短路保護(hù)電路及其電壓調(diào)節(jié)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種短路保護(hù)電路及其電壓調(diào)節(jié)器，耦接于一發(fā)電機(jī)與一控制單元之間，短路保護(hù)電路包括電子開關(guān)、電壓箝制元件與電阻性元件。電子開關(guān)具有控制端、輸入端以及輸出端，電子開關(guān)耦接于發(fā)電機(jī)，控制端受控于控制單元。電壓箝制元件耦接于電子開關(guān)的控制端與輸出端之間。電阻性元件耦接在電子開關(guān)的輸出端與電壓箝制元件的一端之間。電壓箝制元件用以箝制電子開關(guān)的控制端的電壓，以抑制電子開關(guān)的最大導(dǎo)通電流。
【專利說(shuō)明】短路保護(hù)電路及其電壓調(diào)節(jié)器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明為一種保護(hù)電路，且特別指一種電壓調(diào)節(jié)器的短路保護(hù)電路。

【背景技術(shù)】
[0002]一般汽車用發(fā)電機(jī)是將引擎的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，供給電瓶充電，讓電瓶能隨時(shí)保持在充滿電的狀態(tài)下，并且能供應(yīng)汽車上其他電器使用，進(jìn)而確保汽車能夠持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。為了使汽車用的發(fā)電機(jī)輸出的電力不至于過(guò)高或過(guò)低，汽車內(nèi)更會(huì)設(shè)有電壓調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的發(fā)電量。當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出電壓過(guò)高時(shí)，電子開關(guān)關(guān)閉的時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，以降低勵(lì)磁線圈的電流，因此電壓調(diào)節(jié)器會(huì)經(jīng)由勵(lì)磁線圈調(diào)整發(fā)電機(jī)的發(fā)電量。當(dāng)發(fā)電機(jī)的電壓輸出過(guò)低時(shí)，電子開關(guān)成導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)電壓調(diào)節(jié)器則會(huì)控制勵(lì)磁線圈的電流，以調(diào)整發(fā)電機(jī)的發(fā)電量。因此，電壓調(diào)節(jié)器具有穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的輸出電壓的作用，以確保汽車內(nèi)部供電能維持在相當(dāng)?shù)碾娏浚蛊噧?nèi)電器裝置的正常運(yùn)作。
[0003]請(qǐng)參考圖1，圖1為傳統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)器的示意圖。發(fā)電機(jī)12包括整流器124、交流發(fā)電機(jī)126、以及勵(lì)磁線圈122。發(fā)電機(jī)12的勵(lì)磁線圈122與電壓調(diào)節(jié)器10以及電瓶14耦接。當(dāng)汽車啟動(dòng)后(圖未示)，電壓調(diào)節(jié)器10內(nèi)的控制單元102選擇性地導(dǎo)通電子開關(guān)Q1，使得勵(lì)磁線圈122得以形成激磁電流，以控制發(fā)電機(jī)12的發(fā)電量。所述電子開關(guān)可以是金氧半場(chǎng)效晶體管(MOSFET)或絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)。圖1中的電子開關(guān)Ql是以金氧半場(chǎng)效晶體管為例。當(dāng)控制單元102檢測(cè)到發(fā)電機(jī)端點(diǎn)F(+)(勵(lì)磁線圈122的正接線端)的電壓過(guò)高時(shí)，將電子開關(guān)Ql的導(dǎo)通時(shí)間縮短。反之，當(dāng)控制單元102檢測(cè)到發(fā)電機(jī)端點(diǎn)F(+)的電壓過(guò)低時(shí)，將電子開關(guān)Ql的導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng)。
[0004]以下以電子開關(guān)Ql是金氧半場(chǎng)效晶體管為例子來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明電子開關(guān)Ql導(dǎo)通時(shí)的電流情況。請(qǐng)同時(shí)參考圖2A與圖2B，圖2A為一典型的金氧半場(chǎng)效晶體管的漏極電流、柵極電壓與漏極電壓之間關(guān)系曲線圖，圖2B為一典型的金氧半場(chǎng)效晶體管的漏極電流隨著漏極與源極之間SOA曲線圖。以24伏特的電源系統(tǒng)為例，控制單元102導(dǎo)通金氧半場(chǎng)效晶體管Ql時(shí)，此時(shí)金氧半場(chǎng)效晶體管Ql柵極與源極之間的跨壓為10伏特。當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，勵(lì)磁線圈122的正接線端F(+)的電壓等于勵(lì)磁線圈122的負(fù)接線端F(-)的電壓，金氧半場(chǎng)效晶體管Ql的漏極與源極之間的跨壓會(huì)跟勵(lì)磁線圈122正接線端F(+)的電壓發(fā)生同步變動(dòng)，而流經(jīng)金氧半場(chǎng)效晶體管Ql的電流大約為90安培(參照?qǐng)D2A)。此時(shí)，參照?qǐng)D2B，工作點(diǎn)Pl會(huì)位在安全操作區(qū)域(safe operating area, S0A)外,不利于金氧半場(chǎng)效晶體管Ql0
[0005]更進(jìn)一步的說(shuō)，目前市面上的金氧半場(chǎng)效晶體管Ql零件特性越來(lái)越好，導(dǎo)通電阻Rds (on)越來(lái)越小，相對(duì)的金氧半場(chǎng)效晶體管Ql漏極與源極之間的跨壓Vds(on)越來(lái)越低，因此，對(duì)既有的電壓檢測(cè)型的短路保護(hù)電路越來(lái)越不利。換句話說(shuō)，在正常情況下，金氧半場(chǎng)效晶體管Ql會(huì)操作在安全操作區(qū)域(safe operating area, S0A)內(nèi)，但是勵(lì)磁線圈122發(fā)生短路時(shí)，因?yàn)閷?dǎo)通電阻Rds(on)非常小，因此流經(jīng)金氧半場(chǎng)效晶體管Ql的瞬間電流相對(duì)偏高，長(zhǎng)時(shí)間下來(lái)將不利于金氧半場(chǎng)效晶體管Q1，可能導(dǎo)致金氧半場(chǎng)效晶體管Ql損壞。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于利用低成本以及較小的電路設(shè)計(jì)方式，改善電壓檢測(cè)型短路保護(hù)電路。在正常應(yīng)用下，電子開關(guān)驅(qū)動(dòng)能力不變；在短路發(fā)生時(shí)，電子開關(guān)能工作于安全操作區(qū)域(safe operating area, S0A)內(nèi)。
[0007]本發(fā)明實(shí)施例提供一種短路保護(hù)電路，耦接于發(fā)電機(jī)與控制單元之間，該短路保護(hù)電路包括:電子開關(guān)、電壓箝制元件與電阻性元件。
[0008]本發(fā)明實(shí)施例可在12伏特或是24伏特的電源系統(tǒng)下使用，且本發(fā)明利用較簡(jiǎn)易的電路架構(gòu)來(lái)改善既有離散元件保護(hù)電路以及集成電路的電路架構(gòu)，以減少電路成本。
[0009]本發(fā)明短路保護(hù)電路可使電子開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓在正常運(yùn)用下維持在預(yù)設(shè)電壓，而當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，適當(dāng)降低電子開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓，以抑制流經(jīng)電子開關(guān)的電流，因此，電子開關(guān)可工作于安全操作區(qū)域內(nèi)，強(qiáng)化短路保護(hù)特性。
[0010]為使能更進(jìn)一步了解本發(fā)明的特征及技術(shù)內(nèi)容，請(qǐng)參閱以下有關(guān)本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明與附圖，但是此等說(shuō)明與所附圖式僅用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的權(quán)利要求范圍作任何的限制。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是傳統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)器的示意圖。
[0012]圖2A是一典型的金氧半場(chǎng)效晶體管的漏極電流隨著漏極與源極之間的電壓變化的特性曲線圖。
[0013]圖2B是一典型的金氧半場(chǎng)效晶體管的漏極電流隨著漏極與源極之間的電壓變化的特性曲線圖。
[0014]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的短路保護(hù)的電路圖。
[0015]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中金氧半場(chǎng)效晶體管的漏極電流隨著漏極與源極之間的電壓變化的特性曲線圖。
[0016]圖5是本發(fā)明另一實(shí)施例的短路保護(hù)電路示意圖。
[0017]其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下:
[0018]10、20、30:電壓調(diào)節(jié)器
[0019]12、22:發(fā)電機(jī)
[0020]14、24:電瓶
[0021]102、202:控制單元
[0022]122、222:勵(lì)磁線圈
[0023]204:短路保護(hù)電路
[0024]124、224:交流發(fā)電機(jī)
[0025]126、226:整流器
[0026]Q1、Q2:電子開關(guān)
[0027]Rl:電阻
[0028]Dl:第一二極管
[0029]D2:齊納二極管
[0030]C10、C20:曲線
[0031]Pl:工作點(diǎn)
[0032]A:接線端
[0033]F:磁場(chǎng)接線端
[0034]G:接地端
[0035]F(+):正接線端
[0036]F(_):負(fù)接線端
[0037]GND:接地

【具體實(shí)施方式】
[0038]以下實(shí)施例是利用三線式的方式進(jìn)行說(shuō)明，所屬【技術(shù)領(lǐng)域】技術(shù)人員可以依據(jù)發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器的功能需求，將三線式改成四線式、五線式、六線式等，故本發(fā)明在此不加以限制。另，發(fā)電機(jī)運(yùn)作原理亦不在此贅述，僅簡(jiǎn)述與本發(fā)明相關(guān)部份。
[0039]請(qǐng)參照?qǐng)D3，圖3繪示本發(fā)明實(shí)施例提供的短路保護(hù)的電路圖。電壓調(diào)節(jié)器20包括控制單元202、第一二極管Dl與短路保護(hù)電路204。本實(shí)施例中的控制單元202是采用三線式(3pins)，具有接線端(A)、磁場(chǎng)接線端(F)及接地端(G)?？刂茊卧?02的接線端(A)耦接于發(fā)電機(jī)22的輸出端與電瓶24，磁場(chǎng)接線端(F)耦接發(fā)電機(jī)22的勵(lì)磁線圈222。第一二極管Dl與勵(lì)磁線圈222并聯(lián)，如圖3所示，第一二極管Dl的陰極耦接控制單元202的接線端(A)，第一二極管Dl的陽(yáng)極耦接控制單元202的磁場(chǎng)接線端(F)，以使第一二極管Dl與發(fā)電機(jī)22的勵(lì)磁線圈222并聯(lián)。發(fā)電機(jī)22包括交流發(fā)電機(jī)224、整流器226與勵(lì)磁線圈222。其中，交流發(fā)電機(jī)224與整流器226耦接，且整流器226經(jīng)由勵(lì)磁線圈222與電壓調(diào)節(jié)器耦接，且整流器226和電瓶24耦接。
[0040]短路保護(hù)電路204耦接于發(fā)電機(jī)22與控制單元202之間?？刂茊卧?02依據(jù)檢測(cè)到發(fā)電機(jī)22電壓的高低來(lái)調(diào)整電子開關(guān)Q2的導(dǎo)通或截止時(shí)間，以調(diào)整勵(lì)磁線圈的正接線端F(+)與負(fù)接線端F(-)之間的導(dǎo)通電流，達(dá)到電壓控制的目的。短路保護(hù)電路204包括電子開關(guān)、電壓箝制元件與電阻性元件，其中電壓箝制元件耦接于電子開關(guān)的控制端與輸出端之間，電阻性元件耦接在電子開關(guān)的輸出端與電壓箝制元件的一端之間。電壓箝制元件用以箝制電子開關(guān)的控制端的電壓，以抑制電子開關(guān)的最大導(dǎo)通電流。電壓箝制元件例如是齊納二極管，電阻性元件例如是電阻，所述電子開關(guān)Q2可以是金氧半場(chǎng)效晶體管(MOSFET)或絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)，電阻性元件可以是由導(dǎo)體油墨制成，但本發(fā)明并不因此限定。電子開關(guān)與發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁線圈串聯(lián)，如圖3所示，電子開關(guān)Q2的輸入端經(jīng)由磁場(chǎng)接線端(F)與發(fā)電機(jī)22的勵(lì)磁線圈222耦接。電子開關(guān)Q2的輸出端通過(guò)電阻Rl耦接至接地端(G)，且電阻Rl耦接于電子開關(guān)Q2的輸出端與齊納二極管D2的陽(yáng)極之間。電子開關(guān)Q2的控制端耦接齊納二極管D2的陰極端并且受控于控制單元202。本實(shí)施例在此設(shè)計(jì)下，短路保護(hù)電路204內(nèi)所使用的電子開關(guān)Q2為N型金氧半場(chǎng)效晶體管，在其它實(shí)施例中亦可設(shè)計(jì)為P型金氧半場(chǎng)效晶體管，本發(fā)明在此不加以限制。
[0041]基于上述圖3的電路架構(gòu)，接下來(lái)進(jìn)一步的說(shuō)明其中的工作原理?？刂茊卧?02接收發(fā)電機(jī)22的勵(lì)磁線圈的正接線端F(+)的輸出電壓，用以判斷發(fā)電機(jī)22的輸出電壓的大小。當(dāng)電子開關(guān)Q2因控制端所提供的電壓而導(dǎo)通時(shí)，形成電流流經(jīng)勵(lì)磁線圈222，使發(fā)電機(jī)22發(fā)電。當(dāng)勵(lì)磁線圈222發(fā)生短路時(shí)，流過(guò)電子開關(guān)Q2的電流會(huì)大幅度增加，此時(shí)，齊納二極管D2的導(dǎo)通會(huì)箝制電子開關(guān)Q2的控制端的電壓，以抑制電子開關(guān)Q2的最大導(dǎo)通電流。電阻Rl會(huì)減少電子開關(guān)Q2的控制端與輸出端之間的跨壓。藉此，避免電子開關(guān)Q2承受不住過(guò)大功率而損壞。
[0042]請(qǐng)同時(shí)參照?qǐng)D3與圖4，圖4是本發(fā)明實(shí)施例中電子開關(guān)為金氧半場(chǎng)效晶體管時(shí)，其漏極電流隨著漏極與源極之間的電壓變化的特性曲線圖。而當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，電阻Rl會(huì)造成金氧半場(chǎng)效晶體管的柵極與源極之間的跨壓減少，而使流經(jīng)金氧半場(chǎng)效晶體管的電流ID由曲線ClO變?yōu)榍€C20。藉此，使金氧半場(chǎng)效晶體管工作于安全操作區(qū)域(safeoperating area, S0A)內(nèi)。
[0043]請(qǐng)參照?qǐng)D5，其繪示本發(fā)明短路保護(hù)電路及其電壓調(diào)節(jié)器的另一實(shí)施例。本實(shí)施例中的元件與上述的實(shí)施例相同者，是采用一致的符號(hào)標(biāo)示。并且本實(shí)施例的短路保護(hù)電路204的工作原理與達(dá)成的功效是與上述的實(shí)施例相同，同樣可以使電子開關(guān)Q2在發(fā)生短路時(shí)仍能維持工作于安全操作區(qū)域內(nèi)，進(jìn)而避免電子開關(guān)Q2的損壞。本實(shí)施例的電子開關(guān)Q2是金氧半場(chǎng)效晶體管，如圖5所示。電子開關(guān)Q2也可以是絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)。
[0044]本實(shí)施例與上述實(shí)施例主要的差異點(diǎn)在于短路保護(hù)電路204與第一二極管Dl的設(shè)置位置。于本實(shí)施例中，電壓調(diào)節(jié)電路30包括控制單元202、第一二極管Dl與短路保護(hù)電路204?？刂茊卧?02的磁場(chǎng)接線端(F)與接地端(G)分別耦接勵(lì)磁線圈222的正接線端F(+)與負(fù)接線端F(-)。第一二極管Dl的陰極耦接控制單元202的磁場(chǎng)接線端(F)，第一二極管Dl的陽(yáng)極耦接接地端(G)，使得第一二極管Dl與發(fā)電機(jī)22的勵(lì)磁線圈222并聯(lián)。
[0045]短路保護(hù)電路204的電子開關(guān)Q2的輸入端耦接控制單元202的正接線端(A)與發(fā)電機(jī)22。電子開關(guān)Q2的控制端耦接齊納二極管D2的陰極且受控于控制單元202。電阻Rl耦接電子開關(guān)Q2的輸出端與齊納二極管D2的陽(yáng)極之間，且齊納二極管D2的陽(yáng)極耦接磁場(chǎng)接線端(F)。當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，電阻Rl會(huì)造成電子開關(guān)Q2的控制端與輸出端之間的跨壓減少，藉此抑制流經(jīng)電子開關(guān)Q2的最大導(dǎo)通電流，以避免電子開關(guān)Q2承受不住過(guò)大功率而損壞。
[0046]綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例所提供的短路保護(hù)電路是耦接于發(fā)電機(jī)與控制單元之間，短路保護(hù)電路內(nèi)的電壓箝制元件箝制電子開關(guān)的控制端的電壓，以抑制電子開關(guān)的最大導(dǎo)通電流。短路保護(hù)電路內(nèi)的電阻用以降低在發(fā)生短路時(shí)的電子開關(guān)的輸入端與輸出端之間的跨壓，讓電子開關(guān)工作于安全操作區(qū)域內(nèi)，強(qiáng)化短路保護(hù)特性。
[0047]再者，本發(fā)明實(shí)施例可以在12伏特或是24伏特的電源系統(tǒng)下使用，且本發(fā)明利用較簡(jiǎn)易的電路設(shè)計(jì)，改善既有控制單元內(nèi)的電壓檢測(cè)型短路保護(hù)電路，增強(qiáng)短路保護(hù)效果。
[0048]以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，其并非用以局限本發(fā)明的專利權(quán)利要求范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種短路保護(hù)電路，耦接于一發(fā)電機(jī)與一控制單元之間，其特征在于，該短路保護(hù)電路包括: 一電子開關(guān)，具有一控制端、一輸入端以及一輸出端，該電子開關(guān)I禹接于該發(fā)電機(jī)，該控制端受控于該控制單元； 一電壓箝制元件，耦接于該電子開關(guān)的該控制端與該輸出端之間；以及 一電阻性元件，耦接在該電子開關(guān)的該輸出端與該電壓箝制元件的一端之間； 其中，該電壓箝制元件用以箝制該電子開關(guān)的該控制端的電壓，以抑制該電子開關(guān)的最大導(dǎo)通電流。
2.如權(quán)利要求1所述的短路保護(hù)電路，其特征在于，其中該電子開關(guān)是金氧半場(chǎng)效晶體管或絕緣柵極雙極性晶體管。
3.如權(quán)利要求1所述的短路保護(hù)電路，其特征在于，其中該電子開關(guān)與該發(fā)電機(jī)的一勵(lì)磁線圈串聯(lián)。
4.如權(quán)利要求3所述的短路保護(hù)電路，其特征在于，更包括一第一二極管，與該勵(lì)磁線圈并聯(lián)。
5.如權(quán)利要求1所述的短路保護(hù)電路，其特征在于，其中該電壓箝制元件是一齊納二極管。
6.如權(quán)利要求1所述的短路保護(hù)電路，其特征在于，其中該電阻性元件是由導(dǎo)體油墨制成。
7.一種電壓調(diào)節(jié)器，用以調(diào)整一發(fā)電機(jī)的一勵(lì)磁線圈的電量，其特征在于，該電壓調(diào)節(jié)器包括: 一控制單兀； 一第一二極管，耦接該控制單元，且與該發(fā)電機(jī)的該勵(lì)磁線圈并聯(lián)；以及 一短路保護(hù)電路，耦接于該發(fā)電機(jī)與該控制單元之間，該短路保護(hù)電路包括: 一電子開關(guān)，具有一控制端、一輸入端以及一輸出端，該電子開關(guān)I禹接于該發(fā)電機(jī)的該勵(lì)磁線圈，該控制端受控于該控制單元； 一電壓箝制元件，耦接于該電子開關(guān)的該控制端與該輸出端之間，該電壓箝制元件用以箝制該電子開關(guān)的該控制端的電壓，以抑制該電子開關(guān)的最大導(dǎo)通電流；以及一電阻性元件，耦接在該電子開關(guān)的該輸出端與該電壓箝制元件的一端之間； 其中，該控制單元通過(guò)該控制端控制該電子開關(guān)的導(dǎo)通或截止。
8.如權(quán)利要求7所述的電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于，其中該電子開關(guān)是金氧半場(chǎng)效晶體管或絕緣柵極雙極性晶體管。
9.如權(quán)利要求7所述的電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于，其中該電壓箝制元件是一齊納二極管。
10.如權(quán)利要求7所述的電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于，其中該電阻性元件是由導(dǎo)體油墨制成。
【文檔編號(hào)】H02P9/10GK104052354SQ201310083999
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】王素惠, 黃正昌, 黃郅纮, 陳志晃 申請(qǐng)人:環(huán)旭電子股份有限公司, 環(huán)鴻科技股份有限公司