TWI623165B - 高頻切換之過載保護電流模組 - Google Patents

Abstract

本發明有關於一種高頻切換之過載保護電流模組，係包含有一控制電路，接收一負載電流，並輸出一控制訊號，控制電路為依序電性連接有一前端比較器、一反向器、一定時器、一隔離電路、一後端比較器以及一驅動器，其中前端比較器將負載電流與一額定電流比較；一切換電路，電性連接一電源以及控制電路，係接收控制訊號，其包含有一場效應電晶體以及一與場效應電晶體並聯之電容，其中電源有電性連接一LC濾波電路；以及一電流感測器，係電性連接控制電路、切換電路以及一負載，將負載電流回授輸出至控制電路。

Description

高頻切換之過載保護電流模組

本發明係有關於一種過載保護電流模組，尤其係指一種高頻切換之過載保護電流模組，其利用回授控制、抑制電壓之技術，以精確地掌握切換電路開關接通與閉合的時間，適時控制開關切換的周期，並能使負載端保持特定的電流值以利設備的正常運轉；由於本發明之開關有並聯電容，因此可以抑制電壓瞬間上升，藉以降低開關功率的耗損，進而達到過載保護之目的。

按，傳統上，過載保護的技術一般聚焦在電源端進行短路保護或者設計具有輸出限流的機制，這些方法不外乎是直接將電源斷路，或是在電源端限制其輸出的電流，最常應用的產品即為家庭中常見的斷路器，可參考中華民國新型專利公告號TW M532648「漏電斷路器改良電路」以及發明專利TW I424649「可遠端控制之斷路器」，該等前案即為一種完全斷電的裝置，在過載時，能夠斷開電源，以保護負載設備不會受損。

然而，在許多安全性需求極高的場合，一些特殊性的設備如安裝在飛航器上的馬達，縱使在過載的情況之下，仍然必須能夠即刻進行修正並且保持正常的運轉，若使用上述專利前案的設備，則可能會造成飛航失事的重大事故，且一般的斷路器在開關時，皆必須耗損相當大的輸出功率，使用上較不節能；爰此，如何提供一種安全且又無耗損功率的過載保護模組，即為發明人思及之方向。

今，發明人即是鑑於上述現有之過載保護模組於實際實施使用時仍具有多處缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。

本發明係有關於一種過載保護電流模組，尤其係指一種高頻切換之過載保護電流模組，其利用回授控制、抑制電壓之技術，於開關切換時，能抑制電壓瞬間上升，藉以降低開關功率的耗損，並達到適時控制開關切換周期之功效，維持負載設備運轉所需的電流值，以應用於多種需要高安全性的電子設備上。

為了達到上述實施目的，本發明一種高頻切換之過載保護電流模組，其包含有一控制電路，係接收一負載電流，並輸出一控制訊號，控制電路為依序電性連接有一前端比較器、一反向器、一定時器、一隔離電路、一後端比較器以及一驅動器，其中前端比較器將負載電流與一額定電流比較；一切換電路，電性連接一電源以及控制電路，係接收控制訊號，其包含有一場效應電晶體以及一與場效應電晶體並聯之電容，其中電源有電性連接一LC濾波電路；以及一電流感測器，係電性連接控制電路、切換電路以及一負載，將負載電流回授輸出至控制電路。

於本發明之一實施例中，額定電流為預先設定之電流限制的數值。

於本發明之一實施例中，反向器以負緣觸發之方式觸發定時器。

於本發明之一實施例中，定時器之延遲時間係根據時間常數1.1RC決定。

於本發明之一實施例中，隔離電路係使用光耦合器，以不同的接地點區隔開控制電路與切換電路。

於本發明之一實施例中，後端比較器接收隔離電路之輸出，並轉換為數位訊號。

於本發明之一實施例中，場效應電晶體為金屬氧化物半導體場效電晶體 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)。

本發明之目的及其結構功能上的優點，將依據以下圖面所示之結構，配合具體實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。

請參閱第一圖與第二圖，本發明一種高頻切換之過載保護電流模組，其包含有一控制電路(1)，係接收一負載電流(11)，並輸出一控制訊號(12)，控制電路(1)為依序電性連接有一前端比較器(13)、一反向器(14)、一定時器(15)、一隔離電路(16)、一後端比較器(17)以及一驅動器(18)，其中前端比較器(13)將負載電流(11)與一額定電流(19)比較，此額定電流(19)係預先設定的數值，限制出電路中最高的電流數值，當負載電流(11)到達額定電流(19)時，反向器(14)以負緣觸發之方式觸發定時器(15)，定時器(15)接收到負緣訊號時，會產生一個延遲時間使切換電路(2)暫時斷開開關，為避免控制電路(1)與切換電路(2)互相有訊號干擾，於是隔離電路(16)利用光耦合器的結構特性，以不同的接地點區隔開控制電路(1)與切換電路(2)，並會繼續輸出訊號至後端比較器，此訊號會轉換為數位訊號，增加訊號傳輸的可靠性，以確保驅動器(18)可以順利且快速地驅動切換電路(2)，其中，定時器(15)之延遲時間係根據時間常數1.1RC決定，意即例如使用100 kΩ之電阻以及0.01 μF之電容，則延遲時間就會是1.1×100k×0.01μ=1.1 ms；

一切換電路(2)，電性連接一電源(21)以及控制電路(1)，係接收控制訊號(12)，其包含有一場效應電晶體以及一與場效應電晶體並聯之電容(23)，其中電源(21)有電性連接一LC濾波電路(24)，本發明之場效應電晶體以MOSFET(22)作為開關，藉由開關並聯電容(23)，抑制切換開關時，電壓瞬間上升，藉此能夠有效降低開關功率的耗損，電源(21)經由LC濾波電路(24)，能夠將輸出之電壓的諧波濾除，僅留下直流電壓，因此可以確保負載電流(11)始終都可以保持平穩的狀態；以及一電流感測器(3)，係電性連接控制電路(1)、切換電路(2)以及一負載(31)，將負載電流(11)回授輸出至控制電路(1)。

此外，藉由下述具體實施例，可進一步證明本發明可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍。

請繼續參閱第一圖與第二圖，本發明主要先由電流感測器(3)感測到負載(31)之電流，將此電流回授給控制電路(1)，控制電路(1)比較並判斷負載電流(11)之數值是否高於額定電流(19)，再傳送控制訊號(12)給切換電路(2)，以切換電路(2)之開關；實際電路運作的過程可參考第三圖，前端比較器(13)會比較負載電流(11)與額定電流(19)之數值，若負載電流值I_o大於額定電流值I_limit，即判斷電路有過載之情形，控制電路(1)會輸出控制訊號(12)給切換電路(2)，切換電路(2)迅速將MOSFET(22)斷開，停止電路動作，因此電源(21)不再供應電源電流I_s，負載電流值I_o會逐漸下降，但仍能維持負載(31)之運作，若負載電流值I_o不足時，切換電路(2)將會開啟MOSFET(22)，恢復電源(21)之供應使得電流提升至預設的準位，直到下一次過載的情況發生。

根據前述，可知本技術之電路中的情形大致上可以分為過載與無過載兩種狀態，圖式第四圖即為無過載狀態的電路情形，電路中係正常供電，其中LC濾波器之電感L_o為閉路、電容C_o為開路；第五圖為有過載限制狀態的電路情形，係負載電流值I_o大於額定電流值I_limit，MOSFET(22)會被切換為開路，而切換開關切換時的情形，可參考第六圖的波形圖，由圖中可清楚看到，即便MOSFET(22)斷開，開關為OFF時，電流雖然會下降，但仍有足夠的電流維持負載(31)持續運作，而在延遲時間的控制下，又會馬上讓MOSFET(22)運作，以恢復供應整體電路的電流電壓，直至下一次過載發生。

本發明亦在直流電壓28 V的電路中成功實施，其中負載(31)使用1 Ω之電阻、電感L_o為100 μH、電容C_o為4700 μF。此實施例在全負載情形下，電流最大可達28 A，進一步地，實施例將額定電流(19)分為10 A與20 A做實施，觀察過載保護的效果。其中，可參考第二圖，前端比較器(13)之可變電阻R_v可以根據所需的額定電流值I_limit去作調整。

透過20×(R_v/1k+R_v)=I_limit×0.066+2.5(參考電壓)-0.5(二極體電壓)之方程式計算，可知I_limit限制在10 A時，前端比較器(13)之可變電阻R_v須調整為153 Ω；而I_limit限制在10 A時，前端比較器(13)之可變電阻R_v須調整為199 Ω。

經由示波器量測實驗時的波型，可得知以下數據。

額定電流值I_limit=10A時： 1. MOSFET(22)維持閉路時間約為0.3 ms。 2. MOSFET(22)維持閉路時間約為1.2 ms。 3. 負載電流值I_o的漣波振幅(ripple amplitude)為0.38 A。 4. 控制訊號(12)的頻率為618 Hz。 5. MOSFET(22)的電壓V_DS在開路時為17.2 V。

額定電流值I_limit=20A時： 1. MOSFET(22)維持閉路時間約為1.2 ms。 2. MOSFET(22)維持閉路時間約為1.2 ms。 3. 負載電流值I_o的漣波振幅(ripple amplitude)為0.58 A。 4. 控制訊號(12)的頻率為144 Hz。 5. MOSFET(22)的電壓V_DS在開路時為10.4 V。

根據兩組實施例數據，確實能在電路過載狀態時，馬上切換MOSFET(22)，亦發現越高的額定電流值，就必須要有越大的電感電流，以支持負載(31)端的持續運作，再者，額定電流值的大小也會影響切換電路(2)的切換時間，越高的額定電流值，所需要的時間就越長，但整體而言，在MOSFET(22)切換時，仍有相當好的速度，且利用開關並聯電容(23)的設計，讓切換時能有較低的耗損功率，又能保護電路的安全。

由上述之實施說明可知，本發明與現有技術相較之下，本發明具有以下優點:

1.本發明高頻切換之過載保護電流模組的切換電路有並聯一個電容器，在電路過載需要切換開關的情況下，能夠精準、迅速地切換開關，斷開電路的電源，又保持負載能有足夠的電流運轉，而不完全斷電，且藉由電容器之特性，於開關切換時，能抑制電壓瞬間上升，藉以降低開關功率的耗損，達到適時控制開關切換周期之功效，以應用於多種需要高安全性的電子設備上，對比先前斷路器的使用，本發明適合用於有高安全性需求的電子設備上，增加使用上的安全及可靠性。

2.本發明高頻切換之過載保護電流模組的控制電路中具有前端比較器、反向器、定時器、隔離電路、後端比較器以及驅動器，藉著該等電子元件的特性，提供控制電路具有快速且無干擾輸出控制訊號的優勢，讓切換電路快速地來回切換開關；再者，搭配電流感測器，使本發明能回授電流值，讓控制電路能夠隨時比對額定電流值與負載電流的數值，整體使用上係相當方便且具有效率。

綜上所述，本發明之高頻切換之過載保護電流模組，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。

(1)‧‧‧控制電路
(11)‧‧‧負載電流

(12)‧‧‧控制訊號
(13)‧‧‧前端比較器

(14)‧‧‧反向器
(15)‧‧‧定時器

(16)‧‧‧隔離電路
(17)‧‧‧後端比較器

(18)‧‧‧驅動器
(19)‧‧‧額定電流

(2)‧‧‧切換電路
(21)‧‧‧電源

(22)‧‧‧MOSFET
(23)‧‧‧電容

(24)‧‧‧LC濾波電路
(3)‧‧‧電流感測器

(31)‧‧‧負載

第一圖：本發明其較佳實施例之電路示意圖。

第二圖：本發明其較佳實施例之部分電路架構圖。

第三圖：本發明其較佳實施例之回授方法示意圖。

第四圖：本發明其較佳實施例之無過載狀態示意圖。

第五圖：本發明其較佳實施例之過載狀態示意圖。

第六圖：本發明其較佳實施例之波形圖。

Claims (7)

1. 一種高頻切換之過載保護電流模組，包含有： 一控制電路，係接收一負載電流，並輸出一控制訊號，該控制電路包含並依序電性連接有一前端比較器、一反向器、一定時器、一隔離電路、一後端比較器以及一驅動器，其中該前端比較器將該負載電流與一額定電流比較； 一切換電路，電性連接一電源以及該控制電路，係接收該控制訊號，其包含有一場效應電晶體以及一與該場效應電晶體並聯之電容，其中該電源有電性連接一LC濾波電路；以及 一電流感測器，係電性連接該控制電路、該切換電路以及一負載，將該負載電流回授輸出至該控制電路。
2. 如申請專利範圍第1項所述高頻切換之過載保護電流模組，其中該額定電流為預先設定之電流限制的數值。
3. 如申請專利範圍第1項所述高頻切換之過載保護電流模組，其中該反向器以負緣觸發之方式觸發該定時器。
4. 如申請專利範圍第1項所述高頻切換之過載保護電流模組，其中該定時器之延遲時間係根據時間常數1.1RC決定。
5. 如申請專利範圍第1項所述高頻切換之過載保護電流模組，其中該隔離電路係使用光耦合器，以不同的接地點區隔開該控制電路與該切換電路。
6. 如申請專利範圍第1項所述高頻切換之過載保護電流模組其中該後端比較器接收該隔離電路之輸出，並轉換為數位訊號。
7. 如申請專利範圍第1項所述高頻切換之過載保護電流模組，其中該場效應電晶體為金屬氧化物半導體場效電晶體 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)。