CN1312972A - 具有宽动态范围接通/断开延迟时间的电子电路 - Google Patents

具有宽动态范围接通/断开延迟时间的电子电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电子电路具有可调节延迟时间,用于接通或断开应用设备或电子负载。按本发明的电子电路包括一个开关元件,用于控制施加到一个负载的功率;以及一个激励元件,连接到该开关元件,用于激励该开关元件去控制施加到该负载的功率。激励元件包括一个传感器,用于传感是否有条件变化,并根据传感的条件变化通过开关元件的激励元件来延迟激励。在本发明的一个实施例中,传感器包括一个正温度系数(PTC)元件;开关元件包括一个金属－氧化物－半导体场效应晶体管(MOSFET);以及该激励元件还包括一个电容和一个开关。条件变化包括过载和环境温度的增加。

Description

具有宽动态范围接通/断开延迟时间的电子电路
发明背景
本发明通常涉及电子电路，特别涉及具有可调节延迟时间的电子电路，用于接通或断开应用设备或电子负载。这种电路可用于过载保护应用场合。
在一个典型的过载保护电路中，使用一种可重放置的保险丝，例如一种正温度系数(PTC)元件。当例如出现过载这样的条件变化时，PTC元件释放(Trip)并变成一个很大的电阻，从而限制了电流并提供了过载保护。当不出现新条件时，电阻PTC元件减小到其正常值，即一个低电阻值，而应用电路重新开始其正常工作。
在许多例子中，可以要求提供断开或接通应用设备或电子负载的延迟时间。另外进而还可要求根据条件变化，例如出现过载或过热提供可调节的延迟时间。同样地当电动机失速或电子负载偶然短路时可以出现故障条件。也可有意地产生这种条件变化作为一个输入信号以提供断开或接通应用设备或电子负载的更长的延迟时间。
发明概要
本发明提供一种电子电路具有可调节延迟时间，用于接通和断开应用设备或电子负载，按本发明的电子电路包括一个开关元件，用于控制施加到一个负载的功率；以及一个激励元件，连接到该开关元件，用于激励该开关元件去控制施加到该负载的功率。激励元件包括一个传感器，用于传感是否有条件变化，并根据传感的条件变化通过开关元件的激励元件来延迟激励。
在本发明的一个实施例中，传感器包括一个正温度系数(PTC)元件；开关元件包括一个金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)；以及该激励元件还包括一个电容和一个开关。条件变化包括过载和环境温度的增加。
通过参照以下结合附图的说明和权利要求，与充分理解本发明结合在一起的其他目的和成就将成为显而易见的。
附图的简要说明
在附图中相同标号意指相同部件：
图1A表示按本发明的第一实施例；
图1B表示说明不同条件下该第一实施例工作的两条曲线；
图2A表示按本发明的第二实施例；
图2B表示说明不同条件下该第二实施例工作的两条曲线；
图3A表示按本发明的第三实施例；
图3B表示说明不同条件下该第三实施例工作的两条曲线；
图4A表示按本发明的第四实施例；以及
图4B表示说明不同条件下该第四实施例工作的两条曲线。
优选实施例的详细说明
图1A表示按本发明的第一实施例。图1B表示说明不同条件下该第一实施例工作的两条曲线。如图1A所示，电容C1连接到电压源VDD同时还通过开关SW1连接到一个正温度系数(PTC)元件RP1。RP1连接到一个n-沟道增强型MOSFETQ1的栅极。负载RL1连接在电压源VDD和晶体管Q1的漏极之间。晶体管Q1具有其连接到地的源极。
在该实施例中，当加电时(即，当SW1闭合时)，晶体管Q1导通，然后在一予定的导通持续期之后载止。如果条件有变化，例如出现由RP1热传感的过载或过热，则如下面将详细描述的，与正常条件相比，导通持续期将更长，即截止时间将更加滞后。
在时间t=0时刻，SW1闭合，电流通过一开始起短路电路作用的C1流动。由此栅极电压Vg1等于VDD，使晶体管Q1导通，致使通过负载RL1流动的输出电流Io1处最大电平VDD/RL1。换言之，当开关SW1开始闭合时，负载RL1将工作在满功率状态，直到在时间t=RP1·C1之后，即在RC常数之后，正如图1B中曲线1所说明的那样。
当电容C1逐步充电时，栅极电压Vg1下降，致使电流Io1逐步下降。终于在时间周期RP1·C1之后，当电容C1完全被充电时，Vg1变为等于地电平，使晶体管Q1断开。结果，负载RL1中无电流流动，即，输出电流Io1为零。
但是，如果在时间t=0当开关SW1闭合时，出现由RP1传感的可例如由环境温度引起的过载或过热，则该PTC元件将变成为一个大的电阻RP1’。在这种情况下，需要花费更长的大约RP1’·C1的时间周期才能完全充电电容C1，这样如图1B中由曲线2说明的那样，负载RL1将从一开始就工作在满功率，直到在时间t=RP1’·C1之后。由此截止晶体管Q1的时间延迟将由RP1·C1到RP1’·C1。
作为一个例子，如果RP1是一个聚合的PTC电阻，例如是由Raychem公司(Menlo Park,CaLifornia)生产的PolySwitch元件，其阻值可以从例如25℃的1欧姆变化到150℃的100M欧姆，阻值变化8个量级。同样，如果C1等于1μF，时间常数t=RP1·C1将从1μS变化到100S，这是一个极宽的动态范围。也可使用其他类型的PTC元件。
图2A表示按本发明的第二实施例。第二实施例是图1A中第一实施例的一种变型。其工作由图2B中两条曲线类似地加以说明。如图2所示，负载RL2的一端连接到开关SW2，而另一端连接到n-沟道增强型MOSFETQ2的漏极。开关SW2连接到电压源VDD。电容C2连接在晶体管Q2的漏极和栅极之间。一个PTC元件RP2连接在晶体管Q2栅极和地之间，晶体管Q2的源极连接到地。
在时间t=0时刻，SW2闭合，电流通过一开始起短路作用的C2流动，由此栅极电压Vg2等于VDD，使晶体管Q2导通，致使通过负载RL2流动的输出电流Io2处最大电平VDD/RL2，如图2B中由曲线3所说明的那样。当电容C2逐步充电时，栅极电压Vg2下降，致使电流Io2逐步下降。终于在时间周期RP2·C2之后，当电容C2完全被充电时，Vg2变为等于地电平，使晶体管Q2截止。结果，负载RL2中无电流流动，即，输出电流Io2为零。
如果在t=0当开关SW2闭合时，出现可以由环境温度引起的那样的过载或过热，则PTC元件将释放并将变成为一个大的电阻RP2’。在这种情况下，需要花费约RP2’·C2时间周期才能完全充电电容器C2。这样如图2B中由曲线4所说明的那样，负载RL2将从一开始就工作在满功率，直到在时间t=RP2’·C2之后。由此截止晶体管Q2的时间将由RP2·C2延迟到RP2’·C2。
作为一个例子，如果RP2是一个聚合的PTC电阻，例如是由Raychem公司(Menlo Park,California)生产的PolySwitch元件，其电阻值可以从例如25℃的1欧姆变化到150℃的100M欧姆，阻值变化8个量级。同样，如果C2等于1μF，时间常数t=RP2·C2将从1μS变化到100S，这是一个极宽的动态范围。也可使用其他类型的PTC元件。
图3A表示按本发明的第三实施例。图3B说明表示不同条件下第三实施例工作的两条曲线。如图3A中所示的，一个PTC元件RP3连接在电压源VDD和开关SW3之间，SW3连接到一个n-沟道增强型MOSFETQ3的栅极。电容C3连接在晶体管Q3的栅极和地之间。负载RL3连接在电压源VDD和晶体管Q3的漏极之间，晶体管Q3的源极连接到地。
在第三实施例中，当加电时(即，当SW3闭合时)，晶体管Q3截止，然后在一予定的截止持续期之后导通。如果条件有变化，例如出现过载或过热，则如下面将详细描述的，与正常条件相比，截止持续期将更长，即导通时间将更加滞后。
在时间t=0时刻，SW3闭合，电流通过RP3和一开始起短路作用的C3流动。由此栅极电压Vg3=0，其保持晶体管Q3截止。因此在负载RL3中无电流流动，输出电流Io3为零，直到在时间t=RP3·C3之后，即在RC常数之后，正如图3B中曲线与所说明的那样。
当电容C3逐步充电时，栅极电压Vg3增加，导致电流Io3逐步增加。终于，在时间周期RP3·C3之后，当电容C3完全被充电时，Vg3变成等于VDD。结果，在负载RL3中流动的输出电流处于最大电平VDD/RL3，如图3B中曲线5所说明的那样。
但是如果在t=0时刻SW3闭合，出现像可由环境或负载温度值所引起的过载或过热，则PTC元件电阻将增加并变成一个大电阻RP3’。在这种情况下，需要花费大约RP3’·C3的时间周期才能完全充电电容C3，这样如图3B中曲线6所说明的那样，负载RL3只有在时间t=RP3’·C3之后工作在满功率。由此导通晶体管Q3的时间将由RP3·C3延迟到RP3’·C3。
作为一个例子，如果RP3是一个聚合的PTC电阻，例如是由Raychem公司(Menlo Park,California)生产的PolySwitch元件，其阻值可以从例如25℃的1欧姆变化到150℃的100M欧姆，阻值变化8个量级。同样，如果C3等于1μF，时间常数t=RP3·C3将从1μS变化到100S，这是一个极宽的动态范围。也可用其他类型的PTC元件。
图4A表示按本发明的第四实施例。该实施例是图3A中第三实施例的变型。其工作类似于图4B中由两条曲线所说明的。如图4A所示，负载RL4连接在开关SW4和一个n-沟道增强型MOSFET Q4的漏极之间。开关SW4连接到电压源VDD。一个PTC元件RP4连接在负载RL4和晶体管Q4的栅极之间。电容C4连接在晶体管Q4的源极和栅极之间。晶体管Q4的源极连接到地。
在时间t=0时刻，SW4闭合，电流通过RP4和一开始起短路作用的C4流动。由此栅极电压Vg4等于接地，使晶体管Q4截止。因此在负载RL4中无电流流动，输出电流Io4为零，正如图4B中曲线7所说明的那样。当电容C4逐步充电时，栅极电压Vg4增加，导致电流Io4逐步增加。终于在时间周期RP4·C4之后，当电容C4完全被充电时，Vg4变成等于VDD。结果，在负载RL4中流动的电流，即，Io4处于最大电平VDD/RL4，如图4B中曲线8所说明的那样。
如果在t=0时刻SW4闭合，出现像可由环境或负载温度所引起的过载或过热，则PTC元件将释放并变成一个大电阻RP4’。在这种情况下，将花费大约RP4’·C4的时间周期才能完全充电电容C4，这样如图4B中由曲线8所说明的那样，负载RL4在时间t=RP4’·C4之后工作在满功率。由此导通晶体管Q4的时间将由RP4·C4延迟到RP4’·C4。
作为一个例子，如果RP4是一个聚合的PTC电阻，例如是由RayChem公司(Menlo Park,California)生产的Po1ySwitch元件，其阻值可以从例如25℃的1欧姆变化到150℃的100M欧姆，阻值变化8个量级。同样，如果C4等于1μF，时间常数t=RP4·C4将从1μS变化到100S，这是一个极宽的动态范围。也可用其他类型的PTC元件。
在上述四个实施例中，已结合一种情况描述了工作情况，其中PTC元件一开始处于正常条件，而在后来变成一个大电阻。如果PTC元件开始处于过热而具有大电阻值，然后冷却，则所描述的曲线将以相反方向变化。例如，对于第一实施例，当PTC元件RP1从热条件改变到冷条件时，工作曲线将从曲线2变到曲线1。
在结合若干特定实施例对本发明进行了描述的同时，显然对本专业技术人中而言按照以上说明许多替代，修改，应用和变型将是显而易见的。例如，在第一和第二实施例中一个电阻也可以是与PTC元件串联连接的，以调节晶体管导通持续期的范围。同样也可以使用负温度系数(NTC)元件替代以适当极性变化的PTC元件。由此在此描述的本发明打算包括所有这样的替代，修改，应用和变型，只要能落入附加权利要求的精神和范围之内。

Claims (10)

1．一种电子电路，包括：
一个开关元件，用于控制施加到负载的功率；以及
一个激励元件，连接到所说开关元件，用激励所说开关元件以控制施加到该负载的功率，所说激励元件包括一个传感器，用于传感是否存在条件变化，以及用于根据传感条件变化，通过所说开关元件的所说激励元件延迟激励。
2．如权利要求1的电路，
其中所说开关元件包括一个金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)；以及
其中所说激励元件还包括一个电容和一个开关。
3．如权利要求2的电路，
其中MOSFET是增强型的并包括一个漏极，一个栅极和一个源极，源极连接到地电平；
其中负载连接在电源和MOSFET的漏极之间；
其中电容连接在电源和所说激励元件的开关之间；
其中所说激励元件的开关连接在电容和MOSFET的栅极之间；以及
其中所说传感器连接在所说开关元件的栅极和地电平之间。
4．如权利要求2的电路
其中MOSFET是增强型的，并包括一个漏极，一个栅极和一个源极，源极连接到地电平；
其中所说激励元件的开关具有第一和第二端，第一端连接到电源；
其中负载连接在所说激励元件的开关的第二端和MOSFET的漏极之间；
其中电容连接在所说开关元件的漏极和栅极之间；以及
其中所说传感器连接在所说开关元件的栅极和地电平之间。
5．如权利要求2的电路
其中MOSFET是增强型的并包括一个漏极，一个栅极和一个源极，源极连接到地电平；
其中负载连接在电源和MOSFET的漏极之间；
其中电容连接在MOS晶体管的栅极和地电平之间；
其中所说激励元件的开关连接在所说传感器和MOSFET的栅极之间；以及
其中所说传感器连接在电源和所说激励元件的开关之间。
6．如权利要求1或5的电路，其中条件的变化包括过载。
7．如权利要求1或5的电路，其中条件的变化包括环境温度的增加。
8．如权利要求2的电路，
其中MOSFET是增强型的并包括一个漏极，一个栅极和一个源极，源极连接到地电平；
其中所说激励元件的开关具有第一和第二端，第一端连接到电源；
其中负载连接在所说激励元件的开关的第二端和MOSFET的漏极之间；
其中电容连接在所说开关元件的栅极和地电平之间；以及
其中所说传感器连接在MOSFET的漏极和栅极之间。
9．如权利要求3,4,5或8的电路，其中所说传感器包括一个正温度系数(PTC)元件。
10．一种方法，包括步骤：
切换控制施加到负载的功率；
控制施加到负载的功率的切换；
传感是否存在条件变化；以及
根据传感条件变化，延迟施加到负载的功率的切换，
其中条件的变化包括过载和环境温度的增加。
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