TWI385397B - 用於一電源供應器之短路偵測裝置 - Google Patents

Description

用於一電源供應器之短路偵測裝置

本發明係指一種用於一電源供應器之短路偵測裝置，尤指一種根據該電源供應器之一輸出電壓的下降速率，判斷該電源供應器之短路狀態的短路偵測裝置。

電源供應器係用來提供電子設備操作所需之電源。當電源供應器的負載異常或電路短路時，電源供應器將於瞬間引發大電流，不僅可能造成電源供應器本身毀損，也可能傷害所負載之電子設備。因此，電源供應器中皆設有短路偵測及保護裝置，用以避免瞬間大電流破壞內部元件或負載。

一般而言，短路保護裝置根據瞬間電流大小，判定電源供應器短路與否。當瞬間電流超過一額定值，短路保護裝置隨即啟動。一習知短路偵測裝置，如美國專利US5,973,569所揭露，係透過一預設電阻將一電流值轉換為一電壓值，再透過一電壓比較器將此電壓值與一參考電壓值進行比較，以檢測電流是否異常，進而判斷短路與否。另一習知短路偵測裝置，如中華民國專利公開號200501529所揭露，其雖與美國專利US5,973,569中的電路實現方式不同，但亦是將電流值轉換為電壓值，再進行短路之判斷。由上可知，上述習知短路偵測裝置皆透過偵測電流以判斷電源供應器短路與否。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種用於一電源供應器之短路偵測裝置。

本發明揭露一種用於一電源供應器之短路偵測裝置，包含有一第一電壓比較器，耦接於該電源供應器之一輸出電壓及一第一電壓，用來比較該輸出電壓及該第一電壓，以產生一第一訊號；一第二電壓比較器，耦接於該輸出電壓及一第二電壓，用來比較該輸出電壓及該第二電壓，以產生一第二訊號；一臨界電壓比較器，耦接於該輸出電壓及一臨界電壓，用來比較該輸出電壓及該臨界電壓，以產生一啟動訊號；一控制單元，耦接於該第一電壓比較器及該第二電壓比較器，用來根據該第一訊號及該第二訊號，產生一致能訊號；以及一偵測單元，耦接於該臨界電壓比較器及該控制單元，用來根據該啟動訊號及該致能訊號，控制該電源供應器之一短路保護功能。

本發明另揭露一種用於一電源供應器之短路偵測裝置，包含有複數個斜率偵測電路、一臨界電壓比較器、一或閘及一偵測單元。該複數個斜率偵測電路用來產生複數個致能訊號，每一斜率偵測電路包含有一第一電壓比較器，耦接於該電源供應器之一輸出電壓及一第一電壓，用來比較該輸出電壓及該第一電壓，以產生一第一訊號；一第二電壓比較器，耦接於該輸出電壓及一第二電壓， 用來比較該輸出電壓及該第二電壓，以產生一第二訊號；以及一控制單元，耦接於該第一電壓比較器及該第二電壓比較器，用來根據該第一訊號及該第二訊號，產生該複數個致能訊號中一致能訊號。該臨界電壓比較器耦接於該輸出電壓及一臨界電壓，用來比較該輸出電壓及該臨界電壓，以產生一啟動訊號。該或閘耦接於該複數個斜率偵測電路，用來對該複數個致能訊號進行邏輯運算，以產生一控制訊號。該偵測單元耦接於該臨界電壓比較器及該或閘，用來根據該啟動訊號及該控制訊號，控制該電源供應器之一短路保護功能。

請參考第1圖，第1圖為本發明實施例一短路偵測裝置10之示意圖。短路偵測裝置10用於一電源供應器中，用來偵測電源供應器短路與否，進而據以啟動短路保護機制。短路偵測裝置10包含有電壓比較器OP1、OP2、OPT、一控制單元100及一偵測單元110。電壓比較器OP1、OP2及OPT之正輸入端分別耦接於電壓V1、V2及VTH；電壓比較器OP1、OP2及OPT之負輸入端皆耦接於電源供應器之一輸出電壓VOUT。電壓比較器OP1、OP2及OPT分別用來比較各自負輸入端的電壓VOUT與正輸入端的電壓V1、V2及VTH，以產生訊號S1、S2及STH。

控制單元100耦接於電壓比較器OP1及OP2，用來根據訊號S1及S2，產生一致能訊號OE，以於特定情形之下，開啟偵測單 元110。偵測單元110耦接於電壓比較器OPT及控制單元100，用來根據訊號STH及致能訊號OE，產生一訊號SCP，以控制電源供應器之一短路保護功能。較佳地，偵測單元110可避免輸出電壓VOUT由於靜電、雷擊或暫時的雜訊干擾產生電壓彈跳現象，而誤判為短路。關於控制單元100及偵測單元110的詳細運作，敘述如後。

在第1圖中，控制單元100包含有一計算單元102及一比較單元104。計算單元102耦接於電壓比較器OP1及OP2，比較單元104耦接於計算單元102。當電源供應器之輸出電壓VOUT下降至電壓V1及V2時，訊號S1及S2依序產生轉態變化，如由低電位轉換至高電位。此時，計算單元102根據訊號S1及S2，計算出訊號S1之轉態與訊號S2之轉態之間的一第一時間差值△t1。比較單元104比較第一時間差值△t1及一參考時間差值△tref，以產生致能訊號OE，用以決定偵測單元110開啟與否。當比較單元104比較而得第一時間差值△t1大於參考時間差值△tref時，表示輸出電壓VOUT的下降速率正常；此時，致能訊號OE不產生轉態變化，因此偵測單元110不會被開啟。相反地，當比較單元104比較而得第一時間差值△t1小於參考時間差值△tref時，表示輸出電壓VOUT的下降速率過快，致能訊號OE產生轉態變化而開啟偵測單元110。

請先參考第2圖，第2圖為第1圖中輸出電壓VOUT之示意圖。 在第2圖中，輸出電壓VOUT下降至電壓V1及V2的時間點分別為t1及t2，輸出電壓VOUT下降曲線的斜率m＝(V1－V2)/(t1－t2)，第一時間差值△t1＝t2－t1。換言之，比較單元104的運作，其意義在於得知輸出電壓VOUT是否下降過快而判斷電源供應器發生短路。

以下就第3圖至第6圖說明偵測單元110的運作。第3圖至第6圖為輸出電壓VOUT、致能訊號OE、訊號STH及訊號SCP之關係示意圖。在第3圖中，第一時間差值△t1大於參考時間差值△tref，亦即輸出電壓VOUT的下降速率正常，因此致能訊號OE沒有產生轉態變化，偵測單元110沒有被開啟。在第4圖至第6圖中，電源供應器之輸出電壓VOUT快速下降，第一時間差值△t1小於參考時間差值△tref，因此，致能訊號OE產生轉態變化而開啟偵測單元110。接著，當輸出電壓VOUT繼續下降至電壓VTH時，電壓比較器OPT所產生之訊號STH產生轉態變化。此時，偵測單元110根據訊號STH的轉態，啟動一預設時間Tdb之計時程序，以避免輸出電壓VOUT中發生電壓彈跳現象而誤判電源供應器為短路。如第4圖及第5圖所示，於計時程序結束時，輸出電壓VOUT仍低於電壓VTH，偵測單元110判斷電源供應器確實短路，訊號SCP產生轉態變化，以啟動短路保護功能。此外，如第6圖所示，於計時程序結束時，輸出電壓VOUT已回升高於電壓VTH，偵測單元110判斷電源供應器未短路，訊號SCP不產生轉態變化，不啟動短路保護功能。簡言之，於預設時間結束時，若 輸出電壓VOUT小於或等於電壓VTH，偵測單元110判斷電源供應器短路；若輸出電壓VOUT大於電壓VTH，偵測單元110判斷電源供應器未短路。

由上可知，本發明實施例根據電源供應器短路時輸出電壓VOUT快速下降之特性，判斷輸出電壓VOUT下降的速率，以得知電源供應器是否發生短路，並且透過偵測單元之計時程序，避免暫時性的電壓彈跳造成錯誤判斷。習知技術皆以電流來判斷短路與否。相較之下，本發明實施例提供了更為彈性的短路偵測作法。

除此之外，第1圖之控制單元100亦可以其他邏輯電路或類比電路實現。請參考第7圖，第7圖為本發明實施例一短路偵測裝置20之示意圖。短路偵測裝置20類似於短路偵測裝置10，包含有電壓比較器OP1、OP2、OPT、偵測單元110及一控制單元200。各電壓比較器及偵測單元110之運作皆與前述之短路偵測裝置10相同，在此不贅述。控制單元200包含有一計時單元202及一D型正反器204。計時單元202耦接於電壓比較器OP1，D型正反器耦接電壓比較器OP2及計時單元202。當輸出電壓VOUT下降至電壓V1時，計時單元202根據訊號S1之轉態，啟動一計時程序，計時長度為一參考時間Tref。當計時程序結束時，計時單元202產生一觸發訊號ST，觸發D型正反器輸出訊號S2至偵測單元110。在此情形下，訊號S2可視為控制偵測單元110之啟閉狀態 的一致能訊號OE’，類似於第1圖之致能訊號OE。若訊號S2的電壓準位顯示輸出電壓VOUT小於電壓V2，表示輸出電壓VOUT下降過快，訊號S2即開啟偵測單元110。

由上可知，短路偵測裝置10係固定電壓差值(△V＝V1－V2)，以時間差值(即第一時間差值△t1)判斷輸出電壓VOUT下降的速率；而短路偵測裝置20係固定時間差值(參考時間Tref)，以電壓差值判斷輸出電壓VOUT下降的速率。需注意的是，第1圖及第7圖所示之短路偵測裝置10及20皆僅使用一組電壓點V1及V2偵測短路現象，在某些情形下，可能無法正常啟動短路保護功能。請參考第8圖，第8圖為電源供應器之輸出電壓VOUT之示意圖。不同於第2圖的是，第8圖中輸出電壓VOUT並非以同樣的速率下降。在此情形下，若短路偵測裝置僅使用一組電壓點偵測短路，有可能錯失短路發生的時間點而無法啟動短路保護功能。因此，本發明另提出一短路偵測裝置30，請參考第9圖。短路偵測裝置30用以偵測多組電壓點，避免單一組電壓點偵測時由於輸出電壓VOUT不穩定，而無法偵測出短路現象。

短路偵測裝置30包含有斜率偵測電路300_1~300_K、一電壓比較器302、一或閘304及一偵測單元306。斜率偵測電路300_1~300_K用來產生致能訊號OE1~OEK，每一斜率偵測電路皆包含有相同功能的元件。以斜率偵測電路300_1為例，其包含有電壓比較器OP1、OP2及一控制單元310_1，控制單元310_1包含有 一計算單元312_1及一比較單元314_1。電壓比較器OP1及OP2之正輸入端分別耦接於電壓V1及V2，負輸入端皆耦接於電源供應器之輸出電壓VOUT。斜率偵測電路300_2~300_K可依此類推。

每一斜率偵測電路中各單元的連接方式及運作，皆與第1圖之電壓比較器OP1、OP2及控制單元100相同；電壓比較器302之運作與第1圖之電壓比較器OPT相同，在此不贅述。換言之，短路偵測裝置30不僅於輸出電壓VOUT下降至電壓V1及V2時判斷電源供應器是否短路，並且於輸出電壓VOUT下降至電壓V3、V4...Vn時判斷是否短路。或閘304耦接於斜率偵測電路300_1~300_K，用來對致能訊號OE1~OEK進行或運算，以產生一控制訊號SCL。當輸出電壓VOUT於電壓V1~Vn中任一組電壓點之間下降速率過快，控制訊號SCL即發生轉態變化，以開啟偵測單元306。偵測單元306耦接於電壓比較器302及或閘304，用來根據電壓比較器302所產生之一訊號STH及控制訊號SCL，控制電源供應器的短路保護功能。電壓比較器302之功能同於第1圖之電壓比較器OPT，偵測單元306的運作方式亦同於第1圖之偵測單元110。請再參考第8圖，當輸出電壓VOUT於電壓V3及V4間下降速率過快，短路偵測裝置30可即時地偵測短路。

值得注意的是，多組電壓偵測點之短路偵測裝置30為本發明之一實施例，本領域具通常知識者當可據以做不同的變化及修 飾。舉例來說，本發明可根據不同應用電路的需求，設計短路偵測裝置偵測不同的電壓下降速率。以短路偵測裝置30為例，在比較單元314_1~314_K中，各比較單元可設定不同的參考時間差值，以偵測不同的電壓下降速率。或者，若短路偵測裝置30之控制單元310_1~310_K之各控制單元中，改為包含如第7圖之短路偵測裝置20中的計時單元202及D型正反器204，各計時單元可設定不同的計時長度，以偵測不同的電壓下降速率。本發明實施例之目的在於透過多個比較單元之參考時間差值或多個計時單元之計時長度，偵測多段電壓變化，參考時間差值或計時長度可依據需要決定設為相同或相異，皆應涵蓋於本發明之範圍中。

綜上所述，本發明實施例根據電源供應器短路時，輸出電壓快速下降之特性，判斷輸出電壓下降的速率，以得知電源供應器是否發生短路。本發明實施例進一步設定多組電壓偵測點，精密地偵測發生短路的電壓區間。此外，本發明實施例於輸出電壓下降至臨界電壓時，啟動偵測單元之計時程序，進而避免暫時性的電壓彈跳造成錯誤判斷。

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。

10、20、30‧‧‧短路偵測裝置

100、200、310_1~310_K‧‧‧控制單元

102、312_1~312_K‧‧‧計算單元

104、314_1~314_K‧‧‧比較單元

110、306‧‧‧偵測單元

202‧‧‧計時單元

204‧‧‧D型正反器

300_1~300_K‧‧‧斜率偵測電路

304‧‧‧或閘

302、OP1~OPn、OPT‧‧‧電壓比較器

S1~Sn、STH、SCP‧‧‧訊號

OE、OE’、OE1~OEK‧‧‧致能訊號

SCL‧‧‧控制訊號

ST‧‧‧觸發訊號

V1~Vn、VTH、VOUT‧‧‧電壓

Tdb‧‧‧預設時間

第1圖、第7圖及第9圖為本發明實施例短路偵測裝置之示意圖。

第2圖及第8圖為一電源供應器之輸出電壓之示意圖。

第3圖至第6圖為第1圖中各訊號之關係示意圖。

10‧‧‧短路偵測裝置

100‧‧‧控制單元

102‧‧‧計算單元

104‧‧‧比較單元

110‧‧‧偵測單元

OP1、OP2、OPT‧‧‧電壓比較器

S1、S2、STH、SCP‧‧‧訊號

OE‧‧‧致能訊號

V1、V2、VTH、VOUT‧‧‧電壓

Claims (14)

1. 一種用於一電源供應器之短路偵測裝置，包含有：一第一電壓比較器，耦接於該電源供應器之一輸出電壓及一第一電壓，用來比較該輸出電壓及該第一電壓，以產生一第一訊號；一第二電壓比較器，耦接於該輸出電壓及一第二電壓，用來比較該輸出電壓及該第二電壓，以產生一第二訊號；一臨界電壓比較器，耦接於該輸出電壓及一臨界電壓，用來比較該輸出電壓及該臨界電壓，以產生一啟動訊號；一控制單元，耦接於該第一電壓比較器及該第二電壓比較器，用來根據該第一訊號及該第二訊號，產生一致能訊號；以及一偵測單元，耦接於該臨界電壓比較器及該控制單元，用來根據該啟動訊號及該致能訊號，控制該電源供應器之一短路保護功能；其中該偵測單元係於該啟動訊號顯示該輸出電壓下降至該臨界電壓時，啟動一計時程序，以於一預設時間結束時，根據該輸出電壓，決定該短路保護功能的啟動狀態。
2. 如請求項1所述之短路偵測裝置，其中該控制單元包含有：一計算單元，耦接於該第一電壓比較器及該第二電壓比較器，用來計算該第一訊號之轉態與該第二訊號之轉態之間的一第一時間差值；以及 一比較單元，耦接於該計算單元，用來比較該第一時間差值及一參考時間差值，以產生該致能訊號。
3. 如請求項2所述之短路偵測裝置，其中於該第一時間差值小於該參考時間差值時，該致能訊號開啟該偵測單元。
4. 如請求項1所述之短路偵測裝置，其中該控制單元包含有：一計時單元，耦接於該第一電壓比較器，用來於該輸出電壓下降至該第一電壓時，啟動一計時程序，以於一參考時間結束時，產生一觸發訊號；以及一D型正反器，耦接於該第二電壓比較器及該計時單元，用來根據該觸發訊號，產生該致能訊號。
5. 如請求項4所述之短路偵測裝置，其中於該參考時間結束且該第二訊號顯示該輸出電壓小於該第二電壓時，該致能訊號開啟該偵測單元。
6. 如請求項1所述之短路偵測裝置，其中該偵測單元係於該預設時間結束且該輸出電壓小於或等於該臨界電壓時，判斷該電源供應器短路並啟動該短路保護功能。
7. 如請求項1所述之短路偵測裝置，其中該偵測單元係於該預設時間結束且該輸出電壓大於該臨界電壓時，判斷該電源供 應器未短路。
8. 一種用於一電源供應器之短路偵測裝置，包含有：複數個斜率偵測電路，用來產生複數個致能訊號，每一斜率偵測電路包含有：一第一電壓比較器，耦接於該電源供應器之一輸出電壓及一第一電壓，用來比較該輸出電壓及該第一電壓，以產生一第一訊號；一第二電壓比較器，耦接於該輸出電壓及一第二電壓，用來比較該輸出電壓及該第二電壓，以產生一第二訊號；以及一控制單元，耦接於該第一電壓比較器及該第二電壓比較器，用來根據該第一訊號及該第二訊號，產生該複數個致能訊號中一致能訊號；一臨界電壓比較器，耦接於該輸出電壓及一臨界電壓，用來比較該輸出電壓及該臨界電壓，以產生一啟動訊號；一或閘，耦接於該複數個斜率偵測電路，用來對該複數個致能訊號進行邏輯運算，以產生一控制訊號；以及一偵測單元，耦接於該臨界電壓比較器及該或閘，用來根據該啟動訊號及該控制訊號，控制該電源供應器之一短路保護功能； 其中該偵測單元係於該啟動訊號顯示該輸出電壓下降至該臨界電壓時，啟動一計時程序，以於一預設時間結束時，根據該輸出電壓，決定該短路保護功能的啟動狀態。
9. 如請求項8所述之短路偵測裝置，其中該控制單元包含有：一計算單元，耦接於該第一電壓比較器及該第二電壓比較器，用來計算該第一訊號之轉態與該第二訊號之轉態之間的一第一時間差值；以及一比較單元，耦接於該計算單元，用來比較該第一時間差值及一參考時間差值，以產生該致能訊號。
10. 如請求項9所述之短路偵測裝置，其中於該第一時間差值小於該參考時間差值時，該致能訊號透過該或閘開啟該偵測單元。
11. 如請求項8所述之短路偵測裝置，其中該控制單元包含有：一計時單元，耦接於該第一電壓比較器，用來於該輸出電壓下降至該第一電壓時，啟動一計時程序，以於一參考時間結束時，產生一觸發訊號；以及一D型正反器，耦接於該第二電壓比較器及該計時單元，用來根據該觸發訊號，產生該致能訊號。
12. 如請求項11所述之短路偵測裝置，其中於該參考時間結束且 該第二訊號顯示該輸出電壓小於該第二電壓時，該致能訊號透過該或閘開啟該偵測單元。
13. 如請求項8所述之短路偵測裝置，其中該偵測單元係於該預設時間結束且該輸出電壓小於或等於該臨界電壓時，判斷該電源供應器短路並啟動該短路保護功能。
14. 如請求項8所述之短路偵測裝置，其中該偵測單元係於該預設時間結束且該輸出電壓大於該臨界電壓時，判斷該電源供應器未短路。