TWI817284B - 軟啟動電路、直流-直流轉換器、供電裝置及資訊處理裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明主要揭示一種軟啟動電路，應用於一直流-直流電源轉換器之中，且包括一限流電路與一輸出電壓控制電路，其特徵在於，本發明之軟啟動電路進一步包括一基準電壓產生單元以及一電壓箝制單元。依據本發明之設計，當軟啟動電路操作在一電流控制模式之時，該基準電壓產生單元提供一第一基準電壓至該輸出電壓控制電路的誤差放大器。並且，當軟啟動電路操作在一電壓控制模式之時，該基準電壓產生單元提供一第二基準電壓至該誤差放大器。另一方面，該電壓箝制單元在電流控制模式之時將該誤差放大器的輸出端箝制在一電壓準位，避免該軟啟動電路自該電流控制模式切換至該電壓控制模式的過程中，該直流-直流電源轉換器的輸出電壓出現過壓或欠壓現象。
Description
本發明係關於電子電路之技術領域，尤指一種軟啟動電路，可應用於直流-直流轉換器之中，用於在該直流-直流轉換器的啟動階段維持充電電流的安全性以及控制輸出電壓的波形在電流環切換至電壓環之時實現平滑過渡。
已知，直流-直流電源轉換電路具有多種型式，包括：降壓型(Buck)、升壓型(Boost)、以及升-降壓型(Buck-Boost)。舉例而言，圖1顯示習知的一種升-降壓型電源轉換電路的第一電路圖。如圖1所示，習知的升-降壓型電源轉換電路1a主要包括：一驅動單元10a、一第一開關元件11a、一第二開關元件12a、一電感La以及一第一電容Ca。一般而言，在啟動之後，升-降壓型電源轉換電路1a的輸出電壓係從0V上升至一目標電壓。然而，若沒有設定適合的保護機制，那麼在啟動之後，第一電容Ca會受到很大的充電電流的充電，以使輸出電壓快速達到目標電壓。在此情況下，流經電感La的電感電流過大從而產生嚴重的浪湧電流(in-rush current)。
因此，如圖1所示，習知技術通常會在升-降壓型電源轉換電路1a增設用以控制輸出電壓步階上升的一種軟啟動電路，其主要包括：一誤差放大器13a、一比較器14a、一類比-數位轉換單元15a、以及一斜坡電壓產生器16a。應可理解，此軟啟動電路為一閉環控制系統，其中該誤差放大器13a的負輸入端耦接至由一第一電阻1F1和一第二電阻1F2組成的一電壓檢出單元，以接收一回授電壓V
FB。並且，該類比-數位轉換單元15a用以將一第一基準電壓V
REF轉換成一第二基準電壓V
REF_S，從而傳送該第二基準電壓V
REF_S至該誤差放大器13a的正輸入端。
更詳細地說明，該斜坡電壓產生器16a產生一斜坡電壓傳送至該比較器14a的負輸入端。在啟動之後，該類比-數位轉換單元15a在N個時間區間內提供N個不同的第二基準電壓V
REF_S至該誤差放大器13a的正輸入端，使該誤差放大器13a在N個時間區間內產生N個誤差電壓Vea傳送至該比較器14a的正輸入端。最終，在接收該誤差電壓Vea和該斜坡電壓之後，該比較器14a產生一比較信號傳送至該驅動單元10a，使該驅動單元10a產生一驅動信號傳送至該第一開關元件11a和該第二開關元件12a，從而控制二開關元件(11a, 12a)的導通/關斷頻率，實現調整輸出電壓V
OUT之功能。
圖2為圖1所示之電感電流I
IND、輸出電壓V
OUT以及第二基準電壓V
REF_S的工作時序圖。由圖2可知，在N個時間區間，所述第二基準電壓分別為V
REF_S1、V
REF_S2、V
REF_S3、V
REF_S4、……、V
REF_SN。對應地，輸出電壓V
OUT在N個時間區間則分別為V
OUT1、V
OUT2、V
OUT3、V
OUT4、……、V
OUTN。進一步地，在圖2還可以看到，最後一個輸出電壓V
OUTN的峰值電壓係超過目標電壓Vtarget，這種現象稱為電壓過衝(overshoot)。實務經驗顯示，電壓過衝和時鐘信號CLK的頻率、二個開關元件(11a, 12a)的導通阻抗(Rdson)以及第二基準電壓的階數(即，N值)有關。並且，在實務上並不容易通過調整頻率、導通阻抗及/或的階數的方式來消除電壓過衝。
另一方面，習知技術還提出用以控制輸出電壓緩坡式上升的另一種軟啟動電路。圖3顯示習知的升-降壓型電源轉換電路的第二電路圖。如圖3所示，設置在該升-降壓型電源轉換電路1a的另一種軟啟動電路，其為包含電流環路與電壓環路的一閉環控制系統，且主要包括：一誤差放大器13a、一比較器14a、一限流單元17a、一開關單元S1a、以及一斜坡電壓產生電路18a。與圖1所示之電路架構不同的是，在圖3中，該誤差放大器13a的正輸入端直接耦接第一基準電壓V
REF，而不是步階上升的第二基準電壓V
REF_S。另一方面，該開關單元S1a耦接於該比較器14a、該驅動單元10a以及該限流單元17a之間，且該限流單元17a耦接一電流檢出單元19a。更詳細地說明，該斜坡電壓產生電路18a由一電流源1Sa、一第二電容C2a、一第三電阻1F3、以及一開關元件S2a組成，且耦接於該電感La、該比較器14a的負輸入端與該電流檢出單元19a之間，用以產生一採樣電壓V
RAMP傳送至該比較器14a的負輸入端。
圖4為圖3所示之電感電流I
IND、輸出電壓V
OUT以及第一基準電壓V
REF的工作時序圖。如圖3與圖4所示，在啟動之後，所述軟啟動電路操作先是在一電流控制模式，此時，該開關單元S1a被切換至具有一第一通路，以使該驅動單元10a與該限流單元17a耦接。在電流控制模式下，第一電容C1a受到一充電電流充電，使得輸出電壓V
OUT緩坡爬升至目標電壓。進一步地，在接近目標電壓之時，該開關單元S1a被切換至具有一第二通路，以使該驅動單元10a和該比較器14a的輸出端耦接，使軟啟動電路操作在一電壓控制模式。進入電壓控制模式後，如圖4所示，電感電流I
IND不會突變成0，所以輸出電壓V
OUT的波形出現電壓過衝(overshoot)；此時，電壓環路控制第一電容C1a的充電電流，從而將輸出電壓V
OUT調整至目標電壓Vtarget。從圖4可以看出，在電壓環路調整輸出電壓V
OUT的過程中，輸出電壓V
OUT的波形可能會出現電壓過衝(overshoot)或是欠壓(undershoot)。
簡單地說，在一直流-直流轉換器(如：Buck-Boost轉換器)的啟動階段，如圖3所示之軟啟動電路無法控制輸出電壓的波形在電流控制模式切換至電壓控制模式之時實現平滑過渡。
由上述說明可知，本領域亟需一種軟啟動電路。
本發明之主要目的在於提供應用於一直流-直流電源轉換器之中的一種軟啟動電路，用以控制最大的定電流以對該直流-直流電源轉換器的電容充電，同時控制該直流-直流電源轉換器的輸出電壓的波形在電流控制模式切換至電壓控制模式的過程中實現平滑過渡，有效防止出現電壓過衝(overshoot)或是欠壓(undershoot)。
為達成上述目的，本發明提出所述軟啟動電路的一實施例，其應用於一直流-直流電源轉換器之中，且包括：一限流電路、包含一誤差放大器、一比較器以及一斜坡電壓產生單元的一輸出電壓控制電路、以及耦接於該直流-直流電源轉換器的一驅動單元、該限流電路和該輸出電壓控制電路之間的一開關單元；其特徵在於，該軟啟動電路更包括：
一基準電壓產生單元，耦接該誤差放大器的正輸入端，用以在該軟啟動電路操作在一電流控制模式之時提供一第一基準電壓至該誤差放大器的正輸入端，且在該軟啟動電路操作在一電壓控制模式之時提供一第二基準電壓
2至該誤差放大器的正輸入端；以及
一電壓箝制單元，耦接至該比較器和該斜坡電壓產生單元之間的一共接點，且同時耦接該誤差放大器的輸出端，用以將該誤差放大器所輸出的一誤差信號箝制在一電壓準位。
在一實施例中，該第一基準電壓和該第二基準電壓之間具有一電壓差，且該電壓差至少為5mV。
在一實施例中，該電壓準位為該斜坡電壓產生單元所產生的一斜坡電壓的一平均電壓準位。
在可行的實施例中，前述本發明之軟啟動電路更包括一時鐘信號產生單元，用以傳送一時鐘信號至該直流-直流電源轉換器的該驅動單元；其中，在該軟啟動電路切換至所述電壓控制模式的第一個工作週期內，該驅動單元依據該時鐘信號將一電感電流上升時間區間限制在一時間長度內。
並且，本發明同時提出一種直流-直流轉換器，其包括一驅動單元、一開關單元、一電感、一電容、以及一軟啟動電路；其中，該軟啟動電路包括：一限流電路、包含一誤差放大器、一比較器以及一斜坡電壓產生單元的一輸出電壓控制電路、以及耦接於該直流-直流電源轉換器的一驅動單元、該限流電路和該輸出電壓控制電路之間的一開關單元；其特徵在於，該軟啟動電路更包括：
一基準電壓產生單元，耦接該誤差放大器的正輸入端，用以在該軟啟動電路操作在一電流控制模式之時提供一第一基準電壓至該誤差放大器的正輸入端，且在該軟啟動電路操作在一電壓控制模式之時提供一第二基準電壓
2至該誤差放大器的正輸入端；以及
一電壓箝制單元，耦接至該比較器和該斜坡電壓產生單元之間的一共接點，且同時耦接該誤差放大器的輸出端，用以將該誤差放大器所輸出的一誤差信號箝制在一電壓準位。
在一實施例中，該第一基準電壓和該第二基準電壓之間具有一電壓差，且該電壓差至少為5mV。
在一實施例中，該電壓準位為該斜坡電壓產生單元所產生的一斜坡電壓的一平均電壓準位。
在可行的實施例中，前述本發明之軟啟動電路更包括一時鐘信號產生單元，用以傳送一時鐘信號至該直流-直流電源轉換器的該驅動單元；其中，在該軟啟動電路切換至所述電壓控制模式的第一個工作週期內，該驅動單元依據該時鐘信號將一電感電流上升時間區間限制在一時間長度內。
進一步地，本發明同時提出一種供電裝置，其特徵在於，包含至少一如前所述本發明之直流-直流轉換器。
並且，本發明還提出一種資訊處理裝置，其特徵在於，具有如前所述本發明之供電裝置。
在可行的實施例中，該資訊處理裝置為選自於由智慧型手機、智慧手錶、智慧手環、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、門禁裝置、桌上型電腦、和工業電腦所組成群組之中的一種電子裝置。
為使 貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵、目的、與其優點，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。
圖5顯示具有本發明之一種軟啟動電路的一直流-直流電源轉換器的架構圖。如圖5所示，該直流-直流電源轉換器1的基礎構件包括：一驅動單元10、一第一開關元件11、一第二開關元件12、一電感L、以及一第一電容C。並且，本發明之軟啟動電路包括：一誤差放大器13、一比較器14、一限流單元17、一斜坡電壓產生單元18、一開關單元S1、一基準電壓產生單元1B、以及一電壓箝制單元1A。值得說明的是，該限流單元17和一電流檢出單元19組成一限流電路，而該斜坡電壓產生單元18、該比較器14、該誤差放大器13和由一第一電阻R
F1和一第二電阻R
F2所組成的一電壓檢出單元一同組成一輸出電壓控制電路。
依據圖5可知，該電流檢出單元19用以檢測流經該電感L的一電感電流，且包含該第一電阻R
F1和該第二電阻R
F2組成的該電壓檢出單元用以檢測該直流-直流電源轉換器1的輸出電壓V
OUT，從而傳送一回授電壓V
FB至該誤差放大器13的負輸入端。更詳細地說明，該誤差放大器13的正輸入端耦接該基準電壓產生單元1B，且該斜坡電壓產生單元18耦接於該電感L的一端、該電流檢出單元19的輸出端以及該比較器14的負輸入端。依據圖5可知，該斜坡電壓產生單元18由一電流源1S、一第二電容C
RAMP、一第三電阻R
RAMP、以及一開關元件S2組成，用以產生一採樣電壓V
RAMP傳送至該比較器14的負輸入端。另一方面，該開關單元S1耦接於該直流-直流電源轉換器1的驅動單元10、該限流電路和該輸出電壓控制電路之間。
圖6為圖5所示之電感電流I
IND、輸出電壓V
OUT、第一基準電壓V
REF1、以及第二基準電壓V
REF2的工作時序圖。由圖5與圖6所示，在軟啟動電路操作在一電流控制模式之時，該開關單元S1被切換至具有一第一通路，以使該驅動單元10與該限流單元17耦接。在電流控制模式下，第一電容C受到一充電電流的充電，使得輸出電壓V
OUT緩坡爬升。
依據本發明之設計，在電流控制模式下，該基準電壓產生單元1B提供一第一基準電壓V
REF1至該誤差放大器13的正輸入端，且該誤差放大器13的負輸入端接收所述回授電壓V
FB，使得該誤差放大器13依據該第一基準電壓V
REF1和該回授電壓V
FB而產生一誤差信號Vea傳送至該比較器14的正輸入端。同時，該比較器14的負輸入端接收該斜坡電壓產生單元18所產生一採樣電壓V
RAMP。值得注意的是，本發明令該電壓箝制單元1A耦接至該比較器14和該斜坡電壓產生單元18之間的一共接點，且同時耦接該誤差放大器13的輸出端。依圖5所示電路圖解讀，該電壓箝制單元1A係耦接在該比較器14的負輸入端與正輸入端之間。
值得注意的是，在電流控制模式下，該比較器14的輸出端為浮接(floating)。此時，該電壓箝制單元1A將該誤差放大器13所輸出的誤差信號Vea箝制在一電壓準位。依據圖5可知，比較器14的負輸入端所耦接採樣電壓V
RAMP係為一斜坡電壓，因此，完成所述電壓準位的箝制之後，所述電壓準位為該斜坡電壓產生單元18所產生的斜坡電壓(即，採樣電壓V
RAMP)的一平均電壓準位。
進一步地，在接近目標電壓Vtarget之時，該開關單元S1被切換至具有一第二通路，以使該驅動單元10和該比較器14的輸出端耦接，此時軟啟動電路操作在一電壓控制模式。進入電壓控制模式後，電感電流I
IND不會突變成0。此時，如圖5與圖6所示，該基準電壓產生單元1B提供一第二基準電壓V
REF2至該誤差放大器13的正輸入端。依據圖6可知，該第一基準電壓V
REF1和該第二基準電壓V
REF2之間具有一電壓差，且該電壓差至少為5mV。
應可理解，該誤差放大器13誤差信號Vea係已被箝制在所述電壓準位(即，採樣電壓V
RAMP的平均電壓準位)，因而使得該比較器14的正輸入端的端電壓和負輸入端的端電壓相當接近(即，Vea
V
RAMP)。在此情況下，由比較器14傳送至該驅動單元10的一比較信號幾乎不會有變動，從而使輸出電壓V
OUT不會在兩個模式的切換過程中出現電壓過衝(overshoot)或欠壓(overshoot)。最終，進入電壓控制模式之後，輸出電壓控制電路即控制第一電容C的充電電流，從而將輸出電壓V
OUT調整至所述目標電壓Vtarget。
舉例而言，在電流控制模式下，由限流電路主控(dominate)的電流環路以200mA的平均充電電流對該第一電容C充電，使輸出電壓V
OUT緩步上升。當回授電壓V
FB與第一基準電壓V
REF1相等時，系統便會自電流控制模式切換至電壓控制模式。應知道，在結束所述電流控制模式之後，電感電流I
IND不可能突然下降至0。換句話說，在進入電壓控制模式的初期，第一電容C還是會受到充電電流的充電而導致輸出電壓V
OUT上升，此時，輸出電壓V
OUT上升的部分則由該第一基準電壓V
REF1和該第二基準電壓V
REF2之間的電壓差(如：5mV)來抵消。因此，本發明之軟啟動電路可以控制該直流-直流電源轉換器1的輸出電壓的波形在電流控制模式切換至電壓控制模式的過程中實現平滑過渡，有效防止出現電壓過衝(overshoot)或是欠壓(undershoot)。
更進一步地，如圖5所示，本發明之軟啟動電路還包括一時鐘信號產生單元1C，其用以傳送一時鐘信號CLK至該直流-直流電源轉換器1的該驅動單元10。依據本發明之設計，如圖5與圖6所示，在軟啟動電路切換至電壓控制模式的第一個工作週期內，該驅動單元10依據該時鐘信號CLK將一電感電流上升時間區間限制在一時間長度t1內。換句話說，本發明係利用時鐘信號CLK，使得由輸出電壓控制電路主控(dominate)的電壓環路在所述時間長度t1內即建立完畢。
如此，上述已完整且清楚地說明本發明之一種軟啟動電路；並且，經由上述可得知本發明具有下列優點：
(1)本發明揭示一種軟啟動電路，可整合在一直流-直流轉換器之中，用以控制最大的定電流以對該直流-直流電源轉換器的電容充電，同時控制該直流-直流電源轉換器的輸出電壓的波形在電流控制模式切換至電壓控制模式的過程中實現平滑過渡，有效防止出現電壓過衝或是欠壓。
(2)本發明同時提供一種直流-直流轉換器，其特徵在於，包含如前所述本發明之軟啟動電路。
(3)本發明同時提供一種資訊處理裝置，其特徵在於，具有一供電裝置，且該供電裝置包含至少一如前所述本發明之直流-直流轉換器。在可行的實施例中，該資訊處理裝置為選自於由智慧型手機、智慧手錶、智慧手環、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、門禁裝置、桌上型電腦、和工業電腦所組成群組之中的一種電子裝置。
必須加以強調的是，前述本案所揭示者乃為較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。
綜上所陳，本案無論目的、手段與功效，皆顯示其迥異於習知技術，且其首先發明合於實用，確實符合發明之專利要件，懇請 貴審查委員明察，並早日賜予專利俾嘉惠社會，是為至禱。
1a:升-降壓型電源轉換電路
10a:驅動單元
11a:第一開關元件
12a:第二開關元件
13a:誤差放大器
14a:比較器
15a:類比-數位轉換單元
16a:斜坡電壓產生器
17a:限流單元
18a:斜坡電壓產生電路
19a:電流檢出單元
La:電感
C1a:第一電容
C2a:第二電容
1F1:第一電阻
1F2:第二電阻
1F3:第三電阻
1Sa:電流源
S1a:開關單元
S2a:開關元件
1:直流-直流電源轉換器
10:驅動單元
11:第一開關元件
12:第二開關元件
13:誤差放大器
14:比較器
17:限流單元
18:斜坡電壓產生單元
19:電流檢出單元
1A:電壓箝制單元
1B:基準電壓產生單元
1C:時鐘信號產生單元
L:電感
C:第一電容
C
RAMP:第二電容
R
F1:第一電阻
R
F2:第二電阻
R
RAMP:第三電阻
1S:電流源
S1:開關單元
S2:開關元件
圖1為習知的一種升-降壓型電源轉換電路的第一電路圖；
圖2為圖1所示之電感電流、輸出電壓以及第二基準電壓的工作時序圖；
圖3為習知的升-降壓型電源轉換電路的第二電路圖；
圖4為圖3所示之電感電流、輸出電壓以及第一基準電壓的工作時序圖；
圖5為具有本發明之一種軟啟動電路的一直流-直流電源轉換器的架構圖；以及
圖6為圖5所示之電感電流、輸出電壓、第一基準電壓、以及第二基準電壓的工作時序圖。
1:直流-直流電源轉換器
10:驅動單元
11:第一開關元件
12:第二開關元件
13:誤差放大器
14:比較器
17:限流單元
18:斜坡電壓產生單元
19:電流檢出單元
1A:電壓箝制單元
1B:基準電壓產生單元
1C:時鐘信號產生單元
L:電感
C:第一電容
CRAMP:第二電容
RF1:第一電阻
RF2:第二電阻
RRAMP:第三電阻
1S:電流源
S1:開關單元
S2:開關元件
Claims (10)
- 一種軟啟動電路，係應用於一直流-直流電源轉換器之中，且包括：一限流電路、包含一誤差放大器、一比較器以及一斜坡電壓產生單元的一輸出電壓控制電路、以及耦接於該直流-直流電源轉換器的一驅動單元、該限流電路和該輸出電壓控制電路之間的一開關單元；其特徵在於，該軟啟動電路更包括：一基準電壓產生單元，耦接該誤差放大器的正輸入端，用以在該軟啟動電路操作在一電流控制模式之時提供一第一基準電壓至該誤差放大器的正輸入端，且在該軟啟動電路操作在一電壓控制模式之時提供一第二基準電壓至該誤差放大器的正輸入端；以及一電壓箝制單元，耦接至該比較器和該斜坡電壓產生單元之間的一共接點，且同時耦接該誤差放大器的輸出端，其中，在該電流控制模式下，該比較器的輸出端為浮接，且該電壓箝制單元將該誤差放大器所輸出的一誤差信號箝制在一電壓準位。
- 如請求項1所述之軟啟動電路，其中，該第一基準電壓和該第二基準電壓之間具有一電壓差，且該電壓差至少為5mV。
- 如請求項1所述之軟啟動電路，其中，該電壓準位為該斜坡電壓產生單元所產生的一斜坡電壓的一平均電壓準位。
- 如請求項1所述之軟啟動電路，其特徵在於，更包括一時鐘信號產生單元，用以傳送一時鐘信號至該直流-直流電源轉換器的該驅動單元；其中，在該軟啟動電路切換至所述電壓控制模式的第一個工作週期內，該驅動單元依據該時鐘信號將一電感電流上升時間區間限制在一時間長度內。
- 一種直流-直流轉換器，包括一驅動單元、一開關單元、一電感、一電容、以及一軟啟動電路；其中，該軟啟動電路包括：一限流電路、包含一誤差放大器、一比較器以及一斜坡電壓產生單元的一輸出電壓控制電路、以及耦接於該直流-直流電源轉換器的一驅動單元、該限流電路和該輸出電壓控制電路之間的一開關單元；其特徵在於，該軟啟動電路更包括： 一基準電壓產生單元，耦接該誤差放大器的正輸入端，用以在該軟啟動電路操作在一電流控制模式之時提供一第一基準電壓至該誤差放大器的正輸入端，且在該軟啟動電路操作在一電壓控制模式之時提供一第二基準電壓至該誤差放大器的正輸入端；以及一電壓箝制單元，耦接至該比較器和該斜坡電壓產生單元之間的一共接點，且同時耦接該誤差放大器的輸出端；其中，當該軟啟動電路操作在所述電流控制模式之時，該比較器的輸出端為浮接，且該電壓箝制單元將該誤差放大器所輸出的一誤差信號箝制在一電壓準位。
- 如請求項5所述之直流-直流轉換器，其中，該第一基準電壓和該第二基準電壓之間具有一電壓差，且該電壓差至少為5mV。
- 如請求項5所述之直流-直流轉換器，其中，該電壓準位為該斜坡電壓產生單元所產生的一斜坡電壓的一平均電壓準位。
- 如請求項5所述之直流-直流轉換器，其特徵在於，更包括一時鐘信號產生單元，用以傳送一時鐘信號至該直流-直流電源轉換器的該驅動單元；其中，在該軟啟動電路切換至所述電壓控制模式的第一個工作週期內，該驅動單元依據該時鐘信號將一電感電流上升時間區間限制在一時間長度內。
- 一種供電裝置，其特徵在於，包含至少一如請求項5至請求項8之中任一項所述之直流-直流轉換器。
- 一種資訊處理裝置，其特徵在於，具有如請求項9所述之供電裝置。
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