TWI762973B - 基於脈衝寬度調變的過電流保護電路與其運作方法 - Google Patents

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Abstract

一種基於脈衝寬度調變的過電流保護電路與其運作方法，所述過電流保護電路包括一脈衝寬度調變電路，連接電源開關電路的電荷泵與一負載偵測電路，其中電荷泵根據一時脈電壓信號向電源開關電路輸出一電壓，而負載偵測電路可根據電源開關電路在輸出端的負載偵測通過此電源開關電路的一過電流。如此，當負載偵測電路偵測到過電流時，由脈衝寬度調變電路控制電荷泵的一工作週期寬度，以抑制電荷泵輸出的電壓，藉此修正電源開關電路的輸出電壓，可以避免或降低過電流。

Description

基於脈衝寬度調變的過電流保護電路與其運作方法
說明書公開一種過電流保護方案，特別是一種利用脈衝寬度調變技術抑制在電源控制電路中過電流的保護電路與其運作方法。
電子裝置常見在電源電路中設計一過電流保護電路，用於將電流鉗制在一定的電流大小，目的是能抑制電路中過大的電流，避免有大電流經過其中元件而造成損壞的問題，具有保護電路的功能。
可參考圖1顯示設於一電路系統中的電源開關電路示意圖，以通用序列匯流排C型(USB Type-C)的控制電路為例，其中電源開關電路10負責控制從源端(source)的電源端(VCONN)到耗電的吸端(SINK)的共集極端(Common Collector，CC)之間的電流(ICC)大小。這是一種功率金氧半電晶體(Power MOS)的架構，隨著其中吸端(SINK)負載大小的不同，有時會有超出預期的負載，將導致大電流從電源(VCONN)流至共集極電路(CC)，這時候即採用過電流保護裝置，以將此通用序列匯流排C型通過的電路鉗制在一定的大小。
習知技術中，電流保護裝置採用一種突衝模式(Burst Mode)的機制，當電源端(VCONN)到共集極端(CC)之間的電流(ICC)超出額定範圍時，過電流保護裝置發出一種過電流保護電壓(VOCP)將會從0到1， 藉此調整電路中的時脈信號(CLK)以抑制電荷泵(Charge Pump)12的輸出電壓(VCP)，使得電源開關電路10中電晶體的閘極(GATE)端電壓降低，也就讓電流(ICC)縮小，不過，習知的過電流保護方法將產生極大的輸出電壓漣波(ripple)，並不適用於高穩定度需求之應用。
採用突衝模式執行過電流保護後的輸出電壓(VCS)變化可參考圖2A，突衝模式下對應的時脈信號可參考圖2B，圖2C則是顯示產生過電流保護電壓(VOCP)的時序圖。
一般情況下，電路中的電荷泵12依照此固定時間產生的時脈電壓信號(VDUTY)經由電源開關(power switch)中的閘極端提供輸出電壓(VCP)，例如10V的電壓。當偵測到過電流時，即啟動突衝模式進行過電流保護，同時產生過電流保護電壓(VOCP)，如圖2C所示，再以此電流保護電壓(VOCP)調整時脈電壓信號(VDUTY)，如圖2B所示，能通過這個方式降低電荷泵12供應給電源開關的閘極端的電壓，可參考圖2A顯示電源開關經過修正的輸出電壓(VCS)，其中VREF為電路提供的參考電壓，藉此顯示修正落差為△V1。
不過，習知以突衝模式執行過電流保護的缺失是，因為時脈電壓信號(VDUTY)維持時間過長導致電荷泵12的輸出電壓(VCP)電壓漣波太大，也使得輸出電壓(VCS)在突衝模式下每次供應過大的能量，加上過長的抑制時間，影響了之後電源開關的電流漣波。
有鑑於習知過電流保護措施尚無法解決所有問題，例如採用突衝模式抑制過電流的方式會因為每次傳送的能量過大而在電壓端產生漣波問題，說明書提出一種基於脈衝寬度調變的過電流保護電路與其運作方法，提 出一種調整電路中電荷泵(charge pump)工作週期(duty cycle)的脈衝寬度(pulse width)以調變通過電源開關(power switch)的電流，能有效抑制過電流，並避免輸出電壓漣波。
根據一揭露書提出的實施例，所述基於脈衝寬度調變的過電流保護電路的運作方法主要是根據電源開關電路在一輸出端的負載偵測通過此電源開關電路的過電流，所述負載為電源開關電路輸出電壓得出。當偵測到過電流，將通過一脈衝寬度調變電路控制提供電源開關電路電壓的一電荷泵的工作週期寬度，通過調整工作週期寬度抑制電荷泵向電源開關電路輸出的電壓，藉此修正電源開關電路輸出的輸出電壓，以抑制過電流。
進一步地，所述電源開關電路連接一負載偵測電路，此負載偵測電路即根據電源開關電路在輸出端的負載判斷是否有過電流。
進一步地，當偵測到過電流，負載偵測電路產生一過電流保護電壓，使得脈衝寬度調變電路可根據此過電流保護電壓調整輸出至電荷泵的一時脈電壓信號，而控制電荷泵輸出電壓的工作週期的寬度。
優選地，脈衝寬度調變電路根據所述過電流保護電壓能動態調整時脈電壓信號而動態控制電荷泵輸出電壓的工作週期的寬度。例如，脈衝寬度調變電路能依照情況動態縮減工作週期寬度為原工作週期寬度的一比例，如百分之五十。
進一步地，所述方法可應用於通用序列匯流排C型，而所述電源開關電路即為其中的控制電路中的一電源切換電路。
執行所述基於脈衝寬度調變的過電流保護電路的方法即利用脈衝寬度調變電路，能根據其中電源開關電路的負載判斷出過電流，並能在偵測到過電流時控制其中電荷泵的工作週期寬度，以抑制電荷泵向電源開關電路輸出的電壓，藉此修正電源開關電路輸出的輸出電壓。如此，可有效抑制 通過此電源開關電路的過電流。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
10:電源開關電路
VCONN:電源端
CC:共集極電路
ICC:電流
CLK:時脈信號
12:電荷泵
VCP:輸出電壓
VOCP、VOCP’:過電流保護電壓
△V1、△V2:修正落差
VCS、VCS’:輸出電壓
VDUTY、VDUTY’:時脈電壓信號
VREF:參考電壓
VPL:脈衝信號
30:脈衝寬度調變電路
31:電荷泵
33:電源開關電路
35:負載偵測電路
65:電源開關電路
62:電荷泵
63:壓降電路
67:負載偵測電路
60:脈衝寬度調變電路
70:脈衝寬度調變電路
701:正反器
703:觸發器
步驟S401~S407:基於脈衝寬度調變的過電流保護電路的運作流程
圖1顯示電源開關電路示意圖；圖2A顯示利用突衝模式執行過電流保護的輸出電壓變化圖；圖2B顯示突衝模式下的時脈信號；圖2C顯示產生過電流保護電壓的時序圖；圖3顯示基於脈衝寬度調變的過電流保護電路的主要概念實施例圖；圖4顯示基於脈衝寬度調變的過電流保護電路的運作方法實施例流程圖；圖5A顯示利用脈衝寬度調變方法執行過電流保護的輸出電壓變化圖；圖5B顯示採用脈衝寬度調變方法下的時脈信號；圖5C顯示產生過電流保護電壓的時序圖；圖6顯示基於脈衝寬度調變的過電流保護電路的實施例圖之一；圖7顯示基於脈衝寬度調變的過電流保護電路的實施例圖之二。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可 通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。
應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件或者信號，但這些元件或者信號不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一信號與另一信號。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。
說明書公開一種過電流保護方案，特別是一種利用脈衝寬度調變技術抑制在電源控制電路中過電流的保護電路，以及其中基於脈衝寬度調變的過電流保護電路的運作方法。
所述基於脈衝寬度調變的過電流保護電路可應用於各式電子裝置中電源管理電路中，例如特定工業規格的連接器電路中，例如(但不限於此)通用序列匯流排(universal serial bus，USB)各種規格中的一種通用序列匯流排C型(USB Type-C)，所提出的基於脈衝寬度調變的過電流保護電路方案即改良通用序列匯流排C型內中電源開關電路(VCONN Switch)的過電流保護電路，此電源開關電路即為通用序列匯流排C型的控制電路中的電源切換電路，如以金氧半電晶體(MOS)實現的切換電路。
如在通用序列匯流排(USB)C型的連接器電路中，可參考圖1，有別於習知採用突衝模式(Burst Mode)的控制方式，在所揭示的方案中，取而代之的是以脈衝調變的控制方式，例如採用脈衝寬度調變(pulse width modulation，PWM)方法，能根據負載大小來調變電荷泵(Charge Pump)的 工作週期寬度，以調變每一工作週期提供的電量，調整電源開關電路輸出電壓，如此能通過脈衝調變以達到低電壓/電流漣波的目的，還能輸出更穩定的電壓。
基於脈衝寬度調變的過電流保護電路的主要概念實施例可參考圖3所示的示意圖。
圖中顯示在電源開關電路33的保護電路中設有一脈衝寬度調變電路30，脈衝寬度調變電路30連接一電荷泵31與一負載偵測電路35，由電荷泵31供應電源開關電路33所需的能量，電源開關電路33的輸出端設有負載偵測電路35，負載偵測電路35能根據電源開關電路33在輸出端的負載判斷是否產生過電流現象。根據此基於脈衝寬度調變的過電流保護電路的運作方法可同時參考圖4所示的流程。
在一採用所述方案的電子裝置(如連接器)中，電源開關電路33用於控制供電，電源開關電路33一端的負載偵測電路35偵測電源開關電路33的輸出電壓(VCS)(步驟S401)，並根據其輸出端的負載判斷是否有過電流(步驟S403)。
在沒有過電流的情況下(否)，持續執行步驟S401；反之，當根據負載判斷出有過電流時，即執行步驟S405，即通過脈衝寬度調變電路30調整電源開關電路33的電荷泵31的工作週期寬度，也就是控制電荷泵31的輸出電壓(步驟S407)。如此，將可以調整電源開關電路33的輸出電壓，並同時抑制(避免或降低)產生的過電流。
所述過電流保護的主要概念可參考圖5A所示利用脈衝寬度調變方法執行過電流保護的輸出電壓變化圖、圖5B顯示的時脈信號圖以及圖5C所示的過電流保護電壓的時序圖。
相較於圖2A至圖2C顯示習知技術採用突衝模式的過電流保護 措施，揭露書所提出的過電流保護電路主要是採用脈衝寬度調變的技術，在過電流發生時，所述偵測到過電流的負載偵測電路可產生如圖5C所示的過電流保護電壓(VOCP’)，提供給脈衝寬度調變電路，讓脈衝寬度調變電路據此調整時脈電壓信號(VDUTY’，圖5B)而控制電荷泵輸出電壓的工作週期寬度。
也就是說，藉由調變提供給電源開關電路的電荷泵的時脈電壓信號(VDUTY’)，即調變電荷泵的工作週期(duty cycle)在每個工作時脈中的一比例下，使得電荷泵能在每個工作週期向電源開關電路輸出週期性的電壓，避免過長週期以降低電荷泵輸出給電源開關電路的電壓，讓電源開關電路可輸出如圖5A顯示的電壓(VCS’，VREF為電路提供的參考電壓)，此圖顯示出抑制過電流的效果，修正落差為△V2。
舉例來說，如果要將通過電源開關電路的電流控制在一額定電流範圍內，脈衝寬度調變電路輸出時脈電壓信號(VDUTY’)為原本的50%。如此，可將電荷泵的效率最大化。
圖6顯示基於脈衝寬度調變的過電流保護電路的實施例圖之一。
圖中顯示有一電源開關電路65，以通用序列匯流排C型的控制電路中的電源開關為例，通過量測電路負載的輸出電壓(VCS)可判斷是否通過電源端(VCONN)到共集極端(CC)之間的電流(ICC)有過大的情況。
電源開關電路65由電荷泵62提供工作電壓(Vcp)，電源開關電路65運作時產生輸出電壓(VCS)，其輸出端設有負載偵測電路67，負載偵測電路67能經由比對參考電壓(VREF)而根據電源開關電路65在輸出端的負載判斷一過電流。為了抑制此過電流，而脈衝寬度調變電路60根據負載偵測電路67產生的過電流保護電壓(VOCP)，產生時脈電壓信號(VDUTY)，用以調變電荷泵62的工作週期寬度。
其中，電荷泵62根據一時脈電壓信號(VDUTY)向電源開關電路 65輸出電壓(VCP)。當有過電流產生，通過負載偵測電路67產生的過電流保護電壓(VOCP)觸發脈衝寬度調變電路60運作，可以藉由產生時脈電壓信號(VDUTY)調變電荷泵62的工作週期寬度，另一方面還可控制電路中的壓降電路63，利用產生一脈衝信號(VPL)控制壓降電路63的開關，用以調整電荷泵62的輸出給電源開關電路65的電壓(Vcp)。通過抑制電荷泵62向電源開關電路65輸出的電壓(Vcp)修正電源開關電路65的輸出電壓(VCS)。
在一實施例中，所述脈衝寬度調變電路60可根據過電流保護電壓(VOCP)而動態調整輸出給電荷泵62的時脈電壓信號(VDUTY)，以動態控制電荷泵62輸出電壓的工作週期的寬度，也就是脈衝寬度調變電路60可根據過電流保護電壓(VOCP)動態縮減電荷泵62的工作週期寬度為原工作週期寬度的一比例。
圖7接著顯示基於脈衝寬度調變的過電流保護電路的另一實施例圖，主要是提出脈衝寬度調變電路70的實施態樣之一，此例顯示脈衝寬度調變電路70中一個具有兩個輸入與兩個輸出的正反器(flip-flop，FF)701，用以處理兩個輸入，並根據這兩種信號的情況適當地產生兩個輸出，並搭配加法器運作產生提供給壓降電路63的脈衝信號VPL，以及提供給電荷泵62的時脈電壓信號(VDUTY)。
運作時，脈衝寬度調變電路70一端接收由負載偵測電路67根據過電流偵測結果產生的過電流保護電壓(VOCP)，同時也參考電路中觸發器703依據時脈信號CLK產生的信號，通過正反器701運作，決定所述的脈衝信號(VPL)以及脈電壓信號(VDUTY)，用以抑制電荷泵62向電源開關電路65輸出的電壓(Vcp)以修正其輸出電壓(VCS)。
綜上所述，根據上述實施例所描述的基於脈衝寬度調變的過電流保護電路，以及相關運作流程，所提出的過電流保護的主要概念是，當根 據一個電源開關的負載判斷出有過電流時，可以根據此負載大小來調變提供電源能量的電荷泵的工作週期的寬度，除了利用脈衝寬度調變電荷泵的工作週期以降低其輸出電壓漣波或開關電路上電流漣波的現象，還可以輸出更穩定的電壓。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。
30:脈衝寬度調變電路
31:電荷泵
33:電源開關電路
35:負載偵測電路

Claims (10)

  1. 一種基於脈衝寬度調變的過電流保護電路，包括： 一脈衝寬度調變電路，連接一電荷泵與一負載偵測電路，該電荷泵與該負載偵測電路連接一電源開關電路；其中該電荷泵根據一時脈電壓信號向該電源開關電路輸出一電壓，該負載偵測電路根據該電源開關電路在一輸出端的負載偵測通過該電源開關電路的一過電流； 其中，當該負載偵測電路偵測到該過電流，該脈衝寬度調變電路控制該電荷泵的一工作週期寬度，以抑制該電荷泵向該電源開關電路輸出的該電壓，藉此修正該電源開關電路輸出的一輸出電壓。
  2. 如請求項1所述的基於脈衝寬度調變的過電流保護電路，其中，當該負載偵測電路偵測到該過電流，該負載偵測電路產生一過電流保護電壓，使得該脈衝寬度調變電路根據該過電流保護電壓調整該時脈電壓信號而控制該電荷泵輸出該電壓的該工作週期的寬度。
  3. 如請求項2所述的基於脈衝寬度調變的過電流保護電路，其中該脈衝寬度調變電路根據該過電流保護電壓而動態調整該時脈電壓信號，以動態控制該電荷泵輸出該電壓的工作週期的寬度。
  4. 如請求項2所述的基於脈衝寬度調變的過電流保護電路，其中該脈衝寬度調變電路根據該過電流保護電壓動態縮減該電荷泵的該工作週期寬度為原工作週期寬度的一比例。
  5. 如請求項1所述的基於脈衝寬度調變的過電流保護電路，其中該負載偵測電路根據一參考電壓比對該電源開關電路的負載，以偵測該過電流。
  6. 如請求項1至5中任一項所述的基於脈衝寬度調變的過電流保護電路，其中該電源開關電路為一通用序列匯流排C型的一控制電路中的一電源切換電路。
  7. 一種基於脈衝寬度調變的過電流保護電路的運作方法，包括： 根據一電源開關電路在一輸出端的負載偵測通過該電源開關電路的一過電流；以及 當偵測到該過電流，通過一脈衝寬度調變電路控制一電荷泵的一工作週期寬度，以抑制該電荷泵向該電源開關電路輸出的電壓，藉此修正該電源開關電路輸出的一輸出電壓，以抑制該過電流。
  8. 如請求項7所述的基於脈衝寬度調變的過電流保護電路的運作方法，其中該電源開關電路連接一負載偵測電路，該負載偵測電路根據該電源開關電路在該輸出端的負載判斷是否有該過電流。
  9. 如請求項8所述的基於脈衝寬度調變的過電流保護電路的運作方法，其中該脈衝寬度調變電路根據該負載偵測電路產生的一過電流保護電壓調整輸出至該電荷泵的一時脈電壓信號，而控制該電荷泵輸出電壓的該工作週期的寬度。
  10. 如請求項9所述的基於脈衝寬度調變的過電流保護電路的運作方法，其中該脈衝寬度調變電路根據該過電流保護電壓而動態調整該時脈電壓信號，以動態控制該電荷泵輸出該電壓的工作週期的寬度。
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