TW201815048A - 線電壓偵測電路以及相關之偵測方法 - Google Patents

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Abstract

本發明實施例提供一種一線電壓偵測電路，適用於一電源控制器，其具有一高壓端，透過一高壓電阻，連接到該線電壓。該線電壓係關聯於一交流輸入電壓。該線電壓偵測電路包含有一高壓啟動電晶體、一可開關電流源、一分壓電路、以及一管理電路。該高壓啟動電晶體連接至該高壓端。該可開關電流源連接於該高壓啟動電晶體與一接地線之間。該分壓電路包含有二分壓電阻，串連於該高壓端與該接地線之間，可提供一分壓結果。依據該分壓結果，該管理電路開關該可開關電流源，以選擇性的提供一偏移電流，流經該高壓啟動電晶體以及該高壓電阻。

Description

線電壓偵測電路以及相關之偵測方法
本發明係關於交流電的偵測電路，尤指由交流電整流而產生的線電壓之偵測電路與偵測方法。
對於交流轉直流的電源供應器而言，線電壓的電壓值往往是一個很重要的資訊。舉例來說，電源供應器可能需要在線電壓過低時，停止電源轉換，以預防操作上的錯誤，這稱為欠壓保護(brown-out protection)。當線電壓足夠高時，就容許電源供應器正常操作地提供電源轉換，這有人稱為足壓制動(brown-in)。而且，得知線電壓的電壓值，也可以對電源供應器的操作上，提供線電壓補償。
第1圖舉例一具有反馳式(flyback)架構的交流轉直流電源供應器100。橋式整流器12對市電VAC-MAIN提供全波整流，在輸入端IN產生輸入電壓VIN，而市電VAC-MAIN可以視為一種交流輸入電壓。電源控制器(power controller)18，一般是一積體電路，提供脈波寬度調變(pulse-width modulation，PWM)信號SPWM，控制功率開關26，也控制了流經變壓器16中的電流。功率開關26開啟(ON)時，變壓器16儲能；功率開關26關閉(OFF)時，變壓器16釋能，透過二極體32，在輸出電容30建立輸出電壓VOUT，供 電給負載19。
二極體14提供半波整流，產生線電壓VLINE。電源控制器18有一高壓端HV，透過高壓電阻20，連接到線電壓VLINE，其中高壓電阻並非必要元件，在本發明之另一實施例中，高壓電阻20可以省略。電源控制器18可以提供高壓啟動功能(high-voltage startup)。當市電VAC-MAIN一開始供電時，電源控制器18可以從高壓端HV汲取一充電電流，透過操作電源端VCC，對操作電源電容28充電，來建立操作電源電壓VCC。一旦操作電源電壓VCC足夠高了，充電電流關閉，電源控制器18才可以開始提供PWM信號SPMW。
第2A圖舉例一種電源控制器18a，並說明一種偵測線電壓VLINE的方法。電源控制器18a中有一高壓啟動電晶體46，在高壓啟動時開啟，可以提供充電電流，對操作電源電容28充電。在電源控制器18a之外，高壓端HV與接地線GND之間連接有一分壓電路40a。分壓電路40a包含有分壓電阻42a與44a，其連接點可以提供分壓結果給電源控制器18a之偵測端SENS，使其得知線電壓VLINE之電壓值。對於系統設計師而言，這是相當方便的，因為不同的分壓電阻42與44組合，就可以選定欠壓保護或足壓制動的觸發點。但是，架構上，第2A圖是昂貴的，因為多了兩個外接的分壓電阻42a與44a，而且電源控制器18a也需要多一個接腳作為偵測端SENS。
另一種偵測線電壓VLINE的方法是把第2A圖中的分壓電路40a內建到一電源控制器中，如同第2B圖所舉例的電源控制器18b。相較於第2A圖之電源控制器18a，第2B圖中的電源控制器18b內建有分壓電路40b，且沒有偵測端SENS。電源控制器18b可能可以產生一較便宜的電源供應 器，但是，舉例來說，卻可能犧牲了系統設計師對欠壓保護的觸發點之調整或改變。
本發明實施例提供一種一線電壓的偵測方法，適用於一電源控制器，其具有一高壓端，透過一高壓電阻，連接到該線電壓。該線電壓係關聯於一交流輸入電壓。該電源控制器包含有一高壓啟動電晶體。該偵測方法包含有：提供一分壓電路，其至少包含有二分壓電阻，串連於該高壓端與一接地線之間，該高壓端具有一第一輸入電壓；以該分壓電路偵測該第一輸入電壓，並提供一分壓結果；以及，依據該分壓結果，開關一偏移電流，其流經該高壓啟動電晶體以及該高壓電阻。
本發明實施例亦提供一種一線電壓偵測電路，適用於一電源控制器，其具有一高壓端，透過一高壓電阻，連接到該線電壓。該線電壓係關聯於一交流輸入電壓。該線電壓偵測電路包含有一高壓啟動電晶體、一可開關電流源、一分壓電路、以及一管理電路。該高壓啟動電晶體連接至該高壓端。該可開關電流源連接於該高壓啟動電晶體與一接地線之間。該分壓電路包含有二分壓電阻，串連於該高壓端與該接地線之間，可提供一分壓結果。依據該分壓結果，該管理電路開關該可開關電流源，以選擇性的提供一偏移電流，流經該高壓啟動電晶體以及該高壓電阻。
12‧‧‧橋式整流器
14‧‧‧二極體
16‧‧‧變壓器
18、18a、18b、18c‧‧‧電源控制器
19‧‧‧負載
20‧‧‧高壓電阻
26‧‧‧功率開關
28‧‧‧電源電容
30‧‧‧輸出電容
32‧‧‧二極體
40a、40b、40c‧‧‧分壓電路
42a、42b、42c、44a、44b、44c‧‧‧分壓電阻
46‧‧‧高壓啟動電晶體
100、600‧‧‧交流轉直流電源供應器
202‧‧‧二極體
204‧‧‧管理電路
206‧‧‧可開關電流源
208‧‧‧欠壓保護電路
209‧‧‧去顫電路
210‧‧‧足壓制動電路
211‧‧‧反閘
212‧‧‧信號產生器
213‧‧‧SR正反器
220‧‧‧比較器
222‧‧‧單脈衝產生器
224‧‧‧管控電路
230‧‧‧去顫電路
232‧‧‧及閘
234‧‧‧反閘
240‧‧‧D正反器
242‧‧‧及閘
CLK‧‧‧時脈信號
GND‧‧‧接地線
HV‧‧‧高壓端
IN‧‧‧輸入端
IOS‧‧‧偏移電流
IOS‧‧‧固定值
RG‧‧‧預設範圍
SBI‧‧‧確認信號
SCHK‧‧‧比較結果
SENS‧‧‧偵測端
SPWM‧‧‧PWM信號
SRES‧‧‧脈衝
t1、t2、t3‧‧‧時間點
TDEB1、TDEB2‧‧‧去顫時間
VAC-MAIN‧‧‧市電
VBNO‧‧‧分壓結果
VBTM‧‧‧下限電壓
VCC‧‧‧電源電壓
VCC‧‧‧操作電源端
VHV‧‧‧輸入電壓
VIN‧‧‧輸入電壓
VLINE‧‧‧線電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
VREF‧‧‧參考電壓
VTOP‧‧‧上限電壓
第1圖舉例一具有反馳式架構的交流轉直流電源供應器。
第2A、2B圖舉例兩種電源控制器。
第3圖顯示依據本發明所實施的一電源控制器。
第4圖顯示第3圖中的一些信號之信號波形。
第5圖顯示依據本發明所實施之另一以反馳式架構的交流轉直流電源供應器。
在本說明書中，有一些相同的符號，其表示具有相同或是類似之結構、功能、原理的元件，且為業界具有一般知識能力者可以依據本說明書之教導而推知。為說明書之簡潔度考量，相同之符號的元件將不再重述。
第3圖顯示依據本發明所實施的一電源控制器18c，以及一些周邊電路。在一實施例中，電源控制器18c是一積體電路，可取代第1圖中的電源控制器18，可提供PWM信號SPMW控制功率開關26。
電源控制器18c中有一高壓啟動電晶體46，連接到高壓端HV。舉例來說，其為一空乏式(depletion mode)金氧半(metal-oxide-semiconductor，MOS)電晶體。在高壓啟動時開啟，可以提供充電電流，透過二極體202，對操作電源電容28充電。當操作電源電壓VCC高到一定程度時，譬如超過20V，高壓啟動電晶體46可以因為其源極電壓被拉高而自動關閉，停止提供充電電流。如同第3圖舉例所示，高壓啟動電晶體46可以透過高壓端HV以及高壓電阻20，電連接到線電壓VLINE。
電源控制器18c包含有一可開關電流源206、一分壓電路40c、一管理電路204、一欠壓保護電路208、一足壓制動電路210、以及一信號產生器212。
分壓電路40c具有兩個分壓電阻42c與44c，串聯於高壓端HV與接地線GND之間。分壓電阻42c與44c之間的連接點可以提供一分壓結果VBNO，給管理電路204，其據以控制可開關電流源206。分壓電路40c偵測在高壓端HV的輸入電壓VHV，而產生大約成比例的分壓結果VBNO。
當可開關電流源206開啟時，可以提供一偏移電流IOS。偏移電流IOS大約為不為0的一定值IOS，其從線電壓VLINE開始，流經高壓電阻20、高壓啟動電晶體46以及可開關電流源206。當可開關電流源206關閉時，偏移電流IOS消失。可開關電流源206可以設計在高壓啟動結束之後，或操作電源電壓VCC夠高時，才允許被開啟。
如同第3圖所示，管理電路204包含有比較器220、單脈衝產生器222、以及管控電路224。比較器220比較分壓結果VBNO與一參考電壓VREF，以產生一比較結果SCHK。稍後將說明，當比較結果SCHK從邏輯上的0轉態為邏輯上的1時，單脈衝產生器222可以提供一脈衝SRES。脈衝SRES不存在時(邏輯值為0)，管控電路224持續關閉可開關電流源206。當脈衝SRES出現時，管控電路224才容許時脈信號CLK觸發開啟可開關電流源206。
單脈衝產生器222包含有去顫電路(debounce circuit)230、反閘(NOT gate)234、以及及閘(AND gate)232。在此實施例中，只要比較結果SCHK為邏輯上的0時，確認信號SBI就會是邏輯上的0。只有當比較結果SCHK從邏輯上的0，轉態到邏輯上的1，且穩定在邏輯上的1超過一預設去顫時間TDEB1時，確認信號SBI的邏輯值才會從0轉變1。在此實施例中，去顫時間TDEB1大約為300us。反閘234以及及閘232一起作為一邏輯電路，依據比較結果SCHK以及確認信號SBI，來產生脈衝SRES。
管控電路224接收時脈信號CLK以及脈衝SRES。當脈衝SRES沒有出現時(為邏輯上的0)，D正反器240一直被重設(reset)，維持其輸出為邏輯上的0，關閉可開關電流源206。當脈衝SRES出現，為邏輯上的1時，D正反器240可以在時脈信號CLK的下一個上升緣出現時，透過及閘242，開啟可開關電流源206。在此實施例中，時脈信號CLK的週期為100us。
足壓制動電路210接收確認信號SBI。當確認信號SBI為邏輯上的1時，SR正反器213被設置(set)，致能信號產生器212。所以信號產生器212可以提供PWM信號SPWM，開關功率開關26，使第1圖中的電源供應器開始電源轉換。
欠壓保護電路208接收確認信號SBI。欠壓保護電路208具有一反閘211以及一去顫電路209。功能上，去顫電路209跟去顫電路230一樣，只是去顫電路209的去顫時間TDEB2跟去顫電路230的去顫時間TDEB1不一樣。在此實施例中，去顫時間TDEB2大約為180ms。換言之，當確認信號SBI持續180ms都沒有變成邏輯上的1時，欠壓保護電路208將重置(reset)SR正反器213，禁能信號產生器212。此時，信號產生器212禁止提供PWM信號SPWM，功率開關26維持在關閉狀態，第1圖中的電源供應器停止電源轉換。
在此實施例中，高壓電阻20的電阻值大約為數十千歐姆，而分壓電阻42c與44c的電阻和大約為數十百萬歐姆。
第4圖顯示第3圖中的一些信號之信號波形。由上而下，分別是線電壓VLINE、分壓結果VBNO、時脈信號CLK、比較結果SCHK、偏移電流IOS、以及確認信號SBI。
在第4圖中的前半段中，線電壓VLINE漸漸上升；後半段中， 線電壓VLINE漸漸下降。
在時間點t1之前，偏移電流IOS為0A，線電壓VLINE低於下限電壓VBTM，沒有落入了預設範圍RG，其介於上限電壓VTOP與下限電壓VBTM之間。分壓結果VBNO大約等於K*VLINE，小於參考電壓VREF，其中K為分壓電路40c所決定的一比例常數。比較結果SCHK固定為邏輯上的0，確認信號SBI為0，脈衝SRES維持在0。因此，管控電路224持續關閉可開關電流源206。
在時間點t1，線電壓VLINE上升超過下限電壓VBTM，落入了預設範圍RG。此時，分壓結果VBNO(等於K*VLINE)相對的超過了參考電壓VREF。所以，比較結果SCHK轉態為邏輯上的1，脈衝SRES接著轉變為邏輯上的1。而管控電路224在時脈信號CLK之下一上升緣出現時，開啟可開關電流源206，使得偏移電流IOS出現，為超過0A的一固定值IOS。
偏移電流IOS的出現，將快速地拉低輸入電壓VHV以及分壓結果VBNO。此時，分壓結果VBNO將大約等於K*(VLINE-IOS*RHV)，其中RHV為高壓電阻20的電阻值。因此，分壓結果VBNO很快的就低於參考電壓VREF。比較結果SCHK轉態為邏輯上的0，脈衝SRES結束，管控電路224立刻關閉可開關電流源206，關閉偏移電流IOS。這意味著，偏移電流IOS的開啟，經過回授後，將導致其關閉。換言之，偏移電流IOS只會開啟一段非常短的時間，如同第4圖所示。
偏移電流IOS的關閉將導致分壓結果VBNO上升，使得比較結果SCHK的邏輯值由0轉態為1。如同先前所描述的，在時脈信號CLK之下一上升緣出現時，偏移電流IOS會再開啟一段非常短的時間。換言之，偏移電流IOS週期性的，在每一次時脈信號CLK之上升緣出現時，被開啟一段非常 短的時間。
在時間點t2，線電壓VLINE已經超過了上限電壓VTOP。如同第4圖所顯示的，時間點t1到t2的時段內，線電壓VLINE介於上限電壓VTOP與下限電壓VBTM，而偏移電流IOS依據時脈信號CLK，週期性地被開啟與關閉。
在線電壓VLINE的上升過程中，從時間點t2開始，線電壓VLINE已經超過了上限電壓VTOP，沒有落入預設範圍RG。此時，不論偏移電流IOS是否被開啟，分壓結果VBNO都大於參考電壓VREF，比較結果SCHK都是邏輯上的1。此時偏移電流IOS開啟後，不再提早關閉，會依據時脈信號CLK完整進行一責任週期。當比較結果SCHK維持在邏輯值1超過去顫時間TDEB1(300us)時，也就是時間點t3，去顫電路230才讓比較結果SCHK通過，成為確認信號SBI，其才從邏輯上的0變成1。然後才導致偏移電流IOS穩定地被關閉。
如同第4圖所示。在時間點t2到t3之間的時段，偏移電流IOS隨著時脈信號CLK之邏輯值改變而開啟與關閉。為了節省開啟偏移電流IOS所損耗的能量，時脈信號CLK的責任週期(Duty Cycle)可以設計為10%或是更小。
確認信號SBI將一直維持在邏輯上的1。直到分壓結果VBNO掉落到參考電壓VREF，或是線電壓VLINE掉落到下限電壓VBTM，如同第4圖時間點t4所發生的，確認信號SBI與比較結果SCHK才轉變成邏輯上的0。
從第3圖與第4圖之分析可知，比較器220比較分壓結果VBNO以及參考電壓VREF，來偵測線電壓VLINE是否落入預設範圍RG。而且，如果線電壓VLINE不落入預設範圍RG，偏移電流IOS將會持續被關閉。在線電壓VLINE落入預設範圍RG內時，偏移電流IOS也僅僅是週期性的短暫開啟。這意 味著大部分的時間，偏移電流IOS都是關閉的，可以節省電源。
經由以上解釋可知，上限電壓VTOP與下限電壓VBTM分別符合以下公式(1)與(2)。
K*(VTOP-RHV*IOS)=VREF.......(1)
K*VBTM=VREF.......(2)
公式(1)清楚的表示，上限電壓VTOP關聯於高壓電阻20的電阻值RHV。偏移電流IOS出現時，大約為積體電路內定的一固定值IOS。因此，系統設計者，可以利用選擇高壓電阻20的電阻值RHV，來決定上限電壓VTOP。
只有在線電壓VLINE穩定地超過了上限電壓VTOP時，確認信號SBI才會是邏輯上的1。因此，確認信號SBI可以用來作為欠壓保護或是足壓制動的判斷。
如同第3圖所舉例的，當確認信號SBI為邏輯上的1時，足壓制動電路210致能信號產生器212。所以信號產生器212可以提供PWM信號SPWM，開關功率開關26，使第1圖中的電源供應器開始電源轉換。當超過180ms之後，確認信號SBI一直都是邏輯上的0，沒有變成邏輯上的1時，意味著線電壓VLINE的峰值確定是太低了，所以欠壓保護電路208重設足壓制動電路210中的SR正反器213，禁能信號產生器212，功率開關26維持在關閉狀態，第1圖中的電源供應器停止電源轉換。
在第3圖中，線電壓VLINE觸動欠壓保護或是足壓制動的判別標準是上限電壓VTOP，其可以利用選擇高壓電阻20的電阻值RHV來決定。
第5圖顯示依據本發明所實施之另一以反馳式架構的交流轉 直流電源供應器600，其也可以具有高壓啟動的功能，並採用第3圖之電源控制器18c。第5圖並沒有第1圖中的二極體14，而第5圖之線電壓VLINE直接由橋式整流器12所提供。
儘管以上本發明是以反馳式架構的交流轉直流電源供應器為實施例來說明，但本發明並不限於此。本發明也可以適用於升壓轉換器(booster)、降壓轉換器(buck converter)等。
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。

Claims (13)

  1. 一種一線電壓的偵測方法，適用於一電源控制器，其具有一高壓端，透過一高壓電阻，連接到該線電壓，該線電壓係關聯於一交流輸入電壓，該電源控制器包含有一高壓啟動電晶體，該偵測方法包含有：提供一分壓電路，其至少包含有二分壓電阻，串連於該高壓端與一接地線之間，該高壓端具有一第一輸入電壓；以該分壓電路偵測該第一輸入電壓，並提供一分壓結果；以及依據該分壓結果，開關一偏移電流，其流經該高壓啟動電晶體以及該高壓電阻。
  2. 如申請專利範圍第1項之該偵測方法，另包含有：比較該分壓結果以及一參考電壓，來偵測該線電壓是否超過一上限電壓，其中，該上限電壓係關聯於該高壓電阻之一電阻值。
  3. 如申請專利範圍第2項之該偵測方法，另包含有：比較該分壓結果以及該參考電壓，來偵測該線電壓是否低於一下限電壓。
  4. 如申請專利範圍第3項之該偵測方法，其中，該上限電壓與該下限電壓之間定義一預設範圍，該偵測方法另包含有：當該線電壓不落入該預設範圍時，持續關閉該偏移電流。
  5. 如申請專利範圍第3項之該偵測方法，另包含有：當該線電壓落入該預設範圍時，週期性的開關該偏移電流。
  6. 如申請專利範圍第5項之該偵測方法，另包含有：提供一時脈信號；以及 當該線電壓落入該預設範圍時，依據該時脈信號，週期性地開啟該偏移電流。
  7. 如申請專利範圍第1項之該偵測方法，另包含有：開啟該高壓啟動電晶體，提供一充電電流，對一操作電源充電。
  8. 一種一線電壓偵測電路，適用於一電源控制器，其具有一高壓端，透過一高壓電阻，連接到該線電壓，該線電壓係關聯於一交流輸入電壓，包含有：一高壓啟動電晶體，連接至該高壓端；一可開關電流源，連接於該高壓啟動電晶體與一接地線之間；一分壓電路，其至少包含有二分壓電阻，串連於該高壓端與該接地線之間，可提供一分壓結果；以及一管理電路，依據該分壓結果，開關該可開關電流源，以選擇性的提供一偏移電流，流經該高壓啟動電晶體以及該高壓電阻。
  9. 如申請專利範圍第8項之該線電壓偵測電路，其中，該管理電路包含有：一比較器，比較該分壓結果以及一參考電壓，以產生一比較結果；一單脈衝產生器，依據該比較結果，可提供一脈衝；以及一管控電路，於該脈衝出現時，可以開啟該可開關電流源。
  10. 如申請專利範圍第9項之該線電壓偵測電路，其中，該管控電路接收一時脈信號，且該管控電路於該時脈信號之一信號緣出現時，可開啟該可開關電流源。
  11. 如申請專利範圍第9項之該線電壓偵測電路，其中，該單脈衝產生器 包含有：一去顫電路(debounce circuit)，當該比較結果穩定超過一預設去顫時間時，該去顫電路可讓該比較結果通過，成為一確認信號；以及一邏輯電路，依據該比較結果以及該確認信號，來產生該脈衝。
  12. 如申請專利範圍第11項之該線電壓偵測電路，另包含有：一欠壓(brown-out)保護電路，當該確認信號為一第一邏輯值超過一第一預設時間時，使該電源控制器停止一電源供應器之電源轉換。
  13. 如申請專利範圍第12項之該線電壓偵測電路，另包含有：一足壓(brown-in)制動電路，當該確認信號為一第二邏輯值時，使該電源供應器開始電源轉換。
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