TWI487258B - 切換式調節器的軟啟動電路及方法 - Google Patents

Description

切換式調節器的軟啟動電路及方法

本發明係有關一種切換式調節器，特別是關於一種切換式調節器的軟啟動(soft start)電路及方法。

許多系統中都設有軟啟動機制使系統在開啟時平穩地啟動，以減少啟動時的衝擊，防止部分元件超載以及過電壓的發生。在傳統的軟啟動方法中，都是由零電壓開始軟啟動，然而，系統的輸出端上可能存在前次操作時殘留下來的電荷，使得系統在剛啟動時的輸出電壓不為零，傳統軟啟動方法會先將系統輸出端上殘留的電荷釋放後再累積，這樣的方式將使殘留的電荷白白浪費了，而且也可能產生過大的負的電感電流而造成電路損毀。

圖1係一種讓輸出電壓Vo由殘餘電壓軟啟動的切換式調節器10，圖2係其信號波形圖，用以說明殘餘電壓小於目標值時的軟啟動操作，其中波形30為輸出電壓Vo，波形32為斜坡信號SS_Ramp，波形34為回授信號VFB，波形36為致能信號EN，波形38為致能信號Real_EN，波形40為控制信號Source_CTL，波形42為控制信號Sink_CTL。在切換式調節器10中，一對串聯的開關20及22受控制信號Source_CTL 及Sink_CTL切換而將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vo給負載24及26。在正常工作期間，輸出電壓Vo將穩定在某個目標值。取樣電路28取樣輸出電壓Vo產生回授信號VFB給誤差放大器14的反相輸入。多工器12將參考電壓Vr及斜坡信號SS_Ramp其中之一送至誤差放大器14的非反相輸入。當切換式調節器10啟動時，如時間t1，致能信號EN轉為高準位而致能誤差放大器14，同時多工器12將斜坡信號SS_Ramp送至誤差放大器14的非反相輸入，使切換式調節器10進入軟啟動。在此例中，切換式調節器10的輸出具有小於目標值的殘餘電壓，故回授信號VFB不為零。在斜坡信號SS_Ramp由零上升至回授信號VFB準位的期間，如時間t1至t2，誤差放大器14送出低準位的致能信號Real_EN關閉PWM控制器16。當斜坡信號SS_Ramp達到回授信號VFB的大小時，如時間t2，致能信號Real_EN轉為高準位而觸發PWM控制器16，因此PWM控制器16根據誤差放大器14提供的誤差信號S1產生控制信號Source_CTL及Sink_CTL操作開關20及22，輸出電壓Vo便由殘餘電壓的準位朝目標值上升。為了避免出現電感電流IL逆流，軟啟動控制器18截住控制信號Sink_CTL使開關22維持關閉一段時間，如時間t2至t3。軟啟動控制器18藉由偵測斜坡信號SS_Ramp來決定是否釋放控制信號Sink_CTL。例如，軟啟動結束或斜坡信號SS_Ramp達到預設值 時，軟動控制器18才釋放控制信號Sink_CTL，如時間t3所示。

雖然，切換式調節器10可以使輸出電壓Vo在軟啟動時由殘餘電壓的準位開始變化，避免電荷的浪費，同時還能防止負的電感電流，但是此方式需要等待斜坡信號SS_Ramp上升至回授信號VFB的準位，因此軟啟動時間Tss較長。此外，由於切換式調節器10只有往上的單方向斜坡信號SS_Ramp，因此當切換式調節器10的輸出具有大於目標值的殘餘電壓時，軟啟動的效果較差。圖3係圖1的切換式調節器10的信號波形圖，用以說明殘餘電壓大於目標值時的軟啟動操作，其中波形44為致能信號EN，波形46為斜坡信號SS_Ramp，波形48為回授信號VFB，波形50為致能信號Real_EN，波形52為控制信號Source_CTL，波形54為控制信號Sink_CTL。當切換式調節器10啟動時，致能信號EN轉為高準位而致能誤差放大器14，如時間t4，同時多工器12將斜坡信號SS_Ramp送至誤差放大器14的非反相輸入，使切換式調節器10進入軟啟動。在此例中，切換式調節器10的輸出具有大於目標值的殘餘電壓，因此當斜坡信號SS_Ramp達到參考電壓Vr的準位時，如時間t5，多工器12將切換參考電壓Vr至誤差放大器14的非反相輸入，由於回授信號VFB大於參考電壓Vr，故PWM控制器16不被觸發，此時，需要等負載電流釋放切 換式調節器10的輸出上的殘餘電荷，直到回授信號VFB略小於參考電壓Vr後，致能信號Real_EN才轉為高準位而觸發PWM控制器16，進而結束軟啟動。然而，當負載電流很小時，將導致軟啟動時間Tss過長。

美國專利號7,501,805提出一種使用兩個分別往上跟往下的單方向斜坡信號加上多工器達成雙向軟啟動的方法，在輸出電壓大於目標值時也可以有較好的軟啟動效果。然而，此方法需要多工器及兩個信號產生器分別提供兩個往上跟往下的斜坡信號，故需要耗費較大的電路面積來實現，此外也沒有改善軟啟動時間過長的問題。

因此，一種減少軟啟動時間的軟啟動電路及方法，乃為所冀。

本發明的目的之一，在於提出一種切換式調節器的軟啟動電路及方法。

本發明的目的之一，在於提出一種減少軟啟動時間的軟啟動電路及方法。

本發明的目的之一，在於提出一種減少電路面積的軟啟動電路。

根據本發明，一種切換式調節器的軟啟動電路，包括信號產生器及連接該信號產生器的比例電路。在軟啟動時，該信號產生器提供斜坡信號，使該切換式調節器的輸出電壓由 殘餘電壓的準位朝目標值變化。在觸發軟啟動時，該比例電路提供與該殘餘電壓相關的比例電壓給該信號產生器，以提高該斜坡信號的準位，進而縮短軟啟動的時間。

根據本發明，一種切換式調節器的軟啟動方法，在觸發軟啟動時，提供斜坡信號，使該切換式調節器的輸出電壓由殘餘電壓的準位朝目標值變化，接著根據該殘餘電壓得到比例電壓，藉由該比例電壓提高該斜坡信號的準位，以縮短軟啟動的時間。

圖4係本發明的第一實施例。在切換式調節器60中，輸出級66包括一對串聯的開關SW1及SW2，控制信號Source_CTL及Sink_CTL分別切換開關SW1及SW2以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vo給負載68及70。取樣電路72取樣輸出電壓Vo產生回授信號VFB給軟啟動電路62和控制電路64。軟啟動電路62提供斜坡信號Vref_ss給控制電路64。在控制電路64中，誤差放大器88根據斜坡信號Vref_ss及回授信號VFB產生誤差信號VEA，PWM控制器90根據誤差信號VEA產生控制信號Source_CTL及Sink_CTL，軟啟動控制器92截住控制信號Sink_CTL使開關SW2維持關閉一段時間。在軟啟動電路62中，信號產生器74提供斜坡信號Vref_ss。在軟啟動時，斜坡信號Vref_ss可以使切換式調節器60的輸出電壓Vo由殘餘電壓的準位朝目標值變化。比例電路(scaling circuit)78根據回授信號VFB產生比例電壓Vp1以及小於或等於該比例電壓Vp1的臨界值Vp2。比例電壓Vp1在觸發軟啟動時提高斜坡信號Vref_ss的準位。較佳者，比例電壓Vp1等於回授信號VFB。控制器76在觸發軟啟動時打開(turn on)開關SW3一段時間，使比例電壓Vp1提供給信號產生器74。控制器76包括比較器86比較斜坡信號Vref_ss及臨界值Vp2，當斜坡信號Vref_ss大於臨界值Vp2時，關閉(turn off)開關SW3。在此實施例中，信號產生器74包括電容Css以及電流源82、84分別對電容Css充放電以產生斜坡信號Vref_ss，以及磁滯比較器80根據斜坡信號Vref_ss及參考電壓Vref切換開關SW4及SW5，以控制電容Css的充放電。

圖5係圖4的切換式調節器60的信號波形圖，用以說明殘餘電壓小於目標值時，切換式調節器60的軟啟動操作，其中波形94為致能信號EN，波形96為回授信號VFB，波形98為斜坡信號Vref_ss。當切換式調節器60啟動時，致能信號EN轉為高準位而致能軟啟動電路62觸發軟啟動，如時間t7及波形94所示。由於切換式調節器60的輸出上有殘餘電壓，因此回授信號VFB不為零，如波形96所示。比例電路78根據回授信號VFB產生比例電壓Vp1及臨界值Vp2，在此實施例中，比例電壓Vp1及臨界值Vp2均等於回授信號VFB。控制器76被致能後比較斜坡信號 Vref_ss及臨界值Vp2，此時斜坡信號Vref_ss小於臨界值Vp2，因此控制器76打開開關SW3使比例電壓Vp1對電容Css充電，讓斜坡信號Vref_ss的準位上升。在斜坡信號Vref_ss達到臨界值Vp2後，控制器76關閉開關SW3，此時斜坡信號Vref_ss等於回授電壓VFB的準位，因此誤差放大器88立即送出致能信號REN致能PWM控制器90，PWM控制器90根據誤差信號VEA產生控制信號Source_CTL及Sink_CTL切換開關SW1及SW2，使輸出電壓Vo由殘餘電壓的準位朝目標值上升。又斜坡信號Vref_ss小於參考電Vref，故信號產生器74中的磁滯比較器80讓電流源82對電容Css充電使斜坡信號Vref_ss開始上升。當斜坡信號Vref_ss達到參考電壓Vref的準位時，如時間t8，軟啟動結束，而斜坡信號Vref_ss將穩定在參考電壓Vref的準位。

圖6係圖4的切換式調節器60的信號波形圖，用以說明殘餘電壓大於目標值時，切換式調節器60的軟啟動操作，其中波形100為致能信號EN，波形102為回授信號VFB，波形104為斜坡信號Vref_ss。當切換式調節器60啟動時，致能信號EN轉為高準位而致能軟啟動電路62觸發軟啟動，如時間t9及波形100所示。由於切換式調節器60的輸出上有殘餘電壓，因此回授信號VFB不為零，如波形102所示。比例電路78根據回授信號VFB產生比例電壓Vp1及臨界值 Vp2，在此實施例中，比例電壓Vp1及臨界值Vp2均等於回授信號VFB。控制器76被致能後比較斜坡信號Vref_ss及臨界值Vp2，此時斜坡信號Vref_ss小於臨界值Vp2，因此控制器76打開開關SW3使比例電壓Vp1對電容Css充電，讓斜坡信號Vref_ss的準位上升。在斜坡信號Vref_ss達到臨界值Vp2後，控制器76關閉開關SW3，此時斜坡信號Vref_ss等於回授電壓VFB的準位，因此誤差放大器88立即送出致能信號REN致能PWM控制器90，PWM控制器90根據誤差信號VEA產生控制信號Source_CTL及Sink_CTL切換開關SW1及SW2，使輸出電壓Vo由殘餘電壓的準位朝目標值下降。又斜坡信號Vref_ss大於參考電Vref，故信號產生器74中的磁滯比較器80讓電流源84對電容Css放電使斜坡信號Vref_ss開始下降。當斜坡信號Vref_ss達到參考電壓Vref的準位時，如時間t10，軟啟動結束，而斜坡信號Vref_ss將穩定在參考電壓Vref的準位。

軟啟動電路62在切換式調節器60啟動時，便先根據切換式調節器60輸出上的殘餘電壓將斜坡信號Vref_ss拉到接近回授信號VFB的準位，毋需等待斜坡信號Vref_ss慢慢地上升到回授信號VFB的準位，因此能有效縮短軟啟動時間Tss。再者，只需要一個產生斜坡信號Vref_ss的信號產生器，便能實現往上跟往下的斜坡信號Vref_ss，故能減少電路面積。

圖7係本發明的第二實施例，控制電路64、輸出級66及取樣電路72和圖4的實施例相同。在切換式調節器110中，軟啟動電路112除了控制器76、開關SW3及比例電路78以外，還包含信號產生器114在軟啟動時提供斜坡信號Vref_ss讓切換式調節器110的輸出電壓Vo由殘餘電壓朝目標值變化。信號產生器114包括電容Css及電壓電流轉換器116，電壓電流轉換器116根據參考電壓Vref及斜坡信號Vref_ss之間的差值產生電流Icd對電容Css充電或放電而產生斜坡信號Vref_ss。當切換式調節器110啟動時，致能信號EN致能軟啟動電路112，此時比例電路78根據回授信號VFB產生比例電壓Vp1及臨界值Vp2，控制器76比較斜坡信號Vref_ss及臨界值Vp2。若斜坡信號Vref_ss小於臨界值Vp2，則控制器76打開開關SW3讓比例電壓Vp1對電容Css充電，使斜坡信號Vref_ss上升到比例電壓Vp1的準位，進而縮短軟啟動時間。當參考電壓Vref大於斜坡信號Vref_ss，電壓電流轉換器116提供電流Icd對電容Css充電使斜坡信號Vref_ss上升；當參考電壓Vref小於斜坡信號Vref_ss，電壓電流轉換器116提供電流Icd讓電容Css放電使斜坡信號Vref_ss下降。

圖8顯示比例電路78的第一實施例，其包括運算放大器120、MOS電晶體122及電阻R1，MOS電晶體122與電阻R1串聯在電壓Vcc及接地端GND，運算放大器120具有非反相輸入連接回授信號VFB、反相輸入連接節點124以及輸出連接MOS電晶體122的閘極，比例電壓Vp1及Vp2由節 點124輸出，根據虛短路原理，運放大器120的非反相輸入上的回授信號VFB將等於節點124上的比例電壓Vp1及Vp2。圖9顯示比例電路78的第二實施例，其與圖8同樣包括運算放大器120及MOS電晶體122，其中MOS電晶體122與電阻R1、R2及R3串聯在電壓Vcc及接地端GND之間，根據虛短路原理，節點124上的電壓等於回授信號VFB，電阻R1、R2及R3分壓回授信號VFB產生比例電壓Vp1及Vp2。

以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。

10‧‧‧切換式調節器

12‧‧‧多工器

14‧‧‧誤差放大器

16‧‧‧PWM控制器

18‧‧‧軟啟動控制器

20‧‧‧開關

22‧‧‧開關

24‧‧‧負載

26‧‧‧負載

28‧‧‧取樣電路

30‧‧‧輸出電壓Vo的波形

32‧‧‧斜坡信號SS_Ramp的波形

34‧‧‧回授信號VFB的波形

36‧‧‧致能信號EN的波形

38‧‧‧致能信號Real_EN的波形

40‧‧‧控制信號Source_CTL的波形

42‧‧‧控制信號Sink_CTL的波形

44‧‧‧致能信號EN的波形

46‧‧‧斜坡信號SS_Ramp的波形

48‧‧‧回授信號VFB的波形

50‧‧‧致能信號Real_EN的波形

52‧‧‧控制信號Source_CTL的波形

54‧‧‧控制信號Sink_CTL的波形

60‧‧‧切換式調節器

62‧‧‧軟啟動電路

64‧‧‧控制電路

66‧‧‧輸出級

68‧‧‧負載

72‧‧‧取樣電路

74‧‧‧信號產生器

76‧‧‧控制器

78‧‧‧比例電路

80‧‧‧磁滯比較器

82‧‧‧電流源

84‧‧‧電流源

86‧‧‧比較器

88‧‧‧誤差放大器

90‧‧‧PWM控制器

92‧‧‧軟啟動控制器

94‧‧‧致能信號EN的波形

96‧‧‧回授信號VFB的波形

98‧‧‧斜坡信號Vref_ss的波形

100‧‧‧致能信號EN的波形

102‧‧‧回授信號VFB的波形

104‧‧‧斜坡信號Vref_ss的波形

110‧‧‧切換式調節器

112‧‧‧軟啟動電路

114‧‧‧信號產生器

116‧‧‧電壓電流轉換器

120‧‧‧運算放大器

122‧‧‧MOS電晶體

124‧‧‧節點

圖1係習知的切換式調節器；圖2係圖1的切換式調節器的信號波形圖；圖3係圖1的切換式調節器的信號波形圖；圖4係本發明的第一實施例；圖5係圖4的切換式調節器的信號波形圖；圖6係圖4的切換式調節器的信號波形圖；圖7係本發明的第二實施例；圖8顯示比例電路的第一實施例；以及 圖9顯示比例電路的第二實施例。

60‧‧‧切換式調節器

62‧‧‧軟啟動電路

64‧‧‧控制電路

66‧‧‧輸出級

68‧‧‧負載

72‧‧‧取樣電路

74‧‧‧信號產生器

76‧‧‧控制器

78‧‧‧比例電路

80‧‧‧磁滯比較器

82‧‧‧電流源

84‧‧‧電流源

86‧‧‧比較器

88‧‧‧誤差放大器

90‧‧‧PWM控制器

92‧‧‧軟啟動控制器

Claims (17)

1. 一種切換式調節器的軟啟動電路，包括：信號產生器，在軟啟動時提供斜坡信號，使該切換式調節器的輸出電壓由殘餘電壓的準位朝目標值變化；以及比例電路，耦接該信號產生器，在觸發軟啟動時，提供與該殘餘電壓相關的比例電壓給該信號產生器，以提高該斜坡信號的準位。
2. 如請求項1之軟啟動電路，更包括：開關，連接在該信號產生器及該比例電路之間；以及控制器，連接該開關，在觸發軟啟動時，打開該開關使該比例電壓提供給該信號產生器。
3. 如請求項2之軟啟動電路，其中該控制器包括比較器，比較該斜坡信號與一臨界值，在該斜坡信號小於該臨界值時打開該開關，在該斜坡信號等於該臨界值時關閉該開關。
4. 如請求項3之軟啟動電路，其中該臨界值由該比例電路提供。
5. 如請求項1之軟啟動電路，其中該信號產生器包括：電容；二電流源，連接該電容，分別對該電容充電及放電，以產生該斜坡信號；以及磁滯比較器，連接該二電流源，根據參考電壓及該斜坡信號控制該二電流源對該電容的充放電。
6. 如請求項5之軟啟動電路，其中該比例電路在觸發軟啟動 時，提供該比例電壓對該電容充電，以提高該斜坡信號的準位。
7. 如請求項1之軟啟動電路，其中該信號產生器包括：電容；以及電壓電流轉換器，連接該電容，根據參考電壓及在該電容上的該斜坡信號的差值產生電流，對該電容充電或放電，以產生該斜坡信號。
8. 如請求項7之軟啟動電路，其中該比例電路在觸發軟啟動時，提供該比例電壓對該電容充電，以提高該斜坡信號的準位。
9. 如請求項7之軟啟動電路，其中該斜坡信號的起始準位等於該比例電壓的準位。
10. 一種切換式調節器的軟啟動方法，包括下列步驟：(A)在觸發軟啟動時，提供斜坡信號，使該切換式調節器的輸出電壓由殘餘電壓的準位朝目標值變化；(B)根據該殘餘電壓得到比例電壓；以及(C)藉由該比例電壓提高該斜坡信號的準位。
11. 如請求項10之軟啟動方法，其中該步驟(A)包括根據參考電壓及該斜坡信號控制電容的充放電，以產生該斜坡信號。
12. 如請求項11之軟啟動方法，其中該步驟(C)包括提供該比例電壓對該電容充電，以提高該斜坡信號的準位。
13. 如請求項12之軟啟動方法，其中該步驟(C)更包括在該斜坡信號小於一臨界值時，提供該比例電壓對該電容充電， 直到該斜坡信號等於該臨界值。
14. 如請求項10之軟啟動方法，其中該步驟(A)包括：根據該參考電壓及該斜坡信號的差值產生電流；以及根據該電流對電容充電或放電，以產生該斜坡信號。
15. 如請求項14之軟啟動方法，其中該步驟(C)包括提供該比例電壓對該電容充電，以提高該斜坡信號的準位。
16. 如請求項15之軟啟動方法，其中該步驟(C)更包括在該斜坡信號小於一臨界值時，提供該比例電壓對該電容充電，直至該斜坡信號等於該臨界值。
17. 如請求項10之軟啟動方法，其中該步驟(C)包括讓該斜坡信號的起始準位等於該比例電壓的準位。