TWI382623B - 放大器之過電流保護裝置及其操作方法 - Google Patents

Description

放大器之過電流保護裝置及其操作方法

本發明係關於一種過電流保護裝置，且特別是有關於一種應用於一音頻放大器之過電流保護裝置。

近年來年來，在半導體的技術日漸成熟，可攜式消費電子設備的普及情況下，如何設計影音輔助之音頻放大器已是目前重要的研究課題。一般而言，D類音頻放大器之效率在所有的放大器中是最高的，相較於傳統的線性放大器來說，D類音頻放大器除了能提高效率之外，其產品所需尺寸亦較小。因此被廣泛的應用在各式需要高效率、小體積的應用場合中。

一般而言，D類音頻放大器包含一橋式功率電路用以推動一負載，例如揚聲器。其中組成H橋式功率電路包含四個功率電晶體，藉由功率電晶體間歇性的導通關閉來提供電流至揚聲器。一旦流經之電流過大超過了功率電晶體能承受的容量，就會產生過電流的故障，其中導致過電流故障的原因很多，例如短路或突波等。這些故障會永久或嚴重損害功率電晶體，造成整個音頻電路受損。

因此如何避免突然產生之過電流危害到電路元件，即成為音頻電路設計時必須先考慮到之問題。

因此，本發明之主要目的在於提供一種過電流保護裝置，來避免突然產生之過電流危害到電路元件，進而造成音頻電路之損害。

本發明之音頻放大器之過電流保護裝置包含：一電壓偵測單元，用以取得音頻放大器該開關元件的複數端電壓；一差動單元，根據所取得之端電壓輸出一電壓差；一判斷單元，判斷此電壓差是否大於一預設臨界值；以及一關閉單元，當電壓差大於預設臨界值時，關閉該音頻放大器的電源。

在另一實施例中，本發明提出一種音頻放大器的過電流保護方法，包含：取得音頻放大器之至少一開關元件的複數端電壓；依據這些端電壓而輸出一電壓差；判斷電壓差是否大於一預設臨界值；以及當電壓差大於預設臨界值時，關閉音頻放大器的電源。

由於本發明之過電流保護裝置可即時監測開關元件之端電壓，並於端電壓超過一額定值時即時切斷電源供給，因此可確實的保護電路中之各元件不受過電流破壞。

參閱第1圖所示為本發明過電流保護裝置系統圖。在一較佳實施例中，此過電流保護裝置100係用於一音頻放大電路300中，來避免音頻放大電路300之開關元件210和220遭受過電流損害。其中此音頻放大電路300，例如為一D類音頻放大器。然而在其他之實施例中，此過電流保 護裝置100亦可用於A類、B類或AB類之音頻放大器。

過電流保護裝置100包含：一電壓偵測單元120、一差動單元130、一判斷單元140以及一關閉單元150。其中電壓偵測單元120係用以取得開關元件210或/和220的端電壓S11、S12或/和S21、S22，在一實施例中，例如取得開關元件210的端電壓S11、S12。值得注意的是，在實際應用上，所耦接之開關元件數目並不以本發明之開關元件數目為限。差動單元130連接電壓偵測單元120，用以依據電壓偵測單元120取得之端電壓S11、S12而輸出一電壓差Sb。判斷單元140連接差動單元130，用以接收並判斷電壓差Sb是否大於一預設臨界值，並送出一控制信號Sc，其中一比較電路141，用以比較電壓差Sb與預設臨界值，此預設臨界值，例如為由一能隙電路產生，不隨供應電源和溫度改變之臨界值。關閉單元150連接判斷單元140，根據控制信號Sc來關閉或保持啟動音頻放大電路300的電源，其中當電壓差Sb大於預設臨界值時，關閉單元150將音頻放大電路300的電源關閉，反之當電壓差Sb小於預設臨界值時，關閉單元150將保持音頻放大電路300的電源在啟動狀態。

此外，本發明之過電流保護裝置100，更包含一切換單元110，用以產生多筆切換信號Sa來控制該開關元件210和220之切換，同時控制電壓偵測單元120取得對應之開關元件210和220之端電壓。

第2圖係繪示依照本發明一實施例的一種D類音頻放 大器中H橋式功率電路的概略圖。其中，H橋式功率電路400包括四個功率電晶體Q1、Q2、Q3和Q4以及一負載L，此負載L例如為一揚聲器。當動作時，一PWM信號會以對稱的方式控制H橋式功率電路400之對角功率電晶體開關，使其間歇性的導通與關閉，來供應電流至負載L。其中當功率電晶體Q1與Q4導通時，負載L上之輸出電壓為正；當功率電晶體Q2與Q3導通時，負載L上之輸出電壓為負。

在一實施例中，功率電晶體Q1為第1圖中所示之開關元件210，功率電晶體Q4即為第1圖中所示之開關元件220。其中功率電晶體Q1之汲極與源極端電壓分別為S11和S12，功率電晶體Q4之汲極與源極端電壓分別為S21和S22。

由於，功率電晶體之電阻值與最大可承受電流值，可根據各功率電晶體之製程條件加以決定，依此即可根據歐姆定律推算每一功率電晶體源極與汲極端可承受之最大電壓值。因此，本發明之電壓偵測單元120係用以取得功率電晶體Q1或/和功率電晶體Q4的汲極與源極端電壓S11、S12或/和S21、S22。並經由差動單元130計算汲極與源極端電壓S11、S12或/和S21、S22之電壓差Sb。藉以判定此電壓差Sb是否大於一預設值。

第3圖係繪示依照本發明一實施例電壓偵測單元與差動單元的電路示意圖。電壓偵測單元120包含一開關模組121。開關模組121包含多個切換開關W1~Wn，分別連接 於開關元件之兩端，亦即功率電晶體Q1~Q4之源極與汲極端。在一實施例中，切換開關W1連接於功率電晶體Q1之源極端，用以取得功率電晶體Q1之源極端電壓S12；切換開關W3連接於功率電晶體Q1之汲極，用以取得功率電晶體Q1之汲極端電壓S11；切換開關W2連接於功率電晶體Q4之源極端，用以取得功率電晶體Q4之源極端電壓S22；切換開關W4連接於功率電晶體Q4之汲極，用以取得功率電晶體Q4之汲極端電壓S21。切換開關W1~Wn之導通或關閉係由切換單元110所送出之切換信號Sa來加以控制，以取得並輸出功率電晶體Q1或/和功率電晶體Q4的汲極與源極端電壓S11、S12或/和S21、S22給差動單元130。

差動單元130包含一差動放大電路131，耦接開關模組121，用以接收端電壓S11、S12、S21、S22，並計算輸出端電壓差Sb。其中差動放大電路131具有一反相輸入端A與一非反相輸入端B，藉由該開關模組121，反相輸入端A接收端電壓S11、S12、S21、S22中具有較低準位者，亦即功率電晶體Q1和功率電晶體Q4的源極端電壓S12、S22。而非反相輸入端B接收該些端電壓S11、S12、S21、S22中具有較高準位者，亦即功率電晶體Q1和功率電晶體Q4的汲極端電壓S11、S21。並計算輸出端電壓差Sb，其中此電壓差Sb為功率電晶體Q1或功率電晶體Q4汲極源極端電壓差。此外，差動放大電路130更包含多個電阻R_A 、R_B ，用以根據該些電阻的阻抗比值使該些端電壓的差值轉換為 該電壓差Sb。

第4圖係繪示依照本發明一實施例的過電流保護方法的流程圖。如第1圖與第4圖所示，首先於步驟410，產生多筆切換信號至該開關元件，以切換該開關元件。一切換單元110，會產生多筆切換信號Sa來控制該開關元件210和220之切換。接著於步驟420，取得音頻放大器之至少一開關元件的複數端電壓。電壓偵測單元120係用以取得開關元件210或/和220的端電壓S11、S12或/和S21、S22，在一實施例中，例如取得開關元件210的端電壓S11、S12。接著於步驟430，依據端電壓而輸出一電壓差。一差動單元130連接電壓偵測單元120，依據電壓偵測單元120取得之端電壓S11、S12而輸出一電壓差Sb。接著於步驟440中，判斷此電壓差是否大於一預設臨界值。一判斷單元140連接差動單元130，用以接收並判斷電壓差Sb是否大於一預設臨界值，並送出一控制信號Sc，其中一比較電路141，用以比較電壓差Sb與預設臨界值，此預設臨界值。以及，於步驟450中，當該電壓差大於該預設臨界值時，關閉音頻放大器的電源。關閉單元150連接判斷單元140，根據控制信號Sc來關閉或保持啟動音頻放大電路300的電源，其中當電壓差Sb大於預設臨界值時，關閉單元150將音頻放大電路300的電源關閉，反之當電壓差Sb小於預設臨界值時，關閉單元150將保持音頻放大電路300的電源在啟動狀態。

其中，一包含多個切換開關W1~Wn之開關模組121 被分別連接於開關元件之兩端，以依據一切換信號切換開關模組121中之多個切換開關W1~Wn，選擇性地輸出開關元件的端電壓。一差動放大電路接收開關元件的端電壓並輸出電壓差，其中差動放大電路與該開關模組耦接。

綜合上述所言，本發明之過電流保護裝置可即時監測開關元件之端電壓，並於端電壓超過一額定值時即時切斷電源供給，因此可確實的保護電路中之各元件不受過電流破壞。

雖然本發明已以一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，當可作各種之更動與潤飾，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。

300‧‧‧音頻放大電路

100‧‧‧過電流保護裝置

110‧‧‧切換單元

120‧‧‧電壓偵測單元

121‧‧‧開關模組

130‧‧‧差動單元

131‧‧‧差動放大電路

140‧‧‧判斷單元

141‧‧‧比較電路

150‧‧‧關閉單元

210‧‧‧開關元件

220‧‧‧開關元件

400‧‧‧H橋式功率電路

410‧‧‧產生多筆切換信號至該開關元件，以切換該開關元件

420‧‧‧取得音頻放大器之至少一開關元件的複數端電壓

430‧‧‧依據端電壓而輸出一電壓差

440‧‧‧判斷此電壓差是否大於一預設臨界值

450‧‧‧當該電壓差大於該預設臨界值時，關閉音頻放大器的電源

S11、S12、S21、S22、Sn1、Sn2‧‧‧端電壓

Sa‧‧‧切換信號

Sb‧‧‧電壓差

Sc‧‧‧控制信號

R_A 、R_B ‧‧‧電阻

Q1、Q2、Q3、Q4‧‧‧功率電晶體

W1~Wn‧‧‧切換開關

L‧‧‧負載

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：第1圖係繪示依照本發明第一實施例的一種音頻放大器之過電流保護裝置的功能方塊圖。

第2圖係繪示依照本發明一實施例的一種D類音頻放大器中之H橋式功率電路的概略圖

第3圖係繪示依照本發明一實施例電壓偵測單元與差動單元的電路示意圖。

第4圖係繪示依照本發明一實施例的過電流保護方法的流程圖。

300‧‧‧音頻放大電路

100‧‧‧過電流保護裝置

110‧‧‧切換單元

120‧‧‧電壓偵測單元

121‧‧‧開關模組

130‧‧‧差動單元

140‧‧‧判斷單元

141‧‧‧比較電路

150‧‧‧關閉單元

210‧‧‧開關元件

220‧‧‧開關元件

S11、S12、S21、S22‧‧‧端電壓

Sa‧‧‧切換信號

Sb‧‧‧電壓差

Sc‧‧‧控制信號

Claims (21)

1. 一種放大器之過電流保護裝置，該放大器具有至少一開關元件，該過電流保護裝置包含：一電壓偵測單元，用以取得該開關元件的複數端電壓；一差動單元，用以依據該些端電壓而輸出一電壓差；一判斷單元，用以判斷該電壓差是否大於一預設臨界值；以及一關閉單元，當該電壓差大於該預設臨界值時，該關閉單元將關閉該放大器的電源。
2. 如申請專利範圍第1項所述之過電流保護裝置，更包含：一切換單元，用以產生多筆切換信號至該開關元件，以切換該開關元件。
3. 如申請專利範圍第2項所述之過電流保護裝置，其中該電壓偵測單元包含：一開關模組，連接於該開關元件，用以依據該些切換信號而切換該開關模組，以選擇性地輸出該開關元件的該些端電壓。
4. 如申請專利範圍第3項所述之過電流保護裝置，其中該差動單元包含：一差動放大電路，耦接該開關模組，用以接收該些端 電壓並輸出該電壓差。
5. 如申請專利範圍第4項所述之過電流保護裝置，其中該差動放大電路具有一反相輸入端與一非反相輸入端，藉由該開關模組，該反相輸入端接收該些端電壓中具有較低準位者，且該非反相輸入端接收該些端電壓中具有較高準位者。
6. 如申請專利範圍第4項所述之過電流保護裝置，其中該差動放大電路包含：複數個電阻，用以依照該些電阻的阻抗比值使該些端電壓的差值轉換為該電壓差。
7. 如申請專利範圍第1項所述之過電流保護裝置，其中該判斷單元包括：一比較電路，用以比較該電壓差與該預設臨界值並輸出一判斷信號，該關閉單元將依據該判斷信號關閉該放大器的電源。
8. 如申請專利範圍第1項所述之過電流保護裝置，其中該開關元件為一功率電晶體，其位於該放大器的輸出級。
9. 如申請專利範圍第1項所述之過電流保護裝置，其中該開關元件的數目為四個。
10. 如申請專利範圍第1項所述之過電流保護裝置，其中該放大器為一D類放大器。
11. 一種放大器的過電流保護方法，包含：取得該放大器之至少一開關元件的複數端電壓；依據該些端電壓而輸出一電壓差；判斷該電壓差是否大於一預設臨界值；以及當該電壓差大於該預設臨界值時，關閉該放大器的電源。
12. 如申請專利範圍第11項所述之過電流保護方法，更包含：產生多筆切換信號至該開關元件，以切換該開關元件。
13. 如申請專利範圍第12項所述之過電流保護方法，更包含：藉由一開關模組連接該開關元件；依據該些切換信號而切換該開關模組，以選擇性地輸出該開關元件的該些端電壓。
14. 如申請專利範圍第13項所述之過電流保護方法，其中依據該些端電壓而輸出該電壓差的步驟包含：藉由一差動放大電路以接收該些端電壓並輸出該電壓 差，其中該差動放大電路耦接該開關模組。
15. 如申請專利範圍第14項所述之過電流保護方法，其中該差動放大電路具有一反相輸入端與一非反相輸入端，藉由該開關模組，該反相輸入端接收該些端電壓中具有較低準位者，且該非反相輸入端接收該些端電壓中具有較高準位者。
16. 如申請專利範圍第14項所述之過電流保護方法，其中藉由該差動放大電路以輸入該些端電壓並輸出該電壓差的步驟包含：藉由複數個電阻的阻抗比值使該些端電壓的差值轉換為該電壓差。
17. 如申請專利範圍第11項所述之過電流保護方法，其中判斷該電壓差是否大於該預設臨界值的步驟包括：比較該電壓差與該預設臨界值並輸出一判斷信號。
18. 如申請專利範圍第17項所述之過電流保護方法，其中關閉該放大器的電源的步驟，係依據該判斷信號關閉該放大器的電源。
19. 如申請專利範圍第11項所述之過電流保護方法，其中該開關元件為一功率電晶體，其位於該放大器 的輸出級。
20. 如申請專利範圍第11項所述之過電流保護方法，其中該開關元件的數目為四個。
21. 如申請專利範圍第11項所述之過電流保護方法，其中該放大器為一D類放大器。