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
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)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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%。
- 如請求項6所述之開關控制模組,其中該比例等於66.04%。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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