TWI397246B - 具有拴鎖控制功能的保護電路 - Google Patents

Description

具有拴鎖控制功能的保護電路

本發明係關於一種保護電路，特別是關於一種具有拴鎖控制(latch control)功能之保護電路。

為了避免電源轉換器之輸出電壓過高、輸出電流過大或是其他異常狀況，而導致電源轉換器乃至於負載電路受損。在電源轉換器內通常需要設置保護電路，以限制電源轉換器之輸出電壓的位準、輸出電流的大小或是其操作溫度等。

以過電壓保護電路為例，當過電壓保護電路偵測到電源轉換器之輸出電壓過高時，過電壓保護電路可以停止供電至電源轉換器，或是切換至一電壓位準較低之電源供應端等方式，達到降低電源轉換器之輸出電壓的目的。一般而言，保護電路會具有一矽控整流器(SCR)元件以實現拴鎖功能。當過電壓保護電路偵測到電源轉換器之輸出電壓過高而進入過電壓保護模式後，矽控整流器元件可使過電壓保護電路維持在過電壓保護模式，直到電源轉換器之輸出電壓恢復正常後才切換回正常模式。

第一圖為一習知矽控整流器元件10之電路示意圖。如圖中所示，此矽控整流器元件10連接至一由電阻R3與電容C1所構成之時序延遲電路12。保護條件偵測信號DET係透過此時序延遲電路導通開關Q1，使狀態信號STATE拴鎖至地VSS。狀態信號則是用以控制一判定電路(未圖示)啟動，以進行保護。在此情況下，除非利用偏壓信號VBIAS重置(reset)矽控整流器元件，否則狀態信號STATE不會解除對於判定電路之拴鎖控制。

然而，利用矽控整流器元件10提供保護電路所需之拴鎖功能具有下列缺點。首先，矽控整流器元件10較為昂貴，一般半導體製程不易精準的控制矽控整流器元件10特性。其次，電阻R3與電容C1所構成之時序延遲電路12需要設定較大的時間常數，以避免產生誤判。因此，保護電路中使用矽控整流器元件10，在電路應用上會產生不必要的限制，同時也會提高整體成本。

有鑑於上述問題，本發明之目的是提出一保護電路，不需使用矽控整流器元件及其周邊電路，即可實現矽控整流器元件所具有之拴鎖功能。

為達成上述目的，本發明提供一種具有拴鎖功能之保護電路。此保護電路係應用於一電路系統。此保護電路包括一比較單元與一邏輯閘。其中，比較單元係依據一狀態信號，選擇輸出一用以拴鎖該狀態信號之預設信號或是一對應於電路系統之電源狀態之比較信號。邏輯閘係依據比較單元之一輸出信號與一對應於電路系統之運作模式之系統判定信號，產生前述狀態信號。比較單元之輸出信號即前述預設信號或比較信號。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

本發明之精神在於提供一比較單元二種不同之輸入信號，使比較單元可以依據電路系統是否處於一異常狀態(例如：過電壓狀態、過電流狀態、過熱狀態等)，選擇輸出對應於拴鎖狀態之預設信號，或是對應於電路系統之比較信號。

第2圖係本發明保護電路一較佳實施例之示意圖，第2A圖顯示第2圖之保護電路應用於一電源轉換器之方塊示意圖，第3圖顯示第2圖之保護電路之運作流程。

如第2圖所示，此保護電路140具有一比較單元142與一邏輯閘144。其中，比較單元142係依據一狀態信號STATE，選擇輸出一用以拴鎖(latch)此狀態信號STATE之預設信號Default或是一對應於一保護條件之比較信號COM。

舉例來說，若是此保護電路140應用於過電壓保護。偵測信號DET會與此保護電路140所保護之電路系統(未圖示)的輸出電壓或是輸入電壓具有一比例關係。亦即，偵測信號DET可以反映出受保護之電路系統的輸出電壓或是輸入電壓(即此電路系統之保護條件)，以產生比較信號COM。

狀態信號STATE至少顯示一正常狀態與一異常狀態。舉例來說，可利用數位信號0與1，分別表示正常狀態與異常狀態。當狀態信號STATE顯示為正常狀態時，比較單元142輸出比較信號COM。反之，當狀態信號STATE顯示為異常狀態時，比較單元142輸出預設信號Default以拴鎖此狀態信號STATE於此異常狀態。

在本實施例中，比較單元142具有一輸入信號切換元件1422與一比較器1424。輸入信號切換元件1422係依據狀態信號STATE，選擇第一組輸入信號或是第二組輸入信號輸入比較器1424。其中，第一組輸入信號包括一參考電位信號REF與前述偵測信號DET。比較器1424接收到此第一組輸入信號，則會產生前述比較信號COM。第二組輸入信號包括一第一參考電位信號REF1與一第二參考電位信號REF2。第一參考電位信號REF1之電位高於第二參考電位信號REF2。比較器1424接收到此第二組輸入信號，則會產生與偵測信號DET無關之預設信號Default。

邏輯閘144係依據比較單元142之輸出信號與一對應於電路系統之運作模式的系統判定信號REG，以產生前述狀態信號STATE。此系統判定信號REG係反映電路系統的運作狀況，避免偵測信號DET產生誤判。就一實施例而言，此系統判定信號REG至少顯示出一正常運作模式與一啟動模式。在正常運作模式下，保護電路140才需要進行保護功能。

當系統判定信號REG顯示電路系統處於正常運作模式時，邏輯閘144產生之狀態信號STATE係由比較單元142之輸出信號所決定。亦即，當比較單元142依據第一組輸入信號產生輸出信號時，此輸出信號為比較信號COM。依據比較信號COM的改變，邏輯閘144所產生之狀態信號STATE可能是對應於正常狀態以顯示系統正常，或是對應於異常狀態以啟動保護功能。當比較單元142依據第二組輸入信號產生輸出信號時，此輸出信號為固定之預設信號Default。此時，邏輯閘144所產生之狀態信號STATE會被拴鎖於異常狀態，以持續啟動保護功能。反之，當系統判定信號REG顯示電路系統處於啟動模式，無論來自比較單元142之輸出信號是預設信號Default或是比較信號COM，邏輯閘144產生之狀態信號STATE都會持續對應於正常狀態。

舉例來說，邏輯閘144可為一及(AND)閘。此邏輯閘144必須在系統判定信號REG為高電位且比較單元142之輸出信號為高電位時，才會產生高電位之狀態信號。另外，可設定高電位之系統判定信號REG係對應於正常運作模式，低電位之系統判定信號REG係對應於啟動模式，高電位之狀態信號STATE係對應於異常狀態，低電位之狀態信號STATE係對應於正常狀態。當比較單元142選定第一組輸入信號時，比較單元142之輸出信號可能是高電位之比較信號COM，以顯示電路系統出現異常狀態，或是低電位之比較信號COM，以顯示電路系統正常。反之，當比較單元142選定第二組輸入信號時，比較單元142只會輸出高電位之預設信號Default。

本發明不僅能應用於過電壓保護。依據不同之偵測信號DET與系統判定信號REG，此保護電路140亦可應用於其他電路保護之需求，例如過電流保護、過熱保護等。只要偵測信號DET可以偵測到適當的保護條件(如輸出入電壓、輸出入電流等)，而系統判定信號REG可以定義出此保護功能所適用的運作模式即可。

第2A圖係第2圖之保護電路140應用於一電路系統一較佳實施例之方塊示意圖。如圖中所示，此電路系統具有一邏輯控制電路160與一驅動電路170。邏輯控制電路160接收來自保護電路140之狀態信號STATE，並依據此狀態信號STATE產生一啟動信號，以啟動或中止驅動電路170之運作。驅動電路170則是依據一回授訊號FB產生驅動電壓DRV控制開關電路120之工作週期，以調整輸出電壓VOUT的電位。當狀態信號STATE顯示為過電壓狀態，啟動信號EN就會中止驅動電路170之運作。反之，當狀態信號STATE顯示為正常壓狀態，驅動電路170就會維持其正常運作。此電路系統並具有一保護條件偵測電路180以偵測保護條件，並據以產生偵測信號DET提供至保護電路140。舉例來說，若欲提供過電流保護，此保護條件偵測電路180可偵測流經開關電路120的電流值作為保護條件；若欲提供過電壓保護，此保護條件偵測電路180可偵測驅動電路170之輸出入電壓；若欲提供過熱保護，此保護條件偵測電路180可偵測此電路系統之操作溫度。

保護電路140所接收之系統判定信號REG係用以重置此保護電路140。系統判定信號REG可依據實際上的需求而設定。舉例來說，此系統判定信號REG可透過偵測此電路系統之輸入電壓VIN而產生，例如採用一開機電壓重置(Power-on Reset)信號作為系統判定信號REG。又或者，此系統判定信號REG可以依據電路系統的一次側電流而產生，例如採用一過電流信號作為系統判定信號REG。

第3圖係第2圖之保護電路140的運作流程圖。如第3圖所示，請參照步驟S110與S120所示，在電路系統啟動後，依據電路系統狀態之不同，電路系統可能處於啟動模式，或是成功啟動而進入正常運作模式。當電路系統處於啟動模式，系統判定信號為0(對應於低電位信號)，此時，如步驟S130所示，保護電路140不啟動保護功能。

另一方面，當電路系統處於正常運作模式，系統判定信號為1(對應於高電位信號)。此時，如步驟S140所示，保護電路140會依據狀態信號STATE，選擇是否啟動保護功能。當狀態信號STATE為0，顯示系統正常狀態，此時，如步驟S130所示，不啟動保護功能。反之，當狀態信號STATE為1，則顯示為異常狀態。此時，如步驟S150所示，則會啟動保護功能。

如步驟S160與第2A圖所示，當狀態信號STATE顯示為異常狀態，比較單元142會選擇第二組輸入信號。此時，比較單元會產生高電位之預設信號Default而使狀態信號STATE被拴鎖在高電位。亦即，此保護電路140會被鎖定在保護狀態。

保護電路140被鎖定在保護狀態後，請參照步驟S170與第2A所示，即使偵測信號DET之電位降低，亦無法使狀態信號STATE回復到正常狀態。此時，此保護電路140是依據系統判定信號REG之不同，來決定是否持續鎖定於保護狀態。進一步來說，當系統判定信號REG為1顯示電路系統正常運作，如步驟S180所示，邏輯閘144會維持原來輸出的高電位狀態信號STATE，持續啟動保護功能。反之，當系統判定信號REG為0顯示電路系統進入啟動模式，如步驟S190所示，邏輯閘144則會輸出低電位的狀態信號STATE，解除保護電路140之鎖定。

相較於第1圖之具拴鎖功能之保護電路10，本發明之保護電路140不需使用矽控整流器元件與延遲電路，即可實現矽控整流器元件所具有之拴鎖功能。因此，可以節省裝置成本，同時也可以避免矽控整流器元件在電路應用上所產生之不必要的限制。

第4圖係本發明保護電路另一較佳實施例之示意圖。本實施例之保護電路在進入拴鎖狀態後，具有自回復(auto-recovery)之功能。如圖中所示，此保護電路240具有一比較單元242、一邏輯閘244與一自回復單元250。其中，比較單元242與邏輯閘244的運作與第2圖之實施例相類似，在此不予贅述。不過，本實施例之邏輯閘244與第2圖之實施例不同，本實施例之邏輯閘244係一反及閘(NAND)，第2圖中的邏輯閘124則是一及閘(AND)。惟，無論是本實施例的反及閘244或是第2圖之及閘124，都是用以整合比較單元142,242之輸出信號與系統判定信號REG，以避免偵測信號DET產生誤判。其差異主要是因為所需要之狀態信號STATE的特性不同。進一步來說，在第2圖之實施例中，狀態信號STATE為低準位時顯示系統為正常狀態。不過，在本實施例中，狀態信號STATE為高準位時才顯示系統為正常狀態。此狀態信號STATE可直接作為一輸出控制信號以啟動電路系統。

此自回復單元250具有一計時電路252與一邏輯閘254。在本實施例中，此計時電路252係一雙時脈控制計數器。以提供二個可個別獨立設定之時間長度(以下係以第一預設時間T1與第二預設時間T2進行說明)。同時請參照第5圖所示，計時電路252係於狀態信號STATE由正常狀態(高準位)切換至異常狀態(低準位)之時點，開始計算第一預設時間T1。並於第一預設時間T1經過後，產生一延遲狀態信號DL。此外，計時電路252係於狀態信號STATE由異常狀態(低準位)切換至正常狀態(高準位)之時點，開始計算第二預設時間T2。並於第二預設時間T2經過後，結束前述延遲狀態信號DL。

邏輯閘254接收狀態信號STATE與前述延遲狀態信號DL，據以產生一拴鎖控制信號CTL，控制比較單元242輸出比較信號COM或是預設信號Default。

在本實施例中，計時電路252輸出之延遲狀態信號DL是狀態信號STATE之一延遲信號的反向信號。並且，本實施例是利用一或閘254來產生前述拴鎖控制信號CTL。如第5圖所示，在狀態信號STATE由高準位切換至低準位時(即系統產生異常)，延遲狀態信號DL仍然維持在低準位，此時拴鎖控制信號CTL會由原本的高準位切換至低準位，開始拴鎖控制。此時，比較單元242選擇第二組輸入信號(即第一參考電位信號REF1與一第二參考電位信號REF2)以輸出預設信號Default。

隨後，在第一預設時間T1經過後，延遲狀態信號DL由原本的低準位切換至高準位。此時，或閘254所輸出的拴鎖控制信號CTL會由低準位自動回復至高準位，結束鎖定期間。此時，比較單元242選擇第一組輸入信號(即參考電位信號REF與偵測信號DET)以輸出比較信號COM。

接下來，當比較單元242偵測到系統回復正常，比較信號COM由原本的高準位轉變為低準位。此時，狀態信號STATE則是由低準位切換至高準位。計時電路252於接收到狀態信號STATE之改變後，開始計算第二預設時間T2。並於第二預設時間T2經過後，將延遲狀態信號DL由高準位回復至原本的低準位。此時，即使狀態信號STATE有任何雜訊，例如信號退化(degradation)所產生之雜訊，也不會使或閘254重行輸出低準位的拴鎖控制信號CTL以啟動拴鎖控制。換言之，此第二預設時間T2可以在狀態信號STATE由低準位切換至高準位後，設定一誤判防止時間，防止狀態信號STATE的雜訊，導致比較單元242產生誤判。

在第5圖之實施例中，狀態信號STATE是在拴鎖控制信號CTL回復至高準位之後，才由低準位切換至高準位。這表示，在鎖定期間結束後，系統才回復正常。若是系統在鎖定期間內即已回復正常，比較單元242受到拴鎖控制信號CTL的控制，僅會輸出高準位的預設信號Default。直到第一預設時間T1經過後，比較單元242才會輸出低準位的比較信號COM，狀態信號STATE也才會由低準位轉換至高準位。

在本實施例中，計時電路252產生二個可個別獨立設定之時間長度T1與T2，以因應不同保護狀態的需求。舉例來說，在過流保護之情況下，第一預設時間T1需提供足夠的時間，第二預設時間T2的長度可以較短。不過，本發明並不限於此。就一實施例而言，此計時電路252亦可以僅產生單一個預設時間。此預設時間可同時設定為前述之第一預設時間T1與第二預設時間T2，亦可僅設定為前述第一預設時間T1，而將第二預設時間設為零。

第6圖係第4圖之保護電路240的運作流程圖。以下僅就本實施例與第3圖之實施例之差異處進行說明。

請參照步驟S175與第4圖所示，保護電路240被鎖定在保護狀態後，即使偵測信號DET之電位降低，亦無法使狀態信號STATE回復到正常狀態。此時，如步驟S175所示，保護電路240是依據鎖定期間是否期滿，來決定是否使比較單元242持續輸出預設信號Default。當拴鎖控制信號CTL由低準位0切換至高準位1，鎖定期間屆滿。此時，比較單元242之輸出信號變更為比較信號COM。

在比較單元242之輸出信號為預設信號Default時，即使系統判定信號REG為1顯示電路系統處於正常運作模式，邏輯閘244輸出狀態信號STATE仍然為低準位。亦即，保護電路240會被持續鎖定於保護狀態。另一方面，當比較單元242之輸出信號變更為比較信號COM時，狀態信號STATE則是由比較信號COM之準位高低所控制。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。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．．．保護電路

R3．．．電阻

C1．．．電容

12．．．時序延遲電路

DET．．．輸出電壓偵測信號

Q1．．．開關

STATE．．．狀態信號

VBIAS．．．偏壓信號

140．．．保護電路

142．．．比較單元

144．．．邏輯閘

1422．．．輸入信號切換元件

1424．．．比較器

250．．．自回復單元

252．．．計時電路

254．．．邏輯閘

DL．．．延遲狀態信號

CTL．．．拴鎖控制信號

REF．．．參考電位信號

REF1．．．第一參考電位信號

REF2．．．第二參考電位信號

REG．．．系統判定信號

160．．．邏輯控制電路

FE．．．回授信號

EN‧‧‧啟動信號

DRV‧‧‧驅動電壓

170‧‧‧驅動電路

120‧‧‧開關電路

180‧‧‧保護條件偵測電路

VIN‧‧‧輸入電壓

VOUT‧‧‧輸出電壓

第1圖係一典型保護電路之電路圖。

第2圖係本發明保護電路一較佳實施例之示意圖。

第2A圖係第2圖之保護電路應用於一電路系統一較佳實施例之方塊示意圖。

第3圖係第2圖之保護電路之運作流程圖。

第4圖係本發明保護電路另一較佳實施例之示意圖。

第5圖係第4圖之保護電路中之各信號一較佳實施例之波型圖。

第6圖係第4圖之保護電路之運作流程圖。

DET．．．輸出電壓偵測信號

STATE．．．狀態信號

140．．．保護電路

142．．．比較單元

144．．．邏輯閘

1422．．．輸入信號切換元件

1424．．．比較器

REF．．．參考電位信號

REF1．．．第一參考電位信號

REF2．．．第二參考電位信號

REG．．．系統判定信號

COM．．．比較信號

Default．．．預設信號

Claims (25)

1. 一種具有拴鎖功能之保護電路，應用於一電路系統，該保護電路包括：一比較單元，依據一狀態信號(STATE)，選擇輸出一用以拴鎖該狀態信號之預設信號(Default)或是對應於一保護條件之一比較信號(COM)；以及一邏輯閘，依據該比較單元之一輸出信號與一對應於該電路系統之運作模式之系統判定信號(REG)，產生該狀態信號，其中，該輸出信號係該預設信號或該比較信號；其中，該比較單元具有一輸入信號切換元件與一比較器，該輸入信號切換元件係依據該狀態信號，選擇對應於該比較信號之一第一組輸入信號或是對應於該預設信號之一第二組輸入信號輸入該比較器。
2. 如申請專利範圍第1項之保護電路，其中，該第一組輸入信號包括一參考電位信號與一對應於該保護條件之偵測信號，該第二組輸入信號包括一第一參考電位信號與一第二參考電位信號，該第一參考電位信號高於該第二參考電位信號。
3. 如申請專利範圍第1項之保護電路，其中，該保護條件係該電路系統之一輸出電壓或是一輸入電壓。
4. 如申請專利範圍第1項之保護電路，其中，該保護條件係該電路系統之一輸出電流或是一輸入電流。
5. 如申請專利範圍第1項之保護電路，其中，該保護條件係該電路系統之一環境溫度。
6. 如申請專利範圍第1項之保護電路，其中，該系統判定信號係一開機電壓重置(Power-on Reset)信號。
7. 如申請專利範圍第1項之保護電路，其中，該狀態信號至少對應至一正常狀態與一異常狀態。
8. 如申請專利範圍第7項之保護電路，其中，該系統判定信號至少對應至一正常運作模式與一啟動模式。
9. 如申請專利範圍第8項之保護電路，其中，當該系統判定 信號顯示該電路系統處於該正常運作模式，該邏輯閘產生之該狀態信號係由該比較單元之該輸出信號所決定。
10. 如申請專利範圍第8項之保護電路，其中，當該系統判定信號顯示該電路系統處於該啟動模式，該邏輯閘產生之該狀態信號係對應於該正常狀態。
11. 如申請專利範圍第7項之保護電路，其中，當該狀態信號顯示該保護電路處於該正常狀態，該比較單元輸出該比較信號。
12. 如申請專利範圍第7項之保護電路，其中，當該狀態信號顯示該保護電路處於該異常狀態，該比較單元輸出該預設信號以拴鎖(latch)該狀態信號之電位。
13. 如申請專利範圍第1項之保護電路，其中，當該狀態信號顯示該保護電路處於一正常狀態，該輸入信號切換單元選擇該第一組輸入信號輸入該比較器。
14. 如申請專利範圍第1項之保護電路，其中，當該狀態信號顯示該保護電路處於一異常狀態，該輸入信號切換單元選擇該第二組輸入信號輸入該比較器，以拴鎖該狀態信號之電位。
15. 如申請專利範圍第8項之保護電路，其中，當該比較單元輸出該預設信號，且該系統判定信號顯示該電路系統處於該正常運作模式，該邏輯閘產生之該狀態信號係對應於該異常狀態。
16. 如申請專利範圍第1項之保護電路，其中，該邏輯閘係一及閘。
17. 如申請專利範圍第1項之保護電路，其中，該狀態信號係用以啟動一保護功能。
18. 如申請專利範圍第17項之保護電路，其中，該保護功能係一過電壓保護功能、一過電流保護功能或是一過熱保護功能。
19. 如申請專利範圍第1項之保護電路，更包括一自回復單元，依據該狀態信號產生一具有一第一預設時間之拴鎖控制信號，以控制該比較單元輸出該預設信號。
20. 如申請專利範圍第19項之保護電路，其中，該自回復單元具有一計時電路，用以設定該第一預設時間。
21. 如申請專利範圍第20項之保護電路，其中，該計時電路係用以設定該第一預設時間與一第二預設時間，其中，該第二預設時間係用以設定一誤判防止時間，以防止該狀態信號之雜訊導致該比較單元誤判。
22. 如申請專利範圍第21項之保護電路，其中，該計時電路係於該狀態信號切換至一異常狀態後，開始計算該第一預設時間，並於該狀態信號切換至該正常狀態後，開始計算該第二預設時間。
23. 如申請專利範圍第19項之保護電路，其中，該自回復單元具有一計時電路與一邏輯閘，該計時電路接收該狀態信號，並據以輸出一延遲狀態信號，該邏輯閘接收該狀態信號與該延遲狀態信號，以輸出該拴鎖控制信號。
24. 如申請專利範圍第23項之保護電路，其中，該延遲狀態信號係該狀態信號之一反向延遲信號，該邏輯閘係一或閘。
25. 如申請專利範圍第23項之保護電路，其中，該計時電路係一雙時脈控制計數器。