TWI614975B

TWI614975B - 過電壓保護電路

Info

Publication number: TWI614975B
Application number: TW105139045A
Authority: TW
Inventors: 許志源
Original assignee: 亞源科技股份有限公司
Priority date: 2016-11-28
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2018-02-11
Also published as: TW201820755A

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包括有阻抗210、阻抗220、儲能單元230、開關單元240、過電壓偵測單元250、電壓取樣單元270與訊號隔離單元280。阻抗210具有第一阻值，阻抗220具有第二阻值，而第二阻值大於第一阻值。儲能單元230的一端耦接阻抗210的其中一端與阻抗220的其中一端，而儲能單元230的另一端耦接參考電位SGND。其中，參考電位SGND為接地電位。

開關單元240具有第一端241、第二端242與第三端243，第二端242耦接阻抗210的另一端，第一端241耦接阻抗220的其中一端。過電壓偵測單元250耦接切換式電源供應裝置100的輸出端190、開關單元240的第一端241與阻抗220的另一端，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。

電壓取樣單元270，具有第四端271與第五端278-5，第五端278-5耦接開關單元240的第三端243，第四端271耦接切換式電源供應裝置100的變壓器的二次側線圈的其中一端，用以偵測二次側線圈所輸出的電壓是否達第二預設值，且當判斷為是時便導通第五端278-5與參考電位SGND，且若過電壓偵測單元250輸出為正電壓則可控制開關單元240導通第一端241與第二端242之間的電性路徑。

訊號隔離單元280，耦接第一儲能單元230、阻抗210、阻抗220與切換式電源供應裝置100的PWM控制電路132，並依據儲能單元230所儲存的電壓大小來決定是否產生過電壓保護觸發訊號TRI，以利用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給功率電晶體134。

在此例中，阻抗210、阻抗220與儲能單元230可分別為電阻與電容。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。如圖1所示，過電壓偵測單元250包括有分壓電路252與比較器254。分壓電路252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。比較器254的正輸入端用以接收分壓電路252的分壓訊號，負輸入端用以接收參考電位Vref，而其輸出則耦接開關單元240的第一端241與阻抗220。分壓電路252可為阻抗252-1與252-2，其中阻抗252-1的一端耦接輸出端190，而阻抗252-2的一端耦接阻抗252-1的另一端，阻抗252-2的另一端耦接參考電位SGND。阻抗252-1與252-2皆可為電阻。

開關單元240包括有PNP型電晶體244、阻抗245與阻抗246。PNP型電晶體244具有射極、基極與集極，且其基極透過阻抗245耦接電壓取樣單元270的第五端278-5，並據以決定是否導通。

電壓取樣單元270包括有二極體273、儲能單元274、分壓電路276與壓控開關278。二極體273的陽極耦接變壓器140的二次側線圈的一端。儲能單元274耦接於二極體273的陰極與參考電位SGND之間。分壓電路276耦接於二極體273的陰極與參考電位SGND之間，並依據儲能單元274所儲存的電壓而產生分壓訊號。壓控開關278具有第五端278-5、第六端278-6與參考端R，且第五端278-5耦接開關單元260，第六端278-6耦接參考電位SGND，而參考端R用以接收分壓電路276所產生的分壓訊號。當壓控開關278的參考端R的電壓達到第三預設值時，壓控開關278便使第五端278-5與第六端278-6形成導通狀態。分壓電路276可為阻抗276-1與276-2。其中阻抗276-1的一端耦接二極體273的陰極，阻抗276-2的一端耦接阻抗276-1的另一端，而阻抗276-2的另一端耦接參考電位SGND。

訊號隔離單元280包括有二極體282、訊號傳送部284與訊號接收部286。二極體282的陽極耦接儲能單元230與阻抗220。訊號傳送部284的一端耦接二極體282的陰極，而另一端耦接參考電位SGND。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。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上的輸出電壓VOUT超過第一預設值，而使得分壓電路252所產生分壓訊號的電壓大於參考電位Vref的電壓時，比較器254的輸出便會呈現正飽和。

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。

當二次側線圈所輸出的電壓不斷提升而達到第二預設值，進而使分壓電路276所產生的分壓訊號的電壓達到第三預設值時，將使壓控開關278的第五端278-5與第六端278-6形成導通狀態。因此，開關單元240的第三端243將會電連接至參考電位SGND而被下拉至接地電位，進而使開關單元240的第一端241與第二端242形成導通狀態。由於PNP型電晶體244所提供的路徑的阻值會遠小於阻抗220的阻值，因此比較器254輸出的電流會選擇走PNP型電晶體244所提供的路徑來對儲能單元230充電。

根據前述說明，儲能單元230可以很快地充飽而使二極體282導通，而使訊號傳送部284可以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。

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上的輸出電壓VOUT超過第一預設值，而使分壓電路252所產生分壓訊號的電壓大於參考電位Vref的電壓時，比較器254的輸出便會呈現正飽和。

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。

當二次側線圈所輸出的電壓不斷下降而無法達到第二預設值，而使分壓電路276所產生的分壓訊號的電壓也無法達到第三預設值時，將無法使壓控開關278的第五端278-5與第六端278-6形成導通狀態。因此PNP型電晶體244也會跟著呈現關閉狀態（Off state），進而無法使開關單元240的一端241與第二端242形成導通狀態。因此比較器254輸出的電流只能透過阻抗220來對儲能單元230充電。

由於阻抗220的阻值遠大於PNP型電晶體244所提供的路徑的阻值，因此儲能單元230的充電時間就會變長而使二極體282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282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220的阻值來調整，也可透過改變儲能單元230的電容值來調整。

在一實施態樣中，阻抗210耦接於開關單元240的第一端241與PNP型電晶體244的射極之間。由於，此實施態樣的電路操作方式與圖1所示電路的操作方式相同，在此便不再贅述。

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決定是否控制開關單元提供並聯於阻抗的路徑，以進一步決定是要讓電流通過阻抗來對儲能單元進行充電，或是讓電流通過路徑來對儲能單元進行充電。而由於上述路徑的阻值小於該阻抗的阻值，使得儲能單元在二種不同的過電壓情況下能有二種不同的充電時間，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、230、274‧‧‧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、245、246、252-1、252-2、276-1、276-2‧‧‧阻抗
240‧‧‧開關單元
241‧‧‧第一端
242‧‧‧第二端
243‧‧‧第三端
244‧‧‧PNP型電晶體
250‧‧‧過電壓偵測單元
252、276‧‧‧分壓電路
254‧‧‧比較器
270‧‧‧電壓取樣單元
271‧‧‧第四端
273、282‧‧‧二極體
278‧‧‧壓控開關
278-5‧‧‧第五端
278-6‧‧‧第六端
280‧‧‧訊號隔離單元
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、Vref‧‧‧參考電位
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、230、274‧‧‧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、245、246、252-1、252-2、276-1、276-2‧‧‧阻抗

240‧‧‧開關單元

241‧‧‧第一端

242‧‧‧第二端

243‧‧‧第三端

244‧‧‧PNP型電晶體

250‧‧‧過電壓偵測單元

252、276‧‧‧分壓電路

254‧‧‧比較器

270‧‧‧電壓取樣單元

271‧‧‧第四端

273、282‧‧‧二極體

278‧‧‧壓控開關

278-5‧‧‧第五端

278-6‧‧‧第六端

280‧‧‧訊號隔離單元

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、Vref‧‧‧參考電位

TRI‧‧‧過電壓保護觸發訊號

Claims

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：一第一阻抗，其具有一第一阻值；一第二阻抗，其具有一第二阻值，該第二阻值大於該第一阻值；一第一儲能單元，其一端耦接該第二阻抗的其中一端，而該第一儲能單元的另一端耦接一第一參考電位；一開關單元，其具有一第一端、一第二端與一第三端，該第一端耦接第二阻抗的其中一端；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，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，當判斷為是時便輸出一正電壓至該開關單元的該第一端；一電壓取樣單元，具有一第四端與一第五端，該第五端耦接該開關單元的該第三端，該第四端耦接一變壓器的一二次側線圈的其中一端，用以偵測該二次側線圈所輸出的電壓是否達一第二預設值，且當判斷為是時便導通該第五端與該第一參考電位，且若該過電壓偵測單元輸出該正電壓則可控制該開關單元導通該第一端與該第二端之間的電性路徑；以及一訊號隔離單元，耦接該第一儲能單元、該第二阻抗與一脈寬調變控制電路，並依據該第一儲能單元所儲存的電壓大小來決定是否產生一過電壓保護觸發訊號，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。
如申請專利範圍第1項所述的過電壓保護電路，其中該第一阻抗的其中一端耦接該第一儲能單元，另一端耦接該開關單元的該第二端。
如申請專利範圍第1項所述的過電壓保護電路，其中該開關單元包括有：一PNP型電晶體，該PNP型電晶體具有一射極、一基極與一集極，該射極耦接該過電壓偵測單元的輸出，該集極耦接該第二端，而該基極耦接該第三端；以及一第三阻抗，該第三阻抗耦接於該第三端與該切換式電源供應裝置的該輸出端之間。
如申請專利範圍第3項所述的過電壓保護電路，其中該第一阻抗的其中一端耦接該開關單元的該第一端，另一端耦接該PNP型電晶體的該射極。
如申請專利範圍第1項所述的過電壓保護電路，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大小而產生一分壓訊號；以及一比較器，其負輸入端接收一第二參考電位，其正輸入端接收該分壓訊號，而其輸出耦接該開關單元的該第一端與該第二阻抗的另一端。
如申請專利範圍第1項所述的過電壓保護電路，其中該電壓取樣單元包括：一二極體，其陽極耦接該二次側線圈的其中一端；一第二儲能單元，耦接於該二極體的陰極與該第一參考電位之間；一分壓電路，耦接於該二極體的陰極與該第一參考電位之間，並依據該第二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，具有該第五端、一第六端與一參考端，該第六端耦接該第一參考電位，而該參考端接收該分壓訊號，且當該參考端的電壓達到一第三預設值時，該壓控開關便導通該第五端與該第六端之間的路徑。
如申請專利範圍第1項所述的過電壓保護電路，其中該訊號隔離單元包括：一二極體，其陽極耦接該第一儲能單元、該第二阻抗；一訊號傳送部，其一端耦接該二極體之陰極，而其另一端耦接該第一參考電位，該訊號傳送部用以產生一耦合訊號；以及一訊號接收部，其一端耦接該脈寬調變控制電路，而其另一端耦接一第二參考電位，該訊號接收部用以接收該耦合訊號，並據以產生該過電壓保護觸發訊號。
如申請專利範圍第7項所述的過電壓保護電路，其中該訊號傳送部包括是一光耦合器的一光發射部，該光發射部用以產生一光源來當作該耦合訊號，而該訊號接收部包括是該光耦合器的一光接收部，該光接收部用以接收該光源所形成的該耦合訊號，並據以產生該過電壓保護觸發訊號。