CN103986123B - 交换式电源供应电路 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种交换式电源供应电路，包含功率输出级、脉宽调变讯号产生器、补偿模块以及过冲保护模块。功率输出级用以产生输出信号驱动负载元件。脉宽调变讯号产生器产生脉宽调变讯号，脉宽调变信号用以控制功率输出级。补偿模块根据输出信号产生补偿信号至脉宽调变信号产生器。过冲保护模块接收输出信号，并用以致能或禁能脉宽调变信号产生器。本发明的交换式电源供应电路具有过冲保护模块，可以将脉宽调变信号固定在低准位，停止对输出信号进行充电，使输出信号不再继续快速上升。如此一来，便可避免输出信号过冲而超出容许电压最大值，因而改善已知技术中过高的瞬时过冲电压导致电源供应电路不稳定的问题。

Description

交换式电源供应电路

技术领域

本发明有关于一种交换式电源电路，尤指一种具有过冲保护机制的交换式电源供应电路。

背景技术

交换式电源供应器是一种常见的电源供应电路，广泛应用于微处理器系统和电脑系统中，切换式电源供应器可将输入电压调节到期望输出电压值。

然而在实际应用中，负载大小会随着时间或情境变化。例如，当负载元件(如微处理器)执行特定的任务(如运算任务时)可能要求较高的驱动功率，即负载提高；或者，在特定的任务完成后，负载可能瞬间降低(即卸除)。

其中，当负载元件突然卸除时，这些负载阻抗的瞬间改变，可能使得输出电压的瞬间值超过原先电路容许的电压最大值，即为输出电压的瞬时过冲(overshoot)现象。过高的瞬时过冲(overshoot)电压将导致电源供应电路不稳定。

发明内容

本揭示内容之一是在提供一种交换式电源供应电路，包含功率输出级、脉宽调变信号产生器、补偿模块以及过冲保护模块。功率输出级用以产生输出信号驱动负载元件。脉宽调变信号产生器产生脉宽调变信号，脉宽调变信号用以控制功率输出级。补偿模块用以根据输出信号产生补偿信号至该脉宽调变信号产生器。过冲保护模块接收输出信号，并用以致能或禁能脉宽调变信号产生器。

根据本发明的第一实施例，过冲保护模块包含切换单元以及过冲侦测单元。切换单元耦接至该脉宽调变信号产生器，用以致能或禁能该脉宽调变信号。过冲侦测单元用以侦测该输出信号是否超过门坎电位，并依据侦测结果驱动切换单元致能或禁能脉宽调变信号产生器。

本发明的交换式电源供应电路具有过冲保护模块，可以将脉宽调变信号固定在低准位，停止对输出信号进行充电，使输出信号不再继续快速上升。如此一来，便可避免输出信号过冲而超出容许电压最大值，因而改善已知技术中过高的瞬时过冲电压导致电源供应电路不稳定的问题。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例中一种交换式电源供应电路的功能方块图；

图2是根据本发明的第一实施例中图1的交换式电源供应电路的电路示意图；

图3是图1的交换式电源供应电路遇负载元件突然卸除时的信号示意图；

图4是根据本发明第二实施例中门坎电位产生器的示意图；

图5是根据本发明第三实施例中门坎电位产生器的示意图；

图6是根据本发明的第四实施例中交换式电源供应电路的电路示意图。

具体实施方式

以下将以附图揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些已知惯用的结构与元件在图式中将以简单示意的方式标示。

请参阅图1，其标示根据本发明的第一实施例中一种交换式电源供应电路200的功能方块图。本实施例的交换式电源供应电路200包含功率输出级220、脉宽调变信号产生器240、补偿模块260以及过冲(overshoot)保护模块280。于此实施例中，交换式电源供应电路200可为交换式降压电源转换器(switching-mode buck power converter)。功率输出级220用以产生输出信号Vout(如输出电压)驱动负载元件202。

脉宽调变信号产生器240产生脉宽调变信号V_PWM用以控制功率输出级220中的功率晶体管的开关状态。

脉宽调变信号产生器240具有第一输入端IN1以及第二输入端IN2，第一输入端IN1接收周期性脉波Vramp。于此实施例中，周期性脉波Vramp可为周期性三角波，作为脉宽调变过程中的比较基准。

脉宽调变信号产生器240将第二输入端IN2的电位与周期性脉波Vramp比较以产生脉宽调变信号V_PWM。

补偿模块260用以根据输出信号Vout产生补偿信号Vcomp至脉宽调变信号产生器240。实际应用中，补偿模块260可包含线性补偿器，线性补偿器可对取样后的输出信号Vout进行线性调整(例如复制输出信号Vout、镜像输出信号Vout、等比例调整输出信号Vout、及/或将输出信号Vout加上特定偏压)以产生补偿信号Vcomp。

正常操作下，补偿模块260将补偿信号Vcomp传送至脉宽调变信号产生器240的第二输入端IN2，并由脉宽调变信号产生器240进行第一输入端IN1与第二输入端IN2之间的准位比较。

过冲保护模块280包含切换单元282以及过冲侦测单元284。切换单元282耦接至脉宽调变信号产生器240，用以选择性地致能(enable)或禁能(disable)脉宽调变信号产生器240产生脉宽调变信号V_PWM。

请一并参阅图2，其为根据本发明的第一实施例图1的交换式电源供应电路200的电路示意图。

如图2所示，过冲侦测单元284包含门坎电位产生器284a以及比较器COM1。门坎电位产生器284a用以产生门坎电位Vth。比较器COM1具有非反相输入端(+)以及反相输入端(-)，比较器COM1的非反相输入端接收输出信号Vout，比较器COM1的反相输入端耦接至门坎电位产生器284a以接收门坎电位Vth。

过冲侦测单元284中的比较器COM1用以比较输出信号Vout的瞬时电位与门坎电位，藉此判断输出信号Vout是否需要过冲保护。当输出信号Vout的瞬时电位未达门坎电位时，则切换单元282致能脉宽调变信号产生器240以产生脉宽调变信号V_PWM反之，当输出信号Vout的瞬时电位超过门坎电位时，则切换单元282禁能脉宽调变信号产生器240。

本发明脉宽调变信号产生器240包含比较器COM2，比较器COM2的非反相输入端连接第二输入端IN2，比较器COM2的反相输入端连接第一输入端IN1。

切换单元282耦接于第二输入端IN2、补偿模块260以及接地端GND之间。切换单元282用以选择性地将第二输入端IN2耦接至补偿电路260或接地端GND。于此例中，切换单元282包含第一开关S1以及第二开关S2，第一开关S1耦接于第二输入端IN2与补偿模块260之间，第二开关S2耦接于第二输入端IN2与接地端GND之间，第一开关S1以及第二开关S2两者互斥地(exclus ively)导通。

请一并参阅图3，其为图1的交换式电源供应电路200遇负载元件突然卸除时的信号示意图。在时间点T0至时间点T3之间负载大幅下降。

当输出信号Vout的瞬时电位未达门坎电位时(即过冲侦测单元284判断输出信号Vout属于正常操作)，也就是时间点T0与T1之间及时间点T2与T3之间，第一开关S1导通且第二开关S2关断，此时，脉宽调变信号V_PWM于高电位与低电位间切换。

由时间点T0至时间点T1，补偿模块260可响应负载变化，逐步减少脉宽调变信号V_PWM的工作周期。若是负载迅速变化，使输出信号Vout迅速上升，则过冲保护模块280启动过冲保护。

例如，时间点T1至时间点T2间的过冲保护区间Pov内，此时输出信号Vout的瞬时电位超过门坎电位Vth(即过冲侦测单元284判断输出信号Vou t需要过冲保护)，第二开关S2导通且第一开关S1关断，藉此，将脉宽调变信号产生器240的第二输入端IN2(也就是比较器COM2的非反相输入端)接地，藉此将比较器COM2产生的输出信号下拉至低准位(此时在过冲保护区间Pov内，脉宽调变信号V_PWM停止周期性变换而固定在低准位)。

门坎电位Vth低于电路系统/负载元件的容许电压最大值Vmax，其中，门坎电位Vth可设定为适当比例(例如70%)与容许电压最大值Vmax的乘积。

如此一来，若输出信号Vout的瞬时电位超过门坎电位Vth，便将脉宽调变信号V_PWM固定在低准位，使输出信号Vout不再继续快速上升。因此，可避免输出信号Vout过冲而超出容许电压最大值Vmax。

此外，于图2的实施例中，用以产生门坎电位Vth的门坎电位产生器284a包含电容器C1、电阻器R1以及定电流源A1。

如图2所示，电容器C1耦接于比较器COM1的反相输入端与接地端GND之间。电阻器R1第一端接收输出信号Vout，电阻器R1的第二端耦接至比较器COM1的反相输入端。定电流源A1耦接至电阻器R1的第二端，并产生固定电流Icc通过电阻器R1形成电位差。

于图2的实施例中，门坎电位产生器284a产生的门坎电位Vth的大小符合下列公式：

Vth=Vout_S+Icc×R1；其中，Vout_S为输出信号Vout的稳态电位；Icc×R1为固定电流Icc通过电阻器R1形成电位差。

门坎电位Vth的大小会随着输出信号Vout的稳态电位Vout_S而自动改变。假设为门坎电位Vth是设定为（输出信号Vout的稳态电位+门坎偏压2伏特），其中门坎偏压2伏特可由固定电流Icc的电流值大小与电阻器R1的阻值大小调整。例如，当输出信号Vout的稳态电位为5伏特，门坎电位产生器284a产生的门坎电位Vth即为7伏特；当输出信号Vout的稳态电位为9伏特，门坎电位产生器284a产生的门坎电位Vth即为11伏特。

本发明不以图2的实施例所示的门坎电位产生器284a为限。请一并参阅图4以及图5，图4为根据本发明第二实施例中门坎电位产生器284b的示意图，图5为根据本发明第三实施例中门坎电位产生器284c的示意图。

如图4所示，门坎电位产生器284b可包含分压电路(分压电路包含电阻器R2以及电阻器R3)，分压电路根据固定电压源Vcc的分压结果产生门坎电位Vth。

于图4的实施例中，门坎电位产生器284b产生的门坎电位Vth的大小符合下列公式：

$\mathrm{Vth}=\mathrm{Vcc}\×\frac{R3}{R2+R3}.$

于图4的实施例中，可通过电阻器R2以及电阻器R3的阻值比例来调整门坎电位Vth。

如图5所示，门坎电位产生器284c可包含偏压叠加电路，偏压叠加电路根据固定电压源的固定电压Vref叠加偏压Vbias的结果产生门坎电位Vth。

于图5实施例中，门坎电位产生器284c产生的门坎电位Vth的大小符合下列公式：

Vth=Vref+Vbias。

于图5实施例中，可通过偏压Vbias的大小来调整门坎电位Vth。

此外，本发明的切换单元的作动方式与连接关系不以图2所示的实施例为限。请一并参阅图6，其为根据本发明的第四实施例中交换式电源供应电路300的电路示意图。

如图6所示，交换式电源供应电路300包含功率输出级320、脉宽调变信号产生器340、补偿模块360以及过冲保护模块380，其中，过冲保护模块380包含切换单元382以及过冲侦测单元384。须特别说明的是，于图6的实施例中，切换单元382包含开关晶体管Q1耦接于接地端GND以及脉宽调变信号产生器340的输出端之间。

切换单元382的开关晶体管Q1用以选择性地将脉宽调变信号产生器340的输出端耦接至功率输出级320或接地端GND。

当输出信号Vout的瞬时电位未达门坎电位时，开关晶体管Q1关断，此时，脉宽调变信号产生器340产生的脉宽调变信号V_PWM正常传送至功率输出级320。

当输出信号Vout的瞬时电位超过门坎电位Vth，开关晶体管Q1导通，藉此，将脉宽调变信号产生器340的输出端接地，也就是将功率输出级320的输入信号下拉至低准位，通过导通开关晶体管Q1导通，使脉宽调变信号V_PWM无法传送至功率输出级320，即所谓禁能脉宽调变信号产生器340产生脉宽调变信号V_PWM(此时，脉宽调变信号V_PWM停止周期性变换而固定在低准位)。

此外，图6的交换式电源供应电路300中的其他元件操作大致与先前实施例相同，在此不另赘述。

综上所述，本发明揭露了一种交换式电源供应电路其具有过冲保护模块，若输出信号的瞬时电位超过门坎电位，便将脉宽调变信号固定在低准位，停止对输出信号进行充电，使输出信号不再继续快速上升。如此一来，便可避免输出信号过冲(overshoot)而超出容许电压最大值。此外，部份实施例中还提出上述门坎电位可随着输出信号的稳态电位自动改变。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种交换式电源供应电路，其特征在于，包含：

功率输出级，用以产生输出信号而驱动负载元件；

脉宽调变信号产生器，电性连接于所述功率输出级，所述脉宽调变信号产生器产生脉宽调变信号以控制所述功率输出级；

补偿模块，电性连接于上述脉宽调变信号产生器，上述补偿模块用以根据上述输出信号产生补偿信号至上述脉宽调变信号产生器；以及

过冲保护模块，电性连接于上述脉宽调变信号产生器以及上述补偿模块，上述过冲保护模块接收上述输出信号，并用以致能或禁能上述脉宽调变信号产生器，其中上述过冲保护模块包含：

第一开关，其耦接于上述脉宽调变信号产生器与上述补偿模块之间；

第二开关，其耦接于上述脉宽调变信号产生器与接地端之间；

其中，上述第一开关及上述第二开关的导通或断开是依据上述输出信号是否超过门坎电位且上述第一开关与上述第二开关两者互斥导通；以及

过冲侦测单元，其用以侦测上述输出信号是否超过上述门坎电位，并依据上述侦测结果，驱动上述第一开关与上述第二开关致能或禁能上述脉宽调变信号产生器。

2.如权利要求1所述的交换式电源供应电路，其特征在于，上述脉宽调变信号产生器具有比较器，上述比较器一端接收周期性脉波，另一端接收上述补偿信号。

3.如权利要求1所述的交换式电源供应电路，其特征在于，上述过冲侦测单元包含：

门坎电位产生器，用以产生上述门坎电位；

比较器，具有反相输入端以及非反相输入端，上述非反相输入端接收上述输出信号，上述反相输入端耦接至上述门坎电位产生器以接收上述门坎电位。

4.如权利要求3所述的交换式电源供应电路，其特征在于，上述门坎电位产生器包含：

电容器，耦接于上述反相输入端；

电阻器，上述电阻器的第一端接收上述输出信号，上述电阻器的第二端耦接上述反相输入端；以及

定电流源，上述定电流源耦接至上述电阻器的上述第二端。

5.如权利要求3所述的交换式电源供应电路，其特征在于，上述门坎电位产生器包含偏压叠加电路，上述偏压叠加电路根据固定电压源的固定电压叠加偏压的结果产生上述门坎电位。

6.如权利要求3所述的交换式电源供应电路，其特征在于，上述门坎电位产生器包含分压电路，上述分压电路根据固定电压源的分压结果产生上述门坎电位。