具自激驱动功能的供电系统的制作方法

1.本发明有关一种具自激驱动功能的供电系统，特别涉及一种根据负载抽载与否，使能与禁能自激升压操作的具自激驱动功能的供电系统。


背景技术：

2.供电系统的电源供应装置提供负载所需电力，若负载与电源供应装置的距离较远时，电源供应装置与负载之间通常会加装断路装置，以避免当负载发生异常状况或者负载尚未备妥要接收电力时，电源供应装置持续输出电力，而造成人员安全的危害与设备保护的损坏。
3.而现有的断路装置常见的运行方式为：1、负载与断路装置皆需包括额外的通信单元，且以信号线耦接进行通信，方能通过负载控制断路装置实现导通或关断电源供应装置与负载之间的连接关系；2、断路装置为手动开关，操作员需人为确认负载状况后，以手动的方式控制断路装置。因此，无论施行上述何种方式，皆需要大幅度地增加供电系统的电路成本、人力成本。
4.为此，如何设计出一种根据负载抽载与否，使能与禁能自激升压操作的具自激驱动功能的供电系统，乃为本公开发明人所研究的重要课题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种具自激驱动功能的供电系统，解决现有技术的问题。
6.为实现前揭目的，本发明所提出的具自激驱动功能的供电系统，是通过正电源线与负电源线耦接受电装置。供电系统包含电源供应装置、逻辑关断电路、自立升压电路、保护电路以及电流检测单元。电源供应装置输出直流电源于正电源线与负电源线之间。逻辑关断电路耦接正电源线与负电源线之间。自立升压电路耦接正电源线与负电源线之间，将正电源线与负电源线之间的电压转换为辅助电压，且自立升压电路的接收端耦接逻辑关断电路的输出端。保护电路耦接正电源线与负电源线之间，且保护电路耦接自立升压电路以接收辅助电压。电流检测单元耦接正电源线或负电源线，且根据正电源线或负电源线的电流而输出电流检测信号。保护电路根据电流检测信号使正电源线与负电源线之间短路或开路，且逻辑关断电路根据正电源线与负电源线之间的电压而禁能或使能自立升压电路。
7.在一实施例中，电流检测信号为第一电平时，保护电路使正电源线与负电源线之间短路；电流检测信号为第二电平时，保护电路使正电源线与负电源线之间开路。
8.在一实施例中，保护电路包含耦接正电源线与负电源线之间的开关；其中，开关导通，正电源线与负电源线之间短路，开关关断，正电源线与负电源线之间开路。
9.在一实施例中，保护电路包含耦接正电源线与负电源线之间的第一开关与耦接正电源线或负电源线上的第二开关；其中，第一开关与第二开关为互补控制。
10.在一实施例中，自立升压电路包含晶体管开关、耦合线圈以及电容。耦合线圈包含两个磁耦合的线圈，其中，两个磁耦合的线圈的一端共同耦接，两个磁耦合的线圈的另一端
分别耦接晶体管开关的基极与集极。电容耦接晶体管开关的集极，以提供辅助电压。
11.在一实施例中，自立升压电路还包含开关元件。开关元件的控制端作为自立升压电路的接收端；逻辑关断电路通过关断开关元件以禁能自立升压电路。
12.在一实施例中，开关元件耦接于正电源线与耦合线圈之间。
13.在一实施例中，开关元件耦接于负电源线与耦合线圈之间。
14.在一实施例中，逻辑关断电路根据正电源线与负电源线之间的电压大于阈值时，禁能自立升压电路。
15.在一实施例中，自立升压电路还包含二极管。二极管耦接正电源线与电容之间。
16.在一实施例中，保护电路还包含二极管。二极管串联耦接开关。
17.在一实施例中，电源供应装置为太阳能板。
18.在一实施例中，电流检测单元为霍尔感测器，且接收辅助电压。
19.通过所提出的具自激驱动功能的供电系统，在受电装置未抽载时，通过保护电路的短路，可限制电源供应装置输出的电压，以确保设备以及操作人员的安全，并且通过自立升压电路将小电压升压以足够供应保护电路与电流检测单元所需的电力，使其能够正常运行。
20.为了能更进一步了解本发明为实现预定目的所采取的技术、手段及技术效果，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
附图说明
21.图1：为本发明具自激驱动功能的供电系统的方框图。
22.图2：为本发明具自激驱动功能的供电系统的第一实施例的电路方框图。
23.图3：为本发明具自激驱动功能的供电系统的第二实施例的电路方框图。
24.图4：为本发明具自激驱动功能的供电系统的第三实施例的电路方框图。
25.图5a～图5c：分别为本发明保护电路与电流检测单元配合使用的不同实施例的电路图。
26.图6a～图6c：分别为本发明具自激驱动功能的供电系统的不同架构的方框图。
27.附图标记说明：
28.100：电源供应装置
29.200：受电装置
30.10：逻辑关断电路
31.20：自立升压电路
32.30：保护电路
33.40：电流检测单元
34.lp+：正电源线
35.lp-：负电源线
36.ps：供电路径
37.l11：耦合线圈
38.rly：继电器
39.q1,q12,q13,q14,q15：开关
40.q21,q22：开关
41.q31,q32,q33：开关
42.s1,s2：开关
43.r12,r13,r14,r15：电阻
44.r21,r22,r23：电阻
45.r31,r32,r34,r35：电阻
46.r1,r2：电阻
47.rs：检测电阻
48.c12,c13：电容
49.d11,d12,d13：二极管
50.d1：二极管
51.d14：齐纳二极管
52.va：辅助电压
53.vb,vd,v2,v3：电压
54.vref：参考电压
55.is：电流检测信号
56.ia：电流
具体实施方式
57.兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下。
58.请参见图1所示，其为本发明具自激驱动功能的供电系统的方框图。具自激驱动功能的供电系统(以下简称供电系统)包含电源供应装置100、逻辑关断电路10、自立升压电路20、保护电路30、电流检测单元40，用以对受电装置200供电。在本发明的实施例中，电源供应装置100是提供直流电源输出的装置。
59.如图1所示，受电装置200通过正电源线lp+与负电源线lp-耦接电源供应装置100。逻辑关断电路10耦接正电源线lp+与负电源线lp-之间。自立升压电路20耦接正电源线lp+与负电源线lp-之间，且自立升压电路20的一接收端耦接逻辑关断电路10的输出端。保护电路30耦接正电源线lp+与负电源线lp-之间，且保护电路30耦接自立升压电路20的输出端。电流检测单元40耦接正电源线lp+或负电源线lp-，用以检测正电源线lp+或负电源线lp-上的电流大小。如图1所示的实施例为电流检测单元40耦接于正电源线lp+上。
60.电源供应装置100为直流输出的电源装置，以太阳能板为电源供应装置100以及太阳能逆变器为受电装置200为例加以说明。当与太阳能板建构使用的太阳能逆变器若处于未备妥状态，或者需要紧急断电(例如进行维修、发生火灾、或其他异常状况)时，为了防止从太阳能板持续输出的直流电力造成人员伤亡的发生，因此，可通过保护电路30将正电源线lp+与负电源线lp-之间短路，使得提供至太阳能逆变器的电压降至极小的电压值，例如1伏特左右的大小。借此，确保设备损失及人员伤亡发生的几率、程度降至最低。电源供应装置100也可以例如是具有高压直流输出的电源供应器(例如供电给距离较远的小型基地台)，受电装置200可为小型基地台等通信设施，当受电装置200完全无载时(例如维修或其
它异常状况)，也可通过保护电路30确保受电装置200端的电压达到安全电压。
61.以下，针对本发明供电系统的运行进行说明。请参见图2所示，其为本发明具自激驱动功能的供电系统的第一实施例的电路方框图。假设在电源供应装置100尚未输出电压，且受电装置200也未备妥，此时流经供电路径ps上的电流ia为零，整个供电系统的元件都没有电力，电流检测单元40也不会检测到电流。
62.当电源供应装置100开始输出电压，为了方便说明，以10伏特的直流电压为例，当受电装置200未备妥时，由于受电装置200没有抽载的操作，因此，流经供电路径ps上的电流ia仍为零。此时，电源供应装置100的输出电压提供供电系统的元件所需的电力。电流检测单元40根据供电路径ps上的电流ia而输出第一电平的电流检测信号is(例如低电平信号)，保护电路30的开关s1根据电流检测信号is而导通，因此，正电源线lp+与负电源线lp-之间形同短路，仅为二极管d11与开关s1提供的跨压，为1伏特左右的电压大小，视电压需求可增加或减少二极管数量。
63.由于此1伏特的小电压可能无法维持对保护电路30(的运算放大器或其他元件)与电流检测单元40(例如霍尔感测器或其他元件)提供足够的电压，所述元件通常需要更高的供电电压。若要解决此问题，需要选择规格较特殊的元件，导致元件选择的困难与成本的增加。因此本发明通过自立升压电路20将此小电压升压为5～10伏特的电压大小，即将自立升压电路20的电容c12的辅助电压va建立起来，才能够维持对保护电路30与电流检测单元40供应较高的电压，使其正常运行。
64.在本实施例中，自立升压电路20通过常闭型(normally closed)的继电器rly与正电源线lp+连接，1伏特的小电压可提供至自立升压电路20进行自激式升压，且继电器rly的控制端作为自立升压电路20的一接收端，耦接逻辑关断电路的输出端。自立升压电路20包含开关q12(为晶体管开关)和耦合线圈l11，耦合线圈l11包含两个磁耦合的线圈，两个磁耦合的线圈一端共同耦接正电源线lp+，另一端分别耦接开关q12的基极与集极，此小电压经由耦合线圈l11，产生流向开关q12基极的电流ib，以及流向集极的电流ic，其中ic＝βib。当基极电流ib开始增加时，集极电流ic也随之增加，因此，耦合线圈l11开始储能。一旦当集极电流ic越来越大，造成β值下降，使得ic《βib时，开关q12进入饱和区，而随后进入截止区，使得开关q12截止关断。此时，存储在耦合线圈l11上的能量，经二极管d12、电容c12的路径对电容c12充电，使得辅助电压va增加，其作用类似升压转换器(boost converter)。换言之，自立升压电路20将正电源线lp+与负电源线lp-之间的电压转换为辅助电压va，提供保护电路30与电流检测单元40电源需求。
65.当耦合线圈l11上的能量释放完毕后，再次有基极电流ib流动，因此集极电流ic也再随之增加。如此，重复耦合线圈l11的储能与释能，使得通过自激振荡的开关动作，达到激磁电流的储能与释能。如此，辅助电压va逐渐增加，使得1伏特的小电压可被升压至5～10伏特的电压大小，而能够维持对保护电路30与电流检测单元40的供电，使其正常运行。上述情况为受电装置200没有(尚未)抽载，且正电源线lp+与负电源线lp-之间存在形同短路的小电压。
66.当受电装置200开始抽载时，意指受电装置200已开始操作，因为正电源线lp+与负电源线lp-之间存在小电压，此时，流经供电路径ps上的电流ia不再为零，电流检测单元40根据供电路径ps上的电流ia而输出第二电平的电流检测信号is(例如高电平信号)，保护电
路30的开关s1根据电流检测信号is而关断，因此，正电源线lp+与负电源线lp-之间形同开路。由于正电源线lp+与负电源线lp-之间不再被短路，因此保护电路30与电流检测单元40所需的电力不再需要通过自立升压电路20提供，因此，通过逻辑关断电路10禁能(disable)自立升压电路20，转而通过电源供应装置100提供保护电路30与电流检测单元40所需的电力，例如此时电源供应装置100输出的10伏特。
67.具体地，电源供应装置100输出的10伏特电压经由电阻r12,r13分压，分压后的电压使得开关q13导通，10伏特电压经由电阻r14,r15分压，分压后的电压使得开关q14导通。因此，在齐纳二极管d14提供固定的电压，此电压使得开关q15导通，而在电容c13建立电压。此电容电压耦接到继电器rly的线圈，当线圈感应到电压后，继电器rly则切断(断开)，因此，关断正电源线lp+与自立升压电路20之间的路径，使得耦合线圈l11无储能与释能的路径而禁能(停止)自立升压电路20的升压动作。换言之，自立升压电路20通过一接收端(继电器rly)耦接逻辑关断电路10的输出端，逻辑关断电路10可通过输出端禁能自立升压电路20。
68.此时，电源供应装置100输出的10伏特电压也经由二极管d13对电容c12充电，换言之，二极管d13提供当自立升压电路20禁能后对电容c12充电的路径，使电容c12能够提供足够的辅助电压va，使得能够在自立升压电路20被禁能后，可以持续地供应保护电路30与电流检测单元40所需的电力。
69.请参见图3所示，其为本发明具自激驱动功能的供电系统的第二实施例的电路方框图。第二实施例与图2所示的第一实施例最主要的差异在于逻辑关断电路10的不同，自立升压电路20通过开关q22与负电源线lp-连接，且开关q22的控制端作为自立升压电路20的一接收端，耦接逻辑关断电路10。详述如下。承前所述，当受电装置200没有抽载时，保护电路30的开关s1受控为导通，使得正电源线lp+与负电源线lp-之间形同短路。因此，1伏特的小电压经由电阻r23控制开关q22导通(然而经电阻r21,r22分压后的电压不足以使得开关q21导通)，使得自立升压电路20被使能(enable)而自激启动，其升压操作的原理如前所述，在此不再赘述。因此，将1伏特的小电压升压为5～10伏特的电压大小，以维持对保护电路30与电流检测单元40的供电，使其正常运行。
70.当受电装置200开始抽载时，流经供电路径ps上的电流ia不再为零，保护电路30的开关s1关断，因此，正电源线lp+与负电源线lp-之间形同开路。保护电路30与电流检测单元40所需的电力不再需要通过自立升压电路20提供，因此，通过逻辑关断电路10禁能自立升压电路20，转而通过电源供应装置100提供保护电路30与电流检测单元40所需的电力。
71.具体地，电源供应装置100输出的10伏特电压经由电阻r21,r22分压，分压后的电压使得开关q21导通，因为开关q21连接开关q22(以mos为例)的栅极与源极，因此，零伏特的电压使开关q22关断。借此，由于开关q22关断，因此，关断自立升压电路20与负电源线lp-之间的路径，使得耦合线圈l11无储能与释能的路径而禁能(停止)自立升压电路20的升压动作。
72.此时，电源供应装置100输出的10伏特电压也经由二极管d13对电容c12充电，换言之，二极管d13提供当自立升压电路20禁能后对电容c12充电的路径，使电容c12能够提供足够的辅助电压va，使得能够在自立升压电路20被禁能后，可以持续地供应保护电路30与电流检测单元40所需的电力。
73.请参见图4所示，其为本发明具自激驱动功能的供电系统的第三实施例的电路方框图。第三实施例与图2所示的第一实施例最主要的差异在于逻辑关断电路10的不同，详述如下。承前所述，当受电装置200没有抽载时，保护电路30的开关s1受控为导通，使得正电源线lp+与负电源线lp-之间形同短路。因此，1伏特的小电压经由电阻r35,r36提供电压vb，以控制开关q33导通，使得自立升压电路20被使能(enable)而自激启动，其升压操作的原理如前所述，在此不再赘述。因此，将1伏特的小电压升压为5～10伏特的电压大小，以维持对保护电路30与电流检测单元40的供电，使其正常运行。
74.当受电装置200开始抽载时，流经供电路径ps上的电流ia不再为零，保护电路30的开关s1关断，因此，正电源线lp+与负电源线lp-之间形同开路。保护电路30与电流检测单元40所需的电力不再需要通过自立升压电路20提供，因此，通过逻辑关断电路10禁能自立升压电路20，转而通过电源供应装置100提供保护电路30与电流检测单元40所需的电力。
75.具体地，电源供应装置100输出的10伏特电压经由电阻r31,r32分压，分压后的电压使得开关q31(以n-mos为例)导通，同时，10伏特电压经由电阻r33,r34分压，分压后的电压使得开关q32(以p-mos为例)导通。此时，电压vb的大小即为正电源线lp+的10伏特电压，此电压控制开关q33(以p-mos为例)断关，因此，关断自立升压电路20与正电源线lp+之间的路径，使得耦合线圈l11无储能与释能的路径而禁能(停止)自立升压电路20的升压动作。
76.此时，电源供应装置100输出的10伏特电压也经由二极管d13对电容c12充电，换言之，二极管d13提供当自立升压电路20禁能后对电容c12充电的路径，使电容c12能够提供足够的辅助电压va，使得能够在自立升压电路20被禁能后，可以持续地供应保护电路30与电流检测单元40所需的电力。
77.根据图2～图4的说明，逻辑关断电路10是根据正电源线lp+与负电源线lp-之间的电压决定禁能或使能自立升压电路20，因此，可通过调整逻辑关断电路10内的参数(例如电阻值)来决定禁能自立升压电路20的条件。例如，设定当正电源线lp+与负电源线lp-之间的电压大于一阈值时，禁能自立升压电路20，如此可确保供电系统的元件皆能获得足够的电压来源。
78.请参见图5a～图5c所示，其为本发明保护电路与电流检测单元配合使用的不同实施例的电路图。有别于图2～图4的保护电路30(单一个开关s1的控制)配合使用的实施例，图5a所示的实施例是使用两个开关s1,s2作为保护电路30，电流检测单元40使用检测电阻rs搭配差分放大器。其中，两个开关s1,s2为互补控制，即一者导通，另一者关断。当受电装置200没有抽载(电流ia为零)时，检测电阻rs两端的电压差vab为零，因此，电流检测信号is的电压v2为低电位。因为参考电压vref大于电压v2，所以电压v3为高电位，使得开关s1导通，而开关s2关断。反之，当受电装置200开始抽载(电流ia不为零)时，检测电阻rs两端的电压差vab不为零，因此，电流检测信号is的电压v2为高电位。因为参考电压vref小于电压v2，所以电压v3为低电位，使得开关s1关断，而开关s2导通。
79.相较于图5a所使用检测电阻rs作为检测流经其上的电流ia大小，图5b是直接通过使用比流器或霍尔感测器作为电流检测单元40，并且省略电压差分电路架构，使用比流器好处是可以不需要电源，利用电流流过而感应出电流或电压，借此输出电流检测信号is。当受电装置200没有抽载(电流ia为零)时，电流检测单元40输出低电位的电压v2。因为参考电压vref大于电压v2，所以电压v3为高电位，使得开关s1导通，而开关s2关断。反之，当受电装
置200开始抽载(电流ia不为零)时，电流检测单元40输出高电位的电压v2。因为参考电压vref小于电压v2，所以电压v3为低电位，使得开关s1关断，而开关s2导通。
80.图5c所示的实施例是使用两个开关q1,s1作为保护电路30的控制。当受电装置200没有抽载(电流ia为零)时，电源供应装置100输出的10伏特电压使开关s1导通，正电源线lp+与负电源线lp-之间存在形同短路的小电压，此小电压是对电流检测单元40供电，若电流检测单元40需要较大的电压，可以通过自立升压电路20供电。当受电装置200开始抽载时，电流检测单元40输出的电流检测信号is对开关q1进行控制，使其导通，因此，耦接开关s1的栅极的电压vd为零伏特，而使得开关s1关断，因此，正电源线lp+与负电源线lp-之间形同开路。在本实例中，设计电阻r1的阻值较大，因此，电流ia会流向受电装置200。再者，二极管d1可使用齐纳二极管、暂态电压抑制器(tvs)或者稳压ic以控制开关s1的驱动电压。
81.请参见图6a～图6c所示，其是分别为本发明具自激驱动功能的供电系统的不同架构的方框图。图6a所示，为多组的电源供应装置100与对应逻辑关断电路10、自立升压电路20、保护电路30以及电流检测单元40串联连接所组成单一串(single string)再连接受电装置200的供电架构。图6b所示，为图6a中多串(multiple string)共同连接受电装置200的供电架构。图6c所示，为多个(图示为两个)电源供应装置100可对应连接一组逻辑关断电路10、自立升压电路20、保护电路30以及电流检测单元40，然后串联连接所组成单一串(single string)再连接受电装置200的供电架构。
82.综上所述，本发明是具有以下的特征与优点：
83.1、本发明的保护电路30无须使用通信单元、通信线，不需要通信协定，可有效地节省电路成本以及简化控制电路的设计。
84.2、在受电装置200未抽载时，通过保护电路30的短路，可限制电源供应装置100输出电压，以确保设备以及操作人员的安全。
85.3、在受电装置200未抽载时，通过自立升压电路20将小电压升压以确保供应保护电路30与电流检测单元40所需的电力，使其能够正常运行。
86.4、在受电装置200抽载时，通过逻辑关断电路10禁能自立升压电路20，使得电源供应装置100可直接地对保护电路30与电流检测单元40提供所需的电力。
87.以上所述，仅为本发明优选具体实施例的详细说明与附图，而本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以权利要求为准，凡合于本发明权利要求的构思与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范围中，任何本领域技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在本公开的权利要求。