CN100490265C - 电流驱动型电子断路保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电流驱动型电子断路保护装置，其由一电流镜电路、一闩锁电路及一功率型金氧半场效晶体管所组成。其利用一电流电压转换组件(Current-to-Voltage Converter)，控制电流镜中一只晶体管的射极(the Emitter ofBJT)或源极(the Source of FET)电压，使电流镜的两侧产生不对称的电流，提供电流镜的安排，即可使进行电流检知中的四个晶体管保持在工作区，再利用闩锁电路(Latch Circuit)，推动功率型金氧半场效晶体管构成的开关电路，形成一具有快速、低损失及可自动复归等特点的电子断路保护装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种电流驱动型电子断路保护装置，特别是指一种利用一电流电压转换组件，控制电流镜中一只晶体管的射极或源极电压，使电流镜的两侧产生不对称的电流，进而推动驱动电路，截断电流回路，达到短路或过电流保护的目的。
背景技术
习知的断路保护或过载电流保护，大致可分为机械式(热变形式，ThermalDeformation)，电子机械式(磁簧式，Reed Switch)，或是纯电子式等。这样的电流保护机制，使用于发电机或变压器等电源系统或小型的直流系统时，由于电源系统会随电流负荷增加而降低工作电压(Supply Voltage)，且电流回路上具有一定的阻抗，虽然断路的反应不快，在瞬时的电流增加率不大的情形下，习用的保护电路仍可安全的运作。但是不可讳言的，随着直流电源大幅度的使用于电动机械(Power Tools，E-bike，E-motor，Hybrid Motor)，以及低内阻高功率电池(LowEquivalent Serial Impedance & High Power Battery)的开发，电流保护电路必需能够快速地探测过载或短路状态，并能快速地切断电流回路，以保护这一类的低内阻高功率电池，免于内部瞬时发热所造成的电池损伤，并且避免由于外部高电流所可能产生的危险。过去常用的电流保护机制，简单叙述如下：
1、机械式过电流保护：常用于家用或厂用的AC电源，依电力配线的大小(安培数)，而使用热融式保险丝(Thermal Fuse)，热变形式簧片(Thermal Breaker)，或是可回复式的聚合保险丝(Polymeric Positive Temperature Coefficient Fuse)。这一类的保险丝虽然具备了简单价廉的优点，但是在使用上必需使保护电路为发热点(hotspot)，或电流限制点(Current Constraining)，这样的保护电流必然会大幅增加回路阻抗，也因为探测的物理量为温度，而非电流本身，需要一定的发热时间，才会有正确的断路动作。如此的电流保护组件，用于电能有限的直流系统，或是电源为变压器的交流系统，尚可(barely enough)达到电流保护的要求。
2、电子机械式：是使用于较高安培数的交流电力系统，它的开启是利用低功率(Low Power)的交流电源，产生电磁力(electromagnetic Force)以开启簧片开关(Reed Switch)。在过电流发生时，电流产生的磁场(magnetic field)会抑制开启的电磁力，使簧片开关跳脱切断电流回路。由于断路的机制是由簧片弹力(ElasticForce)，反应速度快过习用机械式开关，可使用于较大的电流回路上，但断路时间仍在数十个毫秒(millisecond)。
3、传统电子式开关：电子机械式在大电流放电时虽不致对电力系统外部造成损害，但对于敏感的电力系统，如：电池系统(Battery Powered System)，或稳压后的直流系统(Regulated DC System)，仍然可能造成电力系统内部的损伤。习用电子式开关使用一电流检测组件，经过内部放大及闩锁，启动断路机制，如图1所示。由于电流保护电路通常有低自耗(Low Self-dissipation)的要求，在使用习知电压驱动电路时，反应速度远比电流驱动慢，即使是利用差动电路(DifferentialInput)，也会因为高阻抗电路的寄生电容效应(Parasitic Capacitance Effect)而降低反应速度，此类电路设计的反应时间多在数个毫秒(millisecond)。由于在关闭的瞬间，短路时的大电流及电源的大部份电压，将同时出现在电子开关的两侧，过长的反应时间可能会大幅衰减电子开关的寿命。
由此可见，上述习用技术仍有诸多不足，并不是完善的设计，亟待加以改良。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种具有快速、低损失及可自动复归等特点的电流驱动型电子断路保护装置。
为达到上述目的，本发明所提供的一种电流驱动型电子断路保护装置，其由一电流镜电路、一闩锁电路及一功率型金氧半场效晶体管所组成，所述电流驱动型电子断路保护装置利用一电流电压转换组件，控制电流镜电路中一只双极性接面晶体管的射极电压，使电流镜电路的两侧产生不对称的电流，通过电流镜电路的安排，即使在进行电流检知的晶体管保持在工作区，再利用闩锁电路，推动功率型金氧半场效晶体管所构成的开关电路。
上述本发明的技术方案中，所述闩锁电路为由独立组件或集成组件所构成的具有闩锁功能的逻辑电路。
本发明另一技术方案所提供的一种电流驱动型电子断路保护装置，其由一电流镜电路、一闩锁电路及一功率型金氧半场效晶体管所组成，所述电流驱动型电子断路保护装置利用一电流电压转换组件，控制电流镜电路中一只场效晶体管的源极电压，使电流镜电路的两侧产生不对称的电流，通过电流镜电路的安排，即使在进行电流检知的晶体管保持在工作区，再利用闩锁电路，推动功率型金氧半场效晶体管所构成的开关电路。
采用上述技术方案，本发明由于电流镜可在电路的另一侧复制等比例的电流，在使用上可以改变电流的方向，搭配电阻性负载，也可产生对称的(oppositive)电压讯号，因此被大量使用于运算放大器。电流镜电路因为具有电流驱动的优良电气特性，借着电流在半导体中的载子(Carrier)推动，可在小电流的工作点产生快速的状态转移(State Transience)，因此也大量使用于高速低损耗的转导放大器(Operational Transconductance Amplifier，OTA)、切换电容电路(SwitchingCapacitor Amplifier，SC Circuit)及数字模拟转换电路(Digital-toAnalog Converter)。因为晶体管组件，如：双极晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)、场效晶体管(Field-Effect Transistor，FET)或金氧半场效晶体管(Metal Oxide SemiconductorFET，MOSFET)的转导电流对基射间偏压(VBE)或栅源间偏压(VGS)有极佳的反应速度，再通过电流镜的安排，可使进行电流检知中的四个晶体管保持在工作区，再利用闩锁电路(Latch Circuit)推动功率型金氧半场效晶体管所构成的开关电路，则可完成一具有快速、低损失及可自动复归等特点的电子断路保护装置。
由于电流镜在低电流时仍可提供足够的反应速度，且由金氧半场效晶体管及双极晶体管所构成的闩锁电路，在开启状态时无电流通过，因此没有任何功率损失，再者，该功率型金氧半场效晶体管所构成的开关电路的导通阻抗可低至2～6毫奥姆(mΩ)，甚至低于电流保险丝或磁簧开关的内阻，因此由电流镜所构成的电流过载断路保护开关，其整体功率损耗甚至低于习用最简单的机械式保护开关，而其快速保护，且可以重复数千次保护动作的特性，更为习用技术所不及。
附图说明
图1是习知用于电子开关中的电流检知架构图；
图2是本发明的电路架构图；
图3是本发明的实施例示意图；
图4是本发明在短路时所测得的电池电压电流波形图。
具体实施方式
为了详细说明本发明的组成及特点，现举以下较佳实施例并配合附图说明如下。
如图2所示，为本发明电流驱动型电子断路保护装置的电路架构图，由图中可知，本发明所提供的电流驱动型电子断路保护装置1，其由一电流镜电路11、一闩锁电路12及一功率型金氧半场效晶体管13所组成。本发明利用一电流转电压的讯号，抬高探测点晶体管Q2b的射极电压，由于晶体管Q2b的基极(Base)与晶体管Q2a的基极连接在同一电路节点上(Circuit Node)，当电流在金氧半场效晶体管的导通阻抗(RDS_ON)上的压降大于晶体管Q2a的基极电压时(Ibias×R1)，流过晶体管Q2b的电流会因为晶体管Q2b的基射间偏压(VBE)降低而减少，使得晶体管Q1b镜射电流(Mirror Current)将大于流过晶体管Q2b的电流，而经电阻R2接地。当电流大于下一级金氧半场效晶体管的导通电压时(Turn On Voltage)，短路或过载电流讯号便送往下一级的闩锁电路或微处理器处理。
电流镜电路11中的各晶体管可以采用双极性接面晶体管，也可以采用场效晶体管，控制其源极电压，使电流镜11的两侧产生不对称的电流，同样可以实现本发明的功效。
如图3所示，为本发明电流驱动型电子断路保护装置的实施例架构图，本实施例是将本发明所提供的电流驱动型电子断路保护装置1，实际应用于五串的锂电池(5S Li-Iron Battery)组的放电保护电路中。由于原本使用于电动工具(PowerTools)的镍镉电池(Ni-Cd battery)，可具有瞬间大电流放电、低电池电压不受损、极低的电池内阻及高工作温度(High Operating Temperature)的特性，当使用锂电池取代镍镉电池时，除了应有的低电池电压，高工作温度的保护之外，更应针对低内阻锂电池可能产生的短路电流破坏，做更完整的保护。整体电路的动作原理是利用功率型金氧半场效晶体管的导通阻抗(RDS_ON)，作为电流转电压的讯号，并通过晶体管Q1a、晶体管Q1b、晶体管Q2a、晶体管Q2b所构成的电流镜，将短路或过电流讯号送往闩锁电路(Latch)或微处理器(MCU)，再利用数字电路(LogicCircuit)将功率型金氧半场效晶体管的栅源极导通，进而切断电流回路。微处理器(MCU)除了负责电池电压的修正计算(Calibration)，短路或过电流状态消除后的复归，也可用以处理电流镜输出的讯号，以韧体的方式延缓反应时间。同时，如图4所示，为上述实施例所测得的回路电流与金氧半场效晶体管栅极电压的工作波型。在上述实施例中，工作时的偏流(Bias Current)约为30uA，短路电流启动点则设定在80A，而短路时的截断时间仅为25us。
以上所述，仅为针对本发明的一可行实施例的具体说明，并不能用来限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明的发明思想所作的等效实施或变换，均应包含在本发明的专利保护范围内。
Claims (4)
1、一种电流驱动型电子断路保护装置，其由一电流镜电路、一闩锁电路及一功率型金氧半场效晶体管所组成，所述电流驱动型电子断路保护装置利用一电流电压转换组件，控制电流镜电路中一只双极性接面晶体管的射极电压，使电流镜电路的两侧产生不对称的电流，通过电流镜电路的安排，即使在进行电流检知的晶体管保持在工作区，再利用闩锁电路，推动功率型金氧半场效晶体管所构成的开关电路。
2、如权利要求1所述的电流驱动型电子断路保护装置，其特征在于：所述闩锁电路为由独立组件或集成组件所构成的具有闩锁功能的逻辑电路。
3、一种电流驱动型电子断路保护装置，其由一电流镜电路、一闩锁电路及一功率型金氧半场效晶体管所组成，所述电流驱动型电子断路保护装置利用一电流电压转换组件，控制电流镜电路中一只场效晶体管的源极电压，使电流镜电路的两侧产生不对称的电流，通过电流镜电路的安排，即使在进行电流检知的晶体管保持在工作区，再利用闩锁电路，推动功率型金氧半场效晶体管所构成的开关电路。
4、如权利要求3所述的电流驱动型电子断路保护装置，其特征在于：所述闩锁电路为由独立组件或集成组件所构成的具有闩锁功能的逻辑电路。
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