TW201737604A

TW201737604A - 非隔離切換式電源電路之可自動調整限流電路

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Publication number: TW201737604A
Application number: TW105111165A
Authority: TW
Inventors: 林立家
Original assignee: 台灣類比科技股份有限公司
Priority date: 2016-04-11
Filing date: 2016-04-11
Publication date: 2017-10-16
Also published as: TWI581548B

Abstract

本發明係一種非隔離切換式電源電路之可自動調整限流電路，係提供至少二個電流源，並配合一電壓比較器連接至一電壓輸入端，以直接檢測當輸入電壓驟降但尚未低於關機臨界電壓前，關閉其中一個電流源，降低輸入至該電流比較單元的參考電流，使該非隔離切換式電源電路的電感電流的限流值得以降低；如此，本發明的可自動調整限流電路可依據輸入電壓高低調整該電流比較單元的限流大小，並在輸入電壓驟降但尚未低於關機臨界電壓前調降限流值，避免輸入電壓低於關機臨界電壓而關機。

Description

非隔離切換式電源電路之可自動調整限流電路

本發明係一種非隔離切換式電源電路，尤指一種非隔離切換式電源電路之可自動調整限流電路。

目前非隔離切換式電源電路(如升壓電源轉換器或降壓電源轉換器)，為避免其中的功率電晶體因負載過流而損壞，會設定一電感電流上限值，一般均採用固定電感電流上限值。

如圖6所示，係為一電源積體電路50應用於一升壓電源轉換器60的電路圖，該電源積體電路50係主要包含有一第一切換開關M1、一第二切換開關M2、一閘極驅動電路51、一脈寬調變電路52、一電流比較單元53及一電壓比較單元54；其中該閘極驅動電路51連接至該第一及第二切換開關M1、M2的閘極G1、G2。又為構成完整的升壓電源轉換器60，該電流比較單元53外接一電阻Ri；該電壓比較單元54進一步外接一分壓器R1、R2以連接至該電壓輸出端Vout；該第一及第二切換開關M1、M2外接一電感L至一輸入電壓端Vin，該第二切換開關M2外接一輸出電容Cout。該電流比較單元53是透過一電流感測器55連接至該第二切換開關M2與該輸出電容Cout之間，以檢知目前的電感電流I_L

該電源積體電路50的該脈寬調變電路52係連接於該閘極驅動電路51及該電流比較單元53與電壓比較單元54之間，依據該電流比較單元53與該電壓比較單元54輸出訊號，調整輸出至該第一及第二切換開關M1、M2的脈寬調變訊號PWM的脈波寬度。該電流比較單元53外接的電阻Ri即用以設定一固定電感電流上限值，使輸出的電感電流IL的上限值不會超過該固定電感電流上限值。

前揭電源積體電路50藉由外接電阻Ri設定一固定電感電流上限值的作法，在負載70極重載時，例如當負載70開機的瞬間，會自輸入電源抽取更大的電流，造成輸入電源的輸入電壓Vin驟降，並甚至降至低於一關機臨界電壓，而使得電源積體電路50自動關閉。也就是說，當電感電流I_L 因極重載的負載70而突升時，該電流比較單元53反應予脈寬調變電路52及閘極驅動電路51時已來不及關閉第一及第二切換開關M1、M2，使電感電流I_L 不超過該固定電感電流上限值，因而造成不正常關機，令負載70無法正常運作；因此，有必要進一步改善之。

有鑑於上述可應用於非隔離切換式電源電路的電源積體電路的缺陷，本發明主要目的係提供一種非隔離切換式電源電路之可自動調整限流電路。

欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該可自動調整限流電路其中該非隔離切換式電源電路包含有一系統電源及一電流比較單元，其中該系統電源包含有一關機臨界電壓，而該電流比較單元則包含一第一及第二輸入端，該第一輸入端係透過一電流感測器連接至一輸出端，以感測該輸出端的電流；其中該可自動調整限流電路係包括：一第一電流源，係連接至該電流比較單元的第二輸入端；一第二電流源；一第一開關元件，係串接於該第二電流源及該電流比較單元的第二輸入端之間；以及一電壓比較器，其二輸入端分別連接至一電壓輸入端及一預設臨界電壓，而其一輸出端耦接至該第一開關元件的控制端；其中該預設臨界電壓係高於該關機臨界電壓，當該電壓比較器比較一輸入電壓高於該預設臨界電壓，即控制該第一開關元件開啟導通，令第一及第二電流源一同輸出至該電流比較單元的第二輸入端；反之，則控制該第一開關元件關閉不導通，令第一電流源輸出至該電流比較單元的第二輸入端。

上述本發明主要提供至少二個電流源，並配合電壓比較器連接至該電壓輸入端，以直接檢測當輸入電壓驟降但尚未低於關機臨界電壓前，立即控制該第一開關元件關閉不導通，降低輸入至該電流比較單元的參考電流，使該非隔離切換式電源電路的電感電流的限流值得以降低，以避免因負載於極重載時向輸入電源抽取過大的電流，使該輸入電壓驟降低於關機臨界電壓而直接關機的問題；換言之，本發明的可自動調整限流電路可依據輸入電壓高低調整該電流比較單元的限流大小，且可在輸入電壓驟降但尚未低於關機臨界電壓前調降限流值，避免輸入電壓低於關機臨界電壓，以確保負載可順利運作。

本發明主要提供予非隔離切換式電源電路用之可自動調整限流電路，該可自動調整限流電路可依據輸入電壓高低調整該電流比較單元的限流大小，且可在輸入電壓驟降但尚未低於關機臨界電壓前調降限流值，避免輸入電壓低於關機臨界電壓；以下謹以數個實施例說明可自動調整限流電路技術內容。

首先請參閱圖1A所示，本發明可自動調整限流電路30應用於一升壓電源轉換器20，其為非隔離切換式電源電路的一種，該升壓電源轉換器20使用一系統電源，該系統電源包含有一關機臨界電壓。又該該升壓電源轉換器20主要包含有一第一切換開關M1、一第二切換開關M2、一閘極驅動電路11、一脈寬調變電路12、一電壓比較單元13及一電流比較單元14；其中該閘極驅動電路11連接至該第一及第二切換開關M1、M2的閘極G1、G2，該電壓比較單元13係連接一分壓器R1、R2連接至該電壓輸出端Vout，以檢知目前的輸出電壓，而該電流比較單元14與該可自動調整限流電路30連接。該第一及第二切換開關M1、M2外接一電感L至一輸入電壓端Vin，該第二切換開關M2外接一輸出電容Cout，該電流比較單元14是透過一電流感測器15連接至該第二切換開關M2與該輸出電容Cout之間，以檢知目前的電感電流IL。該脈寬調變電路12係連接於該閘極驅動電路11及該電流比較單元14與電壓比較單元13之間，依據該電流比較單元14與該電壓比較單元13輸出訊號，調整輸出至該第一及第二切換開關M1、M2的脈寬調變訊號PWM的脈波寬度。

本發明的自動調整限流電路30可與上述第一及第二換開關M1、M2、閘極驅動電路11、脈寬調變電路12、電壓比較單元13、電流比較單元14及電流感測器15整合成一電源積體電路10，但不以此為限。

請配合參閱圖2A，為上述可自動調整限流電路30的第一較佳實施例的電路圖，其包含有一第一電流源I1、第二電流源I2、一第一開關元件Q1及一電壓比較器31。該第一電流源I1係直接連接至該電流比較單元14的第二輸入端(-)，該第一開關元件Q1則串接於該第二電流源I2及該電流比較單元14的第二輸入端(-)之間，該電壓比較器31包含有二輸入端及一輸出端，該二輸入端係分別連接至一電壓輸入端Vin及一預設臨界電壓Vth，而該輸出端則耦接至該第一開關元件Q1的控制端。該預設臨界電壓Vth係高於該關機臨界電壓。

由於該電壓比較器31的其中一個輸入端係連接至該電壓輸入端Vin，故可隨時與該預設臨界電壓Vth比較。當該輸入電壓Vin高於該臨界電壓Vth，代表目前輸入電壓Vin為正常範圍值，故控制該第一開關元件Q1開啟導通，令第一及第二電流源I1、I2一同輸出至該電流比較單元14的第二輸入端(-)，即第一及第二電流源I1、I2的加總電流數值用以作為該升壓電源轉換器20的電流比較單元14的限流值；其中該第一及第二電流源I1、I2的電流可相同或不同，假設於正常運作狀態下設定的限流值為2安培，在本實施例中該第一及第二電流源I1、I2的電流均為1安培，但不以此為限。

倘若當負載70為極重載而自該輸入電源抽取超過2安培的限流值的電流，而使該輸入電壓Vin驟降，此時，該電壓比較器31會直接反應此狀態，即該電壓比較器31會將輸入電壓Vin與該預設臨界電壓Vth進行比較，並於比較出該輸入電壓Vin低於該預設臨界電壓Vth時(Vin＜Vth)，並控制該第一開關元件Q1關閉不導通，停止第二電流源I2輸出至該電流比較單元14；換言之，僅有第一電流源I1輸出至該電流比較單元14，對該電流比較單元14來說即調整其限流值，故該脈寬調變電路12會依據該電流比較單元14的輸出訊號，調整輸出至該第一及第二切換開關M1、M2的脈寬調變訊號PWM的脈波寬度，在輸入電壓Vin尚未降至關機臨界電壓前，限制該電感電流I_L 不超過調降後的限流值。

在本實施例中，該第一開關元件Q1為P型電晶體元件(如PMOS)，其源極S係連接至該第二電流源，其汲極D則連接至該電流比較單元14的輸入端(-)；該電壓比較器31的非反向輸入端(+)連接至該電壓輸入端Vin，其反向輸入端(-)連接該預設臨界電壓Vth，其輸出端則透過一反向器311連接至該第一開關元件Q1的閘極G。假設關機臨界電壓為2伏特，則該預設臨界電壓為2.2伏特；當輸入電壓Vin高於該預設臨界電壓Vth時，該電壓比較器31輸出一個高準位電壓訊號，由該反向器311將其轉換為低準位電壓訊號，使該第一開關元件Q1導通，將該第二電流源I2輸出至該電流比較單元14；此時，該第一及第二電流源I1、I2一同輸出至該電流比較單元14。反之，當該輸入電壓Vin低於該預設臨界電壓Vth時，該電壓比較器31輸出一個低準位電壓訊號，由該反向器311將其轉換為高準位電壓訊號，使該第一開關元件Q1不導通，而停止將該第二電流源I2輸出至該電流比較單元14；此時，僅有該第一電流源I1輸出至該電流比較單元14。

請配合參閱圖2B所示，在可自動調整限流電路30’的第二較佳實施例中，只要將該電壓比較器31的反向輸入端(-)連接至該電壓輸入端Vin，其非反向輸入端(+)連接該預設臨界電壓Vth，則輸出端即可直接連接至該第一開關元件Q1的閘極G，達到前揭相同的電路動作，不必額外使用反向器311。

請配合參閱圖3所示，在可自動調整限流電路30’’的第三個較佳實施例中，可將圖2A的反向器311替換為另一第一邏輯元件32，如反及閘，其中一輸入端連接至該電壓比較器31的輸出端，而另一個輸入端作為一第一致能端EN1使用，其輸出端則連接至第一開關元件Q1的閘極G；如此，本實施例的可自動調整限流電路30’’具有一致能端。也就是說，欲使用該可自動調整限流電路30’’，必須輸出一高準位電壓訊號予該第一致能端EN1，該電壓比較器31才能依據其比較結果控制該第一開關元件Q1的導通或不導通；即，該電壓比較器31輸出高準位電壓訊號，被致能的第一邏輯元件32將其轉換為低準位電壓訊號，使該第一開關元件Q1導通；反之，當該輸入電壓Vin低於該預設臨界電壓Vth時，該電壓比較器31輸出一個低準位電壓訊號，同樣由該被致能的第一邏輯元件32將其轉換為高準位電壓訊號，使該第一開關元件Q1不導通。

再如圖4所示，在可自動調整限流電路30’’’的第四個較佳實施例中進一步包含有一第三電流源I3、一第二開關元件Q2及一第二邏輯元件33；該第二開關元件Q2同樣為P型電晶體元件(如PMOS)，並串接於該第三電流源I3及該電流比較單元14的輸入端(-)之間，以決定是否將該第三電流源I3輸出至該電流比較單元14；該第二邏輯元件33的一輸入端連接至該電壓比較器31的輸出端，而另一個輸入端作為一第二致能端EN2使用，其輸出端則連接至第二開關元件Q2的閘極G。

請配合參閱圖5A所示，假設選擇在正常運作狀態下(Vin＞ th)的限流值為第一及第二電流源I1、I2的加總電流數值(I1+I2)，則輸出一高準位電壓訊號予第一致能端EN1，該第一開關元件Q1即可受該電壓比較器31的比較結果被控制導通，而與第一電流源I1一併將第二電流源I2輸出至該電流比較單元14。當當輸入電壓Vin低於該預設臨界電壓Vth時，再如圖5B所示，即關閉第一開關元件Q1，同時輸出一高準位電壓訊號予第二致能端EN2，該第二開關元件Q2即可受該電壓比較器31的比較結果被控制導通，而與第一電流源I1一併將第三電流源I3輸出至該電流比較單元14；因此該第三電流源的電流係小於第二電流源的電流(I3＜I2)，以達到與前揭實施例的限流效果。此外，如為其它電路需求而於正常運作狀態設定更高的限流值，即可分別輸出一高準位電壓訊號予第一及第二致能端EN2，該第一及第二開關元件Q1、Q2即可同時受該電壓比較器31的比較結果被控制導通，而與第一電流源I1一併將第二及第三電流源I2、I3輸出至該電流比較單元14(I1+II2+I3)。因此，本實施例提供第一至第三電流源I1~I3及第一與第二開關元件Q1、Q2，故可依電路需求，透過第一及第二邏輯元件32、33設定正常運作狀態下的限流值，以及當輸入電壓Vin小於臨界電壓Vth時的限流值。

因此，本發明的第四個實施例可藉由第一及第二邏輯元件32、33的使用，不必更換外接的電阻器，即可於正常運作狀態下選擇的不同限流值，使用上更具彈性且方便設定。

請參閱圖1B所示，以上可自動調整限流電路30~30’’’的各個較佳實施例亦應用另一種非隔離切換式電源電路(降壓電源轉換器20a)，該降壓電源轉換器20a主要包含有一第一切換開關M1、一第二切換開關M2、一閘極驅動電路11、一脈寬調變電路12、一電壓比較單元13及一電流比較單元14；其中該閘極驅動電路11連接至該第一及第二切換開關M1、M2的閘極G1、G2，該電壓比較單元13係連接一分壓器R1、R2連接至該電壓輸出端Vout，以檢知目前的輸出電壓Vout，而該電流比較單元14是透過一電流感測器15連接至一外接電感L的一端，以檢知目前的電感電流I_L ，並與該可自動調整限流電路30連接。該外接電感L的另一端係連接一輸出電容Cout，且該第一二切換開關M2串接於該電感L與該輸入電壓端Vin之間。該脈寬調變電路12係連接於該閘極驅動電路11及該電壓比較單元13與電流比較單元14之間，依據該電壓比較單元13與該電流比較單元14輸出訊號，調整輸出至該第一及第二切換開關M1、M2的脈寬調變訊號PWM的脈波寬度。

綜上所述，本發明主要提供至少二個電流源，並配合電壓比較器連接至該電壓輸入端，以直接檢測當輸入電壓驟降但尚未低於關機臨界電壓前，立即控制該第一開關元件關閉不導通，降低輸入至該電流比較單元的參考電流，使該非隔離切換式電源電路的電感電流的限流值得以降低，以避免因負載於極重載時向輸入電源抽取過大的電流，使該輸入電壓驟降低於關機臨界電壓而直接關機的問題；換言之，本發明的可自動調整限流電路可依據輸入電壓高低調整該電流比較單元的限流大小，且可在輸入電壓驟降但尚未低於關機臨界電壓前調降限流值，避免輸入電壓低於關機臨界電壓，也確保負載仍可順利運作。

10‧‧‧電源積體電路
11‧‧‧閘極驅動電路
12‧‧‧脈寬調變電路
13‧‧‧電壓比較單元
14‧‧‧電流比較單元
15‧‧‧電流感測器
20‧‧‧升壓電源轉換器
20a‧‧‧降壓電源轉換器
30、30’、30’’、30’’’‧‧‧可自動調整限流電路
31‧‧‧電壓比較器
311‧‧‧反向器
32‧‧‧第一邏輯元件
33‧‧‧第二邏輯元件
50‧‧‧電源積體電路
51‧‧‧閘極驅動電路
52‧‧‧脈寬調變電路
53‧‧‧電流比較單元
54‧‧‧電壓比較單元
55‧‧‧電流感測器
60‧‧‧升壓電源轉換器
70‧‧‧負載

圖1A：本發明可自動調整限流電路應用於一升壓電源轉換器的功能方塊圖。圖1B：本發明可自動調整限流電路應用於一降壓電源轉換器的功能方塊圖。圖2A：本發明可自動調整限流電路第一較佳實施例的電路圖。圖2B：本發明可自動調整限流電路第二較佳實施例的電路圖。圖3：本發明可自動調整限流電路第二較佳實施例的電路圖。圖4：本發明可自動調整限流電路第三較佳實施例的電路圖。圖5A：圖4於正常運作狀態下的電感電流與脈寬調變訊號的波形圖。圖5B：圖4於輸入電壓低於臨界電壓時的電感電流與脈寬調變訊號的波形圖。圖6：既有一升壓電源轉換器的功能方塊圖。

10‧‧‧電源積體電路

11‧‧‧閘極驅動電路

12‧‧‧脈寬調變電路

13‧‧‧電壓比較單元

14‧‧‧電流比較單元

15‧‧‧電流感測器

20‧‧‧升壓電源轉換器

30‧‧‧可自動調整限流電路

70‧‧‧負載

Claims

一種非隔離切換式電源電路之可自動調整限流電路，其中該非隔離切換式電源電路包含有一系統電源及一電流比較單元，其中該系統電源包含有一關機臨界電壓，而該電流比較單元則包含一第一及第二輸入端，該第一輸入端係透過一電流感測器感測一電感電流；其中該可自動調整限流電路係包括：一第一電流源，係連接至該電流比較單元的第二輸入端；一第二電流源；一第一開關元件，係串接於該第二電流源及該電流比較單元的第二輸入端之間；以及一電壓比較器，其二輸入端分別連接至一電壓輸入端及一預設臨界電壓，而其一輸出端耦接至該第一開關元件的控制端；其中該預設臨界電壓係高於該關機臨界電壓，當該電壓比較器比較一輸入電壓高於該臨界電壓，即控制該第一開關元件開啟導通，令第一及第二電流源一同輸出至該電流比較單元的第二輸入端；反之，則控制該第一開關元件關閉不導通，令第一電流源輸出至該電流比較單元的第二輸入端。
如請求項1所述之可自動調整限流電路，係進一步包含有一邏輯元件，其一輸入端係耦接至該電壓比較器的輸出端，另一輸入端為一致能端，其一輸出端係連接至該第一開關元件的該控制端；其中於該邏輯元件的致能端於接收一致能訊號後，且該電壓比較器依據該輸入電壓與該臨界電壓的比較結果，才控制該第一開關元件啟、閉。
如請求項1所述之可自動調整限流電路，係進一步包含有：一第三電流源；一第二開關元件，係串接於該第三電流源及該電流比較單元的第二輸入端之間；一第一邏輯元件，其一輸入端係耦接至該電壓比較器的輸出端，另一輸入端為一第一致能端，其一輸出端係連接至該第一開關元件的該控制端；其中於該第一邏輯元件的第一致能端於接收一致能訊號後，且該電壓比較器依據該輸入電壓與該臨界電壓的比較結果，才控制該第一開關元件啟、閉；以及一第二邏輯元件，其一輸入端係耦接至該電壓比較器的輸出端，另一輸入端為一第二致能端，其一輸出端係連接至該第二開關元件的該控制端；其中於該第二邏輯元件的第二致能端於接收一致能訊號後，且該電壓比較器依據該輸入電壓與該臨界電壓的比較結果，才控制該第一開關元件啟、閉。
如請求項1所述之可自動調整限流電路，其中：該第一開關元件為一P型電晶體元件，其源極連接至該第二電流源，其汲極連接至該電流比較單元的第二輸入端；該電壓比較器的非反向輸入端係連接至該輸入電壓端，反向輸入端連接至該預設臨界電壓，其輸出端係透過一反向器連接至該P型電晶體元件的閘極。
如請求項1所述之可自動調整限流電路，其中：該第一開關元件為一P型電晶體元件，其源極連接至該第二電流源，其汲極連接至該電流比較單元的第二輸入端；該電壓比較器的反向輸入端係連接至該輸入電壓端，非反向輸入端連接至該預設臨界電壓，其輸出端係連接至該P型電晶體元件的閘極。
如請求項2所述之可自動調整限流電路，其中：該第一開關元件為一P型電晶體元件，其源極連接至該第二電流源，其汲極連接至該電流比較單元的第二輸入端；該電壓比較器的非反向輸入端係連接至該輸入電壓端，反向輸入端連接至該預設臨界電壓，其輸出端係連接至該邏輯元件的其中一輸入端；以及該邏輯元件係為一反及閘，其輸出端係連接至該P型電晶體元件的閘極。
如請求項3所述之可自動調整限流電路，其中：該第一開關元件為一P型電晶體元件，其源極連接至該第二電流源，其汲極連接至該電流比較單元的第二輸入端；該第二開關元件為一P型電晶體元件，其源極連接至該第三電流源，其汲極連接至該電流比較單元的第二輸入端；該電壓比較器的反向輸入端係連接至該輸入電壓端，非反向輸入端連接至該預設臨界電壓，其輸出端係連接至該第一及第二邏輯元件的其中一輸入端；以及該第一及第二邏輯元件均為一反及閘，其二輸出端係分別連接至該第一及第二開關元件的閘極。
如請求項1至7中任一項所述之可自動調整限流電路，該非隔離切換式電源電路係為一升壓電源轉換器。
如請求項1至7中任項所述之可自動調整限流電路，該非隔離切換式電源電路係為一降壓電源轉換器。