TWI422840B - Output Short Circuit Detection Method for Chi - back Power Supply - Google Patents

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Description

馳返式電源供應器的輸出短路偵測方法
本發明係有關一種馳返式電源供應器，特別是關於一種馳返式電源供應器的輸出短路偵測方法。
電源供應器輸出短路為現行安規測試重要的一環，目前市售電源管理積體電路(IC)針對電源供應器輸出短路現象皆內建有保護機制。例如圖1所示，在一個典型的馳返式電源供應器10中，交流電壓VAC經整流電路12及電容14整流及濾波後產生直流輸入電壓Vin供給變壓器18的一次側線圈Lp，一次側線圈Lp與功率開關20串聯，功率開關20受電源管理IC 16提供的控制信號Gate_BM切換，使變壓器18將電力從其一次側線圈Lp傳遞到二次側線圈Ls，因而在電源輸出端產生輸出電壓Vout。電流感測電阻22與功率開關20串聯，感測一次側線圈Lp的電流Ip，電源管理IC 16根據電流感測電阻22提供的感測信號Vcs以及來自電源輸出端Vout的回授信號Vcomp決定功率開關20的責任週期。在不增加其他額外接腳的條件下，電源管理IC 16通常透過回授接腳COMP或電源接腳VDD來偵測馳返式電源供應器10輸出短路現象，以啟動內部之保護機制。然而，透過接腳COMP獲得的資訊含有回授開路的訊息，而接腳VDD連接有電容，因此無法立即反應輸出資訊。在傳統的偵測方法中，不論是透過接腳COMP或VDD偵測輸出短路現象都需要數十至數百毫秒(ms)才能做出判斷。當馳返式電源供應器10發生輸出短路時，其將輸出大電流，過長的偵測時間使功率消耗過大，導致馳返式電源供應器10過熱。
因此，一種迅速且即時的輸出短路偵測方法，乃為所冀。
本發明的目的之一，在於提出一種迅速且即時的馳返式電源供應器的輸出短路偵測方法。
根據本發明，一種馳返式電源供應器的輸出短路偵測方法係偵測該馳返式電源供應器中與功率開關串聯的電流感測電阻上的感測信號在某個週期中的峰值，接著偵測該感測信號在下一個週期中的初始值，再將該峰值減去該初始值得到其差值，用以判斷該馳返式電源供應器是否發生輸出短路。
根據本發明，一種馳返式電源供應器的輸出短路偵測方法係偵測該馳返式電源供應器中與功率開關串聯的電流感測電阻上的感測信號在某個週期中的初始值及峰值，再將該峰值減去該初始值得到其差值，用以判斷該馳返式電源供應器是否發生輸出短路。
根據本發明，一種馳返式電源供應器的輸出短路偵測方法係對該馳返式電源供應器中與功率開關串聯的電流感測電阻的電壓取樣，從該取樣電壓的大小判斷該馳返式電源供應器是否發生輸出短路。
從圖1可知n×Vout=L×ΔVcs/(Toff×Rcs) 公式1其中，n為變壓器18的匝數比，L為變壓器18的激磁電感，ΔVcs為感測信號Vcs的變化量，Toff為功率開關20的非工作時間，Rcs為電流感測電阻22的電阻值。由公式1可知，透過電流感測接腳CS偵測電流感測電阻22上的感測信號Vcs可以獲得輸出電壓Vout的資訊。在此提出幾種透過接腳CS偵測馳返式電源供應器輸出短路的偵測方法。
圖2係本發明輸出短路偵測方法的第一實施例。圖3係信號波形圖，其中波形40為控制信號Gate_BM，波形42為前緣遮蔽(leading-edge blanking)信號LEB，波形44為感測信號Vcs，波形46為感測信號Vcs的峰值Vcs_p[N]，波形48為感測信號Vcs的初始值Vcs_v[N+1]。參照圖1、圖2及圖3，控制信號Gate_BM切換功率開關20，當控制信號Gate_BM為高準位時，功率開關20打開(turn on)；當控制信號Gate_BM為低準位時，功率開關20關閉(turn off)。如波形40所示，當功率開關20打開時，感測信號Vcs將產生初始尖波(initial spike)。為了避免因該初始尖波而產生誤動作，習知的電源管理IC 16設有前緣遮蔽信號LEB遮蔽該初始尖波，如波形42所示。在此實施例中，步驟30係在功率開關20的某個切換週期TswN期間，當功率開關20關閉時，如時間t1，取樣感測信號Vcs以取得感測信號Vcs的峰值Vcs_p[N]，接著步驟S32在功率開關20的下個切換週期TswN+1期間，在前緣遮蔽信號LEB結束時取樣感測信號Vcs以得到值Vcs_v[N+1]。從功率開關20打開至前緣遮蔽信號LEB結束的時間很短，約250ns，如時間t2至t3，因此在前緣遮蔽信號LEB結束時對感測信號Vcs取樣，可視為在功率開關20打開時對感測信號Vcs取樣。換言之，在前緣遮蔽信號LEB結束時對感測信號Vcs取樣而得到的值Vcs_v[N+1]可以視為感測信號Vcs的初始值，其如波形48所示。
在完成步驟S30及S32後，步驟S34將峰值Vcs_p[N]減去初始值Vcs_v[N+1]得到差值ΔVcs，其與非工作時間Toff期間的輸出電壓Vout之變化量ΔVout有關。跟著步驟S36將差值ΔVcs除以功率開關20的非工作時間Toff以得到虛線49的斜率值，其具有輸出電壓變化量ΔVout之資訊。虛線49表示感測信號Vcs在非工作時間Toff的虛擬波形。雖然在圖3中，要計算虛線49的斜率值應加入t2至t3的時間，約250ns，但功率開關20的非工作時間Toff通常有幾個微秒(μs)，t2至t3這段時間遠小於非工作時間Toff，故可以忽略不計。最後步驟S38比較該斜率值及預設的臨界值。由於當馳返式電源供應器10發生輸出短路時，輸出電壓Vout之變化量ΔVout接近零，故發生輸出短路時差值ΔVcs將下降，因而使該斜率值降低至接近零。基於這個原因，在該斜率值小於該臨界值時，認定馳返式電源供應器10發生輸出短路。
圖4係本發明輸出短路偵測方法的第二實施例，前三個步驟S30、S32及S34與圖2的實施例相同，接著步驟S50將差值ΔVcs與預設的臨界值比較。如同前述，當馳返式電源供應器10發生輸出短路時，差值ΔVcs將下降。基於這個原因，若差值ΔVcs小於該臨界值時，認定馳返式電源供應器10發生輸出短路。
當馳返式電源供應器10發生輸出短路時，輸出電壓Vout的變化量ΔVout接近零。在經過幾個週期達到穩態後，感測信號Vcs在切換週期TswN的初始值Vcs_v[N]與下一個切換週期的初始值Vcs_v[N+1]大致相同，因此也可以用同一切換週期中感測信號Vcs的峰值及初始值來判斷馳返式電源供應器10是否發生輸出短路。圖5係本發明輸出短路偵測方法的第三實施例。圖6係信號波形圖，其中波形70為控制信號Gate_BM，波形72為前緣遮蔽信號LEB，波形74為感測信號Vcs，波形76為感測信號Vcs的峰值Vcs_p[N]，波形78為感測信號Vcs的初始值Vcs_v[N]，波形80為峰值Vcs_p[N]及初始值Vcs_v[N]之間的差值ΔVcs。參照圖1、圖5及圖6，步驟S60在功率開關20的某個切換週期TswN期間，當前緣遮蔽信號LEB結束時，如波形72及時間t4所示，取樣感測信號Vcs以取得感測信號Vcs的初始值Vcs_v[N]，如波形78所示。接著，步驟S62在同一個切換週期TswN中，當控制信號Gate_BM轉為低準位關閉功率開關20時，如波形70及時間t5所示，取樣感測信號Vcs以取得感測信號Vcs的峰值Vcs_p[N]，其如波形76所示。然後步驟S64將峰值Vcs_p[N]減去初始值Vcs_v[N]得到差值ΔVcs，如波形80所示，其與非工作時間Toff期間的輸出電壓Vout之變化量ΔVout有關。跟著步驟S66將差值ΔVcs除以功率開關20的非工作時間Toff以得到虛線82的斜率值，其具有輸出電壓變化量ΔVout之資訊。虛線82表示感測信號Vcs在非工作時間Toff的虛擬波形。最後步驟S68比較該斜率值及預設的臨界值，當該斜率值小於該臨界值時，認定馳返式電源供應器10發生輸出短路。
圖7係本發明輸出短路偵測方法的第四實施例，前三個步驟S60、S62及S64與圖5的實施例相同，接著步驟S90將差值ΔVcs與預設的臨界值比較，當差值△Vcs小於該臨界值時，認定馳返式電源供應器10發生輸出短路。
圖8係本發明輸出短路偵測方法的第五實施例。圖9係信號波形圖，其中波形110為控制信號Gate_BM，波形112為前緣遮蔽信號LEB，波形114為感測信號Vcs，波形116為感測信號Vcs的初始值Vcs_v。如波形110和114所示，當控制信號Gate_BM為高準位時，功率開關20打開，電流感測電阻22上的感測信號Vcs上升；當控制信號Gate_BM為低準位時，功率開關20關閉，感測信號Vcs為零。參照圖1、圖8及圖9，步驟S100在前緣遮蔽信號LEB結束時，取樣感測信號Vcs以得到感測信號Vcs的初始值Vcs_v，如波形112及時間t6所示。從功率開關20打開至前緣遮蔽信號LEB結束的時間很短，因此在前緣遮蔽信號LEB結束時對感測信號Vcs取樣，可視為在功率開關20打開時對感測信號Vcs取樣。當馳返式電源供應器10發生輸出短路時，輸出電壓Vout的變化量ΔVout接近零。在經過幾個週期達到穩態後，感測信號Vcs的初始值Vcs_v因變化量ΔVout接近零而沒有被重置。換言之，當馳返式電源供應器10發生輸出短路時，感測信號Vcs的初始值Vcs_v將上升，故在完成步驟100後進行步驟102，比較初始值Vcs_v及預設的臨界值來判斷馳返式電源供應器10是否發生輸出短路。當初始值Vcs_v大於該臨界值時，認定馳返式電源供應器10發生輸出短路。
在馳返式電源供應器10發生輸出短路時，本發明的輸出短路偵測方法利用電流感測接腳CS的感測信號Vcs只需要數個週期便能做出判斷，約十幾至數十微秒(μs)，相較於習知技術利用回授接腳COMP或電源接腳VDD的方法，本發明的輸出短路偵測方法更迅速且即時。
以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。
10．．．馳返式電源供應器
12．．．整流電路
14．．．電容
16．．．電源管理IC
18．．．變壓器
20．．．功率開關
22．．．電流感測電阻
40．．．控制信號Gate_BM的波形
42．．．前緣遮蔽信號LEB的波形
44．．．感測信號Vcs的波形
46．．．感測信號Vcs的峰值Vcs_p[N]
48．．．感測信號Vcs的初始值Vcs_v[N+1]
49．．．感測信號Vcs在非工作時間Toff的虛擬波形
70．．．控制信號Gate_BM的波形
72．．．前緣遮蔽信號LEB的波形
74．．．感測信號Vcs的波形
76．．．感測信號Vcs的峰值Vcs_p[N]
78．．．感測信號Vcs的初始值Vcs_v[N]
80．．．峰值Vcs_p[N]及初始值Vcs_v[N]之間的差值ΔVcs
82．．．感測信號Vcs在非工作時間Toff的虛擬波形
110．．．控制信號Gate_BM的波形
112．．．前緣遮蔽信號LEB的波形
114．．．感測信號Vcs的波形
116．．．感測信號Vcs的初始值
圖1係典型的馳返式電源供應器；
圖2係本發明輸出短路偵測方法的第一實施例；
圖3係信號波形圖；
圖4係本發明輸出短路偵測方法的第二實施例；
圖5係本發明輸出短路偵測方法的第三實施例；
圖6係信號波形圖；
圖7係本發明輸出短路偵測方法的第四實施例；
圖8係本發明輸出短路偵測方法的第五實施例；以及
圖9係信號波形圖。

Claims (9)

  1. 一種馳返式電源供應器的輸出短路偵測方法，該馳返式電源供應器包含功率開關以及與該功率開關串聯的電流感測電阻提供感測信號，該輸出短路偵測方法包括下列步驟：(A)取得該感測信號在某個週期中的峰值；(B)取得該感測信號在下一個週期中的初始值；以及(C)將該峰值減去該初始值得到其差值，據以判斷該馳返式電源供應器是否發生輸出短路；其中，該步驟B包括在該功率開關打開時取樣該感測信號得到該初始值。
  2. 如請求項1之輸出短路偵測方法，其中該步驟A包括在該功率開關關閉時取樣該感測信號得到該峰值。
  3. 如請求項1之輸出短路偵測方法，其中該步驟C包括：將該差值除以該功率開關的非工作時間得到具有輸出資訊的斜率值；以及在該斜率值小於預設臨界值時，認定該馳返式電源供應器發生輸出短路。
  4. 如請求項1之輸出短路偵測方法，其中該步驟C包括在該差值小於預設臨界值時，認定該馳返式電源供應器發生輸出短路。
  5. 一種馳返式電源供應器的輸出短路偵測方法，該馳返式電源供應器包含功率開關以及與該功率開關串聯的電流感測電阻提供感測信號，該輸出短路偵測方法包括下列步驟：(A)取得該感測信號在某個週期中的初始值； (B)取得該感測信號在該週期中的峰值；以及(C)將該峰值減去該初始值得到其差值，據以判斷該馳返式電源供應器是否發生輸出短路；其中，該步驟A包括在該功率開關打開時取樣該感測信號得到該初始值。
  6. 如請求項5之輸出短路偵測方法，其中該步驟B包括在該功率開關關閉時取樣該感測信號得到該峰值。
  7. 如請求項5之輸出短路偵測方法，其中該步驟C包括：將該差值除以該功率開關的非工作時間得到具有輸出資訊的斜率值；以及在該斜率值小於預設臨界值時，認定該馳返式電源供應器發生輸出短路。
  8. 如請求項5之輸出短路偵測方法，其中該步驟C包括在該差值小於預設臨界值時，認定該馳返式電源供應器發生輸出短路。
  9. 一種馳返式電源供應器的輸出短路偵測方法，該馳返式電源供應器包含功率開關以及與該功率開關串聯的電流感測電阻提供感測信號，該輸出短路偵測方法包括下列步驟：(A)取得該感測信號在某個週期中的初始值；以及(B)在該初始值大於預設臨界值時，認定該馳返式電源供應器發生輸出短路；其中，該步驟A包括在該功率開關打開時取樣該感測信號得到該初始值。
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