TW201308814A - 處理熱插拔之過電壓保護電路及電子系統 - Google Patents

Abstract

一種過電壓保護電路，包含有一輸入端，耦接於一輸入電源，用來接收該輸入電源所提供之一輸入電壓；以及一驅動模組，耦接於該輸入端及一接地端之間，用來於該輸入電壓大於一預設電壓時，產生一放電電流，以降低該輸入電壓至該預設電壓。

Description

處理熱插拔之過電壓保護電路及電子系統

本發明係指一種過電壓保護電路及電子系統，尤指一種可降低熱插拔所產生之過電壓的過電壓保護電路及電子系統。

大部分電子裝置(如風扇、顯示器等)需要藉由一電源供應器提供一電壓才能正常運作。當電子裝置透過熱插拔(hot plug)埠耦接於電源供應器時，根據電源供應器所產生之電壓，電源供應器會輸出一充電電流，以對電子裝置進行充電。電子裝置內所使用之穩壓電容則會藉由該充電電流來儲存電荷，以提高穩壓電容之電壓至預設高電壓，進而提供電子裝置所需之電壓。然而，為了能快速地將穩壓電容充電至預設高電壓，電源供應器所產生之充電電流通常較大且無法被即時停止。因此，在電源供應器開始輸出充電電流之後，穩壓電容之電壓會於一段期間內大於預設高電壓，產生過電壓(over voltage)問題。過電壓不僅會造成電力浪費，也會降低電子裝置的使用壽命。

舉例來說，請參考第1圖，其為習知一電子系統10之示意圖。電子系統10包含有一電源供應器PS、一電感L_pa、一熱插拔埠HP_port及一電子裝置100。其中，電子裝置100包含有一穩壓電容C及一接地端VGD，可透過熱插拔埠HP_port耦接於電源供應器PS。此外，電感L_pa係通常存在於電源供應器PS及熱插拔埠HP_port間導線上之寄生電感。當熱插拔埠HP_port導通時，根據電源供應器PS所產生之一電壓V_ps，電源供應器PS會輸出一充電電流I_ch，以對穩壓電容C進行充電，使其電壓V_in上升至一預設高電壓VCC，於電壓V_in達到VCC後，電源供應器PS會將電壓V_ps維持於一定值，以停止輸出充電電流I_ch，進而停止電壓V_in繼續上升。然而，電感L_pa會阻止充電電流I_ch產生瞬間的改變，也就是說，在電感L_pa的作用之下，充電電流I_ch仍會在緩慢減小的情形下，繼續對穩壓電容C充電。因此，電壓V_in仍會繼續升高，並超過預設高電壓VCC，產生過電壓問題。在實際情形下，當預設高電壓VCC定為12伏特時，以一般電感L_pa及穩壓電容C來說，過電壓會使電壓V_in達到30～40伏特，遠超過預設高電壓VCC之12伏特。

進一步說明，請參考第2圖，其為第1圖中電壓V_ps、充電電流I_ch及電壓V_in變化之時序圖。當熱插拔埠HP_port於時間t1導通時，電源供應器PS會立刻提高電壓V_ps及產生充電電流I_ch，由於電感L_pa此時會阻止導線上之充電電流I_ch(此時充電電流I_ch為零)產生瞬間的改變，因此穩壓電容C會延遲一小段時間後才會收到充電電流I_ch，電壓V_in才會開始上升。當電壓V_in於時間t2上升至預設高電壓VCC時，電源供應器PS會停止提高電壓V_ps，以停止產生充電電流I_ch，此時電感L_pa再度阻止導線上之充電電流I_ch產生瞬間的改變，充電電流I_ch會於時間t2至t3之間，緩慢減小至零，因此電壓V_in會繼續充電至時間t3。於充電電流I_ch歸零，不再對穩壓電容C進行充電後，電壓V_in才能經由接地端VGD緩慢放電，於時間t4降低至預設高電壓VCC。由第2圖可知，時間t2至t4之其間內，電壓V_in處於過電壓狀態，不僅造成電力浪費，也會降低電子裝置的使用壽命。

習知技術通常以增加穩壓電容C之電容值來降低電壓V_in上升的幅度，以減輕過電壓問題。但是電壓V_in仍然會超過預設高電壓VCC，以及穩壓電容C之電容值通常由電子裝置製造商根據電子裝置之特性來決定，而非積體電路(integrated circuit，IC)設計者所能決定。因此，此種方法受限於電子裝置之特性，無法廣泛地解決過電壓問題。因此，如何廣泛且有效地解決過電壓問題係一待討論之議題。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種電壓保護電路及電子系統，以解決上述問題。

本發明揭露一種過電壓保護電路，該過電壓保護電路包含有一輸入端，耦接於一輸入電源，用來接收該輸入電源所提供之一輸入電壓；以及一驅動模組，耦接於該輸入端及一接地端之間，用來於該輸入電壓大於一預設電壓時，產生一放電電流，以降低該輸入電壓至該預設電壓。

本發明另揭露一種具有過電壓保護機制之電子系統，該電子系統包含有一輸入電源以及一過電壓保護電路。該輸入電源用來提供一輸入電壓。該過電壓保護電路包含有一輸入端，耦接於該輸入電源，用來接收該輸入電壓；以及一驅動模組，耦接於該輸入端及一接地端之間，用來於該輸入電壓大於一預設電壓時，產生一放電電流，以降低該輸入電壓至該預設電壓。

請參考第3圖，其為本發明實施例一電子系統30之示意圖。電子系統30包含有一電源供應器PS、一電感L_pa、一熱插拔(hot plug)埠HP_port、一穩壓電容C及一過電壓保護電路300。過電壓保護電路300耦接於熱插拔埠HP_port及接地端VGD之間，可透過熱插拔埠HP_port耦接於電源供應器PS，用來處理過電壓問題。此外，電壓保護電路300亦與穩壓電容C並聯，電感L_pa係通常存在於電源供應器PS及熱插拔埠HP_port間導線上之寄生電感。詳細來說，過電壓保護電路300包含一輸入端ND、一穩壓模組310及一P型金氧半場效電晶體(PMOS)M1。穩壓模組310用來提供一固定電壓V_fix，以控制P型金氧半場效電晶體M1之導通狀態。P型金氧半場效電晶體M1包含一源極、一閘極及一汲極，源極耦接於輸入端ND，用來接收電壓V_in，閘極耦接於穩壓模組310，用來接收固定電壓V_fix，以及汲極耦接於接地端VGD。此外，為簡化過電壓保護電路300，亦可將穩壓模組310及P型金氧半場效電晶體M1整合為一驅動模組。

當熱插拔埠HP_port導通時，根據電源供應器PS所產生之一電壓V_ps，電源供應器PS會輸出一充電電流I_ch，以對穩壓電容C進行充電，使其電壓V_in上升至一預設高電壓VCC。於電壓V_in達到高電壓VCC後，電源供應器PS會將電壓V_ps維持於一定值，以停止輸出充電電流I_ch，進而停止電壓V_in繼續上升。然而，在電感L_pa的作用之下，充電電流I_ch仍會在緩慢減小的情形下，繼續對穩壓電容C充電。當電壓V_in繼續升高，會使P型金氧半場效電晶體M1導通，產生一放電電流I_dis，以對穩壓電容C放電，並將電壓V_in降回高電壓VCC。換句話說，當電壓V_in大於固定電壓V_fix及該P型金氧半場效電晶體M1導通電壓之總和時，即電壓V_in及固定電壓V_fix之差大於導通電壓時，過電壓保護電路300開始運作，P型金氧半場效電晶體M1會導通，並產生放電電流I_dis，以對穩壓電容C放電。而當電壓V_in降回高電壓VCC時，過電壓保護電路30停止運作，P型金氧半場效電晶體M1會關閉，以停止對穩壓電容C放電，進而將電壓V_in維持於高電壓VCC。因此，電子裝置不僅藉由使用電源供應器PS所提供之高電壓VCC，以維持正常運作，亦可藉由使用過電壓保護電路300，避免熱插拔時所造成的過電壓問題，達到節省電力及延長電子裝置使用壽命的目的。

需注意的是，穩壓模組310係用來在不受電壓V_in變化的影響下，提供一穩定的固定電壓V_fix至P型金氧半場效電晶體M1之閘極，以精確地控制P型金氧半場效電晶體M1之導通或關閉，其實現方式則未有所限。舉例來說，為了避免穩壓電容C於負回授的情形下，產生難以控制的極點及零點，造成電路的不穩定，可較佳地使用一獨立電流源或一獨立電壓源來構成穩壓模組310，以避免耦接於穩壓電容C。請參考第4圖，其為本發明實施例一穩壓模組40之示意圖，用來以獨立電流源實現穩壓模組310。穩壓模組40包含有一獨立電流源400及一電阻R，根據獨立電流源400於電阻R上所產生的電壓差，穩壓模組40可輸出一固定電壓V_fix，其不受穩壓電容C之影響。此外，獨立電流源400之產生方式亦未有所限，舉例來說，可使用一電流鏡，以將電子裝置中較不受電壓V_in變化之電流使用於產生獨立電流源400。另一方面，請參考第5圖，其為本發明實施例一穩壓模組50之示意圖，用來以獨立電壓源實現穩壓模組310。穩壓模組50包含有一運算放大器(operational amplifier，OP)500、一參考電壓V_ref、一接地端VGD、一電阻R1及一電阻R2。藉由運算放大器所提供之虛擬短路(virtual short)，可使運算放大器輸出電壓值為(1+R1/R2)V_ref之固定電壓V_fix，其獨立於電壓V_in。如此一來，P型金氧半場效電晶體M1可根據電壓V_in，精確地導通或關閉，解決過電壓問題。

另一方面，為了能在電壓V_in大於高電壓VCC時，快速地將高電壓Vin降回高電壓VCC，可使用面積較大之P型金氧半場效電晶體M1於過電壓保護電路300，以增加放電電流I_dis之強度，達到加速放電的目的。此外，亦可將一N型金氧半場效電晶體(NMOS)M2耦接於P型金氧半場效電晶體M1及接地端VGD之間，如第6圖所示，其為本發明實施例一過電壓保護電路60之示意圖。藉由將N型金氧半場效電晶體M2之閘極耦接於一高電壓VDD，將其維持在導通狀態，可在P型金氧半場效電晶體M1導通時，進一步地加速放電。簡單來說，本發明可藉由控制電晶體之大小(即參數)，提高放電速度，減小過電壓所造成的影響。

此外，固定電壓V_fix之大小係相關於P型金氧半場效電晶體M1之導通電壓及高電壓VCC。舉例來說，當P型金氧半場效電晶體M1之導通電壓係1伏特時，可設定固定電壓V_fix相等於高電壓VCC，則當電壓V_in比高電壓VCC大1伏特時，P型金氧半場效電晶體M1會導通，並產生放電電流I_dis，以將電壓V_in降回高電壓VCC。或者，為了能提早將高電壓V_in降回高電壓VCC，可將固定電壓V_fix設定為(VCC-1)伏特，如此一來，當電壓V_in大於高電壓VCC時，P型金氧半場效電晶體M1會立刻導通，並產生放電電流I_dis，以將V_in降回VCC。簡單來說，本發明可藉由控制固定電壓V_fix之大小，決定開始放電之時間，減小過電壓所造成的影響。

綜上所述，本發明可於電子產品進行熱插拔時，對輸入電壓進行放電，以將輸入電壓降回一預設電壓，解決熱插拔所產生過電壓問題，達到節省電力及延長電子裝置使用壽命的目的。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10、30．．．電子系統

100．．．電子裝置

300、60．．．過電壓保護電路

310、40、50．．．穩壓模組

400．．．定電流源

500．．．運算放大器

C．．．穩壓電容

HP_Port．．．熱插拔埠

I_ch．．．充電電流

I_dis．．．放電電流

L_pa．．．電感

M1．．．P型金氧半場效電晶體

M2．．．N型金氧半場效電晶體

PS．．．電源供應器

ND．．．輸入端

R、R1、R2．．．電阻

V_in、V_ps．．．電壓

V_fix．．．固定電壓

VDD．．．高電壓

V_ref．．．參考電壓

VGD．．．接地端

第1圖為習知一電子系統之示意圖。

第2圖為第1圖中電源電壓、充電電流及輸入電壓變化之時序圖。

第3圖為本發明實施例一電子系統之示意圖。

第4圖為本發明實施例一穩壓模組之示意圖。

第5圖為本發明實施例一穩壓模組之示意圖。

第6圖為本發明實施例一過電壓保護電路之示意圖。

30．．．電子系統

300．．．過電壓保護電路

310．．．穩壓模組

C．．．穩壓電容

HP_Port．．．熱插拔埠

I_ch．．．充電電流

I_dis．．．放電電流

L_pa．．．電感

M1．．．P型金氧半場效電晶體

PS．．．電源供應器

ND．．．輸入端

V_fix、V_in、V_ps．．．電壓

VGD．．．接地端

Claims (16)

1. 一種過電壓保護(over voltage protection)電路，包含有：一輸入端，耦接於一輸入電源，用來接收該輸入電源所提供之一輸入電壓；以及一驅動模組，耦接於該輸入端及一接地端之間，用來於該輸入電壓大於一預設電壓時，產生一放電電流，以降低該輸入電壓至該預設電壓。
2. 如請求項1所述之過電壓保護電路，其中該驅動模組包含有一穩壓模組，用來產生一固定電壓；以及一P型金氧半場效電晶體(PMOS)，其包含有一源極，耦接於該輸入端，一汲極，耦接於該接地端，以及一閘極，耦接於該穩壓模組，用來接收該固定電壓。
3. 如請求項2所述之過電壓保護電路，其中該預設電壓係相關於該固定電壓及該P型金氧半場效電晶體之一導通電壓之一總和。
4. 如請求項2所述之過電壓保護電路，其中該驅動模組另包含有一N型金氧半場效電晶體(NMOS)，其包含有一源極，耦接於該接地端，一汲極，耦接於該P型金氧半場效電晶體之該汲極，以及一閘極，耦接於一高電壓，使該N型金氧半場效電晶體維持一導通狀態。
5. 如請求項2所述之過電壓保護電路，其中該穩壓模組包含有：一電流源，用來產生一固定電流；以及一電阻，耦接於該電流源，用來根據該固定電流產生一電壓差，以做為該固定電壓。
6. 如請求項5所述之過電壓保護電路，其中該穩壓模組包含有一電流鏡，該電流源根據該電流鏡，產生該固定電流。
7. 如請求項2所述之過電壓保護電路，其中該穩壓模組包含有一分壓電路，用來根據一參考電壓，以產生該固定電壓。
8. 如請求項7所述之過電壓保護電路，其中該分壓電路包含有：一運算放大器(operational amplifier，OP)，包含有一第一輸入端，用來接收該參考電壓、一第二輸入端以及一輸出端，用來產生該固定電壓；一第一電阻，耦接於該輸出端及第二輸入端之間；以及一第二電阻，耦接於該第二輸入端及該接地端之間。
9. 一種具有過電壓保護(over voltage protection)功能之電子系統，包含有：一輸入電源，用來提供一輸入電壓；以及一過電壓保護電路，包含有：一輸入端，耦接於該輸入電源，用來接收該輸入電壓；以及一驅動模組，耦接於該輸入端及一接地端之間，用來於該輸入電壓大於一預設電壓時，產生一放電電流，以降低該輸入電壓至該預設電壓。
10. 如請求項9所述之電子系統，其中該驅動模組包含有一穩壓模組，用來產生一固定電壓；以及一P型金氧半場效電晶體(PMOS)，其包含有一源極，耦接於該輸入端，一汲極，耦接於該接地端，以及一閘極，耦接於該穩壓模組，用來接收該固定電壓。
11. 如請求項10所述之電子系統，其中該預設電壓係相關於該固定電壓及該P型金氧半場效電晶體之一導通電壓之一總和。
12. 如請求項10所述之電子系統，其中該驅動模組另包含有一N型金氧半場效電晶體(NMOS)，其包含有一源極，耦接於該接地端，一汲極，耦接於該P型金氧半場效電晶體之該汲極，以及一閘極，耦接於一高電壓，使該N型金氧半場效電晶體維持一導通狀態。
13. 如請求項10所述之電子系統，其中該穩壓模組包含有：一電流源，用來產生一固定電流；以及一電阻，耦接於該電流源，用來根據該固定電流產生一電壓差，以做為該固定電壓。
14. 如請求項13所述之電子系統，其中該穩壓模組包含有一電流鏡，該電流源根據該電流鏡，產生該固定電流。
15. 如請求項10所述之電子系統，其中該穩壓模組包含有一分壓電路，用來根據一參考電壓，以產生該固定電壓。
16. 如請求項15所述之電子系統，其中該分壓電路包含有：一運算放大器(operational amplifier，OP)，包含有一第一輸入端，用來接收該參考電壓、一第二輸入端以及一輸出端，用來產生該固定電壓；一第一電阻，耦接於該輸出端及第二輸入端之間；以及一第二電阻，耦接於該第二輸入端及該接地端之間。