CN109088404A - 具有限制输出能量功能的电子装置 - Google Patents

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Abstract

一种具有限制输出能量功能的电子装置包含系统电路、热反应元件、连接端口、限流元件与至少一二极体串联电路。热反应元件的第一端耦接于系统电路。限流元件耦接于热反应元件的第二端与连接端口之间。至少一二极体串联电路耦接于热反应元件的第二端与地电位之间。利用本发明的具有限制输出能量功能的电子装置，利用具有低电容性质的二极体串联电路、限流单元以及热反应元件来限制连接端口的输出能量，以使得电子装置可达到本质安全保护的标准，并且具有低电容性质的二极体串联电路还可提升电子装置的连接端口与系统电路之间的信号传输品质。

Description

具有限制输出能量功能的电子装置
【技术领域】
本发明是关于本质安全(intrinsic safety)保护技术，特别是一种具有限制输出能量功能的电子装置。
【背景技术】
一般而言，电子装置在正常情况下，其内部可能因开关电路、马达电刷、连接器或其他元件而产生微小的火花，又或者在一些异常情况下，例如发生短路时，其温度将异常攀升。
倘若，电子装置是应用于一般安全环境时，这些微小的火花、温度攀升(其温度尚不致使电子装置本身发生爆炸等毁损现象)尚可被接受。然而，当电子装置是应用于危险环境时，例如其所处环境充满了易燃物品、爆炸性气体等危险因子，这些微小的火花、温度攀升恐释放出足以引燃所处环境中的易燃物品、爆炸性气体、粉尘等危险因子的能量而不被允许发生。
因此，如何限制电子装置的输出能量以避免其输出过高的能量而引燃所处环境中的易燃物品、爆炸性气体、粉尘等危险因子，进而达到本质安全(intrinsic safety)保护实为本技术领域的重要课题。
本质安全的理论基础是确保系统中的电能及热能均低到不会使爆炸性气体燃烧，因此在危险区域下只允许存在特定电压及电流(能量)，而且对于能量储存有严格的限制。
最常用的保护方式是利用电阻串联来限制流过的电流(假设电阻失效时会开路)，搭配热反应元件耦接稽纳二极体(Zener diode)接到地电位来限制电压(假设稽纳二极体失效时会短路)。然而，在高速信号传输的路径上使用稽纳二极体时，会因为稽纳二极体的高电容特性而影响信号传输品质。
【发明内容】
在一实施例中，一种具有限制输出能量功能的电子装置，包含系统电路、热反应元件、连接端口、限流元件以及至少一二极体串联电路。热反应元件的第一端耦接于系统电路。限流元件耦接于热反应元件的第二端与连接端口之间。至少一二极体串联电路耦接于热反应元件的第二端与地电位之间。
综上所述，根据本发明实施例的具有限制输出能量功能的电子装置，利用具有低电容性质的二极体串联电路、限流单元以及热反应元件来限制连接端口的输出能量，以使得电子装置可达到本质安全保护的标准，并且具有低电容性质的二极体串联电路还可提升电子装置的连接端口与系统电路之间的信号传输品质。
以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征及优点，其内容足以使任何熟习相关技艺者了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、申请专利范围及图式，任何熟习相关技艺者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
【附图说明】
图1为电子装置的一实施例的方块示意图。
图2为电子装置的传输端口应用USB 2.0传输介面的一实施例的概要示意图。
图3为电子装置的传输端口应用SIM传输介面的一实施例的概要示意图。
【具有体实施方式】
图1为本发明一实施例的电子装置的概要方块示意图。请参阅图1，一种具有限制输出能量功能的电子装置100包含系统电路110、热反应元件120、连接端口130、限流元件140以及至少一个二极体串联电路150。其中，热反应元件120、限流元件140与至少一二极体串联电路150的组合可称为电子装置100的本质安全保护电路。以下，以一个二极体串联电路150进行说明，但其数量并非仅限于此。
热反应元件120具有有第一端120a与第二端120b。系统电路110耦接于热反应元件120的第一端120a。限流元件140耦接于热反应元件120的第二端120b与连接端口130之间，且二极体串联电路150耦接于热反应元件120的第二端120b与地电位VSS之间。
热反应元件120与耦接于其第二端120b的线路上的二极体串联电路150作为电压抑制电路。限流元件140串接于连接端口130，以避免系统电路110因外部短路导致过载或内部不可预测的损坏发生，进而造成连接端口130上可能因为高电压或大电流所产生过大能量，而引燃危险环境中的物质，例如可燃或易燃气体、粉尘…等等，最终酿成危及生命财产的灾害。
举例而言，当于热反应元件120的第一端120a或第二端120b出现一过高电压时，二极体串联电路150将会对地电位VSS顺向导通，而倘若此情形持续一段时间且达到或超过热反应元件120的启断负载量(breaking capacity)时，热反应元件120便可断开其第一端120a与第二端120b之间的电性连结，以通过所形成的断路来消除过高电压。
在一些实施例中，热反应元件120可为非复归型的热反应元件，例如非复式保险丝元件，其于熔断后将无法在第一端120a与第二端120b之间复归电性连接状态。但本发明并非以此为限，在另一些实施例中，热反应元件120可为复归型的热反应元件，例如可复式保险丝元件、双金属元件、形状记忆合金等，其于断路后可再次于第一端120a与第二端120b之间复归电性连接状态。此外，热反应元件120亦可为非复归型的热反应元件与复归型的热反应元件的组合。
当连接端口130因为外部的短路或异常使用时，限流元件140可用以限制流经的电流大小，并达到抑制裸露在危险环境中连接端口130上产生的能量，让其不足以引燃危险环境中的物质而造成危害。举例而言，当于限流元件140后端连接端口130出现对地情况时或电压落差时，限流元件140可将电流限制在一安全范围内。
在一些实施例中，限流元件140可为限流电阻。但本发明并非以此为限，限流元件140亦可为由运算放大器(Operational Amplifier,OPA)或其他合适的元件所组成的限流电路。
二极体串联电路150可用以抑制出现于热反应元件120的第二端120b的过电压。举例而言，当过电压出现于热反应元件120的第二端120b时，二极体串联电路150可将过电压箝制在一安全准位。
在一实施例中，二极体串联电路150包含至少一个顺向导通线路151以及至少一个逆向导通线路152，且各顺向导通线路151与各逆向导通线路152分别耦接于热反应元件120的第二端120b与地电位VSS之间。各顺向导通线路151包含第一数量的二极体1511，且各逆向导通线路152包含第二数量的二极体1521，其中第一数量是指顺向串联的二极体1511数量，而第二数量则是指逆向串联的二极体1521数量。
顺向导通线路151的各二极体1511分别以其阳极耦接另一二极体1511的阴极，以形成串联结构。其中，位于此串联结构的首位的二极体1511的阳极耦接于热反应元件120的第二端120b，且位于此串联结构的末位的二极体1511的阴极耦接于地电位VSS，以使得顺向导通线路151并联于热反应元件120的第二端120b，并可作为出现于热反应元件120的第二端120b的正的过电压的释放路径。
因此，当出现于热反应元件120的第二端120b的正的过电压与地电位VSS之间的差值大于第一数量的二极体1511所形成的第一切入电压时，正的过电压将致使这些二极体1511导通，并致使这些二极体1511可将正的过电压箝制于第一切入电压。于此，第一切入电压可为第一数量的二极体1511的导通电压的总和，通过调整第一数量来达到预设的第一切入电压。举例而言，假设各二极体1511的导通电压皆为0.6伏特(V)且第一数量为5时，第一切入电压为3伏特(即，导通电压与第一数量的乘积)。在本具有体实施例中，以五个顺向串联的二极体1511形成一个顺向导通线路151以释放正的过电压。此外，为了满足防爆等级的要求，再额外并联两个相同的顺向导通线路151。
逆向导通线路152的各二极体1521分别以其阳极耦接另一二极体1511的阴极，以形成串联结构。其中，位于此串联结构的首位的二极体1521的阴极耦接于热反应元件120的第二端120b，且位于此串联结构的末位的二极体1521的阳极耦接于地电位VSS，以使得逆向导通线路152并联于热反应元件120的第二端120b，并可作为出现于热反应元件120的第二端120b的负的过电压的释放路径。
因此，当地电位VSS和出现于热反应元件120的第二端120b的负的过电压之间的差值大于第二数量的二极体1521所形成的第二切入电压时，负的过电压将致使这些二极体1521导通，并致使这些二极体1521可将负的过电压箝制于负的第二切入电压。于此，第二切入电压可为第二数量的二极体1521的导通电压的总和，通过调整第二数量来达到预设的第二切入电压。举例而言，假设各二极体1521的导通电压皆为0.6伏特(V)且第二数量为2时，第二切入电压为1.2伏特(即，导通电压与第二数量的乘积)。在本具体实施例中，以两个二极体1521形成一个逆向导通线路152以释放负的过电压。此外，为了满足防爆等级的要求，再额外并联两个相同的逆向导通线路152。
在一些实施例中，第一数量可大于第二数量，但本发明并非以此为限，第一数量亦可小于或等于第二数量。
在一些实施例中，二极体1511与二极体1512可为具有低电容性质的二极体，例如开关二极体(switch diode)、萧特基二极体(Schottky diode)等，以降低二极体串联电路150对于在连接端口130与系统电路110间的传输路径上高速传递的信号的影响。换言之，二极体串联电路150除可用以抑制正或负的过电压以使得电子装置100可达到本质安全的标准外，更可通过其低电容的特性来提升电子装置100的连接端口130与系统电路110之间的信号传输品质。
在一些实施例中，当二极体15111与二极体1512为开关二极体且在稽纳电压(Vz)为额定值且频率为1百万赫(MHz)的条件下时，其电容可仅约为2皮法拉(Picofarad,pF)。
在一实施例中，连接端口130可应用于高速传输介面，且二极体串联电路150可利用其低电容特性降低对在应用高速传输介面中的连接端口130与系统电路110间的传输路径上高速传递信号的影响，例如减少对信号的上升时间(rising time)与下降时间(falling time)，以避免传输在高速传输介面中信号因受到过度影响而致使电子装置100的效能不佳、功能异常或者误动作等。
在一些实施例中，高速传输介面可为USB 2.0传输介面、USB 3.0传输介面、SIM传输介面或SDIO传输介面等。
图2为电子装置的传输端口应用USB 2.0传输介面的一实施例的概要示意图。请参阅图2，以下，以应用USB 2.0传输介面的传输端口130为例来进行说。一般而言，应用USB2.0传输介面的传输端口130至少包含四个端子，且此四个端子可分别为电源端子VBUS、资料正端子D+、资料负端子D-以及接地端子GND。
在一实施例中，电子装置100包含二组本发明一实施例的本质安全保护电路(可由热反应元件120、限流元件140以及至少一个二极体串联电路150组成)。于此，此二组本质安全保护电路分别设置于需考量信号传输品质的传输端口130的资料正端子D+至系统电路110之间的传输路径上以及传输端口130的资料负端子D-至系统电路110之间的传输路径上。此外，电子装置100还可包含典型本质安全保护电路160(由保险丝、电阻以及稽纳二极体组成)，且典型本质安全保护电路160设置于无需考量信号传输品质的电源端子VBUS至系统电路110之间的传输路径上。
在一实施例中，当电子装置100的系统电路不输出信号至传输端口130的电源端子VBUS时，电源端子VBUS至系统电路110之间的传输路径上可无需设置典型本质安全保护电路160。
在一实施例中，应用USB 2.0传输介面的传输端口130经由本质安全保护电路所耦接到的系统电路110可为同样应用USB 2.0传输介面的系统电路。举例而言，系统电路110可为中央处理单元(CPU)，但本发明并非以此为限。
在一些实施例中，应用USB 2.0传输介面的传输端口130可为顶针连接件(POGOconnector)，但本发明并非仅限于此。
在一些实施例中，限流元件140可包含电阻141与电容组142。电阻141耦接于连接端口130与热反应元件120的第二端120b之间，且电容组142并联于电阻141。于此，电容组142仅针对高速信号设计时利用电容暂态交流导通与稳态直流开路特性，来降低限流元件140对交流小信号其信号品质的影响。
在一些实施例中，电容组142可依据系统防爆等级以单个或多个电容串联且与限流元件140并联来达到效果。于此，如图2所示，针对防爆等级设计，使得电容组142由三个电容串联而成，但其数量并非用以限定本发明。
图3为电子装置的传输端口应用SIM传输介面的一实施例的概要示意图。请参阅图3，以下，以应用SIM传输介面的传输端口130为例来进行说明。一般而言，应用SIM传输介面的传输端口130至少包含四个端子，且此四个端子可分别为资料端子Data、时脉端子CLK、重置端子RST以及电源端子VCC。
在一实施例中，电子装置100包含三组本发明一实施例的本质安全保护电路(可由热反应元件120、限流元件140以及至少一个二极体串联电路150组成)。于此，此三组本质安全保护电路分别设置于需考量信号传输品质的传输端口130的资料端子Data至系统电路110之间的传输路径上、传输端口130的时脉端子CLK至系统电路110之间的传输路径上以及传输端口130的重置端子RST至系统电路110之间的传输路径上。此外，电子装置100还可包含典型本质安全保护电路160(由保险丝、电阻以及稽纳二极体组成)，且典型本质安全保护电路160是设置于无需考量信号传输品质的电源端子VCC至系统电路110之间的传输路径上。
在一些实施例中，应用SIM传输介面的系统电路110可为无线广域网路模块(WWANmodule)，但本发明并非仅限于此。
在一些实施例中，应用SIM传输介面的传输端口130可为Micro SIM插槽，但本发明并非仅限于此。
在一些实施例中，限流元件140可以限流电阻来实现，但本发明并非仅限于此。
综上所述，根据本发明实施例的具有限制输出能量功能的电子装置，利用具有低电容性质的二极体串联电路、限流单元以及热反应元件来限制连接端口的输出能量，以使得电子装置可达到本质安全保护的标准，并且具有低电容性质的二极体串联电路还可提升电子装置的连接端口与系统电路之间的信号传输品质。
本发明的技术内容已以较佳实施例揭示如上述，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神所做些许的更动与润饰，皆应涵盖于本发明的范畴内，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (8)

1.一种具有限制输出能量功能的电子装置，其特征在于，该具有限制输出能量功能的电子装置包含：
一系统电路；
一热反应元件，该热反应元件的第一端耦接于该系统电路；
一连接端口；
一限流元件，耦接于该热反应元件的第二端与该连接端口之间；及
至少一二极体串联电路，耦接在该第二端与一地电位之间。
2.如权利要求1所述的具有限制输出能量功能的电子装置，其特征在于，该热反应元件包含保险丝元件、双金属元件、形状记忆合金及其组合。
3.如权利要求1所述的具有限制输出能量功能的电子装置，其特征在于，该至少一二极体串联电路包含至少一顺向导通线路，各该顺向导通电路耦接在该第二端与该地电位之间且包含以串联型式相接的第一数量的二极体。
4.如权利要求3所述的具有限制输出能量功能的电子装置，其特征在于，该至少一二极体串联电路还包含至少一逆向导通线路，且各该逆向导通线路耦接在该第二端与该地电位之间且包含以串联型式相接的第二数量的二极体。
5.如权利要求4所述的具有限制输出能量功能的电子装置，其特征在于，该第一数量的该二极体中之一的阳极耦接于该第二端，该第一数量的该二极体中之一的阴极耦接于该地电位，该第二数量的该二极体中之一的阳极耦接于该地电位，且该第二数量的该二极体中之一的阴极耦接于该第二端。
6.如权利要求4所述的具有限制输出能量功能的电子装置，其特征在于，该第二数量小于该第一数量。
7.如权利要求1所述的具有限制输出能量功能的电子装置，其特征在于，该连接端口应用于一高速传输介面。
8.如权利要求7所述的具有限制输出能量功能的电子装置，其特征在于，该高速传输介面包含USB 2.0传输介面、USB 3.0传输介面、SIM传输介面和SDIO传输介面。
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