過電流檢測電路的製作方法

2023-08-08 21:25:06 3

專利名稱：過電流檢測電路的製作方法
技術領域：
本實用新型是有關於一種電流檢測電路，且特別是有關於一種用於檢測直流電壓源的電源輸出線中是否有過電流的過電流檢測電路。
背景技術：
常見的用於電源輸出的過電流檢測電路，以其屬性可分為被動式與主動式兩種。 被動式過電流檢測電路為採用保險絲、熱融開關等具有熱跳脫特性的正溫度反應元件，在 檢測到流過的電流超出規範時，通過元件本身的跳脫來斷開電路，以達到保護效果。主動式 過電流檢測電路為採用可檢測電流的元件，如霍爾(Hall)元件、電阻等，將流過的電流大 小轉換為電壓大小，依據所轉換而得的電壓大小來判斷流過的電流是否超出規範，以便通 知後面的保護電路作出適當的保護。被動式過電流檢測電路雖然架構相當簡單、安裝方便，但卻存在相當大的誤差，對 不同的瞬間過電流峰值所需的反應時間均不相等，如此將會造成保護點漂移。舉例來說，假 設總負載電流額定為10A，所設定的保護點為在電流為15A時斷開電路進行保護，那麼如果 使用被動式過電流檢測電路，則無法保證在電流為15A時用來跳脫的元件會發生跳脫，而 必須取決於電流流過元件所產生的熱損耗大小。主動式過電流檢測電路具有較精準的保護 點控制、不受負載瞬間峰值影響等特性，但所需的成本通常高於被動式過電流檢測電路。

實用新型內容本實用新型的目的就是在於提出一種主動式過電流檢測電路，用於檢測直流電壓 源的電源輸出線中是否有過電流，並在精準的保護點控制與低成本兩者間取得相對性的平 衡點。本實用新型提出一種過電流檢測電路，用於檢測直流電壓源的電源輸出線中是否 有過電流，其中電源輸出線具有輸入端及輸出端。過電流檢測電路包括檢測電阻、設定電 阻、恆流源以及電壓比較器。檢測電阻具有第一端及第二端，檢測電阻的第一端耦接至電源 輸出線的輸入端，檢測電阻的第二端耦接至電源輸出線的輸出端。設定電阻具有第一端及 第二端，設定電阻的第一端耦接至電源輸出線的輸入端。恆流源耦接至設定電阻的第二端， 用於從設定電阻的第二端吸取恆定電流。電壓比較器耦接至檢測電阻的第二端及設定電阻 的第二端，用於在檢測電阻的第二端的電壓小於設定電阻的第二端的電壓時輸出錯誤信號 表示檢測到電源輸出線中有過電流。在一實施例中，恆流源包括參考電流源以及電流鏡電路。參考電流源用於產生穩 定的參考電流。電流鏡電路耦接至參考電流源，用於根據參考電流產生恆定電流。在一實施例中，電壓比較器包括第一運算放大器、第二運算放大器以及齊納二極 管。第一運算放大器具有非反相輸入端、反相輸入端及輸出端，第一運算放大器的非反相輸 入端耦接至檢測電阻的第二端，第一運算放大器的反相輸入端耦接至設定電阻的第二端。 第二運算放大器具有非反相輸入端、反相輸入端及輸出端，第二運算放大器的非反相輸入端耦接至參考電壓，第二運算放大器的反相輸入端耦接至第一運算放大器的輸出端。齊納 二極體具有陰極端及陽極端，齊納二極體的陰極端耦接至第二運算放大器的輸出端，齊納 二極體的陽極端在檢測電阻的第二端的電壓小於設定電阻的第二端的電壓時輸出錯誤信
號。 本實用新型因採用恆流源提供穩定的恆定電流來設定保護點而具有精準的保護 點設定，其中恆流源還可採用電流鏡電路複製另一穩定的參考電流來產生恆定電流，利用 電流鏡電路中具有正溫度係數的電晶體來對具有負溫度係數的設定電阻進行溫度補償而 使保護點不受外界溫度變化影響，另外電壓比較器還可採用運算放大器及齊納二極體的組 合形成多個電平判定標準而提高抗噪聲能力。本實用新型的有益效果本實用新型具有精準的保護點設定、不受外界溫度變化影響、抗噪聲幹擾且架構 簡單等優點。

為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要 使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實 施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖 獲得其他的附圖。圖1為本實用新型提供的一較佳實施例的過電流檢測電路的電路圖；圖2為本實用新型提供的圖1所示恆流源的一實施方式的電路圖；圖3為本實用新型提供的圖1所示電壓比較器的一實施方式的電路圖。附圖中，各標號所代表的部件列表如下1 過電流檢測電路；11 恆流源；111 參考電流源；112 電流鏡電路；113 參考電 壓源；12 電壓比較器；2 直流至直流(DC/DC)轉換器；20 電源輸出線；21 :電源輸出線的 輸入端；22 電源輸出線的輸出端；Cl、C2、C3 電容；OPAl 第一運算放大器；0PA2 第二運 算放大器；Ql 第一電晶體；Q2 第二電晶體；Rl 檢測電阻；R2 設定電阻；R3 輸入電阻； R4 轉換電阻；R5 退化電阻；R6、R7 電阻；TLl 並聯穩壓器；A 陽極端；K 陰極端；R 參考 端；ZDl 齊納二極體；11、11』 輸出電流；12 恆定電流；Iref 參考電流；Vl 檢測電阻的第 二端的電壓；V2 設定電阻的第二端的電壓；Vi 電源輸出線的輸入端的電壓；Vo 電源輸 出線的輸出端的電壓；Vcc 直流電壓；Vref 參考電壓；Error 錯誤信號。
具體實施方式
圖1為本實用新型提供的一較佳實施例的過電流檢測電路的電路圖。請參照圖1， 直流電壓源2通過電源輸出線20輸出穩定的直流電壓Vi及隨著負載變化的直流電流ΙΓ。 當負載發生變化時，輸出電流11』可能會變得過大而對直流電壓源2和/或負載造成傷害。 因此，通過在電源輸出線20中插入檢測電阻Rl來檢測在電源輸出線20中的電流ΙΓ (或 ID是否有過電流。插入的檢測電阻Rl使電源輸出線20具有輸入端21及輸出端22，輸入 端21接收直流電壓源2輸出的電壓Vi及電流ΙΓ，而輸出端22輸出電壓Vo及電流Il到 負載。由於檢測電阻Rl的電阻值極低，輸出端22的電壓Vo接近於輸入端21的電壓Vi，而輸出電流Il接近於輸出電流Ir。在本實施例中，直流電壓源2為直流至直流(DC/DC)轉 換器，可為常見的具有隔離形式的升降壓轉換器，如反激式(flyback)、正激式(forward)、 半橋式或全橋式轉換器等。過電流檢測電路1用於檢測直流電壓源2的電源輸出線20中是否有過電流，其中 電源輸出線20具有輸入端21及輸出端22。過電流檢測電路1包括檢測電阻R1、設定電阻 R2、恆流源11以及電壓比較器12。檢測電阻Rl具有第一端及第二端，檢測電阻Rl的第一 端耦接至電源輸出線20的輸入端21，檢測電阻Rl的第二端耦接至電源輸出線20的輸出端 22。設定電阻R2具有第一端及第二端，設定電阻R2的第一端耦接至電源輸出線20的輸入 端21。恆流源11耦接至設定電阻R2的第二端，用於從設定電阻R2的第二端吸取恆定電流 12。電壓比較器12具有第一輸入端(其標示為「 + 」)、第二輸入端(其標示為「_」)及輸出 端，第一輸入端耦接至檢測電阻Rl的第二端，第二輸入端耦接至設定電阻R2的第二端。電 壓比較器12用於在第一輸入端的電壓Vl小於第二輸入端的電壓V2時，即在檢測電阻Rl 的第二端的電壓Vl小於設定電阻R2的第二端的電壓V2時，輸出錯誤信號Error表示檢測 到電源輸出線20中有過電流。這個錯誤信號Error可直接應用來命令直流電壓源2強制 關閉，或是傳送到微控制器(Micro ControlUnit, MCU)而由其對直流電壓源2做出適當的 保護，如切除電源、關閉負載、關閉顯示等。由於電壓比較器12為高輸入阻抗的元件，電壓比較器12的第一輸入端及第二輸 入端的輸入電流幾乎為零，輸出電流11幾乎全流過檢測電阻Rl，恆定電流12幾乎全流過設 定電阻R2，另外，il，= il+i2，其中il，、il和i2分別為輸出電流II，、Il和恆定電流12 的電流值。因此，電壓比較器12的第一輸入端的電壓Vl = Vi-ilXrl，且第二輸入端的電 壓V2 = Vi-i2Xr2，其中rl和r2分別為檢測電阻Rl和設定電阻R2的電阻值。在電壓比 較器12的第一輸入端的電壓Vl大於第二輸入端的電壓V2時，il i2Xr2/rl，此時輸出 電流Il的電流值il超出規範，表示檢測到電源輸出線20中有過電流，電壓比較器12因此 輸出錯誤信號Error。所以，在檢測電阻Rl的電阻值rl、設定電阻R2的電阻值r2及恆定 電流12的電流值i2設定後，輸出電流Il的電流值il的保護點即被設定為(i2Xr2/rl)， 一旦電流值il大於保護點則立刻輸出錯誤信號Error通知後面的保護電路以做出適當的 保護。在本實施例中，過電流檢測電路1還包括電容Cl，電容Cl具有第一端及第二端，電 容Cl的第一端耦接至檢測電阻Rl的第二端，電容Cl的第二端耦接至設定電阻R2的第二 端。電容Cl可用於電壓比較器12的第一輸入端及第二輸入端間的噪聲濾波器，同時也對 輸入信號轉態提供緩衝的效果。圖2為圖1所示恆流源11的一實施方式的電路圖。請參照圖2，恆流源11包括參 考電流源111以及電流鏡電路112。參考電流源111用於產生穩定的參考電流Iref。電流 鏡電路112耦接至參考電流源111，用於根據參考電流Iref產生恆定電流12。在本實施例中，參考電流源111包括參考電壓源113以及轉換電阻R4，其中，參考 電壓源113用於產生穩定的參考電壓Vref，而轉換電阻R4用於將參考電壓Vref轉換為參 考電流Iref。參考電壓源113包括輸入電阻R3以及並聯穩壓器TL1。輸入電阻R3具有第一端及第二端，輸入電阻R3的第一端耦接以接收直流電壓Vcc。由於DC/DC轉換器2可 設計成輸出多個穩定且具有不同電平的直流電源，例如通過兩電源輸出線分別提供12V/1A 及24V/5A的直流電源，而過電流檢測電路1通常只需針對一電源輸出線(如12V/1A)進行 過電流檢測，另一電源輸出線(如24V/5A)則可用來提供直流電壓Vcc。並聯穩壓器TLl具 有陽極端A、陰極端K及參考端R，可採用市售集成電路TL431等，陽極端A耦接至接地端，陰 極端K耦接至參考端R及輸入電阻R3的第二端，陰極端K輸出穩定的參考電壓Vref。轉換 電阻R4具有第一端及第二端，轉換電阻R4的第一端耦接至陰極端K以接收參考電壓Vref， 轉換電阻R4的第二端輸出參考電流Iref至電流鏡電路112。在本實施例中，電流鏡電路112包括第一電晶體Q1、第二電晶體Q2以及退化電阻 R5，其中第一電晶體Ql及第二電晶體Q2為雙極性電晶體。第一電晶體Ql具有集電極端、基 極端及 發射極端，第一電晶體Ql的集電極端耦接至參考電流源111以接收參考電流Iref， 第一電晶體Ql的集電極端還耦接至第一電晶體Ql的基極端，第一電晶體Ql的發射極端耦 接至接地端。第二電晶體Q2具有集電極端、基極端及發射極端，第二電晶體Q2的集電極端 吸取恆定電流12，第二電晶體Q2的基極端耦接至第一電晶體Ql的基極端。退化電阻R5具 有第一端及第二端，退化電阻R5的第一端耦接至第二發射極端，退化電阻R5的第二端耦接 至接地端。本實用新型不將參考電流源111輸出的參考電流Iref直接作為恆流源11吸取的 恆定電流12，而是利用電流鏡電路112複製參考電流Iref來產生恆定電流12，這是為了利 用電流鏡電路112中具有正溫度係數的第二電晶體Q2來對具有負溫度係數的設定電阻R2 進行溫度補償，使保護點不受外界溫度變化的影響。下面將對此做進一步說明當溫度上升 時，設定電阻R2因為是負溫度係數元件，其電阻值r2會下降，造成電壓比較器12的第二輸 入端的電壓V2偏高，因此保護點受溫度影響而漂移；但是，第二電晶體Q2因為是正溫度系 數元件，其輸出電流12的電流值i2會上升，因此可將電壓比較器12的第二輸入端的電壓 V2拉回正常，使保護點不受溫度的影響。另外，由於電壓V2會接近於電壓Vi，如果不加入 退化電阻R5，則電壓V2將會全部由第二電晶體Q2承受，造成第二電晶體Q2工作時會有溫 度偏高的現象，因此加入退化電阻R5用於分擔電壓V2落在第二電晶體Q2的跨壓。圖3為圖1所示電壓比較器12的一實施方式的電路圖。請參照圖3，電壓比較器 12包括第一運算放大器0PA1、第二運算放大器0PA2以及齊納二極體ZD1。第一運算放大 器OPAl具有非反相輸入端、反相輸入端及輸出端，第一運算放大器OPAl的非反相輸入端耦 接至檢測電阻Rl的第二端，第一運算放大器OPAl的反相輸入端耦接至設定電阻R2的第二 端。第二運算放大器0PA2具有非反相輸入端、反相輸入端及輸出端，第二運算放大器0PA2 的非反相輸入端耦接至參考電壓Vref，第二運算放大器0PA2的反相輸入端通過電阻R6耦 接至第一運算放大器OPAl的輸出端。齊納二極體ZDl具有陰極端及陽極端，齊納二極體 ZDl的陰極端耦接至第二運算放大器0PA2的輸出端，齊納二極體ZDl的陽極端在檢測電阻 Rl的第二端的電壓Vl小於設定電阻R2的第二端的電壓V2時輸出錯誤信號Error。本實用新型除了採用第一運算放大器OPAl比較電壓比較器12的第一輸入端的電 壓Vl及第二輸入端的電壓V2之外，還加入第二運算放大器0PA2將第一運算放大器OPAl 的比較結果進行反相，同時第二運算放大器0PA2還提供阻抗匹配的效果。在這裡，參考電 壓Vref由參考電壓源113所提供。另外，串接的齊納二極體ZDl用於降低傳送到後面電路的電平，而且除非第二運算放大器0PA2輸出的電壓足夠明確，否則齊納二極體ZDl不會進 入崩潰區，如此將形同另一個電平判定標準，提高抗噪聲能力。在本實施例中，電壓比較器12還包括電阻R7以及電容C3。電阻R7具有第一端及 第二端，齊納二極體ZDl的陰極端改成耦接至電阻R7的第一端，電阻R7的第二端耦接至第 二運算放大器0PA2的輸出端。電容C3具有第一端及第二端，電容C3的第一端耦接至電阻 R7的第一端，電容C 3的第二端耦接至接地端。電阻R7及電容C3組成RC濾波器，通過RC 時間常數提供信號轉態的緩衝效果。 綜上所述，本實用新型因採用恆流源提供穩定的恆定電流來設定保護點而具有精 準的保護點設定，其中恆流源還可採用電流鏡電路複製另一穩定的參考電流來產生恆定電 流，利用電流鏡電路中具有正溫度係數的電晶體來對具有負溫度係數的設定電阻進行溫度 補償而使保護點不受外界溫度變化影響，另外電壓比較器還可採用運算放大器及齊納二極 管的組合形成多個電平判定標準而提高抗噪聲能力。因此，本實用新型具有精準的保護點 設定、不受外界溫度變化影響、抗噪聲幹擾且架構簡單等優點。以上所述僅為本實用新型的優選實施例，並非因此即限制本實用新型的專利範 圍，凡是運用本實用新型說明書及附圖內容所作的等效結構變換，或直接或間接運用在其 它相關的技術領域，均同理包括在本實用新型的專利範圍內。
權利要求一種過電流檢測電路，其特徵在於，用於檢測一直流電壓源的一電源輸出線中是否有過電流，該電源輸出線具有一輸入端及一輸出端，該過電流檢測電路包括一檢測電阻，具有一第一端及一第二端，該檢測電阻的第一端耦接至該輸入端，該檢測電阻的第二端耦接至該輸出端；一設定電阻，具有一第一端及一第二端，該設定電阻的第一端耦接至該輸入端；一恆流源，耦接至該設定電阻的第二端，用於從該設定電阻的第二端吸取一恆定電流；以及一電壓比較器，耦接至該檢測電阻的第二端及該設定電阻的第二端，用於在該檢測電阻的第二端的電壓小於該設定電阻的第二端的電壓時輸出一錯誤信號表示檢測到該電源輸出線中有過電流。
2.如權利要求1所述的過電流檢測電路，其特徵在於，其中該過電流檢測電路還包括 一電容，該電容具有一第一端及一第二端，該電容的第一端耦接至該檢測電阻的第二端，該 電容的第二端耦接至該設定電阻的第二端。
3.如權利要求1所述的過電流檢測電路，其特徵在於，其中該恆流源包括 一參考電流源，用於產生穩定的一參考電流；以及一電流鏡電路，耦接至該參考電流源，用於根據該參考電流產生該恆定電流。
4.如權利要求3所述的過電流檢測電路，其特徵在於，其中該參考電流源包括 一參考電壓源，用於產生穩定的一參考電壓，該參考電壓源包括一輸入電阻，具有一第一端及一第二端，該輸入電阻的第一端耦接以接收一直流電壓；以及一併聯穩壓器，具有一陽極端、一陰極端及一參考端，該陽極端耦接至一接地端，該陰 極端耦接至該參考端及該輸入電阻的第二端，該陰極端輸出該參考電壓；以及一轉換電阻，具有一第一端及一第二端，該轉換電阻的第一端耦接至該陰極端以接收 該參考電壓，該轉換電阻的第二端輸出該參考電流至該電流鏡電路。
5.如權利要求3所述的過電流檢測電路，其特徵在於，其中該電流鏡電路包括一第一電晶體，具有一集電極端、一基極端及一發射極端，該第一電晶體的集電極端耦 接至該參考電流源以接收該參考電流，該第一電晶體的集電極端還耦接至該第一電晶體的 基極端，該第一電晶體的發射極端耦接至一接地端；一第二電晶體，具有一集電極端、一基極端及一發射極端，該第二電晶體的集電極端吸 取該恆定電流，該第二電晶體的基極端耦接至該第一電晶體的基極端，其中該第一電晶體 及該第二電晶體為雙極性電晶體；以及一退化電阻，具有一第一端及一第二端，該退化電阻的第一端耦接至該第二電晶體的 發射極端，該退化電阻的第二端耦接至該接地端。
6.如權利要求1所述的過電流檢測電路，其特徵在於，其中該電壓比較器包括 一第一運算放大器，具有一非反相輸入端、一反相輸入端及一輸出端，該第一運算放大器的非反相輸入端耦接至該檢測電阻的第二端，該第一運算放大器的反相輸入端耦接至該 設定電阻的第二端；一第二運算放大器，具有一非反相輸入端、一反相輸入端及一輸出端，該第二運算放大 器的非反相輸入端耦接至一參考電壓，該第二運算放大器的反相輸入端耦接至該第一運算放大器的輸出端；以及一齊納二極體，具有一陰極端及一陽極端，該陰極端耦接至該第二運算放大器的輸出 端，該陽極端在該檢測電阻的第二端的電壓小於該設定電阻的第二端的電壓時輸出該錯誤信號。
7.如權利要求6所述的過電流檢測電路，其特徵在於，其中該電壓比較器還包括 一電阻，具有一第一端及一第二端，該陰極端改成耦接至該電阻的第一端，該電阻的第 二端耦接至該第二運算放大器的輸出端；以及一電容，具有一第一端及一第二端，該電容的第一端耦接至該電阻的第一端，該電容的 第二端耦接至一接地端。
專利摘要本實用新型公開了一種過電流檢測電路，屬於電流檢測技術領域，用於檢測直流電壓源的電源輸出線中是否有過電流。過電流檢測電路包括檢測電阻、設定電阻、恆流源及電壓比較器，其中，檢測電阻的第一端及第二端分別耦接至電源輸出線的輸入端及輸出端，設定電阻的第一端耦接至電源輸出線的輸入端，恆流源耦接至設定電阻的第二端並從設定電阻的第二端吸取恆定電流，電壓比較器在檢測電阻的第二端的電壓小於設定電阻的第二端的電壓時輸出錯誤信號表示檢測到過電流。本實用新型具有精準的保護點設定、不受外界溫度變化影響、抗噪聲幹擾且架構簡單等優點。
文檔編號G01R19/165GK201611361SQ20092027149
公開日2010年10月20日 申請日期2009年12月28日 優先權日2009年12月28日
發明者易君佐, 林立韋, 黃國梁 申請人:冠捷投資有限公司