TWI472896B - 穩壓電路 - Google Patents

Description

穩壓電路

本案是有關於一種穩壓電路。

隨著電子技術的發展，各式穩壓電路已普遍地應用在電子裝置中，如直流穩壓電路或交流穩壓電路等。

脈衝寬度調變(pulse width modulation，PWM)穩壓器為一種常見的直流電壓穩壓器。一般而言，脈衝寬度調變穩壓器在啟動時，若其輸出電壓變化過快，則會導致高額的衝擊電流(inrush current)產生。此衝擊電流可能造成電路中的元件受損，或使得提供給脈衝寬度調變穩壓器的輸入源產生壓降，而影響連接於同一輸入源的其它電路。

本案之一態樣為一種穩壓電路。穩壓電路用以電性連接輸入源，且輸出一輸出電壓。穩壓電路包括緩啟動模組、脈衝寬度調變模組以及穩壓模組。緩啟動模組用以接收相應於輸入電流的電流回授電壓，並比較電流回授電壓與比較電壓，以輸出切換訊號。脈衝寬度調變模組用以接 收時脈訊號及切換訊號，並依據時脈訊號與切換訊號，決定所輸出的第一脈衝寬度調變訊號與第二脈衝寬度調變訊號為高電壓位準或低電壓位準。穩壓模組用以接收並根據第一脈衝寬度調變訊號與第二脈衝寬度調變訊號，調整輸出電壓。

10‧‧‧負載

20‧‧‧輸入源

30‧‧‧輸出端

100‧‧‧穩壓電路

110‧‧‧時脈產生模組

120‧‧‧參考電壓產生模組

130‧‧‧緩啟動模組

132‧‧‧計數單元

134‧‧‧反閘

136‧‧‧反閘

140‧‧‧脈衝寬度調變模組

150‧‧‧穩壓模組

160‧‧‧電流感測模組

170‧‧‧電流回授模組

180‧‧‧分壓模組

C1-C3‧‧‧電容器

RF1、RF2、R2、R3‧‧‧電阻 器

MUX‧‧‧多工器

ERRAMP‧‧‧差動放大器

CS1‧‧‧電流源

SW1-SW5‧‧‧開關

COMP1-COMP2‧‧‧比較器

MP1、MP2、MN‧‧‧電晶體

VBUS、VSEN、VCP、EX_VO、VFB、C_NET、ERRO、ERRO2、P1、P2‧‧‧電壓

VREFH、VREFS、VBG‧‧‧參考電壓

RISE、CKI、COMO、SWP、SWN、SOFTWB、SOFTW、CK_OKB‧‧‧訊號

I1、I2‧‧‧電流

VTH‧‧‧門檻電壓

DP1、DP2、DN1、DN2‧‧‧期間

L0‧‧‧電感器

圖1為根據本案一實施例所繪示的穩壓電路之示意圖；圖2為根據本案一實施例的緩啟動模組所繪示之示意圖；圖3為圖1中的穩壓電路於一實施例中的訊號時序圖；圖4為圖1中的穩壓電路於一實施例中的訊號時序圖。

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。

關於本文中所使用之『電性連接』，可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，而『電性連接』還可指二或多個元件相互操作或動作。

圖1為根據本案一實施例所繪示的穩壓電路100 之示意圖。穩壓電路100包括時脈產生模組110、參考電壓產生模組120、緩啟動模組130、脈衝寬度調變模組140、穩壓模組150、電流感測模組160、電流回授模組170以及分壓模組180。

在結構上，時脈產生模組110電性連接緩啟動模組130與脈衝寬度調變模組140。參考電壓產生模組120電性連接緩啟動模組130。緩啟動模組130電性連接脈衝寬度調變模組140與分壓模組180。脈衝寬度調變模組140電性連接穩壓模組150與電流感測模組160。穩壓模組150電性連接電流感測模組160、負載10、輸入源20與輸出端30。電流回授模組170電性連接電流感測模組160與緩啟動模組130。分壓模組180電性連接輸出端30。

時脈產生模組110用以輸出時脈訊號CKI至緩啟動模組130與脈衝寬度調變模組140。

參考電壓產生模組120可用以輸出第一參考電壓VREFH、第二參考電壓VBG以及起始參考電壓VREFS至緩啟動模組130。其中各參考電壓之數值當可依實際需求進行調整。

脈衝寬度調變模組140可用以接收時脈訊號CKI及切換訊號COMO，並且根據時脈訊號CKI及切換訊號COM，決定所輸出的第一脈衝寬度調變號SWP及第二脈衝寬度調變訊號SWN為低電壓準位或高電壓準位。

穩壓模組150可用以接收並根據第一脈衝寬度調變訊號SWP與第二脈衝寬度調變訊號SWN，以控制輸入電 流I1與電感電流I2。

電流感測模組160可用以感測並根據輸入電流I1，輸出感測電壓VSEN至電流回授模組170。電流回授模組170可用以接收並根據感測電壓VSEN，輸出電流回授電壓VCP至緩啟動模組130。分壓模組180可用以接收並根據輸出電壓EX_VO，提供回授電壓VFB至緩啟動模組130。

緩啟動模組130可用以比較相應於輸入電流I1的電流回授電壓VCP與比較電壓ERRO，以輸出切換訊號COMO。

以下將根據本案一實施例提供穩壓電路100更詳細的電路結構，然而本案不以下述之實施例為限。

如圖1所示，在一實施例中，穩壓模組150可包括高側開關MP1、低側開關MN、電感器L0以及電容器C3。高側開關MP1與低側開關MN皆具有第一端、第二端與控制端。高側開關MP1的第一端電性連接輸入源20，高側開關MP1的第二端電性連接電感器L0的第一端與低側開關MN的第一端，高側開關MP1的控制端電性連接脈衝寬度調變模組140。低側開關MN的控制端電性連接脈衝寬度調變模組140。電感器L0的第二端電性連接負載10、輸出端30與電容器C3的第一端。

在操作上，高側開關MP1用以接收輸入電壓VBUS與第一脈衝寬度調變訊號SWP，並根據低電壓準位的第一脈衝寬度調變訊號SWP開啟，以令輸入源20提供輸入電流I1以經由電感器L0對電容器C3充電。低側開關MN用以 接收第二脈衝寬度調變訊號SWN，並根據高電壓準位的第二脈衝寬度調變訊號SWN開啟，以令電感電流I2經由低側開關MN與電感器L0對第二電容器C3充電。當注意到，在本實施例中，可令具低電壓準位的第一脈衝寬度調變訊號SWP與具高電壓準位的第二脈衝寬度調變訊號SWN依序輸出，使高側開關MP1與低側開關MN並不同時開啟，以避免輸入源20接地。

電流感測模組160可包括電阻器R3與電晶體MP2。電晶體MP2具有第一端、第二端與控制端。電阻器R3具有第一端與第二端。電阻器R3的第一端電性連接輸入源20及高側開關MP1的第一端，電阻器R3的第二端電性連接電晶體MP2的第一端。電晶體MP2的第二端電性連接高側開關MP1的第二端，電晶體MP2的控制端電性連接高側開關MP1的控制端與脈衝寬度調變模組140。

在本實施例中，可設置高側開關MP1與電晶體MP2的通道寬度為1：K，且其中數值K遠大於1(例如是數百至數千)，以使通過高側開關MP1與電晶體MP2的電流比可大致等於通道寬度比。如此一來，當輸入電流I1流過高側開關MP1時，相應於輸入電流I1的感測電流流過電阻器R3與電晶體MP2。是以，透過感測電阻器R3兩端的跨壓，即可相應地感測輸入電流I1的大小。

電流回授模組170電性連接電阻器R3的第二端，用以接收感測電壓VSEN。電流回授模組170例如可用放大器實現。在本實施例中，電流回授模組170可為負增益 (negative gain)放大電路，當感測電壓VSEN為輸入電壓VBUS時(輸入電流I1為0)，電流回授模組170例如是輸出起始參考電壓VREFS作為電流回授電壓VCP；當感測電壓VSEN小於輸入電壓VBUS時(輸入電流I1大於0)，電流回授模組170例如是隨著感測電壓VSEN下降而使電流回授電壓VCP的電壓值提升。

分壓模組180可包括電阻器RF1、RF2與電容器C1，並且電性連接輸出端。電阻器RF2並聯電容器C1，並且串聯電阻器RF1。電阻器RF1、RF2用以對輸入電壓EX_VO進行分壓，並輸出回授電壓VFB至緩啟動模組130。

參照第2圖，在本實施例中，緩啟動模組130可包括比較器COMP2、電容器C2、電阻器R2、差動放大器ERRAMP、電流源CS1與開關SW1-SW4。比較器COMP2與差動放大器ERRAMP皆包括第一輸入端、第二輸入端與輸出端。電容器C2與電阻器R2皆包括第一端與第二端。開關SW1-SW4皆包括第一端、第二端與控制端。

電容器C2的第一端電性連接開關SW1的第一端、開關SW3的第二端與開關SW4的第二端，電容器C2的第二端接地。電阻器R2的第一端電性連接差動放大器ERRAMP的輸出端與開關SW2的第一端，電阻器R2的第二端電性連接開關SW3的第一端。差動放大器ERRAMP的第一輸入端用以接收第二參考電壓VBG，第二輸入端用以接收回授電壓VFB。比較器COMP2的第一輸入端用以接收電流回授電壓VCP，第二輸入端電性連接開關SW1的第二端。 電流源CS1電性連接開關SW4的第一端。開關SW1、SW4的控制端用以接收緩啟動訊號SOFTW。開關SW2、SW3的控制端用以接收穩定訊號SOFTWB。

在操作上，比較器COMP2用以比較並根據電流回授電壓VCP與比較電壓ERRO，選擇性輸出低電壓準位或高電壓準位的切換訊號COMO。差動放大器ERRAMP用以比較並根據第二參考電壓VBG與回授電壓VFB，輸出差動電壓ERRO2。開關SW1用以根據緩啟動訊號SOFTW開啟，以導通電容器C2的第一端與比較器COMP2的第二輸入端，而使電容器C2的第一端之電壓(即線路電壓C_NET)被提供至比較器COMP2做為比較電壓ERRO。開關SW4用以根據緩啟動訊號SOFTW開啟，以導通電流源CS1與電容器C2的第一端，以令電流源CS1對電容器C2進行充電。開關SW2用以根據穩定訊號SOFTWB開啟，以導通差動放大器ERRAMP的輸出端與比較器COMP2的第二輸入端，而使差動電壓ERRO2作為比較電壓ERRO，並使穩壓電路100形成負回授電路(negative feedback circuit)。開關SW2用以根據穩定訊號SOFTWB開啟，以透過電阻器R2導通差動放大器ERRAMP的輸出端與電容器C2，以使電阻器R2與電容器C2做為穩壓電路100的頻率補償電路(frequency compensation)，並實現(implement)穩壓電路100之頻率補償，而避免穩壓電路100產生振盪。

此外，在本實施例中，緩啟動模組130可更包括起始開關SW5、計數單元132、反閘134、136、比較器COMP1 與多工器MUX。

計數單元132用以接收並根據時脈訊號CKI，以計數起始期間，並在起始期間中輸出起始訊號CK_OKB。

起始開關SW5具有第一端、第二端與控制端。起始開關SW5的第一端用以接收起始參考電壓VREFS，起始開關SW5的第二端電性連接電容器C2的第一端，起始開關SW5的控制端用以接收起始訊號CK_OKB。起始開關SW5用以根據起始訊號CK_OKB開啟，以令起始參考電壓VREFS被提供至電容器C2。

多工器MUX包括第一輸入端、第二輸入端、控制端與輸出端。比較器COMP1包括第一輸入端、第二輸入端與輸出端。多工器MUX的第一、第二輸入端用以分別接收第一參考電壓VREFH與第二參考電壓VBG，多工器MUX的輸出端電性連接比較器COMP1的第一輸入端。比較器COMP1的第二輸入端用以接收回授電壓VFB。比較器COMP1的輸出端電性連接多工器MUX的控制端。

在操作上，多工器MUX用以選擇性提供第一參考電壓VREFH與第二參考電壓VBG至比較器COMP1，作為門檻電壓VTH。比較器COMP1用以比較回授電壓VFB與門檻電壓VTH，以輸出升壓訊號RISE。

另外，反閘134用以接收升壓訊號RISE並輸出反相於升壓訊號RISE的穩定訊號SOFTWB。反閘136用以接收穩定訊號SOFTWB並輸出反相於穩定訊號SOFTWB的緩啟動訊號SOFTW。

圖3、圖4為圖1、圖2中的穩壓電路100於一實施例中部分電壓訊號圖。以下將搭配圖1、圖2進一步說明穩壓電路100的操作。

如圖3所示，當輸入電壓VBUS開啟時(例如是由低電壓位準切換為高電壓位準)，穩壓電路100進入緩啟動狀態，時脈產生模組110開始產生時脈訊號CKI。此時，計數單元132根據時脈訊號CKI計數起始期間(例如是16個時脈訊號CKI週期)，並在起始期間中輸出起始訊號CK_OKB(例如輸出高電壓位準)至起始開關SW5，使得起始開關SW5開啟，並使起始參考電壓VREFS被提供至電容器C2，而令電容器C2得以快速充電至起始參考電壓VREFS。

另一方面，當輸入電壓VBUS開啟時，由於回授電壓VFB為0且第一參考電壓VREFH與第二參考電壓VBG皆大於0，故比較器COMP1輸出升壓訊號RISE(例如輸出高電壓位準)，以令多工器MUX提供第二參考電壓VBG至比較器COMP1作為門檻電壓VTH，並令反閘134輸出低電壓位準的穩定訊號SOFTWB且反閘136輸出高電壓位準的緩啟動訊號SOFTW。此時，開關SW2、SW3關閉，且開關SW1、SW4開啟，以令電流源CS1對電容器C2進行充電，並使電容器C2的第一端之電壓(即線路電壓C_NET)被提供至比較器COMP2做為比較電壓ERRO。

當起始期間抵達時，計數單元132輸出低電壓位準的起始訊號CK_OKB至起始開關SW5，使得起始開關SW5關閉。此時，僅剩電流源CS1對電容器C2進行充電，若令 電流源CS1之輸出電流較小，則電容器C2之跨壓緩慢上升。

參照圖4，在緩啟動狀態下，比較器COMP2比較電流回授電壓VCP與相應於電容器C2之跨壓的比較電壓ERRO。當電流回授電壓VCP小於比較電壓ERRO時，比較器COMP2輸出具有低電壓位準的切換訊號COMO。當電流回授電壓VCP大於比較電壓ERRO時，比較器COMP2輸出具有高電壓位準的切換訊號COMO。

在切換訊號COMO為低電壓位準，且在接收到時脈訊號CKI的正緣(positive edge)時，脈衝寬度調變模組140分別輸出具低電壓準位的第二脈衝寬度調變訊號SWN至低側開關MN以關閉低側開關MN，以及輸出具低電壓準位的第一脈衝寬度調變訊號SWP至高側開關MP1以開啟高側開關MP1，而使輸入源20提供輸入電流I1以經由電感器L0對電容器C3充電。

在接收到具有高電壓位準的切換訊號COMO時，脈衝寬度調變模組140分別輸出具高電壓準位的第一脈衝寬度調變訊號SWP至高側開關MP1以關閉高側開關MP1，以及輸出具高電壓準位的第二脈衝寬度調變訊號SWN至低側開關MN，以開啟低側開關MN，以令電感電流I2經由低側開關MN與電感器L0對電容器C3充電。在緩啟動狀態下，輸出電壓EX_VO持續上昇。

另一方面，在緩啟動狀態下，由於比較電壓ERRO係等於電容器C2之跨壓，故比較電壓ERRO可緩慢上升。相應地，電流回授電壓VCP大於比較電壓ERRO時的電壓 值(如電壓值P1、P2)也逐步提高(例如電壓值P2大於電壓值P1)，而延後比較器COMP2輸出具有高電壓位準的切換訊號COMO之時間，並使高側開關MP1開啟的期間(如期間DP1、DP2)與低側開關MN關閉的期間(如期間DN1、DN2)逐步增加(例如期間DP2大於期間DP1且期間DN2大於期間DN1)。

當回授電壓VFB上升至大於門檻電壓VTH(此時為第二參考電壓VBG)時，穩壓電路100進入穩定狀態。此時，比較器COMP1停止輸出升壓訊號RISE(即輸出低電壓位準)，以令多工器MUX提供第一參考電壓VREFH至比較器COMP1作為門檻電壓VTH，並令反閘134輸出高電壓位準的輸出穩定訊號SOFTWB且反閘136輸出低電壓位準的緩啟動訊號SOFTW。相應地，開關SW1、SW4關閉，且開關SW2、SW3開啟，以令差動電壓ERRO2被提供至比較器COMP2作為比較電壓ERRO，而使穩壓電路100形成負回授電路。另一方面，此時電容器C2與差動放大器ERRAMP的輸出端導通，使電阻器R2與電容器C2做為穩壓電路100的頻率補償電路，避免穩壓電路100產生振盪。

再者，在穩定狀態下，時脈產生模組110、參考電壓產生模組120、脈衝寬度調變模組140、穩壓模組150、電流感測模組160、電流回授模組170以及分壓模組180的操作皆相同於在緩啟動狀態下的操作，故在此不贅述。另一方面，在穩定狀態下，高側開關MP1開啟的期間與低側開關MN關閉的期間皆維持固定，故輸出電壓EX_VO亦相應地維持固定，不再提升。

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

20‧‧‧輸入源

30‧‧‧輸出端

100‧‧‧穩壓電路

110‧‧‧時脈產生模組

120‧‧‧參考電壓產生模組

130‧‧‧緩啟動模組

140‧‧‧脈衝寬度調變模組

150‧‧‧穩壓模組

160‧‧‧電流感測模組

170‧‧‧電流回授模組

180‧‧‧分壓模組

C1、C3‧‧‧電容器

RF1、RF2、R3‧‧‧電阻器

L0‧‧‧電感器

MP1、MP2、MN‧‧‧電晶體

VBUS、VSEN、VCP、EX_VO、VFB‧‧‧電壓

VREFH、VREFS、VBG‧‧‧參考電壓

CKI、COMO、SWP、SWN‧‧‧訊號

I1、I2‧‧‧電流

Claims (10)

1. 一種穩壓電路，用以電性連接一輸入源，該輸入源具有一輸入電流，且該穩壓電路輸出一輸出電壓，其中該穩壓電路包括：一緩啟動模組，用以接收一相應於該輸入電流的電流回授電壓，並比較該電流回授電壓與一比較電壓，以輸出一切換訊號；一脈衝寬度調變模組，電性連接於該緩啟動模組，該脈衝寬度調變模組係用以接收一時脈訊號及該切換訊號，並依據該時脈訊號與該切換訊號，決定所輸出的一第一脈衝寬度調變訊號與一第二脈衝寬度調變訊號為高電壓位準或低電壓位準；以及一穩壓模組，電性連接於該脈衝寬度調變模組，該穩壓模組係用以接收並根據該第一脈衝寬度調變訊號與該第二脈衝寬度調變訊號，調整該輸出電壓。
2. 如請求項1所述的穩壓電路，其中該緩啟動模組包括：一比較器，用以比較該電流回授電壓與該比較電壓，以輸出該切換訊號；一第一電容器，電性連接於該比較器，該第一電容器係用以選擇性提供一電容電壓至該比較器作為該比較電壓；以及 一電流源，電性連接於該第一電容器，該電流源係用以選擇性對該第一電容器進行充電。
3. 如請求項2所述的穩壓電路，其中該緩啟動模組更包括一差動放大器，該差動放大器用以接收並比較一參考電壓與相應於該輸出電壓的一回授電壓，以選擇性提供一差動電壓至該比較器作為該比較電壓。
4. 如請求項3所述的穩壓電路，其中在一緩啟動狀態下，該電流源充電該第一電容器，該第一電容器提供該線路電壓至該比較器作為該比較電壓。
5. 如請求項3所述的穩壓電路，其中在一穩定狀態下，該差動放大器提供該差動電壓至該比較器作為該比較電壓。
6. 如請求項5所述的穩壓電路，其中在該穩定狀態下，該差動放大器與該第一電容器導通。
7. 如請求項2所述的穩壓電路，其中該緩啟動模組更包括一計數單元，用以接收並根據該時脈訊號，以計數一起始期間，並且在該起始期間中，該第一電容器接收一起始參考電壓。
8. 如請求項1所述的穩壓電路，其中該穩壓模組包括：一高側開關，電性連接該輸入源與該脈衝寬度調變模組，用以接收並根據該第一脈衝寬度調變訊號選擇性開啟；以及一低側開關，電性連接該脈衝寬度調變模組，用以接收並根據該第二脈衝寬度調變訊號選擇性開啟。
9. 如請求項8所述的穩壓電路，更包括：一電流感測模組，並聯於該高側開關，用以感測該輸入電流，以提供相應於該輸入電流的一感測電壓；以及一電流回授模組，用以接收並根據該感測電壓，提供該電流回授電壓至該緩啟動模組。
10. 如請求項9所述的穩壓電路，其中該電流感測模組包括：一電晶體；以及一電阻器，串聯於該電晶體，其中流經該高側開關的該輸入電流與流經該電晶體的電流大致具有一預設比例，並且流經該電晶體的電流在該電阻器上形成該感測電壓。