CN201149987Y

CN201149987Y - 过电压保护装置

Info

Publication number: CN201149987Y
Application number: CNU2008200012511U
Authority: CN
Inventors: 吴汉东; 林扬智
Original assignee: Universal Scientific Industrial Co Ltd
Current assignee: HUANXU ELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2008-01-22
Filing date: 2008-01-22
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2018-01-22

Abstract

为解决抑制突波电压和防护过电压的问题，提供了一种过电压保护装置，其包括比较模块、第一开关、第二开关及输出开关。其中，比较模块比较运算分压后的输入电压与临界电压，且根据比较运算结果输出控制信号。第一开关的控制端耦接比较模块，受控于该控制信号。第二开关的控制端耦接第一开关的漏极端，受控于第一开关的漏极端的输出信号。输出开关的控制端耦接第二开关的漏极端，输出开关的漏极端耦接电压输出端，输出开关的源极端耦接电压输入端，该输出开关受控于第二开关的漏极端的输出信号，截止输入电压或将输入电压传送到电压输出端。本实用新型能够达到过电压的保护和突波电压的抑制。

Description

过电压保护装置

技术领域

本实用新型提供一种过电压保护装置，尤其提供一种使用在电源转接器(Power Adapter)或掌上型装置中，具有抑制突波与输入过电压保护的电路装置。

背景技术

请参考图1，当使用直流电源的电器设备20(例如笔记本型电脑、液晶显示器等)，且要用交流电源供电时，均需要利用电源转接器21来进行电源转换。在图1中，电源转换器21通过交流电源插头22取得交流电源，并且将交流电源转换成直流电源输出，以对电器设备20供电。在图1的架构中，普遍存在一个问题，即在电器设备20接通(Tum On)或是电源转接器21的交流电源插头22插入交流电源插座(未示出)的初始状态时，极易引起一个过大的突波电压(Spike)，而产生过大的突波电流(Inrush Current)。过大的突波电流常导致交流电源插座、开关产生火花或是干扰其他使用中的电器，进而影响电源品质。

另外，若电源转接器21所接收到的交流电源不够稳定(例如电压过高)，则电源转接器21会将过电压的交流电源转换成过电压的直流电源，进而送至电器设备20中，如此，过电压的直流电源将造成电器设备20的烧毁。因此，在电源转接器21中急需具有突波电压的抑制电路与过电压的保护电路，以解决前述的问题。

实用新型内容

为解决抑制突波电压和防护过电压的问题，本实用新型提供一种过电压保护装置，其使用在电源转接器(Power Adapter)中，具有抑制突波与输入过电压的保护。

本实用新型第一实施例的过电压保护装置具有电压输入端与电压输出端，包括有比较模块、第一开关、第二开关及输出开关。其中，比较模块从电压输入端取得输入电压，并且，比较模块比较运算输入电压与临界电压，同时，根据比较运算结果来输出控制信号。第一开关的第一控制端耦接比较模块，第一开关的第一漏极端耦接电压输入端，第一开关的第一源极端耦接到接地端，其中，第一开关受控于该控制信号。第二开关的第二控制端耦接第一漏极端，第二开关的第二源极端耦接接地端，其中，第二开关受控于第一漏极端的输出信号。输出开关的第三控制端耦接第二漏极端，输出开关的第三漏极端耦接电压输出端，输出开关的第三源极端耦接电压输入端，其中，输出开关受控于第二漏极端的输出信号，而截止输入电压或将输入电压传送到电压输出端。

另外，本实用新型第二实施例的过电压保护装置更进一步包括有第一突波抑制器与第二突波抑制器。其中，第一突波抑制器耦接输入电压端与第二控制端，依据突波电压来截止该第二开关。第二突波抑制器耦接第三控制端与第三源极端之间，依据突波电压来截止输出开关。

上述过电压保护装置中，该比较模块可包括：并联稳压器，耦接该电压输入端，该并联稳压器依据该输入电压产生该临界电压值；分压单元，耦接该电压输入端，接收该输入电压，且产生分压后的输入电压；及比较器，其具有非反向输入端、反向输入端与输出端，该非反向输入端接收该分压后的输入电压，该反向输入端接收该临界电压值，该输出端输出该控制信号。

上述过电压保护装置中，该并联稳压器可包括齐纳二极管、输入电容器及输入电阻器，其中该齐纳二极管串联耦接该输入电阻器且并联耦接该输入电容器。

上述过电压保护装置中，该第一突波抑制器可包括串联耦接第一电容器的第一电阻器，该第一电阻器的第一端耦接该输入电压端，该第一电阻器的第二端共同耦接该第一开关的第一漏极端、该第二开关的第二控制端及该第一电容器的第一端，该第一电容器的第二端耦接该接地端。

上述过电压保护装置中，该第二突波抑制器可包括并联耦接第二电容器的第二电阻器，该第二电容器的第一端耦接该输入电压端，该第二电容器的第二端共同耦接该第二开关的漏极端与该输出开关的第三控制端。

上述过电压保护装置中，该第一开关可为N沟道场效应晶体管。

上述过电压保护装置中，该第二开关可为N沟道场效应晶体管。

上述过电压保护装置中，该输出开关可为P沟道场效应晶体管。

上述过电压保护装置中，该第二开关、该输出开关及该第二突波抑制器可组成一个标准的缓起动线路。

综上，本实用新型在过电压输入时，能够经由比较模块的判断，来控制输出开关截止，从而达到过电压的保护。同时，在突波电压发生时，本实用新型使用的第一突波抑制器会将突波电压导引到接地端，而第二突波抑制器会将输出开关的控制端与源极端短路，使得其截止电压的输出，从而达到突波电压的防制。所以本实用新型能够达到过电压的保护和突波电压的防制。

附图说明

图1为传统电源转换器的功能方块示意图；

图2为本实用新型电压保护装置的概略示意图；

图3为本实用新型第一实施例的电压保护装置的电路示意图；

图4为本实用新型第二实施例的电压保护装置的电路示意图；

图5A为本实用新型工作在正常的输入电压时，输出电压的波形示意图；

图5B为本实用新型工作在过输入电压时，输出电压的波形示意图；及

图5C为本实用新型工作在突波电压发生时，输出电压的波形示意图。

其中，附图标记说明如下：

传统：

电器设备20

电源转换器21

交流电源插头22

本实用新型：

电压保护装置1、1’

电压输入端T1

电压输出端T2

输入电压Vin

输出电压Vout

比较模块10

并联稳压器101

分压单元102

比较器103

齐纳二极管D1

输入电容器C1

输入电阻器R1

电阻R2、R3

第一开关Q1

第二开关Q2

输出开关Q3

临界电压Vth

分压后的输入电压V1

接地端G

控制信号S1

第一突波抑制器12

第二突波抑制器14

第一电容器C2

第一电阻器R4

第二电容器C3

第二电阻器R5

输出信号S2、S3

具体实施方式

请参考图2，为本实用新型过电压保护装置的概略示意图。其中，过电压保护装置1具有电压输入端T1与电压输出端T2，过电压保护装置1从电压输入端T1取得输入电压Vin，并且由电压输出端T2送出输出电压Vout。当输入电压Vin导入过电压保护装置1时，若输入电压Vin的电压值大于过电压保护装置1所预先设定的保护范围，则过电压保护装置1将会截断过高的输入电压Vin，使其无法通过。另外，若发生过大的突波电压时，过电压保护装置1同样会截断输入电压Vin，使其无法通过。

配合图2，请参考图3，图3为本实用新型第一实施例的过电压保护装置的电路示意图。过电压保护装置1包括有比较模块10、第一开关Q1、第二开关Q2及输出开关Q3。其中，比较模块10从电压输入端T1取得输入电压Vin，并且，比较模块10比较运算输入电压Vin与临界电压Vth，同时，再根据比较运算结果输出控制信号S1。同时，第一开关Q1的第一控制端耦接比较模块10，第一开关Q1的第一漏极端耦接电压输入端T1，第一开关Q1的第一源极端耦接到一接地端G，其中，第一开关Q1受控于控制信号S1。

再配合图2，参考图3，第二开关Q2的第二控制端耦接第一开关Q1的第一漏极端，第二开关Q2的第二源极端耦接接地端G，其中，第二开关Q2受控于第一开关Q1的第一漏极端的输出信号S2。另外，输出开关Q3的第三控制端耦接第二开关Q2的第二漏极端，输出开关Q3的第三漏极端耦接电压输出端T2，输出开关Q3的第三源极端耦接电压输入端T1，其中，输出开关Q3受控于第二开关Q2的第二漏极端的输出信号S3，而截止输入电压Vin或将输入电压Vin传送到电压输出端T2。

再配合图2，参考图3，前述的第一开关Q1为N沟道场效应晶体管(NMOS FET)，第二开关Q2为N沟道场效应晶体管(NMOS FET)，而输出开关Q3为P沟道场效应晶体管(PMOS FET)。

再配合图2，参考图3，比较模块10包括有并联稳压器101、分压单元102及比较器103。其中，并联稳压器101包括齐纳二极管D1、输入电容器C1及输入电阻器R1，其中齐纳二极管D1串联耦接输入电阻器R1且并联耦接输入电容器C1。并联稳压器101耦接电压输入端T1，依据输入电压Vin来产生临界电压值Vth。同时，分压单元102耦接电压输入端T1，接收输入电压Vin且产生分压后的输入电压V1。另外，比较器103的非反向输入端(+)用以接收分压后的输入电压V1，而比较器103的反向输入端(-)则接收临界电压值Vth，并且，比较器103的输出端输出控制信号S1。

再配合图2，参考图3，设计者可以运用不同工作范围的齐纳二极管D1来取得临界电压值Vth，同时也可以在分压单元102中搭配设计电阻R2、R3的电阻值，以设定所需要的过电压保护范围。当输入电压Vin导入过电压保护装置1时，齐纳二极管D1随着输入电压Vin而击穿，进而产生稳定的临界电压值Vth输出。同时，分压单元102中的电阻R3依据输入电压Vin而产生分压后的输入电压V1。

当输入电压Vin为正常情况时，分压后的输入电压V1未超过临界电压值Vth，即低于过电压保护装置1所预先设定的保护范围。此时，比较器103会输出低电位“LOW”的控制信号S1，以控制第一开关Q1截止(OFF)。由于第一开关Q1进入截止状态，因此，输入电压Vin通过第一电阻器R4送到第二开关Q2的第二控制端，以控制第二开关Q2导通(ON)。导通的第二开关Q2将输出开关Q3的第三控制端引导到接地端G，而使得输出开关Q3进入导通状态。此时，输入电压Vin将通过导通的输出开关Q3，而从过电压保护装置1的电压输入端T1输出，形成输出电压Vout。请配合图5A，此图为本实用新型工作在正常的输入电压Vin时，输出电压Vout的波形示意图。图5A显示出，输出电压Vout为6V。

另外，当输入电压Vin过高时，分压后的输入电压V1超过临界电压值Vth，即超过电压保护装置1所预先设定的保护范围。此时，比较器103输出高电位“HIGH”的控制信号S1，以控制第一开关Q1导通。导通的第一开关Q1将第二开关Q2的第二控制端引导到接地端G，因此导致第二开关Q2截止。截止的第二开关Q2让输出开关Q3的第三控制端形成浮接(Floating)状态，而使得输出开关Q3进入截止。截止的输出开关Q3将会截断过高的输入电压Vin，使得过高的输入电压Vin无法通过电压保护装置1，从而达到过电压的保护。请配合图5B，此图为本实用新型工作在过输入电压Vin时，输出电压Vout的波形示意图。图5B显示出，输出电压Vout经过瞬态时间t1后，即被截止为0V。

配合图2，请参考图4，图4为本实用新型第二实施例的过电压保护装置的电路示意图。在本发明第二实施例中，与第一实施例相同的元件以相同的符号示出。第二实施例与第一实施例的电路动作原理与达成的功能及效果相同，其主要差异之处在于：第二实施例的过电压保护装置1’增加了第一突波抑制器12与第二突波抑制器14。其中，第一突波抑制器12耦接输入电压端T1与第二开关Q2的第二控制端，依据突波电压(Inrush Voltage)而截止第二开关Q2。第二突波抑制器14耦接输出开关Q3的第三控制端与第三源极端之间，依据突波电压而截止输出开关Q3。

再配合图2，参考图4，第一突波抑制器12包括串联耦接第一电容器C2的第一电阻器R4，其中第一电阻器R4的第一端耦接输入电压端T1，第一电阻器R4的第二端耦接第一开关Q1的第一漏极端、第二开关Q2的第二控制端及第一电容器C2的第一端，该第一电容器C2的第二端耦接接地端G。另外，第二突波抑制器14包括并联耦接第二电容器C3的第二电阻器R5，第二电容器C3的第一端耦接输入电压端T1，第二电容器C3的第二端共同耦接第二开关Q2的第二漏极端与输出开关Q3的第三控制端。

再配合图2，请参考图4，突波电压为高频的交流噪声，因此，依据公式(1)，在突波电压发生时，第一电容器C2与第二电容器C3会因为高频交流的突波电压而形成短路(容抗等于0)。

Xc = - j \frac{1}{ωc}

…公式(1)

在公式(1)中，Xc为电容器的容抗值，ω为频率值，C为电容器的容值，其中，当高频的交流噪声发生时，电容器的容抗值Xc约等于0，所以电容器将形成短路状态。

根据前述公式(1)，在突波电压发生时，第一突波抑制器12中的第一电容器C2会即刻短路，而将突波电压引导到接地端G，此时，短路的第一电容器C2跨接于第二开关Q2的第二控制端与第二源极端之间，以控制第二开关Q2进入截止状态。截止的第二开关Q2让输出开关Q3的第三控制端形成浮接状态，以使得输出开关Q3进入截止。另外，在突波电压发生时，第二突波抑制器14中的第二电容器C3同样会即刻短路，此时，短路的第二电容器C3跨接于输出开关Q3的第三控制端与第三源极端之间，以控制输出开关Q3进入截止状态。截止的输出开关Q3将会截断输入电压Vin，使得输入电压Vin无法通过电压保护装置1，从而达到突波电压的防制。请参考图5C，此图为本实用新型工作在突波电压发生时，输出电压Vout的波形示意图。图5C显示出，当突波电压发生时，输出电压Vout即刻被截止为0V。

再参考图4，其中第二开关Q2、输出开关Q3及第二突波抑制器14组成一个标准的缓起动(Soft-Start)线路。如果突波电流发生的时候，突波电流就对缓启动线路中的第二电容器C3进行充电，而让流经输出开关Q3的电流不会那么尖锐(sharp)，进而达到突波电流的防制。

综上所述，本实用新型的过电压保护装置具有抑制突波与输入过电压保护的功能，在过电压输入时，能够经由比较模块的判断，来控制输出开关截止，从而达到过电压的保护。同时，在突波电压发生时，能够使用第一突波抑制器将突波电压导引到接地端，使用第二突波抑制器短路输出开关的控制端与源极端，使得其截止电压的输出，从而达到突波电压的防制。

然而以上所述仅为本实用新型最佳之一的具体实施例的详细说明与图示，任何本领域技术人员在本实用新型的领域内，可轻易构想到的变化或修改均可涵盖在本实用新型的范围内。

Claims

1.一种过电压保护装置，其特征在于，具有电压输入端与电压输出端，包括：

比较模块，从该电压输入端取得输入电压，该比较模块比较运算该输入电压与临界电压，且根据比较运算结果输出控制信号；

第一开关，该第一开关的第一控制端耦接该比较模块，第一漏极端耦接该电压输入端，第一源极端耦接到接地端，该第一开关受控于该控制信号；

第二开关，该第二开关的第二控制端耦接该第一漏极端，第二源极端耦接该接地端，该第二开关受控于该第一漏极端的输出信号；

输出开关，该输出开关的第三控制端耦接该第二漏极端，第三漏极端耦接该电压输出端，第三源极端耦接该电压输入端，该输出开关受控于该第二漏极端的输出信号，用于截止该输入电压或将该输入电压传送到该电压输出端；

第一突波抑制器，该第一突波抑制器耦接该输入电压端与该第二控制端，该第一突波抑制器依据突波电压来截止该第二开关；及

第二突波抑制器，该第二突波抑制器耦接该第三控制端与该第三源极端之间，该第二突波抑制器依据该突波电压来截止该输出开关。

2.如权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于，该比较模块包括：

并联稳压器，耦接该电压输入端，该并联稳压器依据该输入电压产生该临界电压值；

分压单元，耦接该电压输入端，接收该输入电压，且产生分压后的输入电压；及

比较器，其具有非反向输入端、反向输入端与输出端，该非反向输入端接收该分压后的输入电压，该反向输入端接收该临界电压值，该输出端输出该控制信号。

3.如权利要求2所述的过电压保护装置，其特征在于，该并联稳压器包括齐纳二极管、输入电容器及输入电阻器，其中该齐纳二极管串联耦接该输入电阻器且并联耦接该输入电容器。

4.如权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于，该第一突波抑制器包括串联耦接第一电容器的第一电阻器，该第一电阻器的第一端耦接该输入电压端，该第一电阻器的第二端共同耦接该第一开关的第一漏极端、该第二开关的第二控制端及该第一电容器的第一端，该第一电容器的第二端耦接该接地端。

5.如权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于，该第二突波抑制器包括并联耦接第二电容器的第二电阻器，该第二电容器的第一端耦接该输入电压端，该第二电容器的第二端共同耦接该第二开关的漏极端与该输出开关的第三控制端。

6.如权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于，该第一开关为N沟道场效应晶体管。

7.如权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于，该第二开关为N沟道场效应晶体管。

8.如权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于，该输出开关为P沟道场效应晶体管。

9.如权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于，该第二开关、该输出开关及该第二突波抑制器组成一个标准的缓起动线路。