CN102221640A - 电压侦测器及交直流交换式电源转换器的保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电压侦测器及交直流交换式电源转换器的保护装置，以使之可判断电压状态且不增加功率损耗。该电压侦测器包括齐纳二极管具有阴极连接该电压侦测器的侦测端，场效应晶体管具有输入端连接该齐纳二极管的阳极以及电阻连接在该场效应晶体管的输出端及控制端之间，当该侦测端上的电压大于该齐纳二极管的崩溃电压时，产生电流通过该场效应晶体管及电阻，并从该电阻上的跨压取得侦测信号。

Description

电压侦测器及交直流交换式电源转换器的保护装置

技术领域

本发明涉及一种电压侦测器及使用该电压侦测器的保护装置。

背景技术

如图1所示，现有的交直流交换式电源转换器10包括交流输入端12及14供连接交流电源，高频滤波电容CX连接在交流输入端12及14之间用以滤除高频讯号，进而降低高频切换噪声干扰电力网络，整流电路16整流交流电源以产生直流电压Vdc，电压转换器18将直流电压Vdc转换为输出电压Vo。当交流电源移除时，高频滤波电容CX上残留直流电压，其大小为该交流电源移除瞬间的电压值，该值有可能是交流电源的最大值，例如

如此高的电压储存

于滤波电容CX将造成触电危险。传统的方法是使用泄放电阻RB并联高频滤波电容CX，以使电压在规范的时间内降低至安全范围内。但是使用泄放电阻RB将造成额外的功率损耗，特别是在交流电源为264Vac时，泄放电阻RB的功率消耗为(264V)²/RB，估计高达数十毫瓦。

此外，当交流电源低于正常范围时，即交流电源处于欠电压(Brownout)状态，可能造成交直流交换式电源转换器10损坏。传统的方法是利用电阻分压的电压侦测器来侦测交流电源是否处于欠电压，然而，分压电阻将跨高压而造成功率损耗增加。

因此，还有待于公开一种可判断电压状态且不增加功率损耗的电压侦测器。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种可判断电压状态且不增加功率损耗的电压侦测器及使用该电压侦测器的交直流交换式电源转换器的保护装置。

根据本发明，一种电压侦测器包括侦测端供接收输入电压、场效应晶体管、齐纳二极管具有阴极及阳极分别连接该侦测端及场效应晶体管的输入端以及电阻连接在该场效应晶体管的输出端及控制端之间。当该输入电压小于该齐纳二极管的崩溃电压时，该场效应晶体管不动作，故无电流通过该场效应晶体管及电阻；当该输入电压大于该崩溃电压时，该场效应晶体管动作，故有电流通过该场效应晶体管及电阻。因此根据该电阻的跨压可取得侦测信号以供判断该输入电压大于或小于该齐纳二极管的崩溃电压。

根据本发明，一种交直流交换式电源转换器的保护装置包括整流电路将连接在两交流输入端之间的高频滤波电容的第一电压整流产生第二电压，电压侦测器侦测该第二电压产生侦测信号，以及欠电压判断电路根据该侦测信号触发欠电压保护信号。该电压侦测器利用JFET特性来侦测该第二电压，因此减少功率损耗。

根据本发明，一种交直流交换式电源转换器的保护装置包括整流电路将连接在两交流输入端之间的高频滤波电容的第一电压整流产生第二电压，电压侦测器用以侦测该第二电压产生侦测信号，电源移除判断电路根据该侦测信号触发电源移除信号，以及开关连接在该高频滤波电容及地端之间，因应该电源移除信号使该高频滤波电容放电。该电压侦测器利用JFET特性来侦测该第二电压，因此减少功率损耗。

根据本发明，一种交直流交换式电源转换器的保护装置包括整流电路将连接在两交流输入端之间的高频滤波电容的第一电压整流产生第二电压，电压侦测器用以侦测该第二电压产生侦测信号，并因应电源移除信号使该高频滤波电容放电，以及电源移除判断电路根据该侦测信号触发该电源移除信号。该电压侦测器利用JFET特性来侦测该第二电压，因此减少功率损耗。

本发明提供的电压侦测器及交直流交换式电源转换器的保护装置，达到了可判断电压状态且不增加功率损耗的有益效果。

附图说明

图1是现有的交直流交换式电源转换器；

图2是本发明的电压侦测器；

图3是图2的JFET的电流I_D对闸源极电压V_GS的特性曲线；

图4是使用图2中电压侦测器的欠电压保护装置；

图5是图4中信号的波形图；

图6是使用图2的电压侦测器的电源移除保护装置；

图7是图6的电源移除保护装置的另一实施例；

图8是使用图2的电压侦测器实现欠电压保护及输入电压移除侦测的交直流交换式电源转换器；以及

图9是使用图2的电压侦测器实现欠电压保护及输入电压移除侦测的另一实施例。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细描述。

图2是本发明的电压侦测器，其用以侦测输入电压Vin产生侦测信号V_S。在该电压侦测器中，齐纳二极管22具有阴极连接侦测端20，场效应晶体管24具有汲极D作为输入端连接齐纳二极管22的阳极、源极S作为输出端以及闸极G作为控制端，电阻26连接在JFET 24的源极S与闸极G之间，开关28连接在JFET 24的闸极G及地端GND之间，受控于控制信号UVLO。当开关28为开路(off)时，该电压侦测器不侦测输入电压Vin。在开关28闭合(on)期间，若侦测端20上的输入电压Vin大于齐纳二极管22的崩溃电压V_Z，则JFET 24动作，因此产生电流I_D由JFET 24流经源极S。由于开关28闭合，故JFET 24的闸极G接地，电流I_D将通过电阻26，其跨压V_SG因而上升，因此JFET 24的闸源极电压V_GS下降。根据如图3所示的JFET的电流I_D对闸源极电压V_GS的特性曲线，JFET 24的闸源极电压V_GS将等于夹止(pinch-off)电压-V_P，因此电阻26上的跨压V_SG将等于V_P。在开关28闭合期间，若输入电压Vin小于崩溃电压V_Z时，JFET24上没有电流I_D通过，又JFET 24的闸极G接地，因此JFET 24的源极S与闸极G同电位，故电阻26的跨压V_SG为0。由于JFET 24的漏电流几乎为0，因此该电压侦测器在侦测输入电压Vin时几乎没有功率损耗。

如前所述，根据电阻26的跨压V_SG可以判断输入电压Vin大于或小于齐纳二极管22的崩溃电压Vz，因此可从电阻26的跨压V_SG取得侦测信号。在此实施例中，JFET 24的闸极G接地，因此可直接用JFET 24源极S的电压V_S作为侦测信号。在此电压侦测器中，利用齐纳二极管22的崩溃电压Vz作为电压判断准位，通过选择或调整齐纳二极管22的崩溃电压V_Z或增加齐纳二极管22的串联数量可以改变电压判断准位。

图4是使用图2的电压侦测器的欠电压保护装置30，用以侦测交直流交换式电源转换器是否发生欠电压。欠电压保护装置30包括整流电路31连接高频滤波电容CX的两端、电压侦测器32连接整流电路31以及欠电压判断电路34连接电压侦测器32。整流电路31整流高频滤波电容CX的电压V_CX产生电压V_HV，电压侦测器32侦测电压V_HV产生侦测信号V_S，欠电压判断电路34根据侦测信号V_S决定是否触发欠电压保护信号SBO。整流电路31包括二极管D1及D2，其阳极分别连接高频滤波电容CX的两端，其阴极连接电压侦测器32的侦测端20。电压侦测器32除了增加二极管36连接在JFET 24的源极S及电源电容Vcc之间外，其余组件与图2的电路相同。电源电容Vcc提供电源电压给该交直流交换式电源转换器。在此实施例中，当开关28为开路时，若电压V_HV小于齐纳二极管22的崩溃电压V_Z，则JFET 24不动作，没有电流I_D通过JFET 24；若电压V_HV大于崩溃电压V_Z，则JFET 24动作，电流I_D经JFET 24及二极管36对电源电容Vcc充电，二极管36用以阻挡来自电源电容Vcc的电流，避免在JFET 24不动作时侦测信号VS无法处于零电位。在欠电压判断电路34中，比较器38的负输入及正输入分别接收侦测信号V_S及临界值Vth，比较器38比较侦测信号V_S及临界值Vth产生比较信号BNO，计数器40根据比较信号BNO产生欠电压保护信号SBO。

图5是图4电路的波形图，由于高频滤波电容CX的两端连接交流电源，因此其上的电压VCX将如波形42所示呈现弦波振荡，整流电路31在将电压V_CX整流后产生如波形46所示的电压V_HV。在开关28闭合期间，当电压V_HV在时间t1大于齐纳二极管22的崩溃电压V_Z时，如波形44及46所示，JFET 24动作，电流I_D通过电阻26，因此侦测信号V_S的准位为V_P，如波形48所示，又临界值Vth小于VP，故比较信号BNO为低准位，如波形50所示。当电压V_HV在时间t2小于崩溃电压V_Z时，JFET 24不动作，没有电流I_D通过电阻26，因此侦测信号V_S为零电位，比较信号BNO转为高准位。当计数器40侦测到比较信号BNO为高准位且持续超过预设时间T1时，如时间t3至t4，判定交流电源处于欠电压状态，因而触发欠电压保护信号SBO以使该交直流交换式电源转换器停止操作。崩溃电压V_Z可通过选择或调整齐纳二极管22或增加齐纳二极管22的串联数量来改变。由于本实施例中无需使用分压电阻来侦测交流电源，因此不会因分压电阻而产生功率损耗，又JFET 24的漏电流接近0，因此电压侦测器32几乎没有功率损耗。

图6是使用图2的电压侦测器的电源移除保护装置51，用以侦测交直流交换式电源转换器的交流电源是否移除。除了图4的整流电源31及电压侦测器32，电源移除保护装置51还包括电源移除判断电路52及开关54。电源移除判断电路52根据来自电压侦测器32的侦测信号VS产生电源移除信号SPR，开关54经二极管D1及D2连接高频滤波电容CX的两端，因应电源移除信号SPR使高频滤波电容CX放电。在电源移除判断电路52中，比较器56的正输入及负输入分别接收侦测信号V_S及临界值Vth，比较器56比较侦测信号V_S及临界值Vth产生比较信号DCH，计数器58根据比较信号DCH产生电源移除信号SPR。在此实施例中，当开关28为开路时，若电压V_HV小于齐纳二极管22的崩溃电压V_Z，则JFET 24不动作，没有电流I_D通过JFET 24；若电压V_HV大于崩溃电压V_Z，则JFET 24动作，电流I_D经JFET 24及二极管36对电源电容Vcc充电。在开关28闭合期间，当电压V_HV大于崩溃电压V_Z时，JFET 24动作，电流I_D通过电阻26，因此侦测信号VS的准位为V_P，又临界值Vth小于V_P，因此比较信号DCH为高准位；当电压V_HV小于崩溃电压V_Z时，JFET 24不动作，没有电流I_D通过电阻26，因此侦测信号V_S为零电位，故比较信号DCH为低准位。

在图6中，交流电源为交流弦波且频率范围为47Hz～63Hz(若整流电路31接成全波电路则为94Hz～126Hz)，因此每间隔47Hz～63Hz电压V_HV将交越崩溃电压V_Z而使JFET 24不动作，因此每隔47Hz～63Hz，比较信号DCH将有高低准位变化。当交流电源被移除时，高频滤波电容CX的电压V_CX将呈现直流值，若此时的电压V_CX高于崩溃电压V_Z，则比较信号DCH将维持高准位，当计数器58侦测到比较信号DCH为高准位且持续超过预设时间T1时，判定交流电源已被移除，因而触发电源移除信号以使高频滤波电容CX被放电直到电压V_HV低于齐纳二极管22的崩溃电压V_Z。崩溃电压V_Z可选择低于安规规范的最小安全电压(60Vpeak，42.4Vac)或更低。崩溃电压V_Z可通过选择或调整齐纳二极管22或增加齐纳二极管22的串联数量来改变。由于本实施例使用主动组件54使高频滤波电容放电而非使用泄放电阻RB，因此没有额外的功率损耗。

图7是图6的电源移除保护装置51的另一实施例，除了电源移除判断电路52及电压侦测器60之外，其余组件与图6的电路相同。在电源移除判断电路52中，除了比较器56及计数器58之外，还包括反相器62用以将计数器58所输出的信号Sc反相产生电源移除信号SPR。在电压侦测器60中，除了二极管36连接在JFET 26的源极S及地端GND之间，以及开关28受控于来自电源移除判断电路52的电源移除信号SPR外，其余组件与图6的电压侦测器32相同。在此实施例中，在开关28闭合期间，当电压V_HV大于齐纳二极管22的崩溃电压V_Z时，JFET 24动作，电流I_D通过电阻26，因此侦测信号V_S的准位为V_P，又临界值Vth小于V_P，因此比较信号DCH为高准位；当电压V_HV小于崩溃电压V_Z时，JFET 24不动作，没有电流I_D通过电阻26，因此侦测信号V_S为零电位，故比较信号DCH转为低准位。当计数器58侦测到比较信号DCH为高准位且持续超过预设时间T1时，判定交流电源已被移除，因而触发高准位的信号Sc，反相器62反相信号Sc产生低准位的电源移除信号SPR以使开关28变为开路，此时由于电压V_HV大于崩溃电压V_Z，因此高频滤波电容CX的电压V_CX将经JFET24及二极管36泄放到地端GND，直到电压V_CX低于齐纳二极管22的崩溃电压V_Z。

图8是使用图2的电压侦测器实现欠电压保护及输入电压移除侦测的交直流交换式电源转换器，其包括图4的交流输入端12及14、高频滤波电容CX、整流电路16及31、电压转换器18、电压侦测器32及欠电压判断电路34，以及图7的电源移除判断电路52及电压侦测器60，但电压侦测器32及60中的齐纳二极管分别为Z1及Z2。在此交直流交换式电源转换器中，电压侦测器32及60、欠电压判断电路34以及电源移除判断电路52是整合在控制芯片70中，而且电压侦测器32及60的侦测端20共享同一支接脚HV。当接脚HV的电压V_HV低于齐纳二极管Z1的崩溃电压V_Z1且持续超过预设时间T1时，欠电压判断电路34触发欠电压保护信号SBO以关闭交直流交换式电源转换器。当电压V_HV高于齐纳二极管Z2的崩溃电压V_Z2且持续超过预设时间T1时，电源移除判断电路52触发电源移除信号SPR使高频滤波电容CX放电。在此实施例中，仅使用一支接脚便可达成两项保护功能，而且无须使用泄放电阻RB来泄放高频滤波电容CX的电压V_CX以及分压电阻来侦测交流电源，因此可避免因泄放电阻RB及分压电阻所造成的功率损耗。

图9是使用图2的电压侦测器实现欠电压保护及输入电压移除侦测的另一实施例，其包括图8的交流输入端12及14、高频滤波电容CX、整流电路16及31、电压转换器18、电压侦测器32、欠电压判断电路34、电源移除判断电路52及电压侦测器60，但是电压侦测器32包括串联的齐纳二极管Z1及Z2。在此交直流交换式电源转换器中，电压侦测器32及60同样共享接脚HV，当接脚HV上的电压V_HV低于V_Z1+V_Z2且持续超过预设时间T1时，欠电压判断电路34触发欠电压保护信号SBO以关闭交直流交换式电源转换器；当电压V_HV高于V_Z2且持续超过预设时间T1时，电源移除判断电路52触发电源移除信号SPR使高频滤波电容CX放电。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种电压侦测器，用以侦测输入电压产生侦测信号，其特征在于，包括：

侦测端供接收该输入电压；

场效应晶体管具有输入端、输出端及控制端；

齐纳二极管具有阴极连接该侦测端以及阳极连接该输入端；以及

电阻连接在该输出端及控制端之间；

其中该侦测信号从该电阻的跨压取得。

2.如权利要求1所述的电压侦测器，其特征在于，更包括开关连接在该控制端及地端之间，因应控制信号将该控制端连接至该地端。

3.一种交直流交换式电源转换器的保护装置，其特征在于，该交直流交换式电源转换器包含第一及第二交流输入端供连接交流电源，以及连接在该第一及第二交流输入端之间用以滤除高频噪声的高频滤波电容，该保护装置包括：

整流电路连接该高频滤波电容的两端，整流该高频滤波电容的第一电压产生第二电压；

电压侦测器连接该整流电路，侦测该第二电压产生侦测信号；以及

欠电压判断电路连接该电压侦测器，根据该侦测信号送出欠电压保护信号。

4.如权利要求3所述的交直流交换式电源转换器的保护装置，其特征在于，该电压侦测器包括：

齐纳二极管具有阴极连接该整流电路；

场效应晶体管具有输入端、输出端及控制端，该输入端连接该齐纳二极管的阳极；

电阻连接在该输出端及控制端之间；以及

开关连接在该控制端及地端之间，因应控制信号将该控制端连接该地端；

其中该侦测信号从该电阻的跨压取得。

5.如权利要求3所述的交直流交换式电源转换器的保护装置，其特征在于，该欠电压判断电路包括：

比较器连接该电压侦测器，比较该侦测信号及临界值产生比较信号；以及

计数器连接该比较器，在该侦测信号持续预设时间低于该临界值时，触发该欠电压保护信号。

6.一种交直流交换式电源转换器的保护装置，其特征在于，该交直流交换式电源转换器包含第一及第二交流输入端供连接交流电源，以及连接在该第一及第二交流输入端之间用以滤除高频噪声的高频滤波电容，该保护装置包括：

整流电路连接该高频滤波电容的两端，整流该高频滤波电容的第一电压产生第二电压；

电压侦测器连接该整流电路，侦测该第二电压产生侦测信号；

电源移除判断电路连接该电压侦测器，根据该侦测信号触发电源移除信号；以及

开关连接在该高频滤波电容及地端之间，因应该电源移除信号使该高频滤波电容放电。

7.如权利要求6所述的交直流交换式电源转换器的保护装置，其特征在于，该电压侦测器包括：

齐纳二极管具有阴极连接该整流电路；

场效应晶体管具有输入端、输出端及控制端，该输入端连接该齐纳二极管的阳极；

电阻连接在该输出端及控制端之间；以及

第二开关连接在该控制端及地端之间，因应控制信号将该控制端连接该地端；

其中该侦测信号从该电阻的跨压取得。

8.如权利要求6所述的交直流交换式电源转换器的保护装置，其特征在于，该电源移除判断电路包括：

比较器连接该电压侦测器，比较该侦测信号及临界值产生比较信号；

计数器连接该比较器，在该侦测信号持续预设时间高于该临界值时，触发该电源移除信号。

9.一种交直流交换式电源转换器的保护装置，其特征在于，该交直流交换式电源转换器包含第一及第二交流输入端供连接交流电源，以及连接在该第一及第二交流输入端之间用以滤除高频噪声的高频滤波电容，该保护装置包括：

整流电路连接该高频滤波电容的两端，整流该高频滤波电容的第一电压产生第二电压；

电压侦测器连接该整流电路，侦测该第二电压产生侦测信号；以及

电源移除判断电路连接该电压侦测器，根据该侦测信号触发电源移除信号给该电压侦测器；

其中该电压侦测器因应该电源移除信号使该高频滤波电容放电。

10.如权利要求9所述的交直流交换式电源转换器的保护装置，其特征在于，该电压侦测器包括：

齐纳二极管具有阴极连接该整流电路；

场效应晶体管，具有输入端、输出端及控制端，该输入端连接该齐纳二极管的阳极；

电阻连接在该输出端及控制端之间；

二极管连接在该输出端及地端之间；以及

开关连接在该控制端及地端之间，受控于该电源移除信号；

其中该侦测信号从该电阻的跨压取得。

11.如权利要求9所述的交直流交换式电源转换器的保护装置，其特征在于，该电源移除判断电路包括：

比较器连接该电压侦测器，比较该侦测信号及临界值产生比较信号；

计数器连接该比较器，在该侦测信号持续预设时间高于该临界值时，触发该电源移除信号。

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