201214923 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關於一種極性切換電路，尤其是指一種用於 充電器中以防止使用者在插接充電電池時腳位錯誤的極性 切換電路，能夠進一步避免因為腳位錯誤而導致的線路指 壞。 貝 【先前技術】 隨著科技的發展，電子元件與應用晶片的種類越來越 多’其中有許多的電子元件、晶片的腳位、接點都有極性 或順序的區別，以作不同的應用。 一般而言’電子元件或是應用晶片在使用時，都會定 義腳位的應用順序，各個電子元件的腳位與接點不能接 反，否則便會無法正常工作，甚至是造成線路的毁壞，並 影響整體線路的穩定性與安全性。 例如，當充電電池插接於充電器上時，在正負極性正 確的情況下，充電器能夠正常對充電電池進行充電，但若 .是使用者沒有注意正負極的正確性而將充電電池反接時， 充電器不但無法對充電電池進行充電，還有可能被充電電 池中的殘存電力反饋所損害，導致線路不穩定甚至是燒 毁，如此便有可能產生漏電的情形，且更會危害到使用^ 的安全。 【發明内容】 有鑑於此，本發明所要解決的技術問題在於，提供— 種用於充電器的極性切換電路，能夠在使用者不小心將充 4/23 201214923 電負載（如一充電電池）反接於充電器上時，也能夠正常 進行充電的動作，進一步提昇充電器的實用性與使用上的 安全性。 為了達到上述目的，根據本發明的一方案，提供一種 用於充電器的極性切換電路，包括一極性切換單元和一輸 入=制單元，其中極性切換單元更包含有一輸入端、一^ 出端、一順向導通電路以及一反向導通電路。 極性切換單元接收一輸入電力以充電一充電負 載丄其偵測充電貞載連接於雜性切換單元的極性，來 該充電負載之電力的極性。極性切換單元的 1包含有—正輸人接腳和—負輪人接腳，是接收輸 入电力，該輸出端有一正輸出接腳和一負輸出 連接於該輸入端及該輸出端之間： :=::=於負輸出接腳的電壓時，將正輸入接腳 而、連接’並將負輸入接腳與負 == 電路則是電性連接於輸入端以及輸出端之間， =正輸出接腳的電壓小於負輸出接腳的電塵時 連接。 麟負輪人接腳與正輸出接腳 該順向導通電路包括有一第一 _ 單元，其中第-PL - . #開關早兀及—第二開關 ^早兀電性連接於正輸入接腳盥 接腳之間，而第一開關單元 机、正輸出 負輸出接腳。第_ 帛端電性連接於該 輸出接腳之間，而第二二電料接於負輸入接腳與負 接於正輸出接腳。 早兀的-第二控制端則電性連 該反向導通電路包括有—第三開闕單元及一第四開闕 5/23 201214923 :7L ’其中第三開關單元電性連接於正輸人接腳金 之間’而第三開關單元的一第三控制端電性連接:: 輸出接腳。第四開關單元則電性連接於負輸入 ^ 負輪第開關早"的—第四控制端電性連接於 其中，該第-開關單元及該第二開關單元是者 出接腳的電壓大於該負輸出接=二 開關單元及該第四開關單元則是當該負輸 ^二 於該正輸出接腳的電壓時導通。 、 、電墾大 另外，輸入控制單元則是電性連接於極性切 =讀人電力至雜性切換單元，並她連接於輸 貞載的-負載電壓’ _依據該負 & 2元中包含有一電壓迴授單元及一電壓電流 ”中_壓迴授單元電性連接於輪㈣1 壓。而電壓電流產生單元則電性連接於電= 電墨迴授單柄傳送而來的負 疋接收 制輸入端所接收的電壓及據負载電壓控 雷，料w ¥大小來對充電負載進行充 能夠準確充到—預定電壓數值，不:： 極ϋ切換早兀的額外電力消耗所影響。 θ -、口 授單元包含有:第-迴授開關、一第 第三迴授開關及—第四迴授開關。第-迴 ==，以將正迴授端與正輸出d 將負处知與負輪出接腳相連。而第三迴授開關及第四迴 6/23 201214923 $開關貝]疋^負輸出接聊的電壓大於正輸出接腳的電壓時 ‘I以將正迴授端與負輸出接腳相連，並將負迴授端與 正輸出接腳相連。 … 另外，上述第一開關單元、第三開關單元、第一迴授 開，及第三迴授開關為P型金氧半場效電晶體，而第二開
關單$ g四開關單元、第二迴授開關及第四迴授開關為N 型，氧半場效電晶體。並且，其中第-開關單it、第二開 關皁凡、第三開關單元及第四開關單元的寬長比大於第一 迴授開關、第二迴授開關、第三迴授開關及第四迴授開關 的寬長比。 藉由提供極性切換電路於充電器中，讓充電器在充電 負載^接時仍絲夠正f進行充f，並且不會因為反接導 致充私負载的電力反饋至充電器中造成漏電，進一步提昇 充電器的實用價值及使用上的安全性。 义以上之概述與接下來的實施例，皆是為了進一步說明 本毛明之技術手段與達成功效，然所敘述之實施例與圖式 僅提供參考說日制，並非絲對本發明加以限制者。 【實施方式] 押一明參考第—圖，於充電器的架構中可以用一極性切換 單元11來作輸出電力極性的切換，當有一充電負載（圖未 不如充電電池）插接於輸出端OUTPUT的正輸出接腳 ουτρ及負輸出接腳〇UTn時，極性切換單元u會先偵測 充連接的極性是否正確，也就是侧充電負載的高 電壓端疋否接於正輸出接腳OUTp且低電壓端是否接於負 輸出接腳OUTn，並依據_結絲決定輸㈣充電負載的 7/23 201214923 電力的極性。 明參考第二A圖，為本發明的極性切換單元u的一種 實施例的電路示意圖，包含有—輸人端mpUT、一輸出端 OUTPUT、-順向導通電路⑴及一反向導通電路1丨3，其 中該輸入端INPUT包含有—正輸人接腳INp及—負輸入接 腳INn，以接收輸入電力；該輸出端〇υτρυτ包含有一正 輸出接腳OUTp和-負輸出接腳〇UTn，用來連接一充電負 載’例如充電電池等；該順向導通電路U1包含有一第一 開關單το lin及-第二開關單元1112;而該反向導通電路 13則包含有-第三開關單元1131和—第四開關單元 具T該第-開關單元丨丨丨丨連接於該正輸入接腳聊和 =輸出接腳〇UTp之間，該第二開關單元1112連接於該負 輪^妾聊INn和該負輸出接腳〇UTn之間，該第三開關單 7L 131連接於正輸入接腳ΙΝρ和負輸出接腳⑽η之間， == 關單元1132則是連接於負輸入接驅和正輸 出接腳OUTp之間。 於本實施例中，第-開關單元仙、第二開關單元 第二«早％ 1131及第鳴f單元ιΐ32的開關控制 :當輸出端_丁所接的充電負載( 2的極性連接正«(也就是高電壓端接於正輸出接腳 ι]ιΛΐ低^端接於負輸出接腳0UTn)，第—開關單元 垃及第二開關單元1112導通，其餘兩個關閉，使正輸入 與正輸出接請Tp相接，並使負輸人接腳t 電=l0UTn相接。而當輪出端⑽ρυτ所接的充 電負載極性連接為相反時H關單元1131及“_ 8/23 201214923 早兀1132導通’其餘兩個關閉，使正輸入接腳吻與 ^接，並使獅1ΝΠ與正輸^ 如此-來’無論充電負載所插接的極性是否正 電盗皆能正常進行充電。另外，第一開關單元^⑴二 開關^元1112、第三_單幻131及第四開關單元^ 可以是任意形式的開關，像是繼電器（咖）或電晶體 (transistor)等。 日曰
—接著請參閱第二B圖，為本發明極性切換單元n的另 -實施例的示意圖。第二B圖與第二A圖不同處在於，第 二B圖的第-開關單元仙和第三開關單元⑴丨分別為p 型的金氧半場效電晶體Q1和Q3 (Metal 0xide s:瞻dUCtor Field Effect τ職ist〇r，m〇sfet )，而第二開 關早7L 1112和苐四開關單元1132則是M的金氧半場效 電晶體Q2、Q4。 其中，第-開關單元llu的第一控制端（也就是 ^OSFET的閘極）連接於負輸出接腳〇υΤη，而第二開關 單元1112的第一控制端則連接於正輸出接聊，如第 一 Β圖中所不。如此一來，當正輸出接腳⑽^的電壓超 過負輸出接腳OUTn的電壓料M〇SFET的門播電壓 (threshold V0ltage)時，第一開關單元nu便會導通以 ，接正輸人接腳!Np和正輸出接腳〇UTp，並且，第二開關 單元1112也會同樣導通，以連接負輸人接腳馳和負輸出 接腳OUTn，形成電力傳遞的迴路。 ^方面，反向導通電路113中的第三開關單元1131 的第三控制端連接於正―接腳WTp，而第四開關單元 9/23 201214923 =路的端則連接於負輪出接腳_。與順向導 0卢負於中技、反向導通電路113的第三開關單元1131 : 〇UTn的電壓大於正輪出接腳㈣到達 MOSFET的門檻電壓的時候導 和負輸出接一並且，第四開=== 導通，以連接原接腳INn和塌接腳崎。同樣會 也就是說，㈣上述錢半場效電晶體qi、吸 和Q4的控制’無論當正輸出接腳〇UTp的電 =輸:接腳OUTn蝴，正輸入接腳ΐΝρ都會連接： 電S較向的輸出接腳，而負輸人接腳施則 垂 麼較低的輸出接腳，讓充電電路能夠正常運作。曰； 另外，第-金氧半場效電晶體Q1的間 之間更可包含有一第—緩衝電_，以 接腳OUTn傳运到第—金氧半場效電晶的1 或過電流損壞金氧半場效電晶體Qi。; ⑻二_與正輸出接腳 匕3有第一緩衝電阻R2，在第三金負车 效電晶體Q3關極與正輸出接腳QUTp之間可包—= 三緩衝餘R3，而在第四錢半場效電晶體Q4 = 負輸出接腳〇UTn之關可包含有-第嗅衝電阻^、 請參照第三A圖，為第二㈣之電路的運 如第二B圖所示，使用者所插接的充電負载2〇 (可^右 電電池）的電極極性連接正常，也就是正端（高電壓= 連接於正輸出接腳0UTp而負端（低電壓端）連而 出接腳OUTn。在此情況下，順向導通電路⑴ _；= 半場效電晶體Q1及第二金氧半場效電晶體Q2為導通，而 10/23 201214923 = 路113的第三金氧半場效電晶體Q3和第四金氧 丰％效電晶體Q4則為截止。 礼 莖一=、，在第二A圖的情況中’正輸入接腳INP會因為 場效電晶體Q1的導通而與正輸出接腳OUTp相 的導、甬而t入接腳馳則會因為第二金氧半場效電晶體Q2 入^ 輸出接腳0UTn相接。從輸人端膽υτ所輸 芦而2的極性疋固定的，也就是正輸人接腳INp為高電 輸人接腳馳為低電壓，因此，電流的流動路徑是 二ΙΝΡ流人，經過第—金氧半場效電晶體Q1 =正輸出接腳0UTp對充電_2G充電，再從充電負載 入接腳=流出’經由第二金氧半場效電晶體Q2回到負輸 八接腳INn ’形成電力的迴路。 -、重^方面，明蒼考第二B圖，為第二B圖之電路的另 二運=示意圖，在本圖中，充電負載2q為反接，也就是正 二(二電壓端〕連接於負輸出接腳〇UTn而負端（低電壓 效ΐ::第出接:：Ρ。在此情況下，第-金氧半場 日體Q1和第二金氧半場效電晶體Q2為截止，而第三 =半場效電晶體Q3和第四金氧半場效電晶體Q4為導 因此於第三B _情況下’正輸入接腳聊會因為第 :金乳半場效電晶體φ的導通而與負輸出接腳〇抓相 遂而負輸人接腳施則會因為第四金氧半場效電晶體q4 的通與正輸出接腳〇UTp連接。因此，充電電流經過 到备=是從正輸入接腳1Νρ流經第三金氧半場效電晶體Q3 =輪出接聊〇UTn對充電負載20的正極充電’而從充電 、戟20的貞極流出’朗正輸出接聊〇υΤρ及第四金氧半 11/23 201214923 場效電晶體Q4回到負輸入接腳INn，形成充電迴路。 也就是說，無論充電負載20是順接或是反接，正輸入 接腳INp都會與充電負載20電壓較高的一端連接，且負輸 入接腳INn都會與充電負載20電壓較低的一端連接，如此 一來’從輸入端INPUT所輸入的電力就能夠對充電負載20 正常充電’並且，充電負載20的殘餘電力也不會反饋至極 性切換電路造成漏電的情況，提昇實用性及安全性。 值得一提的是，金氧半場效電晶體（MOSFET)相較 於雙載子接面電晶體（Bipolar Junction Transistor，BJT)而 s ’因為BJT為電流驅動的元件’所以在工作時bjt的基 極（Base)會產生電流，如此便會增加功率耗損，導致充 電的效率下降，而MOSFET在使用時的閘極（Gate)不會 有額外的電流產生，所以也不會有多餘功率消耗，效率較 佳。因此’於較佳實施例中’使用MOSFET來作為開關元 件會使整體效率較好，進而節省用電量與成本。 另外’從第三A圖與第三B圖的電流示意圖可以知道， 热論疋正接或是反接，充電迴路都會經過兩個開關單元， —個為P型MOSFET，另一則為N型M0SFET，而無論是 N型或是P型的M0SFET，都會有内電阻存在，當電流通 過時勢必會有電能的消耗，使得正輸出接腳〇UTp與負輸 出接腳OUTn間的電壓差略小於正輸入接腳ΙΝρ與負輸入 接腳INn間的電壓差，也就是言兒，因為極性切換單元”的 額外電力消耗’使充電的精準度產生偏差。 有鑑於此’請參照第四圖’為本發明用於充電器的極 ，切換電路1G的-種實施例的方塊圖，包含有—極性切換 單元11和一輸入控制單元17，輸入控制單元17中又包含 12/23 201214923 Γ"電ΐ迴授單元13以及—電壓電流產生單元15。其中電壓 ，授單凡13電性連接於輸出端OUTPUT及電壓電流產生 ί =5二用來迴授輸出端0刪T的所連接之充電負載的 負載祕’讓電壓電流產生單元15㈣據關整正輸入接 腳^Ρ和負輸人接腳ΙΝη之間接收的輸人電力的電壓差及 大小來對充電負載進行充電，讓該充電負载的負載電 [此夠準確朗預定電壓數值，*會被極性切換單元的額 外電力消耗所影響。 、
睛參照第五A圖，為本發明用於充電器的極性切換電 路10的一種實施例的電路示意圖。第五A圖與第二A圖 不同的地方在於，第五A圖的架構中多了輸入控制單元 17,包含有電壓迴授單元13與電壓電流產生單元15。電壓 迴授單元13電性連接於輸出端〇υτρυτ，用來迴授輸出端 UTPUT所連接的充電負載（如充電電池）的一負載電壓 到該電壓電流產生單元15進行處理。而電壓電流產生單元 15則是從一正迴授端FBp與一負迴授端FBn接收到該負載
電壓，並據以調整輸入端INPUT所接收的輸入電力的電壓 與電流數值。 A 電壓迴授單元13包含有一第一迴授開關丨31、一第二 迴授開關132、一第三迴授開關133和一第四迴授開關 134。其中’第一迴授開關131連接於正輸出接腳〇UTp和 正迴授端FBp之間，第二迴授開關132連接於負輸出接腳 〇UTn和負迴授端FBn之間，第三迴授開關133連接於負 輪出接腳OUTn和正迴授端FBp之間，而第四迴授開關134 則連接於正輸出接腳〇UTp和負迴授端FBn之間。其中第 一迴授開關131、第二迴授開關132、第三迴授開關133和 13/23 201214923 第四迴授開關134可以為任意形式的開關，如繼電器或電 晶體等。 接著請參閱第五B圖，於本實施例中，第一迴授開關 131和第三迴授開關133分別是p型的金氧半場效電晶體 (MOSFET) S1和S3 ’第二迴授開關132和第四迴授開關 134則分別是N型的金氧半場效電晶體S2和S2。 如圖所示，第一迴授開關131的第一迴授控制端（也 就是MOSFET的閘極）連接於負輸出接腳〇UTn，第二迴 授開關132的第二迴授控制端連接於正輸出接腳Quip,第 三迴授開關133的第三迴授控制端連接於正輸出接腳 OUTp，而第四迴授開關134的第四迴授控制端則連接於負 輸出接腳OUTn。 值得一提的是，於線路連接來看，順向導通電路ηι 和反向導通電路113是與電壓迴授單元13並聯，因此於元 件選擇上，第一開關單元im、第二開關單元1112、第三 開關單元1131及第四開關單元1132的内電阻必須要遠小 於第一迴授開關131、第二迴授開關132、第三迴授開關133 和第四迴授開關134，以確保電流絕大多數都是在順向導通 電路111或反向導通電路113流動，僅有極小的電流是流 經電壓迴授單元13，以減少不必要的功率損耗。 又’由MOSFETS極區（tri regi〇n)的工作特性公式 可以推導出MOSFET的内電阻Ron二[a*匸* w/l * (Vgs-VrVDS)] 1其巾μη為電荷載子的有效移動率（6腕^ mobility)，Cox為MOSFET氧化層的電容值，狐為寬長 比’ VG^ MOSFET閘極和源極壓差，〜為M〇SFET汲 極柄原極壓差，而vt則為M0SFET的⑽電壓（thresh〇ld 14/23 201214923 voltage)。也就是說，M〇SFET的内電阻r。。會反比於寬長 比W/L，因此，於較佳的元件選擇中，金氧半場效電晶體 Q1、Q2、Q3和Q4的M〇SFET寬長比要大於金氧半場效 電晶體S卜S2、S3和S4的寬長比，使金氧半場效電晶體 Q卜Q2、Q3 # Q4 阻㈣小於金氧半場效電晶體 S卜S2、S3和S4’以確保電流絕大多數都是在順向導通電 路111或反向導通電路113流動，僅有極小的電流留 -壓迴授單元13。 _ 請參照第六A圖，為第五B圖之電路的運作示意圖， 於本實施例中，充電負載20的極性為正常連接，也^是正 端（高電壓端）連接於正輸出接腳〇UTp，而負端（低電壓 端）連接於負輸出接腳0UTn。在此情況下，金氧半場效電 晶體φ、Q2、S1和S2為導通，且金氧半場效電晶體Q3、 Q4、S3和S4為截止。 此時，電流輸入會從正輸入接腳INp經過金氧半場效 電晶體Q1流向充電負載20,再從充電負载2〇的負端流出 鲁 經過金氧半場效電晶體Q2流回負輸入接腳iNn ,形成充電 迴路。另外，正輸出接腳0UTp的電壓會因為金氧半場效 電晶體si的導通而迴授至正迴授端FBp，而負輸出接卿 〇UTn的電壓也會因為金氧半場效電晶體S2的導通而迴授 至負迴授端FBn，如此一來，電壓電流產生單元15便可以 得知負載電壓。 而值得注意的是，因為金氧半場效電晶體S1和S2是 使用寬長比小的MOSFET來實現，内電阻值高，所以流經 的電流極小，如此便能夠減少額外的功率消耗，並提昇迴 授的負載電壓的準確度。 15/23 201214923 電壓電流產生單元15在接收到負載電壓後，便可以依 據該負載電壓來調整正輸入接腳INp和負輸人接腳隐之 間的電驗與輸人電力來對充電負載2()進行充f，使充電 負載20的負載電壓準確充電到預定電壓數值。 舉例來說，一般的充電器在充電電池剛插入時所使用 的充電方式為定電流充電模式（c〇nstant Currem ，cc)，直 到充電電池充到某-特定數料，就會轉歧電壓充電模 式（=mstant Voltage ’ CV)來將充電到飽，若是沒有電壓 迴授单it 13將貞載電壓回傳至電壓電流產生單元15進行 處理的話’因為本架構充電迴路中有—些開關單^會造成 些微的壓降，戶斤以有可能會影響到充電負載2〇所接收的充 電電左大小，導致充電負载2〇無法準確的充電到預定 因此 .、電域電泌產生單元15接收負載電壓的迴授即是 為I解決此-誤差問題，藉由將貞載電壓與_特定數值相 =’ §貞載電壓確實料雜定數辦，再將充電模式 =疋電流（CC)模式轉成定電壓（cv)模式，並且隨時調 =使，電負載2。能解麵充電至應有的電壓準位，提昇 充電器的充電準確度。 立接著請參照第六B圖，為第五6圖之電路的另—運作 ==於本實施例中，充電負載2()為反接，也就是正端 ^壓端）接於負輸出接腳0UTn而負端（低電壓端） ^輸出接腳〇UTp。此時，金氧半場效電晶體⑴、^、 為截止4為導通’ Μ金氧半場效電晶體QhQ2、Q3和Q4 充電的電流從正輸入接腳INp輸入經由金氧半場效電 '6/23 201214923 =Q3傳遞到負輸出接腳〇υτ 充電，並由正輪出接腳〇乂對充電負載20進仃 傳至負輸入接腳ΙΝη以迴由金氧半場效電晶體Q4回 電=二：據=流產生單元15在接收到負載 電壓及電二輸入端_所接收的輸入 電負載20处敍淮士充電核式從CC#CV的時間點，使充 度。、％ ° ^充電到正確的電壓準位’提昇充電準確 或是==通與戴止，讓充電負載無論是正接 壓入電力的充電，並且，透過電 此夠使充電的精準度上升 充電器的實用價值與使用上的安全又上升進A什 以上所述為本發明的具體實施例之說明 修娜皆可涵蓋在本案解定之思及之變化或 【圖式簡單說明】 ^ _圖為極性切換單元的—種實施綱方塊示意圖； A圖為極性切換單元的_種實施例的架構示意圖； 圖為極性切換單元㈣_種實施例的電路示意圖； ®為極㈣換單元當充電㈣正接時的運作示意 圖； 第三B ffl為極性切換單元當充電負載反接時的運作示意 17/23 201214923 圖； 第四圖為本發明用於充電器的極性切換電路的一種實施例 之方塊示意圖； 第五A圖為本發明用於充電器的極性切換電路的一種實施 例之架構示意圖； 第五B圖為本發明用於充電器的極性切換電路的另一種實 施例的電路示意圖； 第六A圖為本發明用於充電器的極性切換電路當充電負載 正接時的運作示意圖；以及 第六B圖為本發明用於充電器的極性切換電路當充電負載 反接時的運作示意圖。 【主要元件符號說明】 10 極性切換電路 11 極性切換單元 111 順向導通電路 1111第一開關單元 1112第二開關單元 113 反向導通電路 1131第三開關單元 1132第四開關單元 13電壓迴授單元 131第一迴授開關 132第二迴授開關 133第三迴授開關 134第四迴授開關 18/23 201214923 15電壓電流產生單元 17輸入控制單元 20充電負載 INPUT輸入端 INp 正輸入接腳 INn負輸入接腳 OUTPUT 輸出端
OUTp正輸出接腳 OUTn負輸出接腳 FBp 正迴授端 FBn 負迴授端 Q1〜Q4、S1〜S4 金氧半場效電晶體 R1第一緩衝電阻 R2 第二缓衝電阻 R3 第三緩衝電阻 R4 第四緩衝電阻 19/23