| CN101119020A | 2008-02-06 | |||
| CN103036196A | 2013-04-10 | |||
| CN202353175U | 2012-07-25 |
| 权 利 要 求 1、 一种过压保护装置， 其特征在于， 包括： 判决单元， 其输入端连接至所述装置的输入端， 所述判决单 元的输出端与緩启单元的输入端相连， 用于判断所述装置的输入 端的输入电压是否超过预设的保护电压， 并将判决结果发送至緩 启单元； 緩启单元，其输入端分别与所述判决单元的输出端以及所述 装置的输入端相连， 所述緩启单元的输出端与所述装置的输出端 护电压， 且在预设的延迟时间内保持稳定， 则所述緩启单元将所 述输入电压输出至所述装置的输出端， 否则， 不向所述装置的输 出端输出电压信号。 2、 根据权利要求 1所述的过压保护装置， 其特征在于， 所述判决单元包括： 第一晶体管， 其源极连接至所述装置的输入端， 漏极与 所述緩启单元的输入端相连； 稳压二极管， 其正极连接至所述第一晶体管的栅极， 负 极连接至接地端； 以及 第二电阻器， 连接在所述第一晶体管的源极和栅极之 间； 所述緩启单元包括： 第二晶体管， 其源极连接至所述装置的输入端， 其栅极 连接至所述第一晶体管的漏极， 其漏极连接至所述装置的输出 ； 第一电阻器，连接在所述第二晶体管的栅极和接地端之 间； 以及 电容器， 连接在所述第二晶体管的源极和栅极之间。 3、 根据权利要求 2所述的过压保护装置， 其特征在于， 所述 所述第二晶体管在所述输入电压不超过所述预设的保护电压且 在预设的延迟时间内保持稳定后导通。 4、 根据权利要求 2所述的过压保护装置， 其特征在于， 所述 5、 根据权利要求 2至 4中任一项所述的过压保护装置， 其特 征在于， 所述预设的保护电压由所述稳压二极管的稳压值与所述 第一晶体管的阈值电压之和决定。 6、 根据权利要求 2至 5中任一项所述的过压保护装置， 其特 征在于， 所述第一晶体管和第二晶体管为 PMOS晶体管。 7、 一种过压保护方法， 其特征在于， 包括： 判断输入电压是否超过预设的保护电压； 若所述输入电压不超过所述预设的保护电压，且在预设的延 迟时间内稳定， 则输出所述输入电压， 否则， 不输出电压信号。 |
本发明涉及一种过压保护装置， 更具体地， 涉及一种防止高 压电源误连接在低压设备上的过压保护装置及 方法。
背景技术
现有的电子产品和设备通常都是通过将外部电 源适配器连 接在待供电设备与电源之间来实现供电的， 但是由于业界没有统 一的标准， 各大厂家的设备适用的电压不尽相同， 这就导致了一 个问题： 当客户误将不同厂家的适配器连接在设备上时 ， 有可能 因为适配器电压与设备不匹配而损坏设备， 尤其在将高压适配器 误连接在低压设备上时， 可能直接导致低压设备过压烧毁。
现有的防止高压适配器误连接在低压设备上的 方案是采用专 用保护器件，即在设备上采用保险丝等过压保 护专用芯片。但是， 现有的保险丝等过压保护专用芯片存在误供电 现象， 即当连接高 压适配器时， 在输入电压上升的过程中， 会出现对设备的短暂性 供电， 只有当输入电压达到设定的保护值时才会将电 源关断， 这 样就使得设备在电源接通时会有瞬间供电的状 态， 影响用户体 验。
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的在于提出一种过压保护装置及方 法， 其能够保 证只有在正确稳定的电源接入时， 才对设备进行供电。
用于解决问题的方案 为达到以上目的， 在本发明的第一方面中提出了一种过压保 护装置， 其包括： 判决单元， 其输入端连接至所述装置的输入端， 所述判决单元的输出端与緩启单元的输入端相 连， 用于判断所述 装置的输入端的输入电压是否超过预设的保护 电压， 并将判决结 果发送至緩启单元； 緩启单元， 其输入端分别与所述判决单元的 输出端以及所述装置的输入端相连， 所述緩启单元的输出端与所 述装置的输出端相连， 若所述判决单元判断为所述输入电压不超 过所述预设的保护电压， 且在预设的延迟时间内保持稳定， 则所 述緩启单元将所述输入电压输出至所述装置的 输出端， 否则， 不 向所述装置的输出端输出电压信号。
结合第一方面， 在第一种可能的实施方式中， 所述判决单元 包括： 第一晶体管， 其源极连接至所述装置的输入端， 漏极与所 述緩启单元的输入端相连； 稳压二极管， 其正极连接至所述第一 晶体管的栅极， 负极连接至接地端； 以及第二电阻器， 连接在所 述第一晶体管的源极和栅极之间；
所述緩启单元包括： 第二晶体管， 其源极连接至所述装置的 输入端， 其栅极连接至所述第一晶体管的漏极， 其漏极连接至所 述装置的输出端； 第一电阻器， 连接在所述第二晶体管的栅极和 接地端之间； 以及电容器， 连接在所述第二晶体管的源极和栅极 之间。
结合第一方面的第一种可能的实施方式， 在第二种可能的实 施方式中， 所述第一晶体管在所述输入电压不超过所述预 设的保 护电压时关断， 所述第二晶体管在所述输入电压不超过所述预 设 结合第一方面的第一种可能的实施方式， 在第三种可能的实 施方式中， 当所述第一晶体管在所述输入电压超过所述预 设的保 护电压时导通， 所述第二晶体管在所述输入电压超过所述预设 的 保护电压时关断。
结合第一方面的第一、 第二或第三种可能的实施方式， 在第 四种可能的实施方式中， 所述预设的保护电压由所述稳压二极管 的稳压值与所述第一晶体管的阈值电压之和决 定。
结合第一方面的第一、第二、第三或第四种可 能的实施方式， 在第五种可能的实施方式中， 所述第一晶体管和第二晶体管为
PMOS晶体管。
在本发明的第二方面中， 提出了一种过压保护方法， 该方法 包括： 判断输入电压是否超过预设的保护电压； 若所述输入电压 不超过所述预设的保护电压， 且在预设的延迟时间内稳定， 则输 出所述输入电压， 否则， 不输出电压信号。
发明的效果
本发明的装置及方法能够在输入电压不超过设 备允许的电 压的范围内且稳定的情况下才向设备供电， 可以有效避免高压电 源对低压设备的危害， 并有效避免电压上升过程中的误供电， 从 而避免出现瞬开瞬断现象。
此外， 本发明设计简单， 成本低， 实用性高， 可移植性强。 根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明 ，本发明的其 它特征及方面将变得清楚。 附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的说 明书附图与 说明书一起示出了本发明的示例性实施例、 特征和方面， 并且用 于解释本发明的原理。
图 1示出了根据本发明的一个实施例的过压保护 置的结构 图；
图 2示出了根据本发明的一个实施例的过压保护 置的工作 过程的流程图；
图 3示出了根据本发明的另一个实施例的过压保 装置的结 构图；
图 4(a)和图 4(b)示出了 PMOS晶体管和稳压二极管的示意图； 图 5(a)和图 5(b)示出了根据图 3所述的实施例的过压保护装 置在正常供电模式下的工作时序图；
图 6示出了根据图 3所述的实施例的过压保护装置在高压防 护模式下的工作时序图；
图 7示出了根据图 3所述的实施例的过压保护装置在突发高 压防护模式下的工作时序图。 具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性 实施例、 特征 和方面。 附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的 元件。 尽 管在附图中示出了实施例的各种方面， 但是除非特别指出， 不必 按比例绘制附图。
在这里专用的词 "示例性"意为 "用作例子、实施例或说明性"。 这里作为"示例性 "所说明的任何实施例不必解释为优于或好于 其它实施例。
另外， 为了更好的说明本发明， 在下文的具体实施方式中给 出了众多的具体细节。 本领域技术人员应当理解， 没有这些具体 细节， 本发明同样可以实施。 在另外一些实例中， 对于大家熟知 的方法、 手段、 元件和电路未作详细描述， 以便于凸显本发明的 王曰 。
图 1显示了根据本发明一个实施例的过压保护装 100的结 构图， 在该实施例中， 该过压保护装置包括判决单元 101和緩启 单元 102。
判决单元 101具有第一输入端 P i n 和第一输出端 P。 u t , 其中该 第一输入端 P ml 连接所述过压保护装置的输入端 P m 。 在输入端？ 111 的输入电压 V m 大于该过压保护装置 100的保护电压 v p 的情况下， 所述第一输入端 P i n i与第一输出端 P。 u t i之间接通。在输入端 P i n 的输 入电压 111 不大于保护电压 V p 的情况下， 所述第一输入端 P ml 与第 一输出端？。^之间关断。
緩启单元 102具有第二输入端？ 1112 、 第三输入端 P m3 和第二输 出端？。^ 2 , 所述第二输入端？ 1112 与所述过压保护装置的输入端 P m 电连接， 所述第三输入端？ 1113 与所述第一输出端 P。 ul 电连接， 所述 第二输出端 p。 ut2 与所述过压保护装置 101的输出端 P。 ut 电连接。 在 输入端 P m 的输入电压 v m 大于该保护电压 v p 也即所述第一输入端
Pm 1与第一输出端 P。ut 1之间接通的情况下， 所述第二输入端 P m2 与 所述第二输出端？。^ 2 之间关断，也即不向该过压保护装置 101的输 出端 P。 ut 输出任何电信号。 在输入端 Pi 输入电压 111 不大于保护 电压 V p 也即所述第一输入端 P ml 与第一输出端 P。 utl 之间关断的情 况下，所述第二输入端 P m2 与所述第二输出端 P。 ut2 之间在输入电压 V m 稳定且经过预设的延迟时间之后接通， 将该输入电压 出 至该过压保护装置装置 100的输出端？。^。
其中， 过压保护装置的输入端？ 111 用于连接外部适配器， 输出 端？。^连接待供电设备。 优选地， 该过压保护装置的保护电压 V p 为该过压保护装置所连接的设备所能承受的最 高电源电压。
其中判决单元 101用于判决输入电压¼是否超过保护电压 V p 。 緩启单元 102—方面只有在输入电压 111 不超过保护电压且在 一定延迟时间之内不出现超过该保护电压的过 压时， 才在输出端 输出该输入电压 （即供给至设备）， 从而避免了适配器供给电压 在上升过程中导致误供电； 另一方面当输入电压超过保护电压 后， 该单元将立即停止向输出端输出电压信号来进 行过压保护， 并且保证电源电压在一定时间之内一直低于保 护电压， 才会重新 导通供电， 这种滞后恢复有利于避免临界高压波动带来的 反复开 关。
图 2示出了根据本发明实施例的过压保护装置的 作过程的 流程图。
在步骤 S201中，判决单元判断输入电压 111 是否大于保护电压 V p ; 如果是， 则进入步骤 S202 , 如果否， 则进入步骤 S203。
在步骤 S202中， 过压保护装置不向待供电设备供电， 并返回 步骤 S201 ;
在步骤 S203中， 若输入电压 V m 在预定的延迟时间内稳定， 该 过压保护装置开始为设备供电， 并返回步骤 S201。
图 3显示了根据本发明另一个实施例的过压保护 置的结构 图， 在该实施例中， 该过压保护装置包括：
第一晶体管 , 其源极连接至该过压保护装置的输入端 P m , 第二晶体管 Q 2 , 其源极连接至该过压保护装置的输入端 P i η , 其栅极连接至所述第一晶体管 (^的漏极， 其漏极连接至所述过压 保护装置的输出端 P。 ut ;
稳压二极管 其正极连接至所述第一晶体管 (^的栅极， 负 极连接至接地端；
第一电阻器 , 连接在第二晶体管 Q 2 的栅极和接地端之间； 第二电阻器 R 2 , 连接在第一晶体管 Q i的源极和栅极之间； 电容器 d , 连接在第二晶体管 Q 2 的源极和栅极之间。
其中， 第二电阻器 R 2 、 稳压二极管 以及第一晶体管 构成 上述判决单元 101 , 电容器 d、 第一电阻器 以及第二晶体管 Q 2 构成上述緩启单元 102。
尽管附图 3中以 PMOS晶体管 （ P沟道金属氧化物场效应晶体 管） 的符号来代表第一、 第二晶体管 （ Qi , Q 2 ) , 并且为了简化 表述， 下文以 PMOS晶体管为例来表述该实施例的过压保护装 的各优选实施例和各工作模式， 但应理解， 第一、 第二晶体管并 不限于 PMOS晶体管， 而是可以采用双极性晶体管等其他类型的 日日 官。
以下将介绍本实施例的过压保护装置的不同工 作模式， 为便 于理解， 首先介绍 PMOS晶体管及稳压二极管的基本工作原理。
图 4(a)和图 4(b)分别示出了 PMOS晶体管和稳压二极管的示 意图。 对于图 4(a)中的 PMOS晶体管， 当源极 S和栅极 G之间的电 压差值高于其固有的导通电压 （阈值电压） V th 时， 漏极 D和源极 S之间导通， 反之则漏极 D和源极 S之间关断。 对于图 4(b)中的稳 压二极管， 当正负极两端电压差值超过其稳压值 V ref 时， 如果其 上通过的电流小于最大通流 I max , 则正负极之间的电压差值会被 强制固定到 V ref 。
正常供电模式
图 5(a)和图 5(b)分别显示了图 3所示的过压保护装置在正常 供电模式下工作的波形图。 其中， 正常供电模式是指过压保护装 置的输入电压 V m (例如外部适配器提供的电压）从低电压逐渐 升并稳定至电压 V ee , 其中电压 V ee 不超过设备能够承受的最高允 许电压， 即过压保护装置预设的保护电压 V P 。
图 5(a)示出了在 V cc <V ref 的情况下的正常供电模式的波形图。 在图 5 ( a )所示的时刻 10处，适配器连接至本实施例所述的过压保护 装置， 该过压保护装置与待供电设备相连， 此后， 在从时刻 t 0 至 时刻 ^的时间段内， 过压保护装置的输入端电压 Vn^ O逐渐上升 到 V cc 。
由于 V cc <V ref , 在 111 的上升过程中 （ to ti时间段）， 稳压二 极管 第一晶体管 Q1都处于关断状态， 电路中的 B点电压 V B 跟 随输入端电压 V m 同步上升到 V cc 。 与此同时， 由于电容器 的存 在， 电路中 A点的电压 V A 也从 0开始跟随输入端电压 V m —起上升， 但是由于在此过程中第一电阻器 对电容器(^放电， 因此 A点电 压 V A 的上升速度会比输入端电压 V m 的上升速度稍慢。
从时刻 开始， 输入端电压 V m 达到 V ee 并保持稳定， 此时第一 电阻 继续对电容器 放电， 使 A点电压 V A 开始下降， 但在时刻 ^至^之间， A点电压 V A >V ee -V th2 ( V th2 为第二晶体管 Q 2 的阈值电 压）， 因此第二晶体管 Q 2 的栅源间电压还未达到阈值电压 V th2 , 第 二晶体管 Q 2 仍然保持关断状态。
在时刻 t 2 , A点电压 V A 下降到 V ee -V th2 , 第二晶体管 Q 2 的栅源 电压达到 V th2 , 第二晶体管 Q 2 导通， 过压保护装置的输入端电压 ¼传输至输出端， 过压保护装置开始正常向待供电的设备供电。 时刻 t 2 之后第一电阻器1^继续对电容器 放电， 直至 A点电压 V A 下降到 0。
由以上分析可以看出， 在 V cc <Vref的情况下， 过压保护装置 处于正常供电模式，假设适配器在 t Q 时刻连接至该过压保护装置， 则输出端电压 V。 ut 在时刻 to至时刻 t 2 之间的时间段内保持为 0 , 并 在 t 2 时刻之后产生输出，其比输入电压 V m 达到 V ee 并开始保持稳定 的时刻 延迟了时间 比连接适配器的时刻 to延迟了时间 T。 电 容器 C和第一电阻器 R构成的充放电电路控制了 Α点电压变化的 速率， 即决定了延迟时间 1^和1\
图 5(b)示出了在 V ref ≤V cc ≤V ref +V thl 的情况下的正常供电模式 的波形图， 其中 V thl 是第一晶体管 的阈值电压。 在图 5(b)所示的 时刻 t Q 处， 适配器连接至本实施例所述的过压保护装置， 此后， 在从时刻 10至时刻 t i的时间段内， 过压保护装置的输入端电压 V i n 从 0逐渐上升到 V cc 。
由于 V ref ≤V cc ≤V ref +V thl ,在 ¼的上升过程中，在 V m <Vref( t 0 ~ t †间段） 的情况下， 稳压二极管 和第一晶体管 Q1都处于关断 状态， 电路中的 B点电压 V B 跟随输入端电压 111 同步上升。 与此同 时， 由于电容器 (^的存在， 电路中 A点的电压 V A 也从 0开始跟随输 入端电压 V m —起上升，但是由于在此过程中第一电路 对电容器 放电， 因此 A点电压 V A 的上升速度会比输入端电压 V„^々上升速 度稍慢。
在时刻 t 输入端电压 V m 达到 V ref , 稳压二极管 D^ ti时刻开 始保持稳压值 V ref , 但由于 V m <V cc ≤V ref +V thl , 第一晶体管 仍保 持关断状态， A点电压 V A 继续以慢于 V m 的速度上升。
在时刻 t 2 , 输入端电压 V m 达到 V ee 并保持稳定， 第一电阻1^ 继续对电容器 放电， 使 A点电压 V A 开始下降， 但在时刻 t 2 至 t 3 之间， 由于 A点电压 V A >V ee -V th2 , 因此第二晶体管 Q 2 的栅源间电 压还未达到阈值电压 V t h 2 , 第二晶体管 Q 2仍然保持关断状态。
在时刻 t 3 , A点电压 V A 下降到 V ee -V th2 以下， 第二晶体管 Q 2 的 栅源电压达到 V th2 , 第二晶体管 Q 2 导通， 过压保护装置输入端电 压 111 传输至输出端， 开始正常向设备供电。 时刻 t 3 之后第一电阻 器 继续对电容器 C放电， 直至 A点电压 V A 下降到 0。
由以上分析可以看出， 在 V ref ≤V cc ≤V ref +V thl 的情况下， 与 V cc <V ref 的情况相似， 过压保护装置也处于正常供电模式。 假设 适配器在 t Q 时刻连接至该过压保护装置，则输出端电 压 V。 ut 在时刻 to至时刻 t 3 之间的时间段内保持为 0 , 并在 t 3 时刻之后产生输出， 时刻 1 3 比输入端电压稳定的时刻 1 2 延迟了时间 T 2 ,比连接适配器的 时刻 t Q 延迟了时间 T。 电容器 和第一电阻器 构成的充放电电路 控制了 A点电压变化的速率， 即决定了延迟时间丁 2 和1\
由以上分析可知， 本实施例的过压保护装置在正常供电模式 下工作应满足的条件为 V ee ≤V ref +V thl 。 也就是说， 应在满足稳压 二极管 D 的稳压值 V r e f与第一晶体管 Q i的阈值电压 V t h i的和不超 过待供电设备所允许的电压的前提下， 合理选择稳压二极管 D1 以及第一晶体管 使得所述第一晶体管在所述输入电压低于该 保护电压 V ref +V thl 时， 所述第一晶体管关断， 所述第二晶体管在 所述输入电压达到稳定状态并经过第一延迟时 间后导通。 本实施 例的过压保护装置预设的保护电压 V p 由稳压二极管 D 々稳压值 V ref 和第一晶体管 (^的阈值电压 ^决定。
高压防护模式
图 6示出了图 3所示的实施例的过压保护装置在高压防护模 式下工作的波形图。 其中， 高压防护模式是指过压保护装置的输 入电压 V m (例如外部适配器提供的电压）从低电压逐渐 升并稳 定至 高 于过压保护 装置 的保护 电压 V p 的 电压 V dd , 即 V dd >V ref +V thl 。
与图 5(b)所示的正常模式相比， 高压防护模式的区别在于， 在时刻 t , 当输入电压 V i n 上升到稳压二极管 D 的稳压值 V r e f 时， 稳压二极管 0进入稳压状态， B点电压 V B 稳定在 V ref , 不再跟随
V m 而变化。随后，当 V m 继续上升并在时刻 t 2 达到保护电压 V ref + V th ！ 时， 由于第一晶体管 (^的栅源电压达到 v thl , 导致第一晶体管 导通， 输入电压 111 传输至 A点， 使得 A点电压跟随输入电压 V m 同 步继续上升， 直到时刻 t 3 , 输入电压¼达到并稳定在 V dd 。 由于第 二晶体管 Q 2 的源极电压和栅极电压保持一致， 栅源电压差无法达 到第二晶体管的阈值电压 V th2 , 因此第二晶体管 Q 2 始终保持关断。 由以上分析可知， 当所述输入电压高于所述过压保护装置的 保护电压时， 所述第一晶体管 导通， 所述第二晶体管 Q 2 关断， 因此本实施例的过压保护装置能够保证在输入 电压超过其保护 电压 V ref +V thl 时关断第二晶体管 Q 2 , 使输入电压 V m 无法对设备供 电， 从而起到高压防护的作用。
突发高压防护模式
图 7示出了图 3所示的实施例的过压保护装置在突发高压防 护模式下工作的波形图。 其中突发高压防护模式是指在正常工作 模式过程中， 输入电压突然出现高于保护电压的高压 （持续式或 冲击式） 的情况。
如图 7所示， 从时刻 to到 时刻 , 输入电压 V m 满足： V m ≤V ref +V thl , 因此过压保护装置工作在正常供电模式， 输出电 压 ^二 ^ 在时刻 t 输入电压 111 突然升高超过 V ref +V thl , 过压 保护装置立即进入高压防护模式， 即第一晶体管 导通， A点电 压 V A 升高至 V m , 使第二晶体管 Q 2 关断， 输出电压 。^变为 0。 在 时刻 t 2 , 输入电压 111 恢复到 V ref +V thl 以下的允许范围， 此时， 第 一晶体管 关断， 在第一电阻器 的放电作用下， A点电压逐渐 下降， 直到时刻 t 3 , 当 A点电压满足 V A <V m -V th2 时， 第二晶体管 Q2导通， 该过压保护装置恢复正常供电。
由以上分析可知， 本实施例的过压保护装置在正常工作模式 下如果输入电压 111 升高超过保护电压 V p (即 V ref +V thl ) , 则该装 置立即进入高压防护模式， 使第一晶体管导通、 第二晶体管关断 以切断对设备的供电， 避免设备损坏； 在输入电压恢复到允许范 围内 （不超过保护电压） 时， 使第一晶体管关断， 第二晶体管在 所述输入电压达到稳定状态并经过延迟时间 T 3 后导通， 该过压保 护装置恢复到正常工作模式。 电容器 和第一电阻器 1^构成的充 放电电路控制了 A点电压变化的速率， 即决定了延迟时间 T 3 。
本发明还提出了一种具有根据本发明的实施例 的过压保护 装置的设备， 其中该过压保护装置的输入端用于连接外部适 配 器， 输出端用于连接该设备的电源输入端。
尽管以上描述了本发明的优选实施例， 但本发明不限于此。 例如， 稳压二极管也可由其他有源或无缘稳压电路或 稳压装置来 替代， 只要其能够提供稳定的参考电压即可。
以上所述， 仅为本发明的具体实施方式， 但本发明的保护范 围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露 的技术范围内， 可轻易想到变化或替换， 都应涵盖在本发明的保 护范围之内。 因此， 本发明的保护范围应所述以权利要求的保护 范围为准。 但本发明的实施方式并不限于此。 例如， 稳压二极管 也可由其他有源或无缘稳压电路或稳压装置来 替代， 只要其能够 提供稳定的参考电压即可。
以上所述， 仅为本发明的具体实施方式， 但本发明的保护范 围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露 的技术范围内， 可轻易想到变化或替换， 都应涵盖在本发明的保 护范围之内。 因此， 本发明的保护范围应所述以权利要求的保护 范围为准。
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