TWI448699B - 短路偵測電路及短路偵測方法 - Google Patents

Description

短路偵測電路及短路偵測方法

本發明係有關一種短路偵測電路及短路偵測方法，特別是指一種用於電容負載電路之短路偵測電路及短路偵測方法。

典型的電源供應電路中，過溫保護(over temperature protection,OTP)機制與輸出電流限制(output current limit,OCL)機制，常用來作為輸出節點短路保護的機制。

以OTP機制而言，往往要花費數十微秒的時間，才能產生保護訊號，執行保護機制，這是因為當輸出節點發生短路時，透過矽基板的熱傳導速度緩慢所致。如此一來，電路可能在OTP保護機制發生作用以前受到損害。

就OCL機制來說，雖然此機制速度快，可用以作為輸出節點短路保護機制，但是，這種機制會立即限制電路的驅動能力。因此，當需要用於較高的驅動能力，且具有電容負載電路的電源供應電路時，以OCL機制作為輸出節點短路保護，有可能產生不良的副作用。

有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種短路偵測電路及短路偵測方法，可應用於需要較高的驅動能力，且具有電容負載電路的電源供應電路。

本發明目的之一在提供一種短路偵測電路。

本發明另一目的在提供一種短路偵測方法。

為達上述之目的，就其中一觀點言，本發明提供了一種短路偵測電路，用以偵測一輸出節點是否短路至第一預設電位，其中該輸出節點與一電容負載電路耦接，且該輸出節點透過一第一開關電路耦接於一第二預設電位，該第一開關電路受控於一控制訊號，該短路偵測電路包含：一判斷電路，耦接於該輸出節點與該第二預設電位之間，當該判斷電路導通時，根據該輸出節點是否短路至該第一預設電位，而產生一判斷訊號；以及一第二開關電路，根據該判斷訊號以產生一短路偵測訊號。

在其中一種實施型態中，該短路偵測電路更包含一致能開關電路，受控於該控制訊號而決定該判斷電路是否導通。

在另一種實施型態中，其中該第二開關電路宜包括一開關，其一端與該第二預設電位耦接，另一端產生該短路偵測訊號，且該開關受控於該判斷訊號。在該開關與該第二預設電位間宜設有一阻抗電路。

在另一種實施型態中，該判斷電路宜包括串聯的第一阻抗電路與第二阻抗電路，且該判斷訊號相關於該兩阻抗電路間一節點上之分壓。

在另一種較佳的實施型態中，所述之短路偵測電路宜更包含一異常處理電路，該異常處理電路包括相互耦接之一去突波電路及一比較電路，以對該短路偵測訊號施以去突波處理，並進行位準比較，而產生一短路控制訊號。該異常處理電路可更包含一電流電壓轉換電路，與該去突波電路耦接，以在該短路偵測訊號為電流形式時，根據該短路偵測訊號產生一電壓訊號。

上述短路偵測電路中，該異常處理電路宜更包含：一計時電路，與該比較電路耦接，以產生具有預設時間長度的短路控制訊號。

上述短路偵測電路中，該異常處理電路更包含一邏輯電路，對該短路控制訊號與一操作訊號進行邏輯運算，以產生該控制訊號控制該第一開關，當輸出節點未短路至第一預設電位時，該第一開關受控於該操作訊號，而當輸出節點短路至第一預設電位時，該第一開關受該短路控制訊號控制而關閉。

就另一觀點，本發明也提供了一種短路偵測方法，用以偵測一輸出節點是否短路至第一預設電位，其中該輸出節點與一電容負載電路耦接，且該輸出節點透過一第一開關電路耦接於一第二預設電位，該第一開關電路受控於一控制訊號，該短路偵測方法包含：接收該控制訊號，並根據該控制訊號，以決定是否耦接該輸出節點至該第二預設電位；根據該輸出節點與該第二預設電位間的電位差，以產生一判斷訊號；以及根據該判斷訊號以產生一短路偵測訊號。

上述短路偵測方法，宜更包含轉換該短路偵測訊號為一電壓訊號，其中該短路偵測訊號係一電流訊號。

上述短路偵測方法中，該產生判斷訊號步驟宜包括：提供一判斷電路，其包括串聯的第一阻抗電路與第二阻抗電路，且該判斷訊號相關於兩阻抗電路間一節點上之分壓；以及以該控制訊號決定該判斷電路是否導通。

上述短路偵測方法，宜更包含：接收該短路偵測訊號，並對其施以去突波處理，並與一參考訊號比較，以產生一短路控制訊號。在與該參考訊號比較後，可更包含：計算一段預設時間，以產生具有預設時間長度的短路控制訊號。該短路控制訊號可與一操作訊號進行邏輯運算，以產生前述控制訊號。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

請參閱第1圖，顯示本發明第一個實施例。如第1圖所示，短路偵測電路10，用以偵測輸出節點OUT是否短路至第一預設電位，第一預設電位例如但不限於如圖所示之接地電位GND或非常低的電位。第一電晶體P1串接於輸出節點OUT與第二預設電位之間(例如但不限於如圖所示之供應電位VDD)，第一電晶體P1由控制訊號操作，以將輸出節點OUT電連接至供應電位VDD，並進而驅動電容負載電路C1。短路偵測電路10包含致能開關電路11、判斷電路13、以及第二開關電路15。其中，致能開關電路11包括第二電晶體P2，其接收上述控制訊號，根據該控制訊號而決定判斷電路13是否導通。判斷電路13耦接於供應電位VDD和輸出節點OUT之間，其例如但不限於如圖所示，包括串聯的第一阻抗電路Ld1與第二阻抗電路Ld2；其中，第一阻抗電路Ld1與第二阻抗電路Ld2分別例如但不限於為：導線、電阻、電流源、二極體、MOS元件、BJT、或上述兩個或兩個以上元件的組合。於正常操作時，亦即輸出節點OUT未短路至接地電位GND或非常低的電位時，在第一電晶體導通期間，供應電位VDD對電容負載電路C1充電後，輸出節點OUT的電位接近供應電位VDD，判斷電路13的整體跨壓很低，因此節點VGP上的電壓很接近供應電位VDD。但當發生輸出節點短路異常時，輸出節點OUT短路至接地電位GND或非常低的電位，且控制訊號導通第二電晶體P2時，判斷電路13的整體跨壓遠較正常操作時為高，因此節點VGP上的電壓，相對於正常操作時為低。正常操作與異常狀況下，節點VGP上的電壓差別，可用以控制第二開關電路15中的第三電晶體P3的導通與否，以產生短路偵測訊號(視第三電晶體P3為P型或N型元件，可用短路偵測訊號的高或低位準、或有無電流來表示發生短路異常)。第三電晶體P3例如可串接第三阻抗電路Ld3至供應電位VDD，以在導通時產生電流，此第三阻抗電路Ld3例如但不限於為：導線、電阻、電流源、二極體、MOS元件、BJT、或上述兩個或兩個以上元件的組合。視後續對短路偵測訊號的處理而定，亦可省略第三阻抗電路Ld3而直接將第三電晶體P3串接至供應電位VDD。簡言之，正常操作與異常狀況下，節點VGP上的電壓差別，將造成短路偵測訊號的變化，即可用以分辨並進行後續的處理。又，短路偵測訊號的形式可為電流訊號或電壓訊號，在第1圖實施例中為電流訊號，但若將第三電晶體P3的下端(電流流出端)與一阻抗性元件連接再接到一已知電位，即可將短路偵測訊號轉換成電壓訊號。

上述實施例中，致能開關中的電晶體與第二開關中的電晶體例如但不限於為如圖所示之金屬氧化物半導體(metal oxide semiconductor,MOS)元件，亦可以為雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor,BJT)；又，圖中第一、第二與第三電晶體P1-P3均繪示為PMOS元件，此僅為舉例，第一、第二與第三開關電晶體亦可為N型元件。

請參閱第2圖，顯示本發明第二個實施例。與第一個實施例不同的是，在本實施例係用以偵測輸出節點OUT是否短路至供應電位VDD或非常高的電位。其中，第一電晶體N1、第二電晶體N2、與第三電晶體N3舉例繪示為NMOS元件， 但亦可改換為PMOS元件。本實施例的操作原則與第一個實施例相同，但第一預設電位與第二預設電位在本實施例中，分別改為供應電位VDD與接地電位GND；此外，因使用NMOS元件之故，控制訊號與短路偵測訊號的高低或控制方式則與第一個實施例的控制訊號與短路偵測訊號相反。如第2圖所示，短路偵測電路20中，第一電晶體N1串接於輸出節點OUT與接地電位GND之間，第一電晶體N1由控制訊號操作，以將輸出節點OUT電連接至接地電位GND，並進而驅動電容負載電路C1。短路偵測電路20包含致能開關電路21、判斷電路23、以及第二開關電路25。其中，致能開關電路21包括第二電晶體N2，其接收上述控制訊號，根據該控制訊號而決定判斷電路23是否導通。判斷電路23耦接於輸出節點OUT和接地電位GND之間，其例如但不限於如圖所示，包括串聯的第四阻抗電路Ld4與第五阻抗電路Ld5，並在節點VGN處產生分壓。第二開關電路25中則包含第三電晶體N3，其例如可串接第六阻抗電路Ld6至接地電位GND，且第三電晶體N3的閘極受控於節點VGN上的電壓。

第3圖舉例顯示第一個實施例中，各節點的訊號波形。如第3圖所示，控制訊號於低電位時，第一電晶體P1導通，輸出節點OUT電連接至供應電位VDD，且在第一電晶體P1導通初期，由於驅動的是電容負載電路C1，因此需要一段充電時間t，使輸出節點OUT達到接近供應電位VDD的高電位。因此，在正常操作狀況下，也就是輸出節點並未短路至接地電位GND或非常低的電位時，節點VGP產生的判斷訊號，只在充電時間t內可能造成第三電晶體P3導通狀態的變化，產生短路偵測訊號，其他時間並不會產生短路偵測訊號；因此， 只需要將初期的充電時間t內的突波去除，便可以根據修正後的訊號，確認輸出節點OUT並未短路至接地電位GND或非常低的電位。相對地，當輸出節點OUT短路至接地電位GND或非常低的電位時，只要控制訊號導通第二電晶體P2，節點VGP產生的判斷訊號，會持續導通第三電晶體P3，並持續產生短路偵測訊號；因此，即使將初期的充電時間t內的突波去除，即可以根據修正後的訊號，確認輸出節點OUT短路至接地電位GND或非常低的電位。

第3圖中最下方的波形顯示，利用本發明概念，於偵測到輸出節點OUT短路至接地電位GND或非常低的電位時，可採取異常處理，使控制訊號不導通第一電晶體P1一段預設時間T後恢復導通，若再發現異常則再不導通第一電晶體P1一段預設時間T。此作法的優點是不立即關閉電路，當異常狀況僅為瞬時而立即排除時，可迅速恢復正常操作，且在異常狀況期間因降低消耗功率，得以保護電路不致損壞。如上所述，利用本發明，輸出功率將可自(1/2)*VDD*IOUT，降低至[t/(T+t)]*VDD*IOUT(假設工作比為1/2，且短路輸出電流為IOUT)，因此控制t和T的比例(例如但不限於為1/1000)，即可達成保護電路的作用，又可在異常狀況排除時立即恢復正常操作。但當然，如在偵測到輸出節點OUT短路至接地電位GND或非常低的電位時，立即完全關閉電路，也屬一種可行的做法，也屬於本發明的範圍。

第4圖舉例顯示第二個實施例中，各節點的訊號波形。原理與第3圖相同，只是開關電晶體採用NMOS元件。且第一預設電位與第二預設電位，分別改為供應電位VDD與接地 電位GND。

第5圖顯示本發明第三個實施例，舉例說明異常處理的方式。如第5圖所示，短路偵測電路10或20，可更包含異常處理電路30，其包括去突波電路(De-glitch circuit)31，以接收短路偵測訊號，並對短路偵測訊號施以去突波處理；以及比較電路33，用以將去突波處理後的短路偵測電路與參考訊號Vth比較，並根據比較結果，產生短路控制訊號。此短路控制訊號可用以直接關閉電路，或如圖所示，可由邏輯電路35將其進一步處理而產生第1、2圖中的控制訊號。操作訊號表示原本電路在不考慮輸出節點OUT短路的狀況下，用以操作第一電晶體P1或N1的訊號，例如為脈寬調變訊號。邏輯電路35對短路控制訊號和操作訊號進行邏輯運算後，產生控制訊號，以操作或關閉第一電晶體P1或N1，亦即在正常操作下，第一電晶體P1或N1受控於操作訊號，而在異常狀況下，第一電晶體P1或N1受短路控制訊號控制而關閉。附帶說明，在本發明概念之下，去突波電路31亦可以與比較電路33交換位置，亦即先比較短路偵測訊號與參考訊號Vth，再對比較後的結果作去突波處理，以產生短路控制訊號，亦屬本發明的範圍。又，比較電路33亦可改以史密斯觸發器(Smith trigger)取代，在史密斯觸發器中所設定的轉態位準，即可視為一種比較功能，故史密斯觸發器也可視為比較電路的一種實施型態。

第6圖顯示本發明第四個實施例。如第6圖所示，異常處理電路40可更包含電流電壓轉換電路42，與去突波電路41耦接，電流電壓轉換電路42將短路偵測訊號轉換為電壓訊號，與參考訊號Vth輸入比較電路43，進而產生控制訊號。本實施例中也舉例說明，異常處理電路中可以不包含邏輯電路，而僅是單純輸出短路控制訊號，例如用以直接關閉整體電路，而非僅是關閉第一電晶體P1或N1。

第7圖顯示本發明第五個實施例。如第7圖所示，異常處理電路50除了去突波電路51、電流電壓轉換電路52、與比較電路53之外，異常處理電路50還可以包含計時電路54，與比較電路53耦接，根據短路偵測訊號，計時一段預設時間T，在該段時間T之後，使短路控制訊號轉變狀態。

第8圖顯示本發明第六個實施例。如第8圖所示，異常處理電路60除了去突波電路61、電流電壓轉換電路62、比較電路63、與計時電路64外，可更包含邏輯電路65(視訊號形式而定，圖中舉例顯示為或閘)，與計時電路64耦接，以將短路控制訊號與操作訊號進行邏輯運算，產生該控制訊號。其中，如前所述，操作訊號可視為原本電路在不考慮輸出節點OUT短路的狀況下，用以操作第一電晶體P1或N1的訊號。短路控制訊號與操作訊號進行邏輯運算，代表第一電晶體P1或N1的操作，考慮到輸出節點OUT短路的狀況，亦即可達成第3、4圖中最下方的波形。

第9圖顯示本發明第七個實施例。如第9圖所示，致能開關電路11可以省略，此情況下判斷電路13在節點VGP處將常態產生判斷訊號。當第一電晶體P1導通時，判斷訊號可顯示輸出節點OUT是否短路至接地電位GND或非常低的電位，因此所產生的短路偵測訊號為有意義的訊號；而當第一電晶體P1不導通時，判斷訊號不能顯示輸出節點OUT是否處於異常狀況，此時所產生的短路偵測訊號則不具有意義，但可經過適當處理而使其不影響電路操作。亦即，接收短路偵測訊號的後續電路(例如異常處理電路)可以設計成僅在第一電晶體P1導通時才受致能，或是以邏輯電路來對短路偵測訊號(可先轉換成數位電壓訊號)與操作訊號進行邏輯運算，再將運算結果輸入後續電路(例如異常處理電路)等等。從另一角度言，第9圖實施例中，當輸出節點OUT處於異常狀況時，短路偵測訊號將維持在同一位準，而當輸出節點OUT處於正常狀況時，短路偵測訊號將在不同位準間變換，也可藉此區分輸出節點OUT是否短路或達成其他功能。

第10圖顯示本發明第八個實施例，與第9圖相似，本實施例中省略了致能開關電路21，其細節不再贅述。

以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，在所示各實施例電路中，可插入不影響訊號主要意義的元件，如其他開關等；又例如比較器的輸入端正負可以互換，僅需對應修正電路的訊號處理方式即可；再例如去突波電路、電流電壓轉換電路、比較電路、與計時電路串接順序可以互換，並非限於如各圖所示之串接順序；又例如第1、2圖中第二電晶體P2或N2亦可受控於操作訊號而非控制訊號；又例如，第二阻抗電路Ld2和第三阻抗電路Ld3並非絕對必要而可省略其一或兩者。凡此種種，皆可根據本發明的教示類推而得，因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。

10,20．．．短路偵測電路

11,21．．．致能開關電路

13,23．．．判斷電路

15,25．．．第二開關電路

30,40,50,60．．．異常處理電路

31,41,51,61．．．去突波電路

33,43,53,63．．．比較電路

35,65．．．邏輯電路

42,52,62．．．電流電壓轉換電路

54,64．．．計時電路

C1．．．電容負載電路

GND．．．接地電位

Ld1．．．第一阻抗電路

Ld2．．．第二阻抗電路

Ld3．．．第三阻抗電路

OUT．．．輸出節點

N1,P1．．．第一電晶體

N2,P2．．．第二電晶體

N3,P3．．．第三電晶體

VDD．．．供應電位

VGP,VGN．．．節點

Vth．．．參考訊號

第1圖顯示本發明第一個實施例。

第2圖顯示本發明第二個實施例。

第3圖舉例顯示第一個實施例中，各節點的訊號波形。

第4圖舉例顯示第二個實施例中，各節點的訊號波形。

第5圖顯示本發明第三個實施例。

第6圖顯示本發明第四個實施例。

第7圖顯示本發明第五個實施例。

第8圖顯示本發明第六個實施例。

第9圖顯示本發明第七個實施例。

第10圖顯示本發明第八個實施例。

10．．．短路偵測電路

11．．．致能開關電路

13．．．判斷電路

15．．．第二開關電路

C1．．．電容負載電路

GND．．．接地電位

Ld1．．．第一阻抗電路

Ld2．．．第二阻抗電路

Ld3．．．第三阻抗電路

OUT．．．輸出節點

P1．．．第一電晶體

P2．．．第二電晶體

P3．．．第三電晶體

VDD．．．供應電位

VGP．．．節點

Claims (15)

1. 一種短路偵測電路，用以偵測一輸出節點是否短路至第一預設電位，其中該輸出節點與一電容負載電路耦接，且該輸出節點透過一第一開關電路耦接於一第二預設電位，該第一開關電路受控於一控制訊號，該短路偵測電路包含：一判斷電路，耦接於該輸出節點與該第二預設電位之間，當該判斷電路導通時，根據該輸出節點是否短路至該第一預設電位，而產生一判斷訊號；以及一第二開關電路，根據該判斷訊號以產生一短路偵測訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之短路偵測電路，更包含一致能開關電路，受控於該控制訊號而決定該判斷電路是否導通。
3. 如申請專利範圍第1項所述之短路偵測電路，其中該第二開關電路包括一開關，其一端與該第二預設電位耦接，另一端產生該短路偵測訊號，且該開關受控於該判斷訊號。
4. 如申請專利範圍第3項所述之短路偵測電路，其中在該開關與該第二預設電位間設有一阻抗電路。
5. 如申請專利範圍第1項所述之短路偵測電路，其中該判斷電路包括串聯的第一阻抗電路與第二阻抗電路，且該判斷訊號相關於該兩阻抗電路間一節點上之分壓。
6. 如申請專利範圍第1項所述之短路偵測電路，更包含一異常處理電路，該異常處理電路包括相互耦接之一去突波電路及一比較電路，以對該短路偵測訊號施以去突波處理，並進行位準比較，而產生一短路控制訊號。
7. 如申請專利範圍第6項所述之短路偵測電路，其中該異常處理電路更包含一電流電壓轉換電路，與該去突波電路耦接，以在該短路偵測訊號為電流形式時，根據該短路偵測訊號產生一電壓訊號。
8. 如申請專利範圍第6項所述之短路偵測電路，其中該異常處理電路更包含：一計時電路，與該比較電路耦接，以產生具有預設時間長度的短路控制訊號。
9. 如申請專利範圍第6,7或8項所述之短路偵測電路，其中該異常處理電路更包含一邏輯電路，對該短路控制訊號與一操作訊號進行邏輯運算，以產生該控制訊號控制該第一開關，當輸出節點未短路至第一預設電位時，該第一開關受控於該操作訊號，而當輸出節點短路至第一預設電位時，該第一開關受該短路控制訊號控制而關閉。
10. 一種短路偵測方法，用以偵測一輸出節點是否短路至第一預設電位，其中該輸出節點與一電容負載電路耦接，且該輸出節點透過一第一開關電路耦接於一第二預設電位，該第一開關電路受控於一控制訊號，該短路偵測方法包含：接收該控制訊號，並根據該控制訊號，以決定是否耦接該輸出節點至該第二預設電位；根據該輸出節點與該第二預設電位間的電位差，以產生一判斷訊號；以及根據該判斷訊號以產生一短路偵測訊號。
11. 如申請專利範圍第10項所述之短路偵測方法，更包含轉換該短路偵測訊號為一電壓訊號，其中該短路偵測訊號係一電流訊號。
12. 如申請專利範圍第10項所述之短路偵測方法，其中該產生判斷訊號步驟包括：提供一判斷電路，其包括串聯的第一阻抗電路與第二阻抗電路，耦接於該輸出節點與該第二預設電位間，且該判斷訊號相關於兩阻抗電路間一節點上之分壓；以及以該控制訊號決定該判斷電路是否導通。
13. 如申請專利範圍第10項所述之短路偵測方法，更包含接收該短路偵測訊號，對其施以去突波處理，並與一參考訊號比較，以產生一短路控制訊號。
14. 如申請專利範圍第13項所述之短路偵測方法，更包含：在與該參考訊號比較後，計算一段預設時間，以產生具有預設時間長度的短路控制訊號。
15. 如申請專利範圍第13或14項所述之短路偵測方法，更包含：將該短路控制訊號與一操作訊號進行邏輯運算，以產生該控制訊號。