CN100463342C - 可自动修正参考基准的逆向电流防止电路 - Google Patents

Abstract

同步切换式电压转换器具有一第一开关、一第二开关、以及一电感，三者共同耦合于一切换节点。逆向电流防止电路具有一固定参考电流源、一修正电路、一可变参考电流产生电路、以及一比较电路。基于电感电流与固定参考电流源间的比较，修正电路产生一修正信号。可变参考电流产生电路产生一可变参考电流信号，其依据修正信号而调整。基于电感电流与可变参考电流信号间的比较，比较电路施加一防止信号至第二开关，使得第二开关不导通。

Description

可自动修正参考基准的逆向电流防止电路

技术领域

本发明关于一种逆向电流防止电路，尤其关于一种用于同步切换式电压转换器的逆向电流防止电路，可自动修正参考基准以便准确地防止逆向电流的发生。

背景技术

图1(a)显示已知的同步切换式电压转换器10的电路图。同步切换式电压转换器10将输入电压源V_in转换成输出电压V_out，并供应至负载Ld。上侧开关SH耦合于输入电压源V_in与切换节点SN间，而下侧开关SL则耦合于切换节点SN与地面电位间。在图1(a)所示的例子中，上侧开关SH由PMOS电晶体所实施而下侧开关SL则由NMOS晶体所实施。电感L耦合于切换节点SN与输出端O间。控制电路11施加切换控制信号CS至驱动电路12，以产生上侧驱动信号PH与下侧驱动信号PL。上侧驱动信号PH决定上侧开关SH的导通与不导通，而下侧驱动信号PL决定下侧开关SL的导通与不导通。回应于输出电压V_out的反馈，控制电路11调整切换控制信号CS的工作循环(Duty Cycle)，以调节输出电压V_out。此外，输出电容C_o耦合于输出端O，以便对输出电压V_out进行滤波。

图1(b)显示已知的同步切换式电压转换器10的操作波形时序图。切换控制信号CS分别经由上侧驱动电路12H与下侧驱动电路12L而反相形成上侧驱动信号PH与下侧驱动信号PL。在时间T1至T2的阶段中，上侧驱动信号PH与下侧驱动信号PL皆处于低电平，因此上侧开关SH导通而下侧开关SL不导通，使得电感电流I_L的方向由切换节点SN流向输出端O(此定义为正方向)且其绝对值逐渐增大。在时间T2至T4的阶段中，上侧驱动信号PH与下侧驱动信号PL皆处于高电平，因此上侧开关SH不导通而下侧开关SL导通，使得电感电流I_L的绝对值逐渐减小。请注意在时间T3时，电感电流I_L的绝对值降低至零，因此从时间T3至T4中，电感电流I_L的方向逆转成由输出端O流向切换节点SN(此定义为负方向)。在时间T4至T6的阶段中，上侧驱动信号PH与下侧驱动信号PL皆处于低电平，因此上侧开关SH导通而下侧开关SL不导通。由于此时电感电流I_L的方向为负，故电感电流I_L的绝对值逐渐减小。直到从时间T5起，电感电流I_L的方向才转变为正且其绝对值逐渐增大。

在图1(b)中，斜线部分的区域表示发生逆向电流的现象。当电感电流I_L的方向由输出端O流向切换节点SN时，能量由外部负载Ld逆向供应至同步切换式电压转换器10。由于逆向电流造成同步切换式电压转换器10的转换效率降低，故必须设法防止逆向电流的发生。

图2(a)显示已知第一例子的逆向电流防止电路23的电路图。逆向电流防止电路23具有一电流比较电路24、一固定参考电流源I_ref、以及一同或逻辑门25。电流比较电路24的非反相输入端用以接收电感电流I_L，且反相输入端用以接收固定参考电流源I_ref。同或逻辑门25之一输入端用以接收切换控制信号CS，且另一输入端用以接收电流比较电路24所输出的防止信号RI。同或逻辑门25之输出端耦合至下侧驱动电路12L，以决定下侧驱动信号PL。

图2(b)显示已知第一例子的逆向电流防止电路23的操作波形时序图。假设固定参考电流源I_ref设定为零。在时间T1至T2的阶段中，切换控制信号CS为高电平且防止信号RI为高电平，使得上侧驱动信号PH与下侧驱动信号PL皆处于低电平。因此，上侧开关SH导通而下侧开关SL不导通，使得电感电流I_L的方向为正且其绝对值逐渐增大。在时间T2处，切换控制信号CS转变成低电平，使得上侧驱动信号PH与下侧驱动信号PL皆转变成高电平。因此，上侧开关SH不导通而下侧开关SL导通，使得电感电流I_L的绝对值逐渐减小。在时间T3处，由于电感电流I_L的绝对值已经减小至零，故防止信号RI转变为低电平而造成下侧驱动信号PL变成低电平。因此，下侧开关SL进入不导通状态以防止电感电流I_L的方向发生逆转。

然而，由于电流比较电路24的实际操作速度有限，故电感电流I_L的绝对值减小至零的时间点与防止信号RI施加至下侧开关SL的时间点，两者间存在有一延迟时间。换言之，在此延迟时间内，电感电流I_L的方向仍会发生逆转。图2(b)中的斜线部分即表示由此种延迟时间所造成的无法完全防止逆向电流的缺点。再者，随着集成电路制程本身的变化与操作温度的变化，电流比较电路24的操作速度也会变化。结果，电流比较电路24所造成的延迟时间并非一固定值，因而更难藉由设置固定的补偿电流(offset current)以期望消除此种延迟时间。

图3(a)显示已知第二例子的逆向电流防止电路33的电路图。逆向电流防止电路33具有一电压比较电路34、一固定参考电压源V_ref、以及一同或逻辑门35。电压比较电路34的非反相输入端用以接收切换节点SN处的电压V_SN，且反相输入端用以接收固定参考电压源V_ref。同或逻辑门35的一输入端用以接收切换控制信号CS，且另一输入端用以接收电压比较电路34所输出的防止信号RV。同或逻辑门35的输出端耦合至下侧驱动电路12L，以决定下侧驱动信号PL。

图3(b)显示已知第二例子的逆向电流防止电路33的操作波形时序图。假设固定参考电压源V_ref设定为零。在时间T1至T2的阶段中，切换控制信号CS为高电平且防止信号RV为高电平，使得上侧驱动信号PH与下侧驱动信号PL皆处于低电平。因此，上侧开关SH导通而下侧开关SL不导通，使得切换节点SN处的电压V_SN拉高成等于输入电压源V_in。在时间T2处，切换控制信号CS转变成低电平，使得上侧驱动信号PH与下侧驱动信号PL皆转变成高电平。因此，上侧开关SH不导通而下侧开关SL导通，使得电感电流I_L从地面电位(零电位)经由下侧开关SL而流向电感L与输出端O，造成切换节点SN处的电压V_SN迅速变成负极性。随后，因为电感电流I_L的绝对值逐渐减少，切换节点SN处的电压V_SN逐渐朝向地面电位(零电位)趋近。在时间T3处，由于切换节点SN处的电压V_SN已经达到零电位而转成正极性，故防止信号RV转变为高电平，使得下侧驱动信号PL转变成低电平。因此，下侧开关SL进入不导通状态以防止电感电流I_L的方向发生逆转。

然而，由于电压比较电路34的实际操作速度有限，故切换节点SN处的电压V_SN达到零的时间点与防止信号RV施加至下侧开关SL的时间点，两者间存在有一延迟时间。换言之，在此延迟时间内，电感电流I_L的方向仍会发生逆转。图3(b)中的斜线部分即表示由此种延迟时间所造成的无法完全防止逆向电流的缺点。再者，随着集成电路制程本身的变化与操作温度的变化，电压比较电路34的操作速度也会变化。结果，电压比较电路34所造成的延迟时间并非一固定值，因而更难藉由设置固定的补偿电压(offset voltage)以期望消除此种延迟时间。

发明内容

鉴于前述问题，本发明的目的在于提供一种逆向电流防止电路，应用于同步切换式电压转换器，可自动修正参考基准以便准确地防止逆向电流的发生。

依据本发明的一方面，提供一种逆向电流防止电路，应用于一同步切换式电压转换器中。该同步切换式电压转换器具有一第一开关、一第二开关、以及一电感，三者共同耦合于一切换节点。当该第一开关导通且该第二开关不导通时，流经该电感的一电感电流增加。当该第一开关不导通且该第二开关导通时，该电感电流则减少。该逆向电流防止电路包含：一固定参考电流源、一修正电路、一可变参考电流产生电路、以及一比较电路。基于该电感电流与该固定参考电流源间的比较，修正电路产生一修正信号。可变参考电流产生电路产生一可变参考电流信号，其依据该修正信号而调整。基于该电感电流与该可变参考电流信号间的比较，比较电路施加一防止信号至该第二开关，使得该第二开关不导通。

依据本发明的另一方面，提供一种逆向电流防止电路，应用于一同步切换式电压转换器中。该同步切换式电压转换器具有一第一开关、一第二开关、以及一电感，三者共同耦合于一切换节点。当该第一开关导通且该第二开关不导通时，流经该电感的一电感电流增加。当该第一开关不导通且该第二开关导通时，该电感电流则减少。该逆向电流防止电路包含：一固定参考电压源、一修正电路、一可变参考电压产生电路、以及一比较电路。基于该切换节点的一电压与该固定参考电压源间的比较，修正电路产生一修正信号。可变参考电压产生电路产生一可变参考电压信号，其依据该修正信号而调整。基于该切换节点的该电压与该可变参考电压信号间的比较，比较电路施加一防止信号至该第二开关，使得该第二开关不导通。

附图说明

图1(a)显示已知的同步切换式电压转换器的电路图。

图1(b)显示已知的同步切换式电压转换器的操作波形时序图。

图2(a)显示已知第一例子的逆向电流防止电路的电路图。

图2(b)显示已知第一例子的逆向电流防止电路的操作波形时序图。

图3(a)显示已知第二例子的逆向电流防止电路的电路图。

图3(b)显示已知第二例子的逆向电流防止电路的操作波形时序图。

图4显示依据本发明第一例子的逆向电流防止电路的电路图。

图5显示依据本发明第二例子的逆向电流防止电路的电路图。

图6显示依据本发明的可变参考电流产生电路的电路图。

图7显示依据本发明的可变参考电压产生电路的电路图。

具体实施方式

下文中的说明与附图将使本发明的前述与其他目的、特征、与优点更明显。将参照附图详细说明依据本发明的较佳实施例。

图4显示依据本发明第一例子的逆向电流防止电路43的电路图。参照图4，逆向电流防止电路43具有一电流比较电路44、一同或逻辑门45、一可变参考电流产生电路46、一电流修正电路47、以及一固定参考电流源I_ref。电流比较电路44的非反相输入端用以接收电感电流I_L，且反相输入端用以接收从可变参考电流产生电路46所输出的可变参考电流信号I_var。同或逻辑门45的一输入端用以接收切换控制信号CS，且另一输入端用以接收电流比较电路44所输出的防止信号RI。同或逻辑门45的输出端耦合至下侧驱动电路12L，以决定下侧驱动信号PL。

具体而言，可变参考电流产生电路46所输出的可变参考电流信号I_var响应于电流修正电路47而调整。电流修正电路47具有一取样保持电路48与一辅助电流比较电路49。取样保持电路48响应于防止信号RI而对于电感电流I_L进行取样。在防止信号RI从高电平转变成低电平的瞬间，即使得下侧开关SL进入不导通状态以阻止逆向电流的时刻，取样保持电路48对于此时的电感电流I_L进行取样，作为电流样本信号SI。辅助电流比较电路49的非反相输入端用以接收电流样本信号SI，且反相输入端用以接收固定参考电流源I_ref。举例而言，固定参考电流源I_ref得设定为零。基于电流样本信号SI与固定参考电流源I_ref间的比较结果，辅助电流比较电路49施加一电流修正信号CI至可变参考电流产生电路46。

响应于电流修正信号CI，可变参考电流产生电路46调整所输出的可变参考电流信号I_var。当电流样本信号SI大于固定参考电流源I_ref时，电流修正信号CI为高电平。即，在下侧开关SL进入不导通状态的时刻，电感电流I_L大于固定参考电流源I_ref。换言之，在电感电流I_L的方向尚未发生逆转前，下侧开关SL已太早进入不导通状态。因此，可变参考电流产生电路46必须使可变参考电流信号I_var降低，使得下侧开关SL进入不导通状态的时刻可以延后发生。当电流样本信号SI小于固定参考电流源I_ref时，电流修正信号CI为低电平。即，在下侧开关SL进入不导通状态的时刻，电感电流I_L小于固定参考电流源I_ref。换言之，在电感电流I_L的方向已经发生逆转后，下侧开关SL才太晚进入不导通状态。因此，可变参考电流产生电路46必须使可变参考电流信号I_var升高，使得下侧开关SL进入不导通状态的时刻可以提前发生。

虽然电流比较电路44的实际操作速度有限，并且随着集成电路工艺与操作温度而变化，然而依据本发明的电流修正电路47直接侦测电感电流I_L，并基于电感电流I_L与固定参考电流源I_ref间的比较而产生电流修正信号CI。随后，响应于电流修正信号CI，可变参考电流产生电路46得以自动修正所产生的可变参考电流信号I_var。换言之，修正后的可变参考电流信号I_var已将电流比较电路44所造成的延迟时间考虑在内，故依据本发明的逆向电流防止电路43能准确地防止逆向电流的发生。

图5显示依据本发明第二例子的逆向电流防止电路53的电路图。参照图5，逆向电流防止电路53具有一电压比较电路54、一同或逻辑门55、一可变参考电压产生电路56、一电压修正电路57、以及一固定参考电压源V_ref。电压比较电路54的非反相输入端用以接收切换节点SN处的电压V_SN，且反相输入端用以接收从可变参考电压产生电路56所输出的可变参考电压信号V_var。同或逻辑门55的一输入端用以接收切换控制信号CS，且另一输入端用以接收电压比较电路54所输出的防止信号RV。同或逻辑门55的输出端耦合至下侧驱动电路12L，以决定下侧驱动信号PL。

具体而言，可变参考电压产生电路56所输出的可变参考电压信号V_var响应于电压修正电路57而调整。电压修正电路57具有一取样保持电路58与一辅助电压比较电路59。取样保持电路58响应于防止信号RV而对于切换节点SN处的电压V_SN进行取样。在防止信号RV从低电平转变成高电平的瞬间，即使得下侧开关SL进入不导通状态以阻止逆向电流的时刻，取样保持电路58对于此时的切换节点SN处的电压V_SN进行取样，作为电压样本信号SV。辅助电压比较电路59的非反相输入端用以接收电压样本信号SV，且反相输入端用以接收参考电压源V_ref。举例而言，固定参考电压源V_ref得设定为零。基于电压样本信号SV与固定参考电压源V_ref间的比较结果，辅助电压比较电路59施加一电压修正信号CV至可变参考电压产生电路56。

响应于电压修正信号CV，可变参考电压产生电路56调整所输出的可变参考电压信号V_var。当电压样本信号SV大于固定参考电压源V_ref时，电压修正信号CV为高电平。即，在下侧开关SL进入不导通状态的时刻，切换节点SN处的电压V_SN大于固定参考电压源V_ref。换言之，在电感电流I_L的方向已经发生逆转后，下侧开关SL才太晚进入不导通状态。因此，可变参考电压产生电路56必须使可变参考电压信号V_var降低，使得下侧开关SL进入不导通状态的时刻可以提前发生。当电压样本信号SV小于固定参考电压源V_ref时，电压修正信号CV为低电平。即，在下侧开关SL进入不导通状态的时刻，切换节点SN处的电压V_SN小于固定参考电压源V_ref。换言之，在电感电流I_L的方向尚未发生逆转前，下侧开关SL已太早进入不导通状态。因此，可变参考电压产生电路56必须使可变参考电压信号V_var升高，使得下侧开关SL进入不导通状态的时刻可以延后发生。

虽然电压比较电路54的实际操作速度有限，并且随着集成电路工艺与操作温度而变化，然而依据本发明的电压修正电路57直接侦测切换节点SN处的电压V_SN，并基于切换节点SN处的电压V_SN与固定参考电压源V_ref间的比较而产生电压修正信号CV。随后，响应于电压修正信号CV，可变参考电压产生电路56得以自动修正所产生的可变参考电压信号V_var。换言之，修正后的可变参考电压信号V_var已将电压比较电路54所造成的延迟时间考虑在内，故依据本发明的逆向电流防止电路53能准确地防止逆向电流之发生。

请注意虽然前述实施例仅对于降压式电压转换器加以说明，但依据本发明的逆向电流防止电路可应用至升压式电压转换器以及其他各类型的同步切换式电压转换器。

图6显示依据本发明的可变参考电流产生电路46的电路图。参照图6，可变参考电流产生电路46具有一增减判断电路60、一增减计数器61、以及一数字至模拟转换器62。增减判断电路60用以接收从电流修正电路47而来的电流修正信号CI，并且基于电流修正信号CI而判断应该输出增量信号US或减量信号DS。

如前文参照图4所述，当电流比较电路44所产生的防止信号RI转变至低电平时，即发生逆向电流事件，取样保持电路48被防止信号RI启动以对于电感电流I_L进行取样。相反地，增减判断电路60则被低电平的防止信号RI强制停止操作。等到防止信号RI回复至高电平后，增减判断电路60才被允许执行操作，以便基于电流修正信号CI而判断应该输出增量信号US或减量信号DS。因此，电流比较电路44下一次即可使用修正后的可变参考电流信号I_var更准确地侦测逆向电流的发生。

增减判断电路60由一反相器63以及两个AND逻辑门64与65，耦合如图6所示而形成。当电流修正信号CI为高电平时，从增减判断电路60所产生的减量信号DS为高电平，使得增减计数器61的计数值Num减少。当电流修正信号CI为低电平时，从增减判断电路60所产生的增量信号US为高电平，使得增减计数器61的计数值Num增加。响应于增减计数器61的计数值Num，数字至模拟转换器62调整固定参考电流源I_ref而产生对应的可变参考电流信号I_var。计数值Num愈大，所对应的可变参考电流信号I_var亦愈大。

图7显示依据本发明的可变参考电压产生电路56的电路图。参照图7，可变参考电压产生电路56具有一增减判断电路70、一增减计数器71、以及一数字至模拟转换器72。增减判断电路70系用以接收从电压修正电路57而来的电压修正信号CV，并且基于电压修正信号CV而判断应该输出增量信号US或减量信号DS。

如前文参照图5所述，当电压比较电路54所产生的防止信号RV转变至高电平时，即发生逆向电流事件，取样保持电路58被防止信号RV启动以对于切换节点SN的电压V_SN进行取样。相反地，增减判断电路70则被高电平的防止信号RV强制停止操作。等到防止信号RV回复至低电平时，增减判断电路70才执行操作，以便基于电流修正信号CI而判断应该输出增量信号US或减量信号DS。因此，电压比较电路54下一次即可使用修正后的可变参考电压信号V_var更准确地侦测逆向电流的发生。

增减判断电路70由两个反相器73与76以及两个AND逻辑门74与75，耦合如图7所示而形成。当电压修正信号CV为高电平时，从增减判断电路70所产生的减量信号DS为高电平，使得增减计数器71的计数值Num减少。当电压修正信号CV为低电平时，从增减判断电路70所产生的增量信号US为高电平，使得增减计数器71的计数值Num增加。响应于增减计数器71的计数值Num，数字至模拟转换器72调整固定参考电压源V_ref而产生对应的可变参考电压信号V_var。计数值Num愈大，所对应的可变参考电压信号V_var亦愈大。

虽然本发明业已由较佳实施例作为例示加以说明，应了解本发明不限于此被揭露的实施例。相反地，本发明意欲涵盖对于本领域技术人员而言明显的各种修改与相似配置。因此，申请专利范围的范围应根据最广的诠释，以包容所有此类修改与相似配置。

Claims (6)

1.一种逆向电流防止电路，应用于一同步切换式电压转换器中，该同步切换式电压转换器具有一第一开关、一第二开关、以及一电感，三者共同耦合于一切换节点，使得当该第一开关导通且该第二开关不导通时，流经该电感的一电感电流增加，而当该第一开关不导通且该第二开关导通时，该电感电流则减少，该逆向电流防止电路包含：

一固定参考电流源；

一电流修正电路，用以在该第二开关响应于一防止信号而进入不导通状态时，基于该电感电流与该固定参考电流源的电流间的比较而产生一电流修正信号；

一可变参考电流产生电路，用以产生一可变参考电流信号，其依据该电流修正信号而调整，当该电流修正电路侦测到该电感电流大于该固定参考电流源的电流时，该可变参考电流产生电路响应于该电流修正信号而降低该可变参考电流信号，而当该电流修正电路侦测到该电感电流小于该固定参考电流源的电流时，该可变参考电流产生电路响应于该电流修正信号而提高该可变参考电流信号；以及

一比较电路，用以基于该电感电流与该可变参考电流信号间的比较而产生该防止信号，使得该第二开关不导通。

2.如权利要求1的逆向电流防止电路，其中：

该电流修正电路包含：

一取样保持电路，用以在该第二开关响应于该防止信号而进入不导通状态时，产生一电流样本信号，其代表当该比较电路施加该防止信号时的该电感电流，以及

一辅助比较电路，用以基于该电流样本信号与该固定参考电流源的电流间的比较而产生该电流修正信号。

3.如权利要求1的逆向电流防止电路，其中：

该可变参考电流产生电路包含：

一增减判断电路，用以响应于该电流修正信号而产生一增量信号与一减量信号，其中当该电流修正信号处于一第一电平时，该增减判断电路产生该增量信号，而当该电流修正信号处于一第二电平时，该增减判断电路产生该减量信号；

一增减计数器，用以产生一计数值，其中当该增减计数器接收到该增量信号时，该计数值增加，而当该增减计数器接收到该减量信号时，该计数值减少；以及

一数字至模拟转换器，用以依据该计数值而产生该可变参考电流信号。

4.一种逆向电流防止电路，应用于一同步切换式电压转换器中，该同步切换式电压转换器具有一第一开关、一第二开关、以及一电感，三者共同耦合于一切换节点，使得当该第一开关导通且该第二开关不导通时，流经该电感的一电感电流增加，而当该第一开关不导通且该第二开关导通时，该电感电流则减少，该逆向电流防止电路包含：

一固定参考电压源；

一电压修正电路，用以在该第二开关响应于一防止信号而进入不导通状态时，基于该切换节点的一电压与该固定参考电压源的电压间的比较而产生一电压修正信号；

一可变参考电压产生电路，用以产生一可变参考电压信号，其依据该电压修正信号而调整，当该电压修正电路侦测到该切换节点的该电压大于该固定参考电压源的电压时，该可变参考电压产生电路响应于该电压修正信号而降低该可变参考电压信号，而当该电压修正电路侦测到该切换节点的该电压小于该固定参考电压源的电压时，该可变参考电压产生电路响应于该电压修正信号而提高该可变参考电压信号；以及

一比较电路，用以基于该切换节点的该电压与该可变参考电压信号间的比较而产生该防止信号，使得该第二开关不导通。

5.如权利要求4的逆向电流防止电路，其中：

该电压修正电路包含：

一取样保持电路，用以在该第二开关响应于该防止信号而进入不导通状态时，产生一电压样本信号，其代表当该比较电路施加该防止信号时该切换节点的该电压，以及

一辅助比较电路，用以基于该电压样本信号与该固定参考电压源的电压间的比较而产生该电压修正信号。

6.如权利要求4的逆向电流防止电路，其中：

该可变参考电压产生电路包含：

一增减判断电路，用以响应于该电压修正信号而产生一增量信号与一减量信号，其中当该电压修正信号处于一第一电平时，该增减判断电路产生该增量信号，而当该电压修正信号处于一第二电平时，该增减判断电路产生该减量信号；

一增减计数器，用以产生一计数值，其中当该增减计数器接收到该增量信号时，该计数值增加，而当该增减计数器接收到该减量信号时，该计数值减少；以及

一数字至模拟转换器，用以依据该计数值而产生该可变参考电压信号。

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