CN109728570B - 用以抑制浪涌电流的电路 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种用以抑制浪涌电流的电路，包括一开关单元、一回馈控制单元、一电压耦合单元及一参考信号产生单元。开关单元的第一端用以耦接至一电压源。开关单元的一第二端用以耦接至一第一电容。回馈控制单元的输出端耦接至开关单元的第三端。电压耦合单元的输入埠耦接至开关单元的第二端。电压耦合单元的输出埠耦接至回馈控制单元的回馈信号输入端。参考信号产生单元耦接至回馈控制单元的参考信号输入端。

Description

用以抑制浪涌电流的电路

技术领域

本发明是有关于一种用以抑制浪涌电流的电路。

背景技术

一般而言，对于大部分的电子设备，内部运作的线路是使用直流电当作电源。为求直流电供电稳定性，线路中需要包含储能元件，而最常见的储能元件即电容器。在开机(或电源接通)时，因电容器初始电压为零，近似短路，故会产生很大的暂态电流，即所谓浪涌电流(Inrush current)。浪涌电流可能引发杂讯，甚至导致电子设备内部线路误动作或造成内部零件失效故障。

现有技术中，利用控制电子负载开关的闸-源极电压(Vgs)上升斜率，以降低开关阻抗由极大转换成接近零的速度，达成降低浪涌电流的目的。但因为半导体电子开关的特性，在闸-源极电压上升过程中，开关阻抗并非线性下降。实际量测现有技术电路所得的波图如图8所示，左侧纵轴处箭头1标示的是电子开关的闸-源极电压波形，箭头2标示的是负载端的电容的电压波形，箭头4标示的是负载端的电容的电流波形。横轴座标为时间，一大格刻度为20ms。对于电子开关的闸-源极电压波形而言，纵轴座标为电压，一大格刻度为2.5V。对于负载端的电容的电压波形而言，纵轴座标为电压，一大格刻度为2V。对于负载端的电容的电流波形而言，纵轴座标为电流，一大格刻度为10A。

由图中可看出，初始闸-源极电压尚未达到阈值(Threshold)时，阻抗几乎维持在极大值，因此这段时间无任何电流为负载端电容充电。当闸-源极电压到达阈值时，闸-源极电压些微上升(几毫伏至几百毫伏)，阻抗即会急遽下降，此时为主要负载电容充电时间，浪涌电流在此时发生，电容通常在此时间区间充电完毕。闸-源极电压超出阈值，此时电子开关阻抗持续下降至近乎为零。也就是说，现有技术中电容的充电时间很短，因而无法有效抑制浪涌电流(浪涌电流的峰值高达48.2A)。

为求拉长电容充电的时间，通常会导致整体电路启动速度变慢。且因为电子开关的阈值电压会有误差值，因而增加了电路最佳化设计的难度。

因此，如何提供一种用以抑制浪涌电流的电路是一个重要的课题。

发明内容

本发明实施例揭露一种用以抑制浪涌电流的电路，包括一开关单元、一回馈控制单元、一电压耦合单元以及一参考信号产生单元。开关单元具有一第一端、一第二端及一第三端。开关单元的第一端用以耦接至一电压源。开关单元的一第二端用以耦接至一第一电容。回馈控制单元具有一回馈信号输入端、一参考信号输入端及一输出端。回馈控制单元的输出端耦接至开关单元的第三端。电压耦合单元具有一输入埠及一输出埠。电压耦合单元的输入埠耦接至开关单元的第二端。电压耦合单元的输出埠耦接至回馈控制单元的回馈信号输入端。参考信号产生单元耦接至回馈控制单元的参考信号输入端。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1绘示依据本发明第一实施例的用以抑制浪涌电流的电路的方块图。

图2绘示依据本发明第二实施例的用以抑制浪涌电流的电路的方块图。

图3绘示依据本发明第三实施例的用以抑制浪涌电流的电路的方块图。

图4绘示依据本发明第四实施例的用以抑制浪涌电流的电路的方块图。

图5绘示依据本发明第五实施例的用以抑制浪涌电流的电路的方块图。

图6绘示依据本发明第六实施例的用以抑制浪涌电流的电路的方块图。

图7绘示依据本发明第三实施例的用以抑制浪涌电流的电路的量测波形图。

图8绘示依据现有技术的电路的量测波形图。

其中，附图标记

1a～1f：电路

12：开关单元

14：回馈控制单元

16：电压耦合单元

18：参考信号产生单元

Vs：电压源

C1：第一电容

C2：第二电容

Q1n：N型金属氧化物半导体场效电晶体

Q1p：P型金属氧化物半导体场效电晶体

Q2：PNP型双极性电晶体

Q3：NPN型双极性电晶体

D1：二极管

R1：第一电阻

R2：第二电阻

R3：第三电阻

R4：第四电阻

R5：第五电阻

R6：第六电阻

R7：第七电阻

Rs1：第一分压电阻

Rs2：第二分压电阻

Rs3：第三分压电阻

Rs4：第四分压电阻

VDD：驱动电压源

Voffset：补偿电压源

Is：电流源

OP：运算放大器

20：开关保护单元

Rp：保护电阻

ZD1：第一齐纳二极管

ZD2：第二齐纳二极管

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。

请参照图1，图1绘示依据本发明第一实施例的用以抑制浪涌电流的电路的方块图。电路1a包括一开关单元12、一回馈控制单元14、一电压耦合单元16以及一参考信号产生单元18。

开关单元12具有一第一端、一第二端及一第三端。开关单元12的第一端用以耦接至一电压源Vs。开关单元12的第二端用以耦接至第一电容C1。

回馈控制单元14具有一回馈信号输入端、一参考信号输入端及一输出端。回馈控制单元14的输出端耦接至开关单元12的第三端，以控制开关单元12开启或关闭。

电压耦合单元16具有一输入埠及一输出埠。电压耦合单元16的输入埠耦接至开关单元12的第二端，以获得回馈信号。电压耦合单元16的输出埠耦接至回馈控制单元14的回馈信号输入端，以将回馈信号提供给回馈控制单元14。

参考信号产生单元18耦接至回馈控制单元14的参考信号输入端，以将产生的参考信号提供给回馈控制单元14。

在一些实施例中，电压源Vs例如是一外部电源供应器，电路1a例如是设置于一电子设备中，用以保护接上外部电源供应器的电子设备。当外部电源供应器开启时，电路1a即会开始运作而限制浪涌电流的峰值大小，避免电子设备的内部零件受损。

在其他实施例中，电路1a例如是设置于一电源供应器内，用以保护耦接于电源供应器的一电子设备。相似地，当电源供应器开启，电路1a即会开始运作而限制浪涌电流的峰值大小，避免电子设备的内部零件受损。

电路1a的运作原理是通过电压耦合单元16将第一电容C1的电压(端电压值)做为回馈信号耦合至回馈控制单元14。回馈控制单元14依据回馈信号与参考信号，输出控制信号，以控制开关单元12开启或关闭。通过控制开关单元12开启或关闭，控制第一电容C1的电压的上升斜率，而达到抑制浪涌电流的效果。

请参照图2，图2绘示依据本发明第二实施例的用以抑制浪涌电流的电路的方块图。电路1b与电路1a类似，不同之处在于电压耦合单元16的输入埠更耦接至开关单元12的第一端。在这个实施例中，电压耦合单元16是将开关单元12的第一端与第二端的跨压(即电压差)做为回馈信号耦合至回馈控制单元14。然而，电路1b与电路1a的基本运作原理仍是类似的，皆是通过取得回馈信号以控制开关单元12达到控制第一电容C1的电压上升斜率。底下将举数个具体实施例，以进一步说明本发明的原理及细节。

请参照图3，图3绘示依据本发明第三实施例的用以抑制浪涌电流的电路的方块图。电路1c与电路1a类似，是以第一电容C1的电压做为回馈信号。

开关单元12包括一N型金属氧化物半导体场效电晶体Q1n以及一二极管D1。N型金属氧化物半导体场效电晶体Q1n的一汲极(drain)做为开关单元12的第一端用以耦接至电压源Vs。N型金属氧化物半导体场效电晶体Q1n的一源极(source)做为开关单元12的第二端用以耦接至第一电容C1。N型金属氧化物半导体场效电晶体Q1n的一闸极(gate)做为开关单元12的第三端耦接至回馈控制单元14。二极管D1耦接于N型金属氧化物半导体场效电晶体Q1n的汲极与源极之间，以防止N型金属氧化物半导体场效电晶体Q1n受损。

参考信号产生单元18包括一第二电容C2以及一第一电阻R1。第二电容C2的一第一端接地，第二电容C2的一第二端耦接至回馈控制单元14的参考信号输入端。第一电阻R1的一第一端耦接至一驱动电压源VDD，第一电阻R1的一第二端耦接至第二电容C2的第二端。在本实施例中，参考信号产生单元18是通过以驱动电压源VDD对第二电容C2进行充电，并以第二电容C2的电压做为参考信号输出。换言之，参考信号是一斜率为正的电压波形。

回馈控制单元14包括一PNP型双极性电晶体Q2、一NPN型双极性电晶体Q3、一第二电阻R2以及一第三电阻R3。

PNP型双极性电晶体Q2的一射极(emitter)耦接至驱动电压源VDD。PNP型双极性电晶体的一集极(collector)通过第二电阻R2耦接至开关单元12的第三端。PNP型双极性电晶体Q2的一基极(base)耦接至第三电阻R3的一第一端。

NPN型双极性电晶体Q3的一集极耦接至第三电阻R3的一第二端。NPN型双极性电晶体Q3的一射极耦接至电压耦合单元16的输出埠。NPN型双极性电晶体Q3的一基极耦接至参考信号产生单元18。

电压耦合单元16是一条导线，将第一电容C1的电压直接耦合至回馈控制单元14的回馈信号输入端。

本实施例的详细运作原理如下所述。

在不失一般性的情况下，电压源Vs被开启时，假设第一电容C1的初始电压为零。参考信号产生单元18因驱动电压源VDD对第二电容C2充电而开始输出斜率为正的电压波形，即参考信号。参考信号的电压值由零往上增加时，NPN型双极性电晶体Q3先导通，PNP型双极性电晶体Q2的基极电压下降而使PNP型双极性电晶体Q2导通。N型金属氧化物半导体场效电晶体Q1n的闸极电压上升而连带导通，即开关单元12开启。第一电容C1开始充电，使得第一电容C1的电压增加。

当第一电容C1的电压上升斜率超过参考信号的上升斜率时，PNP型双极性电晶体Q3会关闭，而连带使得NPN型双极性电晶体Q2关闭，进而限制N型金属氧化物半导体场效电晶体Q1n的闸极电压。由于N型金属氧化物半导体场效电晶体Q1n的阻抗会受到闸极与源极间的电压差(即闸-源极电压)影响，故当N型金属氧化物半导体场效电晶体Q1n的闸极电压上升量小于第一电容C1的电压上升量时，会使得N型金属氧化物半导体场效电晶体Q1n的阻抗变大，进而使得第一电容C1的电压上升速度下降。当参考信号的电压值超过电压源Vs的电压值时，NPN型双极性电晶体Q3、PNP型双极性电晶体Q2与N型金属氧化物半导体场效电晶体Q1n会接连完全导通。

因此，藉由回馈第一电容C1的电压至回馈控制单元14，并和参考信号产生单元18产生的参考信号的电压波形比较，就能够控制开关单元12的动作，进而控制第一电容C1的电压上升斜率，而达到抑制浪涌电流的效果。

请参照图4，图4绘示依据本发明第四实施例的用以抑制浪涌电流的电路的方块图。电路1d与电路1c类似，不同之处在于参考信号产生单元18。

在第四实施例中，参考信号产生单元18包括一第二电容C2以及一电流源Is。第二电容C2的一第一端接地，第二电容C2的一第二端耦接至回馈控制单元14的参考信号输入端。电流源Is耦接至第二电容C2的第二端。换言之，本实施例是以电流源Is对第二电容C2充电以产生参考信号。

请参照图5，图5绘示依据本发明第五实施例的用以抑制浪涌电流的电路的方块图。电路1e与电路1b类似，是以开关单元12的第一端与第二端之间的跨压做为回馈信号。第五实施例是第二实施例的进一步具体实施例，其细节如下所述。

参考信号产生单元18包括一第二电容C2以及一第一电阻R1。第二电容C2的一第一端耦接至一驱动电压源VDD。第二电容C2的一第二端耦接至第一电阻R1的一第一端及回馈控制单元14的参考信号输入端。第一电阻R1的一第二端接地。

回馈控制单元14包括一PNP型双极性电晶体Q2以及一NPN型双极性电晶体Q3。PNP型双极性电晶体Q2的一射极耦接至驱动电压源VDD。PNP型双极性电晶体Q2的一集极通过一第二电阻R2耦接至开关单元12的第三端。PNP型双极性电晶体Q2的一基极耦接至一第三电阻R3的一第一端。

NPN型双极性电晶体Q3的一集极耦接至第三电阻R3的一第二端。NPN型双极性电晶体Q3的一射极做为回馈控制单元14的参考信号输入端耦接至参考信号产生单元18。NPN型双极性电晶体Q3的一基极做为回馈控制单元14的回馈信号输入端耦接至电压耦合单元16的输出埠。

电压耦合单元16包括一运算放大器OP。运算放大器OP的一非反向输入端通过一第四电阻R4耦接至开关单元12的第一端。运算放大器OP的一反向输入端通过一第五电阻R5耦接至开关单元12的第二端。运算放大器OP的一输出端通过一第六电阻R6耦接至运算放大器OP的反向输入端。运算放大器OP的输出端做为电压耦合单元16的输出埠耦接至回馈控制单元14的NPN型双极性电晶体Q3的基极。另外，运算放大器OP的非反向输入端更通过一第七电阻R7耦接至一补偿电压源Voffset。

在第五实施例中，由于初始时开关单元12的第一端与第二端之间的电压差很大，会使得NPN型双极性电晶体Q3导通，进而使得PNP型双极性电晶体Q2及N型金属氧化物半导体场效电晶体Q1n连带导通。当第一电容C1的电压上升后，开关单元12的第一端与第二端之间的电压差减小，而使得NPN型双极性电晶体Q3及PNP型双极性电晶体Q2接连关闭，进而使得N型金属氧化物半导体场效电晶体Q1n的阻抗增加，而抑制第一电容C1的电压上升斜率。

请参照图6，图6绘示依据本发明第六实施例的用以抑制浪涌电流的电路的方块图。电路1f相较于上述的各实施例，工作原理类似，但开关单元12是采用P型金属氧化物半导体场效电晶体来实现。因此，电路1f其余的单元构件会与上述的各实施例有所差异，细节将详述如下。

开关单元12包括一P型金属氧化物半导体场效电晶体Q1p以及一二极管D1。P型金属氧化物半导体场效电晶体Q1p的一源极做为开关单元12的第一端用以耦接至电压源Vs。P型金属氧化物半导体场效电晶体Q1p的一汲极做为开关单元12的第二端用以耦接至第一电容C1。P型金属氧化物半导体场效电晶体Q1p的一闸极做为开关单元12的第三端耦接至回馈控制单元14。二极管D1耦接于P型金属氧化物半导体场效电晶体Q1p的源极与汲极之间，以防止P型金属氧化物半导体场效电晶体Q1p受损。

参考信号产生单元18包括一第二电容C2、一第一电阻R1、一第一分压电阻Rs1以及一第二分压电阻Rs2。第二电容C2的一第一端接地，第二电容C2的一第二端耦接至回馈控制单元14的参考信号输入端。第一电阻R1的一第一端耦接至第一分压电阻Rs1的一第一端及第二分压电阻Rs2的一第一端，第一电阻R1的一第二端耦接至第二电容C2的第二端。第一分压电阻Rs1的一第二端耦接至电压源Vs。第二分压电阻Rs2的一第二端接地。在本实施例中，参考信号产生单元18是通过第一分压电阻Rs1及第二分压电阻Rs2对电压源Vs进行分压来对第二电容C2进行充电，并以第二电容C2的电压做为参考信号输出。

回馈控制单元包括一PNP型双极性电晶体Q2、一NPN型双极性电晶体Q3。PNP型双极性电晶体Q2的一射极做为回馈控制单元14的参考信号输入端耦接至参考信号产生单元18。PNP型双极性电晶体Q2的一基极做为回馈控制单元14的回馈信号输入端耦接至电压耦合单元16的输出埠。PNP型双极性电晶体Q2的一集极耦接至一第二电阻R2的一第一端。

NPN型双极性电晶体Q3的一射极接地。NPN型双极性电晶体Q3的一基极耦接至第二电阻R2的一第二端。NPN型双极性电晶体Q3的一集极做为回馈控制单元14的输出端通过一第一齐纳二极管ZD1耦接至开关单元12的第三端，且NPN型双极性电晶体Q3的集极通过一第三电阻R3耦接至NPN型双极性电晶体Q3的射极并且接地。

电压耦合单元16包括一第三分压电阻Rs3及一第四分压电阻Rs4。第三分压电阻Rs3的一第一端做为电压耦合单元16的输入埠耦接至开关单元12的第二端。第三分压电阻Rs3的一第二端做为电压耦合单元16的输出埠耦接至回馈控制单元14的回馈信号输入端。第四分压电阻Rs4的一第一端耦接至第三分压电阻Rs3的第二端。第四分压电阻Rs4的一第二端接地。换言之，在本实施例中，电压耦合单元16通过将第一电容C1的电压进行分压耦合至回馈控制单元14。

一般来说，P型金属氧化物半导体场效电晶体的驱动电压相较于N型金属氧化物半导体场效电晶体而言来得低。因此，第六实施例可以在不使用高压驱动电压源(例如驱动电压源VDD)的情况下使电路1f正常运作。换言之，电路1f中，P型金属氧化物半导体场效电晶体Q1p可以在使用较低的驱动电压下被导通。

另外，为了保护开关单元12，电路1f更包括一开关保护单元20。开关保护单元20包括一第二齐纳二极管ZD2及一保护电阻Rp，该第二齐纳二极管ZD2耦接于开关单元12的第一端及第三端之间。保护电阻Rp耦接于开关单元12的第一端及第三端之间。

请参考图7，图7绘示依据本发明第三实施例的用以抑制浪涌电流的电路的量测波形图。左侧纵轴处箭头1标示的是开关单元12的N型金属氧化物半导体场效电晶体Q1n的闸-源极电压波形，箭头2标示的是第一电容C1的电压波形，箭头4标示的是第一电容C1的电流波形。横轴座标为时间，一大格刻度为10ms。对于开关单元12的N型金属氧化物半导体场效电晶体Q1n的闸-源极电压波形而言，纵轴座标为电压，一大格刻度为2.5V。对于第一电容C1的电压波形而言，纵轴座标为电压，一大格刻度为2V。对于第一电容C1的电流波形而言，纵轴座标为电流，一大格刻度为5A。

由图7中可看出，藉由本发明的实施例，开关单元12的N型金属氧化物半导体场效电晶体Q1n的闸-源极电压到达完全导通为40ms(中间平台占超过95％以上的整体开关导通时间)。有效延长了第一电容C1的充电时间(即控制第一电容C1的电压上升斜率)，进而将浪涌电流的峰值抑制在最高13.3A。

依据本发明实施例，用以抑制浪涌电流的电路可通过将第一电容的电压或开关单元的第一端与第二端的电压差做为回馈信号回馈至回馈控制单元。回馈控制单元再依据回馈信号与参考信号产生单元产生的参考信号控制开关单元的开启与关闭，调整第一电容的充电时间，进而达到抑制浪涌电流的功效。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种用以抑制浪涌电流的电路，其特征在于，包括：

一开关单元，具有一第一端、一第二端及一第三端，该开关单元的该第一端用以耦接至一电压源，该开关单元的一第二端用以耦接至一第一电容；

一回馈控制单元，具有一回馈信号输入端、一参考信号输入端及一输出端，该回馈控制单元的该输出端耦接至该开关单元的该第三端；

一电压耦合单元，具有一输入埠及一输出埠，该电压耦合单元的该输入埠耦接至该开关单元的该第二端，该电压耦合单元的该输出埠耦接至该回馈控制单元的该回馈信号输入端；以及

一参考信号产生单元，耦接至该回馈控制单元的该参考信号输入端；

其中，该开关单元包括一N型金属氧化物半导体场效电晶体，具有一汲极、一源极以及一闸极，该N型金属氧化物半导体场效电晶体的该汲极用以耦接至该电压源，该N型金属氧化物半导体场效电晶体的该源极用以耦接至该第一电容，该N型金属氧化物半导体场效电晶体的该闸极耦接至该回馈控制单元的该输出端；以及

该回馈控制单元包括：

一PNP型双极性电晶体，该PNP型双极性电晶体的一射极耦接至一驱动电压源，该PNP型双极性电晶体的一集极通过一第二电阻耦接至该开关单元的该第三端，该PNP型双极性电晶体的一基极耦接至一第三电阻的一第一端；以及

一NPN型双极性电晶体，该NPN型双极性电晶体的一集极耦接至该第三电阻的一第二端，该NPN型双极性电晶体的一射极耦接至该电压耦合单元的该输出埠，该NPN型双极性电晶体的一基极耦接至该参考信号产生单元。

2.如权利要求1所述的用以抑制浪涌电流的电路，其特征在于，该参考信号产生单元包括：

一第二电容，该第二电容的一第一端接地，该第二电容的一第二端耦接至该回馈控制单元的该参考信号输入端；以及

一第一电阻，该第一电阻的一第一端耦接至该驱动电压源，该第一电阻的一第二端耦接至该第二电容的该第二端。

3.如权利要求1所述的用以抑制浪涌电流的电路，其特征在于，该参考信号产生单元包括：

一第二电容，该第二电容的一第一端接地，该第二电容的一第二端耦接至该回馈控制单元的该参考信号输入端；以及

一电流源，耦接至该第二电容的该第二端。

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