TWI807977B - 切換式電源轉換器及其控制電路與控制方法 - Google Patents

切換式電源轉換器及其控制電路與控制方法 Download PDF

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Abstract

一種切換式電源轉換器，包含：升壓型功率級電路及控制電路。升壓型功率級電路包括：至少一功率開關，用以於正常操作期間，根據操作訊號而切換電感之一端耦接於輸出電壓與接地電位之間，以將輸入電壓轉換為輸出電壓；以及電源線開關，與電感串聯於輸入電壓與輸出電壓之間，用以於輸出電壓短路至接地電位時不導通，以避免短路電流自輸入電壓流向接地電位。控制電路用以根據輸出電壓而產生操作訊號，並判斷電源線開關為P型金屬氧化半導體(metal oxide semiconductor, MOS)元件或N型金屬氧化半導體元件，以於輸出電壓短路至接地電位時，關斷電源線開關。

Description

切換式電源轉換器及其控制電路與控制方法
本發明係有關於一種切換式電源轉換器，特定而言係有關於一種能夠判斷不同種類的電源線開關，而對應選擇不同驅動電路之切換式電源轉換器。本發明也有關於上述切換式電源轉換器之控制電路及控制方法。
習知切換式電源轉換器，特別是具有升壓型功率級電路的切換式電源轉換器，具有電源線開關，用以於輸出電壓短路至接地電位時關斷，以避免短路電流自輸入電壓經輸出電壓流向接地電位，而造成負載之損壞。其中，負載耦接於輸出電壓，由輸出電壓供應電源。上述電源線開關可為P型金屬氧化半導體(metal oxide semiconductor, MOS)元件或N型金屬氧化半導體元件。
然而，上述習知技術之缺點在於，切換式電源轉換器中的控制電路僅能支援其中一種金屬氧化半導體元件作為電源線開關，亦即，支援P型金屬氧化半導體(PMOS)元件的控制電路，電源線開關只能使用P型金屬氧化半導體元件；支援N型金屬氧化半導體元件(NMOS)的控制電路，電源線開關只能使用N型金屬氧化半導體元件。上述習知切換式電源轉換器無法選擇性支援P型金屬氧化半導體元件或N型金屬氧化半導體元件作為電源線開關，因此造成應用範圍受到限制。
有鑑於此，本發明即針對上述習知技術之不足，提出一種可適應不同種類電源線開關的切換式電源轉換器。
於一觀點中，本發明提供一種切換式電源轉換器，包含：一升壓型功率級電路，包括：至少一功率開關，用以於一正常操作期間，根據一操作訊號而切換一電感之一端耦接於一輸出電壓與一接地電位之間，以將一輸入電壓轉換為該輸出電壓；以及一電源線開關，與該電感串聯於該輸入電壓與該輸出電壓之間，用以於該輸出電壓短路至該接地電位時不導通，以避免一短路電流自該輸入電壓流向該接地電位；以及一控制電路，用以根據該輸出電壓而產生該操作訊號，並判斷該電源線開關為一P型金屬氧化半導體(metal oxide semiconductor, MOS)元件或一N型金屬氧化半導體元件，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，關斷該電源線開關。
於一實施例中，該控制電路包括：一操作訊號產生電路，與該升壓型功率級電路耦接，用以根據該輸出電壓而產生該操作訊號；一導電型判斷電路，與該電源線開關耦接，用以於一判斷期間，根據一感測訊號，以判斷該電源線開關為該P型金屬氧化半導體元件或該N型金屬氧化半導體元件，而產生一判斷訊號；以及一閘極驅動電路，用以根據該判斷訊號，而於該正常操作期間選擇其中一PMOS驅動電路或一NMOS驅動電路操作該電源線開關，並於該輸出電壓短路至該接地電位時，關斷該電源線開關。
於一實施例中，該感測訊號包括以下其中一項或至少一項之組合：該電源線開關之一閘極電壓；一輸出電壓相關訊號；一輸入電流相關訊號；或者一電感電流相關訊號。
於一實施例中，該PMOS驅動電路包括一電壓箝位(IR clamping)閘極驅動器(gate driver)、一二極體箝位(diode clamping)閘極驅動器或一下拉接地(pull GND)閘極驅動器。
於一實施例中，該PMOS驅動電路包括一電流源(current source)耦接於該電源線開關之閘極與該接地電位之間，該電流源於該判斷期間，產生一汲取電流，流向該接地電位，以產生該感測訊號；其中，當該感測訊號示意該電源線開關為導通狀態，該導電型判斷電路判斷該電源線開關為該P型金屬氧化半導體元件，使得該閘極驅動電路，選擇該PMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該PMOS驅動電路，以關斷該電源線開關；其中，當該感測訊號示意該電源線開關為不導通狀態，該導電型判斷電路判斷該電源線開關為該N型金屬氧化半導體元件，使得該閘極驅動電路，選擇該NMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該NMOS驅動電路，以關斷該電源線開關。
於一實施例中，該NMOS驅動電路包括一電荷泵(charge pump)閘極驅動器。
於一實施例中，該電荷泵閘極驅動器耦接於該電源線開關之閘極與該接地電位之間，該電荷泵閘極驅動器於該判斷期間，產生一測試電壓，施加於該電源線開關之閘極，以產生該感測訊號；其中，當該感測訊號示意該電源線開關為導通狀態，該導電型判斷電路判斷該電源線開關為該N型金屬氧化半導體元件，使得該閘極驅動電路，選擇該NMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該NMOS驅動電路，以關斷該電源線開關；其中，當該感測訊號示意該電源線開關為不導通狀態，該導電型判斷電路判斷該電源線開關為該P型金屬氧化半導體元件，使得該閘極驅動電路，選擇該PMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該PMOS驅動電路，以關斷該電源線開關。
於一實施例中，該控制電路於該正常操作期間，根據一輸出電壓相關訊號及/或一電感電流相關訊號，以判斷該輸出電壓短路至該接地電位。
於一實施例中，該控制電路根據一外部訊號、一介面訊號或一記憶訊號而判斷該電源線開關為該P型金屬氧化半導體元件或該N型金屬氧化半導體元件。
於一實施例中，該導電型判斷電路比較該感測訊號與對應之一參考訊號，而產生該判斷訊號。
於另一觀點中，本發明提供一種控制電路，用以控制一切換式電源轉換器，該控制電路包含：一操作訊號產生電路，與該切換式電源轉換器之一升壓型功率級電路耦接，用以於一正常操作期間，根據一輸出電壓而產生一操作訊號，以切換該升壓型功率級電路中至少一功率開關，而切換該升壓型功率級電路中一電感之一端耦接於該輸出電壓與一接地電位之間，以將一輸入電壓轉換為該輸出電壓；一導電型判斷電路，與該升壓型功率級電路中之一電源線開關耦接，用以於一判斷期間，根據一感測訊號，以判斷該電源線開關為一P型金屬氧化半導體元件或一N型金屬氧化半導體元件，而產生一判斷訊號；以及一閘極驅動電路，用以根據該判斷訊號，而於該正常操作期間選擇其中一PMOS驅動電路或一NMOS驅動電路操作該電源線開關，並於該輸出電壓短路至該接地電位時，關斷該電源線開關；其中，該電源線開關與該電感串聯於該輸入電壓與該輸出電壓之間，用以於該輸出電壓短路至該接地電位時不導通，以避免一短路電流自該輸入電壓流向該接地電位。
於另一觀點中，本發明提供一種控制方法，用以控制一切換式電源轉換器，該控制方法包含：於一正常操作期間，根據一輸出電壓而產生一操作訊號，以切換該切換式電源轉換器之一升壓型功率級電路中至少一功率開關，而切換該升壓型功率級電路中一電感之一端耦接於該輸出電壓與一接地電位之間，以將一輸入電壓轉換為該輸出電壓；於一判斷期間，根據一感測訊號，以判斷該升壓型功率級電路中的一電源線開關為一P型金屬氧化半導體元件或一N型金屬氧化半導體元件，而產生一判斷訊號；以及根據該判斷訊號，而於該正常操作期間選擇一PMOS驅動電路或一NMOS驅動電路操作該電源線開關，並於該輸出電壓短路至該接地電位時，關斷該電源線開關；其中，該電源線開關與該電感串聯於該輸入電壓與該輸出電壓之間，用以於該輸出電壓短路至該接地電位時不導通，以避免一短路電流自該輸入電壓流向該接地電位。
於一實施例中，於該判斷期間，根據該感測訊號，以判斷該電源線開關為一P型金屬氧化半導體元件或一N型金屬氧化半導體元件，而產生該判斷訊號之步驟包括：於該判斷期間，產生一汲取電流，流向該接地電位，以產生該感測訊號；其中，當該感測訊號示意該電源線開關為導通狀態，判斷該電源線開關為該P型金屬氧化半導體元件，並選擇該PMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該PMOS驅動電路，以關斷該電源線開關；其中，當該感測訊號示意該電源線開關為不導通狀態，判斷該電源線開關為該N型金屬氧化半導體元件，並選擇該NMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該NMOS驅動電路，以關斷該電源線開關。
於一實施例中，於該判斷期間，根據該感測訊號，以判斷該電源線開關為一P型金屬氧化半導體元件或一N型金屬氧化半導體元件，而產生該判斷訊號之步驟包括：於該判斷期間，產生一測試電壓，施加於該電源線開關之閘極，以產生該感測訊號；其中，當該感測訊號示意該電源線開關為導通狀態，判斷該電源線開關為該N型金屬氧化半導體元件，並選擇該NMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該NMOS驅動電路，以關斷該電源線開關；其中，當該感測訊號示意該電源線開關為不導通狀態，判斷該電源線開關為該P型金屬氧化半導體元件，並選擇該PMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該PMOS驅動電路，以關斷該電源線開關。
於一實施例中，於該判斷期間，根據該感測訊號，以判斷該電源線開關為一P型金屬氧化半導體元件或一N型金屬氧化半導體元件，而產生該判斷訊號之步驟包括：比較該感測訊號與對應之一參考訊號，而產生該判斷訊號。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各電路間之耦接關係，以及各訊號波形之間之關係，至於電路、訊號波形與頻率則並未依照比例繪製。
請參閱圖1A，圖1A顯示根據本發明之切換式電源轉換器的一實施例示意圖。在一實施例中，切換式電源轉換器1000包含：升壓型功率級電路100以及控制電路200。在一實施例中，升壓型功率級電路100包括：至少一個功率開關、電感L1及電源線開關10。本實施例中，升壓型功率級電路100的至少一個功率開關包括二極體D1及電晶體M1，用以於正常操作期間，根據操作訊號Vp而切換電感L1之一端(在本實施例中電連接於節點LX)於輸出電壓Vout與接地電位之間，以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。在一實施例中，電源線開關10與電感L1串聯耦接於輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之間，電源線開關10用以於輸出電壓Vout短路至接地電位時不導通，以避免短路電流自輸入電壓Vin流經輸出電壓Vout再流向接地電位而造成負載(未示出，負載耦接於輸出電壓Vout，由輸出電壓Vout供應電源予該負載)損壞。控制電路200用以根據與輸出電壓Vout相關的回授訊號Vfb而產生操作訊號Vp，以控制電晶體M1根據操作訊號Vp之占空比而切換，控制電路200更用以判斷電源線開關10為P型金屬氧化半導體(metal oxide semiconductor, MOS)元件或N型金屬氧化半導體元件，以於輸出電壓Vout短路至接地電位時，關斷電源線開關10。
請同時參閱圖1A、圖1B與圖1C，圖1B與圖1C顯示根據本發明之切換式電源轉換器中電源線開關的兩種實施例示意圖。在一實施例中，電源線開關10可以為圖1B所示的NMOS元件，在另一實施例中，電源線開關10可以為圖1C所示的PMOS元件。控制電路200用以判斷電源線開關10為NMOS元件或PMOS元件，並可根據電源線開關10的導電型而對應操作。
請參閱圖2，圖2顯示根據本發明之切換式電源轉換器的一實施例示意圖。圖2之切換式電源轉換器2000相似於圖1A之切換式電源轉換器1000，在一實施例中，控制電路200根據外部訊號Ve、介面訊號Vc或記憶訊號Vm而判斷電源線開關10為P型金屬氧化半導體元件或N型金屬氧化半導體元件，並對應操作。
需說明的是，外部訊號Ve例如但不限於由一外部電路提供的命令，直接示意電源線開關10為P型金屬氧化半導體元件或N型金屬氧化半導體元件。介面訊號Vc例如但不限於由串列外設介面(Serial Peripheral Interface, SPI)或IC之間匯流排 (INTER IC BUS, I2C) 等通訊介面所提供，為通訊介面接收示意電源線開關10為P型金屬氧化半導體元件或N型金屬氧化半導體元件的相關訊號後，提供給控制電路200。記憶訊號Vm例如由一記憶體電路提供，該記憶電路具有記憶體，以儲存示意電源線開關10為P型金屬氧化半導體元件或N型金屬氧化半導體元件的相關資訊，並轉換為記憶訊號Vm，提供給控制電路200。
請參閱圖3，圖3顯示根據本發明之切換式電源轉換器的一實施例示意圖。圖3之切換式電源轉換器3000相似於圖1A之切換式電源轉換器1000。在一實施例中，切換式電源轉換器3000中的控制電路201包括：操作訊號產生電路20、導電型判斷電路30以及閘極驅動電路40。在一實施例中，操作訊號產生電路20與升壓型功率級電路100耦接，用以根據與輸出電壓Vout相關的回授訊號Vfb而產生操作訊號Vp，藉此控制電晶體M1根據操作訊號Vp之占空比而切換。在一實施例中，導電型判斷電路30經由閘極驅動電路40與電源線開關10耦接，用以於判斷期間，根據感測訊號，以判斷電源線開關10為P型金屬氧化半導體元件或N型金屬氧化半導體元件，而產生判斷訊號Vd。在一實施例中，感測訊號包括以下其中一項或至少一項之組合：電源線開關10之閘極電壓Vsd；輸出電壓相關訊號，例如與輸出電壓Vout相關的回授訊號Vfb；輸入電流相關訊號Vis；或者電感電流相關訊號Vsn。
其中，閘極電壓Vsd例如為NMOS元件的閘極電壓或PMOS元件的閘極電壓。輸入電流相關訊號Vis例如為如圖3所示輸入電壓Vin經過一電阻後之電壓。電感電流相關訊號Vsn例如為如圖3所示，流經電晶體M1與接地電位之間的電阻所造成的壓降。
在一實施例中，閘極驅動電路40包括PMOS驅動電路41、NMOS驅動電路42以及選擇電路43，閘極驅動電路40用以於正常操作期間，根據判斷訊號Vd，而選擇PMOS驅動電路41或NMOS驅動電路42操作電源線開關10，以於輸出電壓Vout短路至接地電位時，關斷電源線開關10。在一實施例中，選擇電路43例如但不限於為如圖3所示之開關，根據致能訊號Ven或判斷訊號Vd而切換，以選擇電連接PMOS驅動電路41與電源線開關10，或電連接NMOS驅動電路42與電源線開關10。在一實施例中，控制電路201於正常操作期間，根據回授訊號Vfb及/或電感電流相關訊號Vsn，以判斷輸出電壓Vout是否短路至接地電位。
在一實施例中，導電型判斷電路30於判斷期間，產生致能訊號Ven，以致能PMOS驅動電路41或NMOS驅動電路42一段測試期間，並根據測試期間中，電源線開關10之閘極電壓Vsd、回授訊號Vfb、輸入電流相關訊號Vis及/或電感電流相關訊號Vsn，與各自對應的參考訊號比較，而產生判斷訊號Vd，以示意電源線開關10為PMOS元件或NMOS元件。
請參閱圖4，圖4顯示根據本發明之切換式電源轉換器中閘極驅動電路的一具體實施例示意圖。圖4之切換式電源轉換器4000相似於圖3之切換式電源轉換器3000。在本實施例中，切換式電源轉換器4000之控制電路202中，閘極驅動電路40包括PMOS驅動電路41、NMOS驅動電路42以及選擇電路43。圖4中的PMOS驅動電路41為一種較具體的實施例，包括電流源(current source)Ir耦接於電源線開關10之閘極與接地電位之間，以及一電阻耦接於電源線開關10之源極與閘極之間。於判斷期間，當致能訊號Ven選擇電連接PMOS驅動電路41與電源線開關10(也就是指致能訊號Ven致能PMOS驅動電路41)，電流源Ir用以於判斷期間，產生汲取電流Is，流向接地電位；在電源轉換器4000中，將電源線開關10之閘極電壓Vsd、輸出電壓相關訊號(例如回授訊號Vfb)、輸入電流相關訊號Vis及/或電感電流相關訊號Vsn或其中至少兩個訊號組合，作為感測訊號。導電型判斷電路30比較電源線開關10之閘極電壓Vsd、輸出電壓相關訊號(例如回授訊號Vfb)、輸入電流相關訊號Vis及/或電感電流相關訊號Vsn與各自的參考訊號，進而產生判斷訊號Vd，以示意電源線開關10為NMOS元件或PMOS元件。
在本實施例中，圖4之閘極驅動電路40中的NMOS驅動電路42包括電荷泵(charge pump)閘極驅動器421與二極體。電荷泵閘極驅動器421耦接於電源線開關10之閘極與接地電位之間，於判斷期間，當致能訊號Ven選擇電連接NMOS驅動電路42與電源線開關10(也就是指致能訊號Ven致能NMOS驅動電路42)，電荷泵閘極驅動器421用以產生測試電壓，施加於電源線開關10之閘極；在電源轉換器4000中，將電源線開關10之閘極電壓Vsd、輸出電壓相關訊號(例如回授訊號Vfb)、輸入電流相關訊號Vis及/或電感電流相關訊號Vsn或其中至少兩個訊號組合，作為感測訊號。導電型判斷電路30比較電源線開關10之閘極電壓Vsd、輸出電壓相關訊號(例如回授訊號Vfb)、輸入電流相關訊號Vis及/或電感電流相關訊號Vsn與各自的參考訊號，進而產生判斷訊號Vd，以示意電源線開關10為NMOS元件或PMOS元件。
請同時參閱圖4與圖5，圖5顯示對應於圖4切換式電源轉換器的一具體實施例流程圖。在一具體實施例中，於判斷期間，圖4之控制電路202操作PMOS驅動電路41，以判斷電源線開關10之導電型，接著於正常操作期間，根據電源線開關10之導電型而選擇操作PMOS驅動電路41或NMOS驅動電路42。本實施例之具體操作步驟如下：
在切換式電源轉換器4000之積體電路開機後，進入判斷期間，首先，電流源Ir產生汲取電流Is流向接地電位，以產生感測訊號。接著，當感測訊號示意電源線開關10為導通狀態時，導電型判斷電路30判斷電源線開關10為P型金屬氧化半導體元件，使得閘極驅動電路40於正常操作期間，選擇PMOS驅動電路41操作電源線開關10，並判斷輸出電壓Vout是否短路至接地電位，當輸出電壓Vout短路至接地電位時，禁能PMOS驅動電路41，以關斷電源線開關10而避免負載損壞，當輸出電壓Vout未短路至接地電位時，則繼續以PMOS驅動電路41操作電源線開關10並判斷輸出電壓Vout是否短路至接地電位。而當感測訊號示意電源線開關10為不導通狀態時，導電型判斷電路30判斷電源線開關10為N型金屬氧化半導體元件，使得閘極驅動電路40於正常操作期間，選擇NMOS驅動電路42操作電源線開關10，並判斷輸出電壓Vout是否短路至接地電位，當輸出電壓Vout短路至接地電位時，禁能NMOS驅動電路42，以關斷電源線開關10而避免負載損壞，當輸出電壓Vout未短路至接地電位時，則繼續以NMOS驅動電路42操作電源線開關10並判斷輸出電壓Vout是否短路至接地電位。
請同時參閱圖6A與圖6B，圖6A與圖6B顯示對應於圖4切換式電源轉換器於判斷期間的操作波形圖。以上述圖4與圖5之實施例為例，當致能訊號Ven致能PMOS驅動電路41，且感測訊號示意電源線開關10為導通狀態時，對應的操作波形圖例如圖6A所示，具體而言，當閘極電壓Vsd高於對應的參考訊號Vf1之電壓、回授訊號Vfb之電壓高於對應的參考訊號Vf2之電壓、輸入電流相關訊號Vis之電壓高於對應的參考訊號Vf3之電壓，及/或電感電流相關訊號Vsn之電壓高於對應的參考訊號Vf4之電壓時，感測訊號示意電源線開關10為導通狀態，導電型判斷電路30判斷電源線開關10為P型金屬氧化半導體元件，並產生判斷訊號Vd，使得閘極驅動電路40於正常操作期間根據判斷訊號Vd而操作。上述圖4與圖5之實施例中，當感測訊號示意電源線開關10為不導通狀態時，對應的操作波形圖例如圖6B所示，具體而言，當閘極電壓Vsd低於對應的參考訊號Vf1之電壓、回授訊號Vfb之電壓低於對應的參考訊號Vf2之電壓、輸入電流相關訊號Vis之電壓低於對應的參考訊號Vf3之電壓，及/或電感電流相關訊號Vsn之電壓低於對應的參考訊號Vf4之電壓時，感測訊號示意電源線開關10為不導通狀態時，導電型判斷電路30判斷電源線開關10為N型金屬氧化半導體元件，並產生判斷訊號Vd，使得閘極驅動電路40於正常操作期間根據判斷訊號Vd而選擇NMOS驅動電路42操作電源線開關10。
在一實施例中，控制電路202在積體電路開機後，經過一段等待時間(例如圖6A與圖6B所示之時段Tw)後，才進入判斷期間，判斷電源線開關10之導電型。
請同時參閱圖4與圖7，圖7顯示對應於圖4切換式電源轉換器的另一具體實施例流程圖。在一具體實施例中，於判斷期間，圖4之控制電路202操作NMOS驅動電路42，以判斷電源線開關10之導電型，接著於正常操作期間，根據電源線開關10之導電型而選擇操作PMOS驅動電路41或NMOS驅動電路42。本實施例之具體操作步驟如下：
在切換式電源轉換器4000之積體電路開機後，進入判斷期間，首先，電荷泵閘極驅動器421用以產生測試電壓，施加於電源線開關10之閘極，以產生感測訊號。接著，當感測訊號示意電源線開關10為導通狀態時，導電型判斷電路30判斷電源線開關10為N型金屬氧化半導體元件，使得閘極驅動電路40於正常操作期間，選擇NMOS驅動電路42操作電源線開關10，並判斷輸出電壓Vout是否短路至接地電位，當輸出電壓Vout短路至接地電位時，禁能NMOS驅動電路42，以關斷電源線開關10而避免負載損壞，當輸出電壓Vout未短路至接地電位時，則繼續以NMOS驅動電路42操作電源線開關10並判斷輸出電壓Vout是否短路至接地電位；當感測訊號示意電源線開關10為不導通狀態時，導電型判斷電路30判斷電源線開關10為P型金屬氧化半導體元件，使得閘極驅動電路40於正常操作期間，選擇PMOS驅動電路41操作電源線開關10，並判斷輸出電壓Vout是否短路至接地電位，當輸出電壓Vout短路至接地電位時，禁能PMOS驅動電路41，以關斷電源線開關10而避免負載損壞，當輸出電壓Vout未短路至接地電位時，則繼續以PMOS驅動電路41操作電源線開關10並判斷輸出電壓Vout是否短路至接地電位。
請繼續參閱圖6A與圖6B。在上述圖4與圖7之實施例中，當致能訊號Ven致能NMOS驅動電路42，且感測訊號示意電源線開關10為導通狀態時，對應的操作波形圖例如圖6A所示，具體而言，當閘極電壓Vsd高於對應的參考訊號Vf1之電壓、回授訊號Vfb之電壓高於對應的參考訊號Vf2之電壓、輸入電流相關訊號Vis之電壓高於對應的參考訊號Vf3之電壓，及/或電感電流相關訊號Vsn之電壓高於對應的參考訊號Vf4之電壓時，感測訊號示意電源線開關10為導通狀態，導電型判斷電路30判斷電源線開關10為N型金屬氧化半導體元件，並產生判斷訊號Vd，使得閘極驅動電路40於正常操作期間根據判斷訊號Vd而操作。上述圖4與圖7之實施例中，當感測訊號示意電源線開關10為不導通狀態時，對應的操作波形圖例如圖6B所示，具體而言，當閘極電壓Vsd低於對應的參考訊號Vf1之電壓、回授訊號Vfb之電壓低於對應的參考訊號Vf2之電壓、輸入電流相關訊號Vis之電壓低於對應的參考訊號Vf3之電壓，及/或電感電流相關訊號Vsn之電壓低於對應的參考訊號Vf4之電壓時，感測訊號示意電源線開關10為不導通狀態時，導電型判斷電路30判斷電源線開關10為P型金屬氧化半導體元件，並產生判斷訊號Vd，使得閘極驅動電路40於正常操作期間根據判斷訊號Vd而操作。
請參閱圖4、圖8A與圖8B，圖8A與圖8B顯示對應於圖4切換式電源轉換器中PMOS驅動電路的另兩個實施例示意圖。除了如圖4所示，PMOS驅動電路41包括電壓箝位(IR clamping)閘極驅動器(gate driver)，以將電源線開關10的閘極箝位於特定位準。需說明的是，在圖4所示的實施例中，電壓箝位電路為電流流經電阻構成的電壓箝位電路(IR箝位電路)，並藉由電流源Ir汲取電流，而在電源線開關10為PMOS元件時，導通電源線開關10。在一實施例中，本發明之PMOS驅動電路也可以為二極體箝位(diode clamping)閘極驅動器或下拉接地(pull GND)閘極驅動器，分別對應於圖8A之PMOS驅動電路411與圖8B之PMOS驅動電路412。圖8A之PMOS驅動電路411為一種二極體箝位閘極驅動器，包括二極體元件4111與電流源Ir，其中，二極體元件4111例如但不限於為齊納(Zener)二極體。圖8B之PMOS驅動電路412為一種下拉接地閘極驅動器，包括一開關與電流源Ir。
請參閱圖4、圖9A至圖9E，圖9A至圖9E顯示對應於圖4切換式電源轉換器中NMOS驅動電路之電荷泵閘極驅動器的五個實施例示意圖。在一實施例中，本發明之NMOS驅動電路之電荷泵閘極驅動器可對應於以下其中一種實施例：圖9A之電荷泵閘極驅動器4211、圖9B之電荷泵閘極驅動器4212、圖9C之電荷泵閘極驅動器4213、圖9D之電荷泵閘極驅動器4214，或圖9E之電荷泵閘極驅動器4215。上述實施例中，各開關可為蕭特基二極體(schottky diode)、P-N接面二極體(PN diode)或金屬氧化半導體(metal oxide semiconductor, MOS)元件。其中，電壓Vr例如為由低壓差線性穩壓器(LDO)所提供之相對輸出電壓Vout較低的電壓。電壓Vin’為低於輸入電壓Vin之電壓。參考電壓Vref為相關於輸入電壓Vin之電壓，例如為輸入電壓Vin之分壓。時脈訊號CLK與CLK’為互為反相之時脈訊號。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之最廣的權利範圍。所說明之各個實施例，並不限於單獨應用，亦可以組合應用，舉例而言，兩個或以上之實施例可以組合運用，而一實施例中之部分組成亦可用以取代另一實施例中對應之組成部件。此外，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，舉例而言，本發明所稱「根據某訊號進行處理或運算或產生某輸出結果」，不限於根據該訊號的本身，亦包含於必要時，將該訊號進行電壓電流轉換、電流電壓轉換、及／或比例轉換等，之後根據轉換後的訊號進行處理或運算產生某輸出結果。由此可知，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，其組合方式甚多，在此不一一列舉說明。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
10:電源線開關 100:升壓型功率級電路 1000:切換式電源轉換器 20:操作訊號產生電路 200:控制電路 2000:切換式電源轉換器 201,202:控制電路 30:導電型判斷電路 3000:切換式電源轉換器 40:閘極驅動電路 41,411,412:PMOS驅動電路 42:NMOS驅動電路 4000:切換式電源轉換器 421:電荷泵閘極驅動器 4111:二極體元件 4211~4215:電荷泵閘極驅動器 CLK, CLK’:時脈訊號 D1:二極體 Ir:電流源 Is:汲取電流 L1:電感 LX:節點 M1:電晶體 Tw:時段 Vc:介面訊號 Vd:判斷訊號 Ve:外部訊號 Ven:致能訊號 Vf1~Vf4:參考訊號 Vfb:回授訊號 Vin:輸入電壓 Vin’:電壓 Vis:輸入電流相關訊號 Vm:記憶訊號 Vout:輸出電壓 Vp:操作訊號 Vr:電壓 Vref:參考電壓 Vsd:閘極電壓 Vsn:電感電流相關訊號
圖1A顯示根據本發明之切換式電源轉換器的一實施例示意圖。
圖1B與圖1C顯示根據本發明之切換式電源轉換器中電源線開關的兩種實施例示意圖。
圖2顯示根據本發明之切換式電源轉換器的一實施例示意圖。
圖3顯示根據本發明之切換式電源轉換器的一實施例示意圖。
圖4顯示根據本發明之切換式電源轉換器的一具體實施例示意圖。
圖5顯示對應於圖4切換式電源轉換器的一具體實施例流程圖。
圖6A與圖6B顯示對應於圖4切換式電源轉換器於判斷期間的操作波形圖。
圖7顯示對應於圖4切換式電源轉換器的另一具體實施例流程圖。
圖8A與圖8B顯示對應於圖4切換式電源轉換器中PMOS驅動電路的另兩個實施例示意圖。
圖9A至圖9E顯示對應於圖4切換式電源轉換器中NMOS驅動電路之電荷泵閘極驅動器的五個實施例示意圖。
10:電源線開關
100:升壓型功率級電路
20:操作訊號產生電路
201:控制電路
30:導電型判斷電路
3000:切換式電源轉換器
40:閘極驅動電路
41:PMOS驅動電路
42:NMOS驅動電路
D1:二極體
M1:電晶體
Vd:判斷訊號
Vfb:回授訊號
Vin:輸入電壓
Vis:輸入電流相關訊號
Vout:輸出電壓
Vp:操作訊號
Vsd:閘極電壓
Vsn:電感電流相關訊號

Claims (25)

  1. 一種切換式電源轉換器，包含： 一升壓型功率級電路，包括： 至少一功率開關，用以於一正常操作期間，根據一操作訊號而切換一電感之一端耦接於一輸出電壓與一接地電位之間，以將一輸入電壓轉換為該輸出電壓；以及 一電源線開關，與該電感串聯於該輸入電壓與該輸出電壓之間，用以於該輸出電壓短路至該接地電位時不導通，以避免一短路電流自該輸入電壓流向該接地電位；以及 一控制電路，用以根據該輸出電壓而產生該操作訊號，並判斷該電源線開關為一P型金屬氧化半導體(metal oxide semiconductor, MOS)元件或一N型金屬氧化半導體元件，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，關斷該電源線開關。
  2. 如請求項1所述之切換式電源轉換器，其中該控制電路包括： 一操作訊號產生電路，與該升壓型功率級電路耦接，用以根據該輸出電壓而產生該操作訊號； 一導電型判斷電路，與該電源線開關耦接，用以於一判斷期間，根據一感測訊號，以判斷該電源線開關為該P型金屬氧化半導體元件或該N型金屬氧化半導體元件，而產生一判斷訊號；以及 一閘極驅動電路，用以根據該判斷訊號，而於該正常操作期間選擇其中一PMOS驅動電路或一NMOS驅動電路操作該電源線開關，並於該輸出電壓短路至該接地電位時，關斷該電源線開關。
  3. 如請求項2所述之切換式電源轉換器，其中該感測訊號包括以下其中一項或至少一項之組合： 該電源線開關之一閘極電壓； 一輸出電壓相關訊號； 一輸入電流相關訊號；或者 一電感電流相關訊號。
  4. 如請求項3所述之切換式電源轉換器，其中該PMOS驅動電路包括一電壓箝位(IR clamping)閘極驅動器(gate driver)、一二極體箝位(diode clamping)閘極驅動器或一下拉接地(pull GND)閘極驅動器。
  5. 如請求項4所述之切換式電源轉換器，其中該PMOS驅動電路包括一電流源(current source)耦接於該電源線開關之閘極與該接地電位之間，該電流源於該判斷期間，產生一汲取電流，流向該接地電位，以產生該感測訊號； 其中，當該感測訊號示意該電源線開關為導通狀態，該導電型判斷電路判斷該電源線開關為該P型金屬氧化半導體元件，使得該閘極驅動電路，選擇該PMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該PMOS驅動電路，以關斷該電源線開關； 其中，當該感測訊號示意該電源線開關為不導通狀態，該導電型判斷電路判斷該電源線開關為該N型金屬氧化半導體元件，使得該閘極驅動電路，選擇該NMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該NMOS驅動電路，以關斷該電源線開關。
  6. 如請求項3所述之切換式電源轉換器，其中該NMOS驅動電路包括一電荷泵(charge pump)閘極驅動器。
  7. 如請求項6所述之切換式電源轉換器，其中該電荷泵閘極驅動器耦接於該電源線開關之閘極與該接地電位之間，該電荷泵閘極驅動器於該判斷期間，產生一測試電壓，施加於該電源線開關之閘極，以產生該感測訊號； 其中，當該感測訊號示意該電源線開關為導通狀態，該導電型判斷電路判斷該電源線開關為該N型金屬氧化半導體元件，使得該閘極驅動電路，選擇該NMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該NMOS驅動電路，以關斷該電源線開關； 其中，當該感測訊號示意該電源線開關為不導通狀態，該導電型判斷電路判斷該電源線開關為該P型金屬氧化半導體元件，使得該閘極驅動電路，選擇該PMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該PMOS驅動電路，以關斷該電源線開關。
  8. 如請求項1所述之切換式電源轉換器，其中該控制電路於該正常操作期間，根據一輸出電壓相關訊號及/或一電感電流相關訊號，以判斷該輸出電壓短路至該接地電位。
  9. 如請求項1所述之切換式電源轉換器，其中該控制電路根據一外部訊號、一介面訊號或一記憶訊號而判斷該電源線開關為該P型金屬氧化半導體元件或該N型金屬氧化半導體元件。
  10. 如請求項3所述之切換式電源轉換器，其中該導電型判斷電路比較該感測訊號與對應之一參考訊號，而產生該判斷訊號。
  11. 一種控制電路，用以控制一切換式電源轉換器，該控制電路包含： 一操作訊號產生電路，與該切換式電源轉換器之一升壓型功率級電路耦接，用以於一正常操作期間，根據一輸出電壓而產生一操作訊號，以切換該升壓型功率級電路中至少一功率開關，而切換該升壓型功率級電路中一電感之一端耦接於該輸出電壓與一接地電位之間，以將一輸入電壓轉換為該輸出電壓； 一導電型判斷電路，與該升壓型功率級電路中之一電源線開關耦接，用以於一判斷期間，根據一感測訊號，以判斷該電源線開關為一P型金屬氧化半導體元件或一N型金屬氧化半導體元件，而產生一判斷訊號；以及 一閘極驅動電路，用以根據該判斷訊號，而於該正常操作期間選擇其中一PMOS驅動電路或一NMOS驅動電路操作該電源線開關，並於該輸出電壓短路至該接地電位時，關斷該電源線開關； 其中，該電源線開關與該電感串聯於該輸入電壓與該輸出電壓之間，用以於該輸出電壓短路至該接地電位時不導通，以避免一短路電流自該輸入電壓流向該接地電位。
  12. 如請求項11所述之控制電路，其中該感測訊號包括以下其中一項或至少一項之組合： 該電源線開關之一閘極電壓； 一輸出電壓相關訊號； 一輸入電流相關訊號；或者 一電感電流相關訊號。
  13. 如請求項12所述之控制電路，其中該PMOS驅動電路包括一電壓箝位(IR clamping)閘極驅動器(gate driver)、一二極體箝位(diode clamping)閘極驅動器或一下拉接地(pull GND)閘極驅動器。
  14. 如請求項13所述之控制電路，其中該PMOS驅動電路包括一電流源(current source)耦接於該電源線開關之閘極與該接地電位之間，該電流源於該判斷期間，產生一汲取電流，流向該接地電位，以產生該感測訊號； 其中，當該感測訊號示意該電源線開關為導通狀態，該導電型判斷電路判斷該電源線開關為該P型金屬氧化半導體元件，使得該閘極驅動電路，選擇該PMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該PMOS驅動電路，以關斷該電源線開關； 其中，當該感測訊號示意該電源線開關為不導通狀態，該導電型判斷電路判斷該電源線開關為該N型金屬氧化半導體元件，使得該閘極驅動電路，選擇該NMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該NMOS驅動電路，以關斷該電源線開關。
  15. 如請求項12所述之控制電路，其中該NMOS驅動電路包括一電荷泵(charge pump) 閘極驅動器。
  16. 如請求項15所述之控制電路，其中該電荷泵閘極驅動器包括該電荷泵閘極驅動器，耦接於該電源線開關之閘極與該接地電位之間，該電荷泵閘極驅動器於該判斷期間，產生一測試電壓，施加於該電源線開關之閘極，以產生該感測訊號； 其中，當該感測訊號示意該電源線開關為導通狀態，該導電型判斷電路判斷該電源線開關為該N型金屬氧化半導體元件，使得該閘極驅動電路，選擇該NMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該NMOS驅動電路，以關斷該電源線開關； 其中，當該感測訊號示意該電源線開關為不導通狀態，該導電型判斷電路判斷該電源線開關為該P型金屬氧化半導體元件，使得該閘極驅動電路，選擇該PMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該PMOS驅動電路，以關斷該電源線開關。
  17. 如請求項11所述之控制電路，其中該控制電路於該正常操作期間，根據一輸出電壓相關訊號及/或一電感電流相關訊號，以判斷該輸出電壓短路至該接地電位。
  18. 如請求項11所述之控制電路，其中該控制電路根據一外部訊號、一介面訊號或一記憶訊號而判斷該電源線開關為該P型金屬氧化半導體元件或該N型金屬氧化半導體元件。
  19. 如請求項12所述之控制電路，其中該導電型判斷電路比較該感測訊號與對應之一參考訊號，而產生該判斷訊號。
  20. 一種控制方法，用以控制一切換式電源轉換器，該控制方法包含： 於一正常操作期間，根據一輸出電壓而產生一操作訊號，以切換該切換式電源轉換器之一升壓型功率級電路中至少一功率開關，而切換該升壓型功率級電路中一電感之一端耦接於該輸出電壓與一接地電位之間，以將一輸入電壓轉換為該輸出電壓； 於一判斷期間，根據一感測訊號，以判斷該升壓型功率級電路中的一電源線開關為一P型金屬氧化半導體元件或一N型金屬氧化半導體元件，而產生一判斷訊號；以及 根據該判斷訊號，而於該正常操作期間選擇一PMOS驅動電路或一NMOS驅動電路操作該電源線開關，並於該輸出電壓短路至該接地電位時，關斷該電源線開關； 其中，該電源線開關與該電感串聯於該輸入電壓與該輸出電壓之間，用以於該輸出電壓短路至該接地電位時不導通，以避免一短路電流自該輸入電壓流向該接地電位。
  21. 如請求項20所述之控制方法，其中該感測訊號包括以下其中一項或至少一項之組合： 該電源線開關之一閘極電壓； 一輸出電壓相關訊號； 一輸入電流相關訊號；或者 一電感電流相關訊號。
  22. 如請求項21所述之控制方法，其中於該判斷期間，根據該感測訊號，以判斷該電源線開關為一P型金屬氧化半導體元件或一N型金屬氧化半導體元件，而產生該判斷訊號之步驟包括： 於該判斷期間，產生一汲取電流，流向該接地電位，以產生該感測訊號； 其中，當該感測訊號示意該電源線開關為導通狀態，判斷該電源線開關為該P型金屬氧化半導體元件，並選擇該PMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該PMOS驅動電路，以關斷該電源線開關； 其中，當該感測訊號示意該電源線開關為不導通狀態，判斷該電源線開關為該N型金屬氧化半導體元件，並選擇該NMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該NMOS驅動電路，以關斷該電源線開關。
  23. 如請求項21所述之控制方法，其中於該判斷期間，根據該感測訊號，以判斷該電源線開關為一P型金屬氧化半導體元件或一N型金屬氧化半導體元件，而產生該判斷訊號之步驟包括： 於該判斷期間，產生一測試電壓，施加於該電源線開關之閘極，以產生該感測訊號； 其中，當該感測訊號示意該電源線開關為導通狀態，判斷該電源線開關為該N型金屬氧化半導體元件，並選擇該NMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該NMOS驅動電路，以關斷該電源線開關； 其中，當該感測訊號示意該電源線開關為不導通狀態，判斷該電源線開關為該P型金屬氧化半導體元件，並選擇該PMOS驅動電路操作該電源線開關，以於該輸出電壓短路至該接地電位時，禁能該PMOS驅動電路，以關斷該電源線開關。
  24. 如請求項21所述之控制方法，更包含： 根據一外部訊號、一介面訊號或一記憶訊號而判斷該電源線開關為該P型金屬氧化半導體元件或該N型金屬氧化半導體元件。
  25. 如請求項21所述之控制方法，其中於該判斷期間，根據該感測訊號，以判斷該電源線開關為一P型金屬氧化半導體元件或一N型金屬氧化半導體元件，而產生該判斷訊號之步驟包括： 比較該感測訊號與對應之一參考訊號，而產生該判斷訊號。
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