TWI612762B - 過電壓保護電路 - Google Patents

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Abstract

一種過電壓保護電路，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。

Description

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。
圖1為過電壓保護電路的耦接關係示意圖。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。變壓器140的一次側線圈可依序透過功率級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，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。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）。再者，整流電路150與儲能單元160亦可依設計需求而決定是否採用。另外，訊號隔離單元180可為光耦合器（Photo coupler），其可將回授電路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包括有電壓取樣單元210、電壓取樣單元220、過電壓偵測單元230、過電壓偵測單元250與訊號隔離單元280。
過電壓偵測單元230耦接切換式電源供應裝置100的輸出端190與訊號隔離單元280，過電壓偵測單元230用以接收輸出端190上的輸出電壓VOUT，並判斷輸出電壓VOUT的大小是否超過第一預設值，當判斷為是時便控制訊號隔離單元280輸出與參考電位PGND導通，使訊號隔離單元280對應產生過電壓保護觸發訊號TRI。
過電壓偵測單元250耦接輸出端190與訊號隔離單元280，過電壓偵測單元250用以接收輸出端190上的輸出電壓VOUT，並判斷輸出電壓VOUT的大小是否超過第一預設值，當判斷為是時便於預設時間後控制訊號隔離單元280輸出過電壓保護觸發訊號TRI。
電壓取樣單元210耦接輸出端190與過電壓偵測單元230，電壓取樣單元210用以接收輸出端190上的輸出電壓VOUT，並判斷輸出電壓VOUT的大小是否超過第二預設值，當判斷為是時便使過電壓偵測單元230失能。
電壓取樣單元220耦接電壓取樣單元210與變壓器的二次側線圈的其中一端，並用以偵測二次側線圈所輸出的電壓是否達第三預設值，且當判斷為是時便使電壓取樣單元210失能，此時過電壓偵測單元230可正常工作。
訊號隔離單元280用以產生過電壓保護觸發訊號TRI至切換式電源供應裝置100的PWM控制電路132，以利用過電壓保護觸發訊號TRI來控制PWM控制電路132停止產生脈寬調變訊號。
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。如圖1所示，電壓取樣單元210包括有分壓電路215與壓控開關216。分壓電路215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，並依據輸出端190的電壓而產生分壓訊號。分壓電路215可為阻抗215-1與215-2，其中阻抗215-1的一端耦接輸出端190，而阻抗215-2的一端耦接阻抗215-1的另一端，阻抗215-2的另一端耦接參考電位SGND。阻抗215-1與阻抗215-2皆可為電阻。壓控開關216具有第一端216-1、第二端216-2與參考端R，第一端216-1耦接過電壓偵測單元230，第二端216-2耦接參考電位SGND，參考端R接收分壓訊號，且壓控開關216依據參考端R的電壓大小而決定是否導通第一端216-1與第二端216-2之間的電性路徑。
電壓取樣單元220包括有二極體225、儲能單元與壓控開關226、分壓電路227及壓控開關228。二極體225其陽極耦接二次側線圈的其中一端，儲能單元226耦接於二極體225的陰極與參考電位SGND之間。分壓電路227耦接於二極體225的陰極與參考電位SGND之間，並依據儲能單元226所儲存的電壓大小而產生分壓訊號。分壓電路227可為阻抗227-1與227-2，其中阻抗227-1的一端耦接二極體225的陰極，而阻抗227-2的一端耦接阻抗227-1的另一端，阻抗227-2的另一端耦接參考電位SGND。阻抗227-1與阻抗227-2皆可為電阻。壓控開關228具有第一端228-1、第二端228-2與參考端R，第一端228-1耦接電壓取樣單元210，第二端228-2耦接參考電位SGND，參考端R接收分壓電路227的分壓訊號，且壓控開關228依據參考端R的電壓大小而決定是否導通第一端228-1與第二端228-2之間的電性路徑。
過電壓偵測單元230包括有分壓電路235、比較器236與二極體237。分壓電路235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，分壓電路235的輸出端耦接於電壓取樣單元210，並分壓電路235依據切換式電源供應裝置100的輸出端電壓大小而輸出分壓訊號。分壓電路235可為阻抗235-1與235-2，其中阻抗235-1的一端耦接輸出端190，而阻抗235-2的一端耦接阻抗235-1的另一端，阻抗235-2的另一端耦接參考電位SGND。阻抗235-1與阻抗235-2皆可為電阻。比較器236的正輸入端接收參考值Vref，其負輸入端接收分壓電路235的分壓訊號。二極體237的陰極耦接比較器236的輸出，而其陽極耦接訊號隔離單元280。
過電壓偵測單元250包括有分壓電路255、比較器256、二極體257、儲能單元258、阻抗259。分壓電路255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，並依據輸出電壓VOUT大小而輸出分壓訊號。分壓電路255可為阻抗255-1與255-2，其中阻抗255-1的一端耦接輸出端190，而阻抗255-2的一端耦接阻抗255-1的另一端，阻抗255-2的另一端耦接參考電位SGND。阻抗255-1與阻抗255-2皆可為電阻。比較器256的正輸入端接收參考值Vref，其負輸入端接收分壓電路255的分壓訊號。儲能單元258的一端接收分壓訊號，另一端耦接參考電位SGND。二極體257的陰極耦接比較器256的輸出，而其陽極耦接訊號隔離單元280。其中，儲能單元258與分壓電路255之間還包括有阻抗259，阻抗259的一端耦接於分壓電路255之輸出端，另一端耦接儲能單元258。
訊號隔離單元280包括有訊號傳送部284、訊號接收部286與阻抗288。阻抗288的一端耦接切換式電源供應裝置100的輸出端190，而訊號傳送部284的一端耦接阻抗288的另一端，訊號傳送部284的另一端耦接二極體237與二極體257的陽極。此訊號傳送部284用以產生耦合訊號。訊號接收部286的一端耦接PWM控制電路132，而另一端耦接參考電位PGND。此訊號接收部286用以接收耦合訊號，並據以產生過電壓保護觸發訊號TRI。其中，訊號傳送部284包括是光耦合器的光發射部，光發射部用以產生光源來當作耦合訊號，而訊號接收部286包括是光耦合器的光接收部，光接收部用以接收光源所形成的耦合訊號。二極體282可視需求而決定是否採用。
接下來，將介紹過電壓保護電路200的詳細操作方式。請再參照圖1，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。
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，且二次側線圈（Secondary winding）所輸出的電壓會不斷提升。
當電壓取樣單元220偵測二次側線圈所輸出的電壓達到第三預設值時，將使壓控開關228的第一端228-1與第二端228-2形成導通狀態，以致於電壓取樣單元210的阻抗215-1耦接阻抗215-2的一端被下拉至接地電位，也就是將壓控開關216的參考端R下拉至接地電位，進而使電壓取樣單元210失能。此時，過電壓偵測單元230與過電壓偵測單元250會同時分別透過分壓電路235與分壓電路255接收輸出電壓VOUT，且判斷輸出電壓VOUT達到第一預設值，但比較器256的輸出會因儲能單元258的充電時間而延遲了一段時間後才呈現負飽和。相對的，比較器236的輸出可以很快地呈現負飽和，因而訊號傳送部284透過過電壓偵測單元230所提供的路徑很快地產生耦合訊號。而訊號接收部286在接收到耦合訊號後，便可據以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。
請再參照圖1，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。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。因此回授電路170就會正常產生回授訊號，使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，且二次側線圈（Secondary winding）所輸出的電壓就會下降。
二次側線圈所輸出的電壓下降，則電壓取樣單元220偵測二次側線圈所輸出的電壓無法達到第三預設值。此時，壓控開關216的參考端R透過分壓電路215接收分壓訊號，且當壓控開關216依據參考端R的電壓大小而導通第一端216-1與第二端216-2之間的電性路徑時，過電壓偵測單元230的阻抗235-1耦接阻抗235-2的一端被下拉至接地電位。也就是將比較器236的負輸入端下拉至接地電位，以致於比較器236的輸出呈現正飽和，且二極體237不會導通。此外，過電壓偵測單元250的比較器256則是透過分壓電路255接收分壓訊號，且比較器256的輸出會因儲能單元258的充電時間而延遲了一段時間後才呈現負飽和，進而使二極體257延遲了一段時間後才導通。由於訊號傳送部284必須等到二極體257導通後才能產生耦合訊號，因此訊號接收部286也是在延遲了該段時間後才能接收到耦合訊號而據以產生過電壓保護觸發訊號TRI給PWM控制電路132。由此可知，PWM控制電路132也是在延遲了該段時間後才能透過控制功率電晶體134的操作來降低輸出電壓VOUT，以進行過電壓保護。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，延遲時間可透過改變阻抗259的阻值來調整，也可透過改變儲能單元258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若呈現過電壓，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。藉此電壓取樣單元可據以提供不同的路徑，以進一步促使訊號隔離單元在二種不同的過電壓情況下，產生過電壓保護觸發訊號的時間也跟著不同。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。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
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
150‧‧‧整流電路
160、274、226、258‧‧‧儲能單元
170‧‧‧回授電路
180、280‧‧‧訊號隔離單元
190‧‧‧輸出端
200‧‧‧過電壓保護電路
210、220‧‧‧電壓取樣單元
215-1、215-2、227-1、227-2、235-1、235-2、255-1、255-2、259、288‧‧‧阻抗
215、227、255、235‧‧‧分壓電路
216、228‧‧‧壓控開關
216-1、228-1‧‧‧第一端
216-2、228-2‧‧‧第二端
230、250‧‧‧過電壓偵測單元
236、256‧‧‧比較器
225、237、257‧‧‧二極體
284‧‧‧訊號傳送部
286‧‧‧訊號接收部
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
R‧‧‧參考端
PGND、SGND‧‧‧參考電位
Vref‧‧‧參考值
TRI‧‧‧過電壓保護觸發訊號
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
150‧‧‧整流電路
160、274、226、258‧‧‧儲能單元
170‧‧‧回授電路
180、280‧‧‧訊號隔離單元
190‧‧‧輸出端
200‧‧‧過電壓保護電路
210、220‧‧‧電壓取樣單元
215-1、215-2、227-1、227-2、235-1、235-2、255-1、255-2、259、288‧‧‧阻抗
215、227、255、235‧‧‧分壓電路
216、228‧‧‧壓控開關
216-1、228-1‧‧‧第一端
216-2、228-2‧‧‧第二端
230、250‧‧‧過電壓偵測單元
236、256‧‧‧比較器
225、237、257‧‧‧二極體
284‧‧‧訊號傳送部
286‧‧‧訊號接收部
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
R‧‧‧參考端
PGND、SGND‧‧‧參考電位
Vref‧‧‧參考值
TRI‧‧‧過電壓保護觸發訊號

Claims (5)

  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： 一訊號隔離單元，用以產生一過電壓保護觸發訊號至該切換式電源供應裝置的一脈寬調變控制電路，以利用該過電壓保護觸發訊號來控制該脈寬調變控制電路停止產生一脈寬調變訊號； 一第一過電壓偵測單元，耦接該切換式電源供應裝置的一輸出端與該訊號隔離單元，該第一過電壓偵測單元用以接收該輸出端上的一輸出電壓，並判斷該輸出電壓的大小是否超過一第一預設值，當判斷為是時便控制該訊號隔離單元輸出與一參考電位導通，使訊號隔離單元對應產生該過電壓保護觸發訊號； 一第二過電壓偵測單元，耦接該輸出端與訊號隔離單元，該第二過電壓偵測單元用以接收該輸出端上的該輸出電壓，並判斷該輸出電壓的大小是否超過該第一預設值，當判斷為是時便於一預設時間後控制該訊號隔離單元輸出該過電壓保護觸發訊號； 一第一電壓取樣單元，耦接該輸出端與該第一過電壓偵測單元，該第一電壓取樣單元用以接收該輸出端上的該輸出電壓，並判斷該輸出電壓的大小是否超過一第二預設值，當判斷為是時便使該第一過電壓偵測單元失能；以及 一第二電壓取樣單元，耦接該第一電壓取樣單元與一變壓器的一二次側線圈的其中一端，並用以偵測該二次側線圈所輸出的電壓是否達一第三預設值，且當判斷為是時便使該第一電壓取樣單元失能，此時該第一過電壓偵測單元可正常工作。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的過電壓保護電路，其中該第一電壓取樣單元包括： 一分壓電路，耦接於該輸出端與該參考電位之間以產生一分壓訊號；以及 一壓控開關，具有一第一端、一第二端與一參考端，該參考端接收該分壓訊號，且該壓控開關依據該參考端的電壓大小而決定是否導通該第一端與該第二端之間的電性路徑。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的過電壓保護電路，其中該第二電壓取樣單元包括： 一二極體，其陽極耦接該二次側線圈的其中一端； 一儲能單元，耦接於該二極體的陰極與該參考電位之間； 一分壓電路，耦接於該二極體的陰極與該參考電位之間，並依據該儲能單元所儲存的電壓大小而產生一分壓訊號；以及 一壓控開關，具有一第一端、該第二端與一參考端，該參考端接收該分壓訊號，且該壓控開關依據該參考端的電壓大小而決定是否導通該第一端與該第二端之間的電性路徑。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的過電壓保護電路，其中該第一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參考電位之間，該分壓電路的輸出端耦接於該第一電壓取樣單元，並該分壓電路依據該切換式電源供應裝置的該輸出端電壓大小而輸出一分壓訊號；以及 一比較器，其正輸入端接收一參考，其負輸入端接收該分壓訊號；以及 一二極體，其陰極耦接該比較器的輸出，而其陽極耦接該訊號隔離單元。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的過電壓保護電路，其中該第二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參考電位之間，並依據該輸出端的電壓大小而輸出一分壓訊號； 一第一阻抗，其一端耦接於分壓電路之輸出端； 一比較器，其正輸入端接收一參考值，其負輸入端接收該分壓訊號； 一二極體，其陰極耦接該比較器的輸出，而其陽極耦接該訊號隔離單元；以及 一儲能單元，其一端耦接該第一阻抗的另外一端，而另一端耦接該參考電位。
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