过压保护电路以及过压保护的方法
【专利摘要】一种过压保护电路，应用于一开关电压转换电路。开关电压转换电路操作其电路中的一上桥功率开关，以将一输入电压通过一电感转换为一输出电压。上桥功率开关的通道以及电感耦接于一相端。过压保护电路包含：一比较器，耦接于开关电压转换电路，且当相端的电压大于一限压阀值时，比较器的输出端输出一第一准位；以及，一脉冲宽度侦测单元，耦接于比较器的输出端，且当比较器的输出端维持于第一准位超过一保护期间的时间，脉冲宽度侦测单元输出一过压保护启动讯号。
【专利说明】过压保护电路以及过压保护的方法
【【技术领域】】
[0001]本发明是关于一种过压保护电路以及过压保护的方法，特别是一种能有效防止上桥功率开关的误动作的过压保护电路以及过压保护的方法。
【【背景技术】】
[0002]开关电压转换电路(switching voltage converting circuit)是为电压转换电路的一种，利用切换功率开关的方式，调节储存在一电感性的元件上的能量以供给至输出负载，并将一输入电压转换为一输出电压于一输出端，以维持固定的输出电压值，并提供输出负载所需的负载电流。其优点为转换效率高，因此能减少不必要的发热，进而降低散热设计上的复杂度。
[0003]然而，开关电压转换电路中的功率元件，往往必须直接承受较高的电压，因此造成了可能损坏的风险。在高压输入转为低压输出的开关电压转换电路的应用当中，往往又因为直接承受高压输入的上桥功率元件的损坏，使其通道形成短路，而使得输出端直接承受输入端的高电压。在一些供电应用当中，输出端所连接的负载是为相当昂贵的部件，例如中央处理器、或是应用处理器等等。因此，如果这些部件的供电单元没有过压保护的机制，将容易直接导致损坏，而形成维护成本的增加。
[0004]承前所述，由于上桥功率开关直接承受输入的高电压，因此容易因为不适当的输入电压而造成损坏。此外，对上桥功率开关的错误控制也容易直接对于其他电路部分形成过压上的威胁。因此，如何针对上桥功率开关，提供一个有效的过压保护机制，成为开关电压转换电路的过压保护设计上，一个很重要的问题。
【
【发明内容】
】
[0005]为了解决上述问题，本发明主要是提供一种能有效防止上桥功率开关的误动作的过压保护电路以及过压保护的方法。
[0006]本发明提出一种过压保护电路，应用于一开关电压转换电路。开关电压转换电路操作其电路中的一上桥功率开关，以将一输入电压通过一电感转换为一输出电压。上桥功率开关的通道以及电感耦接于一相端。过压保护电路包含:一比较器，耦接于开关电压转换电路，且当相端的电压大于一限压阀值时，比较器的输出端输出一第一准位；以及，一脉冲宽度侦测单元，耦接于比较器的输出端，且当比较器的输出端维持于第一准位超过一保护期间的时间，脉冲宽度侦测单元输出一过压保护启动讯号。
[0007]本发明一实施例中，其中比较器包括一正输入端以及一负输入端，正输入端I禹接于相端，负输入端稱接于一参考电压。且当正输入端的电压大于负输入端的电压，比较输出端输出一第一准位。
[0008]本发明又提供一种过压保护的方法，应用于一开关电压转换电路。开关电压转换电路操作其电路中的一上桥功率开关，以将一输入电压通过一电感转换为一输出电压。上桥功率开关的通道以及电感耦接于一相端。过压保护的方法包含下列步骤:首先，侦测相端的电压是否大于一限压阀值，并且已维持一保护期间的时间；若是，则进行下一步骤；然后，启动一过压保护机制。
[0009]本发明一实施例中，其中侦测相端的电压是否大于一限压阀值的步骤，是利用一比较器比较相端的电压是否超过限压阀值。
[0010]本发明一实施例中，其中开关电压转换电路更包括一下桥功率开关，且过压保护机制是指控制下桥功率开关的通道导通，并与上桥功率开关的通道形成一电流回路。
[0011]本发明一实施例中，其中电流回路不包括电感。
[0012]本发明一实施例中，其中电流回路包括电感。
[0013]本发明一实施例中，其中开关电压转换电路是为一降压开关电压转换电路或为一降压-升压开关电压转换电路的态样。
[0014]本发明一实施例中，其中过压保护机制是指输入电压关闭。
[0015]本发明的功效在于，本发明所揭露的过压保护电路以及过压保护的方法，能够直接侦测所应用的开关电压转换电路中，上桥功率开关可能损坏的情形，并进一步启动有效的过压保护机制，以避免开关电压转换电路所驱动的负载电路的损坏。
[0016]有关本创作的特征、实作与功效，兹配合图式作最佳实施例详细说明如下。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0017]图1:本发明所揭露一实施例的过压保护电路及其应用的降压开关电压转换电路的电路图。
[0018]图2:以本发明所揭露的过压保护电路及其应用的降压开关电压转换电路的一相关波形图。
[0019]图3:以本发明所揭露的过压保护电路及其应用的降压开关电压转换电路的另一相关波形图。
[0020]图4:本发明所揭露另一实施例的过压保护电路及其应用的升压-降压开关电压转换电路的电路图。
[0021]图5:本发明所揭露的过压保护的方法的步骤流程图。
[0022]主要组件符号说明:
[0023]10,40开关电压转换电路12、42输入电压
[0024]11,41上桥功率开关 13、43电感
[0025]14,44输出电压112负输入端
[0026]15、45相端113输出端
[0027]16,46下桥功率开关 120脉冲宽度侦测单元
[0028]17,47 接地端210、220、230、240、250、260、270 波形
[0029]18、48电压转换控制器
[0030]100 过压保护电路 310、320、330、340、350、360 波形
[0031]110 比较器S510、S530 步骤
[0032]111 正输入端
【【具体实施方式】】
[0033]在说明书及后续的申请专利范围当中，「耦接」一词在此是包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表第一装置可直接电气连接于第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至第二装置。
[0034]图1为本发明所揭露一实施例的过压保护电路100及其应用的开关电压转换电路10的电路图。开关电压转换电路10操作其电路中的一上桥功率开关11,以将一输入电压12通过一电感13转换为一输出电压14。上桥功率开关11的通道以及电感13 I禹接于一相端15。过压保护电路100包括一比较器110以及一脉冲宽度侦测单元120。
[0035]比较器110耦接于开关电压转换电路10。且当相端15的电压大于一限压阀值时，比较器I1的输出端113输出一第一准位。脉冲宽度侦测单元120耦接于输出端113，其中当输出端113维持于第一准位超过一保护期间的时间，脉冲宽度侦测单元120输出一过压保护启动讯号。
[0036]进一步说明，过压保护电路100是用以侦测当上桥功率开关11由于元件的损坏或元件控制上的错误，导致相端15耦接于输入电压12，而使得相端15的电压超过限压阀值并维持至少保护期间的时间时，由过压保护电路100发出过压保护启动讯号，以启动过压保护机制，例如关闭输入电压12，或是直接破坏上桥功率开关11使其通道形成断路等等。如图1所示的一实施例中，比较器110包括正输入端111以及负输入端112，分别耦接于相端15以及一参考电压Vref。当正输入端111的电压大于负输入端112的电压,输出端113输出第一准位，使脉冲宽度侦测单元120据以反应。值得注意的是，正输入端111可以直接连接于相端15，但并不以此为限。举凡以分压、或甚至设计将输入端111的电压与相端15的电压形成负相关的方式，都可以达到侦测相端115的电压是否超过限压阀值的目的，此为本领域具有通常知识者所习知，在此不另赘述。
[0037]另外，脉冲宽度侦测单元120必须侦测其输入端是否为第一准位，并维持至少保护期间的时间。本领域具有通常知识者，可以根据电路实际规格，参考习知技术，利用逻辑闸(logic gate)、延迟电路(delay circuit)、单击电路(one-shot circuit)等等基本电路单元来实现脉冲宽度侦测单元120，在此不另赘述。
[0038]进一步说明，在过压保护机制的部分，可以利用形成上桥功率开关11在其通道上的大电流，导致大功率消耗，来直接破坏上桥功率开关11的通道，形成断路，使得相端15不再耦接于过高的输入电压12。例如在图1中，开关电压转换电路10可以更包括一下桥功率开关16，且当脉冲宽度侦测单元120输出过压保护启动讯号时，下桥功率开关16的通道导通，并与上桥功率开关11的通道形成一电流回路。上述的电流回路，是由输入电压12直接分别通过上桥功率开关11以及下桥功率开关16的通道再到接地端17。通常在设计上，上桥功率开关11具有比下桥功率开关16更大的通道导通电阻，因此在同样的通道电流量下，上桥功率开关11将消耗更多的功率，因此会比下桥功率开关16更容易损毁，因而达到使得相端15不再耦接于过高的输入电压12的目的。
[0039]由图1所示可知，图1中的开关电压转换电路10是以降压开关电压转换电路(Buck switching voltage converting circuit)的态样作为实施例说明，因此在启动过压保护机制形成电流回路时，电流回路不包括电感13。值得注意的是，开关电压转换电路10中进一步包括电压转换控制器18，用以接收过压保护启动讯号以及电压转换电路的输出端回授讯号等等，以决定上桥功率开关11以及下桥功率开关16在各种模式下的控制方式，并输出控制讯号。
[0040]图2是以本发明所揭露的过压保护电路100及其应用的开关电压转换电路10的一相关波形图。图2所示者，是当开关电压转换电路10操作在脉冲省略模式(Pulse-Skipping Mode, P SM)之下,输入电压12随后发生电压过高的情况时,过压保护电路100的反应行为。在图2中，波形210是上桥功率开关11的耐受电压的绝对最大额定值(Absolute Maximal Rating,AMR)的准位,亦即，当上桥功率开关11的端点电压超过绝对最大额定值时，将导致上桥功率开关11的损坏。波形220为限压阀值的准位，当相端15的电压维持在限压阀值以上过久，将可能导致开关电压转换电路10所驱动的负载电路(图中未示)所受的供应电压过高，而直接造成其损坏。波形230所示为输入电压12。波形240所示为相端15的电压。波形250所示为上桥功率开关11的控制讯号，当控制讯号为HIGH，上桥功率开关11的通道导通，否则通道截止。波形260所示为下桥功率开关16的控制讯号，当控制讯号为HIGH，下桥功率开关16的通道导通，否则通道截止。波形270为过压保护启动讯号的指示讯号。
[0041]进一步说明，在时间tl，如波形250所示，讯号转变为HIGH，上桥功率开关11的通道导通，因此如波形240所示，相端15的电压趋近输入电压。在时间t2，如波形250以及波形260所示，讯号分别转变为LOW以及HIGH，上桥功率开关11的通道截止，而下桥功率开关16的通道导通，因此如波形240所示，相端15的电压趋近接地端17的电压。在时间t3，如波形260所示，讯号转变为L0W，而下桥功率开关16的通道截止，因此如波形240所示，相端15的电压趋近输出电压14。在时间t4时,输入电压12开始上升,并在时间t5维持在一大于限压阀值的电压。在时间t6，如波形250所示，讯号转变为HIGH，上桥功率开关11的通道导通，因此如波形240所示，相端15的电压趋近输入电压12，亦即相端15的电压此时大于限压阀值。在时间t7，如波形250以及波形260所示，讯号分别转变为LOW以及HIGH，上桥功率开关11的通道截止，而下桥功率开关16的通道导通，因此如波形240所示，相端15的电压趋近接地端17的电压。在时间t6和t7之间，虽然相端15的电压大于限压阀值，但由于维持的长度并未超过保护期间，因此过压保护电路100并未发出过压保护启动讯号。
[0042]在时间t8，输入电压12又开始上升，并超过上桥功率开关11的耐受电压的绝对最大额定值的准位。在时间t9时，由于上桥功率开关11已经损毁，因此如波形250所示，即使上桥功率开关11的控制讯号并未转为HIGH，亦即并未控制上桥功率开关11的通道导通，然而上桥功率开关11的通道仍直接导通，因此如波形240所示，相端15的电压趋近输入电压，此后相端15的电压持续大于限压阀值。在时间tlO，由于相端15的电压已维持在大于限压阀值，并开始超过保护期间的时间长度，因此过压保护电路100发出过压保护启动讯号，如波形270所示，讯号转变为HIGH，因此下桥功率开关16的通道导通。至此上桥功率开关11与下桥功率开关16的通道形成大电流回路，进一步造成上桥功率开关11的烧毁，上桥功率开关11的通道断路，相端15的电压亦回复至低于限压阀值，因此保护了后级的负载电路的安全。
[0043]图3是以本发明所揭露的过压保护电路100及其应用的开关电压转换电路10的另一相关波形图。图3所示者，是当开关电压转换电路10操作在一般的连续导通模式(Continuous Conduct1n Mode,CCM)时，由于上桥功率开关11的控制形成误动作，导致上桥功率开关11的通道持续导通时，过压保护电路100的反应行为。在图3中，波形310为限压阀值的准位。波形320所示为输入电压12。波形330所示为相端15的电压。波形340所示为上桥功率开关11的控制讯号。波形350所示为下桥功率开关16的控制讯号。波形360为过压保护启动讯号的指示讯号。值得注意的是，在图3中，输入电压12大于限压阀值。
[0044]进一步说明，在时间tll，如波形340所示，讯号转变为HIGH，上桥功率开关11的通道导通，因此如波形330所示，相端15的电压趋近输入电压12，亦即相端15的电压此时大于限压阀值。在时间tl2，如波形340以及波形350所示，讯号分别转变为LOW以及HIGH，上桥功率开关11的通道截止，而下桥功率开关16的通道导通，因此如波形330所示，相端15的电压趋近接地端17的电压。在时间tll和tl2之间，虽然相端15的电压大于限压阀值，但由于维持的长度并未超过保护期间，因此过压保护电路100并未发出过压保护启动讯号。
[0045]在时间tl3，如波形340所示，讯号转变为HIGH，上桥功率开关11的通道导通，因此如波形330所示，相端15的电压趋近输入电压12。然而在时间tl4，如波形340所示，讯号并未转变为L0W，亦即上桥功率开关11的控制上发生了误动作，造成其通道持续导通。发生误动作的原因，可能是电压转换控制器18本身的损毁，导致其输出不正确的控制讯号，也可能是上桥功率开关11的控制端与其他电压间，忽然形成了短路，例如有金属屑掉落在电路板上。在时间tl5，由于相端15的电压已维持在大于限压阀值，并开始超过保护期间的时间长度，因此过压保护电路100发出过压保护启动讯号，如波形270所示，讯号转变为HIGH，而下桥功率开关16的通道导通。因此上桥功率开关11与下桥功率开关16的通道形成大电流回路，进一步造成上桥功率开关11的烧毁，上桥功率开关11的通道断路，相端15的电压亦回复至低于限压阀值，因此保护了后级的负载电路的安全。
[0046]图4为本发明所揭露另一实施例的过压保护电路100及其应用的开关电压转换电路40的电路图。开关电压转换电路40操作其电路中的一上桥功率开关41,以将一输入电压42通过一电感43转换为一输出电压44。上桥功率开关41的通道以及电感43 I禹接于一相端45。过压保护电路100包括一比较器110以及一脉冲宽度侦测单元120。过压保护电路100的电路组成以及动作方式，可以参考图1所示实施例中的相关说明，在此不另赘述。
[0047]进一步说明，在过压保护机制的部分，可以利用形成上桥功率开关11的大电流，来直接破坏上桥功率开关11的通道，形成断路，使得相端15不再耦接于过高的输入电压
12。例如在图4中，开关电压转换电路40可以更包括一下桥功率开关46，且当过压保护电路100输出过压保护启动讯号，下桥功率开关46的通道导通，并与上桥功率开关41的通道形成一电流回路。上述的电流回路，是由输入电压42分别通过上桥功率开关41、电感43以及下桥功率开关16的通道再到接地端47。通常在设计上，上桥功率开关41具有比下桥功率开关46更大的通道导通电阻，因此在同样的通道电流量下，上桥功率开关41将消耗更多的功率，因此会比下桥功率开关46更容易损毁，因而达到使得相端45不再耦接于过高的输入电压42的目的。
[0048]由图4所示可知，图4中的开关电压转换电路40是以降压-升压开关电压转换电路(Buck-boost switching voltage converting circuit)的态样作为实施例说明，因此在启动过压保护机制形成电流回路时，电流回路包括电感43。值得注意的是，开关电压转换电路40中进一步包括电压转换控制器48，用以接收过压保护启动讯号以及电压转换回路的回授讯号等等，以决定上桥功率开关41以及下桥功率开关46在各种模式下的控制方式，并输出控制讯号。
[0049]图5为本发明揭露的过压保护的方法的步骤流程图，应用于一开关电压转换电路，例如图1所示的开关电压转换电路10。开关电压转换电路10操作其电路中的上桥功率开关11，以将输入电压12通过电感13转换为输出电压14。上桥功率开关11的通道以及电感13耦接于相端15。过压保护的方法包含下列步骤。
[0050]如步骤S510所示，侦测相端15的电压是否大于一限压阀值，并且已维持一保护期间的时间。若是，则至步骤S530。
[0051]如步骤S530所示,启动一过压保护机制。
[0052]在本发明揭露的过压保护的方法的另一实施例中，其中侦测相端15的电压是否大于限压阀值的步骤，是利用一比较器，比较相端15的电压是否超过所述限压阀值。
[0053]在本发明揭露的过压保护的方法的又一实施例中，其中开关电压转换电路10更包括下桥功率开关16，且过压保护机制是指控制下桥功率开关16的通道导通，并与上桥功率开关11的通道形成一电流回路。其中，电流回路可以如图1的降压开关电压转换电路所示不包括电感13，也可以如图4的降压-升压开关电压转换电路所示包括电感43，端视过压保护的方法所应用的开关电压转换电路的态样而定。
[0054]在本发明揭露的过压保护的方法的又一实施例中，过压保护机制是指输入电压12关闭。
[0055]虽然本发明的实施例揭露如上所述，然并非用以限定本发明，任何熟习相关技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，举凡依本发明申请范围所述的形状、构造、特征及数量当可做些许的变更，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的申请专利范围所界定者为准。
【权利要求】
1.一种过压保护电路，应用于一开关电压转换电路，所述开关电压转换电路操作其电路中的一上桥功率开关，以将一输入电压通过一电感转换为一输出电压，所述上桥功率开关的通道以及所述电感耦接于一相端；其特征在于，所述过压保护电路包含: 一比较器，耦接于所述开关电压转换电路，且当所述相端的电压大于一限压阀值时，所述比较器的输出端输出一第一准位；以及 一脉冲宽度侦测单元，耦接于所述比较器的输出端，且当所述比较器的输出端维持于所述第一准位超过一保护期间的时间，所述脉冲宽度侦测单元输出一过压保护启动讯号。
2.如权利要求1所述的过压保护电路，其特征在于，其中所述比较器包括一正输入端以及一负输入端，所述正输入端耦接于所述相端，所述负输入端耦接于一参考电压，且当所述正输入端的电压大于所述负输入端的电压，所述比较输出端输出一第一准位。
3.如权利要求1或2所述的过压保护电路，其特征在于，其中所述开关电压转换电路更包括一下桥功率开关，且当所述脉冲宽度侦测单元输出所述过压保护启动讯号，所述下桥功率开关的通道导通，并与所述上桥功率开关的通道形成一电流回路。
4.如权利要求3所述的过压保护电路，其特征在于，其中所述电流回路不包括所述电感。
5.如权利要求3所述的过压保护电路，其特征在于，其中所述电流回路包括所述电感。
6.如权利要求3所述的过压保护电路，其特征在于，其中所述开关电压转换电路是为一降压开关电压转换电路或为一降压-升压开关电压转换电路的态样。
7.如权利要求1或2所述的过压保护电路，其特征在于，其中当所述脉冲宽度侦测单元输出所述过压保护启动讯号，所述输入电压关闭。
8.—种过压保护的方法，应用于一开关电压转换电路，所述开关电压转换电路操作其电路中的一上桥功率开关，以将一输入电压通过一电感转换为一输出电压，所述上桥功率开关的通道以及所述电感耦接于一相端；其特征在于，所述过压保护的方法包含下列步骤: 侦测所述相端的电压是否大于一限压阀值，并且已维持一保护期间的时间；若是，则进行下一步骤；以及 启动一过压保护机制。
9.如权利要求8所述的过压保护的方法，其特征在于，其中侦测所述相端的电压是否大于一限压阀值的步骤，是利用一比较器比较所述相端的电压是否超过所述限压阀值。
10.如权利要求8或9所述的过压保护的方法，其特征在于，其中所述开关电压转换电路更包括一下桥功率开关，且所述过压保护机制是指控制所述下桥功率开关的通道导通，并与所述上桥功率开关的通道形成一电流回路。
11.如权利要求10所述的过压保护的方法，其特征在于，其中所述电流回路不包括所述电感。
12.如权利要求10所述的过压保护的方法，其特征在于，其中所述电流回路包括所述电感。
13.如权利要求10所述的过压保护的方法，其特征在于，其中所述开关电压转换电路是为一降压开关电压转换电路或为一降压-升压开关电压转换电路的态样。
14.如权利要求8或9所述的过压保护的方法，其特征在于，其中所述过压保护机制是指所述输入电压关闭。
【文档编号】H02H3/20GK104201644SQ201410385622
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】陈安东, 方立文, 杨智皓 申请人:立锜科技股份有限公司