TWI399006B - 短路保護電路、短路保護方法及電源供應裝置 - Google Patents
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Description
本發明係指一種短路保護電路及其短路保護方法與電源供應裝置，尤指一種可於短路發生時，快速停止對一電子裝置供電，以避免過電流損壞該電子裝置之短路保護電路及其短路保護方法與電源供應裝置。
為了確保電源供應的穩定性，對電子裝置進行供電的電源供應裝置通常包含一短路保護電路，用來於短路時關閉對電子裝置供電，以避免短路所造成的過電流損壞。
請參考第1圖，第1圖為習知一電源供應裝置10之示意圖。電源供應裝置10用來供電給一負載12(表示一電子裝置)，其包含有一電源供應器102及一短路保護電路104。電源供應器102可輸出一輸入電壓Vin，而短路保護電路104則控制電源供應器102至負載12的連結。在一般情形下，短路保護電路104導通電源供應器102至負載12的連結，以將輸入電壓Vin傳送至負載12，而當短路發生時，短路保護電路104關閉電源供應器102與負載12之連結，以停止輸出輸入電壓Vin至負載12，避免過電流損壞負載12。
請參考第2圖，第2圖為第1圖中習知短路保護電路104之示意圖。短路保護電路104包含一邏輯運算電路202、一關閉電晶體204及一驅動電晶體206。邏輯運算電路202根據輸入電壓Vin及一過電流保護訊號OCP，產生一控制電壓Vcon2至關閉電晶體204，使關閉電晶體204據以產生一控制電壓Vcon1至驅動電晶體206。驅動電晶體206可根據控制電壓Vcon1，將輸入電壓Vin導通至負載12，並產生一對應之負載電流Iload。其中，關閉電晶體204及驅動電晶體206為N型金氧半場效應電晶體(NMOSFET)。當短路發生時，邏輯運算電路202可根據過電流保護訊號OCP及輸入電壓Vin，輸出與輸入電壓Vin相同準位之控制電壓Vcon2至關閉電晶體204，使得關閉電晶體204導通，進而將控制電壓Vcon1由原本一驅動電壓Vdriver之準位下拉至一接地準位(Vcon1=0V)，使得驅動電晶體206關閉而停止輸出輸入電壓Vin至負載12，以避免過電流損壞負載12所代表之電子裝置。
然而，如第2圖所示，由於實際上輸入電壓VIN係由一系統電源Vdd供應，因此當將系統電源Vdd端至輸入電壓VIN端之間的總電阻表示為一電阻208時，輸入電壓Vin實際上應為一系統電源Vdd減去電阻208之跨壓。在此情形下，當短路發生時，過電流會增加電阻208之跨壓，使得輸入電壓Vin快速下降，因此當關閉電晶體204欲根據與輸入電壓Vin相同準位之控制電壓Vcon2導通時，會因為輸入電壓Vin過小無法快速將控制電壓Vcon1下拉至接地準位，造成驅動電晶體206關閉過慢，使得過電流損壞負載12。
在習知技術中，往往利用加大關閉電晶體204之尺寸，以增加將控制電壓Vcon1下拉至一接地準位的速度，進而改善驅動電晶體206關閉過慢的問題。僅管如此，驅動電晶體206仍會關閉過慢，使得過電流損壞負載12所代表之電子裝置。有鑑於此，習知技術實有改善之必要。
因此，本發明之主要目的即在於提供一種短路保護電路及其短路保護方法與電源供應裝置。
本發明揭露一種短路保護電路，用於一電源供應裝置。該短路保護電路包含有一驅動電晶體，用來根據一第一控制電壓，控制輸出一輸入電壓至一負載；一關閉電晶體，耦接於該驅動電晶體，用來根據一第二控制電壓，控制該第一控制電壓之準位；以及一儲能模組，耦接於該關閉電晶體，用來儲存該輸入電壓之能量，以於短路發生後，於一特定時間內輸出一特定準位電壓作為該第二控制電壓。
本發明另揭露一種短路保護方法，用於一電源供應裝置，該短路保護方法包含有儲存一輸入電壓之能量；以及於短路發生後，於一特定時間內輸出一特定準位電壓作為一控制電壓。
本發明另揭露一種電源供應裝置，用來提供對一負載供電，該電源供應裝置包含有一電源供應器以及一短路保護電路。該電源供應器用來輸出一輸入電壓。該短路保護電路耦接於該電源供應器，包含有：一驅動電晶體，用來根據一第一控制電壓，控制輸出該輸入電壓至該負載；一關閉電晶體，耦接於該驅動電晶體，用來根據一第二控制電壓，控制該第一控制電壓之準位；以及一儲能模組，耦接於該關閉電晶體，用來儲存該輸入電壓之能量，以於短路發生後，於一特定時間內輸出一特定準位電壓作為該第二控制電壓。
請參考第3圖，第3圖為本發明實施例一電源供應裝置30之示意圖。電源供應裝置30之架構與運作原理與電源供應裝置10部分相似，因此用途相同的元件及信號沿用相同符號，以求簡潔。簡單來說，電源供應裝置30包含有一短路保護電路304及電源供應器102，而電源供應裝置30與電源供應裝置10相異之處，在於電源供應裝置30之短路保護電路304另包含一儲能模組310，耦接於邏輯運算電路302與關閉電晶體204之間。儲能模組310可儲存輸入電壓Vin之能量，並於短路發生後，於一特定時間內輸出與一電容電壓Vc相同準位之控制電壓Vcon2。如此一來，關閉電晶體204可快速導通，並將控制電壓Vcon1下拉至接地準位，使得驅動電晶體206關閉而停止輸出輸入電壓Vin至負載12，以避免過電流損壞負載12。
詳細來說，儲能模組310包含有一電流源312、一二極體314、一電容316及一電位轉換器318(level shifter)。電流源312可接收輸入電壓Vin，並輸出一充電電流Ich對電容316充電，以於電容316上產生電容電壓Vc。二極體314則於輸入電壓Vin減去二極體314之一導通電壓大於電容電壓Vc時導通，使充電電流Ich對電容316充電，而於輸入電壓Vin減去二極體314之導通電壓小於電容電壓Vc時關閉，停止充電電流Ich對電容316充電。電位轉換器318可於短路發生後，輸出與電容電壓Vc相同電位之控制電壓Vcon2。換句話說，在未發生短路時，充電電流Ich可對電容316充電以儲存能量，直到二極體314於電容電壓Vc等於輸入電壓Vin減去二極體314之一導通電壓時關閉為止。如此一來，於短路發生後，邏輯運算電路302可控制電位轉換器318，利用電容316上所儲存之能量，於一定時間內輸出與電容電壓Vc相同電位之控制電壓Vcon2。由於電容電壓Vc之準位為輸入電壓Vin因過電流而快速下降前之電壓減去二極體314之導通電壓的準位，較輸入電壓Vin因過電流而快速下降後之準位高出許多，因此相較之下，關閉電晶體204可快速導通，以將控制電壓Vcon1下拉至接地準位，使得驅動電晶體206關閉而停止輸出輸入電壓Vin至負載12，以避免過電流損壞負載12。
請參考第4A圖至第4D圖，第4A圖至第4D圖分別為習知技術與本發明實施例中控制電壓Vcon2、Vcon1、輸入電壓Vin及負載電流Iload之比較示意圖，分別以虛線及實線表示電源供應裝置10及電源供應裝置30。如第4A圖至第4D圖中虛線所示，在習知技術中，由於經過電流保護訊號OCP觸發後，控制電壓Vcon2與輸入電壓Vin有相同準位，因此當輸入電壓Vin隨著過電流增加電阻208(系統電源Vdd端至輸入電壓VIN端之間的總電阻)之壓降而減小時，控制電壓Vcon2會隨之減小，而無法快速將控制電壓Vcon1下拉至接地準位以關閉驅動電晶體206，造成長時間負載電流Iload過大，使得過電流損壞負載12。相較之下，如第4A圖至第4D圖中實線所示，在本發明中，於過電流保護訊號OCP觸發後，電位轉換器318利用電容316上所儲存之能量，於一定時間內輸出與電容電壓Vc相同電位之控制電壓Vcon2，由於電容電壓Vc之準位較輸入電壓Vin因過電流而快速下降後之準位高出許多，因此關閉電晶體204可快速導通，以將控制電壓Vcon1下拉至接地準位，使得驅動電晶體206關閉而停止輸出輸入電壓Vin至負載12，大幅減少負載電流Iload過大的時間，以避免過電流損壞負載12。
值得注意的是，本發明之主要精神，在於利用一儲能裝置，以於短路發生時，於一特定時間內輸出一特定準位電壓作為控制電壓Vcon2，因此關閉電晶體204可快速導通，以將控制電壓Vcon1下拉至接地準位，使得驅動電晶體206關閉而停止輸出輸入電壓Vin至負載12，大幅減少負載電流Iload過大的時間，以避免過電流損壞負載12所代表之電子裝置。本領域具通常知識者當可依本發明之精神加以修飾或變化，而不限於此。舉例來說，儲能模組310並不限於本發明之結構，只要能夠於短路發生後，於一特定時間內輸出一特定準位電壓作為控制電壓Vcon2即可。關閉電晶體204及驅動電晶體206亦不限於N型金氧半場效應電晶體(NMOSFET)，只要將信號適當調整，以達到透過控制控制電壓Vcon1之準位，於短路時關閉電源供應器102與負載12之連結，以停止輸出輸入電壓Vin至負載12即可。
因此，短路保護電路304之短路保護操作，可歸納為一短路保護流程50，如第5圖所示，其包含以下步驟：
步驟500：開始。
步驟502：儲存輸入電壓Vin之能量。
步驟504：於短路發生後，於一特定時間內輸出與電容電壓Vc相同電位之控制電壓Vcon2。
步驟506：結束。
在習知技術中，於短路發生時，控制電壓Vcon2與輸入電壓Vin有相同準位，因此控制電壓Vcon2會因過電流而減小，而無法快速將控制電壓Vcon1下拉至接地準位以關閉驅動電晶體206，造成長時間負載電流Iload過大。相較之下，在本發明中，於短路發生時，控制電壓Vcon2係電位轉換器318利用電容316上所儲存之能量提供，因此具有較輸入電壓Vin高之電容電壓Vc電位，所以可快速將控制電壓Vcon1下拉至接地準位以關閉驅動電晶體206，大幅減少負載電流Iload過大的時間，以避免過電流損壞負載12所代表之電子裝置。
綜上所述，本發明係利用儲能裝置，於短路發生後特定時間內輸出特定準位電壓作為控制電壓，以大幅減少負載電流過大的時間，進而避免過電流損壞電子裝置。
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、30．．．電源供應裝置
12．．．負載
102．．．電源供應器
104、304．．．短路保護電路
202、302．．．邏輯運算電路
204．．．關閉電晶體
206．．．驅動電晶體
208‧‧‧電阻
310‧‧‧儲能模組
312‧‧‧電流源
314‧‧‧二極體
316‧‧‧電容
318‧‧‧電位轉換器
50‧‧‧流程
500~506‧‧‧步驟
Vin‧‧‧輸入電壓
Vcon1、Vcon2‧‧‧控制電壓
Iload‧‧‧負載電流
OCP‧‧‧過電流保護訊號
Vdriver‧‧‧驅動電壓
Vc‧‧‧電容電壓
Ich‧‧‧充電電流
Vdd‧‧‧系統電源
第1圖為習知一電源供應裝置之示意圖。
第2圖為第1圖中習知一短路保護電路之示意圖。
第3圖為本發明實施例一電源供應裝置之示意圖。
第4A圖至第4D圖為習知技術與本發明實施例中控制電壓、輸入電壓及負載電流之比較示意圖。
第5圖為本發明實施例之一短路保護流程之示意圖。
12．．．負載
102．．．電源供應器
204．．．關閉電晶體
206．．．驅動電晶體
208．．．電阻
302．．．邏輯運算電路
304．．．短路保護電路
310．．．儲能模組
312．．．電流源
314．．．二極體
316．．．電容
318．．．電位轉換器
Vin．．．輸入電壓
Vcon1、Vcon2．．．控制電壓
Iload．．．負載電流
OCP．．．過電流保護訊號
Vdriver．．．驅動電壓
Vc．．．電容電壓
Ich．．．充電電流
Vdd．．．系統電源
Claims (12)
- 一種短路保護電路，用於一電源供應裝置，包含有：一驅動電晶體，用來根據一第一控制電壓，控制輸出一輸入電壓至一負載；一關閉電晶體，耦接於該驅動電晶體，用來根據一第二控制電壓，控制該第一控制電壓之準位；以及一儲能模組，耦接於該關閉電晶體，用來儲存該輸入電壓之能量，以於短路發生後，於一特定時間內輸出一特定準位電壓作為該第二控制電壓，包含有：一電流源，用來接收該輸入電壓，並輸出一充電電流；一二極體，耦接於該電流源，用來根據一電容電壓及該輸入電壓，控制該充電電流之導通；一電容，耦接於該二極體，用來於被該充電電流充電後，產生該電容電壓；以及一電位轉換器(level shifter)，耦接於該電容，用來於短路發生後，根據該電容電壓，輸出該第二控制電壓。
- 如請求項1所述之短路保護電路，其中該驅動電晶體與該關閉電晶體為N型金氧半場效應電晶體(NMOSFET)。
- 如請求項2所述之短路保護電路，其中該關閉電晶體於該第二控制電壓為高準位時，控制該第一控制電壓為低準位，使該驅 動電晶體停止輸出該輸入電壓至該負載。
- 如請求項2所述之短路保護電路，其中該關閉電晶體於該第二控制電壓為低準位時，控制該第一控制電壓為高準位，使該驅動電晶體輸出該輸入電壓至該負載。
- 如請求項4所述之短路保護電路，其中該二極體於該輸入電壓減去該二極體之一導通電壓大於該電容電壓時導通，而於該輸入電壓減去該二極體之該導通電壓小於該電容電壓時關閉。
- 一種短路保護方法，用於一電源供應裝置，包含有：儲存一輸入電壓之能量；以及於短路發生後，於一特定時間內輸出一特定準位電壓作為一控制電壓；其中，儲存該輸入電壓之能量之步驟，包含有：接收該輸入電壓；以及根據該輸入電壓產生一充電電流對一電容充電，該電容之跨壓為一電容電壓；其中，於短路發生後，於該特定時間內輸出該特定準位電壓作為該控制電壓之步驟，包含有：根據該電容電壓及該輸入電壓，控制該充電電流對該電容充電；以及於短路發生後，根據該電容電壓，輸出該控制電壓。
- 如請求項6所述之短路保護方法，其中於該輸入電壓減去一二極體之一導通電壓大於該電容電壓時，該充電電流對該電容充電，而於該輸入電壓減去該二極體之該導通電壓小於該電容電壓時，該充電電流停止對該電容充電。
- 一種電源供應裝置，用來提供對一負載供電，包含有：一電源供應器，用來輸出一輸入電壓；以及一短路保護電路，耦接於該電源供應器，包含有：一驅動電晶體，用來根據一第一控制電壓，控制輸出該輸入電壓至該負載；一關閉電晶體，耦接於該驅動電晶體，用來根據一第二控制電壓，控制該第一控制電壓之準位；以及一儲能模組，耦接於該關閉電晶體，用來儲存該輸入電壓之能量，以於短路發生後，於一特定時間內輸出一特定準位電壓作為該第二控制電壓，包含有：一電流源，用來接收該輸入電壓，並輸出一充電電流；一二極體，耦接於該電流源，用來根據一電容電壓及該輸入電壓，控制該充電電流之導通；一電容，耦接於該二極體，用來於被該充電電流充電後，產生該電容電壓；以及一電位轉換器(level shifter)，耦接於該電容，用來於短路發生後，根據該電容電壓，輸出該第二控制電壓。
- 如請求項8所述之電源供應裝置，其中該驅動電晶體與該關閉電晶體為N型金氧半場效應電晶體(NMOSFET)。
- 如請求項9所述之電源供應裝置，其中該關閉電晶體於該第二控制電壓為高準位時，控制該第一控制電壓為低準位，使該驅動電晶體停止輸出該輸入電壓至該負載。
- 如請求項9所述之電源供應裝置，其中該關閉電晶體於該第二控制電壓為低準位時，控制該第一控制電壓為高準位，使該驅動電晶體輸出該輸入電壓至該負載。
- 如請求項8所述之電源供應裝置，其中該二極體於該輸入電壓減去該二極體之一導通電壓大於該電容電壓時導通而於該輸入電壓減去該二極體之該導通電壓小於該電容電壓關閉。
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