专利名称：保护元件的限时保护控制电路的制作方法
技术领域：
本发明是揭露一种限时保护控制电路，尤指一种以限制输入脉冲信号的 宽度来保护元件的限时保护控制电路。
背景技术：
一般带有发光二极管的电子产品，对于其发光二极管的操作规格都会加 以详细定义，以说明其发光二极管的特性。请参阅图1，其为配备有闪光灯 的电子产品其发光二极管的操作电流与相对亮度图。如图1所示，在操作温 度为摄氏二十五度的状况下，操作电流与发光二极管的亮度关系为平緩的曲
线，定义出发光二极管的连续额定电流，约为30毫安(mA)，及到达最大亮度 时的最大电流值，约为100毫安(mA),且不同的发光二极管(LED)的连续额定 电流值与最大电流值亦有所不同。以图1所述的发光二极管举例来说，当该 发光二极管用于持续发光用途，如手电筒或夜灯时，几乎都会操作于额定电 流值或以下，而不会以该最大电流值的状况来运作。而当该发光二极管用于 高亮度闪光应用，如相机闪光灯时，该发光二极管的操作则须以最大电流值 (在此例中即为IOO毫安)操作，以达最大亮度。请参阅图2，其为对应于图1 所述的最大电流值操作下，发光二极管的操作时间及周期的示意图，可用来 说明发光二极管在应用于相机闪光灯时的操作状况。如图2所示，在发光二 极管的工作周期(duty cycle)在10%以下的状况，发光二极管可顺利地在最 大电流值100毫安的状况下运作，然而，当发光二极管的工作周期超过10% 时，随着发光二极管的工作周期的增加以及发光二极管本体的温度上升，所 能够操作的电流也会随着大幅缩减。请参阅图3，其为图1所述的发光二极 管在持续搡作的情况下可操作电流与对应的发光二极管的温度的示意图，可 用来说明发光二极管在应用于手电筒时的操作状况。如图3所示，在发光二 极管的温度尚未达到摄氏二十五度的状况之下，其最大可操作电流为30毫 安，然而，在发光二极管的温度超过摄氏二十五度的状况之下，其最大可操 作电流大幅减少。在电子装置中设置的定电流驱动集成电路持续供应发光二
极管操作电流的状况下，会使得发光二极管的操作温度持续地上升，当发光 二极管的操作温度大于如图3所示约摄氏八十五度的状况下，发光二极管将 烧毁并造成电子装置的断路。
请参阅图4与图5。图4为一种用于单一功能的积体控制电路的示意图。
通过单一电流的控制，可用于持续操作的发光二极管或是需要以工作周期来 控制操作时间的发光二极管其操作电流的控制。图5为一种用于二种功能的 积体控制电路的示意图。图5所示的积体控制电路具有两个致能脚位，可同 时用于相机的闪光灯所操作的发光二极管的工作周期控制，或者是手机上的 手电筒功能的致能控制，同时以不同的电流供应不同情况下操作的发光二极 管。图4与图5所示的积体控制电路都是以致能的方式来决定供应给发光二 极管的操作电流。然而，当微处理器或是中央处理器发生当机或者是程序错 误，而使得积体控制电路的致能信号持续维持在致能的状态，则极易发生图 3所述的发光二极管烧毁现象，且一般电子装置的过电流保护(over current protection, OCP)或是过温保护(over temperature protection, OTP)皆无 法在这种情况下对发光二极管提供及时且有效的保护。
发明内容
本发明是提供一种以限制输入脉沖信号的宽度(pulse width)来保护元 件的限时保护控制电3各，包含异或门(exclusive OR gate, XOR gate),其具 有第一输入端及第二输入端，延迟电路，耦接于该异或门的第一输入端；及 放电电路，其第一端耦接于该延迟电路的输入端，第二端耦接于该异或门的 第二输入端。
图1为配备有闪光灯的电子产品其发光二极管的操作电流与相对亮度图。
图2为对应于图1所述的最大电流值操作下，发光二极管的操作时间及 周期的示意图。
图3为图1所述的发光二极管在持续操作的情况下可操作电流与对应的 发光二极管的温度的示意图。
图4为一种用于单一功能的积体控制电^^的示意图。 图5为一种用于二种功能的积体控制电路的示意图。
图6为本发明所提供的限时保护控制电路的功能方块图。 图7为图6所述的延迟电路的功能方块图。
图8为图7中，当脉冲宽度小于图7所示的延迟电路产生的延迟时间时，
各节点的波形示意图。
图9为图7中，当脉冲宽度大于图7所示延迟电路产生的延迟时间时，
各节点的波形示意图。
图10为图7所述的延迟电路的一简易实施例的示意图。
图ll为图10所示的延迟电路中各节点的波形示意图。
图12为应用图IO所示的延迟电路于图6所述的限时装置的示意图。
图13为将周期性连续脉冲信号应用于图12所示的限时装置时，该限时
装置的各节点的波形示意图。
图14为将图12所示的限时装置加以改良后的第一实施例的示意图。
图15为在周期性连续脉冲信号的脉冲长度小于延迟长度的状况下，图 14所示的限时装置各节点的波形示意图。
图16为在周期性连续脉冲信号的脉冲长度大于延迟长度的状况下，图 14所示的限时装置各节点的波形示意图。
图17为将图12所示的限时装置加以改良后的第二实施例的示意图。
300限时保护控制电路
301处理器
302、340、350限时装置
303电流驱动装置
304发光二极管
310异或门
312、330延迟电路
314、342、352放电电路
332、360、362电阻
334电容
336高电平史密特触发器
344、 354 346 356 358
A7、 B7、 C7、 AIO、 EIO、 DIO、 A12、 E12、 D12、 F12、 A14、 B14、 E14、 D14、 F14
曰曰
与非门
比较器 参考电压源
节点
具体实施例方式
为了使得发光二极管不会因为操作时间过长或是因为控制电路的故障引 起的持续致能而超过其临界操作温度，并烧毁发光二极管，本发明提供一种 限时保护控制电路，以限定脉冲宽度的脉冲信号控制发光二极管的工作时间， 使得发光二极管不会因为前述原因而长时间地处于高电流的操作状态，也不 会因为操作温度过高而烧毁。意即在本发明中，当输入脉沖宽度小于限定脉 冲宽度时，维持原脉冲周期及宽度输出；当输入脉沖宽度大于限定脉冲宽度 时，输出脉冲将被限制在限定脉冲宽度。
请参阅图6,其为本发明所提供的限时保护控制电路300的功能方块图。 如图6所示，限时保护控制电路300包含处理器301,限时装置302，耦接于 处理器301的输出端，电流驱动装置303,耦接于限时装置302的输出端， 以及发光二极管304，耦接于电流驱动装置303的输出端。处理器301与图4 和图5所述的处理器相同，且电流驱动装置303亦与图4和图5所述的电流 驱动装置相同。因此限时保护控制电路300与图4和图5所述的积体控制电 路的差异是在于限时装置302。限时装置302是用来将处理器301所输入的 信号转换为适当宽度的脉冲信号，其中处理器301所输入的信号可为图4所 使用的连续信号或是图5所使用的脉冲信号，且该适当宽度的脉冲信号的脉 沖宽度是与不同发光二极管模块的特性相关；举例来说，对于散热较佳的发 光二极管模块，限时装置302所转换出的脉冲信号的脉沖宽度可较长。通过 适当设计的脉冲宽度，可保护发光二极管，使其不会长时间处于过热状态或 是超过其临界操作温度。
请参阅图7，其为图6所述的限时装置302的功能方块图。如图7所示， 限时装置302包含异或门310,延迟电路312,以及放电电路314。异或门310
具有第一输入端与第二输入端。延迟电3各312的第一端耦4妄于异或门310的 第一输入端，且第二端耦接于异或门31G的第二输入端。放电电路314的第 一端耦接于延迟电路312的第三端，第二端328耦接于异或门310的第二输 入端。由处理器301所输入的信号将经由图7所示的节点A7输入至限时装置 302，且节点A7是耦接于延迟电路312的第二端，异或门310的第二输入端， 以及放电电路314的第二端。再者，由于放电电路314是以检测节点A7的电 压来运作，因此亦可称为检测放电电路。
请参阅图8，并请同时再次参阅图7。图8为图7中，当脉冲宽度tp小 于延迟电路312产生的延迟时间td时，各节点的波形示意图。当图7所示的 节点A7输入脉冲信号后，由于延迟电路312的延迟时间大于该脉冲信号的脉 沖宽度，因此图8中节点B7的波形未绘出致能的部分，经过异或门310的运 算，节点C7的波形将会与节点A7的相位产生极小的相位差，亦可视为几乎 同相位。也就是说，节点C7所产生的致能信号，其宽度将会与节点A7的脉 冲信号相同，因此可通过输入节点A7的脉冲信号的脉沖宽度来限制住节点 C7所产生的致能信号的宽度，因此只要适当限制住该脉沖信号的脉冲宽度， 便可在该脉冲宽度小于该延迟时间的状况下，使得发光二极管304的致能时 间不至于过长而导致发光二极管304过热烧毁，并达成本发明保护发光二极 管304的目的。
请参阅图9,并请同时再次参阅图7。图9为图7中，当脉冲宽度大于延 迟电路312产生的延迟时间时，各节点的波形示意图。当图7所示的节点A7 输入脉沖信号后，由于延迟电路312的延迟时间小于该脉沖信号的脉冲宽度， 因此在脉冲致能时间未结束，且延迟时间已结束之时，节点B7将产生致能波 形。以节点B7在延迟时间未结束时的波形来观察，节点C7在延迟时间未结 束的波形与图8所示的节点C7的波形极为相似。而以节点B7在延迟时间结 束以后，且脉冲致能时间未结束前的波形来观察，经由异或门310的运算， 节点C7所产生的致能信号将在延迟时间结束之后失能。也就是说，发光二极 管304的致能时间将受到延迟电路312产生的延迟时间的限制，因此只要适 当的限制住延迟电路所产生的延迟时间，便可在脉冲宽度大于延迟电路312 产生的延迟时间的条件下，有效地控制发光二极管304的致能时间，以使得 发光二极管304的工作时间不至于过长而过热烧毁，并达成本发明保护发光 二极管的目的。
"i青参阅图lO与图ll。图10为图7所述的延迟电if各312的一简易实施例 的示意图，亦即延迟电路330的示意图。图11为图10的延迟电路330中各 节点的波形示意图。如图IO所示，延迟电路330可由简单的RC电路所构成， 意即通过电阻和电容来完成。延迟电3各330包含电阻332,电容334,以及高 电平史密特触发器336。电阻332的第一端是耦接于电容334的第一端，第 二端是耦接于脉冲信号输入源。电容334的第一端是耦接于高电平史密特触 发器336的输入端，第二端是接地。在图10中，节点A10是等效于图7中所 述的节点A7,因此节点A10的波形即为输入延迟电路330的脉沖信号的波形， 节点E10的波形即为电容334所储存的电压，而节点D10是等效于图7中所 述的节点B7。当输入脉沖信号至节点A10后，电容334开始储存电荷，使得 节点E10的电压逐渐上升至高电平史密特触发器336的临界点。在图11中， 以延迟时间td来表示节点E10的电压未超过高电平史密特触发器3 36的临界 点的时间宽度。当节点E10的电压超过该临界点后，高电平史密特触发器336 将由原来的低电平输出转换为高电平输出，使得节点D10的电压转变为高电 位。如图ll所示，在节点E10的电压超过高电平史密特触发器336的临界点 之后没多久，输入节点A10的脉冲信号亦回到低电平，同时电容334所储存 的电荷经由电阻332放电，并使得节点E10的电压开始下降，当节点E10的 电压下降至高电平史密特触发器336的临界点以下后，高电平史密特触发器 336转为低电平输出，节点D10的电压亦转变为低电位，。由以上的说明可知， 输出信号D10确为输入信号A10经过td时间延迟的结果。除此以外，延迟 电路330的延迟时间td可通过调整电阻332的电阻值与电容334的电容值来 调整，延迟时间td可表示为
td = E * Rd * Cd (1)
其中E为参数，与延迟电路330所在的集成电路本身的特性有关，Rd为 电阻332的电阻值，Cd为电容334的电容值。通过调整延迟时间td的长度， 可使延迟电路330视需要应用于脉冲时间较短的闪光灯或是脉冲时间较长的 手电筒。依据图1、 2、 3中所述的发光二极管的特性，将延迟时间td的大小 调整至小于发光二极管在该操作电流及温度下可容忍的操作时间，可有效保 护发光二极管。
请参阅图12,结合异或门310后，即成为简易型限时保护控制电路。节 点F12的输出即等效于图7中的节点C7，其信号波形是图标于图8及图9。
节点F12的信号即为控制发光二极管的致能信号。由此可知，通过调整延迟 时间td的长度，可以调整发光二极管的最长发光时间。
然而，图10所示的延迟电路330亦存在有其缺点。请参阅图12与图13。 图12为应用图10所示的延迟电路330于图6所述的限时装置302的示意图。 图13为将周期性连续脉冲信号应用于图12所示的限时装置302时，限时装 置302的各节点的波形示意图。如图12所示，虚线部分内的元件即为图10 所示的延迟电路330，高电平史密特触发器336的输出端是耦接于图7所述 的异或门310的第一输入端，且电阻332的第二端是耦接于异或门310的第 二输入端。异或门310的输出端是如图7中所述，耦接于图6所示的电流驱 动装置303的输出端，且该输出端是耦接于欲保护的发光二极管304,以用 来提供发光二极管304 —致能信号，并控制发光二极管304的工作状态。请 同时参照图10与图11的描述，在图13中，周期性连续脉冲信号输入至图 12所示的节点A12，因此在单一脉冲信号结束后很短的瞬间，又会有另一脉 沖信号输入至节点A12，使得节点E12储存的电荷在未被全部放电的情况下， 持续地增加而提升了节点E12的电压。在节点E12的电压超过高电平史密特 触发器336之后，由于节点E12的电压被电容334储存的电荷持续地提升， 因此在该周期性连续脉冲信号持续输入至节点A12的情况下，节点E12的电 压不会再下降至高电平史密特触发器336的临界点以下。最后，高电平史密 特触发器336输出将如图13所示，持续做高电平输出，使得节点D12的电压 持续处于高电位。在异或门310的运算之下，节点F12所输出的周期性致能 信号的波形将改变，接着将与原期望的波型相位颠倒，如此使用于连续闪光 的应用上将有很大问题。
考虑到图12与图13所述的状况，本发明另提出限时装置302的另外二 个实施例以改进图12所示的延迟电路330的缺点。请参阅图14与图12。图 14为将图12所示的限时装置302加以改良后的第一实施例的示意图，亦即 限时装置340的示意图。如图14所示，限时装置340包含了限时装置330的 所有元件，并另包含放电电路342,其中限时装置340为在限时装置330中， 将放电电路342与电阻332并联于图12所示的节点A12与节点E12之间而产 生。放电电路342包含晶体管344与与非门(NAND gate) 346。晶体管344的 基底耦接于其源极，其源极接地，其漏极耦接至电阻332的第一端，亦即图 14所示的节点E14。与非门346的输出端耦接至晶体管344的基极，第一输
入端与第二输入端4妻耦^妄至电阻332的第二端，亦即图14所示的节点A14。
请参阅图15，其为在周期性连续脉冲信号的脉冲宽度tp小于延迟时间 td的状况下，图14所示的限时装置340各节点的波形示意图。如图15所示， 在该周期性连续脉冲信号的单一周期中，当处于该周期性连续脉冲信号的致 能时间tp内时，节点B14的电压经由与非门346的运算而为低电位，因此开 启了晶体管344。在该周期性连续脉冲信号对电容334充电的同时，使得节 点E14的电压逐渐上升，但由于晶体管344已开启，因此电容344所储存的 电荷会经由晶体管344流失，而不会积聚于电容334中，再加上该周期性连 续脉冲信号对电容334储存电荷的时间不够长(因为致能时间tp不够长)，因 此使得节点E14的电压不会超过高电平史密特触发器336的临界点，高电平 史密特触发器336会一直保持在低输出电平的状态，亦即节点D14的电压会 一直处于低电位。异或门310输出信号的周期与脉沖宽度将与原期望输入致 能信号A14相同，使发光二极管304达到连续闪光的目的。
请参阅图16,其为在周期性连续脉冲信号的脉冲长度大于延迟长度的状 况下，图14所示的限时装置340各节点的波形示意图。如图16所示，在该 周期性连续脉冲信号的单一周期中，由于该周期性连续脉沖信号的致能时间 tp远大于延迟时间td,该周期内放电电路并不会操作，节点E14的电压持续 的上升。当充电超过延迟时间td时，节点E14的电压超过了高电平史密特触 发器346的临界点，因此高电平史密特触发器346此时由低输出电平转变为 高输出电平，且节点D14的电压亦由低电位转变为高电位。输出致能信号F14 将转为低电位。换言之，只要可以适当地控制延迟时间td，便可以限制住发 光二极管304的工作时间，使得发光二极管304不会因为工作时间过长而过 热烧毁，也不会发生如图13所述的现象，控制延迟时间td的主要方法已于 介绍限时装置330时说明，故此处不加以赘述。
在图16中，假如该周期性连续脉冲信号因为控制上的错误而一直处于致 能状态(亦即持续处于工作周期100%的状态)，则发光二极管304的工作时间 也会被延迟时间td所限制住，而不会发生过热烧毁的现象。
请参阅图17，其为将图12所示的限时装置302加以改良后的第二实施 例的示意图，亦即为限时装置350的示意图。与限时装置340相似，限时装 置350除了包含限时装置330的所有元件外，另包含放电电路352。限时装 置350为在限时装置330中，将放电电路352与电阻332并联于图12所示的
节点A12与节点E12之间而产生。放电电路352包含晶体管3M、比较器"6、 参考电压源358、第一参考电阻360、以及第二参考电阻362。晶体管354的 基底耦接于其源极，源极接地，且漏极耦接至电阻332的第一端。比较器356 的输出端耦接至晶体管352的基极。参考电压源358的正极接至比较器356 的第一输入端，负极接地。第一参考电阻360的第一端耦接至比较器356的 第二输入端，第二端接地。第二参考电阻362的第一端耦接至比较器356的 第二输入端，第二端耦接至电阻332的第二端。第一参考电阻360与第二参 考电阻362形成可变电阻。
限时装置350的运作原理大致上与限时装置340相似。然而，限时装置 350另通过比较器356来提高晶体管354的放电反应速度，调整第一参考电 阻360与第二参考电阻362的值可以调整检测输入脉冲电位，调整放电反应 ,、。
本发明是提供一种限时装置，用来在输入信号的脉冲宽度大于或小于限 时装置的延迟时间的不同状况下，保护耦接于电流驱动装置的输出端的发光 二极管，使其工作时间不至于过长，亦不会导致该发光二极管过热而烧毁， 且此处所述的输入信号亦可应用于致能时间较为频繁的周期性连续脉冲信 号，或是由于软件或硬件的失控而持续致能的输入信号。在输入信号的脉沖 宽度小于限时装置的延迟时间的状况下，本发明提供的限时装置将该发光二 极管的工作时间以输入该限时装置的脉冲信号的致能时间为准，维持原有致 能信号宽度；而在输入信号的脉冲宽度大于限时装置的延迟时间的状况下，
本发明提供的限时装置将该发光二极管的工作时间以该限时装置本身的延迟 时间来加以限制；因此不管在哪一种情况下，均可有效控制住该发光二极管 的工作时间，使其不会因工作时间过长而过热烧毁。除此之外，本发明所提 供的限时装置亦可通过耦接放电电路，在连续脉冲输入时对RC线路中的电容 做适当的放电，以维持该连续脉冲的正确周期及宽度输出，防止误操作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均 等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种以限制输入脉冲信号的宽度来保护元件的限时保护控制电路，包含异或门，其具有第一输入端及第二输入端；延迟电路，其第一端耦接于该异或门的第一输入端，第二端耦接于该异或门的第二输入端；及放电电路，其第一端耦接于该延迟电路的输入端，第二端耦接于该异或门的第二输入端。
2. 根据权利要求1所述的限时保护控制电路，其中该延迟电路包含 高电平史密特触发器，其具有输入端及输出端，输出端耦接于异或门的第一输入端；第一电阻，其第一端耦接于史密特触发器的输入端，第二端耦接于该异 或门的第二输入端；及电容，其第一端耦接于该第一电阻的第一端，第二端耦接于地。
3. 根据权利要求1所述的限时保护控制电路，其中该放电电路包含 与非门，其第一输入端与第二输入端皆耦接于该异或门的第二输入端；及晶体管，其漏极耦接于该高电平史密特触发器的输入端，源极接地，基 底耦接于该晶体管的源极，且栅极耦接于该与非门的输出端。
4. 根据权利要求3所述的限时保护控制电路，其中该晶体管为N型金属 氧化物半导体晶体管。
5. 根据权利要求1所述的限时保护控制电路，其中该放电电路包含 比较器；参考电压源，耦接于该比较器的正输入端； 第二电阻，其第一端接地，第二端耦接于该比较器的负输入端； 第三电阻，其第一端耦接于该比较器的负输入端，第二端耦接于该异或 门的第二输入端；及晶体管，其漏极耦接于该延迟电路的输入端，源极接地，基底耦接于该 晶体管的源极，且其栅极是耦接于该比较器的输出端；其中该第二电阻与该第三电阻形成可变电阻，以调整输入电压的临界值， 进而调整放电反应速度。6.根据权利要求5所述的限时保护控制电路，其中该晶体管为N型金属 氧化物半导体晶体管。
全文摘要
限时装置用来在输入脉冲的脉冲长度大于或小于限时装置的延迟时间的不同状况下，保护耦接于电流驱动装置的输出端的发光二极管，使其在大电流操作的工作时间不至于过长，亦预防该发光二极管过热而烧毁。该输入脉冲可为周期性连续脉冲信号，或是由于软件或硬件的失控而持续致能的输入信号。该限时装置应耦接放电电路，在连续脉冲输入时对RC线路中的电容做适当的放电，以维持该连续脉冲的正确周期及宽度输出，防止误操作。
文档编号H02H9/00GK101102629SQ200610101168
公开日2008年1月9日 申请日期2006年7月5日 优先权日2006年7月5日
发明者夏文南 申请人:纬创资通股份有限公司