TW202010205A - 過電流保護電路以及其方法 - Google Patents

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Abstract

一種過電流保護方法，適用於採用電源傳輸協定之一通用序列匯流排，包括：將一輸入電壓轉換為一第一電壓以對一第一電子裝置供電，其中輸入電壓由一第二電子裝置所提供；判斷第一電子裝置所產生的一工作電流是否大於一第一既定值；判斷第一電子裝置所產生的工作電流是否大於一第二既定值，其中第二既定值小於第一既定值；響應於工作電流大於第一既定值時，一第一電流偵測電路產生一第一感測訊號以關閉一開關，使得第一電子裝置與第二電子裝置之間形成開路；以及響應於工作電流大於第二既定值時，停止將輸入電壓轉換為上述第一電壓。

Description

過電流保護電路以及其方法
本發明係有關於一種過電流保護電路以及其方法。
為了滿足不斷進步的電子設備，傳輸介面的電源傳輸能力以及資料傳輸速度的需求越來越高，而採用電源傳輸(Power Deliver,PD)協定之通用序列匯流排係將資料傳輸以及高功率的電源供應整合到一起，使得連接器的體積變得更小、使用起來也更為方便。然而，由於新的傳輸介面提供了充電功能中，而為了難以避免衝擊電流帶來的對電子裝置的損害並進一步考慮系統的相容性，因此必須建立完善的保護機制以確保提供電源的電子裝置的安全。
本發明一實施例提供一種過電流保護方法，適用於採用電源傳輸協定之一通用序列匯流排，包括：將一輸入電壓轉換為一第一電壓以對一第一電子裝置供電，其中輸入電壓由一第二電子裝置所提供；判斷第一電子裝置所產生的一工作電流是否大於一第一既定值；判斷第一電子裝置所產生的工作電流是否大於一第二既定值，其中第二既定值小於第一既定值；響應於工作電流大於第一既定值時，一第一電流偵測電路產生 一第一感測訊號以關閉一開關，使得第一電子裝置與第二電子裝置之間形成開路；以及響應於工作電流大於第二既定值時，停止將輸入電壓轉換為第一電壓。
本發明另一實施例提供一種過電流保護電路，適用於採用電源傳輸協定之一通用序列匯流排，包括一受電端、一供電端、一電壓轉換晶片、一開關以及一第一電流偵測電路。受電端與一第一電子裝置連接。供電端與一第二電子裝置連接，並由第二電子裝置提供一輸入電壓。電壓轉換晶片用以將輸入電壓轉換為一第一電壓，以對第一電子裝置供電。開關耦接於受電端與電壓轉換晶片之間。第一電流偵測電路耦接於受電端以及開關之間，用以判斷第一電子裝置所產生的一工作電流是否大於一第一既定值。其中，響應於第一電子裝置之工作電流大於第一既定值時，第一電流偵測電路產生一第一感測訊號以關閉開關。以及，響應於第一電子裝置之工作電流大於一第二既定值時，電壓轉換晶片停止將輸入電壓轉換為第一電壓，其中第二既定值小於第一既定值。
根據本發明一實施例，過電流保護電路更包括一第二電流偵測電路以及一微控制器。第二電流偵測電路耦接於受電端以及開關之間，用以判斷第一電子裝置所產生的工作電流是否大於一第三既定值，其中第三既定值小於第二既定值。微控制器，與第二電流偵測電路以及開關耦接，用以於接收到第二感測訊號後開始計時。其中，響應於工作電流大於一第三既定值時，第二電流偵測電路輸出第二感測訊號。以及，響應於微控制器持續接收到第二感測訊號超過一既定時間時，微控 制器關閉上述開關。
根據本發明一實施例，其中開關包括一第一金氧半場效電晶體以及一第二金氧半場效電晶體。
根據本發明一實施例，其中第一電流偵測電路以及第二電流偵測電路係分別包括一第一比較器以及一第二比較器。
根據本發明一實施例，其中第一金氧半場效電晶體具有一第一閘極、一第一汲極以及一第一源極以及第二金氧半場效電晶體具有一第二閘極、一第二汲極以及一第二源極，第一汲極耦接至電壓轉換晶片之一輸出端，第一源極耦接至第二源極，第一閘極與第二閘極耦接至第一電流偵測電路之一第一輸出端與微控制器之一訊號輸出端，以及第二閘極與第一電流偵測電路、第二電流偵測電路以及受電端耦接。
100‧‧‧過電流保護電路
110、210‧‧‧電壓轉換晶片
120、220‧‧‧開關
130、230‧‧‧第一電流偵測電路
240‧‧‧第二電流偵測電路
250‧‧‧微控制器
310、320‧‧‧比較器
330‧‧‧防止電流之倒灌之電路
CADJ‧‧‧電容
Q1、Q2、Q3‧‧‧金氧半場效電晶體
R1、R2、RS1、RS2、RS3、RADJ‧‧‧電阻
S401~S410‧‧‧步驟流程
VBUS‧‧‧受電端
VIN‧‧‧供電端
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之過電流保護電路之系統架構圖。
第2圖係顯示根據本發明另一實施例所述之過電流保護電路之系統架構圖。
第3圖係顯示根據本發明另一實施例所述之過電流保護電路之系統架構圖。
第4A、4B圖係顯示根據本發明另一實施例所述之電流保護方法之流程圖。
有關本發明之過電流保護電路以及其方法適用之其他範圍將於接下來所提供之詳述中清楚易見。必須了解的是下列之詳述以及具體之實施例，當提出有關過電流保護電路以及其方法之示範實施例時，僅作為描述之目的以及並非用以限制本發明之範圍。
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之過電流保護電路之系統架構圖。於此實施例中，過電流保護電路100適用於採用電源傳輸(Power Deliver,PD)協定之一通用序列匯流排(例如USB Type-C標準)，可包括一受電端VBUS、一供電端VIN、一電壓轉換晶片110、一開關120以及一第一電流偵測電路130。其中，採用電源傳輸協定的通用序列匯流排相較於傳統USB標準提供了更高的電源傳輸能力以及資料傳輸速度，其電壓電流指標可提升至20V/5A，即100W之最大功率。換言之，受電端VBUS(亦可稱為耗電端、吸端(Sink))可與一筆記型電腦或者一智慧型手機等電子裝置(以下通稱為第一電子裝置)連接。供電端VIN亦可稱為源端(Source)，用以與具有驅動電源(例如與市電連接或者內建電池)之電子裝置(以下通稱為第二電子裝置)連接，以對與受電端VBUS連接的第一電子裝置供電。值得注意的是，在此所舉例的筆記型電腦或者智慧型手機等第一電子裝置僅為本發明之示例，具有供應電源之筆記型電腦亦可作為第二電子裝置以與供電端VIN連接。
電壓轉換晶片110用以將供電端VIN所輸入的輸入電壓轉換為一較低的供電電壓(第一電壓)，以對受電端VBUS所連接的第一電子裝置等供電。舉例來說，於本發明之一實施 例中，第二電子裝置為顯示螢幕，而輸入電壓係由顯示螢幕的電源所提供。開關120耦接於受電端VBUS與電壓轉換晶片110之間，由第一電流偵測電路130所控制。第一電流偵測電路130耦接於受電端VBUS以及開關120之間，用以判斷受電端VBUS所連接的第一電子裝置所產生的一工作電流是否大於一第一既定值。其中，在第一電子裝置內建電池的情況下，響應於第一電子裝置開機或者與第二電子裝置連接時，將有可能產生由第一電子裝置流向第二電子裝置之工作電流。而響應於第一電子裝置流向第二電子裝置之工作電流大於第一既定值時，第一電流偵測電路130將產生一第一感測訊號以關閉開關120，即使得供電端VIN與受電端VBUS之間形成開路，以避免過大的工作電流影響第二電子裝置。在某些實施例中，包括受電端VBUS、供電端VIN、電壓轉換晶片110、開關120與第一電流偵測電路130的過電流保護電路100係可整合至第二電子裝置中。
此外，電壓轉換晶片110更包括過電流保護功能。同樣地，在第一電子裝置內建電池的情況下，響應於第一電子裝置開機或者與第二電子裝置連接時，若第一電子裝置流向第二電子裝置之工作電流大於一第二既定值，則電壓轉換晶片110將會自動關閉，即電壓轉換晶片110停止將輸入電壓轉換為供電電壓，且不對第一電子裝置進行供電。其中，第一既定值係大於第二既定值。
第2圖係顯示根據本發明另一實施例所述之過電流保護電路之系統架構圖。於此實施例中，過電流保護電路100包括一受電端VBUS、一供電端VIN、一電壓轉換晶片210、一 開關220、一第一電流偵測電路230、一第二電流偵測電路240以及一微控制器250。其中，電壓轉換晶片210、開關220以及第一電流偵測電路230之功能係與電壓轉換晶片110、開關120以及第一電流偵測電路130之功能相同，在此即不加以描述以精簡說明。第二電流偵測電路240耦接於受電端VBUS以及開關220之間，用以判斷受電端VBUS所連接的第一電子裝置所產生的工作電流是否大於一第三既定值。其中，第二既定值大於第三既定值。微控制器250可設置於第二電子裝置中，且至少具有一計時器，用以於接收到第二電流偵測電路240所輸出之一第二感測訊號後開始計時。於本發明之一實施例中，第二電子裝置為一顯示螢幕，而微控制器250可為顯示螢幕之一液晶控制(Scaler)晶片。
其中，在第一電子裝置內建電池的情況下，響應於第一電子裝置開機或者與第二電子裝置連接時，若第一電子裝置流向第二電子裝置之工作電流大於第三既定值，則第二電流偵測電路240將輸出第二感測訊號至微控制器250。而微控制器250於接收到第二感測訊號後，將致使內建的計時器開始計時。響應於微控制器250持續接收到第二感測訊號超過一既定時間(例如10毫秒)後，輸出一關閉訊號至開關220以關閉開關120，即使得供電端VIN與受電端VBUS之間形成開路，以避免不適當的工作電流影響第二電子裝置。值得注意的是，響應於微控制器250中斷接收到第二感測訊號後，其內建的計時器將被歸零，以於再次接收到第二感測訊號時從零開始計時。值得注意的是，既定時間可根據使用者之需求自行定義，而不以本 發明之實施例為限。
第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之適用於USB Type-C之過電流保護電路之系統架構圖。如第3圖所示，電壓轉換晶片210係由一DC/DC轉換器、由電阻RADJ與電容CADJ所構成的一補償電路以及一電阻RS3所構成，而響應於第一電子裝置流向第二電子裝置之工作電流大於第二既定值時(例如第一電子裝置之一當前電流超過正常的工作電流的130%)，電壓轉換晶片210係停止將輸入電壓轉換為第一電壓。開關220係由串聯連接的第一、第二電晶體元件所構成。而在此實施例中，開關220係由一第一金氧半場效電晶體Q1以及一第二金氧半場效電晶體Q2所構成。其中，第一金氧半場效電晶體Q1之一第一汲極D1係與電壓轉換晶片210之一輸出端耦接，第一金氧半場效電晶體Q1之一第一源極S1係與第二金氧半場效電晶體Q2之一第二源極S2耦接，以及第二金氧半場效電晶體Q2之一第二汲極係與第一電流偵測電路230以及第二電流偵測電路240耦接。第一電流偵測電路230由一第一檢測電阻RS1以及一第一比較器310所構成，響應於第一電子裝置流向第二電子裝置之工作電流大於第一既定值(例如第一電子裝置之一當前電流超過正常的工作電流的200%)時，第一比較器310將輸出一正電壓位準至第一金氧半場效電晶體Q1之閘極G1以及第二金氧半場效電晶體Q2之閘極G2，使得第一金氧半場效電晶體Q1以及第二金氧半場效電晶體Q2形成開路，以保護連接於供電端VIN的第二電子裝置。第二電流偵測電路230由一第二檢測電阻RS2以及一第二比較器320所構成，響應於第一電子裝置流 向第二電子裝置之工作電流大於第二既定值(例如第一電子裝置之當前電流超過正常的工作電流的110%)時，第二電流偵測電路230可透過輸出正電壓位準或者一負電壓位準以使得微控制器250根據所接收到的正電壓位準或者負電壓位準開始計時。其中，響應於當前電流持續超過正常工作電流的110%大於既定時間時，微控制器250即輸出帶有正電壓位準的關閉訊號至第一金氧半場效電晶體Q1之閘極G1以及第二金氧半場效電晶體Q2之閘極G2，以使得第一金氧半場效電晶體Q1以及第二金氧半場效電晶體Q2形成開路。值得注意的是，開關220亦可由單一個金氧半場效電晶體所構成，並非以兩個金氧半場效電晶體Q1以及Q2之架構為限。在某些實施例中，開關220中之第一、第二電晶體元件亦可設計成根據帶有負電壓位準的關閉訊號而形成開路。此外，在某些實施例中，當過電流保護電路用於USB Type-C時，更可包括一電路330。電路330包括電阻R1、電阻R2、電晶體元件Q3以及一比較器，其主要功能為防止電流之倒灌(如第3圖所示)。值得注意的是，電路300為可選的，當本發明所述之過電流保護電路用於其它通用序列匯流排架構時，亦可移除第3圖中所示之電路330。
第4A、4B圖係顯示根據本發明一實施例所述之過電流保護方法之流程圖。於步驟S401，電壓轉換晶片210將第二電子裝置之供電模組所提供的輸入電壓轉換為第一電壓以對第一電子裝置供電。於步驟S402，第一電流感測電路230判斷第一電子裝置流向第二電子裝置的工作電流是否大於第一既定值。響應於工作電流大於第一既定值時，進入步驟S403， 第一電流感測電路230輸出第一感測訊號至開關220以關閉開關220，使得供電端VIN與受電端VBUS之間形成開路，以避免過大的工作電流影響第二電子裝置之運作。於步驟S404，電壓轉換晶片210透過內建的過電流保護功能判斷第一電子裝置流向第二電子裝置之工作電流是否大於第二既定值。而響應於工作電流大於第二既定值時，進入步驟S405，電壓轉換晶片210將會自動關閉，以達到保護第二電子裝置之供電模組之功效。於步驟S406，第二電流感測電路240判斷第一電子裝置流向第二電子裝置之工作電流是否大於第三既定值。響應於工作電流大於第三既定值，進入步驟S407，第三電流感測電路240輸出第二感測訊號至微控制器250，以及透過微控制器250的計時器根據第二感測訊號開始計時。於步驟S408，微控制器250更進一步地判斷是否持續接收到第二感測訊號的時間超過既定時間。在某些實施例中，既定時間可為例如10毫秒，但亦可根據使用者之需求自行定義，而不限定於此。響應於微控制器250持續接收到第二感測訊號超過既定時間時，進入步驟S409，微控制器250輸出關閉訊號至開關220以關閉開關220，使得供電端VIN與受電端VBUS之間形成開路，以避免工作電流影響第二電子裝置之運作。反之，響應於微控制器250持續接收到第二感測訊號的時間小於或等於既定時間時，進入步驟S410，微控制器250將重置計時的秒數，以於再次接收到第二感測訊號時再次開始計時。在某些實施例中，第一既定值大於第二既定值，並且第二既定值大於第三既定值。舉例而言，第一既定值可為工作電流的200%、第二既定值可為工作電流的130%以及第三 既定值可為工作電流的110%，但亦可根據使用者之需求進行調整，而不以此為限。
綜上所述，根據本發明一些實施例所述之過電流保護電路以及其方法，透過電壓轉換晶片內建的過電流保護功能以及電流偵測電路所帶來的多重保護機制，將可避免受電端之工作電流帶來對供電端的電子裝置的損害，且透過多個電路的多重保護機制將可提升系統的兼容性，以避免保護機制被太過頻繁的觸發。
以上敘述許多實施例的特徵，使所屬技術領域中具有通常知識者能夠清楚理解本說明書的形態。所屬技術領域中具有通常知識者能夠理解其可利用本發明揭示內容為基礎以設計或更動其他製程及結構而完成相同於上述實施例的目的及/或達到相同於上述實施例的優點。所屬技術領域中具有通常知識者亦能夠理解不脫離本發明之精神和範圍的等效構造可在不脫離本發明之精神和範圍內作任意之更動、替代與潤飾。
S401~S410

Claims (10)

  1. 一種過電流保護方法，適用於採用電源傳輸(PD)協定之一通用序列匯流排，包括：將一輸入電壓轉換為一第一電壓以對一第一電子裝置供電，其中上述輸入電壓由一第二電子裝置所提供；判斷上述第一電子裝置所產生的一工作電流是否大於一第一既定值；判斷上述第一電子裝置所產生的上述工作電流是否大於一第二既定值，其中上述第二既定值小於上述第一既定值；響應於上述工作電流大於上述第一既定值時，一第一電流偵測電路產生一第一感測訊號以關閉一開關，使得上述第一電子裝置與上述第二電子裝置之間形成開路；以及響應於上述工作電流大於上述第二既定值時，停止將上述輸入電壓轉換為上述第一電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之過電流保護方法，更包括：透過一第二電流偵測電路判斷上述第一電子裝置所產生的上述工作電流是否大於一第三既定值，其中上述第三既定值小於上述第二既定值；響應於上述工作電流大於上述第三既定值時，上述第二電流偵測電路產生一第二感測訊號；透過一微控制器於接收到上述第二電流偵測電路所輸出之上述第二感測訊號後開始計時；以及響應於上述微控制器持續接收到上述第二感測訊號超過一 既定時間時，上述微控制器關閉上述開關。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之過電流保護方法，其中上述開關包括一第一金氧半場效電晶體以及一第二金氧半場效電晶體。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之過電流保護方法，其中上述第一電流偵測電路以及上述第二電流偵測電路係分別包括一第一比較器以及一第二比較器。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之過電流保護方法，其中上述第一金氧半場效電晶體具有一第一閘極、一第一汲極以及一第一源極以及上述第二金氧半場效電晶體具有一第二閘極、一第二汲極以及一第二源極，上述第一汲極耦接至上述電壓轉換晶片之一輸出端，上述第一源極耦接至上述第二源極，上述第一閘極與上述第二閘極耦接至上述第一電流偵測電路之一第一輸出端與上述微控制器之一訊號輸出端，以及上述第二閘極與上述第一電流偵測電路、上述第二電流偵測電路以及上述第一電子裝置耦接。
  6. 一種過電流保護電路，適用於採用電源傳輸(PD)協定之一通用序列匯流排，包括：一受電端，與一第一電子裝置連接；一供電端，與一第二電子裝置連接，並由上述第二電子裝置提供一輸入電壓；一電壓轉換晶片，用以將上述輸入電壓轉換為一第一電壓，以對上述第一電子裝置供電；一開關，耦接於上述受電端與上述電壓轉換晶片之間；以 及一第一電流偵測電路，耦接於上述受電端以及上述開關之間，用以判斷上述第一電子裝置所產生的一工作電流是否大於一第一既定值；以及其中，響應於上述第一電子裝置之上述工作電流大於上述第一既定值時，上述第一電流偵測電路產生一第一感測訊號以關閉上述開關；以及其中，響應於上述第一電子裝置之上述工作電流大於一第二既定值時，上述電壓轉換晶片停止將上述輸入電壓轉換為上述第一電壓，其中上述第二既定值小於上述第一既定值。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之過電流保護電路，更包括：一第二電流偵測電路，耦接於上述受電端以及上述開關之間，用以判斷上述第一電子裝置所產生的上述工作電流是否大於一第三既定值，其中上述第三既定值小於上述第二既定值，並且響應於上述工作電流大於上述第三既定值時，上述第二電流偵測電路輸出一第二感測訊號；以及一微控制器，與上述第二電流偵測電路以及上述開關耦接，用以於接收到上述第二感測訊號後開始計時；其中，響應於上述微控制器持續接收到上述第二感測訊號超過一既定時間時，上述微控制器關閉上述開關。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之過電流保護電路，其中上述開關係包括一第一金氧半場效電晶體以及一第二金氧半場效電晶體。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之過電流保護電路，其中上述第一電流偵測電路以及上述第二電流偵測電路係分別包括一第一比較器以及一第二比較器。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之過電流保護電路，其中上述第一金氧半場效電晶體具有一第一閘極、一第一汲極以及一第一源極以及上述第二金氧半場效電晶體具有一第二閘極、一第二汲極以及一第二源極，上述第一汲極耦接至上述電壓轉換晶片之一輸出端，上述第一源極耦接至上述第二源極，上述第一閘極與上述第二閘極耦接至上述第一電流偵測電路之一第一輸出端與上述微控制器之一訊號輸出端，以及上述第二閘極與上述第一電流偵測電路、上述第二電流偵測電路以及上述受電端耦接。
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