CN105322502B - 过电压保护电路、过电压保护方法以及栅极驱动集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种过电压保护电路、过电压保护方法以及栅极驱动集成电路。过电压保护方法用于过电压保护电路。过电压保护电路耦接第一开关。第一开关具有控制端。过电压保护方法包括以下步骤：比较第一电压预设值与工作电压来产生第一致能信号；以及当第一致能信号产生时，比较第一开关的控制端的电压与参考电压，以决定过电压保护电路是否执行过电压保护操作，从而可避免因高电压应力而损坏负载。

Description

过电压保护电路、过电压保护方法以及栅极驱动集成电路

技术领域

本发明是有关于一种过电压保护技术，尤指一种过电压保护电路、过电压保护方法以及栅极驱动集成电路。

背景技术

图1为现有的电源转换电路的应用示意图。电源转换电路100包括栅极驱动电路110以及输出级120。栅极驱动电路110根据脉宽调制信号PWM来对输出级120的第一开关Q1与第二开关Q2进行切换操作，使得输入电压VIN转换成输出电压VOUT，并且供应给负载130。

负载130为中央处理单元或绘图处理单元，且其电源来源为输出电压VOUT。假设电源转换电路100不具有对输出级120的过电压保护电路，输入电压VIN为5伏特或12伏特，且在开机前第一开关Q1已经损坏。本实施例中的电源转换电路100为降压型电源转换电路。通常损坏的第一开关Q1会呈现短路(short circuit)。当电源转换电路100开机时，损坏的第一开关Q1会造成输入电压VIN直接成为输出电压VOUT，也就是输出电压VOUT等于输入电压VIN。负载(中央处理单元或绘图处理单元)130的操作电压电平约为1～1.5伏特的低电压。当输出电压VOUT为5伏特或12伏特，相对于低电压(1～1.5伏特)则输出电压VOUT为高电压。因此负载会因高电压应力而损坏。由此可见，电源转换电路100需要一种过电压保护电路来避免发生上述高电压应力。

发明内容

本发明提出一种过电压保护电路、过电压保护方法以及栅极驱动集成电路，用来解决先前技术所述的问题。

本发明提出一种过电压保护电路。过电压保护电路耦接第一开关，第一开关具有控制端。过电压保护电路包括第一比较器以及第二比较器。第一比较器接收工作电压，以比较第一电压预设值与工作电压来产生第一致能信号。第二比较器耦接第一开关的控制端，当第一致能信号产生时，第二比较器比较第一开关的控制端的电压与参考电压，以决定是否执行过电压保护操作。

在本发明的一实施例中，过电压保护电路还耦接第二开关。第二开关耦接第一开关。过电压保护电路还包括耦接第二比较器的控制单元。当第一开关的控制端的电压高于参考电压时，第二比较器提供控制信号，使得控制单元控制第二开关导通。

在本发明的一实施例中，过电压保护电路还包括第三比较器。第三比较器比较工作电压与第二电压预设值，其中第二电压预设值高于第一电压预设值，当工作电压高于第二电压预设值时，第三比较器提供第二致能信号，以进入正常操作模式。

在本发明的一实施例中，当工作电压为5伏特时，第一电压预设值介于1.5至1.6伏特，第二电压预设值介于3.9至4.2伏特。

在本发明的一实施例中，当工作电压为12伏特时，第一电压预设值介于1.5至1.6伏特，第二电压预设值介于6.8至7.5伏特。

本发明再提出一种过电压保护方法，用于过电压保护电路。过电压保护电路耦接第一开关，第一开关具有控制端。过电压保护方法包括以下步骤：比较第一电压预设值与工作电压来产生第一致能信号；以及当第一致能信号产生时，比较第一开关的控制端的电压与参考电压，以决定是否执行过电压保护操作。

在本发明的一实施例中，过电压保护电路还耦接第二开关，第二开关耦接第一开关。过电压保护方法还包括：当第一开关的控制端的电压高于参考电压时，提供控制信号来控制第二开关导通。

在本发明的一实施例中，过电压保护方法还包括：比较工作电压与第二电压预设值，以决定过电压保护电路是否进入正常操作模式，第二电压预设值高于第一电压预设值。当工作电压高于第二电压预设值时，进入正常操作模式。

本发明再提出一种栅极驱动集成电路。栅极驱动集成电路耦接第一开关，第一开关具有控制端。栅极驱动集成电路包括第一接脚、第二接脚、第一比较器以及第二比较器。第一接脚接收工作电压。第二接脚耦接第一开关的控制端。第一比较器耦接第一接脚，以比较第一电压预设值与工作电压来产生第一致能信号。第二比较器耦接第二接脚。当第一致能信号产生时，第二比较器比较第二接脚的电压与参考电压，以决定是否执行过电压保护操作。

在本发明的一实施例中，栅极驱动集成电路还耦接第二开关。第二开关耦接第一开关。栅极驱动集成电路还包括第三接脚以及控制单元。第三接脚耦接第二开关的控制端。控制单元耦接第二比较器与第三接脚。当第一开关的控制端的电压高于参考电压时，第二比较器提供控制信号，使得控制单元控制第二开关导通。

在本发明的一实施例中，栅极驱动集成电路还包括第三比较器。第三比较器比较工作电压与第二电压预设值，第二电压预设值高于第一电压预设值。当工作电压高于第二电压预设值时，第三比较器提供第二致能信号，以进入正常操作模式。

基于上述，当电子系统应用了本发明的过电压保护电路以及过电压保护方法，在电子系统开机过程中根据工作电压、第一电压预设值、第一开关的控制端的电压与参考电压来决定是否执行过电压保护操作，有效地避免因高电压应力而损坏负载。另一方面，本发明的过电压保护电路构造简单，且过电压保护电路被配置在栅极驱动集成电路时仍是使用现有接脚，无需额外的接脚。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

下面的附图是本发明的说明书的一部分，其示出了本发明的示例实施例，附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

附图说明

图1为现有的电源转换电路的应用示意图；

图2为依照本发明一实施例的栅极驱动集成电路的电路图；

图3为依照本发明另一实施例的栅极驱动集成电路的电路图；

图4为依照本发明一实施例的正常脉宽调制操作的波形图；

图5为依照本发明另一实施例的过电压保护操作的波形图；

图6为本发明一实施例的过电压保护方法的流程图。

附图标记说明：

10、10A；栅极驱动集成电路；

15：过电压保护电路；

20：比较电路；

22：第一比较器；

24：第二比较器；

26：第三比较器；

30、30A：控制单元；

32：第一与门；

34：第二与门；

36：第三与门；

40：或门；

42：驱动器；

44：电平偏移电路；

50：负载；

100：电源转换电路；

110：栅极驱动电路；

120：输出级；

130：负载；

BOOT：靴带电压；

C1：电容器；

GND：地；

L：电感器

LG：第二开关控制信号；

Movp：第一致能信号；

P1：第一接脚；

P2：第二接脚；

P3：第三接脚；

P4：第四接脚；

P5：第五接脚；

P6：第六接脚；

POR1：第一电压预设值；

POR2：第二电压预设值；

PWM：脉宽调制信号；

Q1：第一开关；

Q2：第二开关；

Sovp：控制信号；

S601～S606：步骤；

T1、T2、T3：时间点；

UG：第一开关控制信号；

VCC：工作电压；

VIN：输入电压；

VOUT：输出电压；

VREF：参考电压；

VUG：电压。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的示范性实施例，并在附图中说明所述示范性实施例的实例。另外，在图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

在下述实施例中，当元件被指为“连接”或“耦接”至另一元件时，其可为直接连接或耦接至另一元件，或可能存在介于其间的元件。术语“电路”或“单元”可表示为至少一元件或多个元件，或者主动的且/或被动的而耦接在一起的元件以提供合适功能。术语“信号”可表示为至少一电流、电压、负载、温度、数据或其他信号。

现将详细参考本发明的实施例，并在附图中说明所述实施例的实例。另外，在图及实施方式中使用相同标号的元件/构件代表相同或类似部分。

图2为依照本发明一实施例的栅极驱动集成电路的电路图。请参阅图2。栅极驱动集成电路10耦接第一开关Q1，第一开关Q1具有控制端。栅极驱动集成电路10包括过电压保护电路15与第一至第五接脚P1～P5。过电压保护电路15包括比较电路20，且比较电路20包括第一比较器22以及第二比较器24。第一比较器22耦接第一接脚P1，且第一接脚P1接收工作电压VCC。第二接脚P2耦接第一开关Q1的控制端。

第一比较器22比较第一电压预设值POR1与工作电压VCC来产生第一致能信号Movp。当第一致能信号Movp产生时，第二比较器24比较第一开关Q1的控制端的电压VUG与参考电压VREF，以使过电压保护电路15决定是否执行过电压保护操作。

栅极驱动集成电路10还可耦接第二开关Q2。第二开关Q2耦接第一开关Q1，两开关的耦接之处则连接至第五接脚P5。栅极驱动集成电路10还可包括控制单元30。第三接脚P3耦接第二开关Q2的控制端。控制单元30耦接第一比较器22、第二比较器24与第二至第五接脚P2～P5。此外，第四接脚P4可接收脉宽调制信号PWM。当第一开关Q1的控制端的电压VUG高于参考电压VREF时，第二比较器24提供控制信号Sovp，使得控制单元30控制第二开关Q2导通。

在本实施例中，过电压保护电路15是配置在栅极驱动集成电路10中且使用现有接脚，无需额外的接脚。在另一实施例，过电压保护电路15、第一开关Q1与第二开关Q2可以配置在同一个集成电路。在其他实施例中，过电压保护电路15也可整合在直流对直流转换控制器(DC-DC controller)中或整合在直流对直流转换器(DC-DC converter)中。

更详细来说，第一开关Q1的第一端接收输入电压VIN，其第二端耦接第二开关Q2第一端与电感器L的第一端与第五接脚P5。电容器C1耦接于电感器L的第二端与地GND之间。在本实施例中，工作电压VCC等于输入电压VIN。第一比较器22用来比较第一电压预设值POR1与工作电压VCC，以产生第一致能信号Movp。第二比较器24用来比较参考电压VREF与电压VUG来产生控制信号Sovp。当控制单元30接收到第一致能信号Movp与控制信号Sovp时，则表示第一开关Q1已经损坏，于是通过第三接脚P3输出第二开关控制信号LG以导通第二开关Q2，将工作电压VCC下拉至地GND，输出电压VOUT也被拉至0伏特而不会超过负载50(例如，中央处理单元或绘图处理单元)所能承受的耐电压范围。

比较电路20还可包括第三比较器26。第三比较器26比较第二电压预设值POR2与工作电压VCC来产生第二致能信号Mnm，其中第二电压预设值POR2大于第一电压预设值POR1。参考电压VREF可以设定为大于或等于第一电压预设值POR1，且参考电压VREF小于第二电压预设值POR2。当控制单元30接收到第二致能信号Mnm时，则表示第一开关Q1为正常，并进入正常操作模式。控制单元30根据脉宽调制信号PWM输出第一开关控制信号UG与第二开关控制信号LG，以对第一开关Q1与第二开关Q2执行正常脉宽调制操作。

在一实施例中，当工作电压VCC为5伏特时，第一电压预设值POR1可以介于1.5至1.6伏特，第二电压预设值POR2可以介于3.9至4.2伏特。在另一实施例中，当工作电压VCC为12伏特时，第一电压预设值POR1的设定可以介于1.5至1.6伏特，第二电压预设值POR2的设定可以介于6.8至7.5伏特。此外，第一电压预设值POR1、第二电压预设值POR2不局限于上述形态而可以做其他的变化。

图3为依照本发明另一实施例的栅极驱动集成电路的电路图。请参阅图3。栅极驱动集成电路10A包括比较电路20、控制单元30A与第一至第六接脚P1～P6。关于比较电路20的描述可以参阅在图2的实施例，在此不加以赘述。控制单元30A包括第一与门32、第二与门34、第三与门36、或门40、驱动器42以及电平偏移电路44。第一与门32的第一输入端接收第一致能信号Movp，其第二端接收控制信号Sovp。第二与门34的第一输入端接收第二致能信号Mnm，其第二端接收脉宽调制信号PWM。第三与门36的第一输入端接收第二致能信号Mnm，其第二端接收经反相的脉宽调制信号PWM。或门40的第一输入端耦接第一与门32的输出端，其第二端耦接第三与门36的输出端。驱动器42的输入端耦接或门40的输出端，其输出端经由第三接脚P3耦接第二开关Q2的栅极。电平偏移电路44耦接第二接脚P2、第五接脚P5与第六接脚P6。电平偏移电路44经由第六接脚P6接收靴带电压BOOT来进行电平偏移的操作。本实施例的控制单元30A不局限于上述形态而可以做其他的变化。

图4为依照本发明一实施例的正常脉宽调制操作的波形图。请合并参阅图2和图4。在此实施例中，当电子系统应用了过电压保护电路15，且在开机过程中的时间点T1，工作电压VCC上升至第一电压预设值POR1，控制单元30准备执行过电压保护模式的操作。在时间点T1至时间点T3的期间，第一开关Q1尚未导通，且电压VUG一直维持在低电平。在时间点T3工作电压VCC上升至第二电压预设值POR2，控制单元30开始根据脉宽调制信号PWM输出第一开关控制信号UG与第二开关控制信号LG，以对第一开关Q1与第二开关Q2执行正常脉宽调制操作。此外，在时间点T3之后，可以暂停过电压保护模式的操作。

图5为依照本发明另一实施例的过电压保护操作的波形图。请合并参阅图2和图5。倘若电子系统应用了过电压保护电路15，且开机前第一开关Q1已经损坏，通常第一开关Q1会呈现：第一开关Q1的第一端-第二端之间短路(short circuit)、控制端-第二端之间短路、或控制端-第一端-第二端之间短路。在电子系统的开机过程中，第一开关Q1的控制端的电压VUG随着工作电压VCC(VCC＝VIN)上升。控制单元30在时间点T1准备执行过电压保护模式的操作。在时间点T2，电压VUG超过参考电压VREF，比较电路20产生且输出控制信号Sovp至控制单元30；然后，控制单元30输出具有逻辑高电平的第二开关控制信号LG，以导通第二开关Q2。此外，控制信号Sovp与第二开关控制信号LG的波形相同。在时间点T2之后工作电压VCC被下拉至地GND，在时间点T2至时间点T3的期间，输出电压VOUT也被拉至0伏特。如此一来，输出电压VOUT不会变成过电压，也就不会超过负载50(例如，中央处理单元或绘图处理单元)所能承受的耐电压范围。此外，在本实施例中参考电压VREF为大于第一电压预设值POR1。在其他实施例，参考电压VREF也可以设定为等于第一电压预设值POR1。

基于上述实施例所揭示的内容，可以汇整出一种通用的过电压保护方法。更清楚来说，图6为本发明一实施例的过电压保护方法的流程图。请合并参阅图2和图6，本实施例的过电压保护方法用于过电压保护电路15。过电压保护电路15耦接第一开关Q1，第一开关Q1具有控制端。过电压保护方法可以包括以下步骤。

如步骤S601所示，比较第一电压预设值POR1与工作电压VCC，当工作电压VCC大于第一电压预设值POR1时产生第一致能信号Movp，并进入步骤S602，否则重新执行步骤S601。

如步骤S602所示，根据第一致能信号Movp来准备过电压保护操作。接着如步骤S603所示，比较参考电压VREF与第一开关Q1的控制端的电压VUG，当电压VUG大于参考电压VREF时进入步骤S604。参考电压VREF可以设定为大于或等于第一电压预设值POR1。

如步骤S604所示，提供控制信号Sovp来控制第二开关Q2导通。

回到步骤S603，若第一开关Q1控制端的电压VUG未大于参考电压VREF，则进入步骤S605。

如步骤S605所示，比较第二电压预设值POR2与工作电压VCC，当工作电压VCC大于第二电压预设值POR2时进入步骤S606，否则回到步骤S603。第二电压预设值POR2大于第一电压预设值POR1，且参考电压VREF小于第二电压预设值POR2。在步骤S606中，执行正常操作模式，如正常脉宽调制操作。

综上所述，当电子系统应用了本发明的过电压保护电路以及过电压保护方法，在电子系统开机过程中根据工作电压、第一电压预设值、第一开关的控制端的电压与参考电压来决定是否执行过电压保护操作，有效地避免因高电压应力而损坏负载。另一方面，本发明实施例的过电压保护电路构造简单，且过电压保护电路被配置在栅极驱动集成电路时仍是使用现有接脚，无需额外的接脚。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.一种过电压保护电路，其特征在于，耦接一第一开关及一第二开关，所述第一开关具有一控制端、一接收端、一输出端，所述过电压保护电路包括：

一第一比较器，接收一工作电压，以比较一第一电压预设值与所述工作电压来产生一第一致能信号，所述工作电压也连接到所述第一开关的所述接收端；以及

一第二比较器，耦接所述第一开关的所述控制端，当所述第一致能信号产生时，所述第二比较器比较所述第一开关的所述控制端的电压与一参考电压，以决定是否执行一过电压保护操作以产生一控制信号，

其中所述第二开关串联耦接到所述第一开关的所述输出端，其中所述过电压保护电路还包括一控制单元，耦接第二比较器，当所述第一开关的所述控制端的电压高于所述参考电压时，所述第二比较器提供所述控制信号，使得所述控制单元控制所述第二开关导通。

2.根据权利要求1所述的过电压保护电路，其特征在于，还包括：

一第三比较器，比较所述工作电压与一第二电压预设值，其中所述第二电压预设值高于所述第一电压预设值，当所述工作电压高于所述第二电压预设值时，所述第三比较器提供一第二致能信号，以进入一正常操作模式。

3.根据权利要求2所述的过电压保护电路，其特征在于，当所述工作电压为5伏特时，所述第一电压预设值介于1.5至1.6伏特之间，所述第二电压预设值介于3.9至4.2伏特之间。

4.根据权利要求2所述的过电压保护电路，其特征在于，当所述工作电压为12伏特时，所述第一电压预设值介于1.5至1.6伏特之间，所述第二电压预设值介于6.8至7.5伏特之间。

5.一种过电压保护方法，其特征在于，用于一过电压保护电路，所述过电压保护电路耦接一第一开关及一第二开关，所述第一开关具有一控制端、一接收端、一输出端，所述过电压保护方法包括：

比较一第一电压预设值与一工作电压来产生一第一致能信号，所述工作电压也连接到所述第一开关的所述接收端；以及

当所述第一致能信号产生时，比较所述第一开关的所述控制端的电压与一参考电压，以决定是否执行一过电压保护操作以产生一控制信号，

所述第二开关串联耦接到所述第一开关的所述输出端，所述过电压保护方法还包括：

当所述第一开关的所述控制端的电压高于所述参考电压时，提供所述控制信号来控制所述第二开关导通。

6.根据权利要求5所述的过电压保护方法，其特征在于，还包括：

比较所述工作电压与一第二电压预设值，以决定所述过电压保护电路是否进入一正常操作模式，所述第二电压预设值高于所述第一电压预设值，其中当所述工作电压高于所述第二电压预设值时，进入所述正常操作模式。

7.根据权利要求6所述的过电压保护方法，其特征在于，当所述工作电压为5伏特时，所述第一电压预设值介于1.5至1.6伏特之间，所述第二电压预设值介于3.9至4.2伏特之间。

8.根据权利要求6所述的过电压保护方法，其特征在于，当所述工作电压为12伏特时，所述第一电压预设值介于1.5至1.6伏特之间，所述第二电压预设值介于6.8至7.5伏特之间。

9.一种栅极驱动集成电路，其特征在于，耦接一第一开关及一第二开关，所述第一开关具有一控制端、一接收端、一输出端，所述栅极驱动集成电路包括：

一第一接脚，接收一工作电压，所述工作电压也连接到所述第一开关的所述接收端；

一第二接脚，耦接所述第一开关的所述控制端；

一第一比较器，耦接所述第一接脚，以比较一第一电压预设值与所述工作电压来产生一第一致能信号；以及

一第二比较器，耦接所述第二接脚，

其中当所述第一致能信号产生时，所述第二比较器比较所述第二接脚的电压与一参考电压，以决定是否执行一过电压保护操作以产生一控制信号，

所述第二开关串联耦接到所述第一开关的所述输出端，其中所述栅极驱动集成电路还包括：

一第三接脚，耦接所述第二开关的控制端；以及

一控制单元，耦接所述第二比较器与所述第三接脚，当所述第一开关的所述控制端的电压高于所述参考电压时，所述第二比较器提供所述控制信号，使得所述控制单元控制所述第二开关导通。

10.根据权利要求9所述的栅极驱动集成电路，其特征在于，还包括：

一第三比较器，比较所述工作电压与一第二电压预设值，所述第二电压预设值高于所述第一电压预设值，其中当所述工作电压高于所述第二电压预设值时，所述第三比较器提供一第二致能信号，以进入一正常操作模式。

11.根据权利要求10所述的栅极驱动集成电路，其特征在于，当所述工作电压为5伏特时，所述第一电压预设值介于1.5至1.6伏特之间，所述第二电压预设值介于3.9至4.2伏特之间。

12.根据权利要求10所述的栅极驱动集成电路，其特征在于，当所述工作电压为12伏特时，所述第一电压预设值介于1.5至1.6伏特之间，所述第二电压预设值介于6.8至7.5伏特之间。