TWI831457B - 具有短路偵測功能之電源轉換電路及其短路偵測方法 - Google Patents

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Abstract

一種電源轉換電路包括：第一及第二電源轉換器，用以分別產生第一及第二驅動電壓。第二電源轉換器為切換轉換器。於短路偵測模式中，第一驅動電壓係加以調節至第一驅動位準，第二電源轉換器係操作於脈衝頻率調變模式，以將第二驅動電壓調節至短路偵測位準，當第二電源轉換器之切換頻率超過頻率閾值時，則判斷第二驅動電壓與第一驅動電壓之間發生一短路狀態。

Description

具有短路偵測功能之電源轉換電路及其短路偵測方法
本發明係有關於一種可偵測短路狀態之電源轉換電路。本發明亦有關於用於短路偵測用電源轉換電路之短路偵測方法。
美國專利第10,483,755號採取一種不同於本發明之方法以用於短路偵測。
顯示面板中，晶片或印刷電路板上的製造瑕疵或老舊部件可能會導致短路或大量的漏電問題，其可造成晶片、印刷電路板或其整體顯示裝置上之嚴重損害。為了防止此類問題，許多習知顯示面板於顯示器於啟動至正常操作狀態之期間進行短路偵測與保護。
圖1A及1B係顯示一習知之具有短路偵測功能的電源轉換電路(短路偵測電路100)(美國專利第10,483,755號)及其流程圖。如圖1A及1B所示，於步驟S100，電壓轉換器1在短路偵測時段Tsd期間於第一輸出節點提供第一驅動電壓DV1。於步驟S200，比較器210係用以判斷第二輸出節點的第二驅動電壓DV2的幅度是否超過參考電壓Vref之幅度。當第二驅動電壓DV2高於參考電壓Vref時，其表示第一輸出節點及第二輸出節點之間的電阻低於短路電阻閾值，此時可停機。於另一方面， 若第二驅動電壓DV2之幅度未超過參考電壓Vref之幅度，在短路偵測時段Tsd後，電壓轉換器2則由第二輸出節點提供具有操作位準之第二驅動電壓DV2。
本發明提出了一嶄新的短路偵測方式，其利用了顯示面板中電源供應電路之操作頻率正比於面板中供應電壓之間的漏電流之特性。藉由利用一單純的數位電路，其可偵測漏電流量，並於需要時將電源供應電路停機，以避免整體系統損壞。
與先前技術相比，本發明並未利用類比電路進行短路偵測。其可單純地以利用脈衝計數器及多個數位閘之數位電路加以實施。因此，可節省電路面積且可改善可靠度。此外，短路偵測位準可藉由單純的數位編程簡易地加以調整。
從一觀點，本發明提供一種電源轉換電路包括：一第一電源轉換器，用以產生一第一驅動電壓；以及一第二電源轉換器，包括至少一開關，用以切換一電感，以產生一第二驅動電壓；其中於一操作模式中，該第一驅動電壓及該第二驅動電壓係分別加以調節至一第一驅動位準及一第二驅動位準，以作為用以驅動一負載之供應電壓；其中於一短路偵測模式中，該第一驅動電壓係加以調節至該第一驅動位準，該第二電源轉換器係用以操作於一脈衝頻率調變模式，以將該第二驅動電壓調變至一短路偵測位準，當該第二電源轉換器之一切換頻率超過一頻率閾值時，該第二驅動電壓與該第一驅動電壓之間判斷為發生一短路狀態；其中該切換頻率係有關於該第二驅動電壓與該第一驅動電壓之間的一漏電流，於該短路偵測模式中，該負載所消耗之一負載電流係小於一預定位準。
於一較佳實施例中，該切換頻率係正比於該漏電流或正比於該漏電流加上一偏移電流，其中該偏移電流係由該第二電源轉換器於產生該第二驅動電壓時，自該第二驅動電壓所消耗之電流。
於一較佳實施例中，於該短路偵測模式中，該第二電源轉換器之該至少一開關之一第一開關，以一固定導通時間切換方式進行切換。
於一較佳實施例中，於該短路偵測模式中，該第二電源轉換器操作於一非連續導通模式。
於一較佳實施例中，該第二電源轉換器包括：一功率級電路，包括一第一開關及一第二開關，用以於該操作模式中切換該電感，以產生該第二驅動電壓；一切換控制電路，用以產生一控制訊號，以根據該第二驅動電壓與一參考電壓之間的差值對該第一開關及該第二開關進行控制；以及一頻率偵測電路，用以於該短路偵測模式中，測量該控制訊號之該切換頻率，以判斷該切換頻率是否超過該頻率閾值，進而判斷是否發生該短路狀態。
於一較佳實施例中，於該短路偵測模式中，該第二開關係控制成不導通，使得該第二電源轉換器操作於一非同步模式，其中該電感之一電流的至少一部分係流經該第二開關之一內接二極體。
於一較佳實施例中，該功率級電路更包括一第三開關，其中於該短路偵測模式中，該第三開關係控制成不導通，其中於該操作模式中，該第二開關及該第三開關係用以切換該電感，以產生該第二驅動電壓且控制該第二驅動電壓至該第二驅動位準。
於一較佳實施例中，於該操作模式中，該第一開關係控制成不導通，其中該第二開關及該第三開關係加以控制成以脈寬調變進行切換，用以產生該第二驅動電壓且控制該第二驅動電壓至該第二驅動位準。
於一較佳實施例中，該第一開關係連接於該第一驅動電壓與該電感之一端之間，其中於該短路偵測模式中，經由切換該第一開關以轉換該第一驅動電壓而產生該第二驅動電壓，其中該第二驅動電壓調節於該短路偵測位準。
於一較佳實施例中，該第一開關係連接於該第一驅動電壓與一切換節點之間，該第二開關係連接於該切換節點與該第二驅動電壓之間，該第三開關係連接於一輸入電壓與該切換節點之間，且該電感係連接於該切換節點與一接地節點之間，使得該第二電源轉換器係配置成一升降壓直流轉直流轉換器。
於一較佳實施例中，該切換控制電路包括：一比較電路，用以比較該第二驅動電壓與一參考電壓，以產生一比較輸出訊號；以及一脈衝頻率調變電路，於該短路偵測模式中，利用該比較輸出訊號調變具有一恆定脈寬之一時脈訊號，以產生該控制訊號，進而控制該第一開關，使其操作於該脈衝頻率調變模式。
於一較佳實施例中，該頻率偵測電路在一預定時段內計數該控制訊號之一脈衝數量，以測量該控制訊號之該切換頻率。
於一較佳實施例中，該短路偵測位準之幅度係小於該第二驅動位準之幅度。
從另一觀點，本發明提供一種短路偵測方法，用於偵測一第一驅動電壓與一第二驅動電壓之間的一短路狀態，其中該第二驅動電壓係藉由控制至少一開關而產生，該至少一開關係用於切換一電感；其中於一操作模式中，該第一驅動電壓及該第二驅動電壓係分別加以調節至一第一驅動位準及一第二驅動位準以作為用於驅動一負載之供應電壓；其中該短路偵測方法係於一短路偵測模式中實施，該短路偵測方法包括：將該第一驅動電壓調節至該第一驅動位準；控制該至少一開關，使其操作於一脈衝頻率調變模式，以將該第二驅動電壓調節至一短路偵測位準；以及藉由判斷該至少一開關之一切換頻率是否超過一頻率閾值而偵測該短路狀態；其中該切換頻率係有關於該第二驅動電壓與該第一驅動電壓之間的一漏電流，於該短路偵測模式中，該負載所消耗之一負載電流係小於一預定位準。
於一較佳實施例中，該切換頻率係正比於該漏電流或正比於該漏電流加上一偏移電流，其中該偏移電流係於產生該第二驅動電壓時，藉由操作該至少一開關而從該第二驅動電壓所消耗。
於一較佳實施例中，於該短路偵測模式中，該至少一開關之一第一開關以一固定導通時間切換方式進行切換。
於一較佳實施例中，於該短路偵測模式中，該至少一開關操作該電感於一非連續導通模式。
於一較佳實施例中，該至少一開關包括一第一開關及一第二開關，其用以於該操作模式中切換該電感，以產生該第二驅動電壓，其中控制該至少一開關的步驟包括：產生一控制訊號，以根據該第二驅動電壓與一參考電壓之間的差值對該第一開關及該第二開關進行控制；以及於該短路偵測模式中測量該控制訊號之該切換頻率，以判斷該切換頻率是否超過該頻率閾值，進而判斷是否發生該短路狀態。
於一較佳實施例中，控制該至少一開關之步驟更包括：藉由將該第二開關控制成不導通而將該第一開關及該第二開關操作於一非同步模式，其中該電感之一電流的至少一部分係流經該第二開關之一內接二極體。
於一較佳實施例中，該至少一開關更包括一第三開關，其中於該短路偵測模式中，該第三開關係控制成不導通，其中於該操作模式中，該第二開關及該第三開關係用以切換該電感，以產生該第二驅動電壓且控制該第二驅動電壓至該第二驅動位準。
於一較佳實施例中，於該操作模式中，該第一開關係控制成不導通，其中該第二開關及該第三開關係加以控制成以脈寬調變進行切換，用以產生該第二驅動電壓且控制該第二驅動電壓至該第二驅動位準。
於一較佳實施例中，產生該控制訊號的步驟包括：比較該第二驅動電壓與一參考電壓，以產生一比較輸出訊號；以及於該短路偵測模式中利用該比較輸出訊號調變具有一恆定脈寬之一時脈訊號，以產生該控制訊號，進而控制該第一開關，使其操作於該脈衝頻率調變模式。
於一較佳實施例中，測量該切換頻率之步驟包括：在一預定時段內計數該控制訊號之一脈衝數量，以測量該控制訊號之該切換頻率。
於一較佳實施例中，該短路偵測位準之幅度係小於該第二驅動位準之幅度。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各電路間之耦接關係，以及各訊號波形之間之關係，至於電路、訊號波形與頻率則並未依照比例繪製。
圖2係根據本發明之一實施例顯示具有短路偵測功能之電源轉換電路之方塊圖。圖3係根據本發明之一示範性實施例顯示操作波形圖。於一實施例中，電源轉換電路200包括第一電源轉換器10及第二電源轉換器20，用以分別產生驅動電壓ELVDD及驅動電壓ELVSS。於一實施例中，驅動電壓ELVDD及驅動電壓ELVSS可作為驅動負載30之供應電壓，前述負載30可例如為有機發光二極體(OLED，organic light emitting diode)顯示面板。負載30所消耗之負載電流係標註為ILD。於一特定實施例中，於操作時段Topr期間，驅動電壓ELVDD係為正電壓(例如Vdrvp)，驅動電壓ELVSS係為負電壓(例如驅動位準Vdrvn)。於操作時段Topr期間，負載電流ILD可為非零之值。
於一非限制性實施例中，如圖3所示，於驅動電壓ELVDD啟動程序結束(例如時點t1)且驅動電壓ELVDD係調節於預定驅動位準Vdrvp之後，於短路偵測時段Tscd期間，驅動電壓ELVSS啟動且被調節至預定短路偵測位準Vscd(例如時點t2) ，以進行短路偵測。於一實施例中，於短路偵測時段Tscd期間，負載30可配置成不消耗電源。換言之，於短路偵測時段Tscd期間，負載電流ILD可為零。
於一實施例中，在短路偵測時段Tscd之前，驅動電壓ELVDD先緩升至位準Vdrvp’且接著緩升至驅動位準Vdrvp。
如圖2所示，此處以漏電阻40來示意存在於驅動電壓ELVDD及驅動電壓ELVSS之間，除了負載30以外可能的任何漏電流路徑之等效電阻，其中漏電阻40之電阻值為Rscd。若在驅動電壓ELVDD及驅動電壓ELVSS之間存在一有限阻抗，則漏電流從驅動電壓ELVDD流至驅動電壓ELVSS，如圖2中Iscd所標註。
第二電源轉換器20根據本發明係為一切換式電源轉換器。第二電源轉換器20可配置為圖6A~圖6K所示之電源轉換器拓樸中任一者，例如降壓轉換器、升壓轉換器、升降壓轉換器、反相升降壓轉換器以及返馳式轉換器。第二電源轉換器20包括至少一開關，用以切換電感，以將輸入電壓Vin轉換成輸出電源Vout(對應於驅動電壓ELVSS)。
於一實施例中，於短路偵測時段Tscd期間，第二電源轉換器20係用以操作於脈衝頻率調變模式(PFM，pulse frequency modulation mode)，其中第二電源轉換器20操作於脈衝頻率調變模式之切換頻率係稱為Fpf。切換頻率Fpf係有關於漏電流Iscd之大小。
於一特定實施例中，因為第二電源轉換器20必須提供或抽取與漏電流Iscd等量的電流以使其輸出電壓維持在短路偵測位準Vscd，故第二電源轉換器20之輸出電流係與漏電流Iscd之大小成正比。因此，漏電阻值Rscd之大小可藉由利用頻率偵測電路加以估計。就另一觀點而言，於此實施例中，切換頻率Fpf係反比於漏電阻值Rscd。利用此處所述之特性，短路狀態可藉由比較切換頻率Fpf與預定頻率閾值Fth而偵測得知。
圖4係根據本發明之一實施例顯示具有短路偵測功能之電源轉換電路400之方塊圖。實際上，第二電源轉換器20可通過其輸出端提供或消耗一定量的電流，如圖4中之Ios所標註。更特定而言，偏移電流Ios係為第二電源轉換器20的內部電路，其於操作以產生驅動電壓ELVSS時所消耗的電流。於此實施例中，第二電源轉換器20之切換頻率Fpf除反比於漏電阻值Rscd之外，尚具有一偏移量，所述切換頻率Fpf之偏移量係正比於偏移電流Ios。因此，短路狀態是否發生仍然可藉由測量及比較切換頻率Fpf與頻率閾值Fth而偵測得到，前述頻率閾值Fth可對應於一電流閾值，其電流閾值相關於預定漏電阻值Rscd閾值與偏移電流Ios之和。
圖5係顯示對應於圖2及圖4之短路偵測流程圖。於一實施例中，於短路偵測時段Tscd期間，首先於步驟S10中，啟動第一電源轉換器10，接著於步驟S20中，第二電源轉換器20啟動且操作於脈衝頻率調變模式。接著，於步驟S30中，測量切換頻率Fpf，並於步驟S40中，將切換頻率Fpf與預定頻率閾值Fth比較。於步驟S50中，當測量而得之切換頻率Fpf超過(例如大於)頻率閾值Fth時，則偵測到短路狀態。於步驟S60中，當測量而得之切換頻率Fpf未超過頻率閾值Fth時，則判斷電源轉換電路未短路。於一實施例中，接著於步驟S60中，可進一步進入一操作模式。
於一特定實施例中，第一電源轉換器10為用以產生驅動電壓ELVDD之升壓直流轉直流轉換器，而第二電源轉換器20為用以產生驅動電壓ELVSS之反相升降壓直流轉直流轉換器。典型的升壓直流轉直流轉換器及升降壓直流轉直流轉換器可分別參照圖6C及圖6E。
圖7係根據本發明顯示操作於脈衝頻率調變模式(PFM)之第二電源轉換器20之一實施例的操作波形圖。請同時參照圖9，其係根據本發明之一實施例顯示電源轉換器之概要性示意圖。於一實施例中，於短路偵測模式中，第二電源轉換器20以固定導通時間Ton操作於非連續導通模式。應注意者為，當以固定導通時間Ton操作於非連續導通模式時，切換頻率係正比於平均電感電流，所述平均電感電流係等於第二電源轉換器20之輸出電流(即負載電流ILD加上漏電流Iscd)。如圖7所示，在導通時間Ton期間，電感電流ILL以斜率S1緩升，前述斜率S1等於Vins/L。在不導通時間Toff期間，電感電流ILL以斜率S2緩降，前述斜率S2等於|Vscd|/L。在時間Tz期間，電感電流ILL為零。其中對應於切換頻率之週期時段Tpf=1/Fpf=Ton+Toff+Tz。
因此，用於第二電源轉換器20之切換頻率Fpf之數學方程式1係如下所導出：
其中L為第二電源轉換器20之電感Lbb(如圖9所示)之電感值，Ton為第二電源轉換器20之脈衝頻率調變(PFM)脈衝之脈衝寬度，而Vins為第二電源轉換器20之電源供應電壓。
於一較佳實施例中，驅動電壓ELVDD係用作為第二電源轉換器20之供應電壓，如圖9所示，使得第二電源轉換器20之供應電壓可為一固定值。因此，Vins可由Vdrvp取代，而得到下列方程式2：
在方程式2右側的所有變數除了Rscd以外均為定值的前提下，切換頻率Fpf將僅取決於漏電阻值Rscd。如以上所述，於此實施例中，方程式2所示意切換頻率Fpf係反比於漏電阻值Rscd。
因此，切換頻率Fpf之頻率閾值Fth可從漏電阻值Rscd之漏電阻閾值推導而得，以用於偵測短路狀態。
圖8係顯示切換頻率Fpf相關於漏電阻值Rscd的特性圖。於此實施例中，變數Vdrv、Vscd、L、Ton、Ios係分別配置為4.6V、-0.8V、 2.2nH、35ns及2mA。如圖8所示，切換頻率Fpf顯然係反比於漏電阻值Rscd，且其對於漏電阻值Rscd之靈敏度係相當顯著的，這樣的現象有助於達到較高的短路偵測精確度。作為一非限制性且示範性之實施例，用於短路偵測之目標漏電阻值Rscd可選擇為1.8kOhm，且對應之頻率閾值Fth為679kHz。是故，當測量到的切換頻率Fpf高於頻率閾值Fth(679kHz)時，第一電源轉換器10及第二電源轉換器20之輸出，亦即驅動電壓ELVDD及ELVSS，會被判斷為短路。
參照圖9，第二電源轉換器920例如對應於圖2所示之第二電源轉換器20。於一實施例中，第二電源轉換器920包括切換控制電路21、頻率偵測電路22及功率級電路23。
請參照圖9及圖3。參考電壓Vsfr可由模式控制訊號ENscd所控制而調整。更特定而言，於短路偵測模式中(例如對應於圖3所示之短路偵測時段Tscd中，模式控制訊號ENscd為致能時)，參考電壓Vsfr係配置為等於或相關於短路偵測位準Vscd，而於操作模式中(例如對應於圖3所示之操作時段Topr中，模式控制訊號ENscd為禁能時)，參考電壓Vsfr係配置為等於或相關於驅動位準Vdrvn。於一實施例中，短路偵測位準Vscd之幅度係小於驅動位準Vdrvn之幅度，使得前述頻率閾值Fth可較低(相比於若被調節至驅動位準Vdrvn而言)，進而改善對短路偵測之靈敏度。
於此實施例中，功率級電路23係配置為升降壓直流轉直流轉換器，且包括第一上橋開關HSW、第二上橋開關SSW及下橋開關LSW。更特定而言，第一上橋開關HSW係連接於輸入電壓Vin與切換節點LX之間。下橋開關LSW係連接於切換節點LX與驅動電壓ELVSS之間。第二上橋開關SSW係連接於一經調節電壓與切換節點LX之間。電感Lbb係連接於切換節點LX與接地節點之間。於一非限制性實施例中，這些開關可為金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFETs)。
於一較佳實施例中，於短路偵測模式中，第二上橋開關SSW之一端係連接於驅動電壓ELVDD(對應於前述經調節電壓)，用以將驅動電壓ELVSS調節至短路偵測位準Vscd，如此會促使切換頻率Fpf與漏電流Iscd之間更一致的相依性。
切換控制電路21用以產生控制訊號Hdrv、Sdrv及Ldrv，以根據參考電壓Vsfr、驅動電壓ELVSS與模式控制訊號ENscd對第一上橋開關HSW、第二上橋開關SSW及下橋開關LSW進行控制。
於一實施例中，於操作模式中，第一上橋開關HSW及下橋開關LSW係控制成切換電感Lbb，以產生驅動電壓ELVSS使其達到驅動位準Vdrvn，其中第二上橋開關SSW係控制成不導通。於短路偵測模式中，第二上橋開關SSW用以切換電感Lbb，以產生驅動電壓ELVSS使其達到短路偵測位準，其中第一上橋開關HSW及下橋開關LSW係控制成不導通，其細節將詳述於後。
於操作模式(Topr)下，亦即當模式控制訊號ENscd控制為禁能時，切換控制電路21控制第一上橋開關HSW及下橋開關LSW，使其切換電感Lbb，以將驅動電壓ELVSS調節至驅動位準Vdrvn，進而與驅動電壓ELVDD一同用以驅動負載30。於一實施例中，於操作模式中，第二上橋開關SSW可為不導通。
於短路偵測模式(Tscd)下，亦即當模式控制訊號ENscd為致能時，切換控制電路21控制第二上橋開關SSW，使其切換於脈衝頻率調變(PFM)模式，以將驅動電壓ELVSS調節至短路偵測位準Vscd，其中切換頻率Fpf係正比於漏電流Iscd或正比於漏電流Iscd加上偏移電流Ios，如先前所述。
於一實施例中，第二上橋開關SSW之實體尺寸(例如MOS電晶體的通道之寬度對長度之比例)係相對小於第一上橋開關HSW。因此，第二上橋開關SSW之切換損耗相對較低，特別是在驅動電壓ELVSS之輸出電流處於較低位準時。於一較佳實施例中，於短路偵測模式中，第一上橋開關HSW係控制成不導通，進而減少因第一上橋開關HSW的切換損耗所導致之功率消耗，同時，由於不切換第一上橋開關HSW亦可降低偏移電流Ios，進而亦可促使短路偵測具有較高之精確度。
於一實施例中，於短路偵測模式中，下橋開關LSW亦可為不導通。於此情況中，下橋開關LSW之內接二極體Db與第二上橋開關SSW共同操作，以作為一非同步升降壓直流轉直流轉換器，如此可藉由不切換下橋開關LSW而使得切換功率損耗較低，進而使得短路偵測具有較低之功率消耗及較高之精確度。
於一實施例中，於短路偵測模式中，如圖7所示，第二電源轉換器20於進行脈衝頻率調變時係操作於非連續導通模式。因此，除了可節電以外，第二電源轉換器20藉由不導通下橋開關LSW而操作於非同步模式，因而無需零交越偵測(ZCD，zero-crossing detection)，進而還可進一步簡化電路設計。
於短路偵測模式中，頻率偵測電路22用以根據控制訊號Sdrv測量脈衝頻率調變切換頻率Fpf，並判斷測量到的切換頻率Fpf是否超過頻率閾值Fth，以偵測該短路狀態。於一實施例中，偵測輸出訊號Sscd為致能時代表發生短路狀態。於一實施例中，當偵測到短路狀態時，偵測輸出訊號Sscd可控制將第一電源轉換器10及第二電源轉換器20及其他必要電路停機。
圖10係根據本發明之一實施例顯示切換控制電路之概要性示意圖。切換控制電路121例如對應於圖9所示之切換控制電路21。於一實施例中，切換控制電路121包括比較電路210、脈寬調變(PWM)電路220、脈衝頻率調變電路230以及選擇及驅動電路240。其中比較電路210用以比較驅動電壓ELVSS與參考電壓Vsfr，以產生比較輸出訊號CPO。於短路偵測模式中，脈衝頻率調變電路230用以根據比較輸出訊號CPO產生具有脈衝頻率調變之脈衝頻率調變訊號PFO，而選擇及驅動電路240則根據脈衝頻率調變訊號PFO產生該控制訊號Sdrv以控制第二上橋開關SSW切換，此外，於短路偵測模式中，選擇及驅動電路240亦根據所產生的控制訊號Hdrv及Ldrv而控制第一上橋開關HSW及下橋開關LSW均不導通。
於一實施例中，於操作模式中，脈寬調變電路220根據比較輸出訊號CPO產生具有脈寬調變之脈寬調變訊號PWO，而選擇及驅動電路240根據脈寬調變訊號PWO而控制所述控制訊號Hdrv及Ldrv，以分別控制第一上橋開關HSW及下橋開關LSW之切換。此外，於操作模式中，選擇及驅動電路240亦控制所述控制訊號Sdrv以控制第二上橋開關SSW為不導通。
圖11係根據本發明之一特定實施例顯示脈衝頻率調變電路之概要性示意圖。於一實施例中，脈衝頻率調變電路230包括導通時間(Ton)產生電路232及乘法電路234。導通時間產生電路232係用以根據參考時脈訊號Fref產生固定導通時間時脈訊號Fct，其中固定導通時間時脈訊號Fct具有固定脈寬。於一實施例中，參考時脈訊號Fref可具有固定頻率，且脈寬(亦即導通時間Ton)可根據參考電流Iref加以調整為固定。
乘法電路234將固定導通時間時脈訊號Fct乘以比較輸出訊號CPO，以產生具有脈衝頻率調變之脈衝頻率調變訊號PFO。於一實施例中，乘法電路234包括及閘。於短路偵測模式中，當驅動電壓ELVSS之電壓位準未超過目標短路偵測位準Vscd(例如當比較輸出訊號CPO位於高位準)時，所述及閘致能固定導通時間時脈訊號Fct，進而導通第二上橋開關SSW以增加電感電流ILL。另一方面，當驅動電壓ELVSS之電壓位準超過目標短路偵測位準Vscd(例如當比較輸出訊號CPO位於低位準)時，所述及閘遮蔽固定導通時間時脈訊號Fct，進而不導通第二上橋開關SSW以減少電感電流ILL。因此，於短路偵測模式中，驅動電壓ELVSS將會調節於短路偵測位準Vscd，而脈衝頻率調變訊號PFO之脈衝頻率將會正比漏電流Iscd。
圖12係根據本發明之一特定實施例顯示頻率偵測電路之概要性示意圖。於一實施例中，頻率偵測電路22包括脈衝計數器236及邏輯電路238。於一實施例中，脈衝計數器236可在一預定時段內計數脈衝頻率調變訊號PFO之脈衝數量。脈衝計數器236所產生之計數數量相對於前述預定時段的比例即示意了切換頻率Fpf之平均頻率。邏輯電路238將脈衝計數器236所得到之計數數量與一計數閾值相比較，以判斷是否發生短路狀態，其中所述計數閾值對應於前述頻率閾值Fth。由於短路偵測係在數位領域中實施，故頻率閾值Fth可藉由軟體編程而調整。
值得注意者為，就一觀點而言，頻率偵測電路22藉由在預定時段內測量脈衝密度而決定切換頻率Fpf。
於一實施例中，如圖9所示之電源轉換電路可藉由移除第二上橋開關SSW而加以簡化。於此替代性情況中，於短路偵測模式中，第一上橋開關HSW可根據控制訊號Hdrv而操作於脈衝頻率調變模式，以產生具有短路偵測位準Vscd之位準的驅動電壓ELVSS，且控制訊號Hdrv之頻率與漏電流Iscd之間的關係仍與先前所述的操作相同，其中於本實施例中，控制訊號Hdrv係受脈衝頻率調變訊號PFO(如圖10所示)所控制。
值得注意者為，與圖3及圖5相對比，本發明所提出的短路偵測方式之概念可應用到驅動電壓ELVSS先被導通，接著驅動電壓ELVDD才被導通至預定目標值的情況中。於此情況中，於短路偵測模式中，於前述脈衝頻率調變模式中之第一電源轉換器10可根據第一電源轉換器10之切換頻率而偵測短路狀態。
本發明之概念係以如圖9所示之升降壓轉換器進行說明，然而，其他轉換器拓樸例如圖6A~圖6K所示者亦可採用前述短路偵測功能。考量到不同類型之直流轉直流轉換器之間電流/電壓波形差異，脈衝頻率調變切換頻率Fpf之結果方程式會相應地有別於前述方程式，然而，脈衝頻率調變頻率之特性與漏電流彼此仍具有相關性或成正比關係。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之最廣的權利範圍。所說明之各個實施例，並不限於單獨應用，亦可以組合應用，舉例而言，兩個或以上之實施例可以組合運用，而一實施例中之部分組成亦可用以取代另一實施例中對應之組成部件。此外，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，舉例而言，本發明所稱「根據某訊號進行處理或運算或產生某輸出結果」，不限於根據該訊號的本身，亦包含於必要時，將該訊號進行電壓電流轉換、電流電壓轉換、及／或比例轉換等，之後根據轉換後的訊號進行處理或運算產生某輸出結果。由此可知，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，其組合方式甚多，在此不一一列舉說明。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
10:第一電源轉換器 20, 920:第二電源轉換器 21, 121:切換控制電路 22:頻率偵測電路 23:功率級電路 30:負載 100:短路偵測電路 200:電源轉換電路 210:比較電路 220:脈寬調變電路 230:脈衝頻率調變電路 232:導通時間產生電路 234:乘法電路 236:脈衝計數器 238:邏輯電路 240:選擇及驅動電路 400:電源轉換電路 CPO:比較輸出訊號 Db:內接二極體 DV1:第一驅動電壓 DV2:第二驅動電壓 ELVDD, ELVSS:驅動電壓 ENscd:模式控制訊號 Fct:固定導通時間時脈訊號 Fref:參考時脈訊號 Hdrv, Ldrv, Sdrv:控制訊號 HSW:第一上橋開關 ILD:負載電流 ILL:電感電流 Ios:偏移電流 Iref:參考電流 Iscd:漏電流 Lbb:電感 LSW:下橋開關 PFO:脈衝頻率調變訊號 PWO:脈寬調變訊號 Rscd:漏電阻值 S1, S2:斜率 S10, S20, S30, S40, S50, S60, S100, S200:步驟 Sscd:偵測輸出訊號 SSW:第二上橋開關 t1, t2, t3, t4:時點 Toff:不導通時間 Ton:導通時間 Topr:操作時段 Tpf:週期時段 Tscd:短路偵測時段 Tz:時間 Vdrvn, Vdrvp:驅動位準 Vdrvp’:位準 Vin:輸入電壓 Vout, Vout1, Vout2:輸出電源 Vref, Vsfr:參考電壓 Vscd:短路偵測位準
圖1A係顯示習知之短路偵測電路。
圖1B係顯示對應於圖1A之習知短路偵測電路之流程圖。
圖2係根據本發明之一實施例顯示具有短路偵測功能之電源轉換電路之方塊圖。
圖3係根據本發明之一示範性實施例顯示操作波形圖。
圖4係根據本發明之一實施例顯示具有短路偵測功能之電源轉換電路之方塊圖。
圖5係根據本發明顯示對應於圖2~圖4之短路偵測流程圖。
圖6A~圖6K係顯示適合實施本發明之功率級電路的各種拓樸。
圖7係根據本發明顯示操作於脈衝頻率調變(PFM)模式之電源轉換器之一實施例的操作波形圖。
圖8係根據本發明之一實施例顯示切換頻率相關於漏電阻的特性圖。
圖9係根據本發明之一實施例顯示電源轉換器之概要性示意圖。
圖10係根據本發明之一實施例顯示切換控制電路之概要性示意圖。
圖11係根據本發明之一特定實施例顯示脈衝頻率調變電路之概要性示意圖。
圖12係根據本發明之一特定實施例顯示頻率偵測電路之概要性示意圖。
S10,S20,S30,S40,S50,S60:步驟

Claims (22)

  1. 一種電源轉換電路，包含：一第一電源轉換器，用以產生一第一驅動電壓；以及一第二電源轉換器，包括至少一開關，用以切換一電感，以產生一第二驅動電壓；其中於一操作模式中，該第一驅動電壓及該第二驅動電壓係分別加以調節至一第一驅動位準及一第二驅動位準，以作為用以驅動一負載之供應電壓；其中於一短路偵測模式中，該第一驅動電壓係加以調節至該第一驅動位準，該第二電源轉換器係用以操作於一脈衝頻率調變模式，以將該第二驅動電壓調變至一短路偵測位準，其中當該第二電源轉換器之一切換頻率超過一頻率閾值時，該第二驅動電壓與該第一驅動電壓之間判斷為發生一短路狀態；其中該切換頻率係有關於該第二驅動電壓與該第一驅動電壓之間的一漏電流，於該短路偵測模式中，該負載所消耗之一負載電流係小於一預定位準；其中該切換頻率係正比於該漏電流或正比於該漏電流加上一偏移電流，其中該偏移電流係由該第二電源轉換器於產生該第二驅動電壓時，自該第二驅動電壓所消耗之電流。
  2. 如請求項1所述之電源轉換電路，其中於該短路偵測模式中，該第二電源轉換器之該至少一開關的其中之一開關，以一固定導通時間切換方式進行切換。
  3. 如請求項1所述之電源轉換電路，其中於該短路偵測模式中，該第二電源轉換器操作於一非連續導通模式。
  4. 如請求項1所述之電源轉換電路，其中該第二電源轉換器包括：一功率級電路，包括至少一上橋開關以及一下橋開關，用以切換該電感，以產生該第二驅動電壓；一切換控制電路，用以產生一控制訊號，以根據該第二驅動電壓與一參考電壓之間的差值對該至少一上橋開關以及該下橋開關進行控制；以及一頻率偵測電路，用以於該短路偵測模式中，測量該控制訊號之該切換頻率，以判斷該切換頻率是否超過該頻率閾值，進而判斷是否發生該短路狀態。
  5. 如請求項4所述之電源轉換電路，其中於該短路偵測模式中，該下橋開關係控制成不導通，使得該第二電源轉換器操作於一非同步模式，其中該電感之一電流的至少一部分係流經該下橋開關之一內接二極體。
  6. 如請求項4所述之電源轉換電路，其中該至少一上橋開關包括一第一上橋開關及一第二上橋開關，其中於該短路偵測模式中，該第一上橋開關係控制成不導通，其中該第二上橋開關與該下橋開關係用以切換該電感，以產生該第二驅動電壓且控制該第二驅動電壓至該短路偵測位準。
  7. 如請求項6所述之電源轉換電路，其中於該操作模式中，該第二上橋開關係控制成不導通，其中該第一上橋開關與該下橋開關係加以控制成以脈寬調變進行切換，用以產生該第二驅動電壓且控制該第二驅動電壓至該第二驅動位準。
  8. 如請求項4所述之電源轉換電路，其中該第二上橋開關係連接於該第一驅動電壓與該電感之一端之間，其中於該短路偵測模式中，經由切換該第二上橋開關以轉換該第一驅動電壓而產生該第二驅動電壓，其中該第二驅動電壓調節於該短路偵測位準。
  9. 如請求項8所述之電源轉換電路，其中該第二上橋開關係連接於該第一驅動電壓與一切換節點之間，該下橋開關係連接於該切換節點與該第二驅動電壓之間，該第一上橋開關係連接於一輸入電壓與該切換節點之間，且該電感係連接於該切換節點與一接地節點之間，使得該第二電源轉換器係配置成一升降壓直流轉直流轉換器。
  10. 如請求項6所述之電源轉換電路，其中該切換控制電路包括：一比較電路，用以比較該第二驅動電壓與一參考電壓，以產生一比較輸出訊號；以及一脈衝頻率調變電路，於該短路偵測模式中，利用該比較輸出訊號調變具有一恆定脈寬之一時脈訊號，以產生該控制訊號，進而控制該第二上橋開關，使其操作於該脈衝頻率調變模式。
  11. 如請求項10所述之電源轉換電路，其中該頻率偵測電路在一預定時段內計數該控制訊號之一脈衝數量，以測量該控制訊號之該切換頻率。
  12. 如請求項1所述之電源轉換電路，其中該短路偵測位準之幅度係小於該第二驅動位準之幅度。
  13. 一種短路偵測方法，用於偵測一第一驅動電壓與一第二驅動電壓之間的一短路狀態，其中該第二驅動電壓係藉由控制至少一開關而產生，該至少一開關係用於切換一電感；其中於一操作模式中，該第一驅動電壓及 該第二驅動電壓係分別加以調節至一第一驅動位準及一第二驅動位準以作為用於驅動一負載之供應電壓；其中該短路偵測方法係於一短路偵測模式中實施，該短路偵測方法包含：將該第一驅動電壓調節至該第一驅動位準；控制該至少一開關，使其操作於一脈衝頻率調變模式，以將該第二驅動電壓調節至一短路偵測位準；以及藉由判斷該至少一開關之一切換頻率是否超過一頻率閾值而偵測該短路狀態；其中該切換頻率係有關於該第二驅動電壓與該第一驅動電壓之間的一漏電流，於該短路偵測模式中，該負載所消耗之一負載電流係小於一預定位準；其中該切換頻率係正比於該漏電流或正比於該漏電流加上一偏移電流，其中該偏移電流係於產生該第二驅動電壓時，藉由操作該至少一開關而從該第二驅動電壓所消耗。
  14. 如請求項13所述之短路偵測方法，其中於該短路偵測模式中，該至少一開關的其中之一開關以一固定導通時間切換方式進行切換。
  15. 如請求項13所述之短路偵測方法，其中於該短路偵測模式中，該至少一開關操作該電感於一非連續導通模式。
  16. 如請求項13所述之短路偵測方法，其中該至少一開關包括至少一上橋開關以及一下橋開關，其用以切換該電感，以產生該第二驅動電壓，其中控制該至少一上橋開關以及該下橋開關的步驟包括： 產生一控制訊號，以根據該第二驅動電壓與一參考電壓之間的差值對該至少一上橋開關以及該下橋開關進行控制；以及於該短路偵測模式中測量該控制訊號之該切換頻率，以判斷該切換頻率是否超過該頻率閾值，進而判斷是否發生該短路狀態。
  17. 如請求項16所述之短路偵測方法，其中控制該至少一開關之步驟更包含：藉由將該下橋開關控制成不導通而將該至少一上橋開關以及該下橋開關操作於一非同步模式，其中該電感之一電流的至少一部分係流經該下橋開關之一內接二極體。
  18. 如請求項16所述之短路偵測方法，其中該至少一上橋開關包括一第一上橋開關及一第二上橋開關，其中於該短路偵測模式中，該第一上橋開關係控制成不導通，其中該第二上橋開關與該下橋開關係用以切換該電感，以產生該第二驅動電壓且控制該第二驅動電壓至該短路偵測位準。
  19. 如請求項18所述之短路偵測方法，其中於該操作模式中，該第二上橋開關係控制成不導通，其中該第一上橋開關與該下橋開關係加以控制成以脈寬調變進行切換，用以產生該第二驅動電壓且控制該第二驅動電壓至該第二驅動位準。
  20. 如請求項18所述之短路偵測方法，其中產生該控制訊號的步驟包括：比較該第二驅動電壓與一參考電壓，以產生一比較輸出訊號；以及於該短路偵測模式中利用該比較輸出訊號調變具有一恆定脈寬之一時脈訊號，以產生該控制訊號，進而控制該第二上橋開關，使其操作於該脈衝頻率調變模式。
  21. 如請求項20所述之短路偵測方法，其中測量該切換頻率之步驟包括：在一預定時段內計數該控制訊號之一脈衝數量，以測量該控制訊號之該切換頻率。
  22. 如請求項13所述之短路偵測方法，其中該短路偵測位準之幅度係小於該第二驅動位準之幅度。
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