CN204707029U - 过电流保护装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种过电流保护装置，其中包括升压转换器以及控制电路。升压转换器将供电装置提供的负载电流传输至电容负载。控制电路侦测升压转换器的输出端电压，并依据侦测结果以控制升压转换器的导通状态，其中控制电路在升压转换器的输出端电压大于第一预设电压下，则调整升压转换器的输出端电流为定电流，并持续一预设时间。而后，控制电路判断输出端电压是否大于第二预设电压。控制电路在输出端电压大于第二预设电压下，则切换升压转换器为正常操作模式；控制电路在输出端电压小于第二预设电压下，则切换升压转换器为短路保护模式。本实用新型兼具过电流保护及短路保护的能力，除了避免装置毁损，更可有效提升使用者操作上的便利性。
Description
技术领域
本实用新型是有关于一种过电流保护装置，且特别是有关于一种适用于升压转换器的过电流保护装置。
背景技术
现今的移动装置3C产品，大部分都已有支持通用串行总线(UniversalSerial Bus，USB)的运行(On-The-Go，OTG)接口，因此具备供电给其它USB装置的能力。虽然目前众多的装置中，供电能力大部分都足以应付，但特例的像是USB Hub或是3G dongle等产品。这类制造商通常都会在内部设计一颗大电容值的电容，以提供后端装置稳定的电压。
然而，上述电容负载对于移动电子装置(以手机为例)内部的转换器而言却是一大负担，在使用上通常会容易遇到以下几种状况：第一点，当使用者将外部装置插入手机时，手机却无法动作的情形。以图1为例，图1为转换器的负载电流(ILOAD)、输出端电压(VOUT)与时间(t)的波形图。更具体而言，由于手机中的电容负载在初始无电压的状态下具有极低的阻抗，当外部装置于时间点t1插入手机时，手机中的转换器为了对手机内的电容负载充电而产生较大的负载电流ILOAD，如图1所示，进而导致输出端电压VOUT产生掉压，并触发到转换器的短路保护电压VSCP，故转换器于时间点t2切断输出端电压VOUT，导致手机无法动作。
第二点，当使用者将外部装置插入手机时，手机会黑屏关机。以图2为例，图2为转换器的负载电流(ILOAD)、系统电压(VSYSTEM)与时间(t)的波形图。更具体来说，当外部装置插入时，为了对手机内的负载电容供电而产生较大的负载电流ILOAD，导致输出端电压VOUT掉过深。此时，转换器为提供后端装置足够的能量，因此会不断地往前端系统电压VSYSTEM抽取电流，导致过电流发生，如图2所示的时间点t3。此外，假如手机中的转换器的过电流保护(Over Current Protection，OCP)不够快速时，就会发生输出电流超过预设电流保护值ILIMIT却仍没有进行过电流保护的状况。此时当手机本身内部的电池电压又偏低，因而将系统电压VSYSTEM拉到低于预设电压准位UVLO，导致手机瞬间黑屏关机。由此可见，上述问题可能导致装置毁损，同时造成使用者在操作上产生极大的不便利。
实用新型内容
本实用新型提供一种适用于升压转换器的过电流保护装置，其中使用者通过过电流保护装置上的控制操作下，有效达到限流的功效，并同时具备有短路保护的功能，以此提升整体装置上的使用寿命，也可增加使用者操作上的便利性。
本实用新型的一种过电流保护装置，连接于供电装置与电容负载之间，所述过电流保护装置包括升压转换器以及控制电路。升压转换器连接至供电装置与电容负载，所述升压转换器将供电装置所提供的电源转换成负载电流传输至电容负载。控制电路连接至升压转换器与电容负载，所述控制电路侦测升压转换器的输出端电压，并依据侦测结果以控制升压转换器的导通状态，其中所述控制电路在升压转换器的输出端电压大于第一预设电压下，则调整升压转换器的输出端电流为定电流，并持续一预设时间。在持续所述预设时间后，所述控制电路判断输出端电压是否大于第二预设电压。所述控制电路在输出端电压大于第二预设电压下，则切换升压转换器为正常操作模式；以及所述控制电路在输出端电压小于第二预设电压下，则切换升压转换器为短路保护模式，其中所述第一预设电压大于所述第二预设电压。
基于上述，本实用新型提出一种过电流保护装置，其中通过改变转换器的控制流程来实现其限流功效，除了能够解决将插入外部装置时手机本身发生无法动作或黑屏关机等问题，且同时兼具过电流保护及短路保护的能力，也能够有效提升使用者操作上的便利性。
为让本实用新型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
图1所示为一种升压转换器的负载电流、输出端电压与时间的波形图；
图2所示为一种升压转换器的负载电流、系统电压与时间的波形图；
图3所示为本实用新型一实施例的一种过电流保护装置的方块图；
图4所示为图3中本实用新型一实施例的一种过电流保护装置的内部电路图；
图5所示为图4中本实用新型一实施例一种限流器的内部电路图；
图6所示为本实用新型一实施例的一种过电流保护的方法流程图；
图7所示为本实用新型一实施例的一种过电流保护装置的输出端电压、输出端电流的波形图；
图8所示为本实用新型另一实施例的一种过电流保护装置的输出端电压、输出端电流的波形图。
具体实施方式
现将详细参考本实用新型的示范性实施例，在附图中说明所述示范性实施例的实例。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/符号代表相同或类似部分。
图3所示为本实用新型一实施例的一种过电流保护装置的方块图。请参考图3，过电流保护装置100连接于供电装置140与电容负载160之间，其中包括升压转换器(boost converter)110以及控制电路120。升压转换器110连接至供电装置140与电容负载160。控制电路120连接至升压转换器110以及电容负载160。在本实施例中，过电流保护装置100与供电装置140可以实施于各类型具有USB传输接口的移动电子装置中，例如是手机、笔记本电脑等等，并由供电装置140提供的电源转换成负载电流ILOAD及系统电压VSYSTEM，而电容负载则配置于同样具有USB接口的外部装置中，但不以此为限制。下文中移动电子装置将以手机为例进行说明。
继续参考图3，升压转换器110用以将供电装置140所提供的电源转换出负载电流ILOAD传输至电容负载160，以对电容负载160进行充电。控制电路120用以侦测升压转换器110的输出端电压VOUT，并控制升压转换器110的导通状态。更具体来说，当使用者将外部装置插入手机时，控制电路120即侦测到升压转换器110的输出端电压VOUT下降，并判断升压转换器110的输出端电压VOUT的电压准位是否低于预设电压，以决定是否对负载电流ILOAD进行限流。在本实施例中，控制电路120可以实体电路来实现，例如是多个比较器与逻辑电路的组合，但并不以此为限制。为了更进一步说明过电流保护装置100的运作状态，底下将参考图4进行更详细地说明。
图4所示为图3中本实用新型一实施例的一种过电流保护装置的内部电路图。请参考图4，升压转换器110包括开关M1以及开关M2，开关M1并联于供电装置140与电容负载160之间，而开关M2则串联于供电装置140与电容负载160之间。在本实施例中，开关M1、开关M2都以场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)加以实施，但不以此为限制。
继续参考图4，当使用者将外部装置插入手机时，则可判定输出是否有短路或是过电流的现象发生，此时即可开始执行保护流程。更具体来说，控制电路(未绘示出)即开始侦测升压转换器110的输出端电压VOUT的准位变化，并会判断升压转换器110的输出端电压VOUT的准位是否下降至低于预设电压VX，以决定是否对于负载电流ILOAD进行限流。若控制电路(未绘示)侦测到升压转换器110的输出端电压VOUT低于预设电压VX时，则控制电路会关闭开关M1，并控制开关M2操作于线性区域(Linear mode)，使升压转换器110的输出端电流IOUT被限制于定电流IY，以达到限流效果。
在另一实施例中，过电流保护装置还包括限流器130，连接于供电装置140与电容负载160之间的电流传输路径上，用以对于所述升压转换器110的输出端电流进行限流(容后于图5中作更详细的说明)。在本实施例中，限流器130除了可配置于升压转换器110与电容负载160之间，在其它实施例中，限流器130也可配置于供电装置140与升压转换器110之间，并不以此为限。
图5所示为图4中本实用新型一实施例一种限流器的内部电路图。在本实施例中，限流器130包括晶体管M3、感测电阻R1、感测晶体管M4、电阻R2、可变电阻R3、晶体管M5以及二极管D1，感测电阻R1的第一端连接至晶体管M3的射极，其第二端连接至限流器130的输出端。感测晶体管M4的集极连接至晶体管M3的基极，感测晶体管M4的基极连接至晶体管M3的射极，其射极连接至限流器130的输出端。电阻R2的第一端连接至晶体管M3的集极，其第二端连接至晶体管M3的基极。可变电阻R3的第一端连接至限流器130的输出端。晶体管M5的集极连接至晶体管M3的基极，其基极连接至可变电阻R3的控制端。二极管D1的第一端连接至晶体管M5的射极。在本实施例中，感测电阻R1根据流经的输出端电流IOUT产生跨压，而感测晶体管M4受控于晶体管M3基极上的所述跨压，而当跨压足以导通感测晶体管M4时，进而拉低晶体管M3的基极准位，致使所述晶体管M3限制输出端电流IOUT而产生所述定电流IY。感测晶体管M4也可由其它元件代替，例如多个串接的二极管，但不以此为限制。
请返回参考图4，当控制单元(未绘示)将升压转换器110的输出端电流IOUT限制为定电流IY一预设时间后，则控制电路(未绘示)侦测并判断输出端电压VOUT是否大于预设电压VZ。当所述输出端电压VOUT大于预设电压VZ时，则控制单元(未绘示)切换升压转换器110为正常操作模式，以将输出端电压VOUT升回到额定的电压值。反之，当输出端电压VOUT小于预设电压VZ时，则控制单元(未绘示)切换升压转换器110为短路保护模式，以将输出端电压VOUT降至0伏特。
图6所示为本实用新型一实施例的一种过电流保护的方法流程图。图7所示为本实用新型一实施例的一种过电流保护装置的输出端电压、输出端电流的波形图。请同时参考图7与图6，其中当电容负载装置插入手机时，过电流保护装置内的升压转换器的输出端电压VOUT因而下降，而当输出端电压VOUT低于预设电压VX时，则可判定输出有短路或是过电流的现象发生，此时即可开始此保护流程(即步骤S100)。在一实施例中，预设电压VX可设定在比输入电压VIN少100mV-200mV左右，但不以此为限制。
接着，将输出电流降低至限制为定电流IY。更具体来说，将升压转换器中的开关M1截止，并将开关M2操作在线性区。此时，升压转换器则会以持续输出定电流IY的方式对后端的电容负载供电(即步骤S110)，以达到限流效果。
而后，在持续输出定电流IY一预设时间TZ后，控制电路再去侦测输出端电压VOUT的准位，并判断输出端电压VOUT是否充至预设电压VZ(即步骤S120)。在一实施例中，预设电压VZ的电压值接近于输入电压VIN，而预设时间TZ范围约在10ms-100ms左右，而在正常状态下，后端的电容负载都可在这预设时间TZ内将输出端电压VOUT充至预设电压VZ。
最后，假若输出端电压VOUT的准位已达到预设电压VZ时，则继续回到正常操作模式(即步骤S130)，并将输出端电压VOUT升回到额定的电压值。
图8所示为本实用新型另一实施例的一种过电流保护装置的输出端电压、输出端电流的波形图。本实施例中与图7的实施例差异在于，假若输出端电压VOUT的准位未达到预设电压VZ时，则表示后端电容负载发生的短路状况，因此启动短路保护模式(即步骤S140)，并将输出端电压VOUT降至0伏特。
综上所述，本实用新型所提出的一种过电流保护装置，其中通过将升压转换器内部的开关M1直接截止，并将开关M2控制在线性区域的方式来实现限制输出电流的功能，并持续对后端供电，以此除了能够避免过电流的状况发生，更可解决将插入外部装置时手机本身发生无法动作或黑屏关机等问题。此外，本实用新型所提出的一种过电流保护装置在持续对后端供电一预设时间后，即会立即判断升压转换器的输出端电压是否高于预设电压，从而判断整体装置是否遇到短路状态，以快速反应/切换为正常操作模式或短路保护模式。由此可见，本实用新型兼具过电流保护及短路保护的能力，除了避免装置毁损，更能够有效提升使用者操作上的便利性。
虽然本实用新型已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (5)
1.一种过电流保护装置，连接于供电装置与电容负载之间，其特征在于，包括：
升压转换器，连接至所述供电装置与所述电容负载，所述升压转换器将所述供电装置所提供的电源转换成负载电流以传输至所述电容负载；以及
控制电路，连接至所述升压转换器与所述电容负载，所述控制电路侦测所述升压转换器的输出端电压，并依据侦测结果以控制所述升压转换器的导通状态，其中，
所述控制电路在所述升压转换器的输出端电压大于第一预设电压下，则调整所述升压转换器的输出端电流为定电流，并持续一预设时间后判断所述输出端电压是否大于第二预设电压，其中所述第一预设电压大于所述第二预设电压，
其中，所述控制电路在所述输出端电压大于所述第二预设电压下，则切换所述升压转换器为正常操作模式；以及
其中，所述控制电路在所述输出端电压小于所述第二预设电压下，则切换所述升压转换器为短路保护模式。
2.根据权利要求1所述的过电流保护装置，其特征在于，还包括：
限流器，连接于所述供电装置与所述电容负载之间的电流传输路径上，所述限流器对于所述升压转换器的所述输出端电流进行限流。
3.根据权利要求2所述的过电流保护装置，其特征在于，其中所述限流器包括：
第一晶体管；
感测电阻，其第一端连接所述第一晶体管的射极，其第二端连接至所述限流器的输出端；
感测晶体管，其集极连接至所述第一晶体管的基极，其基极连接至所述第一晶体管的射极，其射极连接至所述限流器的输出端；
第二电阻，其第一端连接至所述第一晶体管的集极，其第二端连接至所述第一晶体管的基极；
可变电阻，其第一端连接至所述限流器的输出端；
第三晶体管，其集极连接至所述第一晶体管的基极，其基极连接至所述可变电阻的控制端；以及
二极管，其第一端连接至所述第三晶体管的射极，其中
所述感测电阻根据流经的所述输出端电流产生跨压，而所述感测晶体管受控于所述第一晶体管基极上的所述跨压，而在所述跨压足以导通所述感测晶体管下，所述第一晶体管的基极准位会被拉低，以使所述第一晶体管限制所述输出端电流而产生所述定电流。
4.根据权利要求1所述的过电流保护装置，其特征在于，所述升压转换器包括：
第一开关，并联于所述供电装置与所述电容负载之间；以及
第二开关，串联于所述供电装置与所述电容负载之间，其中
所述控制电路在所述升压转换器的输出端电压大于所述第一预设电压下，则关闭所述第一开关，并控制所述第二开关操作在线性区域，以使所述升压转换器限制所述输出端电流为所述定电流。
5.根据权利要求4所述的过电流保护装置，其特征在于，所述第一开关与所述第二开关分别为金属-氧化物半导体场效应管。
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| CN201520392519.9U CN204707029U (zh) | 2015-06-09 | 2015-06-09 | 过电流保护装置 |
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Cited By (3)
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| CN109828169A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-05-31 | 中国矿业大学(北京) | 电气防火限流保护器电气性能测试方法、装置及系统 |
| CN111049108A (zh) * | 2019-12-28 | 2020-04-21 | 天地伟业技术有限公司 | 一种外置的dcdc电源过流保护装置 |
| WO2022021121A1 (en) * | 2020-07-29 | 2022-02-03 | Texas Instruments Incorporated | Boost converter with down-mode |
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