電路啟動時，控制輸出電壓進行緩慢而平順的放電。本領域具通常知識者當可據以進行修飾或變化，而不限於此。舉例來說，第5圖中的電路僅為可實現上述放電方式之一種實施例，本領域具通常知識者應可根據系統需求而任意調整或修改第5圖中的電路架構。例如邏輯裝置306中，SR閂鎖器504及506皆可使用其它類型的閂鎖器或正反器來實現，所搭配的或閘502及及閘508皆可能為或閘、及閘、反或閘(NOR gate)、反及閘(NAND gate)、互斥或閘(exclusive-OR gate)、反互斥或閘(exclusive-NOR gate)等不同類型的邏輯閘。而邏輯裝置306中亦可包含任意數目的閂鎖器(或正反器)搭配任意數目的邏輯閘，以根據系統需求來進行各種不同的連接及排列組合，而不限於此。本領域具通常知識者應可知，任何電路裝置的排列組合所進行的變化，只要能夠實現緩慢而平順的放電方式，皆在本發明所揭露的範疇內。此外，如上所述，控制時脈MIN_TON可於負緣或正緣對SR閂鎖器504進行觸發。同理，亦可設計過電流訊號CURR_LIM於負緣或正緣對SR閂鎖器 506進行觸發，而不限於此。另外，上述第2圖及第5圖中之同步直流直流對直流轉換器20繪示為一降壓式同步直流對直流轉換器。但於其它實施例中，上述控制輸出電壓進行緩慢而平順的放電方法亦可應用於其它類型的同步直流對直流轉換器，例如升壓式同步直流對直流轉換器或升降壓式同步直流對直流轉換器，而不限於此。
於習知技術中，同步直流對直流轉換器於重負載時，電流可經由負載放電；但於輕負載時，可經由負載放電的電流極小，甚至趨近於零，因此輸出電壓下降的速率極緩慢，甚至維持原電壓而不下降。於部分需要偵測電壓的應用中，當同步直流對直流轉換器已關閉而輸出電壓必須為零時，若輸出電壓未完全放電，可能會造成電壓判斷錯誤。相較之下，本發明提供一種具有緩停止功能的同步直流對直流轉換器，其可藉由一緩停止控制電路，於同步直流對直流轉換器被關閉時或保護電路啟動時，控制輸出電壓進行緩慢而平順的放電。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10‧‧‧同步直流對直流轉換器
100‧‧‧輸出級
102‧‧‧上橋電晶體
104‧‧‧下橋電晶體
110、210‧‧‧控制電路
120‧‧‧負載
L1‧‧‧電感
C1‧‧‧電容
20‧‧‧同步直流對直流轉換器
212‧‧‧輸出控制電路
214_1~214_N‧‧‧保護裝置
216‧‧‧緩停止控制電路
302‧‧‧過電流偵測裝置
304‧‧‧時脈產生裝置
306‧‧‧邏輯裝置
308‧‧‧終止裝置
502‧‧‧或閘
504、506‧‧‧SR閂鎖器
508‧‧‧及閘
510‧‧‧邊緣觸發電路
520‧‧‧比較器
第1圖為習知一同步直流對直流轉換器之示意圖。
第2圖為本發明實施例一同步直流對直流轉換器之示意圖。
第3圖為第2圖中緩停止控制電路之一實施例之示意圖。
第4圖為本發明實施例緩停止控制電路運作的波形示意圖。
第5圖為第3圖中緩停止控制電路之一具體實施例之示意圖。
20‧‧‧同步直流對直流轉換器
100‧‧‧輸出級
102‧‧‧上橋電晶體
104‧‧‧下橋電晶體
L1‧‧‧電感
C1‧‧‧電容
210‧‧‧控制電路
212‧‧‧輸出控制電路
214_1~214_N‧‧‧保護裝置
216‧‧‧緩停止控制電路

Claims (16)

  1. 一種具有緩停止(soft-stop)功能的同步直流對直流轉換器，包含有：一輸出級，用來提供一輸出電壓，該輸出級包含有：一上橋電晶體，用來對該輸出電壓進行充電；以及一下橋電晶體，用來對該輸出電壓進行放電；一輸出控制電路，耦接於該輸出級，用來控制該輸出級中的該上橋電晶體及該下橋電晶體；至少一保護裝置，用來於一特定狀況發生時，控制該上橋電晶體關閉，以停止提供該輸出電壓；以及一緩停止控制電路，耦接於該輸出控制電路，用來於該至少一保護裝置控制該上橋電晶體關閉時或該同步直流對直流轉換器被關閉時，控制該輸出級中的該下橋電晶體導通，以對該輸出電壓進行完全放電。
  2. 如請求項1所述之同步直流對直流轉換器，其中該特定狀況包含有輸出電流過大、溫度過高、輸入電壓過高及輸入電壓過低。
  3. 如請求項1所述之同步直流對直流轉換器，其中該緩停止控制電路以間歇性的方式控制該輸出級中的該下橋電晶體導通及關閉，以對該輸出電壓進行間歇性的放電。
  4. 如請求項1所述之同步直流對直流轉換器，其中該緩停止控制 電路包含有：一過電流偵測裝置，用來偵測通過該下橋電晶體之一電流；一時脈產生裝置，用來產生一控制時脈；一邏輯裝置，耦接於該過電流偵測裝置及該時脈產生裝置，用來當通過該下橋電晶體之該電流超過一預定電流時，控制該下橋電晶體關閉，並根據該控制時脈，週期性地控制該下橋電晶體導通；以及一終止裝置，用來於該輸出電壓低於一預定電壓時，控制該下橋電晶體關閉，並終止該緩停止控制電路的運作。
  5. 如請求項4所述之同步直流對直流轉換器，其中該終止裝置包含一比較器，用來比較該輸出電壓及該預定電壓。
  6. 如請求項4所述之同步直流對直流轉換器，其中該邏輯裝置包含有：一第一邏輯電路，耦接於該至少一保護裝置，用來於該至少一保護裝置控制該上橋電晶體關閉時或該同步直流對直流轉換器被關閉時，產生一緩停止訊號，以啟動該緩停止控制電路；一第二邏輯電路，耦接於該時脈產生裝置，用來接收該控制時脈的觸發，以週期性地控制該下橋電晶體導通；以及一第三邏輯電路，耦接於該過電流偵測裝置，用來當通過該下橋電晶體之該電流超過一預定電流時，控制該下橋電晶體 關閉。
  7. 如請求項6所述之同步直流對直流轉換器，其中該第一邏輯電路包含一或閘。
  8. 如請求項6所述之同步直流對直流轉換器，其中該第二邏輯電路另耦接至該第一邏輯電路，用來接收該緩停止訊號的觸發。
  9. 如請求項8所述之同步直流對直流轉換器，其中該第三邏輯電路另耦接至該第二邏輯電路，用來接收該第二邏輯電路之一輸出訊號的觸發。
  10. 如請求項6所述之同步直流對直流轉換器，其中該第二邏輯電路包含一SR閂鎖器(SR latch)。
  11. 如請求項6所述之同步直流對直流轉換器，其中該第三邏輯電路包含一SR閂鎖器(SR latch)。
  12. 如請求項6所述之同步直流對直流轉換器，其中該邏輯裝置另包含一第四邏輯電路，耦接於該第一邏輯電路及該第三邏輯電路，用來接收該緩停止訊號及該第三邏輯電路之一輸出訊號，以控制該輸出控制電路。
  13. 如請求項12所述之同步直流對直流轉換器，其中該第四邏輯電路包含一及閘。
  14. 如請求項4所述之同步直流對直流轉換器，其中該邏輯裝置根據該控制時脈，週期性地控制該下橋電晶體導通的步驟包含於該控制時脈的每一正緣控制該下橋電晶體導通。
  15. 如請求項4所述之同步直流對直流轉換器，其中該邏輯裝置根據該控制時脈，週期性地控制該下橋電晶體導通的步驟包含於該控制時脈的每一負緣控制該下橋電晶體導通。
  16. 如請求項1所述之同步直流對直流轉換器，其中該輸出級另包含有：一電容，耦接於一輸出端及地端之間，用來儲存該輸出電壓的能量，並穩定該輸出電壓；以及一電感，耦接於該上橋電晶體、該下橋電晶體及該輸出端之間。
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