具過電流保護的切換式轉換器的製作方法

2024-02-11 14:27:15 1

專利名稱：具過電流保護的切換式轉換器的製作方法
技術領域：
本發明是提供一種具過電流保護的切換式轉換器及方法，尤指 一種利用 兩個充電泵來對一電容進行充放電來達到過電流保護的切換式轉換器及方法。
背景技術：
轉換器通常包含切換式轉換器(Switching Regulator)與線性轉換器 (Liner Regulator)兩種，其中，線性轉換器使用起來方便且便宜，但是效率 很差，通常會消耗掉50%的功率。而切換式轉換器利用切換電流的方式將輸 出電壓維持在所設定的數值，其所供應的電流大小有限制，切換式轉換器有 高頻的噪聲的問題，但是切換是轉換器具有很好的功率轉換效果，於現在的 電路設計中，佔了很重要的部分。
請參考圖1。圖1為先前技術切換式轉換器10的示意圖。切換式轉換器 IO包含第一開關QI、第二開關Q2、控制晶片12、輸出電感Lo、輸出電容Co 以及負載Rload。控制晶片12包含第一輸入端122,耦接於輸出電感Lo與輸 出電容Co的接點，第二輸入端124用來接收參考電壓Vref，輸出端126、 128 是耦接於第一開關Ql與第二開關Q2的控制端，用來控制第一開關Ql與第二 開關Q2的開啟與關閉。當第一開關Q1開啟時，輸入電壓Vin會對輸出電感 Lo及輸出電容Co進行充電，當第一開關Ql關閉且第二開關Q2開啟時，輸 出電壓Vo會通過輸出電感Lo及輸出電容Co進行放電。輸出電壓Vo為負載 Rload的3爭壓。
於先前技術中，為了測量負載的電流，通常會在第一開關Q1的源極端或 是輸出電感Lo的電流路徑上加裝數十毫歐姆的電阻，利用此電阻上的跨壓測 量電流。此種方式會造成幾個缺點，當為高電流負載時，該毫歐姆的電阻消 耗的功率佔輸出功率比例過大，造成轉換效率下降，且第一開關Q1的源極端 電流並非直流形式，必須以峰值電流推算實際輸出電流值。

發明內容
本發明是提供一種具過電流保護的切換式轉換器，其包含第一開關、第 二開關、輸出電感、輸出電容、誤差放大器、比較器以及控制電路。該第二 開關耦接於該第一開關，該輸出電感耦接於該第一開關與該第二開關的接點。 該控制電路用來控制該第一開關與該第二開關的開啟與關閉。該誤差放大器 具有第一輸入端，耦接於該輸出電感與該輸出電容的接點，用來接收輸出電 壓，第二輸入端，用來接收參考電壓，該誤差放大器用來根據兩輸入端接收 的信號產生誤差信號。該比較器具有第一輸入端，耦接於該誤差放大器的輸 出端，及第二輸入端。該控制電路包含電容、第一充電泵以及第二充電泵。 該電容耦接於該第一開關與該第二開關的控制端。該第一充電泵的控制端是 耦接於該比較器，輸出端是耦接於該電容，該第一充電泵用來產生對該電容 充電的第一電流。該第二充電泵的控制端是耦接於該比較器的輸出端，輸出 端是耦接於該電容及該第一充電泵，該第二充電泵用來產生對該電容放電的 第二電流。
本發明是提供一種電壓切換的方法，該方法包含根據控制信號開啟第一
開關，對輸出電感與輸出電容進行充電；根據該控制信號關閉該第一開關並 開啟第二開關，對該輸出電感與該輸出電容進行放電；根據該輸出電容的跨 壓與參考電壓產生誤差信號；比較該誤差信號與鋸齒波信號產生脈寬調製信 號；以及根據該脈寬調製信號對電容進行充電與》文電。


圖1為先前技術切換式轉換器的示意圖。
圖2為本發明切換式轉換器的示意圖。
圖3為圖2中控制邏輯的示意圖。
10、 2Q 切換式轉換器
Ql 第一開關 Q2
12 控制晶片 Lo
Co 輸出電容 Rload
122、 222、 242 第一輸入端
124、 224、 244 第二輸入端
第二開關 輸出電感 負載126、 128、226、 246輸出端
Vref參考電壓
Vin輸入電壓Vo輸出電壓
22誤差放大器24比較器
28參考電壓產生器
27控制邏輯單元29過電流保護單元
Vsaw鋸齒波信號VpWM脈寬調製信號
26控制電路C電容
32楚亡rl7 矛 夕U 7JV第二充電泵
36反相器V電容跨壓
V！電壓源第一電流
I2第二電流
具體實施例方式
請參考圖2。圖2為本發明一切換式轉換器20的示意圖。切換式轉換器 20包含第一開關Q1、第二開關Q2、輸出電感Lo、輸出電容Co、誤差放大器 22、比較器24以及控制電路26，控制電路26包含有控制邏輯單元27以及 過電流保護單元29。第二開關Q2耦接於第一開關Ql,輸出電感Lo耦接於第 一開關Ql與第二開關Q2的接點。控制電路26用來控制第一開關Ql與第二 開關Q2的開啟與關閉。誤差放大器22具有第一輸入端222，耦接於輸出電 感Lo與輸出電容Co的接點，用來接收輸出電壓Vo，第二輸入端224，用來 接收參考電壓Vref，誤差放大器22用來根據兩輸入端接收的信號產生誤差 信號。比較器24具有第一輸入端242,耦接於誤差放大器22的輸出端226, 及第二輸入端244,用來接收鋸齒波信號Vsaw。控制電路26的輸入端是耦接 於比較器24的輸出端246,用來接收脈寬調製信號V ,輸出端耦接於第一 開關Ql與第二開關Q2的控制端，用來控制第一開關Ql與第二開關Q2的開 啟與關閉。當第一開關Q1開啟時，輸入電壓Vin會對輸出電感Lo及輸出電 容Co進行充電，當第一開關Ql關閉且第二開關Q2開啟時，輸出電壓Vo會 通過輸出電感Lo及輸出電容Co進行放電。其中，第一開關Ql與第二開關 Q2為金屬氧化物半導體電晶體，第一開關Ql為P型金屬氧化物半導體晶體 管，第二開關Q2為N型金屬氧化物半導體電晶體。切換式轉換器20還包含參考電壓產生器28,耦接於誤差放大器22的第二輸入端224，用來產生參考 電壓Vref。脈寬調製信號Vpwm的工作周期(Duty-Cycle)與提供的電流有正比 關係，亦即工作周期越長，提供電流值則越大。請注意，在此控制電路26包 括有控制邏輯單元27以及過電流保護單元29，控制邏輯單元27為控制電路 26中主要的邏輯元件，用來控制第一開關Q1與第二開關Q2的開啟與關閉。 過電流保護單元29為控制邏輯單元27的輔助電路，可提供控制電路26目前 電流負載的情況，則控制邏輯單元27據以判斷是否要開啟或關閉第一開關 Ql與第二開關Q2。
請參考圖3。圖3為圖2中控制邏輯單元27的示意圖。控制邏輯單元27 包含電容C、第一充電泵32、第二充電泵34以及反相器36。第一充電泵32 的控制端用來接收脈寬調製信號(耦接於比較器24的輸出端246，請參考圖 2)，輸出端是耦接於電容C,第一充電泵32用來產生對電容C充電的第一電 流I"反相器36是耦接於第二充電泵34的控制端，用來對該脈寬調製信號 進行反相運算。第二充電泵34的控制端是耦接於反相器36的輸出端，用來 接收經過反相運算的脈寬調製信號，輸出端是耦接於電容C及第一充電泵32， 第二充電泵34用來產生對電容C放電的第二電流12。其中，V為電容跨壓， 第一充電泵32的輸入端是耦接於電壓源V，第二充電泵34的輸入端是耦接 於地。
請繼續參考圖3。根據該脈寬調製信號對電容C進行充電、放電，當該 脈寬調製信號為高電平時，對電容C進行充電，當該脈寬調製信號為低電平 時，對電容C進行放電。假設第二電流12為第一電流Ii的四倍，即對應至80 y。的工作周期，即原設計中工作周期的上限。亦可以通過改變電流比例來隨之 調整工作周期的上限值。若工作周期超過80%，表示此電路已經超出原設計 的安全範圍，電容跨壓V會隨之上升，當此電容跨壓V超過預設的參考電壓 時，即關閉電流供應，達到過電流保護的目的。
以上所述的實施例僅用來說明本發明，並不局限本發明的範疇。文中所 提到第二電流I2為第一電流L的四倍，但並不局限於此。可視電路的需求， 調整第二電流12與第一電流L的比例，進而通過改變電流比例來隨之調整工 作周期的上限值。
由上可知，本發明提供一種具過電流保護的切換式轉換器。利用第一充 電泵32以及第二充電泵34來對電容C進行充電、^:電，先設定第二電流12與第一電流L的大小，當工作周期超過原先的設計，表示此電路已經超出安 全範圍。亦可以通過調整第二電流I2與第一電流L的比例，來調整工作周期 的上限值，適用於可調製輸出電壓的系統。且本發明無須外加被動元件來測 量輸出電流，不但可以節省成本，且不會因為外部電阻造成的功率耗損以提 升電壓轉換效率。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明權利要求範圍所做的均 等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1. 一種具過電流保護的切換式轉換器，包含有第一開關；第二開關，耦接於該第一開關；輸出電感，耦接於該第一開關與該第二開關的接點；輸出電容，耦接於該輸出電感；誤差放大器，其具有第一輸入端，耦接於該輸出電感與該輸出電容的接點，用來接收輸出電壓，第二輸入端，用來接收參考電壓，該誤差放大器用來根據兩輸入端接收的信號產生誤差信號；比較器，其具有第一輸入端，耦接於該誤差放大器的輸出端，及第二輸入端；以及控制電路，其輸入端是耦接於該比較器的輸出端，輸出端耦接於該第一開關與該第二開關的控制端，用來控制該第一開關與該第二開關的開啟與關閉，該控制電路包含控制邏輯單元及過電路保護單元，其中該控制邏輯單元包含電容，耦接於該第一開關與該第二開關的控制端；第一充電泵，其控制端是耦接於該比較器的輸出端，輸出端是耦接於該電容，該第一充電泵用來產生對該電容充電的第一電流；以及第二充電泵，其控制端是耦接於該比較器的輸出端，輸出端是耦接於該電容及該第一充電泵，該第二充電泵用來產生對該電容放電的第二電流。
2. 根據權利要求1所述的切換式轉換器，其中該第一開關與該第二開關 為金屬氧化物半導體電晶體。
3. 根據權利要求1所述的切換式轉換器，其還包含參考電壓產生器，耦 接於該誤差放大器的第二輸入端，用來產生該參考電壓。
4. 根據權利要求1所述的切換式轉換器，其還包含反相器，耦接於該第 二充電泵的控制端及該比較器的輸出端之間，用來對該比較器輸出的信號進 行反相運算。
5. —種電壓切換的方法，包含有根據控制信號開啟第一開關，對輸出電感與輸出電容進行充電； ^f艮據該控制信號關閉該第一開關並開啟第二開關，對該輸出電感與該輸出電容進4亍^:電；根據該輸出電容的跨壓與參考電壓產生誤差信號； 比較該誤差信號與鋸齒波信號產生脈寬調製信號；以及 根據該脈寬調製信號對電容進行充電與放電。
6. 根據權利要求5所述的方法，其中根據該脈寬調製信號對該電容進行 充電、放電為以第一預定電流對該電容進行充電，以第二預定電流對該電容 進行放電。
7. 根據權利要求6所述的方法，其還包含改變該第一預定電流與該第二 預定電流。
8. 根據權利要求5所述的方法，其還包含根據該脈寬調製信號產生該控 制信號。
9. 根據權利要求5所述的方法，其還包含參考電壓產生器產生該參考電壓。
10. 根據權利要求5所述的方法，其還包含對該脈寬調製信號進行反相運算。
全文摘要
切換式轉換器包含第一開關、第二開關、輸出電感、輸出電容、誤差放大器、比較器以及控制電路。該控制電路用來控制該第一開關與該第二開關的開啟與關閉。該控制電路包含電容、第一充電泵以及第二充電泵。該電容耦接於該第一開關與該第二開關的控制端。該第一充電泵的控制端是耦接於該比較器，輸出端是耦接於該電容。該第二充電泵的控制端是耦接於該比較器的輸出端，輸出端是耦接於該電容及該第一充電泵。
文檔編號H02M1/32GK101453161SQ20071019625
公開日2009年6月10日 申請日期2007年11月30日 優先權日2007年11月30日
發明者李明翰 申請人:瑞昱半導體股份有限公司