一種輸出可控低壓差過流保護電路的製作方法
2023-08-03 16:51:21
一種輸出可控低壓差過流保護電路的製作方法
【專利摘要】一種輸出可控低壓差過流保護電路，包括主通路、副通路、反向電壓保護電路、主副通路過流切換及使能禁止控制電路、效率調節電阻、過流採樣電阻和極限電流設定電，該電路具備自動過流保護和輸出使能/禁止的功能，串接在電路的電源入口處，能夠實現星載設備元器件抗單粒子鎖定和電路短路過流保護功能，具有較高的實用價值。按照本發明電路定製的專用ASIC晶片很好的滿足太空飛行器星載設備的應用需求，有利於提高設備集成度，同時該電路過流保護功能對於太空飛行器以外的電路也具有很強的通用性。
【專利說明】一種輸出可控低壓差過流保護電路
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種輸出可控低壓差過流保護電路，用於電子設備的電路過流保護，屬於電子電路設計領域。
【背景技術】
[0002]在太空飛行器電子設備設計中，過流保護是一項重要的可靠性、安全性措施，主要用於電源保護、半導體器件單粒子鎖定保護設計等。目前常用的過流保護設計有兩種:一種是採用限流電阻進行過流保護，另一種採用穩壓限流器件進行過流保護，其中採用限流電阻進行過流保護最為常見。
[0003](I)採用限流電阻做過流保護，電路簡單，但不能保證電路設計每次都能夠達到設計要求和滿足過流保護的結果，穩定性不高，採用限流電阻做過流保護有以下明顯缺陷:
[0004]a、電阻小，限流值不滿足要求，起不到保護作用；電阻大，壓降增加，器件的供電電壓不滿足要求。
[0005]b、對於供電電流較大的情況，需要電路內部分區限流，既增加印製板設計難度，又會造成各組件電壓不一致。
[0006]C、工作電流變化導致器件供電電壓波動，影響工作性能，一般建議減小供電迴路中的電阻，與限流保護需求相矛盾。
[0007](2)採用穩壓限流器件進行過流保護的方法，由採樣電路監視輸出電流，並通過比較器產生過流信號，然後控制穩壓器調整管的輸出電壓，從而達到限流保護的目的。過流保護狀態下，特別是在負載短路情況下，不僅有過大電流從調整管流過，而且調整管兩端的電壓也處於最大值，整個電路的功耗全部加在調整管上，很可能燒壞調整管。因此，如果衛星或飛船設備在軌發生單粒子鎖定，假設不能夠及時切斷電，長時間保持大電流通過，則有可能造成故障不可恢復。另外由於受制於沒有宇航等級器件，不滿足在軌使用壽命要求，目前國內太空飛行器應用比較少。
【發明內容】
[0008]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供一種輸出可控低壓差過流保護電路，具備自動過流保護和輸出可控的功能，將該電路串接在太空飛行器電子設備的電源入口處，解決了太空飛行器電子設備設計中半導體器件單粒子鎖定保護設計和供電電源過流保護的問題。
[0009]本發明的技術解決方案是:
[0010]一種輸出可控低壓差過流保護電路包括主通路、副通路、反向電壓保護電路、主副通路過流切換及使能禁止控制電路、效率調節電路、過流採樣電路和極限電流設定電路，其中:
[0011 ] 過流採樣電路用於採樣整個保護電路的電流；
[0012]主副通路過流切換及使能禁止控制電路根據電流採樣信號和外部輸入控制信號對主副通路進行切換和使能禁止控制；
[0013]當控制信號處於輸出使能狀態時，由過流採樣電路對流過的電流進行採樣監視，當電流在限流門限內時，主副通路過流切換及使能禁止控制電路控制主通路處於正常工作狀態，並通過效率調節電路調節主通路對負載的供電效率，主通路輸出連接負載；當採樣的電流超出限流門限，主副通路過流切換及使能禁止控制電路控制主通路電路停止工作，同時控制副通路電路正常工作，通過副通路為負載提供電源，副通路連接負載；
[0014]保護電路處於過流狀態時，極限電流設定電路設置限制了流過副通路的極限電流；
[0015]當控制信號處於輸出禁止狀態，主副通路過流切換及使能禁止控制電路控制主通路與副通路處於截止狀態，使得整個電路停止為負載提供電源；
[0016]反向電壓保護電路連接於所述主副通路過流切換及使能禁止控制電路與所述主通路及所述副通路的輸出端之間用於防止在多電源並聯供電情況下防止反向電壓的回灌。
[0017]所述主通路包括一個PNP型三極體TlA ;所述副通路包括NPN型三極體T2和電阻R4 ;所述主副通路過流切換及使能禁止控制電路包括PNP型三極體T3、NPN型三極體T5、NPN型三極體T6、NPN型三極體T7、NPN型三極體T8、二極體Dl、二極體D3、電阻Rl、電阻R2、電阻R5和電阻R6 ;所述反向電壓保護電路包括PNP型三極體T4和電阻R3 ;所述效率調節電路採用電阻Rs2 ;所述過流採樣電路採用電阻Rsl ;所述極限電流設定電路採用電阻Rp ；
[0018]所述PNP型三極體TlA的基極連接到主副通路過流切換及使能禁止控制電路中的NPN型三極體T5的集電極；所述PNP型三極體TlA的集電極與副通路中的NPN型三極體T2的發射極和反向保護電路中的PNP型三極體T4的發射極相連；所述PNP型三極體TlA的發射極連接到主副通路過流切換及使能禁止控制電路中的PNP型三極體T3的基極及副通路中的NPN型三極體T2的基極和電阻R4、電阻Rsl和電阻Rp的一端；
[0019]所述NPN型三極體T2的發射極與反向保護電路中的PNP型三極體T4的發射極相連；所述NPN型三極體T2的集電極與電阻Rp的另一端相連；電阻R4的另一端與所述NPN型三極體T2的基極以及主副通路過流切換及使能禁止控制電路中的NPN型三極體T7的集電極相連；
[0020]所述PNP型三極體T3的集電極與二極體Dl的陽極相連，二極體Dl的陰極與反向保護電路中PNP型三極體T4的集電極相連；所述NPN型三極體T7的基極作為使能信號的輸入端通過電阻R5與控制端信號相連；所述NPN型三極體T8的基極作為使能信號的輸入端通過電阻R6與控制端信號相連；所述PNP型三極體T3的基極與Rsl的一端相連，所述二極體D3的陽極、所述PNP型三極體T3的發射機、以及電阻Rl的一端與電阻Rsl的另一端相連；電阻Rl的另一端連接到所述NPN型三極體T8的集電極和所述NPN型三極體T5的基極以及所述NPN型三極體T6的集電極；
[0021]所述PNP型三極體T4的集電極通過電阻R2與NPN型三極體T6的基極相連；所述PNP型三極體T4的基極通過電阻R3接地。
[0022]所述主通路、副通路、反向電壓保護電路、主副通路過流切換及使能禁止控制電路、效率調節電路、過流採樣電路和極限電流設定電路集中在一個晶片內。
[0023]所述主通路、副通路、反向電壓保護電路、主副通路過流切換及使能禁止控制電路集中在一個晶片內，效率調節電路、過流採樣電路和極限電流設定電路採樣外置形式。[0024]本發明與現有技術相比的有益效果是:
[0025](I)本發明採用主、副通路雙通道結構設計，分別提供電路在正常工作狀態下和過流狀態下的電流通道。主通道能夠保證正常工作時低壓差供電需求，副通道能保證將電流限定在安全範圍之內達到保護供電電源的目的。。
[0026](2)本發明提出的過流保護電路可以通過配置不同的採樣電阻、極限電流限流電阻、效率調節電阻，針對具體應用環境設置合理的電流保護區間，提高電路的使用靈活性。
[0027](3)本發明提出的過流保護電路具備過流時自動切斷主通路以保護電源和驅動管，過流後輸出電壓降低可以在發生空間單粒子鎖定時使元器件退出鎖定狀態，過流現象消失後電路可以自動恢復正常供電的功能，同時具備比較寬的電源電壓適應範圍，通用性較強。同時本發明採用反饋控制，使電路內部各電晶體在正常工作和過流保護狀態下均能保持飽和或截止狀態，保證各管功耗在較低的水平，避免了器件因過熱燒壞，提高電路可靠性。
[0028](4)本發明具備防反向電壓功能，支持多電源並聯供電，解決電源冷備份、設備常加電設計供電問題，電源輸入端採用本電路可以有效控制浪湧電流的大小。
[0029](5)本發明電路實現定製ASIC晶片設計時，將採樣電阻、極限電流限流電阻、效率調節電阻外置，可以提高晶片的適用範圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1為本發明的電路功能模塊示意圖；
[0031]圖2為本發明的具體電路示意圖；
[0032]圖3為本發明電路處於輸出正常狀態下的直流參數仿真圖；
[0033]圖4為本發明電路處於輸出過流保護狀態下的直流參數仿真圖；
[0034]圖5為本發明電路處於控制端輸出禁止狀態下的直流參數仿真圖；
[0035]圖6為本發明電路處於反向保護狀態下的直流參數仿真圖。
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖進一步說明本發明【具體實施方式】。
[0037]如圖1所示，本發明一種輸出可控低壓差過流保護電路，包括主通路、副通路、反向電壓保護電路、主副通路過流切換及使能禁止控制電路、效率調節電路、過流採樣電路和極限電流設定電路。
[0038]過流採樣電路用於採樣整個保護電路的電流；主副通路過流切換及使能禁止控制電路的輸入端與外部控制信號相連；主副通路過流切換及使能禁止控制電路根據由電流採樣獲得的過流標識信號和外部輸入使能或禁止控制信號的電壓狀態對主副通路進行切換和使能禁止控制。
[0039]主通路與效率調節電路、過流採樣電路和極限電流設定電路及主副通路過流切換及使能禁止控制電路相連。副通路分別與極限電流設定電路及主副通路過流切換及使能禁止控制電路相連。當控制信號處於輸出使能狀態時(即控制信號為低電平時)，過流採樣電路對流過的電流進行採樣監視，如果電流在限流門限內，主副通路過流切換及使能禁止控制電路控制主通路處於正常工作狀態，並通過效率調節電路調節主通路對負載的供電效率，主通路輸出連接負載；當負載短路時，被採樣的電流超出限流門限，主副通路過流切換及使能禁止控制電路控制主通路電路停止工作，同時控制副通路電路正常工作，通過副通路為負載提供電源，副通路連接負載。
[0040]當控制信號處於輸出禁止狀態時(即控制信號為高電平時)，主副通路過流切換及使能禁止控制電路控制主通路與副通路處於截止狀態使得整個電路停止為負載提供電源；
[0041]保護電路處於過流狀態時，極限電流設定電路設置限制了流過副通路的極限電流。
[0042]反向電壓保護電路連接於所述主副通路過流切換及使能禁止控制電路與所述主通路及所述副通路的輸出端之間用於防止在多電源並聯供電情況下防止反向電壓的回灌。
[0043]效率調節電路的兩端分別連接於主通路電路和主副通路過流切換及使能禁止控制電路，用於根據電路的實際工作電流控制晶片的損耗電流大小，保證電路供電效率。
[0044]極限電流設定電路連接於過流採樣電路的一端和主副通路過流切換及使能禁止控制電路，另一端連接於副通路用於設定負載短路情況下的過載電流最大值，當保護電路處於過流狀態時，極限電流設定電路設置限制了流過副通路的極限電流；過流採樣電路的另一端同時連接到主副通路過流切換及使能禁止控制電路。
[0045]下面以一具體實例說明本發明電路結構和工作原理:
[0046]如圖1、2所示，效率調節電路採用電阻Rs2實現；所述過流採樣電路採用電阻Rsl實現；所述極限電流設定電路採用電阻Rp實現；主通路選用PNP型三極體ΤΙΑ,ΡΝΡ型三極體TlA的基極連接到主副通路過流切換及使能禁止控制電路中的NPN型三極體Τ5的集電極；ΡΝΡ型三極體TlA的集電極與副通路中的NPN型三極體Τ2的發射極和反向保護電路中的PNP型三極體Τ4的發射極相連；ΡΝΡ型三極體TlA的發射極連接到主副通路過流切換及使能禁止控制電路中的PNP型三極體Τ3的基極及副通路中的電阻R4、過流採樣電阻Rsl和電阻Rp的一端。
[0047]副通路包括NPN型三極體Τ2和電阻R4 ；ΝΡΝ型三極體Τ2的發射極與反向保護電路中的PNP型三極體Τ4的發射極相連；ΝΡΝ型三極體Τ2的集電極與電阻Rp的另一端相連；電阻R4的另一端與NPN型三極體Τ2的基極以及主副通路過流切換及使能禁止控制電路中的NPN型三極體Τ7的集電極相連。
[0048]主副通路過流切換及使能禁止控制電路包括PNP型三極體Τ3、NPN型三極體Τ5、NPN型三極體Τ6、NPN型三極體Τ7、NPN型三極體Τ8、二極體Dl、二極體D3、電阻R1、電阻R2、電阻R5和電阻R6 ;ΡΝΡ型三極體Τ3的集電極與二極體Dl的陽極相連；ΝΡΝ型三極體Τ7的基極作為使能信號的輸入端通過電阻R5與控制端信號相連；ΝΡΝ型三極體Τ8的基極作為使能信號的輸入端通過電阻R6與控制端信號相連；電阻Rsl的另一端相連於所述二極體D3的陽極、PNP型三極體Τ3的發射機、以及電阻Rl的一端相連，電阻Rl的另一端連接到NPN型三極體Τ8的集電極和NPN型三極體Τ5的基極以及所述NPN型三極體Τ6的集電極。
[0049]反向電壓保護電路包括PNP型三極體Τ4和電阻R3 ；ΡΝΡ型三極體Τ4的基極與二極體D3的陰極相連；ΡΝΡ型三極體Τ4的集電極與二極體Dl的陰極相連，同時PNP型三極體Τ4的集電極通過電阻R2與NPN型三極體Τ6的基極相連。
[0050]下面結合正常工作、過流保護、禁止輸出和反向截止幾種工作狀態來介紹本電路的工作原理:
[0051 ] 本電路的部分器件的參數固定，其中電阻Rl為IOK Ω、電阻R2為5K Ω、電阻R3為47K Ω、電阻R4為500 Ω、電阻R5為IK Ω、電阻R6為IK Ω，其他部分器件的參數選擇與具體工作環境狀態相關，需要根據實際使用情況選擇合適的取值，包括過流採樣電阻RS1、極限電流設定電阻Rp和效率調節電阻RS2。
[0052]根據本發明提供電路的應用環境，假定輸入電壓5V，正常工作的電流為100mA，將電路過流門限設定為200mA，由此可以計算出電流採樣電阻Rsl的阻值可設定為3 Ω，效率調節電阻Rs2為500 Ω ;負載短路時最高極限電流限定為230mA，則電阻Rp為15Ω。
[0053]1、正常工作狀態
[0054]如圖3所示，正常工作時，外部控制信號Vctr輸入電平為低，NPN型三極體T7和T8截止(T7和T8主要負責由外部信號控制電路的使能和禁止)，NPN型三極體T5導通；電流小於限流門限時PNP型三極體T3處於截止狀態，此時PNP型三極體TlA工作在飽和態，PNP型三極體TlA飽和壓降不足以使NPN型三極體T2導通，電流主要經PNP型三極體TlA流向負載；此時電路輸出壓降為RSl壓降和PNP型三極體TlA的飽和壓降之和(約0.3V)。
[0055]2、過流保護狀態
[0056]如圖4所示，當負載出現短路時，通過電阻RSl電流增大，當RSl兩端壓降可以使PNP型三極體T3導通時，NPN型三極體T6基極電壓升高，NPN型三極體T6導通處於飽和狀態，NPN型三極體T5基極電壓小於0.3V，處於截至狀態，此時PNP型三極體TlA的基極通路截斷，從而使PNP型三極體TlA截止，主供電通路切斷。在這種狀態下，電流通過Rp和NPN型三極體T2流向負載，NPN型三極體T2工作在飽和狀態，最大電流由Rp大小決定。由於正常供電和過流保護時，PNP型三極體TlA和NPN型三極體T2均工作在飽和狀態，壓降很小，功耗也較小，可以有效保護電晶體。
[0057]3、禁止輸出狀態
[0058]如圖5所示，如果要切斷對負載供電，則需要控制端Vctr輸入高電平，使NPN型三極體T7和NPN型三極體T8飽和導通，控制NPN型三極體T2、NPN型三極體T5基極的電壓小於0.3，使NPN型三極體T2和NPN型三極體T5處於截止狀態，這樣PNP型三極體TlA和NPN型三極體T2都關斷，主、副供電通路電路都不能提供電流通路，輸出端電壓為低，達到輸出關斷的目的。
[0059]4、反向截止狀態
[0060]如圖6所示，在某些常加電負載設計中，通常會用主、備電源並聯同時提供電源，當某一路電源關斷或故障時，另外工作電源的電流可能會由輸出端反灌回輸入端，為了防止此種情況，電路內部設置了反向保護電路。PNP型三極體T4和二極體Dl和D3監視反向電壓實現反向截止控制功能。當輸出端電壓高於輸入端電壓時，PNP型三極體T4導通，其基極、集電極電壓均為高電平，PNP型三極體T4集電極電壓控制NPN型三極體T6飽和，使得NPN型三極體T5基極電壓降低，NPN型三極體T5處於截止狀態，PNP型三極體TlA的基極通路斷開，PNP型三極體TlA處於截止狀態，防止主供電通路反嚮導通。而副供供電通路中NPN型三極體T2的BE結反向截止，同樣不會提供反向電流通道。
[0061]本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
【權利要求】
1.一種輸出可控低壓差過流保護電路，其特徵在於包括:主通路、副通路、反向電壓保護電路、主副通路過流切換及使能禁止控制電路、效率調節電路、過流採樣電路和極限電流設定電路，其中: 過流採樣電路用於採樣整個保護電路的電流； 主副通路過流切換及使能禁止控制電路根據電流採樣信號和外部輸入控制信號對主副通路進行切換和使能禁止控制； 當控制信號處於輸出使能狀態時，由過流採樣電路對流過的電流進行採樣監視，當電流在限流門限內時，主副通路過流切換及使能禁止控制電路控制主通路處於正常工作狀態，並通過效率調節電路調節主通路對負載的供電效率，主通路輸出連接負載；當採樣的電流超出限流門限，主副通路過流切換及使能禁止控制電路控制主通路電路停止工作，同時控制副通路電路正常工作，通過副通路為負載提供電源，副通路連接負載； 保護電路處於過流狀態時，極限電流設定電路設置限制了流過副通路的極限電流； 當控制信號處於輸出禁止狀態，主副通路過流切換及使能禁止控制電路控制主通路與副通路處於截止狀態，使得整個電路停止為負載提供電源； 反向電壓保護電路連接於所述主副通路過流切換及使能禁止控制電路與所述主通路及所述副通路的輸出端之間用於防止在多電源並聯供電情況下防止反向電壓的回灌。
2.根據權利要求1所述的一種輸出可控低壓差過流保護電路，其特徵在於:所述主通路包括一個PNP型三極體TlA ;所述副通路包括NPN型三極體T2和電阻R4 ;所述主副通路過流切換及使能禁止控制電路包括PNP型三極體T3、NPN型三極體T5、NPN型三極體T6、NPN型三極體T7、NPN型三極體T8、二極體Dl、二極體D3、電阻R1、電阻R2、電阻R5和電阻R6 ；所述反向電壓保護電路包括PNP型三極體T4和電阻R3 ;所述效率調節電路採用電阻Rs2 ；所述過流採樣電路採用電阻 Rsl ;所述極限電流設定電路採用電阻Rp ； 所述PNP型三極體TlA的基極連接到主副通路過流切換及使能禁止控制電路中的NPN型三極體T5的集電極；所述PNP型三極體TlA的集電極與副通路中的NPN型三極體T2的發射極和反向保護電路中的PNP型三極體T4的發射極相連；所述PNP型三極體TlA的發射極連接到主副通路過流切換及使能禁止控制電路中的PNP型三極體T3的基極及副通路中的NPN型三極體T2的基極和電阻R4、電阻Rsl和電阻Rp的一端； 所述NPN型三極體T2的發射極與反向保護電路中的PNP型三極體T4的發射極相連；所述NPN型三極體T2的集電極與電阻Rp的另一端相連；電阻R4的另一端與所述NPN型三極體T2的基極以及主副通路過流切換及使能禁止控制電路中的NPN型三極體T7的集電極相連； 所述PNP型三極體T3的集電極與二極體Dl的陽極相連，二極體Dl的陰極與反向保護電路中PNP型三極體T4的集電極相連；所述NPN型三極體T7的基極作為使能信號的輸入端通過電阻R5與控制端信號相連；所述NPN型三極體T8的基極作為使能信號的輸入端通過電阻R6與控制端信號相連；所述PNP型三極體T3的基極與Rsl的一端相連，所述二極體D3的陽極、所述PNP型三極體T3的發射機、以及電阻Rl的一端與電阻Rsl的另一端相連；電阻Rl的另一端連接到所述NPN型三極體T8的集電極和所述NPN型三極體T5的基極以及所述NPN型三極體T6的集電極； 所述PNP型三極體T4的集電極通過電阻R2與NPN型三極體T6的基極相連；所述PNP型三極體T4的基極通過電阻R3接地。
3.根據權利要求1所述的一種輸出可控低壓差過流保護電路，其特徵在於:所述主通路、副通路、反向電壓保護電路、主副通路過流切換及使能禁止控制電路、效率調節電路、過流採樣電路和極限電流設定電路集中在一個晶片內。
4.根據權利要求1所述的一種輸出可控低壓差過流保護電路，其特徵在於:所述主通路、副通路、反向電壓保護電路、主副通路過流切換及使能禁止控制電路集中在一個晶片內，效率調節電路、過流採.樣電路和極限電流設定電路採樣外置形式。
【文檔編號】H02H11/00GK103474951SQ201310381855
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月28日 優先權日:2013年8月28日
【發明者】龐波, 趙和平, 陶利民, 張猛, 徐勇 申請人:北京空間飛行器總體設計部