TW201513516A - 負載保護電路及負載保護方法 - Google Patents

Abstract

一種負載保護電路連接於電源單元和負載之間，其包括用於與負載插接的介面單元、第一偵測單元、控制單元以及開關單元。第一偵測單元用於在偵測到負載與介面單元插接時產生觸發訊號。控制單元用於在接收到觸發訊號時產生預定佔空比的脈寬調製訊號給開關單元。開關單元用於接收控制單元輸出的脈寬調製訊號並週期性地導通或斷開電源單元與介面單元之間的電性連接。其中，脈寬調製訊號的佔空比逐漸增大；開關單元導通時間逐漸增大，斷開時間逐漸減小。本發明還提供一種負載保護方法。

Description

負載保護電路及負載保護方法

本發明涉及電子技術領域，特別涉及一種負載保護電路及一種負載保護方法。

負載，例如臺式電腦主機、電視機、電冰箱、筆記本電腦等，通常都具有電源適配器。眾所周知，電源適配器是插接220V交流電壓，並將220V交流電壓轉換成12V或24V等直流電壓，以提供給負載供電。然而，當電源適配器插電瞬間會出現突波電流過大的情況，上述突波電流會對負載中的電子元器件（例如降壓IC、電容、磁珠等）造成損傷。

有鑒於此，有必要提供一種能夠防止負載損傷的負載保護電路。

還有必要提供一種夠防止負載損傷的負載保護方法。

一種負載保護電路，連接於電源單元和負載之間。其包括用於與負載插接的介面單元、第一偵測單元、控制單元以及開關單元。第一偵測單元用於在偵測到負載與介面單元插接時產生偵測訊號。該控制單元用於在接收到偵測訊號時產生預定佔空比的脈寬調製訊號給開關單元。該開關單元用於接收控制單元輸出的脈寬調製訊號並週期性地導通或斷開電源單元與介面單元之間的電性連接。其中，該脈寬調製訊號的佔空比逐漸增大；該開關單元導通時間逐漸增大，斷開時間逐漸減小。

一種負載保護方法，其用於負載保護電路對負載進行保護；該負載保護電路包括控制單元；該控制單元預設有第一預定時間、多個不同的閾值電壓以及與每個閾值電壓一一對應的佔空比；該負載保護方法包括如下步驟：

獲取當前採樣電壓並累計採樣時間；

判斷當前採樣時間是否小於第一預定時間；

若當前採樣時間小於第一預定時間，判斷採樣電壓是否等於前一時刻採樣電壓；

若當前採樣電壓不等於前一時刻採樣電壓，清零檢測時間並將當前採樣電壓與若干閾值電壓依次進行比較；

輸出與該閾值電壓對應佔空比的脈寬調製訊號。

上述負載保護電路及負載保護方法，由於控制單元產生的脈寬調製訊號的佔空比由小變大，使得開關單元導通時間由短變長，使得流入負載的電流由小變大，進而使得負載與介面單元插接瞬間時電源單元產生較大的突波電流的損壞能力被削弱了，從而有效地避免了負載與介面單元插接瞬間時電源單元產生較大的突波電流對負載造成損壞。

圖1為一較佳實施方式的負載保護裝置的功能模組圖。

圖2為圖1中負載保護裝置的負載保護電路的功能模組圖。

圖3為圖2中一較佳實施方式的負載保護電路的電路圖。

圖4為一較佳實施方式的負載保護方法的流程圖。

請參閱圖1，一較佳實施方式的負載保護裝置900包括負載保護電路100、電源單元200及負載300。負載保護電路100連接於電源單元200和負載300之間，其用於防止來自電源單元200的突波電流對負載300造成損傷。在本實施方式中，電源單元200為電源適配器，負載300為筆記本電腦，電源單元200輸出的工作電壓為24V或者12V。

請一併參閱圖2，負載保護電路100包括介面單元10、第一偵測單元20、濾波單元30、控制單元40、開關單元50及第二偵測單元60。

介面單元10用於與負載300相連。在本實施方式中，負載300插接於介面單元10中。

第一偵測單元20連接於電源單元200和介面單元10之間，並與控制單元40相連。第一偵測單元20用於在偵測到負載300與介面單元10插接時產生觸發訊號，並在未偵測到負載300與介面單元10插接時停止產生觸發訊號。

濾波單元30連接於電源單元200和控制單元40之間。濾波單元30用於對電源單元200輸出的電壓進行濾波，並將濾波後的電壓輸出給控制單元40。

控制單元40連接於濾波單元30和開關單元50之間，並接收第一偵測單元20產生的觸發訊號。控制單元40用於在接收到觸發訊號時產生預定佔空比的脈寬調製訊號給開關單元50，並在未接收到觸發訊號時停止產生脈寬調製訊號給開關單元50。其中，脈寬調製訊號由第一電平和第二電平交替組成並以週期迴圈。在本實施方式中，預定佔空比為5%；其中，第一電平為高電平，第二電平為低電平。

開關單元50連接於電源單元200和介面單元10之間，開關單元50用於根據控制單元40輸出的脈寬調製訊號週期性地導通或斷開電源單元200與介面單元10之間的電性連接。當脈寬調製訊號處於第一電平時，開關單元50導通並建立電源單元200與介面單元10之間的電性連接；當脈寬調製訊號處於第二電平時，開關單元50截止並斷開電源單元200與介面單元10之間的電性連接。在本實施方式中，在預定時間內該脈寬調製訊號的佔空比逐漸增大，開關單元50相應的導通時間逐漸增大，斷開的時間逐漸減小。

第二偵測單元60的一端與控制單元40連接，另一端連接於開關單元50和介面單元10之間。第二偵測單元60用於對介面單元10接收的電壓進行分壓後產生採樣電壓。

控制單元40還預設有第一預定時間、第二預定時間、基準電壓、多個不同的閾值電壓以及與每個閾值電壓一一對應的佔空比。控制單元40用於接收當前採樣電壓並累計採樣時間，比較當前採樣時間與第一預定時間的大小。若當前採樣時間小於第一預定時間，將當前採樣電壓與前一時刻的採樣電壓進行比較。若當前採樣電壓等於前一時刻的採樣電壓，則控制單元40開始累計檢測時間，並判斷當前檢測時間與第二預定時間的大小。若當前檢測時間大於第二預定時間，則認為負載異常（例如負載300功率過大或者負載300短路），控制單元40控制開關單元50持續斷開。

進一步地，若檢測時間小於第二預定時間，則控制單元40繼續接收採樣電壓，並將當前採樣電壓與前一時刻電壓進行比較。若當前採樣電壓不等於前一時刻的採樣電壓，則控制單元40清零檢測時間並將當前採樣電壓與若干閾值電壓依次進行比較。若當前採樣電壓等於其中一個閾值電壓時，控制單元40產生一個與該閾值電壓對應的佔空比的PWM訊號。在本實施方式中，閾值電壓分別為0.25V、0.5V、0.75V、1V、1.25V、1.5V、1.75V、2V、2.25V及2.5V；與其一一對應的佔空比分別為10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%及100%。即當採樣電壓為0.25V時，控制單元40產生佔空比為10%的PWM訊號，依此類推，當採樣電壓為2.25V時，控制單元40產生佔空比為90%的PWM訊號，當採樣電壓為2.5V時，控制單元40產生佔空比為100%的PWM訊號，此時開關單元50持續導通電源單元200與介面單元10之間的電性連接。

進一步地，若累計的當前採樣時間大於或等於第一預定時間，控制單元40將當前採樣電壓與基準電壓進行比較。若當前採樣電壓等於基準電壓，則認為負載正常，控制單元40控制開關單元50持續導通；若當前採樣電壓不等於基準電壓，則認為負載異常（例如負載300功率過大或者負載300短路），控制單元40控制開關單元50持續斷開。在本實施方式中，基準電壓為閾值電壓中的最大值。

在其他實施方式中，控制單元40可省略“將當前採樣電壓與前一時刻的採樣電壓進行比較”之步驟，直接將前採樣電壓與閾值電壓進行比較。

請再參閱圖3，其為一較佳實施方式的負載保護電路的電路圖。負載300包括第一插腳11、第二插腳12、第三插腳13、第四插腳14。其中，第一插腳11與第二插腳12電性連接，第三插腳13與第四插腳14電性連接。

介面單元10包括由導電材料製成且相互絕緣設置的第一插孔1、第二插孔2、第三插孔3及第四插孔4。第二插孔2藉由開關單元50與電源單元200電性連接，第三插孔3接地，第四插孔4與第一偵測單元20相連。

第一偵測單元20包括第一電阻R1及第二電阻R2。第一電阻R1的一端與電源單元200連接，另一端與第四插孔4電性連接。第二電阻R2的一端與控制單元40相連，另一端連接於第一電阻R1和第四插孔4之間。

濾波單元30包括濾波電容C1。濾波電容C1的一端連接於電源單元200和控制單元40之間，另一端接地。

控制單元40包括用於與第一偵測單元20連接的觸發引腳42、用於接收採樣電壓的偵測引腳44以及用於輸出脈寬調製訊號的控制引腳46。

開關單元50包括三極體Q1、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、電晶體M1及第六電阻R6。三極體Q1的基極藉由第三電阻R3連接控制引腳46，三極體Q1的基極還藉由第四電阻R4接地。三極體Q1的射極接地，三極體Q1的集極藉由第五電阻R5連接電晶體M1的閘極， 電晶體M1的源極連接電源單元200，電晶體M1的汲極連接介面單元10的第二插孔2。第六電阻R6連接於電晶體M1的源極與閘極之間。在本實施方式中，三極體Q1為NPN型三極體，電晶體M1為P型場效應電晶體。

第二偵測單元60包括第七電阻R7、第八電阻R8及第九電阻R9。第七電阻R7的一端連接於電晶體M1的汲極與第二插孔2之間，另一端藉由第八電阻R8接地。第九電阻R9的一端與第二偵測引腳44相連，另一端連接於第八電阻R8和第九電阻R9之間。

負載保護電路100的工作原理介紹如下：

當負載300與介面單元10未插接時，第一電阻R1與第二電阻R2之間的電位（即A點電位）為高電位。當負載300與介面單元10插接時，第一插腳11與第一插孔1電性連接，第二插腳12與第二插孔2電性連接，第三插腳13與第三插孔3電性連接，第四插腳14與第四插孔4電性連接，使得第四插孔4接地。此時，A點電位由高電位變成低電位，即第一偵測單元20產生偵測訊號。此時，控制單元40輸出佔空比為5%的脈寬調製訊號給三極體Q1的基極，使得三極體Q1及電晶體M1間隔導通，控制單元40藉由第二偵測單元60獲得採樣電壓並開始計時，累計採樣時間。若當前採樣時間小於第一預定時間時，控制單元40將當前採樣電壓與前一時刻採樣電壓進行比較，並當前採樣電壓等於前一時刻的採樣電壓時開始累計檢測時間，若當前檢測時間大於第二預定時間，則認為負載異常（例如負載300功率過大或者負載300短路），控制單元40控制電晶體M1持續斷開。因此，若負載300在插接過程中出現異常，負載保護電路100會斷開電源單元200與負載300之間的電性連接已達到保護負載的目的。

若當前檢測時間小於第二預定時間則控制單元40繼續接收採樣電壓並比較當前採樣電壓與前一時刻採樣電壓是否相等。若當前採樣電壓不等於前一時刻的採樣電壓，則控制單元40清零檢測時間並將當前採樣電壓與若干閾值電壓依次進行比較。當當前採樣電壓等於其中一個閾值電壓時，控制單元40產生一個與該閾值電壓對應的佔空比的PWM訊號。例如，當控制單元40的偵測引腳44偵測到採樣電壓為0.25V且與前一時刻採樣電壓不相等時，控制引腳46輸出10%佔空比的脈寬調製訊號給三極體Q1的基極，使得三極體Q1及電晶體M1的導通時間變長。依此類推，開關單元50輸出的電壓值逐漸增大，進而使得偵測引腳44偵測到的採樣電壓逐漸增大，控制單元40根據增大的採樣電壓調整脈寬調製訊號的佔空比，以延長電晶體M1的導通時間。由於開關單元50導通時間由短變長，使得流入負載300的電流由小變大，進而使得負載300與介面單元10插接瞬間時電源單元200產生較大的突波電流的損壞能力被削弱了，從而有效地避免了負載300與介面單元10插接瞬間時電源單元200產生較大的突波電流對負載300造成損壞。

進一步地，若當前採樣時間大於或等於第一預定時間時，若偵測引腳44偵測到的採樣電壓不等於基準電壓，則表示負載300出現異常，此時，控制單元40控制電晶體M1持續斷開，即停止輸出脈寬調製訊號；若偵測引腳44偵測到的採樣電壓等於基準電壓，則表示負載300正常，此時，控制單元40控制電晶體M1持續導通，即輸出100%佔空比的脈寬調製訊號。因此，若負載300正常工作後出現異常時，負載保護電路100會斷開電源單元200與負載300之間的電性連接已達到保護負載的目的。

請參看圖4，其為一較佳實施方式的負載保護方法的流程圖。負載保護方法，包括如下步驟：

S201：獲取當前採樣電壓並累計採樣時間。

S202：判斷當前採樣時間是否小於第一預定時間。若當前採樣時間小於第一預定時間，進入步驟S203；若當前採樣時間大於第一預定時間，進入步驟S208。

S203：判斷當前採樣電壓是否等於前一時刻採樣電壓。若當前採樣電壓等於前一時刻採樣電壓，進入步驟S204；若當前採樣電壓不等於前一時刻採樣電壓，進入步驟S206。

S204：開始累計檢測時間。

S205：判當前斷檢測時間是否大於第二預定時間。若當前檢測時間大於第二預定時間，進入步驟S210；若當前檢測時間小於第二預定時間，進入步驟S201。

S206：清零檢測時間並將當前採樣電壓與若干閾值電壓依次進行比較。

S207：輸出與該閾值電壓對應佔空比的PWM訊號，進入步驟S201。

S208：判斷當前採樣電壓是否等於基準電壓。若當前採樣電壓等於基準電壓，進入步驟S209；若當前採樣電壓不等於基準電壓，進入步驟S210。

S209：控制開關單元持續導通，進入步驟S201。

S210：控制開關單元持續斷開。

綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上該僅為本發明的較佳實施方式，舉凡熟悉本案技藝的人士，在爰依本案創作精神所作的等效修飾或變化，皆應包含於以下的申請專利範圍內。

900‧‧‧負載保護裝置

100‧‧‧負載保護電路

200‧‧‧電源單元

300‧‧‧負載

10‧‧‧介面單元

20‧‧‧第一偵測單元

30‧‧‧濾波單元

40‧‧‧控制單元

50‧‧‧開關單元

60‧‧‧第二偵測單元

R1~R9‧‧‧第一電阻~第九電阻

Q1‧‧‧三極體

C1‧‧‧濾波電容

M1‧‧‧電晶體

1~4‧‧‧第一插孔~第四插孔

11~14‧‧‧第一插腳~第四插腳

42‧‧‧觸發引腳

44‧‧‧偵測引腳

46‧‧‧控制引腳

S201~S210‧‧‧負載保護方法

無

100‧‧‧負載保護電路

200‧‧‧電源單元

300‧‧‧負載

10‧‧‧介面單元

20‧‧‧第一偵測單元

30‧‧‧濾波單元

40‧‧‧控制單元

50‧‧‧開關單元

60‧‧‧第二偵測單元

Claims (10)

1. 一種負載保護電路，連接於電源單元和負載之間；其包括用於與負載插接的介面單元；其改良在於：該負載保護電路還包括第一偵測單元、控制單元以及開關單元；該第一偵測單元用於在偵測到負載與介面單元插接時產生觸發訊號；該控制單元用於在接收到觸發訊號時產生預定佔空比的脈寬調製訊號給該開關單元；該開關單元用於接收脈寬調製訊號並週期性地導通或斷開電源單元與介面單元之間的電性連接；其中，該脈寬調製訊號的佔空比逐漸增大；該開關單元導通時間逐漸增大，斷開時間逐漸減小。
2. 如申請專利範圍第1項所述之負載保護電路，其中該負載保護電路還包括第二偵測單元，該第二偵測單元的一端與控制單元連接，另一端連接於該開關單元和該介面單元之間；該第二偵測單元用於偵測該介面單元接收到的電壓以產生採樣電壓；該控制單元還預設有第一預定時間、多個不同的閾值電壓以及與每個閾值電壓一一對應的佔空比；該控制單元還用於在接收到觸發訊號後開始計時並累計採樣時間，比較採樣時間與第一預定時間的大小；若當前採樣時間小於第一預定時間該控制單元將採樣電壓與每個閾值電壓進行比較，若當前採樣電壓等於其中一個閾值電壓時，該控制單元產生一個與該閾值電壓對應的佔空比的脈寬調製訊號。
3. 如申請專利範圍第2項所述之負載保護電路，其中該負載保護電路還包括基準電壓；若該當前採樣時間大於第一預定時間，該控制單元將採樣電壓與基準電壓進行比較；若當前採樣電壓等於基準電壓，該控制單元控制該開關單元持續導通；若當前採樣電壓不等於基準電壓，該控制單元控制該開關單元持續斷開。
4. 如申請專利範圍第2項所述之負載保護電路，其中該負載保護電路還包括第二預定時間；若當前採樣時間小於第一預定時間時，該控制單元將當前採樣電壓與前一時刻的採樣電壓進行比較；若當前採樣電壓等於前一時刻的採樣電壓，該控制單元累計檢測時間，並判斷檢測時間與第二預定時間的大小；若當前檢測時間大於第二預定時間，該控制單元控制開關單元持續斷開。
5. 如申請專利範圍第4項所述之負載保護電路，其中若當前採樣電壓不等於前一時刻的採樣電壓，該控制單元清零檢測時間並將當前採樣電壓與若干閾值電壓依次進行比較；若當前採樣電壓等於其中一個閾值電壓時，該控制單元產生一個與該閾值電壓對應的佔空比的脈寬調製訊號。
6. 如申請專利範圍第1項所述之負載保護電路，其中該開關單元包括三極體、第三電阻、第四電阻、第五電阻、電晶體及第六電阻；該三極體的基極藉由第三電阻連接控制單元，該三極體三極體的基極還藉由第四電阻接地；該三極體的射極接地，該三極體的集極藉由第五電阻連接電晶體的閘極；該電晶體的源極連接電源單元，該電晶體的汲極連接介面單元；該第六電阻連接於電晶體的源極與閘極之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之負載保護電路，其中該負載保護電路還包括濾波單元；該濾波單元連接於該電源單元和該控制單元之間；該濾波單元用於對該電源單元輸出的電壓進行濾波，並將濾波後的電壓輸出至該控制單元。
8. 一種負載保護方法，其用於負載保護電路對負載進行保護；該負載保護電路包括控制單元；該控制單元預設有第一預定時間、多個不同的閾值電壓以及與每個閾值電壓一一對應的佔空比；該負載保護方法包括如下步驟：
   獲取當前採樣電壓並累計採樣時間；
   判斷當前採樣時間是否小於第一預定時間；
   若當前採樣時間小於第一預定時間，判斷採樣電壓是否等於前一時刻採樣電壓；
   若採樣電壓不等於前一時刻採樣電壓，清零檢測時間並將當前採樣電壓與若干閾值電壓依次進行比較；
   輸出與該閾值電壓對應佔空比的脈寬調製訊號。
9. 如申請專利範圍第8項所述之負載保護方法，其中該控制單元還包括第二預定時間；若採樣時間小於第一預定時間，判斷當前採樣電壓是否等於前一時刻採樣電壓之步驟還包括如下步驟：
   若當前採樣電壓等於前一時刻採樣電壓，開始累計檢測時間；
   判斷當前檢測時間是否大於第二預定時間；
   若當前檢測時間大於第二預定時間，控制開關單元持續斷開。
10. 如申請專利範圍第8項所述之負載保護方法，其中該控制單元還包括基準電壓；判斷當前採樣時間是否小於第一預定時間之步驟還包括如下步驟：
    若當前採樣時間大於第一預定時間，判斷當前採樣電壓是否等於基準電壓；
    若當前採樣電壓不等於基準電壓，控制開關單元持續斷開。