CN104901661A - 具有过载保护与节能机制的电源传输装置 - Google Patents

具有过载保护与节能机制的电源传输装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有过载保护与节能机制的电源传输装置。此电源传输装置包括开关模块；开关模块包括第一开关电路、第二开关电路与保护电路；第一开关电路耦接于电源输入模块与电源供应端口之间；第二开关电路耦接到电源输入模块；保护电路耦接于第二开关电路与电源供应端口之间；保护电路在第二开关电路导通时检测电源供应端口的负载功率值；当负载功率值大于预设过载临界值时，保护电路使能第一开关电路，从而对在导通状态下的第二开关电路进行保护。

Description

具有过载保护与节能机制的电源传输装置
技术领域
本发明是有关于一种电源传输技术，且特别是有关于一种具有过载保护与节能机制的电源传输装置。
背景技术
在现代生活中，电器的使用已经相当地普及，而人们对于电器的需求也日益增加。许多家庭或办公场所为了增加电器的使用而添购电源延长线，更有些人会为了兼顾省电与用电安全而选择智能电源延长线。智能电源延长线通常具有智能开关。智能开关可以在用电过度或负载过大时自动关闭或接受控制而进行导通切换。
以目前的技术而言，智能开关的作动元件基本上是由继电器所组成，而常见的继电器包括电磁式继电器(Electromagnetic Relay,简称：EMR)及固态继电器(Solid state Relay,简称：SSR)。其中，电磁式继电器可承载较大的电流，且温度变化对电磁式继电器的影响也较小。电磁式继电器驱动时所消耗的功率依电流额定值(rated current value)不同而有差异但多为定值。例如：交流工作电压250VAC、电流额定值15A的电磁式继电器在驱动时所消耗的功率约0.5W。但电磁式继电器在轻载的情况下所消耗的功率相较于固态继电器为高，电磁式继电器甚至在待机(即空载)时也将持续地消耗电力。另一方面，固态继电器所消耗的功率则与负载电流成正比。因此在待机(即空载，负载电流约为0A)或当负载电流小于0.5A(即轻载)时，固态继电器具有不耗能或消耗功率较小的特性，故能够有效地减少电力消耗，且切换速度也较快。因此，在某些低耗能(节能)的应用中，可用固态继电器来取代电磁式继电器(例一)，或是以固态继电器搭配电磁式继电器来使用(例二)。然而，固态继电器虽具有低耗能与切换速度快速的特点，但在例二以固态继电器搭配电磁式继电器来实现智能开关的应用中，倘若没有任何适当的保护措施，一旦固态继电器为导通状态且瞬间发生过载时，来自市电的瞬间大电流，特别容易对固态继电器造成损害。
因此，如何在采用例二(即以固态继电器搭配电磁式继电器)来作为电源延长线的开关装置以进行高功率与节能的最佳化应用的同时，避免电源延长线在节能模式(即固态继电器导通)下，因瞬间负载功耗增加使得固态继电器过载而损坏，乃是本领域技术人员所面临的重要课题之一。
发明内容
本发明提供一种具有过载保护与节能机制的电源传输装置，藉以解决先前技术所述及的问题。
本发明的电源传输装置包括开关模块；开关模块包括第一开关电路、第二开关电路以及保护电路。第一开关电路耦接于电源输入模块与电源供应端口之间以自电源输入模块接收由市电系统所提供的交流电源。第一开关电路受控于第一控制信号以传送交流电源至电源供应端口。第二开关电路耦接到电源输入模块以接收交流电源。保护电路耦接于第二开关电路与电源供应端口之间。其中，第二开关电路受控于第二控制信号且通过保护电路以传送交流电源至电源供应端口。其中，保护电路受控于第二控制信号以在第二开关电路导通时检测电源供应端口的负载功率值。当负载功率值的瞬间变化大于预设过载临界值时，则保护电路产生第一控制信号以使能第一开关电路，从而对在导通状态下的第二开关电路进行保护。
在本发明的一实施例中，上述的电源传输装置还包括控制模块。控制模块耦接到第一开关电路、第二开关电路与保护电路以控制第一开关电路、第二开关电路与保护电路的启闭且接收第一控制信号。其中，当控制模块根据第一控制信号而判断第一开关电路导通后，控制模块控制第一开关电路维持在导通状态，且控制模块产生第二控制信号以禁能第二开关电路与保护电路。
在本发明的一实施例中，上述的电源传输装置还包括检测模块。检测模块耦接于电源输入模块的另一端与电源供应端口的另一端之间以检测电源供应端口的负载功率值。其中，控制模块耦接到检测模块以接收负载功率值。控制模块根据检测模块所检测的负载功率值以控制第一开关电路、第二开关电路与保护电路的启闭。
在本发明的一实施例中，当第一开关电路导通，第二开关电路不导通，且检测模块所检测的负载功率值在预设时间中持续小于节能临界值时，控制模块使能第二开关电路与保护电路且禁能第一开关电路。其中，节能临界值小于预设过载临界值。
在本发明的一实施例中，当第二开关电路导通，第一开关电路不导通，且检测模块所检测的负载功率值在预设时间中持续大于节能临界值且小于预设过载临界值时，控制模块使能第一开关电路且禁能第二开关电路与保护电路。
在本发明的一实施例中，上述的保护电路包括感测电路以及过载防护电路。感测电路耦接于第二开关电路与电源供应端口之间以检测电源供应端口的负载功率值，并产生触发信号。过载防护电路耦接于感测电路以接收触发信号，且在第二开关电路导通时反应于触发信号而产生第一控制信号。
在本发明的一实施例中，上述的感测电路包括电阻以及光耦合器。电阻耦接于第二开关电路与电源供应端口之间。光耦合器耦接于电阻的两端，且反应于电阻的两端的电压差而产生触发信号。
在本发明的一实施例中，上述的过载防护电路包括与非门、D型触发器以及晶体管。与非门的第一输入端耦接到感测电路以接收触发信号。D型触发器的重置端耦接到控制模块以接收第二控制信号。D型触发器的反相数据输出端耦接到D型触发器的数据输入端并耦接到与非门的第二输入端。D型触发器的时脉输入端耦接到与非门的输出端。晶体管的控制端耦接到D型触发器的正相数据输出端。晶体管的第一端耦接到接地端。晶体管的第二端用以输出第一控制信号。
在本发明的一实施例中，上述的过载防护电路包括处理器以及晶体管。处理器耦接到感测电路以接收触发信号。处理器耦接到控制模块以接收第二控制信号，并据以产生开关信号。晶体管的控制端耦接到处理器以接收开关信号。晶体管的第一端耦接到接地端。晶体管的第二端用以输出第一控制信号。其中，当处理器根据第二控制信号而判断第二开关电路导通时，处理器反应于触发信号而控制晶体管的启闭。当处理器根据第二控制信号而判断第二开关电路不导通时，处理器关断晶体管。
在本发明的一实施例中，上述的过载防护电路包括单击触发电路。单击触发电路耦接到感测电路以接收触发信号。单击触发电路耦接到控制模块以接收第二控制信号。单击触发电路反应于第二控制信号与触发信号而产生脉冲，并输出脉冲以作为第一控制信号。其中，自保护电路使能第一开关电路至控制模块判断第一开关电路导通的时间区间为判断延迟时间，且单击触发电路所产生的脉冲的宽度大于判断延迟时间。
在本发明的一实施例中，上述的第一开关电路包括电磁式继电器，且第二开关电路包括固态式继电器。
基于上述，本发明的电源传输装置可检测电源供应端口的负载功率值，并依据所检测的负载功率值来对开关模块中的第一开关电路与第二开关电路进行切换。当保护电路检测负载功率值大于预设过载临界值时，保护电路可产生第一控制信号以将第一开关电路导通，以降低流过第二开关电路的电流，从而对第二开关电路进行过载保护。控制模块根据第一控制信号而判断第一开关电路已被保护电路导通之后，控制模块可控制第一开关电路维持在导通状态并产生第二控制信号以禁能第二开关电路与保护电路。如此一来，可降低第二开关电路因过载而损毁的风险性。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
下面的附图是本发明的说明书的一部分，示出了本发明的示例实施例，附图与说明书的描述一起说明本发明的原理。
图1是本发明一实施例所示出的具有过载保护与节能机制的电源传输装置的结构示意图；
图2是图1的电源传输装置的开关模块的电路结构示意图；
图3是图1的电源传输装置的开关模块的电路架构示意图；
图4是图1的电源传输装置的一时序示意图；
图5是图1的电源传输装置的另一时序示意图；
图6是图1的电源传输装置的又一时序示意图；
图7是图1的电源传输装置的开关模块的另一电路架构示意图；
图8是图1的电源传输装置的开关模块的又一电路架构示意图。
附图标记说明：
100：电源传输装置；
110：电源输入模块；
120：电源供应端口；
140：检测模块；
160：开关模块；
162：第一开关电路；
162_1：电磁式继电器；
162_2：开关；
164：第二开关电路；
164_1：光耦合器；
164_2：三端双向可控硅开关；
166：保护电路；
166_1：感测电路；
166_2、166_3、166_4：过载防护电路；
166_21：D型触发器；
166_31：处理器；
166_41：单击触发电路；
180：控制模块；
ArmPS：触发信号；
CLK：时脉输入端；
CLR：重置端；
D：数据输入端；
DDT：判断延迟时间；
DS：检测信号；
DT：预设时间；
GND：接地端；
I：电流；
L：线圈；
NA1：与非门；
OC：光耦合器；
OFF_DT：关闭延迟时间；
ON_DT：开启延迟时间；
ON_CBT：导通跳转时间；
Q：正相数据输出端；
/Q：反相数据输出端；
QS：开关信号；
QT：晶体管；
R：电阻；
RP：限流电阻；
SW1：触点电极开关；
SW_EMR：第一控制信号；
SW_SSR：第二控制信号；
T0、T1、T2、T10、T11、T12、T13、T20、T21、T22、T23、T24：时间；
TH1：预设过载临界值；
TH2：节能临界值；
VAC：交流电源；
Vcc：直流工作电压；
vd：电压差；
WAC：负载功率值。
具体实施方式
为了使本发明的内容可以被更容易明了，以下特举实施例作为本发明确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤，代表相同或类似部件。
以下请参照图1，图1是本发明一实施例所示出的具有过载保护与节能机制的电源传输装置100的结构示意图。如图所示，电源传输装置100可例如是电源延长线。电源传输装置100可包括电源输入模块110、电源供应端口120、检测模块140、开关模块160以及控制模块180。
电源输入模块110可以是电源传输装置100的插头(例如电源延长线的插头)。电源输入模块110可耦接到市电供应系统(未示出)以接收并提供交流电源VAC至电源传输装置100中的开关模块160。
开关模块160耦接于电源输入模块110的一端与电源供应端口120的一端之间。开关模块160自电源输入模块110接收交流电源VAC，且受控于第一控制信号SW_EMR与第二控制信号SW_SSR以传送交流电源VAC至电源供应端口120。
电源供应端口120可以是电源传输装置100的插座(例如是电源延长线的插座)。电源传输装置100可通过电源供应端口120将交流电源VAC提供给外部的交流电器装置(例如计算机、电视、吹风机、加热壶或电冰箱等电器)。
检测模块140耦接在电源输入模块110的另一端与电源供应端口120的另一端之间以检测电源供应端口120的负载状态并据以产生检测信号DS。举例来说，当使用者将电器的插头插入(Plug-in)电源供应端口120时，检测模块140可检测到电源供应端口120的负载需求，并检测此电器所需的功率。检测模块140可依检测结果而取得电器的负载功率值并据以提供检测信号DS给控制模块180。其中，负载功率值可包括电压值、电流值以及电功率值，但并不限制于此。在本发明的一实施例中，检测模块140可采用电流传感器来实现，但本发明不限于此。
控制模块180耦接到检测模块140以接收检测信号DS。控制模块180根据检测信号DS中所指示的负载功率值而产生第一控制信号SW_EMR与第二控制信号SW_SSR。控制模块180可根据第一控制信号SW_EMR与第二控制信号SW_SSR来切换开关模块160的状态。在本发明的一实施例中，控制模块180可以采用微处理器(micro-processor)、专用集成电路(ASIC)或可编程逻辑门阵列(FPGA)来实现。以下将针对开关模块160的内部架构及开关模块160与控制模块180之间协同运作的方式进行详细的说明。
请同时参照图1与图2，图2是图1的电源传输装置100的开关模块160的电路结构示意图。开关模块160包括第一开关电路162、第二开关电路164以及保护电路166。在本发明的一实施例中，第一开关电路162可包括电磁式继电器，而第二开关电路164可包括固态式继电器，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，第一开关电路162可例如是可承载较大电流且受温度变化影响较低的开关电路，而第二开关电路164可例如是功率消耗低且切换速度快的开关电路。
第一开关电路162耦接于电源输入模块110与电源供应端口120之间以自电源输入模块110接收交流电源VAC。第一开关电路162受控于第一控制信号SW_EMR以传送交流电源VAC至电源供应端口120。其中，第一控制信号SW_EMR可由控制模块180或是由保护电路166所产生。换句话说，第一开关电路162可受控于控制模块180或是受控于保护电路166。第一开关电路162由何者控制端视电源供应端口120的负载状态而论。稍后将会进行更详细的说明。
第二开关电路164耦接到电源输入模块110以接收交流电源VAC。保护电路166耦接于第二开关电路164与电源供应端口120之间。如图2所示，第二开关电路164与保护电路166串联连接，且第二开关电路164及保护电路166是与第一开关电路162并联连接。其中，第二开关电路164受控于第二控制信号SW_SSR并通过保护电路166以传送交流电源VAC至电源供应端口120。保护电路166受控于第二控制信号SW_SSR以在第二开关电路164导通时检测电源供应端口120的负载功率值。其中，第二控制信号SW_SSR由控制模块180所产生。换句说说，控制模块180可根据第二控制信号SW_SSR来同时控制第二开关电路164与保护电路166的启闭。
可以理解的是，开关模块160具有两条输电通道，一条是通过第一开关电路162而自电源输入模块110接收交流电源VAC并传输交流电源VAC至电源供应端口120。另一条则是通过第二开关电路164与保护电路166而自电源输入模块110接收交流电源VAC并传输交流电源VAC至电源供应端口120，也就是说，可以通过控制第一开关电路162及第二开关电路164的导通与否来改变开关模块160的导通状态。
除此之外，保护电路166可根据所检测的负载功率值来产生第一控制信号SW_EMR以使能第一开关电路162，从而对第二开关电路164进行保护。如此一来，可避免电源供应端口120过载时，来自市电系统的巨大电流对第二开关电路164造成损坏。其中，保护电路166所检测的负载功率值可包括电压值、电流值以及电功率值。
另一方面，控制模块180可根据检测信号DS中所指示的负载功率值而产生第一控制信号SW_EMR与第二控制信号SW_SSR。控制模块180可以通过第一控制信号SW_EMR与第二控制信号SW_SSR来分别控制第一开关电路162与第二开关电路164的导通切换，让开关模块160得以在高功率模式与低耗能模式之间进行切换，以达到高效率与低耗能互相搭配切换的效果。
以下请同时参照图1～图3，图3是图1的电源传输装置100的开关模块160的电路架构示意图。在图3所示的实施例中，第一开关电路162包括电磁式继电器162_1以及开关162_2。电磁式继电器162_1具有启动状态与跳转状态。
当控制模块180或保护电路166通过导通开关162_2而使能(enable)第一开关电路162时，电磁式继电器162_1必须经过开启延迟时间(Relay ON-delaytime)之后才能进入跳转状态并完成导通。因此在开启延迟时间中，电磁式继电器162_1处于启动状态，并在开启延迟时间结束后进入跳转状态。待导通跳转时间(Relay ON Contact Bouncing time)结束后，电磁式继电器162_1才进入稳定的导通状态。换句话说，待电磁式继电器162_1的导通跳转时间结束后，第一开关电路162才进入稳定的导通状态。
另外，当控制模块180或保护电路166通过断开开关162_2而禁能(disable)电磁式继电器162_1时，也必须经过关闭延迟时间(Relay OFF-delay time)之后才能使电磁式继电器162_1不导通。当然，上述开启延迟时间、导通跳转时间与关闭延迟时间的长短都会因不同的电磁式继电器而有所差异。因此，控制模块180可预先存储系统中的电磁式继电器162_1的开启延迟时间、导通跳转时间与关闭延迟时间，以使控制模块180可计算电磁式继电器162_1真正导通或不导通的时间点。
在图3所示的实施例中，第二开关电路164包括操作在直流工作电压Vcc下的光耦合器(optical coupler)164_1以及三端双向可控硅开关(TRIAC)164_2，但本发明并不以此为限。当控制模块180通过第二控制信号SW_SSR使能光耦合器164_1时，三端双向可控硅开关164_2可以在光耦合器164_1被使能的同时完成导通。事实上，第二开关电路164实质上可视为一固态式继电器。固态式继电器具有快速反应速度的特性，可快速的导通与关断。
在图3所示的实施例中，保护电路166包括感测电路166_1以及过载防护电路166_2。感测电路166_1耦接于第二开关电路164与电源供应端口120之间以检测电源供应端口120的负载功率值，并产生触发信号ArmPS。过载防护电路166_2耦接于感测电路166_1以接收触发信号ArmPS，且受控于第二控制信号SW_SSR以在第二开关电路164导通时反应于触发信号ArmPS而产生第一控制信号SW_EMR。
一般来说，当第一开关电路162中的开关162_2导通时，电磁式继电器162_1中的线圈L因电流流过而产生电磁效应，使得电磁式继电器162_1中的触点电极开关SW1吸合，从而使第一开关电路162导通。此时，电磁式继电器162_1中的线圈L将会产生功率消耗(例如0.5瓦，但不限于此)。
另一方面，当第二开关电路164中的三端双向可控硅开关164_2导通且有电流流过时，三端双向可控硅开关164_2的两个主电极之间将产生电压降。也就是说，若电源供应端口120上的负载(例如电器)有用电需求时，来自市电系统的电流I将流过三端双向可控硅开关164_2，并在三端双向可控硅开关164_2的两个主电极之间产生电压降，使得三端双向可控硅开关164_2产生功率消耗。当电源供应端口120的负载的用电需求增加时，流经三端双向可控硅开关164_2的电流I势必随之增加，使得三端双向可控硅开关164_2的功率消耗上升，如此将导致三端双向可控硅开关164_2的温度上升。
由于三端双向可控硅开关164_2对温度变化十分敏感，使得第二开关电路164无法稳定地提供大功率的电力输出。除此之外，当流经三端双向可控硅开关164_2的电流I愈大时，三端双向可控硅开关164_2的功率消耗也随之增加。故在本发明的一实施例中，可在第二开关电路164的三端双向可控硅开关164_2的功率消耗大于第一开关电路162的电磁式继电器162_1的线圈L的功率消耗时，将电源传输装置100的输电通道由第二开关电路164切换到第一开关电路162以进行节能。但本发明并不以此为限，电源传输装置100的输电通道的切换条件可视实际应用或设计需求而定。
举例来说，假设电源供应端口120所供应的交流电源VAC的电压为110伏；第一开关电路162导通时，电磁式继电器162_1中的线圈L所产生功率消耗为0.5瓦；而第二开关电路164中的三端双向可控硅开关164_2导通时，三端双向可控硅开关164_2的两个主电极之间的电压降为1.2伏，且电流I流经保护电路166时所产生的功率消耗可忽略不计。在此情况下，当电流I小于0.417安培(即0.5瓦除以1.2伏)时，第二开关电路164导通时所产生的功率消耗将小于第一开关电路162导通时所产生的功率消耗。也就是说，当电源供应端口120的负载功率值小于46瓦(即0.417安培乘以110伏)时，以第二开关电路164作为电源传输装置100的输电通道所产生的功率消耗较低。
以下请同时参照图1～图4，图4是图1的电源传输装置100的一时序示意图。如图4所示，在时间T0时，第一开关电路162导通，第二开关电路164不导通，且检测模块140所检测的电源供应端口120的负载功率值WAC开始小于节能临界值TH2(例如上述范例的46瓦)。在时间T1时，检测模块140所检测的电源供应端口120的负载功率值WAC已持续小于节能临界值TH2(例如上述范例的46瓦)达预设时间DT，故控制模块180可使能第二开关电路164与保护电路166并禁能第一开关电路162，以使电源传输装置100操作于低耗能模式。
在此值得一提的是，第二开关电路164与保护电路166在时间T1被导通，然而第一开关电路162必须经过关闭延迟时间OFF_DT之后才能使电磁式继电器162_1不导通。故在时间T1与T2之间，第一开关电路162与第二开关电路164是同时导通的，然而本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，控制模块180可在时间T1与T2之间(即关闭延迟时间OFF_DT结束之前)使能第二开关电路164与保护电路166。除此之外，在本发明的一实施例中，时间T0至T2的时间区间为10～30秒，但本发明不限于此。也就是说，从控制模块180判断负载功率值WAC开始小于节能临界值TH2到控制模块180完成对开关模块160的切换动作的时间为10～30秒，但本发明并不以此为限。
相对地，在上述范例中，当电流I大于0.417安培时，第二开关电路164所产生的功率消耗将大于第一开关电路162。也就是说，当电源供应端口120的负载功率值大于46瓦，以第一开关电路162作为电源传输装置100的输电通道所产生的功率消耗较低。
以下请同时参照图1～图3及图5，图5是图1的电源传输装置100的另一时序示意图。如图5所示，在时间T10时，第一开关电路162不导通，第二开关电路164导通，且检测模块140所检测的电源供应端口120的负载功率值WAC开始大于节能临界值TH2(例如上述范例的46瓦)但小于预设过载临界值TH1。在时间T11时，控制模块180通过检测模块140所检测的电源供应端口120的负载功率值WAC已持续大于节能临界值TH2(例如上述范例的46瓦)但小于预设过载临界值TH1达预设时间DT，故控制模块180可使能第一开关电路162并禁能第二开关电路164与保护电路166，以使电源传输装置100操作于高功率模式。
在此值得一提的是，虽然第一开关电路162在时间T11接收到使能状态(例如逻辑低电平)的第一控制信号SW_EMR，但是电磁式继电器162_1必须在开启延迟时间ON_DT与导通跳转时间ON_CBT之后才能进入稳定导通的状态(即时间T12之后)。因此，控制模块180可在时间T12之后通过第二控制信号SW_SSR而禁能第二开关电路164与保护电路166，如图5所示的时间T13。故在时间T12与T13之间，第一开关电路162与第二开关电路164是同时导通的，然而本发明并不以此为限。除此之外，在本发明的一实施例中，时间T10至T13的时间区间为10～30秒。也就是说，从控制模块180判断负载功率值WAC大于节能临界值TH2到控制模块180完成对开关模块160的切换动作的时间为10～30秒，但本发明并不以此为限。
在此需特别说明的是，上述范例仅为例示之用，并非用以限制本发明。故上述节能临界值的选择，可根据实际应用或设计需求而定。
一般来说，当使用者在使用完电器之后，通常仅会将电器的插头从电源传输装置100(例如电源延长线)的电源供应端口120(例如电源延长线的插座)拔除，并不会随手将电源传输装置100的电源输入模块110(例如电源延长线的插头)自市电系统的插座拔除。如此一来，电源传输装置100将持续地自市电系统接收并提供交流电源VAC给电源供应端口120。此时，由于电源供应端口120并未连接到电器(即负载)，故检测模块140所检测的电源供应端口120的负载功率值WAC为0瓦。待控制模块180判断电源供应端口120的负载功率值WAC持续小于节能临界值TH2(例如上述范例的46瓦)达预设时间DT后，控制模块180可使能第二开关电路164与保护电路166并禁能第一开关电路162，以使电源传输装置100操作于低耗能模式。
在此情况下，倘若使用者突然将高功率的电器(例如冰箱、烤箱或未关闭开关的吹风机)插入电源供应端口120，则将会有极大的电流自市电系统经由电源输入模块110、开关模块160而流向耦接在电源供应端口120的电器。由于此时的电源传输装置100操作于低耗能模式，即第二开关电路164为导通状态且第一开关电路162为不导通状态，若上述的极大电流超过第二开关电路164的三端双向可控硅开关164_2的额定电流值(即第二开关电路164过载)，极有可能会损毁三端双向可控硅开关164_2。除此之外，当第二开关电路164过载时，控制模块180通常无法在极短时间(例如毫秒级)之内完成对开关模块160的切换动作。如此一来，更大大地增加三端双向可控硅开关164_2损毁的风险性。为了避免上述情况发生，本发明图1～图3所示的保护电路166可用来对第二开关电路164进行过载保护。
更进一步来说，假设第二开关电路164中的三端双向可控硅开关164_2的额定电流为4安培，且电源传输装置100所接收及供应的交流电源VAC的电压为110伏。因此，当保护电路166检测到电源供应端口120的负载功率值WAC大于440瓦(即4安培乘以110伏)时，保护电路166可立即产生第一控制信号SW_EMR以导通第一开关电路162。
由于第二开关电路164与第一开关电路162为并联连接，且第一开关电路162可承载较大电流，因此第一开关电路162可在第二开关电路164发生过载(例如图6的时间T21所示，负载功率值WAC大于预设过载临界值TH1)时对第二开关电路164产生过载电流分流的效果，以对第二开关电路164进行过载保护。在本范例中，预设过载临界值TH1为440瓦仅为例示之用，并非用以限制本发明。事实上，预设过载临界值TH1的选择可视实际应用或设计需求而定，且节能临界值TH2通常小于预设过载临界值TH1。
除此之外，保护电路166还可通过第一控制信号SW_EMR来通知控制模块180。当控制模块180根据第一控制信号SW_EMR而判断第一开关电路162已被保护电路166导通之后，控制模块180可产生第二控制信号SW_SSR以禁能第二开关电路164与保护电路166并控制第一开关电路162维持在导通状态。
以下将针对保护电路166进行说明。请再同时参照图1～3。如图3所示，保护电路166包括感测电路166_1与过载防护电路166_2。感测电路166_1可包括电阻R以及光耦合器OC。电阻R耦接于第二开关电路164与电源供应端口120之间。当电流I流经电阻R时，可在电阻R的两端产生电压差vd。光耦合器OC耦接于电阻R的两端，且反应于电阻R的两端的电压差vd而产生触发信号ArmPS。详言之，当电阻R的两端的电压差vd大于光耦合器OC的导通电压值时，光耦合器OC可被导通并据以产生触发信号ArmPS。如图3所示，光耦合器OC的一输入端可通过限流电阻RP而耦接于电阻R的一端，但不限于此。在本发明的其他实施例中，也可以采用其他隔离式的开关来取代光耦合器OC。
过载防护电路166_2包括与非门NA1、D型触发器166_21以及晶体管QT。与非门NA1的第一输入端耦接到感测电路166_1以接收触发信号ArmPS。D型触发器166_21的重置端CLR耦接到控制模块180以接收第二控制信号SW_SSR。D型触发器166_21的反相数据输出端/Q耦接到数据输入端D并耦接到与非门NA1的第二输入端。D型触发器166_21的时脉输入端CLK耦接到与非门NA1的输出端。晶体管QT的控制端耦接到D型触发器166_21的正相数据输出端Q。晶体管QT的第一端耦接到接地端GND。晶体管QT的第二端用以输出第一控制信号SW_EMR。其中，晶体管QT可采用双载子接面晶体管(BJT)来实现，但本发明不限于此。在本发明的其他实施例中，晶体管QT也可采用金氧半场效晶体管(MOSFET)来实现。
举例来说，假设第二开关电路164中的三端双向可控硅开关164_2的额定电流为交流电流4安培，电阻R为0.2欧姆，且光耦合器OC的导通电压值为1伏。当第二开关电路164过载时，即4安培的交流电流I经由三端双向可控硅开关164_2与电阻R而流向电源供应端口120时，4安培的交流电流I将在电阻R的两端产生0.8伏的交流电压差vd。由于0.8伏的交流电压差的瞬时峰值(peak)相当于1.13伏(即0.8伏乘以1.414)，大于光耦合器OC的导通电压值1伏，故光耦合器OC可被导通并据以产生触发信号ArmPS。由此可以理解的是，感测电路166_1可通过检测电流I的电流值而检测出电源供应端口120的负载功率值WAC是否大于预设过载临界值TH1(例如440瓦)，并据以产生触发信号ArmPS。
当电源供应端口120的负载功率值WAC大于预设过载临界值TH1时，感测电路166_1所产生的触发信号ArmPS可驱动D型触发器166_21。D型触发器166_21将输出开关信号QS以使能晶体管QT，从而输出第一控制信号SW_EMR至控制模块180与第一开关电路162。如此一来，保护电路166可迅速地使能第一开关电路162，并让控制模块180得知第一开关电路162已经被使能。然而，为了确保第一开关电路162确实已进入稳定导通的状态才禁能第二开关电路164与保护电路166，控制模块180可等待开启延迟时间ON_DT与导通跳转时间ON_CBT之后才禁能第二开关电路164与保护电路166。
以下请同时参照图1～3及图6，图6是图1的电源传输装置100的又一时序示意图。如图6所示，在时间T20以前，第一开关电路162不导通，第二开关电路164导通，且控制模块180通过检测模块140而判断电源供应端口120的负载功率值WAC小于节能临界值TH2。在时间T20时，检测模块140检测电源供应端口120的负载功率值WAC开始大于节能临界值TH2(例如上述范例的46瓦)，故控制模块180将开始对开关模块160进行切换。
在时间T21时，控制模块180尚未完成对开关模块160进行切换，然而，此时保护电路166的感测电路166_1已检测出电源供应端口120的负载功率值WAC开始大于预设过载临界值TH1(例如上述范例的440瓦)。因此，感测电路166_1在时间T21时反应于负载功率值WAC大于预设过载临界值TH1而产生触发信号ArmPS(例如由逻辑高电平转换至逻辑低电平)。过载防护电路166_2中的与非门NA1反应于触发信号ArmPS的第一次状态变化而触发D型触发器166_21，从而改变D型触发器166_21的正相数据输出端Q所输出的开关信号QS的状态(例如由逻辑低电平转换至逻辑高电平)。如此一来，晶体管QT将被导通以使能第一控制信号SW_EMR(例如由逻辑高电平转换至逻辑低电平)。在此值得一提的是，过载防护电路166_2中的与非门NA1与D型触发器166_21的电路架构可仅反应于触发信号ArmPS的第一次状态变化(即时间T21时的状态变化)，并避免触发信号ArmPS的后续状态变化对过载防护电路166_2的影响，直到保护电路166被控制模块180禁能后再重新使能为止。
虽然第一开关电路162在时间T21接收到使能状态(例如逻辑低电平)的第一控制信号SW_EMR，但是电磁式继电器162_1必须在开启延迟时间ON_DT与导通跳转时间ON_CBT之后才能进入稳定导通的状态(即时间T22之后)。在本发明的一实施例中，电磁式继电器162_1的开启延迟时间ON_DT与导通跳转时间ON_CBT之和为10到15毫秒(ms)，但不限于此。因此，从保护电路166的感测电路166_1在时间T21检测出电源供应端口120的负载功率值WAC开始大于预设过载临界值TH1到第一开关电路162的电磁式继电器162_1在时间T22进入稳定导通的状态为10到15毫秒。由此可知，保护电路166可在第二开关电路164过载时快速地(毫秒等级)导通第一开关电路162，从而对第二开关电路164进行过载保护。
更清楚来说，在电源供应端口120的负载功率值WAC大于预设过载临界值TH1的情况下，单单仅有第二开关电路164导通的时间区间仅为10到15毫秒，如此可大幅降低第二开关电路164因过载而损毁的风险性。
接着，在时间T23时，控制模块180根据第一控制信号SW_EMR而判断第一开关电路162已被保护电路166导通，故控制模块180可控制第一开关电路162维持在导通状态(例如维持第一控制信号SW_EMR在逻辑低电平)。控制模块180可等待开启延迟时间ON_DT与导通跳转时间ON_CBT之后(即时间T24，但不限于此)才产生第二控制信号SW_SSR(例如由逻辑低电平转换至逻辑高电平)以禁能第二开关电路164与保护电路166，从而使电源传输装置100操作于高功率模式。在本发明的一实施例中，时间T21至时间T23的时间区间为3至5秒，但本发明并不限于此。
以下请同时参照图1～图2及图7，图7是图1的电源传输装置100的开关模块160的另一电路架构示意图。图7的第一开关电路162、第二开关电路164以及保护电路166的感测电路166_1与图3类似。故图7的第一开关电路162、第二开关电路164以及保护电路166的感测电路166_1的运作可参考上述相关说明，在此不再赘述。
有别于图3示范性实施例，图7示出了本发明另一示范性实施例的过载防护电路166_3的实施示意图。过载防护电路166_3包括处理器166_31及晶体管QT。处理器166_31耦接到感测电路166_1以接收触发信号ArmPS。处理器166_31耦接到控制模块180以接收第二控制信号SW_SSR，并据以产生开关信号QS。晶体管QT的控制端耦接到处理器166_31以接收开关信号QS。晶体管QT的第一端耦接到接地端GND。晶体管QT的第二端用以输出第一控制信号SW_EMR。当处理器166_31根据第二控制信号SW_SSR而判断第二开关电路164导通时，处理器166_31反应于触发信号ArmPS而控制晶体管QT的启闭。当处理器166_31根据第二控制信号SW_SSR而判断第二开关电路164不导通时，处理器166_31关断晶体管QT。处理器166_31与晶体管QT的运作方式类似于图6所示的工作时序，故其运作方式可参考图6的相关说明，在此不再赘述。
以下请同时参照图1～图2及图8，图8是图1的电源传输装置100的开关模块160的又一电路架构示意图。图8的第一开关电路162、第二开关电路164以及保护电路166的感测电路166_1与图3类似。故图8的第一开关电路162、第二开关电路164以及保护电路166的感测电路166_1的运作可参考上述相关说明，在此不再赘述。
有别于图3示范性实施例，图8示出了本发明另一示范性实施例的过载防护电路166_4的实施示意图。过载防护电路166_4包括单击触发电路(one-shot circuit)166_41。单击触发电路166_41耦接到感测电路166_1以接收触发信号ArmPS，且耦接到控制模块180以接收第二控制信号SW_SSR。单击触发电路166_41根据第二控制信号SW_SSR与触发信号ArmPS而产生一脉冲PLS，并输出脉冲PLS以作为第一控制信号SW_EMR。其中，自保护电路166使能第一开关电路162至控制模块180判断第一开关电路162导通的时间区间为判断延迟时间DDT(即图6所示的时间T21到时间T23的时间区间)，且单击触发电路166_41所产生的脉冲PLS的宽度大于判断延迟时间DDT。同样地，单击触发电路166_41的运作方式类似于图6所示的工作时序，故其运作方式可参考图6的相关说明，在此不再赘述。
在本发明的一实施例中，单击触发电路166_41可采用市面上常见的555计时器(timer)来实现，但本发明并不以此为限。其中，可将555计时器配置为单稳态模式。关于采用555计时器来实现单击触发电路为本领域技术人员所熟知的技术，在此不多赘述。
上述各实施例中的过载防护电路166_2、166_3、166_4仅为例示之用，并非用以限制本发明。可理解的是，本领域技术人员可根据图6所示的时序示意图及其相关说明而对过载防护电路166_2、166_3、166_4进行修改与润饰。
在本发明的一实施例中，上述的开关模块160与控制模块180也可集成为单一模块。但本发明并不以此为限。
综上所述，本发明实施例的电源传输装置可检测电源供应端口的负载功率值，并依据所检测的电源供应端口的负载功率值来对开关模块中的第一开关电路与第二开关电路进行切换。当保护电路检测负载功率值大于预设过载临界值时，保护电路可产生第一控制信号以将第一开关电路导通，以降低流过第二开关电路的电流，从而对第二开关电路进行过载保护。控制模块根据第一控制信号而判断第一开关电路已被保护电路导通之后，控制模块可控制第一开关电路维持在导通状态并产生第二控制信号以禁能第二开关电路与保护电路。如此一来，可降低第二开关电路因过载而损毁的风险性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种具有过载保护与节能机制的电源传输装置，其特征在于，包括：
开关模块，包括：
第一开关电路，耦接于电源输入模块与电源供应端口之间以自所述电源输入模块接收由市电系统所提供的交流电源，且受控于第一控制信号以传送所述交流电源至所述电源供应端口；
第二开关电路，耦接到所述电源输入模块以接收所述交流电源；以及
保护电路，耦接于所述第二开关电路与所述电源供应端口之间，
其中，所述第二开关电路受控于第二控制信号且通过所述保护电路以传送所述交流电源至所述电源供应端口，
其中，所述保护电路受控于所述第二控制信号以在所述第二开关电路导通时检测所述电源供应端口的负载功率值，当所述负载功率值的瞬间变化大于预设过载临界值时，则所述保护电路产生所述第一控制信号以使能所述第一开关电路，从而对在导通状态下的所述第二开关电路进行保护。
2.根据权利要求1所述的电源传输装置，其特征在于，还包括：
控制模块，耦接到所述第一开关电路、所述第二开关电路与所述保护电路以控制所述第一开关电路、所述第二开关电路与所述保护电路的启闭且接收所述第一控制信号，
其中，当所述控制模块根据所述第一控制信号而判断所述第一开关电路导通后，所述控制模块控制所述第一开关电路维持在导通状态，且所述控制模块产生所述第二控制信号以禁能所述第二开关电路与所述保护电路。
3.根据权利要求2所述的电源传输装置，其特征在于，还包括：
检测模块，耦接于所述电源输入模块的另一端与所述电源供应端口的另一端之间以检测所述电源供应端口的所述负载功率值，
其中，所述控制模块耦接到所述检测模块以接收所述负载功率值，且根据所述检测模块所检测的所述负载功率值以控制所述第一开关电路、所述第二开关电路与所述保护电路的启闭。
4.根据权利要求3所述的电源传输装置，其特征在于，
当所述第一开关电路导通，所述第二开关电路不导通，且所述检测模块所检测的所述负载功率值在预设时间中持续小于节能临界值时，所述控制模块使能所述第二开关电路与所述保护电路且禁能所述第一开关电路，
其中，所述节能临界值小于所述预设过载临界值。
5.根据权利要求4所述的电源传输装置，其特征在于，
当所述第二开关电路导通，所述第一开关电路不导通，且所述检测模块所检测的所述负载功率值在预设时间中持续大于所述节能临界值且小于所述预设过载临界值时，所述控制模块使能所述第一开关电路且禁能所述第二开关电路与所述保护电路。
6.根据权利要求2所述的电源传输装置，其特征在于，所述保护电路包括：
感测电路，耦接于所述第二开关电路与所述电源供应端口之间以检测所述电源供应端口的所述负载功率值，并产生一触发信号；以及
过载防护电路，耦接于所述感测电路以接收所述触发信号，且在所述第二开关电路导通时反应于所述触发信号而产生所述第一控制信号。
7.根据权利要求6所述的电源传输装置，其特征在于，所述感测电路包括：
电阻，耦接于所述第二开关电路与所述电源供应端口之间；以及
光耦合器，耦接于所述电阻的两端，且反应于所述电阻的所述两端的电压差而产生所述触发信号。
8.根据权利要求6所述的电源传输装置，其特征在于，所述过载防护电路包括：
与非门，其第一输入端耦接到所述感测电路以接收所述触发信号；
D型触发器，其重置端耦接到所述控制模块以接收所述第二控制信号，其反相数据输出端耦接到其数据输入端并耦接到所述与非门的第二输入端，其时脉输入端耦接到所述与非门的输出端；以及
晶体管，其控制端耦接到所述D型触发器的正相数据输出端，其第一端耦接到接地端，且其第二端用以输出所述第一控制信号。
9.根据权利要求6所述的电源传输装置，其特征在于，所述过载防护电路包括：
处理器，耦接到所述感测电路以接收所述触发信号，耦接到所述控制模块以接收所述第二控制信号，并据以产生开关信号；以及
晶体管，其控制端耦接到所述处理器以接收所述开关信号，其第一端耦接到接地端，且其第二端用以输出所述第一控制信号，
其中，当所述处理器根据所述第二控制信号而判断所述第二开关电路导通时，所述处理器反应于所述触发信号而控制所述晶体管的启闭，
其中，当所述处理器根据所述第二控制信号而判断所述第二开关电路不导通时，所述处理器关断所述晶体管。
10.根据权利要求6所述的电源传输装置，其特征在于，所述过载防护电路包括：
单击触发电路，耦接到所述感测电路以接收所述触发信号，且耦接到所述控制模块以接收所述第二控制信号，
其中，所述单击触发电路反应于所述第二控制信号与所述触发信号而产生脉冲，并输出所述脉冲以作为所述第一控制信号，
其中，自所述保护电路使能所述第一开关电路至所述控制模块判断所述第一开关电路导通的时间区间为判断延迟时间，且所述单击触发电路所产生的所述脉冲的宽度大于所述判断延迟时间。
11.根据权利要求1所述的电源传输装置，其特征在于，所述第一开关电路包括电磁式继电器，且所述第二开关电路包括固态式继电器。
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