TW201603456A - 過電流偵測電路及電源供應系統 - Google Patents

Abstract

一種過電流偵測電路，串接於一電源供應電路與一負載電路之間，用來偵測自該電源供應電路流至該負載電路之一負載電流，該過電流偵測電路包含有一轉換電阻、一差動放大電路及一比較電路。當該負載電流大於一臨界電流值時，該比較電路所輸出之輸出訊號由一第一電位轉變成為一第二電位。

Description

過電流偵測電路及電源供應系統

本發明係關於一種過電流偵測電路及電源供應系統，尤指一種可精確偵測過電流現象之過電流偵測電路及電源供應系統。

在電源管理技術中，過電流保護機制均存在於電源管理晶片中。然而，習知過電流保護機制為觀察脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)晶片外之金氧半場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)或是電感的電壓變化推測輸出電流變化。換句話說，習知過電流保護機制受MOSFET及電感之阻抗所影響。然而，MOSFET及電感之阻抗因製程因素存在一定程度的誤差或公差，使習知過電流保護機制之精確度受到MOSFET及電感之製造公差所影響，若將習知過電流保護機制應用在高規格儀器設備上，過電流之保護範圍可能過於寬鬆，導致高規格儀器設備可能處於過溫現象甚至燒毀的風險。

舉例來說，在習知電源供應電路中，電晶體的導通電阻之製造公差大約在10%左右，電感之直流阻抗之製造公差大約在5~7%，上述公差範圍對於高規格儀器設備而言仍不夠精準，因無可避免之製造公差使高規格儀器設備處於過溫現象甚至燒毀的風險。

因此，提供一種精確偵測過電流現象之過電流偵測電路，已成為業界所努力的目標之一。

因此，本發明提供一種過電流偵測電路，可精確偵測過電流現象，以避免高規格儀器設備處於過溫現象甚至燒毀的風險。

本發明揭露一種過電流偵測電路，串接於一電源供應電路與一負載電路之間，用來偵測自該電源供應電路流至該負載電路之一負載電流是否大於一臨界電流值，該過電流偵測電路包含有一轉換電阻，包含有一第一端及一第二端，該第一端耦接於該電源供應電路，該第二端耦接於該負載電路，該轉換電阻用來根據該負載電流產生一量測電壓；一差動放大電路，包含有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端耦接於該轉換電阻之該第一端，該第二輸入端耦接於該轉換電阻之該第二端，該第一輸入端與該第二輸入端用來接收該量測電壓，該差動放大電路用來根據該量測電壓產生一檢驗電壓至該輸出端；以及一比較電路，包含有一輸入端及一輸出端，耦接於該差動放大電路之該輸出端，用來接收該檢驗電壓，該比較電路包含：一參考電壓產生器，用來產生一參考電壓；一比較器，包含一第一輸入端、一第二輸入端，該第一輸入端用來接收該量測電壓，該第二輸入端用來接收該參考電壓，該比較器用來根據該檢驗電壓與該參考電壓產生一輸出訊號至該比較電路之該輸出端；其中，當該負載電流大於該臨界電流值時，該比較電路之該比較器所輸出之該輸出訊號由一第一電位轉變成為一第二電位。

本發明另揭露一種電源供應系統，包含一電源供應電路，包含一輸出端；一負載電路，包含一輸入端；一過電流偵測電路，串接於該電源供應電路之該輸出端與該負載電路之該輸入端之間，用來偵測自該電源供應電路流至該負載電路之一負載電流是否大於一臨界電流值，該過電流偵測電路包含一轉換電阻，包含有一第一端及一第二端，該第一端耦接於該電源供應電路，該第二端耦接於該負載電路，該轉換電阻用來根據該負載電流產生一量測電壓；一差動放大電路，包含有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端耦接於該轉換電阻之該第一端，該第二輸入端耦接於該轉換電阻之該第二端，該第一輸入端與該第二輸入端用來接收該量測電壓，該差動放大電路用來根據該量測電壓產生一檢驗電壓至該輸出端；以及一比較電路，包含有一輸入端及一輸出端，耦接於該差動放大電路之該輸出端，用 來接收該檢驗電壓，該比較電路包含一參考電壓產生器，用來產生一參考電壓；一比較器，包含一第一輸入端、一第二輸入端，該第一輸入端用來接收該量測電壓，該第二輸入端用來接收該參考電壓，該比較器用來根據該檢驗電壓與該參考電壓產生一輸出訊號至該比較電路之該輸出端；當該負載電流大於該臨界電流值時，該比較電路之該比較器所輸出之該輸出訊號由一第一電位轉變成為一第二電位。

1、2‧‧‧電源供應系統

10‧‧‧電源供應電路

12‧‧‧過電流偵測電路

14‧‧‧負載電路

100‧‧‧脈波寬度調變模組

120‧‧‧差動放大電路

122‧‧‧比較電路

1220‧‧‧參考電壓產生器

R_p‧‧‧轉換電阻

I_L‧‧‧負載電流

I_th‧‧‧臨界電流值

V_M‧‧‧量測電壓

V_T‧‧‧檢驗電壓

Vout‧‧‧輸出訊號

Vcc1、Vcc2‧‧‧電壓源

V_REF‧‧‧參考電壓

GND‧‧‧系統接地端

N1、N2‧‧‧端點

R1~R7‧‧‧電阻

C‧‧‧電容

OPAMP‧‧‧運算放大器

COMP‧‧‧比較器

第1圖為本發明實施例一電源供應電路之示意圖。

第2圖為本發明實施例另一電源供應系統之示意圖。

請參考第1圖，第1圖為本發明實施例一電源供應系統1之示意圖。電源供應系統1可用於各種電子裝置中提供直流電壓，其包含有一電源供應電路10、一過電流偵測電路12及一負載電路14。電源供應電路10可產生一穩定直流電源至負載電路14，以驅動負載電路14進行特定功能。過電流偵測電路12耦接於電源供應電路10與負載電路14之間，用來偵測自電源供應電路10流至負載電路14之一負載電流I_L是否大於一臨界電流值I_th。

詳細來說，過電流偵測電路12包含有一轉換電阻R_p、一差動放大電路120及一比較電路122。轉換電阻R_p為一低阻值之精密電阻，其製造公差依目前製程可有0.5%、1%及2%的精確度，可依成本及實際需求選用不同精確度之精密電阻。需注意的是，相較於電源供應電路10中電晶體及電感之阻抗公差(前者約10%，後者約5~7%)，轉換電阻R_p之阻抗公差較為精準。因此，轉換電阻R_p可精準地將負載電流I_L轉換為一量測電壓V_M，而差動放大電路120則可將量測電壓V_M放大一特定倍數以產生一檢驗電壓V_T。差動放大電路120包含有一運算放大器OPAMP及電阻R1~R4，電阻R1耦接於轉換電阻R_p之一端點N1與運算放大器OPAMP之負輸入端之間， 電阻R2耦接於運算放大器OPAMP之負輸入端與輸出端之間，電阻R3耦接於轉換電阻R_p之一端點N2與運算放大器OPAMP之正輸入端之間，電阻R4耦接於運算放大器OPAMP之正輸入端與一接地端GND之間。其中，電阻R2與電阻R1阻值之比值等於電阻R4與電阻R3阻值之比值，此比值即為差動放大電路120之放大倍數。舉例來說，若電阻R1與電阻R3之阻值皆為1千歐姆(KΩ)，而電阻R2與電阻R4阻值皆為50KΩ時，則運算放大器OPAMP的放大倍率為50，即檢驗電壓V_T的電壓值係量測電壓V_M電壓值的50倍。將量測電壓V_M放大為檢驗電壓V_T後，比較電路122將可更精準判斷負載電流I_L是否大於臨界電流值I_th。

比較電路122包含有一參考電壓產生器1220以及一比較器COMP。參考電壓產生器1220包含有一電壓源Vcc2及電阻R5、R6，電壓源Vcc2經由電阻R5、R6之分壓後，產生一參考電壓V_REF至比較器COMP之正輸入端，而比較器COMP之負輸入端用來接收檢驗電壓V_T。因此，比較器COMP可根據檢驗電壓V_T與參考電壓V_REF之大小關係輸出一輸出訊號Vout；更精確來說，當檢驗電壓V_T小於參考電壓V_REF時，比較器COMP所輸出之輸出訊號Vout為一高電位V_H，當檢驗電壓V_T大於參考電壓V_REF時，比較器COMP所輸出之輸出訊號Vout為一低電位V_L，以指示後端電路啟動相關過電流保護動作。

考量功率損耗等因素，轉換電阻R_p較佳地選用低阻值之轉換電阻R_p。例如，轉換電阻R_p可為1毫歐姆(mΩ)之精密電阻。以負載電流I_L為20安培為例，流經轉換電阻R_p之量測電壓V_M僅20毫伏特(mV)，而不致影響電源供應電路10提供之穩定直流電源(如3~5伏特，視實際需要而定)。然而，由於量測電壓V_M之電壓值很小，容易受到外界雜訊的干擾，而失去量測負載電流I_L應有的精確度。因此，本發明實施例藉由差動放大電路120將量測電壓V_M放大特定倍數，產生檢驗電壓V_T，使比較電路122可精確判斷。

如前所述，比較電路122利用比較器COMP比較檢驗電壓V_T與參考電壓V_REF之大小關係，以判斷負載電流I_L是否大於臨界電流值I_th。其中，參考電壓V_REF之電壓值可相關於臨界電流值I_th。舉例來說，參考電壓V_REF之電壓值可為臨界電流I_th之電流值乘上轉換電阻R_p之阻值，再乘上差動放大器120之放大倍數。例如，若臨界電流I_th為20安培，轉換電阻R_p之阻值為1mΩ，差動放大電路120之放大倍數為50倍時，則應調整參考電壓產生器1220中電壓源Vcc2之電壓值及電阻R5、R6之阻值，使得參考電壓產生器1220輸出之參考電壓V_REF之電壓值為1伏特。在此情形下，可設計Vcc2之電壓值為3.3伏特，電阻R5之阻值為2.3KΩ，電阻R6之阻值為1KΩ，即可使參考電壓V_REF之電壓值為1伏特。承上例，當負載電流I_L小於電流值為20安培之臨界電流值I_th時，量測電壓V_M小於20毫伏特，經過差動放大器120放大50倍之檢驗電壓V_T小於電壓值為1伏特之參考電壓V_REF，比較器COMP所輸出之輸出訊號Vout為高電位V_H；反之，當負載電流I_L大於電流值為20安培之臨界電流值I_th時，量測電壓V_M大於20毫伏特，經過差動放大器120放大50倍之檢驗電壓V_T大於電壓值為1伏特之參考電壓V_REF，比較器COMP所輸出之輸出訊號Vout轉態為低電位V_L。

由上述可知，過電流偵測電路12可精準地偵測負載電流I_L之過電流情形，使過電流保護之精確度不受電源供應電路10之電晶體及電感之阻抗公差所影響，以避免高規格儀器設備處於過溫現象甚至燒毀的風險。

另外，為了進一步提昇過電流偵測的精確度與穩定度，可另增加元件至電源供應系統1。舉例來說，請參考第2圖，第2圖為本發明實施例另一電源供應系統2之示意圖。電源供應系統2與電源供應系統1結構類似，故相同元件沿用相同符號表示。如第2圖所示，相較於電源供應系統1，電源供應系統2在端點N1、N2之間另耦接一電容C，以濾除不必要的雜訊，使得輸入至差動放大器120之量測電壓V_M不受雜訊干擾。另外，相較於電 源供應系統1，電源供應系統2另包含一電阻R7，耦接於電壓源Vcc2與比較器COMP之輸出端之間，以維持輸出訊號Vout在負載電流I_L未大於臨界電流值I_th時為高電位V_H。增加元件以提昇過電流偵測的精確度與穩定度的方式不限於此，可依實際需求具以變化或修飾。

綜上所述，因製程因素導致電晶體及電感之阻抗公差較高時，習知過電流保護機制之保護範圍過於寬鬆，導致高規格儀器設備可能處於過溫現象甚至燒毀的風險。相較之下，本發明之過電流偵測電路利用精密電阻精準地量測負載電流，經由適當轉換及放大後，可精準地判斷負載電流是否大於臨界電流值，免除高規格儀器設備處於過溫現象甚至燒毀的風險。

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。

1‧‧‧電源供應系統

10‧‧‧電源供應電路

12‧‧‧過電流偵測電路

14‧‧‧負載電路

100‧‧‧脈波寬度調變模組

120‧‧‧差動放大電路

122‧‧‧比較電路

1220‧‧‧參考電壓產生器

R_p‧‧‧轉換電阻

I_L‧‧‧負載電流

V_M‧‧‧量測電壓

V_T‧‧‧檢驗電壓

Vout‧‧‧輸出訊號

Vcc1、Vcc2‧‧‧電壓源

V_REF‧‧‧參考電壓

GND‧‧‧系統接地端

N1、N2‧‧‧端點

R1~R6‧‧‧電阻

OPAMP‧‧‧運算放大器

COMP‧‧‧比較器

Claims (12)

1. 一種過電流偵測電路，耦接於一電源供應電路與一負載電路之間，用來偵測自該電源供應電路流至該負載電路之一負載電流，該過電流偵測電路包含有：一轉換電阻，耦接於該電源供應電路與該負載電路之間，用來根據該負載電流產生一量測電壓；一差動放大電路，包含有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端耦接於該轉換電阻與該電源供應電路之間，該第二輸入端耦接於該轉換電阻與該負載電路之間，該差動放大電路用來根據該第一輸入端及該第二輸入端間之該量測電壓，透過該輸出端產生一檢驗電壓；以及一比較電路，包含有：一參考電壓產生器，用來產生一參考電壓；以及一比較器，耦接於該參考電壓產生器及該差動放大電路之該輸出端，用來比較該檢驗電壓及該參考電壓，以產生一輸出訊號；其中，當該負載電流大於一臨界電流值時，該比較器所輸出之該輸出訊號由一第一電位轉變成為一第二電位。
2. 如請求項1所述之過電流偵測電路，其中該差動放大電路將該量測電壓放大至一特定倍數，以產生該檢驗電壓。
3. 如請求項1所述之過電流偵測電路，其中該差動放大電路包含：一運算放大器，包含有一正輸入端、一負輸入端及一第一輸出端；一第一電阻，耦接於該差動放大電路之該第一輸入端與該運算放大器之該正輸入端之間；一第二電阻，耦接於該運算放大器之該正輸入端與該運算放大器之該第一輸出端之間； 一第三電阻，耦接於該差動放大電路之該第二輸入端與該運算放大器之該負輸入端之間；以及一第四電阻，耦接於該運算放大器之該負輸入端與一系統接地端之間。
4. 如請求項1所述之過電流偵測電路，其中當該負載電流小於該臨界電流值時，該檢驗電壓小於該參考電壓，使得該比較電路之該比較器所產生之該輸出訊號為該第一電位。
5. 如請求項1所述之過電流偵測電路，其中當該負載電流大於該臨界電流值時，該檢驗電壓大於該參考電壓，使得該比較電路之該比較器所產生之該輸出訊號為該第二電位。
6. 如請求項1所述之過電流偵測電路，該過電流偵測電路另包含一電容，該電容耦接於該差動放大電路之該第一輸入端與該差動放大電路之該第二輸入端之間，用來濾除該差動放大電路之該第一輸入端與該第二輸入端之間的雜訊。
7. 一種電源供應系統，包含：一電源供應電路，用來產生一負載電流；一負載電路，用來接收該負載電流；一種過電流偵測電路，耦接於一電源供應電路與一負載電路之間，用來偵測自該電源供應電路流至該負載電路之一負載電流，該過電流偵測電路包含有：一轉換電阻，耦接於該電源供應電路與該負載電路之間，用來根據該負載電流產生一量測電壓；一差動放大電路，包含有一第一輸入端、一第二輸入端及一輸出端，該第一輸入端耦接於該轉換電阻與該電源供應電路之間，該第二輸入端耦接於該轉換電阻與該負載電路之間，該差動放大電路用來根據該第一輸入端及該第二輸入端間之該量測電壓，透過該輸出端產生一檢驗電壓；以及 一比較電路，包含有：一參考電壓產生器，用來產生一參考電壓；以及一比較器，耦接於該參考電壓產生器及該差動放大電路之該輸出端，用來比較該檢驗電壓及該參考電壓，以產生一輸出訊號；其中，當該負載電流大於一臨界電流值時，該比較器所輸出之該輸出訊號由一第一電位轉變成為一第二電位。
8. 如請求項7所述之電源供應系統，其中該差動放大電路將該量測電壓放大至一特定倍數，以產生該檢驗電壓。
9. 如請求項7所述之電源供應系統，其中該差動放大電路包含：一運算放大器，包含有一正輸入端、一負輸入端及一第一輸出端；一第一電阻，耦接於該差動放大電路之該第一輸入端與該運算放大器之該正輸入端之間；一第二電阻，耦接於該運算放大器之該正輸入端與該運算放大器之該第一輸出端之間；一第三電阻，耦接於該差動放大電路之該第二輸入端與該運算放大器之該負輸入端之間；以及一第四電阻，耦接於該運算放大器之該負輸入端與一系統接地端之間。
10. 如請求項7所述之電源供應系統，其中當該負載電流小於該臨界電流值時，該檢驗電壓小於該參考電壓，使得該比較電路之該比較器所產生之該輸出訊號為該第一電位。
11. 如請求項7所述之電源供應系統，其中當該負載電流大於該臨界電流值時，該檢驗電壓大於該參考電壓，使得該比較電路之該比較器所產生之該輸出訊號為該第二電位。
12. 如請求項7所述之電源供應系統，該過電流偵測電路另包含一電容，該電容之耦接於該差動放大電路之該第一輸入端與該差動放大電路之該第 二輸入端之間，用來濾除該差動放大電路之該第一輸入端與該第二輸入端之間的雜訊。