CN114465466A - 保护电路及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种保护电路及其操作方法，适用于切换电容型稳压电路，其具有一电容。保护电路包含一电流源、第一开关电路与第二开关电路以及控制单元。控制单元控制第二开关电路导通使电容的顶端与底端电性连接，以及控制第一开关电路使电流源不连接电容，并设定顶端与底端的电压为默认高电压。接着，控制单元控制第二开关电路使顶端与底端不电性连接，且控制第一开关电路导通使电容的底端流出电流。当顶端与底端之间的电压差等于默认初始电压，控制第一开关电路使电流源不电性连接电容；接着，控制单元根据电容的顶端的电压控制电容的顶端流入或流出电流，避免产生涌浪电流。

Description

保护电路及其操作方法
技术领域
本发明是有关于一种保护电路，特别是有关于一种适用于切换电容型稳压电路的保护电路。
背景技术
近年来，切换电容型稳压电路具有高转换效率的优点，所以越来越多芯片使用切换电容型稳压电路。当切换电容型稳压电路开始操作时，都会要求电容的跨压有一初始电压，例如，三阶降压型转换器(3-level buck)就要求其电荷泵电容(fly capacitor)的跨压的初始电压为输入电压的一半。
为了降低导通阻值(on-resistance)，大部分的切换电容型稳压电路，例如三阶降压型转换器，会使用低压组件，但是此设计要求电容的初始跨压必须精准，否则可能会烧毁低压组件造成芯片损伤。为了让切换电容型稳压电路一上电，其电容就有初始跨压，换电容型稳压电路可能必须在初始阶段就提供大电流对电容充电，但是此操作容易产生涌浪电流(inrush current)而伤害芯片。
此外，为了降低成本，切换电容型稳压电路中作为切换组件的晶体管会根据实际运作时承受的跨压来设计，所以当切换电容型稳压电路中的电容的电压有较大变化时，容易使晶体管承受过大的跨压而烧毁。
发明内容
本发明的一目的在于提出一种保护电路，以解决上述已知技术问题。
为达成上述目的，本发明提出一种保护电路，适用于一切换电容型稳压电路，其包含一电容。保护电路包含:一电流源，具有一电流流入端以及一电流流出端；一第一开关电路，是选择性将电流源电性连接电容的一顶端以及一底端中的一个；一第二开关电路，与电容的顶端以及底端并联；一控制单元。在一第一操作阶段，控制单元控制第二开关电路导通以及控制第一开关电路使所述电流源不电性连接所述电容的所述顶端以及所述底端，使所述电容的所述顶端以及所述底端电性连接且所述控制单元设定所述电容的所述顶端以及所述底端的电压为一默认高电压。在一第二操作阶段，控制单元是控制所述第二开关电路截止，使所述电容的所述顶端以及所述底端不电性连接，且控制所述第一开关电路导通使所述电流源的所述电流流入端电性连接所述电容的所述底端，当所述电容的所述顶端以及所述底端之间的一电压差等于一默认初始电压，所述控制单元进入一第三操作阶段。在第三操作阶段，所述控制单元控制所述第一开关电路使所述电流源不电性连接所述电容的所述顶端以及所述底端，接着根据所述电容的所述顶端的电压控制第一开关电路将所述电流源的所述电流流入端与所述电流流出端中的一端选择性电性连接所述电容的所述顶端。
根据一实施例，切换电容型稳压电路是接收一输入电压，所述默认初始电压是为所述输入电压的一半。
根据一实施例，在第一操作阶段，当所述输入电压为逐渐上升时，所述控制单元判断所述电容的所述顶端的电压是否高于或等于所述默认高电压，以决定是否进入所述第二操作阶段。
根据一实施例，在第三操作阶段，当所述控制单元判断所述电容的所述顶端的电压高于一第一门坎电压，所述控制单元控制第一开关电路将所述电流源的所述电流流入端电性连接所述电容的所述顶端。
根据一实施例，在第三操作阶段，当所述控制单元判断所述电容的所述顶端的电压低于一第二门坎电压，所述控制单元控制第二开关电路将所述电流源的所述电流流出端电性连接所述电容的所述顶端。
根据一实施例，第一门坎电压高于第二门坎电压。
为达成上述目的，本发明再提出一种保护电路的操作方法，所述保护电路适用于一切换电容型稳压电路，所述切换电容型稳压电路包含一电容，所述保护电路包含一电流源、一第一开关电路以及一第二开关电路。操作方法包含下列步骤:控制所述第二开关电路导通，使所述电容的所述顶端以及所述底端电性连接，并控制所述第一开关电路使所述电流源不电性连接所述电容的所述顶端以及所述底端，并设定所述电容的所述顶端以及所述底端的电压为一默认高电压；当电容的所述顶端以及所述底端的电压等于所述默认高电压，控制所述第二开关电路截止，使所述电容的所述顶端以及所述底端不电性连接，并控制所述第一开关电路使所述电流源的所述电流流入端电性连接所述电容的所述底端；当电容的所述顶端以及所述底端之间的一电压差等于一默认初始电压，控制所述第一开关电路使所述电流源不电性连接所述电容的所述顶端以及所述底端；根据所述电容的所述顶端的电压控制第一开关电路将所述电流源的电流流入端与电流流出端的其中一端选择性电性连接所述电容的顶端。
根据一实施例，根据所述电容的所述顶端的电压控制第一开关电路将电流源的电流流入端与电流流出端的其中一端选择性电性连接所述电容的所述顶端的步骤更包含:当所述电容的所述顶端的电压高于一第一门坎电压，控制第一开关电路将所述电流源的所述电流流入端电性连接所述电容的所述顶端。
根据一实施例，根据电容的所述顶端的电压控制第一开关电路将电流源的电流流入端与电流流出端的其中一端选择性电性连接电容的所述顶端的步骤更包含:当电容的顶端的电压低于一第二门坎电压，控制第二开关电路将电流源的电流流出端电性连接电容的顶端。
根据一实施例，第一门坎电压高于第二门坎电压。
附图说明
图1是为本发明的一保护电路的方块图。
图2是为本发明的一保护电路的一实施例的方块图。
图3是为本发明的一保护电路的操作方法的一流程图。
具体实施方式
以下将配合图式及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
请参阅图1，其是为本发明的一保护电路的方块图。如图1所示，本发明的保护电路是适用于一切换电容型稳压电路10，例如一三阶降压型转换器(3-level buck)。切换电容型稳压电路10包含一电容CF，而保护电路是用于初始化电容CF的一顶端CFP以及一底端CFN之间的一电压差为一默认初始电压，以及在运作时控制电容CF的一顶端CFP以及一底端CFN之间的电压差。默认初始电压例如是输入电压或供应电压的一半。保护电路可包含一电流源21、一第一开关电路22、一第二开关电路23以及一控制单元24。
第一开关电路22用以选择性将电流源21电性连接电容CF的顶端CFP以及底端CFN中的一个。在一实施例，第一开关电路22至少包含多个开关。第二开关电路23与电容CF的顶端CFP以及底端CFN并联。其详细连接方式以及操作方式将会于后续段落描述。
控制单元24具有至少三个操作阶段，包含第一操作阶段、第二操作阶段以及第三操作阶段。在第一操作阶段，控制单元24控制第二开关电路23导通，使得电容CF的顶端CFP以及底端CFN电性连接；以及控制单元24控制第一开关电路22使电流源21不电性连接电容CF的顶端CFP以及底端CFN，藉此控制单元24将电容CF的顶端CFP以及底端CFN的电压设定为一默认高电压。由于顶端CFP以及底端CFN电性连接，所以保护电路20的其他组件无法得知电容CF的存在，其表示保护电路20可以快速地改变顶端CFP以及底端CFN的电压，而不受电容CF的影响；例如，保护电路20提高顶端CFP以及底端CFN的电压的速度可以达到3.6V/1uS，而且提高电压的过程中不需使用大电流对电容CF充电，藉此避免产生涌浪电流。
在第二操作阶段，控制单元24控制第二开关电路23截止，使电容CF的顶端CFP以及底端CFN不电性连接，且控制第一开关电路22导通使电流源21的电流流入端电性连接电容CF的底端CFN，藉此产生电流从电容CF的底端CFN流出，直到电容CF的顶端CFP以及底端CFN之间的电压差等于默认初始电压。
当电流从电容CF的底端CFN流出时，电容CF的底端CFN的电压会逐渐下降。此外，当电流从电容CF的底端CFN流出时，只要电容CF的顶端CFP也有电流流入，则电容CF的顶端CFP的电压可以维持在第一操作阶段中形成的默认高电压。在第二操作阶段，电容CF的顶端CFP的电压维持在第一操作阶段中形成的默认高电压，而电容CF的底端CFN的电压会逐渐下降，当电容CF的顶端CFP以及底端CFN之间的一电压差等于默认初始电压时，所述控制单元24进入第三操作阶段。
在第三操作阶段，控制单元24是控制第一开关电路22使电流源不电性连接电容CF的顶端CFP以及底端CFN，切换电容型稳压电路10便可以在电容CF的跨压为默认初始电压的情况下开始进行运作。例如，当电容CF的底端CFN的电压降到默认低电压，例如0V时，则电容CF的顶端CFP以及底端CFN之间的电压差等于默认初始电压(其为默认高电压与默认低电压之间的差值)，其表示切换电容型稳压电路10可以开始运作，因此控制单元24是控制第一开关电路22断开电流源21的电流流入端与电容CF的底端CFN的电性连接，让电容CF的顶端CFP以及底端CFN之间的电压差为默认初始电压。
根据上述内容，本发明的保护电路可以快速提高电容CF的顶端CFP的电压，而且提高电压的过程中不需使用大电流对电容CF充电，藉此避免产生涌浪电流，以达到电路保护的功效。
接着，控制单元24根据电容CF的顶端CFP的电压VCFP控制第一开关电路22将电流源21的电流流入端与电流流出端的其中一端电性连接电容CF的顶端CFP。例如，在电容CF的底端CFN接地的情况下，当电压VCFP高于第一门坎电压，则控制单元24将电流源21的电流流入端电性连接电容CF的顶端CFP，使电压VCFP下降；当电压VCFP低于第二门坎电压，则控制单元24将电流源21的电流流出端电性连接电容CF的顶端CFP，使电压VCFP上升，藉此，可将电容CF的顶端CFP以及底端CFN之间的电压差维持在默认初始电压，以保护连接电容CF的低电压组件。
请参阅图2，其是为本发明的一保护电路的一实施例的方块图。如图2的实施例所示，保护电路可包含一电流源21、开关221～225、开关231以及一控制单元34；在此实施例中，保护电路是应用于三阶降压型转换器11。三阶降压型转换器11包含晶体管Q1～Q4以及一电容CF，晶体管Q1～Q4依序串接，晶体管Q1的源极接收供应电压VIN，而晶体管Q4的源极接地。晶体管Q1～Q4的栅极是分别接收控制信号而进入导通状态或是截止状态。电容CF的顶端CFP以及底端CFN分别耦接晶体管Q的漏极以及晶体管Q4的漏极。晶体管Q1～Q4是以低压组件实现；开关221～225是实现图1所示的第一开关电路22，而开关231是实现图1所示的第二开关电路23。
开关231与电容CF的顶端CFP以及底端CFN相并联，开关221连接于电流源21的电流流入端及开关231之间；开关224的一端连接于电流源21的电流流入端，而另一端接收供应电压VIN；开关223的一端电流源21的电流流出端，而另一端接地；开关222连接于电容CF的顶端CFP以及电流源21的电流流入端之间；开关225的一端连接于电流源21的电流流出端，而另一端连接于电容CF的顶端CFP。
控制单元34可用于控制开关221～225以及开关231处于导通或是截止的状态；在此实施例中控制单元34更包含一电压设定单元35。
在第一操作阶段，控制单元34控制开关231导通，使得电容CF的顶端CFP以及底端CFN彼此电性连接，且电压设定单元35用于设定电容CF的顶端CFP以及底端CFN的电压为默认高电压；另外，控制单元34控制开关221、222、225截止，使得电流源21不电性连接所述电容CF的顶端CFP以及底端CFN。
由于***刚上电时，供应电压VIN较不稳定或是需要一段时间升高至默认值，而默认高电压会受供应电压VIN的稳定度影响，所以控制单元34可进一步判断电容CF的顶端CFP的电压是否高于或等于默认高电压，如果是，则控制单元34进入第二操作阶段。
在第二操作阶段，控制单元34控制开关231截止，使电容CF的顶端CFP以及底端CFN不电性连接，此时顶端CFP的电压VCFP以及底端CFN的电压VCFN皆为默认高电压；控制单元34控制开关221与223导通以及控制开关222、224与225截止，使电容CF的底端CFN电性连接电流源21的电流流入端，藉此从电容CF的底端CFN流出电流，使得电容CF的底端CFN的电压VCFN下降，提高电容CF的顶端CFP以及底端CFN之间的电压差。当电容的顶端CFP以及底端CFN之间的一电压差等于默认初始电压，控制单元34进入第三操作阶段。
在第三操作阶段，控制单元34先控制开关231、221～225截止，并致能三阶降压型转换器11开始运作；接着，在三阶降压型转换器11运作时，控制单元34根据电容CF的顶端CFP的电压VCFP控制开关221～225，以使电流源21的电流流入端与电流流出端的其中一端选择性电性连接顶端CFP，用以维持电容CF的顶端CFP与底端CFN之间的跨压，避免三阶降压型转换器11的低压组件(例如晶体管Q1～Q4)因为电容CF的跨压不稳定而损坏。
在晶体管Q4导通而电容CF的底端CFN接地的情况下，当电压VCFP高于第一门坎电压，则控制单元34将开关222与223导通而开关221、224与225截止，以使得电流源21的电流流入端电性连接电容CF的顶端CFP，造成电压VCFP下降；当电压VCFP低于第二门坎电压，则控制单元34将电流源21的电流流出端电性连接电容CF的顶端CFP，使电压VCFP上升，藉此，可将电容CF的顶端CFP以及底端CFN之间的电压差维持在默认初始电压，以保护连接电容CF的开关组件。第一门坎电压是高于第二门坎电压。
在一实施例中，当比较器是用以进行上述的电压比较，第一门坎电压可为默认初始电压加上比较器的迟滞电压，而第二门坎电压可为默认初始电压减去比较器的迟滞电压。
请参阅图3，其是为本发明的一保护电路的操作方法的一流程图。此操作方法可适用于图1所示的保护电路，包含步骤S71至步骤S74。
在步骤S71，控制第二开关电路导通，使切换电容型稳压电路的电容的顶端以及底端电性连接，并控制第一开关电路使电流源不电性连接电容的顶端以及底端，并设定电容的顶端以及底端的电压为一默认高电压。
由于电容的顶端以及底端电性连接，所以外部组件无法得知切换电容型稳压电路的电容的存在，所以顶端以及底端的电压能被设定而快速拉升而不受电容CF的影响。而且提升电压的过程中不需使用大电流对电容充电，藉此避免产生涌浪电流。
在步骤S72，当电容的顶端以及底端的电压等于默认高电压，控制第二开关电路截止，使电容的顶端以及底端不电性连接，并控制第一开关电路使电流源的电流流入端电性连接电容的底端。
在步骤S73，当电容的顶端以及底端之间的一电压差等于一默认初始电压，控制第一开关电路使电流源不电性连接电容的顶端以及底端。同时，切换电容型稳压电路可开始运作。
在步骤S74，根据电容的顶端的电压控制第一开关电路将电流源的电流流入端与电流流出端的其中一端选择性电性连接电容的顶端。例如，在电容的底端接地的情况下，当电容的顶端的电压高于第一门坎电压，则控制单元将电流源的电流流入端电性连接电容的顶端，使电压下降；当电压低于第二门坎电压，则控制单元将电流源的电流流出端电性连接电容的顶端，使电压上升，藉此，可将电容的顶端以及底端之间的电压差维持在默认初始电压，以保护连接电容CF的低电压组件。
虽然本发明以前述的实施例揭露如上，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，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种保护电路，适用于一切换电容型稳压电路，所述切换电容型稳压电路包含一电容，所述保护电路包含:
一电流源，具有一电流流入端以及一电流流出端；
一第一开关电路，是选择性将所述电流源电性连接所述电容的一顶端以及一底端的其中一个；
一第二开关电路，与所述电容的所述顶端以及所述底端并联；以及
一控制单元，在一第一操作阶段，所述控制单元控制所述第二开关电路导通以及控制所述第一开关电路使所述电流源不电性连接所述电容的所述顶端以及所述底端，使所述电容的所述顶端以及所述底端电性连接且所述控制单元设定所述电容的所述顶端以及所述底端的电压为一默认高电压，在一第二操作阶段，所述控制单元是控制所述第二开关电路截止，使所述电容的所述顶端以及所述底端不电性连接，且控制所述第一开关电路导通使所述电流源的所述电流流入端电性连接所述电容的所述底端，当所述电容的所述顶端以及所述底端之间的一电压差等于一默认初始电压，所述控制单元进入一第三操作阶段；以及
其特征在于，在所述第三操作阶段，所述控制单元控制所述第一开关电路使所述电流源不电性连接所述电容的所述顶端以及所述底端，接着根据所述电容的所述顶端的电压控制第一开关电路将所述电流源的所述电流流入端与所述电流流出端的其中一端选择性电性连接所述电容的所述顶端。
2.如权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述切换电容型稳压电路是接收一输入电压，所述默认初始电压是为所述输入电压的一半。
3.如权利要求2所述的保护电路，其特征在于，在所述第一操作阶段，当所述输入电压为逐渐上升时，所述控制单元判断所述电容的所述顶端的电压是否高于或等于所述默认高电压，以决定是否进入所述第二操作阶段。
4.如权利要求1所述的保护电路，其特征在于，在所述第三操作阶段，当所述控制单元判断所述电容的所述顶端的电压高于一第一门坎电压，所述控制单元控制第一开关电路将所述电流源的所述电流流入端电性连接所述电容的所述顶端。
5.如权利要求4所述的保护电路，其特征在于，在所述第三操作阶段，当所述控制单元判断所述电容的所述顶端的电压低于一第二门坎电压，所述控制单元控制第一开关电路将所述电流源的所述电流流出端电性连接所述电容的所述顶端。
6.如权利要求5所述的保护电路，其特征在于，所述第一门坎电压高于所述第二门坎电压。
7.一种保护电路的操作方法，其特征在于，所述保护电路适用于一切换电容型稳压电路，所述切换电容型稳压电路包含一电容，所述保护电路包含一电流源、一第一开关电路以及一第二开关电路，所述操作方法包含:
控制所述第二开关电路导通，使所述电容的一顶端以及一底端电性连接，并控制所述第一开关电路使所述电流源不电性连接所述电容的所述顶端以及所述底端，并设定所述电容的所述顶端以及所述底端的电压为一默认高电压；
当所述电容的所述顶端以及所述底端的电压等于所述默认高电压，控制所述第二开关电路截止，使所述电容的所述顶端以及所述底端不电性连接，并控制所述第一开关电路使所述电流源的一电流流入端电性连接所述电容的所述底端；以及
当所述电容的所述顶端以及所述底端之间的一电压差等于一默认初始电压，控制所述第一开关电路使所述电流源不电性连接所述电容的所述顶端以及所述底端；以及
根据所述电容的所述顶端的电压控制第一开关电路将所述电流源的所述电流流入端与一电流流出端的其中一端选择性电性连接所述电容的所述顶端。
8.如权利要求7所述的操作方法，其特征在于，根据所述电容的所述顶端的电压控制第一开关电路将所述电流源的所述电流流入端与所述电流流出端的其中一端选择性电性连接所述电容的所述顶端的步骤更包含:
当所述电容的所述顶端的电压高于一第一门坎电压，控制所述第一开关电路将所述电流源的所述电流流入端电性连接所述电容的所述顶端。
9.如权利要求8所述的操作方法，其特征在于，根据所述电容的所述顶端的电压控制第一开关电路将所述电流源的所述电流流入端与所述电流流出端的其中一端选择性电性连接所述电容的所述顶端的步骤更包含:
当所述电容的所述顶端的电压低于一第二门坎电压，控制所述第一开关电路将所述电流源的所述电流流出端电性连接所述电容的所述顶端。
10.如权利要求9所述的操作方法，其特征在于，所述第一门坎电压高于所述第二门坎电压。
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