CN109428484A - 电源转换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电源转换电路，包含电压调整电路以及侦测电路。电压调整电路包含第一开关与第二开关。第一开关的第一端接收输入电压，且第一开关的控制端接收第一驱动信号。第二开关耦接于第一开关的第二端与地之间，并根据第二驱动信号导通或截止。第一开关与第二开关调节输入电压，以输出输出电压。侦测电路根据第一开关的第一端、第二端或控制端的至少其中之一的电压电平判定第一开关是否为短路，以在第一开关为短路时调整第二驱动信号以导通第二开关。本发明可通过侦测输入电压或高侧晶体管的两端电压来侦测高侧晶体管是否出现短路，以达到快速保护负载的效果。

Description

电源转换电路
技术领域
本发明是有关于一种电源转换电路，且特别是关于具有侦测短路机制的电源转换电路。
背景技术
目前市面上的电子装置，需配合相对应的电源供应器来进行供电或是充电。在供电或充电的过程中，若是有不稳定的电源输入，则可能导致电子装置中电子元件毁损。举例来说，电脑中常用的处理器，在操作时若是有过高的突波电压或是过大的瞬间电流，超过处理器的最大耐压或是最大电流，将可能导致这些元件出现故障或是烧毁。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可通过侦测输入电压或高侧晶体管的两端电压来侦测高侧晶体管是否出现短路的电源转换电路。
本发明的一些实施方式是关于一种电源转换电路，其包含电压调整电路以及侦测电路。电压调整电路包含第一开关与第二开关。第一开关的第一端接收输入电压，且第一开关的控制端接收第一驱动信号。第二开关耦接于第一开关的第二端与地之间。第二开关根据第二驱动信号导通或截止，第一开关与该第二开关调节输入电压，以输出一输出电压。侦测电路第一开关的第一端、第二端或控制端的至少其中之一的电压电平判定第一开关是否为短路，以在第一开关为短路时调整第二驱动信号以导通第二开关。
综上所述，本发明可通过侦测输入电压或高侧晶体管的两端电压来侦测高侧晶体管是否出现短路，以达到快速保护负载的效果。
附图说明
为让本发明的所述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，结合附图说明如下：
图1为根据本发明一实施例所示的一种电源转换电路的示意图；
图2为根据本发明一实施例所示的图1中的第一驱动信号的示意图；
图3为根据本发明一实施例所示的图1中的侦测电路的示意图；
图4为根据本发明一实施例所示的图1中的侦测电路的示意图；
图5为根据本发明一实施例所示的图1中的侦测电路的示意图；
图6为根据本发明一实施例所示的图1中的多个电压或信号的波形示意图；
图7是根据本发明一实施例所示的一种电源控制方法的流程图。
具体实施方式
关于本文中所使用的“第一”、“第二”、“第三”…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的元件或操作而已。
在本文中所使用的用词“耦接”也可指“电性耦接”，且用词“连接”也可指“电性连接”。“耦接”及“连接”也可指二个或多个元件相互配合或相互互动。
参照图1，图1为根据本发明一实施例所示的一种电源转换电路的示意图。电源转换电路100根据输入电压Vin产生输出电压Vout以供给至负载。
在一实施例中，电源转换电路100包含电压调整电路(voltage regulator)120、驱动电路140以及侦测电路160。电压调整电路120包含第一开关M1、第二开关M2、输出电感L以及输出电容C。第一开关M1的第一端接收输入电压Vin，第一开关M1的第二端与输出电感L耦接至端点PHASE，且第一开关M1的控制端耦接至端点UGATE以接收第一驱动信号SU。第二开关M2的第一端耦接至端点PHASE，第二开关M2的第二端耦接至地，且第二开关M2的控制端耦接至端点LGATE以接收第二驱动信号SL。输出电感L与输出电容C耦接在一端点以产生输出电压Vout。
在一实施例中，第一开关M1与第二开关M2由金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)实现，但本发明并不以此为限。在一实施例中，第一开关M1为高侧(high side)晶体管，且第二开关M2为低侧(low side)晶体管。
驱动电路140包含第一驱动器142、第二驱动器144、逻辑控制电路146以及脉波宽度调变(PWM)电路148。在一实施例中，第一驱动器142、第二驱动器144以及逻辑控制电路146操作为电压调整电路120的控制电路。此控制电路用以产生前述的第一驱动信号SU以及第二驱动信号SL，以控制第一开关M1以及第二开关M2。
第一驱动器142耦接至端点BOOT以经由电压VCC驱动。第一驱动器142的输出端耦接至端点UGATE。第一驱动器142根据第一控制信号VC1输出第一驱动信号SU。第二驱动器144经由电压VCC驱动。第二驱动器144的输出端耦接至端点LGATE。第二驱动器144根据第二控制信号VC2输出第二驱动信号SL。
逻辑控制电路146根据PWM信号SPWM以及致能信号EN产生第一控制信号VC1以及第二控制信号VC2。在一实施例中，逻辑控制电路146可由一个或多个数字逻辑电路实现，但本发明并不以此为限。脉波宽度调变(PWM)电路148根据侦测信号SD以及预设脉波信号SPW产生PWM信号SPWM。
侦测电路160耦接至驱动电路140以及第一开关M1。侦测电路160设置以侦测第一开关M1是否出现短路。当侦测到第一开关M1为短路时，侦测电路160输出相应的侦测信号SD。PWM电路148根据侦测信号SD调整第二驱动信号SL，以导通第二开关M2。因此，输出电压Vout可经由第二开关M2拉低至地，以保护负载。
在一实施例中，侦测电路160可设置以根据输入电压Vin(即第一开关M1上的第一电压电平)侦测第一开关M1是否出现短路。在另一实施例中，侦测电路160可设置以根据第一开关M1的第一端的第一电压电平(后称电压电平VD)以及其第二端(即端点PHASE)的第二电压电平(后称电压电平VS)侦测第一开关M1是否出现短路。在又一实施例中，侦测电路160可设置以根据电压电平VS与其控制端(即端点UGATE)上的第三电压电平(后称电压电平VG)来侦测第一开关M1是否出现短路。
在各种实施例中，所述提及的多种侦测方式可独立或同时采用。图2为根据本发明一实施例所示的图1中的第一驱动信号SU的示意图。如图2所示，在时间区段T1内，第一开关M1导通。在时间区段T2内，第一开关M1截止。在时间区段T1内，侦测电路160可设置为侦测电压电平VS以及电压电平VG。在时间区段T2内，侦测电路160可设置为侦测电压电平VS以及电压电平VD。或者，在时间区段T1以及T2内，侦测电路160也可设置为侦测输入电压Vin。以上设置方式可根据实际应用选择设置。
参照图3，图3为根据本发明一实施例所示的图1中的侦测电路160的示意图。在此例中，侦测电路160设置以根据输入电压Vin(也即电压电平VD)来判定第一开关M1是否出现短路。
如图3所示，侦测电路160包含第一分压电路301、第二分压电路302、比较器303以及第三开关M3。在一实施例中，第一分压电路301以及第二分压电路302可由串联耦接的多个电阻实现，但本发明并不以此为限。第一分压电路301对待机电压VSB分压，以产生参考电压VREF1至比较器303的正输入端。第二分压电路302对输入电压Vin分压，以产生侦测电压VD1至比较器303的负输入端。比较器303耦接至第一分压电路301以及第二分压电路302，以接收参考电压VREF1以及侦测电压VD1。比较器303比较参考电压VREF1以及侦测电压VD1，以输出比较信号SC1。
当参考电压VREF1低于侦测电压VD1时，比较器303输出低电压(逻辑值0)的比较信号SC1。在此条件下，第一开关M1为正常操作。当参考电压VREF1高于侦测电压VD1时，比较器303输出高电压(逻辑值1)的比较信号SC1。在此条件下，第一开关M1出现异常(例如为短路)。如先前图1所示，输入电压Vin输入至第一开关M1的第一端。当第一开关M1为短路时，输入电压Vin的电平会降低，使得侦测电压VD1低于参考电压VREF1。因此，当比较器303输出高电压(逻辑值1)的比较信号SC1时，可判定第一开关M1出现短路。
第三开关M3的控制端耦接至比较器303的输出端，以接收比较信号SC1。第三开关M3的第一端输出侦测信号SD，且第三开关M3的第二端耦接至地。第三开关M3根据比较信号SC1输出侦测信号SD。当第一开关M1未短路时，比较器303输出低电压(逻辑值0)的比较信号SC1。如此，第三开关M3为截止而不改变侦测信号SD的信号值。
当第一开关M1短路时，比较器303输出高电压(逻辑值1)的比较信号SC1。在此条件下，第三开关M3为导通而将第三开关M3的第一端的电压电平下拉至地。如此，当第一开关M1短路时，侦测信号SD为低电压(逻辑值0)。因此，图1中的PWM电路148可根据低电压(逻辑值0)的侦测信号SD调整第二驱动信号SL，以导通第二开关M2。
在一实施例中，如图3所示，侦测电路160还包含致能电路304。致能电路304耦接至第一分压电路301以及比较器303的输出端。致能电路304根据致能信号EN以及待机电压VSB来致能(enable)第一分压电路301。当致能信号EN为高电压(逻辑值1)时，第一分压电路301被启用，以使侦测电路160的操作生效。图3中的致能电路304仅为示例，各种可确保侦测电路160的操作能够正确生效的致能电路304皆为本发明所涵盖的范围。
一般通过OVP电路做电源保护时需要较长的运作时间才能侦测到第一开关M1出现异常，而无法有效地实时保护负载。例如，当第一开关M1出现短路时，输入电压Vin开始降低。在此条件下，输出电感L的电流在一段时间内持续上升而使输出电压VOUT上升。当OVP电路侦测到输出电压VOUT高在一特定电压后，才判定第一开关M1出现短路而执行保护负载的相关操作。相较于所述相关技术中的OVP电路，图3中的侦测电路160通过直接侦测输入电压Vin来判定第一开关M1是否发生异常。如此，相较于所述相关技术，本发明可更有效达到快速保护负载的目的。
参照图4，图4为根据本发明一实施例所示的图1中的侦测电路160的示意图。在此实施例中，侦测电路160设置以在图2的时间区段T2内根据电压电平VD以及电压电平VS来判定第一开关M1是否出现短路。
如图4所示，侦测电路160包含放大器401、比较器402以及逻辑闸403。放大器401的正输入端耦接至图1的第一开关M1的第一端，放大器401的负输入端耦接至图1的第一开关M1的第二端(即端点PHASE)，且放大器401的输出端耦接至比较器402的负输入端，以传送差值信号VDS。在一实施例中，放大器401可以由差动放大器(differential amplifier)实现。
在此实施例中，放大器401根据电压电平VD以及电压电平VS输出差值信号VDS。在一实施例中，放大器401放大电压电平VD与电压电平VS之间的电压差，以产生差值信号VDS。比较器402的正输入端接收参考信号VREF2。比较器402比较参考信号VREF2以及差值信号VDS，以产生比较信号SC2。逻辑闸403的一个输入端耦接至比较器402的输出端以接收比较信号SC2，且逻辑闸403的另一个输入端接收致能信号EN。逻辑闸403根据比较信号SC2以及致能信号EN产生侦测信号SD。在一实施例中，逻辑闸403可为与门，但本发明并不以此为限。
当参考电压VREF2低于差值信号VDS时，比较器402输出低电压(逻辑值0)的比较信号SC2。在此条件下，第一开关M1为正常操作。当参考电压VREF2高于差值信号VDS时，比较器402输出高电压(逻辑值1)的比较信号SC2。在此条件下，第一开关M1出现异常(例如为短路)。若第一开关M1为短路时，第一开关M1的第一端与其第二端形成通路，故电压电平VD约等于电压电平VS。换言之，当第一开关M1为短路时，差值信号VDS降低。因此，当比较器402输出高电压(逻辑值1)的比较信号SC2时，可判定第一开关M1出现短路。
当第一开关M1为正常操作时，比较信号SC2为低电压(逻辑值0)。如此，逻辑闸403输出低电压(逻辑值0)的侦测信号SD，以不导通第二开关M2。或者，当第一开关M1为短路时，比较信号SC2为高电压。如此，当致能信号EN也为高电压(逻辑值1)时，逻辑闸403输出高电压(逻辑值1)的侦测信号SD，以导通第二开关M2。
在另一实施例中，逻辑闸403的输出端可直接连接至第二开关M2的控制端(即端点LGATE)。通过此设置方式，逻辑闸403输出的侦测信号SD可直接作为第二驱动信号SL，以在第一开关M1短路时导通第二开关M2。
参照图5，图5为根据本发明一实施例所示的图1中的侦测电路160的示意图。为易于理解，图5中与图4类似的元件将指定为相同标号。在此例中，侦测电路160设置以在图2的时间区段T1内根据电压电平VG以及电压电平VS来判定第一开关M1是否出现短路。
相较于图4，图5中的放大器401的正输入端耦接至图1的第一开关M1的控制端(即端点UGATE)。换言之，在此例中，放大器401根据电压电平VG以及电压电平VS产生差值信号VGS。在一实施例中，放大器401放大电压电平VG与电压电平VS之间的电压差，以产生差值信号VGS。
如图5所示，比较器402的正输入端接收参考信号VREF3，且比较器402的负输入端耦接至比较器401的输出端以接收差值信号VGS。比较器402比较参考信号VREF3以及差值信号VGS，以产生比较信号SC3。在此例中，当参考电压VREF3低于差值信号VGS时，比较器402输出低电压(逻辑值0)的比较信号SC3。在此条件下，第一开关M1为正常操作。
当参考电压VREF3高于差值信号VGS时，比较器402输出高电压(逻辑值1)的比较信号SC3。在此条件下，第一开关M1出现异常(例如为短路)。如先前所述，此例的侦测电路160是在图2的时间区段T1内进行操作。在时间区段T1内，第一驱动信号SU为高电压。如此，可推得在时间区段T1内电压电平VG为高电压。当第一开关M1为短路时，电压电平VD约等于电压电平VS，而其中电压电平VD相关于输入电压Vin。换句话说，当第一开关M1为短路时，电压电平VS约等于输入电压Vin。在时间区段T1内，若第一开关M1出现短路，由于电压电平VG以及输入电压Vin皆为高电压，使得差值信号VGS降低。因此，当比较器402输出高电压(逻辑值1)的比较信号SC3时，可判定第一开关M1出现短路。
当第一开关M1为正常操作时，比较信号SC3为低电压(逻辑值0)。如此，逻辑闸403输出低电压(逻辑值0)的侦测信号SD，以不导通第二开关M2。当第一开关M1为短路时，比较信号SC3为高电压；并且致能信号EN也为高电压(逻辑值1)时，逻辑闸403输出高电压(逻辑值1)的侦测信号SD，以导通第二开关M2。
在另一实施例中，逻辑闸403的输出端也可直接连接至第二开关M2的控制端(即端点LGATE)。通过此设置方式，逻辑闸403输出的侦测信号SD可直接作为第二驱动信号SL，以在第一开关M1短路时导通第二开关M2。
相较在一般使用OVP电路，本发明透过侦测第一开关M1的两端电压电平(即电压电平VD与VS或电压电平VG与VS)来判定第一开关M1是否发生异常可更有效达到快速保护负载的目的。
在一实施例中，前述各实施例中的参考电压VREF1～VREF3的电压值彼此可以为相同或为不同。参考电压VREF1～VREF3的电压值可视实际应用相应设置。
图6为根据本发明一实施例所示的如图1中的多个电压或信号的波形示意图。在一实施例中，图1中的驱动电路140与前面各实施例所提及的侦测电路160设置为由电压VCC供电，而电压调整电路120设置为由输入电压Vin供电。在一实施例中，电压VCC独立于输入电压Vin。
一般电压VCC与输入电压Vin是彼此相关的。例如，电压VCC与输入电压Vin直接设置为同一电压，或是设置为来自同一电源。如图6的波形601所示，在此些技术中，当第一开关M1发生短路时，除了输入电压Vin降低，电压VCC也会同步地被拉低。如此，当电压VCC太低时，驱动电路140无法有效工作而停止输出第一驱动信号SU以及第二驱动信号SL，使得输出电压VOUT过高而损坏负载。
如波形602所示，相较于前述技术，本发明中的电压VCC可设置为独立于输入电压Vin。当输入电压Vin因第一开关M1短路而降低时，则不会影响到电压VCC。因此，侦测电路160以及驱动电路140可正常运作，以实时保护负载。在一实施例中，电压VCC可由独立的电源模块提供。在一实施例中，电压VCC也可以是其他待机电压。
图7是根据本发明一实施例所示的一种电源控制方法700的流程图。为了以较佳的方式理解本发明，电源控制方法700将搭配前述实施例的电源转换电路100以及侦测电路160进行说明，但本发明不以此为限制。
在一实施例中，电源控制方法700包含步骤S710以及步骤S720。
在步骤S710中，侦测电路160侦测输入电压Vin、电压电平VD与电压电平VS、或电压电平VG与电压电平VS，以判定第一开关M1是否出现短路。若是，执行步骤S420。若否，则重新执行步骤S710。在步骤S720中，导通第二开关M2，以避免负载损坏。
如先前图3所示，侦测电路160可通过侦测输入电压Vin来判定第一开关M1是否出现短路。如先前图5以及图6所示，侦测电路160可通过侦测电压电平VD与电压电平VS或侦测电压电平VG与电压电平VS来判定第一开关M1是否出现短路。当侦测到第一开关M1为短路时，驱动电路140可输出相应的第二驱动信号SL，以导通第二开关M2。如此一来，电压调整电路120的内部电压可经由第二开关M2旁路至地，以避免负载受到损坏。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种电源转换电路，其特征是，包含：
电压调整电路，包含：
第一开关，其中所述第一开关的第一端接收输入电压，且所述第一开关的控制端接收第一驱动信号；以及
第二开关，耦接于所述第一开关的第二端与地之间，所述第二开关根据第二驱动信号导通或截止，所述第一开关与所述第二开关调节输入电压，以输出输出电压；以及
侦测电路，根据所述第一开关的所述第一端、所述第二端或所述控制端的至少其中之一的电压电平判定所述第一开关是否为短路，以在所述第一开关为短路时调整所述第二驱动信号以导通所述第二开关。
2.如权利要求1所述的电源转换电路，其特征是，所述侦测电路根据所述第一开关的所述第一端、所述第二端或所述控制端中的至少其中之一的电压电平输出侦测信号，所述电源转换电路还包含：
脉波宽度调变电路，根据所述侦测信号与预设脉波信号产生脉波宽度调变信号；以及
驱动电路，根据所述脉波宽度调变信号产生所述第一驱动信号以及所述第二驱动信号，并在所述第一开关为短路时输出所述第二驱动信号以导通所述第二开关。
3.如权利要求2所述的电源转换电路，其特征是，所述驱动电路与所述侦测电路经由第一电压供电，且所述第一电压独立于所述输入电压。
4.如权利要求1所述的电源转换电路，其特征是，所述侦测电路包含：
放大器，根据所述第一开关的所述第一端以及所述第一开关的所述第二端之间的电压差输出差值信号；
比较器，比较参考电压与所述差值信号，以产生比较信号；以及
逻辑闸，根据致能信号以及所述比较信号输出所述侦测信号。
5.如权利要求1所述的电源转换电路，其特征是，所述侦测电路包含：
放大器，根据所述第一开关的所述控制端以及所述第一开关的所述第二端之间的电压差输出差值信号；
比较器，比较参考电压与所述差值信号，以产生比较信号；以及
逻辑闸，根据致能信号以及所述比较信号输出所述侦测信号。
6.如权利要求1所述的电源转换电路，其特征是，所述侦测电路包含：
第一分压电路，对待机电压分压，以产生参考电压；
第二分压电路，对所述第一开关的所述第一端的所述第一电压电平分压，以产生侦测电压；
比较器，耦接至所述第一分压电路与所述第二分压电路，所述比较器比较所述参考电压与所述侦测电压，以输出比较信号；以及
第三开关，根据所述比较信号输出所述侦测信号。
7.如权利要求6所述的电源转换电路，其特征是，所述侦测电路还包含：
致能电路，根据致能信号以及所述待机电压致能所述第一分压电路。
8.如权利要求1所述的电源转换电路，其特征是，所述侦测电路在所述第一开关截止时侦测所述第一开关的所述第一端的电压电平以及所述第一开关的所述第二端的电压电平。
9.如权利要求1所述的电源转换电路，其特征是，所述侦测电路在所述第一开关导通时侦测所述第一开关的所述控制端的电压电平以及所述第一开关的所述第二端的电压电平。
10.如权利要求1所述的电源转换电路，其特征是，所述侦测电路在所述第一开关导通以及截止时侦测所述第一开关的所述第一端的电压电平。
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