CN107819398B - 过电压保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种过电压保护电路，其可利用启动过电压保护的时间差，区别切换式电源供应装置输出电压过压状态为内部回授失效引起或是外加电源导致，避免短暂且无害的外加电源影响切换式电源供应装置正常工作，但当切换式电源供应装置内部回授失效时又可实时停止切换式电源供应装置作动达成保护。

Description

过电压保护电路

技术领域

本发明是有关于一种过电压保护电路，尤其是有关于一种适用于切换式电源供应装置的过电压保护电路。

背景技术

一般的切换式电源供应装置(Switching power supply)都会采用过电压保护电路，以在切换式电源供应装置的输出端呈现过电压时，能够控制切换式电源供应装置中的脉宽调变(Pulse Width Modulation，PWM)控制电路停止输出脉宽调变讯号，进而降低该输出端的输出电压大小，以对切换式电源供应装置的内部线路与该输出端的外接系统的内部线路进行过电压保护，避免这二者有任何一个受到破坏。

该输出端会因二种情况而呈现过电压，其一是由切换式电源供应装置的内部电路失效所造成，例如是回授电路失效时；其二是由外接系统所造成，例如具有马达的外接系统在减速时所引起的反电动势回馈。然而，传统的过电压保护电路并无法区别这二者，以致于使用者在正常操作外接系统而引起反电动势回馈时，传统的过电压保护电路仍会控制切换式电源供应装置立即降低其输出电压的大小来进行过电压保护，如此反倒造成外接系统关机而无法正常使用，引起使用者不小的困扰。

发明内容

本发明的目的在提供一种过电压保护电路，其可区别该二种情况所造成的过电压，并采取二种不同的方式来进行过电压保护。

本发明提出一种过电压保护电路，其适用于切换式电源供应装置。其可利用启动过电压保护的时间差，区别切换式电源供应装置输出电压过压状态为内部回授失效引起或是外加电源导致，避免短暂且无害的外加电源影响切换式电源供应装置正常工作，但当切换式电源供应装置内部回授失效时又可实时停止切换式电源供应装置作动达成保护。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例并配合所附图式做详细说明如下。

附图说明

图1为过电压保护电路的第一实施例示意图。

图2为过电压保护电路的第二实施例示意图。

图3为过电压保护电路的第三实施例示意图。

具体实施方式

在图1中，切换式电源供应装置100包含有噪声滤波器110、交流-直流转换电路120、功率级(Power stage)130、变压器140、整流电路150、储能单元160、回授电路170与讯号隔离单元180。变压器140的一次侧线圈可依序透过功率级130、交流-直流转换电路120与噪声滤波器110来耦接输入电压VIN。噪声滤波器110可为电磁干扰滤波器，且用户可决定是否采用噪声滤波器110。

此外，交流-直流转换电路120可为桥式整流器。至于功率级130，其内部具有PWM控制电路132与用来当作开关的功率晶体管134。此功率晶体管134可与变压器140的一次侧线圈串联，藉由控制功率晶体管134的启闭状态(On/off state)便可决定是否允许电流通过一次侧线圈。而PWM控制电路132则用以产生PWM讯号，并输出PWM讯号至功率晶体管134的控制端，藉以控制功率晶体管134在启闭状态之间的切换频率。

变压器140的二次侧线圈的输出在经过整流电路150与储能单元160分别进行整流与滤波后，便可作为切换式电源供应装置100的输出电压VOUT而自其输出端190提供给外接系统(未绘示)。再者，整流电路150与储能单元160亦可依设计需求而决定是否采用。另外，讯号隔离单元180可为光耦合器(Photo coupler)，其可将回授电路170所产生的回授讯号传送给PWM控制电路132，以便让PWM控制电路132可据以调整PWM讯号的责任周期(Dutycycle)。因此，当切换式电源供应装置100的输出端190呈现过电压时，PWM控制电路132便可依据讯号隔离单元180传来的回授讯号来降低输出电压VOUT，以进行过电压保护。

另外，在图1中，过电压保护电路200包括有阻抗220、储能单元230、开关单元240、过电压侦测单元250、开关单元260、电压取样单元270与讯号隔离单元280。储能单元230的一端耦接阻抗220的一端，而储能单元230的另一端耦接参考电位SGND。开关单元240具有第一端240-1与第二端240-2，且第一端240-1耦接切换式电源供应装置100的输出端190，而第二端240-2耦接阻抗220的另一端。过电压侦测单元250耦接输出端190与开关单元240，用以接收输出端190上的输出电压VOUT，并判断输出电压VOUT是否超过第一默认值，当判断为是时便使开关单元240的第一端240-1与第二端240-2形成导通状态。

开关单元260具有第三端260-3与第四端260-4，且第三端260-3与第四端260-4分别耦接阻抗220的二端。电压取样单元270耦接开关单元260与变压器140的二次侧线圈的一端，用以侦测二次侧线圈所输出的电压是否达第二默认值，当判断为是时便使开关单元260的第三端260-3与第四端260-4形成导通状态。至于讯号隔离单元280，其耦接储能单元230、阻抗220与PWM控制电路132，并依据储能单元230所储存的电压决定是否产生过电压保护触发讯号TRI，以利用过电压保护触发讯号TRI来控制PWM控制电路132停止输出脉宽调变讯号给功率晶体管134。

在此例中，阻抗220与储能单元230可分别为电阻与电容。接下来，将先介绍过电压保护电路200其余部分的详细实施方式。如图1所示，过电压侦测单元250包括有分压电路252与比较器254。分压电路252耦接于切换式电源供应装置100的输出端190与参考电位SGND之间，并依据输出端190的电压而产生分压讯号。比较器254的正输入端用以接收参考电位Vref，负输入端用以接收分压讯号，而其输出则耦接开关单元240。分压电路252可为阻抗252-1与252-2，其中阻抗252-1的一端耦接输出端190，而阻抗252-2的一端耦接阻抗252-1的另一端，阻抗252-2的另一端耦接参考电位SGND。阻抗252-1与252-2皆可为电阻。

开关单元240包括有PNP型晶体管242、稽纳二极管244与阻抗246。PNP型晶体管242具有射极、基极与集极，且其基极透过阻抗246耦接过电压侦测单元250的输出，并据以决定是否导通。稽纳二极管244的阳极耦接PNP型晶体管242的射极，而稽纳二极管244的阴极耦接开关单元240的第一端240-1。稽纳二极管244与阻抗246可视需求而决定是否采用。此外，阻抗246可为电阻。

开关单元260包括有PNP型晶体管262、二极管264、阻抗266与阻抗268。PNP型晶体管262具有射极、基极与集极，且其射极耦接开关单元260的第三端260-3，而其集极耦接开关单元260的第四端260-4。二极管264的阳极透过阻抗268耦接PNP型晶体管262的基极，而二极管264的阴极透过阻抗266耦接输出端190，以接收输出电压VOUT。阻抗268可视需求而决定是否采用。此外，阻抗266与阻抗268皆可为电阻。

电压取样单元270包括有二极管272、储能单元274、分压电路276与压控开关278。二极管272的阳极耦接变压器140的二次侧线圈的一端。储能单元274耦接于二极管272的阴极与参考电位SGND之间。分压电路276耦接于二极管272的阴极与参考电位SGND之间，并依据储能单元274所储存的电压而产生分压讯号。压控开关278具有第五端278-5、第六端278-6与参考端R，且第五端278-5耦接开关单元260，第六端278-6耦接参考电位SGND，而参考端R用以接收分压电路276所产生的分压讯号。当压控开关278的参考端R的电压达到第三默认值时，压控开关278便使第五端278-5与第六端278-6形成导通状态。分压电路276可为阻抗276-1与276-2。其中阻抗276-1的一端耦接二极管272的阴极，阻抗276-2的一端耦接阻抗276-1的另一端，而阻抗276-2的另一端耦接参考电位SGND。

讯号隔离单元280包括有二极管282、讯号传送部284与讯号接收部286。二极管282的阳极耦接储能单元230与阻抗220。讯号传送部284的一端耦接二极管282的阴极，而另一端耦接参考电位SGND。此讯号传送部284用以产生耦合讯号。讯号接收部280的一端耦接PWM控制电路132，而另一端耦接参考电位PGND。此讯号接收部286用以接收耦合讯号，并据以产生过电压保护触发讯号TRI。讯号传送部284及讯号接收部286可分别为光耦合器的发射部及接收部。二极管282可视需求而决定是否采用。

接下来，将介绍过电压保护电路200的详细操作方式。首先来说明在切换式电源供应装置100的内部电路失效而导致其输出端190呈现过电压的情况下，电压保护电路200的操作方式。请再参照图1，当输出端190上的输出电压VOUT超过第一默认值，而使得分压电路252所产生分压讯号的电压大于参考电位Vref的电压时，比较器254的输出便会呈现负饱和而使得PNP型晶体管242导通，并进而使稽纳二极管244崩溃而导通，因此开关单元240使第一端240-1与第二端240-2可形成导通状态。

承上述，由于输出端190呈现过电压是因为切换式电源供应装置100的内部电路失效而引起的，例如是因回授电路170失效而引起的。那么回授电路170就会无法产生回授讯号，因此PWM控制电路132也会无法依据讯号隔离单元180传来的回授讯号来调整PWM讯号的责任周期，因而无法降低输出电压VOUT，且二次侧线圈(Secondary winding)所输出的电压会不断提升。

当二次侧线圈所输出的电压不断提升而达到第二默认值，进而使分压电路276所产生的分压讯号的电压达到第三默认值时，将使压控开关278的第五端278-5与第六端278-6形成导通状态。因此二极管264与PNP型晶体262也会跟着导通，进而使开关单元260的第三端260-3与第四端260-4形成导通状态。由于PNP型晶体管262所提供的路径的阻值会远小于阻抗220的阻值，因此流过开关单元240的电流会选择走PNP型晶体管262所提供的路径来对储能单元230充电。

根据前述说明，储能单元230可以很快地充饱而使二极管282导通，而使讯号传送部284可以很快地产生耦合讯号。而讯号接收部286在接收到耦合讯号后，便可据以产生过电压保护触发讯号TRI给PWM控制电路132，让PWM控制电路132可以透过控制功率晶体管134的操作来立即降低输出电压VOUT，以进行过电压保护。

接下来将说明在外接系统造成输出端190呈现过电压的情况下，电压保护电路200的操作方式。请再参照图1，当输出端190上的输出电压VOUT超过第一默认值，而使分压电路252所产生分压讯号的电压大于参考电位Vref的电压时，比较器254的输出便会呈现负饱和而使PNP型晶体管242导通，而使稽纳二极管244崩溃而导通，因此使开关单元240的第一端240-1与第二端240-2可形成导通状态。

承上述，由于输出端190呈现过电压是由外接系统所造成的，例如是具有马达的外接系统在减速时引起的反电动势回馈所造成的。因此回授电路170就会正常产生回授讯号，使PWM控制电路132能够依据讯号隔离单元180传来的回授讯号调整PWM讯号的责任周期，因而能够降低输出电压VOUT，且二次侧线圈(Secondary winding)所输出的电压就会下降。

当二次侧线圈所输出的电压不断下降而无法达到第二默认值，而使分压电路276所产生的分压讯号的电压也无法达到第三默认值时，将无法使压控开关278的第五端278-5与第六端278-6形成导通状态。。因此二极管264与PNP型晶体管262也会跟着呈现关闭状态(Off state)，进而无法使开关单元260的三端260-3与第四端260-4形成导通状态。因此流过开关单元240的电流只能透过阻抗220来对储能单元230充电。

由于阻抗220的阻值远大于PNP型晶体管262所提供的路径的阻值，因此储能单元230的充电时间就会变长而使二极管282延迟了一段时间后才导通。由于讯号传送部284必须等到二极管282导通后才能产生耦合讯号，因此讯号接收部286也是在延迟了该段时间后才能接收到耦合讯号而据以产生过电压保护触发讯号TRI给PWM控制电路132。由此可知，PWM控制电路132也是在延迟了该段时间后才能透过控制功率晶体管134的操作来降低输出电压VOUT，以进行过电压保护。换句话说，在这种情况下，切换式电源供应装置100并不会立即进行过电压保护而造成外接系统无法正常操作，而是会延迟了该段时间后才会进行过电压保护。当然，本领域的通常知识者应知，延迟时间可透过改变阻抗220的阻值来调整，也可透过改变储能单元230的电容值来调整。

在图2中，与图1中的标示相同者表示为相同的对象或讯号。图2所示电路与图1所示电路的差异处，在于图2的过电压保护电路300额外采用了阻抗210。阻抗210可耦接于开关单元260的第四端260-4与阻抗220的一端之间，且阻抗210的阻值小于阻抗220的阻值。较佳地，阻抗210的阻值远小于阻抗220的阻值。阻抗210可为电阻。当然，阻抗210亦可改成耦接于开关单元260的第三端260-3与阻抗220的一端之间。而由于图2所示电路的操作方式与图1所示电路的操作方式相同，在此便不再赘述。

在图3中，与图1中的标示相同者表示为相同的对象或讯号。图3所示电路与图1所示电路的差异处，在于图3的过电压保护电路400改采用讯号隔离单元290。如图3所示，讯号隔离单元290包括有压控开关292、讯号传送部294与讯号接收部296。压控开关292具有第七端292-7、第八端292-8与参考端R，且第八端292-8耦接参考电位SGND，而参考端R则耦接储能单元230与阻抗220。当参考端R的电压达到第四默认值时，使压控开关292的第七端292-7与第八端292-8形成导通状态。此第四默认值可与第三默认值为相同的数值，亦可为不同的数值。讯号传送部294的一端耦接输出端190，而另一端耦接压控开关292的第七端292-7。此讯号传送部294用以产生耦合讯号。讯号接收部296的一端耦接PWM控制电路132，而另一端耦接参考电位PGND。此讯号接收部296用以接收耦合讯号，并据以产生过电压保护触发讯号TRI。

讯号传送部294及讯号接收部296可分别为光耦合器的发射部及接收部。由于图3所示电路的操作方式与图1所示电路的操作方式亦相似，在此便不再赘述。

综上所述，在本发明的过电压保护电路中，电压取样单元的判断结果可用来反映切换式电源供应装置的输出端若呈现过电压，是因为切换式电源供应装置的内部电路失效所造成的，还是由外接系统所造成的。藉此电压取样单元可据以决定是否控制第二开关单元提供并联于阻抗的路径，以进一步决定是要让电流通过阻抗来对储能单元进行充电，或是让电流通过路径来对储能单元进行充电。而由于上述路径的阻值小于该阻抗的阻值，使得储能单元在二种不同的过电压情况下能有二种不同的充电时间，促使讯号隔离单元在二种不同的过电压情况下，产生过电压保护触发讯号的时间也跟着不同。藉由这样的控制，本发明的过电压保护电路能在切换式电源供应装置的内部电路失效时立即产生过电压保护触发讯号以控制切换式电源供应装置进行过电压保护，并在外接系统造成过电压时推迟产生过电压保护触发讯号的时间，以使切换式电源供应装置不会立即进行过电压保护而造成外接系统无法正常操作。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当是权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种过电压保护电路，适用于一切换式电源供应装置，其特征在于包括：

一第一阻抗；

一第一储能单元，其一端耦接该第一阻抗的一端，而该第一储能单元的另一端耦接一第一参考电位；

一第一开关单元，其具有一第一端与一第二端，该第一端耦接该切换式电源供应装置的一输出端，而该第二端耦接该第一阻抗的另一端；

一过电压侦测单元，耦接该输出端与该第一开关单元，用以接收该输出端上的一输出电压，并判断该输出电压是否超过一第一默认值，当判断为是时便使该第一开关单元的第一端与第二端形成导通状态；

一第二开关单元，具有一第三端与一第四端，该第三端与该第四端分别耦接该第一阻抗的二端；

一电压取样单元，耦接该第二开关单元与该切换式电源供应装置的一变压器的一二次侧线圈的一端，用以侦测该二次侧线圈所输出的电压是否达一第二默认值，且当判断为是时便使该第二开关单元的该第三端与该第四端形成导通状态；以及

一讯号隔离单元，耦接该第一储能单元、该第一阻抗与该切换式电源供应装置的一脉宽调变控制电路，依据该第一储能单元所储存的电压大小来决定是否产生一过电压保护触发讯号，以利用该过电压保护触发讯号来控制该脉宽调变控制电路停止输出一脉宽调变讯号。

2.如权利要求1所述的过电压保护电路，其特征在于进一步包括有一第二阻抗，耦接于该第三端与该第一阻抗的一端之间或耦接于该第四端与该第一阻抗的一端之间，且该第二阻抗的阻值小于该第一阻抗的阻值。

3.如权利要求1所述的过电压保护电路，其特征在于该第一开关单元包括有一PNP型双载子接面晶体管，该PNP型双载子接面晶体管具有一射极、一基极与一集极，该射极耦接该第一端，该集极耦接该第二端，而该基极耦接该过电压侦测单元的输出，并据以决定是否导通。

4.如权利要求3所述的过电压保护电路，其特征在于该第一开关单元更包括有一稽纳二极管，该稽纳二极管耦接于该射极与该第一端之间，且该稽纳二极管的阳极耦接该射极，而该稽纳二极管的阴极耦接该第一端。

5.如权利要求3所述的过电压保护电路，其特征在于该第一开关单元更包括有一第二阻抗，该第二阻抗耦接于该过电压侦测单元的输出与该基极之间。

6.如权利要求1所述的过电压保护电路，其特征在于该过电压侦测单元包括：

一分压电路，耦接于该切换式电源供应装置的该输出端与该第一参考电位之间，并依据该输出端的电压大小而产生一分压讯号；以及

一比较器，其正输入端接收一第二参考电位，其负输入端接收该分压讯号，而其输出耦接该第一开关单元。

7.如权利要求1所述的过电压保护电路，其特征在于该第二开关单元包括：

一PNP型双载子接面晶体管，该PNP型双载子接面晶体管具有一射极、一基极与一集极，该射极耦接该第三端，该集极耦接该第四端；

一二极管，其阳极耦接该基极；以及

一第二阻抗，其耦接于该切换式电源供应装置的该输出端与该二极管的阴极之间。

8.如权利要求1所述的过电压保护电路，其特征在于该电压取样单元包括：

一二极管，其阳极耦接该二次侧线圈的一端；

一第二储能单元，耦接于该二极管的阴极与该第一参考电位之间；

一分压电路，耦接于该二极管的阴极与该第一参考电位之间，并依据该第二储能单元所储存的电压大小而产生一分压讯号；以及

一压控开关，具有一第五端、一第六端与一参考端，该第五端耦接该第二开关单元，该第六端耦接该第一参考电位，而该参考端接收该分压讯号，且当该参考端的电压达到一第三默认值时，该压控开关便使该第五端与该第六端形成导通状态。

9.如权利要求1所述的过电压保护电路，其特征在于该讯号隔离单元包括：

一讯号传送部，其一端耦接该第一储能单元与该第一阻抗，而其另一端耦接该第一参考电位，该讯号传送部用以产生一耦合讯号；以及

一讯号接收部，其一端耦接该脉宽调变控制电路，而其另一端耦接一第二参考电位，该讯号接收部用以接收该耦合讯号，并据以产生该过电压保护触发讯号。

10.如权利要求1所述的过电压保护电路，其特征在于该讯号隔离单元包括：

一压控开关，具有一第五端、一第六端与一参考端，该第六端耦接该第一参考电位，而该参考端耦接该第一储能单元与该第一阻抗，且当该参考端的电压达到一第三默认值时，该压控开关便使该第五端与该第六端形成导通状态；

一讯号传送部，其一端耦接该切换式电源供应装置的该输出端，而其另一端耦接该第五端，该讯号传送部用以产生一耦合讯号；以及

一讯号接收部，其一端耦接该脉宽调变控制电路，而其另一端耦接一第二参考电位，该讯号接收部用以接收该耦合讯号，并据以产生该过电压保护触发讯号。

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