CN103427617B - 电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种电源电路，其包含输出端、低压差调节器电路、缓启动控制电路以及切换模块。缓启动控制电路提供缓启动电流。于缓启动模式中，切换模块耦接该缓启动控制电路至该输出端，使得该缓启动电流对该输出端充电，于低压差调节模式中，该切换模块耦接该低压差调节器电路至该输出端。

Description

电源电路

技术领域

本发明是有关于一种电源电路，且特别是有关于一种用在电源电路上的缓启动架构。

背景技术

由于人们对电子产品依赖日益增加，电子产品的功能也随之复杂化。相对地，依据不同的功能需求，也需要不同的电源供应装备，比如很常见的低压差调节器(LowDrop-outRegulator,LDO)电路。这种低压差调节器通过在串联电阻对输出电压产生取样值，并利用取样值进行输出电压的反馈控制，便可使输出电压稳定在特定的电压电平上。

低压差调节器被广泛应用各种消费类电子产品(如手机、平板计算机等)中，为了满足这些精密电子产品的要求，在电源的输入端加入低压差调节器，可保证电子产品的电源电压的稳定性。

然而，已知的低压差调节器被启动的瞬间，其输出电压的电平会突然上升。此时，会在一瞬间涌入大量的涌入电流(inrushcurrent)。涌入电流会使得整个电路***造成电磁干扰(electromagneticinterference,EMI)，影响周边电路的正常工作，而或亦可能烧毁电路元件。

请参阅图1，其绘示一种已知的低压差调节器电路120的示意图。如图1所示，低压差调节器电路120用以根据输入电压Vin产生输出信号OUT至输出级200，输出级200上的负载可利用一输出电容220代表，输出信号OUT具有电压电平Vout。

为了避免上述启动瞬间的涌入电流造成电路损坏，部分已知的低压差调节器电路120可耦接计时电路140作为缓启动(softstart)的效果。如图1所示，已知的计时电路140是通过定电流源142与定电容144，形成固定的充电时间，并控制低压差调节器电路120，使其固定的充电时间作为低压差调节器电路120的缓启动时间。

然而，利用这样计时电路形成的缓启动效果有限，因为低压差调节器电路120在启动时的涌入电流关系如下：

其中C_out为输出电容220的电容值。

上述公式中的电压变化量dV与变化时间dT(计时电路140形成的缓启动时间)皆为固定值，若输出级200的输出电容220过大，则可能造成过大的涌入电流值。因此，利用已知的计时电路产生固定缓启动时间，并无法有效地避免过大的涌入电流，仍可能导致电路元件的噪声或毁损。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种缓启动控制电路，其可搭配低压差调节器电路使用，本发明的缓启动控制电路可根据输出级的输出电容大小动态调整缓启动时间的长短，如此一来，便可有效避免低压差调节器电路在启动瞬间的涌入电流(inrushcurrent)问题。

本发明的一方面是在于提供一种电源电路，其包含输出端、低压差调节器电路、缓启动控制电路以及切换模块。缓启动控制电路提供缓启动电流。于缓启动模式中，切换模块耦接该缓启动控制电路至该输出端，使得该缓启动电流对该输出端充电，于低压差调节模式中，该切换模块耦接该低压差调节器电路至该输出端。

根据本发明的一实施例，其中该缓启动电流为一预定电流。

根据本发明的一实施例，其中该电源电路用以产生一输出信号至该输出端，该切换模块包含一比较器，该比较器接收依据该输出信号而得的一反馈电压与一缓启动参考电平，比较后输出一控制信号，以切换该缓启动模式或该低压差调节模式。

根据本发明的一实施例，其中当该反馈电压小于该缓启动参考电平时，该切换模块依据该控制信号切换至该缓启动模式，否则切换至该低压差调节模式。

根据本发明的一实施例，其中该低压差调节器电路包含放大器以及第一晶体管，于该低压差调模式中，该第一晶体管的栅极经由该切换模块而与该放大器的输出端耦接，于该缓启动模式中，该第一晶体管的栅极与该放大器的输出端为断路。

根据本发明的一实施例，其中该缓启动控制电路还包含电流源以及第二晶体管，第二晶体管与电流源耦接。切换模块还包含第一切换单元以及第二切换单元。第一切换单元耦接于该放大器的输出端与该第一晶体管的栅极之间。第二切换单元耦接于该第一晶体管的栅极与该第二晶体管的栅极之间。于该缓启动模式时，该第二切换单元为导通，于该低压差调节模式时，该第一切换单元为导通。

根据本发明的一实施例，其中于该缓启动模式时，该第二切换单元为导通，使得该第一晶体管与该第二晶体管形成一电流镜，使得该电流源的电流镜映于该第一晶体管产生该预定电流。

根据本发明的一实施例，其中该低压差调节器电路还包含参考电压产生器以及反馈回路，参考电压产生器耦接至该放大器，该参考电压产生器用以产生一参考电压至该放大器。反馈回路耦接于该输出端与该放大器之间，该反馈回路用以将依据该输出信号而得的一反馈电压反馈至该放大器。

根据本发明的一实施例，其中于该低压差调节模式下，该第一晶体管用以产生该输出信号，该放大器根据该反馈电压以及该参考电压调节该第一晶体管所产生的该输出信号。

根据本发明的一实施例，电源电路还包含一分压取样模块，该分压取样模块与该第一晶体管以及该输出端耦接，该分压取样模块用以依据该输出信号进行分压取样而产生该反馈电压。

根据本发明的一实施例，其中该缓启动模式的一持续时间随该输出端上的一输出电容动态改变。

根据本发明的一实施例，其中该持续时间的长短与该输出端上的一输出电容的大小成正比。

附图说明

为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附图式的说明如下：

图1绘示一种已知的低压差调节器电路的示意图；

图2绘示根据本发明的一实施例中一种电源电路的功能方块示意图；

图3绘示根据本发明的一实施例中电源电路的电路示意图；

图4A绘示于图3中的切换模块切换至缓启动模式的示意图；

图4B绘示于图3中的切换模块切换至低压差调节模式的示意图；

图5绘示图3中的电源电路启动后的信号时序示意图。

[主要元件标号说明]

120：低压差调节器电路200：输出级

140：计时电路142：定电流源

144：定电容220：输出电容

300：电源电路400：输出级

320：低压差调节器电路362：比较器

340：缓启动控制电路360：切换模块

OUT：输出信号420：输出电容

Vin：输入电压Vout：电压电平

324：参考电压产生器326：反馈回路

380：分压取样模块342：电流源

M1：晶体管M2：晶体管

S1：切换单元S2：切换单元

Vadj：取样电平Vref：缓启动参考电平

Tss：持续时间322：放大器

Con：控制信号

具体实施方式

为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照所附的图式及以下所述各种实施例，图式中相同的号码代表相同或相似的元件。但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围，而电路结构运作的描述非用以限制其执行的顺序，任何由元件重新组合的结构，所产生具有均等功效的装置，皆为本发明所涵盖的范围。另一方面，众所周知的元件与步骤并未描述于实施例中，以避免对本发明造成不必要的限制。

请参阅图2，其绘示根据本发明的一实施例中一种电源电路300的功能方块示意图。电源电路300其用以根据输入电压产生输出信号OUT至输出端400，输出信号OUT具有电压电平Vout。于此实施例中，电源电路300包含低压差调节器电路320、缓启动控制电路340以及切换模块360。低压差调节器电路320用以调节输出信号OUT的电压电平Vout，可利用反馈控制的方法将电压电平Vout稳定在额定输出电压，藉此达到稳定电压电平Vout的稳压效果。

一般来说，当低压差调节器电路320启动的瞬间，也就是当输入电压初始启动(如接上市电插座或开启电源开关等)并使低压差调节器电路320开始提供输出信号OUT的瞬间，尤于电压电平Vout瞬间改变可能造成较大的涌入电流(inrushcurrent)。

因此，本实施例中的缓启动控制电路340用以提供一缓启动电流Isoft，用来进行电源电路300的缓步启动。

实际电路中，输出端400上的负载以输出电容420代表。于一缓启动模式中，切换模块360耦接缓启动控制电路340至输出端400，使得缓启动电流Isoft对输出端400的负载充电，缓启动电流Isoft具有固定电流值，此固定电流值可设定为负载中的电路元件可承受的工作电流大小。利用具有固定电流值的缓启动电流Isoft对负载(此处以输出电容420代表)充电，使输出信号OUT的电压电平Vout逐渐提升，直到输出信号OUT的电压电平Vout的取样值到达于缓启动参考电平。

另一方面，若是在低压差调节模式中，切换模块360则是耦接低压差调节器电路320至输出端400，利用低压差调节器电路320产生稳定的输出信号OUT，实现电源电路300在一般工作情况下的低压差调节器功能。

以下利用一种电路架构的来举例说明本发明中电源电路300的实施方式。请一并参阅图3，图3绘示根据本发明的一实施例中电源电路300的电路示意图。如图3所示，电源电路300包含低压差调节器电路320、缓启动控制电路340以及切换模块360。

其中，低压差调节器电路320包含放大器322、晶体管M1、参考电压产生器324以及反馈回路326。

放大器322输出端用以耦接至晶体管M1的栅极，用以调整晶体管M1的导通状态，藉此，放大器322可控制晶体管M1所产生的输出信号OUT的电压电平Vout。

放大器322的两个输入端分别耦接至参考电压产生器324以及反馈回路326，参考电压产生器324用以产生参考电压至放大器322，此参考电压可用以决定输出信号OUT的额定输出电压电平。反馈回路326耦接于输出极400与放大器322之间。

反馈回路326用以依据输出信号OUT产生的反馈电压反馈至放大器322，此处的反馈电压可直接为输出信号OUT的电压电平Vout或是根据输出信号OUT而产生的取样电平Vadj。于此例中，于此电路架构中，电源电路300还包含分压取样模块380耦接于反馈回路326与输出级400之间。分压取样模块380用以依据该输出信号OUT进行分压取样而产生反馈电压。反馈回路326根据取样电平Vadj作为反馈电压进行反馈，但本发明并不以此为限。

须说明的是，于实际电路应用中，为了方便信号的处理，本实施例利用分压取样模块380取样产生输出信号电压电平Vout的取样电平Vadj作为反馈电压，并用以进行各种比对动作，但本发明并不以此为限，于其它实施例中，亦可直接以电压电平Vout作为反馈电压进行比对，以下说明中如采用取样电平Vadj亦当隐含可直接采用电压电平Vout。

于图3所示，缓启动控制电路340包含电流源342以及晶体管M2。而其中，晶体管M2与电流源342耦接。缓启动控制电路340的晶体管M2与低压差调节器电路320中的晶体管M1两者的栅极为选择性地耦接。

切换模块360包含比较器362、切换单元S1以及切换单元S2。切换单元S1耦接于放大器322的输出端与晶体管M1的栅极之间。切换单元S2耦接于晶体管M1的栅极与晶体管M2的栅极之间。

切换单元S1与切换单元S2是由比较器362的输出端进行控制，该比较器362接收依据输出信号OUT而得的反馈电压(于此例中为取样电平Vadj)与缓启动参考电平Vref，两者比较后输出控制信号Con，控制信号Con用以控制切换单元S1与切换单元S2是否导通，以切换该缓启动模式或该低压差调节模式。当反馈电压(于此例中为取样电平Vadj)小于缓启动参考电平Vref时，切换模块360依控制信号Con切换至缓启动模式，否则切换至低压差调节模式。

请一并参阅图4A、图4B以及图5，图4A绘示于图3中的切换模块360切换至缓启动模式的示意图，图4B绘示于图3中的切换模块360切换至低压差调节模式的示意图。图5绘示图3中的电源电路300启动后的信号时序示意图。

如图4A与图5所示，当电源电路300初始启动时，输入电压Vin变至高电平，此时，输出信号的电压电平Vout的取样电平Vadj小于缓启动参考电平Vref，即Vadj<Vref，当切换模块360中的比较器362比较得知反馈电压(此例中为Vadj)小于缓启动参考电平时，产生控制信号Con进而切换至缓启动模式。此时，切换模块360中的切换单元S1为断路而切换单元S2导通，使低压差调节器电路320切换至缓启动模式，通过晶体管M1与晶体管M2形成的电流镜架构，使晶体管M1产生的输出信号OUT具有固定电流值，固定电流值可由电流源342决定。其中，图5中的取样电平Vadj由电压电平Vout分压取样而得，故变化波型相同，仅电压大小比例不同。

须补充的是，在缓启动模式下，由于切换单元S1为断路，此时晶体管M1的栅极与放大器322的输出端之间为断路，也就是说，此时放大器322输出端并不影响晶体管M1的导通状态，此时，在缓启动模式下，切换单元S2为导通，使得晶体管M1与晶体管M2形成电流镜，使得流经电流源342的电流大小镜映于晶体管M1，使晶体管M1产生预定电流的数值的缓启动电流Isoft。

此时，如图4A与图5所示，输出端400以缓启动电流Isoft对输出端上的负载(于此例中为输出电容420)充电，使输出信号OUT的电压电平Vout逐渐缓步提升。于此实施例中，缓启动模式持续直到取样电平Vadj到达于缓启动参考电平Vref为止。

其中，缓启动参考电平Vref的设定可对应到低压差调节器电路320其额定输出电压的80%，于此例中缓启动参考电平Vref可为额定输出电压的80%乘上分压取样模块380的取样比例，但本发明并不以上述的80%或特定的取样比例为限，缓启动参考电平Vref可设定为任何适宜的缓启动门坎电压值。

须特别说明的是，在本实施例的缓启动模式下，将晶体管M1切换至电流镜的状态，产生预定电流大小的缓启动电流Isoft对输出电容420进行充电，使输出信号OUT的电压电平Vout逐渐缓步提升。如此一来，在初始启动时输出信号OUT的电流数值受限于缓启动电流Isoft的预定电流，便不会产生过大的涌入电流(inrushcurrent)。并且，本实施例的缓启动模式其持续时间Tss(如图5所示)与输出电容420的大小成正比，也就是说，持续时间Tss可随着输出级400上输出电容420动态改变。

当取样电平Vadj到达于缓启动参考电平Vref之后，即Vadj>Vref，当切换模块360中的比较器362比较得知反馈电压(此例中为Vadj)已大于缓启动参考电平时，请参阅图4B与图5，切换模块360切换至低压差调节模式，切换模块360中的比较器362产生的控制信号Con将切换单元S1导通且切换单元S2断开，放大器322根据反馈回路326的反馈以及参考电压产生器324调节晶体管M1所产生的输出信号OUT，藉此，利用低压差调节器电路320达到输出信号OUT的稳压效果，实现电源电路300在一般工作情况下的低压差调节器功能。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (11)

1.一种电源电路，包含：

一输出端；

一低压差调节器电路；

一缓启动控制电路，提供一缓启动电流；以及

一切换模块，于一缓启动模式中，耦接该缓启动控制电路至该输出端，使得该缓启动电流对该输出端充电，于一低压差调节模式中，该切换模块耦接该低压差调节器电路至该输出端,

其中该低压差调节器电路包含：

一放大器；以及

一第一晶体管，于该低压差调节模式中，该第一晶体管的栅极经由该切换模块而与该放大器的输出端耦接，于该缓启动模式中，该第一晶体管的栅极与该放大器的输出端为断路。

2.根据权利要求1所述的电源电路，其中该缓启动电流为一预定电流。

3.根据权利要求1所述的电源电路，其中该电源电路用以产生一输出信号至该输出端，该切换模块包含一比较器，该比较器接收依据该输出信号而得的一反馈电压与一缓启动参考电平，比较后输出一控制信号，以切换该缓启动模式或该低压差调节模式。

4.根据权利要求3所述的电源电路，其中当该反馈电压小于该缓启动参考电平时，该切换模块依据该控制信号切换至该缓启动模式，否则切换至该低压差调节模式。

5.根据权利要求1所述的电源电路，其中该缓启动控制电路还包含：

一电流源；以及

一第二晶体管，其与该电流源耦接；

其中该切换模块还包含：

一第一切换单元，其耦接于该放大器的输出端与该第一晶体管的栅极之间；以及

一第二切换单元，其耦接于该第一晶体管的栅极与该第二晶体管的栅极之间；

其中于该缓启动模式时，该第二切换单元为导通，于该低压差调节模式时，该第一切换单元为导通。

6.根据权利要求5所述的电源电路，其中于该缓启动模式时，该第二切换单元为导通，使得该第一晶体管与该第二晶体管形成一电流镜，使得该电流源的电流镜映于该第一晶体管产生一预定电流的数值的该缓启动电流。

7.根据权利要求1所述的电源电路，其中该低压差调节器电路还包含：

一参考电压产生器，耦接至该放大器，该参考电压产生器用以产生一参考电压至该放大器；以及

一反馈回路，耦接于该输出端与该放大器之间，该反馈回路用以将依据一输出信号而得的一反馈电压反馈至该放大器。

8.根据权利要求7所述的电源电路，其中于该低压差调节模式下，该第一晶体管用以产生该输出信号，该放大器根据该反馈电压以及该参考电压调节该第一晶体管所产生的该输出信号。

9.根据权利要求3或权利要求7所述的电源电路，还包含一分压取样模块，该分压取样模块与该第一晶体管以及该输出端耦接，该分压取样模块用以依据该输出信号进行分压取样而产生该反馈电压。

10.根据权利要求1所述的电源电路，其中该缓启动模式的一持续时间随该输出端上的一输出电容动态改变。

11.根据权利要求10所述的电源电路，其中该持续时间的长短与该输出端上的一输出电容的大小成正比。