电路保护装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种电路保护装置。电路保护装置包括控制电路、开关电路、检测电路、比较电路以及定时电路。控制电路用以产生控制信号。开关电路用以依据控制信号的位准而决定是否自外部电源汲取并输出电流信号。检测电路用以传输电流信号，并依据电流信号产生电压信号。比较电路用以在电压信号的位准超过阀值时，改变控制电路所输出的控制信号的位准，使开关电路切换为断路，以停止输出电流信号。定时电路用以在电压信号的位准从超过阀值恢复为低于阀值后，使控制电路所输出的控制信号在延迟期间内维持在使开关电路为断路的位准。
【专利说明】电路保护装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种电路保护装置，特别涉及一种可避免负载电路频繁地切换于导通或断路状态的电路保护装置。
【背景技术】
[0002]传统上，为避免电路因过热或流经过量电流而损坏，常通过设置熔丝(fuse)或正温度系数(Positive Temperature Coefficient ；PTC)元件的方式来达到保护电路的目的。
[0003]熔丝与电路串联设置，当电路有过量电流通过时，熔丝会被熔断以中断电流。PTC元件则是在温度上升至某一临界温度或有过量电流通过时，相对提高其电阻值，藉此抑制过量电流通过。然而，熔丝只要一经熔断即不可恢复，往往只能作一次性的使用；PTC元件则是会受到温度干扰，且材料成本较高。
[0004]因此，如何提出一种有效、可靠的电路保护装置，乃目前业界所致力的课题之一。实用新型内容
[0005]本实用新型的目的在于提供一种电路保护装置。电路保护装置的优点之一在于此电路保护装置可避免当负载电路来回操作于正常运作状态和异常短路状态时，频繁地对负载电路供/断电的电路保护装置。
[0006]为达上述目的，本实用新型提供一种电路保护装置，其包括:
[0007]一控制电路，用以产生一控制信号；
[0008]一开关电路，耦接至一外部电源与该控制电路，用以依据该控制信号的位准而决定是否自该外部电源汲取并输出一电流信号；
[0009]一检测电路，耦接于该开关电路，用以传输该电流信号，并依据该电流信号产生一电压信号；
[0010]一比较电路，耦接于该检测电路与该控制电路，用以在该电压信号的位准超过一阀值时，改变该控制电路所输出的该控制信号的位准，使该开关电路切换为断路，以停止输出该电流信号；以及
[0011 ] 一定时电路，耦接于该比较电路与该控制电路之间，用以在该电压信号的位准从超过该阀值恢复为低于该阀值后，使该控制电路所输出的该控制信号在一延迟期间内维持在使该开关电路为断路的位准。
[0012]上述的电路保护装置，其中该控制电路包括:
[0013]一第一分压电路，耦接该外部电源，用以提供一分压信号；以及
[0014]一第二分压电路，耦接该外部电源、该第一分压电路以及该开关电路，用以提供该控制信号至该开关电路，以控制该开关电路自该外部电源汲取并经由一第一节点传输该电流信号至该检测电路，该控制信号的位准受控于该第一分压电路所提供的该分压信号。
[0015]上述的电路保护装置，其中该第一分压电路包括:
[0016]—第一分压兀件,稱接于该外部电源与一第二节点之间，该分压信号是由该第二节点提供至该第二分压电路；
[0017]一第二分压元件，耦接于该第二节点与一第三节点之间，该第三节点的电压位准受控于该定时电路；以及
[0018]一第三分压元件，耦接至该第三节点。
[0019]上述的电路保护装置，其中该第二分压电路包括:
[0020]一第四分压元件，与该开关电路耦接于一第四节点，该控制信号是由该第四节点提供至该开关电路；
[0021]一第五分压元件；以及
[0022]一切换控制元件，包括:
[0023]一第一端，耦接至该第四节点；
[0024]一第二端，耦接至该第五分压元件；及
[0025]一控制端，耦接至该第二节点，用以依据该分压信号而选择性地使该切换控制元件导通或断路。
[0026]上述的电路保护装置，其中当该切换控制元件为导通，在该第四节点所产生的该控制信号的位准使该开关电路为导通；当该切换控制元件为断路，在该第四节点所产生的该控制信号的位准使该开关电路为断路。
[0027]上述的电路保护装置，其中当该电压信号的位准超过该阀值时，该定时电路进行放电以设定该第三节点的电压位准，使该切换控制元件维持断路。
[0028]上述的电路保护装置，其中在该电压信号的位准由超过该阀值恢复为低于该阀值后，该定时电路进行充电，直到历经该延迟期间后，该定时电路与该第三节点断开，使该切换控制元件为导通。
[0029]上述的电路保护装置，其中该定时电路包括:
[0030]一定时切换控制元件，耦接于该第三节点与一第五节点之间，用以依据该第五节点的电压位准而选择性地导通或断路；
[0031]一电阻元件，耦接于该第五节点与该比较电路之间；以及
[0032]一电容元件，耦接至该第五节点，用以经由充放电以改变该第五节点的电压位准。
[0033]上述的电路保护装置，其中在该电压信号的位准由超过该阀值恢复为低于该阀值后，该电容元件进行充电以提升该第五节点的电压位准，直到该第五节点的电压位准足以使该定时切换控制元件变为断路而与该第三节点断开。
[0034]上述的电路保护装置，其中该比较电路耦接至该第二节点，并跨接于该第一节点与一输出端之间；
[0035]其中当该第一节点的电压位准与该电压信号的位准相差超过该阀值时，该比较电路为导通以设定该第二节点的该分压信号，使该切换控制元件变为断路。
[0036]以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述，但不作为对本实用新型的限定。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1绘示依据本实用新型的一实施例的电路保护装置的简化方框图；
[0038]图2绘示图1的电路保护装置的电路图的一例。【具体实施方式】
[0039]以下提出实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并不会限缩本实用新型欲保护的范围。此外，实施例中的附图省略不必要的元件，以清楚显示本实用新型的技术特点。
[0040]请参考图1，其绘示依据本实用新型的一实施例的电路保护装置100的简化方框图。电路保护装置100包括控制电路102、开关电路104、检测电路106、比较电路108以及定时电路110。控制电路102用以产生控制信号CS。开关电路104耦接至外部电源Vin与控制电路102，用以依据控制信号CS的位准而决定是否自外部电源Vin汲取并输出电流信号I。外部电源Vin例如是由交流-直流转换器或电池所输出的直流电压。开关电路104可例如以电压控制元件来实现，像是P通道金氧半导体晶体管。举例来说，当控制信号CS为高电压位准时，开关电路104为断路，此时开关电路104停止输出电流信号I ;当控制信号CS为低电压位准时，开关电路104为导通，此时开关电路104自外部电源Vin汲取并输出电流信号I。
[0041]检测电路106耦接于开关电路104，用以传输电流信号I，并依据电流信号I产生电压信号V。输出端OUT可耦接至负载电路，并用以接收电压信号V以提供负载电路电源。举例来说，负载电路可以是无线通讯发射器，可发射符合Zigbee、Z-wave、WiF1、Bluetooth及数字增强型无线电信(DECT)标准其中之一的无线电波。
[0042]比较电路108耦接于检测电路106与控制电路102，用以在电压信号V的位准超过阀值时，改变控制电路102所输出的控制信号CS的位准，使开关电路104切换为断路，以停止输出电流信号I。阀值的大小可依据应用环境的不同而有适应性的设计。以阀值为0.7伏特为例，假设负载电路处于正常运作状态时，流经检测电路106的电流信号I不超过2安培，且相应产生的电压信号V不超出0.3伏特；此时，因电压信号V低于阀值(0.7伏特)，故比较电路108为断路而不作用，且开关电路104可维持在导通状态，以形成自外部电源Vin到输出端OUT的供电路径。另一方面，假设负载电路处于异常短路状态时，流经检测电路106的电流信号I超过5安培，且相应产生的电压信号V超出0.7伏特；此时，因电压信号V大于阀值(0.7伏特)，比较电路108切换为导通状态以改变控制信号CS的位准，使得开关电路104转为断路以停止对负载电路供电。如此一来，可避免负载电路因接收过量电流而产生损坏。
[0043]定时电路110耦接于比较电路108与控制电路102之间，用以在电压信号V的位准从超过阀值恢复为低于阀值后，使控制电路102所输出的控制信号CS在延迟期间内维持在使开关电路104为断路的位准。举例来说，假设负载电路由异常短路状态回复为正常状态后，检测电路106所产生的电压信号V由0.7伏特恢复为0.3伏特，使得比较电路108切换回断路而不作用；此时，定时电路110可藉由设定控制电路102的内部节点电压，以限制控制信号CS在延迟期间内仍然维持在使开关电路104为断路的位准。通过定时电路110的控制，即便负载电路从异常短路状态恢复为正常状态，开关电路104也不会立即导通而对负载电路进行供电。如此一来，可避免对负载电路频繁地进行供/断电而造成元件损害。
[0044]请参考图2，其绘示图1的电路保护装置100的电路图的一例。可以理解的是，图2中各元件的配置乃作为说明实施例之用，并不用以限制本实用新型。[0045]如图2所示，控制电路102包括第一分压电路202以及第二分压电路204。第一分压电路202耦接至外部电源Vin，用以提供分压信号GS。第二分压电路204耦接外部电源Vin、第一分压电路202以及开关电路104，用以提供控制信号CS至开关电路104，以控制开关电路104自外部电源Vin汲取并经由第一节点NI传输电流信号I至检测电路106。在此例中，第一分压电路202包括第一分压元件R1、第二分压元件R2以及第三分压元件R3。第一分压元件Rl耦接于外部电源Vin与第二节点N2之间。第二分压元件R2耦接于第二节点N2与第三节点N3之间。第三分压元件R3耦接至第三节点N3。上述的第一、第二以及第三分压元件R1-R3可例如以电阻元件来实现。如图2所示，第二节点N2可提供分压信号GS至第二分压电路204，而第三节点N3的电压位准受控于定时电路110。
[0046]控制信号CS的位准受控于第一分压电路202所提供的分压信号GS。在此例中，第二分压电路204包括第四分压元件R4、第五分压元件R5以及切换控制元件Q1。第四分压元件R4与开关电路104耦接于第四节点N4，第四节点N4可提供控制信号CS至开关电路104。切换控制元件Ql包括耦接至第四节点N4的第一端、耦接至第五分压元件R5的第二端、以及耦接至第二节点N2的控制端。切换控制元件Ql依据控制端所接收的分压信号GS而选择性地导通或断路。上述的第四及第五分压元件R4、R5可例如以电阻元件来实现，且第五分压元件R5的电阻值例如小于第四分压元件R4的电阻值；切换控制元件Ql可例如以N型场效晶体管来实现，而其第一端、第二端以及控制端可分别对应于N型场效晶体管的漏极端、源极端以及栅极端。
[0047]开关电路104包括P通道金氧半导体晶体管Q2。P通道金氧半导体晶体管Q2可依据控制信号CS的位准而导通或断路。在图2中，P通道金氧半导体晶体管Q2包括四个漏极端D1-D4、三个源极端S1-S3以及一个栅极端G1，但此仅为例示之用，并非用以限制漏极端、源极端以及栅极端的数量。如图2所示，漏极端D1-D4耦接至第一节点NI，而源极端S1-S3耦接至外部电源Vin。当栅极端Gl接收低电压而使P通道金氧半导体晶体管Q2为导通，开关电路104可产生相应于外部电源Vin的电流信号I。进一步说，当P通道金氧半导体晶体管Q2为导通，开关电路104可自外部电源Vin汲取并输出电流信号I ;反之，当P通道金氧半导体晶体管Q2为断路，开关电路104将停止输出电流信号I。因此，通过切换开关电路104，可选择是否对负载电路进行供电。
[0048]检测电路106包括二极管元件Di以及电阻串RS。二极管元件Di耦接至第一节点NI，用以在电流信号I流经时提供第一跨压。电阻串RS耦接于二极管元件Di以及输出端OUT之间，用以在电流信号I流经时提供第二跨压。电阻串RS中所包含的电阻数量以及电阻值的设计可依据输出功率及/或阀值大小而作不同调整。以图2为例，电阻串RS是由电阻元件R6以及电阻元件R7串接而成，电阻元件R6以及电阻元件R7例如是电阻值为0.025 ± 10%欧姆的小电阻。
[0049]比较电路108耦接至第二节点N2，并跨接于第一节点NI与输出端OUT之间。比较电路108可例如以双载子接面晶体管或其它可依据电压信号V而改变其导通状态的电子元件来实现。以图2为例，比较电路108是以NPN型的双载子接面晶体管Q3来实现。双载子接面晶体管Q3的基极端耦接至第一节点NI ;射极端耦接至输出端OUT ;集极端耦接至第二节点N2。当第一节点NI的电压位准与电压信号V的位准相差超过阀值(例如是双载子接面晶体管Q3的导通电压0.7伏特)时，双载子接面晶体管Q3为导通，以设定第二节点N2的分压信号GS (例如设定为接地电压)，使切换控制元件Ql变为断路。
[0050]进一步说，假设负载电路处于正常运作状态时，流经检测电路106的电流信号I约为2安培，使得二极管元件Di上所产生的第一跨压约0.3伏特，且电阻串RS上所产生的第二跨压约0.1伏特；此时，因第一跨压与第二跨压之和(约0.4伏特)小于双载子接面晶体管Q3的导通电压0.7伏特，故双载子接面晶体管Q3为断路，输出端OUT与第二节点N2互相隔离。反之，假设负载电路处于异常短路状态时，流经检测电路106的电流信号I约为5安培，使得二极管元件Di上所产生的第一跨压约0.55伏特，且电阻串RS上所产生的第二跨压约0.25伏特；此时，因第一跨压与第二跨压的和(约0.8伏特)大于导通双载子接面晶体管Q3的导通电压0.7伏特，故双载子接面晶体管Q3为导通。此时，第二节点N2上的分压信号GS被拉低至与输出端OUT相近的短路电压，使得切换控制元件Ql为导通。
[0051]承前所述，藉由控制分压信号GS的位准以导通或关闭切换控制元件Q1，控制电路102的第二分压电路204可提供具有不同位准的控制信号CS至P通道金氧半导体晶体管Q2的栅极端G1，以对应地导通或关闭开关电路104。进一步说，当切换控制元件Ql为导通，在第四节点N4上的控制信号CS位准(低电压位准)可使开关电路104为导通；反之，当切换控制元件Ql为断路，在第四节点N4上的控制信号CS位准(高电压位准)可使开关电路104为断路。
[0052]以图2的电路架构为例，在正常情况下，第一分压电路202接收外部电源Vin，并在第二节点N2产生足以导通切换控制元件Ql的分压信号GS(例如大于I伏特的电压)。此时，切换控制元件Ql为导通状态，且第四节点N4上的控制信号CS为低电压位准。由于P通道金氧半导体晶体管Q2的栅极端Gl接收到低电压位准的控制信号CS，P通道金氧半导体晶体管Q2为导通并传导电流信号I。
[0053]当负载电路为异常短路时，双载子接面晶体管Q3导通而使第二节点N2上的分压信号GS位准被拉低，使得切换控制元件Ql进入断路状态。此时，处于断路状态的切换控制元件Ql会使第四节点N4上的控制信号CS位准提升，进而令P通道金氧半导体晶体管Q2转为断路，以停止传导电流信号I。
[0054]在本实施例中，当电压信号V的位准超过阀值时，定时电路110可进行放电以设定第三节点N3的电压位准(例如被设定为接地电压)，使切换控制元件Ql维持断路。当电压信号V的位准由超过阀值恢复为低于阀值后(例如，负载电路由异常短路状态恢复为正常状态)，定时电路110进行充电，直到历经一段延迟期间后，定时电路110才会与第三节点N3断开，使切换控制元件Ql为导通。通过上述的操作，即便负载电路从异常短路状态恢复为正常状态，由于第三节点N3的电压位准在延迟期间内仍被定时电路110设定为低电压，故第二节点N2上的分压信号GS位准仍不足以导通切换控制元件Q1。因此，开关电路104在延迟期间内仍可维持在断路状态。而在定时电路110历经延迟期间而与第三节点N3断开后，第二节点N2上的分压信号GS才会恢复足以导通切换控制元件Ql的位准，使得开关电路104重新恢复导通状态。
[0055]定时电路110包括定时切换控制元件Q4、电阻元件R以及电容元件C。定时切换控制元件Q4耦接于第三节点N3与第五节点N5之间，用以依据第五节点N5的电压位准而选择性地导通或断路。在图2中，定时切换控制元件Q4是以PNP型的双载子接面晶体管为例作说明，但可理解的是，定时切换控制元件Q4亦可以其他开关元件来实现。如图2所示，定时切换控制元件Q4的基极端耦接至第五节点N5，射极端耦接至第三节点N3，集极端接地。电阻元件R耦接于第五节点N5与比较电路108之间。电容元件C耦接至第五节点N5，用以经由充放电以改变第五节点N5的电压位准。
[0056]在负载电路处于正常运作的状态下，第五节点N5的电压位准为高位准，使得定时切换控制元件Q4处于断路状态。此时，第一分压电路202可提供足以导通切换控制元件Ql的分压信号GS。反之，在负载电路处于异常短路的状态下，由于电容元件C通过电阻元件R进行放电，第五节点N5的电压位准降至低位准，使得定时切换控制元件Q4进入导通状态。此时，第一分压电路202受控于定时电路110，第三节点N3被设定为低电压。
[0057]当负载电路从异常短路状态恢复为正常状态，即电压信号V的位准由超过阀值恢复为低于阀值后，电容元件C可进行充电以提升第五节点N5的电压位准。举例来说，电容元件C可通过外部电源Vin、第一分压元件Rl以及电阻元件R所形成的路径进行充电，以提升第五节点N5的电压位准。在历经一段延迟期间后，第五节点N5的电压位准将升高至足以使定时切换控制元件Q4转为断路的位准(例如约0.7伏特)。当定时切换控制元件Q4切换为断路，第三节点N3的电压位准不再被定时电路110设定在低电压位准。此时，第一分压电路202所提供的分压信号GS将可使开关电路104重新恢复导通状态。藉由调整延迟期间的时间长度，可弹性地控制开关电路104自断路状态恢复成导通状态的时间。延迟期间的时间长度例如至少由电阻元件R的电阻值以及电容元件C的电容值所决定。在一例子中，延迟期间约为5至10秒。
[0058]综上所述，本实用新型实施例的电路保护装置除了可在负载电路处于异常短路状态时停止电源供给以保护电路，更可通过定时电路的控制，有效避免电路保护装置对负载电路频繁地进行供/断电所造成的元件损害。
[0059]当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种电路保护装置，其特征在于，包括: 一控制电路，用以产生一控制信号； 一开关电路，耦接至一外部电源与该控制电路，用以依据该控制信号的位准而决定是否自该外部电源汲取并输出一电流信号； 一检测电路，耦接于该开关电路，用以传输该电流信号，并依据该电流信号产生一电压信号; 一比较电路，耦接于该检测电路与该控制电路，用以在该电压信号的位准超过一阀值时，改变该控制电路所输出的该控制信号的位准，使该开关电路切换为断路，以停止输出该电流信号；以及 一定时电路，耦接于该比较电路与该控制电路之间，用以在该电压信号的位准从超过该阀值恢复为低于该阀值后，使该控制电路所输出的该控制信号在一延迟期间内维持在使该开关电路为断路的位准。
2.根据权利要求1所述的电路保护装置，其特征在于，该控制电路包括: 一第一分压电路，耦接该外部电源，用以提供一分压信号；以及 一第二分压电路，耦接该外部电源、该第一分压电路以及该开关电路，用以提供该控制信号至该开关电路，以控制该开关电路自该外部电源汲取并经由一第一节点传输该电流信号至该检测电路，该 控制信号的位准受控于该第一分压电路所提供的该分压信号。
3.根据权利要求2所述的电路保护装置，其特征在于，该第一分压电路包括: 一第一分压元件，耦接于该外部电源与一第二节点之间，该分压信号是由该第二节点提供至该第二分压电路； 一第二分压元件，耦接于该第二节点与一第三节点之间，该第三节点的电压位准受控于该定时电路；以及 一第三分压元件，耦接至该第三节点。
4.根据权利要求3所述的电路保护装置，其特征在于，该第二分压电路包括: 一第四分压元件，与该开关电路耦接于一第四节点，该控制信号是由该第四节点提供至该开关电路； 一第五分压元件；以及 一切换控制元件，包括: 一第一端，耦接至该第四节点； 一第二端，耦接至该第五分压元件；及 一控制端，耦接至该第二节点，用以依据该分压信号而选择性地使该切换控制元件导通或断路。
5.根据权利要求4所述的电路保护装置，其特征在于，当该切换控制元件为导通，在该第四节点所产生的该控制信号的位准使该开关电路为导通；当该切换控制元件为断路，在该第四节点所产生的该控制信号的位准使该开关电路为断路。
6.根据权利要求4所述的电路保护装置，其特征在于，当该电压信号的位准超过该阀值时，该定时电路进行放电以设定该第三节点的电压位准，使该切换控制元件维持断路。
7.根据权利要求4所述的电路保护装置，其特征在于，在该电压信号的位准由超过该阀值恢复为低于该阀值后，该定时电路进行充电，直到历经该延迟期间后，该定时电路与该第三节点断开，使该切换控制元件为导通。
8.根据权利要求3所述的电路保护装置，其特征在于，该定时电路包括: 一定时切换控制元件，耦接于该第三节点与一第五节点之间，用以依据该第五节点的电压位准而选择性地导通或断路； 一电阻元件，耦接于该第五节点与该比较电路之间；以及 一电容元件，耦接至该第五节点，用以经由充放电以改变该第五节点的电压位准。
9.根据权利要求8所述的电路保护装置，其特征在于，在该电压信号的位准由超过该阀值恢复为低于该阀值后，该电容元件进行充电以提升该第五节点的电压位准，直到该第五节点的电压位准足以使该定时切换控制元件变为断路而与该第三节点断开。
10.根据权利要求5所述的电路保护装置，其特征在于，该比较电路耦接至该第二节点，并跨接于该第一节点与一输出端之间； 其中当该第一节点的电压位准与该电压信号的位准相差超过该阀值时，该比较电路为导通以设定该第 二节点的该分压信号，使该切换控制元件变为断路。
【文档编号】H02H3/06GK203761018SQ201420111788
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2014年3月12日
【发明者】李建 申请人:中怡(苏州)科技有限公司