TWI382660B - 軟啟動電路 - Google Patents

Description

軟啟動電路

本發明是有關於一種軟啟動電路，且特別是有關於一種用以產生具有一正值或負值之逐次變化之輸出電壓的軟啟動電路。

當電子裝置啟動時，為了避免電源啟動時引起的突波電流對電子裝置造成影響，常常在設計上會延長電子裝置電源啟動的時間。如沒有延長啟動時間的軟啟動機制，大量的突波電流將容易使電子裝置的連接介面或是內部元件造成損壞。因此，藉由控制供應電壓的上升率(ramp-up rate)，可以達到軟啟動機制的效果，以對電子裝置進行保護。軟啟動電路即是用以提供上述軟啟動機制的電路，然而，在上升過程中，控制每一個電壓層級的準確度以及上升率，決定了軟啟動電路的良劣。傳統的軟啟動電路係藉由使用複數個電阻來達成電壓逐級上升的軟啟動機制。如此的方式在電阻易受溫度影響下，較不理想，因此準確度將不夠精確。

因此，如何設計一個軟啟動電路，在產生具有正值或負值的逐次變化的輸出電壓時，能保有高準確度，乃為此一業界亟待解決的問題。

因此，本發明之一態樣是在提供一種軟啟動電路，包含：輸入級、泵級、第二電阻以及電容。輸入級用以接收輸入電壓，以於第一端點提供參考電流，其中輸入級包含第一電阻，俾使參考電流為輸入電壓及第一電阻之比值；泵級包含N個並聯且各包含電流源以及開關之電流分支，電流源連接於第一端點，開關連接於第二端點，以於開關工作於連接狀態時自電流源傳送電流至第二端點，以及於開關工作於斷開狀態時停止自電流源傳送電流，其中N個開關具有2^N 個依序執行之連接模式，以於第二端點產生具有逐次變化之輸出電流，以產生2^N 個電流層級；以及第二電阻及電容並聯於第二端點及接地電位間，俾接收輸出電流，於第二端點產生具有逐次變化之輸出電壓，以根據輸出電流及第二電阻之乘積產生2^N 個電壓層級。

應用本發明之優點係在於藉由具有不同的連接模式之開關的軟啟動電路，逐次且穩定地升高輸出電壓，而輕易地達到上述之目的。

請參照第1圖，係為本發明之第一實施例之軟啟動電路1之一示意圖。軟啟動電路1包含輸入級10、泵級12、第二電阻14以及電容16。輸入級10用以接收輸入電壓Vi以於第一端點11提供參考電流101。其中，輸入級10包含第一電阻100，俾使參考電流101之電流值為輸入電壓Vi及第一電阻R₁ 之比值。意即，如果參考電流101之電流值為Ir，則參考電流101、輸入電壓Vi及第一電阻R₁ 之關係式可表示為Ir=Vi/R₁ 。於本實施例中，輸入級10更包含操作放大器102以及N型金氧半電晶體104。其中操作放大器102係實質地接收輸入電壓Vi，以控制N型金氧半電晶體104，進而產生參考電流101。於其他實施例中，係可採用其他電路以產生參考電流101。

本實施例之泵級12包含七個並聯且各包含電流源120a以及開關120b之電流分支120。各電流分支120中的電流源120a連接於第一端點11，開關120b連接於第二端點13。當開關120b工作於連接狀態時，電流分支120自電流源120a傳送電流至第二端點13。而當開關120b工作於斷開狀態時，電流分支120停止自電流源120a傳送電流。七個電流分支120共具有七個開關120b，因此七個開關120b具有2⁷ 個連接模式。在2⁷ 個連接模式依序執行後，將於第二端點13產生具有逐次變化之輸出電流121，以產生2⁷ ，意即128個電流層級的輸出電流121。如果七個開關120b係工作於七個開關120b皆位於斷開狀態的連接模式，則泵級12將不會產生任何的輸出電流121。而如果七個開關120b中，僅具有最小電流值之電流源120a對應之開關120b位於連接狀態，則泵級12將產生最小值的輸出電流121。而如果七個開關120b係工作於七個開關120b皆位於連接狀態的連接模式，則泵級12將產生最大值的輸出電流121。在一實施例中，當參考電流101之電流值係為Ir，七個電流分支120之電流源120a之電流值係分別為Ir/2¹ 、Ir/2² 、Ir/2³ 、...、Ir/2⁷ 。則輸出電流121之最大值係為(1/2¹ ＋1/2² ＋1/2³ ＋...＋1/2⁷ )*Ir，係為一等於參考電流101之值。須注意的是，於其他實施例中，各電流分支120間的比值係可因應需求而變動。因此，如上所述，當連接模式依序自未產生任何電流的第一個連接模式，切換至產生最大值輸出電流121的最後一個連接模式，則將在第二端點13產生具有逐次變化之輸出電流121。並且，輸出電流121的上升率將可藉由各連接模式間的切換速度來進行精確的調整。於本實施例中，上述之逐次變化係為一正值，使輸出電流121往正的方向逐次增加，然而於其他實施例中，如果所產生的輸出電流121係為一負值，則逐次變化係為負值，使輸出電流121往負的方向逐次增加。而連接模式將依序自未產生任何電流的第一個連接模式，切換至產生最負值的輸出電流121的最後一個連接模式，並在第二端點13產生具有負向逐次變化之輸出電流121。

第二電阻14及電容16並聯於第二端點13及接地電位GND間，俾接收輸出電流121，以於第二端點13產生具有逐次變化之輸出電壓Vo，以根據輸出電流121及第二電阻14之乘積產生2⁷ 個電壓層級。如果輸出電壓之值為Vo、第二電阻14之電阻值為R₂ 且輸出電流之值為Io，則輸出電壓、第二電阻及輸出電流之關係係為Vo=R₂ ^＊ Io。當輸出電流121達到如上述之最大值，則輸出電壓係為Vo=R₂ ^＊ Io=R₂ ^＊ (1/2¹ +1/2² +1/2³ +...+1/2⁷ )^＊ Ir=R₂ ^＊ (1/2¹ +1/2² +1/2³ +...+1/2⁷ )^＊ Vi/R₁ 。須注意的是1/2¹ +1/2² +1/2³ +...+1/2⁷ 係為一趨近於1的值，因此上述的關係式可簡化為Vo=Vi^＊ R₂ /R₁ 。當第一及第二電阻100及14具有相同的阻值時，輸出電壓Vo之最大值係為輸入電壓Vi之一近似值。而於其他實施例中，當第二電阻14具有大於第一電阻100之阻值時，所產生之輸出電壓Vo之最大值係大於輸入電壓Vi。因此，輸出電壓Vo係可經由第一及第二電阻100及14阻值比例之設計而進行精確的調整。經由不同的連接模式之切換而產生的輸出電壓Vo以及輸出電流121，提供了精確的軟啟動機制，而使連接於第二端點13，用以接收輸出電壓Vo的一個外部電路18免於遭受突波電流的損害。須注意的是，於前述之負值的輸出電流之實施例中，所對應之輸出電壓亦為一負值，因此將產生具有負向逐次變化之輸出電壓Vo。連接模式將依序自未產生任何電壓的第一個連接模式，切換至產生最負值的輸出電壓Vo的最後一個連接模式，並在第二端點13產生具有負向逐次變化之輸出電壓Vo。

本實施例中的軟啟動電路藉由自未產生任何電流的第一個連接模式，切換至產生最大值輸出電流的最後一個連接模式，而產生具有逐次變化之輸出電流及輸出電壓，而達到軟啟動機制的效果。泵級中各電流分支所包含之電流源與容易遭受溫度影響的電阻相較之下穩定許多。因此，本實施例中的軟啟動電路提供了具有更精確的電壓、電流層級以及更精確的電壓、電流上升率的軟啟動機制。

請參照第2圖，係為本發明之第二實施例中，軟啟動電路2之示意圖。本實施例中的軟啟動電路2與第一實施例中的軟啟動電路相似，然而，軟啟動電路2更包含一下限電壓模組20實質連接於第二電阻14及該接地電位GND間。其中下限電壓模組20係用以傳送下限電壓Vb至第二端點13，以使第二端點13之電壓係為輸出電壓Vo及下限電壓Vb之總和。須注意的是，本實施例中的下限電壓模組20包含電阻200、操作放大器202以及N型金氧半電晶體204。操作放大器202接收下限電壓Vb以控制N型金氧半電晶體204，以傳送下限電壓Vb至第二端點13。於其他實施例中，係可採用其他種類的電路以達到傳送下限電壓的效果。下限電壓Vb提供了一個額外的電壓，係可使輸出電壓在達到最大值時，使外部電路18接收大於輸入電壓Vo之輸出電壓。下限電壓Vb之電壓值在不同的實施例中，係可因應不同之情況而做調整。

請參照第3圖，係為本發明之第三實施例中，軟啟動電路3之示意圖。本實施例中的軟啟動電路3與第一實施例中的軟啟動電路相似，然而，軟啟動電路3更包含一直接輸出模組30，其中外部電路18係連接於直接輸出模組30。直接輸出模組30係自第二端點13接收輸出電壓Vo，當泵級12之開關120b均工作於連接狀態而使輸出電壓Vo達到最大值時，直接輸出模組30係直接將輸入電壓Vi傳送至外部電路18。須注意的是，第一實施例中的輸出電壓Vo係僅為輸入電壓Vi之近似值，因此，如外部電路18須要精確的電壓準位時，直接輸出模組30係可在軟啟動過程結束後提供精確的電壓準位給外部電路18。更進一步地，本實施例亦可應用於第二實施例中，使當泵級12之開關120b均工作於連接狀態而使輸出電壓Vo達到最大值時，直接輸出模組30係直接將輸入電壓Vi及下限電壓Vb之總和傳送至外部電路18。

本發明之軟啟動電路可藉由電流源及開關產生具有逐次變化之輸出電壓，以達到具有高精確度及高穩定度之軟啟動機制。更進一步地，輸出電壓之最大值準位可藉由第一及第二電阻間的比值，或是下限電壓之設計來進行調整。並且，直接輸出模組之設計更可維持輸出電壓最大值之精確度。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1．．．軟啟動電路

10．．．輸入級

100．．．第一電阻

101．．．參考電流

102．．．操作放大器

104．．．N型金氧半電晶體

11．．．第一端點

12．．．泵級

120．．．電流分支

120a．．．電流源

120b．．．開關

121．．．輸出電流

13．．．第二端點

14．．．第二電阻

16．．．電容

18．．．外部電路

20．．．下限電壓模組

200．．．電阻

202．．．操作放大器

204．．．N型金氧半電晶體

30．．．直接輸出模組

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係為本發明之第一實施例之軟啟動電路之示意圖；

第2圖係為本發明之第二實施例之軟啟動電路之示意圖；以及

第3圖係為本發明之第三實施例之軟啟動電路之示意圖。

1．．．軟啟動電路

10．．．輸入級

100．．．第一電阻

101．．．參考電流

102．．．操作放大器

104．．．N型金氧半電晶體

11．．．第一端點

12．．．泵級

120．．．電流分支

120a．．．電流源

120b．．．開關

121．．．輸出電流

13．．．第二端點

14．．．第二電阻

16．．．電容

18．．．外部電路

Claims (10)

1. 一種軟啟動(soft-start)電路，包含：一輸入級，用以接收一輸入電壓，以於一第一端點提供一參考電流，其中該輸入級包含一第一電阻，俾使該參考電流為該輸入電壓及該第一電阻之一比值；一泵級(pump stage)，包含N個並聯且各包含一電流源以及一開關之電流分支，該電流源連接於該第一端點，該開關連接於一第二端點，以於該開關工作於一連接狀態時自該電流源傳送一電流至該第二端點，以及於該開關工作於一斷開狀態時停止自該電流源傳送該電流，其中該N個開關具有2^N 個依序執行之連接模式，以於該第二端點產生具有一逐次變化之一輸出電流，以產生2^N 個電流層級；一第二電阻以及一電容，係並聯於該第二端點及一接地電位間，俾接收該輸出電流，於該第二端點產生具有一逐次變化之一輸出電壓，以根據該輸出電流及該第二電阻之一乘積產生2^N 個電壓層級；以及一直接輸出模組，其中一外部電路係連接於該直接輸出模組，該直接輸出模組係自該第二端點接收該輸出電壓，當該等開關均工作於該連接狀態而使該輸出電壓達到一最大值，該直接輸出模組係直接將該輸入電壓傳送至該外部電路。
2. 如請求項1所述之軟啟動電路，其中該參考電流之電流值係為Ir，該N個電流分支之電流源之電流值係分 別為Ir/2¹ 、Ir/2² 、Ir/2³ 、...、Ir/2^N 。
3. 如請求項2所述之軟啟動電路，其中該第一及第二電阻係具有相同之一電阻值，該輸出電壓之最大值係近似於該輸入電壓。
4. 如請求項3所述之軟啟動電路，其中一外部電路係連接於該第二端點，用以接收該輸出電壓。
5. 如請求項2所述之軟啟動電路，其中該第二電阻係具有大於該第一電阻之一電阻值，該輸出電壓之一最大值係大於該輸入電壓。
6. 如請求項1所述之軟啟動電路，更包含一下限(lower bound)電壓模組實質連接於該第二電阻及該接地電位間，其中該下限電壓模組係用以傳送一下限電壓至該第二端點，以使該第二端點之電壓係為該輸出電壓及該下限電壓之總和。
7. 如請求項6所述之軟啟動電路，其中一外部電路係連接於該第二端點，用以接收該輸出電壓及該下限電壓之總和。
8. 如請求項6所述之軟啟動電路，更包含一直接輸 出模組，其中一外部電路係連接於該直接輸出模組，該直接輸出模組係自該第二端點接收該輸出電壓，當該等開關均工作於該連接狀態而使該輸出電壓達到一最大值，該直接輸出模組係直接將該輸入電壓及該下限電壓之總和傳送至該外部電路。
9. 如請求項1所述之軟啟動電路，其中該逐次變化係為一正值。
10. 如請求項1所述之軟啟動電路，其中該逐次變化係為一負值。