TWI434048B - 電壓偵測電路 - Google Patents

Description

電壓偵測電路

本揭示內容是有關於一種電路，且特別是有關於一種偵測電路。

隨著電子技術的發展以及消費性電子產品的普及，桌上型電腦、筆記型電腦、手機、個人數位助理(Personal Digital Assistant，PDA)與隨身聽等已成為現代人經常使用的電子裝置。這些電子產品除了達成移動通訊與數據儲存的目的之外，更進一步地滿足消費者對娛樂、工作、社交、資訊閱讀上的需求。在電子產品的運作時，穩定的電力供應是絕對必要的條件，一般來說桌上型電腦可能設置有固定式的電源供應模組，而可攜式電子產品(如手機)多內建有可重複充電的電池供電模組，用來提供電力來源。

以常見的電子計算機系統(如個人電腦系統、手機內的單晶片系統)為例，系統主機板的電源電壓供應是否穩定關係到整個系統能否正常穩定運行。尤其是，隨著中央處理單元(Central Processing Unit,CPU)頻率逐漸提高，系統對主機板電源供應之要求亦愈來愈高。尤其當中央處理單元進行大量資料運算時，若缺乏穩定之工作電壓及工作電流易導致系統故障。

例如，當手機中的電池供電模組中的電力存量下降時，供電電壓便可能逐步衰減，可能導致手機的部份元件無法得到足夠的電力供給而失靈。

為了確保電子系統能夠正常穩定運行，在系統主機板設計過程中，需要對電源電壓進行穩定性驗證測試。當工作過程中出現電源電壓過低時，該電源電壓即被視為不穩定，此狀況需能準確偵測，用以方便執行相對應的保護措施。

為了解決上述電壓偵測電路內部可能存在偵測偏差的問題，本發明實施例提出一種電壓偵測電路，其具有自動校正模式可透過原有的比較電路進行誤差的校正，並將計算出的校正參數儲存起來。當電壓偵測電路進入偵測模式時便可依據校正參數提供更精確的偵測效果。

因此，本發明內容之一態樣是在提供一種電壓偵測電路，其包含比較電路、可變增益電路以及切換電路。比較電路具有第一輸入端以及第二輸入端。可變增益電路耦接於比較電路之第一輸入端與基準信號之間，可變增益電路具有複數種增益設定，可變增益電路將一增益設定後的基準信號導通至該第一輸入端。切換電路耦接至第二輸入端，切換電路係用以選擇性地將待測信號或基準信號導通至第二輸入端。

其中，當該電壓偵測電路為自動校正模式時，該切換電路將該基準信號導通至該第二輸入端，用以和該增益設定後的基準信號進行比較，可變增益電路依序套用該等增益設定，直到該比較電路判斷該第一輸入端與該第二輸入端之電壓準位相等。

請參閱第1圖，其繪示一種電壓偵測電路100的功能方塊圖。如第1圖所示，電壓偵測電路100主要包含比較電路102，其兩個輸入端(輸入端in+與輸入端in-)分別耦接到需要測量的待測信號Vin以及作為比較基準的基準信號Vref，用以比較輸入端in+與輸入端in-的電壓準位，進而產生比較後的判斷結果(即輸出信號Vout)。

於實際應用中，比較電路102的輸入端in-未必與待測信號Vin直接連接，於第1圖的例子中，電壓偵測電路100中具有等增益的運算放大器(unity-gain operational amplifier)104以及分壓電路106，係耦接於待測信號Vin與比較電路102之間，其中，等增益的運算放大器104可用作信號隔離，而分壓電路106可用來調整待測信號Vin的取樣比例。

舉例來說，假設基準信號Vref=1.25 V，以及分壓電路106的取樣比例為1時，若待測信號Vin低於1.25V(Vref)時，表示待測信號Vin電壓過低發生異常，電壓偵測電路100的比較電路便可設定為具有輸出邏輯高準位(logic-H)的輸出信號Vout；反之，若待測信號Vin大於1.25V(Vref)時，即正常情況下，電壓偵測電路100的比較電路便可設定為具有輸出邏輯低準位(logic-L)的輸出信號Vout。

舉例來說，假設基準信號Vref=1.25 V且分壓電路106的取樣比例為1/3時，若待測信號Vin低於3.75V時(此時輸入端in-的電壓準位低於1.25V)，表示待測信號Vin電壓過低發生異常，電壓偵測電路100的比較電路便可設定為輸出具有邏輯高準位(logic-H)的輸出信號Vout；反之，若待測信號Vin大於3.75V(Vref)時，即為正常情況。

然而，上述電壓偵測電路在實際的偵測應用中可能存在一定程度的誤差，例如傳輸線路上的線阻、分壓電路的阻抗或分壓損失、運算放大器的信號損耗等等各種可能的原因，都可能使得待測信號與基準信號之間的比對發生誤差。現今的電子元件對電力信號的要求十分精細，若電力信號的電壓準位已偏低，但電壓偵測電路未能準確偵測，可能造成電子裝置不穩定或損壞。

為了對前述誤差進行校正，本發明另一實施例的電壓偵測電路更設置一可變增益電路於基準信號與比較電路之間，在自動校正模式下，利用可變增益電路作校正補償，藉此可計算出校正參數並儲存。當電壓偵測電路進入偵測模式時，便可依據校正參數提供更精確的偵測效果。

請參照第2圖，其繪示根據本發明一實施例之一種用於電壓偵測電路300之功能方塊圖。如第2圖所示，電壓偵測電路300包含比較電路302、可變增益電路304、切換電路306以及控制電路308。

電壓偵測電路300主要可用來偵測待測信號Vin是否低於特定的電壓準位，亦即例如確保中央處理單元可正常運作的安全電壓準位，其係以基準信號Vref作為判斷標準藉以判斷待測信號Vin是否正常。當待測信號Vin低於基準信號Vref時，電壓偵測電路便送出代表異常情況之偵測結果的輸出訊號Vout，例如輸出具有邏輯高準位(logic-H)的輸出信號Vout。其中，本實施例中主要將待測信號Vin與基準信號Vref直接以一比一的比例尺(scale)比較，但本發明並不以此為限，亦可先對待測信號Vin部份取樣或放大後再與基準信號Vref比較，可擴大電壓偵測電路300可對應的待測範圍。

如第2圖所示，比較電路302具有兩輸入端，亦即輸入端in+與輸入端in-，實際應用中，比較電路302可包含差動放大器(differential amplifier)302a，用以取出輸入端in+與輸入端in-之間的電壓差加以放大。

切換電路306耦接至比較電路302之輸入端in-，可選擇性地將待測信號Vin或基準信號Vref導通至輸入端in-，其中，電壓偵測電路300可包含自動校正模式與偵測模式。

請參閱第3A圖、第3B圖以及第5圖，第3A圖繪示當電壓偵測電路300處於自動校正模式的示意圖，第3B圖繪示當電壓偵測電路300處於偵測模式的示意圖。如第3B圖所示，其中，當電壓偵測電路300處於偵測模式時，切換電路306將待測信號Vin導通至比較電路302的輸入端in-，而基準信號Vref則耦接至輸入端in+；當電壓偵測電路300處於自動校正模式時，切換電路306將基準信號Vref導通至比較電路302的輸入端in-，以及基準信號Vref亦被耦接至輸入端in+。

於自動校正模式中，基準信號Vref同時被送往輸入端in+與輸入端in-，於理想的情況下比較電路302兩輸入端應當接收到的一樣的信號，故電壓準位應完全一致，不存在任何電壓差，然而因傳輸線路上的線阻、分壓電路的阻抗或分壓損失、運算放大器的信號損耗等等各種可能的原因，兩輸入端仍可能存在一定的偏差，於是本發明實施例利用可變增益電路304進行偏差校正。

本實施例中，可變增益電路304耦接於比較電路之輸入端in+與基準信號Vref之間，可變增益電路304具有複數種增益設定，實際應用中，可變增益電路304可採用分壓電路、可變電阻器、可變增益的運算放大器電路、或其他具相等性的可變增益元件。

於此實施例中，可變增益電路304中可包含計數器304a，用以暫存有變數x，計數器304a可為各種計數元件(counter)，可暫存一特定變數並根據控制而變動。可變增益電路304可根據變數x套用相對應的增益設定。可變增益電路304將經上述增益設定處理後的經增益的基準信號Vref-a導通至輸入端in+(如第3A圖所示)。

此處請一併參閱第5圖，其繪示根據本發明之一實施例中電壓偵測電路300的信號時序圖。如第5圖所示，首先電壓偵測電路300於時間點T0啟動。

接著於時間點T1，在控制電路308可將重置控制信號RST設定為高準位(H)。當重置控制信號RST變為高準位(H)時，觸發校正控制信號Trim_finish設定為高準位(H)，並且控制電路308可將計數器304a暫存之變數x設定為0。藉此，使電壓偵測電路300於時間點T1進入自動校正模式。

於自動校正模式中，比較電路302可判斷輸入端in+之經增益的基準信號(Vref-a)與輸入端in-之電壓準位(Vref)是否相等。若不相等時，比較電路302中的差動放大器302a針對兩端電壓差進行放大，進而觸發控制電路308。此時，控制電路308可使計數器304a暫存之變數x遞增，例如將變數加1，藉此將可變增益電路304套用另一增益設定。

可變增益電路304可依序套用不同的增益設定，(如0.1倍，0.2倍，0.3倍，0.4倍，....)，直到比較電路302判斷輸入端in+與輸入端in-之電壓準位相等時，如第5圖中時間點T2所示，比較電路302可產生高準位(H)的Vout，表示此時自動校正已完成。接著，在下一個CLK的正緣(positive edge)時，控制電路308可將校正控制信號Trim_finish設定為低準位(L)，且使計數器304a中變數x停止累加並儲存為校正參數，更具體來說，計數器304a只有在CLK訊號產生時才會進行累加的動作，因此，在T2到下一個CLK出現的期間，變數x係維持在同一個數值。

藉此，控制電路308便可將可變增益電路304目前使用的增益設 定保存下來。於此實施例中，增益設定的保存可透過將暫存器中的變數x儲存為校正參數而加以完成，此處校正參數可被儲存在一儲存媒體(未繪示)中，如記憶體、硬碟或其他可儲存參數的媒介。

接著，電壓偵測電路300便進入偵測模式，請一併參閱第3B圖以及第5圖，當電壓偵測電路300處於偵測模式時，控制電路308將上述說明得到的校正參數讀入可變增益電路304之計數器304a中，切換電路306將待測信號Vin導通至輸入端in-，比較電路302比較輸入端in+與輸入端in-之電壓準位並產生代表偵測結果的輸出信號Vout。於此實施例中，比較電路302可進一步包含信號處理單元302b，可與差動放大器302a電性連接，信號處理單元302b可根據差動放大器302a的電壓差，進而產生輸出訊號Vout。

於此實施例中，當輸入端in-的電壓準位小於輸入端in+的電壓準位時，差動放大器302a可將其間的電壓差放大之後，比較電路302中的信號處理單元302b可據以輸出邏輯高準位(logic-H)的輸出信號Vout；反之，則信號處理單元302b輸出邏輯低準位(logic-L)的輸出信號Vout。

如第5圖所示，在電子裝置使用過程中，可能因為各種因素(如電力供應不足、系統異常、操作錯誤)使得待測信號Vin的電壓準位發生變化，當待測信號Vin等於或小於偵測電壓Vdet時，將使得輸入端in-的電壓準位便小於輸入端in+的電壓準位，進而使輸出信號Vout變為高準位，藉此達到電壓偵測的效果。

上述實施例中(第2圖至第3B圖)的電壓偵測電路300主要將待測信號Vin與基準信號Vref直接以一比一的比例尺(scale)比較，但本發明並不以此為限。請參閱第4A圖，其繪示根據本發明之另一實施例中 一種電壓偵測電路300'的電路示意圖。

如第4A圖所示，相較於第3A或3B圖，電壓偵測電路300'更包含等增益(uni-gain)的運算放大器(operational amplifier,OP-AMP)310以及分壓電路312。等增益的運算放大器310與分壓電路312可依序耦接於待測信號Vin之輸入端與切換電路306之間，分別用以對待測信號Vin進行處理。其中，等增益的運算放大器310可用以隔離信號，避免電壓偵測電路300'對待測信號Vin造成干擾。其中，於此實施例中，等增益的運算放大器310本身不對訊號進行放大處理，僅將輸入端訊號複製到輸出端，但元件本身可在輸入端與輸出端之間形成隔離的效果。當電壓偵測電路300'處於偵測模式時，分壓電路312可用以對待測信號Vin進行分壓取樣，例如取出1/3 Vin，取樣後的待測信號Vin再與經可變增益電路304校正後的基準信號進行比對。藉此，可電壓偵測電路300對應較大的待測範圍，並有較高的精確性。等增益的運算放大器310以及分壓電路312的本身的詳細原理為習知技藝之人所熟知，在此不另贅述。

前述等增益的運算放大器310與分壓電路312本身亦可能對通過的各種信號造成一定的誤差(bias)。因此於另一實施例中，亦可將本發明的校正機制的適用範圍一併涵蓋等增益的運算放大器310與分壓電路312，請參閱第4B圖，其繪示根據本發明之另一實施例中一種電壓偵測電路300"的電路示意圖。如第4B圖所示，電壓偵測電路300"與先前實施例主要不同之處在於，其中等增益的運算放大器310與分壓電路312依序耦接於切換電路306與比較電路302之間。

於第4B圖的實施例中，當電壓偵測電路300"為自動校正模式時，透過可變增益電路304依序套用各種增益設定的自動校正流程，此時 計算出的校正參數可一併涵蓋到等增益的運算放大器310與分壓電路312所造成的誤差。

舉例來說，根據第4B圖的實施例，於自動校正模式中電壓偵測電路300"的基準信號Vref被送往輸入端in+，並可同時產生電壓準位為基準信號Vref兩倍的信號(如第4B圖中的兩倍基準信號2*Vref)。自動校正模式中，切換電路306切換至兩倍基準信號2*Vref之輸入端，此時分壓電路312可相對應地設定為1/2分壓比例。兩倍基準信號2*Vref經分壓電路312處理後產生一倍的基準信號並送往輸入端in-以進行後續的校正。其中，分壓電路312的分壓比例與自動校正模式中基準信號採用的倍數並不以此實施例中的1/2與兩倍為限，實際應用中可採用任意具相等性的組合。

如此一來，可變增益電路304進行偏差校正可根據傳輸線路上的線阻、等增益的運算放大器310與分壓電路312的阻抗等等各種原因的加總，進而計算出校正參數。實際的計算細部過程與先前實施例大致雷同，在此不另贅述。

綜上所述，本發明的電壓偵測電路在基準信號與比較電路之間設置有可變增益電路，在自動校正模式下可計算出校正參數，並利用可變增益電路作校正補償，藉此提供更精確的偵測效果。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．電壓偵測電路

102．．．比較電路

104．．．運算放大器

106．．．分壓電路

in+．．．輸入端

in-．．．輸入端

Vin．．．待測信號

Vref．．．基準信號

300．．．電壓偵測電路

302．．．比較電路

304．．．可變增益電路

306．．．切換電路

308．．．控制電路

302a．．．差動放大器

302b．．．信號處理單元

304a．．．計數器

Vref-a．．．經增益的基準信號

300'．．．電壓偵測電路

310．．．運算放大器

312．．．分壓電路

RST．．．重置控制信號

Trim_finish．．．校正控制信號

Vdet．．．偵測電壓

T0、T1、T2、T3．．．時間點

300"．．．電壓偵測電路

2*Vref．．．兩倍基準信號

為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖繪示習知技術中一種電壓偵測電路的功能方塊圖；

第2圖，其繪示根據本發明之一實施例中一種用於電壓偵測電路之功能方塊圖；

第3A圖繪示當電壓偵測電路處於自動校正模式的示意圖；

第3B圖繪示當電壓偵測電路處於偵測模式的示意圖；

第4A圖繪示根據本發明之另一實施例中一種電壓偵測電路的電路示意圖；

第4B圖繪示根據本發明之另一實施例中一種電壓偵測電路的電路示意圖；以及

第5圖繪示根據本發明之一實施例中電壓偵測電路的信號時序圖。

300．．．電壓偵測電路

302．．．比較電路

304．．．可變增益電路

306．．．切換電路

308．．．控制電路

302a．．．差動放大器

302b．．．信號處理單元

304a．．．計數器

in+．．．輸入端

in-．．．輸入端

Vin．．．待測信號

Vref．．．基準信號

Claims (14)

1. 一種電壓偵測電路，包含：一比較電路，該比較電路具有一第一輸入端以及一第二輸入端；一可變增益電路，耦接於該第一輸入端與一基準信號之間，該可變增益電路具有複數種增益設定，該可變增益電路將一增益設定後的基準信號導通至該第一輸入端；以及一切換電路，耦接至該第二輸入端，係用以選擇性地將一待測信號或該基準信號導通至該第二輸入端；其中，當該電壓偵測電路為一自動校正模式時，該切換電路將該基準信號導通至該第二輸入端，用以和該增益設定後的基準信號進行比較，該可變增益電路依序套用該等增益設定，直到該比較電路判斷該第一輸入端與該第二輸入端之電壓準位相等。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓偵測電路，更包含一控制電路，該控制電路耦接至該比較電路，於該自動校正模式時，當該比較電路判斷該第一輸入端與該第二輸入端之電壓準位不相等，該控制電路調整該可變增益電路的該等增益設定。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電壓偵測電路，其中該可變增益電路包含一計數器，該計數器暫存有一變數，該可變增益電路根據該變數套用該等增益設定之其中之一，其中，該變數正比於該等增益設定。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電壓偵測電路，更包含一控制電路，係耦接至該比較電路與該計數器，用以於該自動校正模式中時，當該比較電路判斷該第一輸入端與該第二輸入端之電壓準位不相等，該控制電路調整該變數。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電壓偵測電路，其中當該比較電路判斷該第一輸入端與該第二輸入端之電壓準位相等時，該控制電路將該變數儲存設定為一校正參數。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電壓偵測電路，其中當該電壓偵測電路為一偵測模式時，該控制電路將該校正參數寫入該可變增益電路之該計數器中，該切換電路將該待測信號導通至該第二輸入端，該比較電路用以比較該第一輸入端與該第二輸入端之電壓準位，進而產生一偵測結果。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電壓偵測電路，其中當該電壓偵測電路處於一偵測模式時，該切換電路將該待測信號導通至該第二輸入端，該比較電路比較該第一輸入端與該第二輸入端之電壓準位並產生一偵測結果。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電壓偵測電路，其中該可變增益電路包含一分壓電路。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電壓偵測電路，其中該可變增益電路包含一可變電阻器。
10. 如申請專利範圍第1項所述之電壓偵測電路，其中該比較電路包含一差動放大器。
11. 如申請專利範圍第1項所述之電壓偵測電路，更包含一運算放大器，其耦接於該切換電路與該比較電路之間，該運算放大器用以隔離該待測信號。
12. 如申請專利範圍第1項所述之電壓偵測電路，更包含一分壓電路，其耦接於該切換電路與該比較電路之間，該分壓電路用以對該待測信號進行分壓取樣。
13. 如申請專利範圍第1項所述之電壓偵測電路，更包含一運算放大器，其耦接於該待測信號與該切換電路之間，該運算放大器用以隔離該待測信號。
14. 如申請專利範圍第1項所述之電壓偵測電路，更包含一分壓電路，其耦接於該待測信號與該切換電路之間，該分壓電路用以對該待測信號進行分壓取樣。