一種過壓過流硬體保護電路及dc電源供電電路的製作方法

2023-05-06 18:57:21

專利名稱：一種過壓過流硬體保護電路及dc電源供電電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及電源保護技術領域，更具體地說，涉及一種過壓過流硬體保護電路及 DC電源供電電路。
背景技術：
目前，DC電源的關斷主要依據兩種方式，第一種是大電壓檢測關斷方式，第二種是 大電流檢測關斷方式，下面分別進行闡述第一種，即大電壓檢測關斷方式中，在DC電源兩端並聯一個互感線圈，首先依據 互感線圈的固定的匝數比並通過整流濾波電路得到一個穩定直流電壓，再通過運放對此穩 定直流電壓進行衰減處理後送至MCU，MCU將經衰減處理後的穩定直流電壓與預先設定好 的電壓閾值進行比較，並判斷該衰減處理後的穩定直流電壓是否超過該電壓閾值，是則MCU 控制關斷DC電源。其缺點是必須採用互感線圈，若為高電壓互感線圈，必須要匝數很多才能將高電 壓轉換為低電壓信號，於是不可避免的出現一個問題，即高壓互感線圈的外形過於龐大，導 致檢測系統佔用空間較大。另外，採用互感線圈後，整個大電壓保護的成本過高。第二種，即大電流檢測關斷方式中，一種比較普遍的為熔斷器保護，還有一種是在 大電流迴路中加入電流傳感器，通過電流傳感器得到線性度很好的小電流或小電壓，MCU將 依據該小電流或小電壓與預先設定好的閾值的比較結果控制是否關斷DC電源。其缺點是在採用熔斷器進行保護時，雖然成本較低，但保護精度不高，這是由於 一般保護時間為ms級，往往在熔斷器還沒有熔斷的情況下，功率器件已經過流擊穿；並且， 在採用電流傳感器進行保護時，若用於保護功率器件，須選用閉環電流傳感器才能達到響 應速度快、保護功率器件的目的，但是閉環傳感器價格很高，增加了電路成本。可見，上述大電壓檢測關斷方式和大電流檢測關斷方式中，由於受MCU的速度的 限制，DC電源將不能實現微秒級的快速關斷，同時由於功率器件對大電流和大電壓的擊穿 時間往往是微秒級的，不能很好地對其實現保護。

發明內容
本發明要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述DC電源的大電壓檢測關斷 方式和大電流檢測關斷方式受MCU的速度的限制、且功率器件對大電流和大電壓的擊穿時 間很短以不能很好地實現功率器件保護的缺陷，提供一種過壓過流硬體保護電路及DC電 源供電電路。本發明解決其技術問題所採用的技術方案之一是構造一種過壓過流硬體保護電 路，與採用DC電源供電的主電路配合使用，其包括電流信號檢測單元對所述主電路的工作電流進行採樣、整流、放大及比較處理， 以輸出第一電平信號；電壓信號檢測單元對所述主電路的工作電壓進行採樣、濾波、放大及比較處理，以輸出第二電平信號；比較單元將第一電平信號和第二電平信號進行邏輯運算，在第一電平信號和第 二電平信號中的任意一個為低電平時輸出一觸發信號；觸發翻轉單元在接收到所述觸發信號時，將所述觸發信號進行翻轉以產生並輸 出一驅動信號；封鎖保護單元在接收到所述驅動信號時控制切斷所述主電路以斷開所述DC電
源。 本發明所述的過壓過流硬體保護電路中，所述封鎖保護單元還依據所述驅動信號 產生一封鎖信號，所述封鎖信號使所述封鎖保護單元處於封鎖狀態以避免產生振蕩。本發明所述的過壓過流硬體保護電路中，所述過壓過流硬體保護電路還包括一復 位電路，所述復位電路產生一復位信號從而控制所述觸發翻轉單元返回到初始工作狀態。本發明所述的過壓過流硬體保護電路中，所述電流信號檢測單元包括比較器、以 及為所述比較器提供比較電壓的基準設置電路。本發明所述的過壓過流硬體保護電路中，所述電流信號檢測單元包括在採樣得到 的工作電流轉化為電壓信號後對該電壓信號進行積分處理的整流放大電路。本發明所述的過壓過流硬體保護電路中，所述電壓信號檢測單元包括比較器、以 及為所述比較器提供比較電壓的基準設置電路。本發明所述的過壓過流硬體保護電路中，所述比較單元採用與非門實現的RS觸 發器從而實現在第一電平信號和第二電平信號中的任意一個為低電平時輸出一觸發信號。
本發明所述的過壓過流硬體保護電路中，所述觸發翻轉單元採用與非門來對所述 觸發信號進行翻轉處理。本發明所述的過壓過流硬體保護電路中，所述復位信號作為所述RS觸發器的輸 入信號，且低電平時進行復位。本發明解決其技術問題所採用的技術方案之一是構造一種DC電源供電電路，包 括採用DC電源供電的主電路，還包括與所述主電路配合使用的過壓過流硬體保護電路，所 述過壓過流硬體保護電路包括電流信號檢測單元對所述主電路的工作電流進行採樣、整流、放大及比較處理， 以輸出第一電平信號；電壓信號檢測單元對所述主電路的工作電壓進行採樣、濾波、放大及比較處理， 以輸出第二電平信號；比較單元將第一電平信號和第二電平信號進行邏輯運算，在第一電平信號和第 二電平信號中的任意一個為低電平時輸出一觸發信號；觸發翻轉單元在接收到所述觸發信號時，將所述觸發信號進行翻轉以產生並輸 出一驅動信號；封鎖保護單元在接收到所述驅動信號控制切斷所述主電路以斷開所述DC電源。實施本發明的過壓過流硬體保護電路及DC電源供電電路，具有以下有益效果過 壓過流硬體保護電路與採用DC電源供電的主電路配合使用，在主電路失效時，過壓過流硬 件保護電路可微秒級快速響應，使DC電源與主迴路快速斷開，對主電路中的功率器件產生 保護。即，在過壓過流硬體保護電路中，電流信號檢測單元對主電路的工作電流進行採樣處理後得到第一電平信號，電壓信號檢測單元對主電路的工作電壓進行採樣處理後得到第二 電平信號，比較單元在第一電平信號和第二電平信號中的任意一個為低電平時輸出一觸發 信號，觸發翻轉單元將所述觸發信號進行翻轉以產生並輸出一驅動信號，封鎖保護單元在 接收到所述驅動信號時控制切斷主電路以斷開DC電源。另外，DC電源的關斷將不受MCU速 度的限制，並且，過壓過流硬體保護電路採用純硬體設計，響應速度快，電流信號檢測單元 和電壓信號檢測單元對工作電流和工作電壓進行濾波、整流、放大等處理後，將可保證主回 路在幾個微秒內斷開，從而保證功率器件的安全性，且成本低，可靠性高。進一步地，本過壓過流硬體保護電路中，封鎖保護單元還依據觸發翻轉單元產生 的驅動信號產生一封鎖信號，在DC電源被斷開產生保護作用時，該封鎖信號可使觸發翻轉 單元處於封鎖狀態，以避免產生振蕩。


下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中圖1是本發明過壓過流硬體保護電路的結構方框圖；圖2是與本發明過壓過流硬體保護電路配合使用的一主電路的簡化電路圖；圖3是本發明中電壓信號檢測單元的電路圖；圖4、圖5是本發明中電流信號檢測單元的電路圖；圖6是本發明中比較單元、觸發翻轉單元的電路圖；圖7是本發明中封鎖保護單元的電路圖；圖8是本發明過壓過流硬體保護電路一實施例的仿真電路圖；圖9是圖8所示的過壓過流硬體保護電路的仿真波形圖。
具體實施例方式如圖1所示，是本發明過壓過流硬體保護電路的結構方框圖，該過壓過流硬體保 護電路與採用DC電源供電的主電路配合使用，其包括電流信號檢測單元1、電壓信號檢測 單元2、比較單元3、觸發翻轉單元4和封鎖保護單元5，其中，電流信號檢測單元1對所述 主電路的工作電流進行採樣、整流、放大及比較處理，以輸出一第一電平信號；電壓信號檢 測單元2對所述主電路的工作電壓進行採樣、濾波、放大及比較處理，以輸出一第二電平信 號；比較單元3將第一電平信號和第二電平信號進行邏輯運算，在第一電平信號和第二電 平信號中的任意一個為低電平時輸出一觸發信號；觸發翻轉單元4在接收到所述觸發信號 時，進行翻轉動作以產生並輸出一驅動信號；封鎖保護單元5在接收到所述驅動信號時控 制切斷主電路以斷開DC電源。本過壓過流硬體保護電路與採用DC電源供電的主電路配合使用，在主電路失效 時，過壓過流硬體保護電路可微秒級快速響應，使DC電源與主迴路快速斷開，從而對主電 路中的功率器件產生保護。如圖2所示，是與本發明過壓過流硬體保護電路配合使用的一主電路的簡化電路 圖，該主電路包括電源濾波電容C3、電晶體0P1、電晶體0P2、第一分壓電阻R1、第二分壓電 阻R2、無感電阻R3和負載R4，電源濾波電容C3連接在DC電源的正負兩端，起濾波作用，DC 電源的正端依次通電晶體0P2、負載R4、無感電阻R3和電晶體OPl接至DC電源的負端，第一分壓電阻Rl和第二分壓電阻R2串聯後連接在電晶體OPl和電晶體0P2的節點與DC電 源的負端之間。此處，定義為T1為第一分壓電阻Rl和第二分壓電阻R2的節點，T2為電源 濾波電容C3和第二分壓電阻R2的節點，T3為無感電阻R3和負載R4的節點。端子「A」為 電晶體OPl的控制端。特別地，電晶體OPl和電晶體0P2均為微秒級開通關斷器件。該主電路的工作原理如下 當負載R4或者是DC電源的電壓波動時，將在負載阻R4上產生波動的電流，而此 電流表現在無感電阻R3上的電壓V23 = I3*R3。當DC電源的電壓波動時，第二分壓電阻R2上分的電壓V12 = R2/(R1+R2) *DC，也 會波動，於是，通過對V12及V23的檢測處理即可得到一個驅動信號用於控制關斷電晶體 0P1，從而切斷該主電路與DC電源的連接，對大功率器件即電晶體0P2產生保護作用。如圖3所示，是本發明中電壓信號檢測單元的電路圖，其基於圖2所示的主電路的 簡化電路圖，該電壓信號檢測單元2包括第一比較器U1A、反饋電阻R11、電阻R5、電阻R7、 電阻R8、電阻R13和濾波電容Cl，其中，電阻R8、電阻R13為上拉電阻，電阻R5、電阻R7起 分壓作用，V12為第二分壓電阻R2上採集的電壓信號，Vp為第一比較器UlA的輸出信號，即 第二電平信號。其中，V12接入第一比較器UlA的負端，電源VCC通過電阻R5接至第一比 較器UlA的正端、第一比較器UlA的正端通過電阻R7接地，可見，電阻R5和電阻R7構成基 準設置電路，從而為第一比較器UlA提供比較電壓。於是，電阻R5和電阻R7的節點處提供 一個電壓基準Vfl。該電路的工作原理如下V12的電壓信號為波動的小電壓信號，經過與電壓基準Vfl比較後得到一個電平 信號Vp，當V12 0時，肖特基二極體D3、肖特基二極體D4均不導通，V24 = -R21*V23/R20 = _2*V23，V27 = 4*V23 ；V23 = 0 時，V27 = 0V23 < 0時，肖特基二極體D3、肖特基二極體D4均導通，V24 = 0，V27 = _4*V23如圖5所示，該比較電路部分包括第二比較器U1B、反饋電阻R12、電阻R6、電阻 R10、電阻R9、電阻R14和濾波電容C2，其中，電阻R9、電阻R14為上拉電阻，電阻R6、電阻RlO起分壓作用，Ip為圖4中整流放大後的電壓信號，Vip為第二比較器UlB的輸出信號，即第 一電平信號。其中，Ip接入第二比較器UlB的負端6，電源VCC通過電阻R6接至第二比較 器UlB的正端5、第二比較器UlB的正端5通過電阻RlO接地，可見，電阻R6和電阻RlO構 成基準設置電路，從而為第二比較器UlB提供比較電壓。於是，電阻R6和電阻RlO的節點 處提供一個電壓基準Vf 2。該電路的工作原理如下 Ip為圖4中整流放大後的電壓信號，即為V27，Vf2 = VCORIO/(R6+R10)，將V27 經過與電壓基準Vf2比較後得到一個電平信號Vip，當V27彡Vf2時，Vip為持續的低電平；當V27 < Vf2時，Vip為持續的高電平。如圖6是本發明中比較單元3、觸發翻轉單元4的電路圖，該電路包括肖特基二極 管Dl、肖特基二極體D2、與非門ICIA、與非門ICIB、與非門ICIC、與非門ICID，電阻R15、電 阻R16和電阻R17均為匹配電阻，Vp為第一比較器UlA的輸出信號，即第二電平信號；Vip 為第二比較器UlB的輸出信號，即第一電平信號。其中，與非門ICIA、與非門ICIB組成一個 RS觸發器。具體地，Vp反向通過肖特基二極體Dl接至與非門ICIA的第一輸入端，Vip也反向 通過肖特基二極體D2接至與非門ICIA的第一輸入端，同時，VCC通過電阻R17接至與非門 ICIA的第一輸入端，與非門ICIA的輸出端輸出所述觸發信號、並接至與非門ICIB的第一輸 入端，電源VCC通過電阻R15接至與非門ICIB的第二輸入端，與非門ICIB的輸出端接至與 非門ICIA的第二輸入端。另外，與非門ICIA的輸出端接至與非門ICIC的第一和第二輸入 端，與非門ICIC的輸出端輸出驅動信號「C」、並接至與非門ICID的第一輸入端，進一步地， 與非門ICIB的第二輸入端接入復位信號「B」，與非門ICID的第二輸入端接入封鎖信號，與 非門ICID的輸出端可將輸出控制信號『 」。該電路的工作原理如下當VP為低電平時，肖特基二極體Dl導通，V17為低電平，V39為高電平；當Vip為低電平時，肖特基二極體D2導通，V17為低電平，V39為高電平；也就是說，只要VP或者Vip任意一個為低電平時，V17都為低電平。同時，與非門 IClA的輸出端為高電平，與非門IClC的輸出端輸出的驅動信號「C」為低電平。當VP和Vip同時為高電平時，V17為高電平，V39為低電平，與非門IClC的輸出端 輸出的驅動信號「 C」為高電平。上述中，復位信號「B」為低電平時，起復位作用，可為人工復位模式，也可為上電復 位模式。進一步地，當與非門IClC的輸出端為低電平時，即該驅動信號「C」為低電平，封鎖 保護單元將依據該驅動信號「C」產生復位信號「B」和封鎖信號「D」，且當該封鎖信號「D」為 低電平時，將使封鎖保護單元中的與非門IClD處於封鎖狀態以避免產生振蕩。另外，封鎖 信號「D」為高電平時，不產生任何作用，封鎖保護單元正常工作，上述前提條件是必須將復 位信號「B」置為高電平。如圖7所示，是本發明中封鎖保護單元的電路圖，該電路包括光耦0P3、穩壓管Zl， 電阻R18、電阻R22和電阻R23為匹配電阻。結合圖2、圖6所示，端子「A」為圖2中電晶體OPl的控制端，端子「Ε」為圖6中與非門IClD的輸出端，其輸出控制信號『 」。該電路的工作原理如下 正常情況下，控制信號「Ε」為低電平時，端子「Α」上為高電平，電晶體OPl導通，當 發生過壓或者過流後，與非門IClA的第一輸入端「1」處為低電平，與非門IClC的輸出端 「8」處為低電平，也就是驅動信號「C」為低電平，控制信號「Ε」為高電平，整個電路產生保護 動作。當MCU檢測到驅動信號「C」為低電平的時候，同時使復位信號「B」和封鎖信號「D」 為低電平信號。而由於封鎖信號「D」為低電平時保持封鎖狀態，控制信號「Ε」為高電平，保 持長期的斷開過程，從而達到保護大功率器件即電晶體0Ρ2的目的。如圖8所示，是本發明過壓過流硬體保護電路一實施例的仿真電路圖，本仿真電 路圖中，通過施加激勵信號進行仿真，如在DC電源兩端加的激勵信號波形為鋸齒波，A點的 電壓波形為鋸齒波，受仿真電路裡面的濾波電容C2電容充放電時間的影響，B、D點的電壓 波形的鋸齒波幅度減小。採集到且經過整流放大處理後的電流信號是Ε，其通過比較器後的電平信號是 Vip ；採集到且經過濾波放大處理後的電壓信號通過比較器後的電平信號是Vp ；F點輸出控 制信號，用於控制功率器件的關斷或關斷，G點反應功率器件的開關狀態。通過上圖可以看 出，在過電流和過電壓的情況下，主迴路斷開，對功率器件起保護作用。綜上所述，在過壓過流硬體保護電路中，電流信號檢測單元1對主電路的工作電 流進行採樣處理後得到第一電平信號，電壓信號檢測單元2對主電路的工作電壓進行採樣 處理後得到第二電平信號，比較單元3在第一電平信號和第二電平信號中的任意一個為低 電平時輸出一觸發信號，觸發翻轉單元4將所述觸發信號進行翻轉以產生並輸出一驅動信 號，封鎖保護單元5在接收到所述驅動信號時控制切斷主電路以斷開DC電源。另外，本DC 電源的關斷將不受MCU速度的限制，並且，過壓過流硬體保護電路採用純硬體設計，響應速 度快，電流信號檢測單元1和電壓信號檢測單元2對工作電流和工作電壓進行濾波、整流、 放大等處理後，將可保證主迴路在幾個微秒內斷開，從而保證功率器件的安全性，且成本 低，可靠性高。另外，本發明還涉及一種DC電源供電電路，包括採用DC電源供電的主電路，以及 與所述主電路配合使用的過壓過流硬體保護電路。所述主電路和過壓過流硬體保護電路上 文已進行闡述，此處不再贅述。當然，所述DC電源供電電路中的主電路不止局限於上述描 述方式，凡是採用過壓過流硬體保護電路對主電路中的功率器件產生保護作用的，均屬於 本發明的保護範圍。以上所述僅為本發明的實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則 內所作的任何修改、等同替換或改進等，均應包含在本發明的保護範圍內。
權利要求
一種過壓過流硬體保護電路，與採用DC電源供電的主電路配合使用，其特徵在於，包括電流信號檢測單元對所述主電路的工作電流進行採樣、整流、放大及比較處理，以輸出第一電平信號；電壓信號檢測單元對所述主電路的工作電壓進行採樣、濾波、放大及比較處理，以輸出第二電平信號；比較單元將第一電平信號和第二電平信號進行邏輯運算，在第一電平信號和第二電平信號中的任意一個為低電平時輸出一觸發信號；觸發翻轉單元在接收到所述觸發信號時，將所述觸發信號進行翻轉以產生並輸出一驅動信號；封鎖保護單元在接收到所述驅動信號時控制切斷所述主電路以斷開所述DC電源。
2.根據權利要求1所述的過壓過流硬體保護電路，其特徵在於，所述封鎖保護單元還 依據所述驅動信號產生一封鎖信號，所述封鎖信號使所述封鎖保護單元處於封鎖狀態以避 免產生振蕩。
3.根據權利要求1或2所述的過壓過流硬體保護電路，其特徵在於，所述過壓過流硬體 保護電路還包括一復位電路，所述復位電路產生一復位信號從而控制所述觸發翻轉單元返 回到初始工作狀態。
4.根據權利要求1所述的過壓過流硬體保護電路，其特徵在於，所述電流信號檢測單 元包括比較器、以及為所述比較器提供比較電壓的基準設置電路。
5.根據權利要求1或4所述的過壓過流硬體保護電路，其特徵在於，所述電流信號檢測 單元包括在採樣得到的工作電流轉化為電壓信號後對該電壓信號進行積分處理的整流放 大電路。
6.根據權利要求1所述的過壓過流硬體保護電路，其特徵在於，所述電壓信號檢測單 元包括比較器、以及為所述比較器提供比較電壓的基準設置電路。
7.根據權利要求1所述的過壓過流硬體保護電路，其特徵在於，所述比較單元採用與 非門實現的RS觸發器從而實現在第一電平信號和第二電平信號中的任意一個為低電平時輸出一觸發信號。
8.根據權利要求7所述的過壓過流硬體保護電路，其特徵在於，所述觸發翻轉單元採 用與非門來對所述觸發信號進行翻轉處理。
9.根據權利要求7所述的過壓過流硬體保護電路，其特徵在於，所述復位信號作為所 述RS觸發器的輸入信號，且低電平時進行復位。
10.一種DC電源供電電路，包括採用DC電源供電的主電路，還包括與所述主電路配合 使用的過壓過流硬體保護電路，其特徵在於，所述過壓過流硬體保護電路包括電流信號檢測單元對所述主電路的工作電流進行採樣、整流、放大及比較處理，以輸 出第一電平信號；電壓信號檢測單元對所述主電路的工作電壓進行採樣、濾波、放大及比較處理，以輸 出第二電平信號；比較單元將第一電平信號和第二電平信號進行邏輯運算，在第一電平信號和第二電 平信號中的任意一個為低電平時輸出一觸發信號；觸發翻轉單元在接收到所述觸發信號時，將所述觸發信號進行翻轉以產生並輸出一 驅動信號；封鎖保護單元在接收到所述驅動信號控制切斷所述主電路以斷開所述DC電源。
全文摘要
本發明涉及一種過壓過流硬體保護電路，與採用DC電源供電的主電路配合使用，包括電流信號檢測單元對主電路的工作電流進行採樣、整流、放大及比較處理以輸出第一電平信號；電壓信號檢測單元對主電路的工作電壓進行採樣、濾波、放大及比較處理以輸出第二電平信號；比較單元在第一電平信號和第二電平信號中的任意一個為低電平時輸出一觸發信號；觸發翻轉單元將觸發信號進行翻轉以產生並輸出一驅動信號；封鎖保護單元在接收到驅動信號時控制切斷主電路以斷開DC電源。本發明還涉及一種DC電源供電電路。在主電路失效時，本過壓過流硬體保護電路可微秒級快速響應，使DC電源與主迴路快速斷開，從而對主電路中的功率器件產生保護。
文檔編號H02H3/20GK101867177SQ20101021639
公開日2010年10月20日 申請日期2010年7月2日 優先權日2010年7月2日
發明者吳飛 申請人:深圳市四方電氣技術有限公司