TWI761902B - 提供有短路保護之電源控制器以及相關之控制方法 - Google Patents

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Abstract

一種電源控制器，控制功率開關。功率開關、電流偵測電阻、及電感元件，串聯二電源線之間。電流偵測電阻提供電流偵測信號。電源控制器包括PWM信號產生器及短路保護電路。PWM信號產生器產生PWM信號給功率開關，以產生數個開關週期。每一開關週期具有開啟時間及關閉時間。短路保護電路接收電流偵測信號，包含高通濾波器及狀態偵測電路。高通濾波器高通濾波電流偵測信號，以產生濾波後信號。狀態偵測電路偵測濾波後信號。當濾波後信號於開啟時間內符合預設條件時，狀態偵測電路提供短路保護信號，禁能PWM信號產生器，使功率開關保持關閉。

Description

提供有短路保護之電源控制器以及相關之控制方法
本發明係關於一種適用於開關式電源供應器的電源控制器以及相關之控制方法；特別關於開關式電源供應器中之電流偵測電阻短路時，電源控制器所提供的短路保護技術。
電源供應器除了要求有精準的輸出電壓或是輸出電流之外，也必須具有一些防護機制，用來預防不正常或是不預期之錯誤狀況發生時。舉例來說，一般常見的防護機制有輸出過電壓保護(output over-voltage protection)、輸出過電流保護(output over-current protection)、過溫度保護(over-temperature protection)以及短路保護(short circuit protection)。
短路保護所要求的是當電源供應器中的任一電子零件發生短路情形時，電源供應器不能對於外界產生任何風險。電源供應器中往往具有一電流偵測電阻，用來偵測流經電源供應器中功率開關的電流。當電流偵測電阻發生短路時，如果沒有適時地反應，往往在一兩個開關週期內，流經功率開關就會變得非常的大，電源供應器有爆炸或是著火的風險。
圖1顯示習知的返馳式電源供應器10，其中包含有變壓器TF、功率開關20、電流偵測電阻RCS、補償電容CCOMP、電源控制器100、二極體DS、以及輸出電容COUT，彼此的連接關係如圖1所示。變壓器TF包含有主繞組PRM以及二次側繞組SEC。主繞組PRM、功率開關20、與電流偵測電阻RCS串接於輸入電源線IN與輸入地GNDIN，兩條電源線之間。電源控制器100提供PWM信號SDRV，控制功率開關20，使得二次側繞組SEC電感感應地產生交流電壓與電流，其經過二極體DS整流後，在輸出端OUT產生輸出電壓VOUT，提供負載24電源。電流偵測電阻RCS提供電流偵測信號VCS回饋給電源控制器100。
圖2A顯示當電流偵測電阻RCS正常時，PWM信號SDRV、電流偵測信號VCS與流經主繞組PRM的輸入電流IIN之信號波形。當電流偵測信號VCS超過電源控制器100依據補償信號VCOMP所產生的衰減補償信號(attenuated compensation signal)VCOMP-AN時，電源控制器100就結束開啟時間TON，如此控制輸入電流IIN的峰值。如同圖2A所示，當電流偵測電阻RCS正常時，電流偵測信號VCS的波形大約等同於輸入電流IIN的波形。
圖2B顯示當電流偵測電阻RCS短路時，PWM信號SDRV、電流偵測信號VCS與輸入電流IIN之信號波形。由於電流偵測電阻RCS的電阻等效上變成0歐姆了，因此電流偵測信號VCS一直為0V。因為電流偵測信號VCS一直沒有超過衰減補償信號VCOMP-AN，電源控制器100使得開啟時間TON為最大開啟時間(maximum ON time)，造成了關閉時間TOFF過短，輸入電流IIN來不及在 這開關週期內釋放，又從下一個開關週期不斷爬升。很快的，在一兩個開關週期內，變壓器TF將因為輸入電流IIN過大而磁飽和，有炸機著火的危險。
本發明之實施例揭露一種電源控制器，用以控制一功率開關。該功率開關、一電流偵測電阻、以及一電感元件，串聯於二電源線之間。該電流偵測電阻可提供一電流偵測信號。該電源控制器包括一PWM信號產生器以及一短路保護電路。該PWM信號產生器產生一PWM信號給該功率開關，以產生數個開關週期。每一開關週期具有一開啟時間以及一關閉時間。該短路保護電路接收該電流偵測信號，包含有一高通濾波器以及一狀態偵測電路。該高通濾波器高通濾波該電流偵測信號，以產生一濾波後信號。該狀態偵測電路偵測該濾波後信號。當該濾波後信號於該開啟時間內符合一預設條件時，該狀態偵測電路提供一短路保護信號，禁能該PWM信號產生器，使得該功率開關保持關閉。
本發明之實施例揭露一種控制方法，適用於一電源控制器，其控制一功率開關。該功率開關、一電流偵測電阻、以及一電感元件，串聯於二電源線之間。該電流偵測電阻可提供一電流偵測信號。該控制方法包括：開關該功率開關，以產生數個開關週期，每一開關週期具有一開啟時間以及一關閉時間；於該開啟時間內，高通濾波該電流偵測信號，以產生一濾波後信號；以及，當該濾波後信號於該開啟時間內符合一預設條件時，提供一短路保護信號，使得該功率開關保持關閉。
10:返馳式電源供應器
20:功率開關
24:負載
100、100a:電源控制器
101:PWM信號產生器
102:頻率控制器
104:開啟時間控制器
106:邏輯電路
108:短路保護電路
110:驅動電路
112:前緣遮蔽信號產生器
114:衰減器
116:比較器
118:高通濾波器
119:狀態偵測電路
120:比較器
121:箝制電路
122:脈衝產生器
124:開關
125:SR正反器
126:D正反器
128:SR正反器
BEN:禁能端
CCOMP:補償電容
COUT:輸出電容
CS:電流偵測接腳
DS:二極體
GNDIN:輸入地
IN:輸入電源線
IIN:輸入電流
OUT:輸出端
PRM:主繞組
RCS:電流偵測電阻
SCHK:短脈衝
SDRV、SG:PWM信號
SEC:二次側繞組
SLEB:前緣遮蔽信號
SRISK:風險信號
SS_PRO:短路保護信號
t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7:時間點
TCYC:開關週期
TF:變壓器
TLEB:前緣遮蔽時間
TOFF:關閉時間
TON:開啟時間
VCOMP:補償信號
VCOMP-AN:衰減補償信號
VCS:電流偵測信號
VCS-HPF:濾波後信號
VREF:預設電壓
圖1顯示習知的返馳式電源供應器。
圖2A顯示當電流偵測電阻正常時，PWM信號、電流偵測信號與流經主繞組的輸入電流之信號波形。
圖2B顯示當電流偵測電阻短路時，PWM信號、電流偵測信號與輸入電流之信號波形。
圖3顯示依據本發明所實施的電源控制器。
圖4A顯示當電流偵測電阻正常時，電源控制器之PWM信號、電流偵測信號、前緣遮蔽信號、短脈衝、濾波後信號、風險信號、與短路保護信號之信號波形。
圖4B顯示當電流偵測電阻短路時的一些信號波形。
在本說明書中，有一些相同的符號，其表示具有相同或是類似之結構、功能、原理的元件，且為業界具有一般知識能力者可以依據本說明書之教導而推知。為說明書之簡潔度考量，相同之符號的元件將不再重述。
儘管以下本發明之實施例具有返馳式架構，但是本發明並不限於此。在其他的實施例中，本發明可適用於其他電源轉換架構，譬如昇壓器(booster)。
圖3顯示依據本發明所實施的電源控制器100a。在一實施例中，電源控制器100a取代圖1中的電源控制器100，來控制功率開關20。電源控制器100a包含有PWM信號產生器101與短路保護電路108。
PWM信號產生器101依據補償信號VCOMP與電流偵測信號VCS，產生PWM信號SDRV給開關功率開關20，產生數個開關週期TCYC，每一開關週期TCYC以一開啟時間TON與一關閉時間TOFF所構成。
補償信號VCOMP可以依據輸出電壓VOUT與預設之目標電壓之比較結果而產生。舉例來說，一誤差放大器可以比較輸出電壓VOUT與目標電壓，據以對補償電容CCOMP充電或是放電，產生補償信號VCOMP，目的是使得輸出電壓VOUT大約控制在目標電壓。
頻率控制器102依據補償信號VCOMP，決定開關週期TCYC的長度。大約一開關週期TCYC後，頻率控制器102設置邏輯電路106中的SR正反器128，使得PWM信號SG為邏輯上的”1”。依據PWM信號SG，驅動電路110產生相對應的PWM信號SDRV，透過PWM信號SDRV，開始開啟功率開關20。因此，PWM信號SDRV與PWM信號SG邏輯上是相互等同，儘管他們的電壓準位可能不同。頻率控制器102決定了開啟時間TON的起點，或是關閉時間TOFF的終點。
開啟時間控制器104包含有衰減器(attenuator)114，其依據補償信號VCOMP，產生衰減補償信號VCOMP-AN。衰減補償信號VCOMP-AN可以說是縮減版的補償信號VCOMP。舉例來說，衰減補償信號VCOMP-AN大約為常數K與補償信號VCOMP的乘積，而常數K介於0到1之間。開啟時間控制器104依據補償信號VCOMP與電流偵測信號VCS，來決定開啟時間TON。在開啟時間TON內，如果電流偵測信號VCS超過了衰減補償信號VCOMP-AN，比較器116可以重置SR正反器128，使得PWM信號SG與SDRV為邏輯上的”0”，結束開啟時間TON，開始關閉時間TOFF。
開啟時間控制器104另包含有前緣遮蔽信號產生器112，其由PWM信號SG的上升緣所觸發，產生前緣遮蔽信號SLEB，可以定義開啟時間TON一開始 時的前緣遮蔽時間TLEB。如同圖3所示，在前緣遮蔽信號SLEB為邏輯上的”1”的前緣遮蔽時間TLEB內，比較器116的輸出被擋住，無法重置SR正反器128。因此，前緣遮蔽信號產生器112使得開啟時間TON的長度至少是前緣遮蔽時間TLEB。
短路保護電路108有高通濾波器118、箝制電路121、與狀態偵測電路119。
高通濾波器118對電流偵測信號VCS進行高通濾波，產生濾波後信號VCS-HPF。舉例來說，高通濾波器118可以包含有一電容以及一電阻，串聯於電流偵測接腳CS與比較器120之反向輸入端之間。另一實施例中，高通濾波器118有一電容，串聯於電流偵測接腳CS與比較器120之反向輸入端之間，以及一電阻，連接於比較器120之反向輸入端與輸入地GNDIN之間。
箝制電路121有開關124與一些邏輯閘。箝制電路121在關閉時間TOFF以及開啟時間TON一開始時的前緣遮蔽時間TLEB內，將濾波後信號VCS-HPF箝制為一起始值，這起始值在圖3中舉例但不限定為0V。換言之，箝制電路121在關閉時間TOFF與前緣遮蔽時間TLEB內，將濾波後信號VCS-HPF設定為起始值。
狀態偵測電路119偵測濾波後信號VCS-HPF。當濾波後信號VCS-HPF於開啟時間TON內符合一預設條件時，狀態偵測電路119提供短路保護信號SS_PRO，透過禁能端BEN，禁能PWM信號產生器101，使得功率開關20保持關閉。狀態偵測電路119包含有比較器120、SR正反器125、D正反器126、以及脈衝產生器122。在一實施例中，這預設條件是濾波後信號VCS-HPF不高於預設電壓VREF。
風險信號SRISK在前緣遮蔽時間TLEB內，被SR正反器125預設為邏輯上的”1”。比較器120比較濾波後信號VCS-HPF以及預設電壓VREF。預設電壓VREF可以是，但不限定是0.1V。一但濾波後信號VCS-HPF超過了預設電壓VREF，就把風 險信號SRISK重置為邏輯上的”0”。脈衝產生器122在前緣遮蔽時間TLEB後之一預設時間點，提供短脈衝SCHK給D正反器126的時脈輸入端，來檢查風險信號SRISK，據以產生短路保護信號SS_PRO。
圖4A顯示當電流偵測電阻RCS正常時，電源控制器100a之PWM信號SDRV與SG、電流偵測信號VCS、前緣遮蔽信號SLEB、短脈衝SCHK、濾波後信號VCS-HPF、風險信號SRISK、與短路保護信號SS_PRO之信號波形。圖4A與圖2A相似或相同之處，可以參閱先前之教導而得知，不再重述。
如同圖4A所示，前緣遮蔽信號SLEB定義了開啟時間TON一開始時的前緣遮蔽時間TLEB，也就是前緣遮蔽信號SLEB為邏輯上的”1”的時間。在圖4A中，前緣遮蔽時間TLEB位於時間點t0到t1之間。在前緣遮蔽時間TLEB與關閉時間TOFF內，濾波後信號VCS-HPF被箝制電路121箝制為0V。在前緣遮蔽時間TLEB內，風險信號SRISK預設為第一位準，亦即邏輯上的”1”。
前緣遮蔽時間TLEB後，箝制電路121不再箝制濾波後信號VCS-HPF。因此，濾波後信號VCS-HPF反應電流偵測信號VCS的動態變化，開始從0V上升。當濾波後信號VCS-HPF超過預設電壓VREF時，風險信號SRISK轉為異於第一位準，亦即邏輯上的”0”。
脈衝產生器122在前緣遮蔽時間TLEB後之時間點t2，提供短脈衝SCHK給D正反器126的時脈輸入端。此時，因為風險信號SRISK為邏輯上的”0”，因此短路保護信號SS_PRO還是保持為邏輯上的”0”，視為電流偵測電阻RCS為正常。因此，PWM信號產生器101可以在時間點t4，再度開啟功率開關20，開始新的開啟時間TON。
相較於圖4A，圖4B顯示當電流偵測電阻RCS短路時的一些信號波 形。圖4B中，因為電流偵測電阻RCS短路了，所以電流偵測信號VCS大約都維持在0V。
在圖4B中，前緣遮蔽時間TLEB位於時間點t5到t6之間。在前緣遮蔽時間TLEB內，濾波後信號VCS-HPF被箝制電路121箝制為0V，所以風險信號SRISK被預設為邏輯上的”1”。
在圖4B之前緣遮蔽時間TLEB後，儘管箝制電路121不再箝制濾波後信號VCS-HPF，電流偵測信號VCS還是大約為0V，幾乎沒有動態變化，所以濾波後信號VCS-HPF大約為0V。濾波後信號VCS-HPF一直沒有超過預設電壓VREF，所以風險信號SRISK還是維持在第一位準，亦即邏輯上的”1”。
脈衝產生器122在前緣遮蔽時間TLEB後之時間點t7，提供短脈衝SCHK給D正反器126的時脈輸入端。此時，因為風險信號SRISK為第一位準，亦即邏輯上的”1”，因此短路保護信號SS_PRO轉為邏輯上的”1”，馬上就透過邏輯電路106關閉了功率開關20。因為短路保護信號SS_PRO會一直維持在邏輯上的”1”，所以功率開關20將會一直維持在關閉狀態，達到短路保護的效果。
從圖4B可知，當電流偵測電阻RCS短路時，電源控制器100a在一個開啟時間TON內，就可以快速的偵測出來，並且對應地關閉功率開關20，終止了電源轉換，提供了即時短路保護機制。
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。
100a:電源控制器
101:PWM信號產生器
102:頻率控制器
104:開啟時間控制器
106:邏輯電路
108:短路保護電路
110:驅動電路
112:前緣遮蔽信號產生器
114:衰減器
116:比較器
118:高通濾波器
119:狀態偵測電路
120:比較器
121:箝制電路
122:脈衝產生器
124:開關
125:SR正反器
126:D正反器
128:SR正反器
BEN:禁能端
CS:電流偵測接腳
SCHK:短脈衝
SDRV、SG:PWM信號
SLEB:前緣遮蔽信號
SRISK:風險信號
SS_PRO:短路保護信號
VCOMP:補償信號
VCOMP-AN:衰減補償信號
VCS:電流偵測信號
VCS-HPF:濾波後信號
VREF:預設電壓

Claims (17)

  1. 一種電源控制器，用以控制一功率開關，該功率開關、一電流偵測電阻、以及一電感元件，串聯於二電源線之間，該電流偵測電阻可提供一電流偵測信號，該電源控制器包括：一PWM信號產生器，用以產生一PWM信號給該功率開關，以產生數個開關週期，該數個開關週期包含啟始的一第一開關週期，該第一開關週期具有一開啟時間以及一關閉時間；以及一短路保護電路，用以接收該電流偵測信號，包含有：一高通濾波器，用以高通濾波該電流偵測信號，以產生一濾波後信號；以及一狀態偵測電路，偵測該濾波後信號，當該濾波後信號於該開啟時間內小於一預設電壓時，該狀態偵測電路提供一短路保護信號，禁能該PWM信號產生器，使得該功率開關保持關閉。
  2. 如請求項1之電源控制器，其中，該短路保護電路另包含有：一箝制電路，用以在該開啟時間的一開始時，設定該濾波後信號為一起始值。
  3. 如請求項2之電源控制器，其中，該PWM信號產生器包含有一前緣遮蔽信號產生器，用以定義該開啟時間一開始之一前緣遮蔽時間，該箝制電路在該前緣遮蔽時間內，設定該濾波後信號為該起始值。
  4. 如請求項3之電源控制器，其中，該PWM信號產生器依據該電流偵測信號，來決定該開啟時間，且該開啟時間至少是該前緣遮蔽時間。
  5. 如請求項3之電源控制器，其中，該狀態偵測電路包含有一比較器，比較該濾波後信號以及一預設電壓，用以產生一風險信號。
  6. 如請求項5之電源控制器，其中該起始值小於該預設電壓，使得該風險信號於該前緣遮蔽時間內為一第一位準。
  7. 如請求項6之電源控制器，其中，該狀態偵測電路於該前緣遮蔽時間後之一預設時間點，檢查該風險信號，據以產生該短路保護信號。
  8. 如請求項7之電源控制器，其中，於該預設時間點，當該濾波後信號大於該預設電壓時，該風險信號為異於該第一位準，該狀態偵測電路不產生該短路保護信號；當該濾波後信號小於該預設電壓時，該風險信號為該第一位準，該狀態偵測電路產生該短路保護信號。
  9. 一種控制方法，適用於一電源控制器，其控制一功率開關，該功率開關、一電流偵測電阻、以及一電感元件，串聯於二電源線之間，該電流偵測電阻可提供一電流偵測信號，該控制方法包括：開關該功率開關，以產生數個開關週期，該數個開關週期包含啟始的一第一開關週期，第一開關週期具有一開啟時間以及一關閉時間；於該開啟時間內，高通濾波該電流偵測信號，以產生一濾波後信號；以及當該濾波後信號於該開啟時間內小於一預設電壓時，提供一短路保護信號，使得該功率開關保持關閉。
  10. 如請求項9之控制方法，另包括：使得該開啟時間至少為一前緣遮蔽時間；以及於該前緣遮蔽時間內，將該濾波後信號設定為一起始值。
  11. 如請求項10之控制方法，另包括：比較該濾波後信號與一預設電壓，用以產生一風險信號；以及 於該前緣遮蔽時間後之一預設時間點，檢查該風險信號，據以產生該短路保護信號。
  12. 如請求項11之控制方法，另包括：其中該起始值小於該預設電壓，使該風險信號為一第一位準；當該濾波後信號大於該預設電壓時，於該預設時間點前，該風險信號為異於該第一位準，而不產生該短路保護信號；以及當該濾波後信號小於該預設電壓時，於該預設時間點，該風險信號仍為該第一位準，進而產生該短路保護信號。
  13. 一種電源控制器，用以控制一功率開關，該功率開關、一主繞組、一電流偵測電阻、以及一電感元件，串聯於二電源線之間，一輸入電流流經該主繞組，當該電流偵測電阻未發生短路時，該電流偵測電阻可依據該輸入電流而提供一電流偵測信號，該電源控制器包括：一PWM信號產生器，用以產生一PWM信號給該功率開關，以產生數個開關週期，每一開關週期具有一開啟時間以及一關閉時間；以及一短路保護電路，用以接收該電流偵測信號，且該短路保護電路包含有：一高通濾波器，用以高通濾波該電流偵測信號，以產生一濾波後信號；以及一狀態偵測電路，偵測該濾波後信號，且當該濾波後信號於該開啟時間內符合該電流偵測電阻發生短路無法依據該輸入電流而提供該電流偵測信號的一預設條件時，該狀態偵測電路根據該預設條件而提供一短路保護信號，以通過該短路保護信號禁能該PWM信號產生器，使得該功率開關保持關閉。
  14. 如請求項13之電源控制器，其中，該短路保護電路另包含有：一箝制電路，用以在該開啟時間的一開始時，設定該濾波後信號為一起始值。
  15. 如請求項14之電源控制器，其中，該PWM信號產生器包含有一前緣遮蔽信號產生器，用以定義該開啟時間一開始之一前緣遮蔽時間，該箝制電路在該前緣遮蔽時間內，設定該濾波後信號為該起始值。
  16. 如請求項14之電源控制器，其中，該狀態偵測電路包含有一比較器，比較該濾波後信號以及一預設電壓，用以產生一風險信號；該起始值小於該預設電壓，使得該風險信號於該前緣遮蔽時間內為一第一位準。
  17. 如請求項16之電源控制器，其中，該狀態偵測電路於該前緣遮蔽時間後之一預設時間點，檢查該風險信號，據以產生該短路保護信號。
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