一種應用於開關式穩壓器的脈寬調製控制器的製作方法
2023-05-19 21:49:41
專利名稱：一種應用於開關式穩壓器的脈寬調製控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及軟啟動 一種脈寬調製控制器，特別涉及一種應用於開關式 穩壓器的脈寬調製控制器。
背景技術：
開關式穩壓器起始電源電壓VDD上升時，由於誤差放大器增益過高， 使得脈寬調製輸出起始時具有最大的責任周期(Duty cycle),而由輸入電 源快速對電源轉換模塊輸出端充電，對功率轉換系統產生過電壓及過電 流的損害，故需要利用軟啟動方式，以確實保護功率轉換系統。
圖1為現有的脈寬調製控制器，利用電阻121,電容122,以及穩壓 二極體123、 124實現軟啟動的電路圖。該電路IO,利用電容122以及穩 壓二極體124於電源電壓VDD正要上升時，將誤差信號ERR自誤差放 大器ll輸出，放電至電路共地VSS;而在電源電壓VDD上升時，參考 電壓REF經由電阻121開始充電至電容122，其充電時間常數為t = R1*C1;當電容122充滿電荷時，穩壓二極體124會被反向偏壓，使得比 較器13輸出與軟啟動電路12隔離，不再受到軟啟動電路12的影響，達 到轉換器軟啟動的目的。由於需要較大的充電時間常數，故而需要較大 的電阻121值及電容122值，因此一般現有的應用上將電容122外接， 以節省晶片面積，但也因此而增加了外部組件，以及封裝腳位數。
圖2為另一現有的利用電阻221，電容222,以及輸入端緩沖器223 實現軟啟動的電路圖。該電路20，利用電阻221以及電容222由電源電 壓VDD充電的特性，其充電時間常數為t; = R2*C2， ^使得電容222兩端 電壓VC隨電源電壓VDD上升而升高。而誤差放大器21正端輸入電壓 REF2於電源電壓VDD上升時參考於電容222電壓VC，使抑制誤差放大 器21負端輸入電壓FB2的比4交參考電位為電容222兩端電壓VC;當電 容222充滿電荷，即不再對誤差》文大器21正端輸入電壓REF2產生影響， 使得比較器23輸出與軟啟動電路22隔離，不再受到軟啟動電路22的影 響，達到轉換器軟啟動的目的。同樣的，由於需要較大的充電時間常數， 故而需要較大的電阻221值及電容222值， 一般現有的應用上將電容222 外接，以節省晶片面積，但也因此而增加了外部組件，以及封裝腳位數。
發明內容
有鑑於上述問題，本發明的目的是提出一軟啟動方式，利用控制誤差 放大器的輸出端以實現軟啟動的功能，同時達到小面積高整合度的目的。
為達成上述目的，本發明提供一種應用於開關式穩壓器的脈寬調製控 制器，其包含一誤差放大器、 一軟啟動控制電路、 一補償負載以及一比 較器。其中，誤差放大器接收一參考電壓及一反饋電壓，並據此輸出一 誤差電流信號。軟啟動控制電路根據至少 一軟啟動控制信號輸出 一補償 電流信號。補償負載接收該誤差電流信號及補償電流信號並輸出 一補償 信號。比較器接收一斜坡信號及該補償信號，並輸出一脈寬調製信號。
如此，誤差放大器，在電源電壓VDD上升時，依據預設軟啟動補償 電流作補償，緩慢對電路共地VSS充電，使得誤差信號緩慢提升，直至 軟啟動控制周期結束為止，藉以實現電源電壓VDD上升時的軟啟動功能。
圖1為現有的利用電阻，電容，以及穩壓二極體實現軟啟動的電路圖。 圖2為另一現有的利用電阻，電容，以及輸入端緩沖器實現軟啟動的 電路圖。
圖3為本發明應用於開關式穩壓器的脈寬調製控制器的電路示意圖。
圖4為圖3的誤差放大器實施例的電路示意圖。
圖5為圖3的軟啟動控制電路實施例的電路示意圖。
圖6為本發明應用於開關式穩壓器的軟啟動方式的詳細電路示意圖。
圖7( — )、 (二)分別為開關式穩壓器不作軟啟動保護的電壓、電流 波形示意圖。
圖8 ( — )、 (二)分別為本發明軟啟動方式應用於開關式穩壓器的電
壓、電流波形示意圖。
其中
10、 20、 30...應用於開關式穩壓器的軟啟動方式；11、 21、 31...誤差 放大器；12、 22、 32...軟啟動控制電路；13、 23、 33...比較器；121...電 阻；122...電容;123、 124...穩壓二極體;221...;電阻；222...電容;223... 輸入緩沖器；2231、 2232…偏壓電流；2233、 2234、 2235...電晶體;34... 補償負載；41…跨導放大器；410、 411、 412、 413、 414、 415、 416、 417、 418...電晶體;419...電阻;420...參考電流源;50、 51、 52、 53、 54、 55、 56、 57、 58...電晶體；59...參考電流源
具體實施例方式
為了讓本發明的上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文將 特舉本發明優選實施例，並配合附圖，作詳細說明如下
本發明釆用跨導放大器作為誤差放大器，並於開關式穩壓器啟動之 初，控制跨導放大器的輸出電流，使其輸出電流緩慢上升，進而緩慢對 補償負載充電。如此，PWM比4交器的PWM輸出訊號的責任周期可柔性 上升，避免開關式穩壓器於啟動之初輸出過電壓及過電流而損害開關功 率組件。
以下參考圖示詳細說明本發明應用於開關式穩壓器的軟啟動方式。 圖3為本發明應用於開關式穩壓器的脈寬調製(PWM， Pulse Width Modulated)控制器的電路示意圖。如該圖所示，該軟啟動方式30利用一 誤差放大器31比較參考電壓REF與開關式穩壓器輸出反饋信號FB，產 生誤差信號ERR，其中，該誤差放大器31為跨導放大器。同時利用軟啟
動控制電路32控制誤差放大器31的輸出電流，使其緩慢對補償負載34 充電。其中，補償負載34可以現有的的電阻341串聯電容342實現，進 而使得誤差放大器31輸出的誤差信號ERR緩慢提升，其中，軟啟動控制 電路32由數字控制電路322以及補償電流321構成。同時利用一比較器 33比較上述誤差信號ERR及一斜坡信號RAMP，產生脈寬調製信號 PWM，以作開關式穩壓器的調節控制，其中，比較器33可利用現有的的 運算放大器實現。由於誤差信號ERR被控制而緩慢上升，故比較器33 輸出的脈寬調製信號PWM具有責任周期緩慢開啟的特性，達到軟啟動的 目的。
圖4為圖3的誤差放大器31實施例的電路示意圖。 一跨導差動放大 單元包含構成差動放大對的電晶體411、 412及構成跨導源的電阻419。 參考電流源420，以及電晶體410、 415、 416、 418,構成偏壓電流源； 電晶體413、 414構成有源負載。其中，電晶體413用以傳送由差動;汶大 對(電晶體411、 412)比較參考電壓REF與穩壓器輸出反饋信號FB後 通過電阻419所產生的差動電流，電晶體414為對稱性負載，用以實現 差動放大對稱；電晶體417與上述電晶體413形成電流鏡，用以作電流 輸出，依據電晶體418的偏壓電流源，決定該誤差放大器31的輸出電流 值。
圖5為圖3的軟啟動控制電路32的實施例的電路示意圖。軟啟動控 制電路32利用參考電流源59以及電晶體58構成輸入偏壓電流源。晶體 管50、 51、 52、 53構成四位調控輸出的偏壓電流源，分別具不同的調節 能力，例如電晶體50、 51、 52、 53的跨導分別為gm=l、 gm=2、 gm=4、 gm=8。電晶體54、 55、 56、 57形成輸出電流控制開關，是依據數字控制 信號C0、 Cl、 C2、 C3作輸出電流IOUT值控制。輸出電流IOUT最小為 電晶體54、 55、 56、 57皆截止，沒有輸出電流；輸出電流IOUT最大為電晶體54、 55、 56、 57皆導通，最大電流為電晶體50、 51、 52、 53各 電流的總和。數字控制信號C0、 Cl、 C2、 C3在軟啟動控制周期最初之 時，控制電晶體54、 55、 56、 57皆導通，然後隨著時間調整電晶體54、 55、 56、 57的導通與截止，藉此控制輸出電流IOUT,使其隨時間變小， 於預定軟啟動控制周期結束時，電晶體54、 55、 56、 57皆截止使輸出電 流IOUT為零。
圖6為本發明應用於開關式穩壓器的軟啟動方式的詳細電路示意圖。 在本實施例中，軟啟動控制電路32以誤差放大器31的輸出電流值作為 參考電流源59。當電源電壓VDD上升時，開關式穩壓器輸出反饋信號 FB小於參考電壓REF,誤差放大器31會輸出誤差電流對補償負載34充 電。同時，軟啟動控制周期開啟，使得軟啟動控制電路32對補償負載34 放電，充分補償誤差放大器31輸出的誤差電流，使得輸出誤差信號ERR 對電路共地VSS的電壓被控制的由0開始緩慢上升。通過比較器33比較 上述誤差信號ERR及一斜坡信號RAMP,產生責任周期緩慢開啟的脈寬 調製信號PWM，達到軟啟動的目的。當軟啟動控制周期結束，軟啟動控 制電路32不再補償誤差放大器31的輸出誤差電流，使得輸出誤差信號 ERR依據開關式穩壓器輸出的負載狀況作出適當的調製，達到軟啟動與 開關式穩壓器正常操作相隔離的目的。
圖7( — )、 (二)分別為開關式穩壓器不帶軟啟動保護的電壓、電流 波形示意圖。由圖示可明顯看出若開關式穩壓器不作軟啟動保護，則在 電路 一 開始啟動時會瞬間輸出過高的電壓及電流，而使功率轉換系統會 受到過電壓及過電流的損害。
圖8 ( — )、 (二)分別為本發明軟啟動方式應用於開關式穩壓器的電 壓、電流波形示意圖。由圖示可明顯，經軟啟動保護，脈寬調製輸出起 始後責任周期逐漸上升，使輸出電壓以及輸出電流均具有軟啟動的特性， 達到對功率轉換系統作過電壓及過電流保護的目的。
權利要求
1.一種應用於開關式穩壓器的脈寬調製控制器，其特徵在於，其包含一個誤差放大器，接收一個參考電壓及一個反饋電壓，並據此輸出一個誤差電流信號；一個軟啟動控制電路，根據至少一個軟啟動控制信號輸出一個補償電流信號；一個補償負載，接收該誤差電流信號及補償電流信號並據此輸出一個補償信號；以及一個比較器，接收一個斜坡信號及所述補償信號，並輸出一個脈寬調製信號。
2、 根據權利要求1所述的脈寬調製控制器，其特徵在於所述的補 償負載包含一個電阻。
3、 根據權利要求2所述的脈寬調製控制器，其特徵在於所述的誤 差放大器為一個跨導放大器。
4、 根據權利要求3所述的脈寬調製控制器，其特徵在於所述的誤 差放大器包含一個參考電流源，產生一個參考電流；以及一個跨導差動放大單元，根據該參考電壓及該反饋電壓，並基於該參 考電流而產生所述誤差電流信號。
5、 根據權利要求4所述的脈寬調製控制器，其特徵在於所述的軟 啟動控制電路包含至少 一 個偏壓電流源，所述偏壓電流源才艮據該誤差電 流信號產生對應的偏壓電流。
6、 根據權利要求5所述的脈寬調製控制器，其特徵在於所述的軟 啟動控制電路還包含對應於所述偏壓電流源的至少 一個控制開關，所述 控制開關根據該至少 一 個軟啟動控制信號控制所述偏壓電流的輸出以形 成該補償電流信號。
7、 根據權利要求1所述的脈寬調製控制器，其特徵在於所述的軟 啟動控制電路包含至少 一 個偏壓電流源，所述偏壓電流源根據該誤差電 流信號產生對應的偏壓電流。
8、 根據權利要求7所述的脈寬調製控制器，其特徵在於所述的軟 啟動控制電路還包含對應於所述偏壓電流源的至少 一個控制開關，所述 控制開關根據該所述軟啟動控制信號控制偏壓電流的輸出以形成該補償 電流信號。
9、 根據權利要求6或8所述的脈寬調製控制器，其特徵在於所述 的軟啟動控制電路於一個預定軟啟動控制周期開始時，輸出補償電流信 號的最大值。
10、 根據權利要求6或8所述的脈寬調製控制器，其特徵在於所述 的軟啟動控制電路於該預定軟啟動控制周期結束時，輸出補償電流信號 的最小值。
全文摘要
本發明公開了一種應用於開關式穩壓器的脈寬調製控制器，其包含一誤差放大器、一軟啟動控制電路、一補償負載以及一比較器。其中，誤差放大器接收一參考電壓及一反饋電壓，並據此輸出一誤差電流信號；軟啟動控制電路根據至少一軟啟動控制信號輸出一補償電流信號；補償負載接收該誤差電流信號及補償電流信號並輸出一補償信號；比較器接收一斜坡信號及該補償信號，並輸出一脈寬調製信號；誤差放大器，在電源電壓上升時，依據預設軟啟動補償電流作補償，緩慢對電路共地VSS充電，使得上述誤差信號緩慢提升，直至軟啟動控制周期結束為止，藉以實現電源電壓上升時的軟啟動功能。
文檔編號H02M1/00GK101373926SQ20071014617
公開日2009年2月25日 申請日期2007年8月24日 優先權日2007年8月24日
發明者丁明強 申請人:尼克森微電子股份有限公司