TWI713279B - 過電流保護系統 - Google Patents

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TWI713279B
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黃重裕
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Abstract

一種過電流保護系統，包含第一電阻、第二電阻、第三電阻及靜電放電保護電路。第一電阻包含用以接收輸入電壓的第一端，以及第二端。第二電阻包含耦接於第一電阻之第二端的第一端，以及耦接於接地端第二端。第三電阻包含第一端，以及耦接於第二電阻之第一端的第二端。靜電放電保護電路耦接於第三電阻之第一端。當輸入電壓為異常電壓時，靜電放電保護電路為啟動狀態，以使第三電阻之第二端的電壓維持在正常電壓範圍。

Description

過電流保護系統
本發明揭露一種過電流保護系統，尤指一種具有穩定電壓功能之高耐久性的過電流保護系統。
隨著科技日新月異與電子設備功能的增加，輸入輸出(I/O)的端點或是連接元件也隨之增多。無論是I/O端點、或是用以接收外部驅動或控制電壓的連接元件，都可視為提供靜電放電或是外部輸入之能量進入內部電路的媒介。靜電放電(Electrostatic Discharge，ESD)為具有不同靜電電位的物體相互靠近或直接接觸引起的電荷轉移之物理現象。不同物質的接觸、相對運動或相互摩擦即可產生靜電。兩個帶有電荷的物體也就成了靜電源。依據電荷中和原理，靜電源與其他物體接觸時，會存在著電荷流動，以傳送足夠的能量以抵消相反電壓。電荷流動的過程中，將產生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場，嚴重時可將脆弱物體或電子元件擊毀，此為靜電放電的特性。
在目前的顯示器中，與靜電放電保護的相關設計變得不容忽視。特別是在濕度較小的環境中，靜電放電的電壓尺度動輒數十甚至數百伏特。如此超高的瞬間電壓可能立刻會將顯示器內的電路擊毀、或是讓顯示器內的電路發生誤動作。因此，現有的顯示器常會包含過電流保護系統，以避免靜電放電的能量直接破壞其內部電路，以及避免異常外部輸入之能量進入內部電路。
然而，由於目前顯示器中的過電流保護系統的耐壓性不足，因此過電流保護系統的電路元件容易損壞。並且，目前顯示器中的過電流保護系統因耐壓性不足，故無法同時阻隔靜電放電的能量以及異常外部輸入之能量進入內部電路。換句話說，當顯示器中的過電流保護系統因為耐壓性不足而出現誤動作時，顯示器中的其他元件(例如處理器)將會伴隨被異常電壓損壞的風險。
本發明一實施例提出一種過電流保護系統。過電流保護系統包含第一電阻、第二電阻、第三電阻及靜電放電保護電路。第一電阻包含用以接收輸入電壓的第一端，以及第二端。第二電阻包含耦接於第一電阻之第二端的第一端，以及耦接於接地端的第二端。第三電阻包含第一端，以及耦接於第二電阻之第一端的第二端。靜電放電保護電路耦接於第三電阻之第一端。當輸入電壓為異常電壓時，靜電放電保護電路為啟動狀態，以使第三電阻之第二端的電壓維持在正常電壓範圍。
100:過電流保護系統
R1:第一電阻
R2:第二電阻
R3:第三電阻
R4:第四電阻
GND:接地端
D1:第一二極體
D2:第二二極體
Vcc:供電電壓
Vin:輸入電壓
Vout:輸出電壓
A及B:節點
10:靜電放電保護電路
F1:第一電流路徑
F2:第二電流路徑
F3:第三電流路徑
F4:第四電流路徑
F5:第五電流路徑
第1圖係為本發明之過電流保護系統之實施例的電路圖。
第2圖係為第1圖之過電流保護系統中，當輸入電壓為異常高壓時，各元件狀態以及電流路徑的示意圖。
第3圖係為第1圖之過電流保護系統中，當輸入電壓為負極性之異常低壓時，各元件狀態以及電流路徑的示意圖。
第4圖係為第1圖之過電流保護系統中，當輸入電壓落在正常電壓範圍時，各元件狀態以及電流路徑的示意圖。
第1圖係為本發明之過電流保護系統100之實施例的電路圖。本發明之過電流保護系統100可應用於保護任何電子元件，例如顯示器中的處理器、電腦中的主機板、或是智慧型手機內的晶片等等。過電流保護系統100之任何合理的應用都屬於本發明所揭露的範疇，然而，為了描述簡化，後文將說明過電流保護系統100應用於保護顯示器電路的細節。過電流保護系統100包含第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4及靜電放電保護電路10。第一電阻R1包含用以接收輸入電壓Vin的第一端，以及第二端。第二電阻R2包含耦接於第一電阻R1之第二端的第一端，以及耦接於接地端GND的第二端。第三電阻R3包含第一端，以及耦接於第二電阻R2之第一端的第二端。第四電阻R4包含耦接於第三電阻R3之第二端的第一端，以及用以產生輸出電壓Vout的第二端。靜電放電保護電路10耦接於第三電阻R3之第一端，用以在輸入電壓Vin異常時提供一條額外的漏電路徑。在過電流保護系統100中，輸入電壓Vin可包含影音端子的三原色驅動電壓(如D-Sub連接埠電壓)、水平同步訊號電壓、垂直同步訊號電壓、積體電路匯流排(I2C)的串列資料(Serial Data Line，SDL)電壓或串列時脈(Serial Clock Line)電壓，或是纜線偵測(Cable Detection)電壓。輸入電壓Vin可視為訊號源所產生的電壓。應當理解的是，由於輸入電壓Vin的端點可為連接埠端點、焊墊(Bonding Pad)端點或是任何可接觸式的金屬端點，因此，輸入電壓Vin可能會受到靜電放電的能量或是訊號源的異常輸出能量而發生劇烈的電壓波動。舉例而言，輸入電壓Vin的正常電壓範圍可為-0.3伏特(V)至0.7伏特。然而，若靜電放電的能量被引入至第一電阻R1的第一端，則輸入電壓Vin可能會在數十甚至數百伏特的電壓範圍波動。因此，若缺乏過電流保護系統100，顯示器中的處理器將會被波動劇烈的輸入電壓Vin損壞甚至燒毀。在過電流保護系統100中，當輸入 電壓Vin為異常電壓時，靜電放電保護電路10為啟動狀態，以使第三電阻R3之第二端(節點B)的電壓維持在正常電壓範圍。換句話說，過電流保護系統100的輸出電壓Vout可視為顯示器中之處理器的驅動電壓。當輸入電壓Vin為異常電壓時，靜電放電保護電路10為啟動狀態。因此，由第一電阻R1至靜電放電保護電路10之間的電流路徑，以及由第一電阻R1至接地端GND之間的電流路徑將被產生。因此，輸入電壓Vin的高能量將會被兩條電流路徑導出，故節點B的電壓將維持在正常電壓範圍。並且，由於第四電阻R4可視為限流電阻，故輸出電壓Vout的電壓波動將會比節點B更小。因此，利用輸出電壓Vout驅動的任何電子元件，將不會受到靜電放電的能量或是訊號源的異常輸出能量而損壞。
在過電流保護系統100中，靜電放電保護電路10可包含第一二極體D1以及第二二極體D2。第一二極體D1包含耦接於第三電阻R3之第一端的陽極，以及用以接收供電電壓Vcc的陰極。第二二極體D2包含耦接於接地端GND的陽極，以及耦接於第一二極體D1之陽極的陰極。並且，第一二極體D1具有第一門檻電壓Th1，且第二二極體D2具有第二門檻電壓Th2。第一門檻電壓Th1可與第二門檻電壓Th2相同或是相異。舉例而言，供電電壓Vcc的大小可為3.3伏特。第一門檻電壓Th1可為0.7伏特。第二門檻電壓Th2可為0.7伏特。換句話說，第一二極體D1導通的條件為其陽極與陰極的跨壓大於第一門檻電壓Th1。第二二極體D2導通的條件為其陽極與陰極的跨壓大於第二門檻電壓Th2。並且，靜電放電保護電路10的結構也不被第1圖所侷限。舉例而言，靜電放電保護電路10可包含超過兩顆二極體。靜電放電保護電路10也可僅包含單顆二極體。靜電放電保護電路10的二極體也可為齊納二極體(Zener Diode)或是任何具有限制電流或是限制電壓功能的元件。任何合理的硬體變更都屬於本發明所揭露的範疇。
在過電流保護系統100中，第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3及第四電阻R4可為可變電阻。使用者可以依據實際情況隨時調整至少一個電阻 的電阻值。舉例而言，第一電阻R1的第一電阻值、第二電阻R2的第二電阻值、第三電阻R3的第三電阻值及第四電阻R4的第四電阻值可依據輸入電壓Vin的正常電壓範圍及/或輸出電壓Vout的電壓範圍調整。在第1圖中，當輸入電壓Vin的正常電壓範圍為-0.3伏特至0.7伏特時，第一電阻值可設定為10歐姆(Ohm)、第二電阻值可設定為75歐姆、第三電阻值可設定為200歐姆以及第四電阻值可設定為100歐姆。並且，在第1圖中，當第二電阻R2的第二電阻值(75歐姆)小於第三電阻R3的第三電阻值(200歐姆)時，表示異常的輸入電壓Vin大部分的能量會透過第二電阻R2導出。因此，第二電阻R2的尺寸(Body Size，或稱封裝尺寸)大於第三電阻R3的尺寸。例如，第二電阻R2可用1/4瓦特(W)的Body Size(封裝尺寸)或是1/10瓦特(W)的Body Size(封裝尺寸)實作。第二電阻R2的規格可為1206或是0603的型號。並且，過電流保護系統100中的第四電阻R4也可以省略。換句話說，當電子元件直接耦接於節點B時，就算沒有第四電阻R4，過電流保護系統100也可提供過電流保護的功能。然而，當電子元件耦接於第四電阻R4的第二端時，第四電阻R4可視為一個限電流的元件。因此，針對電子元件而言，過電流保護系統100將可提供更完整的過電流保護功能。並且，當輸入電壓Vin為異常電壓以啟動靜電放電保護電路10時，第三電阻R3將限制輸入至靜電放電保護電路10的電流，以增加靜電放電保護電路10的耐久度。在實際測試中，第三電阻R3的第三電阻值可被設定為200歐姆。輸入電壓Vin設定為如70伏特的異常高電壓，並加壓四次。靜電放電保護電路10接收異常高電壓的能量四次後，內部的二極體的運作仍然正常。然而，若將第三電阻R3移除，在同樣的測試條件下，靜電放電保護電路10將會因為內部的二極體的損壞而失能。因此，在過電流保護系統100中，第三電阻R3的其中一個功能可視為增加靜電放電保護電路10的耐久度。
第2圖係為過電流保護系統100中，當輸入電壓Vin為異常高壓時，各元件狀態以及電流路徑的示意圖。如前述提及，過電流保護系統100中之靜電放 電保護電路10可包含第一二極體D1以及第二二極體D2。第一二極體D1具有第一門檻電壓Th1，且第二二極體D2具有第二門檻電壓Th2。因此，對於第一二極體D1而言，第一二極體D1為導通之條件為VA-Vcc>Th1，亦即VA>Vcc+Th1。VA為第三電阻R3之第一端(節點A)的電壓。Vcc為供電電壓。Th1為第一門檻電壓。換句話說，當輸入電壓Vin為異常高壓，而使節點A的電壓VA大於供電電壓Vcc與第一門檻電壓Th1之合時，第一二極體D1變為導通狀態。第一電阻R1、第三電阻R3及第一二極體D1形成第一電流路徑F1。第二二極體D2為截止狀態。在第一電流路徑F1中，電流依序流經第一電阻R1、第三電阻R3及第一二極體D1。並且，第一電阻R1及第二電阻R2形成第二電流路徑F2。在第二電流路徑F2中，電流依序流經第一電阻R1及第二電阻R2。過電流保護系統100即可利用第一電流路徑F1以及第二電流路徑F2，將第三電阻R3之第二端(節點B)的電壓維持在正常電壓範圍。由於節點B的電壓維持在正常電壓範圍，因此輸出電壓Vout也會維持在正常電壓範圍。在第2圖中，輸入電壓Vin的正常電壓範圍為-0.3伏特至0.7伏特。供電電壓Vcc為3.3伏特。第一門檻電壓Th1為0.7伏特。第二門檻電壓Th2為0.7伏特。因此，第一二極體D1為導通之條件為節點A的電壓VA大於3.3+0.7=4伏特。換句話說，當輸入電壓Vin異常高而使節點A的電壓大於4伏特時，靜電放電保護電路10即可產生第一電流路徑F1。因此，過電流保護系統100即可利用第一電流路徑F1以及第二電流路徑F2，將節點B的電壓以及輸出電壓Vout維持在-0.3伏特至0.7伏特的正常電壓範圍內。因此，雖然輸入電壓Vin可能因為靜電放電的能量影響或是異常外部輸入之能量影響而異常，過電流保護系統100可以避免靜電放電的能量以及異常外部輸入之能量損壞被保護的電子元件，如顯示器中的處理器。
第3圖係為過電流保護系統100中，當輸入電壓Vin為負極性之異常低壓時，各元件狀態以及電流路徑的示意圖。如前述提及，過電流保護系統100中 之靜電放電保護電路10可包含第一二極體D1以及第二二極體D2。第一二極體D1具有第一門檻電壓Th1，且第二二極體D2具有第二門檻電壓Th2。因此，對於第二二極體D2而言，第二二極體D2為導通之條件為0-VA>Th2，亦即VA<-Th2。換句話說，當輸入電壓Vin為負極性之異常低壓，而使節點A的電壓VA小於負極性之第二門檻電壓(-Th2)時，第二二極體D2變為導通狀態。第一電阻R1、第三電阻R3及第二二極體D2形成第三電流路徑F3。第一二極體D1為截止狀態。在第三電流路徑F3中，電流依序流經第二二極體D2、第三電阻R3及第一電阻R1。並且，第一電阻R1及第二電阻R2形成第四電流路徑F4。在第四電流路徑F4中，電流依序流經第二電阻R2及第一電阻R1。過電流保護系統100即可利用第三電流路徑F3以及第四電流路徑F4，將第三電阻R3之第二端(節點B)的電壓維持在正常電壓範圍。由於節點B的電壓維持在正常電壓範圍，因此輸出電壓Vout也會維持在正常電壓範圍。在第3圖中，輸入電壓Vin的正常電壓範圍為-0.3伏特至0.7伏特。供電電壓Vcc為3.3伏特。第一門檻電壓Th1為0.7伏特。第二門檻電壓Th2為0.7伏特。因此，第二二極體D2為導通之條件為節點A的電壓VA小於-0.7伏特。換句話說，當輸入電壓Vin為負極性之異常低壓而使節點A的電壓小於-0.7伏特時，靜電放電保護電路10即可產生第三電流路徑F3。因此，過電流保護系統100即可利用第三電流路徑F3以及第四電流路徑F4，將節點B的電壓以及輸出電壓Vout維持在-0.3伏特至0.7伏特的正常電壓範圍內。因此，雖然輸入電壓Vin可能因為靜電放電的能量影響或是異常外部輸入之能量影響而異常，過電流保護系統100可以避免靜電放電的能量以及異常外部輸入之能量損壞被保護的電子元件，如顯示器中的處理器。
第4圖係為過電流保護系統100中，當輸入電壓Vin落在正常電壓範圍時，各元件狀態以及電流路徑的示意圖。如前述提及，過電流保護系統100中之靜電放電保護電路10內，第一二極體D1為導通之條件為VA>Vcc+Th1。第二二極 體D2為導通之條件為VA<-Th2。換句話說，當節點A的電壓VA落在-Th2≦VA≦Vcc+Th1的範圍內，表示輸入電壓Vin落在正常電壓範圍。反之，當節點A的電壓VA在-Th2≦VA≦Vcc+Th1的範圍外，表示輸入電壓Vin異常。在電流保護系統100中，當輸入電壓Vin落在正常電壓範圍時，靜電放電保護電路10內的第一二極體D1及第二二極體D2均為截止狀態。因此，第2圖的第一電流路徑F1或第3圖的第三電流路徑F3將不存在。如第5圖所示，當輸入電壓Vin落在正常電壓範圍時，電流保護系統100僅會產生第五電流路徑F5，將微量的輸入能量導出。並且，第一電阻R2以及第二電阻R2可組成分壓電路。因此，當輸入電壓Vin落在正常電壓範圍時，節點B的電壓可表示為[R2/(R1+R2)]×Vin。依據前述電阻值設定，第一電阻R1的第一電阻值可為10歐姆，第二電阻R2的第二電阻值可為75歐姆。節點B的電壓可表示為(75/85)×Vin，亦即為0.882×Vin。換句話說，若第三電阻R3之第一端的電壓(節點A的電壓VA)小於等於供電電壓Vcc與第一門檻電壓Th1之合，且大於等於負極性之第二門檻電壓(-Th2)，第一二極體D1及第二二極體D2為截止狀態，且第三電阻之第二端的電壓(節點B的電壓)近似輸入電壓Vin，如接近88%的輸入電壓Vin之電壓強度。換句話說，使用者可以依據實際的需求而調整第一電阻R1的第一電阻值以及第二電阻R2的第二電阻值，以使節點B的電壓實質上等於輸入電壓Vin。
綜上所述，本發明揭露一種過電流保護系統，具有避免靜電放電的能量以及異常外部輸入之能量損壞被保護的電子元件之功能。當過電流保護系統之輸入電壓為異常電壓時，過電流保護系統內的靜電放電保護電路會被開啟。
過電流保護系統可產生兩條電流路徑將異常的能量導出，以使輸出電壓維持在正常電壓範圍。當電流保護系統之輸入電壓為正常電壓時，過電流保護系統內的靜電放電保護電路會被關閉，輸入電壓不會受到嚴重的衰減。輸出電壓近乎相等於輸入電壓。並且，過電流保護系統由於引入了與靜電放電保 護電路耦接的第三電阻，因此能限制通過靜電放電保護電路的電流，進而增加靜電放電保護電路的耐久度。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:過電流保護系統
R1:第一電阻
R2:第二電阻
R3:第三電阻
R4:第四電阻
GND:接地端
D1:第一二極體
D2:第二二極體
Vcc:供電電壓
Vin:輸入電壓
Vout:輸出電壓
A及B:節點
10:靜電放電保護電路

Claims (7)

  1. 一種過電流保護系統，包含：一第一電阻，包含：一第一端，用以接收一輸入電壓；及一第二端；一第二電阻，包含：一第一端，耦接於該第一電阻之該第二端；及一第二端，耦接於一接地端；一第三電阻，包含：一第一端；及一第二端，耦接於該第二電阻之該第一端；一第四電阻，包含：一第一端，耦接於該第三電阻之該第二端；及一第二端，用以產生一輸出電壓；及一靜電放電保護電路，耦接於該第三電阻之該第一端；其中當該輸入電壓為一異常電壓時，該靜電放電保護電路為一啟動狀態，以使該第三電阻之該第二端的一電壓維持在一正常電壓範圍。
  2. 如請求項1所述之系統，其中當輸入電壓為一正常電壓時，該靜電放電保護電路為一關閉狀態，且該第三電阻之該第二端的該電壓實質上等於該輸入電壓。
  3. 如請求項1所述之系統，其中該第一電阻、該第二電阻、該第三電阻及該第四電阻係為可變電阻，該第一電阻的一第一電阻值、該第二電阻的一第 二電阻值、該第三電阻的一第三電阻值及該第四電阻的一第四電阻值依據該輸入電壓的該正常電壓範圍及/或該輸出電壓的一電壓範圍調整。
  4. 一種過電流保護系統，包含：一第一電阻，包含：一第一端，用以接收一輸入電壓；及一第二端；一第二電阻，包含：一第一端，耦接於該第一電阻之該第二端；及一第二端，耦接於一接地端；一第三電阻，包含：一第一端；及一第二端，耦接於該第二電阻之該第一端；及一靜電放電保護電路，耦接於該第三電阻之該第一端，該靜電放電保護電路包含：一第一二極體，包含：一陽極，耦接於該第三電阻之該第一端；及一陰極，用以接收一供電電壓；及一第二二極體，包含：一陽極，耦接於該接地端；及一陰極，耦接於該第一二極體之該陽極；其中該第一二極體具有一第一門檻電壓，且該第二二極體具有一第二門檻電壓，當該輸入電壓為一異常電壓時，該靜電放電保護電路為一啟動狀態，以使該第三電阻之該第二端的一電壓維持在一正常電壓範圍，該第一二極 體係為導通之一條件為滿足VA>Vcc+Th1，該第二二極體係為導通之一條件為滿足VA<-Th2，VA係為該第三電阻之該第一端的一電壓，Vcc係為供電電壓，Th1係為第一門檻電壓，且Th2係為第二門檻電壓；及其中若該第三電阻之該第一端的該電壓大於供電電壓與第一門檻電壓之合，該第一電阻、該第三電阻及該第一二極體形成一第一電流路徑，且該第一電阻及該第二電阻形成一第二電流路徑，以使該第三電阻之該第二端的該電壓維持在該正常電壓範圍。
  5. 一種過電流保護系統，包含：一第一電阻，包含：一第一端，用以接收一輸入電壓；及一第二端；一第二電阻，包含：一第一端，耦接於該第一電阻之該第二端；及一第二端，耦接於一接地端；一第三電阻，包含：一第一端；及一第二端，耦接於該第二電阻之該第一端；及一靜電放電保護電路，耦接於該第三電阻之該第一端，該靜電放電保護電路包含：一第一二極體，包含：一陽極，耦接於該第三電阻之該第一端；及一陰極，用以接收一供電電壓；及一第二二極體，包含： 一陽極，耦接於該接地端；及一陰極，耦接於該第一二極體之該陽極；其中該第一二極體具有一第一門檻電壓，且該第二二極體具有一第二門檻電壓，當該輸入電壓為一異常電壓時，該靜電放電保護電路為一啟動狀態，以使該第三電阻之該第二端的一電壓維持在一正常電壓範圍，該第一二極體係為導通之一條件為滿足VA>Vcc+Th1，該第二二極體係為導通之一條件為滿足VA<-Th2，VA係為該第三電阻之該第一端的一電壓，Vcc係為供電電壓，Th1係為第一門檻電壓，且Th2係為第二門檻電壓；及其中若該第三電阻之該第一端的該電壓小於負極性之該第二門檻電壓，該第一電阻、該第三電阻及該第二二極體形成一第三電流路徑，且該第一電阻及該第二電阻形成一第四電流路徑，以使該第三電阻之該第二端的該電壓維持在該正常電壓範圍，或若該第三電阻之該第一端的該電壓小於等於該供電電壓與第一門檻電壓之合，且大於等於該負極性之該第二門檻電壓，該第一二極體及該第二二極體係為一截止狀態，且該第三電阻之該第二端的該電壓實質上等於該輸入電壓。
  6. 一種過電流保護系統，包含：一第一電阻，包含：一第一端，用以接收一輸入電壓；及一第二端；一第二電阻，包含：一第一端，耦接於該第一電阻之該第二端；及一第二端，耦接於一接地端；一第三電阻，包含： 一第一端；及一第二端，耦接於該第二電阻之該第一端；及一靜電放電保護電路，耦接於該第三電阻之該第一端；其中當該輸入電壓為一異常電壓時，該靜電放電保護電路為一啟動狀態，以使該第三電阻之該第二端的一電壓維持在一正常電壓範圍，且當該第二電阻的一第二電阻值小於該第三電阻的一第三電阻值時，該第二電阻的一尺寸大於該第三電阻的一尺寸。
  7. 如請求項1至6任一項所述之系統，其中該輸入電壓包含一影音端子的三原色驅動電壓、一水平同步訊號電壓、一垂直同步訊號電壓、一積體電路匯流排的一串列資料電壓或一串列時脈電壓。
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