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    一種用於一電源轉換器之軟式關機(soft-stop)裝置包含有一第一訊號端，用來接收對應於該電源轉換器之輸出電壓之一第一訊號；一第二訊號端，用來接收一關機訊號，該關機訊號用來將該電源轉換器關機；一放電開關，用來根據一控制訊號，控制該第一訊號端至該地端之間的電性連結；一取樣及保持(sample-and-hold)單元，用來於該第二訊號端接收到該關機訊號時，取樣該第一訊號端所接收之該第一訊號，以產生一關機參考電壓；以及一關機控制單元，用來根據該第一訊號及該關機參考電壓，產生該控制訊號。
    公开号:TW201322608A
    申请号:TW100142517
    申请日:2011-11-21
    公开日:2013-06-01
    发明作者:Ciou-Fong Li
    申请人:Anpec Electronics Corp；
    IPC主号:H02M1-00
    专利说明:
    軟式關機裝置及電源轉換器
    本發明係指一種軟式關機裝置及電源轉換器，尤指一種在關機時可直接取樣電源轉換器的輸出電壓，使輸出電壓可以完全放電的軟式關機裝置及電源轉換器。
    電源轉換器(power convertor)為電子裝置重要的一部分，其可將一輸入電壓轉換為一不同準位的輸出電壓。一般而言，電源轉換器關機時需要確保其輸出電壓歸零，否則下次開機運作時，殘存的輸出電壓將造成電源轉換器無法從零電位啟動，而可能導致電路損壞或電感電流向電壓輸入端逆流情形。
    請參考第1圖，第1圖為一習知電源轉換器10之示意圖。電源轉換器10為一切換式(switching-mode)降壓(buck)電源轉換器，其可將一輸入電壓VIN轉換為一較低的輸出電壓VOUT。電源轉換器10包含有一控制模組100、一功率級電路102及一回授電路104。控制模組100可比較回授電路104所產生之一回饋訊號VFB與一參考電壓VRF之間的差異，並據以產生互為反向之驅動訊號VDRV、VDRV_B至功率級電路102。功率級電路102係由一上橋開關N1、一下橋開關N2、一電感L及一電容C所組成，其係根據驅動訊號VDRV、VDRV_B，切換輸入電壓VIN或地端與電感L之連結，進而透過電感電容效應，將輸入電壓VIN轉換為適當之輸出電壓VOUT。回授電路104係由電阻R1、R2所組成，其係透過分壓方式將輸出電壓VOUT分壓而得回饋訊號VFB，換言之，VFB=VOUT×R2/(R1+R2)。
    當關機時，電源轉換器10可將參考電壓VRF設為零，而控制模組100會依據回饋訊號VFB與參考電壓VRF間的差距，控制功率級電路102使輸出電壓VOUT降低。然而，回饋訊號VFB無法確實對應輸出電壓VOUT的狀況。當回饋訊號VFB與電壓VOUT間的分壓比過高時，回饋訊號VFB與參考電壓VRF之間的些微偏移(offset)將造成關機時輸出電壓VOUT存在殘留電壓而無法確實被放電至零。假設回饋訊號VFB與電壓VOUT間的分壓比為VFB：VOUT=1:5，若回饋訊號VFB與電壓VOUT之間存在些微偏移(如100mV)，將造成關機時輸出電壓VOUT存在一等比例的殘留電壓(如500mV)。而輸出電壓VOUT較高時，更會惡化此電壓殘留情形。於下次電源轉換器10開機，而上橋開關N1導通時，殘留於電容C上的輸出電壓VOUT有可能會造成電感L產生一逆向電流向電壓輸入端VIN逆流的情形。
    因此，如何改善習知電源轉換器關機時電壓殘留情形，已成為業界所努力的目標之一。
    因此，本發明提供一種軟式關機裝置及其相關電源轉換器，用來於關機時，將電源轉換器之輸出電壓歸零。
    本發明係揭露一種軟式關機(soft-stop)裝置，用於一電源轉換器，該電源轉換器用來將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，該軟式關機裝置包含有一第一訊號端，用來接收對應於該輸出電壓之一第一訊號；一第二訊號端，用來接收一關機訊號，該關機訊號用來將該電源轉換器關機；一放電開關，耦接於該第一訊號端與一地端之間，用來根據一控制訊號，控制該第一訊號端至該地端之間的電性連結；一取樣及保持(sample-and-hold)單元，耦接於該第一訊號端及該第二訊號端，用來於該第二訊號端接收到該關機訊號時，取樣該第一訊號端所接收之該第一訊號，以產生一關機參考電壓；以及一關機控制單元，用來根據該第一訊號及該關機參考電壓，產生該控制訊號。
    本發明係另揭露一種電源轉換器，用來將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，該電源轉換器包含有一控制模組，用來提供一控制訊號；一功率級電路，用來接收該輸入電壓，並根據該控制訊號，提供該輸出電壓；以及一種軟式關機(soft-stop)裝置，包含有一第一訊號端，用來接收對應於該輸出電壓之一第一訊號；一第二訊號端，用來接收一關機訊號，該關機訊號用來將該電源轉換器關機；一放電開關，耦接於該第一訊號端與一地端之間，用來根據一控制訊號，控制該第一訊號端至該地端之間的電性連結；一取樣及保持(sample-and-hold)單元，耦接於該第一訊號端及該第二訊號端，用來於該第二訊號端接收到該關機訊號時，取樣該第一訊號端所接收之該第一訊號，以產生一關機參考電壓；以及一關機控制單元，用來根據該第一訊號及該關機參考電壓，產生該控制訊號。
    請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一電源轉換器20之示意圖。電源轉換器20為一切換式(switching-mode)降壓(buck)電源轉換器，其可將一輸入電壓VIN轉換為一較低的輸出電壓VOUT。電源轉換器20包含有一控制模組200、一功率級電路202、一回授電路204及一軟式關機(soft-stop)電路206。控制模組200、功率級電路202、及回授電路204之運作方式及架構與第1圖之控制模組100、功率級電路102及回授電路104類似，因此沿用相同元件符號。電源轉換器20與電源轉換器10不同之處在於電源轉換器20增加了軟式關機電路206，其可於關機時，依據輸出電壓VOUT將下橋開關N2導通，以將殘存之輸出電壓VOUT完全放電至零，從而避免電路損壞或電感電流向電壓輸入端逆流情形。
    詳細而言，軟式關機電路206可依據一關機(shut-down)訊號SD將電源轉換器20關機。當關機訊號SD未指示關機時，軟式關機電路206被禁能(disable)，而控制模組200被啟能(enable)，使電源轉換器20進行正常電壓轉換運作。當關機訊號SD指示關機時，控制模組200將被禁能，而軟式關機電路206被啟能，使電源轉換器20停止電壓轉換運作，並進行軟式關機機制。此時，軟式關機電路206可依據對應於輸出電壓VOUT之一相位訊號VP控制下橋開關N2導通，並透過一負回授(negative feedback)機制，使殘存之輸出電壓VOUT經由一放電電流ID的路徑被放電至地。在習知技術中，電源轉換器10根據輸出電壓VOUT分壓後的回饋訊號VFB控制關機時的放電機制，故造成殘留電壓的問題。相較之下，電源轉換器20直接利用對應於輸出電壓VOUT的相位訊號VP，而不進行分壓，從而可以確保關機時輸出電壓VOUT得以完全放電。
    進一步地，請參考第3圖，第3圖為軟式關機電路206之一實施例示意圖。軟式關機電路206包含有一取樣及保持(sample-and-hold)單元300、一關機控制單元302及一切換單元303。切換單元303係由開關316、318及320所組成，其係根據關機訊號SD(或關機訊號SD的反相訊號SDB)，控制軟式關機電路206及控制模組200與功率級電路202之間的連結。取樣及保持單元300係由一取樣開關304及一儲壓單元306所組成，其係於關機訊號SD指示關機(如SD=1)時，將相位訊號VP取樣為一關機參考電壓VREF。關機控制單元302係由一參考電壓放電開關308、一電流源310及一運算放大器312所組成，其係於關機訊號SD指示關機時，將關機參考電壓VREF放電，並比較關機參考電壓VREF及相位訊號VP而產生一控制訊號CON。
    詳細而言，當電源轉換器20處於正常轉換運作時(如SD=0)，切換單元303將開關318、320導通，而將開關316斷開，因此控制模組200被啟能(enable)，而軟式關機電路206被禁能(disable)。在電源轉換器20關機時(SD=1)，切換單元303將開關318、320斷開，而將開關316導通，故控制模組200被禁能(disable)，而軟式關機電路206被啟能(enable)。此時，取樣及保持單元300將取樣開關304斷開，以將關機瞬間的相位訊號VP取樣為關機參考電壓VREF，並儲存於儲壓單元306之一電容314中。接著，關機控制單元302將參考電壓放電開關308導通，以透過電流源310之一固定電流I使關機參考電壓VREF被放電，並線性下降至一地端電位。運算放大器312產生之控制訊號CON可將下橋開關N2導通，使相位訊號VP經由放電電流ID的路徑被放電至地而降低。因此，透過此負回授機制，運算放大器312可強迫其正輸入端的相位訊號VP跟隨負端的關機參考電壓VREF而變化，使相位訊號VP跟隨關機參考電壓VREF線形下降至零。另外，由於電源轉換器20停止轉換運作時，切換單元303會將控制模組200禁能，而功率級電路202的上橋開關N1及下橋開關N2皆處於斷開狀態，故此時電感L等同於一導線，因此相位訊號VP即等於輸出訊號VOUT。因此，相位訊號VP跟隨關機參考電壓VREF線性下降至零時，可確保輸出電壓VOUT亦線性下降至零，而不會存在殘留電壓。
    請參考第4圖，第4圖為第3圖所示之軟式關機電路206運作時相關訊號之時序圖。在電源轉換器20尚未關機(即關機訊號SD=0)並處於正常轉換運作時，輸出電壓VOUT、相位訊號VP及關機參考電壓VREF的波形係如第4圖所示。在電源轉換器20關機時(即關機訊號SD=1)，相位訊號VP停止變動且等於輸出電壓VOUT，而取樣及保持單元300將取樣並儲存此時的輸出電壓VOUT，作為關機參考電壓VREF。隨後，參考電壓放電開關308導通，使電流源310開始將儲存於取樣及保持單元300的關機參考電壓VREF放電。假設電容314的電容值為C、電流源310的電流為固定值I，且輸出電壓VOUT於關機瞬間的電壓為VOUT_SD，則關機參考電壓VREF將呈現線形下降，並於一放電時間T後降至0。其中，放電時間T可表達為T=C*VOUT_SD/I。
    因此，第3圖之軟式關機電路206可透過取樣及保持單元300直接取樣電源轉換器20關機瞬間之輸出電壓VOUT，再利用關機控制單元302，使關機時殘存之輸出電壓可透過負回授機制被完全放電至零。需注意的是，第3圖所示之軟式關機電路206係配合切換式降壓應用，其中，在關機時，下橋開關N2係作為放電開關。然而，本領域技術人員可對軟式關機電路206做適當調整，以符合不同應用的需求。舉例而言，於另一實施例中，軟式關機電路206可不包含切換模組303。另外，當所應用之電源轉換器不包含有上下橋結構時，則軟式關機電路206必須額外增設一放電開關。
    舉例來說，請參考第5圖及第6A、6B圖，其為依據本發明不同實施例，適當修改軟式關機電路206而應用於不同類型電源轉換器之示意圖。第5圖為本發明實施例一電源轉換器50之示意圖。電源轉換器50包含有一控制模組500、一功率級電路502、一回授電路504及一軟式關機電路506。電源轉換器50為一切換式升壓(boost)轉換器，其可將輸入電壓VIN轉換為一較高的輸出電壓VOUT，而其運作為本領域技術人員所熟知，不在此贅述。軟式關機電路506之架構與第3圖之軟式關機電路206類似，唯不包含切換模組303，因此相同元件以相同符號表示。詳細來說，軟式關機電路506係由一放電開關ND以及第3圖所示的取樣及保持單元300及關機控制單元302所組成。不同於第2圖所示的軟式關機電路206，由於在電源轉換器50中，功率級電路502所包含的電感L位於輸入電壓端，而非輸出電壓端，故軟式關機電路506可直接取樣輸出電容C的電壓，以得知輸出電壓VOUT，而不需取樣對應於輸出電壓VOUT的相位訊號VP。另外，由於電源轉換器50之功率級電路502缺少電源轉換器20中下橋開關N2的結構，故需額外增設放電開關ND，使關機時殘留於輸出電容C的輸出電壓VOUT可透過放電電流ID的路徑被放電至地。
    請繼續參考第6A、6B圖，第6A圖為本發明另一實施例電源轉換器60之示意圖。電源轉換器60包含有一控制模組600、一功率級電路602及一軟式關機電路604。電源轉換器60為一低壓降(Low-Dropout，LDO)線性電源轉換器，其可將輸入電壓VIN轉換為一較低的輸出電壓VOUT，而其運作為本領域技術人員所熟知，故不在此贅述。軟式關機電路604係由一放電開關ND以及第3圖所示的取樣及保持單元300及關機控制單元302所組成。電源轉換器60非切換式電源轉換器，故缺少電源轉換器20中的電感L。因此，不同於軟式關機電路206，軟式關機電路604係將可直接取樣輸出電容C上的輸出電壓VOUT。另外，功率級電路602缺少電源轉換器20中下橋開關N2的結構，因此軟式關機電路604需額外增設放電開關ND，使關機時殘留於輸出電容C的輸出電壓VOUT可透過放電電流ID的路徑被放電至地。另一方面，於另一實施例中，電源轉換器60的功率級電路602之功率電晶體N1亦可設置於包含控制模組600之一控制晶片620內部，如第6B圖中之電源轉換器62所示。
    需注意的是，本發明的精神在於透過直接取樣輸出電壓(或對應於輸出電壓的訊號)，而非僅取樣輸出電壓分壓後的訊號作為參考電壓。因此，透過負回授機制，關機時殘存之輸出電壓可以被完全放電至零，而不會產生與分壓比相關的一殘存電壓。根據不同應用，本領域技術人員可據以作出適當變化或調整。例如，本發明之軟式關機電路不限用於切換式電源轉換器或線性電源轉換器，而可用於不同電源轉換器、穩壓器(voltage regulator)、電源供應器等裝置或任何其他需確保每次開機時輸出電壓歸零的應用。另外，取樣輸出端以產生關機電路所需的參考電壓時，較佳地可直接取樣自輸出電壓，或取樣一對應於輸出電壓的訊號。另外，關機控制單元302之電流源I及取樣及保持單元300之電容C之值皆可依系統需求而定，使關機後輸出電壓以不同速度下降至零。而關機時輸出電壓亦不限於線性下降，亦可呈現曲線下降，只要能夠使關機後輸出電壓逐漸下降，且不會存在殘留電壓皆可實現本發明之軟式關機電路。
    綜上所述，不同於習知技術取樣輸出電壓分壓後的訊號作為參考電壓，本發明之軟式關機電路直接取樣自輸出電壓(或對應於輸出電壓的訊號)。因此，在關機時，可透過負回授將殘存之輸出電壓完全放電至零，而不會在分壓比較高時，產生殘存輸出電壓的情形。
    以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
    10、20、50、60、62．．．電源轉換器
    100、200、500、600．．．控制模組
    102、202、502．．．功率級電路
    104、204、504．．．回授電路
    206、506、604．．．軟式關機電路
    300．．．取樣及保持單元
    302．．．關機控制單元
    303．．．切換單元
    304．．．取樣開關
    306．．．儲壓單元
    308．．．參考電壓放電開關
    310．．．電流源
    312．．．運算放大器
    314．．．電容
    318、320、316．．．開關
    N1．．．上橋開關
    N2．．．下橋開關
    ND．．．放電開關
    C．．．電容
    L．．．電感
    VP．．．相位訊號
    VREF．．．關機參考電壓
    VRF．．．參考電壓
    SD．．．關機訊號
    SDB．．．反相關機訊號
    VDRV、VDRV_B．．．驅動訊號
    第1圖為一習知電源轉換器之示意圖。
    第2圖為本發明實施例一電源轉換器之示意圖。
    第3圖為第1圖中電源轉換器細部之示意圖。
    第4圖為第1圖中電源轉換器之一軟式關機電路運作之相關訊號時序示意圖。
    第5圖為本發明實施例一電源轉換器之示意圖。
    第6A、6B圖為本發明實施例電源轉換器之示意圖。
    20．．．電源轉換器
    200．．．控制模組
    202．．．功率級電路
    204．．．回授電路
    206．．．軟式關機電路
    N1．．．上橋開關
    N2．．．下橋開關
    VIN．．．輸入電壓
    VOUT．．．輸出電壓
    ID．．．電流
    L．．．電感
    C．．．電容
    VP．．．相位訊號
    SD．．．關機訊號
    VDRV、VDRV_B．．．驅動訊號
    权利要求:
    Claims (12)
    [1] 一種軟式關機(soft-stop)裝置，用於一電源轉換器，該電源轉換器用來將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，該軟式關機裝置包含有：一第一訊號端，用來接收對應於該輸出電壓之一第一訊號；一第二訊號端，用來接收一關機訊號，該關機訊號用來將該電源轉換器關機；一放電開關，耦接於該第一訊號端與一地端之間，用來根據一控制訊號，控制該第一訊號端至該地端之間的電性連結；一取樣及保持(sample-and-hold)單元，耦接於該第一訊號端及該第二訊號端，用來於該第二訊號端接收到該關機訊號時，取樣該第一訊號端所接收之該第一訊號，以產生一關機參考電壓；以及一關機控制單元，用來根據該第一訊號及該關機參考電壓，產生該控制訊號。
    [2] 如請求項1所述之軟式關機裝置，其中該取樣及保持單元包含有：一儲壓單元，用來儲存該關機參考電壓；以及一取樣開關，耦接於該第一訊號端、該儲壓單元及該第二訊號端，用來於該第二訊號端未接收到該關機訊號時，保持該第一訊號端至該儲壓單元之連結，以及於該第二訊號端接收到該關機訊號時斷開該第一訊號端至該儲壓單元之連結，以將該第一訊號取樣為該關機參考電壓。
    [3] 如請求項1所述之軟式關機裝置，其中該關機控制單元包含有：一電流源，用來提供一電流；一運算放大器，包含有一負輸入端耦接於該取樣及保持單元，一正輸入端耦接於該第一訊號端，及一輸出端，用來比較該第一訊號及該關機參考電壓，以由該輸出端輸出該控制訊號；一參考電壓放電開關，包含有一第一端耦接於該取樣及保持單元與該運算放大器之該負輸入端之間，一第二端耦接於該電流源，及一第三端耦接於該第二訊號端，用來於該第二訊號端接收到該關機訊號時導通該第一端至該第二端之連結，以透過該電流源將該關機參考電壓放電。
    [4] 如請求項1所述之軟式關機裝置，其中該電源轉換器係一切換式降壓(buck)電源轉換器，該放電開關係該切換式降壓電源轉換器之一下橋開關。
    [5] 如請求項4所述之軟式關機裝置，其另包含一切換模組，用來於該第二訊號端未接收到該關機訊號時，保持該切換式降壓電源轉換器之一控制模組與該下橋開關之連結，並斷開該關機控制單元與該下橋開關之連結，以及於該第二訊號端接收到該關機訊號時，斷開該控制模組與該下橋開關之連結，並保持該關機控制單元與該下橋開關之連結。
    [6] 如請求項1所述之軟式關機裝置，其中該電源轉換器為一線形(linear)電源轉換器或一切換式升壓(boost)電源轉換器。
    [7] 一種電源轉換器，用來將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，該電源轉換器包含有：一控制模組，用來提供一控制訊號；一功率級電路，用來接收該輸入電壓，並根據該控制訊號，提供該輸出電壓；以及一種軟式關機(soft-stop)裝置，包含有：一第一訊號端，用來接收對應於該輸出電壓之一第一訊號；一第二訊號端，用來接收一關機訊號，該關機訊號用來將該電源轉換器關機；一放電開關，耦接於該第一訊號端與一地端之間，用來根據一控制訊號，控制該第一訊號端至該地端之間的電性連結；一取樣及保持(sample-and-hold)單元，耦接於該第一訊號端及該第二訊號端，用來於該第二訊號端接收到該關機訊號時，取樣該第一訊號端所接收之該第一訊號，以產生一關機參考電壓；以及一關機控制單元，用來根據該第一訊號及該關機參考電壓，產生該控制訊號。
    [8] 如請求項7所述之電源轉換器，其中該取樣及保持單元包含有：一儲壓單元，用來儲存該關機參考電壓；以及一取樣開關，耦接於該第一訊號端、該儲壓單元及該第二訊號端，用於該第二訊號端未接收到該關機訊號時，保持該第一訊號端至該儲壓單元之連結，以及於該第二訊號端接收到該關機訊號時斷開該第一訊號端至該儲壓單元之連結，以將該第一訊號取樣為該關機參考電壓。
    [9] 如請求項7所述之電源轉換器，其中該關機控制單元包含有：一電流源，用來提供一電流；一運算放大器，包含有一負輸入端耦接於該取樣及保持單元，一正輸入端耦接於該第一號端，及一輸出端，用來比較該第一訊號及該關機參考電壓，以由該輸出端輸出該控制訊號；以及一參考電壓放電開關，包含有一第一端耦接於該取樣及保持單元與該運算放大器之該負輸入端之間，一第二端耦接於該電流源，及一第三端耦接於該第二訊號端，用來於該第二訊號端接收到該關機訊號時導通該第一端至該第二端之連結，以透過該電流源將該關機參考電壓放電。
    [10] 請求項7所述之電源轉換器，其中該電源轉換器係一切換式降壓(buck)電源轉換器，該放電開關係該功率級電路之一下橋開關。
    [11] 如請求項10所述之電源轉換器，其另包含一切換模組，用來於該第二訊號端未接收到該關機訊號時，保持該控制模組與該下橋開關之連結，並斷開該關機控制單元與該下橋開關之連結，以及於該第二訊號端接收到該關機訊號時，斷開該控制模組與該下橋開關之連結，並保持該關機控制單元與該下橋開關之連結。
    [12] 如請求項7所述之電源轉換器，其中該電源轉換器為一線形(linear)電源轉換器或一切換式升壓(boost)電源轉換器。
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    法律状态:
    优先权:
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