TWI546541B - 高端電流監測裝置 - Google Patents

Description

高端電流監測裝置 【0001】

本發明係有關於一種電流監測裝置，特別是一種用於高壓輸入之高端電流監測裝置。

【0002】

目前習知高端電流監測裝置主要有利用霍爾效應積體電路電流偵測器及分流電阻電流偵測器；霍爾效應積體電路電流偵測器的缺點為響應慢、體積大且價格高；因此，目前使用者大多使用分流電阻電流偵測器；而分流電阻電流偵測器的優點即為響應快且體積小，但其缺點是應用於高壓操作時，必須使用隔離電源，如此將使得分流電阻電流偵測器的電路變得複雜而成本提高了。

【0003】

為改善上述習知技術之缺點，本發明之目的在於提供一種高端電流監測裝置，特別適用於高壓操作。

【0004】

為達成本發明之上述目的，本發明之高端電流監測裝置係應用於一高壓輸入狀況下以監測流進一負載裝置之一負載電流，該高端電流監測裝置包含：一電流鏡單元，係依據該負載電流產生並輸出一鏡射電流；一主動高壓單元，係電性連接至該電流鏡單元以接收該鏡射電流；一偏壓單元，係電性連接至該主動高壓單元，俾使該主動高壓單元於該高壓輸入狀況下工作於一線性區；及一電壓偵測單元，係藉由該鏡射電流產生一電壓偵測訊號。其中藉由該電壓偵測訊號對應該負載電流的大小。

【0005】

再者，如上所述之高端電流監測裝置，更包含：一穩壓單元，係電性連接至該電流鏡單元、該主動高壓單元及該偏壓單元，該穩壓單元係用以提供該電流鏡單元一電流鏡操作電壓並保護該電流鏡單元。

【0006】

再者，如上所述之高端電流監測裝置，其中該電流鏡單元包含：一分流電阻，係電性連接至該負載裝置及該穩壓單元。其中該負載電流流經該分流電阻以產生一分流電壓降。

【0007】

再者，如上所述之高端電流監測裝置，其中該電流鏡單元更包含：一第一電晶體，係電性連接至該負載裝置及該分流電阻。

【0008】

再者，如上所述之高端電流監測裝置，其中該電流鏡單元更包含：一第二電晶體，係電性連接至該第一電晶體。

【0009】

再者，如上所述之高端電流監測裝置，其中該電流鏡單元更包含：一鏡射電阻，係電性連接至該穩壓單元、該分流電阻及該第二電晶體。其中該第一電晶體之一射極基極電壓等於該第二電晶體之一射極基極電壓，使得該分流電壓降對應該鏡射電阻而產生一第一鏡射電流，且一第二鏡射電流由該第一鏡射電流鏡射產生並流過該第一電晶體；該第一鏡射電流的大小等於該第二鏡射電流的大小。

【0010】

再者，如上所述之高端電流監測裝置，其中該電流鏡單元更包含：一第三電晶體，係電性連接至該第一電晶體、該第二電晶體及該主動高壓單元；及一第四電晶體，係電性連接至該第二電晶體、該第三電晶體及該主動高壓單元。

【0011】

再者，如上所述之高端電流監測裝置，更包含：一被動高壓單元，係電性連接至該主動高壓單元，該被動高壓單元係用以降低該主動高壓單元之跨壓。

【0012】

再者，如上所述之高端電流監測裝置，更包含：一電流鏡低壓啟動單元，係電性連接至該電流鏡單元、該主動高壓單元、該穩壓單元及該偏壓單元。其中當該分流電壓降負壓或低壓時（亦即，該負載電流小），會造成該電流鏡單元無法正常啟動，該電流鏡低壓啟動單元提供該電流鏡單元一偏壓路徑，使得該電流鏡單元維持工作（例如維持一小電流工作）。

【0013】

再者，如上所述之高端電流監測裝置，更包含：一限流單元，係電性連接至該電流鏡單元及該電流鏡低壓啟動單元，該限流單元係用以限流，藉以維持該高端電流監測裝置的電流量測精確度。

【0014】

本發明之功效在於提供一種電路簡單成本低且偵測範圍廣的高端電流監測裝置。

【0041】

10‧‧‧高端電流監測裝置

【0042】

20‧‧‧電壓供應單元

【0043】

30‧‧‧負載裝置

【0044】

102‧‧‧負載電流

【0045】

104‧‧‧電流鏡單元

【0046】

106‧‧‧主動高壓單元

【0047】

108‧‧‧電壓偵測單元

【0048】

110‧‧‧偏壓單元

【0049】

112‧‧‧穩壓單元

【0050】

114‧‧‧鏡射電流

【0051】

116‧‧‧電壓偵測端

【0052】

118‧‧‧電流偵測端

【0053】

120‧‧‧被動高壓單元

【0054】

122‧‧‧電流鏡低壓啟動單元

【0055】

124‧‧‧限流單元

【0056】

202‧‧‧輸入電壓

【0057】

10402‧‧‧分流電阻

【0058】

10404‧‧‧第一電晶體

【0059】

10406‧‧‧第二電晶體

【0060】

10408‧‧‧鏡射電阻

【0061】

10410‧‧‧第三電晶體

【0062】

10412‧‧‧第四電晶體

【0063】

10414‧‧‧第一鏡射電流

【0064】

10416‧‧‧第二鏡射電流

【0015】

圖1為本發明之高端電流監測裝置之一實施例方塊圖。

【0016】

圖2為本發明之高端電流監測裝置之一實施例電路圖。

【0017】

圖3為本發明之高端電流監測裝置之另一實施例方塊圖。

【0018】

圖4為本發明之高端電流監測裝置之另一實施例電路圖。

【0019】

有關本發明的詳細說明及技術內容，請參閱以下的詳細說明和附圖說明如下，而附圖與詳細說明僅作為說明之用，並非用於限制本發明。

【0020】

請參考圖1，其係為本發明之高端電流監測裝置之一實施例方塊圖；並請同時參考圖2，其係為本發明之高端電流監測裝置之一實施例電路圖。一高端電流監測裝置10係應用於一電壓供應單元20及一負載裝置30；該電壓供應單元20提供該高端電流監測裝置10一輸入電壓202（例如一高壓）；該高端電流監測裝置10係應用於一高壓輸入狀況下以監測流進該負載裝置30之一負載電流102；該高端電流監測裝置10包含一電流鏡單元104、一主動高壓單元106、一電壓偵測單元108、一偏壓單元110、一穩壓單元112、一電壓偵測端116及一電流偵測端118。

【0021】

該電流鏡單元104係依據該負載電流102產生並輸出一鏡射電流114；該主動高壓單元106係電性連接至該電流鏡單元104以接收該鏡射電流114；該偏壓單元110係電性連接至該主動高壓單元106，俾使該主動高壓單元106於該高壓輸入狀況下工作於一線性區；該電壓偵測單元108係藉由該鏡射電流114產生一電壓偵測訊號；藉由該電壓偵測訊號對應該負載電流102的大小。

【0022】

該電壓偵測單元108係電性連接至該主動高壓單元106，該電壓偵測單元108係用以偵測由該鏡射電流114造成跨過該電壓偵測單元108的一電壓降；該偏壓單元110係用以提供該主動高壓單元106一偏壓以工作於該線性區；該穩壓單元112係電性連接至該電流鏡單元104、該主動高壓單元106及該偏壓單元110，該穩壓單元112係用以提供該電流鏡單元104一電流鏡操作電壓並保護該電流鏡單元104；該電壓偵測端116電性連接至該偏壓單元110；該電流偵測端118電性連接至該主動高壓單元106及該電壓偵測單元108。

【0023】

該穩壓單元112可用於限制該電流鏡單元104之跨壓，其餘電壓降則會跨在該主動高壓單元106，如此設計可讓該電流鏡單元104操作於一較小的電壓範圍，藉此在高輸入電壓時只需使用一般低耐壓的電流鏡且亦提升電流鏡精確度。

【0024】

該電流鏡單元104包含一分流電阻10402、一第一電晶體10404、一第二電晶體10406、一鏡射電阻10408、一第三電晶體10410及一第四電晶體10412。

【0025】

該分流電阻10402係電性連接至該負載裝置30及該穩壓單元112；該第一電晶體10404係電性連接至該負載裝置30及該分流電阻10402；該第二電晶體10406係電性連接至該第一電晶體10404；該鏡射電阻10408係電性連接至該穩壓單元112、該分流電阻10402及該第二電晶體10406；該第三電晶體10410係電性連接至該第一電晶體10404、該第二電晶體10406及該主動高壓單元106；該第四電晶體10412係電性連接至該第二電晶體10406、該第三電晶體10410及該主動高壓單元106。

【0026】

該負載電流102流經該分流電阻10402以產生一分流電壓降；該第一電晶體10404之一射極基極電壓等於該第二電晶體10406之一射極基極電壓，使得該分流電壓降對應該鏡射電阻10408產生一第一鏡射電流10414，且一第二鏡射電流10416由該第一鏡射電流10414鏡射產生並流過該第一電晶體10404；該第一鏡射電流10414的大小等於該第二鏡射電流10416的大小；於本實施例中，該第一鏡射電流10414與該第二鏡射電流10416合成該鏡射電流114。

【0027】

類似於相關技術之高端電流監測裝置之公式：假設該電壓偵測單元108係為一電阻，則一電阻比值定義為該電壓偵測單元108除以該鏡射電阻10408的數值，該電流偵測端118的電壓等於該負載電流102乘以該分流電阻10402再乘以該電阻比值的兩倍，其中該電流偵測端118產生該電壓偵測訊號可被偵測而得知，而該分流電阻10402、該電壓偵測單元108及該鏡射電阻10408亦為已知；因此，該負載電流102即可被計算得出。藉由該電壓偵測訊號對應該負載電流102的大小。

【0028】

該主動高壓單元106可為例如但本發明不限定為一PNP雙極性接面電晶體；該電壓偵測單元108可為例如但本發明不限定為一電阻；該偏壓單元110可為例如但本發明不限定為包含兩個電阻；該穩壓單元112可為例如但本發明不限定為一5伏特之齊納二極體；該第一電晶體10404可為例如但本發明不限定為一PNP雙極性接面電晶體；該第二電晶體10406可為例如但本發明不限定為一PNP雙極性接面電晶體；該第三電晶體10410可為例如但本發明不限定為一NPN雙極性接面電晶體；第四電晶體10412可為例如但本發明不限定為一NPN雙極性接面電晶體。

【0029】

請參考圖3，其係為本發明之高端電流監測裝置之另一實施例方塊圖；並請同時參考圖4，其係為本發明之高端電流監測裝置之另一實施例電路圖。一高端電流監測裝置10係應用於一電壓供應單元20及一負載裝置30；該電壓供應單元20提供該高端電流監測裝置10一輸入電壓202（例如一高壓）；該高端電流監測裝置10係用以監測流進該負載裝置30之一負載電流102；該高端電流監測裝置10包含一電流鏡單元104、一主動高壓單元106、一電壓偵測單元108、一偏壓單元110、一穩壓單元112、一電壓偵測端116、一電流偵測端118、一被動高壓單元120、一電流鏡低壓啟動單元122及一限流單元124。

【0030】

該電流鏡單元104係依據該負載電流102產生並輸出一鏡射電流114；該主動高壓單元106係電性連接至該電流鏡單元104，該主動高壓單元106接收該鏡射電流114且係用以工作於一線性區以承受一高壓；該電壓偵測單元108係電性連接至該主動高壓單元106，該電壓偵測單元108係用以偵測由該鏡射電流114造成跨過該電壓偵測單元108的一電壓降；該偏壓單元110係電性連接至該主動高壓單元106，該偏壓單元110係用以提供該主動高壓單元106一偏壓以工作於一線性區；該穩壓單元112係電性連接至該電流鏡單元104、該主動高壓單元106及該偏壓單元110，該穩壓單元112係用以提供該電流鏡單元104一電流鏡操作電壓並保護該電流鏡單元104；該電壓偵測端116電性連接至該偏壓單元110；該電流偵測端118電性連接至該主動高壓單元106及該電壓偵測單元108。

【0031】

該穩壓單元112可用於限制該電流鏡單元104之跨壓，其餘電壓降則會跨在該主動高壓單元106，如此設計可讓該電流鏡單元104操作於一較小的電壓範圍，藉此只需使用一般低耐壓的電流鏡且亦提升電流鏡精確度。該電流鏡單元104包含一分流電阻10402、一第一電晶體10404、一第二電晶體10406、一鏡射電阻10408、一第三電晶體10410及一第四電晶體10412。

【0032】

該分流電阻10402係電性連接至該負載裝置30及該穩壓單元112；該第一電晶體10404係電性連接至該負載裝置30及該分流電阻10402；該第二電晶體10406係電性連接至該第一電晶體10404；該鏡射電阻10408係電性連接至該穩壓單元112、該分流電阻10402及該第二電晶體10406；該第三電晶體10410係電性連接至該第一電晶體10404、該第二電晶體10406及該主動高壓單元106；該第四電晶體10412係電性連接至該第二電晶體10406、該第三電晶體10410及該主動高壓單元106。

【0033】

該負載電流102流經該分流電阻10402以產生一分流電壓降；該第一電晶體10404之一射極基極電壓等於該第二電晶體10406之一射極基極電壓，使得該分流電壓降對應該鏡射電阻10408而產生一第一鏡射電流10414，且一第二鏡射電流10416由該第一鏡射電流10414鏡射產生並流過該第一電晶體10404；該第一鏡射電流10414的大小等於該第二鏡射電流10416的大小；於本實施例中，該第一鏡射電流10414與該第二鏡射電流10416合成該鏡射電流114。

【0034】

該被動高壓單元120係電性連接至該主動高壓單元106及該電壓偵測單元108，該被動高壓單元120係用以協助該主動高壓單元106以承受該高壓，當高端輸入電壓很高的應用情況下，可利用該被動高壓單元120以協助該主動高壓單元106承受該高壓以降低該主動高壓單元106之跨壓，而不必使用特殊耐壓規格的該主動高壓單元106，該被動高壓單元120提供該高端電流監測裝置10最低工作電壓穩壓功能。例如一般PNP雙極性接面電晶體的最大承受電壓為500伏特，當高端輸入電壓為200至600伏特範圍變動時，可選擇承受電壓為150伏特的該被動高壓單元120，則該主動高壓單元106的承受電壓最高約為450伏特，且於高端輸入電壓較低時(電壓為200伏特時)亦能正常工作。藉由該主動高壓單元106與該被動高壓單元120耐壓選擇可以應用於輸入電壓變動範圍較大的應用。

【0035】

該電流鏡低壓啟動單元122係電性連接至該電流鏡單元104、該主動高壓單元106、該穩壓單元112及該偏壓單元110；當該電流鏡單元104之該分流電阻10402處於低壓或負壓時（如該負載電流102過小或往回流時）會造成該電流鏡單元104無法啟動，該電流鏡低壓啟動單元122提供該電流鏡單元104一偏壓路徑，使得該高端電流監測裝置10能於上述低壓或負壓情況中正常啟動，其中該電流鏡低壓啟動單元122若選擇較小值則啟動響應較快，但同時導致該偏壓路徑會造成電流鏡電流不平衡而影響精確度。

【0036】

因為增加該電流鏡低壓啟動單元122會影響該高端電流監測裝置10的電流量測精確度，因此可增加該限流單元124。該限流單元124係電性連接至該電流鏡單元104及該電流鏡低壓啟動單元122，該限流單元124係用以限制流經該偏壓路徑之電流，藉以維持該高端電流監測裝置10的電流量測精確度（降低該電流鏡低壓啟動單元122影響）。其動作原理請參考圖4，該分流電阻10402處於低壓或負壓時，該電流鏡低壓啟動單元122提供該電流鏡單元104一偏壓路徑，使得該高端電流監測裝置10能快速正常啟動，而當該負載電流102增加時，該第二鏡射電流10416對應也會增加，如此該限流單元124上的跨壓同時也會增加，而因為該穩壓單元112已經限制該電流鏡單元104整體跨壓，所以該電流鏡低壓啟動單元122上的跨壓會變小，進而流經該偏壓路徑的電流會變小，所以可降低該電流鏡低壓啟動單元122的影響。

【0037】

類似於相關技術之高端電流監測裝置之公式：假設該電壓偵測單元108係為一電阻，則一電阻比值定義為該電壓偵測單元108除以該鏡射電阻10408的數值，該電流偵測端118的電壓等於該負載電流102乘以該分流電阻10402再乘以該電阻比值的兩倍，其中該電流偵測端118產生一電壓偵測訊號可被偵測而得知，而該分流電阻10402、該電壓偵測單元108及該鏡射電阻10408亦為已知；因此，該負載電流102即可被計算得出。藉由該電壓偵測訊號對應該負載電流102的大小。

【0038】

該主動高壓單元106可為例如但本發明不限定為一PNP雙極性接面電晶體；該電壓偵測單元108可為例如但本發明不限定為一電阻；該偏壓單元110可為例如但本發明不限定為包含兩個電阻；該穩壓單元112可為例如但本發明不限定為一5伏特之齊納二極體；該第一電晶體10404可為例如但本發明不限定為一PNP雙極性接面電晶體；該第二電晶體10406可為例如但本發明不限定為一PNP雙極性接面電晶體；該第三電晶體10410可為例如但本發明不限定為一NPN雙極性接面電晶體；第四電晶體10412可為例如但本發明不限定為一NPN雙極性接面電晶體；該被動高壓單元120可為例如但本發明不限定為一齊納二極體；該電流鏡低壓啟動單元122可為例如但本發明不限定為一電阻；該限流單元124可為例如但本發明不限定為一電阻。

【0039】

本發明之功效在於提供一種電路簡單成本低且偵測範圍廣的高端電流監測裝置。

【0040】

然以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍意圖保護之範疇。本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。綜上所述，當知本發明已具有產業利用性、新穎性與進步性，又本發明之構造亦未曾見於同類產品及公開使用，完全符合發明專利申請要件，爰依專利法提出申請。

10‧‧‧高端電流監測裝置

20‧‧‧電壓供應單元

30‧‧‧負載裝置

102‧‧‧負載電流

104‧‧‧電流鏡單元

106‧‧‧主動高壓單元

108‧‧‧電壓偵測單元

110‧‧‧偏壓單元

112‧‧‧穩壓單元

114‧‧‧鏡射電流

116‧‧‧電壓偵測端

118‧‧‧電流偵測端

202‧‧‧輸入電壓

Claims (10)

1. 【第1項】

   一種高端電流監測裝置，係應用於一高壓輸入狀況下以監測流進一負載裝置之一負載電流，該高端電流監測裝置包含： 一電流鏡單元，係依據該負載電流產生並輸出一鏡射電流； 一主動高壓單元，係電性連接至該電流鏡單元以接收該鏡射電流； 一偏壓單元，係電性連接至該主動高壓單元，俾使該主動高壓單元於該高壓輸入狀況下工作於一線性區；及 一電壓偵測單元，係藉由該鏡射電流產生一電壓偵測訊號， 其中藉由該電壓偵測訊號對應該負載電流的大小。
2. 【第2項】

   如申請專利範圍第1項所述之高端電流監測裝置，更包含： 一穩壓單元，係電性連接至該電流鏡單元、該主動高壓單元及該偏壓單元，該穩壓單元係用以提供該電流鏡單元一電流鏡操作電壓並保護該電流鏡單元。
3. 【第3項】

   如申請專利範圍第2項所述之高端電流監測裝置，其中該電流鏡單元包含： 一分流電阻，係電性連接至該負載裝置及該穩壓單元， 其中該負載電流流經該分流電阻以產生一分流電壓降。
4. 【第4項】

   如申請專利範圍第3項所述之高端電流監測裝置，其中該電流鏡單元更包含： 一第一電晶體，係電性連接至該負載裝置及該分流電阻。
5. 【第5項】

   如申請專利範圍第4項所述之高端電流監測裝置，其中該電流鏡單元更包含： 一第二電晶體，係電性連接至該第一電晶體。
6. 【第6項】

   如申請專利範圍第5項所述之高端電流監測裝置，其中該電流鏡單元更包含： 一鏡射電阻，係電性連接至該穩壓單元、該分流電阻及該第二電晶體， 其中該第一電晶體之一射極基極電壓等於該第二電晶體之一射極基極電壓，使得該分流電壓降對應該鏡射電阻產生一第一鏡射電流，且一第二鏡射電流由該第一鏡射電流鏡射產生並流過該第一電晶體；該第一鏡射電流的大小等於該第二鏡射電流的大小。
7. 【第7項】

   如申請專利範圍第6項所述之高端電流監測裝置，其中該電流鏡單元更包含： 一第三電晶體，係電性連接至該第一電晶體、該第二電晶體及該主動高壓單元；及 一第四電晶體，係電性連接至該第二電晶體、該第三電晶體及該主動高壓單元。
8. 【第8項】

   如申請專利範圍第2項所述之高端電流監測裝置，更包含： 一被動高壓單元，係電性連接至該主動高壓單元，該被動高壓單元係用以降低該主動高壓單元之跨壓。
9. 【第9項】

   如申請專利範圍第2項所述之高端電流監測裝置，更包含： 一電流鏡低壓啟動單元，係電性連接至該電流鏡單元、該主動高壓單元、該穩壓單元及該偏壓單元， 其中當該負載電流小時，該電流鏡低壓啟動單元提供該電流鏡單元一偏壓路徑，使得該電流鏡單元維持工作。
10. 【第10項】

    如申請專利範圍第9項所述之高端電流監測裝置，更包含： 一限流單元，係電性連接至該電流鏡單元及該電流鏡低壓啟動單元，該限流單元係用以限流，藉以維持該高端電流監測裝置的電流量測精確度。