TWI514731B - 過壓保護電路以及過壓保護的方法 - Google Patents

Description

過壓保護電路以及過壓保護的方法

本發明係關於一種過壓保護電路以及過壓保護的方法，特別是一種能有效防止上橋功率開關的誤動作的過壓保護電路以及過壓保護的方法。

開關電壓轉換電路(switching voltage converting circuit)係為電壓轉換電路之一種，利用切換功率開關的方式，調節儲存在一電感性的元件上的能量以供給至輸出負載，並將一輸入電壓轉換為一輸出電壓於一輸出端，以維持固定之輸出電壓值，並提供輸出負載所需的負載電流。其優點為轉換效率高，因此能減少不必要的發熱，進而降低散熱設計上的複雜度。

然而，開關電壓轉換電路中的功率元件，往往必須直接承受較高的電壓，因此造成了可能損壞的風險。在高壓輸入轉為低壓輸出的開關電壓轉換電路的應用當中，往往又因為直接承受高壓輸入的上橋功率元件的損壞，使其通道形成短路，而使得輸出端直接承受輸入端的高電壓。在一些供電應用當中，輸出端所連接的負載是為相當昂貴的部件，例如中央處理器、或是應用處理器等等。因此，如果這些部件的供電單元沒有過壓保護的機制，將容易直接導致損壞，而形成維護成本的增加。

承前所述，由於上橋功率開關直接承受輸入的高電壓，因此容易因為不適當的輸入電壓而造成損壞。此外，對上橋功率開關的錯誤控制也容易直接對於其他電路部分形成過壓上的威脅。因此，如何針對上橋功率開關，提供一個有效的過壓保護機制，成為開關電壓轉換電路的過壓保護設計上，一個很重要的問題。

鑒於以上的問題，本發明主要係提供一種在能有效防止上橋功率開關的誤動作的過壓保護電路以及過壓保護的方法。

為了達到以上目的，本發明提供一種過壓保護電路，係應用於一開關電壓轉換電路。開關電壓轉換電路操作其電路中之一上橋功率開關，以將一輸入電壓經由一電感轉換為一輸出電壓。上橋功率開關之通道以及電感耦接於一相端。過壓保護電路包含：一比較器，耦接於開關電壓轉換電路，且當相端的電壓大於一限壓閥值時，比較器的輸出端輸出一第一準位；以及，一脈衝寬度偵測單元，耦接於比較器的輸出端，且當比較器的輸出端維持於第一準位超過一保護期間的時間，脈衝寬度偵測單元輸出一過壓保護啟動訊號。

本發明一實施例中，其中比較器包括一正輸入端以及一負輸入端，正輸入端耦接於相端，負輸入端耦接於一參考電壓。且當正輸入端的電壓大於負輸入端的電壓，比較輸出端輸出一第一準位。

又，為了達到以上目的，本發明又提供一種過壓保護的方法，係應用於一開關電壓轉換電路。開關電壓轉換電路操作其電路中之一上橋功率開關，以將一輸入電壓經由一電感轉換為一輸出電壓。上橋功率 開關之通道以及電感耦接於一相端。過壓保護的方法包含下列步驟：首先，偵測相端的電壓是否大於一限壓閥值，並且已維持一保護期間的時間；若是，則進行下一步驟；然後，啟動一過壓保護機制。

本發明一實施例中，其中偵測相端的電壓是否大於一限壓閥值的步驟，係利用一比較器比較相端的電壓是否超過限壓閥值。

本發明一實施例中，其中開關電壓轉換電路更包括一下橋功率開關，且過壓保護機制是指控制下橋功率開關的通道導通，並與上橋功率開關之通道形成一電流迴路。

本發明一實施例中，其中電流迴路不包括電感。

本發明一實施例中，其中電流迴路包括電感。

本發明一實施例中，其中開關電壓轉換電路係為一降壓開關電壓轉換電路或為一降壓-升壓開關電壓轉換電路之態樣。

本發明一實施例中，其中過壓保護機制是指輸入電壓關閉。

本發明的功效在於，本發明所揭露的過壓保護電路以及過壓保護的方法，能夠直接偵測所應用的開關電壓轉換電路中，上橋功率開關可能損壞的情形，並進一步啟動有效的過壓保護機制，以避免開關電壓轉換電路所驅動的負載電路的損壞。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作最佳實施例詳細說明如下。

10、40‧‧‧開關電壓轉換電路

11、41‧‧‧上橋功率開關

12、42‧‧‧輸入電壓

13、43‧‧‧電感

14、44‧‧‧輸出電壓

15、45‧‧‧相端

16、46‧‧‧下橋功率開關

17、47‧‧‧接地端

18、48‧‧‧電壓轉換控制器

100‧‧‧過壓保護電路

110‧‧‧比較器

111‧‧‧正輸入端

112‧‧‧負輸入端

113‧‧‧輸出端

120‧‧‧脈衝寬度偵測單元

210、220、230、240、250、260、270‧‧‧波形

310、320、330、340、350、360‧‧‧波形

S510、S530‧‧‧步驟

第1圖：本發明所揭露一實施例之過壓保護電路及其應用 之降壓開關電壓轉換電路之電路圖。

第2圖：以本發明所揭露之過壓保護電路及其應用之降壓開關電壓轉換電路之一相關波形圖。

第3圖：以本發明所揭露之過壓保護電路及其應用之降壓開關電壓轉換電路之另一相關波形圖。

第4圖：本發明所揭露另一實施例之過壓保護電路及其應用之升壓-降壓開關電壓轉換電路之電路圖。

第5圖：本發明所揭露之過壓保護的方法的步驟流程圖。

在說明書及後續的申請專利範圍當中，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表第一裝置可直接電氣連接於第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至第二裝置。

第1圖為本發明所揭露一實施例之過壓保護電路100及其應用之開關電壓轉換電路10之電路圖。開關電壓轉換電路10操作其電路中之一上橋功率開關11，以將一輸入電壓12經由一電感13轉換為一輸出電壓14。上橋功率開關11之通道以及電感13耦接於一相端15。過壓保護電路100包括一比較器110以及一脈衝寬度偵測單元120。

比較器110耦接於開關電壓轉換電路10。且當相端15的電壓大於一限壓閥值時，比較器110的輸出端113輸出一第一準位。脈衝寬度偵測單元120耦接於輸出端113，其中當輸出端113維持於第一準位超過一保護期間的時間，脈衝寬度偵測單元120輸出一過壓保護啟動訊號。

進一步說明，過壓保護電路100是用以偵測當上橋功率開關 11由於元件的損壞或元件控制上的錯誤，導致相端15耦接於輸入電壓12，而使得相端15的電壓超過限壓閥值並維持至少保護期間的時間時，由過壓保護電路100發出過壓保護啟動訊號，以啟動過壓保護機制，例如關閉輸入電壓12，或是直接破壞上橋功率開關11使其通道形成斷路等等。如第1圖所示的一實施例中，比較器110包括正輸入端111以及負輸入端112，分別耦接於相端15以及一參考電壓Vref。當正輸入端111的電壓大於負輸入端112的電壓，輸出端113輸出第一準位，使脈衝寬度偵測單元120據以反應。值得注意的是，正輸入端111可以直接連接於相端15，但並不以此為限。舉凡以分壓、或甚至設計將輸入端111的電壓與相端15的電壓形成負相關的方式，都可以達到偵測相端115的電壓是否超過限壓閥值的目的，此為本領域具有通常知識者所習知，在此不另贅述。

另外，脈衝寬度偵測單元120必須偵測其輸入端是否為第一準位，並維持至少保護期間的時間。本領域具有通常知識者，可以根據電路實際規格，參考習知技術，利用邏輯閘(logic gate)、延遲電路(delay circuit)、單擊電路(one-shot circuit)等等基本電路單元來實現脈衝寬度偵測單元120，在此不另贅述。

進一步說明，在過壓保護機制的部分，可以利用形成上橋功率開關11在其通道上的大電流，導致大功率消耗，來直接破壞上橋功率開關11的通道，形成斷路，使得相端15不再耦接於過高的輸入電壓12。例如在第1圖中，開關電壓轉換電路10可以更包括一下橋功率開關16，且當脈衝寬度偵測單元120輸出過壓保護啟動訊號時，下橋功率開關16的通道導通，並與上橋功率開關11之通道形成一電流迴路。上述的電流迴路，是 由輸入電壓12直接分別經由上橋功率開關11以及下橋功率開關16的通道再到接地端17。通常在設計上，上橋功率開關11具有比下橋功率開關16更大的通道導通電阻，因此在同樣的通道電流量下，上橋功率開關11將消耗更多的功率，因此會比下橋功率開關16更容易損毀，因而達到使得相端15不再耦接於過高的輸入電壓12的目的。

由第1圖所示可知，第1圖中的開關電壓轉換電路10是以降壓開關電壓轉換電路(Buck switching voltage converting circuit)的態樣作為實施例說明，因此在啟動過壓保護機制形成電流迴路時，電流迴路不包括電感13。值得注意的是，開關電壓轉換電路10中進一步包括電壓轉換控制器18，用以接收過壓保護啟動訊號以及電壓轉換電路的輸出端回授訊號等等，以決定上橋功率開關11以及下橋功率開關16在各種模式下的控制方式，並輸出控制訊號。

第2圖是以本發明所揭露之過壓保護電路100及其應用之開關電壓轉換電路10之一相關波形圖。第2圖所示者，是當開關電壓轉換電路10操作在脈衝省略模式(Pulse-Skipping Mode，PSM)之下，輸入電壓12隨後發生電壓過高的情況時，過壓保護電路100的反應行為。在第2圖中，波形210是上橋功率開關11的耐受電壓的絕對最大額定值(Absolute Maximal Rating，AMR)的準位，亦即，當上橋功率開關11的端點電壓超過絕對最大額定值時，將導致上橋功率開關11的損壞。波形220為限壓閥值的準位，當相端15的電壓維持在限壓閥值以上過久，將可能導致開關電壓轉換電路10所驅動的負載電路(圖中未示)所受的供應電壓過高，而直接造成其損壞。波形230所示為輸入電壓12。波形240所示為相端15的電壓。波形250 所示為上橋功率開關11的控制訊號，當控制訊號為HIGH，上橋功率開關11的通道導通，否則通道截止。波形260所示為下橋功率開關16的控制訊號，當控制訊號為HIGH，下橋功率開關16的通道導通，否則通道截止。波形270為過壓保護啟動訊號的指示訊號。

進一步說明，在時間t1，如波形250所示，訊號轉變為HIGH，上橋功率開關11的通道導通，因此如波形240所示，相端15的電壓趨近輸入電壓。在時間t2，如波形250以及波形260所示，訊號分別轉變為LOW以及HIGH，上橋功率開關11的通道截止，而下橋功率開關16的通道導通，因此如波形240所示，相端15的電壓趨近接地端17的電壓。在時間t3，如波形260所示，訊號轉變為LOW，而下橋功率開關16的通道截止，因此如波形240所示，相端15的電壓趨近輸出電壓14。在時間t4時，輸入電壓12開始上升，並在時間t5維持在一大於限壓閥值的電壓。在時間t6，如波形250所示，訊號轉變為H-IGH，上橋功率開關11的通道導通，因此如波形240所示，相端15的電壓趨近輸入電壓12，亦即相端15的電壓此時大於限壓閥值。在時間t7，如波形250以及波形260所示，訊號分別轉變為LOW以及HIGH，上橋功率開關11的通道截止，而下橋功率開關16的通道導通，因此如波形240所示，相端15的電壓趨近接地端17的電壓。在時間t6和t7之間，雖然相端15的電壓大於限壓閥值，但由於維持的長度並未超過保護期間，因此過壓保護電路100並未發出過壓保護啟動訊號。

在時間t8，輸入電壓12又開始上升，並超過上橋功率開關11的耐受電壓的絕對最大額定值的準位。在時間t9時，由於上橋功率開關11已經損毀，因此如波形250所示，即使上橋功率開關11的控制訊號並未 轉為HIGH，亦即並未控制上橋功率開關11的通道導通，然而上橋功率開關11的通道仍直接導通，因此如波形240所示，相端15的電壓趨近輸入電壓，此後相端15的電壓持續大於限壓閥值。在時間t10，由於相端15的電壓已維持在大於限壓閥值，並開始超過保護期間的時間長度，因此過壓保護電路100發出過壓保護啟動訊號，如波形270所示，訊號轉變為HIGH，因此下橋功率開關16的通道導通。至此上橋功率開關11與下橋功率開關16的通道形成大電流迴路，進一步造成上橋功率開關11的燒毀，上橋功率開關11的通道斷路，相端15的電壓亦回復至低於限壓閥值，因此保護了後級的負載電路的安全。

第3圖是以本發明所揭露之過壓保護電路100及其應用之開關電壓轉換電路10之另一相關波形圖。第3圖所示者，是當開關電壓轉換電路10操作在一般的連續導通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)時，由於上橋功率開關11的控制形成誤動作，導致上橋功率開關11的通道持續導通時，過壓保護電路100的反應行為。在第3圖中，波形310為限壓閥值的準位。波形320所示為輸入電壓12。波形330所示為相端15的電壓。波形340所示為上橋功率開關11的控制訊號。波形350所示為下橋功率開關16的控制訊號。波形360為過壓保護啟動訊號的指示訊號。值得注意的是，在第3圖中，輸入電壓12大於限壓閥值。

進一步說明，在時間t11，如波形340所示，訊號轉變為HIGH，上橋功率開關11的通道導通，因此如波形330所示，相端15的電壓趨近輸入電壓12，亦即相端15的電壓此時大於限壓閥值。在時間t12，如波形340以及波形350所示，訊號分別轉變為LOW以及HIGH，上橋功 率開關11的通道截止，而下橋功率開關16的通道導通，因此如波形330所示，相端15的電壓趨近接地端17的電壓。在時間t11和t12之間，雖然相端15的電壓大於限壓閥值，但由於維持的長度並未超過保護期間，因此過壓保護電路100並未發出過壓保護啟動訊號。

在時間t13，如波形340所示，訊號轉變為HIGH，上橋功率開關11的通道導通，因此如波形330所示，相端15的電壓趨近輸入電壓12。然而在時間t14，如波形340所示，訊號並未轉變為LOW，亦即上橋功率開關11的控制上發生了誤動作，造成其通道持續導通。發生誤動作的原因，可能是電壓轉換控制器18本身的損毀，導致其輸出不正確的控制訊號，也可能是上橋功率開關11的控制端與其他電壓間，忽然形成了短路，例如有金屬屑掉落在電路板上。在時間t15，由於相端15的電壓已維持在大於限壓閥值，並開始超過保護期間的時間長度，因此過壓保護電路100發出過壓保護啟動訊號，如波形360所示，訊號轉變為HIGH，而下橋功率開關16的通道導通。因此上橋功率開關11與下橋功率開關16的通道形成大電流迴路，進一步造成上橋功率開關11的燒毀，上橋功率開關11的通道斷路，相端15的電壓亦回復至低於限壓閥值，因此保護了後級的負載電路的安全。

第4圖為本發明所揭露另一實施例之過壓保護電路100及其應用之開關電壓轉換電路40之電路圖。開關電壓轉換電路40操作其電路中之一上橋功率開關41，以將一輸入電壓42經由一電感43轉換為一輸出電壓44。上橋功率開關41之通道以及電感43耦接於一相端45。過壓保護電路100包括一比較器110以及一脈衝寬度偵測單元120。過壓保護電路100的電路組成以及動作方式，可以參考第1圖所示實施例中的相關說明，在 此不另贅述。

進一步說明，在過壓保護機制的部分，可以利用形成上橋功率開關11的大電流，來直接破壞上橋功率開關11的通道，形成斷路，使得相端15不再耦接於過高的輸入電壓12。例如在第4圖中，開關電壓轉換電路40可以更包括一下橋功率開關46，且當過壓保護電路100輸出過壓保護啟動訊號，下橋功率開關46的通道導通，並與上橋功率開關41之通道形成一電流迴路。上述的電流迴路，是由輸入電壓42分別經由上橋功率開關41、電感43以及下橋功率開關16的通道再到接地端47。通常在設計上，上橋功率開關41具有比下橋功率開關46更大的通道導通電阻，因此在同樣的通道電流量下，上橋功率開關41將消耗更多的功率，因此會比下橋功率開關46更容易損毀，因而達到使得相端45不再耦接於過高的輸入電壓42的目的。

由第4圖所示可知，第4圖中的開關電壓轉換電路40是以降壓-升壓開關電壓轉換電路(Buck-boost switching voltage converting circuit)的態樣作為實施例說明，因此在啟動過壓保護機制形成電流迴路時，電流迴路包括電感43。值得注意的是，開關電壓轉換電路40中進一步包括電壓轉換控制器48，用以接收過壓保護啟動訊號以及電壓轉換迴路的回授訊號等等，以決定上橋功率開關41以及下橋功率開關46在各種模式下的控制方式，並輸出控制訊號。

第5圖為本發明揭露之過壓保護的方法的步驟流程圖，係應用於一開關電壓轉換電路，例如第1圖所示的開關電壓轉換電路10。開關電壓轉換電路10操作其電路中之上橋功率開關11，以將輸入電壓12經由 電感13轉換為輸出電壓14。上橋功率開關11之通道以及電感13耦接於相端15。過壓保護的方法包含下列步驟。

如步驟S510所示，偵測相端15的電壓是否大於一限壓閥值，並且已維持一保護期間的時間。若是，則至步驟S530。

如步驟S530所示，啟動一過壓保護機制。

在本發明揭露之過壓保護的方法的另一實施例中，其中偵測相端15的電壓是否大於限壓閥值的步驟，係利用一比較器，比較相端15的電壓是否超過該限壓閥值。

在本發明揭露之過壓保護的方法的又一實施例中，其中開關電壓轉換電路10更包括下橋功率開關16，且過壓保護機制是指控制下橋功率開關16的通道導通，並與上橋功率開關11之通道形成一電流迴路。其中，電流迴路可以如第1圖的降壓開關電壓轉換電路所示不包括電感13，也可以如第4圖的降壓-升壓開關電壓轉換電路所示包括電感43，端視過壓保護的方法所應用的開關電壓轉換電路的態樣而定。

在本發明揭露之過壓保護的方法的又一實施例中，過壓保護機制是指輸入電壓12關閉。

雖然本發明之實施例揭露如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及數量當可做些許之變更，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧開關電壓轉換電路

11‧‧‧上橋功率開關

12‧‧‧輸入電壓

13‧‧‧電感

14‧‧‧輸出電壓

15‧‧‧相端

16‧‧‧下橋功率開關

17‧‧‧接地端

18‧‧‧電壓轉換控制器

100‧‧‧過壓保護電路

110‧‧‧比較器

111‧‧‧正輸入端

112‧‧‧負輸入端

113‧‧‧輸出端

120‧‧‧脈衝寬度偵測單元

Claims (8)

1. 一種過壓保護電路，係應用於一開關電壓轉換電路，該開關電壓轉換電路操作其電路中之一上橋功率開關，以將一輸入電壓經由一電感轉換為一輸出電壓，該上橋功率開關之通道以及該電感耦接於一相端；該過壓保護電路包含：一比較器，耦接於該開關電壓轉換電路，且當該相端的電壓大於一限壓閥值時，該比較器的輸出端輸出一第一準位；一脈衝寬度偵測單元，耦接於該比較器的輸出端，且當該比較器的輸出端維持於該第一準位超過一保護期間的時間，該脈衝寬度偵測單元輸出一過壓保護啟動訊號；以及一下橋功率開關，當該脈衝寬度偵測單元輸出該過壓保護啟動訊號，該下橋功率開關的通道導通，並與該上橋功率開關之通道形成一電流迴路，且該電流迴路包括該電感。
2. 如請求項第1項所述之過壓保護電路，其中該比較器包括一正輸入端以及一負輸入端，該正輸入端耦接於該相端，該負輸入端耦接於一參考電壓，且當該正輸入端的電壓大於該負輸入端的電壓，該比較輸出端輸出一第一準位。
3. 如請求項第1項所述之過壓保護電路，其中該開關電壓轉換電路係為一降壓-升壓開關電壓轉換電路之態樣。
4. 如請求項第1或2項所述之過壓保護電路，其中當該脈衝寬度偵測單元輸出該過壓保護啟動訊號，該輸入電壓關閉。
5. 一種過壓保護的方法，係應用於一開關電壓轉換電路，該開關電壓轉換電路操作其電路中之一上橋功率開關，以將一輸入電壓經由一電感轉換為一輸出電壓，該上橋功率開關之通道以及該電感耦接於一相端；該過壓保護的方法包含下列步驟：偵測該相端的電壓是否大於一限壓閥值，並且已維持一保護期間的時間；若是，則進行下一步驟；啟動一過壓保護機制；以及其中該開關電壓轉換電路更包括一下橋功率開關，且該過壓保護機制是指控制該下橋功率開關的通道導通，並與該上橋功率開關之通道形成一電流迴路，且該電流迴路包括該電感。
6. 如請求項第5項所述之過壓保護的方法，其中偵測該相端的電壓是否大於一限壓閥值的步驟，係利用一比較器比較該相端的電壓是否超過該限壓閥值。
7. 如請求項第5項所述之過壓保護的方法，其中該開關電壓轉換電路係為一降壓-升壓開關電壓轉換電路之態樣。
8. 如請求項第5或6項所述之過壓保護的方法，其中該過壓保護機制是指該輸入電壓關閉。