CN1176515C - 降压转换器的输出过电压保护装置 - Google Patents

Abstract

一种应用于降压转换器的输出过电压保护装置，其是利用一晶体管开关(transistor switch)跨接于降压转换器的输入电压与降压转换器的开关组件之间，作为避免降压转换器因其中一开关组件短路而造成输出电压过高的保护装置。在降压转换器的输出电压端设置一电压检测装置，其是被用来将降压转换器的输出电压与一参考电压作比较，以判断降压转换器的输出电压是否超过一预定的电压基准，该降压转换器的输出电压与该参考电压比较后，发出一控制信号至降压转换器的脉冲宽度调变控制器(PWM controller)，并作降压转换器的输出过电压保护装置的晶体管开关。当降压转换器的输出电压高于该参考电压时，降压转换器的脉冲宽度调变控制器接收该控制信号而被关闭，并且该晶体管开关亦因该控制信号而被驱动关闭。依此隔开降压转换器与输入电压间的连接，以切断降压转换器的能量而保护其它的电子组件免于受到降压转换器输出过电压所造成的损害。

Description

降压转换器的输出过电压保护装置

本发明涉及一种应用于开关式电源供应器的降压转换器(step-downconverter，或者称为buck converter)，特别是涉及一种具有输出过电压保护装置(overvoltage protection device)的降压转换器。

在电源设计的相关领域上，开关式电源供应器(switched mode power supply，SMPS)是被广泛地应用于一般以电池为电源的电子产品如手提式计算机上。而降压转换器(buck converter)是被使用在一般的开关式电源供应器中作为一基本的电压调节器(voltage regulator)。降压转换器是接受自一直流的输入电压源如电池所提供的输入电压，而转换成一较低的固定直流输出电压提供给一负载(load)。图1为一典型的降压转换器的电路方块示意图。如图1所示，所用的降压转换器包含一脉冲宽度调变控制器(PWM控制器)101，如一3843与3844系列的集成电路芯片，用以作为开关式电源供应器的电源供应控制电路。为了要正常地激活PWM控制器101本身所具有的控制功能，便需要一个激活电路100以提供足够的电压与电流给PWM控制器101。激活电路100接收一交流电压(其未显示)并将其整流为一直流电压再经过滤波处理后，经由一激活电阻110提供激活PWM控制器101所须的电压至PWM控制器101的输入电压接脚。PWM控制器101是利用一第一参考电压Vref1与降压转换器的输出电压Vout(其是由输出电压端经反馈电路108反馈至PWM控制器101)做比较，以产生一切换控制信号驱动晶体管开关102与二极管开关103而维持所需的输出电压基准。晶体管开关102是以一N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(N-channel MOSFET)所完成。晶体管开关102的栅极是连接至PWM控制器101，而由PWM控制器101所发出的切换控制信号切换其导通与关闭的状态。当晶体管开关102的栅极电压高于其漏极电压，晶体管开关102便会完全的导通。降压转换器所输出的电压是由一电感1041与一电容1042所组成的输出滤波器104提供给一负载107。

然而，在降压转换器的实际操作时，经常会因为一些人为操作的因素而造成晶体管开关102短路。假如晶体管开关102变成短路，则会导致降压转换器的输入电压端与输出电压端之间互相导通，输入电压端的输入直流电压Vin将无法被转换而造成过高的直流电压直接由输出滤波器104输出。因此，降压转换器的输出电压Vout会变得过高，导致电路板上许多组件被烧毁。

为了避免降压转换器因开关组件短路而造成过电压输出的问题发生，传统上在降压转换器的电压输出端会设置一过电压检测电路106用以检测降压转换器的输出电压Vout是否过高，以及一可控硅整流器(SCR)105耦合于降压转换器的输出电压端与过电压检测电路106之间。由于可控硅整流器105的导通电阻(on resistance)很小，因此当降压转换器的输出电压Vout过高时，其可使得降压转换器的输出短路，让降压转换器的输出电压Vout不再往上升。与此同时，当过电压检测电路106检测到降压转换器的输出电压Vout过高时，其会产生一控制信号经由反馈电路108传送至PWM控制器101。PWM控制器101将会因该控制信号而被关闭。此外，在降压转换器的输入电压Vin与晶体管开关102之间跨接一保险丝(fuse)109，作为降压转换器的输出过电压保护装置。因为晶体管开关102短路时会产生极大的电流，使得保险丝(fuse)109熔断而将降压转换器与输入电压Vin隔开，以切断降压转换器的能量。

尽管如此，在已有降压转换器中，使用保险丝作为保护降压转换器免于因开关组件短路而造成输出电压过高的装置的做法仍然具有以下的缺陷存在。首先，保险丝并无法在降压转换器的电压输出过高发生的瞬间马上熔断来保护降压转换器，而是需要一段时间才会熔断。因此在能量切断速率的考量上面，使用保险丝是无法实时地保护降压转换器免于输出电压过高所造成的损害发生。其次，在保险丝熔断后，需要更换保险丝才能够使降压转换器重新操作。因此在实际的应用上面，使用保险丝做为降压转换器的输出过电压保护装置的做法并不是相当完善的设计。

本发明是一种应用于降压转换器的输出过电压保护装置，其是应用一晶体管开关跨接于降压转换器的输入电压与降压转换器的开关组件之间，作为避免降压转换器因开关组件短路而造成输出电压过高的保护装置，而在降压转换器的输出电压端加设一电压检测电路，用以自动检测降压转换器的输出电压是否超过一预定电压值而发出一控制信号，驱动降压转换器的PWM控制器与输出过电压保护装置在降压转换器的输出电压过高时，因该控制信号而关闭。

本发明的目的在于提供一种降压转换器的输出过电压保护装置，其可在降压转换器因其中一开关组件短路而造成输出电压过高时，受降压转换器所驱动而隔开降压转换器与其输入电压之间的连接。

本发明的另一目的在于提供一种电压调节器，其可自动检测其输出电压是否超过一预定的电压基准位，并且在电压调节器的输出电压超过预定的电压基准位时，发出一控制信号驱动一晶体管开关使得该电压调节器自身的能量被切断。

本发明的再一目的在于发展一种具有输出过电压保护装置的降压转换器，其中输出过电压保护装置是用以当降压转换器因其开关组件短路而产生过电压输出时，自动且同步地切断降压转换器的能量。

根据本发明的一典型的较佳实施例，本发明提供了一种输出过电压保护装置，耦合于一输入电压与一降压转换器之间，用以在当降压转换器因其中一开关组件短路使得其输出电压高于一预定的电压基准位时，隔开该输入电压与该降压转换器，其包含一电压检测电路，该电压检测电路包含一比较器，其是比较降压转换器的输出电压与一参考电压，且因该降压转换器的输出电压与参考电压的比较，输出一电压准位信号，以及一门闩电路，用以闩锁该电压准位信号且因该电压准位信号而发出控制信号以驱动该晶体管开关，其是检测该降压转换器的输出电压是否高于预定的电压基准位，而发出一控制信号，以及一晶体管开关，较佳者为一N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(N-channel MOSFET)所组成，其串接于该输入电压与该降压转换器的开关组件之间，受该控制信号所驱动，且因该控制信号的状态改变而改变其状态，用以当该降压转换器因其开关组件短路而造成其输出电压高于预定的电压基准位时，隔开该降压转换器与该输入电压。

本发明的第二方面的构想是为一电压转换器，用以转换一输入电压至一较低的输出电压，其包含一输出滤波器，用以提供该输出电压至一负载；一开关组件，串接于该输出滤波器与该输入电压之间；一控制器，其将该输出电压与一第一参考电压做比较，且因该输出电压与第一参考电压的比较，输出一切换控制信号以控制该开关组件的状态切换而产生该输出电压；以及一输出过电压保护装置，该输出过电压保护装置包含一电压检测电路，其检测该输出电压是否高于预定的电压基准位，而发出一控制信号；以及一晶体管开关，较佳者为一N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(N-channel MOSFET)，串接于该输入电压与该开关组件之间，其受该控制信号所驱动，而因该控制信号的状态改变而改变其状态，用以当因该开关组件短路而造成该输出电压高于预定的电压基准位时，隔开该开关组件与该输入电压，该输出过电压保护装置串接于该输出电压与该输入电压之间，用以检测该输出电压是否高于一预定的电压基准位，当该输出电压高于该预定的电压基准位时，隔开该开关组件与该输入电压。

该输出滤波器是由一电感组件与一电容所组成，该开关组件是一N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(N-channel MOSFET)。

该电压检测电路包含一比较器，其比较该输出电压与一第二参考电压，而因该输出电压与该参考电压的比较，输出一电压基准位信号；以及一门闩电路，用以闩锁该电压基准位信号，且因该电压基准位信号而发出该控制信号以驱动该晶体管开关。

本发明的电压转换器中还包含一反馈电路，用以将该输出电压自该输出滤波器的一输出端反馈至该控制器的一信号输入端，以及一激活电路，用以经由一激活电阻提供一直流电压以激活该控制器。

根据本发明的第三方面的构想，本发明提供了一电压调节器，用以转换一输入直流电压至一较低的输出直流电压，其包含一输出滤波器，用以提供该输出电压至一负载；一第一开关组件，较佳者为一N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(N-channel MOSFET)，其是电耦合于该输入直流电压与该输出滤波器之间；一第二开关组件，较佳者为一二极管，其是电耦合于该第一晶体管开关与一接地端之间；一控制器，其将该输出电压与一第一参考电压做比较，且因该输出电压与一第一参考电压的比较，输出一切换控制信号以控制该第一开关组件与该第二开关组件的状态切换而产生该输出电压；以及一输出过电压保护装置，该输出过电压保护装置包含一电压检测电路，其检测该输出电压是否高于预定的电压基准位，而发出一控制信号；以及一晶体管开关，串接于该输入电压与该第一开关组件的间，其受该控制信号所驱动，而因该控制信号的一状态改变而改变其状态，用以因该第一开关组件短路而造成该输出电压高于预定的电压基准位时，隔开该第一开关组件与该输入电压，该过电压输出保护装置串接于输出电压与该输入电压之间，用以检测该输出电压是否高于一预定的电压基准位，而于该输出电压高于预定的电压基准位时，隔开该第一开关组件与该输入电压的连接。

根据本发明，该输出滤波器包含一电感组件与一电容。该电压检测电路包含一比较器，其比较该输出电压与一第二参考电压，而因该输出电压与第二参考电压的比较，输出一电压基准位信号，以及一门闩电路，用以闩锁该电压基准位信号，且因该电压基准位信号发出该控制信号以驱动该晶体管开关。

根据上述构想，本案的电压调节器还包含一反馈电路，用以将该输出电压自该输出滤波器的一输出端反馈至该控制器的一信号输入端，以及一激活电路，用以经由一激活电阻提供一直流电压以激活该控制器。

为了进一步理解本发明的优点与特征，下面结合实施例和附图作详细说明。

图1为已有的一开关式电源供应器的降压转换器的典型沟道电路方块示意图；

图2为本发明的一较佳实施例的电压调节器的电路方块示意图。

本发明的降压转换器的一典型实施例是由图2所示的电路方块图详细说明。值得注意的是，本发明的降压转换器电路设计可由熟悉此技术者参照下面揭示实施例轻易完成的，然而，他们都应属于本发明的权利要求保护范围。

请参见图2，本发明的降压转换器是被应用于转换一输入直流电压Vin至一较低的输出直流电压Vout。根据本发明的一典型的较佳实施例，本发明的降压转换器包含一晶体管开关202串接于输入电压Vin与输出滤波器204之间。输出滤波器204由一电感2041与一电容2042所组成，用以产生一输出直流电压Vout提供予负载205，并且该输出直流电压Vout经由反馈电路206反馈至PWM控制器201的一信号输入端。PWM控制器201将输出直流电压Vout与一第一参考电压Vref1作比较，且因比较所得结果产生一切换控制信号驱动晶体管开关202。PWM控制器201作为降压转换器的电源供应控制电路，其为一3843与3844系列的集成电路芯片所完成。为了正常激活PWM控制器201本身所具有的控制功能，便需要一激活电路200提供激活PWM控制器201所需要的直流电压与电流。激活电路200所提供的直流电压与电流是通过由一激活电阻210提供给PWM控制器201以激活PWM控制器201的控制功能。

晶体管开关202由一N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(N-channel MOSFET)所组成，其可被控制以连接与跳接(disconnect)输入直流电压Vin至输出滤波器204以产生一输出直流电压Vout。晶体管开关202的栅极连接至PWM控制器201，而PWM控制器201是用以将输出直流电压Vout与第一参考电压Vref1作比较以输出一切换控制信号控制晶体管开关202。当输出直流电压Vout低于第一参考电压Vref1时，PWM控制器201便会驱动晶体管开关202使的导通(turn on)。当输出直流电压Vout高于第一参考电压Vref1时，PWM控制器201便会驱动晶体管开关202使的关闭(turn off)。当晶体管开关202导通时，输出滤波器204中的电容2042便会充电。当晶体管开关202关闭时，输出滤波器204中的电容2042便会开始放电，使得输出滤波器204可持续提供一固定的直流输出电压至负载205。PWM控制器201系控制晶体管开关202与二极管开关203的开关动作，以产生所需的输出直流电压Vout。

为了保护降压转换器在晶体管开关202短路时导致过高的输出直流电压而对降压转换器的操作产生负面的影响，一输出过电压保护装置209被加入以跨接于输入电压Vin与降压转换器的开关组件202之间。根据本发明的一较佳实施例，该输出过电压保护装置209为一N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(N-channel MOSFET)所组成。

在降压转换器的输出电压端具有一电压检测电路，用以检测降压转换器的输出电压是否超过一预定的电压值。电压检测电路包含一比较器(comparator)207与一门闩电路208(latch circuit)。比较器207将降压转换器的输出电压Vout与一第二参考电压Vref2做比较，以判断降压转换器的输出电压是否高过预定的电压基准位值，依此检测降压转换器是否进入过电压输出的状态。比较器207在比较降压转换器的输出电压Vout与第二参考电压Vref2后产生一电压基准位信号(如二进制的0或1)输出，而该电压基准位信号的电压基准位由门闩电路208闩锁住。

门闩电路208根据所闩锁住的电压基准位以发出一控制信号至PWM控制器201与输出过电压保护装置209。若降压转换器的输出电压过高，则门闩电路208所发出的控制信号的状态便会改变。PWM控制器201接受该控制信号而因该控制信号的状态改变而关闭。输出过电压保护装置209由该门闩电路所发出的控制信号所驱动，而在一般正常的工作条件下输出过电压保护装置209是处于导通的状态。若降压转换器的输出电压过高，门闩电路208所发出的控制信号的状态改变，则输出过电压保护装置209便会受到控制信号的状态改变而关闭。一旦开关组件209关闭，其作用如已有的降压转换器的保险丝熔断一般，降压转换器的开关组件202与输入电压Vin便会被隔开，降压转换器的能量便会因此而被切断。然而，本发明的输出过电压保护装置209不象保险丝需要一段时间才熔断，其会实时地跳接输入直流电压Vin，避免降压转换器接收输入直流电压Vin而继续进行电压转换的运作。在输出过电压的发生原因排除之后，输出过电压保护装置209便会自动回复至导通的状态，而与输入直流电压Vin连接，降压转换器便可恢复正常的操作。

本发明的降压转换器的特征在于具有一由晶体管开关所组成的输出过电压保护装置，其可在降压转换器因其中一开关组件短路而进入过电压输出的状态时产生作用。根据本发明的降压转换器的工作原理，降压转换器的输出电压经由一电压检测电路侦测是否有过电压输出的情形发生。若降压转换器因其中的开关组件短路而发生了过电压输出的问题，电压检测电路并会检测到降压转换器的输出电压过高而发出一控制信号，驱动降压转换器的PWM控制器关闭与跨接于降压转换器的输入电压与降压转换器的开关组件之间的晶体管开关进入关闭(turn off)状态。降压转换器的能量便会因此被切断，保护降压转换器免于遭受过大电流承载的危险。在本发明中，由于采用晶体管开关取代常用的保险丝来做为降压转换器的输出过电压保护装置，本发明的降压转换器在进入过电压输出状态时，可以迅速且安全的切换其自身的能量状态，而不会像保险丝一样需要经历一段时间才会被熔断。此外，当本发明的降压转换器离开了过电压输出状态后，晶体管开关便会自动导通，降压转换器便恢复回原来的工作模式，不需要像已有的降压转换器一般需更换保险丝。因此，根据本发明的具有以晶体管开关作为输出过电压保护装置的降压转换器，其可在降压转换器产生输出过电压时迅速而安全的保护自身的电路，更可在输出过电压的问题解决后，自动且安全地恢复至原来的工作模式，彻底地解决了已有降压转换器设计上的缺失与不便。

Claims (9)

1.一种输出过电压保护装置，耦合于一输入电压与一降压转换器之间，用以当该降压转换器因其中一开关组件短路而造成其输出电压高于一预定的电压基准位时，隔开该输入电压与该降压转换器，它包含一电压检测电路和一晶体管开关，其特征在于：

所述电压检测电路进一步包括：

    一比较器，其比较该降压转换器的该输出电压与一参考电压，而因该降压

转换器的该输出电压与该参考电压的比较，输出一电压基准位信号；

    一门闩电路，用以闩锁该电压基准位信号，且因该电压基准位信号发出该

控制信号以驱动该晶体管开关；

所述电压检测电路检测该降压转换器的该输出电压是否高于该预定的电压基准位，并发出一控制信号；

一晶体管开关，串接于该输入电压与该降压转换器的一开关组件之间，其受该控制信号所驱动，而因该控制信号的一状态改变而改变其状态，用以因该开关组件短路而造成该输出电压高于该预定的电压基准位时，隔开该降压转换器与该输入电压。

2.如权利要求1所述的输出过电压保护装置，其特征在于该晶体管开关包含一N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管。

3.一电压转换器，用以转换一输入电压至一较低的输出电压，包含：

一输出滤波器，用以提供该输出电压至一负载；

一开关组件，串接于该输出滤波器与该输入电压之间；

一控制器，其将该输出电压与一第一参考电压作比较，且因该输出电压与一第一参考电压的比较，输出一切换控制信号以控制该开关组件的状态切换而产生该输出电压；

一输出过电压保护装置，串接于该输出电压与该输入电压之间，用以检测该输出电压是否高于一预定的电压基准位，当该输出电压高于该预定的电压准位时，隔开该开关组件与该输入电压的连接；

其特征在于，所述过电压保护装置进一步包括：

一电压检测电路，其检测该输出电压是否高于该预定的电压基准位，而发出一控制信号；

一晶体管开关，串接于该输入电压与该开关组件之间，其受该控制信号所驱动，而因该控制信号的一状态改变而改变其状态，用以因该开关组件短路而造成该输出电压高于该预定的电压基准位时，隔开该开关组件与该输入电压。

4.如权利要求3所述的电压转换器，其特征在于该输出滤波器包含一电感组件与一电容，而该开关组件包含一N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管。

5.如权利要求4所述的电压转换器，其特征在于，所述电压检测电路进一步包含：

一比较器，其比较该输出电压与一第二参考电压，而因该输出电压与该参考电压的比较，输出一电压基准位信号；以及

一门闩电路，用以闩锁该电压基准位信号，且因该电压准位信号发出该控制信号以驱动该晶体管开关。

6.如权利要求3所述的电压转换器，其特征在于，还包含一反馈电路，用以将该输出电压自该输出滤波器的一输出端反馈至该控制器的一信号输入端。

7.如权利要求3所述的电压转换器，其特征在于，还包含一激活电路，用以经由一激活电阻提供一直流电压以激活该控制器。

8.一电压调节器，用以转换一输入直流电压至一较低的输出直流电压，包含：

一输出滤波器，用以提供该输出电压至一负载；

一第一开关组件，电耦合于该输入直流电压与该输出滤波器之间；

一第二开关组件，电耦合于该第一晶体管开关与一接地端之间；

一控制器，其将该输出电压与一第一参考电压作比较，且因该输出电压与一第一参考电压的比较，输出一切换控制信号以控制该第一开关组件与该第二开关组件的状态切换而产生该输出电压；

一输出过电压保护装置，串接于输出电压与该输入电压之间，用以检测该输出电压是否高于一预定的电压基准位，而当该输出电压高于该预定的电压准位时，隔开该第一开关组件与该输入电压的连接；

其特征在于，所述过电压保护装置进一步包括：

一电压检测电路，其检测该输出电压是否高于该预定的电压基准位，而发出一控制信号；

一晶体管开关，串接于该输入电压与该第一开关组件之间，其受该控制信号所驱动，而因该控制信号的一状态改变而改变其状态，用以因该第一开关组件短路而造成该输出电压高于该预定的电压基准位时，隔开该第一开关组件与该输入电压。

9.如权利要求8所述的电压调节器，其特征在于该电压检测电路包含：

一比较器，其比较该输出电压与一第二参考电压，而因应该输出电压与该参考电压的比较，输出一电压基准位信号；

一门闩电路，用以闩锁该电压基准位信号，且因该电压基准位信号发出该控制信号以驱动该晶体管开关。

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