CN101604907A - 用于电源设备的过电流保护装置及相关的电源设备 - Google Patents
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Abstract
用于电源设备的过电流保护装置，包含有接收端，用来接收电流感测信号；补偿电流单元，耦接于该接收端，用来补偿该电流感测信号，以产生电流感测补偿信号；第一参考电压产生单元，用来产生第一参考电压；比较器，耦接于该补偿电流单元及该第一参考电压产生单元，用来比较该电流感测补偿信号及该第一参考电压，以产生一比较结果；控制单元，耦接于该比较器，用来根据该比较结果，控制该电源设备的功率开关的导通状态。
Description
技术领域
本发明提供一种用于电源设备的过电流保护装置及相关的电源设备，尤其指一种可使得对应于不同输入电压开始进行过电流保护的电压得以一致的过电流保护装置及相关的电源设备。
背景技术
电源设备是用来提供电子装置操作所需的电源，依其电路结构，通常可分为线性电源设备(Linear Power Supply)及切换式电源设备(Switching PowerSupply)等两种。其中，切换式电源设备具有体积小、重量轻及转换效率高的优点，使得其已被广泛地运用至各领域，例如行动通讯装置、个人数字助理、计算机与接口设备、服务器以及网络设备等电子装置中。
为求电源设备正常稳定的运作，电源设备的控制电路中的保护机制是非常重要的部分，例如过电压、过电流、过功率等保护功能，一旦遇有过载或短路的情况发生，配备有周全的保护机制的电源设备便可避免内部组件或相关设备遭受损害。
请参考图1，图1为公知的电源设备100的示意图。电源设备100包含变压器102、功率开关104、电流感测单元106、比较器108及脉冲宽度调制控制单元110。变压器102包含一次侧电路L1及二次侧电路L2，用来将输入信号VIN转换为输出信号VOUT。功率开关104耦接于一次侧电路L1，用以控制变压器102的操作。在图1中，功率开关104由功率晶体管Q1实现，其可根据脉冲宽度调制控制单元110所输出的控制信号，来控制其切换至导通状态或是关闭状态。电流感测单元106耦接于该功率晶体管Q1的漏极，其由电流感测电阻RCS实现，用来提供电流感测信号VCS，以估测流过功率晶体管Q1的一次侧电流IL1的大小与变化情形。比较器108用于比较电流感测信号VCS与参考电压VREF，使得脉冲宽度调制控制单元110可据以判断是否已达过电流保护范围。例如，当电流感测信号VCS高于该参考电压VREF时，比较器108可传送指示信号SOC至脉冲宽度调制控制单元110，以指示过电流，则脉冲宽度调制控制单元110可控制功率晶体管Q1关闭，以降低一次侧电流IL1的大小。
上述的保护机制，经由电流感测信号VCS与参考电压VREF的比较，将电流控制在适当的范围内以达到保护的目的。然而，当电流感测信号VCS高于参考电压VREF时，由于电路中必定存在非理想因素，使得功率开关104并非实时关闭，尚需一段时间后，脉冲宽度调制控制单元110才能关闭功率开关104。也就是，自检测出过电流发生到功率开关104实际停止导通之间，存在着传递延迟时间Tdelay，因而实际停止导通的电流大小会略高于设定值。换句话说，开始进行过电流保护时的电压(以下简称保护点电压)会比过电流发生时的电压大，且在不同输入电压VIN的情况下，保护点电压亦会不同。
详细来说，请参考图2，图2为传递延迟时间对不同输入电压的保护点电压差异的示意图。电源设备100的输入电压值VIN与电流感测信号VCS电压值上升斜率呈正比。也就是，当参考电压VREF的大小相同时，一高输入电压VH会产生斜率较大的电流感测信号，而一低输入电压VL则产生斜率较小的电流感测信号；其中，同一电源设备中有相同的传递延迟时间Tdelay，传递延迟时间Tdelay与输入电压大小无关。如图2所示，当电流感测信号VCS上升至参考电压VREF的功率限制准位时，即电流感测信号VCS大于或等于参考电压VREF时，比较器108传送指示信号SOC至脉冲宽度调制控制单元110，以将功率晶体管Q1关闭。经传递延迟时间Tdelay后，功率开关104始关闭，则一次侧电路L1电流IL1随之切断。自检测出过电流发生至功率开关104实际停止导通的时间，输入电压会持续传递功率，使得对应于高输入电压VH的保护点电压为VOPPH，而对应于低输入电压VL的保护点电压为VOPPL。换句话说，保护点电压会高于参考电压VREF，且输入电压越高，差异状况越明显。在此情形下，当交流输入电压在90～264V的大范围内变化，保护点会严重漂移，使得高低输入电压的输出功率的落差极大。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种用于电源设备的过电流保护装置及其相关电源设备。
本发明公开了一种防止过电流损害的电源设备，包含有输入级，用来对输入信号整流及滤波以产生第一电源信号；变压装置，包含有一次侧电路，耦接于该输入级，及二次侧电路，用来将该第一电源信号转换成第二电源信号；功率开关，耦接于该一次侧电路；电流感测单元，耦接于该功率开关，用来感测流经该功率开关的该一次侧电路的电流，以产生电流感测信号；输出级，耦接于该变压装置，用来将该第二电源信号输出至负载；以及过电流保护装置，耦接于该电流感测单元及该功率开关，包含有接收端，用来接收该电流感测信号；补偿电流单元，耦接于该接收端，用来补偿该电流感测信号，以产生电流感测补偿信号；第一参考电压产生单元，用来产生第一参考电压；比较器，耦接于该补偿电流单元及该第一参考电压产生单元，用来比较该电流感测补偿信号及该第一参考电压，以产生比较结果；控制单元，耦接于该比较器及该功率开关，用来根据该比较结果，控制该功率开关的导通情形。
本发明还公开了一种用于电源设备的过电流保护装置，包含有接收端，用来接收电流感测信号；补偿电流单元，耦接于该接收端，用来补偿该电流感测信号，以产生电流感测补偿信号；第一参考电压产生单元，用来产生第一参考电压；比较器，耦接于该补偿电流单元及该第一参考电压产生单元，用来比较该电流感测补偿信号及该第一参考电压，以产生比较结果；控制单元，耦接于该比较器，用来根据该比较结果，控制该电源设备的功率开关的导通状态。
附图说明
图1为公知电源设备的示意图。
图2为图1中传递延迟时间对不同输入电压的保护点电压差异的示意图。
图3为本发明实施例的电源设备的示意图。
图4为图3中补偿电流单元补偿电流感测信号的示意图。
图5为图3中过电流保护装置修正传递延迟的示意图。
图6为图3中电流感测补偿单元的优选实施例示意图
图7为图6中补偿信号产生器的优选实施例示意图。
【主要组件符号说明】
100电源设备
102变压器
104功率开关
106电流感测单元
108比较器
110脉冲宽度调制控制单元
300电源设备
302输入级
304变压装置
306功率开关
308电流感测单元
310输出级
312过电流保护装置
314接收端
316补偿电流单元
318第一参考电压产生单元
320比较器
322控制单元
324负载
602补偿信号产生器
604加法器
702三角波产生器
704第二参考电压产生器
706减法器
具体实施方式
请参考图3，图3为本发明实施例的电源设备300的示意图。电源设备300优选地为切换式电源设备。电源设备300包含有输入级302、变压装置304、功率开关306、电流感测单元308、输出级310及过电流保护装置312。输入级302用来对输入信号VIN整流及滤波以产生第一电源信号VPS1。变压装置304耦接于输入级302，其包含有一次侧电路L1及二次侧电路L2，用来将第一电源信号VPS1转换成第二电源信号VPS2。功率开关306优选地由功率晶体管Q1所实现，其耦接于一次侧电路L1，用来切换变压装置304的操作。电流感测单元308耦接于功率开关306，其优选地由电阻RCS所实现，用来感测一次侧电路L1的电流，以产生电流感测信号VCS。输出级310耦接于变压装置304，用来将第二电源信号VPS2输出至负载324。过电流保护装置312耦接于功率开关306及电流感测单元308，用来实时监控一次侧电流IL1是否在适当的保护范围内，一旦超出安全保护范围时，会将功率开关306关闭，以达过电流保护的目的。
进一步说明过电流保护装置312的架构及工作方式。过电流保护装置312包含有接收端314、补偿电流单元316、第一参考电压产生单元318、比较器320及控制单元322。接收端314耦接于电流感测单元308，用来接收电流感测信号VCS。补偿电流单元316耦接于接收端314，用来对电流感测信号VCS作补偿处理后，产生电流感测补偿信号VS_CS。第一参考电压产生单元318用来产生第一参考电压VREF1。比较器320耦接于补偿电流单元316及第一参考电压产生单元318，用来比较电流感测补偿信号VS_CS及第一参考电压VREF1，以产生比较结果。控制单元322耦接于比较器320及功率开关306，用来根据比较器320的比较结果，进而控制功率开关306的导通情形。当比较结果显示电流感测补偿信号VS_CS小于第一参考电压VREF1时，维持功率开关306的导通状态。当比较结果显示电流感测补偿信号VS_CS大于或等于第一参考电压VREF1时，控制单元322关闭功率开关306的导通状态。
请继续参考图4，图4为图3中补偿电流单元316的补偿电流感测信号VCS的示意图。如图所示，电流感测信号VCS经过斜率补偿操作，即，将电流感测信号VCS与一补偿信号VS相加后，形成电流感测补偿信号VS_CS，电流感测补偿信号VS_CS可使输入电压提前开始切换。请参考图5，图5为图3中过电流保护装置312修正传递延迟的示意图。传递延迟时间Tdelay在不同输入电压情形时皆相同，如图所示，高、低输入电压VH、VL经斜率补偿后的信号(即VS_CS(H)、VS_CS(L))可提前到达第一参考电压VREF1，不致因传递延迟时间让功率继续消耗，且对应于高输入电压与低输入电压开始进行过电流保护的电压一致，使得保护点电压差异的情况得到解决。
特别注意的是，图3所示仅为本发明实施例示意图，本领域的普通技术人员可据以做出不同的修饰。举例来说，请参考图6。图6为图3中电流感测补偿单元316的优选实施例的示意图。进一步说明电流感测补偿单元316的工作方式，电流感测补偿单元316包含补偿信号产生器602及加法器604。补偿信号产生器602用来产生如图4所示的补偿信号VS，而加法器604耦接在补偿信号产生器602、接收端314及比较器320之间，用来对电流感测信号VCS及补偿信号VS进行加法运算，以产生电流感测补偿信号VS_CS至比较器320。
在图6中，补偿信号产生器602用来产生补偿信号VS，以补偿电流感测信号VCS的斜率，其实现方式不限于特定电路或组件。举例来说，请参考图7，图7为图6中补偿信号产生器602的优选实施例的示意图。补偿信号产生器602包含有三角波产生器702、第二参考电压产生器704及减法器706。三角波产生器702用来产生三角波信号VT(或振荡信号)。第二参考电压产生器704用来产生第二参考电压VREF2。减法器706耦接在三角波产生器702、第二参考电压产生器704及加法器706之间，用来对三角波信号VT及第二参考电压VREF2进行减法运算，以产生补偿信号VS至加法器604。
综上所述，本发明可对电源设备的输入信号进行斜率补偿，使得电源设备不致因传递延迟时间让功率继续消耗。更重要的是，在本发明中，对应于不同输入电压开始进行过电流保护的电压一致，因而可改善保护点电压差异的情况。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的等价变化与修饰，皆属于本发明的保护范围。
Claims (16)
1.一种用于电源设备的过电流保护装置，包含有：
接收端，用来接收电流感测信号；
补偿电流单元，耦接于该接收端，用来补偿该电流感测信号，以产生电流感测补偿信号；
第一参考电压产生单元，用来产生第一参考电压；
比较器，耦接于该补偿电流单元及该第一参考电压产生单元，用来比较该电流感测补偿信号及该第一参考电压，以产生一比较结果；
控制单元，耦接于该比较器，用来根据该比较结果，控制该电源设备的功率开关的导通状态。
2.如权利要求1所述的过电流保护装置，其中该电流感测信号由该电源设备的电流感测单元所提供。
3.如权利要求1所述的过电流保护装置，其中该补偿电流单元包含有：
补偿信号产生器，用来产生补偿信号；以及
加法器，耦接于该补偿信号产生器、该接收端及该比较器，用来对该电流感测信号及该补偿信号进行加法运算，以产生该电流感测补偿信号至该比较器。
4.如权利要求3所述的过电流保护装置，其中该补偿信号产生器包含有：
三角波产生器，用来产生三角波信号；
第二参考电压产生器，用来产生第二参考电压；以及
减法器，耦接在该三角波产生器、该第二参考电压产生器及该加法器之间，用来对该三角波信号及该第二参考电压进行减法运算，以产生该补偿信号至该加法器。
5.如权利要求4所述的过电流保护装置，其中该三角波产生器还用来提供振荡信号。
6.如权利要求1所述的过电流保护装置，其中该电源设备是切换式电源设备。
7.如权利要求1所述的过电流保护装置，其中该控制单元在所述比较结果显示该电流感测补偿信号大于或等于该第一参考电压时，关闭该功率开关的导通状态。
8.如权利要求1所述的过电流保护装置，其中该控制单元在所述比较结果显示该电流感测补偿信号小于该第一参考电压时，维持该功率开关的导通状态。
9.一种防止过电流损害的电源设备，包含有：
输入级，用来对输入信号整流及滤波以产生第一电源信号；
变压装置，包含有一次侧电路，耦接于该输入级，及二次侧电路，用来将该第一电源信号转换成第二电源信号；
功率开关，耦接于该一次侧电路；
电流感测单元，耦接于该功率开关，用来感测流经该功率开关的该一次侧电路的电流，以产生电流感测信号；
输出级，耦接于该变压装置，用来将该第二电源信号输出至负载；以及
过电流保护装置，耦接于该电流感测单元及该功率开关，包含有：
接收端，用来接收该电流感测信号；
补偿电流单元，耦接于该接收端，用来补偿该电流感测信号，以产生电流感测补偿信号；
第一参考电压产生单元，用来产生第一参考电压；
比较器，耦接于该补偿电流单元及该第一参考电压产生单元，用来比较该电流感测补偿信号及该第一参考电压，以产生比较结果；
控制单元，耦接于该比较器及该功率开关，用来根据该比较结果，控制该功率开关的导通情形。
10.如权利要求9所述的电源设备，其中该补偿电流单元包含有：
补偿信号产生器，用来产生补偿信号；以及
加法器，耦接于该补偿信号产生器、该接收端及该比较器，用来对该电流感测信号及该补偿信号进行加法运算，以产生该电流感测补偿信号至该比较器。
11.如权利要求10所述的电源设备，其中该补偿信号产生器包含有：
三角波产生器，用来产生三角波信号；
第二参考电压产生器，用来产生第二参考电压；以及
减法器，耦接在该三角波产生器、该第二参考电压产生器及该加法器之间，用来对该三角波信号及该第二参考电压进行减法运算，以产生该补偿信号至该加法器。
12.如权利要求11所述的电源设备，其中该三角波产生器还用来提供振荡信号。
13.如权利要求9所述的电源设备，其中该电源设备是交换式电源设备。
14.如权利要求9所述的电源设备，其中该控制单元在所述比较结果显示该电流感测补偿信号大于或等于该第一参考电压时，关闭该功率开关的导通状态。
15.如权利要求9所述的电源设备，其中该控制单元在所述比较结果显示该电流感测补偿信号小于该第一参考电压时，维持该功率开关的导通状态。
16.如权利要求9所述的电源设备，其中该功率开关是功率晶体管。
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