CN101667772A - 用于电源供应器的数字过电流保护装置及相关电源供应器 - Google Patents

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吴继浩
洪家杰
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Abstract

一种用于电源供应器的数字过电流保护装置及相关电源供应器。该用于一电源供应器的数字过电流保护装置包含有：一接收端，用来接收一电流检测信号；一数字参考电压产生单元，用来以数字方式，产生一参考电压；一比较器，耦接于该接收端及该数字参考电压产生单元，用来比较该电流检测信号及该参考电压，以产生一比较结果；一控制单元，耦接于该比较器，用来根据该比较结果，控制该电源供应器的一功率开关的导通状态。

Description

用于电源供应器的数字过电流保护装置及相关电源供应器
技术领域
本发明涉及一种用于一电源供应器的数字过电流保护装置及其相关电源供应器，尤其涉及一种经由数字方式调整参考电压，以使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数字过电流保护装置及其相关电源供应器。
背景技术
电源供应器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供应器(Linear Power Supply)及开关式电源供应器(Switching Power Supply)等两种。其中，开关式电源供应器具有体积小、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，例如移动通信装置、个人数字助理、计算机与外围设备、服务器以及网络设备等电子装置中。
为求电源供应器正常稳定的运作，电源供应器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，备有周全保护机制的电源供应器便可避免内部元件或相关设备遭受损害。
请参考图1，图1为已知一电源供应器100的示意图。电源供应器100包含一变压器102、一功率开关104、一电流检测单元106、一比较器108及一脉冲宽度调制控制单元110。变压器102包含一一次侧电路L1及一二次侧电路L2，用来将一输入信号VIN转换为一输出信号VOUT。功率开关104耦接于一次侧电路L1，用以控制变压器102的运作。在图1中，功率开关104由一功率晶体管Q1所实现，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。电流检测单元106耦接于功率晶体管Q1的漏极，其由一电流检测电阻RCS所实现，用来提供一电流检测信号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用以比较电流检测信号VCS与一参考电压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，当电流检测信号VCS高于参考电压VREF时，比较器108可传送一指示信号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。一般而言，参考电压VREF由一参考电压产生器所产生，且其不随操作状态改变而为一定值。
在电源供应器100中，过电流的保护机制系先比较电流检测信号VCS与参考电压VREF，以将电流控制在适当的范围内。然而，当电流检测信号VCS高于参考电压VREF时，由于电路中必定存在非理想因子，使得功率开关104并非即时关闭，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。亦即，自检测出过电流发生到功率开关104实际停止导通间，存在着一传递延迟时间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)会较发生过电流情形时的电压大，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。电源供应器100的输入电压值VIN与电流检测信号VCS电压值上升斜率系呈正比。亦即，一高输入电压VH会产生斜率较大的电流检测信号，而一低输入电压VL则产生斜率较小的电流检测信号；其中，同一电源供应器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，当电流检测信号VCS上升至参考电压VREF的功率限制电平时，亦即电流检测信号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；同时，由于参考电压VREF为定值，使得输入电压越高，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一电源供应器的数字过电流保护装置及其相关电源供应器。
本发明公开一种防止过电流损害的电源供应器，包含有一输入级，用来对一输入信号整流及滤波以产生一第一电源信号；一变压装置，包含有一一次侧电路，耦接于该输入级，及一二次侧电路，用来将该第一电源信号转换成一第二电源信号；一功率开关，耦接于该一次侧电路；一电流检测单元，耦接于该功率开关，用来检测该功率开关的该一次侧电路的电流，以产生该电流检测信号；一输出级；耦接于该变压装置，用来将该第二电源信号输出至一负载；以及一数字过电流保护装置，耦接于该电流检测单元及该功率开关，包含有一接收端，用来接收一电流检测信号；一数字参考电压产生单元，用来以数字方式，产生一参考电压；一比较器，耦接于该接收端及该数字参考电压产生单元，用来比较该电流检测信号及该参考电压，以产生一比较结果；一控制单元，耦接于该比较器，用来根据该比较结果，控制该功率开关的导通状态。
本发明另公开一种用于一电源供应器的数字过电流保护装置，包含有一接收端，用来接收一电流检测信号；一数字参考电压产生单元，用来以数字方式，产生一参考电压；一比较器，耦接于该接收端及该数字参考电压产生单元，用来比较该电流检测信号及该参考电压，以产生一比较结果；一控制单元，耦接于该比较器，用来根据该比较结果，控制该电源供应器的一功率开关的导通状态。
附图说明
图1为已知电源供应器的示意图。
图2为传递延迟时间对不同输入电压的输出功率差异的示意图。
图3为本发明实施例一电源供应器的示意图。
图4为本发明实施例一传递延迟修正的示意图。
图5为本发明实施例一数字参考电压产生单元的优选实施例示意图。
图6为本发明实施例一数字模拟转换器的优选实施例示意图。
【主要元件符号说明】
100电源供应器
102变压器
104功率开关
106电流检测单元
108比较器
110脉冲宽度调制控制单元
300电源供应器
302输入级
304变压装置
306功率开关
308电流检测单元
310输出级
312过电流保护装置
314接收端
316数字参考电压产生器
318比较器
320控制单元
322负载
502数字模拟转换器
504数字输入信号产生器
VD1～VDN开关
具体实施方式
请参考图3，图3为本发明实施例一电源供应器300的示意图。电源供应器300优选地为一开关式电源供应器。电源供应器300包含有一输入级302、一变压装置304、一功率开关306、一电流检测单元308、一输出级310及一过电流保护装置312。输入级302用来对一输入信号VIN整流及滤波以产生一第一电源信号VPS1。变压装置304耦接于输入级302，其包含有一一次侧电路L1及一二次侧电路L2，用来将第一电源信号VPS1转换成一第二电源信号VPS2。功率开关306优选地由一功率晶体管Q1所实现，其耦接于一次侧电路L1，用来切换变压装置304的运作。电流检测单元308耦接于功率开关306，其优选地由一电阻RCS所实现，用来检测一次侧电路L1的电流，以产生一电流检测信号VCS。输出级310耦接于变压装置304，用来将第二电源信号VPS2输出至一负载322。过电流保护装置312耦接于功率开关306及电流检测单元308，用来即时监控一次侧电流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的架构及运作方式，过电流保护装置312包含有一接收端314、一数字参考电压产生单元316、一比较器318及一控制单元320。接收端314耦接于电流检测单元308，用来接收电流检测信号VCS。数字参考电压产生单元316以数字方式，产生一数字式参考电压VD_REF。比较器318耦接于接收端314及数字参考电压产生单元316，用来比较电流检测信号VCS及参考电压VD_REF，以产生一比较结果。控制单元320耦接于比较器318及功率开关306，用来根据比较器318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检测信号VCS小于参考电压VD_REF时，维持功率开关306的导通状态。当比较结果显示电流检测信号VCS大于或等于参考电压VD_REF时，控制单元320即关闭功率开关306的导通状态。
本发明通过数字参考电压产生单元316，针对不同输入电压，以数字方式提供不同的数字式参考电压VD_REF。请继续参考图4，图4为过电流保护装置312的运作示意图。传递延迟时间Tdelay在各输入电压情形时皆同，如图所示，数字参考电压产生单元316以数字方式，产生数字式参考电压VD_REF，使得不同输入电压对应于不同大小的数字式参考电压VD_REF。如此一来，在电流检测信号VCS到达参考电压VD_REF的功率限制电平后，过电流保护装置312可启动保护机制，不致因传递延迟时间而让功率继续消耗，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，本领域技术人员当可据以做不同的修饰。举例来说，请参考图5。图5为本发明实施例一数字参考电压产生单元316的优选实施例示意图。在图5中，数字参考电压产生单元316包含一数字模拟转换器502、一数字输入信号产生器504及一预设参考电压VREF，数字模拟转换器502将一数字输入信号VD转换为所对应的预设参考电压VREF，以产生一数字式参考电压VD_REF至比较器318，其中数字输入信号VD可为数字输入信号产生器504所产生。优选地，数字参考电压产生单元316可根据不同电源供应器的系统需求，调整数字输入信号VD，输出符合对应于不同输入电压的参考电压VD_REF，以供比较器318将电流检测信号VCS及参考电压VD_REF做比较运算，产生比较结果并传送予控制单元320，从而控制功率开关306的导通情形。除此之外，优选地，数字参考电压产生单元316可根据电流检测信号VCS的变化趋势，调整数字输入信号；亦即，当电流检测单元308运作一段时间后，可根据电流检测信号VCS之上升趋势，来选择其匹配的数字输入信号VD，然后经数字模拟转换器502转换后直接输出所选择的参考电压VD_REF。
特别注意的是，图5所示的数字参考电压产生单元316系为数字参考电压产生单元316的优选实施例，本领域技术人员当可据以做不同的变化，而不限于此。举例来说，请参考图6，图6为图5中数字模拟转换器502的实施例示意图。在图6中，数字模拟转换器502由开关VD1～VDN与预设参考电压VREF1～VREFN所组成，用来根据数字输入信号VD，导通所对应的开关以输出预设参考电压为数字式参考电压VD_REF。
因此，通过数字参考电压产生单元316，本发明可根据不同输入电压，以数字方式产生对应的参考电压，使得开始进行过电流保护的电压系一致，因而可改善保护点电压差异的情况。
综上所述，本发明经由数字方式产生数字参考电压，使得数字参考电压具可程序化且适用于不同系统。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书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (18)

1.一种用于一电源供应器的数字过电流保护装置，包含有：
一接收端，用来接收一电流检测信号；
一数字参考电压产生单元，用来以数字方式，产生一参考电压；
一比较器，耦接于该接收端及该数字参考电压产生单元，用来比较该电流检测信号及该参考电压，以产生一比较结果；
一控制单元，耦接于该比较器，用来根据该比较结果，控制该电源供应器的一功率开关的导通状态。
2.如权利要求1所述的数字过电流保护装置，其中该电流检测信号由该电源供应器的一电流检测单元所提供。
3.如权利要求1所述的数字过电流保护装置，其中该数字参考电压产生单元包含有一数字模拟转换器，用来将一数字输入信号转换为所对应的一预设参考电压，以产生该参考电压。
4.如权利要求3所述的数字过电流保护装置，其中该数字参考电压产生单元还包含一数字输入信号产生器，用来产生该数字输入信号。
5.如权利要求4所述的数字过电流保护装置，其中该数字参考电压产生单元根据该电源供应器的系统需求，调整该数字输入信号。
6.如权利要求5所述的数字过电流保护装置，其中该数字参考电压产生单元根据该电流检测信号的变化趋势，调整该数字输入信号。
7.如权利要求1所述的数字过电流保护装置，其中该电源供应器是一开关式电源供应器。
8.如权利要求1所述的数字过电流保护装置，其中该控制单元在该比较结果显示该电流检测信号大于或等于该参考电压时，关闭该功率开关的导通状态。
9.如权利要求1所述的数字过电流保护装置，其中该控制单元在该比较结果显示该电流检测信号小于该参考电压时，维持该功率开关的导通状态。
10.一种防止过电流损害的电源供应器，包含有：
一输入级，用来对一输入信号整流及滤波以产生一第一电源信号；
一变压装置，包含有一一次侧电路，耦接于该输入级，及一二次侧电路，用来将该第一电源信号转换成一第二电源信号；
一功率开关，耦接于该一次侧电路；
一电流检测单元，耦接于该功率开关，用来检测流经该功率开关的该一次侧电路的电流，以产生一电流检测信号；
一输出级；耦接于该变压装置，用来将该第二电源信号输出至一负载；以及
一数字过电流保护装置，耦接于该电流检测单元及该功率开关，包含有：
一接收端，用来接收该电流检测信号；
一数字参考电压产生单元，用来以数字方式，产生一参考电压；
一比较器，耦接于该接收端及该数字参考电压产生单元，用来比较该电流检测信号及该参考电压，以产生一比较结果；
一控制单元，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状态。
11.如权利要求10所述的电源供应器，其中该数字参考电压产生单元包含有一数字模拟转换器，用来将一数字输入信号转换为所对应之一预设参考电压，以产生该参考电压。
12.如权利要求11所述的电源供应器，其中该数字参考电压产生单元还包含一数字输入信号产生器，用来产生该数字输入信号。
13.如权利要求12所述的过电源供应器，其中该数字参考电压产生单元根据该电源供应器的系统需求，调整该数字输入信号。
14.如权利要求13所述的电源供应器，其中该数字参考电压产生单元根据该电流检测信号的变化趋势，调整该数字输入信号。
15.如权利要求10所述的电源供应器，其中该电源供应器是一开关式电源供应器。
16.如权利要求10所述的电源供应器，其中该控制单元在该比较结果显示该电流检测信号大于或等于该参考电压时，关闭该功率开关的导通状态。
17.如权利要求10所述的电源供应器，其中该控制单元在该比较结果显示该电流检测信号小于该数字参考电压时，维持该功率开关的导通状态。
18.如权利要求10所述的电源供应器，其中该功率开关是一功率晶体管。
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