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TWI487231B - 過電壓防護之控制方法以及用於電源控制器之控制電路 - Google Patents

過電壓防護之控制方法以及用於電源控制器之控制電路 Download PDF

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TWI487231B TW100130599A TW100130599A TWI487231B TW I487231 B TWI487231 B TW I487231B TW 100130599 A TW100130599 A TW 100130599A TW 100130599 A TW100130599 A TW 100130599A TW I487231 B TWI487231 B TW I487231B
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Description

過電壓防護之控制方法以及用於電源控制器之控制電路
本發明係相關於電源控制器中的控制電路以及控制方法，尤指對於電源控制器中過電壓保護(over voltage protection)之控制電路以及控制方法。
電源轉換器(power converter)為電子產品中，不可或缺的一種電子裝置，用來提供其他電子裝置所需用的電壓或是電流電源。電源轉換器也必須設計有提供許多不同的防護，譬如說過負載保護(over load protection，OLP)、過高溫保護(over temperature protection，OTP)、輸出短路保護(output short protection)、過高壓保護(over voltage protection)等等。這些保護，都是用來防止異常狀態時，電源轉換器可能導致的災害。
偵測輸出電壓的回饋迴路斷開時，OVP可以預防輸出電壓因為電源轉換器不斷提高其輸出功率而變高。過高的輸出電壓可能導致被供電的電子裝置損害。
第1圖顯示習知的電源轉換器8，其中包含有返馳架構(flyback topology)10、操作電源供應器(operation power supply)12、以及電源控制器18。操作電源供應器12提供操作電源電壓VCC ，對電源控制器18供電。電源控制器18可以是一單晶積體電路。
當偵測輸出端OUT上的輸出電壓VOUT 之回饋迴路斷開時，輸出電壓VOUT 可能會不正常的飆高。連帶的，操作電源供應器12所供應的操作電源電壓VCC 也會提高。當操作電源電壓VCC 高達一定程度時，電源控制器18將停止電源轉換器8之電能轉換，來達到OVP。
第2圖例示電源控制器18，其中包含有震盪電路40、脈波寬度調控器(pulse-width modulator)44、OVP控制電路30、以及邏輯電路(gate logic controller)42。震盪電路40提供電源控制器18的時脈。脈波寬度調控器44決定當下的工作週期比例(duty cycle)。OVP控制電路30以電源備妥信號SPG ，來告訴邏輯電路42操作電源電壓VCC 是否正常(power good)。邏輯電路42透過閘端GATE，控制功率開關15。
第3A圖顯示一般OVP發生時，操作電源電壓VCC 以及電源備妥信號SPG 。在第3A圖中，操作電源電壓VCC 一開始緩步的上升。在時間點t1 時，操作電源電壓VCC 高過了過電壓參考值VREF-OVP ，比較器34重設(reset)SR紀錄器32，電源備妥信號SPG 轉態成為邏輯上的0，所以邏輯電路42認定當下操作電源電壓VCC 不對(not good)，因此使功率開關15維持在關閉狀態，停止電能轉換。
電能轉換停止，操作電源電壓VCC 將因為電源控制器18的耗電，漸漸下降。如果操作電源電壓VCC 低過參考電壓VREF-RSTRT ，邏輯電路42重新啟動(restart)，開始進行電能轉換，拉高操作電源電壓VCC 。但是，只有當操作電源電壓VCC 恢復高過參考電壓VREF-UV 時，如同時間點t2 所示，比較器36以及單脈衝電路38才會使電源備妥信號SPG 轉態成為邏輯上的1，告知邏輯電路42目前的操作電源電壓VCC 是正常的(good)。
第3B圖顯示的是有雜訊短暫在操作電源端VCC出現時，操作電源電壓VCC 以及電源備妥信號SPG 。如同第3B圖所示，在時間點t3 ，因為雜訊的出現，操作電源電壓VCC 突然飆高，所以觸發了OVP。儘管雜訊很快的消失了，但是操作電源電壓VCC 還是跟第3A圖一樣，需要慢慢地掉到參考電壓VREF-RSTRT 才會重新啟動電能轉換，然後恢復到高過參考電壓VREF-UV 的時間點t4 ，操作電源電壓VCC 才會被認定為正常。從第3B圖可知，第2圖之電源控制器18之電能轉換，將會經歷一段相當長久之停滯時段THOLD 。
本發明之實施例提供一種過電壓防護之控制方法，包含有：偵測一操作電源電壓；比較該操作電源電壓以及一過電壓參考值；當該操作電源電壓超過該過電壓參考值時，停止一電源轉換器之電能轉換；偵測該操作電源電壓之一變化斜率；以及，當該變化斜率超過一下降斜率時，恢復該電源轉換器之電能轉換。
本發明之實施例另提供一種用於一電源控制器之控制電路。該電源控制器受一操作電源端供電。該操作電源端有一操作電源電壓。當該操作電源電壓超過一過電壓參考值時，該電源控制器停止一電源轉換器之電能轉換。該控制電路包含有一斜率偵測器。該斜率偵測器偵測該操作電源電壓之一變化斜率。且當該變化斜率超過一下降斜率時，該斜率偵測器恢復該電源轉換器之電能轉換。當該電源轉換器之電能轉換被恢復後，該電源控制器比較該操作電源電壓以及該過電壓參考值。
第4圖顯示依據本發明所實施的OVP控制電路60，可以取代第2圖中的OVP控制電路30。OVP控制電路60可以在短暫雜訊消失後，快速的恢復電能轉換，可以縮短第3B圖中過長的停滯時段THOLD 。
OVP控制電路60有比較器64、比較器68、多工器(multiplexer)66、低通濾波器62、以及及閘(And Gate)70。
低通濾波器62偵測操作電源電壓VCC ，進行低通濾波後，產生濾波後電壓VCC-LPF 。如同簡單電路理論可得知的，低通濾波器62等於限制了濾波後電壓VCC-LPF 對於操作電源電壓VCC 的反應速度，而操作電源電壓VCC 與濾波後電壓VCC-LPF 之間的差，實質上對應到的是操作電源電壓VCC 的變化斜率。舉例來說，當操作電源電壓VCC 下降的越快，濾波後電壓VCC-LPF 高過操作電源電壓VCC 的量，就會越多。
當比較器64所輸出的反向過電壓信號SOVP-B 為邏輯上的1時，多工器66提供過電壓參考值VREF-OVP 至比較器64的非反向輸入端。當反向過電壓信號SOVP-B 為邏輯上的0時，多工器66提供濾波後電壓VCC-LPF 至比較器64的非反向輸入端。
因此，當反向過電壓信號SOVP-B 為邏輯上的1，意味著還沒有發生過電壓，比較器64比較的是被偵測的操作電源電壓VCC 與過電壓參考值VREF-OVP ，偵測看看過電壓是否發生。當反向過電壓信號SOVP-B 為邏輯上的0，意味著已經發生了過電壓，比較器64比較的是操作電源電壓VCC 與濾波後電壓VCC-LPF ，實質上比較器64等同是偵測操作電源電壓VCC 的變化斜率。
在一實施例中，比較器64具有一遲滯效應。當比較器64所輸出的反向過電壓信號SOVP-B 為邏輯上的1時，操作電源電壓VCC 高於過電壓參考值VREF-OVP ，反向過電壓信號SOVP-B 才會轉態成為0。當反向過電壓信號SOVP-B 為邏輯上的0時，當濾波後電壓VCC-LPF 高過操作電源電壓VCC 達一預設值(譬如說0.5V)後，反向過電壓信號SOVP-B 才會轉態成為1。這個預設值，等於對應到操作電源電壓VCC 的一特定下降斜率。換言之，比較器64以及低通濾波器62一起構成一斜率偵測器，偵測操作電源電壓VCC 的變化斜率。當這變化斜率超過那特定下降斜率時，比較器64才會使反向過電壓信號SOVP-B 轉態成為1。
比較器68比較操作電源電壓VCC 以及參考電壓VREF-UV 。當操作電源電壓VCC 低於參考電壓VREF-UV 時，比較器68會以設置信號SSET 設置(set)比較器64，使反向過電壓信號SOVP-B 為邏輯上的1。換言之，強制使比較器64比較操作電源電壓VCC 與過電壓參考值VREF-OVP 。
只有操作電源電壓VCC 介於過電壓參考值VREF-OVP 與參考電壓VREF-UV 之間時，及閘70才會提供被致能的電源備妥信號SPG ，告知邏輯電路42操作電源電壓VCC 為正常。否則，電源備妥信號SPG 為邏輯上的0，表示操作電源電壓VCC 不正常。
第5A圖顯示一般OVP發生時，第4圖中操作電源電壓VCC 、反向過電壓信號SOVP-B 、設置信號SSET 、以及電源備妥信號SPG 。在第5A圖中，可能基於偵測輸出電壓回饋迴圈的斷路，操作電源電壓VCC 一開始緩步的上升，反向過電壓信號SOVP-B 為邏輯上的1，表示操作電源電壓VCC 低於過電壓參考值VREF-OVP 。
在時間點t5 時，操作電源電壓VCC 高過了過電壓參考值VREF-OVP ，比較器64使反向過電壓信號SOVP-B 轉態成為邏輯上的0。所以，電源備妥信號SPG 成為邏輯上的0，告知邏輯電路42當下操作電源電壓VCC 不對(not good)，因此使功率開關15維持在關閉狀態，停止電能轉換。
在時間點t5 之後，因為操作電源電壓VCC 只是慢慢地下降，其變化斜率不大，所以反向過電壓信號SOVP-B 一直維持在邏輯上的0。
在時間點t6 時，操作電源電壓VCC 低於參考電壓VREF-UV ，所以設置信號SSET 轉態為邏輯上的1，強迫比較器64比較操作電源電壓VCC 與過電壓參考值VREF-OVP 。也因為此時操作電源電壓VCC 低於過電壓參考值VREF-OVP ，所以反向過電壓信號SOVP-B 為邏輯上的1。此時，電源備妥信號SPG 依然是邏輯上的0，電能轉換依然被停止。
等到操作電源電壓VCC 低過參考電壓VREF-RSTRT ，邏輯電路42重新啟動(restart)，開始進行電能轉換，拉高操作電源電壓VCC 。
在時間點t7 時，操作電源電壓VCC 高過參考電壓VREF-UV ，所以設置信號SSET 轉態為邏輯上的0，電源備妥信號SPG 成為邏輯上的1，告知邏輯電路42當下的操作電源電壓VCC 是對的。
第5A圖具有與第3A圖大約相同的電源備妥信號SPG ，因此可知，第4圖中的OVP控制電路60可以與第2圖中的OVP控制電路30一樣，對於一般過電壓提供正確的OVP機制。
第5B圖顯示的是有雜訊短暫在操作電源端VCC出現時，第4圖中操作電源電壓VCC 、反向過電壓信號SOVP-B 、設置信號SSET 、以及電源備妥信號SPG 。與第3B圖大為不同的，第5B圖中的電能轉換停滯時段THOLD 相當的短，意味著在雜訊消失後，很快的讓電能轉換進入正常操作。因此，相較於第3B圖，第5B圖也顯示比較平穩的操作電源電壓VCC ，具有較好的穩壓效果。
在時間點t8 之前，因為雜訊的引入，所以操作電源電壓VCC 突然上升。在時間點t8 時，操作電源電壓VCC 超過過電壓參考值VREF-OVP 時，反向過電壓信號SOVP-B 立刻成為邏輯上的0，電源備妥信號SPG 成為邏輯上的0，進入電能轉換停滯時段THOLD 。
在時間點t8 到t9 之間的時段內，比較器64偵測操作電源電壓VCC 的變化斜率。因為操作電源電壓VCC 不是上升，就是下降速度的不夠快，所以比較器64所輸出的反向過電壓信號SOVP-B 一直維持在邏輯上的0。
在時間點t9 到t10 之間的時段內，操作電源電壓VCC 的變化速度超過了比較器64與低通濾波器62所預設的下降速度，所以會使反向過電壓信號SOVP-B 從邏輯上的0轉態為邏輯上的1，迫使比較器64比較操作電源電壓VCC 與過電壓參考值VREF-OVP 。但是，此時操作電源電壓VCC 依然超過過電壓參考值VREF-OVP ，所以會使反向過電壓信號SOVP-B 又從邏輯上1轉態回到邏輯上的0。因此，反向過電壓信號SOVP-B 會在邏輯上的0與1之間不斷的轉態。電源備妥信號SPG 也是一樣不斷的轉態，使電源轉換器在停止或是恢復電能轉換之間切換，如同第5B圖所示。
直到時間點t10 ，操作電源電壓VCC 確定低於過電壓參考值VREF-OVP ，所以反向過電壓信號SOVP-B 會穩定於邏輯上的1，而電源備妥信號SPG 也會隨之停留在邏輯上的1，讓電能轉換正常的操作。
從第5B圖可以發現，電源備妥信號SPG 在雜訊消失後幾乎就很快的回到邏輯上的1，因此電能轉換停滯時段THOLD 是非常的短的。如此，相較於第3B圖的結果，第5B圖之結果證明了第4圖之OVP控制電路60有較佳的穩壓效果。
在另一實施例中，可以採用一高通濾波器來偵測操作電源電壓VCC 的變化斜率，然後以一比較器來判斷此變化斜率是否超過一下降斜率，來做出類似第4圖中所要達成之恢復電能轉換的功能。
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。
8．．．電源轉換器
10．．．返馳架構
12．．．操作電源供應器
15．．．功率開關
18．．．電源控制器
30．．．OVP控制電路
32．．．SR紀錄器
34．．．比較器
36．．．比較器
38．．．單脈衝電路
40．．．震盪電路
42．．．邏輯電路
44．．．脈波寬度調控器
60．．．OVP控制電路
62．．．低通濾波器
64．．．比較器
66．．．多工器
68．．．比較器
70．．．及閘
GATE．．．閘端
OUT．．．輸出端
SOVP-B ．．．反向過電壓信號
SPG ．．．電源備妥信號
SSET ．．．設置信號
t1 、t2 、t3 、t4 、t5 、t6 、t7 、t8 、t9 、t10 ．．．時間點
THOLD ．．．停滯時段
VCC ．．．操作電源電壓
VCC-LPF ．．．濾波後電壓
VOUT ．．．輸出電壓
VREF-OVP ．．．過電壓參考值
VREF-RSTRT ．．．參考電壓
VREF-UV ．．．參考電壓
第1圖顯示習知的電源轉換器。
第2圖例示一電源控制器。
第3A圖顯示一般OVP發生時，第2圖之操作電源電壓VCC 以及電源備妥信號SPG 。
第3B圖顯示的是有雜訊短暫在操作電源端VCC出現時，第2圖之操作電源電壓VCC 以及電源備妥信號SPG 。
第4圖顯示依據本發明所實施的一OVP控制電路。
第5A圖顯示一般OVP發生時，第4圖中操作電源電壓VCC 、反向過電壓信號SOVP-B 、設置信號SSET 、以及電源備妥信號SPG 。
第5B圖顯示的是有雜訊短暫在操作電源端VCC出現時，第4圖中操作電源電壓VCC 、反向過電壓信號SOVP-B 、設置信號SSET 、以及電源備妥信號SPG 。
60．．．OVP控制電路
62．．．低通濾波器
64．．．比較器
66．．．多工器
68．．．比較器
70．．．及閘
SOVP-B ．．．反向過電壓信號
SPG ．．．電源備妥信號
SSET ．．．設置信號
VCC ．．．操作電源電壓
VCC-LPF ．．．濾波後電壓
VREF-OVP ．．．過電壓參考值
VREF-UV ．．．參考電壓

Claims (11)

  1. 一種過電壓防護(over voltage protection)之控制方法，包含有：偵測一操作電源電壓；比較該操作電源電壓以及一過電壓參考值；當該操作電源電壓超過該過電壓參考值時，停止一電源轉換器之電能轉換；偵測該操作電源電壓之一變化斜率；以及當該變化斜率超過一下降斜率時，恢復該電源轉換器之電能轉換。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓防護之控制方法，另包含有：提供一比較器；當該操作電源電壓超過該過電壓參考值後，以該比較器偵測該變化斜率；以及當該變化斜率超過該下降斜率，以該比較器比較該操作電源電壓以及該過電壓參考值。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電壓防護之控制方法，另包含有：比較該操作電源電壓以及一參考電壓；以及當該操作電源電壓低於該參考電壓時，使該比較器比較該操作電源電壓以及該過電壓參考值。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之電壓防護之控制方法，其中，該比較器具有一遲滯效應(hysteresis effect)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電壓防護之控制方法，另包含有：對該操作電源電壓進行低通濾波，以產生一濾波後電壓；比較該濾波後電壓以及該操作電源電壓；以及當該濾波後電壓高於該操作電源電壓一預設值時，恢復該電源轉換器之電能轉換。
  6. 一種用於一電源控制器之控制電路，該電源控制器受一操作電源端供電，該操作電源端有一操作電源電壓，當該操作電源電壓超過一過電壓參考值時，該電源控制器停止一電源轉換器之電能轉換，該控制電路包含有：一斜率偵測器，用以偵測該操作電源電壓之一變化斜率，且當該變化斜率超過一下降斜率時，恢復該電源轉換器之電能轉換；其中，當該電源轉換器之電能轉換被恢復後，該電源控制器比較該操作電源電壓以及該過電壓參考值。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之控制電路，其中，該斜率偵測器包含有：一低通濾波器(low-pass filter)，依據該操作電源電壓，提供一濾波後電壓；以及一第一比較器，具有一第一輸入端，耦接至該操作電源電壓，以及一第二輸入端耦接至該濾波後電壓；其中，當該操作電源電壓低於該濾波後電壓至一預設值時，該第一比較器之一比較結果恢復該電源轉換器之電能轉換。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之控制電路，其中，該斜率偵測器另包含有：一多工器(multiplexer)，包含有：一第一信號端，耦接至該濾波後電壓；一第二信號端，耦接至該過電壓參考值；一控制端，耦接至該第一比較器之一輸出端；以及一多工器輸出端，耦接至該第一比較器之該第二輸入端。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之控制電路，其中，該第一比較器具有一遲滯效應(hysteresis effect)。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之控制電路，另包含有：一第二比較器，用以比較該操作電源電壓以及一參考電壓；其中，當該操作電源電壓低於該參考電壓時，該第二比較器使該多工器選擇該過電壓參考值輸出至該多工器輸出端。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之控制電路，另包含有：一第二比較器，用以比較該操作電源電壓以及一參考電壓；其中，當該操作電源電壓低於該參考電壓時，該第二比較器設置(set)該第一比較器。
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