TW201905626A - 電源控制裝置及電源控制裝置的操作方法 - Google Patents

Abstract

電源控制裝置包含第一開關、第二開關及感測電路。第一開關具有第一端、第二端及控制端。第一開關的第一端接收第一電壓。第二開關具有第一端、第二端及控制端。第二開關的第一端耦接於第一開關之第二端，而第二開關的第二端接收第二電壓。感測電路耦接於第三 開關之第二端，並在電源控制裝置之截止時段判斷電源控制裝置是否處於過熱狀態。

Description

電源控制裝置及電源控制裝置的操作方法

本發明係有關於一種電源控制裝置，特別係有關於一種能夠偵測是否過熱的電源控制裝置。

現今電子產品的功能日益複雜，其中常利用各種電子元件來執行對應的功能。由於各種電子元件所需的電力規格，例如電壓或電流限值，可能並不相同，因此電子產品在接收到輸入電源之後，還需要透過電力系統來提供各個電子元件所需的電源供應。舉例來說，倘若電子產品中的電子元件共需要五組不同數值電壓的電源，例如1.2V、3.3V、5V、7V及12V，則電力系統即可透過五個不同的電源控制裝置將輸入電源轉換至適當電壓並提供給各個電子元件作為電源供應。

一般而言，只要電子產品處於運作狀態，電源控制裝置就必須持續地輸出電源至對應的電子元件，而電源供應的穩定與否攸關電子產品是否能夠正常運作，因此電源控制裝置的可信賴度也成為電子產品的重要品質因子。此外，常時間操作在大電流的電源控制裝置常會產生熱能，造成環境的溫度提高，然而高溫環境並不利於電子元件的操作，甚至會造成電子元件故障。先前技術的電源控制裝置是透過額外增加腳位，來設置過熱偵測的功能，然而在消費者對於電子產品體積的要求日漸嚴格的情況下，控制器的腳位不僅不敷使用，且增加腳位可能增加封裝面積，因此並不符合使用者的需求。

本發明之一實施例提供一種電源控制裝置，電源控制裝置包含第一開關、第二開關及感測電路。

第一開關具有第一端接收第一電壓，第二端，及控制端。第二開關具有第一端耦接於第一開關之第二端，第二端接收第二電壓，及控制端。感測電路耦接於第三開關之第二端，並可判斷電源控制裝置是否處於過熱狀態。

本發明之另一實施例提供一種操作電源控制裝置的方法。電源控制裝置包含第一開關、第二開關、第三開關、感測電路及主開關。

第一開關具有第一端接收第一電壓，第二端及控制端，第二開關具有第一端耦接於第一開關之第二端，第二端用以接收第二電壓，及控制端。第三開關具有第一端，第二端耦接於第二開關之第一端，及控制端。感測電路耦接於第三開關之第二端，主開關具有第一端耦接於儲能元件，第二端，及控制端耦接於第一開關之第二端。熱敏電阻具有一第一端耦接於主開關之控制端，及一第二端用以接收第二電壓。

操作電源控制裝置的方法包含在第一操作期間，導通第一開關以導通主開關，截止第二開關，並截止第三開關，在第一操作期間之後的第二操作期間，截止第一開關，導通第二開關以截止主開關，並截止第三開關，及在第二操作期間之後的第三操作期間，截止第一開關，截止第二開關，導通第三開關以使感測電路判斷電源控制裝置是否處於過熱狀態。

第1圖為本發明一實施例之電源控制裝置100的示意圖，電源控制裝置100包含第一開關110、第二開關120及感測電路140。

第一開關110具有第一端、第二端及控制端，第一開關110的第一端可接收第一電壓V1。第二開關120具有第一端、第二端及控制端，第二開關120的第一端耦接於第一開關110之第二端，第二開關120的第二端可接收第二電壓V2，且第一電壓V1大於第二電壓V2。感測電路140耦接於第二開關120之第一端，並可在電源控制裝置100的截止時段(off-time)判斷電源控制裝置100是否處於過熱狀態。

此外，在第1圖中，電源控制裝置100還可包含主開關SW、熱敏電阻RNTC、第一電阻R1、第三開關130及第三電阻R3。主開關SW具有第一端、第二端及控制端，主開關SW的第一端可耦接至儲能元件，例如第一電感L1，而主開關SW的控制端耦接於第一開關110之第二端。熱敏電阻RNTC具有第一端及第二端，熱敏電阻RNTC的第一端耦接於主開關SW之控制端，而熱敏電阻RNTC的第二端可接收第二電壓V2。第一電阻R1具有第一端及第二端，第一電阻R1的第一端耦接於主開關SW之第二端，而第一電阻R1的第二端可接收第二電壓V2。第三開關130具有第一端、第二端及控制端，第三開關130的第二端耦接於第二開關120之第一端。第三電阻R3具有第一端及第二端，第三電阻R3的第一端可接收第三電壓V3，第三電阻R3的第二端耦接於第三開關130之第一端。

在本發明的部分實施例中，第一開關110、第二開關120、第三開關130、第三電阻R3及感測電路140可設置於相同的晶片10中，透過第一開關110及第二開關120的輪流導通，晶片10即可輸出驅動電壓DRV以控制主開關SW的導通及截止。由於熱敏電阻RNTC與主開關SW都會耦接至第一開關110的第二端，亦即晶片10中相同的腳位，因此本發明的電源控制裝置100可以在不另外增加晶片10之腳位的情況下，完成過熱保護的功能。

第一電感L1的第一端接收系統電壓V0，第一電感L1的第二端則耦接至主開關SW，因此隨著主開關SW的導通及截止，第一電感L1會間歇地被充電儲能。第一電感L1可例如為線圈，並且可在其充電及放電的過程中，改變外部磁場以使鄰近的第二電感L2感應生電，並透過兩個電感L1及L2的線圈匝數比來調整第二電感L2的感應電壓，以供應外部電子元件所需的電源。

換言之，電源控制裝置100可例如為返馳式 (Flyback) 的電源控制裝置，而第一電感L1可為一次側線圈，第二電感L2可為二次側線圈。

此外，在本發明的部分實施例中，第一開關110、第二開關120及第三開關130可為N型電晶體，且第一開關110可由第一控制訊號SIG1控制，第二開關120可由第二控制訊號SIG2控制，而第三開關130可由第三控制訊號SIG3控制。第2圖為本發明一實施例之電源控制裝置的操作時序圖。

在第2圖中，第一操作期間T1可視為電源控制裝置100的導通期間(on-time)，亦即主開關SW被導通的期間，而第二操作期間T2至第四操作期間T4則可視為電源控制裝置100的截止期間(off-time)，亦即主開關SW被截止的期間。

在第一操作期間T1中，第一控制訊號SIG1為高電位，而第二控制訊號SIG2及第三控制訊號SIG3皆為低電位。因此第一開關110會被導通，第二開關120及第三開關130被截止，使得主開關SW之控制端所接收到的驅動電壓DRV被抬升至高電位，進而導通主開關SW，並對第一電感L1進行充電儲能。

在第二操作期間T2中，第一控制訊號SIG1及第三控制訊號SIG3皆為低電位，而第二控制訊號SIG2為高電位。因此第二開關120會被導通，第一開關110及第三開關130被截止，使得主開關SW之控制端所接收到的驅動電壓DRV被下拉至低電位，進而截止主開關SW，並停止對第一電感L1進行充電儲能。此時，由於第一電感L1仍儲存有先前的電能，而主開關SW的第二端則維持在低電位，因此主開關SW的汲極源極電壓Vds會具有較大的電位差。

在第三操作期間T3中，第一控制訊號SIG1及第二控制訊號SIG2皆為低電位，而第三控制訊號SIG3為高電位。因此第三開關130會被導通，第一開關110及第二開關120被截止，此時主開關SW之控制端所接收到的驅動電壓DRV仍為低電位，因此主開關SW仍會被截止。此外，由於第三開關130被導通，且第三電壓V3大於第二電壓V2，因此第三電阻R3及熱敏電阻RNTC會在第三電壓V3及第二電壓V2之間形成電流通路，而感測電路140即可在第三操作期間T3中，藉由感測流經熱敏電阻RNTC的電流或感測熱敏電阻RNTC的端電壓，來判斷電源控制裝置100是否處於過熱狀態。

此外，在第三操作期間T3中，主開關SW仍並未導通，而第一電感L1可視為釋放能量的階段。此時，若接收電源控制裝置100電源供應的負載較重，則電源控制裝置100可能會處在連續導通模式(continuous conduction mode，CCM )，因此主開關SW的汲極-源極電壓Vds會維持在固定值。然而，若接收電源控制裝置100電源供應的負載倘若較輕，則電源控制裝置100可能會接著進入不連續導通模式(discontinuous conduction mode，DCM )以避免浪費電力，此時主開關SW的汲極-源極電壓Vds將會隨時間下降並起伏變動，例如第2圖中的第四操作期間T4所示。主開關SW的汲極-源極電壓Vds的變化將增加系統的雜訊，降低感測電路140的判斷準確度，因此在本發明的部分實施例中，第三操作期間T3的長度不宜過長，而僅需感測電路140完成判斷即已足，接著就會進入第四操作期間T4的操作，而不會讓感測電路140持續進行感測判斷，以避免判斷結果失準。

在第四操作期間T4中，第一控制訊號SIG1為低電位、第二控制訊號SIG2為高電位及第三控制訊號SIG3為低電位。也就是說，第一開關110截止、第二開關120導通，而第三開關130截止，此時感測電路140也將停止判斷電源控制裝置100是否處於過熱狀態。當第一電感L1所儲存的能量不足以供應外部所需時，電源控制裝置100將結束第四操作期間T4的操作，並進入第五操作期間T5的操作。第五操作期間T5的操作實際上與第一操作期間T1相同，亦即主開關SW將被導通，並對第一電感L1進行充電儲能。

透過如此循環操作，電源控制裝置100便能夠在提供外部電子元件所需電源的同時，判斷是否有過熱的情況，以利對系統發出警告，做出後續對應的處理，以避免造成系統不可回復的損害。

在本發明的其他實施例中，第一開關110、第二開關120及第三開關130亦可由其他電子元件實作，並根據與前述相似的操作方式產生控制第一開關110、第二開關120及第三開關130的控制訊號，而不限定於以第2圖所示的控制訊號來進行控制。

一般而言，熱敏電阻RNTC在常溫下具有第一電阻值，而在高溫下具有第二電阻值，且第二電阻值會小於第一電阻值。舉例來說，熱敏電阻RNTC在25°C時的電阻值可能為100K歐姆，而在100°C時的電阻值可能為8K-10K歐姆。因此在常溫下流經熱敏電阻RNTC的電流會與高溫下流經熱敏電阻RNTC的電流有所差異，同樣地，在常溫下熱敏電阻RNTC的端電壓也會與高溫下熱敏電阻RNTC的端電壓有所差異。因此透過感測流經熱敏電阻RNTC的電流或熱敏電阻RNTC的端電壓，感測電路140就能夠判斷電源控制裝置100是否處於過熱狀態。

此外，也由於在熱敏電阻RNTC在常溫下所具有的第一電阻值相當大，因此在常溫下，熱敏電阻RNTC不至於影響到電源控制裝置100在第一操作期間T1及第二操作期間T2中主開關SW的導通或截止操作。然而為了避免在第三操作期間T3中，第三電壓V3經由第三電阻R3及熱敏電阻RNTC所導通的路徑不預期地導通主開關SW，在本發明的部分實施例中，第三電壓V3可小於第一電壓V1，以避免誤導通主開關SW。然而在第1圖的實施例中，亦可利用齊納二極體ZN2來箝制第三電阻R3之第二端的電壓，而無須另外限定第三電壓V3需小於第一電壓V1。

在第1圖中，感測電路140包含比較器142。比較器142具有第一輸入端耦接於第三開關130之第二端，而比較器142的第二輸入端可接收參考電壓Vref。當第三開關130被導通時，第三電壓V3會被第三電阻R3及熱敏電阻RNTC分壓，也就是說，熱敏電阻RNTC的電阻值越高，則熱敏電阻RNTC之第一端的電壓就會越高，熱敏電阻RNTC的電阻值越低，則熱敏電阻RNTC之第一端的電壓就會越低。由於電源控制裝置100處於過熱狀態時，熱敏電阻RNTC的電阻值會顯著的下降，因此相較於常溫的情況，在過熱時熱敏電阻RNTC之第一端的電壓，亦即第三開關130之第二端的電壓會明顯降低。如此一來，感測電路140就可在比較器142感測到第三開關130之第二端的電壓低於參考電壓Vref時，判斷電源控制裝置100處於過熱狀態。

此外，感測電路140也可透過偵測通過熱敏電阻RNTC的電流來判斷電源控制裝置100是否過熱。第3圖為本發明一實施例之電源控制裝置200的示意圖。電源控制裝置200與電源控制裝置100具有相似的結構及操作原理，兩者主要的差別在於電源控制裝置200的感測電路240是透過偵測流入熱敏電阻RNTC之第一端的電流It來判斷電源控制裝置200是否過熱。

在第3圖中，感測電路240包含比較器242及感測電阻244。感測電阻244耦接於第三開關130之第二端及熱敏電阻RNTC之第一端之間，而比較器242則耦接於感測電阻244的兩端。透過偵測感測電阻244的端電壓，便可偵測自第三開關130流經感測電路240至熱敏電阻RNTC之第一端的電流It。此外，在第3圖中，為方便控制電流It的大小範圍，第三開關130之第一端可直接接收較第三電壓V3小的第四電壓V4，而無須另外透過第一電阻R1來進行分壓。

在此情況下，當溫度上升時，熱敏電阻RNTC的電阻值變小，因此電流It會相對增加，而當電流It大於預設的參考值時，感測電路240即可判斷電源控制裝置200處於過熱狀態。

也就是說，在第三操作期間T3，電源控制裝置200可以透過感測電路240感測熱敏電阻RNTC的端電壓以判斷電源控制裝置200是否過熱，而電源控制裝置200則可以透過感測電路240感測流入熱敏電阻RNTC的電流It以判斷電源控制裝置200是否過熱。

第1圖及第3圖係為方便說明本發明所提供的實施例，然而在本發明的其他實施例中，設計者亦可根據系統的需求，選擇以不同的方式或元件來實作感測電路以偵測熱敏電阻RNTC之端電壓或流經熱敏電阻RNTC之電流的變化，並進而判斷電源控制裝置的溫度是否過高。

此外，設計者亦可根據系統實際的操作，設定判斷過熱狀態的溫度，並推估在其溫度下，熱敏電阻RNTC所對應的電阻值，並依此選擇適當的參考電壓Vref、第三電壓V3，以及選擇適當的第三電阻R3與熱敏電阻RNTC進行分壓，又或是選擇適當的第四電壓V4以使判斷結果更為精確。

在第1圖的實施例中，為了進一步避免主開關SW被誤導通，電源控制裝置100還可包含第二電阻R2，第二電阻R2可耦接於主開關SW之控制端及主開關SW之第二端之間。然而如此一來，在第三操作期間T3中，當第三開關130被導通時，熱敏電阻RNTC將會與第一電阻R1及第二電阻R2並聯，因此在選擇參考電壓Vref及第一電阻R1時，也需一併考慮第一電阻R1及第二電阻R2的阻值，以確保判斷結果的精確度。

再者，為避免主開關SW被誤導通，電源控制裝置100還包含第一齊納二極體ZN1及第二齊納二極體ZN2。第一齊納二極體ZN1的陰(N)極耦接於第一開關110之控制端，而第一齊納二極體ZN1的陽(P)極則接收第二電壓V2。第二齊納二極體ZN2的陰(N)極耦接於第三開關130之第一端，而第二齊納二極體ZN2的陽(P)極則接收第二電壓V2。

第4圖為本發明一實施例之電源控制裝置100或200的操作方法300，方法300包含步驟S310至S350。

S310： 在第一操作期間T1，導通第一開關110以導通主開關SW，截止第二開關120，並截止第三開關130；

S320： 在第一操作期間T1之後的第二操作期間T2，截止第一開關110，導通第二開關120以截止主開關SW，並截止第三開關130；

S330： 在第二操作期間T2之後的第三操作期間T3，截止第一開關110，截止第二開關120，導通第三開關130以使感測電路140判斷電源控制裝置100是否處於過熱狀態；

S340： 在第三操作期間T3之後的第四操作期間T4，主開關SW為截止狀態，截止第三開關130，並使感測電路140停止判斷電源控制裝置100是否處於過熱狀態；

S350： 在第四操作期間T4之後的第五操作期間T5，導通第一開關110以導通主開關SW，截止第二開關120，並截止第三開關130。

在步驟S310中，主開關SW會被導通，並對第一電感L1進行充電儲能。在步驟S320中，主開關SW會被截止，並對第一電感L1停止充電。在主開關SW被截止之後，第三開關130會在步驟S330中被導通，此時感測電路140就能夠根據熱敏電阻RNTC之第一端之電壓來判斷電源控制裝置100是否處於過熱狀態。舉例來說，當熱敏電阻RNTC之第一端的電壓低於參考電壓Vref時，感測電路140就能判斷電源控制裝置100處於過熱狀態。

然而當利用方法300操作電源控制裝置200時，感測電路240則可根據流入熱敏電阻RNTC的電流It判斷電源控制裝置200是否處於過熱狀態。舉例來說，當流入熱敏電阻RNTC之第一端之電流It大於參考值時，感測電路240就可判斷電源控制裝置200處於過熱狀態。

透過方法300，電源控制裝置100及200就能夠輸出電源供應，同時也可以在不額外增加晶片10腳位的情況下，增加過熱偵測的功能，因此當電源控制裝置100及200處於過熱狀態時，就能夠適時地發出警告訊號，以供系統做後續的操作，避免造成系統整體不可回復的損害。

綜上所述，本發明之實施例所提供的電源控制裝置及操作電源控制裝置的方法可以在正常輸出電源供應的情況下，增加過熱保護的功能，因此當電源控制裝置處於過熱狀態時，就能夠適時地發出警告訊號，以供系統做後續的操作，避免造成系統整體不可回復的損害。此外，本發明之實施例所提供的電源控制裝置也不會另外增加內部晶片的腳位，因此可以讓電路設計更具有彈性。 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。

100、200‧‧‧電源控制裝置

10‧‧‧晶片

110‧‧‧第一開關

120‧‧‧第二開關

130‧‧‧第三開關

140、240‧‧‧感測電路

142、242‧‧‧比較器

244‧‧‧感測電阻

SW‧‧‧主開關

R1‧‧‧第一電阻

R2‧‧‧第二電阻

R3‧‧‧第三電阻

RNTC‧‧‧熱敏電阻

L1‧‧‧第一電感

L2‧‧‧第二電感

ZN1‧‧‧第一齊納二極體

ZN2‧‧‧第二齊納二極體

SIG1‧‧‧第一控制訊號

SIG2‧‧‧第二控制訊號

SIG3‧‧‧第三控制訊號

DRV‧‧‧驅動電壓

Vref‧‧‧參考電壓

V0‧‧‧系統電壓

V1‧‧‧第一電壓

V2‧‧‧第二電壓

V3‧‧‧第三電壓

V4‧‧‧第四電壓

Vds‧‧‧汲極-源極電壓

T1、T2、T3、T4、T5‧‧‧操作期間

It‧‧‧電流

300‧‧‧方法

S310至S350‧‧‧步驟

第1圖為本發明一實施例之電源控制裝置的示意圖。 第2圖為第1圖之電源控制裝置的操作時序圖。 第3圖為本發明另一實施例之電源控制裝置的示意圖。 第4圖為本發明一實施例之電源控制裝置的操作方法流程圖。

Claims (12)

1. 一種電源控制裝置，包含： 一第一開關，具有一第一端用以接收一第一電壓，一第二端，及一控制端； 一第二開關，具有一第一端耦接於該第一開關之該第二端，一第二端用以接收一第二電壓，及一控制端；及 一感測電路，耦接於該第二開關之該第一端，用以在該電源控制裝置之一截止時段(off time)判斷該電源控制裝置是否處於一過熱狀態。
2. 如請求項1所述之電源控制裝置，另包含： 一主開關，具有一第一端耦接於一儲能元件，一第二端，及一控制端耦接於該第一開關之該第二端； 一熱敏電阻，具有一第一端耦接於該主開關之控制端，及一第二端用以接收該第二電壓；及 一第一電阻，具有一第一端耦接於該主開關之該第二端，及一第二端用以接收該第二電壓。
3. 如請求項2所述之電源控制裝置，另包含： 一第二電阻，耦接於該主開關之該控制端及該主開關之該第二端之間。
4. 如請求項2所述之電源控制裝置，其中： 該熱敏電阻於一常溫下具有一第一電阻值； 該熱敏電阻於一高溫下具有一第二電阻值；及 該第二電阻值小於該第一電阻值。
5. 如請求項1所述之電源控制裝置，另包含： 一第三開關，具有一第一端，一第二端耦接於該第二開關之該第一端，及一控制端。
6. 如請求項5所述之電源控制裝置，另包含： 一第三電阻，具有一第一端用以接收一第三電壓，一第二端耦接於該第三開關之該第一端； 其中該感測電路包含一比較器，該比較器具有一第一輸入端耦接於該第三開關之該第二端，及一第二輸入端用以接收一參考電壓；及 當該第三開關之該第二端的一電壓低於該參考電壓時，該感測電路判斷該電源控制裝置處於該過熱狀態。
7. 如請求項5所述之電源控制裝置，其中： 該第三開關之該第一端用以接收一第四電壓； 該感測電路感測流自該第三開關流經該感測電路之一電流；及 當該電流大於一參考值時，該感測電路判斷該電源控制裝置處於該過熱狀態。
8. 如請求項5所述之電源控制裝置，另包含： 一第一齊納二極體，具有一陽極耦接於該第一開關之該控制端，及一陰極用以接收該第二電壓；及 一第二齊納二極體，具有一陽極耦接於該第三開關之該第一端，及一陰極用以接收該第二電壓。
9. 一種操作電源控制裝置的方法，該電源控制裝置包含一第一開關、一第二開關、一第三開關、一感測電路、一熱敏電阻及一主開關，該第一開關具有一第一端用以接收一第一電壓，一第二端及一控制端，該第二開關具有一第一端耦接於該第一開關之一第二端，一第二端用以接收一第二電壓，及一控制端，該第三開關具有一第一端，一第二端耦接於該第二開關之該第一端，及一控制端，該感測電路耦接於該第三開關之該第二端，該主開關具有一第一端耦接於一儲能元件，一第二端，及一控制端耦接於該第一開關之該第二端，及該熱敏電阻具有一第一端耦接於該主開關之控制端，及一第二端用以接收該第二電壓，該方法包含： 在一第一操作期間，導通該第一開關以導通該主開關，截止該第二開關，並截止該第三開關； 在該第一操作期間之後的一第二操作期間，截止該第一開關，導通該第二開關以截止該主開關，並截止該第三開關；及 在該第二操作期間之後的一第三操作期間，截止該第一開關，截止該第二開關，導通該第三開關以使該感測電路判斷該電源控制裝置是否處於一過熱狀態。
10. 如請求項9所述之方法，另包含： 當該熱敏電阻之該第一端之一電壓低於該參考電壓時，該感測電路判斷該電源控制裝置處於該過熱狀態。
11. 如請求項9所述之方法，另包含： 當流入該熱敏電阻之該第一端之一電流大於一參考值時，該感測電路判斷該電源控制裝置處於該過熱狀態。
12. 如請求項9所述之方法，其中： 在該第三操作期間之後的一第四操作期間，截止該主開關，截止該第三開關，並使該感測電路停止判斷該電源控制裝置是否處於該過熱狀態；及 在該第四操作期間之後的一第五操作期間，導通該第一開關以導通該主開關，截止該第二開關，並截止該第三開關。