TW201315073A - 過電壓保護電路 - Google Patents

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Chung-Ming Lu
Ching-Feng Hsieh
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Abstract

一種過電壓保護電路係在電壓源與可攜式電子裝置之間提供輸入電壓是否超過該可攜式電子裝置所允許耐受額定電壓的過電壓保護(overvoltage protection)。其中，該電路透過輸入單元接收該電壓源所產生之輸入電壓，而該輸入電壓透過分壓模組產生分壓電壓以供穩壓模組產生可使第一開關單元進入短路狀態或開路狀態的第一控制訊號，並間接地控制第二開關單元進入該第一開關單元相反的短路狀態或開路狀態，藉以當該輸入電壓不小於該額定電壓時，可透過該第二開關單元將該輸入電壓停止供應給該可攜式電子裝置，使得可在不受溫度影響用以達到過電壓的保護。

Description

過電壓保護電路
本發明係關於一種過電壓保護電路，特別的是在電路中可不受到溫度變化影響而能有效地進行過電壓供應保護(overvoltage protection)的電路。
習知技術中，可攜式電子裝置係可透過電源供應連接單元(adapter)連接至外部的電壓源，以使得該電壓源所產生的輸入電壓係可透過該連接單元供應於該可攜式電子裝置，例如對該可攜式電子裝置進行充電或提供電源。
然而，隨著使用者身邊可攜式電子裝置的增多，各式類型的電源供應連接單元亦也隨之增多，但往往該等電源供應連接單元具有不同的電氣特性，例如具有不同的額定輸入/輸出電壓與電流。若使用者使用錯誤規格的電源供應連接單元，將會直接地對可攜式電子裝置造成損壞。舉例而言，一個可攜式電子裝置內的電池、電子元件與電子電路，其額定最大能夠承受的電壓係為12伏特，若使用者誤將高於12伏特的電壓直接地供應至該可攜式電子裝置，則該可攜式電子裝置內的電池、電子元件與電子電路係很有可能遭受到的高壓的破壞而無法動作。
再者，習知技術中係採用二極體、電晶體或比較單元組成過電壓保護電路。然而，該等電子元件係可能會受到環境溫度的變異影響，而造成特性的改變而容易造成不正確地執行該過電壓保護。
故有需要透過本發明所提供的過電壓保護電路，用以解決習知技術的缺失。
本發明之一目的係提供一種過電壓保護電路，係設置在電壓源與可攜式電子裝置之間，用以確保該可攜式電子裝置不致於因誤用超過該可攜式電子裝置所允許耐受額定電壓的輸入電壓而遭受到破壞。
本發明之另一目的係根據上述的過電壓保護電路，可在不受到溫度的變異影響下，仍可穩定地與有效地隔離不適當的該輸入電壓供應至該可攜式電子裝置。
本發明之又一目的係根據上述的過電壓保護電路，用以透過該分壓模組動態地設定該可攜式電子裝置可承受的額定電壓。
為達上述目的及其它目的，本發明係提供一種過電壓保護電路，係用於在電壓源與可攜式電子裝置之間提供輸入電壓是否超過該可攜式電子裝置所允許耐受額定電壓的過電壓保護(overvoltage protection)，其包含輸入單元、分壓模組、穩壓模組、第一開關單元與第二開關單元。該輸入單元係供接收該電壓源產生的該輸入電壓；該分壓模組係與該輸入單元連接，並將該輸入電壓分壓為分壓電壓；該穩壓模組係連接該輸入單元與該分壓模組，且該穩壓模組具有比較電壓，並根據該比較電壓與該分壓電壓的比較結果而產生第一控制訊號；該第一開關單元係連接該輸入單元與該穩壓模組，並透過該第一控制訊號的控制產生對應的第二控制訊號；以及，該第二開關單元係連接該輸入單元與該第一開關單元，且透過該第二控制訊號控制該輸入電壓輸出至該可攜式電子裝置。其中，當該輸入電壓係不小於該穩壓電壓時，該穩壓模組係藉由控制該第一開關單元而間接地控制該第二開關單元，用以停止該輸入電壓透過該第二開關單元輸出。
與習知技術相較，本發明的過電壓保護電路，係可透過簡易的分壓模組與穩壓模組用以達到過電壓保護的目的。其中，該穩壓模組係具有抗溫度變異的特性，不致於因為溫度的變化而造成錯誤的控制。此外，透過該分壓模組係可輕易地設定該可攜式電子裝置所能允許最大輸入的額定電壓，藉由前述的設定係可確保該可攜式電子裝置不致於因為接收到高於該額定電壓的輸入電壓所造成的破壞情況。故本發明具有低成本、功能穩定、簡易電路設計與低功耗的功效與目的。
為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：
參考第1圖，係本發明第一實施例之過電壓保護電路的方塊示意圖。於第1圖中，該過電壓保護電路10係設置在電壓源2與可攜式電子裝置4之間，用以提供輸入電壓Vin是否超過額定電壓的過電壓保護。其中，該電壓源2係可產生具有直流電壓或交流電壓的該輸入電壓Vin。於一實施例中，該額定電壓係可為在該可攜式電子裝置4所包含整體內部電路單元所能允許耐受的電壓，用以使得該過電壓保護電路可用以保護該內部電路單元不受到過電壓的破壞。
再者，該過電壓保護電路10係包含輸入單元12、分壓模組14、穩壓模組16、第一開關單元18與第二開關單元20。其中，該輸入單元12與該電壓源2連接，用以接收該電壓源2所產生之該輸入電壓Vin。於一實施例中，該輸入單元12係可具有整流電路，使得當該電壓源2係可在當該輸入單元12接收該交流電壓之後，能藉由該整流電路整流成具有直流電壓的該輸入電壓Vin。
該分壓模組16係具有二端，一端與該輸入單元12連接，而另一端連接至接地端GND。藉由上述的連接方式，該輸入單元12上的該輸入電壓Vin係透過該分壓模組14產生對應的分壓電壓Vvd。
一併參考第2圖，於該圖中，該分壓模組16係可由第一電阻單元R1與第二電阻單元R2串聯所組成，而該輸入電壓Vin係透過第一電阻單元R1與第二電阻單元R2形成該分壓電壓Vvd，並分別地在該第一電阻單元R1與該第二電阻單元R2上，產生第一分壓降VR1與第二分壓降VR2，而該分壓電壓Vvd係直接地自該第二電阻單元R2上取出。換言之，該分壓電壓Vvd係等於該第二分壓降VR2，故該分壓電壓Vvd、該輸入電壓Vin、該第一電阻單元R1與該第二電阻單元R2間的關係，係可表示如下：
V vd (R 2/(R 1+R 2))×V in
該穩壓模組16係分別地連接該輸入單元12與該分壓模組14，且該穩壓模組16具有比較電壓Vcmp，並根據該比較電壓與該穩壓模組16所接收的該分壓電壓Vvd的比較結果產生第一控制訊號FCS。
於一實施例中，當該分壓電壓Vvd係小於該比較電壓Vcmp時，該穩壓模組16係產生控制該第一開關單元18進入開路狀態的該第一控制訊號FCS；反之，若該分壓電壓Vvd係大於或等於該比較電壓Vcmp時，則該穩壓模組16係產生控制該第一開關單元18進入短路狀態的該第一控制訊號FCS。
於一實施例中，係可一併參考第3圖，係說明前述該穩壓模組16的詳細內部方塊圖。於第3圖中，該穩壓模組更包含第三電阻單元R3、比較單元162與第三開關單元164。其中，該電阻單元R3係具有二連接端，一端連接該輸入單元12，另一端與該第三開關單元164連接，亦即該電阻單元R3係與該第三開關單元164串聯連接。該比較單元162係具有分壓電壓端1622、比較電壓端1624與比較輸出端1626，該分壓電壓端1622係接收該分壓電壓Vvd、該比較電壓端1624係接收該比較電壓Vcmp與該比較電壓輸出端1626根據該分壓電壓Vvd與該比較電壓Vcmp輸出該比較結果CR。其中，該第三開關單元164係包含第三輸入端1642、第三輸出端1644與第三控制端1646，該第三控制端1646係連接該比較輸出端1626，該第三輸入端1642係連接至該第三電阻單元R3，以及該第三輸出端1644係連接至接地端GND。再者，該第三開關單元164係可根據該比較結果CR使得該第三開關單元164呈現短路狀態，亦即該輸入電壓Vin係可透過該第三電阻單元R3、該第三輸入端1642與該第三輸出端1644連接至該接地端GND，且該輸入電壓Vin經由該電阻單元162連接至接地端GND，又該接地端GND的電位係為零電位，使得在該第三輸入端1642產生可控制該第一開關單元18進入短路狀態的該第一控制訊號FCS；或者，當該第三開關單元164係根據該比較結果CR呈現開路狀態，亦即該輸入電壓Vin係無入進入該第三開關單元164，而是直接地輸出至該第一開關單元16，使得在該第三輸入端1642產生可控制該第一開關單元18進入開路狀態的該第一控制訊號FCS。
回到第1圖，該第一開關單元18係連接該輸入單元12與該穩壓模組16，並透過該第一控制訊號FCS的控制產生對應的第二控制訊號SCS。再者，該第一開關單元18係包含第一輸入端182、第一輸出端184與第一控制端186，該第一控制端186係連接該第三電阻單元R3與該第三開關單元164，該第一輸入端182係連接該輸入單元12，以及該第一輸出端184係連接至該第二開關單元20。此外，該第一開關單元18係根據該第一控制訊號FCS，在該第一開關單元18之一端選擇地產生可使得該第二開關單元20進入開路狀態與短路狀態的第二控制訊號SCS。
該第二開關單元20係連接該輸入單元2與該第一開關單元18，且透過該第二控制訊號SCS控制該輸入電壓Vin輸出至該可攜式電子裝置4。再者，該第二開關單元20係包含第二輸入端202、第二輸出端204與第二控制端206，該第二控制端206係連接該第一開關單元18、該第二輸入端202係接收該輸入電壓Vin，以及該第二輸出端204係連接至該可攜式電子裝置4。
換言之，該第一控制訊號FCS與該第二控制訊號SCS係進行相反地控制該第一開關單元18與該第二開關單元20分別地進入開路狀態與短路狀態。
一併參考第4圖，係說明第1圖中該第一開關單元18的詳細電路示意圖。於第4圖中，係以P型的金屬氧化物半導體場效應電晶體做為該第一開關單元18為例說明，其中該第一輸入端182係對應至該源極端、該第一輸出端184係對應至該汲極端，以及該第一控制端186係對應至閘極端。該P型的金屬氧化物半導體場效應電晶體的特性係當施加於閘極端的電壓低於源極端(或汲極端)的電壓時，則該源極端與該汲極端之間呈現短路(亦稱導通)狀態；反之，當施加於閘極端的電壓高於源極端(或汲極端)的電壓時，該源極端與該汲集端之間呈現開路(亦稱截止)狀態。
當該第一控制訊號FCS係為零電壓時，由於該第一源極端的電壓高於該第一閘極端的電壓，故該第一開關單元18的該第一源極端與該第一汲極端之間呈現短路的狀態，而讓該輸入電壓Vin自該第一源極端輸入並且經由該第一汲極端輸出以形成具有該輸入電壓Vin以提供該第二開關單元20進入開路狀態的第二控制訊號SCS；以及，當該第一控制訊號FCS係為該輸入電壓Vin時，由於該第一源極端的電壓係等於該第一閘極端的電壓，故該第一開關單元18的該第一源極端與該第一汲極端之間呈現開路的狀態，而讓該輸入電壓Vin無法自該第一汲極端輸出該第二短路控制訊號SCS，而此時的該第二短路控制訊號SCS係呈現零伏特電壓的狀態。
一併參考第5圖，係說明第1圖中該第二開關單元20的詳細電路示意圖。於第5圖中，係以P型的金屬氧化物半導體場效應電晶體做為該第二開關單元20為例說明，其中該第二輸入端202係對應至該源極端、該第二輸出端204係對應至該汲極端，以及該第二控制端206係對應至閘極端。
該第二開關單元20係具有第二閘極端、第二源極端與第二汲極端，且該第二閘極端係連接該第一開關單元18的該第一汲極端以接收該第二控制訊號SCS、該第二源極端係與該輸入單元12連接、以及該第二汲極端係與該可攜式電子裝置4連接。
當該第二控制訊號SCS係為該輸入電壓Vin時，係使得該第二開關單元20之該第二源極端的電壓等於該第二閘極端的電壓，故該第二開關單元20的該第二源極端與該第二汲極端之間係會呈現開路狀態，而讓該輸入電壓Vin無法透過該第二開關單元20供應至該可攜式電子裝置4；以及，當該第二控制訊號SCS係使得該第二開關單元20為零伏特電壓時，由於該第二源極端的電壓高於該第二閘極端的電壓，故該第二開關單元20的該第二源極端與該第一汲極端之間呈現短路的狀態，而讓該輸入電壓Vin自該第二源極端輸入並且經由該第二汲極端輸出至該可攜式電子裝置4。
故本發明之過電壓保護電路係可透過簡易的分壓模組與穩壓模組用以達到過電壓保護的目的。其中，該穩壓模組係具有抗溫度變異的特性，不致於因為溫度的變化而造成錯誤的控制。此外，透過該分壓模組係可輕易地設定該可攜式電子裝置所能允許最大輸入的額定電壓，藉由前述的設定係可確保該可攜式電子裝置不致於因為接收到高於該額定電壓的輸入電壓所造成的破壞情況。故本發明具有低成本、功能穩定、簡易電路設計與低功耗的功效與目的。
本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。
2．．．電壓源
4．．．可攜式電子裝置
10．．．過電壓保護電路
12．．．輸入單元
14．．．分壓模組
16．．．穩壓模組
162．．．比較單元
1622．．．分壓電壓端
1624．．．比較電壓端
1626．．．比較輸出端
164．．．第三開關單元
18．．．第一開關單元
182．．．第一輸入端
184．．．第一輸出端
186．．．第一控制端
20．．．第二開關單元
202．．．第二輸入端
204．．．第二輸出端
206．．．第二控制端
Vin．．．輸入電壓
GND．．．接地端
Vvd．．．分壓電壓
R1．．．第一電阻單元
R2．．．第二電阻單元
R3．．．第三電阻單元
VR1．．．第一分壓降
VR2．．．第二分壓降
FCS．．．第一控制訊號
SCS．．．第二控制訊號
Vcmp．．．比較電壓
CR．．．比較結果
第1圖係本發明第一實施例之過電壓保護電路的方塊示意圖；
第2圖係說明第1圖中過電壓保護電路之分壓模組的詳細示意圖；
第3圖係說明第1圖中過電壓保護電路之穩壓單元的詳細示意圖；
第4圖係說明第1圖中過電壓保護電路之第一開關單元的動作示意圖；以及
第5圖係說明第1圖中過電壓保護電路之第二開關單元的動作示意圖。
2．．．電壓源
4．．．可攜式電子裝置
10．．．過電壓保護電路
12．．．輸入單元
14．．．分壓模組
16．．．穩壓模組
18．．．第一開關單元
182．．．第一輸入端
184．．．第一輸出端
186．．．第一控制端
20．．．第二開關單元
202．．．第二輸入端
204．．．第二輸出端
206．．．第二控制端
Vin．．．輸入電壓
GND．．．接地端
Vvd．．．分壓電壓
FCS．．．第一控制訊號
SCS．．．第二控制訊號

Claims (13)

  1. 一種過電壓保護電路，係用於在電壓源與可攜式電子裝置之間提供輸入電壓是否超過該可攜式電子裝置所允許耐受額定電壓的過電壓保護(overvoltage protection)，其包含：輸入單元，係供接收該電壓源產生的該輸入電壓；分壓模組，係與該輸入單元連接，並將該輸入電壓分壓為分壓電壓；穩壓模組，係連接該輸入單元與該分壓模組，且該穩壓模組具有比較電壓，並根據該比較電壓與該分壓電壓的比較結果產生第一控制訊號；第一開關單元，係連接該輸入單元與該穩壓模組，並透過該第一控制訊號的控制產生對應的第二控制訊號；以及第二開關單元，係連接該輸入單元與該第一開關單元，且透過該第二控制訊號控制該輸入電壓輸出至該可攜式電子裝置；其中，當該輸入電壓係不小於該穩壓電壓時，該穩壓模組係藉由控制該第一開關單元控制該第二開關單元，用以停止該輸入電壓透過該第二開關單元輸出。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之過電壓保護電路，其中該第一控制訊號與該第二控制訊號係進行相反地控制該第一開關單元與該第二開關單元分別地進入開路狀態與短路狀態。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之過電壓保護電路，其中該穩壓模組的該比較結果係當該分壓電壓不小於該比較電壓時產生控制該第一開關單元進入短路狀態的該第一控制訊號，或當該分壓電壓小於該比較電壓時產生控制該第一開關單元進入開路狀態的該第一控制訊號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之過電壓保護電路，其中當該第一開關單元係為短路狀態時，該輸入電壓係透過該第一開關單元形成控制該第二開關單元進入開路狀態的該第二控制訊號，或當該第一開關單元係為開路狀態時，該第一開關單元係形成控制該第二開關單元進入短路狀態的該第二控制訊號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之過電壓保護電路，其中該分壓模組係包含第一電阻單元與第二電阻單元，該第一電阻單元與該第二電阻單元係串聯連接，且該輸入電壓係在該第二電阻單元產生該分壓電壓。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之過電壓保護電路，其中該穩壓模組係包含第三電阻單元、比較單元與第三開關單元，該第三電阻單元係設置在該輸入單元與該第三開關單元之間，並以串聯方式連接該第三電阻單元與該第三開關單元，根據該比較結果控制該第三開關單元而產生該第一控制訊號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之過電壓保護電路，其中當該分壓電壓係小於該比較電壓時，該比較單元控制該第三開關單元進入開路狀態，或當該分壓電壓係大於或等於該比較電壓，該比較單元控制該開關單元進入短路狀態。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之過電壓保護電路，其中該比較單元係具有分壓電壓端、比較電壓端與比較輸出端，該分壓端係接收該分壓電壓、該比較電壓端係接收該比較電壓與該比較輸出端根據該分壓電壓與該比較電壓輸出該比較結果。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之過電壓保護電路，其中該第三開關單元包含第三輸入端、第三輸出端與第三控制端，該第三控制端係連接該比較輸出端，該第三輸入端係連接至該第三電阻單元，以及該第三輸出端係連接至接地端。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之過電壓保護電路，其中該第一開關單元包含第一輸入端、第一輸出端與第一控制端，該第一控制端係連接該第三電阻單元與該第三開關單元，該第一輸入端係連接該輸入單元，以及該第一輸出端係連接至該第二開關單元。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之過電壓保護電路，其中該第二開關單元包含第二輸入端、第二輸出端與第二控制端，該第二控制端係與該第一輸出端連接，該第二輸入端係與該輸入單元連接，以及該第二輸出端係供連接至該可攜式電子裝置。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之過電壓保護電路，其中該第一開關單元、該第二開關單元與該第三開關單元係金屬氧化物半導體場效應電晶體。
  13. 一種具過電壓保護電路的可攜式電子裝置，係供用於接收一輸入電壓，其包含：內部電路單元，係設置於該可攜式電裝置中；輸入單元，係供接收該電壓源產生的該輸入電壓；分壓模組，係與該輸入單元連接，並將該輸入電壓分壓為分壓電壓；穩壓模組，係連接該輸入單元與該分壓模組，且該穩壓模組具有比較電壓，並根據該比較電壓與該分壓電壓的比較結果產生第一控制訊號；第一開關單元，係連接該輸入單元與該穩壓模組，並透過該第一控制訊號的控制產生對應的第二控制訊號；以及第二開關單元，係連接該輸入單元與該第一開關單元，且透過該第二控制訊號控制該輸入電壓輸出至該可攜式電子裝置；其中，當該輸入電壓係不小於該穩壓電壓時，該穩壓模組係藉由控制該第一開關單元控制該第二開關單元，用以停止該輸入電壓透過該第二開關單元輸出。
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