TWI832428B

TWI832428B - 電子熔斷器型保護電路系統及其電子熔斷器型保護電路

Info

Publication number: TWI832428B
Application number: TW111135040A
Authority: TW
Inventors: 吳洋; 張右
Original assignee: 英業達股份有限公司
Priority date: 2022-09-16
Filing date: 2022-09-16
Publication date: 2024-02-11

Abstract

一種電子熔斷器型保護電路系統，包含複數個電子熔斷器型保護電路，每一電子熔斷器型保護電路分別藉由其所包含之一輸入端與一輸出端係分別電性連接一電源與一負載，並且包含一採樣電阻、一MOSFET開關與一邏輯控制分支電路。採樣電阻係電性連接於輸入端，並具有一採樣端。MOSFET開關係電性連接於採樣端與輸出端。邏輯控制分支電路係擷取採樣電阻於輸入端與採樣端之間的一採樣電壓，以放大成一開關判斷電壓，並在開關判斷電壓大於邏輯控制分支電路之一逆向偏壓時，將一切斷信號傳送至MOSFET開關，藉以切斷MOSFET開關以中斷將一工作電力自電源傳送至負載以保護負載免於受工作電力所損壞。

Description

電子熔斷器型保護電路系統及其電子熔斷器型保護電路

本發明係有關於一種保護電路系統及其保護電路，尤其是指一種電子熔斷器型保護電路系統及其電子熔斷器型保護電路。

一般而言，電子裝置通常都必須內建或外接電源才能正常運作。内建電源通常是在電子裝置內部安裝電池或大容量超級電容，並藉由特定的電力管理系統進行放電。由於電池或大容量超級電容通常是以直流電的型態對電子裝置內部的電子器件放電，所以通常比較能夠穩定放電。

然而，在一些特殊情況，有些電源即便是以直流電的型態放電，但也不保證能夠穩定地對裝置內部的電子器件穩定地放電。譬如；車載式電源就是一個典型的例子。車載式電源通常可為安裝在燃油車的電瓶或是安裝於電動車的多個串聯、並聯或串並聯大容量電容。

針對燃油車的電瓶而言，由於在燃油車行駛過程中，電瓶會不斷充放電，且車身會不斷震動，造成電子器件與各式纜線之間的接觸條件不斷變動，所以很難真正控制電瓶對相關電子器件穩定放電。針對電動車的多個大容量電容而言，電動車行駛過程中車身也會不斷震動，造成多個電極、各式纜線與電子器件等接觸條件不斷變動，同樣也難以精確控制多個大容量電容的實際充放電情況（包含充放電的電壓與電流）。

在以上背景下，通常在中設置適當的保護電路來保護安裝於車內的特定負載（即車載式電子裝置），以免在電源提供異常的工作電力給車載式電子裝置（如電子式輪胎壓力感測器、電子儀表板、抬頭顯示裝置與車用雷達等）時，仍能確保車載式電子裝置不受到損壞。

在現有的保護電路中，多半採用玻璃管熔斷器和晶片熔斷器等傳統物理熔斷器（即俗稱的「保險絲」）。然而，傳統物理熔斷器屬於一次性使用的熔斷器，在電力過大時就會產生物理性熔斷而造成斷路，且斷路後就無法自行再次接通。此時，必須讓被保護對電子裝置暫停運作，以進行傳統物理熔斷器的更換以恢復對電子裝置的保護。毫無疑問地，傳統物理熔斷器特別不適用於必須長期連續運作，或不便暫停運作的電子裝置，而車載式電子裝置就是屬於後者。

之後，為了要解決傳統物理熔斷器的問題，可多次使用的電子熔斷器晶片就被開發出來，其主要原理是監控電力的變化，並用邏輯電路的比較器進行比較，並在偵測到電壓或電流大於一預設參考值（參考電壓或參考電流）時，利用電子開關來切斷供電至負載。然而，利用邏輯電路進行比較，往往仍要花費較多的反應時間，一旦有瞬間大電流流向負載時，若反應時間較長，仍無法在最短的時間切斷供電，仍舊有可能造成負載的損壞，導致仍存在保護效果有限的問題。

有鑒於先前技術中，仍存在反應時間較長，導致保護效果有限的問題。本發明之主要目在於發出一種在工作電力的電壓過高時，能在最短時間內迅速切斷供電至負載，且可在工作電力的電壓恢復正常時，自動回復而多次性使用的保護電路系統，期望能藉此發揮更佳的保護效果。因此，本發明為解決先前技術之問題所採用之其中一個必要技術手段為提供一種電子熔斷器型保護電路。

電子熔斷器型保護電路具有一輸入端與一輸出端，輸入端與輸出端係分別電性連接一電源與一負載，藉以接收電源所提供之一工作電力，並受控制地傳送或中斷傳送工作電力至負載。電子熔斷器型保護電路包含一採樣電阻、一金氧半場效電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor；MOSFET）開關（以下簡稱「MOSFET開關」）、一邏輯控制分支電路與一電力監控模組。

採樣電阻係電性連接於輸入端，並在遠離輸入端之另一端具有一採樣端。MOSFET開關係電性連接於採樣端與輸出端。邏輯控制分支電路包含一增益放大器、一逆向偏壓二極體與一開關信號發送電晶體。

增益放大器係電性連接於輸入端與採樣端，藉以擷取採樣電阻於輸入端與採樣端之間的一採樣電壓，並加以放大成一開關判斷電壓。逆向偏壓二極體係電性連接於增益放大器，具有一逆向偏壓，並在開關判斷電壓大於逆向偏壓時，導通逆向偏壓二極體。

開關信號發送電晶體係電性連接於逆向偏壓二極體與MOSFET開關，並在逆向偏壓二極體被導通時將一切斷信號傳送至MOSFET開關，藉以切斷MOSFET開關以中斷傳送工作電力至負載而保護負載免於受工作電力所損壞。

電力監控模組係電性連接於MOSFET開關，並在監測出工作電力小於一允許工作電力時，將一導通信號傳送至MOSFET開關，藉導通MOSFET開關以恢復傳送工作電力至負載。

在上述必要技術手段的基礎下，可衍生出以下較佳附屬技術手段。當本發明應用於車載式電子裝置時，上述之負載可為一車載雷達（In-car Radar）。電力監控模組可包含電性連接於增益放大器之一微控制單元（Micro Control Unit; MCU）。增益放大器更在MOSFET開關被切斷時，擷取流經採樣電阻之一採樣電流，並將採樣電流放大為一開關判斷電流而傳送至MCU，使MCU在判斷出開關判斷電流小於一預設臨界電流時，將工作電力判斷為小於允許工作電力，據以傳送出導通信號。

以上述之熔斷器型保護電路為基礎，本發明為解決先前技術之問題所採用之另一個必要技術手段為提供一種電子熔斷器型保護電路系統。電子熔斷器型保護電路系統包含複數個上述之電子熔斷器型保護電路。在上述必要技術手段的基礎下，所衍生出以下較佳附屬技術手段中，電子熔斷器型保護電路系統可包含14個或其他數量個電子熔斷器型保護電路，且14個或其他數量個電子熔斷器型保護電路可彼此獨立地運作。

承上所述，由於在本發明所提供之電子熔斷器型保護電路系統及其電子熔斷器型保護電路中，係藉由採樣並進行增益放大後所得到的開關判斷電壓是否大於逆向偏壓而導通逆向偏壓二極體，來決定是否切斷MOSFET開關，也就是利用自然的物理現象來決定是否切斷MOSFET開關。毫無疑問地，其中既未涉及複雜的類比或數位信號的實質性比較，也未涉及複雜的數值運算比較，所以可以在工作電力過大時，以最短的反應時間迅速切斷MOSFET開關，發揮更佳的保護效果。

由於本發明所提供之電子熔斷器型保護電路系統及其電子熔斷器型保護電路，可廣泛運用於保護各種電子裝置，特別是用於保護車載式電子裝置，故在此不再一一贅述，僅針對電子熔斷器型保護電路與電子熔斷器型保護電路系統分別列舉一個實施例來加以具體說明。此外，在各實施例中的圖式均採用非常簡化的形式，各元件之間並非使用絕對精準的比例加以呈現，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的與功效。

請參閱第一圖、第二A圖與第二B圖，第一圖係顯示本發明較佳實施例所提供之電子熔斷器型保護電路之功能方塊圖；第二A圖與第二B圖係顯示本發明較佳實施例所提供之電子熔斷器型保護電路之電路示意圖。如第一圖、第二A圖與第二B圖所示，一電子熔斷器型保護電路1具有一輸入端11與一輸出端12，輸入端11與輸出端12係分別電性連接一電源2與一負載3，藉以接收電源2所提供之一工作電力WP，並受控制地傳送或中斷傳送工作電力WP至負載3。電子熔斷器型保護電路1包含一採樣電阻13、一MOSFET開關14、一邏輯控制分支電路15與一電力監控模組16。

採樣電阻13係電性連接於輸入端11，並在遠離輸入端之另一端具有一採樣端131。MOSFET開關14係電性連接於採樣端131與輸出端12。邏輯控制分支電路15包含一增益放大器151、一逆向偏壓二極體152與一開關信號發送電晶體153。

增益放大器151係電性連接於輸入端11與採樣端131，藉以擷取採樣電阻13於輸入端11與採樣端131之間的一採樣電壓，並以一預設之增益值加以放大成一開關判斷電壓。逆向偏壓二極體152係電性連接於增益放大器151，具有一逆向偏壓，所謂的逆向偏壓是指與電流方向相反的偏壓。在開關判斷電壓大於逆向偏壓時，表示電源2目前正異常供應過高的工作電力WP，此時會自然導通逆向偏壓二極體152。

開關信號發送電晶體153係電性連接於逆向偏壓二極體152與MOSFET開關14，並在逆向偏壓二極體152被導通時將一切斷信號S1傳送至MOSFET開關14，藉以切斷MOSFET開關14以中斷傳送工作電力WP至負載3而保護負載3免於受過高的工作電力WP所損壞。

電力監控模組16係電性連接於MOSFET開關14。較佳者，電力監控模組16可包含電性連接於增益放大器151之一微控制單元（Micro Control Unit; MCU）161。增益放大器151更在MOSFET開關14被切斷時，擷取流經採樣電阻13之一採樣電流，並將採樣電流放大為一開關判斷電流而傳送至MCU 161。

在MCU 161判斷出開關判斷電流小於一預設臨界電流時，表示電源2目前正恢復供應正常的工作電力WP。此時，MCU 161會將工作電力WP判斷為小於一允許工作電力，表示工作電力WP已不會造成負載3損壞，因此，MCU 161會在此時將一導通信號S2傳送至MOSFET開關14，藉以導通MOSFET開關以恢復傳送工作電力WP至負載3。

當本發明應用於車載式電子裝置時，上述之負載3可為一車載雷達（In-car Radar）、一電子式輪胎壓力感測器、一電子儀表板或一抬頭顯示裝置等裝置。由於每一種負載3需要和所能承受工作電力WP（包含電壓、電流和功率等）都不盡相同，而且每一種負載3的內電阻也不盡相同。當採樣電阻13與負載3的內電阻串聯成一迴路時，採樣電壓相當於此迴路在採樣電阻13兩端的分壓，可依據採樣電阻13和負載3的內電阻的電阻值比例而計算出工作電力WP作用於負載3的分壓。

由於採樣電壓與工作電力WP作用於負載3的分壓之間，存在特定的比例關係。因此，可依據負載3的內電阻和耐電壓能力選擇具有適當電阻值的採樣電阻13。相似地，也可依據負載3的內電阻和耐電壓能力、操作安全係數與MOSFET開關14切換靈敏度需求等因素，選擇具備適當增益值的增益放大器151與具備適當逆向偏壓值的逆向偏壓二極體152。

請繼續參閱第三圖，其係顯示本發明另一較佳實施例所提供之電子熔斷器型保護電路系統之功能方塊圖。如第三圖所示，一電子熔斷器型保護電路系統100包含與電子熔斷器型保護電路1相同的14個電子熔斷器型保護電路1a-1n，14個電子熔斷器型保護電路1a-1n係分別連接於上述之電源2與14個負載3a-3n。14個負載3a-3n可為完全相同（每一個負載都相同）、部分相同（其中若干個負載相同）或完全不同（每一個負載都不同）的負載，因此14個電子熔斷器型保護電路1a-1n可搭配14個負載3a-3n而彼此獨立地運作，也可以搭配負載3a-3n而使14個電子熔斷器型保護電路1a-1n中的若干個協同運作。相似地，上述14個負載3a-3n也可為車載雷達（In-car Radar）、電子式輪胎壓力感測器、電子儀表板、抬頭顯示裝置或其他車載式電子裝置。

所謂的14個與電子熔斷器型保護電路1相同的電子熔斷器型保護電路1a-1n，是指這14個電子熔斷器型保護電路1所包含的元件與電路連接方式都相同，但並不表示電子熔斷器型保護電路1a-1n中的每一個採樣電阻的電阻值都相同，也不表示每一個增益放大器的增益值都相同，更不表示每一個逆向偏壓二極體的逆向偏壓都相同。承以上所述，在電子熔斷器型保護電路系統100中，電阻值、逆向偏壓值與增益值的選擇，是取決於負載3a-3n各自的內電阻和耐電壓能力、操作安全係數與MOSFET開關切換靈敏度需求等因素。此外，電子熔斷器型保護電路系統100所包含的電子熔斷器型保護電路數量也可以是14個以外的其他數量，其數量取決於需要被保護的負載的數量。

綜合以上所述，由於在本發明所提供之電子熔斷器型保護電路1與電子熔斷器型保護電路系統100中，係藉由採樣並進行增益放大後所得到的開關判斷電壓是否大於逆向偏壓而導通逆向偏壓二極體152，來決定是否切斷MOSFET開關14，也就是利用自然的物理現象來決定是否切斷MOSFET開關14。毫無疑問地，其中既未涉及複雜的類比或數位信號的實質性比較，也未涉及複雜的數值運算比較，所以可以在工作電力WP過大時，以最短的反應時間迅速切斷MOSFET開關14，發揮更佳的保護效果。

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。

100:電子熔斷器型保護電路系統 1,1a~1n:電子熔斷器型保護電路 11:輸入端 12:輸出端 13:採樣電阻 131:採樣端 14:MOSFET開關 15:邏輯控制分支電路 151:增益放大器 152:逆向偏壓二極體 153:開關信號發送電晶體 16:電力監控模組 161:MCU 2:電源 3,3a~3n:負載 WP:工作電力 S1:切斷信號 S2:導通信號

第一圖係顯示本發明較佳實施例所提供之電子熔斷器型保護電路之功能方塊圖；第二A圖與第二B圖係顯示本發明較佳實施例所提供之電子熔斷器型保護電路之電路示意圖；以及第三圖係顯示本發明另一較佳實施例所提供之電子熔斷器型保護電路系統之功能方塊圖。

1:電子熔斷器型保護電路

11:輸入端

12:輸出端

13:採樣電阻

14:MOSFET開關

15:邏輯控制分支電路

151:增益放大器

152:逆向偏壓二極體

153:開關信號發送電晶體

16:電力監控模組

161:MCU

2:電源

3:負載

WP:工作電力

S1:切斷信號

S2:導通信號

Claims

一種電子熔斷器型保護電路，係具有一輸入端與一輸出端，該輸入端與該輸出端係分別電性連接一電源與一負載，藉以接收該電源所提供之一工作電力，並受控制地傳送或中斷傳送該工作電力至該負載，該電子熔斷器型保護電路包含：一採樣電阻，係電性連接於該輸入端，並在遠離該輸入端之另一端具有一採樣端；一MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor；金氧半場效電晶體)開關，係電性連接於該採樣端與該輸出端；一邏輯控制分支電路，包含：一增益放大器，係電性連接於該輸入端與該採樣端，藉以擷取該採樣電阻於該輸入端與該採樣端之間的一採樣電壓，並加以放大成一開關判斷電壓；一逆向偏壓二極體，係電性連接於該增益放大器，具有一逆向偏壓，並在該開關判斷電壓大於該逆向偏壓時，導通該逆向偏壓二極體；一開關信號發送電晶體，係電性連接於該逆向偏壓二極體與該MOSFET開關，並在該逆向偏壓二極體被導通時將一切斷信號傳送至該MOSFET開關，藉以切斷該MOSFET開關以中斷傳送該工作電力至該負載而保護該負載免於受該工作電力所損壞；以及一電力監控模組，係電性連接於該MOSFET開關，並在監測出該工作電力小於一允許工作電力時，將一導通信號傳送至該MOSFET開關，藉以導通該MOSFET開關以恢復傳送該工作電力至該負載。
如請求項1所述之電子熔斷器型保護電路，其中，該負載為一車載雷達(In-car Radar)。
如請求項1所述之電子熔斷器型保護電路，其中，該電力監控模組包含電性連接於該增益放大器之一微控制單元(Micro Control Unit；MCU)，該增益放大器更在該MOSFET開關被切斷時，擷取流經該採樣電阻之一採樣電流，並將該採樣電流放大為一開關判斷電流而傳送至該MCU，使該MCU在判斷出該開關判斷電流小於一預設臨界電流時，將該工作電力判斷為小於該允許工作電力，據以傳送出該導通信號。
一種電子熔斷器型保護電路系統，包含複數個如請求項1所述之電子熔斷器型保護電路，且該些電子熔斷器型保護電路係分別電性連接於該電源與複數個上述之負載。
如請求項4所述之電子熔斷器型保護電路系統，其中該些電子熔斷器型保護電路係彼此獨立地運作。
如請求項4所述之電子熔斷器型保護電路系統，其中該些電子熔斷器型保護電路之數量為14個。