TWI435520B - 用於提供過電壓保護的方法及其電路 - Google Patents

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TWI435520B
TWI435520B TW097146804A TW97146804A TWI435520B TW I435520 B TWI435520 B TW I435520B TW 097146804 A TW097146804 A TW 097146804A TW 97146804 A TW97146804 A TW 97146804A TW I435520 B TWI435520 B TW I435520B
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J7/00308Overvoltage protection

Description

用於提供過電壓保護的方法及其電路
本發明大體涉及半導體元件,尤其是涉及過電壓保護電路。
過去,半導體工業使用各種方法和結構來在應用中形成功率管理電路,這些應用包括給電子產品例如可擕式電話內部的電池充電,以及給外部附件例如耳機提供電力。在大多數情況下,功率管理電路包括過電壓保護電路,該過電壓保護電路保護連接到電源的系統以及耦合到該系統的負載免於遭受過電壓條件。功率管理電路的一個例子是由德克薩斯州的達拉斯的Texas Instruments Incorporated製造的具有零件號bq24316的過電壓保護電路。圖1示出可擕式電話10,其具有現有技術的過電壓保護電路12例如bq24316以及具有連接到連接器14的輸入和通過充電器18耦合到電源16的輸出。通常,電源16是電池組。充電器18和電源16的輸出連接到其他系統元件20。輔助電源22與充電器18並聯耦合。在一個結構中,可擕式電話10耦合到向可擕式電話10提供電流IBF 的交流電(AC)適配器24。在此結構中,充電器18被啟動,輔助電源22被禁止,且電流IBF 從AC適配器24流經連接器14和過電壓保護電路12以給電源16充電並向系統元件20提供功率。圖2示出過電壓保護電路12的結構圖。在圖2中示出的是耦合在過電壓保護電路12的輸入和輸出之間的場效應電晶體30。場效應電晶體30具有體二極體32。此外,圖2示出耦合到場效應電晶體30的閘極的閘極驅動電路34以及耦合在場效應電晶體30的載流電極之一和閘極驅動電路34之間的偏置電路36。圖3示出可選的現有技術結構,其中AC適配器24由外部附件26例如耳機代替。在此結構中,充電器18被禁止而輔助電源22被啟動。電流IBF 從電源16流經輔助電源22和過電壓保護電路12以驅動外部附件26。
在工作中,當連接器14處的電壓,例如牆式適配器的輸出電壓高時,體二極體32被反向偏置。此外,如果牆式適配器的輸出電壓在鎖定電路(lockout circuit)所確定的欠電壓鎖定/過電壓鎖定(UVLO/OVLO)窗內部,則閘極驅動電路34使場效應電晶體30的閘極偏置,使得電流在過電壓保護電壓12的輸入和輸出之間流動。然而,如果牆式適配器被移除且過電壓保護電路12的輸出電壓高,例如當電池給附件供電時,則體二極體32被正向偏置,且過電壓保護電路12的輸入呈現等於VOUT -0.7伏的電壓。在正常工作中,僅當等於VOUT -0.7伏的電壓大於欠電壓鎖定參考電平時,閘極驅動電路34才使場效應電晶體30的閘極偏置以傳導電流。在此條件下,反向電流IBR 完全流經過電壓保護電路12。輔助電源22被包括,以在反向模式被啟動的情況下使電流從充電器18分流來增加來自電池的過電壓輸出可利用的電壓。因此,輔助電源22用作升壓直流-直流(DC-DC)變換器。
因此,如果有這樣一種用於保護系統或附屬設備的過電壓保護電路和方法,該過電壓保護電路和方法不對用於向輔助電源提供電壓的電源提出限制,那麼這將是有利的。如果該電路和方法實現起來有時間和成本效益,則將是進一步有利的。
通常,本發明提供了用於阻止電流在過電壓保護電路中流動的方法和結構。根據本發明的一個實施方式,在輸入節點處提供輸入信號且回應於充電控制信號和該輸入信號而產生從輸入節點流到輸出節點的充電電流。回應於附屬驅動控制信號,充電電流的電流路徑被阻擋且產生流經輸出節點的附屬驅動電流。附屬驅動電流從輸出節點流到輸入節點。因此,附屬驅動控制信號停止或阻止電流從輸出流到輸入,並通過過電壓保護電路控制電流消耗。
根據本發明的另一實施方式,雙向過電壓保護電路包括耦合到鎖定電路的電壓調節器,其中調節器和鎖定電路耦合成接收輸入信號。電壓調節器和鎖定電路耦合到充電控制電路。充電控制電路也稱為正向路徑控制電路。附屬驅動電路具有耦合成接收控制信號的輸入和耦合到充電控制電路的輸出。附屬驅動電路也稱為反向路徑控制電路。多晶體管開關電路耦合到充電控制電路,其中多晶體管開關電路可包括一對集成的功率n溝道MOSFET(n溝道金屬氧化物半導體場效應電晶體)。優選地,每個n溝道MOSFET的閘極耦合到充電控制電路,汲極被耦合在一起,以及其中一個n溝道MOSFET的源極耦合到輸入,而另一個n溝道MOSFET的源極耦合到雙向過電壓保護電路的輸出。
根據本發明的另一實施方式,雙向過電壓保護電路包括能夠調節輸入電壓的正向多晶體管開關控制電路、反向多晶體管開關控制電路和多晶體管開關電路。正向多晶體管開關控制電路具有多個輸入和多個輸出,其中一個輸入耦合成接收輸入電壓,而反向多晶體管開關控制電路具有多個輸入和輸出,其中輸出耦合到正向多晶體管開關控制電路。具有多個輸入和多個載流電極的多晶體管開關電路耦合到正向多晶體管開關控制電路。多晶體管開關電路的輸入耦合到正向多晶體管開關控制電路的相應輸出,且多晶體管開關電路的載流電極耦合成接收輸入電壓。
根據本發明的另一實施方式,雙向過電壓保護電路包括正向和反向信號路徑。正向信號路徑具有輸入和輸出,其中回應於充電控制信號,充電信號從輸入傳送到輸出。反向信號路徑具有輸入和輸出,其中回應於附屬驅動控制信號,附屬驅動信號在反向方向傳送。反向方向不同于正向方向。雙向過電壓保護電路進一步包括產生充電和附屬驅動控制信號的控制電路。
圖4是根據本發明的實施方式的過電壓保護電路100的結構圖。在圖4中示出的是電壓調節器102和鎖定電路104,其分別具有通常耦合到彼此並用於接收輸入101處的輸入電壓VIN 的輸入106和108。輸入101也稱為輸入節點。電壓調節器102的輸出110連接到鎖定電路104的輸入112和控制電路120的輸入118。鎖定電路104的輸出122連接到控制電路120的輸入124。控制電路120具有分別連接到開關電路130的輸入132和134的輸出126和128,並且被稱為正向多晶體管開關控制電路。開關電路130的導體136通常分別連接到電壓調節器102和鎖定電路104的輸入106和108,且開關電路130的導體138連接到控制電路140的輸入142。輸出信號VOUT 出現在輸出節點143。控制電路140也稱為反向多晶體管開關控制電路,而輸出143也稱為輸出節點。此外,控制電路140具有耦合成從例如可擕式電話的中央處理單元接收控制信號(VCNTR )的輸入148、連接到電壓調節器102的輸出110的輸出144、以及耦合到鎖定電路104的輸入146的輸出145。當過電壓保護電路100工作在反向方向時,控制電路140通過輸出144向控制電路120的輸入提供控制信號,並且它通過輸出145向輸入146提供移除欠電壓鎖定(UVLO)的控制信號。
作為例子,控制電路120包括耦合到閘極驅動電路156的電荷泵152和耦合到閘極驅動電路156的邏輯電路154。電荷泵152的輸入用作控制電路120的輸入118,邏輯電路154的輸入用作控制電路120的輸入124,以及閘極驅動電路156的輸出分別用作控制電路120的輸出126和128。開關電路130由功率場效應電晶體160和162組成,其中當功率場效應電晶體160和162是功率MOSFET時,每個電晶體都具有源極和汲極電極以及閘極電極。更具體地,功率場效應電晶體160的源極和閘極電極分別用作導體136和開關電路130的輸入132,且功率場效應電晶體162的源極和閘極電極分別用作導體138和開關電路130的輸入134。應注意,電晶體的源極和汲極電極也稱為載流電極,而電晶體的閘極電極也稱為控制電極。體二極體166從電晶體160的源極到汲極形成,而體二極體168從電晶體162的源極到汲極形成。
圖5是包括耦合為差分對的一對電晶體170和172的鎖定電路104的電路示意圖。因此,電晶體170和172的源極電極連接在一起,而閘極電極用作差分對的輸入。汲極電極連接到電流鏡174。電晶體176的汲極連接到電晶體170和172的源極,電晶體176的源極耦合成接收工作電位源例如VSS ,而電晶體176的閘極連接到n溝道場效應電晶體178的閘極。電晶體178的源極電極耦合成接收工作電位源VSS 。電晶體178的閘極電極連接到p溝道場效應電晶體180的汲極電極,電晶體180的源極電極耦合成接收工作電位源例如VREG ,而電晶體180的閘極電極連接到電晶體172的汲極電極。電晶體178和180的汲極電極連接到一串三個串聯連接的反相器182、184和186。P溝道場效應電晶體180用作電平移動電路。來自反相器184的輸出信號是欠電壓鎖定信號VUVL ,而來自反相器186的輸出信號是互補的欠電壓鎖定信號VBUVL
鎖定電路104進一步包括耦合為差分對的一對電晶體190和192,其中電晶體190和192的源極電極連接在一起,而閘極電極用作差分對的輸入。電晶體170的閘極電極耦合成通過電阻器173接收工作電位源VSS 並通過電阻器177接收輸入節點101處的輸入電壓VIN ,而電晶體192的閘極電極耦合成通過電阻器193接收工作電位源VSS 並通過電阻器197接收輸入節點101處的輸入電壓VIN 。優選地,電晶體172和190的閘極電極共同連接到彼此並用於接收參考電壓VREF 。因此,差分對170和172以及差分對190和192比較輸入電壓VIN 的一部分與參考電壓VREF ,以產生欠電壓和過電壓鎖定臨界值電壓VUVL 和VOVL 。電晶體190和192的汲極電極連接電流鏡194。電晶體196的汲極電極連接到電晶體190和192的源極電極,電晶體196的源極電極耦合成接收工作電位源VSS ,而電晶體196的閘極電極連接到n溝道電晶體198的閘極和汲極電極。電晶體198的汲極電極連接到p溝道電晶體200的汲極電極,而電晶體198的源極電極耦合成接收工作電位源VSS 。電晶體200的源極和閘極電極耦合成分別接收電壓VREG 和偏置電壓VBIAS 。電晶體190的汲極電極連接到p溝道電晶體202的閘極電極,而電晶體198的汲極電極連接到n溝道電晶體204的閘極電極。電晶體202和204的汲極電極連接在一起,電晶體204的源極電極連接到工作電位源VSS ,而電晶體202的源極電極耦合成接收電壓VREG 。電晶體202和204的汲極電極連接到一串兩個反相器206和208。P溝道場效應電晶體202用作電平移動電路。來自反相器206的輸出信號是過電壓鎖定信號VOVL ,而來自反相器208的輸出信號是互補的過電壓鎖定信號VBOVL
圖6是根據本發明的實施方式的耦合成驅動附件220的過電壓保護電路100的結構圖。附件220可在輸入節點101處連接到共同連接的端子106和108以及導體136,而充電器221在輸出節點143處連接到共同連接的導體138和控制電路140的輸入142。電池222和其他系統元件224可連接到充電器221。例如CPU230的電路連接到控制電路140的輸入148且可配置成禁止控制電路140並控制鎖定電路104。
在工作中,當AC適配器(未示出)代替附件而在輸入節點101處連接到共同連接的端子106和108以及導體136時,AC適配器向電壓調節器102和鎖定電路104提供電信號。如果出現在共同連接的端子106和108以及導體136上的電壓大於過電壓鎖定臨界值電壓VOVL ,則電壓調節器102、鎖定電路154和控制電路120產生驅動信號,該驅動信號使開關電路130在正向方向,即,從輸入101到輸出143,或反向方向,即,從輸出143到輸入101變成非傳導的。更具體地,邏輯電路154從鎖定電路104接收指示輸入電壓VIN 的值的信號。如果輸入電壓VIN 在欠電壓/過電壓臨界值窗內,則輸入124處的信號啟動閘極驅動電路156以對電荷泵152的輸出信號敏感。在這種情況下,在閘極驅動電路156的輸出126和128處的信號跟隨電荷泵152的輸出值並驅動開關160和162的閘極,以便它們傳導。因此,開關是關閉的。當輸入電壓VIN 低於欠電壓鎖定臨界值窗或高於過電壓鎖定臨界值,即,在欠電壓/過電壓臨界值窗之外時,輸入124處的信號驅動邏輯電路154以向閘極驅動電路156提供使它拉低開關160和162的閘極處的電壓的信號,從而關閉或打開開關160和162並阻止電流流經開關160和162。
當例如耳機或存儲卡等附件連接到共同連接的端子106和108以及導體136時,CPU230啟動控制電路140,該控制電路140禁止鎖定電路104並向控制電路120提供輔助電源路徑。響應於來自CPU230的控制信號,控制電路140產生從輸出143到控制電路120的輸入的電流路徑,即,控制電路140提供用於通過輸出從電池222給電路的核心供電的路徑。
到現在應認識到,提供了用於阻止電流在雙向過電壓保護電路中流動的電路和方法。雙向過電壓保護電路的優點是,與先前的電路相比,它允許更大的輸入電壓擺幅。當輸入電壓為低且期望從禁止狀態過渡到啟動狀態時,雙向過電壓保護電路允許電流流動。根據本發明的實施方式,兩個n溝道MOSFET被配置成其體效應二極體或體二極體在背對背或面對面結構中,以使電流流動實質上完全停止。此外,控制電路140從輸出節點對n溝道MOSFET提供閘極驅動電路,並使從輸出節點到輸入節點的電流流動暢通。
雖然這裏公開了某些優選實施方式和方法,從前述公開對本領域技術人員來說很明顯,可對這樣的實施方式和方法進行變化和更改而不偏離本發明的實質和範圍。意圖是本發明應僅被限制到由所附權利要求以及可使用法規的規則和法則所要求的程度。
10...可擕式電話
12...過電壓保護電路
14...連接器
16...電源
18...充電器
20...其他系統元件
22...輔助電源
24...適配器
26...外部附件
30...場效應電晶體
32...體二極體
34...閘極驅動電路
36...偏置電路
100...過電壓保護電路
101...輸入/輸入節點
102...電壓調節器
104...鎖定電路
106...輸入/端子
108...輸入/端子
110...輸出
112...輸入
118...輸入
120...控制電路
122...輸出
124...輸入
126...輸出
128...輸出
130...開關電路
132...輸入
134...輸入
136...導體
138...導體
140...控制電路
142...輸入
143...輸出/輸出節點
144...輸出
145...輸出
146...輸入
148...輸入
152...電荷泵
154...邏輯電路
156...閘極驅動電路
160...功率場效應電晶體/開關
162...功率場效應電晶體/開關
166...體二極體
168...體二極體
170...電晶體
172...電晶體
173...電阻器
174...電流鏡
176...電晶體
177...電阻器
178...n溝道場效應電晶體
180...p溝道場效應電晶體
182...反相器
184...反相器
186...反相器
190...電晶體
192...電晶體
193...電阻器
194...電流鏡
196...電晶體
197...電阻器
198...n溝道電晶體
200...p溝道電晶體
202...p溝道電晶體
204...n溝道電晶體
206...反相器
208...反相器
220...附件
221...充電器
222...電池
224...其他系統元件
230...CPU
結圖1是現有技術的過電壓保護電路在充電工作期間的結構圖;
圖2是現有技術的過電壓保護電路的電路圖;
圖3是圖1的現有技術的過電壓保護電路在輔助供電工作期間的結構圖;
圖4示出根據本發明的實施方式的過電壓保護電路的結構圖;
圖5是圖4的過電壓保護電路的欠電壓和過電壓鎖定電路的電路示意圖;以及
圖6是根據本發明的實施方式的耦合成驅動附件的圖4的過電壓保護電路的結構圖。
100...過電壓保護電路
101...輸入/輸入節點
102...電壓調節器
104...鎖定電路
106...輸入
108...輸入
110...輸出
112...輸入
118...輸入
120...控制電路
122...輸出
124...輸入
126...輸出
128...輸出
130...開關電路
132...輸入
134...輸入
136...導體
138...導體
140...控制電路
142...輸入
143...輸出/輸出節點
144...輸出
145...輸出
146...輸入
148...輸入
152...電荷泵
154...邏輯電路
156...閘極驅動電路
160...功率場效應電晶體
162...功率場效應電晶體
166...體二極體
168...體二極體

Claims (19)

  1. 一種雙向過電壓保護電路,包括:調節器,其具有輸入和輸出;鎖定電路,其具有第一輸入和第二輸入以及輸出,所述鎖定電路的所述第一輸入耦合到所述調節器的所述輸入並耦合成接收輸入信號;第一控制電路,其具有第一輸入和第二輸入以及第一輸出和第二輸出,所述第一輸入耦合到所述調節器的所述輸出,而所述第二輸入耦合到所述鎖定電路的所述輸出;第二控制電路,其具有第一輸入和第二輸入以及輸出,所述第一輸入耦合成接收控制信號,而所述輸出耦合到所述第一控制電路的所述第一輸入;第一電晶體,其具有控制電極以及第一載流電極和第二載流電極,所述第一載流電極耦合成接收所述輸入信號,而所述控制電極耦合到所述第一控制電路的所述第一輸出;以及第二電晶體,其具有控制電極以及第一載流電極和第二載流電極,所述控制電極耦合到所述第一控制電路的所述第二輸出,所述第二電晶體的所述第一載流電極耦合到所述第一電晶體的所述第二載流電極,而所述第二電晶體的所述第二載流電極耦合到所述第二控制電路的所述第二輸入。
  2. 如請求項1的雙向過電壓保護電路,其中所述第一控制 電路包括:電荷泵,其具有輸入和輸出;邏輯電路,其具有輸入和輸出,所述輸入耦合到所述鎖定電路的所述輸出;以及閘極驅動電路,其具有第一輸入和第二輸入以及第一輸出和第二輸出,所述第一輸入耦合到所述電荷泵的所述輸出,所述第二輸入耦合到所述邏輯電路的所述輸出,所述第一輸出耦合所述第一電晶體的所述控制電極,以及所述第二輸出耦合到所述第二電晶體的所述控制電極。
  3. 如請求項2的雙向過電壓保護電路,其中所述鎖定電路包括:第一差分對,其具有第一載流電極和第二載流電極以及第一控制電極和第二控制電極;第一電流鏡,其耦合到所述第一差分對的所述第一載流電極和所述第二載流電極;第一電平移動電路,其具有控制電極和載流電極,所述控制電極耦合到所述第一差分對的所述第二載流電極;以及第一多個串聯連接的反相器,其耦合到所述第一電平移動電路的第一載流電極。
  4. 如請求項3的雙向過電壓保護電路,其中所述鎖定電路進一步包括:第二差分對,其具有第一載流電極和第二載流電極以 及第一控制電極和第二控制電極;第二電流鏡,其耦合到所述第二差分對的所述第一載流電極和所述第二載流電極;第二電平移動電路,其具有控制電極和載流電極,所述控制電極耦合到所述第二差分對的所述第二載流電極;以及第二多個串聯連接的反相器,其耦合到所述第二電平移動電路的第一載流電極。
  5. 如請求項4的雙向過電壓保護電路,其中所述第一多個串聯連接的反相器包括三個串聯連接的反相器,而所述第二多個串聯連接的反相器包括兩個串聯連接的反相器。
  6. 如請求項2的雙向過電壓保護電路,其中所述調節器的所述輸出耦合到所述鎖定電路的所述第二輸入。
  7. 如請求項2的雙向過電壓保護電路,其中所述第一電晶體和所述第二電晶體是N溝道場效應電晶體。
  8. 如請求項1的雙向過電壓保護電路,進一步包括耦合到所述第二電晶體的所述第二載流電極的充電器。
  9. 如請求項1的雙向過電壓保護電路,其中所述調節器的所述輸出耦合到所述鎖定電路的所述第二輸入。
  10. 一種雙向過電壓保護電路,包括:正向多晶體管開關控制電路,其能夠調節輸入電壓,所述正向多晶體管開關控制電路具有第一輸入和第二輸入以及第一輸出和第二輸出,所述第一輸入耦合成接收 所述輸入電壓;反向多晶體管開關控制電路,其具有第一輸入和第二輸入以及輸出,所述輸出耦合到所述正向多晶體管開關控制電路;以及多晶體管開關電路,其具有第一輸入和第二輸入以及第一載流電極和第二載流電極,所述第一輸入和所述第二輸入分別耦合到所述正向多晶體管開關控制電路的所述第一輸出和所述第二輸出,以及所述第一載流電極耦合成接收所述輸入電壓。
  11. 如請求項10的雙向過電壓保護電路,其中所述多晶體管開關電路包括:第一電晶體,其具有控制電極以及第一載流電極和第二載流電極,所述控制電極耦合到所述正向多晶體管開關控制電路的所述第一輸出,所述第一電晶體的所述第一載流電極用作所述多晶體管開關電路的所述第一載流電極;以及第二電晶體,其具有控制電極以及第一載流電極和第二載流電極,所述第二電晶體的所述控制電極耦合到所述正向多晶體管開關控制電路的所述第二輸出,所述第二電晶體的所述第一載流電極耦合到所述第一電晶體的所述第二載流電極,而所述第二電晶體的所述第二載流電極耦合到所述反向多晶體管開關控制電路的所述第一輸入。
  12. 如請求項11的雙向過電壓保護電路,其中所述正向多晶 體管開關控制電路包括:調節器,其具有耦合成接收所述輸入電壓的輸入;以及閘極驅動電路,其耦合到所述調節器,所述閘極驅動電路具有第一輸出和第二輸出,所述閘極驅動電路的所述第一輸出和所述第二輸出用作所述正向多晶體管開關控制電路的所述第一輸出和所述第二輸出。
  13. 如請求項12的雙向過電壓保護電路,其中所述正向多晶體管開關控制電路進一步包括具有第一輸入和第二輸入以及輸出的鎖定電路,所述第一輸入耦合成接收所述輸入電壓,以及所述輸出耦合到所述閘極驅動電路。
  14. 如請求項13的雙向過電壓保護電路,其中所述反向多晶體管開關控制電路的所述輸出耦合到所述鎖定電路的所述第二輸入。
  15. 如請求項13的雙向過電壓保護電路,其中所述鎖定電路包括:第一差分對,其具有第一載流電極和第二載流電極以及第一控制電極和第二控制電極;第一電流鏡,其耦合到所述第一差分對的所述第一載流電極和所述第二載流電極;第一電平移動電路,其具有控制電極和載流電極,所述控制電極耦合到所述第一差分對的所述第二載流電極;第一多個串聯連接的反相器,其耦合到所述第一電平 移動電路的第一載流電極;第二差分對,其具有第一載流電極和第二載流電極以及第一控制電極和第二控制電極;第二電流鏡,其耦合到所述第二差分對的所述第一載流電極和所述第二載流電極;第二電平移動電路,其具有控制電極和載流電極,所述控制電極耦合到所述第二差分對的所述第二載流電極;以及第二多個串聯連接的反相器,其耦合到所述第二電平移動電路的第一載流電極。
  16. 如請求項10的雙向過電壓保護電路,進一步包括:充電器,其耦合到所述正向多晶體管開關控制電路的所述第二輸出;以及附屬電路,其耦合到所述正向多晶體管開關控制電路的所述第一載流電極。
  17. 如請求項10的雙向過電壓保護電路,進一步包括耦合到所述充電器的電池。
  18. 一種在一過電壓保護電路中阻止電流之方法,其包含:在一第一節點提供一輸入信號;產生流經所述第一節點的一第一電流,以回應於所述輸入信號,其中所述第一電流沿著一第一電流路徑自所述第一節點流至一第二節點以回應於一第一控制信號;回應於一第二控制信號,阻止所述第一電流流至所述第二節點;及 回應於所述第二控制信號,產生流經所述第二節點的一第二電流,其中所述第二電流沿著一第二電流路徑自所述第二節點流至所述第一節點。
  19. 如請求項18的方法,進一步包括使用所述第一電流來給耦合到所述過電壓保護電路的電源充電,以及使用所述第二電流來驅動耦合到所述過電壓保護電路的附件。
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