TWI810905B - 過電壓保護裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種對連接器之訊號針腳過電壓保護裝置，其包含控制電路及電壓調整電路。電壓調整電路耦接訊號針腳，於訊號過電壓時輸出控制訊號調整輸出電壓。控制電路包含電流源、電荷泵、齊納二極體、場效電晶體以及過電壓偵測器，當過電壓偵測器偵測到訊號針腳過電壓時，輸出一開關訊號迅速開啟控制電路的場效電晶體，並關閉部分電流源，使電荷泵快速輸出適當的控制訊號至電壓調整電路。本發明能完全避免雜訊干擾所造成的誤動作，同時維持優越的平坦度及低阻抗，並降低對內部系統的電壓過衝，提高高壓端口的靜電防護力，降低系統的成本。

Description

過電壓保護裝置

本發明係關於一種用於過電壓保護裝置，並且特別地，關於一種能偵測連接器之訊號針腳是否有過電壓狀況並提供該訊號針腳過電壓保護之過電壓保護裝置。

電子連接器是連接電氣線路的一種導體設備，可作為同電路系統中不同元件間連接的端點，或者為不同的電路系統、設備間提供電力與數據的連接。它廣泛地應用於各種電氣線路中，起著連接或斷開電路的作用，因形式稱呼公母一對。這種連接可能是暫時並方便隨時插拔的，也可能是電氣設備或導線之間永久的結點。連接器於硬體之間的連接需要有特定的硬體介面，例如USB串口等，而這些硬體介面通常包含有多個訊號針腳以傳輸電能及訊號。

現今由於傳輸技術的高速發展，對連接器的硬體介面設計要求也越來越高，舉例來說，C型通用串列匯流排(USB type C)相較於傳統USB介面具有更小的尺寸和更高的傳輸效率。然而，由於空間上的限制，更小尺寸的連接器介面代表訊號針腳間的間距也更小，在連接器插拔過程或連接時受到外力撞擊，位於傳輸能量之針腳旁邊的訊號針腳很容易與其接觸而短路，導致訊號針腳輸入了高電壓，進而使高電壓進入內部電子系統而 可能造成電子元件損壞。

為了降低上述風險，連接器內部通常會設置過電壓保護電路耦接於訊號針腳及內部電子系統之間，以防止訊號針腳突發性的高電壓輸入。因應現今越來越高速、小型化的連接器，過電壓保護電路也越發重要。目前的過電壓保護電路有兩種類型，第一類為在訊號針腳及內部電子系統之間的電路上設置過電壓保護開關，第二類則為在訊號針腳及內部電子系統之間的電路上設置電壓偏移電路。上述第一類的過電壓保護開關可在偵測到訊號針腳有過電壓狀況發生時，直接斷開訊號針腳之後的電路，使過電壓無法從訊號針腳進入到內部電子系統，而第二類的電壓偏移電路則可將過電壓偏移為內部電子系統可承受的電壓。

然而，上述第一類的過電壓保護開關容易受到雜訊的影響而錯誤地斷開了電路，例如靜電放電或雷擊雜訊所造成內部系統的誤判，尤其是靜電放電這種到處都容易產生的雜訊，這種靜電雜訊不需要很大強度就能造成系統的誤動作，例如造成系統跳電或訊號中斷，這是使用者端不能接受的，而且當訊號針腳被斷開後，要重新再進行連接會耗時並且也會耗損能量，更甚者，若雜訊影響較嚴重而頻繁斷開電路也可能造成連接器損壞。第二類的電壓偏移電路係以一場效電晶體和電荷泵持續提供電壓偏移功能，使訊號針腳輸入到內部電子系統的電壓保持在電子元件可接受的程度，因此不會因為雜訊影響而產生誤動作，或頻繁斷開訊號針腳與內部電子系統間的電路，較不容易造成連接器損壞。然而，第二類的過電壓保護電路中，訊號針腳於平常狀態下，因為輸入端電壓高低不同，會造成電壓偏移電路的場效電晶體的跨壓會有較大的變化，將會導致較差的阻抗平 順度而更耗能，進而導致在較高輸入電壓狀態下電流驅動效能變差，系統效能也隨著變弱，這種保護晶片降低原系統的效能，更是系統端不能接受的情況。舉例來說，當訊號針腳的電壓為0伏特時，場效電晶體的源極端電位和閘極-汲極端的跨壓間的差距可為5.2伏特，但當訊號針腳的電壓為5.5伏特時，同樣的電壓偏移電路之場效電晶體的源極端電位和閘極-汲極端的跨壓間的差距僅為1.8伏特，故場效電晶體的阻抗將會大幅變動而導致能量耗損，系統效能變弱。此外，即便是第二類持續提供電壓偏移功能，當過電壓剛發生時，因為大量電荷偶合效應，短時間仍會有過高電壓通過，此稱為過衝現象(overshoot)，這種容易造成內部低壓系統燒毀而當機，尤其是第二類架構更容易發生，因為它反應速度較慢，通道沒有關閉，過衝現象也比較明顯，所以如何快速抑制過衝現象，保護內部低壓系統也是非常重要課題。再者，不管第一類還是第二類架構，在防止高電壓的端口，其對靜電防護能力都不好，如何改善此高壓靜電防護力當然刻不容緩。此舉不但可以提高內部系統安全，更可以減少外部防護元件的數目，降低系統成本，可說是一舉數得。

因此，如何同時避免上述兩類過電壓保護方法的問題，進而提供訊號針腳更快速、穩定、安全、高效能且低耗損低成本的過電壓保護，是本領域技術人員亟待解決的技術問題。

為了克服上述現有技術存在的缺陷，本發明之一範疇在於提供一種過電壓保護裝置，可用來對連接器的訊號針腳提供過電壓保護。

根據本發明之一具體實施例，過電壓保護裝置包含控制電路 以及電壓調整電路，其中電壓調整電路耦接訊號針腳以接收訊號針腳的訊號，並耦接控制電路以接收控制訊號且根據該控制訊號調整該電壓後輸出調整電壓。控制電路包含電流源、電荷泵、第一齊納二極體、第一場效電晶體以及過電壓偵測器。電流源用以輸出電流訊號。電荷泵連接電流源以接收電流訊號，並且其包含輸出端根據電流訊號而輸出控制訊號。第一齊納二極體具有耦接電荷泵的輸出端之負極，以及一正極。第一場效電晶體具有耦接第一齊納二極體正極之汲極、接地之源極，以及一閘極。過電壓偵測器耦接訊號針腳以及第一場效電晶體之閘極，其中當過電壓偵測器快速偵測到來自訊號針腳之訊號的電壓超過一閾值時，其輸出開關訊號至第一場效電晶體的閘極以開啟第一場效電晶體。藉此，控制電路可於過電壓偵測器偵測到訊號針腳有過電壓狀況發生時，傳送控制訊號給電壓調整電路使其調整來自訊號針腳之訊號的電壓位準後再輸出到內部電子系統。

其中，電壓調整電路包含NMOS電晶體，NMOS電晶體之閘極端耦接電荷泵的輸出端以接收控制訊號。NMOS電晶體之汲極端耦接訊號針腳以接收來自訊號針腳之訊號及其電壓，並且NMOS電晶體之源極端輸出調整電壓。

其中，控制電路進一步包含電荷泵追蹤電路，耦接於電荷泵之輸出端。電荷泵追蹤電路係用以當過電壓偵測器偵測到來自訊號針腳之訊號的電壓並未超過該閾值時，根據訊號針腳之訊號的電壓調整控制訊號之電壓，使NMOS電晶體之閘極端與汲極端之間的電位差位於一範圍內。

其中，過電壓保護裝置進一步包含箝制電路分別耦接NMOS電晶體之汲極端和源極端，其中，箝制電路包含第一箝制電路、第二箝制 電路、第一二極體、第二二極體、第二齊納二極體、電容以及電阻。第一箝制電路及第二箝制電路分別耦接NMOS電晶體之汲極端和源極端並接地。第一二極體與第二二極體之正極分別耦接NMOS電晶體之汲極端和源極端。第二齊納二極體之正極耦接第一二極體與第二二極體之負極。電容與電阻的一端耦接第二齊納二極體之負極，且另一端接地。

其中，電阻係用以提供直流電流路徑以穩定箝制電路之電壓。

其中，第一二極體以及第二二極體為高電壓二極體。

其中，第一箝制電路以及第二箝制電路進一步具有靜電防護功能。

其中，電流源包含第一輸出端以及第二輸出端，兩者並聯後耦接電荷泵，電流訊號為第一輸出端以及第二輸出端所輸出電流之總和。第一輸出端具有第二場效電晶體，其閘極耦接過電壓偵測器。當過電壓偵測器偵測到來自訊號針腳之訊號的電壓超過閾值時，輸出開關訊號至第二場效電晶體之閘極以關閉第二場效電晶體。第一場效電晶體係N型金屬氧化物半導體場效電晶體，第二場效電晶體係P型金屬氧化物半導體場效電晶體。

其中，電流源包含第一輸出端以及第二輸出端，兩者並聯後耦接電荷泵，電流訊號為第一輸出端以及第二輸出端所輸出電流之總和。第一輸出端具有第二場效電晶體，其閘極耦接過電壓偵測器。當過電壓偵測器偵測到來自訊號針腳之訊號的電壓未超過閾值時，輸出開啟訊號至第二場效電晶體之閘極以開啟第二場效電晶體。另外，當過電壓偵測器偵測 該電壓超過閾值時，輸出關閉訊號至第二場效電晶體之閘極以關閉該二場效電晶體。

其中，過電壓偵測器包含第三二極體、第一電阻、第二電阻、第三齊納二極體、施密特觸發器以及反向器。第三二極體之正極耦接訊號針腳。第一電阻以及第二電阻依序串接於第三二極體之負極與地線之間。第三齊納二極體之正極接地且負極耦接第一電阻與第二電阻之間。施密特觸發器之輸入端耦接於第一電阻與第二電阻之間，反向器之輸入端耦接施密特觸發器之輸出端，並且反向器之輸出端係用以輸出開關訊號。

相較於現有技術，本發明提供之過電壓保護裝置透過過電壓偵測器，因為使用施密特觸發器，比起一般比較器能更快速偵測訊號針腳的過電壓狀態，再加速開啟控制電路之場效電晶體以提供較低電位的控制訊號給電壓調整電路之NMOS電晶體，進而使NMOS電晶體能快速調整輸入到內部電子系統的準確適當電壓，而不用關閉整個NMOS電晶體。因此，本發明之過電壓保護裝置不會因為受到各種雜訊干擾而頻繁斷開訊號針腳的電路產生誤動作，並且因為快速反應而降低過衝現象，避免內部系統被破壞，且在過電壓發生前，隨著針腳輸入端電位高低變化，NMOS電晶體閘極端之電壓與源極-汲極端跨壓的差距可維持一定，不會如第二類架構一樣去影響到系統驅動效能。此外，過電壓偵測器根據訊號針腳的過電壓狀態同時降低電流源輸入到電荷泵的電流，也加速提供適當電位的控制訊號給電壓調整電路之NMOS電晶體，可縮短過電壓狀態剛發生時高電壓通過的時間，進一步降低在源極端的過衝電壓準位，更能確保系統穩定與安全。

1:過電壓保護裝置

10:控制電路

12:電壓調整電路

14:箝制電路

100:電流源

102:電荷泵

104:第一齊納二極體

106:第一場效電晶體

108:過電壓偵測器

1020:輸出端

P:訊號針腳

M1:NMOS電晶體

M_G:閘極端

M_D:汲極端

M_S:源極端

I:電流訊號

V_C:控制訊號

V_b:開關訊號

1000:第一輸出端

1002:第二輸出端

1004:第二場效電晶體

140:第一箝制電路

141:第二箝制電路

142:第一二極體

143:第二二極體

144:第二齊納二極體

145:電容

146:電阻

1080:第三二極體

1081:第一電阻

1082:第二電阻

1083:第三齊納二極體

1084:施密特觸發器

1085:反向器

通過參照圖式詳細描述其示例實施方式，本發明的上述和其它特徵及優點將變得更加明顯。

圖1係繪示根據本發明之一具體實施例之過電壓保護裝置的示意圖。

圖2係繪示根據本發明之另一具體實施例之過電壓保護裝置的示意圖。

圖3係繪示圖1之具體實施例之箝制電路的示意圖。

圖4係繪示圖1之具體實施例之過電壓偵測器的示意圖。

以下將參考圖示更全面地描述本發明的實施方式。然而，以下的實施方式能夠以多種形式實施，且不應被理解為限於在此闡述的範例；相反地，提供這些實施方式使得本發明將更加全面和完整，並將示例實施方式的構思全面地傳達給本發明所屬技術領域中具通常知識者。所描述的特徵、結構或特性可以任何合適的方式結合在一個或更多實施方式中。此外，圖式僅為本公開的示意性圖解，並非一定是按比例繪製。圖中相同的圖式標記表示相同或類似的部分，因而將省略對它們的重複描述。

請參照圖1，圖1係繪示根據本發明之一具體實施例之過電壓保護裝置1的示意圖。如圖1所示，過電壓保護裝置1係用以針對連接器的訊號針腳P提供過電壓保護。連接器於實務中可為C型通用串列匯流排(USB type C)，而訊號針腳P則可為其中需要過電壓保護的輸入針腳，例如CC1、CC2、SUB1、SUB2等。這些輸入針腳相當靠近具有PD功能的高電位VBUS 針腳，因此在插拔或有外力衝擊時很容易接觸高電位針腳而發生短路，呈過電壓高瓦數量能輸入的狀態，進而衝擊或破壞內部系統。請注意，本發明之過電壓保護裝置並不僅限於上述的USB type C的針腳，任何需要過電壓保護的訊號針腳，都可採用本發明之過電壓保護裝置來提供過電壓保護。

於本具體實施例中，過電壓保護裝置1包含控制電路10以及電壓調整電路12，其中電壓調整電路12可包含一NMOS電晶體M1，其汲極端M_D電連接到訊號針腳P且源極端M_S電連接到內部電子系統(圖未示)。控制電路10與NMOS電晶體M1的閘極端M_G電連接，可快速提供控制訊號V_C給NMOS電晶體M1的閘極端M_G，因此當訊號針腳P有高電壓或過電壓輸入到NMOS電晶體M1的汲極端M_D時，NMOS電晶體M1會根據控制訊號V_C調整電壓後再由源極端M_S輸出調整電壓給內部電子系統。詳言之，NMOS電晶體M1會將高電壓平移而降到內部電子系統能忍受的電壓範圍，藉此提供過電壓保護功能。特別說明，NMOS電晶體M1汲極端M_D是能夠耐受一定所需程度的高電壓準位。

控制電路10係用來提供控制訊號V_C給NMOS電晶體M1。控制電路10包含電流源100、電荷泵102、第一齊納二極體104、第一場效電晶體106以及過電壓偵測器108，其中電荷泵102連接電流源100以接收電流源100的電流訊號I，並且，電荷泵102具有輸出端1020，而輸出端1020可根據電流訊號I輸出控制訊號V_C。此外，第一齊納二極體104的負極電連接電荷泵102的輸出端1020，而第一場效電晶體106的汲極電連接第一齊納二極體104的正極，且第一場效電晶體106的源極則接地。過電壓偵測器108可電連接訊號針腳P以及第一場效電晶體106的閘極，當過電壓偵測器108偵測到訊 號針腳P有過電壓狀況發生時，可輸出高電位開關訊號V_b到第一場效電晶體106的閘極，進而開啟第一場效電晶體106。

因此，當過電壓偵測器108偵測到訊號針腳P之輸入訊號的電壓超過一閾值，換言之，過電壓狀況發生時，第一場效電晶體106的開啟可降低電荷泵102之輸出端1020所輸出的控制訊號V_C的電壓準位，使NMOS電晶體M1的汲極端輸出到源極端連接的內部系統電位被箝制在安全低準位狀態。實務中，閾值可由內部電子系統或電子元件所能承受的最高電壓來決定。因此，由訊號針腳P輸入到NMOS電晶體M1的汲極端M_D的高電壓會被閘極箝制偏移，故NMOS電晶體M1的源極端M_S維持一定的低電壓輸出。舉例來說，當訊號針腳P輸入訊號為零電位時，電壓偵測器108並未偵測到過電壓狀況，控制電路10的電荷泵102輸出控制訊號V_C約為5.2伏特，因此閘極端電位和汲極-源極端的跨壓為5.2伏特。當電壓偵測器108偵測到訊號針腳P有較高電壓輸入(例如5.5伏特)但在未過電壓狀態時，電壓偵測器108輸出開關訊號V_b仍使第一場效電晶體106關閉，但會使電荷泵102輸出控制訊號V_C提升為10.65伏特，因此閘極端電位和源極-汲極端的跨壓差距為5.15伏特，也就是說在未過電壓狀態時，不管輸入針腳M_D的電位多少，NMOS電晶體M1的源極與汲極端的電位幾乎是相等的，而且閘極端分別和源極與汲極端的跨壓差距是固定的，這表示NMOS電晶體M1的阻抗平坦度是非常優越的，但第二類架構在訊號針腳P有較高電壓輸入(例如5.5伏特)且在未過電壓狀態時，NMOS電晶體M1的阻抗會變得很大而影響到系統效能。至於過電壓狀態時，當電壓偵測器108偵測到訊號針腳P有過高電壓輸入(例如6.5伏特或20伏特)時，電壓偵測器108輸出開關訊號V_b會使第一場效電晶體106 打開，控制電路10的電荷泵102會輸出較低控制訊號V_C(例如約6.0伏特)至NMOS電晶體M1的閘極端，所以源極端M_S所輸出的電壓被箝制在約在5伏特，因為會被閘極端控制訊號V_C箝制此低電位狀態，故內部電子系統可受到保護。

如前所述，先前技術中用來偏移電壓之場效電晶體的閘極端電位和汲極與源極端的跨壓，在未過電壓且高電位輸入狀態下(例如5.5伏特)，會大幅降低，導致此場效電晶體的阻抗變大而大幅消耗能量。相較於先前技術，由於本發明之NMOS電晶體M1在訊號針腳P輸入正常高電位訊號且未過電壓時，仍能保持同等的跨壓，都可維持相同的低阻抗狀態，故過電壓保護裝置並不會消耗過高能量。

此外，本具體實施例之控制電路10進一步包含電荷泵追蹤電路109耦接到電荷泵102的輸出端。當過電壓偵測器108偵測到訊號針腳P之訊號的該電壓並未超過閾值時，電荷泵追蹤電路109可根據訊號針腳P之輸入訊號的電壓調整控制訊號V_C之電壓，使該NMOS電晶體之閘極端與汲極-源極端之間的跨壓保持固定。舉例來說，當訊號針腳P之輸入訊號的電壓為1伏特時，電荷泵追蹤電路109調整電荷泵102之輸出端的控制訊號V_C為6.2伏特，因此NMOS電晶體M1的閘極端電位和源極-汲極端的跨壓仍為5.2伏特。

請參閱圖2，圖2係繪示根據本發明之另一具體實施例之過電壓保護裝置1的示意圖。如圖2所示，本具體實施例與前一具體實施例不同處在於，本具體實施例之控制電路10的電流源100進一步包含第一輸出端1000和第二輸出端1002，兩者並聯後再連接到電荷泵102，其中，第一輸出 端1000上設置第二場效電晶體1004。第二場效電晶體1004的源極和汲極電連接第一輸出端1000，而閘極電連接過電壓偵測器108。如前所述，電荷泵102係接收電流訊號I而據以輸出控制訊號V_C，於本具體實施例中，電流訊號I即為第一輸出端1000與第二輸出端1002所輸出之電流的總合。

於本具體實施例中，當過電壓偵測器108偵測到訊號針腳P輸入之訊號超過閾值時，亦即，有過電壓輸入時，過電壓偵測器108除了輸出開關訊號V_b至第一場效電晶體106的閘極之外，也可同時輸出開關訊號V_b至第二場效電晶體1004的閘極。第一場效電晶體106於此可為N型金屬氧化物半導體場效電晶體，而第二場效電晶體1004可為P型金屬氧化物半導體場效電晶體，因此，過電壓偵測器108輸出之開關訊號V_b可開啟第一場效電晶體106，同時可關閉第二場效電晶體1004。第二場效電晶體1004被關閉後第一輸出端1000之電流不會流入電荷泵102，僅剩第二電流端1002之輸入電流，亦即輸入到電荷泵102的電流訊號I減少。藉此，可更快速調適並且穩定電荷泵102輸出控制訊號V_C至NMOS電晶體M1之閘極端M_G，降低對過電壓狀態的反應時間。相較於先前技術，由於本具體實施例之較低電位控制訊號V_C更快地輸入到NMOS電晶體，比起先前技術中之第二類架構，剛發生過電壓時的過衝(overshoot)現象將會被更快抑制。

由於第一場效電晶體106和第二場效電晶體1004分別為N型和P型的場效電晶體，因此可藉由同樣的開關訊號V_b控制兩者一開一關，但實務中並不限於此。根據另一具體實施例，設置於第一輸出端的第二場效電晶體也可為N型場效電晶體，此時過電壓偵測器將分別同時輸出反向開關訊號至第一場效電晶體和第二場效電晶體之閘極。為了要使控制電路以及 電壓調整電路能對過電壓狀態快速反應而抑制過衝現象，第一場效電晶體開啟時第二場效電晶體即須關閉。因此，在本具體實施例中，過電壓偵測器於未偵測到訊號針腳有過電壓狀態時，輸出開啟訊號至第二場效電晶體的閘極以開啟第二場效電晶體，使第一輸出端和第二輸出端都輸出電流訊號到電荷泵；當過電壓偵測器偵測到訊號針腳有過電壓狀態時，輸出開關訊號至第一場效電晶體的閘極以開啟第一場效電晶體，並且輸出關閉訊號到第二場效電晶體的閘極以關閉第二場效電晶體。本發明同時利用對第一場效電晶體和第二場效電晶體的搭配，能更快速讓電荷泵102輸出正確控制訊號V_C至NMOS電晶體M1之閘極端M_G，降低對過電壓狀態的反應時間，讓過衝(overshoot)現象被更快抑制，以保證內部系統安全及穩定。

請再參照圖1，於圖1之具體實施例中，過電壓保護裝置1進一步具有箝制電路14，其分別電連接NMOS電晶體M1的汲極端M_D和源極端M_S，以進一步對NMOS電晶體M1提供過電壓保護和靜電防護。雖然本發明係以NMOS電晶體偏移訊號針腳P的過電壓輸入以保護內部電子系統，但若訊號針腳P所輸入的電壓過高且上升速度太快時，NMOS電晶體M1也有可能無法承受而本身受損或是反應不及讓內部電子系統受損，因此也需要對NMOS電晶體M1提供過電壓緩衝與高規格靜電保護以確保NMOS電晶體M1及內部系統之安全。

請參閱圖3，圖3係繪示圖1之具體實施例之箝制電路14的示意圖。如圖3所示，箝制電路14進一步包含第一箝制電路140、一第二箝制電路141、一第一二極體142、一第二二極體143、一第二齊納二極體144、一電容145以及一電阻146。第一箝制電路140及第二箝制電路141分別耦接 NMOS電晶體M1之汲極端M_D和源極端M_S並且接地。第一二極體142與第二二極體143之正極分別耦接NMOS電晶體之汲極端M_D和源極端M_S。第二齊納二極體144之負極耦接第一二極體142與第二二極體143之負極。電容145與電阻146的一端耦接第二齊納二極體144之正極且另一端接地。其中，第一箝制電路140及第二箝制電路141除了具有電壓箝制效果之外，還具有靜電防護效果。於實務中，第一箝制電路140及第二箝制電路141屬於本發明之技術領域中具有通常知識者所能理解的，故於此不贅述。第一二極體142和第二二極體143實務中為高電壓二極體，可承受較高電壓而不損壞。電阻146(一般約1K~100K歐姆)可在過電壓或靜電雜訊產生時，提供直流通道供直流電通過，具有穩壓及降低箝制電位的效果，進而增進過電壓或靜電防護效力。再者利用第一二極體142與第二二極體143之正極分別耦接NMOS電晶體之汲極端M_D和源極端M_S，然後並聯耦接電容(一般約0.01u~10u法拉)，可以達到對NMOS電晶體之汲極端M_D和源極端M_S的雙重過電壓緩衝及箝制防護能力，如此方能更確保整體系統安全與穩定。

請參閱圖4，圖4係繪示圖1之具體實施例之過電壓偵測器108的示意圖。如圖4所示，過電壓偵測器108進一步包含第三二極體1080、第一電阻1081、第二電阻1082、第三齊納二極體1083、施密特觸發器1084以及反向器1085。第三二極體1080之正極電連接訊號針腳P。第一電阻1081以及第二電阻1082依序串接於第三二極體1080之負極與地線之間。第三齊納二極體1083之正極接地且負極電連接於第一電阻1081與第二電阻1082之間。施密特觸發器1084之輸入端電連接於第一電阻1081與第二電阻1082之間。反向器1085之輸入端電連接施密特觸發器1084之輸出端，並且反向器 1085之輸出端輸出開關訊號V_b。因此，透過過電壓偵測器108可偵測訊號針腳P之電壓，並根據此電壓輸出開關訊號V_b到控制電路10的第一場效電晶體106的閘極。於實務中，施密特觸發器1084以及反向器1085可由連接器中的電源線提供工作所需之能量。且本發明用施密特觸發器1084取代一般的比較器，可以縮短過電壓偵測反應時間，也讓過衝(overshoot)現象被更快抑制，以保證內部系統安全及穩定。

綜上所述，本發明之過電壓保護裝置可用於連接器的訊號針腳，透過過電壓偵測器偵測訊號針腳之輸入訊號是否有過電壓狀況，使控制電路能輸出控制訊號到NMOS電晶體的閘極以開啟NMOS電晶體，進而調整來自訊號針腳的電壓而保護內部電子系統或電子元件。相較於先前技術，本發明之過電壓保護裝置不會因為受到雜訊干擾而頻繁斷開訊號針腳的電路，同時也可維持NMOS電晶體閘極端之電位與源極-汲極端間的跨壓間距而避免阻抗變大而大幅消耗能量。更進一步地，本發明之過電壓保護裝置也可利用改良的過電壓偵測器控制輸入至電荷泵的電流訊號，使控制電路以及電壓調整電路能更快速地反應，進而抑制進入過電壓狀態時的過衝現象。此外，新的箝制電路設計方式，具有雙重過電壓緩衝及箝制防護能力，降低箝制電位的效果，進而曾進過電壓或靜電防護效力。如此方能更確保整體系統安全與穩定。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍 的範疇應根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

1:過電壓保護裝置

10:控制電路

12:電壓調整電路

14:箝制電路

100:電流源

102:電荷泵

104:第一齊納二極體

106:第一場效電晶體

108:過電壓偵測器

1020:輸出端

P:訊號針腳

M1:NMOS電晶體

M_G:閘極端

M_D:汲極端

M_S:源極端

I:電流訊號

V_C:控制訊號

V_b:開關訊號

Claims (8)

1. 一種過電壓保護裝置，用以對一連接器之一訊號針腳提供過電壓保護，該過電壓保護裝置包含：一控制電路，進一步包含：一電流源，用以輸出一電流訊號；一電荷泵，連接該電流源，用以接收該電流源之一電流訊號，該電荷泵具有一輸出端以根據該電流訊號輸出一控制訊號；一第一齊納二極體，具有耦接該電荷泵之該輸出端之一負極，以及一正極；一第一場效電晶體，具有耦接該第一齊納二極體之該正極之一汲極、接地之一源極，以及一閘極；以及一過電壓偵測器，耦接該訊號針腳以偵測來自該訊號針腳之訊號的一電壓，該過電壓偵測器耦接該第一場效電晶體之該閘極；一電壓調整電路，包含一NMOS電晶體，該NMOS電晶體之汲極端耦接該訊號針腳以接收該訊號針腳之該電壓，該NMOS電晶體之閘極端耦接該電荷泵的該輸出端以接收該電荷泵輸出之該控制訊號，該NMOS電晶體之源極端根據該控制訊號調整該電壓後輸出一調整電壓；以及一箝制電路，分別耦接該NMOS電晶體之汲極端和源極端，其中該箝制電路包含一第一箝制電路、一第二箝制電路、一第一二極體、一第二二極體、一第二齊納二極體、一電容以及一電阻， 該第一箝制電路及該第二箝制電路分別耦接該NMOS電晶體之汲極端和源極端並接地，該第一二極體與該第二二極體之正極分別耦接該NMOS電晶體之汲極端和源極端，該第二齊納二極體之負極耦接該第一二極體與該第二二極體之負極，該電容與該電阻的一端耦接該第二齊納二極體之正極且另一端接地；其中，當該過電壓偵測器偵測到來自該訊號針腳之訊號的該電壓超過一閾值時，輸出一開關訊號至該第一場效電晶體之該閘極以開啟該第一場效電晶體。
2. 申請專利範圍第1項所述之過電壓保護裝置，其中該控制電路進一步包含一電荷泵追蹤電路耦接該電荷泵之該輸出端，該電荷泵追蹤電路係用以當該過電壓偵測器偵測到來自該訊號針腳之訊號的該電壓並未超過該閾值時，根據該訊號針腳之訊號的該電壓調整該控制訊號之電壓，使該NMOS電晶體之閘極端與汲極-源極端之間的跨壓位於一範圍內。
3. 如申請專利範圍第1項所述之過電壓保護裝置，其中該電阻係用以提供直流電流路徑以穩定該箝制電路之電壓。
4. 如申請專利範圍第1項所述之過電壓保護裝置，其中該第一二極體以及該第二二極體係高電壓二極體。
5. 如申請專利範圍第1項所述之過電壓保護裝置，其中該第一箝制電路以及該第二箝制電路進一步具有靜電防護功能。
6. 如申請專利範圍第1項所述之過電壓保護裝置，其中該電流源包含一第一輸出端以及一第二輸出端並聯後耦接該電荷泵，該電流 訊號係該第一輸出端以及該第二輸出端所輸出電流之總和，該第一輸出端具有一第二場效電晶體，該第二場效電晶體之閘極耦接該過電壓偵測器，當該過電壓偵測器偵測到來自該訊號針腳之訊號的該電壓超過該閾值時，輸出該開關訊號至該第二場效電晶體之閘極以關閉該第二場效電晶體，該第一場效電晶體係N型金屬氧化物半導體場效電晶體，該第二場效電晶體係P型金屬氧化物半導體場效電晶體。
7. 如申請專利範圍第1項所述之過電壓保護裝置，其中該電流源包含一第一輸出端以及一第二輸出端並聯後耦接該電荷泵，該電流訊號係該第一輸出端以及該第二輸出端所輸出電流之總和，該第一輸出端具有一第二場效電晶體，該第二場效電晶體之閘極耦接該過電壓偵測器，當該過電壓偵測器偵測到來自該訊號針腳之訊號的該電壓未超過該閾值時，輸出一開啟訊號至該第二場效電晶體之閘極以開啟該第二場效電晶體，當該過電壓偵測器偵測該電壓超過該閾值時，輸出一關閉訊號至該第二場效電晶體之閘極以關閉該第二場效電晶體。
8. 如申請專利範圍第1項所述之過電壓保護裝置，其中該過電壓偵測器包含一第三二極體、一第一電阻、一第二電阻、一第三齊納二極體、一施密特觸發器以及一反向器，該第三二極體之正極耦接該訊號針腳，該第一電阻以及該第二電阻依序串接於該第三二極體之負極與地線之間，該第三齊納二極體之正極接地且負極耦接於該第一電阻與該第二電阻之間，該施密特觸發器之輸入端耦接於該第一電阻與該第二電阻之間，該反向器之輸入端耦接該施 密特觸發器之輸出端，並且該反向器之輸出端輸出該開關訊號。

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