TWI629844B - 動態控制過電壓保護的系統以及電壓轉換器 - Google Patents

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Abstract

動態控制過電壓保護的系統包含電壓偵測電路、過電壓保護參考訊號輸出電路以及過電壓控制訊號輸出電路。電壓偵測電路用以偵測電壓，並根據電壓輸出取樣電壓。過電壓保護參考訊號輸出電路耦接於電壓偵測電路，用以根據取樣電壓及電壓回授訊號，產生過電壓保護參考訊號。過電壓控制訊號輸出電路耦接於電壓偵測電路及過電壓保護參考訊號輸出電路，用以根據取樣電壓及過電壓保護參考訊號，產生過電壓控制訊號。

Description

動態控制過電壓保護的系統以及電壓轉換器
本發明揭露一種動態控制過電壓保護的系統以及電壓轉換器，尤指一種可偵測連續性變動輸出電壓之適應性過電壓保護的控制系統，且過電壓保護的控制系統可應用在電壓轉換器中以提供動態的電壓保護點。
隨著科技日新月異，各式各樣的電子設備已被廣泛地應用於日常生活中。由於這些電子設備的規格差異，這些電子設備所需要的驅動電壓需求也不相同。因此，為了驅動各式各樣的電子設備，電壓轉換器或是變壓器(Adapter)也常被使用於將家用電壓轉換為電子設備所支援的電壓，以使電子設備能夠正常驅動。
一般而言，電壓轉換器為了增加效率，會提供電子設備不同的電壓。例如，電子設備為智慧型手機時，電壓轉換器可以提供普通充電模式所需的電壓，也可以提供快速充電模式所需的電壓。並且，電壓轉換器為了保護其內部電路避免受到異常高電壓而損壞，常會使用過電壓保護電路(Over Voltage Protection Circuit)偵測輸出電壓並提供電路保護的功能。傳統控制過電壓保護電路的方式為針對電壓轉換器所輸出的最高電壓設定固定的電壓保護點，若電壓轉換器所輸出的最高電壓大於預先設定的電壓保護點，則過電壓保護電路將會被啟動。
然而，如前述，目前的電壓轉換器具備了改變輸出電壓的功能，因此，若僅以電壓轉換器所支援輸出的最高電壓為基準而設定固定的保護點，則負載端就須使用較高耐壓的零件，導致電路尺寸以及成本的增加。
本發明一實施例提出一種動態控制過電壓保護的系統，包含電壓偵測電路、過電壓保護參考訊號輸出電路以及過電壓控制訊號輸出電路。電壓偵測電路用以偵測電壓，並根據電壓輸出取樣電壓。過電壓保護參考訊號輸出電路耦接於電壓偵測電路，用以根據取樣電壓及電壓回授訊號，產生過電壓保護參考訊號。過電壓控制訊號輸出電路耦接於電壓偵測電路及過電壓保護參考訊號輸出電路，用以根據取樣電壓及過電壓保護參考訊號，產生過電壓控制訊號。
第1圖為動態控制過電壓保護的系統100的方塊圖。應當理解的是，本發明的系統100可應用於任何的電壓轉換器內，並具備偵測連續性變動之輸出電壓的功能。系統100可輸出過電壓控制訊號，而過電壓控制訊號即可動態地控制電壓轉換器內過電壓保護電路(Over Voltage Protection Circuit)的致能時間點。換句話說，系統100可視為一種控制系統，可應用於電壓轉換器中，用以控制電壓轉換器之過電壓保護電路的啟動時機。在第1圖中，系統100包含電壓偵測電路10、過電壓保護參考訊號輸出電路11以及過電壓控制訊號輸出電路12。電壓偵測電路10用以偵測電壓VS，並根據電壓VS輸出取樣電壓VS_DET。在此說明，電壓VS可為電壓轉換器的輸出電壓，亦可為電壓轉換器的輸出電壓之分壓，亦可為電壓轉換器的輸出電壓經過耦合處理程序後的電壓。換句話說，當電壓轉換器的輸出電壓變大時，電壓VS的強度也會遞增。過電壓保護參考訊號輸出電路11耦接於電壓偵測電路10，用以根據取樣電壓VS_DET及電壓回授訊號FB，產生過電壓保護參考訊號OVP_Ref。電壓回授訊號FB可由電壓回授電路產生，而電壓回授電路的架構將於後文詳述。電壓回授訊號FB與電壓轉換器的輸出電壓有關。當輸出電壓低於電壓回授設定時，電壓回授訊號FB之電壓會上升，電壓轉換器將提高能量輸出，輸出電壓因此上升。反之當輸出電壓高於電壓回授設定時，電壓回授訊號FB之電壓會下降，電壓轉換器將降低能量輸出，輸出電壓因而降低。當電壓回授訊號FB不受輸出電壓影響異常升高時，將導致輸出電壓異常上升。因此，若一般的電壓轉換器缺少系統100適時地啟動過電壓保護電路，過高的輸出電壓可能會損害電壓轉換器的電子元件或是負載端的電子元件。過電壓控制訊號輸出電路12耦接於電壓偵測電路10及過電壓保護參考訊號輸出電路11，用以根據取樣電壓VS_DET及過電壓保護參考訊號OVP_Ref，產生過電壓控制訊號OV。於此說明，過電壓控制訊號OV包含了控制過電壓保護電路的訊息。換句話說，當系統100應用於電壓轉換器中，電壓轉換器中的過電壓保護電路可依據過電壓控制訊號OV判斷是否啟動或是不啟動。由於一般常用的電壓轉換器中也具有過電壓保護電路，因此，本發明的系統100可輕易地應用於一般常用的電壓轉換器中，以連續且動態的方式控制過電壓保護電路的啟動時機，達到可適性過電壓保護的功效。為了描述的完整性，以下將描述系統100內每一個電路模組的架構，並將引入一個實施例來呈現系統100內各訊號的波形以及控制過電壓保護電路的方法。
第2A圖為系統100內，電壓偵測電路10的架構圖。第2B圖為系統100內，電壓偵測電路10的另一種架構圖。為了避免混淆，第2A圖中的電壓偵測電路的代號令為10a，第2B圖中的電壓偵測電路的代號令為10b。電壓偵測電路10a包含第一開關SW1以及第一電容C1。第一開關SW1包含第一端以及第二端。第一端用以接收電壓VS，第二端用以在第一開關SW1為導通狀態時輸出電壓VS。第一電容C1包含第一端及第二端。第一端耦接於第一開關SW1之第二端，用以輸出取樣電壓VS_DET，第二端耦接於接地端。如第2A圖所示，由於電壓偵測電路11a具有第一開關SW1以及第一電容C1，因此電壓偵測電路11a可視為一種取樣保持(Sample and Hold)電路。舉例而言，當第一開關SW1為導通狀態時，取樣電壓VS_DET的電位會等於電壓VS的電位，因此取樣電壓VS_DET在此可視為對電壓VS的取樣結果。當第一開關SW1為截止狀態時，第一電容C1會釋放出對應電壓VS先前取樣狀態的電位，因此取樣電壓VS_DET在此可視為保持先前對電壓VS之取樣結果。因此，取樣電壓VS_DET的波形可為階梯式的波形，將於後文描述。在電壓偵測電路10a中，第一開關SW1可為自動化開關，可自動偵測電壓VS的波形而進行取樣處理。然而，第一開關SW1也可為控制開關，如第2B圖之電壓偵測電路10b所示。電壓偵測電路10b的架構類似於電壓偵測電路10a的架構，差異之處在於電壓偵測電路10b的第一開關SW1另包含控制端，用以接收控制訊號CTR。控制訊號CTR可為系統預設的時脈訊號或是使用者外部控制的訊號。然而，本發明的電壓偵測電路10並不被電壓偵測電路10a以及電壓偵測電路10b的架構所侷限，任何合理的硬體更動皆屬於本發明的範疇。
第3圖至第6圖為系統100中，描述了過電壓保護參考訊號輸出電路11之四種不同架構的實施例。為了避免混淆，第3圖中的過電壓保護參考訊號輸出電路的代號令為11a，第4圖中的過電壓保護參考訊號輸出電路的代號令為11b，第5圖中的過電壓保護參考訊號輸出電路的代號令為11c，第6圖中的過電壓保護參考訊號輸出電路的代號令為11d。過電壓保護參考訊號輸出電路11a包含放大及儲存電路13以及第一比較器CMP1。第一比較器CMP1包含第一輸入端、第二輸入端及輸出端。第一輸入端用以接收電壓回授訊號FB，第二輸入端用以接收參考電壓FB_Ref，輸出端用以輸出第一比較訊號S1至放大及儲存電路13。於此，參考電壓FB_Ref為一個固定電位的電壓，其電位可為系統預設值或是使用者自訂值。放大及儲存電路13用以依據取樣電壓VS_DET及第一比較訊號S1，輸出過電壓保護參考訊號OVP_Ref。過電壓保護參考訊號輸出電路11a的放大及儲存電路13包含放大器AMP、第一電阻R1、第二電阻R2、第二開關SW2及第二電容C2。放大器AMP包含第一輸入端、第二輸入端及輸出端。第一輸入端耦接於電壓偵測電路10之輸出端，用以接收取樣電壓VS_DET，輸出端用以輸出放大電壓VE。第一電阻R1包含第一端及第二端。第一端耦接於接地端，第二端耦接於放大器AMP之第二輸入端。第二電阻R2包含第一端及第二端。第一端耦接於第一電阻R1之第二端，第二端耦接於放大器AMP之輸出端。於此說明，放大器AMP可為任何具有將電壓放大的裝置，在本實施例中，放大器AMP的放大倍率取決於第一電阻R1與第二電阻R2的電阻比值。並且，第一電阻R1與第二電阻R2之任何硬體上的合理變換均屬於本發明的範疇。舉例而言，第一電阻R1可以變更為兩電阻，以串聯方式互相耦接而產生等同於第一電阻R1的阻抗。第二開關SW2包含第一端、第二端及控制端。第一端耦接於第二電阻R2之第二端，用以接收放大電壓VE，第二端用以在第二開關SW2為導通狀態時輸出放大電壓VE，控制端耦接於第一比較器CMP1之輸出端，用以接收第一比較訊號S1。第二電容C2包含第一端及第二端。第一端耦接於第二開關SW2之該第二端，用以輸出過電壓保護參考訊號OVP_Ref，第二端耦接於接地端。類似電壓偵測電路10a中第一開關SW1以及第一電容C1的功能，過電壓保護參考訊號輸出電路11a中的第二開關SW2以及第二電容C2也具備了將訊號取樣保持(Sample and Hold)的功能。描述於下。當電壓回授訊號FB大於參考電壓FB_Ref時，第一比較器CMP1輸出之第一比較訊號S1具有第一電壓準位，因此，接收到第一比較訊號S1的第二開關SW2會變成截止狀態。當電壓回授訊號FB小於參考電壓FB_Ref時，第一比較器CMP1輸出之第一比較訊號S1具有第二電壓準位，因此，接收到第一比較訊號S1的第二開關SW2會變成導通狀態。當第二開關SW2為導通狀態時，過電壓保護參考訊號OVP_Ref的電位會等於放大電壓VE的電位，因此過電壓保護參考訊號OVP_Ref在此可視為對放大電壓VE的取樣結果。當第二開關SW2為截止狀態時，第二電容C2會釋放出對應放大電壓VE先前取樣狀態的電位，因此過電壓保護參考訊號OVP_Ref在此可視為保持先前對放大電壓VE之取樣結果。因此，過電壓保護參考訊號OVP_Ref的波形可為階梯式的波形，將於後文描述。然而，應當理解的是，過電壓保護參考訊號輸出電路11a中的放大器AMP以及具有取樣保持功能的第二開關SW2及第二電容C2，可組成一個線性系統(Linear System)。因此，放大器AMP以及具有取樣保持功能的第二開關SW2及第二電容C2之耦接順序可以交換。更簡單地說，取樣電壓VS_DET先被放大再被做取樣保持處理，和先被做取樣保持處理再被放大，其輸出結果是一樣的，實施例描述於下。
第4圖中的過電壓保護參考訊號輸出電路11b的架構類似於過電壓保護參考訊號輸出電路11a。過電壓保護參考訊號輸出電路11b中也包含了過電壓保護參考訊號輸出電路11a的電路元件，如放大器AMP、第一電阻R1、第二電阻R2、第二開關SW2、第二電容C2以及第一比較器CMP1。過電壓保護參考訊號輸出電路11a與11b的差異之處為放大及儲存電路內的結構不同。更詳細地說，在過電壓保護參考訊號輸出電路11b中，第二開關SW2之第一端耦接於電壓偵測電路10之輸出端，用以接收取樣電壓VS_DET。第二開關SW2之第二端用以在第二開關SW2為導通狀態時輸出取樣電壓VS_DET。第二開關SW2之控制端耦接於第一比較器CMP1之輸出端，用以接收第一比較訊號S1。第二電容C2的第一端耦接於第二開關SW2之第二端，第二電容C2的第二端耦接於接地端。放大器AMP之第一輸入端耦接於第二電容C2之第一端，放大器AMP之輸出端用以輸出過電壓保護參考訊號OVP_Ref。第一電阻R1之第一端耦接於接地端，第一電阻R1之第二端耦接於放大器AMP之第二輸入端。第二電阻R2之第一端耦接於第一電阻R1之第二端，第二電阻R2之第二端耦接於放大器AMP之輸出端。比對過電壓保護參考訊號輸出電路11a及過電壓保護參考訊號輸出電路11b可知悉，放大器AMP以及具有取樣保持功能的第二開關SW2及第二電容C2之耦接順序在過電壓保護參考訊號輸出電路11a以及過電壓保護參考訊號輸出電路11b之中是不同的。在過電壓保護參考訊號輸出電路11a中，取樣電壓VS_DET會先被放大器AMP放大，再被第二開關SW2及第二電容C2進行取樣保持的處理。而在過電壓保護參考訊號輸出電路11b中，取樣電壓VS_DET會先被第二開關SW2及第二電容C2進行取樣保持的處理，再被放大器AMP放大。然而，如前述，放大器AMP以及具有取樣保持功能的第二開關SW2及第二電容C2，可組成一個線性系統(Linear System)。因此，放大器AMP以及具有取樣保持功能的第二開關SW2及第二電容C2之耦接順序可以交換。換句話說，取樣電壓VS_DET先被放大再被做取樣保持處理，和先被做取樣保持處理再被放大，最後過電壓保護參考訊號OVP_Ref的輸出結果是一樣的。
在過電壓保護參考訊號輸出電路11a中，第二開關SW2的狀態是根據第一比較訊號S1之電壓準位而操作。當電壓回授訊號FB大於參考電壓FB_Ref時，第一比較器CMP1輸出之第一比較訊號S1具有第一電壓準位，造成第二開關SW2會變成截止狀態。當電壓回授訊號FB小於參考電壓FB_Ref時，第一比較器CMP1輸出之第一比較訊號S1具有第二電壓準位，造成第二開關SW2會變成導通狀態。然而，任何硬體上的合理更動接手於本發明的範疇。舉例而言，如第5圖的過電壓保護參考訊號輸出電路11c。第5圖的過電壓保護參考訊號輸出電路11c的架構類似於第3圖之過電壓保護參考訊號輸出電路11a，兩者的差異在於過電壓保護參考訊號輸出電路11c之第一比較器CMP1的輸出端引入了反相器Inv。反相器Inv的功能為依據第一比較訊號S1，產生與第一比較訊號S1邏輯相反的訊號。然而，為了使過電壓保護參考訊號輸出電路11c能夠正常運作，過電壓保護參考訊號輸出電路11c內的第二開關SW2也可以使用與前述實施例邏輯相反的第二開關。舉例而言，過電壓保護參考訊號輸出電路11a及11b中的第二開關SW2可為N型金屬氧化物半導體場效電晶體，過電壓保護參考訊號輸出電路11c中的第二開關SW2可為P型金屬氧化物半導體場效電晶體。因此，在第5圖的過電壓保護參考訊號輸出電路11c中，以下描述的操作模式仍然成立。當電壓回授訊號FB大於參考電壓FB_Ref時，第二開關SW2會變成截止狀態。當電壓回授訊號FB小於參考電壓FB_Ref時，第二開關SW2會變成導通狀態。換句話說，在過電壓保護參考訊號輸出電路11c中，取樣電壓VS_DET會先被放大器AMP放大，再被第二開關SW2及第二電容C2進行取樣保持的處理，操作模式類似於過電壓保護參考訊號輸出電路11a的操作，因此於此將不再贅述。
如前述，取樣電壓VS_DET先被放大器AMP放大，再被第二開關SW2及第二電容C2進行取樣保持的處理，與取樣電壓VS_DET先被第二開關SW2及第二電容C2進行取樣保持的處理，再被放大器AMP放大，最後輸出的過電壓保護參考訊號OVP_Ref是相同的。因此，過電壓保護參考訊號輸出電路11c中的放大器AMP、第二開關SW2及第二電容C2的耦接順序可以互換，其實施例描述如下。第6圖的過電壓保護參考訊號輸出電路11d的架構類似於第5圖之過電壓保護參考訊號輸出電路11c，兩者的差異之處在於放大器AMP、第二開關SW2及第二電容C2的耦接順序不同。過電壓保護參考訊號輸出電路11d的放大器AMP、第二開關SW2及第二電容C2的耦接順序同於過電壓保護參考訊號輸出電路11b。因此，在過電壓保護參考訊號輸出電路11d中之取樣電壓VS_DET先被第二開關SW2及第二電容C2進行取樣保持的處理，再被放大器AMP放大的操作，相同於過電壓保護參考訊號輸出電路11b的操作，於此將不贅述。
第7圖為系統100內，過電壓控制訊號輸出電路12的架構圖。過電壓控制訊號輸出電路12包含第二比較器CMP2。第二比較器CMP2包含第一輸入端、第二輸入端以及輸出端。第一輸入端耦接於電壓偵測電路10之輸出端，用以接收取樣電壓VS_DET，第二輸入端耦接於過電壓保護參考訊號輸出電路11之輸出端，用以接收過電壓保護參考訊號OVP_Ref，輸出端用以輸出過電壓控制訊號OV。在過電壓控制訊號輸出電路12中，當取樣電壓VS_DET大於過電壓保護參考訊號OVP_Ref之電壓時，第二比較器CMP2所輸出的過電壓控制訊號OV會具有第三電壓準位。當取樣電壓VS_DET小於過電壓保護參考訊號OVP_Ref之電壓時，第二比較器CMP2所輸出的過電壓控制訊號OV會具有第四電壓準位。換句話說，第二比較器CMP2所輸出的過電壓控制訊號OV的波形可為具有雙準位的訊號。更具體地說，若第四電壓準位為零電位且第三電壓準位為高電位，則過電壓控制訊號OV的波形可為單極訊號(Unipolar Signal)。過電壓控制訊號OV的波形變化將觸發過電壓保護電路的啟動時機，實際的例子將於後文詳述。
於前文中提及，過電壓保護參考訊號輸出電路11耦接於電壓偵測電路10，用以根據取樣電壓VS_DET及電壓回授訊號FB，產生過電壓保護參考訊號OVP_Ref。為了描述更為完整，以下將說明電壓回授訊號FB的產生方式和特性。第8圖為系統100所接收的電壓回授訊號之產生電路15(以下稱為：電壓回授訊號產生電路15)的架構圖。系統100可另包含電壓回授訊號產生電路15，而電壓回授訊號產生電路15可耦接於電壓轉換器中的輸出電壓產生器14，而輸出電壓產生器14可為任何在電壓轉換器內的物理式變壓器，例如以線圈纏繞而成的變壓器。輸出電壓產生器14具有產生輸出電壓Vo的功能。如第8圖所示，電壓回授訊號產生電路15包含了許多電阻R3至R6、電容C3以及C4、發光二極體D、穩壓二極體Z、光電晶體T。發光二極體D具有依據電流而發光的特性，而光電晶體T具有利用光耦合而產生光電流的特性。在電壓回授訊號產生電路15中，回授電壓Vx可視為輸出電壓Vo的分壓，因此回授電壓Vx跟輸出電壓Vo為比例關係。當回授電壓Vx低於穩壓二極體Z的參考電壓時，穩壓二極體Z趨近於截止狀態，流經發光二極體D的電流icp1很小。因此，可流過光電晶體T之電流icp2也很小。電壓回授訊號FB為高電壓，輸出電壓產生器14將提供較大的能量至輸出端以提高輸出電壓Vo。當回授電壓Vx高於穩壓二極體Z的參考電壓時，穩壓二極體Z趨近於導通狀態，流經發光二極體D的電流icp1將變大。因此，發光二極體D發光強度變強。此發光效果將觸發光電晶體T之光耦合效應，進而產生較大的電流icp2。並且，隨著輸出電壓Vo的遞增，將導致光電流icp2變小，最終會使輸出電壓Vo趨於穩定。換句話說，若電壓回授訊號FB不是因輸出電壓Vo影響而上升時，將使輸出電壓Vo異常升壓。因此，如前述，若傳統的電壓轉換器缺少系統100適時地啟動過電壓保護電路，過高的輸出電壓Vo可能會損害電壓轉換器的電子元件或是負載端的電子元件。
以下將配合前述系統100之實施例的電路架構，描述系統100可如何產生能夠動態地控制過電壓保護電路之過電壓控制訊號OV。並且，應當理解的是，上述實施例所示的”放大器”可為任何形式的放大器，例如功率放大器、運算放大器等等。任何放大器的種類及電路並不侷限本發明的範圍。
第9圖為之系統100所接收的電壓VS被取樣的示意圖，可一併參閱電壓偵測電路10的電路架構(描述於第2A圖或第2B圖)。如前述，電壓偵測電路10中的第一開關SW1以及第一電容C1具有將電壓VS做取樣保持(Sample and Hold)的處理。因此電壓偵測電路10所輸出的取樣電壓VS_DET可視為將電壓VS進行取樣保持的結果。如第9圖所示，X軸為時間，Y軸為電壓準位。電壓VS可為具有電壓波動的訊號，由於取樣電壓VS_DET可視為將電壓VS進行取樣保持的結果，因此取樣電壓VS_DET的波形為階梯式的波形。且保持時間Thold即對應第一開關SW1為截止狀態的時間。因此，具有電壓波動的電壓VS經過電壓偵測電路10之取樣保持處理後，將變為階梯式波形的取樣電壓VS_DET。
第10圖為系統100中，電壓回授訊號FB與參考電壓FB_Ref進行比較的示意圖，可一併參閱過電壓保護參考訊號輸出電路11的電路架構(描述於第3圖至第6圖)。在過電壓保護參考訊號輸出電路11中，如前述，當電壓回授訊號FB小於參考電壓FB_Ref時，第二開關SW2會變成導通狀態，使取樣電壓VS_DET被取樣，因此輸出的過電壓保護參考訊號OVP_Ref會與取樣電壓VS_DET成比例的電位(取樣電壓VS_DET可先利用放大器AMP放大，具有放大倍率α)。因此過電壓保護參考訊號OVP_Ref可視為對放大後之取樣電壓(α×VS_DET)取樣的結果。當電壓回授訊號FB大於參考電壓FB_Ref時，第二開關SW2會變成截止狀態，第二電容C2會釋放出前次取樣的電位，因此過電壓保護參考訊號OVP_Ref會維持前次取樣的電位。因此，如第10圖所示，當取樣電壓VS_DET為遞增時，在時間點0至時間點P1之間，電壓回授訊號FB小於參考電壓FB_Ref。因此，過電壓保護參考訊號OVP_Ref可視為對放大後之取樣電壓(α×VS_DET)取樣的結果，可預期過電壓保護參考訊號OVP_Ref在時間點0至時間點P1之間也為遞增。在時間點P1之後，電壓回授訊號FB大於參考電壓FB_Ref。因此，過電壓保護參考訊號OVP_Ref會維持前次取樣的電位，可預期過電壓保護參考訊號OVP_Ref在時間點P1之後為固定電壓的狀態。
第11A圖為系統100中，取樣電壓VS_DET與過電壓保護參考訊號OVP_Ref進行比較的示意圖，可一併參閱過電壓控制訊號輸出電路12的電路架構(描述於第7圖)。如前述，於第11A圖中，過電壓保護參考訊號OVP_Ref在時間點0至時間點P1之間為遞增，而在時間點P1之後會維持前次取樣的電位。並且，在過電壓控制訊號輸出電路12中，當取樣電壓VS_DET小於過電壓保護參考訊號OVP_Ref之電壓時，第二比較器CMP2所輸出的過電壓控制訊號OV會具有第四電壓準位(可為低電位或零電位)。當取樣電壓VS_DET大於過電壓保護參考訊號OVP_Ref之電壓時，第二比較器CMP2所輸出的過電壓控制訊號OV會具有第三電壓準位(可為高電位)。因此，在第11A圖中，在時間點0至時間點P2之間，取樣電壓VS_DET小於過電壓保護參考訊號OVP_Ref之電壓。因此，可預期過電壓控制訊號OV為低電位。在時間點P2之後，取樣電壓VS_DET大於過電壓保護參考訊號OVP_Ref之電壓。因此，可預期過電壓控制訊號OV為高電位。應當理解的是，取樣電壓VS_DET以及過電壓保護參考訊號OVP_Ref都是經過取樣保持(Sample and Hold)處理後所產生的訊號。因此，取樣電壓VS_DET的波形以及過電壓保護參考訊號OVP_Ref的波形應為階梯式的波形。第11A圖僅是為了描述方便，將時間軸放大而使取樣電壓VS_DET以及過電壓保護參考訊號OVP_Ref以直線的波形繪示。然而，為了方便理解，在第11A圖中，過電壓保護參考訊號OVP_Ref的區域A1將被放大表示，如第11B圖所示。在第11B圖中，過電壓保護參考訊號OVP_Ref的區域A1被放大為區域A2，而在區域A2之中可以觀察出過電壓保護參考訊號OVP_Ref為階梯式的波形。類似地，在第11A圖中，取樣電壓VS_DET的區域B1將被放大表示，如第11C圖所示。在第11C圖中，取樣電壓VS_DET的區域B1被放大為區域B2，而在區域B2之中可以觀察出取樣電壓VS_DET為階梯式的波形。
第12圖為系統100中，過電壓控制訊號OV的波形示意圖。如前述，在時間點0至時間點P2之間，過電壓控制訊號OV為低電位L。在時間點P2之後，過電壓控制訊號OV為高電位H。由於過電壓控制訊號OV為具有兩個電位的訊號，因此過電壓保護電路可依據過電壓控制訊號OV之電位執行對應的操作。例如，當過電壓保護電路接收到低電位L的過電壓控制訊號OV時，不會致能過電壓保護機制，稱為正常模式。反之，當過電壓保護電路接收到高電位H的過電壓控制訊號OV時，會致能過電壓保護機制，稱為保護模式。換句話說，利用過電壓控制訊號OV所帶的電位訊息，可決定過電壓保護電路啟動的時間點。在本實施例中，電壓保護電路啟動的時間點為時間點P2。
第13圖係為本發明具有動態控制過電壓保護功能的電壓轉換器200的架構圖。於此說明，本發明的動態控制過電壓保護的系統100可應用於反馳式(Fly-back)電壓轉換器200。然而，本發明的動態控制過電壓保護的系統100的應用範圍並不被第13圖的電壓轉換器200所侷限，任何合理的硬體變換皆屬於本發明的範疇。在第13圖中，電壓轉換器200包含電壓輸入電路16、變壓器模組17、電壓回授訊號產生電路15、感應電壓模組18以及控制單元19。電壓輸入電路16用以接收輸入電壓Vin。電壓輸入電路16可包含整流器R以及電容C5，整流器R可用並聯的方式耦接於電容C5。變壓器模組17耦接於電壓輸入電路16，用以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vo。變壓器模組17包含第一繞組線圈CA以及第二繞組線圈CB。變壓器模組17也可選擇性地加入包含二極體D1、電阻R10以及電容C7的緩衝電路。第一繞組線圈CA的第一端耦接於整流器R，第一繞組線圈的第二端耦接於電晶體TC，及第二繞組線圈CB的第一端透過二極體D2產生輸出電壓Vo。然而，電阻R10、電容C7以及二極體D1在其它實施例亦可省略。變壓器模組17還可選擇性地加入電容C8。電壓回授訊號產生電路15的電路架構以及運作方式相同於第8圖的描述。因此，電壓回授訊號產生電路15內各電路元件的符號將沿用第8圖所示的符號，且電壓回授訊號產生電路15的詳細運作方式於此將省略。電壓回授訊號產生電路15包含發光二極體D、穩壓二極體Z、光電晶體T，以及複數個電阻R3至R6。發光二極體D耦接於穩壓二極體Z，並透過電阻R3耦接於變壓器模組17。光電晶體T耦接於控制單元19，用以根據發光二極體D的狀態產生光電流。如前述，在電壓回授訊號產生電路15中，至少二電阻(例如R4及R6)將輸出電壓Vo分壓以產生回授電壓Vx，當回授電壓Vx低於穩壓二極體Z的參考電壓時，穩壓二極體Z趨近為截止狀態，當回授電壓Vx高於穩壓二極體Z的參考電壓時，穩壓二極體Z趨近為導通狀態。電壓回授訊號產生電路15還可選擇性地加入電容C6。感應電壓模組18耦接於該電壓輸入電路16，包含第三繞組線圈CC以及由電阻R8以及R9組成的分壓電路。第三繞組線圈CC用以感測輸出電壓Vo。電阻R8以及R9組成的分壓電路耦接於第三繞組線圈CC及控制單元19，用以將輸出電壓Vo分壓以產生輸入至控制單元19的電壓VS。感應電壓模組18亦可透過耦接於第三繞組線圈CC的電阻R7以及二極體D3，與電壓輸入電路16連接。而控制單元19可為控制晶片、控制電路或是處理器等等。控制單元19耦接於變壓器模組17、電壓回授訊號產生電路15及感應電壓模組18，用以控制變壓器模組17。舉例而言，控制單元19可產生驅動控制訊號DRV以及控制訊號CS，以控制電晶體TC的導通或截止，並配合電阻R11而改變變壓器模組17內的電流狀態以及電壓強度。控制單元19內具有動態控制過電壓保護的系統100，換句話說，控制單元19也包含了第1圖所述之電壓偵測電路10、過電壓保護參考訊號輸出電路11以及過電壓控制訊號輸出電路12。如同前述動態控制過電壓保護的系統100的架構，電壓偵測電路10用以偵測電壓VS，並根據電壓VS輸出取樣電壓VS_DET。過電壓保護參考訊號輸出電路11耦接於電壓偵測電路10，用以根據取樣電壓VS_DET及電壓回授訊號FB，產生過電壓保護參考訊號OVP_Ref。過電壓控制訊號輸出電路12耦接於電壓偵測電路10及過電壓保護參考訊號輸出電路11，用以根據取樣電壓VS_DET及過電壓保護參考訊號OVP_Ref，產生過電壓控制訊號OV。然而，電壓轉換器200的控制單元19可再包含過電壓保護電路(Over Voltage Protection Circuit)，用以根據過電壓控制訊號OV動態地啟動或解除電路保護的功能。
綜上所述，本發明描述了一種動態控制過電壓保護的系統以及將動態控制過電壓保護的系統應用於電壓轉換器的架構。動態控制過電壓保護的系統具有偵測連續性變動輸出電壓的功能以及動態控制電壓保護的時間點之功能。相異於傳統利用固定電壓保護點控制電壓保護的啟動時機，本發明的控制系統會連續地偵測輸出電壓以及電壓回授訊號，並以自動化的機制產生電壓保護的時間點。並且，隨著輸出電壓以及電壓回授訊號的變化，系統所產生之電壓保護的時間點也將動態地變化。因此，本發明的控制過電壓保護的系統，可視為一種具有可適性地產生電壓保護的時間點之系統，除了能增加過電壓保護的可靠度外，亦不會導致電路尺寸以及成本需求增加的問題。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 100 </td><td> 系統 </td></tr><tr><td> 10、10a、10b </td><td> 電壓偵測電路 </td></tr><tr><td> 11、11a、11b、11c、11d </td><td> 過電壓保護參考訊號輸出電路 </td></tr><tr><td> 12 </td><td> 過電壓控制訊號輸出電路 </td></tr><tr><td> VS、Vo、Vx </td><td> 電壓 </td></tr><tr><td> FB </td><td> 電壓回授訊號 </td></tr><tr><td> VS_DET </td><td> 取樣電壓 </td></tr><tr><td> OVP_Ref </td><td> 過電壓保護參考訊號 </td></tr><tr><td> OV </td><td> 過電壓控制訊號 </td></tr><tr><td> SW1、SW2 </td><td> 開關 </td></tr><tr><td> C1至C8 </td><td> 電容 </td></tr><tr><td> AMP </td><td> 放大器 </td></tr><tr><td> R1至R11 </td><td> 電阻 </td></tr><tr><td> CMP1、CMP2 </td><td> 比較器 </td></tr><tr><td> FB_Ref </td><td> 參考電壓 </td></tr><tr><td> S1 </td><td> 比較訊號 </td></tr><tr><td> Inv </td><td> 反相器 </td></tr><tr><td> D </td><td> 發光二極體 </td></tr><tr><td> Z </td><td> 齊納二極體 </td></tr><tr><td> T </td><td> 光電晶體 </td></tr><tr><td> icp1、icp2 </td><td> 電流 </td></tr><tr><td> 14 </td><td> 輸出電壓產生器 </td></tr><tr><td> P1、P2 </td><td> 時間點 </td></tr><tr><td> A1、A2、B1、B2 </td><td> 區域 </td></tr><tr><td> VE </td><td> 放大電壓 </td></tr><tr><td> 15 </td><td> 電壓回授訊號產生電路 </td></tr><tr><td> Thold </td><td> 保持時間 </td></tr><tr><td> Vx </td><td> 回授電壓 </td></tr><tr><td> 200 </td><td> 電壓轉換器 </td></tr><tr><td> 16 </td><td> 電壓輸入電路 </td></tr><tr><td> 17 </td><td> 變壓器模組 </td></tr><tr><td> 18 </td><td> 感應電壓模組 </td></tr><tr><td> 19 </td><td> 控制單元 </td></tr><tr><td> DRV </td><td> 驅動控制訊號 </td></tr><tr><td> CS </td><td> 控制訊號 </td></tr><tr><td> TC </td><td> 電晶體 </td></tr><tr><td> D1至D3 </td><td> 二極體 </td></tr><tr><td> R </td><td> 整流器 </td></tr><tr><td> Vin </td><td> 輸入電壓 </td></tr><tr><td> CA、CB及CC </td><td> 繞組線圈 </td></tr></TBODY></TABLE>
第1圖係為本發明之動態控制過電壓保護的系統之實施例的方塊圖。 第2A圖係為第1圖之系統內，電壓偵測電路的架構圖。 第2B圖係為第1圖之系統內，電壓偵測電路的另一種架構圖。 第3圖係為第1圖之系統內，過電壓保護參考訊號輸出電路的第一種架構圖。 第4圖係為第1圖之系統內，過電壓保護參考訊號輸出電路的第二種架構圖。 第5圖係為第1圖之系統內，過電壓保護參考訊號輸出電路的第三種架構圖。 第6圖係為第1圖之系統內，過電壓保護參考訊號輸出電路的第四種架構圖。 第7圖係為第1圖之系統內，過電壓控制訊號輸出電路的架構圖。 第8圖係為第1圖之系統所接收的電壓回授訊號之產生電路的架構圖。 第9圖係為第1圖之系統所接收的電壓被取樣的示意圖。 第10圖係為第1圖之系統中，電壓回授訊號與參考電壓進行比較的示意圖。 第11A圖係為第1圖之系統中，取樣電壓與過電壓保護參考訊號進行比較的示意圖。 第11B圖係為第11A圖中，過電壓保護參考訊號的一個區域的放大圖。 第11C圖係為第11A圖中，取樣電壓的一個區域的放大圖。 第12圖係為第1圖之系統中，過電壓控制訊號的波形示意圖。 第13圖係為本發明具有動態控制過電壓保護功能的電壓轉換器的架構圖。

Claims (15)

  1. 一種動態控制過電壓保護的系統，包含： 一電壓偵測電路，用以偵測一電壓，並根據該電壓輸出一取樣電壓； 一過電壓保護參考訊號輸出電路，耦接於該電壓偵測電路，用以根據該取樣電壓及一電壓回授訊號，產生一過電壓保護參考訊號；及 一過電壓控制訊號輸出電路，耦接於該電壓偵測電路及該過電壓保護參考訊號輸出電路，用以根據該取樣電壓及該過電壓保護參考訊號，產生一過電壓控制訊號。
  2. 如請求項1所述之系統，其中該電壓偵測電路包含： 一第一開關，包含： 一第一端，用以接收該電壓；及 一第二端，用以在該第一開關為一導通狀態時，輸出該電壓；及 一第一電容，包含： 一第一端，耦接於該第一開關之該第二端，用以輸出該取樣電壓；及 一第二端，耦接於一接地端。
  3. 如請求項2所述之系統，其中該第一開關係為一自動化開關。
  4. 如請求項2所述之系統，其中該第一開關係為一控制開關，且該第一開關另包含一控制端，用以接收一控制訊號。
  5. 如請求項1所述之系統，其中該過電壓保護參考訊號輸出電路包含： 一放大及儲存電路，用以依據該取樣電壓及一第一比較訊號，輸出該過電壓保護參考訊號；及 一第一比較器，包含： 一第一輸入端，用以接收該電壓回授訊號； 一第二輸入端，用以接收一參考電壓；及 一輸出端，耦接於該放大及儲存電路之該第二輸入端，用以輸出該第一比較訊號至該放大及儲存電路。
  6. 如請求項5所述之系統，其中該放大及儲存電路包含： 一放大器，包含： 一第一輸入端，耦接於電壓偵測電路之該輸出端，用以接收該取樣電壓； 一第二輸入端；及 一輸出端，用以輸出一放大電壓； 一第一電阻，包含： 一第一端，耦接於一接地端；及 一第二端，耦接於該放大器之該第二輸入端； 一第二電阻，包含： 一第一端，耦接於該第一電阻之該第二端；及 一第二端，耦接於該放大器之該輸出端； 一第二開關，包含： 一第一端，耦接於該第二電阻之該第二端，用以接收該放大電壓； 一第二端，用以在該第二開關為一導通狀態時輸出該放大電壓；及 一控制端，耦接於該第一比較器之輸出端，用以接收該第一比較訊號；及 一第二電容，包含： 一第一端，耦接於該第二開關之該第二端，用以輸出該過電壓保護參考訊號；及 一第二端，耦接於該接地端； 其中當該電壓回授訊號大於該參考電壓時，該第一比較器輸出之該第一比較訊號具有一第一電壓準位，以使該第二開關為一截止狀態，及當該電壓回授訊號小於該參考電壓時，該第一比較器輸出之該第一比較訊號具有一第二電壓準位，以使該第二開關為該導通狀態。
  7. 如請求項5所述之系統，其中該放大及儲存電路包含： 一第二開關，包含： 一第一端，耦接於電壓偵測電路之該輸出端，用以接收該取樣電壓；一第二端，用以在該第二開關為一導通狀態時輸出該取樣電壓；及 一控制端，耦接於該第一比較器之輸出端，用以接收該第一比較訊號； 一第二電容，包含： 一第一端，耦接於該第二開關之該第二端；及 一第二端，耦接於該接地端； 一放大器，包含： 一第一輸入端，耦接於該第二電容之該第一端； 一第二輸入端；及 一輸出端，用以輸出該過電壓保護參考訊號； 一第一電阻，包含： 一第一端，耦接於一接地端；及 一第二端，耦接於該放大器之該第二輸入端；及 一第二電阻，包含： 一第一端，耦接於該第一電阻之該第二端；及 一第二端，耦接於該放大器之該輸出端； 其中當該電壓回授訊號大於該參考電壓時，該第一比較器輸出之該第一比較訊號具有一第一電壓準位，以使該第二開關為一截止狀態，及當該電壓回授訊號小於等於該參考電壓時，該第一比較器輸出之該第一比較訊號具有一第二電壓準位，以使該第二開關為該導通狀態。
  8. 如請求項1所述之系統，其中該過電壓控制訊號輸出電路包含一第二比較器，該第二比較器包含： 一第一輸入端，耦接於該電壓偵測電路之該輸出端，用以接收該取樣電壓； 一第二輸入端，耦接於該過電壓保護參考訊號輸出電路之該輸出端，用以接收該過電壓保護參考訊號；及 一輸出端，用以輸出該過電壓控制訊號； 其中當該取樣電壓大於該過電壓保護參考訊號時，該過電壓控制訊號具有一第三電壓準位，及當該取樣電壓小於該過電壓保護參考訊號時，該過電壓控制訊號具有一第四電壓準位。
  9. 如請求項8所述之系統，其中當該過電壓控制訊號具有該第三電壓準位時，一過電壓保護電路會被致能，及當該過電壓控制訊號具有該第四電壓準位時，該過電壓保護電路會被除能。
  10. 一種具有動態控制過電壓保護功能的電壓轉換器，包含： 一電壓輸入電路，用以接收一輸入電壓； 一變壓器模組，耦接於該電壓輸入電路，用以將該輸入電壓轉換為一輸出電壓； 一電壓回授訊號產生電路，耦接於該變壓器模組，用以產生一電壓回授訊號； 一感應電壓模組，耦接於該電壓輸入電路，用以產生一電壓；及 一控制單元，耦接於該變壓器模組、該電壓回授訊號產生電路及該感應電壓模組，用以控制該變壓器模組，該控制單元包含： 一電壓偵測電路，用以偵測該電壓，並根據該電壓輸出一取樣電壓； 一過電壓保護參考訊號輸出電路，耦接於該電壓偵測電路，用以根據該取樣電壓及該電壓回授訊號，產生一過電壓保護參考訊號；及 一過電壓控制訊號輸出電路，耦接於該電壓偵測電路及該過電壓保護參考訊號輸出電路，用以根據該取樣電壓及該過電壓保護參考訊號，產生一過電壓控制訊號。
  11. 如請求項10所述之電壓轉換器，其中該電壓輸入電路包含一整流器及一電容，該整流器係以並聯的方式耦接於該電容。
  12. 如請求項10所述之電壓轉換器，其中該變壓器模組包含第一繞組線圈以及第二繞組線圈，該第一繞組線圈的一第一端耦接於一緩衝電路，該第一繞組線圈的一第二端耦接於該緩衝電路，該第二繞組線圈的一第一端透過一二極體輸出該輸出電壓，及該緩衝電路包含至少一電容、至少一電阻及至少一二極體。
  13. 如請求項10所述之電壓轉換器，其中該電壓回授訊號產生電路包含一發光二極體、一穩壓二極體、一光電晶體，以及複數個電阻，該發光二極體耦接於該穩壓二極體及透過一電阻耦接於該變壓器模組，及該光電晶體耦接於該控制單元，用以根據該發光二極體的狀態，產生一光電流。
  14. 如請求項13所述之電壓轉換器，其中該複數個電阻中至少二電阻將該輸出電壓分壓以產生一回授電壓，當該回授電壓低於該穩壓二極體的一參考電壓時，該穩壓二極體趨近為一截止狀態，及當該回授電壓高於該穩壓二極體的該參考電壓時，該穩壓二極體趨近為一導通狀態。
  15. 如請求項10所述之電壓轉換器，其中該感應電壓模組包含一第三繞組線圈以及一分壓電路，該第三繞組線圈用以感測該輸出電壓，該分壓電路耦接於該第三繞組線圈及該控制單元，用以將該輸出電壓分壓以產生輸入至該控制單元的該電壓。
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