TWI783513B - 電源開關的控制裝置 - Google Patents

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Abstract

電源開關的控制裝置包括升壓電路、放電電路以及偏壓產生電路。升壓電路升壓基準電壓以在電源開關的控制端上產生控制電壓。放電電路依據偏壓電壓在電源開關的控制端以及參考接地端間產生放電路徑。偏壓產生電路使電源開關的輸出端上的輸出電壓與控制電壓比較以產生比較結果，並依據比較結果以產生偏壓電壓。

Description

電源開關的控制裝置
本發明是有關於一種電源開關的控制裝置，且特別是有關於一種可避免電源開關損毀的控制裝置。
在習知的技術領域中，在電子電路中，常設置一電源開關以控制是否將電源電壓傳送至負載裝置的媒介。當電子裝置進行開機時，電源開關會依據所接收的控制信號被導通，並使電源電壓可被傳送至負載裝置上；相對的，當電子裝置進行關機時，電源開關會依據所接收的控制信號被切斷，並使電源電壓不被傳送至負載裝置上。
在習知技術領域中，當電源開關需要被關斷時，常透過使建構電源開關的N型電晶體的閘極接收一相對低的控制電壓，以使電晶體可以順利被截止。在此同時，由於電源開關的輸出端上的電壓值仍保持在相對高的電壓值，因此電晶體的源、閘極間將承受一個相當高的偏壓電壓。這個過高的偏壓電壓可能使電源開關發生損壞的現象。在長時期工作的條件下，電源開關甚至可能發生燒毀的現象。
本發明提供一種電源開關的控制裝置，可有效降低電源開關發生損壞的可能。
本發明的電源開關的控制裝置包括升壓電路、放電電路以及偏壓產生電路。升壓電路耦接至電源開關的控制端，升壓基準電壓以在電源開關的控制端上產生控制電壓。放電電路耦接在電源開關的控制端以及參考接地端間，依據偏壓電壓在電源開關的控制端以及參考接地端間產生放電路徑。偏壓產生電路耦接放電電路，使電源開關的輸出端上的輸出電壓與控制電壓比較以產生比較結果，並依據比較結果以產生偏壓電壓。
基於上述，本發明實施例比較電源開關輸出端以及控制端上的電壓，並透過比較結果來決定是否對電源開關的控制端進行放電動作。如此一來，電源開關因控制端與輸出端間電壓差過大而導致損毀的可能性可以有效被降低，維持電源開關可正常運作。
請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的電源開關的控制裝置的示意圖。控制裝置100用以控制電源開關PSW的導通及斷開動作。電源開關PSW例如由N型電晶體所構成。電源開關PSW的第一端接收輸入電壓VIN，電源開關PSW的第二端產生輸出電壓VOUT，電源開關PSW的控制端接收控制電壓VG。另外，電容CIN耦接在電源開關PSW的第一端與參考接地端GND間，電容CL耦接在電源開關PSW的第二端與參考接地端GND間。電容CIN以及CL均可作為穩壓電容。電源開關PSW的控制端與第二端間具有電容CGS，並具有與電容CGS並聯的稽納（Zener）二極體ZD1。其中稽納二極體ZD1的陽極耦接至電源開關PSW的第二端，稽納二極體ZD1的陰極耦接至電源開關PSW的控制端。
控制裝置100包括升壓電路110、放電電路120以及偏壓產生電路130。升壓電路110耦接至電源開關PSW的控制端，並用以提供控制電壓VG。升壓電路110可基於一基準電壓進行升壓，並在電源開關PSW的控制端上產生控制電壓VG。在實施細節上，升壓電路110可以為一電荷泵（charge pump）電路，或者也可為本領域具通常知識者所熟知的任意升壓電路，沒有特別的限制。
放電電路120耦接在電源開關PSW的控制端以及參考接地端GND間。放電電路120依據一偏壓電壓VB以在電源開關PSW的控制端以及參考接地端GND間產生一放電路徑。在實施細節上，放電電路120可以由電晶體MD所構成。電晶體MD的第一端耦接至電源開關PSW的控制端，電晶體MD的第二端則耦接至參考接地端GND，電晶體MD的控制端則耦接至偏壓產生電路130以接收偏壓電壓VB。
偏壓產生電路130接收輸出電壓VOUT與控制電壓VG，並使控制電壓VG與輸出電壓VOUT和一偏移電壓的差相比較以產生比較結果。偏壓產生電路130再依據比較結果來產生偏壓電壓VB。在本實施例中，偏壓產生電路130可另接收開關啟閉信號EN以及異常信號DISC。其中，開關啟閉信號EN用以指示電源開關PSW是為導通或是斷開。異常信號DISC則用以指示電源開關PSW所屬的系統有無發生異常現象。偏壓產生電路130並依據啟閉信號EN以及異常信號DISC，來搭配輸出電壓VOUT和偏移電壓的差與控制電壓VG的比較結果來產生偏壓電壓VB。
在動作細節上，當啟閉信號EN指示電源開關PSW需被導通，且異常信號DISC指示系統無發生異常時，偏壓產生電路130可透過所產生的偏壓電壓VB以使電晶體MD被截止。在此同時，升壓電路110提供具有相對高電壓的控制電壓VG，以使電源開關維持在導通的狀態。此時，輸出電壓VOUT實質上等於輸入電壓VIN，且控制電壓VG可以大於輸出電壓VOUT一個臨界電壓VTH,N。臨界電壓VTH,N為建構電源開端PSW的電晶體的導通電壓。
在另一方面，當啟閉信號EN以及異常信號DISC的至少其中之一發生變更，並指示電源開關PSW需被斷開時，升壓電路110可先停止升壓動作。在此瞬間，基於此時的控制電壓VG大於輸出電壓VOUT和偏移電壓的差，偏壓產生電路130依據控制電壓VG與輸出電壓VOUT和偏移電壓的差的比較結果，透過所產生的偏壓電壓VB（具有相對高的電壓值）以使電晶體MD（例如為N型電晶體）被導通。電晶體MD所提供的放電路徑可使控制電壓VG快速下降。
值得一提的，上述的控制電壓VG的快速下降動作，可以使控制電壓VG的電壓值，降至輸出電壓VOUT與偏移電壓的差。對應於此，偏壓產生電路130所產生的偏壓電壓VB產生變更（變更為具有相對低的電壓值），使電晶體MD被截止，並停止控制電壓VG的放電動作。接著，在當輸出電壓VOUT與偏移電壓的差再次下降為低於控制電壓VG後，偏壓產生電路130可透過所產生的偏壓電壓VB以再次導通電晶體MD。
由上述的說明不難發現，本發明實施例中，透過分段式的導通、截止電晶體MD，偏壓產生電路130可控制電源開關PSW的控制端以及輸出端間，所承受的控制電壓VG以及輸出電壓VOUT間的電壓差不至於過大。在這樣的條件下，電源開關PSW被損毀的機率可以大幅地降低，有效延長使用的壽命。
以下請參照圖2，圖2繪示本發明另一實施例的電源開關的控制裝置的示意圖。在本實施例中，電源開關PSW的第一端接收輸入電壓VIN，電源開關PSW的第二端產生輸出電壓VOUT，電源開關PSW的控制端接收控制電壓VG。另外，電容CIN耦接在電源開關PSW的第一端與參考接地端GND間，電容CL耦接在電源開關PSW的第二端與參考接地端GND間。電容CIN以及CL均可作為穩壓電容。電源開關PSW的控制端與第二端間具有電容CGS，並具有與電容CGS並聯的稽納二極體ZD1。
控制裝置200包括升壓電路210、放電電路220以及偏壓產生電路230。升壓電路210耦接至電源開關PSW的控制端，並用以提供控制電壓VG。放電電路220由電晶體MD所構成，並耦接在電源開關PSW的控制端以及參考接地端GND間。放電電路220依據一偏壓電壓VB以在電源開關PSW的控制端以及參考接地端GND間產生一放電路徑。
偏壓產生電路230包括比較器CMP1以及邏輯運算器231。比較器CMP1可透過運算放大器來建構。比較器CMP1具有正輸入端接收控制電壓VG，比較器CMP1的負輸入端接收輸出電壓VOUT和一偏移電壓的差。比較器CMP1使控制電壓VG與輸出電壓VOUT和偏移電壓的差比較，並產生比較結果VCOMP。邏輯運算器231耦接至比較器CMP1以及電晶體MD。邏輯運算器231針對開關啟閉信號EN、異常信號DISC以及比較結果VCOMP進行邏輯運算，並依據運算結果以產生偏壓電壓VB。在本實施例中，邏輯運算器231可針對開關啟閉信號EN的反向以及異常信號DISC執行或運算來產生第一運算信號，並針對上述的第一運算信號，來與比較結果VCOMP進行及運算來產生第二運算信號。邏輯運算器231並透過第二運算信號來產生偏壓電壓VB，並提供偏壓電壓VB至電晶體MD的控制端。
在本實施例中，在比較器CMP1的負輸入端以及電源開關PSW的輸出端間，並可設置一偏移電壓產生器VOS。在這樣的設置下，當控制電壓VG大於輸出電壓VOUT與偏移電壓產生器VOS所提供的偏移電壓的差時，比較器CMP1可產生為邏輯1的比較結果VCOMP。相對的，當控制電壓VG小於輸出電壓VOUT與偏移電壓的差時，比較器CMP1可產生為邏輯0的比較結果VCOMP。
在本實施例中，當開關啟閉信號EN的反向與異常信號DISC中的至少其中之一為邏輯1時，且比較結果VCOMP也為邏輯1時，邏輯運算器231可產生為邏輯1的第二運算信號，並對應提供偏壓電壓VB至電晶體MD，以導通電晶體MD。當開關啟閉信號EN的反向、異常信號DISC均不為邏輯1，及/或比較結果VCOMP不為邏輯1時，邏輯運算器231可產生為邏輯0的第二運算信號，並對應提供偏壓電壓VB至電晶體MD，以使電晶體MD被截止。
在硬體架構上，邏輯運算器231包括反向器IV1、或閘OR1以及及閘AD1。反向器IV1接收開關啟閉信號EN，並產生反向開關啟閉信號ENB。或閘OR1接收反向開關啟閉信號ENB以及異常信號DISC，並提供第一運算信號至及閘AD1的一輸入端。及閘AD1的另一輸入端則接收比較結果VCOMP，及閘AD1的輸出端則產生第二運算結果，並提供偏壓電壓VB。
以下請參照圖3，圖3繪示本發明另一實施例的電源開關的控制裝置的示意圖。在本實施例中，電源開關PSW的第一端接收輸入電壓VIN，電源開關PSW的第二端產生輸出電壓VOUT，電源開關PSW的控制端接收控制電壓VG。另外，電源開關PSW的第一端與第二端上並分別耦接電容CIN、CL。電源開關PSW的控制端與第二端間具有電容CGS，並具有與電容CGS並聯的稽納二極體ZD1。
控制裝置300包括升壓電路310、放電電路320以及偏壓產生電路330。升壓電路310耦接至電源開關PSW的控制端，並用以提供控制電壓VG。放電電路320由電晶體MD所構成，並耦接在電源開關PSW的控制端以及參考接地端GND間。放電電路320依據一偏壓電壓VB以在電源開關PSW的控制端以及參考接地端GND間產生一放電路徑。
偏壓產生電路330包括電流鏡CM1、CM2、參考電流源IB以及邏輯運算器331。電流鏡CM1包括電晶體M1、M2、。電流鏡CM1接收輸出電壓VOUT以及控制電壓VG。電流鏡CM1中，電晶體M1使輸出電壓VOUT以及偏移電壓的差，來與控制電壓VG相比較以產生第一電流I1。電流鏡CM1並透過電晶體M2以鏡射第一電流I1來產生第二電流I2。
電流鏡CM2包括電晶體M3、M4。其中的電晶體M3接收第二電流I2，並透過電晶體M4以鏡射第二電流I2來產生第三電流I3。參考電流源IB耦接至電晶體M4，並耦接至參考端點RE。參考電流源IB提供參考電流至及閘AD1的輸入端，電晶體M4則由參考端點RE汲取第三電流I3。如此一來，參考端點RE上可產生比較結果VCOMP，其中比較結果VCOMP的電壓大小依據第三電流I3是否大於參考電流源IB所提供的參考電流來決定。
在本實施例中，電流鏡CM1所提供的電流鏡射比可以為1：1，電流鏡CM1所提供的電流鏡射比則可以為1：M，M為大於1的實數。
在本實施例中，電流鏡CM1、CM2、參考電流源IB組成一比較器。在當控制電壓VG大於輸出電壓VOUT以及偏移電壓的差時，電流鏡CM1、CM2所產生的第三電流I3遠小於參考電流源IB提供的參考電流，參考端點RE上的比較結果VCOMP具有相對高的電壓值，並等效為邏輯1。相對的，在當控制電壓VG小於輸出電壓VOUT與偏移電壓的差時，電流鏡CM1、CM2所產生的第三電流I3可大於參考電流源IB提供的參考電流，參考端點RE上的比較結果VCOMP則具有相對低的電壓值，並等效為邏輯0。
附帶一提的，電流鏡CM1中的電晶體M1與電源開關PSW的控制端間，可設置由二極體D1建構的偏移電壓產生器。二極體D1的導通電壓VTH,D以及電晶體M1的導通電壓VTH,M1的和可做為上述的偏移電壓。在當控制電壓VG大於輸出電壓VOUT與偏移電壓的差時，第一電流I1實質上等於0。而在當控制電壓VG小於輸出電壓VOUT與偏移電壓的和時，第一電流I1大於0。
邏輯運算器331包括及閘AD1、或閘OR1以及反向器IV1。反向器IV1接收開關啟閉信號EN，並產生反向開關啟閉信號ENB。或閘OR1接收反向開關啟閉信號ENB以及異常信號DISC，並產生第一運算信號。及閘AD1接收比較結果VCOMP以及第一運算信號，產生第二運算信號，並依據第二運算信號來提供偏壓電壓VB。偏壓電壓VB被提供至放電電路320中的電晶體MD。在電晶體MD被導通時，可產生放電電流ID。
以下請同步參照圖3、圖4以及圖5，圖4以及圖5分別繪示本發明實施例的控制裝置在不同狀態下的動作波形圖。在圖4、的繪示中，橫軸為時間軸，縱軸則為電壓。
在圖4中，開關啟閉信號EN原先為邏輯1。此時輸出電壓VOUT實質上等於輸入電壓VIN，並低於控制電壓VG。本實施例中，控制電壓VG減去輸出電壓VOUT（VG-VOUT）約等於5伏特。另外，基於為邏輯1的開關啟閉信號EN，偏壓電壓VB為邏輯0。
接著，開關啟閉信號EN由邏輯1轉態為邏輯0，偏壓產生電路330依據比較控制電壓VG、輸出電壓VOUT以及偏移電壓來產生具有多個為邏輯1的脈波，並使控制電壓VG逐漸地隨著輸出電壓VOUT的下降而降低。如此一來，控制電壓VG與輸出電壓VOUT間的電壓差值可以有效被控制在大於-5伏特的情況下，維持電源開關PSW所承受的偏壓量，並降低電源開關PSW發生損毀的機率。
在當控制電壓VG與輸出電壓VOUT均下降至0伏特時，電源開關PSW被斷開，偏壓電壓VB維持為邏輯1，並使電晶體MD恆為導通的狀態。
在圖5中，基於開關啟閉信號EN等於邏輯1，當輸入電壓VIN例如等於20伏特，而輸出電壓VOUT等於20.1伏特時，即所謂的發生逆電壓現象，並可啟動逆電壓保護機制。在逆電壓保護機制下，異常信號DISC可以為邏輯1。在此同時，在偏移電壓被設定為1.9伏特的條件下，偏壓產生電路330可使偏壓電壓VB產生多個邏輯1的脈波，並使放電電壓220將控制電壓VG放電至18.1伏特。
請參照圖6，圖6繪示本發明另一實施例的電源開關的控制裝置的示意圖。在本實施例中，電源開關PSW的第一端接收輸入電壓VIN，電源開關PSW的第二端產生輸出電壓VOUT，電源開關PSW的控制端接收控制電壓VG。另外，電源開關PSW的第一端與第二端上並分別耦接電容CIN、CL。電源開關PSW的控制端與第二端間具有電容CGS，並具有與電容CGS並聯的稽納二極體ZD1。
控制裝置600包括升壓電路610、放電電路620以及偏壓產生電路630。升壓電路610耦接至電源開關PSW的控制端，並用以提供控制電壓VG。放電電路620由電晶體MD所構成，並耦接在電源開關PSW的控制端以及參考接地端GND間。放電電路620依據一偏壓電壓VB以在電源開關PSW的控制端以及參考接地端GND間產生一放電路徑。
偏壓產生電路630包括電流鏡CM1、二極體D1、參考電流源IB以及邏輯運算器631。電流鏡CM1包括電晶體M1、M2。電流鏡CM1使輸出電壓VOUT與偏移電壓的差，來與控制電壓VG進行比較，並依據比較結果來產生第一電流I1。電晶體M2並鏡射第一電流I1來產生第二電流I2，並提供第二電流I2至參考端點RE。電流鏡CM1的電流鏡射比可以為1：1。
參考電流源IB設置在參考端點RE以及參考接地電壓GND間，並針對參考端點RE汲取一參考電流。依據參考電流以及第二電流I2的大小關係，參考端點RE可產生比較結果VCOMP。其中，當第二電流I2大於參考電流，比較結果VCOMP可以為邏輯1，當第二電流I2小於參考電流，比較結果VCOMP可以為邏輯0。
本實施例中的二極體D1以及電晶體M1的導通電壓的和可以做為偏移電壓。
邏輯運算器631包括反或閘NO1、或閘OR1以及反向器IV1、IV2。反向器IV1、IV2分別接收開關啟閉信號EN以及異常信號DISC，並分別產生反向開關啟閉信號ENB以及反向異常信號DISCB。反或閘NO1接收比較結果VCOMP以及反向異常信號DISCB，並產生第一運算信號。或閘OR1則接收第一運算信號以及反向開關啟閉信號ENB，並產生第二運算信號。再依據第二運算信號以提供偏壓電壓VB。
在此請注意，本發明圖2、3、6的實施例中，邏輯運算器231、331、631中的電路架構，都只是說明用的範例。要知道，在邏輯電路的設計中，相同的邏輯運算式，可以應用多種不同的邏輯電路來完成。因此，本發明圖2、3、6的實施例中的邏輯運算器231、331、631中的電路架構，並不用以限縮本發明的範疇。
綜上所述，本發明在電源開關需被關斷時，透過偵測控制電壓以及輸出電壓的差值，來進行控制電壓的放電動作。可使電源開關所承受的控制電壓以及輸出電壓間的電壓差值不至於過大，而使電源開關有發生損毀的可能，進以提升電源開關的使用壽命。
100、200、300、600:控制裝置 110、210、310、610:升壓電路 120、220、320、620:放電電路 130、230、330、630:偏壓產生電路 231、631:邏輯運算器 AD1:及閘 CIN、CGS、CL:電容 CM1、CM2:電流鏡 CMP1:比較器 D1:二極體 DISC:異常信號 EN:開關啟閉信號 ENB:反向開關啟閉信號 GND:參考接地端 I1、I2、I3:電流 IB:參考電流源 ID:放電電流 IV1、IV2:反向器 MD、M1~M4:電晶體 DISCB:反向異常信號 NO1:反或閘 OR1:或閘 PSW:電源開關 RE:參考端點 VB:偏壓電壓 VCOMP:比較結果 VG:控制電壓 VIN:輸入電壓 VOS:偏移電壓產生器 VOUT:輸出電壓 ZD1:稽納二極體
圖1繪示本發明一實施例的電源開關的控制裝置的示意圖。 圖2繪示本發明另一實施例的電源開關的控制裝置的示意圖。 圖3繪示本發明另一實施例的電源開關的控制裝置的示意圖。 圖4以及圖5分別繪示本發明實施例的控制裝置在不同狀態下的動作波形圖。 圖6繪示本發明另一實施例的電源開關的控制裝置的示意圖。
100:控制裝置
110:升壓電路
120:放電電路
130:偏壓產生電路
CIN、CGS、CL:電容
DISC:異常信號
EN:開關啟閉信號
GND:參考接地端
MD:電晶體
PSW:電源開關
VB:偏壓電壓
VG:控制電壓
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
ZD1:稽納二極體

Claims (10)

  1. 一種電源開關的控制裝置，包括：一升壓電路，耦接至該電源開關的控制端，升壓一基準電壓以在該電源開關的控制端上產生一控制電壓；一放電電路，耦接在該電源開關的控制端以及一參考接地端間，依據一偏壓電壓在該電源開關的控制端以及該參考接地端間產生一放電路徑；以及一偏壓產生電路，耦接該放電電路，使該電源開關的輸出端上的一輸出電壓與該控制電壓比較以產生一比較結果，並依據該比較結果以產生該偏壓電壓。
  2. 如請求項1所述的控制裝置，其中該偏壓產生電路更依據一開關啟閉信號、一異常信號以及該比較結果以產生該偏壓電壓。
  3. 如請求項1所述的控制裝置，其中該偏壓產生電路在當該控制電壓大於該輸出電壓與一偏移電壓的差時，透過產生該偏壓電壓以使該放電電路產生該放電路徑。
  4. 如請求項1所述的控制裝置，其中該偏壓產生電路包括：一比較器，具有正輸入端接收該控制電壓，該比較器的負輸入端接收該輸出電壓，該比較器的輸出端產生該比較結果；以及一邏輯運算器，針對一開關啟閉信號、一異常信號以及該比較結果進行邏輯運算，並依據運算結果以產生該偏壓電壓。
  5. 如請求項4所述的控制裝置，其中該邏輯運算器包括：一反向器，接收該開關啟閉信號，產生一反向開關啟閉信號；一或閘，接收該反向開關啟閉信號以及該異常信號，產生一第一運算信號；一及閘，接收該比較結果以及該第一運算信號，產生一第二運算信號，並透過該第二運算信號以提供該偏壓電壓。
  6. 如請求項1所述的控制裝置，其中該偏壓產生電路包括：一第一電流鏡，接收該輸出電壓以及該控制電壓，依據該輸出電壓以及該控制電壓的差以產生一第一電流，並鏡射該第一電流以產生一第二電流；一第二電流鏡，接收該第二電流，並鏡射該第二電流以產生一第三電流；一參考電流源，提供一參考電流至該第二電流鏡產生該第三電流的一參考端點；一邏輯運算器，針對一開關啟閉信號、一異常信號以及該參考端點上的電壓進行邏輯運算，並依據運算結果以提供該偏壓電壓。
  7. 如請求項6所述的控制裝置，其中該偏壓產生電路更包括： 一偏移電壓產生器，耦接於該第一電流鏡與該電源開關的控制端間，提供一偏移電壓。
  8. 如請求項1所述的控制裝置，其中該偏壓產生電路包括：一電流鏡，接收該輸出電壓以及該控制電壓，依據該輸出電壓以及該控制電壓的差以產生一第一電流，並鏡射該第一電流以產生一第二電流；一參考電流源，耦接至該電流鏡產生該第二電流的一參考端點；一邏輯運算器，針對一開關啟閉信號、一異常信號以及該參考端點上的電壓進行邏輯運算，並依據運算結果以提供該偏壓電壓。
  9. 如請求項8所述的控制裝置，其中該邏輯運算器包括：一第一反向器，接收該開關啟閉信號，產生一反向開關啟閉信號；一第二反向器，接收該異常信號，產生一反向異常信號；一反或閘，接收該反向異常信號以及該參考端點上的電壓，產生一第一運算信號；以及一或閘，接收該反向開關啟閉信號以及該第一運算信號，產生一第二運算信號，並依據該第二運算信號以提供該偏壓電壓。
  10. 如請求項9所述的控制裝置，其中該偏壓產生電路更包括：一偏移電壓產生器，耦接於該電流鏡與該電源開關的控制端間，提供一偏移電壓。
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