软启动开关电路及电子装置的制作方法

本发明有关于一种开关电路，且特别是能够抑制浪涌电流(inrush current)的软启动(soft-start)开关电路及具有所述软启动开关电路的电子装置。

背景技术：

由于电器产品在接收电源供应器所提供的电源时，电源供应器会因输出过大的瞬时电流(又称为浪涌电流)而造成电器产品中元件的伤害。为了避免在电器产品启动时，因过大的瞬时电流而造成损坏，电源供应器在启动的初，可控制输出的电能由小逐渐上升至正常值，以避免对电路的伤害，上述的启动方式即称为软启动。举例来说，可以通过脉宽调制(pulse width modulation，PWM)控制器来控制工作周期的方式逐渐增加输出至电器产品的电能，来完成软启动。

首先，请参照图1，图1为传统软启动开关电路的电路图。传统软启动开关电路1具有输入端IN、输出端OUT，且包括第一晶体管Q₁、第二晶体管Q₂、第一电阻R₁、第二电阻R₂、电荷储能单元101与电路保护单元103。电荷储能单元101的一端电性连接于输入端IN与第一晶体管Q₁的第一端。第一电阻R₁的一端电性连接输入端IN与电荷储能单元101的一端，第一电阻R₁的另一端电性连接电路保护单元103的一端与第二晶体管Q₂的控制端。第一晶体管Q₁的第二端电性连接输出端OUT。第二电阻R₂的一端电性连接电荷储能单元101的另一端与第一晶体管Q₁

的控制端。第二电阻R₂的另一端电性连接第二晶体管Q₂的第一端。电路保护单元103的另一端电性连接至接地端。

第一晶体管Q₁可以是P型金属氧化物半导体场效晶体管(P type Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，P type MOSFET)，其第一端、第二端与控制端分别是P型金属氧化物半导体场效晶体管的源极端、漏极端与栅极端。第二晶体管Q₂可以是NPN双载子接面晶体管(NPN Bipolar Junction Transistor，NPN BJT)，其第一端、第二端与控制端分别是NPN双载子接面晶体管的集极端、射极端与基极端。

输入端IN用以接收输入电压V_in，而输出端OUT则用以提供输出电压V_out给其连接的负载。第一电阻R₁用以在第二晶体管Q₂导通时，形成一个跨压，以避免第二晶体管Q₂烧毁或被击穿。第二电阻R₂用以在第二晶体管Q₂导通时形成另一跨压，以避免第一晶体管Q₁的控制端上的电压在第二晶体管Q₂导通时直接变为低电位(例如0伏特)。电荷储能单元101用以在接收到高电位(例如90伏特)的输入电压V_in时，储存电荷，以使第一晶体管Q₁的控制端上的电压不会快速地下降。

在输入电压V_in由低电位(例如0伏特)变成高电位时，第二电阻R₂的一端上的电压瞬间为输入电压V_in的高电位。接着，第二晶体管Q₂会导通，以提供电荷储能单元101充电路径储存电能，而使得第一晶体管Q₁的控制端上(电阻R₂的一端上)的电压缓速地下降。当第一晶体管Q₁的控制端上的电压下降到与第一晶体管Q₁的第一端上的电压(亦即，输入电压V_in)形成一特定压降时，第一晶体管Q₁会导通，以使得第一晶体管Q₁的第二端可将输入电压V_in作为输出电压V_out输出给输出端OUT连接的负载。由于电荷储能单元101的存在，故第一晶体管Q₁并不会快速地导通，而达到软启动的功能，避免产生输出电流I_Q1(亦即，通过第一晶体管Q₁的电流)为过大的瞬时电流。

电荷储能单元101包括电压箝制元件CL、电容C与第三电阻R₃，其中电压箝制元件CL、电容C与第三电阻R₃的一端电性连接输入端IN与第一晶体管Q₁的第一端，电压箝制元件CL、电容C与第三电阻R₃的另 一端电性连接第二电阻R₂的一端。电容C用以储存电荷，而第三电阻R₃的电阻值与电容C的电容值可以决定软启动的期间(第一晶体管Q₁从部分导通到完全导通的时间)。电压箝制元件CL用以限制电容C两端的跨压，其可以例如是齐纳二极管(Zener diode)，且电压箝制元件CL的一端与另一端分别是齐纳二极管的阴极端与阳极端。

另外，保护电路单元103可以限制第二晶体管Q₂的控制端上的电压仅能达到一特定电位，提供保护第二晶体管Q₂的功能，避免第二晶体管Q₂被烧毁或击穿。保护电路单元103包括齐纳二极管Z与二极管D₁，齐纳二极管Z的阴极端与阳极端分别电性连接电阻R₁的另一端与二极管D₁的阳极端，而二极管D₁的阴极端电性连接至接地端。

请同时参照图1与图2，图2为传统软启动开关电路的输入电压、输出电压与输出电流的波形图。如图2的横轴所示，在30毫秒的时间区段中，软启动开关电路共有3次将输入电压V_in由低电位(0伏特)变成高电位(90伏特)，一般而言，在这么短的时间内，并不是由使用者以手动开关所造成。进一步来说，本实例的目的在说明由于人为的因素，亦或是电器接口的品质不佳而导致导通信信号的不稳定，影响软启动开关电路的效能，若是导通信信号不稳定产生颤抖，输入端IN可能会在瞬间进行多次开关，传统的软启动开关电路会因其中电容饱和而失去软启动的功能。

如图2所示，在时间大约1毫秒左右，传统软启动开关电路于1第一次被启动时，输入电压V_in由低电位(0伏特)变成高电位(90伏特)。接着，在时间大约2.5毫秒左右，第二晶体管Q₂被导通，导致电容C被充电，并且第一晶体管Q₁逐渐地导通(从部分导通到完全导通)，因此，输出电流I_Q1约为8安培，而不是一个过大的瞬时电流，换言之，浪涌电流可以在传统软启动开关电路1第一次启动时被抑制。

然后，输入电压V_in在时间为6毫秒时，开始由高电位变成低电位。 接着，在时间约为11毫秒时，传统软启动开关电路1第二次被启动，输入电压V_in由低电位变成高电位，但因为电容C已被充满电荷的缘故，无法继续再被充电，故第一晶体管Q₁会立即地完全导通，导致输出电流I_Q1为一个过大的瞬时电流(90安培)。换言之，浪涌电流在传统软启动开关电路1中，会因为导通信信号不稳定而瞬间进行多次开关的情况下，无法有效地被抑制。

另外，中华民国公告第TW I378632号发明专利案揭示一种具有具浪涌电流限制器的闸控桥式整流器。于启动阶段，两个输入的固定电压源尚未被提供予闸控桥式整流器的四个极性驱动电路，且闸控桥式整流器的四个闸控晶体管的通道尚未被形成，故浪涌电流仅能流经浪涌电流限制器与闸控桥式整流器的两个有本体二极管的闸控晶体管的本体二极管，且浪涌电流可以因此被浪涌电流限制器限制至安全值。上述四个闸控晶体管可依据光耦合信号的状态而分别被驱动，以旁通浪涌电流限制器，并对输入电压进行桥式整流，其中浪涌电流可以通过浪涌电流限制器中并联的两个二极管与串联于所述两个二极管的电阻而被限制。然而，此案并非使用电容获得输入电压的电荷来充电，而藉此降低浪涌电流。

除此之外，中国人民共和国公开第CN104242413A号专利申请案揭露了一种电源断电后延长通电时间的电路结构。当一级电压输入电路结构的保持电路，且电路结构的输出电压下降后，电路结构的放电控制开关控制电路发送电压控制信号至电路结构的一个PNP开关晶体管，进而使电路结构的另一PNP开关晶体管导通。此时电路结构的电容上的电压低于电路结构的另一电容上的电压，以使此另一电容上的电压可向电源模组供电，相当于将电源模组的输入电压升高。然而，此案并没有探讨电路结构启动时所产生的浪涌电流的问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种软启动开关电路，所述软启动开关电路具有输入端与输出端，且包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、电荷储能单元、第一电阻以及第二电阻。第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管分 别具有第一端、第二端、控制端。第一晶体管的第二端电性连接输出端。电荷储能单元的一端电性连接输入端及第一晶体管的第一端。第一电阻的一端电性连接输入端。第二电阻的一端电性连接电荷储能单元的另一端与第一晶体管的控制端。第二晶体管的控制端电性连接第一电阻的另一端，第二晶体管的第一端电性连接第二电阻的另一端，第二晶体管的第二端电性连接至接地端。第三晶体管的第一端与第二端分别电性连接电荷储能单元的一端与另一端，第三晶体管的控制端电性连接第一电阻的另一端。当输入端接收的输入电压由低电位变成高电位时，第二晶体管会导通，以提供充电路径使电荷储能单元储存电能，让第一晶体管的控制端上的电压缓速地下降，而使第一晶体管逐渐地导通，以将输入端的输入电压送到输出端作为输出电压。当输入端接收的输入电压由高电位变成低电位时，第三晶体管会导通，以提供由电容与第三晶体管组成的放电路径使得电荷储能单元释放其储存的电能。

于一实施例中，该电荷储能单元包括：

一电压箝制元件；

一电容；以及

一第三电阻；

其中该电压箝制元件、该电容与该第三电阻的每一者的一端与另一端分别为该电荷储能单元的该一端与该另一端。

于一实施例中，该电压箝制元件为一齐纳二极管，该齐纳二极管的一阴极端与一阳极端分别为该电压箝制元件的该一端与该另一端。

于一实施例中，当该输入端接收的该输入电压由该高电位变成该低电位时，该电压箝制元件即箝制该第三晶体管的该第一端与该第二端的电压差并使该第三晶体管导通，以使该电容能够将其所储存的电能迅速排放。

于一实施例中，该第一晶体管为一P型金属氧化物半导体场效晶体管，该P型金属氧化物半导体场效晶体管的一源极端、一漏极端与一栅极端分别为该第一晶体管的该第一端、该第二端与该控制端；该第二晶体管为一NPN型双载子接面晶体管，该NPN型双载子接面晶体管的一集极端、一射极端与一基极端分别为该第二晶体管的该第一端、该第二端与该控制端；以及该第三晶体管为一NPN型双载子接面晶体管，该NPN型双载子 接面晶体管的一集极端、一射极端与一基极端分别为该第二晶体管的该第一端、该第二端与该控制端。

于一实施例中，还包括一电路保护单元，该电路保护单元包括：

一二极管；以及

一齐纳二极管；

其中该齐纳二极管的一阴极端电性连接该第一电阻的该另一端，该二极管的一阳极端电性连接该齐纳二极管的一阳极端，以及该二极管的一阴极端电性连接该接地端。

本发明实施例还提供一种电子装置，所述电子装置包括上述软启动开关电路与负载。软启动开关电路的输入端可电性连接供应电源以接收输入电压，而软启动开关电路的输出端电性连接负载以提供输出电压给负载。

于一实施例中，该电荷储能单元包括：

一电压箝制元件；

一电容；以及

一第三电阻；

其中该电压箝制元件、该电容与该第三电阻的每一者的一端与另一端分别为该电荷储能单元的该一端与该另一端。

于一实施例中，该电压箝制元件为一齐纳二极管，该齐纳二极管的一阴极端与一阳极端分别为该电压箝制元件的该一端与该另一端。

于一实施例中，该第一晶体管为一P型金属氧化物半导体场效晶体管，该P型金属氧化物半导体场效晶体管的一源极端、一漏极端与一栅极端分别为该第一晶体管的该第一端、该第二端与该控制端；该第二晶体管为一NPN型双载子接面晶体管，该NPN型双载子接面晶体管的一集极端、一射极端与一基极端分别为该第二晶体管的该第一端、该第二端与该控制端；以及该第三晶体管为一NPN型双载子接面晶体管，该NPN型双载子接面晶体管的一集极端、一射极端与一基极端分别为该第二晶体管的该第一端、该第二端与该控制端。

综合以上所述，本发明的软启动开关电路可以在输入端所接收输入电压由高电位变为低电位时，提供放电路径让其电荷储能单元将其储存的电能释放。如此，在下一次启动软启动开关电路时，电荷储能单元依然能够 储存电能，而具有软启动功能，以减少浪涌电流的产生。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是此等说明与所附附图仅用来说明本发明，而非对本发明的权利范围作任何的限制。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1为传统软启动开关电路的电路图。

图2为传统软启动开关电路的输入电压、输出电压与输出电流的波形图。

图3为本发明实施例的软启动开关电路的电路图。

图4为本发明实施例的软启动开关电路的输入电压、输出电压与输出电流的波形图。

图5A为本发明实施例的用以对电荷储能单元提供放电路径的晶体管的各端上的电压的波形图。

图5B为图5A的波形图的局部放大图。

图6为本发明实施例的电子装置的方块图。

其中，附图标记说明如下：

1、3：软启动开关电路

101、301：电荷储能单元

103、303：电路保护单元

Q₁：第一晶体管

Q₂：第二晶体管

Q₃：第三晶体管

R₁：第一电阻

R₂：第二电阻

R₃：第三电阻

C：电容

CL：电压箝制元件

D₁：二极管

Z：齐纳二极管

L：放电路径

IN：输入端

OUT：输出端

I_Q1：输出电流

60：电子装置

601：软启动开关电路

603：负载

62：供应电源

V_in：输入电压

V_out：输出电压

V_e：射极电压

V_b：基极电压

具体实施方式

为改善如图1所示的传统软启动开关电路1在第二次被启动后，即输入电压V_in第二次由低电位变成高电位时，电容C无法于前次降压的瞬间排放电能而不能够继续再被充电，故第一晶体管Q₁会立即地完全导通，导致输出电流I_Q1为一个过大的瞬时电流。换言之，浪涌电流在传统软启动开关电路1第二次启动之后，无法有效地被抑制。以下将对本发明的实施例提供的有效抑制浪涌电流所使用的技术方案作进一步说明。

首先，请参照图3，图3为本发明实施例的软启动开关电路的电路图。本发明的软启动开关电路3具有输入端IN、输出端OUT，且包括第一晶体管Q₁、第二晶体管Q₂、第三晶体管Q₃、第一电阻R₁、第二电阻R₂、电荷储能单元301与电路保护单元303。

电荷储能单元301的一端电性连接于输入端IN与第一晶体管Q₁的第一端。第一电阻R₁的一端电性连接输入端IN与电荷储能单元301的一端，第一电阻R₁的另一端电性连接电路保护单元303的一端与第二晶体管Q₂的控制端。第一晶体管Q₁的第二端电性连接输出端OUT。第二电阻R₂的一端电性连接电荷储能单元301的另一端与第一晶体管Q₁的控制端，第二电阻R₂的另一端电性连接第二晶体管Q₂的第一端。电路保护单元303的另一端电性连接至接地端。第三晶体管Q₃的第一端电性连接输入端IN、第一电阻R₁的一端、电荷储能单元301的一端与第一晶体管Q₁的第一端，第三晶体管Q₃的第二端电性连接电荷储能单元301的另一端、第二电阻R₂的一端与第一晶体管Q₁的控制端，第三晶体管Q₃的控制端电性连接第二晶体管Q₂的控制端、电路保护单元303的一端与第一电阻R₁的另一端。

在本实施例中，第一晶体管Q₁可以是P型金属氧化物半导体场效晶体管，其第一端、第二端与控制端分别是P型金属氧化物半导体场效晶体管的源极端、漏极端与栅极端。第二晶体管Q₂与第三晶体管Q₃可以是NPN双载子接面晶体管，其第一端、第二端与控制端分别是NPN双载子接面晶体管的集极端、射极端与基极端。然而，上述第一晶体管Q₁亦可以是PNP双载子接面晶体管，且第二晶体管Q₂与第三晶体管Q₃可以是N型金属氧化物半导体场效晶体管。总而言之，本发明不限制第一晶体管Q₁、第二晶体管Q₂与第三晶体管Q₃的类型。

输入端IN用以接收输入电压V_in，在第一次输入电压V_in由低电位变成高电位时，电荷储能单元301用以在接收到高电位(例如90伏特)的输入电压V_in时，储存电荷，以使第一晶体管Q₁的控制端上的电压不会快速地下降。进一步说明，由于电荷储能单元301的存在，故第一晶体管Q₁并不会快速地导通，而达到软启动的功能，避免产生输出电流I_Q1(亦即，通过第一晶体管Q₁的电流)为过大的瞬时电流。

电荷储能单元301包括电压箝制元件CL、电容C与第三电阻R₃，其中电压箝制元件CL、电容C与第三电阻R₃的一端电性连接输入端IN与第一晶体管Q₁的第一端，电压箝制元件CL、电容C与第三电阻R₃的另一端电性连接第二电阻R₂的一端。电容C用以储存电荷，而第三电阻R₃的电阻值与电容C的电容值可以决定软启动的期间(第一晶体管Q₁从部分导通到完全导通的时间)。电压箝制元件CL用以限制电容C两端的跨压，其可以例如是齐纳二极管(Zener diode)，且电压箝制元件CL的一端与另一端分别是齐纳二极管的阴极端与阳极端。

值得注意的是，在输入电压V_in由高电位变成低电位时，电压箝制元件CL用以箝制第三晶体管Q₃第一端与第二端的跨压，并导通第三晶体管Q₃，以令电容C与第三晶体管Q₃形成放电路径L，将电容C所储存的电能迅速排除。举例来说，电压箝制元件CL所形成的跨压为14伏特，即齐纳二极管的阴极端会比阳极端高14伏特，当输入端IN的输入电压V_in降低至0伏特(即第三晶体管Q₃第一端的电位)时，第三晶体管Q₃的第二端的电位会降低至-14伏特，即导通第三晶体管Q₃。换言之，在每次输入电压V_in由高电位变成低电位的瞬间，电压箝制元件CL即箝制第三晶体管Q₃第一端与第二端的电压差并使第三晶体管Q₃导通，得以使电容C能够将其所储存的电能迅速排放。

另外，保护电路单元303可以限制第二晶体管Q₂的控制端上的电压仅能达到一特定电位，提供保护第二晶体管Q₂的功能，避免第二晶体管Q₂被烧毁或击穿。保护电路单元303包括齐纳二极管Z与二极管D₁，齐纳二极管Z的阴极端与阳极端分别电性连接电阻R₁的另一端与二极管D₁的阳极端，而二极管D₁的阴极端电性连接至接地端。

请同时参照图3与图4，图4为本发明实施例的软启动开关电路的输入电压、输出电压与输出电流的波形图。如图4所示，在时间大约1毫秒 左右，软启动开关电路3第一次被启动，输入电压V_in由低电位(0伏特)变成高电位(90伏特)。接着，在时间大约2.5毫秒左右，第二晶体管Q₂

被导通，导致电容C被充电，并且第一晶体管Q₁逐渐地导通(从部分导通到完全导通)，因此，输出电流I_Q1约为7.2安培，而不是一个过大的瞬时电流，换言之，浪涌电流在软启动开关电路3第一次启动时被抑制。

然后，输入电压V_in在时间为6毫秒时，开始由高电位变成低电位。接着，在时间约为11毫秒时，软启动开关电路3第二次被启动，输入电压V_in再次由低电位变成高电位，由于电容C的电能在第一次输入电压V_in由高电位变成低电位已由放电路径L所排除，故第一晶体管Q₁同样地呈现缓慢导通的状态，令输出电流I_Q1为一个较低的瞬时电流(7.5安培)。换言之，浪涌电流可以在本发明的软启动开关电路3多次启动后，皆能有效地被抑制。

请同时参照图3、图5A以及图5B，图5A为本发明实施例的用以对电荷储能单元提供放电路径的晶体管的各端上的电压的波形图，而图5B为图5A的波形图的局部放大图。图5A为本发明实施例第三晶体管Q₃(如图3)各端上的电压的波形图。由图5A可见，在1～6.2毫秒的时间区段，输入端IN接收输入电压V_in约90伏特，由于电压箝制元件CL对第三晶体管Q₃各端电位箝制作用，输入端IN的输入电压V_in与第三晶体管Q₃的射极电压V_e的电压差有逐渐增加的趋势，在6.2毫秒时，输入端IN的输入电压V_in与第三晶体管Q₃的射极电压V_e的电压差达到14伏特时即停止输入电源，意即电压箝制元件301的限压值为14伏特。

值得注意的是，由于电功率守恒定律P＝IV，在2.2～2.5毫秒的时间区段中，由于输出电流I_Q1出现的瞬时间，会造成输入端IN的输入电压V_in与第三晶体管Q₃的射极电压V_e会以相同的压降程度同时降低。

在6.2毫秒时，输入端IN上的输入电压V_in由高电位(90伏特)变为低 电位(0伏特)，亦即第三晶体管Q₃的集极电压同样降为0伏特，由于电压箝制元件CL的限压作用，限定将第三晶体管Q₃的射极电压V_e与集极电压的电位差为14伏特，此时，第三晶体管Q₃的射极电压V_e为-14伏特。在6.2～11毫秒的时间区段中，电容C的电能持续得通过第三晶体管Q₃导通后所提供的放电路径L来逐渐排放，得以使输入端IN的输入电压V_in与第三晶体管Q₃的射极电压V_e的电压差逐渐缩小。

请参照图5B，在6.2～11毫秒的时间区段中，电容C的电能持续得通过第三晶体管Q₃来逐渐排放，换句话说，第三晶体管Q₃的基极电压V_b以及射极电压V_e间的电位差持续保持为导通电压。由图5B可见，在6.2毫秒时，输入端IN的输入电压V_in由高电位(90伏特)变为低电位(0伏特)，意即第三晶体管Q₃的集极电压同样降为0伏特，第三晶体管Q₃的射极电压V_e为-14伏特，第三晶体管Q₃的基极电压V_b同样降为负电压，根据半导体元件作动原理，令第三晶体管Q₃的基极电位V_b的电位值保持大于射极电位V_e的电位值约0.6伏特，得以使第三晶体管Q₃维持导通状态，用以排放关闭输入电源后电容C所储存的电能，据此来进一步有效降低输出电流I_Q1，意即有效降低浪涌电流。

请参阅图6，图6为本发明实施例的电子装置的方块图。电子装置60包括软启动开关电路601以及负载603。软启动开关电路601电性连接供应电源62与负载603。

供应电源62可提供直流电源(输入电压V_in)给软启动开关电路601，例如为电池、电源供应器或直流发电机。负载603用以接收软启动开关电路601输出的输出电压V_out，负载603可为笔记型电脑、手持装置(例如平板或手机)等可连接直流电源的电器产品或电路。软启动开关电路601的电路结构如前述图3实施例的说明，在此不再详加赘述。在此请注意，本发明并不限制供应电源62以及负载603的种类。

更详细地说，软启动开关电路601的输入端以及输出端分别电性连接 供应电源62以及负载603，并通过软启动开关电路601的软启动功能，在每次供应电源62停止供电时，软启动开关电路601内的电容C(如图3所示)通过第三晶体管Q₃(如图3所示)将电容C储存的电荷排出，以避免软启动开关电路601于启动时的输出电流I_Q1(如图3所示)会有过大的情况，亦即降低浪涌电流。接着，输出电流I_Q1(如图3所示)经由软启动开关电路601的输出端传送至负载603。如此一来，软启动开关电路601可以大幅降低负载603因浪涌电流而损坏的可能性。

综上所述，本发明实施例的软启动开关电路具有一个能够为电荷储能单元提供放电路径的晶体管，此晶体管可以在接收的输入电压由高电位变为低电位时导通，以提供放电路径让电荷储能单元将其储存的电能释放。如此，在下一次启动软启动开关电路时(输入电压由低电位变为高电位)，电荷储能单元依然能够储存电能，而具有软启动功能，以减少浪涌电流的产生(亦即，输出电流不会是一个过大的瞬时电流)。另外，通过上述软启动开关电路，电子装置内的负载不会接收到过大的瞬时电流，因此，其电子装置的使用寿命可以增加(亦即，损坏率会降低)。

以上所述仅为本发明的实施例，其并非用以限定本发明的专利保护范围。任何熟习相像技艺者，在不脱离本发明的精神与范围内，所作的更动及润饰的等效替换，仍为本发明的专利保护范围内。