TWI424648B - 電路保護裝置及保護方法 - Google Patents

Description

電路保護裝置及保護方法

本發明係關於一種電路保護裝置及保護方法。

電源供應器，例如是電源轉換器或充電器，是用以提供負載一穩定的電壓及或電流。為了提供使用者及電子裝置一個安全的操作環境並符合安規，現今的電源供應器均具有一電路保護裝置，以確保於發生短路或過電流的狀況時，限制電源供應器的輸出功率或進一步的停止電源供應器運作，以避免電源供應器及與其連接之負載受到永久性的損害。

請參照圖1A所示，習知的電路保護裝置1是直接採用一運算放大器（operational amplifier），並透過偵測電流以判斷是否產生過電流或短路的狀況。雖然，習知的電路保護裝置1具有電路設計較為簡易的優點，但是，由於啟動習知之電路保護裝置1的臨界值（threshold）為一固定值，且電路保護裝置1必須達到過電流（over current）的臨界值之後才會啟動保護，因而對於額定輸出為大電流之電源供應器而言，例如是輸出電流大於150安培的電源供應器，當電路保護裝置1啟動保護時，電源供應器內部之元件及與其連接之負載已經承受相當大的應力。

請參照圖1B所示，其係為一額定輸出電流為150A之電源供應器採用習知之電路保護裝置1時，電路保護裝置1啟動保護之波形圖。若電源供應器內部之元件或負載於電源供應器開始運作前已經產生短路的異常狀況時，則於電源供應器啟動的瞬間，啟動電流C_S 將為一瞬間大電流。又由於電路保護裝置1係於啟動電流C_S 達到臨界值T時才啟動，因而元件及負載將可能因為導通時的啟動電流C_S 超過其額定的規格，而造成毀損並危急使用者的安全。換句話說，採用習知之電路保護裝置1的電源供應器，其元件及與其連接之負載將因受到大應力的影響而較易損壞及加速劣化。

此外，習知的電路保護裝置1為了電路設計簡易的目的，並不具有栓鎖及重置的功能，因而大大地限制了電路保護裝置的應用範圍。

因此，如何提供一種電路保護裝置及保護方法，使其能夠降低啟動保護之臨界值，以迅速反應進行保護，進而減低元件的損壞，並提高可靠度與可應用性，已成為重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種能夠降低啟動保護之臨界值，以迅速反應進行保護，進而減低元件的損壞，並提高可靠度與可應用性的電路保護裝置及保護方法。

為達上述目的，依據本發明之一種電路保護裝置與一電源供應模組配合應用，其包括一判斷模組以及一控制模組。判斷模組具有一比較單元、一回授單元及一重置單元。比較單元具有一輸出端、一第一輸入端及一第二輸入端。回授單元電性連接輸出端及第一輸入端。重置單元電性連接回授單元與第一輸入端。控制模組電性連接判斷模組之比較單元與重置單元。比較單元接收代表電源供應模組之輸出電流之一第一參考訊號及代表電源供應模組之輸出電壓之一第二參考訊號，並輸出一判斷訊號至控制模組。

在本發明之一實施例中，比較單元為一比較器，且第一輸入端為一非反相輸入端，第二輸入端為一反相輸入端。

在本發明之一實施例中，回授單元包括一二極體及一電阻器，且二極體與電阻器串聯連接。

在本發明之一實施例中，判斷模組更包括一第一電阻器以及一第二電阻器。第一電阻器電性連接比較單元之第一輸入端。第二電阻器電性連接比較單元之第二輸入端。其中，回授單元之電阻器之阻值遠小於第一電阻器之阻值。

在本發明之一實施例中，電路保護裝置更包括一參考訊號產生模組。參考訊號產生模組輸出第一參考訊號及第二參考訊號至判斷模組之比較單元。其中參考訊號產生模組包括一第一比較電路以及一第二比較電路。第一比較電路具有一第一比較器，且第一比較電路與比較單元之第一輸入端電性連接，並輸出第一參考訊號。第二比較電路具有一第二比較器，且第二比較電路與比較單元之第二輸入端電性連接，並輸出第二參考訊號。

在本發明之一實施例中，第二比較電路更包括一限流元件以及一分壓電阻。限流元件之一端與第二比較電路電性連接。分壓電阻之一端與限流元件之另一端及比較單元之第二輸入端電性連接，且分壓電阻之另一端與一接地端電性連接。

在本發明之一實施例中，重置單元具有一第一端、一第二端及一第三端。第一端電性連接回授單元與第一輸入端，第二端與控制模組電性連接，第三端電性連接一接地端。

在本發明之一實施例中，控制模組依據判斷訊號輸出一控制訊號至電源供應模組。

在本發明之一實施例中，控制模組輸出一重置訊號至重置單元。

為達上述目的，依據本發明之一種保護方法，與一電路保護裝置及一電源供應模組配合應用。電路保護裝置具有一判斷模組及一控制模組，且判斷模組具有一比較單元、一回授單元及一重置單元，保護方法包括：由比較單元判斷一第一參考訊號是否大於一第二參考訊號，其中第一參考訊號代表電源供應模組之輸出電流，第二參考訊號代表電源供應模組之輸出電壓；當判斷結果為是，比較單元輸出一高準位之判斷訊號；由回授單元輸出一回授訊號至比較單元，以使比較單元持續輸出高準位之判斷訊號；以及由控制模組依據高準位之判斷訊號輸出一控制訊號至該電源供應模組。

在本發明之一實施例中，保護方法更包括當判斷結果為否，比較單元輸出一低準位之判斷訊號；以及由比較單元判斷第一參考訊號是否大於第二參考訊號。

在本發明之一實施例中，保護方法更包括由控制模組輸出一重置訊號至重置單元；以及比較單元輸出一低準位之判斷訊號。

承上所述，因依據本發明之一種電路保護裝置及保護方法係藉由判斷模組之比較單元依據代表電源供應模組之輸出電流的第一參考訊號及代表電源供應模組之輸出電壓的第二參考訊號輸出一判斷訊號，並藉由回授單元維持保護狀態，從而實現夠降低啟動保護之臨界值，以迅速反應進行保護，進而減低元件的損壞，並提高可靠度與可應用性的電路保護裝置及保護方法。

以下將參照相關圖式，說明依據本發明較佳實施例之一種電路保護裝置及保護方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

首先，請參照圖2，其為依據本發明較佳實施例之一種電路保護裝置2。電路保護裝置2是與一電源供應模組3搭配使用。其中，電路保護裝置2包括一判斷模組21及一控制模組22。

判斷模組21具有一比較單元211、一回授單元212及一重置單元213。在本實施例中，比較單元211具有一輸出端、一第一輸入端及一第二輸入端。比較單元211之第一輸入端及第二輸入端與電源供應模組3之輸出端電性連接，並分別接收代表電源供應模組3之輸出電流之一第一參考訊號REF₁ 以及代表電源供應模組3之輸出電壓之一第二參考訊號REF₂ 。比較單元211比較第一參考訊號REF₁ 及第二參考訊號REF₂ ，並依據比較之結果而由輸出端輸出一判斷訊號S₁ 。

回授單元212與比較單元211之輸出端及第一輸入端電性連接。回授單元212接收比較單元211所輸出之判斷訊號S₁ 而產生一回授訊號S₂ ，並輸出回授訊號S₂ 至比較單元211之第一輸入端。重置單元213電性連接回授單元212與比較單元211之第一輸入端。

控制模組22電性連接電源供應模組3及判斷模組21之比較單元211與重置單元213，並接收由比較單元211之輸出端所輸出的判斷訊號S₁ ，而輸出一控制訊號S₃ 至電源供應模組3。在實際運用上，控制模組22可為一控制器或一微處理器。

接著，請參照圖3A與圖3B以進一步說明本發明之電路保護裝置2。在本實施例中，判斷模組21之比較單元211為一比較器，且第一輸入端為一非反相輸入端（non inverting input terminal），而第二輸入端為一反相輸入端（inverting input terminal）。

判斷模組21之回授單元212包括一二極體D₁ 及一電阻器R，且二極體D₁ 與電阻器R為串聯連接。重置單元213具有一第一端、一第二端及一第三端。在本實施例中，重置單元213為一NPN電晶體，第一端為電晶體之集極（collector），第二端為基極（base），而第三端為射極（emitter）。其中，重置單元213之第一端電性連接回授單元212與比較單元211之第一輸入端，第二端與控制模組22電性連接，且第三端電性連接一接地端。

在實際操作上，判斷模組21之比較單元211將依據所接收之第一參考訊號REF₁ 及一第二參考訊號REF₂ 進行比較。其中，第一參考訊號REF₁ 是代表電源供應模組3之輸出電流，而第二參考訊號REF₂ 是代表電源供應模組3之輸出電壓。當第一參考訊號REF₁ 之值大於第二參考訊號REF₂ 之值，則代表發生短路或是過電流的情況。此時，比較單元211將輸出一高準位之判斷訊號S₁ 至控制模組22，且控制模組22將依據判斷訊號S₁ 輸出控制訊號S₃ ，以終止電源供應模組3的運作。換句話說，電路保護裝置2是透過偵測電源供應模組3之輸出電流與輸出電壓之間的關係，以啟動保護。

請參照圖3B，其是以電源供應模組3為一額定輸出電壓為13.5V，且額定輸出電流為35A之電源供應器為例時，電路保護裝置2啟動保護的波形圖。如圖3B所示，啟動電路保護裝置2進行保護之臨界值T並非如習知技術是一固定值，而是隨著電源供應模組3之輸出電壓的變化，而有不同的臨界值T，且當電源供應模組3之輸出電壓越低，啟動保護之臨界值T越低。因此，若電源供應模組3內部之元件或負載於電源供應模組3開始運作前已經產生短路的異常狀況，則電路保護裝置2將可於電源供應模組3啟動的瞬間，立即偵測到啟動電流C_S 超過臨界值T，並啟動保護。

此外，回授單元212將同時接收比較單元211所輸出高準位之判斷訊號S₁ ，且輸出回授訊號S₂ 至比較單元211之第一輸入端，而形成一正回授，並使回授單元212處於一栓鎖狀態，以持續輸出高準位之判斷訊號S₁ 。再者，控制模組22並可輸出一重置訊號S₄ 至重置單元213，以解除栓鎖狀態。其中，在實施上，控制模組22係可依據一預先設定之延遲時間，而輸出重置訊號S₄ 至重置單元213，以進行重置的動作。

接著，請參照圖4所示，其為依據本發明較佳實施例之一種電路保護裝置4。在本實施例中，電路保護裝置4是與一電源供應模組3搭配使用。其中，電源供應模組3係包括一變壓器31。電路保護裝置4與電路保護裝置2的區別在於，電路保護裝置4更包括一參考訊號產生模組42，且電路保護裝置4之判斷模組41更包括一第一電阻器R₁ 與一第二電阻器R₂ 。

在本實施例中，第一電阻器R₁ 與比較單元211之第一輸入端電性連接，第二電阻器R₂ 與比較單元211之第二輸入端電性連接。在實施上，回授單元212之電阻器R的阻值遠小於第一電阻器R₁ 的阻值。其中，電阻器R之阻值與第一電阻器R₁ 之阻值之比約為1：10係為一較佳的選擇。

參考訊號產生模組42具有一第一比較電路C₁ 及一第二比較電路C₂ 。在本實施例中，第一比較電路C₁ 具有一第一比較器COM₁ ，第一比較電路C₁ 之輸入端與電源供應模組3之變壓器31的二次側電性連接，以接收並比較電源供應模組3之輸出電流。第一比較電路C₁ 之第一比較器COM₁ 的輸出端輸出第一參考訊號REF₁ ，並透過第一電阻器R₁ 與比較單元211之第一輸入端電性連接。第二比較電路C₂ 具有一第二比較器COM₂ ，第二比較電路C₂ 之輸入端與電源供應模組3之變壓器31的二次側電性連接，以接收並比較電源供應模組3之輸出電壓。第二比較電路C₂ 之第二比較器COM₂ 的輸出端輸出第二參考訊號REF₂ ，並透過第二電阻器R₂ 與比較單元211之第二輸入端電性連接。

在實施上，第一比較電路C₁ 及第二比較電路C₂ 分別具有複數個電阻器，且設計人員係可依據實際的需求，選用任意阻值的電阻器，以調整啟動保護之臨界值的斜率，例如是依據電源供應模組3之額定輸出電壓及額定輸出電流選用電阻器之阻值。

接著，請參照圖5A所示，其為依據本發明較佳實施例之一種電路保護裝置5。電路保護裝置5與電路保護裝置4的區別在於，電路保護裝置5之參考訊號產生模組52的第二比較電路C₂ 更包括一限流元件D₂ 與一分壓電阻R₃ 。此外，第二電阻器R₂ 之一端是與一參考電壓源V_REF 電性連接。

在本實施例中，限流元件D₂ 之一端與第二比較器COM₂ 電性連接，而另一端與第二電阻器R₂ 與比較單元211之第二輸入端電性連接。分壓電阻R₃ 之一端與限流元件D₂ 之另一端及比較單元211之第二輸入端電性連接，且分壓電阻R₃ 之另一端與一接地端電性連接。

在實施上，第一比較電路C₁ 接收並比較電源供應模組3之輸出電流。第一比較電路C₁ 之輸出端輸出第一參考訊號REF₁ ，並透過第一電阻器R₁ 與比較單元211之第一輸入端電性連接。第二比較電路C₂ 之輸入端與電源供應模組3之變壓器31的二次側電性連接，以接收並比較電源供應模組3之輸出電壓。第二電阻器R₂ 接收參考電壓源V_REF ，並透過第二電阻器R₂ 與分壓電阻R₃ 進行分壓，以及藉由限流元件D₂ 降低第二比較器COM₂ 之輸出訊號之電壓值，從而產生第二參考訊號REF₂ 。

請參照圖5B，其是以電源供應模組3為一額定輸出電壓為13.8V，且額定輸出電流為150A之電源供應器為例時，電路保護裝置5啟動保護的波形圖。如圖5B所示，電路保護裝置5透過第二電阻器R₂ 與分壓電阻R₃ 對第二電阻器R₂ 所接收之參考電壓源V_REF 進行分壓，以決定臨界值T的最大值。此外，透過限流元件D₂ 降低電壓訊號之電壓值，並藉由第二比較器COM₂ 之放大比例和限流元件D₂ 之順偏電壓，從而決定臨界值T的斜率。因此，藉由上述之硬體結構將可以調變臨界值T的斜率與最大值，而使得電路保護裝置5更適用於電容性的負載。

請參照圖6之流程圖並搭配圖2及圖3所示，以說明本發明之較佳實施例之保護方法，其係可與上述之電路保護裝置2與電源供應模組3搭配使用，而保護方法的步驟係包含步驟S01～步驟S04。

步驟S01係於由比較單元211判斷一第一參考訊號REF₁ 是否大於一第二參考訊號REF₂ 。其中，第一參考訊號REF₁ 代表電源供應模組3之輸出電流，而第二參考訊號REF₂ 代表電源供應模組3之輸出電壓。在實施上，比較單元211為一比較器，且其非反相輸入端接收第一參考訊號REF₁ ，而反相輸入端接收第二參考訊號REF₂ 。

步驟S02係當判斷結果為是，比較單元211輸出一高準位之判斷訊號S₁ 。在實施上，當第一參考訊號REF₁ 之值大於第二參考訊號REF₂ 之值，其係代表發生短路或是過電流的情況。此時，比較單元211將輸出一高準位之判斷訊號S₁ 。

步驟S03係由回授單元212輸出一回授訊號S₂ 至比較單元211，以使比較單元211持續輸出高準位之判斷訊號S₁ 。在實施上，回授單元212將同時接收比較單元211所輸出高準位之判斷訊號S₁ ，且輸出回授訊號S₂ 至比較單元211之第一輸入端，而形成一正回授，並使回授單元212處於一栓鎖狀態，以持續輸出高準位之判斷訊號S₁ 。

步驟S04係由控制模組22依據高準位之判斷訊號S₁ 輸出一控制訊號S₃ 至電源供應模組3。在實施上，控制模組22將依據比較單元211所輸出之高準位的判斷訊號S₁ 輸出控制訊號S₃ 至電源供應模組3，以終止電源供應模組3的運作。由於電路保護裝置2是透過偵測電源供應模組3之輸出電流與輸出電壓之間的關係，以啟動保護。因此，電路保護裝置2係依據一非固定的臨界值，進行短路與過電流的判斷，並迅速反應以進行保護。

另外，值得一提的是，電路保護裝置2並具有解除栓鎖狀態的功能。因此，電路保護裝置2之保護方法更可以包含由控制模組22輸出一重置訊號S₄ 至重置單元213，以及比較單元211輸出一低準位之判斷訊號S₁ 。在實施上，控制模組22係可依據一預先設定之延遲時間，而輸出重置訊號S₄ 至重置單元213，以解除栓鎖狀態作。

此外，當第一參考訊號REF₁ 並未大於一第二參考訊號REF₂ 而使得判斷結果為否時，代表並未發生短路或過電流的狀況。此時，比較單元211輸出一低準位之判斷訊號S₁ ，且電源供應模組3將繼續正常地運作，而比較單元211將持續地判斷第一參考訊號REF₁ 是否大於第二參考訊號REF₂ 。換句話說，電路保護裝置2是一即時的電路保護裝置。

需特別注意的是，保護方法亦可與上述之電路保護裝置4與電路保護裝置5搭配使用，但由於電路保護裝置4與電路保護裝置5之保護方法的實施步驟係與上述實施例之電路保護裝置2的保護方法相同，故在此不再贅述。

綜上所述，因依據本發明之一種電路保護裝置及保護方法係藉由判斷模組之比較單元依據代表電源供應模組之輸出電流的第一參考訊號及代表電源供應模組之輸出電壓的第二參考訊號輸出一判斷訊號，並藉由回授單元維持保護狀態，從而實現夠降低啟動保護之臨界值，以迅速反應進行保護，進而減低元件的損壞，並提高可靠度與可應用性的電路保護裝置及保護方法。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1、2、4、5‧‧‧電路保護裝置

21、41‧‧‧判斷模組

211‧‧‧比較單元

212‧‧‧回授單元

213‧‧‧重置單元

22‧‧‧控制模組

3‧‧‧電源供應模組

31‧‧‧變壓器

42、52‧‧‧參考訊號產生模組

C₁ ‧‧‧第一比較電路

C₂ ‧‧‧第二比較電路

C_S ‧‧‧啟動電流

COM₁ ‧‧‧第一比較器

COM₂ ‧‧‧第二比較器

D₁ ‧‧‧二極體

D₂ ‧‧‧限流元件

R‧‧‧電阻器

R₁ ‧‧‧第一電阻器

R₂ ‧‧‧第二電阻器

R₃ ‧‧‧分壓電阻

REF₁ ‧‧‧第一參考訊號

REF₂ ‧‧‧第二參考訊號

S01~S04‧‧‧保護方法的步驟

S₁ ‧‧‧判斷訊號

S₂ ‧‧‧回授訊號

S₃ ‧‧‧控制訊號

S₄ ‧‧‧重置訊號

T‧‧‧臨界值

V_REF ‧‧‧參考電壓源

圖1A為習知之電路保護裝置的示意圖；
圖1B為習知之電路保護裝置啟動保護的波形圖；
圖2為依據本發明較佳實施例之一種電路保護裝置的示意圖；
圖3A為依據本發明較佳實施例之一種電路保護裝置的示意圖；
圖3B為依據本發明較佳實施例之電路保護裝置啟動保護的波形圖；
圖4為依據本發明較佳實施例之一種電路保護裝置的示意圖；
圖5A為依據本發明較佳實施例之另一種電路保護裝置的示意圖；
圖5B為依據本發明較佳實施例之電路保護裝置啟動保護的波形圖；以及
圖6為依據本發明較佳實施例之一種保護方法的流程圖。

2‧‧‧電路保護裝置

21‧‧‧判斷模組

211‧‧‧比較單元

212‧‧‧回授單元

213‧‧‧重置單元

22‧‧‧控制模組

3‧‧‧電源供應模組

REF₁‧‧‧第一參考訊號

REF₂‧‧‧第二參考訊號

S₁‧‧‧判斷訊號

S₂‧‧‧回授訊號

S₃‧‧‧控制訊號

Claims (14)

1. 一種電路保護裝置，與一電源供應模組配合應用，包括：
   一判斷模組，具有一比較單元、一回授單元及一重置單元，其中該比較單元具有一輸出端、一第一輸入端及一第二輸入端，該回授單元電性連接該輸出端及該第一輸入端，該重置單元電性連接該回授單元與該第一輸入端；以及
   一控制模組，電性連接該判斷模組之該比較單元與該重置單元，
   其中該比較單元接收代表該電源供應模組之輸出電流之一第一參考訊號及代表該電源供應模組之輸出電壓之一第二參考訊號，並輸出一判斷訊號至該控制模組。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電路保護裝置，其中該比較單元為一比較器，且該第一輸入端為一非反相輸入端，該第二輸入端為一反相輸入端。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電路保護裝置，其中該回授單元包括一二極體及一電阻器，且該二極體與該電阻器串聯連接。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電路保護裝置，其中該判斷模組更包括：
   一第一電阻器，電性連接該比較單元之該第一輸入端；以及
   一第二電阻器，電性連接該比較單元之該第二輸入端。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電路保護裝置，其中該回授單元之該電阻器之阻值遠小於該第一電阻器之阻值。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電路保護裝置，更包括：
   一參考訊號產生模組，輸出該第一參考訊號及該第二參考訊號至該判斷模組之該比較單元。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電路保護裝置，其中該參考訊號產生模組更包括：
   一第一比較電路，具有一第一比較器，該第一比較電路與該比較單元之該第一輸入端電性連接，並輸出該第一參考訊號；以及
   一第二比較電路，具有一第二比較器，該第二比較電路與該比較單元之該第二輸入端電性連接，並輸出該第二參考訊號。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電路保護裝置，其中該第二比較電路更包括：
   一限流元件，其一端與該第二比較器電性連接；以及
   一分壓電阻，其一端與該限流元件之另一端及該比較單元之該第二輸入端電性連接，且該分壓電阻之另一端與一接地端電性連接。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電路保護裝置，其中該重置單元具有一第一端、一第二端及一第三端，該第一端電性連接該回授單元與該第一輸入端，該第二端與該控制模組電性連接，該第三端電性連接一接地端。
10. 如申請專利範圍第1項所述之電路保護裝置，其中該控制模組依據該判斷訊號輸出一控制訊號至該電源供應模組。
11. 如申請專利範圍第1項所述之電路保護裝置，其中該控制模組輸出一重置訊號至該重置單元。
12. 一種保護方法，與一電路保護裝置及一電源供應模組配合應用，該電路保護裝置具有一判斷模組及一控制模組，且該判斷模組具有一比較單元、一回授單元及一重置單元，該保護方法包括：
    由該比較單元判斷一第一參考訊號是否大於一第二參考訊號，其中該第一參考訊號代表該電源供應模組之輸出電流，該第二參考訊號代表該電源供應模組之輸出電壓；
    當判斷結果為是，該比較單元輸出一高準位之判斷訊號；
    由該回授單元輸出一回授訊號至該比較單元，以使該比較單元持續輸出該高準位之判斷訊號；以及
    由該控制模組依據該高準位之判斷訊號輸出一控制訊號至該電源供應模組。
13. 如申請專利範圍第12項所述之保護方法，更包括：
    當判斷結果為否，該比較單元輸出一低準位之判斷訊號；以及
    由該比較單元判斷該第一參考訊號是否大於該第二參考訊號。
14. 如申請專利範圍第12項所述之保護方法，更包括：
    由該控制模組輸出一重置訊號至該重置單元；以及
    該比較單元輸出一低準位之判斷訊號。