TW201448395A - 電力系統及其短路保護電路 - Google Patents

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Abstract

一種短路保護電路，用以對應電壓調節模組，電壓調節模組包含高側電晶體以及低側電晶體，短路保護電路包含短路偵測電路、第一開關以及第二開關。短路偵測電路具有偵測端耦接高側電晶體，高側電晶體與低側電晶體相連且耦接至負載，低側電晶體耦接接地端。第一開關與該低側電晶體並聯。第二開關耦接高側電晶體與一電源供應器之間。其中，在該電源供應器啟動前，第一開關導通，短路偵測線路由偵測端送出偵測電壓至高側電晶體，以判斷高側電晶體是否短路，藉此控制第二開關。

Description

電力系統及其短路保護電路
本案係有關於一種短路保護電路，尤指一種用於電壓調整器的短路保護電路。
電壓調節模組(Voltage Regulator Module,VRM)用以提供負載(如：CPU)合適的工作電壓。若電壓調節模組的高側電晶體(例如：高側金氧半導體High-side MOS)損毀而形成短路時，則會造成CPU損毀，而造成整體電子系統無法正常運作。因此，如何能降低負載燒毀的事件發生，成為當前相關領域極需改進的目標。
本案揭露一種電力系統，包含電源供應器、電壓調節模組以及短路保護電路。電壓調節模組用以調節來自該電源供應器的電力輸入並供電至負載，電壓調節模組包含高側電晶體以及低側電晶體。
短路保護電路耦接至電源供應器以及電壓調節模組，短路保護電路包含短路偵測電路、第一開關以及第二 開關，該短路偵測電路具有偵測端耦接高側電晶體之一端，高側電晶體之另一端與低側電晶體之一端相連且耦接至負載，低側電晶體之另一端耦接接地端。第一開關與低側電晶體並聯。第二開關耦接該高側電晶體與該電源供應器之間。
其中，在電源供應器啟動前，該短路保護電路導通該第一開關，該短路偵測線路由該偵測端送出一偵測電壓至該高側電晶體，並且由該偵測電壓是否被接地以判斷該高側電晶體是否短路，藉此該短路保護電路選擇性地關閉該第二開關以隔離該電源供應器。
本案另揭露一種短路保護電路，用以對應電壓調節模組，電壓調節模組用以調節來自電源供應器的電力輸入並供電至負載，該電壓調節模組包含高側電晶體以及低側電晶體，短路保護電路包含短路偵測電路、第一開關以及第二開關。
短路偵測電路具有一偵測端耦接該高側電晶體之一端，該高側電晶體之另一端與該低側電晶體之一端相連且耦接至該負載，該低側電晶體之另一端耦接一接地端。第一開關與該低側電晶體並聯。第二開關耦接該高側電晶體與該電源供應器之間。
其中，在該電源供應器啟動前，該第一開關導通，該短路偵測線路由該偵測端送出一偵測電壓至該高側電晶體，並且由該偵測電壓是否被接地以判斷該高側電晶體是否短路，藉此該短路保護電路選擇性地關閉該第二開關以 隔離該電源供應器。
綜上所述，當高側電晶體已損毀短路時，藉由本案提供之短路保護電路得以電性隔離電源端與負載，以避免負載毀損。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附符號之說明如下：
100‧‧‧電壓調節模組
120‧‧‧控制器
140‧‧‧節點
160‧‧‧負載
190‧‧‧接地端
210‧‧‧短路偵測線路
211‧‧‧二極體
212‧‧‧偵測端
213‧‧‧輸出電路
214‧‧‧回授比較線路
215‧‧‧邏輯控制電路
216‧‧‧第五開關
220‧‧‧第一開關
230‧‧‧第二開關
250‧‧‧第三開關
260‧‧‧發光元件
270‧‧‧第四開關
300‧‧‧電源供應器
Q1‧‧‧高側電晶體
Q2‧‧‧低側電晶體
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖是依照本案一實施例之一種電力系統中的電壓調節模組及其短路保護電路的架構圖；以及第2圖是依照本案一實施例之一種短路偵測線路的方塊圖。
為了使本案之敘述更加詳盡與完備，可參照所附之圖式及以下所述各種實施例，圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件。另一方面，眾所週知的元件與步驟並未描述於實施例中，以避免對本案造成不必要的限制。
於實施方式與申請專利範圍中，涉及『耦接』之描述，其可泛指一元件透過其他元件而間接連接至另一元件，或是一元件無須透過其他元件而直接連接至另一元件。
本案之技術態樣是一種電壓調節模組的短路保護電路。以下將搭配第1圖來說明本案之具體實施方式。
如第1圖所示，本實施例的電力系統包含電壓調節模組100以及配合電壓調節模組100的短路保護電路。電 壓調節模組100用以調節電力輸入(例如來自電源供應器300的電力輸入P12V)並供電至負載160。在電壓調節模組100啟動之前，短路保護電路用以先行偵測電壓調節模組100內部元件是否短路，藉以保護負載160。
其中電壓調節模組100包括控制器120、高側電晶體(例如：高側金氧半導體High-side MOS)Q1與低側電晶體(例如：低側金氧半導體Low-side MOS)Q2。
舉例來說，當負載160為中央處理器(CPU)時，由於一般CPU的工作電壓小於2.5V，因此為避免因電壓調節模組100的內部元件短路(如高側電晶體Q1損毀而造成短路)時，電源供應器300的電源端310的高電壓(如：電力輸入P12V)直接供給負載160而造成損毀。因此，在電壓調節模組100啟動之前(高側電晶體Q1與低側電晶體Q2均為關閉狀態)，本案藉由一種短路保護電路事先偵測電壓調節模組100，來避免因電壓調節模組100(如高側電晶體Q1)損毀，而造成負載160(如CPU)的損毀。
在架構上，控制器120電性連接高側電晶體Q1與低側電晶體Q2，並且高側電晶體Q1與低側電晶體Q2串接。高側電晶體Q1之一端與低側電晶體Q2之一端於節點140相連且耦接至負載160。
此外，於節點140與負載160之間可進一步耦接有電感電容電路180，於此實施例中，電感電容電路180可包含電感器L以及電容器C。
電壓調節模組100運作時，控制器120藉由交替控 制高側電晶體Q1與低側電晶體Q2的開啟及關閉以調節供給負載160的工作電壓。
短路保護電路包括短路偵測線路210、第一開關220、第二開關230、第三開關250以及第四開關270。
在架構上，短路偵測線路210的偵測端212經由二極體211耦接高側電晶體Q1之一端，二極體211用以防止逆向電流回到偵測端212。第一開關220與低側電晶體Q2並聯，並且第一開關220的閘極控制端連接電源供應器300的電源啟動開關端PW_on，電源啟動開關端PW_on的電壓準位代表電源供應器300是否啟動，於此實施例中，電源啟動開關端PW_on之操作邏輯為低壓啟動(low enable)。
請一併參閱第2圖，其繪示於一實施例中短路偵測線路210的內部元件示意圖。於此實施例中，短路偵測線路210包含輸出電路213、回授比較線路214、邏輯控制電路215以及第五開關216。
於本實施例中，當電源供應器300在未啟動時，電源啟動開關端PW_on的電壓為高準位(即操作邏輯為低壓啟動)，高準位的電源啟動開關端PW_on將控制第一開關220導通，將節點140經過第一開關220耦接至接地端。
此時電源供應器300未啟動時，短路偵測線路210中的輸出電路213由偵測端212送出偵測電壓至電壓調節模組100的高側電晶體Q1。若高側電晶體Q1已損毀而造成短路，由偵測端212輸入的偵測電壓將通過短路的高側電晶體Q1、導通的第一開關220並放電至接地端190。此 時，由於短路的高側電晶體Q1與導通的第一開關220將偵測端212耦接至接地端190，將使偵測端212的電壓為低準位(接地電位)。
相對地，若高側電晶體Q1未發生短路，此時偵測端212的電壓便會大致維持在原先產生之偵測電壓的準位上。
其中偵測電壓小於負載160的額定電壓(如：1.5V)。舉例來說，負載160可為中央處理器，由於中央處理器能承受的電壓一般不高於2.5V，因此，若短路偵測線路210的偵測端212的電壓為1.5V，即使第一開關220未形成導通，由於偵測端212的電壓小於負載160能承受的最大電壓，因此不會造成負載160的損毀。
短路偵測線路210中的回授比較線路214用以讀取偵測端212的電壓準位，以判斷目前高側電晶體Q1是否發生短路，並通知邏輯控制電路215。
若高側電晶體Q1發生短路，邏輯控制電路215控制第五開關216導通，將短路偵測線路210所輸出的電源狀態輸出端321拉低至邏輯低位準。當電源狀態輸出端321拉低至邏輯低位準時，關閉第二開關230與第四開關270並導通第三開關250。
此時，第二開關230形成斷路將電源供應器300的電力輸入P12V與負載160之間電性隔離，藉以有效保護負載160。此外，當電源狀態輸出端321拉低至邏輯低位準時同時亦關閉第四開關270(即不拉低電源啟動開關端PW_on 的電壓)，使電源啟動開關端PW_on的電壓維持為高準位，即代表不啟動電源供應器300。
再者，若高側電晶體Q1已損毀短路，短路偵測線路210所輸出的電源狀態輸出端321拉低至邏輯低位準，以導通第三開關250。此時，電源供應器300的待機電壓PSB可點亮發光元件260，藉以提醒使用者高側電晶體Q1已損毀短路。
相對地，若高側電晶體Q1未發生短路，邏輯控制電路215控制第五開關216關閉，將電源狀態輸出端321設定至邏輯高位準。舉例來說，例如由電源供應器300提供的待機電壓PSB經電阻器R將電源狀態輸出端321設定至邏輯高位準於邏輯高位準，如第2圖所示。
當電源狀態輸出端321為邏輯高位準時，導通第二開關230與第四開關270並關閉第三開關250。此時，電源供應器300的電力輸入P12V可通過第二開關230至電壓調節模組100，使電壓調節模組100正常運作以驅動後續負載160。
此外，當電源狀態輸出端321設定在邏輯高位準時同時亦導通第四開關270。第四開關270導通使電源啟動開關端PW_on的電壓切換至為低準位(即代表啟動電源供應器300)。並且，由於電源啟動開關端PW_on的電壓切換至為低準位，將第一開關220關閉，即停止高側電晶體Q1的短路偵測功能。
再者，若高側電晶體Q1未短路，短路偵測線路210 所輸出的電源狀態輸出端321為邏輯高位準，關閉第三開關250，使得第三開關250形成斷路。此時，發光元件260不發光，代表高側電晶體Q1正常。
實作上，發光元件260可為發光二極體或其他光源。第一開關220、第二開關230與第三開關250可為金氧半導體(MOS)、雙極性接面電晶體(BJT)或其他電子開關，舉例來說，第一開關220、第二開關230與第四開關270可為N型金氧半導體，第三開關250為P型金氧半導體。
須補充的是，於此實施例中電源供應器300所採用的電源啟動開關端PW_on之操作邏輯為低壓啟動(Low Enable)，但本揭示文件並不以此為限，實際應用中習知技藝之人均了解將低壓啟動(Low Enable)與高壓啟動(High Enable)互換，僅須對應替換開關元件的開關邏輯(如P型或N型)即可達成，在此不另贅述。
實作上，短路偵測線路210是一種備用電路(Standby Circuit)，其可包括交換電路(Switching Circuit)或低壓降穩壓器(Low Dropout Regulator)。
雖然本案已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本案，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧電壓調節模組
120‧‧‧控制器
140‧‧‧節點
160‧‧‧負載
180‧‧‧電感電容電路
190‧‧‧接地端
210‧‧‧短路偵測線路
211‧‧‧二極體
212‧‧‧偵測端
220‧‧‧第一開關
230‧‧‧第二開關
250‧‧‧第三開關
260‧‧‧發光元件
270‧‧‧第四開關
300‧‧‧電源供應器
321‧‧‧狀態輸出端
Q1‧‧‧高側電晶體
Q2‧‧‧低側電晶體
L‧‧‧電感器
C‧‧‧電容器
R‧‧‧電阻器
PSB‧‧‧待機電壓
P12V‧‧‧電力輸入
PW_on‧‧‧電源啟動開關端

Claims (9)

  1. 一種短路保護電路，適用於一電壓調節模組，該電壓調節模組用以調節來自一電源供應器的電力輸入並供電至一負載，該電壓調節模組包含一高側電晶體以及一相較於該高側電晶體之低側電晶體，該短路保護電路包含：一短路偵測電路，具有一偵測端，該偵測端耦接於該高側電晶體之一端，該高側電晶體之另一端與該低側電晶體之一端相連且耦接至該負載，該低側電晶體之另一端耦接於一接地端；一第一開關，與該低側電晶體並聯；以及一第二開關，耦接於該高側電晶體與該電源供應器之間。
  2. 如請求項1所述之短路保護電路，其中，該電源供應器啟動前，該第一開關導通，該短路偵測線路由該偵測端送出一偵測電壓至該高側電晶體，並且判斷該偵測電壓是否接地以確認該高側電晶體是否短路，該短路保護電路進而選擇性地關閉該第二開關以隔離該電源供應器。
  3. 如請求項2所述之短路保護電路，更包括：一第四開關，耦接於該接地端與該電源供應器之一電源啟動開關端之間，當該短路偵測線路判斷該高側電晶體短路時，該第四開關關閉以阻止該電源供應器啟動。
  4. 如請求項2所述之短路保護電路，其中當該短路偵測線路判斷該高側電晶體未發生短路時，該第一開關關閉且 該第二開關導通，該電源供應器啟動並經由該第二開關供電給該電壓調節模組。
  5. 如請求項2所述之短路保護電路，其中該偵測電壓低於該負載之一額定電壓。
  6. 如請求項1所述之短路保護電路，更包括：一發光元件，耦接該電源供應器；以及一第三開關，耦接於該發光元件及該短路偵測線路，其中當該短路偵測線路判斷該高側電晶體短路時，該第三開關導通。
  7. 如請求項1所述之短路保護電路，更包含：一二極體，該短路偵測電路的該偵測端經由該二極體耦接該高側電晶體，該二極體用以防止逆向電流回到該偵測端。
  8. 如請求項1所述之短路保護電路，其中該短路偵測線路包含：一輸出電路，耦接至該偵測端，用以送出該偵測電壓至該高側電晶體；一回授比較線路，耦接至該偵測端，用以讀取該偵測端的一電壓準位，以判斷該高側電晶體是否發生短路；一第五開關，耦接至該短路偵測線路之一電源狀態輸出端；以及一邏輯控制電路，根據該回授比較線路之判斷，該邏輯 控制電路選擇性導通或關閉該第五開關，以改變該電源狀態輸出端之電壓準位。
  9. 一種電力系統，包含：一電源供應器；一電壓調節模組，電性連結於該電源供應器以調節來自該電源供應器的電力輸入並供電至一負載，該電壓調節模組包含一高側電晶體以及一相較於該高側電晶體之低側電晶體；以及一短路保護電路，耦接於該電源供應器以及該電壓調節模組，該短路保護電路包含：一短路偵測電路，具有一偵測端，該偵測端耦接於該高側電晶體之一端，該高側電晶體之另一端與該低側電晶體之一端相連且耦接至該負載，該低側電晶體之另一端耦接於一接地端；一第一開關，與該低側電晶體並聯；以及一第二開關，耦接於該高側電晶體與該電源供應器之間，其中，在該電源供應器啟動前，該短路保護電路導通該第一開關，該短路偵測線路由該偵測端送出一偵測電壓至該高側電晶體，並且判斷該偵測電壓是否被接地以確認該高側電晶體是否短路，該短路保護電路進而選擇性地關閉該第二開關以隔離該電源供應器。
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