專利名稱：電流驅(qū)動型電子斷路保護裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電流驅(qū)動型電子斷路保護裝置，特別是指一種利用一電流電壓轉(zhuǎn)換組件，控制電流鏡中一只晶體管的射極或源極電壓，使電流鏡的兩側(cè)產(chǎn)生不對稱的電流，進而推動驅(qū)動電路，截斷電流回路，達到短路或過電流保護的目的。
背景技術(shù)：
習(xí)知的斷路保護或過載電流保護，大致可分為機械式(熱變形式，ThermalDeformation)，電子機械式(磁簧式，Reed Switch)，或是純電子式等。這樣的電流保護機制，使用于發(fā)電機或變壓器等電源系統(tǒng)或小型的直流系統(tǒng)時，由于電源系統(tǒng)會隨電流負荷增加而降低工作電壓(Supply Voltage)，且電流回路上具有一定的阻抗，雖然斷路的反應(yīng)不快，在瞬時的電流增加率不大的情形下，習(xí)用的保護電路仍可安全的運作。但是不可諱言的，隨著直流電源大幅度的使用于電動機械(Power Tools，E-bike，E-motor，Hybrid Motor)，以及低內(nèi)阻高功率電池(LowEquivalent Serial Impedance & High Power Battery)的開發(fā)，電流保護電路必需能夠快速地探測過載或短路狀態(tài)，并能快速地切斷電流回路，以保護這一類的低內(nèi)阻高功率電池，免于內(nèi)部瞬時發(fā)熱所造成的電池損傷，并且避免由于外部高電流所可能產(chǎn)生的危險。過去常用的電流保護機制，簡單敘述如下1、機械式過電流保護常用于家用或廠用的AC電源，依電力配線的大小(安培數(shù))，而使用熱融式保險絲(Thermal Fuse)，熱變形式簧片(Thermal Breaker)，或是可回復(fù)式的聚合保險絲(Polymeric Positive Temperature Coefficient Fuse)。這一類的保險絲雖然具備了簡單價廉的優(yōu)點，但是在使用上必需使保護電路為發(fā)熱點(hotspot)，或電流限制點(Current Constraining)，這樣的保護電流必然會大幅增加回路阻抗，也因為探測的物理量為溫度，而非電流本身，需要一定的發(fā)熱時間，才會有正確的斷路動作。如此的電流保護組件，用于電能有限的直流系統(tǒng)，或是電源為變壓器的交流系統(tǒng)，尚可(barely enough)達到電流保護的要求。
2、電子機械式是使用于較高安培數(shù)的交流電力系統(tǒng)，它的開啟是利用低功率(Low Power)的交流電源，產(chǎn)生電磁力(electromagnetic Force)以開啟簧片開關(guān)(Reed Switch)。在過電流發(fā)生時，電流產(chǎn)生的磁場(magnetic field)會抑制開啟的電磁力，使簧片開關(guān)跳脫切斷電流回路。由于斷路的機制是由簧片彈力(ElasticForce)，反應(yīng)速度快過習(xí)用機械式開關(guān)，可使用于較大的電流回路上，但斷路時間仍在數(shù)十個毫秒(millisecond)。
3、傳統(tǒng)電子式開關(guān)電子機械式在大電流放電時雖不致對電力系統(tǒng)外部造成損害，但對于敏感的電力系統(tǒng)，如電池系統(tǒng)(Battery Powered System)，或穩(wěn)壓后的直流系統(tǒng)(Regulated DC System)，仍然可能造成電力系統(tǒng)內(nèi)部的損傷。習(xí)用電子式開關(guān)使用一電流檢測組件，經(jīng)過內(nèi)部放大及閂鎖，啟動斷路機制，如圖1所示。由于電流保護電路通常有低自耗(Low Self-dissipation)的要求，在使用習(xí)知電壓驅(qū)動電路時，反應(yīng)速度遠比電流驅(qū)動慢，即使是利用差動電路(DifferentialInput)，也會因為高阻抗電路的寄生電容效應(yīng)(Parasitic Capacitance Effect)而降低反應(yīng)速度，此類電路設(shè)計的反應(yīng)時間多在數(shù)個毫秒(millisecond)。由于在關(guān)閉的瞬間，短路時的大電流及電源的大部份電壓，將同時出現(xiàn)在電子開關(guān)的兩側(cè)，過長的反應(yīng)時間可能會大幅衰減電子開關(guān)的壽命。
由此可見，上述習(xí)用技術(shù)仍有諸多不足，并不是完善的設(shè)計，亟待加以改良。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種具有快速、低損失及可自動復(fù)歸等特點的電流驅(qū)動型電子斷路保護裝置。
為達到上述目的，本發(fā)明所提供的一種電流驅(qū)動型電子斷路保護裝置，其由一電流鏡電路、一閂鎖電路及一功率型金氧半場效晶體管所組成，其利用一電流電壓轉(zhuǎn)換組件，控制電流鏡中一只雙極性接面晶體管的射極電壓，使電流鏡的兩側(cè)產(chǎn)生不對稱的電流，通過電流鏡的安排，即可使電流檢知回路中的晶體管保持在工作區(qū)，再利用閂鎖電路，推動功率型金氧半場效晶體管所構(gòu)成的開關(guān)電路。
上述本發(fā)明的技術(shù)方案中，所述閂鎖電路為由獨立組件或集成組件所構(gòu)成的具有閂鎖功能的邏輯電路。
本發(fā)明另一技術(shù)方案所提供的一種電流驅(qū)動型電子斷路保護裝置，其由一電流鏡電路、一閂鎖電路及一功率型金氧半場效晶體管所組成，其利用一電流電壓轉(zhuǎn)換組件，控制電流鏡中一只場效晶體管的源極電壓，使電流鏡的兩側(cè)產(chǎn)生不對稱的電流，通過電流鏡的安排，即可使電流檢知回路中的晶體管保持在工作區(qū)，再利用閂鎖電路，推動功率型金氧半場效晶體管所構(gòu)成的開關(guān)電路。
采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明由于電流鏡可在電路的另一側(cè)復(fù)制等比例的電流，在使用上可以改變電流的方向，搭配電阻性負載，也可產(chǎn)生對稱的(oppositive)電壓訊號，因此被大量使用于運算放大器。電流鏡電路因為具有電流驅(qū)動的優(yōu)良電氣特性，借著電流在半導(dǎo)體中的載子(Carrier)推動，可在小電流的工作點產(chǎn)生快速的狀態(tài)轉(zhuǎn)移(State Transience)，因此也大量使用于高速低損耗的轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器(Operational Transconductance Amplifier，OTA)、切換電容電路(SwitchingCapacitor Amplifier，SC Circuit)及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路(Digital-to Analog Converter)。因為晶體管組件，如雙極晶體管(Bipolar Junction Transistor，BJT)、場效晶體管(Field-Effect Transistor，F(xiàn)ET)或金氧半場效晶體管(Metal Oxide SemiconductorFET，MOSFET)的轉(zhuǎn)導(dǎo)電流對基射間偏壓(VBE)或柵源間偏壓(VGS)有極佳的反應(yīng)速度，再通過電流鏡的安排，可使電流檢知回路中的四個晶體管保持在工作區(qū)，再利用閂鎖電路(Latch Circuit)推動功率型金氧半場效晶體管所構(gòu)成的開關(guān)電路，則可完成一具有快速、低損失及可自動復(fù)歸等特點的電子斷路保護裝置。
由于電流鏡在低電流時仍可提供足夠的反應(yīng)速度，且由金氧半場效晶體管及雙極晶體管所構(gòu)成的閂鎖電路，在開啟狀態(tài)時無電流通過，因此沒有任何功率損失，再者，該功率型金氧半場效晶體管所構(gòu)成的開關(guān)電路的導(dǎo)通阻抗可低至2～6毫奧姆(mΩ)，甚至低于電流保險絲或磁簧開關(guān)的內(nèi)阻，因此由電流鏡所構(gòu)成的電流過載斷路保護開關(guān)，其整體功率損耗甚至低于習(xí)用最簡單的機械式保護開關(guān)，而其快速保護，且可以重復(fù)數(shù)千次保護動作的特性，更為習(xí)用技術(shù)所不及。


圖1是習(xí)知用于電子開關(guān)中的電流檢知架構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明的電路架構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明的實施例示意圖；圖4是本發(fā)明在短路時所測得的電池電壓電流波形圖。
具體實施例方式
為了詳細說明本發(fā)明的組成及特點，現(xiàn)舉以下較佳實施例并配合

如下。
如圖2所示，為本發(fā)明電流驅(qū)動型電子斷路保護裝置的電路架構(gòu)圖，由圖中可知，本發(fā)明所提供的電流驅(qū)動型電子斷路保護裝置1，其由一電流鏡電路11、一閂鎖電路12及一功率型金氧半場效晶體管13所組成。本發(fā)明利用一電流轉(zhuǎn)電壓的訊號，抬高探測點晶體管Q2b的射極電壓，由于晶體管Q2b的基極(Base)與晶體管Q2a的基極連接在同一電路節(jié)點上(Circuit Node)，當(dāng)電流在金氧半場效晶體管的導(dǎo)通阻抗(RDS_ON)上的壓降大于晶體管Q2a的基極電壓時(Ibias×R1)，流過晶體管Q2b的電流會因為晶體管Q2b的基射間偏壓(VBE)降低而減少，使得晶體管Q1b鏡射電流(Mirror Current)將大于流過晶體管Q2b的電流，而經(jīng)電阻R2接地。當(dāng)電流大于下一級金氧半場效晶體管的導(dǎo)通電壓時(Turn On Voltage)，短路或過載電流訊號便送往下一級的閂鎖電路或微處理器處理。
電流鏡電路11中的各晶體管可以采用雙極性接面晶體管，也可以采用場效晶體管，控制其源極電壓，使電流鏡11的兩側(cè)產(chǎn)生不對稱的電流，同樣可以實現(xiàn)本發(fā)明的功效。
如圖3所示，為本發(fā)明電流驅(qū)動型電子斷路保護裝置的實施例架構(gòu)圖，本實施例是將本發(fā)明所提供的電流驅(qū)動型電子斷路保護裝置1，實際應(yīng)用于五串的鋰電池(5S Li-Iron Battery)組的放電保護電路中。由于原本使用于電動工具(PowerTools)的鎳鎘電池(Ni-Cd battery)，可具有瞬間大電流放電、低電池電壓不受損、極低的電池內(nèi)阻及高工作溫度(High Operating Temperature)的特性，當(dāng)使用鋰電池取代鎳鎘電池時，除了應(yīng)有的低電池電壓，高工作溫度的保護之外，更應(yīng)針對低內(nèi)阻鋰電池可能產(chǎn)生的短路電流破壞，做更完整的保護。整體電路的動作原理是利用功率型金氧半場效晶體管的導(dǎo)通阻抗(RDS_ON)，作為電流轉(zhuǎn)電壓的訊號，并通過晶體管Q1a、晶體管Q1b、晶體管Q2a、晶體管Q2b所構(gòu)成的電流鏡，將短路或過電流訊號送往閂鎖電路(Latch)或微處理器(MCU)，再利用數(shù)字電路(LogicCircuit)將功率型金氧半場效晶體管的柵源極導(dǎo)通，進而切斷電流回路。微處理器(MCU)除了負責(zé)電池電壓的修正計算(Calibration)，短路或過電流狀態(tài)消除后的復(fù)歸，也可用以處理電流鏡輸出的訊號，以韌體的方式延緩反應(yīng)時間。同時，如圖4所示，為上述實施例所測得的回路電流與金氧半場效晶體管柵極電壓的工作波型。在上述實施例中，工作時的偏流(Bias Current)約為30uA，短路電流啟動點則設(shè)定在80A，而短路時的截斷時間僅為25us。
以上所述，僅為針對本發(fā)明的一可行實施例的具體說明，并不能用來限制本發(fā)明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明的發(fā)明思想所作的等效實施或變換，均應(yīng)包含在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電流驅(qū)動型電子斷路保護裝置，其由一電流鏡電路、一閂鎖電路及一功率型金氧半場效晶體管所組成，其利用一電流電壓轉(zhuǎn)換組件，控制電流鏡中一只雙極性接面晶體管的射極電壓，使電流鏡的兩側(cè)產(chǎn)生不對稱的電流，通過電流鏡的安排，即可使電流檢知回路中的晶體管保持在工作區(qū)，再利用閂鎖電路，推動功率型金氧半場效晶體管所構(gòu)成的開關(guān)電路。
2.如權(quán)利要求1所述的電流驅(qū)動型電子斷路保護裝置，其特征在于所述閂鎖電路為由獨立組件或集成組件所構(gòu)成的具有閂鎖功能的邏輯電路。
3.一種電流驅(qū)動型電子斷路保護裝置，其由一電流鏡電路、一閂鎖電路及一功率型金氧半場效晶體管所組成，其利用一電流電壓轉(zhuǎn)換組件，控制電流鏡中一只場效晶體管的源極電壓，使電流鏡的兩側(cè)產(chǎn)生不對稱的電流，通過電流鏡的安排，即可使電流檢知回路中的晶體管保持在工作區(qū)，再利用閂鎖電路，推動功率型金氧半場效晶體管所構(gòu)成的開關(guān)電路。
4.如權(quán)利要求3所述的電流驅(qū)動型電子斷路保護裝置，其特征在于所述閂鎖電路為由獨立組件或集成組件所構(gòu)成的具有閂鎖功能的邏輯電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電流驅(qū)動型電子斷路保護裝置，其由一電流鏡電路、一閂鎖電路及一功率型金氧半場效晶體管所組成。其利用一電流電壓轉(zhuǎn)換組件(Current－to－Voltage Converter)，控制電流鏡中一只晶體管的射極(the Emitter ofBJT)或源極(the Source of FET)電壓，使電流鏡的兩側(cè)產(chǎn)生不對稱的電流，提供電流鏡的安排，即可使電流檢知回路中的四個晶體管保持在工作區(qū)，再利用閂鎖電路(Latch Circuit)，推動功率型金氧半場效晶體管構(gòu)成的開關(guān)電路，形成一具有快速、低損失及可自動復(fù)歸等特點的電子斷路保護裝置。
文檔編號H02H3/08GK101064423SQ20061007602
公開日2007年10月31日 申請日期2006年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月24日
發(fā)明者舒英豪, 李國銘, 馬斌嚴(yán) 申請人:宇泉能源科技股份有限公司