CN101714757B - 一种车载电源抗浪涌装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种车载电源抗浪涌装置，涉及一种直流电源附属设备。它的N沟道MOS管D端连接汽车电源，S端向负载提供直流输出；该MOS管的S端与G端之间设充电泵电路，为G端提供驱动电压；该MOS管的D端与G端之间设启动电路，在汽车电源最初提供输入电压时为G端提供初始驱动电压，启动本装置；该MOS管G端与地线之间设箝位电路，在D端的电压高于箝位电压而低于关断电压时控制S端输出略低于箝位电压，在D端的电压低于箝位电压时控制S端输出略低于D端的电压；该MOS管D端与地线之间设过压保护电路，其输出端连接该MOS管G端，控制该MOS管在D端电压高于关断电压时切断S端输出。解决抵抗持续的高浪涌电压冲击的问题。

Description

一种车载电源抗浪涌装置
技术领域
本发明涉及一种直流电源附属设备。
背景技术
汽车电源由蓄电池和发电机组成。汽车在使用过程中，存在汽车浪涌电压(瞬变)，它是随机的、可重复性的。重复性的瞬变(例如引擎的转动)可能产生数百伏特的电压，对于车载电子组件来说，最为剧烈的瞬变来源于负载突降(load dump)。负载突降是急促的能量卸放，当发电机向负载提供充电电流时，蓄电池的快速断开所引起的能量突然释放就是负载突降。此外，由于使用了串联堆叠的蓄电池，汽车发动时能产生过压条件。其它的瞬变可能源于点火系统的噪声、继电器开启及关闭以及诸如保险丝熔断等单稳态事件。由于汽车电压的瞬变，由车载电源系统供电的负载电路就必须要能耐受这种严酷的环境。由于信息技术的发展，车主的需求日新月异。很多汽车都加装了后装电子设备，以实现某些特别需要的功能，这些后装电子设备必须要能够抵抗很高的汽车浪涌电压冲击。传统的方法是在这些电子设备前端采用等级比较高的浪涌抑制芯片。目前等级比较高的浪涌抑制芯片往往价格比较高且不能抵抗持续的高浪涌电压冲击，不适应各种后装电子设备的基本安全要求。
发明内容
本发明旨在提供一种车载电源抗浪涌装置，它成本比较便宜又可以抵御持续的高浪涌电压冲击，保护负载不受其危害。
本发明的技术方案是：一种车载电源抗浪涌装置，一个N沟道MOS管的输入端-D端和地线分别连接汽车电源的正负极，该MOS管的输出端-S端向负载提供直流输出；一个充电泵电路连接在该MOS管的S端与控制端-G端之间，为该MOS管G端提供驱动电压；一个启动电路连接在该MOS管的D端与G端之间，在汽车电源最初提供输入电压时为该MOS管的G端提供初始驱动电压，启动本装置；一个箝位电路连接在该MOS管G端与地线之间，在D端的电压高于箝位电压而低于关断电压时控制该MOS管S端直流输出略低于箝位电压，在D端的电压低于箝位电压时控制该MOS管S端直流输出略低于D端的电压；一个过压保护电路连接在该MOS管D端与地线之间，该过压保护电路的输出端连接该MOS管G端，控制该MOS管在D端的电压高于关断电压时切断S端直流输出。
所述的启动电路包含串联使用的二极管和限流电阻。
所述的箝位电路包含并联使用的稳压二极管和电容器。
所述的过压保护电路中串联使用的稳压二极管和限流电阻从N沟道MOS管D端获得过压信号并提供给开关三极管的控制端，使开关三极管的输出端所连接的N沟道MOS管G端接近地电平，N沟道MOS管截止，停止直流输出。
所述的充电泵电路包含以运算放大器为核心的方波发生器、两个串联的二极管和一个电容；这两个二极管连接在N沟道MOS管的G端与S端之间；电容连接在这两个二极管的连接点与运算放大器的输出端之间。
所述的方波发生器中有三个阻值相等的电阻，这三个电阻中的两个串联在N沟道MOS管S端与地线之间，上述两个电阻的连接点连接运算放大器的正输入端及这三个电阻中的另一个电阻，该电阻的另一端连接运算放大器的输出端；方波发生器中另有一个电阻串接在运算放大器的输出端与负输入端之间，运算放大器的负输入端经一个电容接地线，该电阻与该电容构成调整方波发生器输出方波频率的RC充放电电路。
所述的汽车电源的正极与N沟道MOS管D端之间串接一个功率二极管，抑制负电压尖峰并防电源反接。
本发明车载电源抗浪涌装置，采用N沟道MOS管作为向负载提供直流输出的执行元件，N沟道MOS管具有耐压高的特点，抵抗高浪涌电压冲击的能力强；同时N沟道MOS管的价格低，有利于推广应用。该抗浪涌装置中设置启动电路，在汽车电源上电时为该MOS管的G端提供初始驱动电压，启动本装置。该装置设箝位电路，在D端的电压高于箝位电压而低于关断电压时控制该MOS管S端直流输出略低于箝位电压，在D端的电压低于箝位电压时控制该MOS管S端直流输出略低于D端的电压。该装置设过压保护电路，在汽车电源输入的电压高于关断电压时控制N沟道MOS管截止，从而切断负载的电源，保护负载不受高浪涌电压冲击；即使是持续的高浪涌电压，由于N沟道MOS管已经处于截止状态，也不会对负载造成危害。该电源设备中的启动电路、箝位电路、过压保护电路的零件数量少，简单可靠。采用以运算放大器为核心的方波发生器、两个二极管串联而成的二极管升压器和电容组成的充电泵电路，成本低且易于实施。
附图说明
图1为本发明车载电源抗浪涌装置的电路结构方框示意图。
图2为本发明车载电源抗浪涌装置一个实施例的电路结构图。
图3为图2实施例运算放大器的输出波形图。
图4为图2实施例升压电容两端的电压波形图。
图5为图2实施例输入电压与输出电压的对应关系图。
具体实施方式
本发明车载电源抗浪涌装置的电路方框结构，如图1所示。该车载电源抗浪涌装置对蓄电池和发电机组成的汽车电源1输入的电压进行抗浪涌处理，它包括以下几部分电路：启动电路2、箝位电路3、过压保护电路4、充电泵电路5和N沟道MOS管6。
N沟道MOS管6的输入端-D端和地线GND分别连接汽车电源1的正负极，该N沟道MOS管6的输出端-S端向负载提供直流输出VOUT。采用N沟道MOS管6作为抗浪涌执行元件，而不采用P沟道MOS管；主要原因是N沟道MOS管6价格方面有优势，同时N沟道MOS管6的耐压值比较高，抗浪涌能力强。但是采用N沟道MOS管6，需要给N沟道MOS管6的G端提供一个比S端高的驱动电压。
本发明采用充电泵电路5把驱动电压提高。该充电泵电路5连接在N沟道MOS管6的输出端-S端与控制端-G端之间，为N沟道MOS管6的G端提供驱动电压。
一个启动电路2连接在N沟道MOS管6的输入端-D端与N沟道MOS管6的G端之间。在汽车电源1最初提供输入电压时为N沟道MOS管6的G端提供一个初始的驱动电压，启动本装置。
一个箝位电路3连接在N沟道MOS管6的G端与地线GND之间，在汽车电源1输入的电压高于箝位电压而低于关断电压时，控制N沟道MOS管6的S端直流输出VOUT稳定在略低于箝位电压。在汽车电源1输入的电压低于箝位电压时，控制N沟道MOS管6的S端直流输出VOUT稳定在略低于汽车电源1输入的电压。
一个过压保护电路4连接在N沟道MOS管6的D端与地线GND之间，该过压保护电路4的输出端连接N沟道MOS管6的G端，控制N沟道MOS管6在汽车电源1输入的电压高于关断电压(即过压状态)时，切断S端直流输出。
本发明车载电源抗浪涌装置一个实施例的电路结构，请参看图2。本实施例应用于需要汽车电源1供电的GPS车载终端，效果很好。GPS车载终端的负载电流在1A以下，工作电压在10V～32V。当汽车电源1输出正常的工作电压时，即汽车电源1供电电压VIN在10V到32V之间时，本实施例基本以无损耗(内阻极小)的方式向GPS车载终端供电，该输出电压VOUT的数值大致为供电电压VIN的数值-1。当汽车电源1由于某种原因，造成瞬间输出高于箝位电压32V而低于关断电压62V之内的过电压，则本实施例会把这个过电压抑制住，使输出电压箝位在31V，使GPS车载终端仍可继续工作。当汽车电源1造成瞬间输出关断电压62V以上的浪涌电压，则本实施例会切断输出，使输出电压VOUT为0V，保护后面的GPS车载终端电路。
本实施例中，N沟道MOS管6的型号为FQP7N50，耐压值VDSS为500V。N沟道MOS管6的内部在D端与S端之间有一个保护二极管。
汽车电源1的正极VCAR_IN与N沟道MOS管6的D端之间串接一个功率二极管D1(型号为1N5408)，抑制负电压尖峰并防电源反接。汽车电源1的负极(搭铁)接地线GND。N沟道MOS管6的D端设一个连接到地线GND的滤波电容C2。N沟道MOS管6的S端(输出电压VOUT)与地线GND之间设有并联的滤波电容C5、C6。
目前市面上有专门提供充电泵电路的芯片，但是价格比较昂贵。考虑到成本问题，本实施例采用简单有效的电路来实现充电泵电路5。本实施例的充电泵电路5包含以运算放大器U1A(型号为LM358)为核心的方波发生器、两个串联的二极管D2、D3(型号为LL4148)和电容C1。两个串联的二极管D2、D3以及限流电阻R2连接在N沟道MOS管6的G端与S端之间；电容C1连接在两个二极管D2、D3的连接点与运算放大器U1A的输出端之间。
方波发生器中有三个阻值相等(均为100K)的电阻R5、R6、R7，这三个电阻中的两个电阻R5、R6串联在N沟道MOS管6DE1S端与地线GND之间，上述两个电阻R5、R6的连接点连接运算放大器U1A的正输入端IN+及这三个电阻R5、R6、R7中的另一个电阻R7，该电阻R7的另一端连接运算放大器U1A的输出端。方波发生器中另有一个电阻R8串接在运算放大器U1A的输出端与负输入端IN-之间，运算放大器U1A的负输入端IN-经一个电容C4接地线GND，该电阻R8与该电容C4构成调整方波发生器输出方波频率的RC充放电电路。
由于电路中存在噪声，在运算放大器U1A的正输入端IN+会有微弱的信号，这个信号经过放大，使输出幅度愈来愈大。假设初始运算放大器U1A的输出端是高电平(VOUT)时，则此时电阻R6、R7可以看成并联，运算放大器U1A正输入端IN+的电压V＝2/3VOUT，此时运算放大器U1A的输出SW通过电阻R8向电容C4充电，运算放大器U1A的负输入端IN-的电压慢慢升高，当运算放大器U1A负输入端IN-的电压高于2/3VOUT时，运算放大器U1A输出翻转变成低电平(0V)，此时运算放大器U1A正输入端IN+电压V＝1/3VOUT，电容C4通过电阻R8放电，运算放大器U1A负输入端IN-电压又慢慢降低，当降到1/3VOUT时，运算放大器U1A输出又翻转变成高电平。如此循环，运算放大器U1A就不断输出方波电平。图3显示了运算放大器U1A输出方波的波形。电路中R8和C4组成了充放电电路，通过调节R8、C4的参数，可以调节输出频率。
本实施例中，运算放大器U1A的功能是产生方波，方波的频率可调，峰峰值大约是VOUT。
N沟道MOS管6的S端直流输出VOUT通过二极管D3先使电容C1充电，电容C1的两极有VOUT的电压值。运算放大器U1A输出的方波再对电容C1进行充放电，这是使C1两极的电压值波形如图4所示。经过二极管D2的整流作用，N沟道MOS管6的G端的电压就升高到2倍的VOUT左右。这样就能使N沟道MOS管6在正常工作电压输入时能够完全增强。
启动电路2包含串联使用的二极管6(型号为LL4148)和限流电阻R1。启动电路2连接在N沟道MOS管6的D端与N沟道MOS管6的G端之间。假设汽车电源1的正极VCAR_IN输入是12V，则流过二极管D1后，N沟道MOS管6的D端电压VIN大约是11.3V。N沟道MOS管6的D端电压VIN通过电阻R1、二极管D6这条通路，使得N沟道MOS管6的G极的初始电压大概是11V。由于N沟道MOS管6的G端电压高于S端的电压，这时N沟道MOS管6工作在线性区域，S端的输出电压VOUT的初始值大概是7V。由于运算放大器U1A正输入端IN+有了输入电压，运算放大器U1A的输出端可以输出方波，方波的频率是10KHZ，方波的峰值电压大约是VOUT，峰值电压和VOUT电压保持同步变化。这样，运算放大器U1A的输出方波作用于电容C1、二极管D2、二极管D3、电阻R2组成的升压电路，提高了N沟道MOS管6的G端电压。进而使N沟道MOS管6的S端电压(VOUT)升高。随着S端的电压(VOUT)升高，运算放大器U1A的工作电压也继续升高，运算放大器U1A输出方波的峰峰值也升高。充电泵电路5使N沟道MOS管6的G端电压继续升高，最终N沟道MOS管6被完全增强。N沟道MOS管6的D端与S端的电压降相当低，并由其Rds-on额定值和输出负载电流来确定。N沟道MOS管6的S端的输出电压VOUT的数值大致为N沟道MOS管6的D端输入电压VIN的数值-1V。
箝位电路3包含并联使用的稳压二极管D5(型号为DL4753)和电容器C3。箝位电路3连接在N沟道MOS管6的G端与地线GND之间。箝位电路3中稳压二极管D5的击穿电压是36V，它在电路中的作用是把N沟道MOS管6的G极电压箝位在36V，当N沟道MOS管6的D端输入电压VIN高于12V时，N沟道MOS管6开始降低跨越在它的D端和S端之间的额外输入-输出电压，担当着开关器的作用。为输入输出提供一个直通的通路。当N沟道MOS管6的D端输入电压VIN继续增加，则相应的N沟道MOS管6的G端电压也继续增加，S端的输出电压VOUT也继续增加，当G端的电压增加到36V时，由于稳压二极管D5的作用，G端的电压被箝位在36V。即使N沟道MOS管6的D端输入电压VIN继续增加，S端的输出电压VOUT也不会增加。这样就保证了N沟道MOS管6的S端输出的电压VOUT被箝位在31V左右。N沟道MOS管6S端的输出电压VOUT保持以最高31V的电压为后续的负载电路进行供电。
电阻R3、稳压二极管D4(型号为DL4759)、开关三极管N1(型号为BC817-25)组成了过压保护电路4。串联使用的稳压二极管D4和限流电阻R3连接在N沟道MOS管6的D端与开关三极管N1的控制端-基极之间。开关三极管N1发射极接地线GND。偏置电阻R4接在开关三极管N1的基极与发射极之间。开关三极管N1的输出端-集电极连接N沟道MOS管6的G端。
稳压二极管D4的击穿电压为62V，当N沟道MOS管6的D端输入电压VIN低于62V时，开关三极管N1处于“关”状态，N沟道MOS管6的G端有高电平，N沟道MOS管6的S端VOUT有正常电压输出。当N沟道MOS管6的D端输入电压VIN高于62V时，稳压二极管D4导通，开关三极管N1处于“开”状态，N沟道MOS管6的G端电平被拉到低，N沟道MOS管6截止，此时N沟道MOS管6的S端输出电压VOUT为0V。如果N沟道MOS管6的D端输入电压VIN低于62V的话，则N沟道MOS管6的S端又恢复输出。
图5显示了N沟道MOS管6在较大的不规则输入电压VIN瞬变状态下输出电压VOUT的响应。一旦N沟道MOS管6的D端输入电压VIN超过32V，N沟道MOS管6S端的输出电压VOUT将箝位于31V并很好地抑制输入电压VIN的改变。
通过调节本实施例电路上元件的参数，可以适当的调整提供给车载设备的工作电流和工作电压。
以上所述，仅为本发明较佳实施例，不以此限定本发明实施的范围，依本发明的技术方案及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应属于本发明涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种车载电源抗浪涌装置，其特征在于：一个N沟道MOS管的输入端-D端和地线分别连接汽车电源的正负极，该MOS管的输出端-S端向负载提供直流输出；一个充电泵电路连接在该MOS管的S端与控制端-G端之间，为该MOS管G端提供驱动电压；一个启动电路连接在该MOS管的D端与G端之间，在汽车电源最初提供输入电压时为该MOS管的G端提供初始驱动电压，启动本装置；一个箝位电路连接在该MOS管G端与地线之间，在D端的电压高于箝位电压而低于关断电压时控制该MOS管S端直流输出略低于箝位电压，在D端的电压低于箝位电压时控制该MOS管S端直流输出略低于D端的电压；一个过压保护电路连接在该MOS管D端与地线之间，该过压保护电路的输出端连接该MOS管G端，控制该MOS管在D端的电压高于关断电压时切断S端直流输出。
2.根据权利要求1所述的一种车载电源抗浪涌装置，其特征在于：所述的启动电路包含串联使用的二极管和限流电阻。
3.根据权利要求1所述的一种车载电源抗浪涌装置，其特征在于：所述的箝位电路包含并联使用的稳压二极管和电容器。
4.根据权利要求1所述的一种车载电源抗浪涌装置，其特征在于：所述的过压保护电路中串联使用的稳压二极管和限流电阻从N沟道MOS管D端获得过压信号并提供给开关三极管的控制端，使开关三极管的输出端所连接的N沟道MOS管G端接近地电平，N沟道MOS管截止，停止直流输出。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种车载电源抗浪涌装置，其特征在于：所述的充电泵电路包含以运算放大器为核心的方波发生器、两个串联的二极管和一个电容；这两个二极管连接在N沟道MOS管的G端与S端之间；电容连接在这两个二极管的连接点与运算放大器的输出端之间。
6.根据权利要求5所述的一种车载电源抗浪涌装置，其特征在于：所述的方波发生器中有三个阻值相等的电阻，这三个电阻中的两个串联在N沟道MOS管S端与地线之间，上述两个电阻的连接点连接运算放大器的正输入端及这三个电阻中的另一个电阻，该电阻的另一端连接运算放大器的输出端；方波发生器中另有一个电阻串接在运算放大器的输出端与负输入端之间，运算放大器的负输入端经一个电容接地线，该电阻与该电容构成调整方波发生器输出方波频率的RC充放电电路。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种车载电源抗浪涌装置，其特征在于：所述的汽车电源的正极与N沟道MOS管D端之间串接一个功率二极管，抑制负电压尖峰并防电源反接。
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