电源转换器的检错装置及其检测方法.pdf

本发明提供一种用来检测回扫式电源转换器是否有异常现象发生的装置及其检测方法，其中检测装置包含有一检测电路、一比较电路以及一判断电路，检测电路根据电源转换器的输出讯号产生一回授讯号，比较电路则产生一指示讯号，指示回授讯号与一临界值间的电压比较结果，判断电路再根据指示讯号判断错误是否发生。由于回授讯号可立即反应出输出讯号的电压高低，本发明藉由比较回授讯号的电压电平与一临界值，可迅速且正确地判断出是否有错误发生，以利于迅速且正确地对电源转换器进行保护。

1.  一种电源转换器的检错误装置，用来检测一电源转换器的电流感测电阻是否发生短路接地的状况，该电源转换器包含有用来接收一输入电压讯号的一初级绕组，以及用来产生一输出电压讯号的一次级绕组，该装置包含有：
一检测电路，用来根据该输出电压讯号产生一回授讯号；
一比较电路，耦接于该检测电路，用来产生一指示讯号，指示该回授讯号与一临界值间的电压比较结果；以及
一判断电路，耦接于该比较电路，用来根据该指示讯号判断该电流感测电阻是否发生短路接地状况。

2.  如权利要求1所述的装置，其中该回授讯号的电压电平在该电源转换器启动后达稳定状态时，若该回授讯号的电压电平低于该临界值时，该判断电路判断该电流感测电阻发生短路接地的状况。

3.  如权利要求1所述的装置，其中该比较电路包含有：
一第一晶体管，包含有一控制端、一第一端以及一第二端，该控制端耦接于该检测电路，用来接收该回授讯号，该第一端耦接于一第一电压电平，以及该第二端耦接于一第二电压电平，其中该临界值对应于该第一晶体管的一阈值电压电平。

4.  如权利要求3所述的装置，其中该比较电路还包含有一第二晶体管，包含有一控制端、一第一端以及一第二端，其中该第二晶体管的控制端耦接于一电源正常讯号的反相讯号，该第二晶体管的第一端耦接于该第一晶体管的第一端，该第二晶体管的第二端耦接于一接地电平。

5.  如权利要求1所述的装置，其中该判断电路包含有多个串接的T型触发器。

6.  一种电源转换器的检错误方法，用来检测一电源转换器的电流感测电阻是否发生短路接地的状况，该电源转换器包含有用来接收一输入电压讯号的一初级绕组，以及用来产生一输出电压讯号的一次级绕组，该方法包含有：
根据该输出电压讯号产生一回授讯号；
产生一指示讯号，用来指示该回授讯号与一临界值间的电压比较结果；以及
根据该指示讯号判断该电流感测电阻是否发生短路接地的状况。

7.  如权利要求6所述的方法，其中该回授讯号的电压电平在该电源转换器启动后达稳定状态时，若该回授讯号的电压电平低于该临界值时，判断该电流感测电阻发生短路接地的状况。

电源转换器的检错装置及其检测方法
技术领域
本发明涉及一种电源转换器的检错装置及其检测方法，特别是涉及一种用来检测电源转换器的电流感测电阻是否发生短路接地状况的检错装置及其检测方法。
背景技术
图1是一已知回扫式(fly-back)电源转换器的示意图。回扫式电源转换器100是利用切换晶体管Q1，来将输入的交流电压V_AC转换成直流的输出电压V_OUT，更详细地说，当晶体管Q1导通时，经整流后的直流输入电压V_I的能量会储存于变压器(transformer)T的初级绕组(primary winding)Lp上，并在晶体管Q1关闭时将能量传递至次级绕组(secondary winding)Ls以形成输出电压V_OUT。
晶体管Q1的栅极连接至一脉宽调制控制芯片110，由控制芯片110输出一脉宽调制(PWM)讯号来控制晶体管Q1的导通。控制芯片110会根据目前输出电压V_OUT的电压电平以及于电流感测接脚(current sensing pin)CS所检测到的初级绕组电流Ip来调整脉宽调制讯号的负载周期(dutycycle)，以使回扫式电源转换器100产生预期的输出电压V_OUT。
在这种情况下，当耦接于电流感测接脚CS的电流感测电阻R_CS因机械故障或操作不当等因素不小心短路接地，使晶体管Q1的源极接地时，电流感测接脚CS检测不到初级绕组电流Ip过高的情形，因此，控制芯片110会一直以最大的负载周期来切换晶体管Q1，使得输出电压V_OUT不断冲高，甚至影响回扫式电源转换器100输出端所连接的电路的运作。
一种解决的方法是藉由检测变压器T的辅助绕组(auxiliarywinding)Laux所提供的VCC电压，来判断输出电压V_OUT是否过高。这是由于输入电压V_I的能量从初级绕组Lp传递至次级绕组Ls时，同样会传递至辅助绕组Laux，次级绕组Ls在对输出电压V_OUT充电时，辅助绕组Laux亦对V_CC电压充电，因此，当控制芯片110检测到V_CC电压高于一预设的过电压保护临界值(over voltage protection threshold)时，即判断输出电压V_OUT过高，应启动过电压保护机制，将脉宽调制讯号的负载周期降低或关闭晶体管Q1，使输出电压V_OUT降低。
然而，V_CC电压的过电压保护临界值会比正常运作时的工作点要高得多，要同时兼顾正常运作以及电流感测电阻R_CS短路时的过电压保护来设计初级绕组Lp及辅助绕组Laux间的线圈比值是非常复杂且困难的。另外，当输出电压V_OUT尚处于零电位时，V_CC电压已经不为零(先经由R1从输入的交流电压V_AC得到部分能量)，因此，当初级绕组开始切换传递能量时，次级的二极管DSN会比辅助绕组侧的二极管DA早导通，使次级绕组较辅助绕组更早得到储存于初级绕组的能量，如此一来，若等到V_CC电压高于预设的过电压保护临界值才执行过电压保护时，输出电压V_OUT已经过高，仍然可能对输出端所连接的电路造成影响。
发明内容
有鉴于此，本发明即在于提供一种电源转换器的检错误装置及其检测方法，用来检测一电源转换器的电流感测电阻是否发生短路接地的状况，以解决上述问题。
根据本发明的一实施例，该电源转换器包含有用来接收一输入电压讯号的一初级绕组，以及用来产生一输出电压讯号的一次级绕组，而该装置包含有一检测电路、一比较电路以及一判断电路，其中该检测电路根据该电源转换器的输出电压讯号产生一回授讯号，该比较电路则耦接于检测电路，用来产生一指示讯号，指示该回授讯号与一临界值间的电压比较结果，该判断电路再根据该指示讯号判断错误是否发生。
附图说明
图1是一习知回扫式电源转换器的示意图。
图2是本发明的检测装置一实施例的示意图。
图3是图2的检测装置应用于一回扫式电源转换器时内部电路的一实施例的示意图。
图4是回授讯号FB、指示讯号Ind、触发器232的输出讯号Er_Q1、检测错误讯号Er_det以及电源正常讯号PGD间的波形关系示意图。
附图符号说明
100回扫式电源转换器      110控制芯片
200检测装置              210检测电路
212稳压调整器            213稳压器
214光耦合器              215发光二极管
216电源                  220比较电路
222第一反相器            224第二反相器
230判断电路              232、234触发器
具体实施方式
为了解决现有技术所遭遇到的问题，图2所示的检测装置200是利用与电源转换器的输出电压具有立即相关性的一回授讯号来作为检测标的，检测装置200藉由检测回授讯号是否低于一临界值，即可判断出输出电压是否过高以及是否应启动过电压保护机制。
检测装置200包含有一检测电路210、一比较电路220以及一判断电路230，其中检测电路210用来根据电源转换器(图中未显示)的输出电压讯号产生回授讯号，接着，比较电路220根据回授讯号的电压电平以及一临界值产生一指示讯号，以指示回授讯号与该临界值间的电压比较结果，再由判断电路230根据指示讯号判断是否有使电源转换器的输出电压讯号出现异常的错误发生(例如电流感测电阻R_CS短路的异常情形)。若判断电路230判断电源转换器内部有错误发生，即可控制电源转换器的电源管理电路停止电源转换器的运作，直到错误被解决，例如当检测装置200检测到输出电压异常过高时，便可控制电源转换器中的脉宽调制控制芯片，来调整耦接于变压器初级绕组的功率晶体管的导通时间，甚或是将功率晶体管关闭，使得输出电压得以降低至安全范围。
请参考图3，其检测装置200应用于一回扫式电源转换器时内部电路的一实施例的示意图。检测电路210包含有一稳压调整器212以及一光耦合器214，稳压调整器212中的三端并联稳压器(three-terminal shuntregulator)213内建有运算放大器，当回扫式电源转换器的输出电压Vout大于参考电压Vref时，稳压器213的漏取电流(sink current)会增加，使光耦合器214中的发光二极管(LED)215的发光量增加，在经过光电转换后，光耦合器214的输出端形成对应于输出电压Vout的一电流I，由于光耦合器214的输出端还耦接至一阻抗组件(例如电阻R)及一电源216，故检测电路210所产生的回授讯号FB反比于输出电压Vout，亦即，当输出电压Vout越高时，回授讯号FB的电压越小，因此，当输出电压Vout高于一过电压保护临界值时，回授讯号FB会下降至接近零电位。请注意，回授讯号FB与输出电压Vout间具有立即的相关性，因此，相较于现有技术所采用的辅助绕组侧VCC电压，本实施例可正确且迅速地根据输出电压Vout的大小进行反应。
检测电路210所产生的回授讯号FB输入至比较电路220，如同先前所述，比较电路220根据回授讯号FB的电压电平以及一临界值产生一指示讯号Ind。在本实施例中，比较电路220包含有一第一晶体管Qc、一第二晶体管Qd、一电流源221、一第一反相器222以及一第二反相器224，而临界值即为第一晶体管Qc的阈值电压电平(threshold voltage)Vth。第一晶体管Qc具有一控制端(栅极)、一第一端(漏极)以及一第二端(源极)，其中控制端耦接于检测电路210，用来接收回授讯号FB，第一端耦接于一第一电压电平(在本实施例中，第一端耦接于电流源221)，而第二端耦接于一第二电压电平(在本实施例中，第二电压电平为接地电平)，另外，第一晶体管Qc的第一端更耦接至第一反相器222，而第一反相器222的输出即为指示回授讯号FB与临界值间电压比较结果的指示讯号Ind。
第二晶体管Qd具有一控制端(栅极)、一第一端(漏极)以及一第二端(源极)，其中控制端耦接于一电源正常(power good)讯号PGD的反相讯号PGDB，第二晶体管Qd的第一端耦接于第一晶体管Qc的第一端，而第二晶体管Qd的第二端耦接于一接地电平。
比较电路220的动作原理说明如下。当电源转换器的输出电压Vout位于正常工作范围时，回授讯号FB的电压电平不会低于第一晶体管Qc的阈值电压电平Vth，故晶体管Qc维持导通，此时第一反相器222的输入电压为低电位，指示讯号Ind维持于高电位的状态；然而，若电源转换器有错误发生，使得输出电压Vout过高，而回授讯号FB的电压电平低于第一晶体管Qc的阈值电压电平Vth时，第一晶体管Qc不导通，此时第一反相器222的输入电压为高电位，指示讯号Ind从高电位切换成低电位。因此，在本实施例中，当指示讯号Ind从高电位切换成低电位时即代表回授讯号FB的电压电平低于临界值(阈值电压电平Vth)。
指示讯号Ind及指示讯号Ind的反相讯号Indb(即第二反相器224的输出)接着传送至判断电路230，由判断电路230根据指示讯号Ind判断是否有错误发生。一般说来，判断电路230只要检测到指示讯号Ind有高电位转换为低电位即可判断出输出电压Vout过高，然而，值得注意的是，在本实施例中，指示讯号Ind在电源刚启动的过程也会出现一次高电位转换为低电位的情况。请同时参考图4，其是回授讯号FB、指示讯号Ind、触发器232的输出讯号Er_Q1、检测错误讯号Er_det以及电源正常讯号PGD间的波形关系示意图，而检测错误讯号Er_det为判断电路230的输出讯号。
请参照图3及图4，在时间T1前系统的电源尚未正常供应，回授讯号FB的电压尚未开始建立，第一晶体管Qc不导通，第二晶体管Qd导通，第二晶体管Qd漏极的电压会被拉至低电位，因此指示讯号Ind的电压会位于高电位。在电源正常讯号PGD转态为逻辑高电位后，第一晶体管Qc及第二晶体管Qd同时不导通，此时藉由电流源221将第二晶体管Qd漏极的电压拉至高电位，也就是反相器222的输入端电压被拉至高电位，因此指示讯号Ind的电压转态为低电位，此时指示讯号Ind即出现一次高电位转态为低电位的状况，因而触发触发器232，此时触发触发器232的输出讯号Er_Q1由低电位转态为高电位，同时回授讯号FB的电压在电源正常讯号PGD拉起后开始建立，并于时间T2升高至第一晶体管Qc的阈值电压电平Vth，使得第一晶体管Qc导通，第一晶体管Qc漏极的电压被拉至低电位，也就是反相器222的输入端电压被拉至低电位，因此此时指示讯号Ind转态为高电位。为了避免在时间T1时误判断有错误发生，判断电路230是以2个串接的T型触发器(flip flop)232及234来处理指示讯号Ind。
在时间T1，指示讯号Ind及指示讯号Ind的反相讯号Indb触发触发器232，此时判断电路230输出端的检测错误讯号Er_det仍维持在零电位。当电源转换器的输出电压Vout逐渐升高至正常电位(时间T3到T4)，回授讯号FB的电压电平可能稍微降低，但并不会低于第一晶体管Qc的阈值电压电平Vth，因此，指示讯号Ind及检测错误讯号Er_det仍维持原先的状态，直到有错误发生(时间T4)，使得输出电压Vout异常升高，回授讯号FB会降低至接近零电位，因此造成第一晶体管Qc及第二晶体管Qd同时不导通，此时藉由电流源221将反相器222的输入端电压拉至高电位，因此造成指示讯号Ind再出现一次高电位转态为低电位的状况，并再一次地触发触发器232，此时触发器232的输出讯号Er_Q1由高电位转换为低电位，因而触发触发器234，因此造成触发器234的输出讯号Er_det由低电位转态为高电位，如图4中所示，亦即，判断电路230是于指示讯号Ind出现两次高电位转态为低电位的状况，才判断有电流感测电阻Rcs短路接地的状况发生；换言之，若回授讯号FB的电压电平在电源转换器启动(turn on)后达稳定时，若回授讯号FB的电压电平低于第一晶体管Qc的阈值电压电平Vth时，判断有电流感测电阻短路接地的状况发生。
检测错误讯号Er_det可用来通知控制芯片调整电源转换器中变压器的能量转移，以使输出电压Vout得以降低至安全的工作范围，或通知电源转换器的使用者将错误状况排除，之后电源正常讯号PGD会重新被致能，并重置(reset)触发器232及234。然而，本发明的目的在于提供可检测电源转换器是否有异常现象发生的装置及其检测方法，因此，本发明并不限定检测错误讯号Er_det的用途，以上所述仅为举例之用。
此外，本领域的技术人员应了解，图3所示的电路仅为本发明的一实施例，还有其它的电路结构可实现本发明的技术特征与功效。举例来说，比较电路220输入判断电路230的指示讯号Ind可以是第一反相器222的输入讯号，而指示讯号Ind的反相讯号Indb则为第一反相器222的输出讯号，本领域的技术人员于阅读完上述说明后应可轻易理解如何实现这些设计变化，故详细的说明便在此省略，不再赘述。另外，检测装置200可以设置在控制芯片外、整合于控制芯片，或部分设置于控制芯片外而部分设置于控制芯片内部，例如将稳压调整器212及光耦合器214设置于控制芯片外，耦接于输出电压Vout，而将电源216、阻抗组件R、比较电路220及判断电路230整合于控制芯片中。
综上所述，检测装置200藉由检测电源转换器中与输出电压Vout具有关联性的一回授讯号，可迅速且正确地判断出是否有错误发生，且检测装置200的电路结构简单，不需要在电源转换器中增加额外接脚，可节省面积与成本。由于启动保护机制的电压区间(回授讯号FB的电压电平低于晶体管Qc的阈值电压电平Vth的区间)低于间歇模式的电压(通常是约1.4V)，因此并不会影响电源转换器的正常运作。检测装置200并不限定只用来检测电流感测电阻不小心接地的错误情况，只要是会导致输出电压Vout异常的错误情况即可以检测装置200检测出来。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。