TWI687035B - 降壓轉換器的過衝降低電路 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種降壓轉換器的過衝降低電路，包含運算放大器、第一取樣電路、脈波產生電路、脈波計算電路、第二取樣電路以及比較器。運算放大器依據降壓轉換器的降壓轉換訊號以及運算放大器的電壓反饋訊號以輸出運算放大訊號。第一取樣電路依據降壓轉換器的下橋導通訊號，取樣第一電容電壓訊號。脈波產生電路輸出脈波訊號。脈波計算電路依據第一電容電壓訊號以及脈波訊號以輸出第一取樣比對訊號。第二取樣電路依據下橋導通訊號取樣第二電容電壓訊號。比較器比較第二電容電壓訊號與第一取樣比對訊號以輸出比較訊號至降壓轉換器。

Description

降壓轉換器的過衝降低電路
本發明涉及一種降壓轉換器，特別是涉及一種降壓轉換器的過衝降低電路。
電子裝置通常包含多個元件，各元件分別需要不同的操作電壓。因此，對於電子裝置而言，直流-直流電壓轉換器為不可缺少的裝置，用以調整併且穩定電壓。多種不同的直流-直流電壓轉換器基於不同的功率需求被開發出來，包括降壓轉換器(buck converter)及升壓轉換器(booster converter)。降壓轉換器可將輸入的直流電壓降低至預設電壓，而升壓轉換器可將輸入的直流電壓提高。隨著電路技術的演進，降壓轉換器及升壓轉換器也對應地被調整，以應用於不同的系統架構及符合不同的系統需求。
本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種降壓轉換器的過衝降低電路。降壓轉換器包含上橋開關、下橋開關以及運算跨導放大器，上橋開關的第一端連接輸入電壓源，上橋開關的第二端連接下橋開關的第一端，下橋開關的第二端接地，運算跨導放大器的第一輸入端連接第一參考電壓源，運算跨導放大器的第二輸入端連接上橋開關的第二端 以及下橋開關的第一端之間的節點。降壓轉換器的過衝降低電路包含運算放大器、第一取樣電路、脈波產生電路、脈波計算電路、脈波計算電路、第二取樣電路以及第一比較器。運算放大器具有第一放大輸入端以及第二放大輸入端。第一放大輸入端連接上橋開關的第一端以及下橋開關的第二端之間的節點以取得降壓轉換訊號。運算放大器的輸出端通過一分壓電路接地。分壓電路包含第一電阻以及第二電阻。第二放大輸入端連接第一電阻以及第二電阻之間的節點以取得電壓反饋訊號。運算放大器配置以依據降壓轉換訊號以及電壓反饋訊號以輸出運算放大訊號。第一取樣電路通過第一電容接地。第一取樣電路配置以依據從降壓轉換器接收的下橋開關的下橋導通訊號，取樣第一電容的第一電容電壓訊號。脈波產生電路配置以依據從降壓轉換器接收的下橋導通訊號，以輸出脈波訊號。脈波計算電路連接第一取樣電路以及脈波產生電路。脈波計算電路配置儲存並依據第一取樣電路的第一電容電壓訊號以及脈波產生電路的脈波訊號以輸出第一取樣比對訊號。第二取樣電路通過第二電容接地。第二取樣電路配置以依據從降壓轉換器接收的下橋開關的下橋導通訊號，取樣第二電容的第二電容電壓訊號。第一比較器具有第一比較輸入端以及第二比較輸入端，分別連接第二取樣電路以及脈波計算電路。第一比較器配置以比較通過第一比較輸入端接收的第二電容電壓訊號與通過第二比較輸入端接收的第一取樣比對訊號，以輸出第一比較訊號。第二比較器具有第三比較輸入端以及第四比較輸入端，分別連接第二參考電壓源以及運算跨導放大器的輸出端，第三比較輸入端從第二參考電壓源接收參考電壓，第四比較輸入端從運算跨導放大器接收誤差放大訊號，第二比較器配置以比較誤差放大訊號與參考電壓以輸出第二比較訊號。開關驅動電路連接第一比較器、第二比較器以及下橋開關的控制端，配置以依據第一比較訊號以及第二比較訊號，以輸出下橋開關啟閉訊號至下橋開關，以控制下橋開關的 運作。
在實施例中，脈波計算電路配置以計算第一電容電壓訊號的電壓以及脈波訊號的電壓的平均值，並據以輸出第一取樣比對訊號至第一比較器。
在實施例中，第一比較器的第一比較輸入端為非反相輸入端以及第二比較輸入端為反相輸入端，第二比較器的第三比較輸入端為非反相輸入端以及第四比較輸入端為反相輸入端；當第一取樣比對訊號的電壓大於第二電容電壓訊號的電壓時，第一比較器輸出高準位的第一比較訊號至開關驅動電路；當誤差放大訊號的電壓大於第二參考電壓源的電壓時，第二比較器輸出高準位的第二比較訊號至開關驅動電路；開關驅動電路依據高準位的第一比較訊號以及高準位的第二比較訊號，以關閉下橋開關。
在實施例中，所述降壓轉換器的過衝降低電路可更包含第一開關。第一開關的控制端連接運算放大器的輸出端。第一開關的第一端連接共用電壓源，第一開關的第二端連接第一電阻。
在實施例中，所述降壓轉換器的過衝降低電路可更包含第二開關。第二開關的控制端連接運算放大器的輸出端。第二開關的第一端連接共用電壓源。第二開關的第二端通過第一取樣電路連接第一取樣電路。
在實施例中，所述降壓轉換器的過衝降低電路可更包含第三開關。第三開關的控制端連接運算放大器的輸出端。第三開關的第一端連接共用電壓源。第三開關的第二端連接第二取樣電路。
在實施例中，所述降壓轉換器的過衝降低電路可更包含第四開關。第四開關的控制端連接運算放大器的輸出端。第四開關的第一端連接共用電壓源。第四開關的第二端通過第二取樣電路連接第二電容。
在實施例中，所述降壓轉換器的過衝降低電路可更包含第五開 關。第五開關的控制端連接脈波產生電路的輸出端。第五開關的第一端連接第二取樣電路以及第二電容之間的節點。第五開關的第二端接地。
應理解，當負載從重載轉換至輕載時，一般降壓轉換器輸出過衝的電壓，在卸載過程中的下橋開關的導通時間比正常操作時的導通時間長。因此，如上所述，本發明提供降壓轉換器的過衝降低電路，其可依據降壓轉換器的下橋開關導通狀態，控制下橋開關的運作，特別是在降壓轉換器的輸出電壓到達電壓門檻值和輸出電流到達電流門檻值之前，關閉降壓轉換器的下橋開關，使得電流從下橋開關的源極端通過下橋開關的內接二極體流至設置在降壓轉換器的輸出端的電感和電容，藉此有效防止降壓轉換器輸出過衝的電壓和電流。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
1000:過衝降低電路
OPA:運算放大器
SAM1:第一取樣電路
SAM2:第二取樣電路
PUG:脈波產生電路
HDV:脈波計算電路
COM1:第一比較器
COM2:第二比較器
M1:第一開關
M2:第二開關
M3:第三開關
M4:第四開關
M5:第五開關
LD:開關驅動電路
R1:第一電阻
R2:第二電阻
C1:第一電容
C2:第二電容
C3:第三電容
VOUT:輸出電壓
VCC:共用電壓源
VIN:輸入電壓源
Vth:參考電壓源
Toffavg:第一取樣比對訊號
Toff:第二電容電壓訊號
HGS:上橋開關啟閉訊號
LGONF、LGS:下橋開關啟閉訊號
EAO:誤差放大訊號
LGON:下橋導通訊號
2000:降壓轉換器
HG:上橋開關
LG:下橋開關
D1:內接二極體
L1:電感
IOUT:輸出電流
IL:電感電流
Vf:節點電壓
PS、NETO:脈波訊號
NETF:第一電容電壓訊號
DRV:驅動電路
LGC:邏輯電路
COL:控制電路
CMP:比較器
UG:上橋開關
VRAMP:斜波訊號
OTA:運算跨導放大器
VREF:參考電壓源
VFB:反饋電壓
BOOT:啟動電壓
PHASE:相位
CBOOT、COUT:電容
RESR、RFB1、RFB2:電阻
TON:工作週期
圖1為本發明實施例的降壓轉換器的過衝降低電路的電路佈局圖。
圖2A為本發明一實施例的降壓轉換器的電路佈局圖。
圖2B為本發明另一實施例的過衝降低電路應用至降壓轉換器的電路佈局圖。
圖3A為本發明實施例的降壓轉換器在固定輸出電流條件下的輸出電流以及電感電流的訊號波形圖。
圖3B為本發明實施例的降壓轉換器在固定輸出電流和固定導通時間條件下的上橋開關啟閉訊號以及下橋開關啟閉訊號的訊號波形圖。
圖3C為本發明實施例的降壓轉換器於負載從重載轉換到輕載時的輸出電流、電感電流、上橋開關啟閉訊號、下橋開關啟閉訊號以及輸出電壓的訊號波形圖。
圖4A為本發明實施例的降壓轉換器的電感電流的訊號波形圖。
圖4B為本發明實施例的降壓轉換器的輸出電壓的訊號波形圖。
圖4C為本發明實施例的降壓轉換器的下橋導通訊號的訊號波形圖。
圖4D為本發明實施例的降壓轉換器的過衝降低電路的脈波產生電路的第一脈波訊號的訊號波形圖。
圖4E為本發明實施例的降壓轉換器的過衝降低電路的第一取樣電路的第一電容電壓訊號的訊號波形圖。
圖4F為本發明實施例的降壓轉換器的過衝降低電路的第二取樣電路的第二電容電壓訊號、脈波計算電路的第一取樣比對訊號以及脈波產生電路的第二脈波訊號的訊號波形圖。
圖5A為本發明實施例的降壓轉換器的電感電流的訊號波形圖。
圖5B為本發明實施例的降壓轉換器的輸出電壓的訊號波形圖。
圖5C為本發明實施例的降壓轉換器的下橋導通訊號的訊號波形圖。
圖5D為本發明實施例的降壓轉換器的過衝降低電路的脈波產生電路的第一脈波訊號的訊號波形圖。
圖5E為本發明實施例的降壓轉換器的過衝降低電路的第一取樣電路的第一電容電壓訊號的訊號波形圖。
圖5F為本發明實施例的降壓轉換器的過衝降低電路的第二取樣電路的第二電容電壓訊號、脈波計算電路的第一取樣比對訊號以及脈波產生 電路的第二脈波訊號的訊號波形圖。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。
應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件或者訊號，但這些元件或者訊號不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一訊號與另一訊號。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。
請參閱圖1和圖2A，圖1為本發明實施例的降壓轉換器的過衝降低電路的電路佈局圖；圖2A為本發明一實施例的降壓轉換器的電路佈局圖。
如圖1所示，本發明實施例的降壓轉換器的過衝降低電路1000包含運算放大器OPA、第一取樣電路SAM1、脈波產生電路PUG、脈波計算電路HDV、第二取樣電路SAM2、第一比較器COM1、第一開關M1、第二開關M2、第三開關M3、第四開關M4、第五開關M5、第二比較器COM2以及開關驅動電路LD。如圖1所示的降壓轉換器的過衝降低電路1000配置以開啟或關閉如圖2A所示的降壓轉換器2000的下橋開關LG。
運算放大器OPA具有第一放大輸入端以及第二放大輸入端。如 圖1所示的運算放大器OPA的第一放大輸入端例如非反相輸入端連接如圖2A所示的降壓轉換器2000。
如圖2A所示，降壓轉換器2000包含上橋開關HG以及下橋開關LG。上橋開關HG以及下橋開關LG可為N通道空乏型MOSFET，在此僅舉例說明，本發明不以此為限。上橋開關HG連接下橋開關LG。
過衝降低電路1000的運算放大器OPA的第二放大輸入端連接降壓轉換器2000的上橋開關HG以及下橋開關LG之間的節點，即連接降壓轉換器2000的輸出端。更具體地，降壓轉換器2000更包含電感L1以及第三電容C3。降壓轉換器2000的上橋開關HG的第一端例如汲極端連接輸入電壓源VIN。上橋開關HG的第二端例如源極端連接下橋開關LG的第一端例如汲極端。下橋開關LG的第二端接地。電感L1的一端分別連接上橋開關HG以及下橋開關LG之間的節點。電感L1的另一端通過第三電容C3接地。運算放大器OPA的第二放大輸入端連接降壓轉換器2000的電感L1以及第三電容C3之間的節點。
如圖1所示，過衝降低電路1000的運算放大器OPA的第二放大輸入端例如反相輸入端通過分壓電路連接運算放大器OPA的輸出端。分壓電路包含第一電阻R1以及第二電阻R2。第一電阻R1的一端連接運算放大器OPA的輸出端，第一電阻R1的另一端連接第二電阻R2的一端。第二電阻R2的另一端接地。運算放大器OPA的第二放大輸入端連接第一電阻R1以及第二電阻R2之間的節點。
在運算放大器OPA的輸出端以及分壓電路之間可設置第一開關M1。第一開關M1可為P通過增強型MOSFET或其他型態之電晶體等，在此僅舉例說明，本發明不以此為限。第一開關M1的控制端例如閘極端連接運算放大器OPA的輸出端。第一開關M1的第一端例如源極端連接共用電壓源VCC。第一開關M1的第二端例如汲極端連接分壓電路的第一電阻R1的一端。
運算放大器OPA的第一放大輸入端從降壓轉換器2000的上橋開關HG以及下橋開關LG之間的節點取得降壓轉換訊號。更精確地，從降壓轉換器2000的電感L1以及第三電容C3之間的節點取得降壓轉換訊號。運算放大器OPA的第二放大輸入端從第一電阻R1以及第二電阻R2之間的節點取得電壓反饋訊號。運算放大器OPA配置以依據降壓轉換訊號以及電壓反饋訊號，以輸出運算放大訊號至第一開關M1的控制端，以控制第一開關M1的運作。
上述運算放大器OPA所產生的運算放大訊號控制第一開關M1產生電流，由公式表示為：I1=Vout/R2，其中I1代表第一開關M1的電流，Vout代表降壓轉換器2000的輸出電壓VOUT，R2代表如圖1所示的第二電阻R2。如圖1所示，第一開關M1、第二開關M2以及第四開關M4配置為電流鏡電路，第二開關M2的電流等於第一開關M1的電流，第四開關M4的電流等於第一開關M1的電流。在固定時間內，第二開關M2的電流對第一電容C1充電，取得第一電容C1的電壓，利用公式表示為：I2*T=C1V，其中I2代表從第二開關M2流至第一電容C1的電流，T代表第二開關M2的電流充電第一電容C1的時間，C1代表第一電容C1的電容值，V代表第一電容C1的電壓值。另外，在固定時間內，第四開關M4的電流對第二電容C2充電，取得第二電容C2的電壓，利用公式表示為：I4*T=C2V，其中I4代表從第四開關M4至第二電容C2的電流，T代表第四開關M4的電流充電電容C2的時間，C2代表第二電容C2的電容值，V代表第二電容C2的電壓值。
第二開關M2以及第四開關M4可為P通過增強型MOSFET或其他型態之電晶體等，在此僅舉例說明，本發明不以此為限。第二開關M2的第一端例如源極端以及第四開關M4的第一端例如源極端連接共用電壓源VCC。第二開關M2的控制端例如閘極端以及第四開關M4的控制端例如閘極端連接運算放大器OPA的輸出端。第二開關M2的第二端例如汲極端連接第一取 樣電路SAM1的輸入端。第四開關M4的第二端例如汲極端連接第二取樣電路SAM2的輸入端。
第三開關M3可為N通道增強型MOSFET或其他型態之電晶體等，在此僅舉例說明，本發明不以此為限。第三開關M3的第一端連接第一電容C1的非接地端。第三開關M3的控制端例如閘極端可連接脈波產生電路PUG的輸出端。脈波產生電路PUG可控制第三開關M3的運作。第三開關M3的第一端例如汲極端連接第一取樣電路SAM1以及第一電容C1之間的節點。第三開關M3的第二端例如源極端接地。
通過第二開關M2流至第一電容C1的電流可充電第一電容C1。第一取樣電路SAM1通過第一電容C1接地。第一取樣電路SAM1可連接降壓轉換器2000的下橋開關LG。第一取樣電路SAM1配置以依據從降壓轉換器2000接收的下橋開關LG的下橋導通訊號LGON，例如在下橋開關LG被開啟時，取樣第一電容C1的電壓以輸出第一電容電壓訊號。
脈波產生電路PUG可連接降壓轉換器2000的下橋開關LG。脈波產生電路PUG配置以依據從降壓轉換器2000接收的下橋導通訊號LGON，例如在下橋開關LG被關閉時，以輸出脈波訊號。
脈波計算電路HDV連接第一取樣電路SAM1以及脈波產生電路PUG。脈波計算電路HDV配置以儲存從第一取樣電路SAM1接收的第一電容電壓訊號以及從脈波產生電路PUG接收的脈波訊號。當脈波計算電路HDV接收到第一電容電壓訊號時，即下橋開關LG被關閉時，依據第一取樣電路SAM1的第一電容電壓訊號以及脈波產生電路PUG的脈波訊號，例如計算第一取樣電路SAM1的第一電容電壓訊號的電壓以及脈波產生電路PUG的脈波訊號的電壓的平均電壓值，以輸出和儲存第一取樣比對訊號Toffavg。在脈波計算電路HDV儲存第一取樣比對訊號Toffavg之後，第三開關SW3導通，第一電容C1 進行放電。
第二取樣電路SAM2通過第二電容C2接地。第二電容C2的電容值可為第一電容C1的電容值的N倍，其中N可為大於1的正值，在此僅舉例說明，本發明不以此為限。第五開關M5的第一端連接第二電容C2的非接地端。
第五開關M5可為N通道增強型MOSFET或其他型態之電晶體等，在此僅舉例說明，本發明不以此為限。第五開關M5的控制端例如閘極端連接脈波產生電路PUG的輸出端，以由脈波產生電路PUG控制第五開關M5的運作。第五開關M5的第一端例如汲極端連接第二取樣電路SAM2以及第二電容C2之間的節點。第五開關M5的第二端例如源極端接地。
第二取樣電路SAM2連接降壓轉換器2000的下橋開關LG。第二取樣電路SAM2配置以依據從降壓轉換器2000接收的下橋開關LG的下橋導通訊號LGON，例如在第一電容C1放電之後，下橋開關LG再次被開啟以允許第四開關M4的電流經由第二取樣電路SAM2對第二電容C2進行充電，第二取樣電路SAM2取樣第二電容C2充電後的電壓，以輸出第二電容電壓訊號Toff。
第一比較器COM1具有第一比較輸入端以及第二比較輸入端。第一比較器COM1的第一比較輸入端例如非反相輸入端連接第二取樣電路SAM2。第一比較器COM1的第二比較輸入端例如反相輸入端連接脈波計算電路HDV。
第一比較器COM1配置以比較通過第一比較輸入端接收的第二電容電壓訊號Toff與通過第二比較輸入端接收的第一取樣比對訊號Toffavg，以輸出第一比較訊號至降壓轉換器2000的下橋開關LG，以控制下橋開關LG的運作。
另一方面，第二比較器COM2具有第三比較輸入端以及第四比較輸入端。第二比較器COM2的第三比較輸入端例如非反相輸入端連接參考電 壓源Vth。第二比較器COM2的第四比較輸入端例如反相輸入端連接降壓轉換器2000的運算跨導放大器的輸出端。舉例來說，運算跨導放大器的一輸入端可通過分壓電路連接降壓轉換器2000的輸出端即第三電容C3的非接地端。運算跨導放大器的另一輸入端可連接參考電壓源Vth。運算跨導放大器配置以依據從分壓電路取得的降壓轉換器2000的輸出電壓的分壓以及參考電壓源Vth的參考電壓之間的電壓差值，以輸出誤差放大訊號EAO。
第二比較器COM2配置以比較通過第三比較輸入端接收的參考電壓源Vth的參考電壓以及通過第四比較輸入端接收的誤差放大訊號EAO，以輸出第二比較訊號至開關驅動電路LD。
開關驅動電路LD可設置在第一比較器COM1以及降壓轉換器2000之間，以及在第二比較器COM2以及降壓轉換器2000之間。開關驅動電路LD的輸入端連接第一比較器COM1的輸出端以及第二比較器COM2的輸出端。開關驅動電路LD的輸出端連接降壓轉換器2000的下橋開關LG的控制端例如閘極端。
開關驅動電路LD可依據從第一比較器COM1接收的第一比較訊號以及從第二比較器COM2接收的第二比較訊號，以輸出下橋開關啟閉訊號LGONF至下橋開關LG的控制端，以控制下橋開關LG的運作。
請參閱圖1和圖2B，圖1為本發明實施例的降壓轉換器的過衝降低電路的電路佈局圖；圖2B為本發明另一實施例的過衝降低電路應用至降壓轉換器的電路佈局圖。如圖1所示的過衝降低電路1000應用於如圖2B所示的降壓轉換器。
如圖2B所示，降壓轉換器包含控制電路COL、邏輯電路LGC、驅動電路DRV、開關電路(包含上橋開關UG以及下橋開關LG)、電容CBOOT、電感L、電阻RESR、電容COUT、分壓電路(包含電阻RFB1以及電阻RFB2)、提供輸 出電流IOUT的電流源、運算跨導放大器OTA以及比較器CMP。
如圖1和圖2B所示，過衝降低電路1000通過開關驅動電路LD連接降壓轉換器的邏輯電路LGC。邏輯電路LGC連接驅動電路DRV以及控制電路COL。驅動電路DRV連接開關電路的上橋開關UG的控制端以及下橋開關LG的控制端。例如，降壓轉換器的上橋開關UG為P通道的增強型MOSFET電晶體，而下橋開關LG為N通道的增強型MOSFET電晶體。降壓轉換器的驅動電路DRV連接上橋開關UG的閘極端以及下橋開關LG的閘極端。上橋開關UG的第一端例如汲極端連接輸入電壓源VIN。上橋開關UG的第二端例如源極端連接下橋開關LG的第一端例如汲極端。下橋開關LG的第二端例如源極端接地。
上橋開關UG的第二端以及下橋開關LG的第一端例之間的節點連接電感L的一端。電感L的另一端連接電阻RESR與電容COUT的串聯電路。電感L以及電阻RESR與電容COUT的串聯電路之間的節點連接分壓電路的電阻RFB1的一端，電阻RFB1的另一端連接分壓電路的電阻RFB2的一端，電阻RFB2的另一端接地。另外，電感L的另一端以及分壓電路的電阻RFB1的一端之間的節點連接提供輸出電流IOUT的電流源。
降壓轉換器的運算跨導放大器OTA的第一輸入端例如非反相輸入端連接參考電壓源VREF，以從參考電壓源VREF接收參考電壓。運算跨導放大器OTA的第二輸入端例如反相輸入端連接分壓電路的電阻RFB1以及電阻RFB2之間的節點。降壓轉換器的輸出電壓VOUT(即電感L以及電阻RESR與電容COUT的串聯電路之間的節點的電壓)經由分壓電路分壓以產生反饋電壓VFB輸入至運算跨導放大器OTA的第二輸入端。運算跨導放大器OTA配置以依據參考電壓源VREF的參考電壓以及反饋電壓VFB以輸出誤差放大訊號EAO。
降壓轉換器的比較器CMP的第一比較輸入端例如反相輸入端連 接運算跨導放大器OTA的輸出端，以從運算跨導放大器OTA接收誤差放大訊號EAO。比較器CMP的第二比較輸入端例如非反相輸入端連接外部的斜波電路，以從斜波電路取得斜波訊號VRAMP。比較器CMP配置以比較誤差放大訊號EAO與斜波訊號VRAMP，以輸出比較訊號至控制電路COL。降壓轉換器的控制電路COL連接比較器CMP的輸出端以及邏輯電路LGC的輸入端。控制電路COL配置以依據比較器CMP的比較訊號，以輸出控制訊號至邏輯電路LGC。
過衝降低電路1000可透過開關驅動電路LD連接降壓轉換器的輸出端，即連接降壓轉換器的電感L以及電阻RESR與電容COUT的串聯電路之間的節點，以接收降壓轉換器的輸出電壓VOUT。過衝降低電路1000可透過第二比較器COM2的第二輸入端例如反相輸入端連接運算降壓轉換器的運算跨導放大器OTA的輸出端，以從運算跨導放大器OTA接收誤差放大訊號EAO。
過衝降低電路1000接收指示降壓轉換器的下橋開關LG的運作狀態的下橋導通訊號LGON。過衝降低電路1000可依據降壓轉換器的下橋導通訊號LGON、誤差放大訊號EAO以及輸出電壓VOUT，以輸出下橋開關啟閉訊號LGONF至降壓轉換器的邏輯電路LGC。
邏輯電路LGC可依據從過衝降低電路1000接收的下橋導通訊號LGON以及從降壓轉換器的控制電路COL接收的控制訊號，輸出邏輯訊號至驅動電路DRV，以控制驅動電路DRV驅動開關電路的上橋開關UG以及下橋開關LG運作。特別是，在降壓轉換器輸出過衝電壓或電流之前，驅動電路DRV關閉降壓轉換器的下橋開關LG，使得電流通過下橋開關LG的內接二極體流至降壓轉換器的輸出端，藉此有效防止降壓轉換器輸出過衝的電壓和電流。
更具體地，當降壓轉換器的負載釋放能量時，過衝降低電路1000的脈波計算電路HDV輸出的第二電容電壓訊號Toff大於第二取樣電路SAM2輸出的第一取樣比對訊號Toffavg。舉例來說，第二電容電壓訊號Toff大於或 等於N倍的第一取樣比對訊號Toffavg，其中N取決於如圖1所示的第一電容C1的電容值與第二電容C2的電容值的比例，其利用方程式表示為C2=C1×N。其結果為，第一比較器COM1輸出高準位的第一比較訊號至開關驅動電路LD。
再者，當降壓轉換器的負載釋放能量時，降壓轉換器的輸出電壓VOUT增加，使得運算跨導放大器OTA輸出的誤差放大訊號EAO低於參考電壓源Vth的參考電壓值，使得第二比較器COM2輸出高準位的第二比較訊號至開關驅動電路LD。
過衝降低電路1000的開關驅動電路LD依據從第一比較器COM1接收到高準位的第一比較訊號以及從第二比較器COM2接收到高準位的第二比較訊號，以輸出高準位的下橋開關啟閉訊號LGONF至邏輯電路LGC。邏輯電路LGC依據高準位的下橋開關啟閉訊號LGONF輸出高準位的邏輯訊號至驅動電路DRV，以控制驅動電路DRV關閉下橋開關LG。
請一併參閱圖3A至圖3C，圖3A為本發明實施例的降壓轉換器在固定輸出電流條件下的輸出電流以及電感電流的訊號波形圖；圖3B為本發明實施例的降壓轉換器在固定輸出電流和固定導通時間條件下的上橋開關啟閉訊號以及下橋開關啟閉訊號的訊號波形圖；圖3C為本發明實施例的降壓轉換器於負載從重載轉換到輕載時的輸出電流、電感電流、上橋開關啟閉訊號、下橋開關啟閉訊號以及輸出電壓的訊號波形圖。
如圖3A至圖3C所示，IOUT代表如圖2A所示的降壓轉換器2000或如圖2B所示的降壓轉換器的輸出電流，IL代表流經如圖2A所示的降壓轉換器2000的電感L1或如圖2B所示的降壓轉換器的電感L的電流，HGS代表用以控制如圖2A所示的降壓轉換器2000的上橋開關HG運作或如圖2B所示的降壓轉換器的上橋開關UG的上橋開關啟閉訊號，LGS代表用以控制如圖2A所示的降壓轉換器2000或如圖2B所示的降壓轉換器的下橋開關LG運作的下橋開關 啟閉訊號，VOUT代表如圖2A所示的降壓轉換器2000或如圖2B所示的降壓轉換器的輸出電壓。
如圖3C所示的標示電感電流IL的虛線部分表示在未適時關閉降壓轉換器2000的下橋開關LG時，產生的電感電流IL。相比之下，標示電感電流IL的實線部分表示適時關閉降壓轉換器2000的下橋開關LG時，產生的電感電流IL的過衝程度可有效降低。
當如圖2A所示的降壓轉換器2000或如圖2B所示的降壓轉換器的輸出電壓VOUT的電壓高於如圖1所示的分壓電路的第一電阻R1以及第二電阻R2之間的節點電壓時，過衝降低電路1000關閉降壓轉換器2000的下橋開關LG。
在降壓轉換器2000的下橋開關LG關閉後，即在降壓轉換器2000輸出端的系統的負載進行卸載的過程中，電感電流IL如圖2A所示通過下橋開關LG的內接二極體D1流至下橋開關LG的第一端例如汲極端，接著流至電感L1。此時，降壓轉換器2000的輸出電壓VOUT(如圖3C所示的實線部分)相比於未關閉下橋開關LG時的輸出電壓VOUT(如圖3C所示的虛線部分)不具有過衝的電壓值。因此，上述作業可有效達到降低輸出電壓過衝的效果。
請一併參閱圖4A~4F和圖5A~5F，圖4A和圖5A為本發明實施例的降壓轉換器的電感電流的訊號波形圖。圖4B和圖5B為本發明實施例的降壓轉換器的輸出電壓的訊號波形圖。圖4C和圖5C為本發明實施例的降壓轉換器的下橋導通訊號的訊號波形圖。圖4D和圖5D為本發明實施例的降壓轉換器的過衝降低電路的脈波產生電路的第一脈波訊號的訊號波形圖。圖4E和圖5E為本發明實施例的降壓轉換器的過衝降低電路的第一取樣電路的第一電容電壓訊號的訊號波形圖。圖4F和圖5F為本發明實施例的降壓轉換器的過衝降低電路的第二取樣電路的第二電容電壓訊號、脈波計算電路的第一取樣比對訊號 以及脈波產生電路的第二脈波訊號的訊號波形圖。圖4A~4F分別為圖5A~5F的訊號波形的局部放大圖。
如圖4A和圖5A所示，IL代表如圖2A所示的降壓轉換器2000或如圖2B所示的降壓轉換器的電感電流。如圖5A所示，在利用如圖1所示的過衝降低電路1000關閉如圖2A所示的降壓轉換器2000或如圖2B所示的降壓轉換器後，流過降壓轉換器2000的電感L1的電感電流IL或如圖2B所示的降壓轉換器的電感L的電感電流IL的最後一個波的電流值減少至近零值。
如圖4B和圖5B所示，VOUT代表如圖2A所示的降壓轉換器2000或如圖2B所示的降壓轉換器的輸出電壓。如圖5B所示，在利用如圖1所示的過衝降低電路1000關閉如圖2A所示的降壓轉換器2000或如圖2B所示的降壓轉換器後，如圖2A所示的降壓轉換器2000或如圖2B所示的降壓轉換器的輸出電壓VOUT逐漸上升至穩定電流值例如約1.2安培，此電流值低於電流門檻值，即未產生過衝電流。
如圖4C和圖5C所示，LGON代表如圖2A所示的降壓轉換器2000或如圖2B所示的降壓轉換器的下橋開關LG的下橋導通訊號。更具體地，當下橋導通訊號LGON的波形到達高準位時，如圖2A所示的降壓轉換器2000或如圖2B所示的降壓轉換器的下橋開關LG被導通。相反地，當下橋導通訊號LGON的波形從高準位轉為低準位時，如圖2A所示的降壓轉換器2000或如圖2B所示的降壓轉換器的下橋開關LG被關閉。
在下橋導通訊號LGON顯示如圖4C和圖5C所示的降壓轉換器2000的下橋開關LG被關閉時，如圖1所示的過衝降低電路1000的脈波產生電路PUG產生如圖4D和圖5D所示的脈波訊號PS。此時，如圖4E和圖5E所示，過衝降低電路1000的第一取樣電路SAM1取樣第一電容C1的第一電容電壓訊號NETF。
如圖1所示的過衝降低電路1000的脈波計算電路HDV儲存脈波產生電路PUG的脈波訊號PS以及過衝降低電路1000的第一電容電壓訊號NETF。脈波計算電路HDV接著計算脈波訊號PS以及第一電容電壓訊號NETF的平均值例如時間平均值，並依據計算結果輸出如圖4F和圖5F所示的第一取樣比對訊號Toffavg。
如圖4F和圖5F所示，Toff代表過衝降低電路1000的第二取樣電路SAM2取樣第二電容C2的第二電容電壓訊號Toff。如圖1所示的過衝降低電路1000的第一比較器COM1比較第一取樣比對訊號Toffavg與第二電容電壓訊號Toff，以產生第一比較訊號LGONF至降壓轉換器2000的下橋開關LG，以控制下橋開關LG的運作，特別是適時地關閉下橋開關LG，以防止降壓轉換器2000輸出過衝電壓和過衝電流。
綜上所述，本發明提供降壓轉換器的過衝降低電路，其可依據降壓轉換器的下橋開關導通狀態，控制下橋開關的運作，特別是在降壓轉換器的輸出電壓到達電壓門檻值和輸出電流到達電流門檻值之前，關閉降壓轉換器的下橋開關，使得電流從下橋開關的源極端通過下橋開關的內接二極體流至設置在降壓轉換器的輸出端的電感和電容，藉此有效防止降壓轉換器輸出過衝的電壓和電流。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。
1000:過衝降低電路
OPA:運算放大器
SAM1:第一取樣電路
SAM2:第二取樣電路
PUG:脈波產生電路
HDV:脈波計算電路
COM1:第一比較器
COM2:第二比較器
M1:第一開關
M2:第二開關
M3:第三開關
M4:第四開關
M5:第五開關
LD:開關驅動電路
R1:第一電阻
R2:第二電阻
C1:第一電容
C2:第二電容
VOUT:輸出電壓
VCC:共用電壓源
Vth:參考電壓源
Toffavg:第一取樣比對訊號
Toff:第二電容電壓訊號
LGONF:下橋開關啟閉訊號
EAO:誤差放大訊號
LGON:下橋導通訊號

Claims (8)

  1. 一種降壓轉換器的過衝降低電路，該降壓轉換器包含一上橋開關、一下橋開關以及一運算跨導放大器，該上橋開關的第一端連接一輸入電壓源，該上橋開關的第二端連接該下橋開關的第一端，該下橋開關的第二端接地，該運算跨導放大器的第一輸入端連接一第一參考電壓源，該運算跨導放大器的第二輸入端連接該上橋開關的第二端以及該下橋開關的第一端之間的節點，該降壓轉換器的過衝降低電路包含：一運算放大器，具有一第一放大輸入端以及一第二放大輸入端，該第一放大輸入端連接該上橋開關的第一端以及該下橋開關的第二端之間的節點以取得一降壓轉換訊號，該運算放大器的輸出端通過一分壓電路接地，該分壓電路包含一第一電阻以及一第二電阻，該第二放大輸入端連接該第一電阻以及該第二電阻之間的節點以取得一電壓反饋訊號，該運算放大器配置以依據該降壓轉換訊號以及該電壓反饋訊號以輸出一運算放大訊號；一第一取樣電路，通過一第一電容接地，配置以依據從該降壓轉換器接收的該下橋開關的一下橋導通訊號，取樣該第一電容的一第一電容電壓訊號；一脈波產生電路，配置以依據從該降壓轉換器接收的該下橋導通訊號，以輸出一脈波訊號；一脈波計算電路，連接該第一取樣電路以及該脈波產生電路，配置以儲存並依據該第一電容電壓訊號以及該脈波訊號，以輸出一第一取樣比對訊號；一第二取樣電路，通過一第二電容接地，配置以依據從該降壓轉換器接收的該下橋開關的該下橋導通訊號，取樣該第二電容的一第二電容電壓訊號；以及 一第一比較器，具有一第一比較輸入端以及一第二比較輸入端，分別連接該第二取樣電路以及該脈波計算電路，配置以比較通過該第一比較輸入端接收的該第二電容電壓訊號與通過該第二比較輸入端接收的該第一取樣比對訊號，以輸出一第一比較訊號；一第二比較器，具有一第三比較輸入端以及一第四比較輸入端，分別連接一第二參考電壓源以及該運算跨導放大器的輸出端，該第三比較輸入端從該第二參考電壓源接收一參考電壓，該第四比較輸入端從該運算跨導放大器接收一誤差放大訊號，該第二比較器配置以比較該誤差放大訊號與該參考電壓以輸出一第二比較訊號；以及一開關驅動電路，連接該第一比較器、該第二比較器以及該下橋開關的控制端，配置以依據該第一比較訊號以及該第二比較訊號，以輸出一下橋開關啟閉訊號至該下橋開關，以控制該下橋開關的運作。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的降壓轉換器的過衝降低電路，其中該脈波計算電路配置以計算該第一電容電壓訊號的電壓以及該脈波訊號的電壓的平均值，並據以輸出該第一取樣比對訊號至該第一比較器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的降壓轉換器的過衝降低電路，其中該第一比較器的該第一比較輸入端為非反相輸入端以及該第二比較輸入端為反相輸入端，該第二比較器的該第三比較輸入端為非反相輸入端以及該第四比較輸入端為反相輸入端；當該第一取樣比對訊號的電壓大於該第二電容電壓訊號的電壓時，該第一比較器輸出高準位的該第一比較訊號至該開關驅動電路；當該誤差放大訊號的電壓大於該第二參考電壓源的電壓時，該 第二比較器輸出高準位的該第二比較訊號至該開關驅動電路；該開關驅動電路依據高準位的該第一比較訊號以及高準位的該第二比較訊號，以關閉該下橋開關。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的降壓轉換器的過衝降低電路，更包含：一第一開關，該第一開關的控制端連接該運算放大器的輸出端，該第一開關的第一端連接一共用電壓源，該第一開關的第二端連接該第一電阻。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的降壓轉換器的過衝降低電路，更包含：一第二開關，該第二開關的控制端連接該運算放大器的輸出端，該第二開關的第一端連接一共用電壓源，該第二開關的第二端通過該第一取樣電路連接該第一電容。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的降壓轉換器的過衝降低電路，更包含：一第三開關，該第三開關的控制端連接該脈波產生電路的輸出端，該第三開關的第一端連接該第一取樣電路以及該第一電容之間的節點，該第三開關的第二端接地。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的降壓轉換器的過衝降低電路，更包含：一第四開關，該第四開關的控制端連接該運算放大器的輸出端，該第四開關的第一端連接一共用電壓源，該第四開關的第二端通過該第二取樣電路連接該第二電容。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的降壓轉換器的過衝降低電路，更包含：一第五開關，該第五開關的控制端連接該脈波產生電路的輸出端，該第五開關的第一端連接該第二取樣電路以及該第二電容之間 的節點，該第五開關的第二端接地。
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