基于脉冲宽度调变的过电流保护电路与其运作方法与流程

1.本发明申请公开一种过电流保护方案，特别是一种利用脉冲宽度调变技术抑制在电源控制电路中过电流的保护电路及其运作方法。


背景技术：

2.电子装置常见在电源电路中设计过电流保护电路，用于将电流钳制在一定的电流大小，目的是能抑制电路中过大的电流，避免有大电流经过其中组件而造成损坏的问题，具有保护电路的功能。
3.可参考图1显示设于电路系统中的电源开关电路示意图，以通用串行总线c型(usb type-c)的控制电路为例，其中电源开关电路10负责控制从源端(source)的电源端(vconn)到耗电的吸端(sink)的共集极端(common collector，cc)之间的电流(icc)大小。这是一种功率金氧半晶体管(power mos)的架构，随着其中吸端(sink)负载大小的不同，有时会有超出预期的负载，将导致大电流从电源(vconn)流至共集极电路(cc)，这时候即采用过电流保护装置，以将此通用串行总线c型通过的电路钳制在一定的大小。
4.现有技术中，电流保护装置采用一种突冲模式(burst mode)的机制，当电源端(vconn)到共集极端(cc)之间的电流(icc)超出额定范围时，过电流保护装置发出一种过电流保护电压(vocp)将会从0到1，由此调整电路中的频率信号(clk)以抑制电荷泵(charge pump)12的输出电压(vcp)，使得电源开关电路10中晶体管的闸极(gate)端电压降低，也就让电流(icc)缩小，不过，现有的过电流保护方法将产生极大的输出电压涟波(ripple)，并不适用于高稳定度需求之应用。
5.采用突冲模式执行过电流保护后的输出电压(vcs)变化可参考图2a，突冲模式下对应的频率信号可参考图2b，图2c则是显示产生过电流保护电压(vocp)的时序图。
6.一般情况下，电路中的电荷泵12依照此固定时间产生的频率电压信号(vduty)经由电源开关(power switch)中的闸极端提供输出电压(vcp)，例如10v的电压。当检测到过电流时，即启动突冲模式进行过电流保护，同时产生过电流保护电压(vocp)，如图2c所示，再以此电流保护电压(vocp)调整频率电压信号(vduty)，如图2b所示，能通过这个方式降低电荷泵12供应给电源开关的闸极端的电压，可参考图2a显示电源开关经过修正的输出电压(vcs)，其中vref为电路提供的参考电压，由此显示修正落差为
△
v1。
7.不过，现有以突冲模式执行过电流保护的缺失是，因为频率电压信号(vduty)维持时间过长导致电荷泵12的输出电压(vcp)电压涟波太大，也使得输出电压(vcs)在突冲模式下每次供应过大的能量，加上过长的抑制时间，影响之后电源开关的电流涟波。


技术实现要素：

8.有鉴于现有过电流保护措施尚无法解决所有问题，例如采用突冲模式抑制过电流的方式会因为每次传送的能量过大而在电压端产生涟波问题，本发明申请提出一种基于脉冲宽度调变的过电流保护电路与其运作方法，提出一种调整电路中电流泵(charge pump)
工作周期(duty cycle)的脉冲宽度(pulse width)以调变通过电源开关(power switch)的电流，能有效抑制过电流，并避免输出电压涟波。
9.根据本说明书提出的实施例，所述基于脉冲宽度调变的过电流保护电路的运作方法主要是根据电源开关电路在输出端的负载检测通过此电源开关电路的过电流，所述负载为电源开关电路输出电压得出。当检测到过电流，将通过脉冲宽度调变电路控制提供电源开关电路电压的电荷泵的工作周期宽度，通过调整工作周期宽度抑制电荷泵向电源开关电路输出的电压，由此修正电源开关电路输出的输出电压，以抑制过电流。
10.进一步地，所述电源开关电路连接负载检测电路，此负载检测电路即根据电源开关电路在输出端的负载判断是否有过电流。
11.进一步地，当检测到过电流，负载检测电路产生过电流保护电压，使得脉冲宽度调变电路可根据此过电流保护电压调整输出至电荷泵的频率电压信号，而控制电荷泵输出电压的工作周期的宽度。
12.优选地，脉冲宽度调变电路根据所述过电流保护电压能动态调整频率电压信号而动态控制电荷泵输出电压的工作周期的宽度。例如，脉冲宽度调变电路能依照情况动态缩减工作周期宽度为原工作周期宽度的比例，如百分之五十。
13.进一步地，所述方法可应用于通用串行总线c型，而所述电源开关电路即为其中的控制电路中的电源切换电路。
14.执行所述基于脉冲宽度调变的过电流保护电路的方法即利用脉冲宽度调变电路，能根据其中电源开关电路的负载判断出过电流，并能在检测到过电流时控制其中电荷泵的工作周期宽度，以抑制电荷泵向电源开关电路输出的电压，由此修正电源开关电路输出的输出电压。如此，可有效抑制通过此电源开关电路的过电流。
15.为了能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与图式，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
16.图1显示电源开关电路示意图；
17.图2a显示利用突冲模式执行过电流保护的输出电压变化图；
18.图2b显示突冲模式下的频率信号；
19.图2c显示产生过电流保护电压的时序图；
20.图3显示基于脉冲宽度调变的过电流保护电路的主要概念实施例图；
21.图4显示基于脉冲宽度调变的过电流保护电路的运作方法实施例流程图；
22.图5a显示利用脉冲宽度调变方法执行过电流保护的输出电压变化图；
23.图5b显示采用脉冲宽度调变方法下的频率信号；
24.图5c显示产生过电流保护电压的时序图；
25.图6显示基于脉冲宽度调变的过电流保护电路的一个实施例图之一；
26.图7显示基于脉冲宽度调变的过电流保护电路的另一个实施例图。
27.符号说明：为使本发明申请的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更清楚易懂，所附符号的说明如下：
10：电源开关电路vconn：电源端cc：共集极电路icc：电流clk：频率信号12：电荷泵vcp：输出电压vocp、vocp’：过电流保护电压
△
v1、
△
v2：修正落差vcs、vcs’：输出电压vduty、vduty’：频率电压信号vref：参考电压vpl：脉冲信号30：脉冲宽度调变电路31：电荷泵33：电源开关电路35：负载检测电路65：电源开关电路62：电荷泵63：压降控制电路67：负载检测电路60：脉冲宽度调变电路70：脉冲宽度调变电路701：正反器703：触发器步骤s401～s407：基于脉冲宽度调变的过电流保护电路的运作流程
具体实施方式
28.本文所使用的所有词汇具有其通常的含义。上述的词汇在普遍常用字典中定义，在本说明书的内容中包含任一在此讨论的词汇的使用例子仅为示例，不应限制到本技术内容的范围与含义。同样地，本技术也不仅限于此说明书所示出的各种实施例。
29.以下是通过特定的具体实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本本发明申请所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以实施或应用，本本发明申请中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，事先声明，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。
30.应当可以理解的是，虽然本文中可能会使用到“第一”、“第二”、“第三”等术语来描述各种组件或者信号，但这些组件或者信号不应受这些术语的限制。这些术语主要是用以
区分一个组件与另一个组件，或者一个信号与另一个信号。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。
31.本发明申请公开一种过电流保护方案，特别是一种利用脉冲宽度调变技术抑制在电源控制电路中过电流的保护电路，以及其中基于脉冲宽度调变的过电流保护电路的运作方法。
32.所述基于脉冲宽度调变的过电流保护电路可应用于各式电子装置中电源管理电路中，例如特定工业规格的连接器电路中，例如(但不限于此)通用串行总线(universal serial bus，usb)各种规格中的一种通用串行总线c型(usb type-c)，所提出的基于脉冲宽度调变的过电流保护电路方案即改良通用串行总线c型内中电源开关电路(vconn switch)的过电流保护电路，此电源开关电路即为通用串行总线c型的控制电路中的电源切换电路，如以金氧半晶体管(mos)实现的切换电路。
33.如在通用串行总线(usb)c型的连接器电路中，可参考图1，有别于现有采用突冲模式(burst mode)的控制方式，在所揭示的方案中，取而代之的是以脉冲调变的控制方式，例如采用脉冲宽度调变(pulse width modulation，pwm)方法，能根据负载大小来调变电荷泵(charge pump)的工作周期宽度，以调变每一工作周期提供的电量，调整电源开关电路输出电压，如此能通过脉冲调变以达到低电压/电流涟波的目的，还能输出更稳定的电压。
34.基于脉冲宽度调变的过电流保护电路的主要概念实施例可参考图3所示的示意图。
35.图中显示在电源开关电路33的保护电路中设有一个脉冲宽度调变电路30，脉冲宽度调变电路30连接电荷泵31与负载检测电路35，由电荷泵31供应电源开关电路33所需的能量，电源开关电路33的输出端设有负载检测电路35，负载检测电路35能根据电源开关电路33在输出端的负载判断是否产生过电流现象。根据此基于脉冲宽度调变的过电流保护电路的运作方法可同时参考图4所示的流程。
36.在采用所述方案的电子装置(如连接器)中，电源开关电路33用于控制供电，电源开关电路33一端的负载检测电路35检测电源开关电路33的输出电压(vcs)(步骤s401)，并根据其输出端的负载判断是否有过电流(步骤s403)。
37.在没有过电流的情况下(否)，持续执行步骤s401；反之，当根据负载判断出有过电流时，即执行步骤s405，即通过脉冲宽度调变电路30调整电源开关电路33的电荷泵31的工作周期宽度，也就是控制电荷泵31的输出电压(步骤s407)。如此，将可以调整电源开关电路33的输出电压，并同时抑制(避免或降低)产生的过电流。
38.所述过电流保护的主要概念可参考图5a所示利用脉冲宽度调变方法执行过电流保护的输出电压变化图、图5b显示的频率信号图以及图5c所示的过电流保护电压的时序图。
39.相较于图2a至图2c显示现有技术采用突冲模式的过电流保护措施，本说明书所提出的过电流保护电路主要是采用脉冲宽度调变的技术，在过电流发生时，所述检测到过电流的负载检测电路可产生如图5c所示的过电流保护电压(vocp’)，提供给脉冲宽度调变电路，让脉冲宽度调变电路据此调整频率电压信号(vduty’，图5b)而控制电荷泵输出电压的工作周期宽度。
40.也就是说，通过调变提供给电源开关电路的电荷泵的频率电压信号(vduty’)，即
调变电荷泵的工作周期(duty cycle)在每个工作频率中的比例下，使得电荷泵能在每个工作周期向电源开关电路输出周期性的电压，避免过长周期以降低电荷泵输出给电源开关电路的电压，让电源开关电路可输出如图5a显示的电压(vcs’，vref为电路提供的参考电压)，此图显示出抑制过电流的效果，修正落差为
△
v2。
41.举例来说，如果要将通过电源开关电路的电流控制在额定电流范围内，脉冲宽度调变电路输出频率电压信号(vduty’)为原本的50％。如此，可将电荷泵的效率最大化。
42.图6显示基于脉冲宽度调变的过电流保护电路的一个实施例图。
43.图中显示有一个电源开关电路65，以通用串行总线c型的控制电路中的电源开关为例，通过量测电路负载的输出电压(vcs)可判断是否通过电源端(vconn)到共集极端(cc)之间的电流(icc)有过大的情况。
44.电源开关电路65由电荷泵62提供工作电压(vcp)，电源开关电路65运作时产生输出电压(vcs)，其输出端设有负载检测电路67，负载检测电路67能经由比对参考电压(vref)而根据电源开关电路65在输出端的负载判断过电流。为了抑制此过电流，而脉冲宽度调变电路60根据负载检测电路67产生的过电流保护电压(vocp)，产生频率电压信号(vduty)，用以调变电荷泵62的工作周期宽度。
45.其中，电荷泵62根据频率电压信号(vduty)向电源开关电路65输出电压(vcp)。当有过电流产生，通过负载检测电路67产生的过电流保护电压(vocp)触发脉冲宽度调变电路60运作，可以通过产生频率电压信号(vduty)调变电荷泵62的工作周期宽度，另一方面还可控制电路中的压降电路63，利用产生脉冲信号(vpl)控制压降电路63的开关，用以调整电荷泵62的输出给电源开关电路65的电压(vcp)。通过抑制电荷泵62向电源开关电路65输出的电压(vcp)修正电源开关电路65的输出电压(vcs)。
46.在一个实施例中，所述脉冲宽度调变电路60可根据过电流保护电压(vocp)而动态调整输出给电荷泵62的频率电压信号(vduty)，以动态控制电荷泵62输出电压的工作周期的宽度，也就是脉冲宽度调变电路60可根据过电流保护电压(vocp)动态缩减电荷泵62的工作周期宽度为原工作周期宽度的比例。
47.图7接着显示基于脉冲宽度调变的过电流保护电路的另一个实施例图，主要是提出脉冲宽度调变电路70的一个实施方式，此例显示脉冲宽度调变电路70中一个具有两个输入与两个输出的正反器(flip-flop，ff)701，用以处理两个输入，并根据这两种信号的情况适当地产生两个输出，并搭配加法器运作产生提供给压降电路63的脉冲信号vpl，以及提供给电荷泵62的频率电压信号(vduty)。
48.运作时，脉冲宽度调变电路70一端接收由负载检测电路67根据过电流检测结果产生的过电流保护电压(vocp)，同时也参考电路中触发器703依据频率信号clk产生的信号，通过正反器701运作，决定所述的脉冲信号(vpl)以及脉电压信号(vduty)，用以抑制电荷泵62向电源开关电路65输出的电压(vcp)以修正其输出电压(vcs)。
49.综上所述，根据上述实施例所描述的基于脉冲宽度调变的过电流保护电路，以及相关运作流程，所提出的过电流保护的主要概念是，当根据一个电源开关的负载判断出有过电流时，可以根据此负载大小来调变提供电源能量的电荷泵的工作周期的宽度，除了利用脉冲宽度调变电荷泵的工作周期以降低其输出电压涟波或开关电路上电流涟波的现象，还可以输出更稳定的电压。
50.以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明申请的保护范围，所以凡是运用本发明申请说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明申请的保护范围内。