TWI762026B - 保護電路及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種保護電路，適用於切換電容型穩壓電路，其具有一電容。保護電路包含一電流源、第一與第二開關電路以及控制單元。控制單元控制第二開關電路導通使電容之頂端與底端電性連接，以及控制第一開關電路使電流源不連接電容，並設定頂端與底端之電壓為預設高電壓。接著，控制單元控制第二開關電路使頂端與底端不電性連接，且控制第一開關電路導通使電容之底端流出電流。當頂端與底端之間的電壓差等於預設初始電壓，控制第一開關電路使電流源不電性連接電容；接著，控制單元根據電容之頂端之電壓控制電容之頂端流入或流出電流。

Description

保護電路及其操作方法
本發明係有關於一種保護電路，特別是有關於一種適用於切換電容型穩壓電路的保護電路。
近年來，切換電容型穩壓電路具有高轉換效率的優點，所以越來越多晶片使用切換電容型穩壓電路。當切換電容型穩壓電路開始操作時，都會要求電容的跨壓有一初始電壓，例如，三階降壓型轉換器(3-level buck)就要求其電荷泵電容(fly capacitor)的跨壓的初始電壓為輸入電壓的一半。
為了降低導通阻值(on-resistance)，大部分的切換電容型穩壓電路，例如三階降壓型轉換器，會使用低壓元件，但是此設計要求電容的初始跨壓必須精準，否則可能會燒毀低壓元件造成晶片損傷。為了讓切換電容型穩壓電路一上電，其電容就有初始跨壓，換電容型穩壓電路可能必須在初始階段就提供大電流對電容充電，但是此操作容易產生湧浪電流(inrush current)而傷害晶片。
此外，為了降低成本，切換電容型穩壓電路中作為切換元件的電晶體會根據實際運作時承受的跨壓來設計，所以當切換電容型穩壓電路中的電容的電壓有較大變化時，容易使電晶體承受過大的跨壓而燒毀。
本發明之一目的在於提出一種保護電路，以解決上述習知技術問題。
為達成上述目的，本發明提出一種保護電路，適用於一切換電容型穩壓電路，其包含一電容。保護電路包含:一電流源，具有一電流流入端以及一電流流出端； 一第一開關電路，係選擇性將電流源電性連接電容之一頂端以及一底端之其中一個；一第二開關電路，與電容之頂端以及底端並聯；一控制單元。在一第一操作階段，控制單元控制第二開關電路導通以及控制第一開關電路使該電流源不電性連接該電容之該頂端以及該底端，使該電容之該頂端以及該底端電性連接且該控制單元設定該電容之該頂端以及該底端之電壓為一預設高電壓。在一第二操作階段，控制單元係控制該第二開關電路截止，使該電容之該頂端以及該底端不電性連接，且控制該第一開關電路導通使該電流源之該電流流入端電性連接該電容之該底端，當該電容之該頂端以及該底端之間的一電壓差等於一預設初始電壓，該控制單元進入一第三操作階段。在第三操作階段，該控制單元控制該第一開關電路使該電流源不電性連接該電容之該頂端以及該底端，接著根據該電容之該頂端之電壓控制第一開關電路將該電流源之該電流流入端與該電流流出端之其中一端選擇性電性連接該電容之該頂端。
根據一實施例，切換電容型穩壓電路係接收一輸入電壓，該預設初始電壓係為該輸入電壓之一半。
根據一實施例，在第一操作階段，當該輸入電壓為逐漸上升時，該控制單元判斷該電容之該頂端之電壓是否高於或等於該預設高電壓，以決定是否進入該第二操作階段。
根據一實施例，在第三操作階段，當該控制單元判斷該電容之該頂端之電壓高於一第一門檻電壓，該控制單元控制第一開關電路將該電流源之該電流流入端電性連接該電容之該頂端。
根據一實施例，在第三操作階段，當該控制單元判斷該電容之該頂端之電壓低於一第二門檻電壓，該控制單元控制第二開關電路將該電流源之該電流流出端電性連接該電容之該頂端。
根據一實施例，第一門檻電壓高於第二門檻電壓。
為達成上述目的，本發明再提出一種保護電路之操作方法，其中該保護電路適用於一切換電容型穩壓電路，該切換電容型穩壓電路包含一電容，該保護電路包含一電流源、一第一開關電路以及一第二開關電路。操作方法包含下列步驟:控制該第二開關電路導通，使該電容之該頂端以及該底端電性連接，並控制該第一開關電路使該電流源不電性連接該電容之該頂端以及該底端，並設定該電容之該頂端以及該底端之電壓為一預設高電壓；當電容之該頂端以及該底端之電壓等於該預設高電壓，控制該第二開關電路截止，使該電容之該頂端以及該底端不電性連接，並控制該第一開關電路使該電流源之該電流流入端電性連接該電容之該底端；當電容之該頂端以及該底端之間的一電壓差等於一預設初始電壓，控制該第一開關電路使該電流源不電性連接該電容之該頂端以及該底端；根據該電容之該頂端之電壓控制第一開關電路將該電流源之電流流入端與電流流出端之其中一端選擇性電性連接該電容之頂端。
根據一實施例，根據該電容之該頂端之電壓控制第一開關電路將電流源之電流流入端與電流流出端之其中一端選擇性電性連接該電容之該頂端之步驟更包含: 當該電容之該頂端之電壓高於一第一門檻電壓，控制第一開關電路將該電流源之該電流流入端電性連接該電容之該頂端。
根據一實施例，根據電容之該頂端之電壓控制第一開關電路將電流源之電流流入端與電流流出端之其中一端選擇性電性連接電容之該頂端之步驟更包含: 當電容之頂端之電壓低於一第二門檻電壓，控制第二開關電路將電流源之電流流出端電性連接電容之頂端。
根據一實施例，第一門檻電壓高於第二門檻電壓。
以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明之實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。
請參閱第1圖，其係為本發明之一保護電路之方塊圖。如第1圖所示，本發明之保護電路係適用於一切換電容型穩壓電路10，例如一三階降壓型轉換器(3-level buck)。切換電容型穩壓電路10包含一電容CF，而保護電路係用於初始化電容CF之一頂端CFP以及一底端CFN之間的一電壓差為一預設初始電壓，以及在運作時控制電容CF之一頂端CFP以及一底端CFN之間的電壓差。預設初始電壓例如是輸入電壓或供應電壓的一半。保護電路可包含一電流源21、一第一開關電路22、一第二開關電路23以及一控制單元24。
第一開關電路22用以選擇性將電流源21電性連接電容CF之頂端CFP以及底端CFN之其中一個。在一實施例中，第一開關電路22至少包含多個開關。第二開關電路23與電容CF之頂端CFP以及底端CFN並聯。其詳細連接方式以及操作方式將會於後續段落描述。
控制單元24具有至少三個操作階段，包含第一操作階段、第二操作階段以及第三操作階段。在第一操作階段，控制單元24控制第二開關電路23導通，使得電容CF之頂端CFP以及底端CFN電性連接；以及控制單元24控制第一開關電路22使電流源21不電性連接電容CF之頂端CFP以及底端CFN，藉此控制單元24將電容CF之頂端CFP以及底端CFN之電壓設定為一預設高電壓。由於頂端CFP以及底端CFN電性連接，所以保護電路20的其他元件無法得知電容CF的存在，其表示保護電路20可以快速地改變頂端CFP以及底端CFN之電壓，而不受電容CF的影響；例如，保護電路20提高頂端CFP以及底端CFN之電壓的速度可以達到3.6V/1uS，而且提高電壓的過程中不需使用大電流對電容CF充電，藉此避免產生湧浪電流。
在第二操作階段，控制單元24控制第二開關電路23截止，使電容CF之頂端CFP以及底端CFN不電性連接，且控制第一開關電路22導通使電流源21之電流流入端電性連接電容CF之底端CFN，藉此產生電流從電容CF之底端CFN流出，直到電容CF之頂端CFP以及底端CFN之間的電壓差等於預設初始電壓。
當電流從電容CF之底端CFN流出時，電容CF之底端CFN的電壓會逐漸下降。此外，當電流從電容CF之底端CFN流出時，只要電容CF之頂端CFP也有電流流入，則電容CF之頂端CFP的電壓可以維持在第一操作階段中形成的預設高電壓。在第二操作階段，電容CF之頂端CFP的電壓維持在第一操作階段中形成的預設高電壓，而電容CF之底端CFN的電壓會逐漸下降，當電容CF之頂端CFP以及底端CFN之間的一電壓差等於預設初始電壓時，該控制單元24進入第三操作階段。
在第三操作階段，控制單元24係控制第一開關電路22使電流源不電性連接電容CF之頂端CFP以及底端CFN，切換電容型穩壓電路10便可以在電容CF之跨壓為預設初始電壓的情況下開始進行運作。例如，當電容CF之底端CFN的電壓降到預設低電壓，例如0V時，則電容CF之頂端CFP以及底端CFN之間的電壓差等於預設初始電壓(其為預設高電壓與預設低電壓之間的差值)，其表示切換電容型穩壓電路10可以開始運作，因此控制單元24係控制第一開關電路22斷開電流源21之電流流入端與電容CF之底端CFN的電性連接，讓電容CF之頂端CFP以及底端CFN之間的電壓差為預設初始電壓。
根據上述內容，本發明之保護電路可以快速提高電容CF之頂端CFP之電壓，而且提高電壓的過程中不需使用大電流對電容CF充電，藉此避免產生湧浪電流，以達到電路保護之功效。
接著，控制單元24根據電容CF之頂端CFP之電壓V CFP控制第一開關電路22將電流源21之電流流入端與電流流出端之其中一端電性連接電容CF之頂端CFP。例如，在電容CF之底端CFN接地的情況下，當電壓V CFP高於第一門檻電壓，則控制單元24將電流源21之電流流入端電性連接電容CF之頂端CFP，使電壓V CFP下降；當電壓V CFP低於第二門檻電壓，則控制單元24將電流源21之電流流出端電性連接電容CF之頂端CFP，使電壓V CFP上升，藉此，可將電容CF之頂端CFP以及底端CFN之間的電壓差維持在預設初始電壓，以保護連接電容CF的低電壓元件。
請參閱第2圖，其係為本發明之一保護電路之一實施例之方塊圖。如第2圖之實施例所示，保護電路可包含一電流源21、開關221~225、開關231以及一控制單元34；在此實施例中，保護電路係應用於三階降壓型轉換器11。三階降壓型轉換器11包含電晶體Q1~Q4以及一電容CF，其中電晶體Q1~Q4依序串接，電晶體Q1之源極接收供應電壓V IN，而電晶體Q4之源極接地。電晶體Q1~Q4之閘極係分別接收控制訊號而進入導通狀態或是截止狀態。電容CF之頂端CFP以及底端CFN分別耦接電晶體Q1之汲極以及電晶體Q4之汲極。電晶體Q1~Q4係以低壓元件實現；開關221~225係實現第1圖所示之第一開關電路22，而開關231係實現第1圖所示之第二開關電路23。
開關231與電容CF之頂端CFP以及底端CFN相並聯，開關221連接於電流源21之電流流入端及開關231之間；開關224之一端連接於電流源21之電流流入端，而另一端接收供應電壓V IN；開關223之一端電流源21之電流流出端，而另一端接地；開關222連接於電容CF之頂端CFP以及電流源21之電流流入端之間；開關225之一端連接於電流源21之電流流出端，而另一端連接於電容CF之頂端CFP。
控制單元34可用於控制開關221~225以及開關231處於導通或是截止的狀態；在此實施例中控制單元34更包含一電壓設定單元35。
在第一操作階段，控制單元34控制開關231導通，使得電容CF之頂端CFP以及底端CFN彼此電性連接，且電壓設定單元35用於設定電容CF之頂端CFP以及底端CFN之電壓為預設高電壓；另外，控制單元34控制開關221、222、225截止，使得電流源21不電性連接該電容CF之頂端CFP以及底端CFN。
由於當系統剛上電時，供應電壓V IN較不穩定或是需要一段時間升高至預設值，而預設高電壓會受供應電壓V IN的穩定度影響，所以控制單元34可進一步判斷電容CF之頂端CFP之電壓是否高於或等於預設高電壓，如果是，則控制單元34進入第二操作階段。
在第二操作階段，控制單元34控制開關231截止，使電容CF之頂端CFP以及底端CFN不電性連接，此時頂端CFP之電壓V CFP以及底端CFN之電壓V CFN皆為預設高電壓；控制單元34控制開關221與223導通以及控制開關222、224與225截止，使電容CF之底端CFN電性連接電流源21的電流流入端，藉此從電容CF之底端CFN流出電流，使得電容CF之底端CFN的電壓V CFN下降，提高電容CF之頂端CFP以及底端CFN之間的電壓差。當電容之頂端CFP以及底端CFN之間的一電壓差等於預設初始電壓，控制單元34進入第三操作階段。
在第三操作階段，控制單元34先控制開關231、221~225截止，並致能三階降壓型轉換器11開始運作；接著，在三階降壓型轉換器11運作時，控制單元34根據電容CF之頂端CFP之電壓V CFP控制開關221~225，以使電流源21之電流流入端與電流流出端之其中一端選擇性電性連接頂端CFP，用以維持電容CF之頂端CFP與底端CFN之間的跨壓，避免三階降壓型轉換器11的低壓元件(例如電晶體Q1~Q4)因為電容CF之跨壓不穩定而損壞。
在電晶體Q4導通而電容CF之底端CFN接地的情況下，當電壓V CFP高於第一門檻電壓，則控制單元34將開關222與223導通而開關221、224與225截止，以使得電流源21之電流流入端電性連接電容CF之頂端CFP，造成電壓V CFP下降；當電壓V CFP低於第二門檻電壓，則控制單元34將電流源21之電流流出端電性連接電容CF之頂端CFP，使電壓V CFP上升，藉此，可將電容CF之頂端CFP以及底端CFN之間的電壓差維持在預設初始電壓，以保護連接電容CF的開關元件。第一門檻電壓係高於第二門檻電壓。
在一實施例中，當比較器係用以進行上述的電壓比較，第一門檻電壓可為預設初始電壓加上比較器之遲滯電壓，而第二門檻電壓可為預設初始電壓減去比較器之遲滯電壓。
請參閱第3圖，其係為本發明之一保護電路之操作方法之一流程圖。此操作方法可適用於第1圖所示之保護電路，包含步驟S71至步驟S74。
在步驟S71，控制第二開關電路導通，使切換電容型穩壓電路之電容之頂端以及底端電性連接，並控制第一開關電路使電流源不電性連接電容之頂端以及底端，並設定電容之頂端以及底端之電壓為一預設高電壓。
由於電容之頂端以及底端電性連接，所以外部元件無法得知切換電容型穩壓電路之電容的存在，所以頂端以及底端之電壓能被設定而快速拉升而不受電容CF的影響。而且提升電壓的過程中不需使用大電流對電容充電，藉此避免產生湧浪電流。
在步驟S72，當電容之頂端以及底端之電壓等於預設高電壓，控制第二開關電路截止，使電容之頂端以及底端不電性連接，並控制第一開關電路使電流源之電流流入端電性連接電容之底端。
在步驟S73，當電容之頂端以及底端之間的一電壓差等於一預設初始電壓，控制第一開關電路使電流源不電性連接電容之頂端以及底端。同時，切換電容型穩壓電路可開始運作。
在步驟S74，根據電容之頂端之電壓控制第一開關電路將電流源之電流流入端與電流流出端之其中一端選擇性電性連接電容之頂端。例如，在電容之底端接地的情況下，當電容之頂端之電壓高於第一門檻電壓，則控制單元將電流源之電流流入端電性連接電容之頂端，使電壓下降；當電壓低於第二門檻電壓，則控制單元將電流源之電流流出端電性連接電容之頂端，使電壓上升，藉此，可將電容之頂端以及底端之間的電壓差維持在預設初始電壓，以保護連接電容CF的低電壓元件。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
10:切換電容型穩壓電路 11:三階降壓型轉換器 20:保護電路 21:電流源 22、23:開關電路 24、34:控制單元 221、222、223、224、225、231:開關 35:電壓設定單元 Q1~Q4:電晶體 CF:電容 CFN:底端 CFP:頂端 V CFP、V CFN:電壓 V IN:供應電壓 S71~74:流程步驟
第1圖係為本發明之一保護電路之方塊圖。
第2圖係為本發明之一保護電路之一實施例之方塊圖。
第3圖係為本發明之一保護電路之操作方法之一流程圖。
10:切換電容型穩壓電路
20:保護電路
21:電流源
22、23:開關電路
24:控制單元
Q1~Q4:電晶體
CF:電容
CFN:底端
CFP:頂端
VCFP、VCFN:電壓
VIN:供應電壓

Claims (10)

  1. 一種保護電路，適用於一切換電容型穩壓電路，該切換電容型穩壓電路包含一電容，該保護電路包含: 一電流源，具有一電流流入端以及一電流流出端； 一第一開關電路，係選擇性將該電流源電性連接該電容之一頂端以及一底端之其中一個； 一第二開關電路，與該電容之該頂端以及該底端並聯；以及 一控制單元，在一第一操作階段，該控制單元控制該第二開關電路導通以及控制該第一開關電路使該電流源不電性連接該電容之該頂端以及該底端，使該電容之該頂端以及該底端電性連接且該控制單元設定該電容之該頂端以及該底端之電壓為一預設高電壓，在一第二操作階段，該控制單元係控制該第二開關電路截止，使該電容之該頂端以及該底端不電性連接，且控制該第一開關電路導通使該電流源之該電流流入端電性連接該電容之該底端，當該電容之該頂端以及該底端之間的一電壓差等於一預設初始電壓，該控制單元進入一第三操作階段；以及 其中在該第三操作階段，該控制單元控制該第一開關電路使該電流源不電性連接該電容之該頂端以及該底端，接著根據該電容之該頂端之電壓控制第一開關電路將該電流源之該電流流入端與該電流流出端之其中一端選擇性電性連接該電容之該頂端。
  2. 如請求項1所述之保護電路，其中該切換電容型穩壓電路係接收一輸入電壓，該預設初始電壓係為該輸入電壓之一半。
  3. 如請求項2所述之保護電路，其中在該第一操作階段，當該輸入電壓為逐漸上升時，該控制單元判斷該電容之該頂端之電壓是否高於或等於該預設高電壓，以決定是否進入該第二操作階段。
  4. 如請求項1所述之保護電路，其中在該第三操作階段，當該控制單元判斷該電容之該頂端之電壓高於一第一門檻電壓，該控制單元控制第一開關電路將該電流源之該電流流入端電性連接該電容之該頂端。
  5. 如請求項4所述之保護電路，其中在該第三操作階段，當該控制單元判斷該電容之該頂端之電壓低於一第二門檻電壓，該控制單元控制第一開關電路將該電流源之該電流流出端電性連接該電容之該頂端。
  6. 如請求項5所述之保護電路，其中該第一門檻電壓高於該第二門檻電壓。
  7. 一種保護電路之操作方法，其中該保護電路適用於一切換電容型穩壓電路，該切換電容型穩壓電路包含一電容，該保護電路包含一電流源、一第一開關電路以及一第二開關電路，該操作方法包含: 控制該第二開關電路導通，使該電容之一頂端以及一底端電性連接，並控制該第一開關電路使該電流源不電性連接該電容之該頂端以及該底端，並設定該電容之該頂端以及該底端之電壓為一預設高電壓； 當該電容之該頂端以及該底端之電壓等於該預設高電壓，控制該第二開關電路截止，使該電容之該頂端以及該底端不電性連接，並控制該第一開關電路使該電流源之一電流流入端電性連接該電容之該底端；以及 當該電容之該頂端以及該底端之間的一電壓差等於一預設初始電壓，控制該第一開關電路使該電流源不電性連接該電容之該頂端以及該底端；以及 根據該電容之該頂端之電壓控制第一開關電路將該電流源之該電流流入端與一電流流出端之其中一端選擇性電性連接該電容之該頂端。
  8. 如請求項7所述之操作方法，其中根據該電容之該頂端之電壓控制第一開關電路將該電流源之該電流流入端與該電流流出端之其中一端選擇性電性連接該電容之該頂端之步驟更包含: 當該電容之該頂端之電壓高於一第一門檻電壓，控制該第一開關電路將該電流源之該電流流入端電性連接該電容之該頂端。
  9. 如請求項8所述之操作方法，其中根據該電容之該頂端之電壓控制第一開關電路將該電流源之該電流流入端與該電流流出端之其中一端選擇性電性連接該電容之該頂端之步驟更包含: 當該電容之該頂端之電壓低於一第二門檻電壓，控制該第一開關電路將該電流源之該電流流出端電性連接該電容之該頂端。
  10. 如請求項9所述之操作方法，其中該第一門檻電壓高於該第二門檻電壓。
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