CN116679117A - 电压监测系统与电压监测装置以及相关的电压监测方法 - Google Patents
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Abstract
提供了电压监测系统、电压监测装置以及电压监测方法。电压监测系统包括分压电路和电压监测装置。分压电路用于分压电力信号以产生输入电压。电压监测装置包括输入节点、分流电路、第一检测电路和第二检测电路。输入节点用于接收输入电压。分流电路耦接于输入节点和参考电源端之间。分流电路用于比较输入电压和电压阈值以选择性地操作于导通状态或关断状态，且用于输出旗标信号以指示分流电路的导通状态或关断状态。第一检测电路耦接于输入节点，用于产生对应于输入电压的数值的第一检测信号。第二检测电路用于依据旗标信号和第一检测信号产生对应电力信号的数值的第二检测信号。
Description
技术领域
本公开文件有关电压监测技术，尤指能自动调整输入信号衰减程度的电压监测系统与电压监测装置以及相关的电压监测方法。
背景技术
C型通用串行总线(Type-C USB)接口具有体积小、高数据传输速度与供电能力强等优点，因而获得越来越多笔记本电脑、平板电脑和智能型手机采用。为了因应如电竞笔记本电脑和高分辨率显示器等高功率电子产品的通用充电需求，USB电力输送协议3.1(简称USB PD协议3.1)可支持最高达48V的电压。
在充电过程中，供电端装置(source)或耗电端装置(sink)可以监测电源线上的电压变化以稳定输出电压，或是判断是否有故障事件发生。由于半导体元件的耐压随着制程的进步而逐渐降低，电源线上的电压必须经过衰减后才可输入监测电路以免破坏半导体元件。不过，电源线上的电压变化经过衰减后将变得十分细微，需要以高精度的电路进行测量，因而提高了整体电路的制作难度与制作成本。
发明内容
本公开文件提供一种电压监测系统，其包括分压电路和电压监测装置。分压电路用于分压电力信号以产生输入电压。电压监测装置包括输入节点、分流电路、第一检测电路和第二检测电路。输入节点用于接收输入电压。分流电路耦接于输入节点和参考电源端之间。分流电路用于比较输入电压和电压阈值以选择性地操作于导通状态或关断状态，且用于输出旗标信号以指示分流电路的导通状态或关断状态。第一检测电路耦接于输入节点，用于产生对应于输入电压的数值的第一检测信号。第二检测电路用于依据旗标信号和第一检测信号产生对应电力信号的数值的第二检测信号。
本公开文件提供一种电压监测装置，用于耦接于分压电路。分压电路用于分压电力信号以产生输入电压。电压监测装置包括输入节点、分流电路、第一检测电路和第二检测电路。输入节点用于接收输入电压。分流电路耦接于输入节点和参考电源端之间。分流电路用于比较输入电压和电压阈值以选择性地操作于导通状态或关断状态，且用于输出旗标信号以指示分流电路的导通状态或关断状态。第一检测电路耦接于输入节点，用于产生对应于输入电压的数值的第一检测信号。第二检测电路用于依据旗标信号和第一检测信号产生对应电力信号的数值的第二检测信号。
本公开文件提供一种电压监测方法，其包括以下流程：利用分压电路分压电力信号以产生输入电压，其中分压电路包括串联耦接的第一电阻和第二电阻，第一电阻和第二电阻之间的分压节点用于产生输入电压，第二电阻耦接于分压节点和参考电源端之间；若输入电压大于电压阈值，降低分压节点和参考电源端之间的电阻值；若输入电压小于或等于电压阈值，提高分压节点和参考电源端之间的电阻值；产生旗标信号，其中旗标信号用于指示输入电压是大于电压阈值或是小于或等于电压阈值；依据输入电压产生第一检测信号；以及依据旗标信号和第一检测信号产生对应于电力信号的数值的第二检测信号。
上述电压监测系统、电压监测装置和电压监测方法能缩小电路面积且降低电路的制造难度。
附图说明
图1为依据本公开文件一实施例的电力供应装置简化后的功能方块图。
图2A为动态调整电力信号衰减程度的示意图。
图2B为动态调整电力信号衰减程度的示意图。
图3为没有动态调整衰减程度的情况下解析电力信号的示意图。
图4为依据本公开文件一实施例的电力供应装置的示意图。
图5为依据本公开文件一实施例的电压监测方法的流程图。
具体实施方式
以下将配合相关附图来说明本公开文件的实施例。在附图中，相同的标号表示相同或类似的元件或方法流程。
图1为依据本公开文件一实施例的电力供应装置100简化后的功能方块图。电力供应装置100包括电压调节器101、电压监测系统102、输出接口103以及电力管理电路104。电压调节器101用于转换电力输入Pin，以将电力信号Vp提供至输出接口103的电力输出端Tout。在一些实施例中，电力输入Pin可以是来自交流电网或锂电池。在一些实施例中，电力供应装置100支持通用串行总线电力输送协议3.1(简称USB PD协议3.1)，且输出接口103为USB端口，电压调节器101可以将电力信号Vp控制在5～48V的电压范围，但不以此为限。
电压监测系统102用于监测电力信号Vp，以产生对应于电力信号Vp的电压数值的检测信号De_y。电力管理电路104可依据检测信号De_y控制电压调节器101以调整电力信号Vp。在一些实施例中，电力管理电路104可以由检测信号De_y判断电力信号Vp是否具有异常的电压波动，进而判断是否发生故障事件(例如短路)而需中断输出电力信号Vp。换言之，电压监测系统102和电力管理电路104形成了对于电力信号Vp的反馈控制回路。以下将进一步说明电压监测系统102的元件、连接关系与运作。
电压监测系统102包括分压电路110和电压监测装置120。分压电路110耦接于输出接口103的电力输出端Tout与参考电源端Tref之间，参考电源端Tref在一些实施例中可以为接地端。分压电路110用于分压电力输出端Tout与参考电源端Tref之间的电压，亦即分压电力信号Vp，以将输入电压Vin提供至电压监测装置120。分压电路110的功能也可理解为衰减电力信号Vp，以将输入电压Vin控制在电压监测装置120可承受的电压范围之内。
在一实施例中，分压电路110包括电阻R1和电阻R2，且电阻R1和电阻R2串联耦接于电力输出端Tout与参考电源端Tref之间。电阻R1和电阻R2之间的分压节点Ndi用于提供输入电压Vin。
电压监测装置120包括输入节点Nin、分流电路122、检测电路124与检测电路126。输入节点Nin耦接于分压节点Ndi，用于自分压电路110接收输入电压Vin。分流电路122耦接于输入节点Nin和参考电源端Tref之间，用于比较输入电压Vin和电压阈值以选择性地将输入节点Nin导通至参考电源端Tref。分流电路122可以在输入电压Vin高于电压阈值时操作于导通状态，以提供并联耦接于电阻R2的额外电阻，进而降低输入节点Nin和参考电源端Tref之间的阻抗。另一方面，在输入电压Vin低于或等于电压阈值时，分流电路122操作于关断状态，以增加输入节点Nin和参考电源端Tref之间的阻抗。另外，分流电路122还用于产生旗标信号FL以指示分流电路122目前处于导通状态或关断状态，例如旗标信号FL的第一逻辑值(例如逻辑1)代表分流电路122处于导通状态，旗标信号FL的第二逻辑值(例如逻辑0)则代表分流电路122处于关断状态。
在一些实施例中，分流电路122包括分流电阻RS、开关电路SW与比较电路CMP。分流电阻RS和开关电路SW串联耦接于输入节点Nin与参考电源端Tref之间。比较电路CMP用于比较输入电压Vin和电压阈值，并用于依据比较结果控制开关电路SW。比较电路CMP可以在输入电压Vin高于电压阈值时导通开关电路SW以使分流电路122进入前述导通状态，此时分流电阻RS将并联于电阻R2以较大程度地衰减电力信号Vp。另一方面，比较电路CMP会在输入电压Vin低于或等于电压阈值时断开开关电路SW以使分流电路122进入前述关断状态，进而降低电力信号Vp的衰减程度。比较电路CMP还用于产生前述旗标信号FL。在一些实施例中，比较电路CMP可以包括比较器，比较器的一输入端(例如反相输入端)用于接收代表电压阈值的电压信号，比较器的另一输入端(例如非反相输入端)用于接收输入电压Vin，而比较器的输出则用于控制开关电路SW。
通过分流电路122动态地调整电力信号Vp的衰减程度，可以避免电力信号Vp的变化量被过度衰减而难以监测。分流电路122的详细运作将在后续段落配合图2A～图2B说明，以下将继续说明电压监测装置120中的其余电路方块。检测电路124耦接于输入节点Nin，用于产生对应于输入电压Vin数值的检测信号De_x。在本实施例中，检测电路124由模数转换器(后简称ADC)128来实现，ADC 128的输入端用于自输入节点Nin接收输入电压Vin，ADC128的输出端则用于产生检测信号De_x。检测电路126用于依据旗标信号FL和检测信号De_x计算电力信号Vp的电压数值，并产生对应于电力信号Vp的电压数值的检测信号De_y。
图2A和图2B示出了在电压阈值为0.419V的实施例中，分流电路122动态地调整电力信号Vp的衰减程度的示意图，其中0.419V的电压阈值对应于20V的电力信号Vp。在以下的实施例中，电阻R1、电阻R2和分流电阻RS分别为56欧姆、3欧姆和1.15欧姆，但本公开文件不以此为限。请先参考图1与图2A，电力供应装置100在图2A的操作情况中输出的电力信号Vp具有高于20V且最高为48V的电压，亦即电力供应装置100作为供电端装置(source)将较大的功率提供至耗电端装置(sink，未绘示)。耗电端装置可以是正在执行游戏程序的笔记本电脑，或是正在以定电流模式快速充电的智能型手机，但不以此为限。此时，比较电路CMP判断输入电压Vin高于电压阈值，因而导通开关电路SW以较大程度地衰减电力信号Vp，并输出具有第一逻辑值的旗标信号FL。
电压监测系统102被设置为以0.25V为单位解析电力信号Vp的电压变化，在图2A的实施例中，电压监测系统102共需监测112阶变化。因此，ADC 128可以由分辨率为7位的ADC来实现，但本公开文件不以此为限。在一些实施例中，电压监测系统102解析电力信号Vp的单位可依据实际需求调整，而ADC 128的分辨率也可以相应调整。另外，检测电路126由具有第一逻辑值的旗标信号FL得知电力信号Vp的电压数值位于高于20V的电压区间，因而能依据检测信号De_x正确计算出电力信号Vp的电压数值。
另一方面，当比较电路CMP检测到输入电压Vin等于电压阈值(亦即0.419V)时，比较电路CMP进入图2B所示的操作情况，亦即比较电路CMP断开开关电路SW以降低电力信号Vp的衰减程度，并输出具有第二逻辑值的旗标信号FL。此时，电力供应装置100将较低的功率提供至耗电端装置。耗电端装置可以是正在执行字处理程序的笔记本电脑，或是正以定电压模式充电的智能型手机，但不以此为限。在图2B的情况下，电力信号Vp位于0～20V的电压区间，电压监测系统102需监测80阶电压变化。因此，7位的ADC 128同样能满足解析电力信号Vp的需求。检测电路126可由具有第二逻辑值的旗标信号FL得知电力信号Vp位于0～20V的电压区间，因而能依据检测信号De_x正确计算出电力信号Vp的电压数值。
由图2A和图2B可知，藉由动态调整电力信号Vp的衰减程度，输入电压Vin在两种情况下大致上位于相同的电压区间(例如大致上位于0～1V之间)，且ADC 128的输入范围也大致等同于此电压区间，如此可以充分利用ADC 128的输入范围。此时，搭配上旗标信号FL指示电力信号Vp的电压区间，便能使用低分辨率的ADC 128实现对电力信号Vp的高分辨率解析。例如，在图2A和图2B的实施例中，电压监测系统102使用分辨率为128阶的7位ADC 128，便可以监测电力信号Vp所产生的192阶电压变化。
相较之下，在图3所示出的没有动态调整衰减程度的某一实施例中，为了涵盖电力信号Vp的192阶电压变化，ADC 310需使用电路面积较大的8位ADC来实现。然而，在一些使用情境中，例如耗电端装置处于待机状态或耗电端装置仅支持旧版的电力输送协议，电力信号Vp将维持于低电压(例如5V)，这时电力信号Vp的监测并不需要高达8位的分辨率。另外，请同时参照图2B和图3，在电力信号Vp位于较低电压区间的情况下，动态调整衰减程度能避免电力信号Vp的变化被过度衰减，放大输入电压Vin的电压变化量。例如，当电力信号Vp由5V变化为5.25V时，图2B的输入电压Vin的电压变化量约为0.013V，而图3的输入电压Vin的电压变化量仅有约0.005V。因此，图3的ADC 310需使用高精度的元件以获得高电压分辨率，这将造成ADC 310的制造难度上升，且高电压分辨率也会使得ADC 310的输出结果更容易受到噪声干扰。
总而言之，上述多个实施例中的电压监测系统102具有电路面积小且制造难度低的优点。
图4为依据本公开文件一实施例的电力供应装置400的示意图。图4的电力供应装置400与图1的电力供应装置100的差异在于，图4的电力供应装置400以检测电路410替换图1的检测电路124。检测电路410可以由比较器412来实现，其中比较器412的第一输入端(例如反相输入端)用于接收参考电压Vref；比较器412的第二输入端(例如非反相输入端)用于接收输入电压Vin，比较器412的输出端用于产生检测信号De_x。图4的电力供应装置400的其余电路方块的运作、连接方式与优点分别相似于前述图1的电力供应装置100中的对应电路方块，为简洁起见，在此不重复赘述。
在一些实施例中，参考电压Vref是由相似于分压电路110的另一分压电路(未示出)所产生。由于动态切换衰减程度能放大输入电压Vin的变化量，使得比较器412即使在参考电压Vref具有一定程度偏差的情况下也能正确判断输入电压Vin的数值。因此，有助于降低产生参考电压Vref的分压电路的制造难度。
值得注意的是，前述多个实施例中的电压监测系统102也可设置于耗电端装置，或是任何需要监测电压的合适电子装置中。例如，电压监测系统102可以监测来自供电端装置的电力信号Vp，并输出对应于电力信号Vp的电压数值的检测信号De_y，以使耗电端装置判断是否需要求供电端装置调整电力信号Vp，或判断是否发生故障事件而需中断接收电力信号Vp。
图5为依据本公开文件一实施例的电压监测方法500的流程图。方法500适用于前述多个实施例中的电压监测系统102与电压监测装置120。在流程S510，分压电路110分压电力信号Vp以产生输入电压Vin。如图1所示，分压电路110的电阻R1和电阻R2之间的分压节点Ndi用于产生输入电压Vin，且电阻R2耦接于分压节点Ndi和参考电源端Tref之间。
在流程S520，比较电路CMP比较输入电压Vin和电压阈值。若输入电压Vin大于电压阈值，则接着执行流程S530。若输入电压Vin小于或等于电压阈值，则接着执行流程S540。
在流程S530中，开关电路SW被导通，使得分流电阻RS并联耦接于电阻R2，以降低分压节点Ndi和参考电源端Tref之间的电阻值。
在流程S540中，开关电路SW被关断，以提高分压节点Ndi和参考电源端Tref之间的电阻值。
在流程S550中，比较电路CMP产生旗标信号FL。旗标信号FL用于指示开关电路SW为导通或关断，亦即用于指示输入电压Vin是大于电压阈值或是小于或等于电压阈值的判断结果。
在流程S560中，检测电路124依据输入电压Vin产生检测信号De_x。
在流程S570中，检测电路126依据检测信号De_x和旗标信号FL产生检测信号De_y，其中检测信号De_y对应于电力信号Vp的电压数值。
应理解的是，在此描述的任何方法可包括相较于流程图所示较多或较少的流程，且方法中的流程可以任何合适的顺序执行。例如，流程S530和流程S550可以同时执行。又例如，流程S540和流程S550可以同时执行。
在说明书及权利要求书中使用了某些词汇来指称特定的元件。然而，所属技术领域中具有通常知识者应可理解，同样的元件可能会用不同的名词来称呼。说明书及权利要求书并不以名称的差异做为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来做为区分的基准。在说明书及权利要求书所提及的“包括”为开放式的用语，故应解释成“包括但不限定于”。另外，“耦接”在此包括任何直接及间接的连接手段。因此，若文中描述第一元件耦接于第二元件，则代表第一元件可通过电性连接或无线传输、光学传输等信号连接方式而直接地连接于第二元件，或者通过其他元件或连接手段间接地电性或信号连接至该第二元件。
另外，除非说明书中特别指明，否则任何单数格的用语都同时包括复数格的涵义。
以上仅为本公开文件的较佳实施例，凡依本公开文件权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本公开文件的涵盖范围。
【符号说明】
100、400：电力供应装置
101：电压调节器
102：电压监测系统
103：输出接口
104：电力管理电路
110：分压电路
120：电压监测装置
122：分流电路
124、410：检测电路
126：检测电路
128、310：模数转换器
412：比较器
500：电压监测方法
S510～S570：流程
Pin：电力输入
Vp：电力信号
Vin：输入电压
De_x：检测信号
De_y：检测信号
FL：旗标信号
Tout：电力输出端
Tref：参考电源端
R1、R2：电阻
RS：分流电阻
SW：开关电路
CMP：比较电路
Ndi：分压节点
Nin：输入节点
Claims (10)
1.一种电压监测系统，其特征在于，包括：
分压电路，用于分压电力信号以产生输入电压；以及
电压监测装置，包括：
输入节点，用于接收该输入电压；
分流电路，耦接于该输入节点和参考电源端之间，用于比较该输入电压和电压阈值以选择性地操作于导通状态或关断状态，且用于输出旗标信号以指示该分流电路的该导通状态或该关断状态；
第一检测电路，耦接于该输入节点，用于产生对应于该输入电压的数值的第一检测信号；以及
第二检测电路，用于依据该旗标信号和该第一检测信号产生对应该电力信号的数值的第二检测信号。
2.如权利要求1所述的电压监测系统，其特征在于，该分流电路包括：
分流电阻；
开关电路，与该分流电阻串联耦接于该输入节点和该参考电源端之间；以及
比较电路，用于比较该输入电压和该电压阈值，其中该比较电路用于导通该开关电路以使该分流电路操作于该导通状态，并用于关断该开关电路以使该分流电路操作于该关断状态。
3.如权利要求1或2所述的电压监测系统，其特征在于，该分流电路用于在该输入电压高于该电压阈值时操作于该导通状态，并用于在该输入电压低于或等于该电压阈值时操作于该关断状态。
4.如权利要求1所述的电压监测系统，其特征在于，该第一检测电路包括模数转换器，其中该模数转换器的输入端用于接收该输入电压，该模数转换器的输出端用于产生该第一检测信号。
5.如权利要求1所述的电压监测系统，其特征在于，该第一检测电路包括：
比较器，包括第一输入端、第二输入端和输出端，其中该比较器的该第一输入端用于接收参考电压，该比较器的该第二输入端用于接收该输入电压，该比较器的该输出端用于产生该第一检测信号。
6.如权利要求1所述的电压监测系统，其特征在于，对应于该导通状态的该输入电压与对应于该关断状态的该输入电压实质上位于相同的电压区间。
7.一种电压监测装置，用于耦接于分压电路，其特征在于，该分压电路用于分压电力信号以产生输入电压，该电压监测装置包括：
输入节点，用于接收该输入电压；
分流电路，耦接于该输入节点和参考电源端之间，用于比较该输入电压和电压阈值以选择性地操作于导通状态或关断状态，且用于输出旗标信号以指示该分流电路的该导通状态或该关断状态；
第一检测电路，耦接于该输入节点，用于产生对应于该输入电压的数值的第一检测信号；以及
第二检测电路，用于依据该旗标信号和该第一检测信号产生对应该电力信号的数值的第二检测信号。
8.如权利要求7所述的电压监测装置，其特征在于，该分流电路包括：
分流电阻；
开关电路，与该分流电阻串联耦接于该输入节点和该参考电源端之间；以及
比较电路，用于比较该输入电压和该电压阈值，其中该比较电路用于导通该开关电路以使该分流电路操作于该导通状态，并用于关断该开关电路以使该分流电路操作于该关断状态。
9.如权利要求7或8所述的电压监测装置，其特征在于，该分流电路用于在该输入电压高于电压阈值时操作于该导通状态，并用于在该输入电压低于或等于该电压阈值时操作于该关断状态。
10.一种电压监测方法，其特征在于，包括：
利用分压电路分压电力信号以产生输入电压，其中该分压电路包括串联耦接的第一电阻和第二电阻，该第一电阻和该第二电阻之间的分压节点用于产生该输入电压，该第二电阻耦接于该分压节点和参考电源端之间；
若该输入电压大于电压阈值，降低该分压节点和该参考电源端之间的电阻值；
若该输入电压小于或等于该电压阈值，提高该分压节点和该参考电源端之间的该电阻值；
产生旗标信号，其中该旗标信号用于指示该输入电压是大于该电压阈值或是小于或等于该电压阈值；
依据该输入电压产生第一检测信号；以及
依据该旗标信号和该第一检测信号产生对应于该电力信号的数值的第二检测信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |