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TW201530999A - 具有過電流與過電壓保護功能的升壓裝置 - Google Patents

具有過電流與過電壓保護功能的升壓裝置 Download PDF

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TW201530999A
TW201530999A TW103131540A TW103131540A TW201530999A TW 201530999 A TW201530999 A TW 201530999A TW 103131540 A TW103131540 A TW 103131540A TW 103131540 A TW103131540 A TW 103131540A TW 201530999 A TW201530999 A TW 201530999A
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TW
Taiwan
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coupled
diode
boosting device
voltage
resistor
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TW103131540A
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English (en)
Inventor
Chiu-Yuan Lin
Ming-Chang Lee
Chien-Pang Hung
Original Assignee
Beyond Innovation Tech Co Ltd
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Publication date
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Abstract

一種升壓裝置，包括：升壓式電源轉換線路，其具有與負載耦接的第一二極體，且經配置以接收直流輸入電壓，並反應於脈寬調變訊號而提供直流輸出電壓給負載；複合功能偵測線路，其耦接第一二極體的陽極，且經配置以偵測直流輸出電壓是否過壓以及偵測第一二極體是否發生開路，並據以提供偵測訊號；以及控制晶片，其經配置以：產生脈寬調變訊號來控制升壓式電源轉換線路的運作；以及反應於偵測訊號而於第一二極體發生開路或直流輸出電壓過壓時，停止輸出脈寬調變訊號並進入關閉狀態，從而保護升壓裝置及/或負載免於損毀。

Description

具有過電流與過電壓保護功能的升壓裝置
本發明是有關於一種電源轉換與供應技術，且特別是有關於一種具有過電流與過電壓保護功能的升壓裝置。
現今採用脈寬調變架構為基礎(PWM-based)的升壓裝置(boost apparatus)可經配置以提供直流輸出電壓給負載使用。然而，當升壓裝置中位於輸出側(或輸出端)的二極體發生開路時，將會導致升壓裝置中位於功率切換路徑上的功率開關損壞(例如短路)，從而造成升壓裝置內部元件及/或負載的損毀，或者造成應用有升壓裝置之系統的電源短路與損毀。
有鑒於此，本發明提供一種能夠偵測出位於輸出側(或輸出端)之二極體是否發生開路的升壓裝置，藉以有效地解決先前技術所述及的問題。
本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特 徵中得到進一步的了解。
於此，本發明之一示範性實施例提供一種適於提供一直流輸出電壓給負載的升壓裝置，其包括：升壓式電源轉換線路、複合功能偵測線路以及控制晶片。其中，升壓式電源轉換線路包括與負載耦接的第一二極體(其位於升壓裝置的輸出側/輸出端)，且其經配置以接收一直流輸入電壓，並反應於一脈寬調變訊號而提供所述直流輸出電壓給負載。複合功能偵測線路耦接第一二極體的陽極，且其經配置以偵測所述直流輸出電壓是否過壓以及偵測第一二極體是否發生開路，並據以提供一偵測訊號。控制晶片耦接升壓式電源轉換線路與複合功能偵測線路，且其經配置以：產生所述脈寬調變訊號來控制升壓式電源轉換線路的運作；以及反應於所述偵測訊號而於第一二極體發生開路或所述直流輸出電壓過壓時，停止輸出所述脈寬調變訊號並進入一關閉狀態，從而保護升壓裝置及/或負載免於損毀。
於本發明的一示範性實施例中，升壓式電源轉換線路更可以包括：電感、第一電容、N型功率開關，以及第一電阻。其中，電感的第一端用以接收所述直流輸入電壓，而電感的第二端則耦接至第一二極體的陽極，且第一二極體的陰極會耦接至負載並提供所述直流輸出電壓給負載。第一電容的第一端耦接第一二極體的陰極，而第一電容的第二端則耦接至一接地電位。N型功率開關的汲極耦接第一二極體的陽極，而N型功率開關的閘極則用以接收所述脈寬調變訊號。第一電阻的第一端耦接N型功率開 關的源極，而第一電阻的第二端則耦接至所述接地電位。
於本發明的一示範性實施例中，複合功能偵測線路可以包括：第二二極體、第二電容、第二電阻，以及第三電阻。其中，第二二極體的陽極耦接第一二極體的陽極。第二電容的第一端耦接第二二極體的陰極，而第二電容的第二端則耦接至所述接地電位。第二電阻的第一端耦接第二二極體的陰極，而第二電阻的第二端則用以提供所述偵測訊號。第三電阻的第一端耦接第二電阻的第二端，而第三電阻的第二端則耦接至所述接地電位。
於本發明的一示範性實施例中，控制晶片內建有一預設過電壓保護參考電壓且具有一耦接至第三電阻之第一端的過電壓保護偵測腳位。在此條件下，當所述直流輸出電壓過壓及/或第一二極體發生開路時，所述偵測訊號的電壓會高於所述預設過電壓保護參考電壓，以使控制晶片停止輸出所述脈寬調變訊號並進入所述關閉狀態。
於本發明的一示範性實施例中，控制晶片可以內建有一預設過電流保護參考電壓且具有一只耦接至第一電阻之第一端的過電流保護偵測腳位。在此條件下，當流經第一電阻之電流過流時，第一電阻的跨壓會高於所述預設過電流保護參考電壓，以使控制晶片於當下工作週期停止輸出所述脈寬調變訊號，並於下一個工作週期恢復輸出所述脈寬調變訊號。
基於上述，本發明所提的升壓裝置可以在位於輸出側/輸出端的第一二極體發生開路或者直流輸出電壓過壓時，使得控制 晶片啟動保護機制以停止輸出用以控制升壓式電源轉換線路之運作的脈寬調變訊號，並且進入至關閉狀態。如此一來，即可避免位於功率切換路徑上的N型功率開關造成例如短路的損壞，從而避免升壓裝置內部元件及/或負載造成損毀，或者避免應用有升壓裝置之系統造成電源短路與損毀。
為讓本揭露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。
然而，應瞭解的是，上述一般描述及以下具體實施方式僅為例示性及闡釋性的，其並不能限制本揭露所欲主張之範圍。
10‧‧‧升壓裝置
101‧‧‧升壓式電源轉換線路
103‧‧‧複合功能偵測線路
105‧‧‧控制晶片
107‧‧‧電阻電容網路
20‧‧‧負載
L‧‧‧電感
Q‧‧‧N型功率開關
D1、D2‧‧‧二極體
C1、C2‧‧‧電容
R1~R3‧‧‧電阻
DC_IN‧‧‧直流輸入電壓
DC_OUT‧‧‧直流輸出電壓
Io‧‧‧直流輸出電流
VR1、VR3、Vfb‧‧‧電壓
Vocp_ref‧‧‧預設過電流保護參考電壓
Vovp_ref‧‧‧預設過電壓保護參考電壓
IR1‧‧‧電流
DS‧‧‧偵測訊號
GPW‧‧‧脈寬調變訊號
VDD‧‧‧電源腳位
GND‧‧‧接地腳位
OVP‧‧‧過電壓保護偵測腳位
OCP‧‧‧過電流保護偵測腳位
OUT‧‧‧輸出腳位
CMP‧‧‧補償腳位
INN‧‧‧回授腳位
EA‧‧‧晶片致能腳位
下面的所附圖式是本揭露的說明書的一部分，繪示了本揭露的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本揭露的原理。
圖1繪示為本發明一示範性實施例之升壓裝置10的系統方塊圖。
圖2繪示為圖1之升壓裝置10的實施示意圖。
現將詳細參考本發明之示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。
圖1繪示為本發明一示範性實施例之升壓裝置(boost apparatus)10的系統方塊圖，而圖2繪示為圖1之升壓裝置10的實施示意圖。請合併參照圖1與圖2，升壓裝置10適於提供直流輸出電壓(DC output voltage)DC_OUT給任何類型的負載20。升壓裝置10包括：升壓式電源轉換線路(boost power conversion circuit)101、複合功能偵測線路(complex function detection circuit)103、控制晶片(control chip)105，以及電阻電容網路(RC network)107。
於本示範性實施例中，升壓式電源轉換線路101可經配置以接收直流輸入電壓(DC input voltage)DC_IN，並反應於來自控制晶片105的脈寬調變訊號(pulse-width-modulation signal,PWM signal)GPW而提供直流輸出電壓DC_OUT給負載20。舉例來說，升壓式電源轉換線路101可以包括：與負載20耦接的二極體D1(diode，例如位於升壓裝置10之輸出側/輸出端的蕭特基(Schottky)二極體，但並不限制於此)、電感(inductor)L、電容(capacitor)C1、N型功率開關(N-type power switch)Q，以及電阻(resistor)R1。其中，N型功率開關Q可採以N型功率金氧半場效電晶體(N-type power MOSFET)來實施，但並不限制於此。而且，在本發明的其他示範性實施例中，N型功率開關Q不一定要配置於升壓式電源轉換線路101中。換言之，N型功率開關Q能夠整合於控制晶片105內，一切端視實際設計/應用需求而論。
電感L的第一端用以接收(或耦接)直流輸入電壓DC_IN，而電感L的第二端則耦接至二極體D1的陽極(anode)，且二極體D1的陰極(cathode)會耦接至負載20並提供直流輸出電壓DC_OUT給負載20。電容C1的第一端耦接二極體D1的陰極，而電容C1的第二端則耦接至接地電位(0V)。N型功率開關Q的汲極(drain)耦接二極體D1的陽極，而N型功率開關Q的閘極(gate)則用以接收來自控制晶片105所輸出的脈寬調變訊號GPW。電阻R1的第一端耦接N型功率開關Q的源極(source)，而電阻R1的第二端則耦接至接地電位。
另外，複合功能偵測線路103耦接二極體D1的陽極，且複合功能偵測線路103經配置以偵測直流輸出電壓DC_OUT是否過壓(over-voltage)以及偵測二極體D1是否發生開路(open circuit)，並據以提供偵測訊號(detection signal)DS。舉例來說，複合功能偵測線路103可以包括：二極體D2、電容C2，以及電阻(R2,R3)。其中，二極體D2的陽極耦接二極體D1的陽極。電容C2的第一端耦接二極體D2的陰極，而電容C2的第二端則耦接至接地電位。電阻R2的第一端耦接二極體D2的陰極，而電阻R2的第二端則用以提供偵測訊號DS。電阻R3的第一端耦接電阻R2的第二端，而電阻R3的第二端則耦接至接地電位。
另一方面，控制晶片105可以具有多只腳位，例如：電源腳位VDD、接地腳位GND、晶片致能腳位(chip enable pin)EA、輸出腳位OUT、過電流保護偵測腳位OCP、過電壓保護偵測 腳位OVP、回授腳位INN，以及補償腳位CMP。當然，基於實際設計/應用需求，可以對控制晶片105增設其它的功能腳位，或者刪除控制晶片105既有的功能腳位。基本上，為了要讓控制晶片105得以正常地運作，電源腳位VDD會接收操作所需的直流輸入電壓DC_IN，而接地腳位GND會耦接至接地電位。如此一來，控制晶片105即可對直流輸入電壓DC_IN進行轉換(例如：升/降壓)以獲得其內部電路(未繪示)所需的工作電壓。
於本示範性實施例中，控制晶片105耦接升壓式電源轉換線路101與複合功能偵測線路103，且其經配置以：產生脈寬調變訊號GPW，並透過耦接至N型功率開關Q之閘極的輸出腳位OUT以輸出脈寬調變訊號GPW來控制升壓式電源轉換線路101的運作；以及反應於來自複合功能偵測線路103的偵測訊號DS而於二極體D1發生開路或直流輸出電壓DC_OUT過壓時，停止輸出脈寬調變訊號GPW並進入關閉狀態(shutdown/inactivation status)，從而保護升壓裝置10及/或負載20免於損毀。
更清楚來說，控制晶片105可以內建有預設過電流保護參考電壓(predetermined OCP reference voltage,Vocp_ref)與預設過電壓保護參考電壓(predetermined OVP reference voltage,Vovp_ref)，且其過電流保護偵測腳位OCP與過電壓偵測腳位OVP會各別耦接至電阻R1與R3的第一端。
於本示範性實施例中，當流經電阻R1之電流IR1過流時，電阻R1的跨壓VR1會高於控制晶片105所內建的預設過電流保護 參考電壓Vocp_ref。在此條件下，控制晶片105會立即於當下工作週期停止輸出脈寬調變訊號GPW，藉以啟動過電流保護機制，從而保護升壓裝置10及/或負載20免於受到過流的影響而損毀，並於下一個工作週期恢復輸出脈寬調變訊號GPW。
另外，基於複合功能偵測線路103的實施態樣可以清楚地看出，二極體D2與電容C2係配置以儲存相應於直流輸出電壓DC_OUT的電壓；以及電阻(R2,R3)係配置以對所儲存的電壓進行分壓，從而產生並提供偵測訊號DS。在此條件下，當直流輸出電壓DC_OUT過壓及/或二極體D1發生開路時，複合功能偵測線路103的偵測訊號DS的電壓(即，電阻R3的跨壓VR3)會高於預設過電壓保護參考電壓Vovp_ref。因此，控制晶片105將會停止輸出脈寬調變訊號GPW，藉以啟動過電壓保護機制。與此同時，控制晶片105也會進入關閉狀態，從而保護升壓裝置10及/或負載20免於受到異常高壓/過壓的影響而損毀。於此值得一提的是，若負載20為發光二極體負載(LED load)的話，則直流輸出電壓DC_OUT發生過壓的條件可以是發光二極體負載開路時，或者是由其它有可能的不當電路操作因素所造成。由此，複合功能偵測線路103可以同時具備有發光二極體負載開路保護(LED load open protection)以及二極體D1開路保護(diode open protection)的兩項功能。
再者，在本發明的其他示範性實施例中，若欲單獨設計過電壓保護機制的話，可以將例如由兩串接電阻構成的分壓線路 (未繪示)配置在二極體D1的陰極與接地電位之間，並且將所獲得的分壓訊號提供至控制晶片105的過電壓偵測腳位OVP。如此一來，即可單獨實現過電壓保護機制。
另一方面，為維持升壓裝置10的穩定度，於本示範性實施例中，可以將電阻電容網路107(例如：串接的電阻電容，但並不限制於此)耦接至控制晶片105的補償腳位CMP(或配置於控制晶片105的補償腳位CMP與接地電位之間)。在實際應用上，電阻電容網路107可經配置以穩定控制晶片105所輸出的脈寬調變訊號GPW，進而穩定升壓式電源轉換線路101所提供的直流輸出電壓DC_OUT。再者，控制晶片105亦可透過其回授腳位INN以接收關聯於負載20的回授電壓(feedback voltage,Vfb)，藉以調整控制晶片105所輸出的脈寬調變訊號GPW，進而改變升壓裝置10的直流輸出電流Io(註：若負載20為發光二極體負載的話，則直流輸出電壓DC_OUT會被箝位在一預設值/設定值/既定值，以至於升壓裝置10的直流輸出電流Io會隨著脈寬調變訊號GPW之責任週期的增加而增加，並隨著脈寬調變訊號GPW之責任週期的降低而降低)。
除此之外，一旦控制晶片105反應於二極體D1之開路或者反應於過電流或過電壓之現象而進入關閉狀態的話，則外部可透過控制晶片105的晶片致能腳位EA以對控制晶片105進行重置(reset)，藉以使得控制晶片105從關閉狀態恢復至開啟狀態(activation status)。
綜上所述，本發明所提的升壓裝置10可以在位於輸出側/輸出端的二極體D1發生開路或者直流輸出電壓DC_OUT過壓時，使得控制晶片105啟動保護機制以停止輸出用以控制升壓式電源轉換線路101之運作的脈寬調變訊號GPW，並且進入至關閉狀態。如此一來，即可避免位於功率切換路徑上的N型功率開關Q造成例如短路的損壞，從而避免升壓裝置10內部元件及/或負載20造成損毀，或者避免應用有升壓裝置10之系統造成電源短路與損毀。
在此值得一提的是，若負載20為發光二極體負載的話，則升壓裝置10可以應用在液晶顯示(LCD)領域中的背光源驅動(backlight driving)；另外，若負載20為電路系統負載(circuit system load)的話，則升壓裝置10可以應用在電源轉換領域中的定電壓供應(constant voltage supplying)，但是本示範性實施例所提之升壓裝置10的應用範圍並不以此為限制。
雖然本發明已以上述示範性實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視內附之申請專利範圍所界定者為準。
另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
10‧‧‧升壓裝置
101‧‧‧升壓式電源轉換線路
103‧‧‧複合功能偵測線路
105‧‧‧控制晶片
107‧‧‧電阻電容網路
20‧‧‧負載
L‧‧‧電感
Q‧‧‧N型功率開關
D1、D2‧‧‧二極體
C1、C2‧‧‧電容
R1~R3‧‧‧電阻
DC_IN‧‧‧直流輸入電壓
DC_OUT‧‧‧直流輸出電壓
Io‧‧‧直流輸出電流
VR1、VR3、Vfb‧‧‧電壓
Vocp_ref‧‧‧預設過電流保護參考電壓
Vovp_ref‧‧‧預設過電壓保護參考電壓
IR1‧‧‧電流
DS‧‧‧偵測訊號
GPW‧‧‧脈寬調變訊號
VDD‧‧‧電源腳位
GND‧‧‧接地腳位
OVP‧‧‧過電壓保護偵測腳位
OCP‧‧‧過電流保護偵測腳位
OUT‧‧‧輸出腳位
CMP‧‧‧補償腳位
INN‧‧‧回授腳位
EA‧‧‧晶片致能腳位

Claims (12)

  1. 一種升壓裝置，適於提供一直流輸出電壓給一負載，該升壓裝置包括：一升壓式電源轉換線路，具有一與該負載耦接的第一二極體，且其經配置以接收一直流輸入電壓，並反應於一脈寬調變訊號而提供該直流輸出電壓給該負載；一複合功能偵測線路，耦接該第一二極體的陽極，且其經配置以偵測該直流輸出電壓是否過壓以及偵測該第一二極體是否發生開路，並據以提供一偵測訊號；以及一控制晶片，耦接該升壓式電源轉換線路與該複合功能偵測線路，且其經配置以：產生該脈寬調變訊號來控制該升壓式電源轉換線路的運作；以及反應於該偵測訊號而於該第一二極體發生開路或該直流輸出電壓過壓時，停止輸出該脈寬調變訊號並進入一關閉狀態，從而保護該升壓裝置及/或該負載免於損毀。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之升壓裝置，其中該升壓式電源轉換線路更包括：一電感，其第一端用以接收該直流輸入電壓，而其第二端則耦接至該第一二極體的陽極，其中該第一二極體的陰極耦接至該負載並提供該直流輸出電壓給該負載；一第一電容，其第一端耦接該第一二極體的陰極，而其第二端則耦接至一接地電位；一N型功率開關，其汲極耦接該第一二極體的陽極，而其閘 極則用以接收該脈寬調變訊號；以及一第一電阻，其第一端耦接該N型功率開關的源極，而其第二端則耦接至該接地電位。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之升壓裝置，其中該第一二極體為一蕭特基二極體。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之升壓裝置，其中該N型功率開關能夠整合於該控制晶片內。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之升壓裝置，其中該複合功能偵測線路包括：一第二二極體，其陽極耦接該第一二極體的陽極；一第二電容，其第一端耦接該第二二極體的陰極，而其第二端則耦接至該接地電位；一第二電阻，其第一端耦接該第二二極體的陰極，而其第二端則用以提供該偵測訊號；以及一第三電阻，其第一端耦接該第二電阻的第二端，而其第二端則耦接至該接地電位。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之升壓裝置，其中：該控制晶片內建有一預設過電壓保護參考電壓且具有一耦接至該第三電阻之第一端的過電壓保護偵測腳位；以及當該直流輸出電壓過壓及/或該第一二極體發生開路時，該偵測訊號的電壓會高於該預設過電壓保護參考電壓，以使該控制晶片停止輸出該脈寬調變訊號並進入該關閉狀態。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之升壓裝置，其中：該控制晶片內建有一預設過電流保護參考電壓且具有一耦接至該第一電阻之第一端的過電流保護偵測腳位；以及當流經該第一電阻之電流過流時，該第一電阻的跨壓會高於該預設過電流保護參考電壓，以使該控制晶片於一當下工作週期停止輸出該脈寬調變訊號，並於下一個工作週期恢復輸出該脈寬調變訊號。
  8. 如申請專利範圍第2項所述之升壓裝置，其中該控制晶片具有一輸出腳位，耦接該N型功率開關的閘極以輸出該脈寬調變訊號。
  9. 如申請專利範圍第2項所述之升壓裝置，其中：該控制晶片具有一電源腳位以接收操作所需的該直流輸入電壓；以及該控制晶片更具有一接地腳位以耦接至該接地電位。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之升壓裝置，其中該控制晶片具有一補償腳位，且該升壓裝置更包括：一電阻電容網路，耦接該補償腳位，且其經配置以使該升壓式電源轉換線路穩定地提供該直流輸出電壓。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之升壓裝置，其中該控制晶片具有一回授腳位以接收關聯於該負載的一回授電壓，藉以調整該脈寬調變訊號，進而改變該升壓裝置的一直流輸出電流。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之升壓裝置，其中該控制晶片具有一晶片致能腳位以供一外部對該控制晶片進行重置而從該關閉狀態恢復至一開啟狀態。
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