TW201326829A - 過電流偵測電路及過電流偵測方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種過電流偵測電路，用於一直流對直流電源轉換器，包含有一動態參考單元，用來輸出一動態參考訊號；一負載電流量測單元，用來量測該直流對直流電源轉換器之一負載電流，以輸出一量測訊號；以及一第一比較器，用來於該量測訊號大於該動態參考訊號時，輸出一過電流保護訊號，以啟動一過電流保護裝置。

Description

過電流偵測電路及過電流偵測方法

本發明係指一種過電流偵測電路及過電流偵測方法，尤指一種可隨溫度及電壓變化，調整限流位準之過電流偵測電路及過電流偵測方法。

傳統的過電流偵測電路係偵測電源轉換器輸出的負載電流，將其轉換成一過電流訊號，並根據一參考訊號，判斷過電流訊號是否大於參考訊號，以啟動過電流保護電路，避免超量的電流損壞電源系統或其負載。一般來說，傳統的參考訊號通常會設計為穩定的參考訊號，具有零溫度係數或是獨立的電源，也就是說，參考訊號不論是在溫度變化時或電源系統的系統電壓變化之下，皆為一穩定值。

然而，穩定的參考訊號卻無法確實地反應電源系統的過電流現象。舉例來說，請參考第1A及1B圖，第1A及1B圖為一習知電源晶片在溫度及一系統電壓PVDD變化時的限流位準(Current Limit Level)之示意圖。如第1A圖所示，當溫度由高溫逐漸降至低溫時，限流位準由低電流逐漸升為高電流；而系統電壓PVDD由低電壓升高至高電壓時，限流位準亦隨之升高。相似地，如第1B圖所示，在溫度越低、系統電壓越高的情況下，限流位準越高；反之，在溫度越高、系統電壓越低的情況下，限流位準越低。假若在低溫、高電壓時，過電流偵測電路在負載電流未達限流位準時，提前啟動過電流保護電路以汲取過電流，如此便可能降低電源晶片之工作效率。假若在高溫、低電壓時，過電流偵測電路在負載電流已達限流位準後，延後啟動過電流保護電路，導致過電流保護電路未能及時汲取過電流，故增加損壞電源系統或其負載的機率。

由此可見，限流位準深受溫度及電壓的影響，使得穩定的參考訊號無法確實地反應電源系統的過電流現象，如此不僅可能造成對過電流現象的誤判，也增加損壞電源系統或其負載的機率，因此習知技術實有改善的必要。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種過電流偵測電路及過電流偵測方法。

本發明揭露一種過電流偵測電路，用於一直流對直流電源轉換器，包含有一動態參考單元，用來輸出一動態參考訊號；一負載電流量測單元，用來量測該直流對直流電源轉換器之一負載電流，以輸出一量測訊號；以及一第一比較器，包含有一正輸入端、一負輸入端及一輸出端，該正輸入端耦接於該負載電流量測單元，該負輸入端耦接於該動態參考單元，該輸出端耦接於一過電流保護裝置，該第一比較器係用來於該量測訊號大於該動態參考訊號時，輸出一過電流保護訊號，以啟動該過電流保護裝置。

本發明另揭露一種過電流偵測方法，用於一直流對直流電源轉換器，包含有產生一量測訊號及一動態參考訊號；以及根據該量測訊號及該動態參考訊號，輸出一過電流保護訊號，以啟動一過電流保護裝置。

請參考第2圖，第2圖為本發明實施例一電源系統20之示意圖。電源系統20係由一過電流偵測電路200、一電源轉換器220以及一過電流保護單元240所組成。過電流偵測電路200包含有一量測單元202、一參考單元204及一比較單元206。量測單元202可偵測電源轉換器220的負載電流I_CL，並據以產生一量測訊號V_OCRAMP。參考單元204提供一參考訊號V_OCTH。比較單元206之正、負輸出端分別耦接於量測單元202及參考單元204，用來於量測訊號V_OCRAMP大於參考訊號V_OCTH時，輸出一過電流保護訊號OCP至過電流保護單元240，以汲取電源轉換器220之負載電流，避免過電流損壞電源轉換器220或其輸出負載。

詳細來說，量測單元202係由電晶體M1、M0、運算放大器OP2以及一電阻R_OCRAMP所組成。量測單元202利用電晶體M1複製電源轉換器20的負載電流I_CL(即流經一上橋開關電晶體MOS_L之負載電流I_CL)，使得串接於電晶體M1的電晶體M0也會具有與負載電流I_CL大小相等的電流。由於電晶體M0係一P型電晶體，其源極及閘極分別耦接於一系統電壓PVDD及一地端，因此電晶體M0的源-閘極電壓差恆大於其導通電壓，使電晶體M0恆處於開啟狀態，故電晶體M1可決定電晶體M0的電流大小。運算放大器OP2具有一電導值G_m2，其正、負輸入端分別耦接於電晶體M0的汲極與源極，而輸出端則耦接於一電阻R_OCRAMP。由於上橋開關電晶體MOS_L及電晶體M0的源極皆耦接於系統電壓PVDD，透過電晶體M1將電晶體M0的汲極電壓拉至上橋開關電晶體MOS_L的汲極電壓，使電晶體M0的源-汲極電壓差等於上橋開關電晶體MOS_L的源-汲極電壓差；並且，透過適當選擇電晶體M0，使電晶體M0與上橋開關電晶體MOS_L具有相同的工作特性。如此一來，可使運算放大器OP2根據上橋開關電晶體MOS_L(等於電晶體M0)的源-汲極電壓差(V_SD=I_CL x R_{MOS_L}，其中R_{MOS_L}為電晶體MOS_L之內阻)、電阻R_OCRAMP之電阻值以及電導值G_m2，輸出量測訊號V_OCRAMP，其可表示如下列運算式：

V _OCRAMP =(I _CL ×R _{MOS_L} )×G _m2 ×R _OCRAMP 　-(1)

值得注意的是，上橋開關電晶體MOS_L或電晶體M0、M1等電晶體的物理特性，造成電晶體的內阻值或輸出特性與溫度以及施加電壓(即系統電壓PVDD)的大小相關，進而影響量測訊號V_OCRAMP的大小。舉例來說，當溫度升高時，電晶體的內阻值上升，使上橋開關電晶體MOS_L的源-汲極電壓差(V_SD=I_CL x R_{MOS_L})上升，經過運算放大器OP2放大之後，得到的量測訊號V_OCRAMP也隨之上升。在此情況下，若參考訊號V_OCTH為一穩定值，而量測訊號V_OCRAMP因溫度升高而上升，比較單元206判定過電流情況已發生，提前啟動過電流保護單元240。或者，當系統電壓PVDD增加時，上橋開關電晶體MOS_L的內阻值下降，造成源-汲極電壓差V_SD亦隨之下降，因而得到較低的量測訊號V_OCRAMP。同理，若參考訊號V_OCTH為一穩定值，而量測訊號V_OCRAMP因系統電壓PVDD升高而降低，比較單元206判定過電流情況未發生，延後啟動過電流保護單元240，導致過電流偵測電路200無法準確地通報過電流是否發生。

再者，電阻R_OCRAMP及運算放大器OP2等電子元件也會因溫度變化改變其電阻值或輸出特性。因此，量測訊號V_OCRAMP可另加入溫度與系統電壓PVDD的參數，並表示如下：

V _OCRAMP (T,PVDD)=I _CL (T,PVDD)×R _{MOS_L} (T,PVDD)×G _m2 (T)×R _OCRAMP (T)　-(2)

因此，若參考單元204能提供隨溫度及系統電壓PVDD變化的參考訊號V_OCTH，則能避免上述提前或延後啟動過電流保護單元240的情形發生。參考單元204係由一電流源CS、一電晶體MOS_S、一運算放大器OP1以及一電阻R_OCTH所組成。參考單元204的結構與量測單元202類似，兩者不同之處在於電流源CS提供一參考電流I₁至電晶體MOS_S。於此安排之下，運算放大器OP1的正、負輸入端分別耦接於電晶體MOS_S的汲極及源極，而輸出端則耦接於電阻R_OCTH，使得運算放大器OP1根據電晶體MOS_S的源-汲極電壓差(V_DS=I₁ x R_{MOS_S}，其中R_{MOS_S}為電晶體MOS_S之內阻)、電阻R_OCTH之電阻值以及運算放大器OP1之一電導值G_m1，輸出參考訊號V_OCTH，其可表示如下列運算式：

V _OCTH =(I ₁×R _{MOS_S} )×G _{m 1}×R _OCTH 　-(3)

相似地，電晶體MOS_S內阻值或輸出特性與溫度及系統電壓PVDD的大小相關，使電晶體MOS_S的內阻值隨著溫度及系統電壓PVDD改變。另外，電阻R_OCTH、運算放大器OP1及電流源CS等電子元件也會因溫度變化改變其電阻值或輸出特性。因此，參考訊號V_OCTH可另加入溫度與系統電壓PVDD的參數，並表示如下列運算式：

V _OCTH (T,PVDD)=I ₁(T)×R _{MOS_S} (T,PVDD)×G _{m 1}(T)×R _OCTH (T)　-(4)

將運算式(2)與運算式(4)相除，可得到下列運算式：

由於電子元件對溫度及系統電壓PVDD的物理特性，使量測訊號V_OCRAMP、參考訊號V_OCTH可表示為溫度與系統電壓PVDD的函數。為了能準確的判定過電流是否發生，由運算式(5)可知，透過適當地選擇相同類型並具有相同尺寸(即通道長度比例W/L)的電晶體MOS_L、MOS_S、運算放大器OP1、OP2之電導值G_m1、G_m2，以及電阻R_OCTH、R_OCRAMP之電阻值，可使參考訊號V_OCTH的大小與量測訊號V_OCRAMP的大小呈等比例變化。接著，藉由比較單元206將量測訊號V_OCRAMP與參考訊號V_OCTH相減，以消去溫度及系統電壓PVDD對兩訊號的影響。

如此一來，由於參考訊號V_OCTH的大小與量測訊號V_OCRAMP的大小呈等比例變化，因此過電流偵測電路200可準確地偵測是否電源系統20發生過電流，避免比較單元206在高溫時，提前啟動過電流保護單元240，並同時防止比較單元206在高電壓時，延後啟動過電流保護單元240。

除此之外，當過電流發生時，令量測訊號V_OCRAMP等於參考訊號V_OCTH，並將運算式(5)重新分配，可得到下列運算式：

由運算式(6)可知，當電晶體MOS_L、MOS_S、運算放大器OP1、OP2之電導值G_m1、G_m2，以及電阻R_OCTH、R_OCRAMP之電阻值已選定時，負載電流I_CL可表示為參考電流I₁的倍數，為了使參考訊號V_OCTH更接近量測訊號V_OCRAMP，過電流偵測電路200可增加一訊號調整單元，用來調整參考電流I₁的大小，以改變參考訊號V_OCTH的大小。請參考第3圖，第3圖為本發明實施例一電源系統30之示意圖。電源系統30的結構與電源系統20相類似，兩者的差異在於電源系統30於比較單元206與參考單元204之間增加一訊號調整單元208。訊號調整單元208包含有一比較器OP3、一電晶體M2、電阻R₁、R₂、以及由電晶體M3、M4組成的一電流鏡。如第3圖所示，比較器OP3的正輸入端耦接於參考單元204的輸出端，用來接收參考訊號V_OCTH，比較器OP3的輸出端及負輸入端則分別耦接於電晶體M2的閘極與源極。如此一來，訊號調整單元208可利用比較器OP3與電晶體M2之間的負回授結構，將比較器OP3負輸入端的電壓值提升至正輸入端的電壓值，並且導通電晶體M2，產生一電流I₂流經電晶體M2、M3；電晶體M4則複製電流I₂，使電流I₂流經電阻R₁至地端，其中電流I₂可表示為。因此，經過訊號調整單元208的一參考訊號V_OCTH’可表示為：

由運算式(7)可知，改變電阻R₁、R₂的比值，即可改變參考訊號V_OCTH’的大小，進而調整參考訊號V_OCTH的大小。

請參考第4圖，第4圖說明一電源晶片在不同溫度及系統電壓之正規化限流位準比較圖。其中，第4圖所示的正規化限流位準係將負載電流I_CL除以限流位準，以得到一正規化的限流位準。如第4圖所示，未調整參考訊號V_OCTH前，電源晶片的正規化限流位準呈現負溫度係數之情形。也就是說，電源晶片的正規化限流位準隨著溫度上升而下降，當溫度由-50度變化至150度，電源晶片的正規化限流位準由約1.3下降至約0.6。反之，經由過電流偵測電路調整參考訊號V_OCTH之後，電源晶片的正規化限流位準落在1附近，表示負載電流I_CL與限流位準的電流值非常接近，即使溫度升高至150度，正規化限流位準僅下降至0.9。因此可有效地改善溫度及系統電壓PVDD對限流位準的影響。

上述關於電源系統20、30的運作方式可歸納為一過電流偵測流程50，其包含以下步驟：

步驟500：開始。

步驟502：產生量測訊號V_OCRAMP及參考訊號V_OCTH。

步驟504：調整參考訊號V_OCTH的大小。

步驟506：根據量測訊號V_OCRAMP及參考訊號V_OCTH，輸出過電流保護訊號OCP，以啟動過電流保護單元240。

步驟508：結束。

電流偵測流程50之詳細說明可參考前敘，於此不贅述。

綜上所述，傳統過電流偵測電路僅供一穩定的參考訊號，故無法隨溫度或電壓變化而變化。然而，在電源系統或是電源轉換器實際的運作上，過電流偵測電路遭受到溫度及電壓的影響，導致傳統過電流偵測電路無法準確地追蹤電源系統是否發生過電流現象，進而發生提前或延後啟動過電流保護電路的狀況發生。相較之下，本發明之過電流偵測電路可產生與量測訊號等比例變化之參考訊號，並且藉由比較單元消去量測訊號與參考訊號之溫度及電壓係數，以降低溫度及電壓對限流位準之影響，進而準確地追蹤電源系統之過電流。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

20、30．．．電源系統

200．．．過電流偵測電路

220．．．電源轉換器

240．．．過電流保護單元

202．．．量測單元

204．．．參考單元

206．．．比較單元

208．．．訊號調整單元

OP1、OP2．．．運算放大器

OP3．．．比較器

CS．．．電流源

R₁、R₂、R_OCTH、R_OCRAMP．．．電阻

R_{MOS_S}、R_{MOS_L}．．．內阻

M1～M4、M0、MOS_S．．．電晶體

MOS_L．．．上橋開關電晶體

PVDD．．．系統電壓

I₁、I₂、I_CL．．．電流

V_OCTH、V_OCTH’．．．參考訊號

V_OCRAMP．．．量測訊號

OCP．．．過電流保護訊號

G_m1、G_m2．．．電導值

第1A及1B圖為一習知電源晶片在溫度及一系統電壓變化時的限流位準之示意圖。

第2圖為本發明實施例一電源系統之示意圖。

第3圖為本發明實施例一電源系統之示意圖。

第4圖為一電源晶片在不同溫度及系統電壓之正規化限流位準比較圖。

第5圖為本發明實施例一過電流偵測流程之示意圖。

20．．．電源系統

200．．．過電流偵測電路

220．．．電源轉換器

240．．．過電流保護單元

202．．．量測單元

204．．．參考單元

206．．．比較單元

OP1、OP2．．．運算放大器

CS．．．電流源

R₁、R₂、R_OCTH、R_OCRAMP．．．電阻

R_{MOS_S}、R_{MOS_L}．．．內阻

M1、M0．．．電晶體

MOS_L．．．上橋開關電晶體

PVDD．．．系統電壓

I₁、I_CL．．．電流

V_OCTH．．．參考訊號

V_OCRAMP．．．量測訊號

OCP．．．過電流保護訊號

G_m1、G_m2．．．電導值

Claims (16)

1. 一種過電流(over current)偵測電路，用於一直流對直流電源轉換器(DC-to-DC power converter)，包含有：一動態參考單元，用來輸出一動態參考訊號；一負載電流量測單元，用來量測該直流對直流電源轉換器之一負載電流，以輸出一量測訊號；以及一第一比較器，包含有一正輸入端、一負輸入端及一輸出端，該正輸入端耦接於該負載電流量測單元，該負輸入端耦接於該動態參考單元，該輸出端耦接於一過電流保護裝置，該第一比較器係用來於該量測訊號大於該動態參考訊號時，輸出一過電流保護訊號，以啟動該過電流保護裝置。
2. 如請求項1所述之過電流偵測電路，其中該動態參考單元包含有：一第一電阻，包含有一電阻值；一參考電流源，用來產生一參考電流；一第一電晶體，包含有一閘極，耦接於一地端，一源極，耦接於一系統電壓，一汲極，耦接於該參考電流源，該參考電流流經該第一電晶體，於該第一電晶體上產生一跨壓；以及一第一運算放大器，包含有：一負輸入端，耦接於該第一電晶體之該源極；一正輸入端，耦接於該第一電晶體之該汲極；以及一輸出端，耦接於該第一電阻及該第一比較器之該負輸入端，用來根據該第一電晶體之該跨壓、該第一運算放大器之一電導值及該第一電阻之該電阻值，輸出該動態參考訊號至該第一比較器之該負輸入端。
3. 如請求項2所述之過電流偵測電路，其中該第一電晶體之該跨壓與該系統電壓相關，用來當該系統電壓變化時，使得動態參考單元輸出與該系統電壓相關之該動態參考訊號。
4. 如請求項2所述之過電流偵測電路，其中該第一電晶體之該跨壓與溫度相關，用來當溫度變化時，使得該動態參考單元輸出與溫度之該動態參考訊號。
5. 如請求項1所述之過電流偵測電路，其中該負載電流量測單元包含有：一第二電阻，包含有一電阻值；一第一電流鏡，用來複製該直流對直流電源轉換器之該負載電流；一第二電晶體，串接於該第一電流鏡，該第一電流鏡複製之該負載電流流經該第二電晶體，於該第二電晶體上產生一跨壓；以及一第二運算放大器，包含有：一正輸入端，耦接於該第二電晶體之一汲極；以及一負輸入端，耦接於該第二電晶體之一源極及該系統電壓；以及一輸出端，耦接於該第二電阻及該第一比較器之該正輸入端，用來根據該第二電晶體之該跨壓、該第二運算放大器之一電導值及該第二電阻之該電阻值，輸出該量測訊號至該第一比較器之該正輸入端。
6. 如請求項5所述之過電流偵測電路，其中該第二電晶體之跨壓與該系統電壓相關，用來當該系統電壓變化時，使得該負載電流量測單元輸出與該系統電壓相關之該量測訊號。
7. 如請求項5所述之過電流偵測電路，其中該第二電晶體之跨壓與溫度相關，用來當溫度變化時，使得該負載電流量測單元輸出與溫度相關之該量測訊號。
8. 如請求項1所述之過電流偵測電路，其中該動態參考訊號與該量測訊號相關。
9. 如請求項1所述之過電流偵測電路，其中該過電流偵測電路另包含有一動態參考訊號調整單元，耦接於該動態參考單元與該第一比較器之負輸出端之間，用來調整該動態參考訊號之大小。
10. 如請求項9所述之電流偵測電路，其中該動態參考訊號調整單元包含有：一第三電晶體；一第三電阻，其一端耦接於該第三電晶體之源極，另一端耦接於該地端；一第二比較器，包含有：一正輸入端，耦接於該動態參考單元之該輸出端；一負輸入端，耦接於該第三電阻與該第三電晶體之該源極之間；以及一輸出端，耦接於該第三電晶體之一閘極，用來當該動態參考訊號大於該第三電阻之一跨壓時，導通該第三電晶體，以產生流經該第三電晶體之一電流；一第二電流鏡，用來複製流經該第三電晶體之該電流；以及一第四電阻，其一端耦接於該第二電流鏡及該第一比較器之該負輸入端，另一端耦接於該地端，用來根據該第四電阻之一跨壓輸出該動態參考訊號。
11. 如請求項10所述之電流偵測電路，其中該動態參考訊號調整單元根據該第四電阻與該第三電阻之電阻值之一比值，調整該動態參考訊號之大小。
12. 一種過電流偵測方法，用於一直流對直流電源轉換器(DC-to-DC power converter)，包含有：產生一量測訊號及一動態參考訊號；以及根據該量測訊號及該動態參考訊號，輸出一過電流保護訊號，以啟動一過電流保護裝置。
13. 如請求項12所述之過電流偵測方法，其中產生該動態參考訊號之步驟另包含：調整該動態參考訊號之大小。
14. 如請求項12所述之過電流偵測方法，其中該動態參考訊號與該量測訊號相關。
15. 如請求項12所述之過電流偵測方法，其中該動態參考訊號及該量測訊號與該直流對直流電源轉換器之一系統電壓相關。
16. 如請求項12所述之過電流偵測方法，其中該動態參考訊號及該量測訊號與溫度相關。