TWI521840B - 過電流保護電路以及提供過電流保護參考訊號的方法 - Google Patents

Description

過電流保護電路以及提供過電流保護參考訊號的方法

本發明是有關於一種電源轉換裝置的過電流保護技術，且特別是有關於一種過電流保護電路以及提供過電流保護參考訊號的方法。

電源轉換裝置(power conversion apparatus)主要的用途乃是將電力公司所提供之高壓且低穩定性的交流電壓(AC voltage)轉換成適合各種電子裝置(electronic devices)所使用之低壓且穩定性較佳的直流電壓(DC voltage)。因此，電源轉換裝置廣泛地應用在電腦、辦公室自動化設備、工業控制設備，以及通訊設備等電子裝置中。

圖1為習知的電源轉換裝置的示意圖。電源轉換裝置10包括整流電路12、變壓器T、回授單元14、控制電路50以及功率開關Q。整流電路12接收交流電壓AC_IN並進行整流。反應在變壓器T之二次側NS的交流電壓(由變壓器T之一次側NP、二 次側NS的線圈比(turn ratio)n所決定)會經由二極體D1的整流以及電容C1的濾波後以轉換成輸出電壓Vout。回授單元14用以接收輸出電壓Vout，並據以輸出關聯於電子裝置40之負載狀態(loading status)的回授訊號Vfb。控制電路50根據回授訊號Vfb的工作週期(duty cycle)來產生過電流保護參考訊號Vlimit，並利用過電流保護參考訊號Vlimit來產生用於調整功率開關Q的脈寬調變訊號Vpwm。

控制電路50在進行定功率控制時，其架構包括過電流保護電路20。過電流保護電路20根據回授訊號Vfb的工作週期(duty cycle，或稱作責任週期)來產生過電流保護參考訊號Vlimit。前述的工作週期決定了過電流保護參考訊號Vlimit的大小。由於前述的工作週期關聯於輸出電壓Vout，且輸出電壓Vout又與變壓器T的設計有關，亦即輸出電壓Vout與線圈比n有關。因此可理解為過電流保護參考訊號Vlimit與輸出電壓Vout(或電子裝置40之負載狀態)有關，且過電流保護參考訊號Vlimit也與線圈比n有關。一般來說，在某些極端操作下，因負載狀態的變化或是變壓器T的線圈比n過大，會造成過電流保護參考訊號Vlimit的數值非常不穩定。故習知電源轉換裝置10的過電流保護控制並不穩定。

有鑑於此，本發明提出一種過電流保護電路以及提供過電流保護參考訊號的方法，藉以解決先前技術所述及的問題。

本發明提供了一種過電流保護電路，其包括電阻網路、 波峰偵測單元以及第一數位至類比轉換器。電阻網路用以接收輸入電壓，並提供分壓電壓。波峰偵測單元耦接電阻網路。波峰偵測單元接收分壓電壓，對分壓電壓執行取樣及計數操作，據以產生數位波峰值。第一數位至類比轉換器耦接波峰偵測單元，對數位波峰值執行數位至類比轉換，據以提供過電流保護參考訊號。

於本發明的一實施例中，輸入電壓為交流電壓經整流後的全波或半波訊號，或經電容濾波後的直流訊號。

於本發明的一實施例中，波峰偵測單元包括比較器、正反器、計數器、第二數位至類比轉換器以及暫存器。比較器的第一輸入端接收分壓電壓。正反器的資料輸入端耦接比較器的輸出。計數器的時脈輸入端耦接正反器的暫存資料輸出端。第二數位至類比轉換器的輸入端耦接計數器的輸出，用以提供波峰訊號給比較器的第二輸入端。暫存器的輸入端耦接計數器的輸出，其輸出端輸出數位波峰值。

於本發明的一實施例中，波峰偵測單元更週期性地更新數位波峰值，且在週期性地更新數位波峰值時，用來重置波峰偵測單元的週期大小大於輸入電壓的週期大小。

於本發明的一實施例中，過電流保護參考訊號與輸入電壓的波峰變化呈現反比。當輸入電壓的波峰變化由低值趨向高值時，過電流保護參考訊號的變化係從高值往低值下降。當輸入電壓的波峰變化由高值趨向低值時，過電流保護參考訊號的變化係從低值往高值上升。

本發明另提供了一種提供過電流保護參考訊號的方法，包括以下步驟。根據輸入電壓來提供分壓電壓；對分壓電壓執行 取樣及計數操作，據以產生數位波峰值；以及對數位波峰值執行數位至類比轉換，據以提供過電流保護參考訊號。

於本發明的一示範性實施例中，其中對該分壓電壓執行該取樣及計數操作之步驟更包括：週期性地更新該數位波峰值。更新該數位波峰值的週期大小大於該交流電壓的週期大小。

基於上述，在本發明中的過電流保護電路與提供過電流保護參考訊號的方法，係根據輸入電壓的波峰變化來提供過電流保護參考訊號。過電流保護參考訊號的產生方式與變壓器的線圈比無關，也與輸出電壓無關，從而得以解決先前技術所述及的問題。

應瞭解的是，上述一般描述及以下具體實施方式僅為例示性及闡釋性的，其並不能限制本發明所欲主張之範圍。

10‧‧‧電源轉換裝置

12‧‧‧整流電路

14‧‧‧回授單元

20‧‧‧過電流保護電路

40‧‧‧電子裝置

50‧‧‧控制電路

110‧‧‧電源轉換裝置

120‧‧‧過電流保護電路

122‧‧‧電阻網路

124‧‧‧波峰偵測單元

126‧‧‧數位至類比轉換器

128‧‧‧比較器

130‧‧‧正反器

132‧‧‧計數器

134‧‧‧數位至類比轉換器

136‧‧‧暫存器

140‧‧‧比較器

142‧‧‧取樣脈波產生器

144‧‧‧延遲單元

146‧‧‧取樣脈波產生器

148‧‧‧延遲單元

150‧‧‧控制電路

AC_IN‧‧‧交流電壓

C1、C2‧‧‧電容

D1‧‧‧二極體

Dp[0：n-1]‧‧‧數位波峰值

Fdp[0：n-1]‧‧‧計數值

n‧‧‧線圈比

NP‧‧‧一次側

NS‧‧‧二次側

OCP‧‧‧過電流保護訊號

RS‧‧‧感測電阻

R1、R2‧‧‧電阻

S1、S2‧‧‧取樣脈波

S10、S20、S30‧‧‧步驟

T‧‧‧變壓器

Tac、Tfast、Tupdate‧‧‧週期大小

Vcs‧‧‧感測電壓

Vcs_limit‧‧‧過電流保護參考訊號

Vfb‧‧‧回授訊號

Vin‧‧‧輸入電壓

Vlimit‧‧‧過電流保護參考訊號

Vout‧‧‧輸出電壓

Vpwm‧‧‧脈寬調變訊號

VB‧‧‧分壓電壓

Vpeak‧‧‧波峰訊號

下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，其繪示了本發明的示例實施例，所附圖式係與說明書的描述一起用來說明本發明的原理。

圖1為習知的電源轉換裝置的示意圖。

圖2是根據本發明一實施例的電源轉換裝置的示意圖。

圖3是根據本發明一實施例的過電流保護電路的電路圖。

圖4是根據本發明一實施例的波形示意圖。

圖5是根據本發明一實施例的過電流保護參考訊號與分壓電壓的波峰兩者之間的變化圖。

圖6繪示本發明一實施例的過電流保護參考訊號的提供方法 的流程圖。

現在將詳細參考本發明的實施例，並在附圖中說明所述的實施例之實例。另外，在圖式及實施方式中所使用的相同或類似標號的元件/構件，係用來代表相同或類似部分。

圖2是根據本發明一實施例的電源轉換裝置的示意圖。請參閱圖2，電源轉換裝置110包括整流電路12、變壓器T、控制電路150、功率開關Q以及感測電阻RS。

整流電路12用以接收交流電壓(AC voltage)AC_IN，並對交流電壓AC_IN進行轉換後而提供輸入電壓(input voltage)Vin。亦即輸入電壓Vin為交流電壓AC_IN經整流後的訊號。輸入電壓Vin可以為全波或半波訊號。在另一實施例中，電源轉換裝置110可以不包括整流電路12，輸入電壓Vin可以直接接收類似於經電容C2濾波後的直流訊號。

變壓器T具有一次側(primary side)NP以及二次側(secondary side)NS。變壓器T之一次側NP的第一端用以接收輸入電壓Vin。功率開關Q的第一端耦接變壓器T之一次側NP的第二端。功率開關Q的第二端可以透過感測電阻RS而耦接至一接地電位(ground potential)。功率開關Q的控制端用以接收控制電路50所提供的脈寬調變訊號(pulse width modulation signal)Vpwm。變壓器T之二次側NS用以反應於功率開關Q的切換而提供輸出電壓Vout給電子裝置(electronic device)40。

控制電路150可以包括過電流保護電路120與比較器 140。過電流保護電路120根據輸入電壓Vin來產生過電流保護參考訊號Vcs_limit，至於產生方式將於下文的圖3實施例進行詳細說明。

此外，在本實施例中，過電流保護參考訊號Vcs_limit的產生方式與變壓器T的線圈比(turn ratio)n無關，也與輸出電壓Vout無關。控制電路150在進行定功率控制時，比較器140可以比較過電流保護參考訊號Vcs_limit與感測電壓Vcs來提供過電流保護訊號OCP。

圖3是根據本發明一實施例的過電流保護電路120的電路圖。請合併參閱圖2和圖3，過電流保護電路120包括電阻網路122、波峰偵測單元124以及數位至類比轉換器126。

電阻網路122可以包括電阻R1和R2，用以接收輸入電壓Vin，並提供分壓電壓VB。電阻網路122亦可包括其他的阻抗元件，本實施例在此並不限制電阻網路122的實施態樣。

波峰偵測單元124耦接電阻網路122與數位至類比轉換器126。波峰偵測單元124接收分壓電壓VB，對分壓電壓VB執行取樣及計數操作，據以產生數位波峰值Dp[0：n-1]。接著，數位至類比轉換器126對數位波峰值Dp[0：n-1]執行數位至類比轉換，據以提供過電流保護參考訊號Vcs_limit。

更清楚來說，波峰偵測單元124包括比較器128、正反器130、計數器132、數位至類比轉換器134以及暫存器136。比較器128的第一輸入端接收分壓電壓VB。正反器130的資料輸入端耦接比較器128的輸出。計數器132的時脈輸入端耦接正反器130的暫存資料輸出端。數位至類比轉換器134的輸入端耦接計數器 132的輸出。

比較器128比較分壓電壓VB與前一個週期所偵測的波峰訊號Vpeak。在取樣脈波S2的每一個週期期間，正反器130檢測比較器128所輸出的邏輯位準，若是高邏輯位準則表示這個週期的分壓電壓VB的峰值比之前週期的峰值皆高，接著計數器132的計數增加一次，並輸出N位元的計數值Fdp[0：n-1]。數位至類比轉換器134對計數值Fdp[0：n-1]執行數位至類比的轉換，以提供類比型式的波峰訊號Vpeak給比較器128的第二輸入端。比較器128可以再次比較分壓電壓VB與波峰訊號Vpeak。當波峰訊號Vpeak大於分壓電壓VB時，計數器132停止計數。若是分壓電壓VB的數值上升，則計數器132將繼續增加計數值。

暫存器136的輸入端耦接計數器132的輸出，其輸出端輸出數位波峰值Dp[0：n-1]。波峰偵測單元124週期性地更新數位波峰值Dp[0：n-1]，且在週期性地更新數位波峰值Dp[0：n-1]時，用來重置波峰偵測單元124的週期大小Tupdate需大於輸入電壓Vin的週期大小Tac，以保證能夠得到多個弦波中的最大波峰值，其中Tupdate可以為M倍的Tac。

此外，波峰偵測單元124還可包括取樣脈波產生器142、146以及延遲單元144、148。取樣脈波產生器142的輸出端耦接正反器130的時脈輸入端與延遲單元144的輸入端。延遲單元144的輸出端耦接正反器130的重置端。取樣脈波產生器146的輸出端耦接延遲單元148的輸入端。延遲單元148的輸出端耦接計數器132的重置端。取樣脈波產生器142、146的取樣脈波分別為S2、S1，且對應的週期大小分別為Tfast、Tupdate，其中週期大小的關 係為Tupdate>Tac>Tfast。

在每一個週期大小Tupdate的期間可以檢測出若干個波峰訊號Vpeak的波峰值。計數器132的數值則暫存在暫存器136，且每隔週期大小Tupdate重置所述計數器132，以重新比較分壓電壓VB與波峰訊號Vpeak。

當重置所述計數器132時，暫存器136仍繼續保持計數器132前一次的數值。故，可以透過數位至類比轉換器126來產生穩定的過電流保護參考訊號Vcs_limit。

圖4是根據本發明一實施例的波形示意圖。請參閱圖4。前述波峰偵測單元124使得波峰訊號Vpeak追蹤分壓電壓VB之多個弦波中的最大波峰值。取樣脈波S1每隔一個週期大小Tupdate更新過電流保護參考訊號Vcs_limit。

圖5是根據本發明一實施例的過電流保護參考訊號Vcs_limit與分壓電壓VB的波峰(Vpeak)兩者之間的變化圖。請參閱圖5。過電流保護參考訊號Vcs_limit與分壓電壓VB的波峰(Vpeak)變化呈現反比。當分壓電壓VB的波峰(Vpeak)變化由低值趨向高值時，過電流保護參考訊號Vcs_limit的變化係從高值往低值下降；當分壓電壓VB的波峰(Vpeak)變化由高值趨向低值時，過電流保護參考訊號Vcs_limit的變化係從低值往高值上升。

另一方面，分壓電壓VB與輸入電壓Vin具有正比例關係。因此可以理解過電流保護參考訊號Vcs_limit與輸入電壓Vin的波峰變化將呈現反比。亦即，當輸入電壓Vin的波峰變化由低值趨向高值時，過電流保護參考訊號Vcs_limit的變化係從高值往 低值下降；當輸入電壓Vin的波峰變化由高值趨向低值時，過電流保護參考訊號Vcs_limit的變化係從低值往高值上升。

基於上述本發明之實施例所揭示的內容，可以彙整出一種通用的過電流保護參考訊號的提供方法。更明確地說，圖6繪示本發明一實施例的過電流保護參考訊號的提供方法的流程圖。請合併參閱圖3和圖6，本實施例之過電流保護參考訊號的提供方法可以包括以下步驟。

根據輸入電壓Vin來提供分壓電壓VB(步驟S10)。

對分壓電壓VB執行取樣及計數操作，據以產生數位波峰值Dp[0：n-1](步驟S20)。

接著，對數位波峰值Dp[0：n-1]執行數位至類比轉換，據以提供過電流保護參考訊號Vcs_limit(步驟S30)。

此外，對分壓電壓VB執行取樣及計數操作之步驟還可包括：週期性地更新數位波峰值Dp[0：n-1]。其中，更新數位波峰值Dp[0：n-1]的週期大小Tupdate需大於交流電壓AC_IN的週期大小Tac，以保證能夠得到多個弦波中的最大波峰值，其中Tupdate可以為M倍的Tac。

綜上所述，在本發明中的過電流保護電路與提供過電流保護參考訊號的方法，係根據輸入電壓Vin的波峰變化來提供過電流保護參考訊號Vcs_limit。過電流保護參考訊號Vcs_limit的產生方式與變壓器T的線圈比n無關，也與輸出電壓Vout無關，從而得以解決先前技術所述及的問題。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之 精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

120‧‧‧過電流保護電路

122‧‧‧電阻網路

124‧‧‧波峰偵測單元

126‧‧‧數位至類比轉換器

128‧‧‧比較器

130‧‧‧正反器

132‧‧‧計數器

134‧‧‧數位至類比轉換器

136‧‧‧暫存器

142‧‧‧取樣脈波產生器

144‧‧‧延遲單元

146‧‧‧取樣脈波產生器

148‧‧‧延遲單元

Dp[0：n-1]‧‧‧數位波峰值

Fdp[0：n-1]‧‧‧計數值

R1、R2‧‧‧電阻

S1、S2‧‧‧取樣脈波

Tac、Tfast、Tupdate‧‧‧週期大小

VB‧‧‧分壓電壓

Vcs_limit‧‧‧過電流保護參考訊號

Vin‧‧‧輸入電壓

Vpeak‧‧‧波峰訊號

Claims (9)

1. 一種過電流保護電路，包括：一電阻網路，用以接收一輸入電壓，並提供一分壓電壓；一波峰偵測單元，耦接該電阻網路，該波峰偵測單元接收該分壓電壓，對該分壓電壓執行一取樣及計數操作，據以產生一數位波峰值，其中該波峰偵測單元對該分壓電壓執行該取樣及計數操作時更週期性地更新該數位波峰值；以及一第一數位至類比轉換器，耦接該波峰偵測單元，對該數位波峰值執行一數位至類比轉換，據以提供一過電流保護參考訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述的過電流保護電路，其中該輸入電壓為交流電壓經整流後的全波或半波訊號，或經電容濾波後的直流訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述的過電流保護電路，其中該波峰偵測單元包括：一比較器，其第一輸入端接收該分壓電壓；一正反器，其資料輸入端耦接該比較器的輸出；一計數器，其時脈輸入端耦接該正反器的暫存資料輸出端；一第二數位至類比轉換器，其輸入端耦接該計數器的輸出，用以提供一波峰訊號給該比較器的第二輸入端；以及一暫存器，其輸入端耦接該計數器的輸出，其輸出端輸出該數位波峰值。
4. 如申請專利範圍第1項所述的過電流保護電路，其中該波峰偵測單元在週期性地更新該數位波峰值時，用來重置該波峰偵測單元的週期大小大於該輸入電壓的週期大小。
5. 如申請專利範圍第1項所述的過電流保護電路，其中該過電流保護參考訊號與該輸入電壓的波峰變化呈現反比：當該輸入電壓的波峰變化由低值趨向高值時，該過電流保護參考訊號的變化係從高值往低值下降；以及當該輸入電壓的波峰變化由高值趨向低值時，該過電流保護參考訊號的變化係從低值往高值上升。
6. 一種提供過電流保護參考訊號的方法，包括：根據一輸入電壓來提供一分壓電壓；對該分壓電壓執行一取樣及計數操作，據以產生一數位波峰值，其中對該分壓電壓執行該取樣及計數操作之步驟更包括週期性地更新該數位波峰值；以及對該數位波峰值執行一數位至類比轉換，據以提供該過電流保護參考訊號。
7. 如申請專利範圍第6項所述的提供過電流保護參考訊號的方法，其中該輸入電壓為交流電壓經整流後的全波或半波訊號，或經電容濾波後的直流訊號。
8. 如申請專利範圍第6項所述的提供過電流保護參考訊號的方法，其中更新該數位波峰值的週期大小大於該輸入電壓的週期大小。
9. 如申請專利範圍第6項所述的提供過電流保護參考訊號的方法，其中該過電流保護參考訊號與該輸入電壓的波峰變化呈現反比：當該輸入電壓的波峰變化由低值趨向高值時，該過電流保護參考訊號的變化係從高值往低值下降；以及 當該輸入電壓的波峰變化由高值趨向低值時，該過電流保護參考訊號的變化係從低值往高值上升。