TWI668950B - 電壓轉換電路及其控制電路 - Google Patents

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Abstract

電壓轉換電路及其控制電路。控制電路包括電壓狀態比較器以及控制信號產生器。電壓狀態比較器接收輸入電壓以及輸出電壓，並提供基準電壓。電壓狀態比較器依據輸入電壓的電壓狀態，使輸出電壓的電壓值與輸入電壓與或基準電壓的電壓值進行比較，並藉以產生比較結果。電壓狀態比較器並依據比較結果產生偏壓電壓。控制信號產生器依據偏壓電壓以產生控制信號，並傳送控制信號至驅動開關的控制端，其中，驅動開關依據控制信號以被導通或被斷開。

Description

電壓轉換電路及其控制電路
本發明是有關於一種電壓轉換電路及其控制電路，且特別是有關於一種可快速關閉驅動開關的電壓轉換電路及其控制電路。
在習知的技術領域中，電源供應電路提供驅動開關，並透過導通驅動開關以供應輸出電壓。此外，在當有輸入電壓的條件下，當輸出電壓瞬間發生大於輸入電壓的情況，習知的電源供應電路可產生控制信號來切斷驅動開關，以啟動電源供應電路的逆向電壓保護機制。
然而，為避免發生誤動作，習知技術的電源供應電路會針對控制信號進行解彈跳（De-bounce）的動作。這個解彈跳的動作通常設定在2~10微秒的範圍。若當輸出電壓在2~10微秒的範圍中，產生瞬間變大的現象時，習知技術的電源供應電路無法即時切斷驅動開關，並可能產生電路元件損毀的可能。
在另一方面，當輸入電壓為零或高阻抗時，當輸出電壓產生瞬間變大的現象時，習知技術的電源供應電路無法動作立即切斷驅動開關，也可能產生電路元件損毀的現象。
本發明提供一種電壓轉換電路及其控制電路，可達到逆向電壓防護的功能。
本發明的控制電路用以控制驅動開關。驅動開關的兩端分別接收輸入電壓以及輸出電壓。控制電路包括電壓狀態比較器以及控制信號產生器。電壓狀態比較器接收輸入電壓以及輸出電壓，並提供基準電壓。電壓狀態比較器依據輸入電壓的電壓狀態，使輸出電壓的電壓值與輸入電壓與或基準電壓的電壓值進行比較，並藉以產生比較結果。電壓狀態比較器並依據比較結果產生偏壓電壓。控制信號產生器耦接電壓狀態比較器。控制信號產生器依據偏壓電壓以產生控制信號，並傳送控制信號至驅動開關的控制端，其中，驅動開關依據控制信號以被導通或被斷開。
在本發明的一實施例中，當上述的輸出電壓的電壓值大於輸入電壓的電壓值時，電壓狀態比較器產生第一電流，並依據第一電流以產生偏壓電壓。
在本發明的一實施例中，當上述的輸入電壓為高阻抗狀態，電壓狀態比較器比較輸出電壓的電壓值以及基準電壓的電壓值，並在當輸出電壓的電壓值大於基準電壓的電壓值時，電壓狀態比較器產生第一電流，並依據第一電流以產生偏壓電壓。
本發明的電壓轉換電路包括驅動開關以及控制電路。驅動開關的兩端分別接收輸入電壓以及輸出電壓。控制電路包括電壓狀態比較器以及控制信號產生器。電壓狀態比較器接收輸入電壓以及輸出電壓，並提供基準電壓。電壓狀態比較器依據輸入電壓的電壓狀態，使輸出電壓的電壓值與輸入電壓與或基準電壓的電壓值進行比較，並藉以產生比較結果。電壓狀態比較器並依據比較結果產生偏壓電壓。控制信號產生器耦接電壓狀態比較器。控制信號產生器依據偏壓電壓以產生控制信號，並傳送控制信號至驅動開關的控制端，其中，驅動開關依據控制信號以被導通或被斷開。
基於上述，本發明提供控制電路，並透過偵測輸入電壓以及輸出電壓的電壓狀態，來對應產生控制信號。以在輸入電壓低於輸出電壓，或輸入電壓不存在時，透過產生控制信號以斷開驅動開關。如此一來，區動開關上所產生的逆電壓現象，可以透過斷開驅動開關來有效的達到元件防護的目的，確保電壓轉換電路的安全性。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的控制電路的示意圖。控制電路100可用以控制驅動開關DSW1，其中，驅動開關DSW1的兩端分別接收輸入電壓VIN以及輸出電壓VOUT。控制電路100包括電壓狀態比較器110以及控制信號產生器120。在本實施例中，電壓狀態比較器110包括電晶體M1以及二極體ZD1。電晶體M1的第一端接收輸出電壓VOUT，電晶體M1的控制端則接收輸入電壓VIN，而電晶體M1的第二端與二極體ZD1的陰極相耦接。另外，二極體ZD1的陽極則可耦接至電流源CS1。二極體ZD1可以為基納（Zener Diode）二極體。
此外，控制信號產生器120包括電晶體M2、電流源CS2以及下拉電路121。電晶體M2的第一端接收輸出電壓VOUT，電晶體M2的控制端接收偏壓電壓VB，電晶體M2的第二端則耦接至電流源CS2。電流源CS2串接在電流源CS1以及電晶體M2的第二端間，並用以由電晶體M2的第二端汲取參考電流IREF。
在控制電路100的第一種操作狀態下，當電晶體M1的控制端接收有效的輸入電壓VIN時，電晶體M1可使輸出電壓VOUT來與輸入電壓VIN及電晶體M1的臨界電壓Vth的和進行比較以產生比較結果。電晶體M1並在當輸出電壓VOUT ＞ 輸入電壓VIN + 臨界電壓Vth時被導通，依據比較結果產生電流I1。電流I1則用以流通二極體ZD1，並可在二極體ZD1的陰極端產生偏壓電壓VB。
承續上述說明，電晶體M2依據電壓狀態比較器110所產生的偏壓電壓VB以產生電流I2。並且，依據電流I2與參考電流IREF的差值，電晶體M2的第二端上可產生信號S1，而在電流源CS2與電流源CS1的耦接端點上，則可產生信號S2。信號S1、S2被傳送至下拉電路121。下拉電路121則可依據信號S1、S2來下拉控制信號CTRL的電壓準位，並透過低電壓準位的控制信號CTRL來使驅動開關DSW1被斷開，並啟動逆向電壓保護的機制。
具體來說明，在本實施例中，下拉電路121包括選擇器SEL以及電晶體MDIS。選擇器SEL接收信號S1、S2並耦接參考電位GND。電晶體MDIS的控制端耦接至選擇器SEL的輸出端，電晶體MDIS並受控於選擇器SEL的輸出電壓。
在此請注意，當在輸出電壓VOUT大於輸入電壓VIN時，電壓狀態比較器110可提供偏壓電壓VB。電晶體M2並依據偏壓電壓VB以產生電流I2。並且，在當電流I2大於參考電流IREF時，電晶體M2的第二端上的寄生電容，可以基於電流I2與參考電流IREF間的差值而被充電。如此一來，電晶體M2的第二端上可產生具有高電壓值的信號S1。在此同時，選擇器SEL可依據信號S2以選擇具有高電壓值的信號S1進行輸出，並使電晶體MDIS的控制端接收高電壓值的信號S1。如此，電晶體MDIS可被導通，並使控制信號CTRL的電壓值被拉低至參考電位GND（例如為接地電壓）。
附帶一提，若在電流I2小於參考電流IREF時，電晶體M2的第二端上則可產生具有低電壓值的信號S1。此時選擇器SEL選擇輸出低電壓，並使電晶體MDIS維持在導通的狀態。
在另一方面，在控制電路100的第二種操作狀態下，電晶體M1的控制端所接收的輸入電壓VIN不存在而呈現高阻抗（High impedance）的狀態時，電晶體M1可透過使輸出電壓VOUT與二極體ZD1所提供的基準電壓進行比較，並依據比較結果來產生電流I1。其中，基準電壓可以等於二極體ZD1的崩潰電壓，並在當輸出電壓VOUT ＞ 基準電壓時，電晶體M1對應產生電流I1，並依據電流I1來產生偏壓電壓VB。
如此一來，控制信號產生器120可依據偏壓電壓VB來拉低控制信號CTRL的電壓值，並藉以使驅動開關DSW1被斷開，啟動逆向電壓保護機制。
以下請參照圖2，圖2繪示本發明另一實施例的控制電路的示意圖。控制電路200用以控制驅動開關DSW1的導通斷開動作，並用以啟動逆向電壓保護機制。控制電路200包括電壓狀態比較器210以及控制信號產生器220。電壓狀態比較器210包括電晶體M1、MD1~MD4、電阻R1以及R3。電晶體M1的第一端透過電阻R1以接收輸出電壓VOUT。電晶體M1的控制端透過電阻R3以接收輸入電壓VIN，電晶體M1的第二端產生偏壓電壓VB。電晶體MD1~MD4耦接成二極體的組態，並依序串接在電晶體M1的第二端與參考電位GND間。電晶體MD1~MD4所構成的二極體依序順向偏壓在電晶體M1的第二端與參考電位GND間，電晶體MD1~MD4的導通電壓的總和提供做為基準電壓。
附帶一提的，在本實施例中，設置在電晶體M1以及參考電位GND間的二極體的數量，沒有特定的限制。圖2繪示的4個電晶體以建構4個二極體的方式僅只是說明用範例，並不用以限縮本發明的範疇。另外，建構二極體的電晶體的導電型態，也可以任意設置，圖2繪示利用兩個P型電晶體MD1、MD2以及兩個N型電晶體MD3、MD4來建構二極體也只是說明用範例，並不用以限縮本發明的範疇。
控制信號產生器220包括電阻R3、R4、電晶體M2、M4、電流源CS2以及下拉電路221。電晶體M2的第一端透過電阻R2接收輸出電壓VOUT，電晶體M2的控制端接收偏壓電壓VB，電晶體M2的第二端耦接至電流源CS2。電流源CS2由電晶體M3所建構。電晶體M3的第一端耦接至電晶體M2的第二端，並產生信號S1，電晶體M3的第二端耦接至電晶體M4的第一端，並產生信號S2。電晶體M3的控制端接收參考電位GND。電晶體M4串接在電晶體M3的第二端與參考電位GND間，電晶體M4的控制端接收參考偏壓VB2，其中，參考偏壓VB2由電晶體MD4所產生。此外，電阻R4串接在電晶體M4的控制端與參考電位GND間。
此外，下拉電路221包括緩衝器BUF1以及電晶體MDIS。緩衝器BUF1接收信號S1以作為操作電源。緩衝器BUF1並接收信號S2，並透過反向信號S2以產生信號以控制電晶體MDIS。電晶體MDIS則在導通時，用以拉低控制信號CTRL的電壓值，並藉以使驅動開關DSW1被斷開，以啟動逆向電壓防護機制。
關於電路動作方面，在當輸入電壓VIN存在時，且當輸出電壓VOUT與輸入電壓VIN的差值大於電晶體M1的臨界電壓時，逆向電壓防護機制可被啟動。或者，當輸入電壓VIN不存在時，且當輸出電壓VOUT大於基準電壓時，逆向電壓防護機制也可被啟動。在當逆向電壓防護機制被啟動時，電晶體M1上可產生電流I1，其中電流I1 = (VOUT – VOUT1) / R1。
透過電流I1流通電晶體M1，可在電晶體M1的第二端上產生偏壓電壓VB。同樣的，透過電流I1依序流通電晶體MD1~MD4，各個電晶體MD1~MD4的控制端可以提供不同的偏壓，其中，電晶體MD4可提供參考偏壓VB2。
在控制信號產生器220中，電晶體M2接收偏壓電壓VB，並產生電流I2。透過使電流I2與電晶體M3所產生的參考電流IREF相比較，在電晶體M2的第二端上可產生信號S1。其中，當電晶體M2接收足夠大的偏壓電壓VB時，電流I2大於參考電流IREF，並使信號S1可具有相對高的電壓值。
緩衝器BUF1接收具有相對高電壓的信號S1以作為電源，並依據具有相對高電壓的信號S1而被致能。並且，緩衝器BUF1在被致能的條件下，針對具有相對低電壓的信號S2進行反向，並產生具有高電壓準位的信號S3。在此同時，電晶體MDIS的控制端接收具有高電壓準位的信號S3，並依據信號S3而被導通。如此一來，電晶體MDIS可拉低控制信號CTRL的電壓值，並使驅動開關DSW1被斷開，以啟動逆向電壓防護的機制。
相對的，若當電晶體M2接收低電壓的偏壓電壓VB時，電流I2則小於參考電流IREF，並使信號S1可具有相對低的電壓值。如此，緩衝器BUF1將被禁能（不動作），而控制信號CTRL的電壓值將維持原有的狀態，並使驅動開關DSW1持續被導通。
附帶一提的，在本實施例中，控制電路200中另可包括升壓電路201。升壓電路201耦接至電晶體MDIS提供控制信號CTRL的端點。升壓電路201用以在正常動作下，拉升控制信號CTRL的電壓值，並藉以導通驅動開關DSW1。
此外，在本實施例中，驅動開關DSW1包括串接的多個電晶體MS1、MS2。其中，電晶體MS2可以為具有高耐壓能力的電晶體，電晶體MS1可以為具有低耐壓能力的電晶體。
以下請參照圖2、圖3A以及圖3B，圖3A以及圖3B繪示本發明實施例的控制電路的動作波形圖。在圖3A中，在當輸入電壓VIN存在時（例如等於5伏特），使輸出電壓VOUT由低電壓準位遞增至高電壓準位。可以發現，在當輸出電壓VOUT約大於輸入電壓VIN後時間區間DT後，緩衝器BUF1可產生具有高電壓準位的信號S3，並快速拉低控制信號CTRL的電壓準位，進以使驅動開關DSW1被斷開。其中，時間區間DT的時間長度約為2.44微秒，而電壓VA則為電晶體MS1、MS2相互耦接端上的電壓。
在圖3B中，輸入電壓VIN為不存在的狀態，且輸出電壓VOUT由低電壓準位遞增至高電壓準位。可以發現在當輸出電壓VOUT開始大於基準電壓的時間點TA1時（此時輸出電壓VOUT約等於7.91伏特），緩衝器BUF1可快速的產生具有高電壓準位的信號S3，並快速拉低控制信號CTRL的電壓準位，進以使驅動開關DSW1被斷開。
由圖3A以及圖3B可以清楚得知，本發明實施例的控制電路，可在發生逆向電壓狀態時，快速且即時的切斷驅動開關DSW1，並即時啟動逆向電壓防護機制。
以下請參照圖4，圖4繪示本發明一實施例的電壓轉換電路的示意圖。電壓轉換電路400包括驅動開關DSW1、驅動器410以及控制電路420，電壓轉換電路400並具有多個接腳，以分別接收輸入電壓VIN、輸出電壓VOUT以及參考電位GND。
驅動器410用以產生控制信號CTRL以控制驅動開關DSW1的導通斷開狀態。控制電路420則與驅動器410的輸出端相耦接。控制電路420接收輸入電壓VIN以及輸出電壓VOUT，並依據輸入電壓VIN的電壓狀態，來透過比較輸出電壓VOUT與輸入電壓VIN，或比較輸出電壓VOUT與基準電壓的比較結果，來決定是否拉低控制信號CTRL的電壓值，並藉以切斷驅動開關DSW1，並進以啟動逆向電壓保護機制。
關於控制電路420的實施細節，在上述的多個實施方式中已有詳盡的陳述，在此恕不多贅述。
綜上所述，本發明藉由依據輸入電壓的電壓狀態，來透過比較輸出電壓與輸入電壓，或比較輸出電壓與基準電壓的比較結果，來決定是否拉低控制信號的電壓值，並藉以切斷驅動開關，並進以啟動逆向電壓保護機制。如此一來，在不影響電壓轉換電路的工作穩定性的前提下，逆向電壓保護機制可有效且快速的被啟動，提高電壓轉換電路的安全度以及工作效能。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、200、420‧‧‧控制電路
110、210‧‧‧電壓狀態比較器
120、220‧‧‧控制信號產生器
121、221‧‧‧下拉電路
DSW1‧‧‧驅動開關
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
M1~M4、MDIS、MD1~MD4‧‧‧電晶體
ZD1‧‧‧二極體
CS1、CS2‧‧‧電流源
VB‧‧‧偏壓電壓
I1、I2‧‧‧電流
S1、S2、S3‧‧‧信號
SEL‧‧‧選擇器
IREF‧‧‧參考電流
GND‧‧‧參考電位
CTRL‧‧‧控制信號
R1~R4‧‧‧電阻
BUF1‧‧‧緩衝器
201‧‧‧升壓電路
VA‧‧‧電壓
TA1‧‧‧時間點
DT‧‧‧時間區間
400‧‧‧電壓轉換電路
410‧‧‧驅動器
圖1繪示本發明一實施例的控制電路的示意圖。 圖2繪示本發明另一實施例的控制電路的示意圖。 圖3A以及圖3B繪示本發明實施例的控制電路的動作波形圖。 圖4繪示本發明一實施例的電壓轉換電路的示意圖。

Claims (14)

  1. 一種控制電路，用以控制一驅動開關，該驅動開關的兩端分別接收一輸入電壓以及一輸出電壓，該控制電路包括：一電壓狀態比較器，接收該輸入電壓以及該輸出電壓，提供一基準電壓，依據該輸入電壓的電壓狀態，使該輸出電壓的電壓值與該輸入電壓與或該基準電壓的電壓值進行比較以產生一比較結果，並依據該比較結果產生一偏壓電壓；以及一控制信號產生器，耦接該電壓狀態比較器，依據該偏壓電壓以產生一控制信號，並傳送該控制信號至該驅動開關的控制端，其中，該驅動開關依據該控制信號以被導通或被斷開。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中當該輸出電壓的電壓值大於該輸入電壓的電壓值時，該電壓狀態比較器產生一第一電流，並依據該第一電流以產生該偏壓電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中當該輸入電壓為高阻抗狀態，該電壓狀態比較器比較該輸出電壓的電壓值以及該基準電壓的電壓值，並在當該輸出電壓的電壓值大於該基準電壓的電壓值時，該電壓狀態比較器產生一第一電流，並依據該第一電流以產生該偏壓電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中該電壓狀態比較器包括：一第一電晶體，其第一端接收該輸出電壓，該第一電晶體的控制端接收該輸入電壓，該第一電晶體的第二端用以產生一第一電流；以及至少一二極體，串聯耦接在該第一電晶體的第二端以及一參考電位間，用以接收該第一電流以產生該偏壓電壓，其中，該至少一二極體的提供該基準電壓。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的控制電路，其中該至少一二極體為一基納二極體，該基那二極體的陽極接收該參考電位，該基納二極體的陰極耦接該第一電晶體的第二端，該基納二極體的崩潰電壓等於該基準電壓。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的控制電路，其中該至少一二極體包括至少一第二電晶體，該至少一第二電晶體耦接為二極體組態，且該至少一二極體的陽及耦接至該第一電晶體的第二端，該至少一二極體的陰極耦接該參考電位。
  7. 如申請專利範圍第4項所述的控制電路，其中該電壓狀態比較器更包括：一第一電阻，耦接在該第一電晶體的第一端與該輸出電壓間；以及一第二電阻，耦接在該第一電晶體的控制端與該輸入電壓間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中該控制信號產生器包括：一第一電晶體，其第一端接收該輸出電壓，該第一電晶體的控制端接收該偏壓電壓，該第一電晶體的第二端產生一第一信號；一電流源，耦接至該第一電晶體的第二端，由該第一電晶體汲取一參考電流；一第二電晶體，其第一端耦接至該電流源並產生一第二信號，該第二電晶體的第二端耦接至一參考電位，該第二電晶體的控制端接收一參考偏壓；以及一下拉電路，接收該第一信號以及該第二信號，並產生該控制信號，該下拉電路並依據該第一信號以及該第二信號以下拉該控制信號的電壓準位。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的控制電路，其中該電流源包括：一第三電晶體，耦接在該第一電晶體的第二端以及該第二電晶體的第一端間，該第三電晶體的控制端接收該參考電位。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的控制電路，其中該下拉電路包括：一選擇器，接收該第一信號以及該第二信號，依據該第二信號以選擇該第一信號或該參考電位以產生一第三信號；以及一第三電晶體，其第一端產生該控制信號，該第三電晶體的第二端接收該參考電位，該第三電晶體的控制端接收該第三信號。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的控制電路，其中該下拉電路包括：一緩衝器，接收該第一信號以及該第二信號，該緩衝器依據該第一信號被致能，並反向該第二信號以產生一第三信號；以及一第三電晶體，其第一端產生該控制信號，該第三電晶體的第二端接收該參考電位，該第三電晶體的控制端接收該第三信號。
  12. 如申請專利範圍第8項所述的控制電路，其中該控制信號產生器更包括：一第一電阻，耦接在該輸出電壓以及該第一電晶體的第一端間；以及一第二電阻，耦接在該第二電晶體的控制端與該參考電位間。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，更包括：一升壓電路，耦接至該驅動開關的控制端，並用以提升該控制信號的電壓值。
  14. 一種電壓轉換電路，包括：一驅動開關；以及如申請範圍第1項所述的控制電路，該控制電路耦接至該驅動開關，並提供該控制信號以控制該驅動開關的導通及斷開狀態。
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