CN101582580A - 一种输入/输出过电压保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种输入/输出过电压保护电路，主要包括“电压采样及逻辑判断电路”、“主回路切断电路”及“自动限制浪涌电流电路”三个功能模块；工作电压首先经过“采样和逻辑判断电路”来判断电压是否高于安全范围，如果在安全范围内，则开通“主回路切断电路”；如果高于安全电压范围，则通过关断“主回路切断电路”，以此切断主供电回路，保护后级电路。当电路开通时，主回路切断电路后级的限制浪涌电流电路自动开始工作，限制工作电流的峰值，保护切断电路中的开关管和后级用电设备电路。
Description
技术领域
本发明涉及一种保护电路，尤其涉及一种可以切断主回路的输入/输出过电压保护电路。
背景技术
在某些应用场合，用电设备在输入电压过高的场合会损坏，而此种过电压的可能性又始终存在，那么可以切断电源供电主回路的输入过电压保护电路是十分必要的。如在三相四线制供电系统中，存在相电压和线电压共存的情况，如果线路故障或者人为误操作等因素，会使得原本应用与相电压220V电压的用电设备接入线电压380V接线端。在220V供电的电源电路中，一些通用器件如输入bulk电容最高只有450V选择，而通用的开关管MOSFET常用的也是600V。而如果没有过电压保护电路，线电压380V上浮20％误差范围整流后将是645V，这样高的电压必将导致设备损坏。
发明内容
本发明目的在于提供一种能够切断主回路且具有限制浪涌电流功能的输入/输出过电压保护电路。
本发明的目的通过以下方案实现：一种输入/输出过压保护电路，包括电压采样及逻辑判断电路、用于切断主供电回路的第一MOSFET管、用于自动限制浪涌电流的第二MOSFET管和分流电阻；输入电压采样及逻辑判断电路的控制输出端连接第一MOSFET管的栅极，第一MOSFET管的栅极连接第一分压回路，第一MOSFET管的源极和漏极连接于主回路工作电压的负电压端，第一MOSFET管的源极连接第二MOSFET管的漏极，第二MOSFET管的源极作为输出到后级电路的负电压端，分流电阻并联于第二MOSFET管的源极和漏极之间，第二MOSFET管的栅极连接第二分压回路；所述第二MOSFET管的栅极与第二分压回路的分压输出端之间连接用于延迟导通第二MOSFET的第二延时电路；
当工作电压高于安全电压范围，采样及逻辑判断电路控制输出端输出低电平拉低第一MOSFET管的栅极电压，使第一MOSFET管截止以此切断主供电回路；当工作电压在安全电压范围，采样及逻辑判断电路没有控制输出，第一MOSFET管的栅极由第一分压回路提供栅极电压，使其处于工作状态；同时，通过分流电阻先向后级供电，限制电流的峰值，经第二延时电路延时后再开通第二MOSFET管处于工作状态，保护第一MOSFET管和后级用电设备电路。
所述第一MOSFET管的栅极与第一分压回路的分压输出端之间连接用于防止第一MOSFET管误动作的第一延时电路。
所述采样及逻辑判断电路控制输出端连接于第一分压回路的分压输出端或第一MOSFET管的栅极。
为了提供不超过MOSFET安全驱动电压范围的分压，所述第一分压电路包括稳压二极管D3和分压电阻R5，稳压二极管D3的阳极接工作电压的负电压端，稳压二极管D3的阴极为第一分压电路分压输出端，并经分压电阻R5接工作电压的正电压端。
为了提供不超过MOSFET安全驱动电压范围的分压，所述第二分压电路包括稳压二极管D4和分压电阻R9，稳压二极管D4的阳极接工作电压的负电压端，稳压二极管D4的阴极为第二分压电路分压输出端，并经分压电阻R9接工作电压的正电压端。
所述第二分压电路包括稳压二极管D4，稳压二极管D4的阳极接输入电压的负电压端，稳压二极管D4的阴极为第二分压电路分压输出端，并连接第一分压电路分压输出端。
本发明还可以通过以下措施实现：一种输入/输出过压保护电路，包括电压采样及逻辑判断电路、控制电路、用于切断主供电回路的第一MOSFET管、用于自动限制浪涌电流的第二MOSFET管和分流电阻；输入电压采样及逻辑判断电路的输出端连接控制电路的触发端，第一MOSFET管的源极和漏极连接于主回路电压的负电压端，第一MOSFET管的源极连接第二MOSFET管的漏极，第二MOSFET管的源极作为输出到后级电路的负电压端，分流电阻并联于第二MOSFET管的源极和漏极之间；所述控制电路的驱动信号输出端分别连接第一MOSFET管和第二MOSFET管的栅极；
当输电压高于安全电压范围，采样及逻辑判断电路输出触发信号到控制电路，使控制电路输出截止驱动信号到两个开关管，以此切断主供电回路；当电压在安全电压范围，采样及逻辑判断电路输出触发信号到控制电路，使控制电路输出导通驱动信号到两个开关管，使其处于工作状态，限制输入电流的峰值，保护第一MOSFET管和后级用电设备电路。
本发明相对现有技术优点在于：
1、输入/输出过电压保护能够彻底切断输入高电压与后级设备主回路的供电线路，保护彻底，安全系数高；
2、保护范围设定十分灵活，从几伏到上千伏的场合都可以应用该电路；
3、自动限制浪涌电流电路可以将输入浪涌电流峰值限定在一个安全范围内，即保护了该专利中电路中的开关器件、也保护了后级用电设备，且使得整个设备很容易符合浪涌电流限制的相关各种国际国内行业标准。
附图说明
图1是本发明电路结构示意图；
图2是本发明应用于三相四线制供电系统中的框图；
图3是本发明的实施例一电路图；
图4是本发明的实施例二电路图；
图5是本发明中电压采样及逻辑判断电路的电路形式二；
图6是本发明中电压采样及逻辑判断电路的电路形式三；
图7是本发明中是本发明中电压采样及逻辑判断电路的电路形式四；
图8是采用本发明通过外控制电路实现方案原理框图；
图9是本发明电路用于输出保护电路的示意图。
具体实施方式
如图1所示的本发明电路的结构框图，本发明电路主要包括“电压采样及逻辑判断电路”、“主回路切断电路”及“自动限制浪涌电流电路”三个功能模块；输入电压首先经过“采样和逻辑判断电路”来判断输入电压是否高于安全范围，如果在安全范围内，则开通“主回路切断电路”；如果高于安全电压范围，则通过关断“主回路切断电路”，以此切断主供电回路，保护后级电路。当电路开通时，主回路切断电路后级的限制浪涌电流电路自动开始工作，限制输入电流的峰值，保护切断电路中的开关管和后级用电设备电路。
上述“电压采样及逻辑判断电路”可以采用多种电路形式来实现。如采用一个MOS管实现，也可采用两个MOS管实现，还可采用TL431类似功能的芯片实现；同样采用比较器亦可实现，以下的具体电路图中会详细阐述。
上述主回路切断电路主要由一个MOSFET管实现，MOSFET管的栅极电压由电压采样及逻辑判断回路输出控制；还可设置一个RC延时回路或其他常用的延时电路，用以实现上电的时序。
上述自动限制浪涌电流电路主要由一个MOSFET管、一个延时回路和一个限制浪涌电流电阻实现，在MOSFET管的源极和漏极间并联一个分流电阻R，让开机的浪涌电流不通过MOSFET管而仅通过与之并联的电阻，从而避免电路开通瞬间的过大电流损坏MOSFET管和后级用电设备电路。
如图2所示，当将本发明应用于三相四线制供电系统时，需要先在电压采样及逻辑判断电路前将电网上的交流电整流为直流，因此增加整流电路。
下面结合具体的实施电路对本发明进行阐述。
如图3所示实施例一，一种输入过压保护电路，包括“电压采样及逻辑判断电路”、“主回路切断电路”及“自动限制浪涌电流电路”三个功能模块。
电压采样及逻辑判断电路主要包括一个PNP型晶体管Q1，一个NPN型晶体管Q4，采样电阻R1及R2、R3及R4，电阻R13，电阻R14，电阻R6，稳压二极管D1。采样电阻R1串联电阻R2后连接于输入电压的正负端之间，对输入电压进行采样。稳压二极管D1与电阻R2并联，使电阻R2上的电压高于某个固定值(稳压二极管的反向击穿电压)时，对电阻R2上的电压稳压。晶体管Q1的基极通过电阻R13与R2及二极管D1连接。采样电阻R3串联电阻R4后连接于输入电压的正负端之间，对输入电压进行采样。晶体管Q1的发射极连接在电阻R3与R4之间。晶体管Q1的集电极通过电阻R14与晶体管Q4的基极相连。晶体管Q4的发射极直接连接在输入电压的负电压端。晶体管Q4的集电极通过电阻R6输出。
主回路切断由MOSFET管Q2实现，电阻R5和稳压二极管D3连成分压回路，电容C2及C3，电阻R7及R8组成RC延时电路。MOSFET管Q2的源极和漏极连接于输入电压的负电压端。电阻R5串联稳压二极管D3后反向连接于输入电压的正负端之间。稳压二极管D3并联RC延时电路后，其上的电压再为MOSFET管Q2栅极供电。RC延时电路是为了避免电压过高时，MOSFET管Q2先导通，后又由于电压采样及逻辑判断电路的输出拉低栅极电压而关断，产生不必要的误动作。电压采样及逻辑判断电路的输出通过电阻R6连接于电阻R5及稳压二极管D3之间分压输出端，以此控制MOSFET管Q2的栅极电压，来控制MOSFET管Q2的开通与关断。
自动限制浪涌电流电路主要由MOSFET管Q3和分流电阻R11组成，电阻R9和稳压二极管D4连成分压回路，电容C5及C4、电阻R10及R12连成RC延时电路。电阻R9串联稳压二极管D4后反向连接于输入电压的正负端之间。MOSFET管Q3的源极和漏极连接于输入电压的负电压端。电阻R11并联在MOSFET管Q3的源极及漏极之间，MOSFET管Q2的源极连接MOSFET管Q3的漏极，MOSFET管Q3的源极作为输出到后级电路的负电压端。在电路导通的瞬间，瞬间电流非常大，为了避免开通瞬间的过大电流烧坏MOSFET管Q2，Q3及后级用电设备，并联分流电阻R11形成浪涌保护。稳压二极管D4并联RC延时电路后，其上的电压再为MOSFET管Q3的栅极供电。
电路的工作原理如下：输入电压通过电阻R3，R4取样分压；当输入电压过高时，稳压二极管D1被击穿，电阻R2上的电压为稳压二极管D1的电压，又电阻R4上的电压大于稳压二极管D1的电压，因此晶体管Q1导通，提供晶体管Q4基极电流，使晶体管Q4也导通。晶体管Q4导通后，通过电阻R6输出一个负电压，将MOSFET管Q2的栅极电压拉低，使MOSFET管Q2关断，如此切断了主供电回路。
当输入电压恢复正常值后，取样电阻R4上的电压小于或者等于电阻R2上的电压，晶体管Q1关断，使晶体管Q4也关断。此时，由电阻R5与稳压二极管D3串联组成的分压支路通过延时电路后提供MOSFET管Q2的栅极电压，使MOSFET管Q2导通。
而由电阻R9与稳压二极管D4组成的分压支路通过延时电路后提供MOSFET管Q3的栅极电压，使MOSFET管Q3一直导通。当MOSFET管Q2也导通时，整个供电回路便导通了。在电路导通的瞬间，瞬间电流可能非常大，为了避免开通瞬间的过大电流烧掉MOSFET管Q2、Q3，在MOSFET管Q3的漏极与源极间并联分流电阻R11，在MOSFET管Q3导通之前，浪涌电流大小被分流电阻R11限制，从而实现过大的浪涌电流保护功能。
如图4所示实施例二与图三所示实施例一基本相同，不同之处在于实施例一中，MOSFET管Q3的栅极电压由电阻R9与稳压二极管D4组成的分压支路通过延时电路后提供，而在实施例二中，MOSFET管Q3的栅极电压与MOSFET管Q2的栅极电压采用电阻R5与稳压二极管D4，电阻R5与稳压二极管D3组成的分压支路通过延时电路后提供，因而减少了电阻元器件R9，而在实际电路中，电阻元器件R9很可能是由多个电阻串联而成，因此减少电阻元器件R9可以节约空间而且节约成本。
本发明中，“电压采样及逻辑判断电路”还可以由其他多种电路形式，如图5所示，电压采样及逻辑判断电路由一个NPN型晶体管Q1，电阻R1，R2及R3，稳压二极管D1，电容C1组成。稳压二极管D1与电阻R1串联，再与稳压二极管D2串联后连接于输入电压的正负端之间。晶体管Q1的基极通过电阻R2连接于电阻R1及稳压二极管D2之间。晶体管Q1的集电极直接连接输入电压的负电压端。电容C1并联在晶体管Q1基极及输入电压负电压端。晶体管Q1的射极通过电阻R3输出。
当输入电压高于某个电压值时，稳压二极管D1和D2反向击穿，通过电阻R2提供晶体管Q1基极电流，使晶体管Q1导通。晶体管Q1导通后，通过电阻R3输出一个负电压，将MOSFET管Q2的栅极电压拉低，使MOSFET管Q2关断，如此切断了主供电回路。当输入电压恢复正常值时，稳压二极管D1和D2不能反向击穿，无法为晶体管Q1提供基极电流，晶体管Q1关断。此时，由R4与稳压二极管D3串联组成的分压支路通过延时电路后提供MOSFET管Q2的栅极电压，使MOSFET管Q2导通。
如图6所示，采用TL431实现电压采样及逻辑判断电路。电压采样及逻辑判断电路由取样电阻R1，R2及R3，稳压二极管D1，TL431，电阻R4及R6组成。TL431是一个高性价比的常用分流式电压基准。在此电路中，其实现一个鉴幅器的功能。取样电阻R1与R3，R2串联后连接在输入电压的正负端之间。稳压二极管D1并联在R3与R2的串联电路上。TL431的参考端连接在电阻R2与R3之间，阴极通过电阻R4与R1连接，阳极直接连接在输入电压的负电压端，即由TL431及电阻R2，R3，R4构成一个鉴幅器。
当输入电压过高时，稳压二极管D1被反向击穿，此时由TL431及电阻R2，R3，R4组成的鉴幅器通过电阻R6直接输出一个低电平到MOSFET管Q2的栅极，拉低MOSFET管Q2栅极电压，使MOSFET管Q2关断。当输入电压恢复正常值时，稳压二极管D1不能反向击穿，此时由TL431及电阻R2，R3，R4组成的鉴幅器通过电阻R6直接输出一个高电平到MOSFET管Q2的栅极，MOSFET管Q2迅速导通。由于鉴幅器可以直接输出高电平，因此电路也可以修改成为电阻R6的右端直接接到电容C2的上端，且可以去掉电阻R5和稳压二极管D3。
如图7所示，采用比较器实现电压采样及逻辑判断电路。电压采样及逻辑判断电路由取样电阻R1，R9及R2，稳压二极管D1，TL431，电阻R3及R6，稳压二极管D2，比较器组成。取样电阻R1与R9，R2串联后连接在输入电压的正负端之间。稳压二极管D1并联在R9与R2的串联电路上。TL431的阴极通过电阻R4与R1连接，阳极直接连接在输入电压的负电压端，参考端与阴极短接。比较器的正输入端接TL431的阴极，负输入端连接于电阻R2与R9之间。电阻R3与稳压二极管D2串联后连接在输入电压的正负端之间，以此支路为比较器的电源端供电。由于TL431的参考端与阴极短接，使得其电压为一固定值，又比较器的正输入端接TL431的阴极，即比较器正输入端输入一个固定参考电压。比较器的输出端通过电阻R6直接控制MOSFET管Q2的栅极。
由于输入电压通过取样电阻R1，R9及R2分压取样，取样电阻R2上的电压输入比较器的负输入端，所以，当输入电压过高时，比较器的负输入端电压大于参考电压，所以比较器通过电阻R6直接输出一个低电平到MOSFET管Q2的栅极，拉低MOSFET管Q2栅极电压，使MOSFET管Q2关断。当输入电压恢复正常值时，比较器的负输入端电压小于或等于参考电压，比较器通过电阻R6直接输出一个高电平到MOSFET管Q2的栅极，MOSFET管Q2迅速导通。
如图8所示，本发明也可以通过外电路来实现其控制功能。包括输入电压采样及逻辑判断电路、控制电路、用于切断主供电回路的第一MOSFET管、用于自动限制浪涌电流的第二MOSFET管和分流电阻；输入电压采样及逻辑判断电路的输出端连接控制电路的触发端，第一MOSFET管的源极和漏极连接于主回路输入电压的负电压端，第一MOSFET管的源极连接第二MOSFET管的漏极，第二MOSFET管的源极作为输出到后级电路的负电压端，分流电阻并联于第二MOSFET管的源极和漏极之间；所述控制电路的驱动信号输出端分别连接第一MOSFET管和第二MOSFET管的栅极，当输入电压高于安全电压范围，采样及逻辑判断电路输出触发信号到控制电路，使控制电路输出截止驱动信号到两个开关管，以此切断主供电回路；当输入电压在安全电压范围，采样及逻辑判断电路输出触发信号到控制电路，使控制电路输出导通驱动信号到两个开关管，使其处于工作状态，限制输入电流的峰值，保护第一MOSFET管和后级用电设备电路。
例如在后级设备如果有单片机或者DSP等数字控制芯片，这样可以将这些数字控制芯片作为外接控制电路，通过“电压采样及逻辑判断电路”发给控制芯片高或者低的电平信号，代表输入电压范围是否超高，进一步由控制芯片实现延迟，并发出驱动信号来驱动“主回路切断电路”和“自动限制浪涌电流电路”中的两个开关管。这样可以省去前述电路中的延迟电路，从而减少电路元器件的数量，减小占用空间。
如图9所示，同理，本发明也可连接于工作电压输出回路中，用于保护在输出电压过高的情况。图中本发明中保护电路连接功率变换器的输出电压，如果功率变换器输出电压高于设定的保护电压点，则通过关断“输出回路切断电路”，以此切断输出回路，最终使得图中电源模块“具有保护功能的实际输出端”无输出。如果功率变换器输出电压低于设定的保护电压点，则按照与前面所述的同样时序开通两个MOSFET管，图中功率模块的“具有保护功能的实际输出端”正常输出。
本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均可实现本发明目的。
Claims (7)
1、一种输入/输出过压保护电路，其特征在于：包括电压采样及逻辑判断电路、用于切断主供电回路的第一MOSFET管、用于自动限制浪涌电流的第二MOSFET管和分流电阻；输入电压采样及逻辑判断电路的控制输出端连接第一MOSFET管的栅极，第一MOSFET管的栅极连接第一分压回路，第一MOSFET管的源极和漏极连接于主回路工作电压的负电压端，第一MOSFET管的源极连接第二MOSFET管的漏极，第二MOSFET管的源极作为输出到后级电路的负电压端，分流电阻并联于第二MOSFET管的源极和漏极之间，第二MOSFET管的栅极连接第二分压回路；所述第二MOSFET管的栅极与第二分压回路的分压输出端之间连接用于延迟导通第二MOSFET的第二延时电路；
当工作电压高于安全电压范围，采样及逻辑判断电路控制输出端输出低电平拉低第一MOSFET管的栅极电压，使第一MOSFET管截止以此切断主供电回路；当工作电压在安全电压范围，采样及逻辑判断电路没有控制输出，第一MOSFET管的栅极由第一分压回路提供栅极电压，使其处于工作状态；同时，通过分流电阻先向后级供电，限制工作电流的峰值，经第二延时电路延时后再开通第二MOSFET管处于工作状态，保护第一MOSFET管和后级用电设备电路。
2、根据权利要求1所述的输入/输出过压保护电路，其特征在于：所述第一MOSFET管的栅极与第一分压回路的分压输出端之间连接用于防止第一MOSFET管误动作的第一延时电路。
3、根据权利要求2所述的输入/输出过压保护电路，其特征在于：所述采样及逻辑判断电路控制输出端连接于第一分压回路的分压输出端或第一MOSFET管的栅极。
4、根据权利要求1或2所述的输入/输出过压保护电路，其特征在于：所述第一分压电路包括稳压二极管D3和分压电阻R5，稳压二极管D3的阳极接工作电压的负电压端，稳压二极管D3的阴极为第一分压电路分压输出端，并经分压电阻R5接输入电压的正电压端。
5、根据权利要求1所述的输入/输出过压保护电路，其特征在于：所述第二分压电路包括稳压二极管D4和分压电阻R9，稳压二极管D4的阳极接工作电压的负电压端，稳压二极管D4的阴极为第二分压电路分压输出端，并经分压电阻R9接工作电压的正电压端。
6、根据权利要求1所述的输入/输出过压保护电路，其特征在于：所述第二分压电路包括稳压二极管D4，稳压二极管D4的阳极接工作电压的负电压端，稳压二极管D4的阴极为第二分压电路分压输出端，并连接第一分压电路分压输出端。
7、一种输入/输出过压保护电路，其特征在于：包括电压采样及逻辑判断电路、控制电路、用于切断主供电回路的第一MOSFET管、用于自动限制浪涌电流的第二MOSFET管和分流电阻；输入电压采样及逻辑判断电路的输出端连接控制电路的触发端，第一MOSFET管的源极和漏极连接于主回路工作电压的负电压端，第一MOSFET管的源极连接第二MOSFET管的漏极，第二MOSFET管的源极作为输出到后级电路的负电压端，分流电阻并联于第二MOSFET管的源极和漏极之间；所述控制电路的驱动信号输出端分别连接第一MOSFET管和第二MOSFET管的栅极；
当电压高于安全电压范围，采样及逻辑判断电路输出触发信号到控制电路，使控制电路输出截止驱动信号到两个开关管，以此切断主供电回路；当电压在安全电压范围，采样及逻辑判断电路输出触发信号到控制电路，使控制电路输出导通驱动信号到两个开关管，使其处于工作状态，限制工作电流的峰值，保护第一MOSFET管和后级用电设备电路。
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