專利名稱：線性電壓調節器的軟啟動電路及其方法
技術領域：
本發明是關于一種電壓轉換器，尤指一種操作電壓轉換器的軟啟動電路 及其方法。
背景技術：
請參照圖1，圖1為現有的一線性電壓調節電路100的電路方塊圖。如圖 1所示，線性電壓調節電路100包含有一線性電壓調節器102以及一電流感測 以及限制電路104，線性電壓調節電路100是用來依據輸入電壓Vin以提供固 定輸出電壓V。ut，固定輸出電壓V。ut用來作為電容器Cext以及電阻器R,"所組 成的外部電路的一參考電壓，線性電壓調節器102包含有一控制模塊108、 一 傳輸型晶體管Mx以及兩個電阻器R 以及R12，線性電壓調節器102是用來調 整輸出電壓V。ut，而控制模塊108的功能可用一低壓降(low drop out, LDO) 控制電路來實現并受致能(enable)信號EN所控制，舉例來說，當致能信號 EN位于低邏輯準位時，控制模塊108便啟動電壓調整功能。就電流感測以及限制電路104而言，電流感測以及限制電路104包含有 復數個晶體管M -M16，而晶體管Mu偏壓在一偏壓Vbias以及晶體管M13的導 通或關閉狀態受致能信號EN所控制，晶體管M -M12的結構作為一電流感測 以及比較電路，用來監測輸出電流1。ut是否超越一電流限制，而晶體管M13-M16 作為一控制電路，用來調整電壓Vi以達到過電流(over-current)保護機制， 請注意，線性電壓調節器102以及電流感測以及限制電路104的運作方式為 熟習此項技術者所悉知，故在此不多加贅述。當線性電壓調節器102通過控制模塊108來開啟時，晶體管Mn關閉以使電流感測以及限制電路104啟動，此外，傳輸型晶體管Mx導通以傳送一輸 出電流I。ut，并流經由電阻Ru以及1112所形成的一分壓器來產生輸出電壓V。ut，然而，當輸出電流I。ut超出它的電流限制時，電流感測以及限制電路104便檢測出該感測輸出電流超出一預定電流值I^it，然后開始通過調整回授到傳輸型晶體管Mx的柵極的電壓Vi以降低該輸出電流I。ut，因此，電流感測以及限制 電路104的結構可將輸出電流I。ut維持在一最高可接受的電流值。一旦致能信號EN從低邏輯準位轉換成高邏輯準位時，線性電壓調節器 102以及電流感測以及限制電路104都將關閉(disabled),也就是說，因為線 性電壓調節電路100關閉，所以輸出電壓V。ut便降至OV，接著，當線性電壓 調節電路100啟動時(意即，致能信號EN成為低邏輯準位)，節點A的電壓 值經由電流感測以及限制電路104的晶體管Mi2而被拉低， 一開始，電流感 測以及限制電路104不會立即運作以反應輸出電流I。ut，此外，傳輸型晶體管 Mx操作在一線性區，如此一來， 一大的充電電流會通過傳輸型晶體管Mx流 經電容Cw，如果存在一電流回授路徑的話，該充電電流可能會對線性電壓調 節電路100或其他耦接到線性電壓調節電路100的電路造成無法預測的損壞。發明內容本發明的主要一目的在于提供一種操作電壓轉換器的軟啟動電路及其方 法，以解決上述的問題。在本發明一實施例揭示一種電壓轉換器電路，其包含有一電壓轉換器與 一電流感測以及限制電路。該電壓轉換器用來產生對應于一控制信號的一輸 出電流以調整一輸出電壓。該電流感測以及限制電路耦接于該電壓轉換器， 該電流感測以及限制電路包含有 一電流感測以及比較電路，耦接于該電壓 轉換器，用來依據一感測輸出電流以及一預定電流值在一輸出端感測該輸出 電流以及輸出一決定信號； 一控制電路，耦接于該電流感測以及比較電路的 該輸出端以及該電壓轉換器，用來依據該決定信號產生該控制信號以限制該 輸出電流；以及一電容性負載電路，耦接于該電流感測以及比較電路的該輸 出端以及該控制電路，用來當該電壓轉換器電路從一第一模式轉換成一第二 模式時，提供一第一電容予該輸出端，以及當該電壓轉換器電路從該第二模 式轉換成該第一模式時，提供一第二電容予該輸出端。在本發明另一實施例揭示一種電流限制方法，其包含有產生對應于一 控制信號的一輸出電流；感測該輸出電流；在一輸出端比較一感測輸出電流 以及一預定電流值以產生一決定信號；依據該決定信號產生該控制信號以限 制該輸出電流；以及當從一第一模式轉換成一第二模式時，提供一第一電容 予該輸出端，以及當從該第二模式轉換成該第一模式時，提供一第二電容予 該輸出端。在本發明另一實施例揭示一種電流感測以及限制電路，其包含有一電流 感測以及比較電路、 一控制電路以及一電容性負載電路。該電流感測以及比 較電路用來感測一輸出電流以及相應地輸出一決定信號到一節點。該控制電 路耦接于該節點，用來產生相對應于該決定信號的一控制信號，該控制信號 用來調整該輸出電流。該電容性負載電路耦接于該節點，用來當該電流感測 以及限制電路從一第一模式轉換成一第二模式時，提供一第一電容予該節點， 且當該電流感測以及限制電路從該第二模式轉換成該第一模式時以及該第一 電容值大于該第二電容值時，提供一第二電容予該節點。本發明提出一種方法以及其相關裝置來提供一 "軟啟動"機制，該"軟 啟動"機制通過一非對稱的電容負載來實作，本發明的電容性負載電路在軟 啟動線性電壓調節電路啟動時提供大電容值以及在感測輸出電流超過預定電 流值時提供小電容值，換言之，電容性負載電路可在軟啟動線性電壓調節電 路啟動時使線性電壓調節器緩慢地增加輸出電流，此外，電容性負載電路并 不會影響到應用在輸出電流的過電流保護。
圖1為現有的一線性電壓調節電路的電路方塊圖。 圖2為一軟啟動線性電壓調節電路的功能方塊圖。圖3為依據本發明一實施例軟啟動線性電壓調節電路的電路示意圖, 附圖標號控制模塊線性電壓調節電路 電流感測以及限制電路 線性電壓調節器 軟啟動線性電壓調節電路 電流感測以及比較電路 控制電路 電容性負載電路 節點28、 108、 210 10030、 10431、 102、 20229、 20032、 20433、 20834、 20635、 3具體實施方式
在說明書及權利要求當中使用了某些詞匯來指稱特定的組件。所屬領域 中具有通常知識者應可理解，制造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個組件。 本說明書及權利要求并不以名稱的差異來作為區分組件的方式，而是以組件 在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及后續的請求項當中所提 及的"包含"為一開放式的用語，故應解釋成"包含但不限定于"。以外，"耦 接" 一詞在此為包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一 第一裝置耦接于一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接于該第二裝 置，或通過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。請參照圖2，圖2為一軟啟動線性電壓調節電路29的功能方塊圖。如圖 2所示，軟啟動線性電壓調節電路29包含有一線性電壓調節器31以及一電流
感測以及限制電路30,當輸出電流I。ut超出一預定電流值時，電流感測以及比較電路32便感測到電流I。ut以及相應地在節點36輸出一電壓，該電壓可視為 一決定信號，為了響應在節點36的該電壓，控制電路33便在節點35會自動 調整該電壓，該電壓可視為節點35的一控制信號，如此一來，晶體管Mx的 柵極電壓便被調整以降低電流I。ut。軟啟動線性電壓調節電路29具有一第一模式以及一第二模式，舉例來說， 當該第二模式視為一正常模式時，該第一模式便視為一電流限制模式，電容 性負載電路34為一異步電容性負載電路，更具體的說，當軟啟動線性電壓調 節電路29從該電流限制模式轉換成該正常模式時，電容性負載電路34提供 節點36 —個大電容負載，當軟啟動線性電壓調節電路29從該正常模式轉換 成為該流限制模式時，電容性負載電路34提供節點36—個小電容負載，當 軟啟動線性電壓調節電路29關閉時，意即軟啟動線性電壓調節電路29不提 供電壓調整功能，電容性負載電路34便在節點36拉高該電壓，如此一來軟 啟動線性電壓調節電路29將進入該電流限制模式。當軟啟動線性電壓調節電路29在一開始啟動時，因為軟啟動線性電壓調 節電路29位于該電流限制模式，所以輸出電流I。ut便受限制，此時，軟啟動 線性電壓調節電路29通過逐漸地增加節點36的該電壓以緩慢地從電流限制 模式轉換成該正常模式，如此一來，輸出電流I。ut便緩慢的增加，最后達到穩 態。在一正常模式操作過程，當發生過電流(over-current)現象時，節點36 的該電壓便造成軟啟動線性電壓調節電路29從該正常模式轉變成該電流限制 模式，因為電容性負載電路34為一小電容負載，因此不會影響過電流保護的 反應速度，而達到實時反應的目的。請參照圖3，圖3為依據本發明一實施例軟啟動線性電壓調節電路200的 電路示意圖。如圖3所示，軟啟動線性電壓調節電路200包含有一線性電壓 調節器202、 一電流感測以及比較電路204、 一電容性負載電路206以及一控 制電路208，電流感測以及比較電路204、電容性負載電路206以及控制電路
208結合以作為一電流感測以及限制電路，而電容性負載電路206提供一"軟 啟動"機制，軟啟動線性電壓調節電路200與現有技術的線性電壓調節電路 100相似，軟啟動線性電壓調節電路200依據一輸入電壓Vin來提供一固定的 輸出電壓V。ut，而固定的輸出電壓V。ut作為外部電路(一電容器C^以及一電 阻器R,。ad)的一參考電壓，然而，相較于現有技術中的線性電壓調節電路100, 軟啟動線性電壓調節電路200啟動一軟啟動機制以產生一緩慢增加的I。ut來取代當啟動時所造成的一瞬間極大的輸出電流I。ut，之后再詳述此機制。在本實施例中，線性電壓調節器202包含有一控制模塊210、 一傳輸型晶 體管Mx以及電阻器R21以及R22，線性電壓調節器202是用來調整輸出電壓 Vout，控制模塊210通過一低消散(low drop out, LDO)控制電路來實作，并 受致能信號EN所控制(例如，致能信號EN位于低邏輯準位)來執行電壓調 整的功能。就電流感測以及比較電路204而言，電流感測以及比較電路204包含有 復數個晶體管M21-M22，請注意晶體管M22偏壓于偏壓電壓V^，電流感測以 及比較電路204可以感測輸出電流I。ut以得到感測輸出電流IR并監控是否感 測輸出電流In超過一預定電流值I目t，也就是說，電流感測以及比較電路204感測輸出電流I。ut并依據感測輸出電流IR以及預定電流值lHmit來輸出一決定信 號，如果感測輸出電流lK超過預定電流值I,imit，那輸出電流I。ut便超過一想要的電流限制，在本實施例中，偏壓晶體管M22作為一電流源以限定該預定電流值Iumit，此外，流過晶體管M22所在的該電流鏡路徑的感測輸出電流k被設計小于實際的輸出電流I。ut，在節點A的該決定信號代表在感測輸出電流IR以及預定電流值lHmit之間的一比較結果，并用來控制節點A的電壓位準，然 而，這僅是本發明一實施例，倘若實作上可以達到相同的電流感測以及比較功能其他的電路設計也可使用在電流感測以及比較電路204上。控制電路208包含有復數個晶體管M26-M29，而晶體管M26的開關狀態受 致能信號EN所控制，控制電路208用來依據電流感測以及比較電路204所產 生的該決定信號來調整該電壓V^
軟啟動線性電壓調節電路200以及現有的線性電壓調節電路100之間的 關鍵差異在于軟啟動線性電壓調節電路200包含有電容性負載電路206，如圖 3所示，電容性負載電路206包含有利用晶體管M23以及晶體管M24來實現的 一電流鏡、 一電容負載Cl以及利用晶體管M25來實現的一開關，而晶體管 M25的幵關狀態受致能信號ENb所控制，致能信號ENb的邏輯準位與致能信號 EN反向，在本實施例中，電容性負載電路206用來提供一非對稱的電容負載， 電容性負載電路206之后再詳述。
電流感測以及限制電路以電流感測以及比較電路204、電容性負載電路 206以及控制電路208來實現，以確保輸出電流I。ut維持在一預定電壓準位內，更具體地說，當感測輸出電流lK超過預定電流值I,imit時，電流感測以及限制 電路便降低輸出電流1。ut以將感測輸出電流In維持在一最高的臨界值(例如 Inmit)，在本實施例中，當致能信號EN位于低邏輯準位時，軟啟動線性電壓調 節電路200可正常的操作以達成電壓調整的目的，請注意，此時致能信號ENb 會位于高邏輯準位，另一方面， 一但致能信號EN轉換為高邏輯準位時，軟啟 動線性電壓調節電路200便會關閉，然后輸出電壓V。ut便降至0V，此外，節 點A的電壓位準便被拉高至輸入電壓Vin。
然后，當軟啟動線性電壓調節電路200啟動時，節點A的電壓位準將從 接近輸入電壓Vin的起始電壓位準往下拉，節點B的電壓位準便會隨著因為晶 體管M22活化而造成節點A的電壓位準降低而跟著往下拉， 一但節點B的電 壓位準下降而造成晶體管M23以及M24導通，那么從節點A看見的等效電容 值將被放大，在電容性負載電路206中，晶體管M23的寬/長(W/L)比例以 及晶體管M24的寬/長(W/L)比例分別為K1以及K2，其中K2/K1=K(K>1)， 換言之，對應到晶體管M24的第二電流鏡路徑比上對應到晶體管M23的第一電 流鏡路徑的一電流鏡射比例為K，因此，從節點A看見的等效電容負載等于 (1+K)XCL,在本實施例中，K遠大于一，也就是說從節點A看見的等效電容
負載會近似于KXCL，請注意，電容負載CL具有較小的電容值，因此電容性負載電路206的芯片面積便會比較小，所以，在圖3所示的電路架構中，電 容性負載電路206為可產生大電容值(IOCJ的一電容負載。因為大電容值(KxCD會造成節點A的電壓位準緩慢的下降，換言之，節點A的電壓位準會慢慢的拉低，晶體管M29便逐漸地關閉，因而導致晶體管M28的柵極電壓逐漸地增加以及緩慢的增加電壓VI，因此，輸出電流I。ut 流過傳輸型晶體管Mx的電流會慢慢的增加直到穩態為止，如此一來，將可防 止瞬間的大電流對軟啟動線性電壓調節電路200或耦接到軟啟動線性電壓調 節電路200的其他電路造成不可預期的傷害。此外，當致能信號EN位于低邏輯準位，軟啟動線性電壓調節電路200 可正常的操作以達成電壓調整的目的，在本實施例中，感測輸出電流lR超越 預定電流值I^it，所以，因為感測輸出電流lR超越預定電流值Itoit，節點A 的電壓位準便被拉高，當節點A的電壓位準上升時，晶體管M23以及M24便被關閉，此時，因為晶體管M25關閉，節點B便等效于一浮動端(floating end)， 因此，電容負載CL在對節點A的電壓位準不具有影響，之后，當節點B的電 壓位準足夠高時，二極管Di便會導通以連接節點B以及輸入電壓Vin，因為 電容負載CL具有小電容值，如此一來，將不會影響到調整輸出電流1。ut的反 應速度，簡而言之，就線性電壓調節電路200的啟動而言，電容負載206可 達到緩慢的拉高輸出電流I。ut的目的，這也是本說明說所稱的"軟啟動"機帝lj。在閱讀上述的說明之后，熟知此相技藝人士便可輕易了解，線性電壓調 節器202、電流感測以及比較電路204、電容性負載電路206以及控制電路208 也可用其他的電路設計來實作，也就是說，圖3所示的電路架構僅是本發明 的一實施例，而非發明的限制。總之，本發明提出一種方法以及其相關裝置來提供一 "軟啟動"機制， 該"軟啟動"機制通過一非對稱的電容負載(意即圖3所示的電容性負載電 路206)來實作，本發明的電容性負載電路206在軟啟動線性電壓調節電路200啟動時提供大電容值以及在感測輸出電流lR超過預定電流值Ilimit時提供小電容值，換言之，電容性負載電路206可在軟啟動線性電壓調節電路200啟 動時使線性電壓調節器202緩慢地增加輸出電流I。ut，此外，電容性負載電路 206并不會影響到應用在輸出電流I。ut的過電流保護。以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明權利要求所做的均等變 化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。
權利要求
1.一種電壓轉換器電路，其特征在于，該電壓轉換器電路包含有一電壓轉換器，用來產生對應于一控制信號的一輸出電流以調整一輸出電壓；以及一電流感測以及限制電路，耦接于所述的電壓轉換器，該電流感測以及限制電路包含有一電流感測以及比較電路，耦接于所述的電壓轉換器，用來依據一感測輸出電流與一預定電流值在一輸出端感測所述的輸出電流并輸出一決定信號；一控制電路，耦接于所述的電流感測以及比較電路的輸出端與電壓轉換器，用來依據所述的決定信號產生所述的控制信號以限制所述的輸出電流；以及一電容性負載電路，耦接于所述的電流感測以及比較電路的輸出端與控制電路，用來當所述的電壓轉換器電路從一第一模式轉換成一第二模式時，提供一第一電容予所述的輸出端，且當所述的電壓轉換器電路從所述的第二模式轉換成第一模式時，提供一第二電容予該輸出端。
2. 如權利要求1所述的電壓轉換器電路，其特征在于，所述的電壓轉換 器電路于啟動時進入所述的第一模式。
3. 如權利要求1所述的電壓轉換器電路，其特征在于，所述的第一電容 值大于所述的第二電容值。
4. 如權利要求1所述的電壓轉換器電路，其特征在于，所述的電容性負 載電路包含有一電流鏡電路，其具有一第一電流鏡路徑以及一第二電流鏡路徑，該電 流鏡電路于所述的電壓轉換器電路從一第一模式轉換成一第二模式時為致 能；以及一電容負載，其位于所述的第一電流鏡路徑。
5. 如權利要求4所述的電壓轉換器電路，其特征在于，所述的第二電流鏡路徑與所述的第一電流鏡路徑的一電流鏡比大于一。
6. 如權利要求4所述的電壓轉換器電路，其特征在于，所述的電容負載 另包含有一開關，耦接于所述的電容負載的兩端，該開關于所述的電壓轉換器電 路位于所述的第一模式或第二模式時為關閉，該開關在該電壓轉換器電路進 入第一模式之前為開啟。
7. —種電流限制方法，其特征在于，該電流限制方法包含有 產生對應于一控制信號的一輸出電流； 感測所述的輸出電流；在一輸出端比較一感測輸出電流與一預定電流值以產生一決定信號； 依據所述的決定信號產生所述的控制信號以限制所述的輸出電流；以及 當從一第一模式轉換成一第二模式時，提供一第一電容予所述的輸出端， 以及當從所述的第二模式轉換成第一模式時，提供一第二電容予所述的輸出一山頓。
8. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，當所述的方法啟動或當所述 的感測輸出電流超過所述的預定電流值時進入所述的第一模式。
9. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述的第一電容值大于所述 的第二電容值。
10. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，當從一第一模式轉換成一第 二模式時提供一第一電容予所述的輸出端以及當從所述的第二模式轉換成第 一模式時提供具有一第二電容予該輸出端的步驟包含有提供具有一第一電流鏡路徑以及一第二電流鏡路徑的一電流鏡電路； 當所述的電壓轉換器電路從一第一模式轉換成一第二模式時致能所述的 電流鏡電路；以及于所述的第一電流鏡路徑上設置一電容負載。
11. 如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述的第二電流鏡路徑與 第一電流鏡路徑的一電流鏡比大于一。
12. 如權利要求10所述的方法，其特征在于，當從一第一模式轉換成一第二模式時提供一第一電容予所述的輸出端以及當從該第二模式轉換成第一模式時提供一第二電容予所述的輸出端的步驟另包含有 于所述的電容性負載的兩端耦接一開關； 于所述的第一模式或第二模式時關閉所述的開關；以及 在進入所述的第一模式之前開啟該開關。
13. —種電流感測以及限制電路，其特征在于，該電流感測以及限制電路 包含有一電流感測以及比較電路，用來感測一輸出電流以及相應地輸出一決定信號到一節點；一控制電路，耦接于該節點，用來產生相對應于所述的決定信號的一控 制信號，該控制信號用來調整所述的輸出電流；以及一電容性負載電路，耦接于所述的節點，用來當所述的電流感測以及限 制電路從一第一模式轉換成一第二模式時，提供一第一電容予該節點，以及 當所述的電流感測以及限制電路從所述的第二模式轉換成第一模式時以及所 述的第一電容值大于第二電容值時，提供一第二電容予所述的節點。
14. 如權利要求13所述的電流感測以及限制電路，其特征在于，所述的 電流感測以及限制電路感測所述的輸出電流并比較一感測輸出電流與一預定 電流值以相應地輸出所述的決定信號。
15. 如權利要求13所述的電流感測以及限制電路，其特征在于，當所述 的電流感測以及限制電路開始啟動時，該電流感測以及限制電路已進入所述 的第一模式。
16. 如權利要求13所述的電流感測以及限制電路，其特征在于，所述的電容性負載電路包含有一電流鏡電路，其具有一第一電流鏡路徑以及一第二電流鏡路徑，該電 流鏡電路當所述的電流感測以及限制電路從一第一模式轉換成一第二模式時 致能；以及一電容負載，其位于所述的第一電流鏡路徑。
17. 如權利要求16所述的電流感測以及限制電路，其特征在于，所述的第二電流鏡路徑與所述的第一電流鏡路徑的一電流鏡比大于一。
18. 如權利要求16所述的電流感測以及限制電路，其特征在于，所述的電容性負載電路另包含有一開關，耦接于所述的電容性負載電路的兩端，該開關當所述的電流感 測以及限制電路處于所述的第一模式或第二模式時關閉，該開關在所述的電 流感測以及限制電路進入第一模式之前開啟。
全文摘要
本發明揭示一種電壓轉換器電路，其包含有一電壓轉換器與一電流感測以及限制電路。該電壓轉換器是用來產生對應于控制信號的輸出電流以調整輸出電壓。該電流感測以及限制電路包含有一電流感測以及比較電路，用來依據感測輸出電流以及預定電流值在輸出端感測該輸出電流以及輸出決定信號；一控制電路，用來依據決定信號產生控制信號以限制輸出電流；以及一電容性負載電路，用來當該電壓轉換器電路從第一模式轉換成第二模式時，提供第一電容予輸出端，且當電壓轉換器電路從第二模式轉換成第一模式時，提供第二電容予輸出端。
文檔編號H02M1/32GK101119069SQ20071013982
公開日2008年2月6日 申請日期2007年8月1日 優先權日2006年8月1日
發明者樓志宏, 陳弘易 申請人:聯發科技股份有限公司