TWI437239B - 電壓偵測器以及使用該電壓偵測器的保護裝置 - Google Patents

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Description

電壓偵測器以及使用該電壓偵測器的保護裝置
本發明係有關一種電壓偵測器及使用該電壓偵測器的保護裝置。
如圖1所示，習知的交直流交換式電源轉換器10包括交流輸入端12及14供連接交流電源，高頻濾波電容CX連接在交流輸入端12及14之間用以濾除高頻訊號，進而降低高頻切換雜訊干擾電力網路，整流電路16整流交流電源以產生直流電壓Vdc，電壓轉換器18將直流電壓Vdc轉換為輸出電壓Vo。當交流電源移除時，高頻濾波電容CX上殘留直流電壓，其大小為該交流電源移除瞬間的電壓值，故其有可能是交流電源的最大值，例如，如此高的電壓儲存於濾波電容CX將造成觸電危險。傳統的方法是使用洩放電阻RB並聯高頻濾波電容CX，以使電壓在規範的時間內降低至安全範圍內。但是使用洩放電阻RB將造成額外的功率損耗，特別是在交流電源為264Vac時，洩放電阻RB的功率消耗為(264V)2 /RB，估計高達數十毫瓦。
此外，當交流電源低於正常範圍時，即交流電源處於欠電壓(Brownout)狀態，可能造成交直流交換式電源轉換器10損壞。傳統的方法是利用電阻分壓的電壓偵測器來偵測交流電源是否處於欠電壓，然而，分壓電阻將跨高壓而造成功率損耗增加。
因此，一種可判斷電壓狀態且不增加功率損耗的電壓偵測器，乃為所冀。
本發明的目的之一，在於提出一種利用JFET特性實現的電壓偵測器及使用該電壓偵測器的保護裝置。
本發明的目的之一，在於提出一種可判斷交直流交換式電源轉換器之輸入電壓狀態且無功率損耗的電壓偵測器。
根據本發明，一種電壓偵測器包括偵測端供接收輸入電壓、接面場效電晶體、齊納二極體具有陰極及陽極分別連接該偵測端及接面場效電晶體的輸入端以及電阻連接在該接面場效電晶體的輸出端及控制端之間。當該輸入電壓小於該齊納二極體的崩潰電壓時，該接面場效電晶體不動作，故無電流通過該接面場效電晶體及電阻；當該輸入電壓大於該崩潰電壓時，該接面場效電晶體動作，故有電流通過該接面場效電晶體及電阻。因此根據該電阻的跨壓可取得偵測信號以供判斷該輸入電壓大於或小於該齊納二極體的崩潰電壓。
根據本發明，一種交直流交換式電源轉換器的保護裝置包括整流電路將連接在兩交流輸入端之間的高頻濾波電容的第一電壓整流產生第二電壓，電壓偵測器偵測該第二電壓產生偵測信號，以及欠電壓判斷電路根據該偵測信號觸發欠電壓保護信號。該電壓偵測器係利用JFET特性來偵測該第二電壓，因此減少功率損耗。
根據本發明，一種交直流交換式電源轉換器的保護裝置包括整流電路將連接在兩交流輸入端之間的高頻濾波電容的第一電壓整流產生第二電壓，電壓偵測器用以偵測該第二電壓產生偵測信號，電源移除判斷電路根據該偵測信號觸發電源移除信號，以及開關連接在該高頻濾波電容及地端之間，因應該電源移除信號使該高頻濾波電容放電。該電壓偵測器係利用JFET特性來偵測該第二電壓，因此減少功率損耗。
根據本發明，一種交直流交換式電源轉換器的保護裝置包括整流電路將連接在兩交流輸入端之間的高頻濾波電容的第一電壓整流產生第二電壓，電壓偵測器用以偵測該第二電壓產生偵測信號，並因應電源移除信號使該高頻濾波電容放電，以及電源移除判斷電路根據該偵測信號觸發該電源移除信號。該電壓偵測器係利用JFET特性來偵測該第二電壓，因此減少功率損耗。
圖2係本發明的電壓偵測器，其用以偵測輸入電壓Vin產生偵測信號VS 。在此電壓偵測器中，齊納二極體22具有陰極連接偵測端20，接面場效電晶體24具有汲極D作為輸入端連接齊納二極體22的陽極、源極S作為輸出端以及閘極G作為控制端，電阻26連接在JFET 24的源極S及閘極G之間，開關28連接在JFET 24的閘極G及地端GND之間，受控於控制信號UVLO。當開關28為開路(off)時，該電壓偵測器不偵測輸入電壓Vin。在開關28閉合(on)期間，若偵測端20上的輸入電壓Vin大於齊納二極體22的崩潰電壓VZ ，則JFET 24動作，因此產生電流ID 由JFET 24流經源極S。由於開關28閉合，故JFET 24的閘極G接地，電流ID 將通過電阻26，其跨壓VSG 因而上升，因此JFET 24的閘源極電壓VGS 下降。根據如圖3所示的JFET的電流ID 對閘源極電壓VGS 的特性曲線，JFET 24的閘源極電壓VGS 將等於夾止(pinch-off)電壓-VP ，因此電阻26上的跨壓VSG 將等於VP 。在開關28閉合期間，若輸入電壓Vin小於崩潰電壓VZ 時，JFET 24上沒有電流ID 通過，又JFET 24的閘極G接地，因此JFET 24的源極S與閘極G同電位，故電阻26的跨壓VSG 為0。由於JFET 24的漏電流幾乎為0，因此該電壓偵測器在偵測輸入電壓Vin時幾乎沒有功率損耗。
如前所述，根據電阻26的跨壓VSG 可以判斷輸入電壓Vin大於或小於齊納二極體22的崩潰電壓Vz，因此可從電阻26的跨壓VSG 取得偵測信號。在此實施例中，JFET 24的閘極G接地，故可直接用JFET 24源極S的電壓VS 作為偵測信號。在此電壓偵測器中，利用齊納二極體22的崩潰電壓Vz作為電壓判斷準位，藉由選擇或調整齊納二極體22的崩潰電壓VZ 或增加齊納二極體22的串聯數量可以改變電壓判斷準位。
圖4係使用圖2的電壓偵測器的欠電壓保護裝置30，用以偵測交直流交換式電源轉換器是否發生欠電壓。欠電壓保護裝置30包括整流電路31連接高頻濾波電容CX的兩端、電壓偵測器32連接整流電路31以及欠電壓判斷電路34連接電壓偵測器32。整流電路31整流高頻濾波電容CX的電壓VCX 產生電壓VHV ，電壓偵測器32偵測電壓VHV 產生偵測信號VS ，欠電壓判斷電路34根據偵測信號VS 決定是否觸發欠電壓保護信號SBO。整流電路31包括二極體D1及D2，其陽極分別連接高頻濾波電容CX的兩端，其陰極連接電壓偵測器32的偵測端20。電壓偵測器32除了增加二極體36連接在JFET 24的源極S及電源電容Vcc之間外，其餘元件與圖2的電路相同。電源電容Vcc係提供電源電壓給該交直流交換式電源轉換器。在此實施例中，當開關28為開路時，若電壓VHV 小於齊納二極體22的崩潰電壓VZ ，則JFET 24不動作，沒有電流ID 通過JFET 24；若電壓VHV 大於崩潰電壓VZ ，則JFET 24動作，電流ID 經JFET 24及二極體36對電源電容Vcc充電，二極體36係用以阻擋來自電源電容Vcc的電流，避免在JFET 24不動作時偵測信號VS 無法處於零電位。在欠電壓判斷電路34中，比較器38的負輸入及正輸入分別接收偵測信號VS 及臨界值Vth，比較器38比較偵測信號VS 及臨界值Vth產生比較信號BNO，計數器40根據比較信號BNO產生欠電壓保護信號SBO。
圖5係圖4電路的波形圖，由於高頻濾波電容CX之兩端係連接交流電源，因此其上的電壓VCX 將如波形42所示呈現弦波振盪，整流電路31在將電壓VCX 整流後產生如波形46所示的電壓VHV 。在開關28閉合期間，當電壓VHV 在時間t1大於齊納二極體22的崩潰電壓VZ 時，如波形44及46所示，JFET 24動作，電流ID 通過電阻26，因此偵測信號VS 的準位為VP ，如波形48所示，又臨界值Vth小於VP ，故比較信號BNO為低準位，如波形50所示。當電壓VHV 在時間t2小於崩潰電壓VZ 時，JFET 24不動作，沒有電流ID 通過電阻26，因此偵測信號VS 為零電位，比較信號BNO轉為高準位。當計數器40偵測到比較信號BNO為高準位且持續超過預設時間T1時，如時間t3至t4，判定交流電源處於欠電壓狀態，因而觸發欠電壓保護信號SBO以使該交直流交換式電源轉換器停止操作。崩潰電壓VZ 可藉選擇或調整齊納二極體22或增加齊納二極體22的串聯數量來改變。由於此實施例中無需使用分壓電阻來偵測交流電源，因此不會因分壓電阻而產生功率損耗，又JFET 24的漏電流接近0，因此電壓偵測器32幾乎沒有功率損耗。
圖6係使用圖2的電壓偵測器的電源移除保護裝置51，用以偵測交直流交換式電源轉換器的交流電源是否移除。除了圖4的整流電源31及電壓偵測器32，電源移除保護裝置51還包括電源移除判斷電路52及開關54。電源移除判斷電路52根據來自電壓偵測器32的偵測信號VS 產生電源移除信號SPR，開關54經二極體D1及D2連接高頻濾波電容CX的兩端，因應電源移除信號SPR使高頻濾波電容CX放電。在電源移除判斷電路52中，比較器56的正輸入及負輸入分別接收偵測信號VS 及臨界值Vth，比較器56比較偵測信號VS 及臨界值Vth產生比較信號DCH，計數器58根據比較信號DCH產生電源移除信號SPR。在此實施例中，當開關28為開路時，若電壓VHV 小於齊納二極體22的崩潰電壓VZ ，則JFET 24不動作，沒有電流ID 通過JFET 24；若電壓VHV 大於崩潰電壓VZ ，則JFET 24動作，電流ID 經JFET 24及二極體36對電源電容Vcc充電。在開關28閉合期間，當電壓VHV 大於崩潰電壓VZ 時，JFET 24動作，電流ID 通過電阻26，因此偵測信號VS 的準位為VP ，又臨界值Vth小於VP ，因此比較信號DCH為高準位；當電壓VHV 小於崩潰電壓VZ 時，JFET 24不動作，沒有電流ID 通過電阻26，因此偵測信號VS 為零電位，故比較信號DCH為低準位。
在圖6中，交流電源為交流弦波且頻率範圍為47Hz~63Hz(若整流電路31接成全波電路則為94Hz~126Hz)，因此每間隔47Hz~63Hz電壓VHV 將交越崩潰電壓VZ 而使JFET 24不動作，因此每隔47Hz~63Hz，比較信號DCH將有高低準位變化。當交流電源被移除時，高頻濾波電容CX的電壓VCX 將呈現直流值，若此時的電壓VCX 高於崩潰電壓VZ ，則比較信號DCH將維持高準位，當計數器58偵測到比較信號DCH為高準位且持續超過預設時間T1時，判定交流電源已被移除，因而觸發電源移除信號以使高頻濾波電容CX被放電直到電壓VHV 低於齊納二極體22的崩潰電壓VZ 。崩潰電壓VZ 可選擇低於安規規範的最小安全電壓(60Vpeak ,42.4Vac)或更低。崩潰電壓VZ 可藉選擇或調整齊納二極體22或增加齊納二極體22的串聯數量來改變。由於本實施例係使用主動元件54使高頻濾波電容放電而非使用洩放電阻RB，因此沒有額外的功率損耗。
圖7係圖6的電源移除保護裝置51的另一實施例，除了電源移除判斷電路52及電壓偵測器60之外，其餘元件與圖6的電路相同。在電源移除判斷電路52中，除了比較器56及計數器58之外，還包括反相器62用以將計數器58所輸出的信號Sc反相產生電源移除信號SPR。在電壓偵測器60中，除了二極體36係連接在JFET 24的源極S及地端GND之間，以及開關28係受控於來自電源移除判斷電路52的電源移除信號SPR外，其餘元件與圖6的電壓偵測器32相同。在此實施例中，在開關28閉合期間，當電壓VHV 大於齊納二極體22的崩潰電壓VZ 時，JFET 24動作，電流ID 通過電阻26，因此偵測信號VS 的準位為VP ，又臨界值Vth小於VP ，因此比較信號DCH為高準位；當電壓VHV 小於崩潰電壓VZ 時，JFET 24不動作，沒有電流ID 通過電阻26，因此偵測信號VS 為零電位，故比較信號DCH轉為低準位。當計數器58偵測到比較信號DCH為高準位且持續超過預設時間T1時，判定交流電源已被移除，因而觸發高準位的信號Sc，反相器62反相信號Sc產生低準位的電源移除信號SPR以使開關28變為開路，此時由於電壓VHV 大於崩潰電壓VZ ，因此高頻濾波電容CX的電壓VCX 將經JFET 24及二極體36洩放到地端GND，直到電壓VCX 低於齊納二極體22的崩潰電壓VZ 。
圖8係使用圖2的電壓偵測器實現欠電壓保護及輸入電壓移除偵測的交直流交換式電源轉換器，其包括圖4的交流輸入端12及14、高頻濾波電容CX、整流電路16及31、電壓轉換器18、電壓偵測器32及欠電壓判斷電路34，以及圖7的電源移除判斷電路52及電壓偵測器60，但電壓偵測器32及60中的齊納二極體分別為Z1及Z2。在此交直流交換式電源轉換器中，電壓偵測器32及60、欠電壓判斷電路34以及電源移除判斷電路52是整合在控制晶片70中，而且電壓偵測器32及60的偵測端20共用同一支接腳HV。當接腳HV的電壓VHV 低於齊納二極體Z1的崩潰電壓VZ1 且持續超過預設時間T1時，欠電壓判斷電路34觸發欠電壓保護信號SBO以關閉交直流交換式電源轉換器。當電壓VHV 高於齊納二極體Z2的崩潰電壓VZ2 且持續超過預設時間T1時，電源移除判斷電路52觸發電源移除信號SPR使高頻濾波電容CX放電。在此實施例中，僅使用一支接腳便可達成兩項保護功能，而且無須使用洩放電阻RB來洩放高頻濾波電容CX的電壓VCX 以及分壓電阻來偵測交流電源，因此可避免因洩放電阻RB及分壓電阻所造成的功率損耗。
圖9係使用圖2的電壓偵測器實現欠電壓保護及輸入電壓移除偵測的另一實施例，其包括圖8的交流輸入端12及14、高頻濾波電容CX、整流電路16及31、電壓轉換器18、電壓偵測器32、欠電壓判斷電路34、電源移除判斷電路52及電壓偵測器60，但是電壓偵測器32包括串聯的齊納二極體Z1及Z2。在此交直流交換式電源轉換器中，電壓偵測器32及60同樣共用接腳HV，當接腳HV上的電壓VHV 低於VZ1 +VZ2 且持續超過預設時間T1時，欠電壓判斷電路34觸發欠電壓保護信號SBO以關閉交直流交換式電源轉換器；當電壓VHV 高於VZ2 且持續超過預設時間T1時，電源移除判斷電路52觸發電源移除信號SPR使高頻濾波電容CX放電。
以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。
10．．．交直流交換式電源轉換器
12．．．交流輸入端
14．．．交流輸入端
16．．．整流電路
18．．．電壓轉換器
20．．．偵測端
22．．．齊納二極體
24．．．JFET
26．．．電阻
28．．．開關
30．．．欠電壓保護裝置
31．．．整流電路
32．．．電壓偵測器
34．．．欠電壓判斷電路
36．．．二極體
38．．．比較器
40．．．計數器
42．．．電壓VCX 的波形
44．．．崩潰電壓VZ 的波形
46．．．電壓VHV 的波形
48．．．偵測信號VS 的波形
50．．．比較信號BNO的波形
51．．．電源移除保護裝置
52．．．電源移除判斷電路
54．．．開關
56．．．比較器
58．．．計數器
60．．．電壓偵測器
62．．．反相器
70．．．控制晶片
圖1係習知的交直流交換式電源轉換器；
圖2係本發明的電壓偵測器；
圖3係圖2的JFET的電流ID 對閘源極電壓VGS 的特性曲線；
圖4係使用圖2中電壓偵測器的欠電壓保護裝置；
圖5係圖4中信號的波形圖；
圖6係使用圖2的電壓偵測器的電源移除保護裝置；
圖7係圖6的電源移除保護裝置的另一實施例；
圖8係使用圖2的電壓偵測器實現欠電壓保護及輸入電壓移除偵測的交直流交換式電源轉換器；以及
圖9係使用圖2的電壓偵測器實現欠電壓保護及輸入電壓移除偵測的另一實施例。
20．．．偵測端
22．．．齊納二極體
24．．．JFET
26．．．電阻
28．．．開關

Claims (11)

  1. 一種電壓偵測器，用以偵測輸入電壓產生偵測信號，包括：偵測端供接收該輸入電壓；接面場效電晶體具有輸入端、輸出端及控制端；齊納二極體具有陰極連接該偵測端以及陽極連接該輸入端；以及電阻連接在該輸出端及控制端之間；其中該偵測信號從該電阻的跨壓取得。
  2. 如請求項1之電壓偵測器，更包括開關連接在該控制端及地端之間，因應控制信號將該控制端連接至該地端。
  3. 一種交直流交換式電源轉換器的保護裝置，該交直流交換式電源轉換器包含第一及第二交流輸入端供連接交流電源，以及連接在該第一及第二交流輸入端之間用以濾除高頻雜訊的高頻濾波電容，該保護裝置包括：整流電路連接該高頻濾波電容的兩端，整流該高頻濾波電容的第一電壓產生第二電壓；電壓偵測器連接該整流電路，偵測該第二電壓產生偵測信號；以及欠電壓判斷電路連接該電壓偵測器，根據該偵測信號送出欠電壓保護信號。
  4. 如請求項3之保護裝置，其中該電壓偵測器包括：齊納二極體具有陰極連接該整流電路；接面場效電晶體具有輸入端、輸出端及控制端，該輸入端連接該齊納二極體的陽極；電阻連接在該輸出端及控制端之間；以及開關連接在該控制端及地端之間，因應控制信號將該控制端連接該地端；其中該偵測信號從該電阻的跨壓取得。
  5. 如請求項3之保護裝置，其中該欠電壓判斷電路包括：比較器連接該電壓偵測器，比較該偵測信號及臨界值產生比較信號；以及計數器連接該比較器，在該偵測信號持續預設時間低於該臨界值時，觸發該欠電壓保護信號。
  6. 一種交直流交換式電源轉換器的保護裝置，該交直流交換式電源轉換器包含第一及第二交流輸入端供連接交流電源，以及連接在該第一及第二交流輸入端之間用以濾除高頻雜訊的高頻濾波電容，該保護裝置包括：整流電路連接該高頻濾波電容的兩端，整流該高頻濾波電容的第一電壓產生第二電壓；電壓偵測器連接該整流電路，偵測該第二電壓產生偵測信號；電源移除判斷電路連接該電壓偵測器，根據該偵測信號觸發電源移除信號；以及開關連接在該高頻濾波電容及地端之間，因應該電源移除信號使該高頻濾波電容放電。
  7. 如請求項6之保護裝置，其中該電壓偵測器包括：齊納二極體具有陰極連接該整流電路；接面場效電晶體具有輸入端、輸出端及控制端，該輸入端連接該齊納二極體的陽極；電阻連接在該輸出端及控制端之間；以及第二開關連接在該控制端及地端之間，因應控制信號將該控制端連接該地端；其中該偵測信號從該電阻的跨壓取得。
  8. 如請求項6之保護裝置，其中該電源移除判斷電路包括：比較器連接該電壓偵測器，比較該偵測信號及臨界值產生比較信號；計數器連接該比較器，在該偵測信號持續預設時間高於該臨界值時，觸發該電源移除信號。
  9. 一種交直流交換式電源轉換器的保護裝置，該交直流交換式電源轉換器包含第一及第二交流輸入端供連接交流電源，以及連接在該第一及第二交流輸入端之間用以濾除高頻雜訊的高頻濾波電容，該保護裝置包括：整流電路連接該高頻濾波電容的兩端，整流該高頻濾波電容的第一電壓產生第二電壓；電壓偵測器連接該整流電路，偵測該第二電壓產生偵測信號；以及電源移除判斷電路連接該電壓偵測器，根據該偵測信號觸發電源移除信號給該電壓偵測器；其中該電壓偵測器因應該電源移除信號使該高頻濾波電容放電。
  10. 如請求項9之交直流交換式電源轉換器，其中該電壓偵測器包括：齊納二極體具有陰極連接該整流電路；接面場效電晶體，具有輸入端、輸出端及控制端，該輸入端連接該齊納二極體的陽極；電阻連接在該輸出端及控制端之間；二極體連接在該輸出端及地端之間；以及開關連接在該控制端及地端之間，受控於該電源移除信號；其中該偵測信號從該電阻的跨壓取得。
  11. 如請求項9之交直流交換式電源轉換器，其中該電源移除判斷電路包括：比較器連接該電壓偵測器，比較該偵測信號及臨界值產生比較信號；計數器連接該比較器，在該偵測信號持續預設時間高於該臨界值時，觸發該電源移除信號。
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