專利名稱：可自動修正參考基準的逆向電流防止電路的制作方法
技術領域：
本發明關于一種逆向電流防止電路，尤其關于一種用于同步切換式電壓轉換器的逆向電流防止電路，可自動修正參考基準以便準確地防止逆向電流的發生。
背景技術：
圖1(a)顯示已知的同步切換式電壓轉換器10的電路圖。同步切換式電壓轉換器10將輸入電壓源Vin轉換成輸出電壓Vout，并供應至負載Ld。上側開關SH耦合于輸入電壓源Vin與切換節點SN間，而下側開關SL則耦合于切換節點SN與地面電位間。在圖1(a)所示的例子中，上側開關SH由PMOS電晶體所實施而下側開關SL則由NMOS電晶體所實施。電感L耦合于切換節點SN與輸出端O間。控制電路11施加切換控制信號CS至驅動電路12，以產生上側驅動信號PH與下側驅動信號PL。上側驅動信號PH決定上側開關SH的導通與不導通，而下側驅動信號PL決定下側開關SL的導通與不導通。回應于輸出電壓Vout的反饋，控制電路11調整切換控制信號CS的工作循環(Duty Cycle)，以調節輸出電壓Vout。此外，輸出電容Co耦合于輸出端O，以便對輸出電壓Vout進行濾波。
圖1(b)顯示已知的同步切換式電壓轉換器10的操作波形時序圖。切換控制信號CS分別經由上側驅動電路12H與下側驅動電路12L而反相形成上側驅動信號PH與下側驅動信號PL。在時間T1至T2的階段中，上側驅動信號PH與下側驅動信號PL皆處于低電平，因此上側開關SH導通而下側開關SL不導通，使得電感電流IL的方向由切換節點SN流向輸出端O(此定義為正方向)且其絕對值逐漸增大。在時間T2至T4的階段中，上側驅動信號PH與下側驅動信號PL皆處于高電平，因此上側開關SH不導通而下側開關SL導通，使得電感電流IL的絕對值逐漸減小。請注意在時間T3時，電感電流IL的絕對值降低至零，因此從時間T3至T4中，電感電流IL的方向逆轉成由輸出端O流向切換節點SN(此定義為負方向)。在時間T4至T6的階段中，上側驅動信號PH與下側驅動信號PL皆處于低電平，因此上側開關SH導通而下側開關SL不導通。由于此時電感電流IL的方向為負，故電感電流IL的絕對值逐漸減小。直到從時間T5起，電感電流IL的方向才轉變為正且其絕對值逐漸增大。
在圖1(b)中，斜線部分的區域表示發生逆向電流的現象。當電感電流IL的方向由輸出端O流向切換節點SN時，能量由外部負載Ld逆向供應至同步切換式電壓轉換器10。由于逆向電流造成同步切換式電壓轉換器10的轉換效率降低，故必須設法防止逆向電流的發生。
圖2(a)顯示已知第一例子的逆向電流防止電路23的電路圖。逆向電流防止電路23具有一電流比較電路24、一固定參考電流源Iref、以及一AND邏輯閘25。電流比較電路24的非反相輸入端用以接收電感電流IL，且反相輸入端用以接收固定參考電流源Iref。AND邏輯閘25之一輸入端用以接收切換控制信號CS，且另一輸入端用以接收電流比較電路24所輸出的防止信號RI。AND邏輯閘25之輸出端耦合至下側驅動電路12L，以決定下側驅動信號PL。
圖2(b)顯示已知第一例子的逆向電流防止電路23的操作波形時序圖。假設固定參考電流源Iref設定為零。在時間T1至T2的階段中，切換控制信號CS為高電平且防止信號RI為高電平，使得上側驅動信號PH與下側驅動信號PL皆處于低電平。因此，上側開關SH導通而下側開關SL不導通，使得電感電流IL的方向為正且其絕對值逐漸增大。在時間T2處，切換控制信號CS轉變成低電平，使得上側驅動信號PH與下側驅動信號PL皆轉變成高電平。因此，上側開關SH不導通而下側開關SL導通，使得電感電流IL的絕對值逐漸減小。在時間T3處，由于電感電流IL的絕對值已經減小至零，故防止信號RI轉變為低電平而造成下側驅動信號PL變成低電平。因此，下側開關SL進入不導通狀態以防止電感電流IL的方向發生逆轉。
然而，由于電流比較電路24的實際操作速度有限，故電感電流IL的絕對值減小至零的時間點與防止信號RI施加至下側開關SL的時間點，兩者間存在有一延遲時間。換言之，在此延遲時間內，電感電流IL的方向仍會發生逆轉。圖2(b)中的斜線部分即表示由此種延遲時間所造成的無法完全防止逆向電流的缺點。再者，隨著集成電路制程本身的變化與操作溫度的變化，電流比較電路24的操作速度也會變化。結果，電流比較電路24所造成的延遲時間并非一固定值，因而更難藉由設置固定的補償電流(offset current)以期望消除此種延遲時間。
圖3(a)顯示已知第二例子的逆向電流防止電路33的電路圖。逆向電流防止電路33具有一電壓比較電路34、一固定參考電壓源Vref、以及一AND邏輯閘35。電壓比較電路34的非反相輸入端用以接收切換節點SN處的電壓VSN，且反相輸入端用以接收固定參考電壓源Vref。AND邏輯閘35的一輸入端用以接收切換控制信號CS，且另一輸入端用以接收電壓比較電路34所輸出的防止信號RV。AND邏輯閘35的輸出端耦合至下側驅動電路12L，以決定下側驅動信號PL。
圖3(b)顯示已知第二例子的逆向電流防止電路33的操作波形時序圖。假設固定參考電壓源Vref設定為零。在時間T1至T2的階段中，切換控制信號CS為高電平且防止信號RV為高電平，使得上側驅動信號PH與下側驅動信號PL皆處于低電平。因此，上側開關SH導通而下側開關SL不導通，使得切換節點SN處的電壓VSN拉高成等于輸入電壓源Vin。在時間T2處，切換控制信號CS轉變成低電平，使得上側驅動信號PH與下側驅動信號PL皆轉變成高電平。因此，上側開關SH不導通而下側開關SL導通，使得電感電流IL從地面電位(零電位)經由下側開關SL而流向電感L與輸出端O，造成切換節點SN處的電壓VSN迅速變成負極性。隨后，因為電感電流IL的絕對值逐漸減少，切換節點SN處的電壓VSN逐漸朝向地面電位(零電位)趨近。在時間T3處，由于切換節點SN處的電壓VSN已經達到零電位而轉成正極性，故防止信號RV轉變為高電平，使得下側驅動信號PL轉變成低電平。因此，下側開關SL進入不導通狀態以防止電感電流IL的方向發生逆轉。
然而，由于電壓比較電路34的實際操作速度有限，故切換節點SN處的電壓VSN達到零的時間點與防止信號RV施加至下側開關SL的時間點，兩者間存在有一延遲時間。換言之，在此延遲時間內，電感電流IL的方向仍會發生逆轉。圖3(b)中的斜線部分即表示由此種延遲時間所造成的無法完全防止逆向電流的缺點。再者，隨著集成電路制程本身的變化與操作溫度的變化，電壓比較電路34的操作速度也會變化。結果，電壓比較電路34所造成的延遲時間并非一固定值，因而更難藉由設置固定的補償電壓(offset voltage)以期望消除此種延遲時間。
發明內容
鑒于前述問題，本發明的目的在于提供一種逆向電流防止電路，應用于同步切換式電壓轉換器，可自動修正參考基準以便準確地防止逆向電流的發生。
依據本發明的一方面，提供一種逆向電流防止電路，應用于一同步切換式電壓轉換器中。該同步切換式電壓轉換器具有一第一開關、一第二開關、以及一電感，三者共同耦合于一切換節點。當該第一開關導通且該第二開關不導通時，流經該電感的一電感電流增加。當該第一開關不導通且該第二開關導通時，該電感電流則減少。該逆向電流防止電路包含一固定參考電流源、一修正電路、一可變參考電流產生電路、以及一比較電路。基于該電感電流與該固定參考電流源間的比較，修正電路產生一修正信號。可變參考電流產生電路產生一可變參考電流信號，其依據該修正信號而調整。基于該電感電流與該可變參考電流信號間的比較，比較電路施加一防止信號至該第二開關，使得該第二開關不導通。
依據本發明的另一方面，提供一種逆向電流防止電路，應用于一同步切換式電壓轉換器中。該同步切換式電壓轉換器具有一第一開關、一第二開關、以及一電感，三者共同耦合于一切換節點。當該第一開關導通且該第二開關不導通時，流經該電感的一電感電流增加。當該第一開關不導通且該第二開關導通時，該電感電流則減少。該逆向電流防止電路包含一固定參考電壓源、一修正電路、一可變參考電壓產生電路、以及一比較電路。基于該切換節點的一電壓與該固定參考電壓源間的比較，修正電路產生一修正信號。可變參考電壓產生電路產生一可變參考電壓信號，其依據該修正信號而調整。基于該切換節點的該電壓與該可變參考電壓信號間的比較，比較電路施加一防止信號至該第二開關，使得該第二開關不導通。
圖1(a)顯示已知的同步切換式電壓轉換器的電路圖。
圖1(b)顯示已知的同步切換式電壓轉換器的操作波形時序圖。
圖2(a)顯示已知第一例子的逆向電流防止電路的電路圖。
圖2(b)顯示已知第一例子的逆向電流防止電路的操作波形時序圖。
圖3(a)顯示已知第二例子的逆向電流防止電路的電路圖。
圖3(b)顯示已知第二例子的逆向電流防止電路的操作波形時序圖。
圖4顯示依據本發明第一例子的逆向電流防止電路的電路圖。
圖5顯示依據本發明第二例子的逆向電流防止電路的電路圖。
圖6顯示依據本發明的可變參考電流產生電路的電路圖。
圖7顯示依據本發明的可變參考電壓產生電路的電路圖。
具體實施例方式
下文中的說明與附圖將使本發明的前述與其他目的、特征、與優點更明顯。將參照附圖詳細說明依據本發明的較佳實施例。
圖4顯示依據本發明第一例子的逆向電流防止電路43的電路圖。參照圖4，逆向電流防止電路43具有一電流比較電路44、一AND邏輯閘45、一可變參考電流產生電路46、一電流修正電路47、以及一固定參考電流源Iref。電流比較電路44的非反相輸入端用以接收電感電流IL，且反相輸入端用以接收從可變參考電流產生電路46所輸出的可變參考電流信號Ivar。AND邏輯閘45的一輸入端用以接收切換控制信號CS，且另一輸入端用以接收電流比較電路44所輸出的防止信號RI。AND邏輯閘45的輸出端耦合至下側驅動電路12L，以決定下側驅動信號PL。
具體而言，可變參考電流產生電路46所輸出的可變參考電流信號Ivar響應于電流修正電路47而調整。電流修正電路47具有一取樣保持電路48與一輔助電流比較電路49。取樣保持電路48響應于防止信號RI而對于電感電流IL進行取樣。在防止信號RI從高電平轉變成低電平的瞬間，即使得下側開關SL進入不導通狀態以阻止逆向電流的時刻，取樣保持電路48對于此時的電感電流IL進行取樣，作為電流樣本信號SI。輔助電流比較電路49的非反相輸入端用以接收電流樣本信號SI，且反相輸入端用以接收固定參考電流源Iref。舉例而言，固定參考電流源Iref得設定為零。基于電流樣本信號SI與固定參考電流源Iref間的比較結果，輔助電流比較電路49施加一電流修正信號CI至可變參考電流產生電路46。
響應于電流修正信號CI，可變參考電流產生電路46調整所輸出的可變參考電流信號Ivar。當電流樣本信號SI大于固定參考電流源Iref時，電流修正信號CI為高電平。即，在下側開關SL進入不導通狀態的時刻，電感電流IL大于固定參考電流源Iref。換言之，在電感電流IL的方向尚未發生逆轉前，下側開關SL已太早進入不導通狀態。因此，可變參考電流產生電路46必須使可變參考電流信號Ivar降低，使得下側開關SL進入不導通狀態的時刻可以延后發生。當電流樣本信號SI小于固定參考電流源Iref時，電流修正信號CI為低電平。即，在下側開關SL進入不導通狀態的時刻，電感電流IL小于固定參考電流源Iref。換言之，在電感電流IL的方向已經發生逆轉后，下側開關SL才太晚進入不導通狀態。因此，可變參考電流產生電路46必須使可變參考電流信號Ivar升高，使得下側開關SL進入不導通狀態的時刻可以提前發生。
雖然電流比較電路44的實際操作速度有限，并且隨著集成電路工藝與操作溫度而變化，然而依據本發明的電流修正電路47直接偵測電感電流IL，并基于電感電流IL與固定參考電流源Iref間的比較而產生電流修正信號CI。隨后，響應于電流修正信號CI，可變參考電流產生電路46得以自動修正所產生的可變參考電流信號Ivar。換言之，修正后的可變參考電流信號Ivar已將電流比較電路44所造成的延遲時間考慮在內，故依據本發明的逆向電流防止電路43能準確地防止逆向電流的發生。
圖5顯示依據本發明第二例子的逆向電流防止電路53的電路圖。參照圖5，逆向電流防止電路53具有一電壓比較電路54、一AND邏輯閘55、一可變參考電壓產生電路56、一電壓修正電路57、以及一固定參考電壓源Vref。電壓比較電路54的非反相輸入端用以接收切換節點SN處的電壓VSN，且反相輸入端用以接收從可變參考電壓產生電路56所輸出的可變參考電壓信號Vvar。AND邏輯閘55的一輸入端用以接收切換控制信號CS，且另一輸入端用以接收電壓比較電路54所輸出的防止信號RV。AND邏輯閘55的輸出端耦合至下側驅動電路12L，以決定下側驅動信號PL。
具體而言，可變參考電壓產生電路56所輸出的可變參考電壓信號Vvar響應于電壓修正電路57而調整。電壓修正電路57具有一取樣保持電路58與一輔助電壓比較電路59。取樣保持電路58響應于防止信號RV而對于切換節點SN處的電壓VSN進行取樣。在防止信號RV從低電平轉變成高電平的瞬間，即使得下側開關SL進入不導通狀態以阻止逆向電流的時刻，取樣保持電路58對于此時的切換節點SN處的電壓VSN進行取樣，作為電壓樣本信號SV。輔助電壓比較電路59的非反相輸入端用以接收電壓樣本信號SV，且反相輸入端用以接收參考電壓源Vref。舉例而言，固定參考電壓源Vref得設定為零。基于電壓樣本信號SV與固定參考電壓源Vref間的比較結果，輔助電壓比較電路59施加一電壓修正信號CV至可變參考電壓產生電路56。
響應于電壓修正信號CV，可變參考電壓產生電路56調整所輸出的可變參考電壓信號Vvar。當電壓樣本信號SV大于固定參考電壓源Vref時，電壓修正信號CV為高電平。即，在下側開關SL進入不導通狀態的時刻，切換節點SN處的電壓VSN大于固定參考電壓源Vref。換言之，在電感電流IL的方向已經發生逆轉后，下側開關SL才太晚進入不導通狀態。因此，可變參考電壓產生電路56必須使可變參考電壓信號Vvar降低，使得下側開關SL進入不導通狀態的時刻可以提前發生。當電壓樣本信號SV小于固定參考電壓源Vref時，電壓修正信號CV為低電平。即，在下側開關SL進入不導通狀態的時刻，切換節點SN處的電壓VSN小于固定參考電壓源Vref。換言之，在電感電流IL的方向尚未發生逆轉前，下側開關SL已太早進入不導通狀態。因此，可變參考電壓產生電路56必須使可變參考電壓信號Vvar升高，使得下側開關SL進入不導通狀態的時刻可以延后發生。
雖然電壓比較電路54的實際操作速度有限，并且隨著集成電路工藝與操作溫度而變化，然而依據本發明的電壓修正電路57直接偵測切換節點SN處的電壓VSN，并基于切換節點SN處的電壓VSN與固定參考電壓源Vref間的比較而產生電壓修正信號CV。隨后，響應于電壓修正信號CV，可變參考電壓產生電路56得以自動修正所產生的可變參考電壓信號Vvar。換言之，修正后的可變參考電壓信號Vvar已將電壓比較電路54所造成的延遲時間考慮在內，故依據本發明的逆向電流防止電路53能準確地防止逆向電流之發生。
請注意雖然前述實施例僅對于降壓式電壓轉換器加以說明，但依據本發明的逆向電流防止電路可應用至升壓式電壓轉換器以及其他各類型的同步切換式電壓轉換器。
圖6顯示依據本發明的可變參考電流產生電路46的電路圖。參照圖6，可變參考電流產生電路46具有一增減判斷電路60、一增減計數器61、以及一數字至模擬轉換器62。增減判斷電路60用以接收從電流修正電路47而來的電流修正信號CI，并且基于電流修正信號CI而判斷應該輸出增量信號US或減量信號DS。
如前文參照圖4所述，當電流比較電路44所產生的防止信號RI轉變至低電平時，即發生逆向電流事件，取樣保持電路48被防止信號RI啟動以對于電感電流IL進行取樣。相反地，增減判斷電路60則被低電平的防止信號RI強制停止操作。等到防止信號RI回復至高電平后，增減判斷電路60才被允許執行操作，以便基于電流修正信號CI而判斷應該輸出增量信號US或減量信號DS。因此，電流比較電路44下一次即可使用修正后的可變參考電流信號Ivar更準確地偵測逆向電流的發生。
增減判斷電路60由一反相器63以及兩個AND邏輯閘64與65，耦合如圖6所示而形成。當電流修正信號CI為高電平時，從增減判斷電路60所產生的減量信號DS為高電平，使得增減計數器61的計數值Num減少。當電流修正信號CI為低電平時，從增減判斷電路60所產生的增量信號US為高電平，使得增減計數器61的計數值Num增加。響應于增減計數器61的計數值Num，數字至模擬轉換器62調整固定參考電流源Iref而產生對應的可變參考電流信號Ivar。計數值Num愈大，所對應的可變參考電流信號Ivar亦愈大。
圖7顯示依據本發明的可變參考電壓產生電路56的電路圖。參照圖7，可變參考電壓產生電路56具有一增減判斷電路70、一增減計數器71、以及一數字至模擬轉換器72。增減判斷電路70系用以接收從電壓修正電路57而來的電壓修正信號CV，并且基于電壓修正信號CV而判斷應該輸出增量信號US或減量信號DS。
如前文參照圖5所述，當電壓比較電路54所產生的防止信號RV轉變至高電平時，即發生逆向電流事件，取樣保持電路58被防止信號RV啟動以對于切換節點SN的電壓VSN進行取樣。相反地，增減判斷電路70則被高電平的防止信號RV強制停止操作。等到防止信號RV回復至低電平時，增減判斷電路70才執行操作，以便基于電流修正信號CI而判斷應該輸出增量信號US或減量信號DS。因此，電壓比較電路54下一次即可使用修正后的可變參考電壓信號Vvar更準確地偵測逆向電流的發生。
增減判斷電路70由兩個反相器73與76以及兩個AND邏輯閘74與75，耦合如圖7所示而形成。當電壓修正信號CV為高電平時，從增減判斷電路70所產生的減量信號DS為高電平，使得增減計數器71的計數值Num減少。當電壓修正信號CV為低電平時，從增減判斷電路70所產生的增量信號US為高電平，使得增減計數器71的計數值Num增加。響應于增減計數器71的計數值Num，數字至模擬轉換器72調整固定參考電壓源Vref而產生對應的可變參考電壓信號Vvar。計數值Num愈大，所對應的可變參考電壓信號Vvar亦愈大。
雖然本發明業已由較佳實施例作為例示加以說明，應了解本發明不限于此被揭露的實施例。相反地，本發明意欲涵蓋對于本領域技術人員而言明顯的各種修改與相似配置。因此，申請專利范圍的范圍應根據最廣的詮釋，以包容所有此類修改與相似配置。
權利要求
1.一種逆向電流防止電路，應用于一同步切換式電壓轉換器中，該同步切換式電壓轉換器具有一第一開關、一第二開關、以及一電感，三者共同耦合于一切換節點，使得當該第一開關導通且該第二開關不導通時，流經該電感的一電感電流增加，而當該第一開關不導通且該第二開關導通時，該電感電流則減少，該逆向電流防止電路包含一固定參考電流源；一修正電路，用以基于該電感電流與該固定參考電流源間的比較而產生一修正信號；一可變參考電流產生電路，用以產生一可變參考電流信號，其依據該修正信號而調整；以及一比較電路，用以基于該電感電流與該可變參考電流信號間的比較而施加一防止信號至該第二開關，使得該第二開關不導通。
2.如權利要求1的逆向電流防止電路，其中當該修正電路偵測到該電感電流大于該固定參考電流源時，該可變參考電流產生電路響應于該修正信號而降低該可變參考電流信號。
3.如權利要求1的逆向電流防止電路，其中當該修正電路偵測到該電感電流小于該固定參考電流源時，該可變參考電流產生電路響應于該修正信號而提高該可變參考電流信號。
4.如權利要求1的逆向電流防止電路，其中該修正電路包含一取樣保持電路，用以產生一電流樣本信號，其代表當該比較電路施加該防止信號時的該電感電流，以及一輔助比較電路，用以基于該電流樣本信號與該固定參考電流源間的比較而產生該修正信號。
5.如權利要求1的逆向電流防止電路，其中該可變參考電流產生電路包含一判斷電路，用以響應于該修正信號而產生一增量信號與一減量信號，其中當該修正信號處于一第一電平時，該判斷電路產生該增量信號，而當該修正信號處于一第二電平時，該判斷電路產生該減量信號；一計數器，用以產生一計數值，其中當該計數器接收到該增量信號時，該計數值增加，而當該計數器接收到該減量信號時，該計數值減少；以及一數字至模擬轉換器，用以依據該計數值而產生該可變參考電流信號。
6.一種逆向電流防止電路，應用于一同步切換式電壓轉換器中，該同步切換式電壓轉換器具有一第一開關、一第二開關、以及一電感，三者共同耦合于一切換節點，使得當該第一開關導通且該第二開關不導通時，流經該電感的一電感電流增加，而當該第一開關不導通且該第二開關導通時， 該電感電流則減少，該逆向電流防止電路包含一固定參考電壓源；一修正電路，用以基于該切換節點的一電壓與該固定參考電壓源間的比較而產生一修正信號；一可變參考電壓產生電路，用以產生一可變參考電壓信號，其依據該修正信號而調整；以及一比較電路，用以基于該切換節點的該電壓與該可變參考電壓信號間的比較而施加一防止信號至該第二開關，使得該第二開關不導通。
7.如權利要求6的逆向電流防止電路，其中當該修正電路偵測到該切換節點的該電壓大于該固定參考電壓源時，該可變參考電壓產生電路響應于該修正信號而降低該可變參考電壓信號。
8.如權利要求6的逆向電流防止電路， 其中當該修正電路偵測到該切換節點的該電壓小于該固定參考電壓源時，該可變參考電壓產生電路響應于該修正信號而提高該可變參考電壓信號。
9.如權利要求6的逆向電流防止電路，其中該修正電路包含一取樣保持電路，用以產生一電壓樣本信號，其代表當該比較電路施加該防止信號時該切換節點的該電壓，以及一輔助比較電路，用以基于該電壓樣本信號與該固定參考電壓源間的比較而產生該修正信號。
10.如權利要求6的逆向電流防止電路，其中該可變參考電壓產生電路包含一判斷電路，用以響應于該修正信號而產生一增量信號與一減量信號，其中當該修正信號處于一第一電平時，該判斷電路產生該增量信號，而當該修正信號處于一第二電平時，該判斷電路產生該減量信號；一計數器，用以產生一計數值，其中當該計數器接收到該增量信號時，該計數值增加，而當該計數器接收到該減量信號時，該計數值減少；以及一數字至模擬轉換器，用以依據該計數值而產生該可變參考電壓信號。
全文摘要
同步切換式電壓轉換器具有一第一開關、一第二開關、以及一電感，三者共同耦合于一切換節點。逆向電流防止電路具有一固定參考電流源、一修正電路、一可變參考電流產生電路、以及一比較電路。基于電感電流與固定參考電流源間的比較，修正電路產生一修正信號。可變參考電流產生電路產生一可變參考電流信號，其依據修正信號而調整。基于電感電流與可變參考電流信號間的比較，比較電路施加一防止信號至第二開關，使得第二開關不導通。
文檔編號H02M3/155GK101056055SQ20061007544
公開日2007年10月17日 申請日期2006年4月14日 優先權日2006年4月14日
發明者陳勇志 申請人:圓創科技股份有限公司