TWI831154B - 電源管理裝置 - Google Patents

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Abstract

一種有短路保護功能的電源管理裝置，包含脈衝寬度調變（PWM）電路、脈衝頻率調變（PFM）電路、第一開關、第二開關、過電流保護電路、電流偵測電路與短路偵測電路。該PWM/PFM電路依據一短路偵測訊號被致能，以產生一PWM/PFM訊號。該第一開關耦接於一高電壓端與一輸出節點之間，依據該PWM/PFM訊號輸出一第一輸出電流給該輸出節點。該第二開關耦接於該輸出節點與一低電壓端之間，依據該PWM/PFM訊號輸出一第二輸出電流給該輸出節點。該過電流保護電路於該第一輸出電流過高時，令該PWM/PFM電路關閉該第一開關並開啟該第二開關，並於該第二輸出電流夠低時，令該PWM/PFM電路關閉該第二開關並依一輸出需求開啟該第一開關。該短路偵測電路依據該電源管理裝置的輸出電壓產生該短路偵測訊號。

Description

電源管理裝置
本發明是關於電源管理裝置，尤其是關於具有短路保護功能的電源管理裝置。
圖1a顯示一習知的電源管理裝置。圖1a的電源管理裝置100包含一脈衝寬度調變(pulse width modulation；PWM)電路110、一第一開關120、一第二開關130、一過電流保護電路140、一電感150以及一電壓輸出端160。PWM電路110用來產生一PWM訊號，以開啟/關閉第一開關120以及關閉/開啟第二開關130，從而產生一輸出電壓VOUT。過電流保護電路140用來偵測流經第一開關120的輸出電流IL是否達到一電流門檻(例如：圖1b的電流門檻)；於該PWM訊號的一目前工作週期中，若電壓輸出端160短路至一接地端或其它任意電壓端，使得該輸出電壓VOUT降至該接地端的電壓(例如：0V)或該其它任意電壓端的電壓，該輸出電流IL會快速上升至該電流門檻，過電流保護電路140會令PWM電路110於該目前工作週期的剩餘時間內關閉第一開關120並開啟第二開關130，直到該PWM訊號的一下一工作週期，從而穩定該輸出電流IL。
然而，過電流保護電路140需要一段反應時間(reaction time)，以發現該輸出電流IL達到該電流門檻以及令PWM電路110關閉第一開關120並開 啟第二開關130。在該段反應時間內，該第一開關120是開啟的，該輸出電流IL會快速上升；在該段反應時間後，於一剩餘的工作週期內，第一開關120被關閉且第二開關130被開啟，此時，電感150的兩端分別耦接至該接地端以及短路至該接地端，電感150無法以正常的放電斜率宣洩能量，因此，該輸出電流IL在該剩餘的工作週期內僅會微幅地下降，然後在一後續的工作週期內繼續攀高，如圖1b所示。
據上所述，當前述電壓輸出端160短路至該接地端時，該輸出電流IL可能會累積並攀高，從而損壞採用電源管理裝置100的系統。
本揭露的目的之一在於提供一種電源管理裝置，以避免先前技術的問題。
本揭露的電源管理裝置的一實施例包含一脈衝寬度調變(pulse width modulation；PWM)電路、一脈衝頻率調變(pulse frequency modulation；PFM)電路、一第一開關、一第二開關、一過電流保護電路、一電流偵測電路以及一短路偵測電路。
於上述實施例中，該PWM電路用來依據一短路偵測訊號被致能或禁能，並於被致能時運作於一PWM模式，以產生一PWM訊號。該PFM電路用來依據該短路偵測訊號被致能或禁能，並於被致能時運作於一PFM模式，以產生一PFM訊號。該第一開關耦接於一高電壓端與一輸出節點之間，用來於該PWM模式下，依據該PWM訊號輸出一第一輸出電流給該輸出節點；該第一開關另用來於該PFM模式下，依據該PFM訊號輸出該第一輸出電流給該輸出節 點，其中該第一輸出電流用於該電源管理裝置之一輸出電壓的產生。該第二開關耦接於該輸出節點與一低電壓端之間，用來於該PWM模式下，依據該PWM訊號輸出一第二輸出電流給該輸出節點；該第二開關另用來於該PFM模式下，依據該PFM訊號輸出該第二輸出電流給該輸出節點，其中該第二輸出電流用於該輸出電壓的產生。該過電流保護電路耦接於該高電壓端與該輸出節點之間，用來於該PWM/PFM模式下，偵測該第一輸出電流是否達到一第一電流門檻，並於該第一輸出電流達到該第一電流門檻時，發出一過電流保護訊號，以通知該PWM電路關閉該第一開關並開啟該第二開關。該電流偵測電路耦接於該輸出節點與該低電壓端之間，用來於該PWM/PFM模式下，偵測該第二輸出電流是否達到一預設電流門檻，並於該第二輸出電流達到該預設電流門檻時，發出一電流偵測訊號，以通知該PWM/PFM電路關閉該第二開關，並依一輸出需求開啟該第一開關，其中該輸出需求是由包含該電源管理裝置的系統所偵測。該短路偵測電路用來偵測該輸出電壓是否達到一電壓門檻，並於該輸出電壓達到該電壓門檻時，禁能該PWM電路並致能該PFM電路。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。
100:電源管理裝置
110:脈衝寬度調變電路
120:第一開關
130:第二開關
140:過電流保護電路
150:電感
160:電壓輸出端
IL:輸出電流
VOUT:輸出電壓
200:電源管理裝置
210:脈衝寬度調變電路
220:脈衝頻率調變電路
230:第一開關
240:第二開關
250:過電流保護電路
260:電流偵測電路
270:短路偵測電路
280:輸出電路
282:電感
284:電容
286:電壓輸出端
SCDET:短路偵測訊號
SPWM:PWM訊號
SPFM:PFM訊號
VREF:參考電壓
VOUT:輸出電壓
VDD:高電壓端
GND:低電壓端
NDOUT:輸出節點
IL1:第一輸出電流
IL2:第二輸出電流
IL:輸出電流
SOCP:過電流保護訊號
SZCD:電流偵測訊號
TON:固定時間
〔圖1a〕顯示一習知的電源管理裝置；〔圖1b〕顯示圖1a的電壓與電流關係圖。
〔圖2〕顯示本揭露之電源管理裝置的一實施例；以及 〔圖3〕顯示圖2之一實作範例的訊號關係圖。
本說明書揭露一種電源管理裝置具有短路保護功能，能夠在一電壓輸出端短路至一接地端時，避免一輸出電流的累積。本揭露的電源管理裝置可應用於/包含於一藍牙裝置，或應用於/包含於一電子裝置，其中該電子裝置是由至少一電池來驅動。
圖2顯示本揭露之電源管理裝置的一實施例。圖2的電源管理裝置200包含一脈衝寬度調變(pulse width modulation；PWM)電路210、一脈衝頻率調變(pulse frequency modulation；PFM)電路220、一第一開關230、一第二開關240、一過電流保護電路250、一電流偵測電路260、一短路偵測電路270以及一輸出電路280。該些電路分別說明於後。
請參閱圖2。PWM電路210用來依據一短路偵測訊號SCDET被致能或禁能，並於被致能時運作於一PWM模式，以產生一PWM訊號SPWM。於該PWM模式下，PWM電路210依據一參考電壓VREF與一輸出電壓VOUT產生該PWM訊號SPWM，其中該輸出電壓VOUT是提供給一負載(未顯示於圖)；舉例而言，PWM電路210比較該參考電壓VREF與該輸出電壓VOUT，以決定如何調變該PWM訊號SPWM的脈衝寬度，從而提供適當的該輸出電壓VOUT給該負載。由於PWM電路210單獨而言可藉由已知/自行開發的技術來實現，其細節在此省略。
請參閱圖2。PFM電路220用來依據該短路偵測訊號SCDET被致能或禁能，並於被致能時運作於一PFM模式，以產生一PFM訊號SPFM。於該PFM 模式下，PFM電路220依據該參考電壓VREF與該輸出電壓VOUT產生該PFM訊號SPFM；舉例而言，PFM電路220比較該參考電壓VREF與該輸出電壓VOUT，以決定如何調變該PFM訊號SPFM的脈衝頻率，從而提供適當的該輸出電壓VOUT給該負載。由於PFM電路220單獨而言可藉由已知/自行開發的技術來實現，其細節在此省略。
請參閱圖2。第一開關230耦接於一高電壓端VDD與一輸出節點NDOUT之間，用來於該PWM模式下，依據該PWM訊號SPWM輸出一第一輸出電流IL1給該輸出節點NDOUT。第一開關230另用來於該PFM模式下，依據該PFM訊號SPFM輸出該第一輸出電流IL1給該輸出節點NDOUT。本實施例中，第一開關230為一p通道金氧半導體(PMOS)電晶體，然此並非本發明的實施限制。
請參閱圖2。第二開關240耦接於該輸出節點NDOUT與一低電壓端GND(例如：接地端)之間，用來於該PWM模式下，依據該PWM訊號SPWM輸出一第二輸出電流IL2給該輸出節點NDOUT。第二開關240另用來於該PFM模式下，依據該PFM訊號SPFM輸出該第二輸出電流IL2給該輸出節點NDOUT。本實施例中，第二開關240為一n通道金氧半導體(NMOS)電晶體，然此並非本發明的實施限制；只要能滿足第一開關230與第二開關240不同時導通的條件，第一開關230與第二開關240可依實施需求以已知/自行開發的開關來實現。
請參閱圖2。過電流保護電路250耦接於該高電壓端VDD與該輸出節點NDOUT之間，用來於該PWM/PFM模式下，偵測該第一輸出電流IL1是否達到一過電流門檻(例如：圖3的過電流門檻)，並於該第一輸出電流IL1達到該過電流門檻時，發出一過電流保護訊號SOCP，以通知PWM電路210/PFM電路 220關閉第一開關230並開啟第二開關240。由於過電流保護電路250單獨而言可藉由已知/自行開發的技術來實現，其細節在此省略。
請參閱圖2。電流偵測電路260耦接於該輸出節點NDOUT與該低電壓端GND之間，用來於該PWM/PFM模式下，偵測該第二輸出電流IL2是否達到一預設電流門檻(例如：0A)，並於該第二輸出電流IL2達到該預設電流門檻時，發出一電流偵測訊號SZCD，以通知PWM電路210/PFM電路220關閉第二開關240並開啟第一開關230。由於電流偵測電路260單獨而言可藉由已知/自行開發的技術(例如：已知的零電流偵測電路)來實現，其細節在此省略。
請參閱圖2。短路偵測電路270用來偵測該輸出電壓VOUT是否達到一電壓門檻(例如：該低電壓端GND的電壓，或任意設定的電壓)，並於該輸出電壓VOUT達到該電壓門檻時，發出該短路偵測訊號SCDET以禁能PWM電路210並致能PFM電路220，藉此令電源管理裝置200從該PWM模式進入該PFM模式。於該PFM模式下，短路偵測電路270可用來偵測該輸出電壓VOUT是否高於用於短路保護的一設定電壓門檻，若是，短路偵測電路270致能PWM電路210並禁能該PFM電路220，藉此令電源管理裝置200從該PFM模式回到該PWM模式。
請參閱圖2。輸出電路280的一實施例包含一電感282、一電容284與一電壓輸出端286。電感282耦接該輸出節點NDOUT與電壓輸出端286之間。電容284的一端耦接於電感282與電壓輸出端286之間，另一端耦接該低電壓端GND。在該PWM模式下，電感282的輸出電流IL等於該第一輸出電流IL1加上該第二輸出電流IL2；在該PFM模式下，電感282的輸出電流IL等於該第一輸出電流IL1加上該第二輸出電流IL2。電感282與電容284用來穩定該輸出電壓VOUT。
圖3顯示圖2之一實作範例的訊號關係圖。請參閱圖2-3。在該輸出電壓VOUT降至0V後(亦即：電壓輸出端286短路至一接地端後)，該輸出電流IL快速上升至該過電流門檻，該PWM電路210隨之關閉第一開關230並開啟第二開關240，此時，因電感282兩端無電位差，電感282無法提供一放電斜率，故該輸出電流IL整體而言會繼續攀升；之後，因該輸出電壓VOUT達到前述電壓門檻，短路偵測訊號SCDET由一低準位變成一高準位，以令電源管理裝置200從該PWM模式進入該PFM模式。承上所述，在該PFM模式下，依包含電源管理裝置200之系統的需求，PFM電路220比對輸出電壓VOUT與參考電壓VREF，以開啟第一開關230，然後於第一開關230的開啟時間達到一固定時間後關閉第一開關230；接下來，PFM電路220開啟第二開關240，直到電流偵測電路260偵測到IL已達到該預設電流門檻後，關閉第二開關240；之後，PFM電路220再依據一輸出需求開啟第一開關230達一固定時間，然後關閉第一開關230，其中該輸出需求是由包含電源管理裝置200的系統所偵測。
承上所述，若電流偵測電路260判斷該輸出電流IL尚未降至該預設電流門檻，PFM電路220會持續開啟第二開關240並關閉第一開關230，直到該輸出電流IL降至該預設電流門檻。當該輸出電流IL降至該預設電流門檻時，電流偵測電路260發出該電流偵測訊號SZCD；PFM電路220於一目前工作週期的一固定時間TON內開啟第一開關230，然後關閉第一開關230並開啟第二開關240，直到電流偵測訊號SZCD的輸出準位由一低準位變成一高準位；於一下一工作週期，PFM電路220重覆上述操作。值得注意的是，圖3的點虛線表示該輸出電流IL的平均值，亦是一輸出負載電流。
請參閱圖2-3。過電流保護電路250可在該PFM模式下，依據該短路偵測訊號SCDET調降該過電流門檻(例如：調降後的該過電流門檻為原本該過電流門檻的一半)，並於該PFM模式下偵測該第一輸出電流IL1是否達到該調降後的該過電流門檻；當該第一輸出電流IL1達到該調降後的該過電流門檻時，過電流保護電路250發出該過電流保護訊號SOCP，以通知PFM電路210關閉第一開關210並開啟第二開關220，無論前述固定時間是否結束。
請注意，在實施為可能的前提下，本技術領域具有通常知識者可選擇性地實施前述任一實施例中部分或全部技術特徵，或選擇性地實施前述複數個實施例中部分或全部技術特徵的組合，藉此增加本發明實施時的彈性。
綜上所述，本發明能夠在一電壓輸出端短路至一接地端時，避免一輸出電流的累積。
雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。
200:電源管理裝置
210:脈衝寬度調變電路
220:脈衝頻率調變電路
230:第一開關
240:第二開關
250:過電流保護電路
260:電流偵測電路
270:短路偵測電路
280:輸出電路
282:電感
284:電容
286:電壓輸出端
SCDET:短路偵測訊號
SPWM:PWM訊號
SPFM:PFM訊號
VREF:參考電壓
VOUT:輸出電壓
VDD:高電壓端
GND:低電壓端
NDOUT:輸出節點
IL1:第一輸出電流
IL2:第二輸出電流
IL:輸出電流
SOCP:過電流保護訊號
SZCD:電流偵測訊號
TON:固定時間

Claims (10)

  1. 一種電源管理裝置，包含：一脈衝寬度調變(pulse width modulation；PWM)電路，用來依據一短路偵測訊號被致能或禁能，並於被致能時運作於一PWM模式，以產生一PWM訊號；一脈衝頻率調變(pulse frequency modulation；PFM)電路，用來依據該短路偵測訊號被致能或禁能，並於被致能時運作於一PFM模式，以產生一PFM訊號；一第一開關，耦接於一高電壓端與一輸出節點之間，用來於該PWM模式下，依據該PWM訊號輸出一第一輸出電流給該輸出節點，該第一開關另用來於該PFM模式下，依據該PFM訊號輸出該第一輸出電流給該輸出節點，該第一輸出電流用於該電源管理裝置之一輸出電壓的產生；一第二開關，耦接於該輸出節點與一低電壓端之間，用來於該PWM模式下，依據該PWM訊號輸出一第二輸出電流給該輸出節點，該第二開關另用來於該PFM模式下，依據該PFM訊號輸出該第二輸出電流給該輸出節點，該第二輸出電流用於該輸出電壓的產生；一過電流保護電路，耦接於該高電壓端與該輸出節點之間，用來於該PWM模式/該PFM模式下，偵測該第一輸出電流是否達到一第一電流門檻，並於該第一輸出電流達到該第一電流門檻時，發出一過電流保護訊號，以通知該PWM電路/該PFM電路關閉該第一開關並開啟該第二開關；一零電流偵測電路，耦接於該輸出節點與該低電壓端之間，用來於該PWM模式/該PFM模式下，偵測該第二輸出電流是否達到一預設電流門檻，並於該第 二輸出電流達到該預設電流門檻時，發出一電流偵測訊號，以通知該PWM電路/該PFM電路關閉該第二開關；以及一短路偵測電路，用來偵測該輸出電壓是否達到一電壓門檻，並於該輸出電壓達到該電壓門檻時，發出該短路偵測訊號以禁能該PWM電路並致能該PFM電路。
  2. 如請求項1之電源管理裝置，其中於該PFM模式下，該PFM電路於一目前工作週期的一固定時間內開啟該第一開關，然後關閉該第一開關並開啟該第二開關直到一下一工作週期開始，該電流偵測訊號決定該下一工作週期何時開始，該PFM電路於該下一工作週期依據一輸出需求開啟該第一開關。
  3. 如請求項1之電源管理裝置，其中該過電流保護電路用來於該PWM模式/該PFM模式下偵測該第一輸出電流是否達到該第一電流門檻，並於該第一輸出電流達到該第一電流門檻時，發出該過電流保護訊號，以通知該PWM電路/該PFM電路關閉該第一開關並開啟該第二開關。
  4. 如請求項1之電源管理裝置，其中該預設電流門檻為零安培。
  5. 如請求項1之電源管理裝置，其中於該PWM模式下，該PWM電路依據一參考電壓與該輸出電壓產生該PWM訊號。
  6. 如請求項1之電源管理裝置，其中於該PFM模式下，該PFM電路依據一參考電壓與該輸出電壓產生該PFM訊號。
  7. 如請求項1之電源管理裝置，其中該電壓門檻為該低電壓端的電壓。
  8. 如請求項1之電源管理裝置，進一步包含一輸出電路，該輸出電路包含： 一電感，耦接於該輸出節點與一電壓輸出端之間，其中該電壓輸出端的電壓為該輸出電壓；以及一電容，該電容之一端耦接於該電感與該電壓輸出端之間，該電容之另一端耦接該低電壓端。
  9. 如請求項1之電源管理裝置，其包含於一藍牙裝置。
  10. 如請求項1之電源管理裝置，其包含於一電子裝置，該電子裝置是由至少一電池來驅動。
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