TWI711253B - 短路保護功率轉換控制器 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種短路保護功率轉換控制器，具有不低於過電流保護上升斜率閾值的短路保護上升斜率閾值，可在發生短路時，經由電流感測接腳而及時偵測半導體元件的任何異常電壓或過度電流，藉以有效避免半導體元件損壞。

Description

短路保護功率轉換控制器
本發明係有關於一種短路保護功率轉換控制器，尤其是利用不低於過電流保護上升斜率閾值的短路保護上升斜率閾值，不僅可達成功率轉換，同時來能實現雜訊干擾排除、短路保護以及過電流保護的功能，尤其是能早期偵測短路異常以及過電流異常，避免半導體元件及電子元件承受異常電壓或過度電流而獲得適當保護。
眾所周知，在習知的交換式電源供應器(Switching Power Supply)中，最常用的控制方式之一為脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制，其控制的積體電路(Integrated Circuit，IC)一般是簡稱為PWM IC。一般，PWM IC除了負責控制電源的輸出電壓及電流之外，還必須具備許多保護機制，藉以防止電源使用不當或發生異常狀態時，造成電源的燒毀而發生發煙、發火或觸電等危險，甚至導致整個系統損毀。PWM IC的保護機制通常會至少包括輸出過電流、輸出短路、輸出過電壓以及過溫度保護，等等。
在習知技術中，PWMIC主要是利用回授接腳(FB Pin)以及電流感測接腳(CS Pin)，其中回授接腳是當作次級側負載位準大小輸入端(Compensation Pin or Feedback Pin)，而電流感測接腳是當作初級側電流輸入偵測端(Current Sense)，用以偵測初級側的峰值電流(Peak Current)，藉以達到峰值電流模式(Peak Current Mode)的脈波調變(PWM)機制。
另外，PWMIC還要負責過電流及短路電流偵測。除了PWM比較器之外，PWM IC的內部電路一般還會配置另外2個比較器，分別為過載臨界(Limit1)比較器及短路臨界(Limit2)比較器。
Limit1比較器通常為最大電流偵測，當輸出過載時，CS接腳的峰值電流會升高到過電流保護閾值電壓(Vlimit1)，此時，Limit1比較器被觸發，經過一段時間的延遲(Timer)後，PWMIC停止輸出，達到過電流保護的目的。
當輸出短路或發生更大的負載時，CS接腳的峰值電流會升高到短路保護閾值電壓(Vlimit2)，此時，Limit2比較器被觸發，PWMIC立即停止輸出，以確保不會損壞電源供應器。
目前業界的普遍認知及作法是，將Vlimit2設定成大於Vlimit1，而其理由是，短路時的初級電流非常大，CS接腳的電流感測電壓足夠觸發Vlimit2比較器，而可立即停止電源輸出。此外，Vlimit2大於Vlimit1的另一原因是，要避免短暫過電流時的誤觸發，造成電源供應器停止輸出。換言之，如果CS接腳的電流感測電壓在大於Vlimit1且低於Vlimit2時的整體時間是非常短而未超過預設的延遲，則不應停止輸出電源，比如在電源剛打開或開機的瞬間，因為還是落在可承受的範圍內，所以不需停止電源輸出，否則會導致誤觸發而失效。
一般而言，Vlimit1是用於過電流保護(Over Current Protection，OCP)，當作最大輸入電流峰值的限制值，稱為最大電流限制(Max Current Limit)，或是OCP電流感測電壓箝位器(CS voltage clamper)，或是電流限制閾值電壓(Current Limit Threshold Voltage)，或是限制電壓(Limit Voltage)，或是最大電流感測閾值電壓(Max CS threshold voltage)。此外，Vlimit2是用於短路 (SHORT)保護，主要是針對輸出異常的保護，比如發生輸出端短路、變壓器繞組短路，或是次級整流元件短路，藉觸發Vlimit2而立即獲得保護。Vlimit2一般也稱為短路保護閾值電壓(Short Protection Threshold Voltage)，或是二極體短路保護電壓(Diode short protection voltage)，或是次級側二極體短路保護(Secondary Diode Short Protection)，或是異常過電流缺陷臨界(Abnormal Overcurrent Fault Threshold)，或是過電流臨界(Over-current Threshold)。
舉例而言，目前較為常用的控制晶片有OB/OB2283IC、Richtek/RT7738IC、Leadtrend/LD5538IC、ONSEMI/NCP1342以及TI/UCC28742，而各家控制晶片的Vlimit1/ Vlimit2分別為0.69V/1.4V、0.40V/1.1V、0.85V/1.5V、0.80V/1.2V、0.77V/1.5V，所以可明顯看出，目前技術是將Vlimit2設定成高於Vlimit1。
上述習知技術的缺點在於未能即早偵測到短路的發生，而必須在CS接腳的電流感測電壓經過一段時間上升到Vlimit2後，才確認已發生短路異常，並停止電源輸出，然而，在此期間內，各零件已承受初級電流所施加的電壓應力或電流應力，會有導致電源供應器損壞的潛在風險。
因此，電子/電氣產業界非常需要一種新穎設計的短路保護功率轉換控制器，利用不低於過電流保護上升斜率閾值的短路保護上升斜率閾值，提早偵測短路異常狀態，可有效減少各零件的電壓應力或電流應力，並同時調整較佳的前緣空白時間、第一感測時間、第二感測時間、第三感測時間以避免誤觸發，防止電源供應器損壞，進而克服習知技術的問題。
本發明之主要目的在於提供一種短路保護功率轉換控制器，包含電流感測接腳、回授接腳、脈衝寬度調變(PWM)驅動接腳、接地接腳以及輸入電源接腳，且具有預設的過電流保護前緣空白時間、短路保護前緣空白時間、過電流保護上升斜率閾值以及短路保護上升斜率閾值，並在搭配整流單元、變壓器、切換單元及電源輸出單元下進行電源控制操作， 藉以將外部輸電源轉換成輸出電源而供應負載。尤其，短路保護上升斜率閾值是不低於過電流保護上升斜率閾值，且過電流保護前緣空白時間是大於短路保護前緣空白時間。
具體而言，輸入電源接腳連接輸入電源，接地接腳連接接地電位，而脈衝寬度調變驅動接腳連接切換單元的閘極，且電流感測接腳連接切換單元的源極，其中源極進一步經由電流感測電阻而連接接地電位，並由電流感測接腳產生電流感測電壓。此外，回授接腳連接回授單元，而且回授單元是進一步連接電源輸出單元，用以產生對應於輸出電源的回授電壓。
再者，整流單元接收外部輸電源而轉換成整流電源，且變壓器包含初級側繞組以及次級側繞 組，其中初級側繞組接收整流電源，並連接整流單元以及切換單元的汲極，而次級側繞組連接電源輸出單元，且電源輸出單元連接負載。
更進一步具體而言，電源控制操作是包含以下步驟。
首先，接收回授電壓及電流感測電壓，並依據回授電壓及電流感測電壓以產生PWM驅動電壓，其中PWM驅動電壓包含週期***替出現的導通位準以及關閉位準，且導通位準的時間為導通時間。
接著，當PWM驅動電壓為導通位準而導通切換單元時，在第一感測時間以及在第二感測時間分別計算電流感測電壓的第一上升斜率及第二上升斜率，其中第二感測時間是大於第一感測時間，第一及第二感測時間皆小於導通時間，尤其，第一感測時間是小於短路保護前緣空白時間，第二感測時間是等於短路保護前緣空白時間，或是介於短路保護前緣空白時間以及過電流保護前緣空白時間之間。
然後，依據第一上升斜率及第二上升斜率以判斷是否發生雜訊干擾。
如果第一上升斜率等於或大於短路保護上升斜率閾值且第二上升斜率下降至低於短路保護上升斜率閾值，則發生雜訊干擾，並進行干擾排除處理，其中干擾排除處理包含繼續產生PWM驅動電壓。
如果第一上升斜率以及第二上升斜率皆等於或大於短路保護上升斜率閾值，則發生短路異常，並進行短路保護處理，其中短路保護處理包含停止產生PWM驅動電壓。
如果未發生雜訊干擾且未發生短路保護處理，則在第三感測時間計算電流感測電壓的第三上升斜率，其中第三感測時間是等於過電流保護前緣空白時間，或是介於過電流保護前緣空白時間以及導通時間之間，並接著依據第二上升斜率及第三上升斜率，判斷是否發生過電流異常。
如果第二上升斜率及第三上升斜率皆為等於或大於過電流保護上升斜率閾值，則發生過電流異常，並進行過電流保護處理，其中過電流保護處理包含在經過預設的過電流延遲時間後，停止產生PWM驅動電壓。如果未發生過電流異常，則繼續產生PWM驅動電壓。
此外，本發明之另一目的在於提供一種短路保護功率轉換控制器，具有預設的過電流保護前緣空白時間、短路保護前緣空白時間、過電流保護上升斜率閾值以及短路保護上升斜率閾值，並包含電流感測接腳、PWM驅動接腳、接地接腳以及輸入電源接腳，且進一步搭配整流單元、變壓器、切換單元及電源輸出單元而進行電源控制操作，將外部輸電源轉換成輸出電源。
再者，輸入電源接腳連接輸入電源，接地接腳連接接地電位，PWM驅動接腳連接切換單元的閘極，電流感測接腳經限流電阻而連接切換單元的源極，且源極是進一步經由電流感測電阻而連接至接地電位，並由電流感測接腳產生電流感測電壓。
具體而言，上述的電源控制操作包含以下步驟。
首先，接收及電流感測電壓，並依據電流感測電壓以產生PWM驅動電壓，其中PWM驅動電壓包含週期***替出現的導通位準以及關閉位準，且導通位準的時間為導通時間。
接著，當PWM驅動電壓為導通位準而導通切換單元時，在第一感測時間以及在第二感測時間分別計算電流感測電壓的第一上升斜率及第二上升斜率，其中第二感測時間是大於第一感測時間，第一及第二感測時間皆小於導通時間，尤其，第一感測時間是小於短路保護前緣空白時間，第二感測時間是等於短路保護前緣空白時間，或是介於短路保護前緣空白時間以及過電流保護前緣空白時間之間。
然後，依據第一上升斜率及第二上升斜率以判斷是否發生雜訊干擾。
如果第一上升斜率等於或大於短路保護上升斜率閾值且第二上升斜率下降至低於短路保護上升斜率閾值，則發生雜訊干擾，並進行干擾排除處理，其中干擾排除處理包含繼續產生PWM驅動電壓。
如果第一上升斜率以及第二上升斜率皆等於或大於短路保護上升斜率閾值，則發生短路異常，並進行短路保護處理，其中短路保護處理包含停止產生PWM驅動電壓。
如果未發生雜訊干擾且未發生短路保護處理，則在第三感測時間計算電流感測電壓的第三上升斜率，其中第三感測時間是等於過電流保護前緣空白時間，或是介於過電流保護前緣空白時間以及導通時間之間，並接著依據第二上升斜率及第三上升斜率，判斷是否發生過電流異常。
如果第二上升斜率及第三上升斜率皆為等於或大於過電流保護上升斜率閾值，則發生過電流異常，並進行過電流保護處理，其中過電流保護處理包含在經過預設的過電流延遲時間後，停止產生PWM驅動電壓。如果未發生過電流異常，則繼續產生PWM驅動電壓。
由於本發明的短路保護上升斜率閾值是不低於過電流保護上升斜率閾值，所以能提早先判斷是否發生短路異常，而如果未發生短路異常，才判斷是否發生過電流異常，有別於一般習用技術的判斷次序，可提早偵測短路異常而立即停止產生PWM驅動電壓，有效避免任何異常電壓或過度電流對半導體元件的損壞。尤其，可同時調整較佳過電流保護前緣空白時間、短路保護前緣空白時間、第一感測時間、第二感測時間、第三感測時間，藉以避免誤觸發，防止電源供應器損壞，確保整體系統的操作安全性。
因此，本發明不僅可達成功率轉換，同時來能實現雜訊干擾排除、短路保護以及過電流保護的功能，尤其是能早期偵測短路異常以及過電流異常，避免半導體元件及電子元件承受異常電壓或過度電流而獲得適當保護。
以下配合圖示及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。
請參考第一圖、第二圖及第三圖，其中第一圖為本發明第一實施例短路保護功率轉換控制器所執行的電源控制操作之流程圖，而第二圖為本發明第一實施例短路保護功率轉換控制器的示意圖，且第三圖是本發明第一實施例的示範性實例波形圖。
如第一圖、第二圖及第三圖所示，本發明第一實施例的短路保護功率轉換控制器10是屬於脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)的控制器，且是以半導技術的PWM積體電路(Integrated Circuit，IC)而實現，並包含電流感測接腳CS、回授接腳FB、脈衝寬度調變(PWM)驅動接腳DR、接地接腳GND以及輸入電源接腳VCC，且具有預設的過電流保護前緣空白時間LEB_OV、短路保護前緣空白時間LEB_SS、短路保護上升斜率閾值以及過電流保護上升斜率閾值，尤其是用以搭配整流單元20、變壓器30、切換單元40及電源輸出單元50而進行電源控制操作， 並將外部輸電源VAC轉換成輸出電源VOUT而供應負載RL。
特別的是，上述的短路保護上升斜率閾值是不低於過電流保護上升斜率閾值，且過電流保護前緣空白時間LEB_OV是大於短路保護前緣空白時間LEB_SS，尤其，短路保護上升斜率閾值可如第三圖所示而設定成：短路保護閾值電壓VCS_SS/短路保護前緣空白時間LEB_SS，而過電流保護上升斜率閾值可設定成：過電流保護閾值電壓VCS_OV/過電流保護前緣空白時間LEB_OV，其中短路保護閾值電壓VCS_SS是不大於預設的過電流保護閾值電壓VCS_OV，且短路保護閾值電壓VCS_SS是指發生短路時所對應的電流感測電壓VCS，表示發生輸出端短路、變壓器繞組短路、或是次級整流元件短路，而過電流保護閾值電壓VCS_OV是指發生過電流時所對應的電流感測電壓VCS，表示初級側的輸入電流過大。
要注意的是，短路保護閾值電壓VCS_SS以及過電流保護閾值電壓VCS_OV可依據實際使用環境而設定、調整，所以本發明預設的短路保護上升斜率閾值以及過電流保護上升斜率閾值也可彈性設定、調整。
具體而言，輸入電源接腳VCC是連接至輸入電源VDD，接地接腳GND是連接接地電位VGND，而PWM驅動接腳DR是連接切換單元40的閘極，且電流感測接腳CS是連接切換單元40的源極，尤其，源極是經由電流感測電阻60而連接至接地電位VGND，並由電流感測接腳CS產生電流感測電壓VCS。此外，回授接腳FB是連接至回授單元70，而回授單元70是進一步連接至電源輸出單元50，用以產生對應於輸出電源VOUT的回授電壓VFB。
舉例而言，回授單元70可包含光耦合器。
再者，整流單元20接收外部輸電源VAC，並將外部輸電源VAC轉換成整流電源VIN，比如經由整流、濾波、穩壓的處理。
變壓器30包含初級側繞組LP以及次級側繞組LS，其中初級側繞組LP接收整流電源VIN，並連接整流單元20以及切換單元40的汲極。此外，次級側繞組LS連接電源輸出單元50，而電源輸出單元50是進一步連接至負載RL。
本發明的主要特徵在於由短路保護功率轉換控制器10進行特別的電源控制操作，主要包含如第一圖所示的步驟S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16、S17、S18以及S19，不僅可達成功率轉換，同時來能實現雜訊干擾排除、短路保護以及過電流保護的功能，尤其是能早期偵測短路異常以及過電流異常，避免半導體元件及電子元件承受異常電壓或過度電流而獲得適當保護。
首先，電源控制操作是在步驟S10中由短路保護功率轉換控制器10分別經回授接腳FB、電流感測接腳CS而接收回授電壓VFB及電流感測電壓VCS。接著進入步驟S11，依據回授電壓VFB及電流感測電壓VCS以產生PWM驅動電壓VGS，其中PWM驅動電壓VGS包含週期***替出現的導通位準以及關閉位準，且導通位準的時間為導通時間Ton。舉例而言，導通位準可為高位準，而關閉位準可為低位準，或者，導通位準可為低位準，而關閉位準可為高位準。
再者，上述的切換單元40可為金氧半(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)電晶體、或氮化鎵場效電晶體(GaN (Gallium Nitride) FET)、或碳化矽-金氧半場效電晶體(SiC-MOSFET)。
然後執行步驟S12，當PWM驅動電壓VGS為導通位準而導通切換單元40時，亦即於導通時間Ton內，在第一感測時間T1以及第二感測時間T2分別計算電流感測電壓VCS的第一上升斜率及第二上升斜率，其中第二感測時間T2大於第一感測時間T1，而第一感測時間T1以及第二感測時間T2皆小於導通時間Ton，尤其，第一感測時間T1是小於短路保護前緣空白時間LEB_SS，第二感測時間T2是等於短路保護前緣空白時間LEB_SS，或介於短路保護前緣空白時間LEB_SS以及過電流保護前緣空白時間LEB_OV之間。
具體而言，電流感測電壓VCS的第一上升斜率及第二上升斜率可為平均斜率，亦即，第一上升斜率是表示成：在第一感測時間T1的電流感測電壓VCS/第一感測時間T1，而第二上升斜率是表示成：在第二感測時間T2的電流感測電壓VCS/第二感測時間T2，或者，電流感測電壓VCS的第一上升斜率及第二上升斜率可為瞬時斜率。要注意的是，不論平均斜率或瞬時斜率皆屬於本發明的範圍。
接著在步驟S13中，依據第一上升斜率及第二上升斜率，判斷是否發生雜訊干擾，如果發生雜訊干擾，則進入步驟S14，而如果未發生雜訊干擾，則進入步驟S15。
具體而言，如果第一上升斜率等於或大於短路保護上升斜率閾值且第二上升斜率下降至小於短路保護上升斜率閾值，比如零，則發生雜訊干擾，進而在步驟S14中進行干擾排除處理，其中干擾排除處理包含回到步驟S11，並繼續產生PWM驅動電壓VGS。換言之，雖然電流感測電壓VCS的第一上升斜率是等於或大於短路保護上升斜率閾值，但是第二上升斜率已下降至小於短路保護上升斜率閾值，比如零，所以是屬於瞬時的尖峰雜訊，並非短路異常。
在步驟S15中，進一步依據第一上升斜率及第二上升斜率，判斷是否發生短路異常，如果發生短路異常，則進入步驟S16，而如果未發生短路異常，則進入步驟S17。
具體而言，如果第二上升斜率等於或大於短路保護上升斜率閾值且小於過電流保護上升斜率閾值，則被視為發生短路異常，而在步驟S16中是進短路保護處理，其中短路保護處理包含立即停止產生該PWM驅動電壓VGS。換言之，只有在電流感測電壓VCS的第一上升斜率及第二上升斜率皆為等於或大於短路保護上升斜率閾值時，才是發生短路異常。
在步驟S17中，計算第三感測時間T3時的第二上升斜率，且第三感測時間T3是設定成等於過電流保護前緣空白時間LEB_OV，或介於過電流保護前緣空白時間LEB_OV以及導通時間Ton之間。
然後在步驟S17之後，進入步驟S18，依據第二上升斜率及第三上升斜率，判斷是否發生過電流異常，如果發生過電流異常，則進入步驟S19，而如果未發生過電流異常，則回到步驟S11，繼續產生PWM驅動電壓VGS。
進一步而言，如果第二上升斜率及第三上升斜率皆為等於或大於過電流保護上升斜率閾值，則被視為發生過電流異常，而步驟S19是進行過電流保護處理，其中過電流保護處理包含在過電流延遲時間後，停止產生PWM驅動電壓VGS。換言之，如果電流感測電壓VCS的第二上升斜率等於或大於短路保護上升斜率閾值時，但是第三上升斜率是小於短路保護上升斜率閾值，比如零，則不被視為發生過電流異常，所以只有在電流感測電壓VCS的第二上升斜率及第三上升斜率皆為等於或大於短路保護上升斜率閾值時，才是過電流異常，藉以避免誤動作。
更加進一步說明，第三圖主要顯示四電流感測電壓VCS1、VCS2、VCS3、VCS4以當作示範實例，分別為正常的電流感測電壓VCS1、雜訊干擾的電流感測電壓VCS2、發生短路異常的電流感測電壓VCS3、發生過電流異常的電流感測電壓VCS4，藉以說明本發明利用短路保護上升斜率閾值及過電流保護上升斜率閾值所達成的特點及功效。
具體而言，電流感測電壓VCS1是在導通時間Ton內逐步上升而到達正常操作時所預期的全負載，或稱作額定負載，且全負載是小於短路保護閾值電壓VCS_SS，而短路保護閾值電壓VCS_SS是不大於過電流保護閾值電壓VCS_OV，所以電流感測電壓VCS1是正常操作而無異常。不過，圖中的短路保護閾值電壓VCS_SS是顯示小於過電流保護閾值電壓VCS_OV的示範性實例，藉以方便了解所達成的功效，所以要注意的是，短路保護閾值電壓VCS_SS只要是不大於過電流保護閾值電壓VCS_OV即可。
尤其，短路保護上升斜率閾值、過電流保護上升斜率閾值是特別設計成用以比較所計算的第一上升斜率、第二上升斜率，進而提早預估電流感測電壓VCS否上升到等於或大於短路保護閾值電壓VCS_SS或過電流保護閾值電壓VCS_OV。
要特別注意的是，本發明的第一上升斜率、第二上升斜率是取決於第一感測時間T1、第二感測時間T2，因此，在短路保護前緣空白時間LEB_SS、短路保護閾值電壓VCS_SS、PWM導通時間Ton維持不變下，可依據實際需要而適當調整第一感測時間T1、第二感測時間T2，進而利用第一上升斜率、第二上升斜率以預估電流感測電壓VCS否上升到等於或大於短路保護閾值電壓VCS_SS，並判斷是否發生雜訊干擾或短路異常。
此外，電流感測電壓VCS2是只出現在短路保護前緣空白時間LEB_SS之前的短暫干擾雜訊，亦即，雖然在第一感測時間T1的第一上升斜率很高，比如大於短路保護上升斜率閾值，因為電流感測電壓VCS2的峰值一般可遠大於短路保護閾值電壓VCS_SS，但是電流感測電壓VCS2在大於短路保護前緣空白時間LEB_SS的第二感測時間T2之前已下降至低於短路保護閾值電壓VCS_SS，比如為零，所以第二上升斜率也下降至小於短路保護上升斜率閾值，比如為零，因而可忽略電流感測電壓VCS2的影響，繼續產生PWM驅動電壓VGS，進而具體達到排除雜訊干擾的功效，避免誤動作而停止產生PWM驅動電壓VGS。
再者，電流感測電壓VCS3的第一上升斜率、第二上升斜率皆是大於短路保護上升斜率閾值，所以在步驟S15中是判斷成發生短路異常，而電流感測電壓VCS4的第一上升斜率、第二上升斜率、第三上升斜率皆是小於短路保護上升斜率閾值，但大於過電流保護上升斜率閾值，所以在步驟S18中是判斷成發生過電流異常。
整體而言，本發明可正確區別出電流感測電壓VCS1是正常操作，電流感測電壓VCS2是短暫干擾雜訊，電流感測電壓VCS3是發生短路異常，而電流感測電壓VCS4是發生過電流異常。
接著進一步參考第四圖及第五圖，其中第四圖為本發明第二實施例短路保護功率轉換控制器所執行的電源控制操作之流程圖，而第五圖為本發明第二實施例短路保護功率轉換控制器的示意圖。
如第四圖及第五圖所示，本發明第二實施例的短路保護功率轉換控制器10A是類似於上述本發明第一實施例的短路保護功率轉換控制器10，同樣也具有預設的過電流保護前緣空白時間LEB_OV、短路保護前緣空白時間LEB_SS、短路保護上升斜率閾值以及過電流保護上升斜率閾值，不過只包含電流感測接腳CS、脈衝寬度調變(PWM)驅動接腳DR、接地接腳GND以及輸入電源接腳VCC，而未包含回授接腳FB。
此外，第二實施例的短路保護功率轉換控制器10A是用以搭配整流單元20A、變壓器30A、切換單元40A及電源輸出單元50A而進行電源控制操作，並將外部輸電源VAC轉換成輸出電源VOUT。再者，電流感測接腳CS是經限流電阻RLT而連接切換單元40的源極，且切換單元40的源極是經電流感測電阻60A而連接至接地電位VGND，並由電流感測接腳CS產生電流感測電壓VCS。
進一步，變壓器30A包含初級側繞組LPA以及次級側繞組LSA，其中初級側繞組LPA是連接整流單元20A以及切換單元40A的汲極之間，而汲極並進一步連接至電源輸出單元50A，且次級側繞組LSA是連接輸入電源接腳VCC以及接地電位VGND之間。此外，整流單元20A接收外部輸電源VAC而轉換成整流電源VIN。
再者，第二實施例的短路保護功率轉換控制器10A所進行的電源控制操作，是如第六圖所示，包含步驟S20、S21、S22、S23、S24、S25、S26、S27、S28以及S29，是類似於第一實施例的電源控制操作，不過主要的差異在於步驟S20只接收電流感測電壓VCS，因為第二實施例未使用回授單元，所以沒有回授電壓，而且在步驟S21中，是只依據電流感測電壓VCS以產生PWM驅動電壓VGS，其餘步驟S22、S23、S24、S25、S26、S27、S28以及S29是如同第一實施例，下文中不再贅述。
要注意的是，第二實施例的短路保護功率轉換控制器10A因所搭配的電路不同，仍可藉由步驟S20、S21、S22、S23、S24、S25、S26、S27、S28以及S29而達成第一實施例短路保護功率轉換控制器10利用步驟S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16、S17、S18 以及S19的同樣功效，提供雜訊干擾排除、短路保護以及過電流保護的功能，以保護半導體元件及電子元件免於承受異常電壓或過度電流而損壞。
綜合而言，本發明的特點主要在於利用過電流保護上升斜率閾值以及不低於過電流保護上升斜率閾值的短路保護上升斜率閾值，用以偵測雜訊干擾、短路異常以及過電流異常，並可在發生短路時，經由電流感測接腳而及時偵測半導體元件的任何異常電壓或過度電流，藉以有效避免半導體元件損壞。此外，本發明可同時調整較佳過電流保護前緣空白時間、短路保護前緣空白時間、第一感測時間、第二感測時間、第三感測時間，藉以避免誤觸發，防止電源供應器損壞，確保整體系統的操作安全性。
因此，本發明不僅可達成功率轉換，同時來能實現雜訊干擾排除、短路保護以及過電流保護的功能，尤其是能早期偵測短路異常以及過電流異常，避免半導體元件及電子元件承受異常電壓或過度電流而獲得適當保護。
以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。
S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16、S17、S18、S19:步驟
S20、S21、S22、S23、S24、S25、S26、S27、S28、S29:步驟
10 、10A:短路保護功率轉換控制器
20、20A:整流單元
30、30A:變壓器
40、40A:切換單元
50、50A:電源輸出單元
60、60A:電流感測電阻
70:回授單元
CS:電流感測接腳
FB:回授接腳
DR:驅動接腳
GND:接地接腳
VCC:輸入電源接腳
FL:全負載
IP:初級側電流
IS:次級側電流
LP、LPA:初級側繞組
LS、LSA:次級側繞組
RL:負載
RLT:限流電阻
T1:第一感測時間
T2:第二感測時間
T3:第三感測時間
LEB_OV:過電流保護前緣空白時間
LEB_SS:短路保護前緣空白時間
Ton PWM:導通時間
VAC:外部輸電源
VCS:電流感測電壓
VCS1、VCS2:電流感測電壓
VCS3、VCS4:電流感測電壓
VCS_OV:過電流保護閾值電壓
VCS_SS:短路保護閾值電壓
VDD:輸入電源
VFB:回授電壓
VGND:接地電位
VGS PWM:驅動電壓
VIN:整流電源
VOUT:輸出電源
第一圖顯示本發明第一實施例短路保護功率轉換控制器所執行的電源控制操作之流程圖。 第二圖顯示本發明第一實施例短路保護功率轉換控制器的示意圖。 第三圖顯示本發明第一實施例的示範性實例波形圖。 第四圖顯示本發明第二實施例短路保護功率轉換控制器所執行的電源控制操作之流程圖。 第五圖顯示本發明第二實施例短路保護功率轉換控制器的示意圖。
S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16、S17、S18、S19:步驟

Claims (9)

  1. 一種短路保護功率轉換控制器，具有預設的一過電流保護前緣空白(Leading Edge Blanking，LEB)時間、一短路保護前緣空白時間、一短路保護上升斜率閾值以及一過電流保護上升斜率閾值，係搭配一整流單元、一變壓器、一切換單元以及一電源輸出單元而進行一電源控制操作，用以將一外部輸電源轉換成一輸出電源而供應一負載，包括： 一輸入電源接腳，係連接至一輸入電源； 一接地接腳，係連接至一接地電位； 一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)驅動接腳，係連接該切換單元的一閘極； 一電流感測接腳，係連接該切換單元的一源極，且該源極經一電流感測電阻而連接至該接地電位，該電流感測接腳產生一電流感測電壓；以及 一回授接腳，係連接至一回授單元，而該回授單元進一步連接至該電源輸出單元，用以產生對應於該輸出電源的一回授電壓， 其中該短路保護前緣空白時間是大於該過電流保護前緣空白時間，該短路保護上升斜率閾值是不低於該過電流保護上升斜率閾值，該整流單元接收該外部輸電源而轉換成一整流電源，該變壓器包含一初級側繞組以及一次級側繞組，該初級側繞組接收該整流電源，並連接該整流單元以及該切換單元的一汲極，該次級側繞組連接該電源輸出單元，該電源輸出單元連接該負載，該電源控制操作包含： 接收該回授電壓及該電流感測電壓； 依據該回授電壓及該電流感測電壓以產生一PWM驅動電壓，該PWM驅動電壓包含週期***替出現的一導通位準以及一關閉位準，且該導通位準的時間為一導通時間； 當該PWM驅動電壓為該導通位準而導通該切換單元時，在一第一感測時間以及在一第二感測時間，分別計算該電流感測電壓的一第一上升斜率及一第二上升斜率，該第二感測時間是大於該第一感測時間，該第一感測時間以及該第二感測時間皆小於該導通時間，該第一感測時間是小於該短路保護前緣空白時間，該第二感測時間是等於短路保護前緣空白時間或介於該短路保護前緣空白時間以及該過電流保護前緣空白時間之間； 依據該第一上升斜率及該第二上升斜率以判斷是否發生一雜訊干擾； 如果該第一上升斜率等於或大於該短路保護上升斜率閾值且該第二上升斜率下降至低於該短路保護上升斜率閾值，則發生該雜訊干擾，而如果發生該雜訊干擾，則進行一干擾排除處理，該干擾排除處理包含繼續產生該PWM驅動電壓； 如果該第一上升斜率以及該第二上升斜率皆等於或大於該短路保護上升斜率閾值，則發生一短路異常，而如果發生該短路異常，則進行一短路保護處理，該短路保護處理包含停止產生該PWM驅動電壓； 如果未發生該雜訊干擾且未發生該短路保護處理，則在一第三感測時間計算該電流感測電壓的一第三上升斜率，該第三感測時間是等於該過電流保護前緣空白時間，或是介於該過電流保護前緣空白時間以及該導通時間之間，並依據該第二上升斜率及該第三上升斜率以判斷是否發生一過電流異常；如果該第二上升斜率及該第三上升斜率皆為等於或大於該過電流保護上升斜率閾值，則發生該過電流異常，並進行一過電流保護處理，該過電流保護處理包含在經過一過電流延遲時間後，停止產生該PWM驅動電壓；以及如果未發生該過電流異常，則繼續產生該PWM驅動電壓。
  2. 如請求項1之短路保護功率轉換控制器，其中該導通位準為一高位準而該關閉位準為一低位準。
  3. 如請求項1之短路保護功率轉換控制器，其中該導通位準為一低位準而該關閉位準為一高位準。
  4. 如請求項1之短路保護功率轉換控制器，其中該切換單元為一金氧半(Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)電晶體、或一氮化鎵場效電晶體(GaN(Gallium Nitride)FET)、或一碳化矽-金氧半場效電晶體(SiC-MOSFET)。
  5. 如請求項1之短路保護功率轉換控制器，其中該回授單元包含一光耦合器。
  6. 一種短路保護功率轉換控制器，具有預設的一過電流保護前緣空白(Leading Edge Blanking，LEB)時間、一短路保護前緣空白時間、一短路保護上升斜率閾值以及一過電流保護上升斜率閾值，係搭配一整流單元、一變壓器、一切換單元以及一電源輸出單元而進行一電源控制操作，用以將一外部輸電源轉換成一輸出電源，包括：一輸入電源接腳，係連接至一輸入電源； 一接地接腳，係連接至一接地電位；一脈衝寬度調變(PWM)驅動接腳，係連接該切換單元的一閘極；以及一電流感測接腳，係經一限流電阻而連接該切換單元的一源極，且該源極是經一電流感測電阻而連接至該接地電位，該電流感測接腳產生一電流感測電壓，其中該短路保護前緣空白時間是大於該過電流保護前緣空白時間，該短路保護上升斜率閾值是不低於該過電流保護上升斜率閾值，該整流單元接收該外部輸電源而轉換成一整流電源，該變壓器包含一初級側繞組以及一次級側繞組，該初級側繞組接收該整流電源，並連接該整流單元以及該切換單元的一汲極，該次級側繞組連接該電源輸出單元，該電源輸出單元連接一負載，該電源控制操作包含：接收該電流感測電壓；依據該電流感測電壓以產生一PWM驅動電壓，該PWM驅動電壓包含週期***替出現的一導通位準以及一關閉位準，且該導通位準的時間為一導通時間；當該PWM驅動電壓為該導通位準而導通該切換單元時，在一第一感測時間以及在一第二感測時間，分別計算該電流感測電壓的一第一上升斜率及一第二上升斜率，該第二感測時間是大於該第一感測時間，該第一感測時間以及該第二感測時間皆小於該導通時間，該第一感測時間是小於該短路保護前緣空白時間，該第二感測時間是等於短路保護前緣空白時間或介於該短路保護前緣空白時間以及該過電流保護前緣空白時間之間； 依據該第一上升斜率及該第二上升斜率以判斷是否發生一雜訊干擾；如果該第一上升斜率等於或大於該短路保護上升斜率閾值且該第二上升斜率下降至低於該短路保護上升斜率閾值，則發生該雜訊干擾，而如果發生該雜訊干擾，則進行一干擾排除處理，該干擾排除處理包含繼續產生該PWM驅動電壓；如果該第一上升斜率以及該第二上升斜率皆等於或大於該短路保護上升斜率閾值，則發生一短路異常，而如果發生該短路異常，則進行一短路保護處理，該短路保護處理包含停止產生該PWM驅動電壓；如果未發生該雜訊干擾且未發生該短路保護處理，則在一第三感測時間計算該電流感測電壓的一第三上升斜率，該第三感測時間是等於該過電流保護前緣空白時間，或是介於該過電流保護前緣空白時間以及該導通時間之間，並依據該第二上升斜率及該第三上升斜率以判斷是否發生一過電流異常；如果該第二上升斜率及該第三上升斜率皆為等於或大於該過電流保護上升斜率閾值，則發生該過電流異常，並是進行一過電流保護處理，該過電流保護處理包含在經過一過電流延遲時間後，停止產生該PWM驅動電壓；以及如果未發生該過電流異常，則繼續產生該PWM驅動電壓。
  7. 如請求項6之短路保護功率轉換控制器，其中該導通位準為一高 位準而該關閉位準為一低位準。
  8. 如請求項6之短路保護功率轉換控制器，其中該導通位準為一低位準而該關閉位準為一高位準。
  9. 如請求項6之短路保護功率轉換控制器，其中該切換單元為一金氧半電晶體、或一氮化鎵場效電晶體、或一碳化矽-金氧半場效電晶體。
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