专利名称：电源调压器以及控制电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于交换式电源调压器的软启动电路，特别是涉及一种使用由参考电压数字至模拟转换器所产生的参考电压的组合与可编程突发脉冲宽度，以控制启动期间交换式电源调压器的输出电压的软启动电路。
背景技术：
通常，用来执行直流至直流电压转换的交换式电源调压器(switchingpower regulator)是采用步阶式降压调压器(step-down regulator)，而步阶式降压调压器通常是用以将高电压(例如12伏特)转换为较低的电压以供负载装置(load device)来使用。交换式电源调压器通常是使用至少两个晶体管以将一输入电压转换为一输出电压。图1a显示常见的交换式电源调压器，通常亦叫做补偿调压器(Buck Regulator)，其亦是以晶体管(MOS)来实现电压转换。
调压器100是操作于脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)模式或脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation，PFM)模式，以切换PMOS晶体管107与NMOS晶体管109于PMOS晶体管107与NMOS晶体管109的共同节点LX处产生方波(square-wave)。所产生的方波则通过由电感111与负载电容113组成的LC电路而变的更平滑，以产生一输出电压Yout。其中，由错误放大器115与控制逻辑101组成的控制回路用以控制上述产生的方波，因而也控制PMOS晶体管107与NMOS晶体管109的切换以及输出电压Vout的值。一般来说，PMOS晶体管107与NMOS晶体管109不会同时导通。例如，当PMOS晶体管107导通时(Vg_P为逻辑0)，NMOS晶体管109为不导通(Vg_N为逻辑0)，而当PMOS晶体管107不导通时(Vg_P为逻辑1)，NMOS晶体管109为导通(Vg_N为逻辑1)。IL代表流入电感111的一负载电流。当调压器100操作于PFM模式时，PMOS晶体管107于一频率与工作周期(duty cycle)时导通，且其中工作周期为输入电压Vin、输出电压Vout与电感111的值的函式，此时NMOS晶体管109不导通，用以降低栅极电荷消耗(gate chargedissipation)而将效能最佳化。调压器100通过不停地切换PMOS晶体管107以维持(regulate)输出电压Vout的电压值。
为了维持耦接至输出电压Yout的负载装置(图未示)的正常运作以及限制对负载电容113充电的交换式电源调压器的一输入电流，交换式电源调压器的输出通常以一速率从一初始电压逐渐增加至一预定输出电压。此速率取决于负载电流IL以及所需负载电容113的最大充电电流。初始电压通常为0伏特或是接近0伏特。当初始电压为0伏特或接近0伏特时，调压器100的输出端通常会于一预定时间内从0伏特逐渐增加至预定输出电压。因此，有一些交换式电源调压器含有软启动电路(soft-start circuit)，用以限制启动期间的输入电流。例如，德州仪器(Texas Instruction)的调压器TPS6205x11包含一内部软启动电路，当电池或高阻抗电源耦接至其输入端时，内部软启动电路用以限制启动期间的涌入电流(inrush current)，以避免输入电压可能产生的压降。调压器TPS6205x中的软启动电路是以数字电路实现，用以逐步地增加切换电流(200mA(毫安)→400mA→800mA)。一般来说，切换电流的最大值为1.2安培(A)。一般具有22微法拉(μF)负载电容以及200毫安(mA)负载电流的电路的启动时间为1毫秒(ms)。然而，由于启动时间主要取决于负载电容以及负载电流，因此调压器必需具有额外接脚以耦接外部的组件。
发明内容
根据本发明实施例，用以执行直流至直流电压转换的交换式电源调压器是通过软启动电路而实现。软启动电路控制传送至负载的最大输出电流而维持启动期间交换式电源调压器的电压。如此一来便可确保交换式电源调压器为正常启动。根据本发明实施例，软启动电路使用由参考电压数字至模拟转换器所产生的参考电压的组合与可编程突发脉冲宽度，以控制启动期间交换式电源调压器的输出电压。
在脉冲宽度调制模式或脉冲频率调制模式中，不需耦接外部组件，软启动电路便可用以限制启动期间的涌入电流。根据本发明实施例，软启动电路可直接提供突发脉冲至驱动电路，以控制交换式电源调压器中的输出装置(例如图1a中的PMOS晶体管107与NMOS晶体管109)，因而使调压器的输出电压从0伏特开始逐渐增加。当输出电压达到一既定值(例如200毫伏特)一既定时钟周期(例如8个时钟周期)后，软启动电路将由突发脉冲模式切换为脉冲宽度调制或脉冲频率调制模式。上述既定值可以为参考电压数字至模拟转换器所产生的内部参考电压。在标准操作模式(脉冲宽度调制模式或脉冲频率调制模式)中，参考电压数字至模拟转换器亦可用以控制使用于标准操作模式中的其它参考电压。选择适用于内部参考电压的既定值，如此一来，每个突发脉冲便可提供足以推动输出电压的电流。通过可编程脉冲宽度产生电路可控制突发脉冲的宽度，将突发脉冲的宽度设定为允许足以推动输出电压且不会造成输入电压产生压降的电流。
图1a显示具有电感与负载电容的传统直流至直流交换式电源调压器。
图1b显示根据本发明实施例所述的具有软启动电路的交换式电源调压器。
图2显示图1b中的具有软启动电路的交换式电源调压器的部分方块图。
图3显示用以详细说明图2的实施例的运作的时序图。
图4显示根据本发明实施例所述的突发脉冲产生电路。
图5显示用以说明图4的突发脉冲产生电路的运作的时序图。
图6显示根据本发明实施例所述的以可编程脉冲宽度实现的突发脉冲产生电路。
图7显示根据本发明实施例所述的以图6的突发脉冲产生电路所实现的可编程脉冲宽度产生电路。
图8显示图2所示的参考电压数字至模拟转换器的部分电路图。
附图符号说明100～调压器101、152～控制逻辑102～交换式电源调压器 106、111～电感104、108、113、310～电容 115～错误放大器110、306～电阻 124～比较器402、404～可开闭电阻电路 706～或非门122～脉冲频率调制控制电路 126～或门128～与门 130～多任务器
132～逻辑控制方块134～驱动器Vin～输入电压Vout～输出电压152～控制逻辑154～振荡器182～突发脉冲致能信号188～内部参考电压190～电源切断信号191、CLK～时钟信号192～逾时信号194～启动同步信号197～选择信号198～突发脉冲199～逻辑控制信号300～突发脉冲产生电路302～史密斯触发器316～与非门880～3至8位译码器PGND、Vss～接地电压196、820-834～输出信号 IL～负载电流VTH～输入临界电压 432、436～传输门107、172、308、Vg_P～PMOS晶体管109、174、Vg_N～NMOS晶体管112、121、LX、420、422～节点151、153、170、Vref～参考电压156～参考电压数字至模拟转换器158～可编程脉冲宽度产生电路162～脉冲宽度调制控制电路176、178、180、184、186～控制信号322、328、OUT～输出端304、312、314、430、434、702、704～反相器318、320、326、IN～输入端802、804、806～控制输入端120、CVDD、Vdd～供应电压具体实施方式
为使本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并结合附图详细说明如下。
实施例在此实施例中，正常操作模式(normal operating mode)与标准操作模式(regular operating mode)代表相同意思，因此在说明书中将这两种用法交替使用。
图1b显示根据本发明实施例所述的具有电感106与负载电容108(加上负载电阻110)的直流至直流交换式电源调压器102，输出端于节点112处与回授回路耦接，用以控制供应电压CVDD。交换式电源调压器102中的软启动电路可通过供应电压CVDD控制启动期间节点112处的输出电压以及涌入交换式电源调压器102的电流。输入电压Vin通过电容104而耦接至接地点。在一些实施例中，电容104的值约为1微法拉(μF)，使输入电压的值介于3伏特至4.2伏特的范围内。
图2显示根据本发明实施例所述的具有软启动电路的交换式电源调压器102的部分方块图，其中交换式电源调压器102包括脉冲宽度调制(pulsewidth modulation，PWM)控制电路162、脉冲频率调制(pulse frequencymodulation，PFM)控制电路122、用以驱动开闭晶体管172与174的金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide semiconductor field effecttransistor，MOSFET)驱动器134，以及包括控制逻辑(control logic)152、参考电压数字至模拟转换器(digital to analog converter，DAC)、比较器124、可编程脉冲宽度产生电路158以及多任务器130的软启动电路。如上所述，不同实施例的交换式电源调压器102可根据本发明的原则而包括补充逻辑和/或电路。
控制逻辑152可用以控制/指挥软启动序列而产生用以控制参考电压DAC 156、可编程脉冲宽度产生电路158的多个控制信号，以及多任务器130的选择信号197。参考电压DAC 156可根据参考电压170(Vref)而产生内部参考电压188，内部参考电压188为比较器124的第一输入。比较器124比较内部参考电压188与CVDD 120的值(对应于交换式电源调压器102于节点112处的输出)。比较器124的输出指出CVDD 120的值何时会到达内部参考电压188的值。多任务器130用以选取连接至驱动器134的控制信号，以控制PMOS晶体管172与NMOS晶体管174。多任务器130的第一输入端可以为由可编程脉冲宽度产生电路158所产生的突发脉冲(burst-pulse)198。多任务器130的第二输入端可以为于标准模式(PWM模式或PFM模式)操作期间由逻辑控制方块132所产生的逻辑控制信号199。多任务器130的选择信号197主要取决于比较器124的输出信号196。于启动期间，当CVDD 120的值小于内部参考电压188的值且启动尚未逾时(time out)(逾时信号192于解除控制逻辑152时产生)时，或(OR)门126的输出会被解除，使得与(AND)门128的输出也被解除。因此，多任务器130会选择突发脉冲198作为驱动器134的控制信号。
当启动逾时和/或CVDD 120的值达到内部参考电压188的值时，或门126的输出会被设定。当CVDD 120的值达到内部参考电压188经过既定时钟周期后，控制逻辑152可设定启动同步信号194，使得与门128的输出被设定。因此，多任务器130会选择逻辑控制信号199作为于正常PWM或PFM操作模式中驱动器134的控制信号。参考电压DAC 156亦可产生于标准操作期间由PWM控制电路162以及PFM控制电路122所使用的额外参考电压信号151与153。根据本发明一实施例，额外参考电压信号151与153皆为可编程参考电压。根据本发明另一实施例，内部参考电压188亦可为可编程参考电压。当交换式电源调压器102操作于正常操作模式(PWM或PFM模式)时，控制逻辑152可产生额外参考电压信号151与153。在本发明一些实施例中，控制逻辑152可接收由PWM控制电路162的振荡器154所产生的时钟信号191。在本发明另一些实施例中，控制逻辑152可根据其它相关的时钟信号而执行操作。
图3显示时序图，用以详细说明图2的实施例的部分操作。当解除比较器124的输出信号196(在此实施例中为低电位，表示CVDD 120的值小于内部参考电压188的值)且突发脉冲致能信号182为高电平时，可编程脉冲宽度产生电路158可产生突发脉冲198。根据本发明实施例，可编程脉冲宽度产生电路158每1毫秒(ms)可产生宽度为100奈秒(ns)的脉冲(相当于工作周期的10％)。多任务器130可选择由可编程脉冲宽度产生电路158所产生的突发脉冲198，以控制驱动器134并且使CVDD 120(LX 121的电压)从0伏特开始逐渐增加。当设定比较器124的输出信号196经过既定时钟周期后(表示CVDD 120的值达到内部参考电压188)，多任务器130选取由逻辑控制方块132所输出的逻辑控制信号199来控制驱动器134，使得CVDD 120(LX 121)根据由PWM控制电路162或PFM控制电路122所输出的脉冲所控制，而不是由突发脉冲198所控制。
在设定比较器124的输出信号196后或是经过一既定逾时期间后可接着设定逾时信号192。根据本发明实施例，为了确定交换式电源调压器102进入正常操作模式，交换式电源调压器102启动50毫秒后，如果比较器124的输出信号196仍然为解除状态时，便可设定逾时信号192。虽然本发明实施例中是将逾时设定为50毫秒，然而，在其它实施例中，可根据需要的功能以及软启动电路的操作模式而将逾时设定为不同的长度，而并非限定为50毫秒。当比较器124的输出信号196在既定逾时时间(在此为50毫秒)内被设定时，逾时信号192便会被设定为比较器124产生输出信号196后的一既定时钟周期。如此一来，当不需要使用比较器124时，便可通过设定比较器124的电源切断(power down)信号190而关闭比较器124。当交换式电源调压器102为正常操作模式时，突发脉冲致能信号182亦可被解除，且参考电压DAC 156的控制信号176、178与180可使PWM控制电路162以及PFM控制电路122所使用的参考电压151与153逐渐增加。
图4显示包含于可编程脉冲宽度产生电路158中的突发脉冲产生电路300。图5显示时序图，用以说明突发脉冲产生电路300的运作。根据本发明实施例，输入端318耦接至史密斯触发器302，史密斯触发器302的输出端系耦接至反相器304的输入端。将反相器304的输出端设定为RC电路的输入端320。RC电路包括电阻306与电容310，RC电路的输出端322用以驱动反相器312的输入端。如图5所示，当输入端318的信号被解除时(在此实施例中为低电位)，PMOS晶体管308被导通且RC电路的输入端320的信号会被设置(在此实施例中为高电位)，使得RC电路的输出端322的信号被拉高至供应电压Vdd的电平。RC电路的输出端322可驱动反相器312，反相器312的输出端可驱动反相器314，以回复(restore)信号的极性并且设置输入端326的信号至与非门316，以依次设置与非门316的输出端328的信号(图5所示的时序图为反相的输出端328的信号)。当输入端318的信号被设置时(在此实施例中为高电位)，与非门316的两个输入端的信号在一段很短的时间内会同时为高电位，以使输出端328的信号为低电位。由于设置输入端318的信号亦会使PMOS晶体管308不导通，因此RC电路的输出端322的信号会以一既定速率被拉低至接地点，其中既定速率取决于由电阻306与电容310所决定的RC时间常数。当RC电路的输出端322的信号达到反相器312的输入临界电压时，反相器312的输出端的信号会被设置(在此实施例中为高电位)，使得与非门316的输入端326的信号也被解除，以依次设置输出端328的信号。
因此，由上述方法(根据图4与图5的实施例)所产生的每个脉冲的宽度系取决于反相器312的输入临界电压以及由电阻306与电容310所决定的RC时间常数。再次参照图5，RC电路的输出端322的电压可以表示为(1)V(t)＝A+B*e-t/τ，其中τ为由电阻306与电容310所决定的时间常数。当t＝0以及t＝∞时方程式1有解，考虑当t＝0且电压为Vdd以及t＝∞且电压为0时的两种情况(2)V(0)＝A+B＝Vdd(3)V(∞)＝A＝0因此，方程式1可以表示为(4)V(t)＝Vdd*e-t/τ，以及(5)---V(t1)=Vdd*e-t1/τ.]]>因此，突发脉冲的宽度(T)可以表示为(6)---T=t1=τ*lnVddVTH(312)=RC*lnVddVTH(312),]]>其中RC为电阻306的值乘上电容310的值，且VTH(312)为反相器312的输入临界电压。例如，当电阻306的阻值为100千奥姆(kΩ)且电容310的值为1.5微微法拉(pF)时，反相器312的输入临界电压为1.95伏特，对于3至4.2伏特范围内的供应电压所对应的突发脉冲宽度的范围可以从65至115奈秒。
决定突发脉冲的可能宽度必须将某些因素列入考虑。当内部参考电压(例如由参考电压DAC 156所产生的内部参考电压188)太高(例如600毫伏特)或是当突发脉冲的宽度太短(例如小于100奈秒)时，突发脉冲可能无法提供足以推动CVDD 120(以及LX 121)的电流，而当突发脉冲的宽度太长(例如大于350奈秒)时，涌入电流可能会太大。因此，根据方程式6，突发脉冲的宽度为可调整，且其宽度(T)取决于电阻306的值与电容310的值、反相器312的输入临界电压以及供应电压Vdd的值而有所变化。
图6显示根据本发明实施例所述的以可编程脉冲宽度实现的突发脉冲产生电路300。可开闭(switchable)电阻电路402与404可设置于电阻306之前，以改变RC时间常数并因而拉长或缩小突发脉冲宽度。介于电阻电路402的节点420与节点422之间的电阻可被经过传输门432的控制信号184控制，而介于电阻电路404的节点422与节点320之间的电阻可被经过传输门436的控制信号186控制。在突发脉冲产生电路300的操作期间，当电阻电路402与404皆被切断(阻值为零)且仅有电阻306可算在时间常数内时，便会造成较短的突发脉冲宽度。通过设置控制信号184以及/或控制信号186可使电阻电路402以及/或404致能，如此一来便可有效的增加RC时间常数，并因此可拉长突发脉冲宽度。根据本发明实施例，在经过一既定时钟周期(例如64个时钟周期)后，如果比较器124的输出信号196(参照图2)仍未被设置，表示突发脉冲太短以致于无法推动(boost)CVDD 120。通过设置控制信号184可开启电阻电路402并且可增加RC时间常数中电阻组件的总阻值(例如阻值增加75％)。当经过一既定额外时钟周期(例如对总时钟周期(100个时钟周期)再增加26个时钟周期)后，比较器124的输出信号196仍未被设置时，表示突发脉冲仍旧太短以致于无法推动CVDD 120。通过设至控制信号186便可开启电阻电路404，并且增加RC时间常数中电阻组件的总阻值(例如阻值增加100％)。当突发脉冲的宽度在经过一既定时间后仍旧不够大而无法推动CVDD120时，可通过设置逾时信号192(参照图3)而使交换式电源调压器102操作于正常(PWM或PFM)模式。
图7显示根据本发明实施例所述的以突发脉冲产生电路300实现的可编程脉冲宽度产生电路158。可编程脉冲宽度产生电路158的突发脉冲致能信号182可驱动反相器704，以控制通过或门706所提供的突发脉冲产生电路300的输出端328。通过反相器702可将时钟信号191反相，并提供突发脉冲产生电路300的输入端318。如上所述，具有控制信号184与186的突发脉冲产生电路300可用以控制突发脉冲的宽度。
图8显示图2所示的参考电压DAC 156的部分电路图。根据本发明实施例，参考电压DAC 156可为3位参考电压DAC，其具有3至8位译码器880，具有控制输入端802、804与806，分别耦接至控制逻辑152的输出端176、178与180。来自译码器880的输出信号820-834可作为栅极控制信号，用以通过晶体管(在此实施例中为NMOS晶体管)，晶体管的信道可将电压分压器(voltage divider)的电压耦接至一共同节点。参考电压170亦可作为取得其它电压电平的电压。再次参照图3，图3显示参考电压153与151逐渐增加所需的时间。值得注意的是，显示实际经过的时钟周期的数量用以说明较佳实施例的操作，且参考电压DAC 156的操作并没有限定经过的时钟周期的数量。根据本发明另一实施例，参考电压153与151可通过使用不同数量的时钟周期而以不同的速率逐渐增加。另外，可通过不同控制信号176、178与180的组合，以便于每一次经过既定时钟周期后选取一较高的电压。即使未显示于图8，参考电压DAC 156亦可用以提供内部参考电压188(在一些实施例中可以为200毫伏特)。在本发明其它实施例中，内部参考电压188可以设计为不同的值。根据本发明实施例，参考电压DAC 156可用以产生并提供0.15伏特、0.65伏特、0.75伏特、0.85伏特、0.95伏特、1.05伏特、1.15伏特以及1.2伏特的参考电压之一。
本发明虽以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明的范围，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下可做若干的更动与润饰，因此本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。
权利要求
1.一种电源调压器，包括一第一节点，其中于上述第一节点所形成的一第一电压用以产生上述电源调压器的一输出电压；一第一晶体管，具有一控制端，其中上述第一晶体管耦接于一第一供应电压与上述第一节点之间，其中当上述第一晶体管导通时提供电流至上述第一节点；一第二晶体管，具有一控制端，其中上述第二晶体管耦接于上述第一节点与一第二供应电压之间；以及一第一控制电路，耦接至上述第一晶体管的控制端以及上述第二晶体管的控制端，其中上述第一控制电路用以产生多个突发脉冲，并且于上述电源调压器启动期间通过上述突发脉冲控制上述第一晶体管与第二晶体管，以使上述电源调压器的输出电压逐渐增加，因而限制启动期间提供至上述第一节点的电流；其中，上述第一控制电路中的上述突发脉冲的宽度为可编程的。
2.如权利要求1所述的电源调压器，还包括一第一驱动电路，耦接于上述第一控制电路与上述第一晶体管的控制端之间，且用以接收上述突发脉冲并用以致能上述第一晶体管为导通或不导通；以及一第二驱动电路，耦接于上述第一控制电路与上述第二晶体管的控制端之间，且用以接收上述突发脉冲并用以致能上述第二晶体管为导通或不导通。
3.如权利要求1所述的电源调压器，其中当上述电源调压器的输出电压达到一既定值时，上述第一控制电路系停止使用上述突发脉冲控制上述第一晶体管与上述第二晶体管。
4.如权利要求1所述的电源调压器，还包括一第二控制电路，耦接至上述第一控制电路，以产生多个第一控制信号，并且将上述第一控制信号提供至上述第一控制电路；其中当上述第一控制电路不使用上述突发脉冲来控制上述第一晶体管与上述第二晶体管时，上述第一控制电路用以选择性的将上述第一控制信号耦接至上述第一晶体管的控制端以及上述第二晶体管的控制端。
5.如权利要求4所述的电源调压器，其中当上述电源调压器的输出电压达到一既定值的一既定时间后，上述第一控制电路停止产生上述突发脉冲。
6.如权利要求4所述的电源调压器，其中当上述电源调压器的输出电压于启动一既定时间后未达到一既定值时，上述第一控制电路停止产生上述突发脉冲。
7.一种控制电路，适用于控制一第一晶体管以及一第二晶体管，并产生一电源调压器的一输出电压，包括一第一电路，用以产生多个突发脉冲；一第二电路，用以产生多个第一控制信号；以及一第三电路，用以选取上述突发脉冲与上述第一控制信号之一；其中当启动上述电源调压器时，上述第三电路选取上述突发脉冲，以控制上述第一晶体管与上述第二晶体管，其中上述突发脉冲使上述电源调压器的输出电压逐渐增加，因而限制由上述电源调压器所传送的电流；以及其中当上述电源调压器启动一既定时间后，上述第三电路选取上述第一控制信号，以控制上述第一晶体管与上述第二晶体管。
8.如权利要求7所述的控制电路，其中上述既定时间定义为当上述电源调压器的输出电压达到一既定值时。
9.如权利要求8所述的控制电路，还包括一第四电路，用以产生一第一参考电压，其中上述参考电压值为上述既定值。
10.如权利要求9所述的控制电路，其中上述第四电路产生至少一额外参考电压，并提供至少一参考电压至上述第二电路，以产生上述第一控制信号。
全文摘要
一种具有软启动电路的交换式电源调压器，用以执行直流至直流电压转换。软启动电路控制传送至负载的最大输出电流而维持启动期间交换式电源调压器的电压。在不需要耦接外部组件的情况下，软启动电路使用由参考电压数字至模拟转换器所产生的参考电压的组合与可编程突发脉冲宽度，以控制启动期间交换式电源调压器的输出电压。软启动电路直接提供突发脉冲至交换式电源调压器中的一驱动电路，以控制交换式电源调压器的输出电压，因此使得交换式电源调压器的输出电压从零伏特开始逐渐增加。当持续一即定时钟周期且输出电压达到一即定值时，软启动电路将由突发脉冲模式切换至脉冲宽度调制或脉冲频率调制模式来调节交换式电源调压器的输出电压。
文档编号H02M3/156GK1933312SQ20061009269
公开日2007年3月21日 申请日期2006年6月16日 优先权日2005年6月16日
发明者曾于恩 申请人:威盛电子股份有限公司