TWI397233B - Monitoring circuit of the rear regulator circuit - Google Patents

Description

後級穩壓迴路的監控電路

一種後級穩壓迴路的監控電路，特別指一種控制與保護的電路，且應用於控制電源供應器中的後級穩壓迴路。

電源供應器具有不同電壓位準的多個輸出為習知的技術，而常見的電源供應器配置方式是將變壓器二次側區分為至少一主輸出迴路以及連接於主輸出迴路的一後級穩壓迴路（post regulation）。其中該主輸出迴路係在變壓器二次側透過繞組感應的方式先形成佔輸出功率比例較高的主輸出電力，該後級穩壓迴路再由該主輸出電力降壓形成電壓與功率較低的附屬輸出電力。以供應一般桌上型電腦的電源供應器為例，功率與電流佔整體輸出比例較大的為主輸出電力12V、5V，因此使用兩繞組分別供應主輸出電力12V、5V，再透過後級穩壓迴路（post regulation）產生3.3V。

基於上述的習知技術，具備後級穩壓的習知電路可見於圖1，其中該電源供應器具有一變壓器，該變壓器一次側10通過的電流受控於一脈寬調變電路（PWM controller）以及一組開關，而變壓器二次側具有多個主輸出迴路11、12分別透過相異的繞組產生感應電力，其中該電力經過複數開關（Q1與Q2、Q3與Q4）做同步整流，並經過電感、電容穩定電力波形後形成兩個主輸出電力（12V及5V）。再者，一組開關元件131、132、電感133、電容與電阻等元件構成一組後級穩壓迴路13而連接於該主輸出迴路12，藉由該開關元件131、132的運作而調壓構成3.3V的一附屬輸出電力。其中該開關元件131、132是透過一後級控制電路（圖中未示）控制，並且該決定該開關元件131、132導通週期的方式是將流經該電感133的電流積分所得之電壓，經由放大器放大為驅動訊號來控制該些開關元件131、132的導通週期。

由於現今後級穩壓迴路的控制機制係監測該後級穩壓迴路中的電感電流，並將電感電流積分得到相應的電壓藉以調變該組開關元件的導通週期。而後級穩壓迴路的保護機制是設定一電流的上限值，當電感電流達到該上限值時強迫減縮該脈寬調變電路的驅動脈波後緣，以避免電流過高。但是附屬輸出電力端發生短路時，電流上升的速度極快，即使已縮減了驅動脈波的後緣，該後級穩壓迴路中的電感電流會瞬間驟升（大約在2~3個時脈內）而產生如圖2中的過電流波形91，由於過電流波形91流量過大，該後級穩壓迴路所連接的主輸出迴路會產生逆電流波形92而燒毀整流元件。因此不只後級穩壓迴路無法運作，更連帶損毀該後級穩壓迴路所連接的主輸出迴路。

由於前段所述的習知技術中，該後級穩壓迴路在短路時不僅自身損毀，並連帶產生逆電流損毀了所連接的主輸出迴路。本案要達到的目的即在於提供一種控制與保護電路，除了控制該後級穩壓迴路的運作以外，更進一步抑制後級穩壓迴路本身過高的電流，該主輸出迴路不受該後級穩壓迴路短路的影響而繼續工作。

本案為一種後級穩壓迴路的監控電路，用於監控一電源供應器產生的附屬輸出電力，其中該電源供應器中具有一變壓器，該變壓器具有至少一二次側線圈以及該二次側線圈所連接的主輸出迴路，該後級穩壓迴路連接該主輸出迴路並取得該主輸出迴路的一主輸出電力，且該後級穩壓迴路包含一組開關單元將該主輸出電力調變成一附屬輸出電力，而一監控電路控制該開關單元的工作時序。該監控電路包括一脈波產生單元、一電力監測單元以及一邏輯單元，該脈波產生單元輸出一第一脈波至該邏輯單元，而該電力監測單元設定一異常位準，並自該後級穩壓迴路取得一偵測電力與該異常位準作比較，且得輸出一狀態訊號以表示該偵測電力是否越過該異常位準，該狀態訊號被送至該邏輯單元。最後，該邏輯單元依該狀態訊號決定是否依據該第一脈波的波形而輸出一驅動脈波，或者停止輸出該驅動脈波而限制該開關單元的工作時序。藉由上述電路的動作，具體的效果是在後級穩壓迴路的電感電流造成主輸出迴路產生逆電流之前抑制該開關單元的運作，因此即使該後級穩壓迴路已短路或損壞，該主輸出迴路也不會產生逆電流，達到後級穩壓迴路具有獨立保護機制的有益效果。

本案一種後級穩壓迴路的監控電路，係應用於一種具有後級穩壓迴路的電源供應器。請參閱圖3，該電源供應器的變壓器一次側10將電力傳送至變壓器二次側的兩主輸出迴路11、12，並由該主輸出迴路11、12分別透過開關單元111、121調變出12V與5V的主輸出電力，而一後級穩壓迴路13則連接於其中一主輸出迴路12上，該後級穩壓迴路13可取得該主輸出迴路12的5V主輸出電力，且該後級穩壓迴路13利用兩開關元件131、132所構成的一組開關單元將該主輸出電力調變成3.3V的一附屬輸出電力。除了該開關元件131、132以外，該後級穩壓迴路13還可包括一電感133、一電容以及一電阻，其中圖3所示為一概略之示意圖，該後級穩壓迴路13的細部具體電路當然不限於圖中所示之態樣；再者該電感133、電容等元件的功效為該技術領域具有一般知識者所熟知的習知技術，故不再贅述。

請再同時參閱圖3與圖4，本案之特點在於該後級穩壓迴路13受控於一監控電路2，該監控電路2自該附屬輸出電力取得一回授訊號（3.3V_FB），以及自該開關單元取得一偵測電力214，該監控電路2藉由該回授訊號調整一驅動脈波24的工作週期（duty cycle），並且藉由該偵測電力214而決定是否縮減該驅動脈波24的前緣而達到保護的作用。該監控電路2詳述如下，該監控電路2包括一電力監測單元21、一脈波產生單元22以及一邏輯單元23，其中該脈波產生單元22利用一脈寬控制比較器222取得一鋸齒波訊號223以及一脈寬位準訊號224，並比較兩者大小而輸出一具有高、低準位的第一脈波225。而為了要具備回授控制的功能，該脈波產生單元22更佳的實施結構是在該脈寬控制比較器222之外更包括一回授校正放大器221，該回授校正放大器221取得一參考電壓（Vref）以及自附屬輸出電力取得該回授訊號（3.3V_FB），依據該參考電壓與該回授訊號的電壓差異而決定該脈寬位準訊號224的位準。因此該回授訊號的大小改變脈寬位準訊號224，更進一步的透過該脈寬位準訊號224與該鋸齒波訊號223的大小變化而改變該第一脈波225。該電力監測單元21設定一異常位準用於判斷該附屬輸出迴路13與該主輸出迴路12之間的電力是否異常，以判斷執行保護機制的時序。其中該電力監測單元21主要包含一直流電流源211、一比較器212，其中該比較器212之一輸入端取得一電位作為異常位準，而在圖4中的較佳態樣係令該比較器212的一輸入端接地，以電壓0V作為異常位準。該直流電流源211與該比較器212之間具有一線路連接該後級穩壓迴路13而形成該偵測電力214，一併參閱圖3與圖4可見，該直流電流源211與該比較器212之間的線路連接至兩開關元件131、132之間，而擷取流經該開關單元的主輸出電力，作為該偵測電力214，該偵測電力214的變化量與該附屬輸出電力的變化量成比例關係。藉此該電力監測單元21可監測流入該附屬輸出迴路13的電力，以盡快檢知與避免產生逆電流。該直流電流源211係受一過電流訊號（OCP）驅動而提供一緩衝電力，並在一電容216中形成穩定的直流位準，進而提高該偵測電力214之直流位準，因而增加該偵測電力214與該異常位準之間的差距而避免誤動作。該比較器212則比較該異常位準以及該偵測電力214，並得透過一反相器213而輸出一狀態訊號215，該狀態訊號215的低、高準位表示該偵測電力214是否越過該異常位準。而該邏輯單元23取得該第一脈波225以及該狀態訊號215，如圖4中所示，該邏輯單元23可包括一及閘（AND）接收該第一脈波225與該狀態訊號215，並依該狀態訊號215決定是否依據該第一脈波225的波形而輸出一驅動脈波24。更具體的說，該狀態訊號215與該第一脈波225皆為高準位時才輸出該驅動脈波24，若該電力監測單元21判定該偵測電力214出現異常時則停止輸出該狀態訊號215，使得邏輯單元23截止該驅動脈波24而限制該開關單元的工作時序。當該開關單元如圖3所示具有兩開關元件131、132時，則該邏輯單元23可包含一分支線路利用反相器產生一反向驅動脈波25，使該開關元件131、132受該驅動脈波24、反向驅動脈波25驅動而交錯導通。

請參閱圖3、圖4的電路，再一併參閱圖5的節點波形，在圖5中可見，當3.3V的附屬輸出電力正常時，該狀態訊號215（OC_Lock）波形是常態的位於高準位，使該第一脈波225完全不被邏輯單元23限縮的形成該驅動脈波24與反相驅動脈波25。而在正常狀態下，通過該開關元件131、132的電力（V_DS ）進入該電力監測單元21，並加上該直流電流源211提供的直流位準而透過該電容216形成圖5中所看到的偵測電力214（V_set ）波形。如圖5所示，該偵測電力214在正常狀態下應為正（高於該異常位準），由於該偵測電力214是由兩開關元件131、132之間取得，因此會隨著開關元件131、132的導通週期而波動。

當該附屬輸出電力（3.3V）短路時，每個充電週期中電感電流（I_Lpost ）非常快速的上升，但由於回授訊號的電壓過低，該脈波產生單元22反而提高第一脈波225的工作週期，因此無法快速的排除故障。當該電感電流（I_Lpost ）驟升到一定的電流量時，該偵測電力214會低於該異常位準（0V），代表該後級穩壓迴路13端已出現異常。該偵測電力214低於該異常位準時，該比較器212的輸出轉態，透過該反向器213使得該狀態訊號215變為低準位，因此該邏輯單元23限縮該驅動脈波24的前緣，直到該偵測電力214高於異常位準為止。在圖5中可見，該電感電流（I_Lpost ）驟升時，該偵測電力214（V_set ）隨著降低，甚至低於異常位準（波形下降到原點以下），此時狀態訊號215（OC_Lock）轉態而限縮該驅動脈波24的前緣，直到偵測電力214（V_set ）回復正常（波形回復到原點以上）。短路的狀況沒排除之前，電感電流（I_Lpost ）無法恢復正常，但該監控電路2可透過該大幅的減縮該驅動脈波24的前緣而使得逆電流的情況得到控制，即使後級穩壓迴路13無法正常工作，亦不會對所連接的主輸出迴路12造成任何損壞，達到獨立保護的積極功效。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內而所作之些許更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明中，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

綜上所述，本發明較習知之電路增進上述功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定創新專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵創作，至感德便。

10‧‧‧變壓器一次側

11、12‧‧‧主輸出迴路

111、121‧‧‧開關元件

13‧‧‧後級穩壓迴路

131、132‧‧‧開關元件

133‧‧‧電感

2‧‧‧監控電路

21‧‧‧電力監測單元

211‧‧‧直流電流源

212‧‧‧比較器

213‧‧‧反向器

214‧‧‧偵測電力

215‧‧‧狀態訊號

216‧‧‧電容

22‧‧‧脈波產生單元

221‧‧‧回授校正放大器

222‧‧‧脈寬控制比較器

223‧‧‧鋸齒波訊號

224‧‧‧脈寬位準訊號

225‧‧‧第一脈波

23‧‧‧邏輯單元

24‧‧‧驅動脈波

25‧‧‧反向驅動脈波

91‧‧‧過電流波形

92‧‧‧逆電流波形

圖1為習知具有後級穩壓迴路的電源供應器電路示意圖。

圖2為圖1的習知電路各節點波形圖。

圖3為本案之電路示意圖。

圖4為該監控電路之架構示意圖。

圖5為本案電路之各節點波形圖。

10‧‧‧變壓器一次側

11、12‧‧‧主輸出迴路

111、121‧‧‧開關單元

13‧‧‧後級穩壓迴路

131、132‧‧‧開關元件

133‧‧‧電感

2‧‧‧監控電路

24‧‧‧驅動脈波

25‧‧‧反向驅動脈波

Claims (10)

1. 一種輸出迴路的過電流保護電路，其中該過電流保護電路係連接一後級穩壓迴路，該後級穩壓迴路係連接於一變壓器二次側線圈的一主輸出迴路上，該後級穩壓迴路取得經由該主輸出迴路所調變的一主輸出電力，且該後級穩壓迴路包含一組開關單元將該主輸出電力調變成一附屬輸出電力，而該過電流保護電路控制該開關單元的工作時序，其中該過電流保護電路利用自該附屬輸出電力取得之回授訊號以調整一驅動脈波的工作週期，並利用自該開關單元取得之偵測電力而決定是否縮減該驅動脈波的前緣。
2. 如申請專利範圍第1項所述的過電流保護電路，其中該過電流保護電路係包括：一脈波產生單元，該脈波產生單元輸出一第一脈波；一電力監測單元，該電力監測單元設定一異常位準，並自該後級穩壓迴路取得一偵測電力與該異常位準作比較，且得輸出一狀態訊號以表示該偵測電力是否越過該異常位準；以及一邏輯單元，該邏輯單元取得該第一脈波以及該狀態訊號，並依該狀態訊號決定是否依據該第一脈波的波形而輸出一驅動脈波，或者停止輸出該驅動脈波而限制該開關單元的工作時序。
3. 如申請專利範圍第2項所述的過電流保護電路，其中該邏輯電路包含：至少一邏輯閘，用以對該第一脈波與該狀態訊號進行一預定邏輯運算以決定該驅動脈波之輸出。
4. 如申請專利範圍第2項所述的過電流保護電路，其中該偵測電力的變化量與該附屬輸出電力的變化量成比例關係。
5. 如申請專利範圍第4項所述的過電流保護電路，其中該偵測電力係擷取自流經該開關單元的主輸出電力。
6. 如申請專利範圍第2項所述的過電流保護電路，其中該電力監測單元輸出一緩衝電力提高該偵測電力之直流位準，以提高該偵測電力與該異常位準之間的差距而避免誤動作。
7. 如申請專利範圍第6項所述的過電流保護電路，其中該電力監測單元包含一提供該緩衝電力的直流電流源、取得該異常位準的一比較器，其中該直流電流源與該比較器之間具有一線路連接該後級穩壓迴路而取得該偵測電力，該比較器比較該異常位準以及受該緩衝電力提高直流位準的偵測電力，並依據兩者的大小而決定輸出該狀態訊號的時序。
8. 如申請專利範圍第2項所述的過電流保護電路，其中該脈波產生單元利用一脈寬控制比較器取得一鋸齒波訊號以及一脈寬位準訊號，並比較兩者大小而輸出一具有高、低準位的第一脈波。
9. 如申請專利範圍第8項所述的過電流保護電路，其中該脈波產生單元更包括一輸出該脈寬位準訊號的回授校正放大器，該回授校正放大器取得一參考電壓以及自附屬輸出電力取得一回授訊號，依據該參考電壓與該回授訊號的電壓差異而決定該脈寬位準訊號的位準。
10. 一種輸出迴路的過電流保護電路，其中該過電流保護電路係連接一後級穩壓迴路，該後級穩壓迴路係連接於一變壓器二次側線圈的一主輸出迴路上，該後級穩壓迴路取得經由該主輸出迴路所調變的一主輸出電力， 且該後級穩壓迴路包含一組開關單元將該主輸出電力調變成一附屬輸出電力，而該過電流保護電路控制該開關單元的工作時序，其中該過電流保護電路包括：一脈波產生單元，該脈波產生單元輸出一第一脈波；一電力監測單元，該電力監測單元設定一異常位準，並自該後級穩壓迴路取得一偵測電力與該異常位準作比較，且得輸出一狀態訊號以表示該偵測電力是否越過該異常位準；以及一邏輯單元，該邏輯單元取得該第一脈波以及該狀態訊號，並依該狀態訊號決定是否依據該第一脈波的波形而輸出一驅動脈波，或者停止輸出該驅動脈波而限制該開關單元的工作時序。