安全关断装置、其自驱控制方法及电源供应系统与流程

1.本发明是有关一种具有自驱控制的安全关断装置、其自驱控制方法及电源供应系统。


背景技术：

2.如图1所示，传统的电源供应装置提供负载电力时，有些状况为了安全考量，电源供应装置2与负载3之间会加装关断装置4，避免负载3有问题而传输线上仍持续有电。但是传统的关断装置4在运行时，需要以下述方式：1.负载3与关断装置4皆需包括额外的通信单元5，且以信号线l耦接进行通信，方能通过负载3控制关断装置4导通或关断电源供应装置2与负载3之间的连接关系。2.关断装置4为手动开关，操作员需人为确认负载3状况后，以手动的方式控制关断装置4。
3.无论施行上述何种方式，皆需要大幅度地增加供电系统的成本(包括人力成本或电路成本)。所以，如何设计出一种具有自驱控制的安全关断装置、电源供应系统及其自驱控制方法，以自立驱动地操作在安全模式或正常模式，乃为本公开发明人所欲行克服并加以解决的一大课题。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供一种具有自驱控制的安全关断装置，以克服现有技术的问题。因此，本发明安全关断装置耦接电源供应装置与负载之间的供电路径，且安全关断装置包括：检测单元、可控开关及驱动电路。检测单元耦接供电路径，且根据流过该供电路径的电流而产生电流确认信号。可控开关耦接供电路径的正端点与负端点之间。驱动电路耦接检测单元、供电路径与可控开关，接收电源供应装置的输出电压而导通可控开关，以及根据电流确认信号而关断可控开关。
5.为了解决上述问题，本发明提供一种电源供应系统，以克服现有技术的问题。因此，本发明电源供应系统包括多个电源供应器，且每个电源供应器通过一个安全关断装置耦接负载。
6.为了解决上述问题，本发明提供一种电源供应系统，以克服现有技术的问题。因此，本发明电源供应系统包括多个电源供应器，每个电源供应器包括输出串联的多个电源供应单元，且每个电源供应器通过一个安全关断装置耦接负载。
7.为了解决上述问题，本发明提供一种安全关断装置的自驱控制方法，以克服现有技术的问题。因此，本发明自驱控制方法包括下列步骤：(a)检测由电源供应装置至负载之间的供电路径是否流过电流。(b)当电流流过供电路径时，关断设置于供电路径正端点与负端点之间的可控开关。(c)当未有电流流过供电路径时，导通可控开关。
8.本发明的主要目的及技术效果在于，安全关断装置主要是在电源供应装置有输出电压，但负载没有动作时，自立驱动地形成短路路径而提供安全模式的操作，使电源供应装置的输出电压可以维持在低电压，且在电源供应装置有输出电压，且负载有动作时，自立驱
动地断路短路路径而提供正常模式的操作。
9.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
10.图1为传统供电系统保护装置的电路方框图；
11.图2为本发明具有自驱控制的安全关断装置的电路方框图；
12.图3本发明具有自驱控制的安全关断装置第一实施例的电路方框图；
13.图4a为本发明第一实施例的安全关断装置的第一动作流程图；
14.图4b为本发明第一实施例的安全关断装置的第二动作流程图；
15.图4c为本发明第一实施例的安全关断装置的第三动作流程图；
16.图4d为本发明第一实施例的安全关断装置的第四动作流程图；
17.图5本发明具有自驱控制的安全关断装置第二实施例的电路方框图；
18.图6a为本发明第二实施例的安全关断装置的第一动作流程图；
19.图6b为本发明第二实施例的安全关断装置的第二动作流程图；
20.图6c为本发明第二实施例的安全关断装置的第三动作流程图；
21.图7a为本发明检测单元第一实施例的电路示意图；
22.图7b为本发明检测单元第二实施例的电路示意图；
23.图7c为本发明检测单元第三实施例的电路示意图；
24.图8为本发明安全关断装置的衍伸设计的电路图；
25.请参阅图9a为本发明安全关断装置应用于单串串联的电源供应系统第一实施例的电路方框图；
26.图9b为本发明安全关断装置应用于多串串联的电源供应系统第二实施例的电路方框图；及
27.图9c为本发明安全关断装置应用于单串串联的电源供应系统第三实施例的电路方框图。
28.附图标记说明：
29.1、1
’…
安全关断装置
30.10、10-1、10-2、10-3
…
检测单元
31.in
…
电源输入端
32.out
…
信号输出端
33.r
…
电阻
34.rs
…
检测电阻
35.102
…
比较电路
36.12
…
可控开关
37.14、14
’…
驱动电路
38.142
…
第一开关
39.144
…
稳压电路
40.r1
…
第一电阻
41.zd
…
稳压单元
42.146
…
比较单元
43.a1
…
第一输入端
44.a2
…
第二输入端
45.o
…
输出端
46.148
…
箝位电路
47.cvd
…
分压电路
48.rd1
…
第一分压电阻
49.rd2
…
第二分压电阻
50.q
…
第二开关
51.x
…
第一端
52.y
…
第二端
53.z
…
控制端
54.r2
…
第二电阻
55.16
…
断路开关
56.d
…
二极管
[0057]2…
电源供应装置
[0058]
20
…
电源供应单元
[0059]
22
…
电源供应器
[0060]3…
负载
[0061]4…
关断装置
[0062]5…
通信单元
[0063]
l
…
信号线
[0064]
l1
…
供电路径
[0065]
l2
…
短路路径
[0066]a…
正端点
[0067]b…
节点
[0068]g…
负端点
[0069]
vo
…
输出电压
[0070]
vc、vrs
…
跨压
[0071]
v1
…
第一电压
[0072]
v2
…
第二电压
[0073]
vref
…
参考电压
[0074]
vcl
…
箝位电压
[0075]
vf
…
顺向导通电压
[0076]i…
电流
[0077]
ii
…
感测电流
[0078]
s1
…
电流确认信号
[0079]
s2
…
无负载信号
具体实施方式
[0080]
兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下：
[0081]
请参阅图2为本发明具有自驱控制的安全关断装置的电路方框图。安全关断装置1耦接电源供应装置2与负载3之间的供电路径l1，且根据电源供应装置2的输出及负载3的状况而操作在安全模式或正常模式。其中，电源供应装置2可以为一般电源供应器或太阳能电池等。安全关断装置1包括检测单元10、可控开关12及驱动电路14，且检测单元10耦接供电路径l1。检测单元10可以为霍尔(hall)感测器、比流器、电流分流器(current shunt)等电流检测电路，于后文会有更进一步地描述。可控开关12耦接供电路径l1的正端点a与负端点g之间，提供供电路径l1通过正端点a、可控开关12至负端点g的短路路径l2，此处的正端点是指位于电源供应装置2的正电压传输线上的任意点，同样的，负端点是指位于电源供应装置2的负电压传输线上的任意点。正端点与负端点可位于传输线上的任意位置，但优选的，正端点与负端点愈靠近电源供应装置2愈好。驱动电路14耦接检测单元10、供电路径l1与可控开关12，且根据检测单元10是否检测到流过供电路径l1的电流i而导通或断路短路路径l2。
[0082]
具体而言，安全关断装置1主要是在电源供应装置2有输出电压vo，但负载3没有动作时(可能包括异常或维修等状况)，导通可控开关12而提供安全模式，使电源供应装置2的输出电压vo可以维持在低电压(例如但不限于大约维持在1v)。输出电压vo大致上等于可控开关12导通时，可控开关12两端的跨压vc。驱动电路14耦接供电路径l1，接收电源供应装置2的输出电压vo而导通可控开关12，当检测单元10未检测到电流i流过时，检测单元10未输出信号或输出无负载信号s2，例如可以通过下拉电阻输出低电平的信号以做为无负载信号s2，驱动电路14因此不受影响，可控开关12保持导通。此时，电源供应装置2、正极点a、可控开关12、负极点g构成封闭回路，电源供应装置2的输出电压vo被拉至大致上等于可控开关12两端的跨压vc。
[0083]
虽然在低电压的情况下，但如果负载3有动作时，负载3仍会抽载而产生电流i。当检测单元10检测到电流i流过时，检测单元10根据电流i相应的产生电流确认信号s1(例如可以为高电平的电压信号)，驱动电路14根据电流确认信号s1而关断可控开关12，使短路路径l2断路。此时，电源供应装置2的输出电压vo得以提供至负载3而操作在正常模式。再参阅图2，安全关断装置1还可包括断路开关16。断路开关16耦接供电路径l1，且不限定其耦接位置。断路开关16为可选的一安全装置，且用以导通或完全关断电源供应装置2与负载3的耦接关系。断路开关16的导通或关断可为人为直接或间接操作，例如但不限于断路开关16可为继电器、触动开关、闸刀开关等开关。
[0084]
请参阅图3本发明具有自驱控制的安全关断装置第一实施例的电路方框图，再配合参阅图2。驱动电路14包括第一开关142与稳压电路144，第一开关142耦接检测单元10与稳压电路144，且稳压电路144耦接可控开关12与供电路径l1。第一开关142用以根据电流确认信号s1导通，使稳压电路144根据第一开关142的状态而产生电压的变化(即电压v1与v2)，此电压变化驱使可控开关12导通或关断而实现导通或断路短路路径l2的效果。上述描述为第一实施例的驱动电路14主要构思，其方块内的电路元件可根据此主要构思而建构，
本实施例中的电路仅出示优选的实施方式，其优选的实施方式主要是以电路成本做为考量。
[0085]
如图3所示，第一开关142例如但不限于，可以为接面晶体管(bjt)或场效晶体管(mosfet)等半导体开关元件。稳压电路144可包括第一电阻r1与稳压单元zd，且第一电阻r1的一端耦接稳压单元zd的一端、第一开关142及可控开关12。稳压单元zd例如但不限于，可以为瞬态电压抑制(tvs)二极管、齐纳(zener)二极管等稳压元件。其中，第一电阻r1与稳压单元zd的位置可相互对调。可控开关12例如但不限于可以为接面晶体管(bjt)、场效晶体管(mosfet)、继电器等开关元件，也可以进一步包含其它电子元件(例如电阻、电容、二极管)。
[0086]
以图3为例，在正常模式操作情况下，一旦检测单元10未检测到电流i而输出无负载信号s2至第一开关142时(即负载3已经停止电流需求)，第一开关142关断，此时电源供应装置2的输出电压vo会使得第一电阻r1与稳压单元zd之间的节点产生第二电压v2(在此实施例是指稳压单元zd的逆向崩溃电压)。第二电压v2驱动可控开关12导通而使短路路径l2导通。在可控开关12被导通时，电源供应装置2、正端点a、可控开关12及负端点g构成一封闭回路，使得电源供应装置2的输出电压vo被拉至大致上等于可控开关12两端的跨压vc，此时可控开关12持续保持导通。在此实施例中，可控开关12是使用场效晶体管，因此可控开关12两端的跨压vc即为场效晶体管导通时的漏源极电压vds。因此，一旦负载3停止电流需求时，安全关断装置1从正常模式转为安全模式，电源供应装置2的输出电压vo可以维持在1v的低电压。
[0087]
在检测单元10检测到电流i而提供电流确认信号s1至第一开关142时(即负载3动作时)，电流确认信号s1导通第一开关142，使得第一电阻r1与稳压单元zd之间的节点被接至负端点g而产生第一电压v1，第一电压v1驱使可控开关12被关断而断路短路路径l2。在可控开关12被关断时，电源供应装置2的输出电压vo得以提供至负载3。
[0088]
请参阅图4a～4d为本发明第一实施例的安全关断装置的动作流程图，再配合参阅图3，图4a～4d的可控开关12以增强型场效晶体管为例说明，若是使用空乏型则是原本就导通，其原理类似。在图4a中，假设电源供应装置2的输出电压vo为0v，此时安全关断装置1内的电路元件皆没有动作。在图4b中(其运行中的元件以实线表示，未运行的元件以虚线表示)，假设输出电压vo例如为10v，但负载3未动作时，第一电阻r1和稳压单元zd之间的节点上的电压为第二电压v2而导通可控开关12，使可控开关12操作在线性区。由于可控开关12导通，使得输出电压vo被拉至大致上等于可控开关12两端的跨压vc，其跨压例如但不限于为1v。其中，其跨压vc(1v)可供电至检测单元10，使检测单元10运行。借此，安全关断装置1可以不需要外在信号或外部供电的情况下，自立驱动安全关断装置1内的电路元件，进行安全模式或正常模式的操作控制，且只要负载3不需要电流时，自动保持在安全模式。
[0089]
在图4c中(其运行中的元件以实线表示，未运行的元件以虚线表示)，当负载3有动作时，跨压vc电压虽然不高，但仍可提供负载3一个电压，所以负载3可抽载而产生电流i。此时，检测单元10检测到电流i而产生电流确认信号s1驱动第一开关142导通。在图4d中(其运行中的元件以实线表示，未运行的元件以虚线表示)，由于第一开关142导通，使得第一电阻r1和稳压单元zd之间的节点上的电压为第一电压v1而关断可控开关12，使得可控开关12为开路状态。此时，输出电压vo恢复到10v。值得一提，于本发明的一实施例中，第一电阻r1的阻值设计可以为高阻值，此设计可以使得绝大部分的电流会走向负载3。
[0090]
请参阅图5本发明具有自驱控制的安全关断装置第二实施例的电路方框图，再配合参阅图1～4d。安全关断装置1’的驱动电路14’包括比较单元146，且比较单元146包括第一输入端a1、第二输入端a2及输出端o。第一输入端a1接收参考电压vref，第二输入端a2耦接检测单元10，且输出端o耦接可控开关12。其中，参考电压vref的来源来自于电源供应装置2的输出电压vo(例如但不限于利用分压电路分压而获得)。比较单元146用以比较检测单元10输出的信号与参考电压vref，且根据比较的结果驱使可控开关12导通或关断而实现导通或断路短路路径l2的效果。
[0091]
驱动电路14’还包括箝位电路148，且箝位电路148耦接驱动电路14’、可控开关12及供电路径l1。箝位电路148根据检测单元10是否检测到电流i而导通供电路径l1，或对短路路径l2提供箝位电压vcl。在检测单元10未检测到电流i时，箝位电路148对短路路径l2提供箝位电压vcl，以提供跨压vc加上箝位电压vcl的总电压足以驱动比较单元146(或检测单元10)的效果。其中，箝位电路148同时也可限制短路路径l2的电流而避免流过可控开关12的电流过大。在检测单元10检测到电流i时，箝位电路148导通供电路径l1而不提供箝位电压vcl。相似于图3，本实施例的电路同样仅出示优选的实施方式。
[0092]
如图5所示，箝位电路148包括分压电路cvd、第二开关q及第二电阻r2，且分压电路cvd包括串联的第一分压电阻rd1与第二分压电阻rd2。第一分压电阻rd1耦接供电路径l1的一节点b，节点b位于正端点a与电源供应装置2之间，且第二分压电阻rd2耦接驱动电路14’与可控开关12。第二开关q包括第一端x、第二端y及控制端z，第一端x耦接节点b，第二端y耦接正端点a，且控制端z耦接rd1与第二分压电阻rd2。第二电阻r2的一端耦接第一端x，且第二电阻r2的另一端耦接第二端y。其中，第二开关q的动作恰巧与可控开关12相反，在可控开关12导通时，第二开关q关断，反之则导通。
[0093]
以图5为例，在检测单元10未检测到电流i而提供无负载信号s2至第二输入端a2时(即负载3没有动作时)，比较单元146比较无负载信号s2与参考电压vref而产生第二电压v2。第二电压v2驱动可控开关12，使可控开关12被导通。在检测单元10检测到电流i而提供电流确认信号s1至第二输入端a2时(即负载3动作时)，比较单元146比较电流确认信号s1与参考电压vref而产生第一电压v1，第一电压v1驱使可控开关12被关断。
[0094]
图5以第二开关q为p型场效晶体管为例，在驱动电路14’提供第二电压v2时，第一端x与控制端z之间会产生较小的电压，使得第二开关q被关断。此时，短路路径l2会经过第二电阻r2，使第二电阻r2上产生箝位电压vcl，第二电阻r2也对短路路径l2提供阻抗而限制流过可控开关12的电流。箝位电压vcl加上可控开关12两端的跨压vc提供至比较单元146，使可控开关12短路时，输出电压vo(即箝位电压vcl加上跨压vc)更容易驱动比较单元146。在驱动电路14’提供第一电压v1时，第一端x与控制端z之间会产生较大的电压，使得第二开关q被导通。此时，供电路径l1会经过第二开关q，使第二电阻r2被旁路而不提供箝位电压vcl，以降低供电路径l1的阻抗损耗。值得一提，于本实施例中未提及的元件、耦接关系及动作方式皆相似于图3，在此不再加以赘述。此外，本实施例的箝位电路148同样适用于图3的安全关断装置1，以提供增加自立驱动电压(驱动检测单元10、比较单元146的电压)同时限流之用。
[0095]
请参阅图6a～6c为本发明第二实施例的安全关断装置的动作流程图。在图6a中，假设电源供应装置2的输出电压vo为0v，此时安全关断装置1’内的电路元件皆没有动作。在
图6b中(其运行中的元件以实线表示，未运行的元件以虚线表示)，假设输出电压vo例如为10v，但负载3无动作时，检测单元10输出无负载信号s2(低电平)，参考电压vref大于检测单元10输出的信号而提供第二电压v2。比较单元146可由输出电压vo直接供电，或通过一个简单的稳压电路(例如但不限于线性稳压器或降压模块等)以接收稳定的电压，因此，比较单元146根据接收的输出电压vo而相应的输出第二电压v2，可控开关12导通、第二开关q关断。此时，电源供应装置2经过节点b、第二电阻r2、正端点a、可控开关12至负端点g形成一个回路，使第二开关q关断的情况下，正端点a还能具备电压以供负载3可以抽取电流，第二电阻r2的选择较大，可以确保此时的输出电压vo足以驱动比较单元146。
[0096]
在图6c中(其运行中的元件以实线表示，未运行的元件以虚线表示)，负载3抽载，使检测单元10提供电流确认信号s1，因电流确认信号s1大于参考电压vref而使得比较单元146提供第一电压v1。此时，可控开关12关断，且输出电压vo通过第一分压电阻rd1与第二分压电阻rd2分压，因此驱动第二开关q导通而完成启动。
[0097]
请参阅图7a为本发明检测单元第一实施例的电路示意图、图7b为本发明检测单元第二实施例的电路示意图、图7c为本发明检测单元第三实施例的电路示意图，再配合参阅图2～6c。在图7a中，检测单元10-1为霍尔感测器，且霍尔感测器的电源输入端in需要接收工作电压方能进行电流的检测，且通过信号输出端out提供电流检测的结果(即电流确认信号s1或无负载信号s2)。由于本发明的安全关断装置1为自立驱动，因此电源输入端in接收输出电压vo(耦接可控开关12的两端或节点b与负极点g间)，以在可控开关12导通时，检测单元10-1可通过跨压vc自立驱动(若包括箝位电路148则加上箝位电压vcl)。在可控开关12关断时，输出电压vo顺利供应至负载3，持续对检测单元10-1供电。在霍尔感测器被驱动时，当有电流i流过时，霍尔感测器提供相应于电流i大小的电流确认信号s1至驱动电路14，反之则提供无负载信号s2，可通过下拉电阻使检测单元未输出信号时也能提供低电平的无负载信号s2。
[0098]
在图7b中，检测单元10-2是使用穿线式的比流器或罗氏线圈。检测单元10-2使用穿线式的比流器特点在于，其不需要电压驱动，且在电流i流过时，对应地感测出感测电流ii，再利用感测电流ii流过电阻r产生的电压为电流确认信号s1，提供至驱动电路14，反之则提供无负载信号s2。在图7c中，检测单元10-3包括检测电阻rs与比较电路102，且检测电阻rs耦接供电路径l1。比较电路102包括第一输入端a1、第二输入端a2及输出端o，第一输入端a1与第二输入端a2分别耦接检测电阻rs的两端，且输出端o耦接驱动电路14。当负载3没动作时，检测电阻rs两端的跨压vrs为0v，使得比较电路102经比较后产生低电平的无负载信号s2。当负载3有抽载时，跨压vrs使得比较电路102输出电流确认信号s1。其中，比较电路102同样可通过跨压vc自立驱动(若包括箝位电路148则加上箝位电压vcl)。
[0099]
请参阅图8为本发明安全关断装置的衍伸设计的电路图，再配合参阅图2～7c。安全关断装置1还包括二极管d，且二极管d耦接正端点a至负端点g之间。二极管d在短路路径l2导通时，由正端点a至负端点g的方向顺向导通，且二极管d的两端会产生顺向导通电压vf。二极管d的作用在于，当可控开关12导通时的跨压vc不够驱动选择的检测单元10、比较单元146或比较电路102时，可以增加二极管d来增加正端点a至负端点g的电压。意即，跨压vc加上二极管d的顺向导通电压vf，可使得可控开关12导通时，电源供应装置2的输出电压vo提升，检测单元10、比较单元146或比较电路102等元件的选择更容易。
[0100]
请参阅图9a为本发明安全关断装置应用于单串串联的电源供应系统第一实施例的电路方框图、图9b为本发明安全关断装置应用于多串串联的电源供应系统第二实施例的电路方框图、图9c为本发明安全关断装置应用于单串串联的电源供应系统第三实施例的电路方框图。在图9a中包括了单串由多个电源供应器22输出串联所构成的电源供应装置2，电源供应装置2耦接负载3，以对负载3供电。每个电源供应器22的输出皆耦接一组安全关断装置1，可以确保负载3未动作时，每个电源供应器22都能操作于安全模式。在图9b中包括了多串电源供应装置2，且每个电源供应装置2内部的配置与图9a相同。在图9c中也包括了串联的电源供应装置2，其与图9a差异在于，电源供应装置2包括多组电源供应器22，且每组电源供应器22包括串联的多组电源供应单元20。以图9c为例，电源供应单元20两两一组使用一个安全关断装置1，以节省元件数量、降低电路成本及体积。
[0101]
而，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，皆应包括于本发明的范围中，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。