TWI577116B - 過電壓保護電路 - Google Patents

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尹葵
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過電壓保護電路
本發明是有關於一種過電壓保護電路，尤其是有關於一種適用於切換式電源供應裝置的過電壓保護電路。
一般的切換式電源供應裝置（Switching power supply）都會採用過電壓保護電路，以在切換式電源供應裝置的輸出端呈現過電壓時，能夠控制切換式電源供應裝置中的脈寬調變（Pulse Width Modulation, PWM）控制電路停止輸出脈寬調變訊號，進而降低輸出端的輸出電壓，以對切換式電源供應裝置的內部線路與輸出端的外接系統的內部線路進行過電壓保護，避免這二者有任何一個受到破壞。
輸出端會因二種情況而呈現過電壓，其一是由切換式電源供應裝置的內部電路失效所造成，例如是回授電路失效時；其二是由外接系統所造成，例如具有馬達的外接系統在減速時所引起的反電動勢回饋。然而，傳統的過電壓保護電路並無法區別這二者，以致於使用者在正常操作外接系統而引起反電動勢回饋時，傳統的過電壓保護電路仍會控制切換式電源供應裝置立即降低其輸出電壓來進行過電壓保護，如此反倒造成外接系統關機而無法正常使用，引起使用者不小的困擾。
本發明的目的在提供一種過電壓保護電路，其可區別上述二種情況所造成的過電壓，並採取二種不同的方式來進行過電壓保護。
本發明提出一種過電壓保護電路，其適用於切換式電源供應裝置。其可區別切換式電源供應裝置輸出電壓過壓狀態為內部回授失效引起或是外加電源導致，可利用啟動過電壓保護的時間差，避免短暫且無害的外加電源影響切換式電源供應裝置正常工作，但當切換式電源供應裝置內部回授失效時又可即時停止切換式電源供應裝置作動達成保護。
在圖1中，切換式電源供應裝置100包含有雜訊濾波器110、交流-直流轉換電路120、功率級（Power stage）130、變壓器140、整流電路150、儲能單元160、回授電路170與訊號隔離單元180。在此例中，變壓器140具有二個一次側線圈（Primary winding）與一個二次側線圈（Secondary winding），且變壓器140的其中一個一次側線圈（Primary winding）可依序透過功率級130、交流-直流轉換電路120與雜訊濾波器110來耦接輸入電壓VIN。雜訊濾波器110可為電磁干擾濾波器（EMI Filter），且使用者可決定是否採用雜訊濾波器110。
此外，交流-直流轉換電路120可為橋式整流器（Bridge rectifier）。至於功率級130，其內部具有PWM控制電路132與用來當作開關的功率電晶體134。此功率電晶體134可與變壓器140中的耦接至功率級130的一次側線圈串聯，藉由控制功率電晶體134的啟閉狀態（On/off state）便可決定是否允許電流通過一次側線圈。而PWM控制電路132則用以產生PWM訊號，並輸出PWM訊號至功率電晶體134的控制端，藉以控制功率電晶體134在啟閉狀態之間的切換頻率。
變壓器140的二次側線圈的輸出在經過整流電路150與儲能單元160分別進行整流與濾波後，便可作為切換式電源供應裝置100的輸出電壓VOUT而自其輸出端190提供給外接系統（未繪示）。另外，訊號隔離單元180可為光耦合器（Photo coupler），其用以將回授電路170所產生的回授訊號傳送給PWM控制電路132，以便讓PWM控制電路132可據以調整PWM訊號的責任週期（Duty cycle）。因此，當切換式電源供應裝置100的輸出端190呈現過電壓時，PWM控制電路132便可依據訊號隔離單元180傳來的回授訊號來降低輸出電壓VOUT，以進行過電壓保護。
另外，在圖1中，過電壓保護電路200包括有過電壓偵測單元210、半波整流單元220、開關單元230、開關單元240、電壓取樣單元250、儲能單元260與阻抗270。過電壓偵測單元210耦接於切換式電源供應裝置100的輸出端190與參考電位SGND之間，用以接收輸出端190上的輸出電壓VOUT，並判斷輸出電壓VOUT是否超過第一預設值，當判斷為是時便產生耦合訊號。半波整流單元220的輸入耦接變壓器140的另一個一次側線圈140-2與參考電位PGND。
開關單元230具有第一端230-1、第二端230-2、第三端230-3與控制端230-4，且其第一端230-1與第二端230-2皆耦接半波整流單元220的輸出，而其第三端230-3耦接PWM控制電路132。此開關單元230依據其控制端230-4的電壓來決定是否提供其第二端230-2與其第三端230-3之間的電性路徑，以便透過其第三端230-3輸出過電壓保護觸發訊號TRI來控制PWM控制電路132停止輸出脈寬調變訊號，且當開關單元230接收到上述耦合訊號時，便提供其第一端230-1與其控制端230-4之間的電性路徑。
此外，儲能單元260的一端與阻抗270的一端皆耦接開關單元230的控制端230-4。開關單元240具有第四端240-4與第五端240-5，且第四端240-4耦接儲能單元260的另一端與阻抗270的另一端，而第五端240-5耦接參考電位PGND。電壓取樣單元250耦接半波整流單元220的輸出、參考電位PGND與開關單元240，當半波整流單元220的輸出所輸出的電壓超過第二預設值時，電壓取樣單元250便控制開關單元240提供第四端240-4與第五端240-5之間的電性路徑。
在此例中，阻抗270與儲能單元260分別可為電阻與電容。接下來，將先介紹過電壓保護電路200其餘部分的詳細實施方式。在此例中，過電壓偵測單元210包括有分壓電路212、開關單元214、訊號傳送部216-1、阻抗218與稽納二極體219。分壓電路212耦接於輸出端190與參考電位SGND之間，並依據輸出端190的電壓而產生分壓訊號。訊號傳送部216-1的一端依序透過阻抗218與稽納二極體219耦接輸出端190，稽納二極體219的陽極耦接阻抗218，而稽納二極體219的陰極耦接於輸出端190。開關單元214具有第六端214-6與第七端214-7，且第六端214-6耦接訊號傳送部216-1的另一端，而第七端214-7耦接參考電位SGND。此開關單元214用以接收分壓電路212所產生的分壓訊號，且當分壓訊號的電壓達到預設參考電位時，開關單元214便提供第六端214-6與第七端214-7之間的電性路徑，以進一步使訊號傳送部216-1產生耦合訊號。
在此例中，分壓電路212可為阻抗212-1與212-2。阻抗212-1的一端耦接輸出端190，阻抗212-2的一端耦接阻抗212-1的另一端，並用以產生分壓訊號，而阻抗212-2的另一端耦接參考電位SGND。此外，訊號傳送部216-1可為一光耦合器的光發射部，而此光發射部用以產生光源來當作耦合訊號。開關單元214可為TL431的開關元件，使用者可利用此開關元件的參考端來接收分壓電路212所產生的分壓訊號。另外，阻抗212-1、212-2與218皆可採用電阻，而阻抗218的位置可與稽納二極體219的位置對調，且使用者可依需求來決定是否採用阻抗218與稽納二極體219。
開關單元230包括有訊號接收部216-2、阻抗232、阻抗234與NPN型電晶體236。訊號接收部216-2具有第八端216-28與第九端216-29，且第八端216-28耦接半波整流單元220的輸出。當訊號接收部216-2接收到耦合訊號時，便提供第八端216-28與第九端216-29之間的電性路徑。在此例中，訊號接收部216-2可採用與前述相同光耦合器中的光接收部。此外，阻抗232耦接於第九端216-29與開關單元230的控制端230-4之間，而阻抗234的一端耦接半波整流單元220的輸出。NPN型電晶體236的集極耦接阻抗234的另一端，且其射極耦接開關單元230的第三端230-3，而其基極耦接開關單元230的控制端230-4。
開關單元240包括有PNP型電晶體242與阻抗244。PNP型電晶體242射極耦接儲能單元260的另一端與阻抗270的另一端，其集極耦接參考電位PGND，而其基極則透過阻抗244耦接電壓取樣單元250。電壓取樣單元250包括有稽納二極體252與阻抗254。稽納二極體252的陰極耦接半波整流單元220的輸出。阻抗254的一端耦接稽納二極體252的陽極與開關單元240，而另一端耦接參考電位PGND。上述阻抗244與254皆可為電阻，且使用者可依需求來決定是否採用阻抗244。另外，半波整流單元220包括有二極體222與儲能單元224。二極體222的陽極耦接一次側線圈140-2的一端。儲能單元224的一端耦接二極體222的陰極，並用以作為半波整流單元220的輸出，而其另一端耦接一次測線圈140-2的另一端與參考電位PGND。如先前所述，儲能單元224可為電容。
接下來，將介紹過電壓保護電路200的詳細操作方式。首先來說明在切換式電源供應裝置100的內部電路失效而導致其輸出端190呈現過電壓的情況下，電壓保護電路200的操作方式。請再參照圖1，當輸出端190呈現過電壓，即輸出端190上的輸出電壓VOUT超過第一預設值，而使得分壓電路212所產生的分壓訊號的電壓達到預設參考電位時，開關單元214便提供第六端214-6與第七端214-7之間的電性路徑，使得稽納二極體219崩潰而導通，進而使得訊號傳送部216-1產生耦合訊號。而當訊號接收部216-2接收到耦合訊號時，便提供第八端216-28與第九端216-29之間的電性路徑，使得NPN型電晶體236基極的電位被拉高。
承上述，由於輸出端190呈現過電壓是因為切換式電源供應裝置100的內部電路失效而引起的，例如是因回授電路170失效而引起的，那麼回授電路170就會無法產生回授訊號。因此PWM控制電路132也會無法依據訊號隔離單元180傳來的回授訊號來調整PWM訊號的責任週期，因而無法降低輸出電壓VOUT，且一次側線圈140-2所輸出的電壓會不斷提升。
當上述一次側線圈140-2所輸出的電壓不斷提升，而使得半波整流單元220的輸出所輸出的電壓超過第二預設值時，稽納二極體252就會崩潰而導通，進而拉高PNP型電晶體242基極的電位而使PNP型電晶體242呈現關閉狀態（Off state）。而由於PNP型電晶體242呈現關閉狀態，因此流過阻抗232的電流就不會流進由阻抗270與儲能單元260所構成的延時電路，而是會流進NPN型電晶體236，這樣便會使得NPN型電晶體236基極的電位被急速地拉高，進而使得NPN型電晶體236能快速地導通，以快速地產生過電壓保護觸發訊號TRI給PWM控制電路132，讓PWM控制電路132可以透過控制功率電晶體134的操作來立即降低輸出電壓VOUT，以進行過電壓保護。
接下來將說明在外接系統造成輸出端190呈現過電壓的情況下，電壓保護電路200的操作方式。請再參照圖1，當輸出端190呈現過電壓，那麼只要輸出端190上之輸出電壓VOUT超過第一預設值，而使得分壓電路212所產生的分壓訊號的電壓達到預設參考電位時，開關單元214便提供第六端214-6與第七端214-7之間的電性路徑，使稽納二極體219崩潰而導通，進而使訊號傳送部216-1產生耦合訊號。而當訊號接收部216-2接收到耦合訊號時，便提供第八端216-28與第九端216-29之間的電性路徑，使得NPN型電晶體236之基極的電位被拉高。
承上述，由於輸出端190呈現過電壓是由外接系統所造成的，例如是具有馬達的外接系統在減速時引起的反電動勢回饋所造成的，而不是回授電路170失效或切換式電源供應裝置的其他內部電路失效所造成的，因此回授電路170就會正常產生回授訊號，使得PWM控制電路132能夠依據訊號隔離單元180傳來的回授訊號調整PWM訊號的責任週期，因而能夠降低輸出電壓VOUT，且一次側線圈140-2所輸出的電壓就會下降。
當上述一次側線圈140-2所輸出的電壓不斷下降，而使半波整流單元220的輸出所輸出的電壓小於第二預設值時，稽納二極體252就會關閉（Turned off），使PNP型電晶體242的基極的電位被拉低，因此PNP型電晶體242會呈現導通狀態（On state）。因此流過阻抗232的電流除了會有一部份流進NPN型電晶體236之外，還會有一部份流進由阻抗270與儲能單元260所構成的延時電路來對儲能單元260充電。這樣便使NPN型電晶體236基極的電位只能被緩慢地拉高，進而延遲了NPN型電晶體236的導通時間，進而延遲產生過電壓保護觸發訊號TRI給PWM控制電路132。換句話說，在這種情況下，切換式電源供應裝置100並不會立即進行過電壓保護而造成外接系統無法正常操作，而是會延遲了該段時間後才會進行過電壓保護。當然，本領域的通常知識者應知，上述的延遲時間可以透過改變阻抗270的阻值來調整，也可透過改變儲能單元260的電容值來調整。
綜上所述，在本發明的過電壓保護電路中，電壓取樣單元的判斷結果可用來反映切換式電源供應裝置的輸出端的所以呈現過電壓，是因為切換式電源供應裝置的內部電路失效所造成的，還是由外接系統所造成的。因此當切換式電源供應裝置的輸出端呈現過電壓，便使得過電壓偵測單元去控制第一開關單元開始產生過電壓保護觸發訊號，而電壓取樣單元則可依據其判斷結果來決定是否控制第二開關單元將阻抗的另一端耦接至參考電位，以進一步決定是否讓儲能單元與阻抗去延遲過電壓保護觸發訊號的產生時間。因此，在上述二種不同的過電壓情況下，本發明的過電壓保護電路產生過電壓保護觸發訊號的時間也跟著不同。而藉由這樣的控制，本發明的過電壓保護電路能在切換式電源供應裝置的內部電路失效時立即產生過電壓保護觸發訊號以控制切換式電源供應裝置進行過電壓保護，並在外接系統造成過電壓時延緩產生過電壓保護觸發訊號的時間，以使切換式電源供應裝置不會立即進行過電壓保護而造成外接系統無法正常操作。
100‧‧‧切換式電源供應裝置
110‧‧‧雜訊濾波器
120‧‧‧交流-直流轉換電路
130‧‧‧功率級
132 ‧‧‧PWM控制電路
134‧‧‧功率電晶體
140‧‧‧變壓器
140-2‧‧‧一次側線圈
150‧‧‧整流電路
160、224、260‧‧‧儲能單元
170‧‧‧回授電路
180‧‧‧訊號隔離單元
190‧‧‧輸出端
200‧‧‧過電壓保護電路
210‧‧‧過電壓偵測單元
212‧‧‧分壓電路
214、230、240‧‧‧開關單元
214-6‧‧‧第六端
214-7‧‧‧第七端
216-1‧‧‧訊號傳送部
216-2‧‧‧訊號接收部
216-28‧‧‧第八端
216-29‧‧‧第九端
218、212-1、212-2、232、234、244、254、270‧‧‧阻抗
219、252‧‧‧稽納二極體
220‧‧‧半波整流單元
222‧‧‧二極體
230-1‧‧‧第一端
230-2‧‧‧第二端
230-3‧‧‧第三端
230-4‧‧‧控制端
236‧‧‧NPN型電晶體
240-4‧‧‧第四端
240-5‧‧‧第五端
242‧‧‧PNP型電晶體
250‧‧‧電壓取樣單元
VIN‧‧‧輸入電壓
SGND、PGND‧‧‧參考電位
TRI‧‧‧過電壓保護觸發訊號
VOUT‧‧‧輸出電壓
圖1為過電壓保護電路的耦接關係示意圖。
100‧‧‧切換式電源供應裝置
110‧‧‧雜訊濾波器
120‧‧‧交流-直流轉換電路
130‧‧‧功率級
132‧‧‧PWM控制電路
134‧‧‧功率電晶體
140‧‧‧變壓器
140-2‧‧‧一次側線圈
150‧‧‧整流電路
160、224、260‧‧‧儲能單元
170‧‧‧回授電路
180‧‧‧訊號隔離單元
190‧‧‧輸出端
200‧‧‧過電壓保護電路
210‧‧‧過電壓偵測單元
212‧‧‧分壓電路
214、230、240‧‧‧開關單元
214-6‧‧‧第六端
214-7‧‧‧第七端
216-1‧‧‧訊號傳送部
216-2‧‧‧訊號接收部
216-28‧‧‧第八端
216-29‧‧‧第九端
218、212-1、212-2、232、234、244、254、270‧‧‧阻抗
219、252‧‧‧稽納二極體
220‧‧‧半波整流單元
222‧‧‧二極體
230-1‧‧‧第一端
230-2‧‧‧第二端
230-3‧‧‧第三端
230-4‧‧‧控制端
236‧‧‧NPN型電晶體
240-4‧‧‧第四端
240-5‧‧‧第五端
242‧‧‧PNP型電晶體
250‧‧‧電壓取樣單元
VIN‧‧‧輸入電壓
SGND、PGND‧‧‧參考電位
TRI‧‧‧過電壓保護觸發訊號
VOUT‧‧‧輸出電壓

Claims (9)

  1. 一種過電壓保護電路，適用於一切換式電源供應裝置，該過電壓保護電路包括：     一過電壓偵測單元，耦接於該切換式電源供應裝置的一輸出端與一第一參考電位之間，用以接收該輸出端上的一輸出電壓，並判斷該輸出電壓是否超過一第一預設值，當判斷為是時便產生一耦合訊號；     一半波整流單元，其輸入耦接一變壓器的一一次側線圈與一第二參考電位；     一第一開關單元，其具有一第一端、一第二端、一第三端與一控制端，該第一端與該第二端皆耦接該半波整流單元的輸出，該第三端耦接一脈寬調變控制電路，該第一開關單元依據該控制端的電壓來決定是否提供該第二端與該第三端之間的電性路徑，以便透過該第三端輸出一過電壓保護觸發訊號來控制該脈寬調變控制電路停止輸出一脈寬調變訊號，且當該第一開關單元接收到該耦合訊號時，便提供該第一端與該控制端之間的電性路徑；     一第一儲能單元，其一端耦接該控制端；     一第一阻抗，其一端耦接該控制端；     一第二開關單元，其具有一第四端與一第五端，該第四端耦接該第一儲能單元的另一端與該第一阻抗的另一端，而該第五端耦接該第二參考電位；以及     一電壓取樣單元，耦接該半波整流單元的輸出、該第二參考電位與該第二開關單元，當該半波整流單元的輸出所輸出的電壓超過一第二預設值時，該電壓取樣單元控制該第二開關單元提供該第四端與該第五端之間的電性路徑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之過電壓保護電路，其中該過電壓偵測單元包括：     一分壓電路，耦接於該切換式電源供應裝置的該輸出端與該第一參考電位之間，並依據該輸出端的電壓而產生一分壓訊號；     一訊號傳送部，其一端耦接該切換式電源供應裝置的該輸出端；以及     一第三開關單元，其具有一第六端與一第七端，該第六端耦接該訊號傳送部的另一端，該第七端耦接該第一參考電位，該第三開關單元用以接收該分壓訊號，且當該分壓訊號的電壓達到一第三參考電位時，該第三開關單元便提供該第六端與該第七端之間的電性路徑，以進一步使該訊號傳送部產生該耦合訊號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之過電壓保護電路，其中該過電壓偵測單元更包括一第二阻抗，該第二阻抗耦接於該訊號傳送部與該切換式電源供應裝置的該輸出端之間。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之過電壓保護電路，其中該過電壓偵測單元更包括一稽納二極體，該稽納二極體耦接於該訊號傳送部與該切換式電源供應裝置的該輸出端之間，且該稽納二極體的陽極耦接該訊號傳送部，而該稽納二極體的陰極耦接該輸出端。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之過電壓保護電路，其中該第一開關單元包括：     一訊號接收部，其具有一第八端與一第九端，該第八端耦接該半波整流單元的輸出，且當該訊號接收部接收到該耦合訊號時，便提供該第八端與該第九端之間的電性路徑；     一第二阻抗，耦接於該第九端與該控制端之間；     一第三阻抗，其一端耦接該半波整流單元的輸出；以及     一NPN型電晶體，其集極耦接該第三阻抗的另一端，其射極耦接該第三端，而其基極耦接該控制端。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之過電壓保護電路，其中該第二開關單元包括一PNP型電晶體，該PNP型電晶體的射極耦接該第一儲能單元的另一端與該第一阻抗的另一端，集極耦接該第二參考電位，而基極則耦接該電壓取樣單元。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之過電壓保護電路，其中該第二開關單元更包括一第二阻抗，該第二阻抗耦接於該PNP型電晶體的基極與該電壓取樣單元之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之過電壓保護電路，其中該電壓取樣單元包括：     一稽納二極體，其陰極耦接該半波整流單元的輸出；以及     一第二阻抗，其一端耦接該稽納二極體的陽極與該第二開關單元，而另一端耦接該第二參考電位。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之過電壓保護電路，其中該半波整流單元包括：     一二極體，其陽極耦接該一次側線圈的一端；以及     一第二儲能單元，其一端耦接該二極體的陰極，並用以作為該半波整流單元的輸出，而其另一端耦接該一次測線圈的另一端與該第二參考電位。
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