CN113162008A - 突波电流抑制电路 - Google Patents
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Abstract
一种突波电流抑制电路包含一开关、一旁路电阻、一检测电阻以及一比较器。该开关串联耦接于一储能电容的一第一端，该储能电容的一第二端耦接一负载并接收一输入电源。该旁路电阻并联耦接该开关。该检测电阻串联耦接该开关，且根据流经该储能电容的一电容电流产生一检测电压。该比较器用以比较该检测电压与该参考电压以产生一控制信号。当该检测电压大于该参考电压时，该控制信号控制该开关截止；当该检测电压小于该参考电压时，该控制信号控制该开关导通。
Description
技术领域
本发明是有关一种突波电流抑制电路，特别涉及一种在维持时间期间输入电源回电时所造成的突波电流电能够被大幅度地抑制的突波电流抑制电路。
背景技术
在实际使用各种用电设备时，尤其是在电源插头插拔瞬间，经常会出现插头打火花甚至是爆响等现象。这是由于出现的大浪涌电流(inrush current)没有被有效抑制而导致两个导体瞬间接触时产生电弧效应。显然，对于消费者而言，出现插头打火花甚至是爆响等现象，不仅大大地影响了消费者的使用感受，时间久了也会导致插头五金的镀金层被破坏，出现接触不良而发热严重，从而增加安全隐患。此外，还将可能引起对电网噪声瞬间波动，严重干扰附近的用电设施等。
现有做法是在输入端电流回路上串接一个电阻，该电阻可为负温度系数电阻、正温度系数电阻、或一般电阻来限制开机瞬间输入的突波电流，并且为了降低损失，会在其两端并接一个开关，该开关可为继电器、晶体管等元件，在突波电流结束之后，导通该开关来降低损耗。
然而在输入瞬间掉电又回电的不稳定区间，***需要维持运行稳定，于是会需要电源供应器在交流电源掉电时在某一段时间内维持输出电压，此称为维持时间(hold-uptime)。随着功率密度要求越来越高，对于维持时间的要求越来越大。是故在掉电期间，内部储能电容的电压会尽可能用到最低，于是当交流电源回电时，输入电网与内部储能电容电压的压差仍会导致高突波电流。该现有作法虽有效解决开机瞬间的突波电流，却无法控制在维持时间后回电时的电流大小，导致电网更加不稳定，严重干扰周遭用电设施，损坏上游断路器(breaker)，可能导致整个***停止运行。
请参见图1与图2，图1为现有技术的供电***的电路图，图2为图1的供电***发生掉电又回电状况的电压、电流波形图。如图1所示，在开关SW，例如断路器(breaker)为导通，当输入电源Vdc发生瞬间地掉电然后又回电的状况时，其中时间点t1为发生掉电的时间点(实时间点t1的前为供电稳定的状态)，时间点t2为发生回电的时间点，因此，时间点t1至时间点t2为***供电的不稳定时段，此时负载RL所需的供电是由电容C1供应，即电容C1上的储能会被负载RL所抽载。因此，在时间点t1开始，由于电容C1持续地供应负载RL所需的电源，因此***的输出电压Vb逐渐减小。附带一提，图1所示的输入电源Vdc为省略交流电源经整流电路后所得到的直流电源，因此，以直流的输入电源Vdc表现掉电又回电的状况，等效于交流的输入电源发生掉电又回电的状况，合先叙明。
当输入电源Vdc于时间点t2时回电，使得输出电压Vb在时间点t2时瞬间增加，导致产生大的浪涌电流(inrush current)流经电容C1(即电容电流IC1)。如图2所示，输入电源Vdc正常供电时，电容电流IC1大小约为7～10安培，而当掉电后又瞬间回电的状况发生时，电容电流IC1大小约为400安培，这样大的突波电流，轻者将造成开关SW(即断路器)损坏，重者将造成***电路的失效。
为此，如何设计出一种在维持时间期间输入电源回电时所造成的突波电流电能够被大幅度地抑制的突波电流抑制电路，来解决前述的技术问题，乃为本公开发明人所研究的重要课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种突波电流抑制电路，解决现有技术的问题。
为实现前揭目的，本发明所提出的突波电流抑制电路包含一开关、一旁路电阻、一检测电阻以及一比较器。该开关串联耦接于一储能电容的一第一端，该储能电容的一第二端耦接一负载并接收一输入电源，其中该储能电容用以稳定提供给该负载的该输入电源。该旁路电阻并联耦接该开关。该检测电阻串联耦接该开关，且根据流经该储能电容的一电容电流产生一检测电压。该比较器用以比较该检测电压与该参考电压以产生一控制信号。当该检测电压大于该参考电压时，该控制信号控制该开关截止；当该检测电压小于该参考电压时，该控制信号控制该开关导通。
在一实施例中，当该开关截止时，该电容电流经由该旁路电阻流经该检测电阻，借此减小该电容电流。
在一实施例中，当该电容电流大于或等于一上临界电流时，该检测电压大于该参考电压；当该电容电流小于或等于一下临界电流时，该检测电压小于该参考电压。
在一实施例中，该突波电流抑制电路还包含一放大器。该放大器用以放大该检测电压，且将放大的该检测电压输出给该比较器。
在一实施例中，响应于该输入电源的一暂态电压变化，当该电容电流大于或等于该上临界电流，该比较器控制该开关截止，该电容电流流经该旁路电阻，使该电容电流减小；当该电容电流小于或等于该下临界电流，该比较器控制该开关导通，该电容电流流经该开关，使该电容电流增大。
在一实施例中，该开关的一第一端耦接该储能电容的该第二端及该旁路电阻的一第一端，该开关的一第二端耦接该旁路电阻的一第二端及该检测电阻的一第一端。
在一实施例中，该检测电阻的该第一端和一第二端分别耦接于该放大器的一第一输入端和一第二输入端，该放大器的一输出端耦接于该比较器的一第一输入端，该比较器的一第二输入端接收该参考电压，且该比较器的一输出端耦接该开关的一控制端。
通过所提出的突波电流抑制电路，通过直接控制开关的导通与关断，使得电容电流流经不同电阻值的电流路径，而达到有效地调节电容电流的大小，使得当掉电后的瞬间回电的电容电流能够被有效地抑制与控制。
本发明的另一目的在于提供一种电源电路，解决现有技术的问题。
为实现前揭目的，本发明所提出的电源电路用以提供一输入电源给一负载。该电源电路包含一储能电容与一突波电流抑制电路。该储能电容耦接该输入电源与该负载，用以稳定提供给该负载的该输入电源，且一电容电流流经该储能电容。该突波电流抑制电路串联耦接该储能电容。响应于该输入电源的一暂态电压变化，当该电容电流大于或等于一上临界电流，该突波电流抑制电路控制该电容电流减小；当该电容电流小于或等于一下临界电流，该突波电流抑制电路控制该电容电流增大。
在一实施例中，该突波电流抑制电路包含一开关、一旁路电阻、一检测电阻以及一比较器。该开关串联耦接于该储能电容的一第一端，该储能电容的一第二端耦接该负载并接收一输入电源。该旁路电阻并联耦接该开关。该检测电阻串联耦接该开关，且根据流经该储能电容的该电容电流产生一检测电压。该比较器用以比较该检测电压与该参考电压以产生一控制信号。当该检测电压大于该参考电压时，该控制信号控制该开关截止；当该检测电压小于该参考电压时，该控制信号控制该开关导通。
在一实施例中，当该开关截止时，该电容电流经由该旁路电阻流经该检测电阻，借此减小该电容电流。
在一实施例中，当该电容电流大于或等于该上临界电流时，该检测电压大于该参考电压；当该电容电流小于或等于该下临界电流时，该检测电压小于该参考电压。
在一实施例中，该突波电流抑制电路还包含一放大器。该放大器用以放大该检测电压，且将放大的该检测电压输出给该比较器。
在一实施例中，响应于该输入电源的暂态电压变化，当该电容电流大于或等于该上临界电流，该比较器控制该开关截止，该电容电流流经该旁路电阻，使该电容电流减小；当该电容电流小于或等于该下临界电流，该比较器控制该开关导通，该电容电流流经该开关，使该电容电流增大。
通过所提出的电源电路，通过直接控制开关的导通与关断，使得电容电流流经不同电阻值的电流路径，而达到有效地调节电容电流的大小，使得当掉电后的瞬间回电的电容电流能够被有效地抑制与控制。
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
图1：为现有技术的供电***的电路图。
图2：为图1的供电***发生掉电又回电状况的电压、电流波形图。
图3：为本发明具有突波电流抑制电路的供电***的电路图。
图4：为本发明突波电流抑制电路的实施例的电路图。
图5：为本发明具有突波电流抑制电路的供电***发生掉电又回电状况的电压、电流波形图。
附图标记说明：
Vdc输入电源
Sw开关
C1储能电容
RL负载
10突波电流抑制电路
Q1主开关
Rb旁路电阻
Rinrush检测电阻
Cv比较器
Av电压放大器
Dh二极管
Rh电阻
Ri输入电阻
Vinrush检测电压
IC1电容电流
Vb输出电压
Vx增益电压
Vref参考电压
Vg1栅极控制电压
VCP电源电压
t1时间点
t2时间点
具体实施方式
兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下。
请参见图3所示，其为本发明具有突波电流抑制电路的供电***的电路图。该突波电流抑制电路10应用于图1所示的供电***，即该突波电流抑制电路10应用于具有一输入电源Vdc耦接一储能电容C1与一负载RL的电路架构。该突波电流抑制电路10的两端，耦接于储能电容C1的一端(A点)与接地端(B点)之间，即该突波电流抑制电路10与该储能电容C1耦接于同一路径上。
请参见图4所示，其为本发明突波电流抑制电路的实施例的电路图。该突波电流抑制电路10主要包含一主开关Q1、一旁路电阻Rb、一检测电阻Rinrush以及一比较器Cv。该旁路电阻Rb并联耦接该主开关Q1，形成一并联结构。以一金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)作为该主开关Q1为例，该旁路电阻Rb并联耦接于该MOSFET的漏极(drain)与源极(source)之间。该检测电阻Rinrush串联耦接该并联结构，且该检测电阻Rinrush根据流经该储能电容C1的一电容电流IC1产生一检测电压Vinrush，即在检测电阻Rinrush两端所产生电压降的该检测电压Vinrush大小等于该电容电流IC1与该检测电阻Rinrush的乘积(Vinrush＝IC1×Rinrush)。因此，若该电容电流IC1较大，获得的该检测电压Vinrush也较大，反之亦然。
该比较器Cv接收该检测电压Vinrush与一参考电压Vref，且比较该检测电压Vinrush与该参考电压Vref。其中，该参考电压Vref为可调整的参考电压，其是可通过使用一分压电路对一电源电压VCP进行分压所得到，然不以此为限制本发明。
此外，该突波电流抑制电路10还包含一迟滞单元，该迟滞单元是由一二极管Dh与一电阻Rh所组成。具体地，该二极管Dh的阴极端耦接该电阻Rh的一端，形成串联结构的该迟滞单元。该串联结构的一端(即该二极管Dh的阳极端耦接该比较器Cv的输出端，且该串联结构的另一端(即该电阻Rh的另一端)耦接该比较器Cv的非反相输入端。
当该比较器Cv的反相输入端所接收的电压大于非反相输入端所接收的电压时，该比较器Cv输出低电平的电压(即接地电压)。该低电平的电压使得二极管Dh逆偏而截止，因此该迟滞单元相当于开路的状态。在此状态下，该比较器Cv的非反相输入端的电压不受影响。反之，当该比较器Cv的反相输入端所接收的电压小于非反相输入端所接收的电压时，该比较器Cv输出高电平的电压(即该电源电压VCP)。该高电平的电压使得二极管Dh顺偏而导通，因此，相当于该电阻Rh加入该比较器Cv的非反相输入端，如此，该电源电压VCP通过该电阻Rh与一输入电阻Ri分压，而增加非反相输入端的电压值。
因此，通过该迟滞单元，可使得该比较器Cv的反相输入端在前述所增加的电压范围(迟滞范围)内，可提供稳定的输出，因此该比较器Cv的两输入端可从“电压点”的比较变为“电压段”(迟滞范围)的比较，而可允许该比较器Cv的反相输入端所接收的电压在迟滞范围内的波动，仍能得到稳定的输出。
当流经该储能电容C1的该电容电流IC1大于或等于一上临界电流时，该检测电压Vinrush大于该参考电压Vref，该比较器Cv则控制该主开关Q1截止(关断)，该电容电流IC1是流经与该主开关Q1并联的该旁路电阻Rb，使该电容电流IC1减小，达到对该电容电流IC1大于或等于该上临界电流的抑制。反之，当该电容电流IC1小于或等于一下临界电流时，该检测电压Vinrush小于该参考电压Vref，该比较器Cv则控制该主开关Q1导通，该电容电流IC1是流经该主开关Q1，使该电容电流IC1增大。其中，该上临界电流大于该下临界电流。借此，通过直接控制该主开关Q1的导通与截止，使得该电容电流IC1流经不同电流路径，由于不同电流路径的电阻值不同，而达到有效地调节该电容电流IC1的大小，使得当掉电后的瞬间回电的电容电流IC1能够被有效地抑制与控制。
在一实施例中，该突波电流抑制电路10还包含一电压放大器Av。该电压放大器Av的输入端是耦接该检测电阻Rinrush，该电压放大器Av的输出端是耦接该比较器Cv。其中，该电压放大器Av的两输入端是分别耦接该检测电阻Rinrush的两端，以差分放大的方式放大该检测电压Vinrush。
以下，将说明响应于该输入电源的暂态电压变化的情况下该突波电流抑制电路10的作用。在本实施例中，该输入电源的暂态电压变化是指该输入电源Vdc瞬间掉电再回电的状况。具体来说，该输入电源Vdc瞬间掉电再回电，意指着该输入电源Vdc在一时间内从正常工作电压掉到异常工作电压，接着再回到正常工作电压的情况。举例来说，该输入电源Vdc在10至20毫秒的时间内从正常工作电压(例如，127伏特～370伏特)掉到异常电压(例如，0～100伏特)，接着再回到正常工作电压(即127伏特～370伏特)的状况，但本发明并不以此为限。在其他例子中，该输入电源Vdc可通过一个交流电源经由一整流器转换而得到，而该输入电源Vdc瞬间掉电再回电的状况，可例如为，该交流电源从正常工作电压(例如，90伏特～264伏特)在10至20毫秒的时间内掉到异常电压(例如，0～70伏特)，接着再回到正常工作电压(即90伏特～264伏特)，连带着使得该输入电源Vdc相应于该交流电源的变化的情况，但本发明并不以此为限。
请配合参见图4与图5，其中图5为本发明具有突波电流抑制电路的供电***发生掉电又回电状况的电压、电流波形图。
假设供电***在时间点t1时发生输入电源Vdc掉电，因此，负载RL所需的电源则由储能电容C1提供，因此，当负载RL对储能电容C1，输出电压Vb则逐渐减小。在时间点t2时发生输入电源Vdc回电，此时输出电压Vb瞬间增加，但由于流经该储能电容C1的该电容电流IC1受到抑制，因此输出电压Vb增加的程度(斜率)较图2所示的输出电压Vb来得小。因为该电容电流IC1受到抑制，所以从图5可看出该电容电流IC1并不像图2所示的电容电流IC1瞬间突波增加。其中，该电容电流IC1受到抑制与调节的说明如下。
当该输出电压Vb瞬间增加，因此该电容电流IC1瞬间增大，但由于该电容电流IC1大于或等于该上临界电流时，例如但不限制为15安培，该检测电压Vinrush大于该参考电压Vref，假设该参考电压Vref为1伏特。在一实施例中，该检测电阻Rinrush的大小约为0.01欧姆，因此该检测电压Vinrush约为0.15伏特，再者，该检测电压Vinrush经由该电压放大器Av放大后，假设该电压放大器Av的一增益电压Vx约为1.5伏特。由于该增益电压Vx大于该参考电压Vref，因此该比较器Cv输出低电平的一栅极控制电压Vg1。该栅极控制电压Vg1无法驱动该主开关Q1导通，所以该电容电流IC1流经该旁路电阻Rb，使得该电容电流IC1减小，因此达到对该电容电流IC1的抑制，避免该电容电流IC1以突波的方式瞬间增加。
在该电容电流IC1减小的过程中，若当该电容电流IC1小于或等于该下临界电流时，例如但不限制为8安培，该检测电压Vinrush经由该电压放大器Av放大后所得到的该增益电压Vx为0.8伏特。由于该增益电压Vx小于该参考电压Vref，因此该比较器Cv输出高电平的该栅极控制电压Vg1。该栅极控制电压Vg1驱动该主开关Q1导通，所以该电容电流IC1流经该主开关Q1，由于该主开关Q1的导通电阻(RDS(on))相对于该旁路电阻Rb(例如但不限制约为25欧姆)而言相当的小，因此，流经该主开关Q1的该电容电流IC1将增大。然而，一旦该电容电流IC1增大至大于或等于该上临界电流时，该比较器Cv则再次输出低电平的该栅极控制电压Vg1，以关断该主开关Q1，使得该电容电流IC1再次流经该旁路电阻Rb而受到抑制。据此，该电容电流IC1则在增大、减小的过程中呈现稳态振荡的状态，如图5所示，直到突波能量释放完成后，该电容电流IC1则恢复稳态时的电流大小。故此，该突波电流抑制电路10可达到在维持时间期间输入电源回电时所造成的突波电流电能够被大幅度地抑制的技术效果。
综上所述，本发明是具有以下的特征与优点：
1、通过简易的开关、检测电阻与比较电路可实现对突波电流的抑制与调节。
2、通过直接控制主开关的导通与关断，使得电容电流流经不同电阻值的电流路径，而达到有效地调节电容电流的大小，使得当掉电后的瞬间回电的电容电流能够被有效地抑制与控制。
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下述的权利要求为准，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以下本公开的权利要求。
Claims (15)
1.一种突波电流抑制电路，包含：
一开关，串联耦接于一储能电容的一第一端，该储能电容的一第二端耦接一负载并接收一输入电源，其中该储能电容用以稳定提供给该负载的该输入电源；
一旁路电阻，并联耦接该开关；
一检测电阻，串联耦接该开关，且根据流经该储能电容的一电容电流产生一检测电压；及
一比较器，用以比较该检测电压与参考电压以产生一控制信号；
其中，当该检测电压大于该参考电压时，该控制信号控制该开关截止；当该检测电压小于该参考电压时，该控制信号控制该开关导通。
2.如权利要求1所述的突波电流抑制电路，其中当该开关截止时，该电容电流经由该旁路电阻流经该检测电阻，借此减小该电容电流。
3.如权利要求1所述的突波电流抑制电路，其中当该电容电流大于或等于一上临界电流时，该检测电压大于该参考电压；当该电容电流小于或等于一下临界电流时，该检测电压小于该参考电压。
4.如权利要求1所述的突波电流抑制电路，还包含：
一放大器，用以放大该检测电压，且将放大的该检测电压输出给该比较器。
5.如权利要求3所述的突波电流抑制电路，其中响应于该输入电源的一暂态电压变化，当该电容电流大于或等于该上临界电流，该比较器控制该开关截止，该电容电流流经该旁路电阻，使该电容电流减小；当该电容电流小于或等于该下临界电流，该比较器控制该开关导通，该电容电流流经该开关，使该电容电流增大。
6.如权利要求4所述的突波电流抑制电路，其中该开关的一第一端耦接该储能电容的该第二端及该旁路电阻的一第一端，该开关的一第二端耦接该旁路电阻的一第二端及该检测电阻的一第一端。
7.如权利要求6所述的突波电流抑制电路，其中该检测电阻的该第一端和一第二端分别耦接于该放大器的一第一输入端和一第二输入端，该放大器的一输出端耦接于该比较器的一第一输入端，该比较器的一第二输入端接收该参考电压，且该比较器的一输出端耦接该开关的一控制端。
8.如权利要求1所述的突波电流抑制电路，还包含：
一迟滞单元，耦接该比较器的一输出端与接收该参考电压的一输入端之间，用以使该比较器的该输入端在所增加的一电压范围内提供稳定的输出。
9.如权利要求8所述的突波电流抑制电路，其中该迟滞单元包含：
一电阻；及
一二极管，串联耦接该电阻，其中该二极管的一阳极耦接该比较器的该输出端，该二极管的一阴极耦接该比较器的该输入端。
10.一种电源电路，用以提供一输入电源给一负载，包含：
一储能电容，耦接该输入电源与该负载，用以稳定提供给该负载的该输入电源，且一电容电流流经该储能电容；及
一突波电流抑制电路，串联耦接该储能电容；
其中，响应于该输入电源的一暂态电压变化，当该电容电流大于或等于一上临界电流，该突波电流抑制电路控制该电容电流减小；当该电容电流小于或等于一下临界电流，该突波电流抑制电路控制该电容电流增大。
11.如权利要求10所述的电源电路，其中该突波电流抑制电路包含：
一开关，串联耦接于该储能电容的一第一端，该储能电容的一第二端耦接该负载并接收一输入电源；
一旁路电阻，并联耦接该开关；
一检测电阻，串联耦接该开关，且根据流经该储能电容的该电容电流产生一检测电压；及
一比较器，用以比较该检测电压与参考电压以产生一控制信号；
其中，当该检测电压大于该参考电压时，该控制信号控制该开关截止；当该检测电压小于该参考电压时，该控制信号控制该开关导通。
12.如权利要求11所述的电源电路，其中当该开关截止时，该电容电流经由该旁路电阻流经该检测电阻，借此减小该电容电流。
13.如权利要求11所述的电源电路，其中当该电容电流大于或等于该上临界电流时，该检测电压大于该参考电压；当该电容电流小于或等于该下临界电流时，该检测电压小于该参考电压。
14.如权利要求11所述的电源电路，其中该突波电流抑制电路还包含：
一放大器，用以放大该检测电压，且将放大的该检测电压输出给该比较器。
15.如权利要求11所述的电源电路，其中响应于该输入电源的该暂态电压变化，当该电容电流大于或等于该上临界电流，该比较器控制该开关截止，该电容电流流经该旁路电阻，使该电容电流减小；当该电容电流小于或等于该下临界电流，该比较器控制该开关导通，该电容电流流经该开关，使该电容电流增大。
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