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TW201607195A - 電源轉換裝置及其過功率保護方法 - Google Patents

電源轉換裝置及其過功率保護方法 Download PDF

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Abstract

一種電源轉換裝置及其過功率保護方法。依據計數偵測電壓大於參考電壓的次數來決定是否禁能電源轉換裝置內的功率開關，其中偵測電壓為流經功率開關之電流反應在一電阻上的電壓。

Description

電源轉換裝置及其過功率保護方法
本發明是有關於一種電子裝置，且特別是有關於一種電源轉換裝置及其過功率保護方法。
在習知技術中，電源轉換裝置(power conversion apparatus)主要的用途乃是將電力公司所提供之高壓且低穩定性的交流輸入電壓(AC input voltage)轉換成適合各種電子裝置(electronic device)使用的低壓且穩定性較佳的直流輸出電壓(DC output voltage)。因此，電源轉換裝置廣泛地應用在電腦、辦公室自動化設備、工業控制設備以及通訊設備等電子裝置中。
然而，當電源轉換裝置的輸出端發生開路或短路的情形時，將有可能會導致電源轉換裝置持續地輸出異常的大電流，而使得電源轉換裝置本身或負載內部之元件溫度的異常上升，從而增加電源轉換裝置本身或負載內部之元件損毀的風險。
本發明提供一種電源轉換裝置及其過功率保護方法，可提供有效的過功率保護，避免電源轉換裝置或使用電源轉換裝置的電子裝置因電源轉換裝置持續地產生過大的電壓或電流而受到毀損。
本發明的電源轉換裝置，包括變壓器、功率開關、第一電阻、第一比較單元、計數單元、第二比較單元以及脈寬調變控制單元。其中變壓器具有一次側與二次側，一次側的第一端用以接收輸入電壓，而二次側則用以提供輸出電壓給電子裝置。功率開關之第一端耦接一次側的第二端，功率開關的第二端耦接至第一節點，而功率開關的控制端接收脈寬調變信號。第一電阻耦接於第一節點與接地電壓之間。第一比較單元比較關聯於電子裝置之負載狀態的回授信號的電壓與第一參考電壓而產生第一比較信號。計數單元耦接第一比較單元，以接收第一比較信號，當回授信號之電壓大於第一參考電壓時，第一比較單元致能計數單元。第二比較單元耦接第一節點以及計數單元，比較第一節點之電壓與第二參考電壓而產生第二比較信號，計數單元依據第二比較信號計數第一節點之電壓大於第二參考電壓的次數。脈寬調變控制單元耦接計數單元與功率開關的控制端，當計數單元之計數值大於預設值時，停止產生切換功率開關的脈寬調變信號。
在本發明的一實施例中，其中當回授信號之電壓未大於第一參考電壓時，第一比較單元重置計數單元之計數值。
在本發明的一實施例中，上述的電源轉換裝置，更包括 一回授單元，其耦接二次側，用以接收輸出電壓，並據以輸出回授信號。
在本發明的一實施例中，上述的功率開關包括N型電晶體。
本發明的電源轉換裝置的過功率保護方法包括下列步驟。根據電子裝置的負載狀態而產生脈寬調變信號。依據脈寬調變信號切換電源轉換裝置內的功率開關，以使電源轉換裝置提供輸出電壓給電子裝置。判斷關聯於電子裝置之負載狀態的回授信號的電壓是否大於第一參考電壓。若回授信號的電壓大於第一參考電壓，則開始計數流經功率開關之電流反應在一電阻的偵測電壓大於第二參考電壓的次數。判斷偵測電壓大於第二參考電壓的次數是否大於預設值。若偵測電壓大於第二參考電壓的次數大於預設值，停止切換功率開關。
在本發明的一實施例中，其中若回授信號的電壓未大於第一參考電壓，重置計數偵測電壓大於第二參考電壓的次數。
在本發明的一實施例中，其中功率開關包括N型電晶體。
基於上述，本發明一據計數偵測電壓大於第二參考電壓的次數來決定是否禁能功率開關，以避免電源轉換裝置或使用電源轉換裝置的電子裝置因電源轉換裝置持續地產生過大的電壓或電流而受到毀損，進而提供有效的過功率保護，其中偵測電壓為流經功率開關之電流反應在一電阻上的電壓。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉 實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
102‧‧‧脈寬調變控制單元
104、106‧‧‧比較單元
108‧‧‧計數單元
110‧‧‧回授單元
T‧‧‧變壓器
Q‧‧‧功率開關
Rs‧‧‧電阻
D‧‧‧二極體
C‧‧‧電容
P‧‧‧一次側
S‧‧‧二次側
Ip‧‧‧一次側的電流
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
LD‧‧‧電子裝置
Vfb‧‧‧回授信號
N1‧‧‧節點
VPWM‧‧‧脈寬調變信號
Vth1、Vth2‧‧‧參考電壓
Vc1、Vc2‧‧‧比較信號
Vcs‧‧‧電壓
S402-S414‧‧‧過功率保護方法的步驟
圖1繪示本發明一實施例之電源轉換裝置的示意圖。
圖2繪示本發明一實施例之回授信號、脈寬調變信號以及節點N1上電壓的波形示意圖。
圖3繪示本發明另一實施例之回授信號、脈寬調變信號以及節點N1上電壓的波形示意圖。
圖4繪示本發明一實施例之電源轉換裝置的過功率保護方法流程示意圖。
圖1繪示本發明一實施例之電源轉換裝置的示意圖。請參照圖1。電源轉換裝置包括變壓器T、功率開關Q、電阻Rs、脈寬調變控制單元102、比較單元104、比較單元106，計數單元108、回授單元110、二極體D以及電容C。於本實施例中，變壓器T具有一次側(primary side)P與二次側(secondary side)S，且變壓器T之一次側P的第一端用以接收輸入電壓Vin，而變壓器T之二次側S則用以提供輸出電壓Vout給電子裝置LD。
其中，輸入電壓Vin為交流輸入電壓經由整流器整流後產生的直流輸入電壓，變壓器T之一次側P所接收到的輸入電壓 Vin反應在變壓器T之二次側S的電壓後，(由變壓器T之一、二次側P與S的線圈比(turn ratio)所決定)再經由二極體D的整流(rectification)以及電容C的濾波(filter)，而轉換成電子裝置LD運作時所需的直流(DC)輸出電壓Vout。二極體D的陽極(anode)耦接變壓器T之二次側S的第一端，而二極體D的陰極(cathode)則耦接至電子裝置LD。另外，電容C的第一端耦接二極體D的陰極，而電容C的第二端則耦接至變壓器T之二次側S的第二端與接地電壓。
回授單元110耦接變壓器T的二次側S，用以接收直流輸出電壓Vout，並據以輸出關聯於電子裝置LD之負載狀態(loading status)的回授信號Vfb。值得注意的是，只要能輸出關聯於電子裝置LD之負載狀態的回授信號的任何電路型態都可以做為本實施例的回授單元110，例如利用電阻分壓器搭配光耦合器的回授電路，回授單元110的實施態樣並不以此為限。脈寬調變控制單元102耦接功率開關Q的控制端以及節點N1，用以依據回授單元110所輸出的回授信號Vfb產生脈寬調變信號VPWM。功率開關Q(例如為N型電晶體)的第一端耦接變壓器T之一次側P的第二端，功率開關Q的第二端耦接至節點N1，而功率開關Q的控制端則接收脈寬調變信號VPWM。電阻Rs耦接於節點N1與接地電壓之間。
比較單元104可比較回授信號Vfb的電壓與參考電壓Vth1的電壓大小，並依據比較結果輸出比較信號Vc1至計數單元 108。其中當比較回授信號Vfb的電壓大於參考電壓Vth1時，計數單元108被比較單元104所致能，而當比較回授信號Vfb的電壓未大於參考電壓Vth1時，計數單元108的計數值則被比較單元104重置。另外，比較單元106可比較節點N1的上電壓Vcs與參考電壓Vth1，並依據比較結果輸出比較信號Vc2至計數單元108。在計數單元108被致能後，計數單元108開始計數電壓Vcs大於參考電壓Vth2的次數，亦即計數計數電壓Vcs從小於參考電壓Vth2轉為大於參考電壓Vth2的次數，並將得到的計數值輸出給脈寬調變控制單元102，其中參考電壓Vth1的電壓值大於參考電壓Vth2的電壓值。當計數單元108的計數值累積超過一預設值時(如圖2所示，在本實施例中設定預設值為100)，脈寬調變控制單元102停止輸出脈寬調變信號VPWM至功率開關Q，亦即停止切換功率開關Q，以降低流經變壓器T之一次側的電流Ip，避免電源轉換裝置持續產生過大的電壓Vout，而造成功率開關Q與/或電子裝置LD的損毀/燒毀。
在部分實施例中，若回授信號Vfb的電壓在計數單元108的計數值在未累積超過預設值前下降至參考電壓Vth1以下，代表電源轉換裝置的輸出負載已回到正常範圍內，此時比較單元104將重置計數單元108的計數值。此外，如圖3的實施例所示，回授信號Vfb的電壓亦可能因輸出電壓Vout的狀態不穩定而有略為下降但未低於參考電壓Vth1的情形，此時節點N1的上電壓Vcs可能會低於參考電壓Vth2，而使得計數單元108的計數值沒有增 加。然由於回授信號Vfb的電壓未低於參考電壓Vth1，因此計數單元108的計數值並不會被重置，等到輸出電壓Vout的狀態回升後，節點N1的上電壓Vcs開始高於參考電壓Vth2，計數單元108的計數值亦繼續累加。
在電源轉換裝置的輸出電壓Vout被拉低後，依據輸出電壓Vout產生的回授信號Vfb的電壓亦隨之下降，當回授信號Vfb的電壓下降至低於參考電壓Vth1時，比較單元104便重置計數單元108的計數值。
圖4繪示本發明一實施例之電源轉換裝置的過功率保護方法流程示意圖，請參照圖4。由上述實施例所述之電源轉換裝置的說明內容可知，電源轉換裝置的過功率保護方法可包括下列步驟。首先，根據電子裝置的負載狀態而產生脈寬調變信號(步驟S402)。接著，依據脈寬調變信號切換電源轉換裝置內的功率開關，以使電源轉換裝置提供輸出電壓給電子裝置(步驟S404)，其中功率開關可例如為由N型電晶體來實施。然後，判斷關聯於電子裝置之負載狀態的回授信號的電壓是否大於第一參考電壓(步驟S406)。若回授信號的電壓大於第一參考電壓，則計數流經功率開關之電流反應在電阻的偵測電壓大於第二參考電壓的次數(步驟S408)，其中第一參考電壓大於第二參考電壓。相反地，若回授信號的電壓未大於第一參考電壓，重置計數偵測電壓大於第二參考電壓的次數(步驟S410)。在步驟S408後，再判斷偵測電壓大於第二參考電壓的次數是否大於預設值(步驟S412)，若偵測電壓大 於第二參考電壓的次數未大於預設值，回到步驟S402，依據電子裝置的負載狀態產生脈寬調變信號。而若偵測電壓大於第二參考電壓的次數大於預設值，則停止切換功率開關(步驟S414)。
綜上所述，本發明依據計數偵測電壓大於第二參考電壓的次數來決定是否禁能功率開關，以避免電源轉換裝置或使用電源轉換裝置的電子裝置因電源轉換裝置持續地產生過大的電壓或電流而受到毀損，進而提供有效的過功率保護，其中偵測電壓為流經功率開關之電流反應在一電阻上的電壓。
102‧‧‧脈寬調變控制單元
104、106‧‧‧比較單元
108‧‧‧計數單元
110‧‧‧回授單元
T‧‧‧變壓器
Q‧‧‧功率開關
Rs‧‧‧電阻
D‧‧‧二極體
C‧‧‧電容
P‧‧‧一次側
S‧‧‧二次側
Ip‧‧‧一次側的電流
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
LD‧‧‧電子裝置
Vfb‧‧‧回授信號
N1‧‧‧節點
VPWM‧‧‧脈寬調變信號
Vth1、Vth2‧‧‧參考電壓
Vc1、Vc2‧‧‧比較信號
Vcs‧‧‧電壓

Claims (9)

  1. 一種電源轉換裝置，包括：一變壓器，具有一一次側與一二次側，其中該一次側的第一端用以接收一輸入電壓，而該二次側則用以提供一輸出電壓給一電子裝置；一功率開關，其第一端耦接該一次側的第二端，該功率開關的第二端耦接至一第一節點，而該功率開關的控制端接收一脈寬調變信號；一第一電阻，耦接於該第一節點與一接地電壓之間；一第一比較單元，比較關聯於該電子裝置之負載狀態的一回授信號的電壓與一第一參考電壓而產生一第一比較信號；一計數單元，耦接該第一比較單元，以接收該第一比較信號，當該回授信號之電壓大於該第一參考電壓時，該第一比較單元致能該計數單元；一第二比較單元，耦接該第一節點以及該計數單元，比較該第一節點之電壓與一第二參考電壓而產生一第二比較信號，該計數單元依據該第二比較信號計數該第一節點之電壓大於該第二參考電壓的次數；以及一脈寬調變控制單元，耦接該計數單元與該功率開關的控制端，當該計數單元之計數值大於一預設值時，停止產生切換該功率開關的一脈寬調變信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電源轉換裝置，其中當該回 授信號之電壓未大於該第一參考電壓時，該第一比較單元重置該計數單元之計數值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電源轉換裝置，其中該第一參考電壓大於該第二參考電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電源轉換裝置，更包括：一回授單元，耦接該二次側，用以接收該輸出電壓，並據以輸出該回授信號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的電源轉換裝置，其中該功率開關為一N型電晶體。
  6. 一種電源轉換裝置的過功率保護方法，包括：根據一電子裝置的負載狀態而產生一脈寬調變信號；依據該脈寬調變信號切換該電源轉換裝置內的一功率開關，以使該電源轉換裝置提供一輸出電壓給該電子裝置；判斷關聯於該電子裝置之負載狀態的一回授信號的電壓是否大於一第一參考電壓；若該回授信號的電壓大於該第一參考電壓，計數流經該功率開關之電流反應在一電阻的一偵測電壓大於一第二參考電壓的次數；判斷該偵測電壓大於第二參考電壓的次數是否大於一預設值；以及若該偵測電壓大於第二參考電壓的次數大於該預設值，停止切換該功率開關。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電源轉換裝置的過功率保護方法，其中若該回授信號的電壓未大於該第一參考電壓，重置計數該偵測電壓大於該第二參考電壓的次數。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的電源轉換裝置的過功率保護方法，其中該第一參考電壓大於該第二參考電壓。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的電源轉換裝置的過功率保護方法，其中該功率開關為一N型電晶體。
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