TWI799143B - 開關控制模組 - Google Patents

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Abstract

開關控制模組包括主控開關、箝位元件及二極體。主控開關用以接收控制訊號，控制訊號具有導通區間及非導通區間。二極體耦接箝位元件與主控開關。

Description

開關控制模組
本發明是有關於一種開關控制模組。
習知電子設備都需要電源輸入，以維持電子裝置的正常工作。然而，當輸入電源發生異常時，此異常的電源可能傷害電子設備。因此，提出一種能保護電子裝置之模組是本技術領域業者努力目標之一。
本發明實施例提出一種開關控制模組，可改善上述問題。
本發明一實施例提出一種開關控制模組。開關控制模組包括一主控開關、一箝位元件及一二極體。主控開關用以接收一控制訊號，控制訊號具有一導通區間及一非導通區間。二極體耦接箝位元件與主控開關。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
10:受控開關
11:電感
12:開關
100:開關控制模組
110:主控開關
111:閘極
112:源極
113:汲極
120:二極體
121:第三端
122:第四端
130:箝位元件
131:第一端
132:第二端
S1:控制訊號
S11:導通區間
S12:非導通區間
S2:斷開訊號
D:佔空比
GND:低電位
IR1:驅動電流
IR2:電感電流
T:週期
V 120:順向偏壓
V 130:逆向偏壓
VDD:驅動電壓
VR:跨壓
Z 130:阻抗
第1圖繪示依照本發明一實施例之開關控制模組之示意圖。
第2圖繪示控制訊號之非導通區間輸入至第1圖之主控開關的電路示意圖。
第3圖繪示控制訊號輸入至第1圖之主控開關的電路示意圖。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下。
請參照第1~3圖，第1圖繪示依照本發明一實施例之開關控制模組100之示意圖，第2圖繪示控制訊號S1之非導通區間S12輸入至第1圖之主控開關110的電路示意圖，而第3圖繪示斷開訊號S2輸入至第1圖之主控開關110的電路示意圖。
開關控制模組100可應用於電子裝置的充電器，電子裝置例如是交通工具(如，電動車)等。當輸入電源發生異常時，開關控制模組100可切斷電源的輸入，以保護電子裝置及/或充電器內的電路。
如第1圖所示，開關控制模組100用以控制受控開關10。開關控制模組100包括主控開關110、二極體120及箝位元件130。主控開關110用以接收控制訊號S1，控制訊號S1 具有導通區間S11及非導通區間S12。二極體120耦接箝位元件130與主控開關110。藉由箝位元件130，可減少受控開關10從導通狀態變換至斷開狀態的所需時間，且由於控制訊號S1為非持續性導通訊號，可減少受控開關10的功耗。
如第1圖所示，受控開關10例如是繼電器(relay)，其包含電感11及開關12。當電感11儲能所產生的磁力大於開關12的斷開彈力時，開關12導通，電源可透過受控開關10傳輸至後級(後端)的電路，如電子裝置及/或充電器內的電路。當電感11釋能時，磁力降低。當磁力小於開關12的斷開彈力時，開關12斷開，以切斷電源的輸入，進而保護後級(後端)的電路。
如第1圖所示，控制訊號S1例如是脈衝寬度調變(Pulse-width modulation,PWM)訊號，其為一週期性訊號。控制訊號S1的各週期T包含導通區間S11及非導通區間S12，導其中導通區間S11為驅動主控開關110導通的時間區間，而非導通區間S12為驅動主控開關110斷開的時間區間。導通區間S11占週期T的比例定義為佔空比(duty cycle)。導通區間S11例如是高位準訊號，而非導通區間S12例如是低位準訊號，例如是0電壓。
如第1圖所示，當控制訊號S1的導通區間S11輸入至主控開關110時，主控開關110導通，驅動電壓VDD的驅 動電流IR1經由電感11及主控開關110至低電位GND(例如是接地電位)，此驅動電流IR1定義為正向電流(電感11耦接於驅動電壓VDD的端為正極，而電感11耦接於主控開關110的端為負極)。在實施例中，主控開關110例如是金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)，然此非用以限制本發明實施例。
如第2圖所示，當控制訊號S1的非導通區間S12輸入至主控開關110時，主控開關110斷開，電感11釋能，電感11的電感電流IR2流經電感11、二極體120及箝位元件130所形成之迴路，此電感電流IR2定義為反向電流(電感11耦接於驅動電壓VDD的端為負極，而電感11耦接於主控開關110的端為正極)。在控制訊號S1的非導通區間S12期間，雖然電感11的釋能導致電感11的磁力降低，然在電感11的磁力小於開關12的斷開彈力前，控制訊號S1之下一個週期之導通區間S11即輸入至主控開關110，使主控開關110再次導通，驅動電壓VDD的驅動電流IR1再對電感11儲能，進而使電感11的磁力再次提升，不致讓開關12斷開(即，在控制訊號S1的非導通區間S12期間，受控開關10仍保持導通)。
如第3圖所示，斷開訊號S2例如是持續的低位準訊號。當斷開訊號S2輸入至主控開關110時，主控開關110斷開，電感11釋能，電感11的電感電流IR2流經電感11、二極 體120及箝位元件130所形成之迴路，且逐漸降低。電感電流IR2降低至小於開關12的彈力時，開關12斷開，以切斷電源的輸入，進而保護後級的電路。
綜上，藉由脈衝寬度調變訊號的特性，可減少受控開關10的功耗，達到節省電源的技術功效。且，只要給予適當的驅動電流IR1，在控制訊號S1的非導通區間S12期間，仍可使開關11保持導通。當偵測到異常狀況時，方輸入斷開訊號S2至主控開關110，以切斷電源的輸入。
以下說明驅動電流I R1的取得方式。
如下式(1)~(2)，式中的V 120表示二極體120的順向偏壓，V 130表示箝位元件130的逆向偏壓，I R1表示驅動電流，V DD 表示驅動電壓，D表示控制訊號S1的佔空比，Z 130表示箝位元件130的阻抗。在一實施例中，順向偏壓V 120以0.7伏特(Voltage,V)，逆向偏壓V 130以6V，驅動電壓V DD 以12V，佔空比D以0.6604(即，66.04%)，而Z 130以120歐姆(Ω)代入式(1)~(2)進行運算，取得驅動電流I R1為47.08毫安培(mA)，此電流值係在非導通區間S12確保電感11的磁力大於開關12的斷開彈力的安全電流值。本發明實施例不限定安全電流值的實際數值，其可以視實際選用元件規格及/或設計要求而定。
V R =V 120+V 130...(1)
I R1={(V DD ．D)-[V R ．(1-D)]}/Z 130...(2)
前述順向偏壓V 120、逆向偏壓V 130、驅動電流I R1、驅動電壓V DD 、佔空比D及阻抗Z 130的數值可視實際所選元件之規格及/或設計要求而定，不受本發明實施例所限制。
以元件種類來說，箝位元件130例如是稽納二極體，二極體120例如是飛輪二極體。藉由稽納二極體與飛輪二極體之搭配，可增加反向時(非導通區間S12輸入至主控開關110)箝位元件130與二極體120的跨壓VR(等同於電感11的跨壓)，不僅可降低受控開關10的平均功耗，且同時兼具反向高電位來減少開關12斷開所需時間(電感電流呈非線性下降，如指數型衰減或相似的下降趨勢)之技術功效。在另一實施例中，箝位元件130可改以電阻取代，同樣可增加反向時的跨壓VR。然，只要能增加反向時跨壓VR即可，本發明實施例不限定增加跨壓VR的實施態樣。在實施例中，只要反向時的跨壓VR等於或大於1V即可，以前述例子來說，二極體120之順向偏壓V 120與箝位元件130之逆向偏壓V 130之和等於6.7V，其大於1V。
此外，依據上式(1)~(2)，當佔空比D等於50%時，驅動電流I R1為22.08mA，然此電流值過小，不足以在控制訊號S1的非導通區間S12內讓開關12保持導通。詳言之，一般來說，佔空比的數值愈小，愈能節省功耗。基於此習知觀念，本技術領域通常知識者並沒有動機提高佔空比。反觀本發明實施例，允許佔空比D大於50%，因此可提高驅動電流I R1使在控制訊號S1 的非導通區間S12內讓開關12保持導通。只要在控制訊號S1的非導通區間S12內讓開關12保持導通即可，本發明實施例不限定佔空比D的實際數值。
以連接關係來說，如第1圖所示，主控開關110包括閘極111、源極112及汲極113，閘極111耦接控制訊號S1，源極112耦接低電位GND，汲極113耦接二極體120。箝位元件130包括第一端131及第二端132，二極體120包括第三端121及第四端122，第一端131耦接驅動電壓VDD，第二端132耦接第三端121，第四端122耦接主控開關110之汲極113。第一端131及第四端122為正極，而第二端132及第三端121為負極。此外，電感11之相對二端分別跨接於箝位元件130及二極體120。例如，電感11之一端耦接於箝位元件130之第一端131，而電感11之另一端耦接於二極體120之第四端122。
綜上，本發明實施例提出一種開關控制模組，其耦接於受控開關，且包括主控開關、二極體及箝位元件。二極體與箝位元件提供一足夠跨壓，可減少受控開關的斷開所需時間(電感電流呈線性或非線性衰減)，且主控開關接受一控制訊號，此控制訊號包含導通區間及非導通區間(即，控制訊號並非持續性的導通訊號)，因此能減少受控開關的功耗。此外，本發明實施例不限定箝位元件的所採元件種類，凡是能提供足夠跨壓的電子元件都可做為本申請所謂之箝位元件。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10:受控開關
11:電感
12:開關
100:開關控制模組
110:主控開關
111:閘極
112:源極
113:汲極
120:二極體
121:第三端
122:第四端
130:箝位元件
131:第一端
132:第二端
S1:控制訊號
S11:導通區間
S12:非導通區間
S2:斷開訊號
GND:低電位
IR1:驅動電流
IR2:電感電流
T:週期
V 120:順向偏壓
V 130:逆向偏壓
VDD:驅動電壓

Claims (13)

  1. 一種開關控制模組，用以控制一受控開關，且包括：一主控開關，用以接收一控制訊號，該控制訊號具有一導通區間及一非導通區間；一箝位元件；以及一二極體，耦接該箝位元件與該主控開關；其中，該控制訊號為一週期性訊號，該週期性訊號包括複數個週期，各該週期包含該導通區間及該非導通區間；該受控開關包括一開關，該受控開關之該開關基於該導通區間及該非導通區間導通。
  2. 如請求項1所述之開關控制模組，其中該受控開關包括一電感，在該控制訊號之該非導通區間，該電感的跨壓等於或大於1伏特。
  3. 如請求項1所述之開關控制模組，其中該二極體之順向偏壓與該箝位元件之逆向偏壓之和等於或大於1伏特。
  4. 如請求項1所述之開關控制模組，其中該受控開關包括一電感，該電感跨接於該二極體及該箝位元件。
  5. 如請求項1所述之開關控制模組，其中該控制訊號為脈衝寬度調變(Pulse-width modulation,PWM)訊號。
  6. 如請求項1所述之開關控制模組，其中在各該週期中，該導通區間占該週期的一比例大於50%。
  7. 如請求項6所述之開關控制模組，其中該比例等於66.04%。
  8. 如請求項1所述之開關控制模組，其中該主控開關包括一閘極、一源極及一汲極，該閘極耦接該控制訊號，該源極耦接一接地電位，該汲極耦接該二極體。
  9. 如請求項1所述之開關控制模組，其中該箝位元件包括一第一端及一第二端，該二極體包括一第三端及一第四端，該第一端耦接一驅動電壓，該第二端耦接該第三端，該第四端耦接該主控開關。
  10. 如請求項9所述之開關控制模組，其中該第一端及該第四端為正極，而該第二端及該第三端為負極。
  11. 如請求項1所述之開關控制模組，其中該受控開關係繼電器。
  12. 如請求項1所述之開關控制模組，其中該箝位元件係稽納二極體。
  13. 如請求項1所述之開關控制模組，其中該箝位元件係電阻。
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