TWI671970B - 電源開關電路 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種電源開關電路，包括一開關電路以及一電容。開關電路耦接於電源開關電路之輸入端以及輸出端之間，並包括第一開關單元以及第二開關單元。第一開關單元以及第二開關單元耦接於一電荷幫浦。電容之第一端耦接於第一開關單元以及第二開關單元之間的節點，且電容之第二端耦接於該等開關單元、電荷幫浦以及一充電電路。當於電源開關電路耦接有負載時，充電電路將電容充電。當負載啟動時，電荷幫浦僅需將電容之第二端的電壓小幅地拉升，便可使得第一開關單元以及第二開關單元快速地被導通，以提供的電力予負載。

Description

電源開關電路
本發明乃是關於一種電源開關電路，特別是指一種反應速度較快的電源開關電路。
一般而言，電源開關電路主要的功能便是負責將供應電源所提供的電力傳遞至負載。當負載要啟動時，在負載啟動的瞬間，電源開關電路需形成通路以使負載能夠接收到供應電源所提供的電力。在負載運作的過程中，若有異常的狀況發生(如，負載超抽電流、供應電源所提供的電流過大…等情況)，電源開關電路需即時形成斷路以使保護負載以及自身電路。因此，電源開關電路的反應速度是很重要的。
為了改善前述問題，以達到提升電路反應速度的效果，本發明提供了一種反應速度較快的電源開關電路。
本發明所提供之電源開關電路具有一輸入端以及一輸出端，電源開關電路之輸入端用以接收一供應電源，電源開關電路之輸出端用以耦接一負載，且電源開關電路包括一開關電路以及一電容。開關電路耦接於電源開關電路之輸入端以及輸出端之間，並包括一第一開關單元以及一第二開關單元，其中第一開關單元以 及第二開關單元耦接於一電荷幫浦。電容之第一端耦接於第一開關單元以及第二開關單元之間的節點，且電容之第二端耦接於第一開關單元、第二開關單元、電荷幫浦以及一充電電路。當該電源開關電路之輸出端耦接有該負載但該負載未啟動時，該充電電路預先充電該電容，使得該電容的電壓為一第一電壓。接著，當該負載啟動時，該電荷幫浦將該電容的電壓由該第一電壓充電至足以導通該第一開關單元以及該第二開關單元的一第二電壓，以允許該供應電源所提供的電力傳遞至該負載。
於本發明所提供之電源開關電路的一實施例中，第一開關單元包括第一電晶體以及第一雙向開關。第一雙向開關並聯於前述電容且耦接於第一電晶體之控制端。第一電晶體之第一端耦接於電源開關電路之輸入端，且第一電晶體之第二端耦接於第一雙向開關以及前述電容之第一端。第二開關單元包括第二電晶體以及第二雙向開關。第二雙向開關並聯於前述電容且耦接於第二電晶體之控制端。第二電晶體之第一端耦接於第二雙向開關以及電容之第一端，且第二電晶體之第二端耦接於電源開關電路之輸出端。
當負載啟動時，第一雙向開關以及第二雙向開關被控制使得第一電晶體之控制端以及第二電晶體之控制端和前述電容之第一端導通，於是第一電晶體之控制端以及第二電晶體之控制端的電壓為足以導通第一電晶體以及第二電晶體的第二電壓，以將供應電源所提供的電力傳遞至負載。
於本發明所提供之電源開關電路的其他實施例中，電源開關電路還可包括多個保護電路，如：逆向電流阻斷電路、限流電路或過電流保護電路…等。於本發明中，第一開關單元中的第一雙向開關或第二開關單元中的第二雙向開關可受該些保護電路所產生的控制訊號來控制，使得第一開關單元中的第一電晶體之控制端或第二開關單元中的第二電晶體之控制端以及前述電容的第二 端導通，進而控制第一電晶體或第二電晶體關閉，已達成不同的電路保護目的，如：阻斷逆向電流、避免電路因過大的電流而損壞。
由於本發明所提供之電源開關電路設置有前述電容，且在負載未啟動時，此電容會預先被充電，於是當負載啟動時以及在負載運作的過程中，只需透過對第一雙向開關以及第二雙向開關的控制便能快速地做出反應，將第一開關電路或第二開關電路導通或關閉。因此，相較於一般的電源開關電路，本發明所提供之電源開關電路具有較快的反應速度。
10‧‧‧開關電路
12‧‧‧第一開關單元
SW1‧‧‧第一雙向開關
T1‧‧‧第一電晶體
14‧‧‧第二開關單元
SW2‧‧‧第二雙向開關
T2‧‧‧第二電晶體
20‧‧‧電容
30a‧‧‧第一保護電路
32a‧‧‧第一運算放大器
30b‧‧‧第二保護電路
32b‧‧‧第二運算放大器
40‧‧‧第三保護電路
42‧‧‧比較器
ST‧‧‧感測電晶體
PRE‧‧‧充電電路
CP‧‧‧電荷幫浦
IN‧‧‧輸入端
OUT‧‧‧輸出端
IREF1‧‧‧參考電流
IREF2‧‧‧門檻電流
EN_PRE‧‧‧致能訊號
CON1‧‧‧第一控制訊號
CON2‧‧‧第二控制訊號
CON3‧‧‧第三控制訊號
n‧‧‧節點
CAP‧‧‧節點
ca‧‧‧第一端
cb‧‧‧第二端
S‧‧‧開關
圖1為顯示本發明一例示性實施例中電源開關電路的方塊圖。
圖2為圖1中電源開關電路的電路圖。
圖3為顯示本發明另一例示性實施例中電源開關電路的電路圖。
圖4為顯示本發明又一例示性實施例中電源開關電路的電路圖。
在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，類似數字始終指示類似元件。
將理解的是，雖然第一、第二、第三等用語可使用於本文中用來描述各種元件或組件，但這些元件或組件不應被這些用語所 限制。這些用語僅用以區分一個元件或組件以及另一元件或組件。因此，下述討論之第一元件或組件，在不脫離本發明之教示下，可被稱為第二元件或第二組件。
請參照圖1，圖1為顯示本發明一例示性實施例中電源開關電路的方塊圖。
如圖1所示，本發明所提供之電源開關電路具有輸入端IN以及輸出端OUT。電源開關電路之輸入端IN用以接收供應電源，電源開關電路之輸出端OUT用以耦接負載或其他各種功能晶片，本實施例以負載為例，但本發明於此並不限制。
本發明所提供之電源開關電路主要包括開關電路10以及電容20。開關電路10耦接於電源開關電路之輸入端IN以及輸出端OUT之間。開關電路10包括第一開關單元12以及第二開關單元14。第一開關單元12以及第二開關單元14均耦接於電荷幫浦CP以及充電電路PRE。
本發明所提供之電源開關電路於架構上的主要特色在於設置有電容20。電容20的第一端ca耦接第一開關單元12以及第二開關單元14之間的節點n，電容20的第二端cb耦接第一開關單元12、第二開關單元14、電荷幫浦CP以及充電電路PRE。電容20的設置有助於提升電源開關電路於多方面的運作速度。
請參照圖2，圖2為圖1之電源開關電路的電路圖。
如圖2所示，第一開關單元12包括第一電晶體T1以及第一雙向開關SW1。第一雙向開關SW1並聯於電容20，且耦接第一電晶體T1之控制端。第一電晶體T1之第一端(如圖2所示為汲極)耦接電源開關電路之輸入端IN，且第一電晶體T1之第二端(如圖2所示為源極)耦接第一雙向開關SW1以及電容20之第一端ca(即節點n)。
第二開關單元14包括第二電晶體T2以及第二雙向開關SW2。第二雙向開關SW2並聯於電容20，且耦接第二電晶體T2之控制 端，第二電晶體T2之第一端(如圖2所示為源極)耦接第二雙向開關SW2以及電容20之第一端ca(即節點n)，且第二電晶體T2之第二端(如圖2所示為汲極)耦接電源開關電路之輸出端OUT。
復如圖2所示，供應參考電流IREF1的電流源通過開關S耦接電源開關電路的輸出端OUT，並通過輸出端OUT耦接負載。開關S的導通以及關閉是由致能訊號EN_PRE來控制。在負載以及電源開關電路啟動之前，電容20的第一端ca的電壓相同於電容20的第二端cb的電壓，即電容20的跨壓為零值。
首先，在負載啟動之前，系統端提供致能訊號EN_PRE以導通開關S，以允許參考電流IREF1通過開關S往輸出端OUT流動，藉以確認電源開關電路以及負載之間具有導通路徑，如線路沒有發生短路現象，可使參考電流IREF1從輸出端OUT流出至負載時，啟動電源開關電路的充電電路PRE以及電荷幫浦CP中的任一者或兩者，同時或依序對電容20進行預充電，使得節點CAP具有第一電壓。
如上所述，在本實施例中，電源開關電路設有電容20、充電電路PRE以及電荷幫浦CP。在啟動負載前，已透過充電電路PRE以及電荷幫浦CP將節點CAP的電壓充電至第一電壓。因此，在參考電流IREF1充電負載使負載的電壓值到達一電壓門檻值而啟動負載時，電荷幫浦CP僅需將節點CAP的電壓由第一電壓拉升至第二電壓。
若沒有設置電容20(亦無需設置充電電路PRE)，則當負載啟動時，電荷幫浦CP必須將節點CAP的電壓由零值拉升至足以導通第一電晶體T1以及第二電晶體T2的電壓值即第二電壓。
相較之下，本實施例將節點CAP的電壓由第一電壓拉升至第二電壓所花費的時間，比將節點CAP的電壓由零值拉升至第二電壓所花費的時間少。因此，本實施例的電容20的設置有助於迅速 地導通第一開關單元12以及第二開關單元14，提升電源開關電路於負載由未啟動至啟動之過程中的運作速度。
請參照圖3，圖3為顯示本發明另一例示性實施例中電源開關電路的電路圖。
圖3中的電源開關電路以及圖2中的電源開關電路具有類似的電路架構以及工作原理，故於以下的敘述中，將僅對兩者之電路架構以及工作原理的差異處作說明。
圖3中的電源開關電路以及圖2中的電源開關電路的差別在於，圖3中的電源開關電路更包括第一保護電路30a。第一保護電路30a包括第一運算放大器32a。
如圖3所示，第一運算放大器32a之反相輸入端耦接於電源開關電路之輸入端IN，第一運算放大器32a之非反相輸入端耦接於電源開關電路之輸出端OUT，且第一運算放大器32a之輸出端耦接於第二開關單元14中的第二雙向開關SW2。
於圖3中，第一保護電路30a可提供逆向電流阻斷(Reverse Current Blocking；RCB)的電路保護功能。
於負載運作的過程中，第一運算放大器32a會根據電源開關電路之輸入端IN的電壓以及電源開關電路之輸出端OUT的電壓之間的電壓差輸出第一控制訊號CON1，以控制第二雙向開關SW2。
若電源開關電路之輸入端IN的電壓以及電源開關電路之輸出端OUT的電壓之間的電壓差小於等於一第一預設壓差(或，趨近於零)，即表示沒有逆向電流會從負載端往供應電源端回灌。於是，第一運算放大器32a所輸出的第一控制訊號CON1便會控制第二雙向開關SW2，使得第二電晶體T2之控制端以及電容20之第一端ca(即節點n)維持導通，進而使得輸入端IN連接的供應電源以及輸出端OUT連接的負載之間維持導通。
相反地，若電源開關電路之輸入端IN的電壓以及電源開關電路之輸出端OUT的電壓之間的電壓差大於一第一預設壓差，即表示將會有逆向電流會從負載端往供應電源端回灌。於是，第一運算放大器32a所輸出的第一控制訊號CON1便會控制第二雙向開關SW2，使得第二電晶體T2之控制端改以與電容20之第二端cb導通，以關閉第二電晶體T2，使負載以及供應電源之間形成斷路，防止逆向電流從負載端往供應電源端回灌。
此外，圖3中的電源開關電路以及圖2中的電源開關電路的另一差別在於，圖3中的電源開關電路更包括第三保護電路40。如圖3所示，第三保護電路40包括感測電晶體ST以及比較器42。比較器42之反相輸入端接收門檻電流IREF2，比較器42之非反相輸入端透過感測電晶體ST耦接於電源開關電路之輸入端IN，且比較器42之輸出端耦接於第一開關單元12中的第一雙向開關SW1。
於圖3中，依照實際操作上不同的電路設計，第三保護電路40可提供限制電流(Current Limiting；CL)或過電流保護(Over Current Protection；OCP)的電路保護功能。
於負載運作的過程中，透過感測電晶體ST，比較器42可獲知供應電源所提供之電流。接著，比較器42會比較門檻電流IREF2以及供應電源所提供之電流，並據以輸出一第三控制訊號CON3，以控制第一雙向開關SW1。舉例來說，門檻電流IREF2根據電源開關電路的安全電流來設定，而本發明所屬領域中具有通常知識者應熟悉安全電流的定義，故於此不細述。
若供應電源所提供之電流小於等於門檻電流IREF2，根據門檻電流IREF2的定義不同，可能表示供應電源提供的電流尚處於電源開關電路上可乘載的電流範圍內，或表示供應電源提供的電流不會對負載造成損壞。此時，比較器42所輸出的第三控制訊號CON3便會控制第一雙向開關SW1，使得第一電晶體T1之控制端 以及電容20之第一端ca(即節點n)維持導通，進而使得輸入端IN連接的供應電源以及輸出端OUT連接的負載之間維持導通。
相反地，若供應電源所提供之電流大於門檻電流IREF2，根據門檻電流IREF2的定義不同，可能表示供應電源提供的電流已超出電源開關電路上可乘載的電流範圍，或表示供應電源提供的電流可能會對負載造成損壞。於是，比較器42所輸出的第三控制訊號CON3便會控制第一雙向開關SW1，使得第一電晶體T1之控制端改以與電容20之第二端cb導通，以關閉第二電晶體T2，進而使得負載以及供應電源之間形成斷路，防止電源開關電路或負載因為所乘載的電流過大而損壞。
須說明的是，於此情況下，由於電源開關電路已無法由供應電源取得電力，因此，第二開關單元14中的第二電晶體T2也會隨之關閉。
最後，請參照圖4，圖4為顯示本發明另一例示性實施例中電源開關電路的電路圖。
圖4中的電源開關電路以及圖3中的電源開關電路具有類似的電路架構以及工作原理，故於以下的敘述中，將僅對兩者之電路架構以及工作原理的差異處作說明。
圖4中的電源開關電路以及圖3中的電源開關電路的差別在於，圖4中的電源開關電路不設置有第一保護電路30a，而設置有第二保護電路30b。第二保護電路30b包括第二運算放大器32b。如圖4所示，第二運算放大器32b之反相輸入端耦接於電容20之第一端ca，第二運算放大器32b之非反相輸入端耦接於電源開關電路之輸出端OUT，且第二運算放大器32b之輸出端耦接於第二開關單元14中的第二雙向開關SW2。
類似於圖3中的第一保護電路30a，於圖4中，第二保護電路30b可提供逆向電流阻斷(Reverse Current Blocking；RCB)的電路保護功能。
於負載運作的過程中，第二運算放大器32b會根據電容20之第一端ca的電壓(即節點n的電壓)以及電源開關電路之輸出端OUT的電壓之間的電壓差輸出第二控制訊號CON2，以控制第二雙向開關SW2。
若節點n的電壓以及電源開關電路之輸出端OUT的電壓之間的電壓差小於等於第二預設壓差(或，趨近於零)，即表示沒有逆向電流會從負載端往供應電源端回灌。於是，第二運算放大器32b所輸出的第二控制訊號CON2便會控制第二雙向開關SW2，使得第二電晶體T2之控制端以及電容20之第一端ca(即節點)維持導通，進而使得輸入端IN連接的供應電源以及輸出端OUT連接的負載之間維持導通。相反地，若節點n的電壓以及電源開關電路之輸出端OUT的電壓之間的電壓差大於該第二預設壓差，即表示將會有逆向電流會從負載端往供應電源端回灌。於是，第二運算放大器32b所輸出的第二控制訊號CON2便會控制第二雙向開關SW2，使得第二電晶體T2之控制端改以與電容20之第二端cb導通，進而使得負載以及供應電源之間形成斷路，防止逆向電流從負載端往供應電源端回灌。
也就是說，圖4中電源開關電路的電路架構類似於圖3中電源開關電路的電路架構，但兩者的差別僅在於，於圖3中電源開關電路的電路架構中，第一運算放大器32a之反相輸入端耦接於電源開關電路之輸入端IN，而於圖4中電源開關電路的電路架構中，第二運算放大器32b之反相輸入端耦接於電容20之第一端ca(節點n)。
簡言之，於圖3中電源開關電路的電路架構中，第一保護電路30a是透過判斷電源開關電路之輸入端IN的電壓以及電源開關電路之輸出端OUT的電壓之間的電壓差，來產生第一控制訊號CON1以防止逆向電流從負載端往供應電源端回灌，而於圖4中電源開關電路的電路架構中，第二保護電路30b是透過判斷電容20 之第一端ca的電壓(即節點n的電壓)以及電源開關電路之輸出端OUT的電壓之間的電壓差，來產生第二控制訊號CON2以防止逆向電流從負載端往供應電源端回灌。
[實施例的可能功效]
總的來說，本發明所提供之電源開關電路的主要特色在於，由於電源開關電路設置有前述電容，且在負載未啟動時，此電容會預先被充電，於是當負載啟動時，電荷幫浦僅需將此電容之第二端的電壓小幅地拉升，便可使得第一開關單元以及第二開關單元快速地被導通，以將供應電源所提供的電力傳遞至負載。再者，在負載運作的過程中，可避免逆向電流從負載端往供應電源端回灌。
最後須說明地是，於前述說明中，儘管已將本發明技術的概念以多個示例性實施例具體地示出以及闡述，然而在此項技術之領域中具有通常知識者將理解，在不背離由以下申請專利範圍所界定的本發明技術的概念之範圍的條件下，可對其作出形式及細節上的各種變化。

Claims (12)

  1. 一種電源開關電路，具有一輸入端以及一輸出端，其中該電源開關電路之輸入端用以接收一供應電源，該電源開關電路之輸出端用以耦接一負載，且該電源開關電路包括：一開關電路，耦接於該電源開關電路之輸入端以及輸出端之間，並包括一第一開關單元以及一第二開關單元，其中該第一開關單元以及該第二開關單元耦接於一電荷幫浦；以及一電容，該電容之第一端耦接於該第一開關單元以及該第二開關單元之間的節點，且該電容之第二端耦接於該第一開關單元、該第二開關單元、該電荷幫浦以及一充電電路；其中，當該電源開關電路之輸出端耦接有該負載但該負載未啟動時，該充電電路預先充電該電容，使得該電容的電壓為一第一電壓，當該負載啟動時，該電荷幫浦將該電容的電壓由該第一電壓充電至足以導通該第一開關單元以及該第二開關單元的一第二電壓，以允許該供應電源所提供的電力傳遞至該負載。
  2. 如請求項1所述之電源開關電路，其中，該第一開關單元包括一第一電晶體以及一第一雙向開關，該第一雙向開關並聯於該電容且耦接於該第一電晶體之控制端，該第一電晶體之第一端耦接於該電源開關電路之輸入端，且該第一電晶體之第二端耦接於該第一雙向開關以及該電容之第一端；其中，該第二開關單元包括一第二電晶體以及一第二雙向開關，該第二雙向開關並聯於該電容且耦接於該第二電晶體之控制端，該第二電晶體之第一端耦接於該第二雙向開關以及該電容之第一端，且該第二電晶體之第二端耦接於該電源開關電路之輸出端。
  3. 如請求項2所述之電源開關電路，其中當該負載啟動時，該第一雙向開關以及該第二雙向開關被控制使得該第一電晶體之控制端以及該第二電晶體之控制端和該電容之第二端導通，於是該第一電晶體之控制端以及該第二電晶體之控制端的電壓等於該第二電壓，使得該第一電晶體以及該第二電晶體導通，以將該供應電源所提供的電力傳遞至該負載。
  4. 如請求項3所述之電源開關電路，更包括一第一保護電路，且該第一保護電路包括：一第一運算放大器，該第一運算放大器之反相輸入端耦接於該電源開關電路之輸入端，該第一運算放大器之非反相輸入端耦接於該電源開關電路之輸出端，且該第一運算放大器之輸出端耦接於該第二開關單元中的該第二雙向開關；其中，該第一運算放大器根據該電源開關電路之輸入端的電壓以及該電源開關電路之輸出端的電壓之間的電壓差輸出一第一控制訊號，且該第二雙向開關由該第一控制訊號控制。
  5. 如請求項4所述之電源開關電路，其中於該負載運作的過程中，若該電源開關電路之輸入端的電壓以及該電源開關電路之輸出端的電壓之間的電壓差小於等於一第一預設壓差，根據該第一控制訊號，該第二雙向開關被控制使得該第二電晶體之控制端以及該電容之第一端維持導通，以導通該第二電晶體，而若該電源開關電路之輸入端的電壓以及該電源開關電路之輸出端的電壓之間的電壓差大於該第一預設壓差，根據該第一控制訊號，該第二雙向開關被控制使得該第二電晶體之控制端改以與該電容之第二端導通，以關閉該第二電晶體。
  6. 如請求項3所述之電源開關電路，更包括一第二保護電路，且該第二保護電路包括：一第二運算放大器，該第二運算放大器之反相輸入端耦接於該電容之第一端，該第二運算放大器之非反相輸入端耦接於該電源開關電路之輸出端，且該第二運算放大器之輸出端耦接於該第二開關單元中的該第二雙向開關；其中，該第二運算放大器根據該電容之第一端的電壓以及該電源開關電路之輸出端的電壓之間的電壓差輸出一第二控制訊號，且該第二雙向開關由該第二控制訊號控制。
  7. 如請求項6所述之電源開關電路，其中於該負載運作的過程中，若該電容之第一端的電壓以及該電源開關電路之輸出端的電壓之間的電壓差小於等於一第二預設壓差，根據該第二控制訊號，該第二雙向開關被控制使得該第二電晶體之控制端以及該電容之第一端維持導通，以導通該第二電晶體，而若該電容之第一端的電壓以及該電源開關電路之輸出端的電壓之間的電壓差大於該第二預設壓差，根據該第二控制訊號，該第二雙向開關被控制使得該第二電晶體之控制端改以與該電容之第二端導通，以關閉該第二電晶體。
  8. 如請求項3所述之電源開關電路，其中更包括一第三保護電路，且該第三保護電路包括：一感測電晶體；以及一比較器，該比較器之反相輸入端接收一門檻電流，該比較器之非反相輸入端透過該感測電晶體耦接於該電源開關電路之輸入端，且該比較器之輸出端耦接於該第一開關單元中的該第一雙向開關；其中，該比較器比較該門檻電流以及該供應電源所提供之電流，以輸出一第三控制訊號，且該第一雙向開關由該第三控制訊號控制。
  9. 如請求項8所述之電源開關電路，其中於該負載運作的過程中，若該供應電源所提供之電流小於等於該門檻電流，根據該第三控制訊號，該第一雙向開關被控制使得該第一電晶體之控制端以及該電容之第一端維持導通，以導通該第一電晶體，而若該供應電源所提供之電流大於該門檻電流，根據該第三控制訊號，該第一雙向開關被控制使得該第一電晶體之控制端改以與該電容之第二端導通，以關閉該第一電晶體。
  10. 如請求項4所述之電源開關電路，其中該第一保護電路為一逆向電流阻斷電路。
  11. 如請求項6所述之電源開關電路，其中該第二保護電路為一逆向電流阻斷電路。
  12. 如請求項8所述之電源開關電路，其中該第三保護電路為一限流電路或一過電流保護電路。
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