CN103135024A - 短路侦测电路及短路侦测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种短路侦测电路及短路侦测方法。短路侦测电路，用以侦测输出节点是否短路至第一预设电位，其中该输出节点通过一第一开关电路耦接于一第二预设电位，该第一开关电路受控于一控制讯号，该短路侦测电路包括：一判断电路，耦接于该输出节点与该第二预设电位之间，当该判断电路导通时，根据该输出节点是否短路至该第一预设电位，而产生一判断讯号；以及一第二开关电路，根据该判断讯号以产生一短路侦测讯号。

Description

短路侦测电路及短路侦测方法

技术领域

本发明涉及一种短路侦测电路及短路侦测方法，特别是指一种用于电容负载电路的短路侦测电路及短路侦测方法。

背景技术

典型的电源供应电路中，过温保护(over temperature protection，OTP)机制与输出电流限制(output current limit，OCL)机制，常用来作为输出节点短路保护的机制。

以OTP机制而言，往往要花费数十微秒的时间，才能产生保护讯号，执行保护机制，这是因为当输出节点发生短路时，通过硅基板的热传导速度缓慢所致。如此一来，电路可能在OTP保护机制发生作用以前受到损害。

就OCL机制来说，虽然此机制速度快，可用以作为输出节点短路保护机制，但是，这种机制会立即限制电路的驱动能力。因此，当需要用于较高的驱动能力，且具有电容负载电路的电源供应电路时，以OCL机制作为输出节点短路保护，有可能产生不良的副作用。

有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种短路侦测电路及短路侦测方法，可应用于需要较高的驱动能力，且具有电容负载电路的电源供应电路。

发明内容

本发明目的之一在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种短路侦测电路。

本发明另一目的在于，提出一种短路侦测方法。

为达上述目的，就其中一观点言，本发明提供了一种短路侦测电路，用以侦测一输出节点是否短路至第一预设电位，其中该输出节点与一电容负载电路耦接，且该输出节点通过一第一开关电路耦接于一第二预设电位，该第一开关电路受控于一控制讯号，该短路侦测电路包含：一判断电路，耦接于该输出节点与该第二预设电位之间，当该判断电路导通时，根据该输出节点是否短路至该第一预设电位，而产生一判断讯号；以及一第二开关电路，根据该判断讯号以产生一短路侦测讯号。

在其中一种实施型态中，该短路侦测电路更包含一使能开关电路，受控于该控制讯号而决定该判断电路是否导通。

在另一种实施型态中，其中该第二开关电路宜包括一开关，其一端与该第二预设电位耦接，另一端产生该短路侦测讯号，且该开关受控于该判断讯号。在该开关与该第二预设电位间宜设有一阻抗电路。

在另一种实施型态中，该判断电路宜包括串联的第一阻抗电路与第二阻抗电路，且该判断讯号相关于该两阻抗电路间一节点上的分压。

在另一种较佳的实施型态中，所述的短路侦测电路宜更包含一异常处理电路，该异常处理电路包括相互耦接的一去突波电路及一比较电路，以对该短路侦测讯号施以去突波处理，并进行位准比较，而产生一短路控制讯号。该异常处理电路可更包含一电流电压转换电路，与该去突波电路耦接，以在该短路侦测讯号为电流形式时，根据该短路侦测讯号产生一电压讯号。

上述短路侦测电路中，该异常处理电路宜更包含：一计时电路，与该比较电路耦接，以产生具有预设时间长度的短路控制讯号。

上述短路侦测电路中，该异常处理电路更包含一逻辑电路，对该短路控制讯号与一操作讯号进行逻辑运算，以产生该控制讯号控制该第一开关，当输出节点未短路至第一预设电位时，该第一开关受控于该操作讯号，而当输出节点短路至第一预设电位时，该第一开关受该短路控制讯号控制而关闭。

就另一观点，本发明也提供了一种短路侦测方法，用以侦测一输出节点是否短路至第一预设电位，其中该输出节点与一电容负载电路耦接，且该输出节点通过一第一开关电路耦接于一第二预设电位，该第一开关电路受控于一控制讯号，该短路侦测方法包含：接收该控制讯号，并根据该控制讯号，以决定是否耦接该输出节点至该第二预设电位；根据该输出节点与该第二预设电位间的电位差，以产生一判断讯号；以及根据该判断讯号以产生一短路侦测讯号。

上述短路侦测方法，宜更包含转换该短路侦测讯号为一电压讯号，其中该短路侦测讯号为一电流讯号。

上述短路侦测方法中，该产生判断讯号步骤宜包括：提供一判断电路，其包括串联的第一阻抗电路与第二阻抗电路，且该判断讯号相关于两阻抗电路间一节点上的分压；以及以该控制讯号决定该判断电路是否导通。

上述短路侦测方法，宜更包含：接收该短路侦测讯号，并对其施以去突波处理，并与一参考讯号比较，以产生一短路控制讯号。在与该参考讯号比较后，可更包含：计算一段预设时间，以产生具有预设时间长度的短路控制讯号。该短路控制讯号可与一操作讯号进行逻辑运算，以产生前述控制讯号。

下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1显示本发明第一个实施例；

图2显示本发明第二个实施例；

图3举例显示第一个实施例中，各节点的讯号波形；

图4举例显示第二个实施例中，各节点的讯号波形；

图5显示本发明第三个实施例；

图6显示本发明第四个实施例；

图7显示本发明第五个实施例；

图8显示本发明第六个实施例；

图9显示本发明第七个实施例；

图10显示本发明第八个实施例。

图中符号说明

10，20短路侦测电路

11，21使能开关电路

13，23判断电路

15，25第二开关电路

30，40，50，60异常处理电路

31，41，51，61去突波电路

33，43，53，63比较电路

35，65逻辑电路

42，52，62电流电压转换电路

54，64计时电路

C1电容负载电路

GND接地电位

Ld1第一阻抗电路

Ld2第二阻抗电路

Ld3第三阻抗电路

OUT输出节点

N1，P1第一晶体管

N2，P2第二晶体管

N3，P3第三晶体管

VDD供应电位

VGP，VGN节点

Vth参考讯号

具体实施方式

请参阅图1，显示本发明第一个实施例。如图1所示，短路侦测电路10，用以侦测输出节点OUT是否短路至第一预设电位，第一预设电位例如但不限于如图所示的接地电位GND或非常低的电位。第一晶体管P1串接于输出节点OUT与第二预设电位之间(例如但不限于如图所示的供应电位VDD)，第一晶体管P1由控制讯号操作，以将输出节点OUT电连接至供应电位VDD，并进而驱动电容负载电路C1。短路侦测电路10包含使能开关电路11、判断电路13、以及第二开关电路15。其中，使能开关电路11包括第二晶体管P2，其接收上述控制讯号，根据该控制讯号而决定判断电路13是否导通。判断电路13耦接于供应电位VDD和输出节点OUT之间，其例如但不限于如图所示，包括串联的第一阻抗电路Ld1与第二阻抗电路Ld2；其中，第一阻抗电路Ld1与第二阻抗电路Ld2分别例如但不限于为：导线、电阻、电流源、二极管、MOS元件、BJT、或上述两个或两个以上元件的组合。于正常操作时，亦即输出节点OUT未短路至接地电位GND或非常低的电位时，在第一晶体管导通期间，供应电位VDD对电容负载电路C1充电后，输出节点OUT的电位接近供应电位VDD，判断电路13的整体跨压很低，因此节点VGP上的电压很接近供应电位VDD。但当发生输出节点短路异常时，输出节点OUT短路至接地电位GND或非常低的电位，且控制讯号导通第二晶体管P2时，判断电路13的整体跨压远较正常操作时为高，因此节点VGP上的电压，相对于正常操作时为低。正常操作与异常状况下，节点VGP上的电压差别，可用以控制第二开关电路15中的第三晶体管P3的导通与否，以产生短路侦测讯号(视第三晶体管P3为P型或N型元件，可用短路侦测讯号的高或低位准、或有无电流来表示发生短路异常)。第三晶体管P3例如可串接第三阻抗电路Ld3至供应电位VDD，以在导通时产生电流，此第三阻抗电路Ld3例如但不限于为：导线、电阻、电流源、二极管、MOS元件、BJT、或上述两个或两个以上元件的组合。视后续对短路侦测讯号的处理而定，亦可省略第三阻抗电路Ld3而直接将第三晶体管P3串接至供应电位VDD。简言之，正常操作与异常状况下，节点VGP上的电压差别，将造成短路侦测讯号的变化，即可用以分辨并进行后续的处理。又，短路侦测讯号的形式可为电流讯号或电压讯号，在图1实施例中为电流讯号，但若将第三晶体管P3的下端(电流流出端)与一阻抗性元件连接再接到一已知电位，即可将短路侦测讯号转换成电压讯号。

上述实施例中，使能开关中的晶体管与第二开关中的晶体管例如但不限于为如图所示的金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor，MOS)元件，亦可以为双载子接面晶体管(bipolar junction transistor，BJT)；又，图中第一、第二与第三开关晶体管P1-P3均绘示为PMOS元件，此仅为举例，第一、第二与第三开关晶体管亦可为N型元件。

请参阅图2，显示本发明第二个实施例。与第一个实施例不同的是，在本实施例是用以侦测输出节点OUT是否短路至供应电位VDD或非常高的电位。其中，第一晶体管N1、第二晶体管N2、与第三晶体管N3举例绘示为NMOS元件，但亦可改换为PMOS元件。本实施例的操作原则与第一个实施例相同，但第一预设电位与第二预设电位在本实施例中，分别改为供应电位VDD与接地电位GND；此外，因使用NMOS元件之故，控制讯号与短路侦测讯号的高低或控制方式则与第一个实施例的控制讯号与短路侦测讯号相反。如图2所示，短路侦测电路20中，第一晶体管N1串接于输出节点OUT与接地电位GND之间，第一晶体管N1由控制讯号操作，以将输出节点OUT电连接至接地电位GND，并进而驱动电容负载电路C1。短路侦测电路20包含使能开关电路21、判断电路23、以及第二开关电路25。其中，使能开关电路21包括第二晶体管N2，其接收上述控制讯号，根据该控制讯号而决定判断电路23是否导通。判断电路23耦接于输出节点OUT和接地电位GND之间，其例如但不限于如图所示，包括串联的第四阻抗电路Ld4与第五阻抗电路Ld5，并在节点VGN处产生分压。第二开关电路25中则包含第三晶体管N3，其例如可串接第六阻抗电路Ld6至接地电位GND，且第三晶体管N3的栅极受控于节点VGN上的电压。

图3举例显示第一个实施例中，各节点的讯号波形。如图3所示，控制讯号于低电位时，第一晶体管P1导通，输出节点OUT电连接至供应电位VDD，且在第一晶体管P1导通初期，由于驱动的是电容负载电路C1，因此需要一段充电时间t，使输出节点OUT达到接近供应电位VDD的高电位。因此，在正常操作状况下，也就是输出节点并未短路至接地电位GND或非常低的电位时，节点VGP产生的判断讯号，只在充电时间t内可能造成第三晶体管P3导通状态的变化，产生短路侦测讯号，其它时间并不会产生短路侦测讯号；因此，只需要将初期的充电时间t内的突波去除，便可以根据修正后的讯号，确认输出节点OUT并未短路至接地电位GND或非常低的电位。相对地，当输出节点OUT短路至接地电位GND或非常低的电位时，只要控制讯号导通第二晶体管P2，节点VGP产生的判断讯号，会持续导通第三晶体管P3，并持续产生短路侦测讯号；因此，即使将初期的充电时间t内的突波去除，即可以根据修正后的讯号，确认输出节点OUT短路至接地电位GND或非常低的电位。

图3中最下方的波形显示，利用本发明概念，于侦测到输出节点OUT短路至接地电位GND或非常低的电位时，可采取异常处理，使控制讯号不导通第一开关晶体管P1一段预设时间T后恢复导通，若再发现异常则再不导通第一开关晶体管P1一段预设时间T。此作法的优点是不立即关闭电路，当异常状况仅为瞬时而立即排除时，可迅速恢复正常操作，且在异常状况期间因降低消耗功率，得以保护电路不致损坏。如上所述，利用本发明，输出功率将可自(1/2)*VDD*IOUT，降低至[t/(T+t)]*VDD*IOUT(假设工作比为1/2，且短路输出电流为IOUT)，因此控制t和T的比例(例如但不限于为1/1000)，即可达成保护电路的作用，又可在异常状况排除时立即恢复正常操作。但当然，如在侦测到输出节点OUT短路至接地电位GND或非常低的电位时，立即完全关闭电路，也属一种可行的做法，也属于本发明的范围。

图4举例显示第二个实施例中，各节点的讯号波形。原理与图3相同，只是开关晶体管采用NMOS元件。且第一预设电位与第二预设电位，分别改为供应电位VDD与接地电位GND。

图5显示本发明第三个实施例，举例说明异常处理的方式。如图5所示，短路侦测电路10或20，可更包含异常处理电路30，其包括去突波电路(De-glitch circuit)31，以接收短路侦测讯号，并对短路侦测讯号施以去突波处理；以及比较电路33，用以将去突波处理后的短路侦测电路与参考讯号Vth比较，并根据比较结果，产生短路控制讯号。此短路控制讯号可用以直接关闭电路，或如图所示，可由逻辑电路35将其进一步处理而产生图1、2中的控制讯号。操作讯号表示原本电路在不考虑输出节点OUT短路的状况下，用以操作第一晶体管P1或N1的讯号，例如为脉宽调变讯号。逻辑电路35对短路控制讯号和操作讯号进行逻辑运算后，产生控制讯号，以操作或关闭第一晶体管P1或N1，亦即在正常操作下，第一晶体管P1或N1受控于操作讯号，而在异常状况下，第一晶体管P1或N1受短路控制讯号控制而关闭。附带说明，在本发明概念之下，去突波电路31亦可以与比较电路33交换位置，亦即先比较短路侦测讯号与参考讯号Vth，再对比较后的结果作去突波处理，以产生短路控制讯号，亦属本发明的范围。又，比较电路33亦可改以史密斯触发器(Smith trigger)取代，在史密斯触发器中所设定的转态位准，即可视为一种比较功能，故史密斯触发器也可视为比较电路的一种实施型态。

图6显示本发明第四个实施例。如图6所示，异常处理电路40可更包含电流电压转换电路42，与去突波电路41耦接，电流电压转换电路42将短路侦测讯号转换为电压讯号，与参考讯号Vth输入比较电路43，进而产生控制讯号。本实施例中也举例说明，异常处理电路中可以不包含逻辑电路，而仅是单纯输出短路控制讯号，例如用以直接关闭整体电路，而非仅是关闭第一晶体管P1或N1。

图7显示本发明第五个实施例。如图7所示，异常处理电路50除了去突波电路51、电流电压转换电路52、与比较电路53之外，异常处理电路50还可以包含计时电路54，与比较电路53耦接，根据短路侦测讯号，计时一段预设时间T，在该段时间T之后，使短路控制讯号转变状态。

图8显示本发明第六个实施例。如图8所示，异常处理电路60除了去突波电路61、电流电压转换电路62、比较电路63、与计时电路64外，可更包含逻辑电路65(视讯号形式而定，图中举例显示为或门)，与计时电路64耦接，以将短路控制讯号与操作讯号进行逻辑运算，产生该控制讯号。其中，如前所述，操作讯号可视为原本电路在不考虑输出节点OUT短路的状况下，用以操作第一晶体管P1或N1的讯号。短路控制讯号与操作讯号进行逻辑运算，代表第一晶体管P1或N1的操作，考虑到输出节点OUT短路的状况，亦即可达成图3、4中最下方的波形。

图9显示本发明第七个实施例。如图9所示，使能开关电路11可以省略，此情况下判断电路13在节点VGP处将常态产生判断讯号。当第一晶体管P1导通时，判断讯号可显示输出节点OUT是否短路至接地电位GND或非常低的电位，因此所产生的短路侦测讯号为有意义的讯号；而当第一晶体管P1不导通时，判断讯号不能显示输出节点OUT是否处于异常状况，此时所产生的短路侦测讯号则不具有意义，但可经过适当处理而使其不影响电路操作。亦即，接收短路侦测讯号的后续电路(例如异常处理电路)可以设计成仅在第一晶体管P1导通时才受使能，或是以逻辑电路来对短路侦测讯号(可先转换成数字电压讯号)与操作讯号进行逻辑运算，再将运算结果输入后续电路(例如异常处理电路)等等。从另一角度言，图9实施例中，当输出节点OUT处于异常状况时，短路侦测讯号将维持在同一位准，而当输出节点OUT处于正常状况时，短路侦测讯号将在不同位准间变换，也可由此区分输出节点OUT是否短路或达成其它功能。

图10显示本发明第八个实施例，与图9相似，本实施例中省略了使能开关电路21，其细节不再赘述。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。例如，在所示各实施例电路中，可插入不影响讯号主要意义的元件，如其它开关等；又例如比较器的输入端正负可以互换，仅需对应修正电路的讯号处理方式即可；再例如去突波电路、电流电压转换电路、比较电路、与计时电路串接顺序可以互换，并非限于如各图所示的串接顺序；又例如图1、2中第二晶体管P2或N2亦可受控于操作讯号而非控制讯号；又例如，第二阻抗电路Ld2和第三阻抗电路Ld3并非绝对必要而可省略其一或两者。凡此种种，皆可根据本发明的教示类推而得，因此，本发明的范围应涵盖上述及其它所有等效变化。

Claims (15)

1.一种短路侦测电路，用以侦测一输出节点是否短路至第一预设电位，其中该输出节点与一电容负载电路耦接，且该输出节点通过一第一开关电路耦接于一第二预设电位，该第一开关电路受控于一控制讯号，其特征在于，该短路侦测电路包含：

一判断电路，耦接于该输出节点与该第二预设电位之间，当该判断电路导通时，根据该输出节点是否短路至该第一预设电位，而产生一判断讯号；以及

一第二开关电路，根据该判断讯号以产生一短路侦测讯号。

2.如权利要求1所述的短路侦测电路，其中，还包含一使能开关电路，受控于该控制讯号而决定该判断电路是否导通。

3.如权利要求1所述的短路侦测电路，其中，该第二开关电路包括一开关，其一端与该第二预设电位耦接，另一端产生该短路侦测讯号，且该开关受控于该判断讯号。

4.如权利要求3所述的短路侦测电路，其中，在该开关与该第二预设电位间设有一阻抗电路。

5.如权利要求1所述的短路侦测电路，其中，该判断电路包括串联的第一阻抗电路与第二阻抗电路，且该判断讯号相关于该两阻抗电路间一节点上的分压。

6.如权利要求1所述的短路侦测电路，其中，还包含一异常处理电路，该异常处理电路包括相互耦接的一去突波电路及一比较电路，以对该短路侦测讯号施以去突波处理，并进行位准比较，而产生一短路控制讯号。

7.如权利要求6所述的短路侦测电路，其中，该异常处理电路还包含一电流电压转换电路，与该去突波电路耦接，以在该短路侦测讯号为电流形式时，根据该短路侦测讯号产生一电压讯号。

8.如权利要求6所述的短路侦测电路，其中，该异常处理电路还包含：一计时电路，与该比较电路耦接，以产生具有预设时间长度的短路控制讯号。

9.如权利要求6，7或8所述的短路侦测电路，其中，该异常处理电路还包含一逻辑电路，对该短路控制讯号与一操作讯号进行逻辑运算，以产生该控制讯号控制该第一开关，当输出节点未短路至第一预设电位时，该第一开关受控于该操作讯号，而当输出节点短路至第一预设电位时，该第一开关受该短路控制讯号控制而关闭。

10.一种短路侦测方法，用以侦测一输出节点是否短路至第一预设电位，其中该输出节点与一电容负载电路耦接，且该输出节点通过一第一开关电路耦接于一第二预设电位，该第一开关电路受控于一控制讯号，其特征在于，该短路侦测方法包含：

接收该控制讯号，并根据该控制讯号，以决定是否耦接该输出节点至该第二预设电位；

根据该输出节点与该第二预设电位间的电位差，以产生一判断讯号；以及

根据该判断讯号以产生一短路侦测讯号。

11.如权利要求10所述的短路侦测方法，其中，还包含转换该短路侦测讯号为一电压讯号，其中该短路侦测讯号为一电流讯号。

12.如权利要求10所述的短路侦测方法，其中，该产生判断讯号步骤包括：提供一判断电路，其包括串联的第一阻抗电路与第二阻抗电路，耦接于该输出节点与该第二预设电位间，且该判断讯号相关于两阻抗电路间一节点上的分压；以及以该控制讯号决定该判断电路是否导通。

13.如权利要求10所述的短路侦测方法，其中，还包含接收该短路侦测讯号，对其施以去突波处理，并与一参考讯号比较，以产生一短路控制讯号。

14.如权利要求13所述的短路侦测方法，其中，还包含：在与该参考讯号比较后，计算一段预设时间，以产生具有预设时间长度的短路控制讯号。

15.如权利要求13或14所述的短路侦测方法，其中，还包含：将该短路控制讯号与一操作讯号进行逻辑运算，以产生该控制讯号。

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