CN102104244A - 过流保护电路和网络设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种过流保护电路和网络设备，其中，过流保护电路包括：驱动模块，用于当输入的开关信号为打开状态时，驱动电源功率回路中的功率管；箝位模块，用于获取功率管的漏极-源极电压，根据漏极-源极电压对分压限流模块两端的电压进行箝位和隔断处理；分压限流模块，用于对检测控制模块的电压进行分压和限流处理；检测控制模块，用于根据分压限流后的电压控制对三端稳压管的导通或截止，当功率管的漏极-源极电压大于预设的电压阈值时，控制三端稳压管处于导通状态，并驱动开关信号的状态切换为关断状态。网络设备包括过流保护电路。本实施例不需要串联电流互感器或电流采样电阻及其外围电路，提高了保护电路的可靠性。

Description

过流保护电路和网络设备

技术领域

本发明涉及通信技术，尤其涉及一种过流保护电路和网络设备。

背景技术

在通信领域中，开关电源技术一般包括脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation；以下简称：PWM)控制器芯片及其外围电路、开关功率管及其驱动电路、磁性元器件和保护电路等。目前电子系统中普遍采用的大功率开关电源的输出功率通常为数百瓦到上万瓦，为了防止开关电源内部器件或电子系统内部器件瞬间短路失效导致的电源烧毁事故，往往需要为大功率开关电源设计完善的过流保护电路。当检测到电源局部电路出现瞬间异常电流时，过流保护电路便能迅速启动，通过断开PWM控制器的输出或者禁止开关功率管驱动电路的PWM输出，防止通过开关功率管的瞬间过电流的进一步扩大，以保护开关电源的功率管不会被进一步烧毁损坏，实现电源整机的过流保护功能。

现有技术中的开关电源过流保护电路通常利用对开关功率管的功率回路的电流进行实时电流取样，如图1所示为现有技术中的一种开关电源过流保护电路的电路结构示意图，该电路便是对功率回路的电流进行实时电流取样，其中，采样电路为串联电流互感器B2，PWM控制器为IC1，Q2为开关金属氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor；以下简称：MOSFET)功率管。当检测每个功率MOS管的过流时需要针对每一路功率管串联一组电流互感器及其外围的电流采样放大比较电路，即图中的“电流反馈”电路。如图2所示为现有技术中的另一种开关电源过流保护电路的电路结构示意图，其采用串联电阻取样，其中，Q1为电阻主回路的功率管，R6为串联在功率回路的采样电阻，当回路电流超过0.7V达到Q3的Vbe导通电压时，Q3进入导通状态，将Q1的G极和S极短路，使得Q1从导通状态进入截止状态，实现对Q1的过流保护。

因此，现有技术中的过流保护电路需要串联电流互感器或电流采样电阻及其外围电路作为过流采样，使得电路的体积比较庞大，电路复杂，导致保护电路的可靠性下降。

发明内容

本发明提供一种过流保护电路和网络设备，用以解决现有技术中需要串联电流互感器或电流采样电阻及其外围电路作为过流采样，降低保护电路的体积和器件数量，提高保护电路的可靠性。

本发明提供一种过流保护电路，应用于电源功率回路中，包括：

驱动模块，用于当输入的开关信号为打开状态时，驱动所述电源功率回路中的功率管；

箝位模块，用于获取所述功率管的漏极-源极电压，根据所述漏极-源极电压对分压限流模块两端的电压进行箝位和隔断处理；

分压限流模块，用于对检测控制模块的电压进行分压和限流处理；

检测控制模块，用于根据分压限流后的电压控制对三端稳压管的导通或截止，当所述功率管的漏极-源极电压大于预设的电压阈值时，控制所述三端稳压管处于导通状态，并驱动所述开关信号的状态切换为关断状态。

本发明提供一种网络设备，包括上述过流保护电路。

本发明提供的过流保护电路和网络设备，通过设置驱动模块、箝位模块、分压限流模块和检测控制模块，当电源功率回路中功率管的漏极-源极电压大于预设的电压阈值时，通过控制三端稳压管导通驱动开关信号的状态切换为关断状态，以实现对电源功率回路中出现短路等故障时的电流保护，本实施例解决了现有技术中需要串联电流互感器或电流采样电阻及其外围电路作为过流采样，不需要串联电流互感器或电流采样电阻及其外围电路，降低了保护电路的体积和器件数量，提高了保护电路的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种开关电源过流保护电路的电路结构示意图；

图2为现有技术中的另一种开关电源过流保护电路的电路结构示意图；

图3为本发明过流保护电路实施例一的结构示意图；

图4为本发明过流保护电路实施例二的结构示意图一；

图5为本发明过流保护电路实施例二中三端稳压管的基本结构示意图；

图6为本发明过流保护电路实施例二中三端稳压管的等效结构示意图一；

图7为本发明过流保护电路实施例二中三端稳压管的等效结构示意图二；

图8为本发明过流保护电路实施例二的结构示意图二；

图9为本发明过流保护电路实施例二的结构示意图三。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图3为本发明过流保护电路实施例一的结构示意图，如图3所示，本实施例提供了一种过流保护电路，可以具体应用于电源功率回路中。本实施例提供的过流保护电路可以具体包括驱动模块301、箝位模块302、分压限流模块303和检测控制模块304。其中，驱动模块301用于当输入的开关信号为打开状态时，驱动所述电源功率回路中的功率管。在本实施例中，驱动模块301与电源功率回路中的功率管相连，外部输入的开关信号输入到该驱动模块301中，在开关信号处于打开状态时，对电源功率回路中的功率管进行驱动。箝位模块302用于获取所述功率管的漏极-源极电压，根据所述漏极-源极电压对分压限流模块两端的电压进行箝位和隔断处理。本实施例中的箝位模块302与驱动模块301相连，具体用于对分压限流模块两端的电压进行箝位和隔断处理，当开关信号处于打开状态时，箝位模块302对分压限流模块的电压进行箝位处理，当开关信号处于关断状态时，箝位模块302对分压限流模块的电压进行隔断处理。分压限流模块303用于对检测控制模块的电压进行分压和限流处理。检测控制模块304用于根据分压限流后的电压控制对三端稳压管的导通或截止，当所述功率管的漏极-源极电压大于预设的电压阈值时，控制所述三端稳压管处于导通状态，并驱动所述开关信号的状态切换为关断状态。在本实施例中，当功率管的漏极-源极电压大于预设的电压阈值时，即当电源功率回路中出现瞬时过流或短路等故障引起其漏极-源极电压剧增时，通过三端稳压管的导通驱动开关信号的状态切换为关断状态，实现对电源功率回路的电流保护。

本实施例提供了一种电流保护电路，通过设置驱动模块、箝位模块、分压限流模块和检测控制模块，当电源功率回路中功率管的漏极-源极电压大于预设的电压阈值时，通过控制三端稳压管导通驱动开关信号的状态切换为关断状态，以实现对电源功率回路中出现短路等故障时的电流保护，本实施例解决了现有技术中需要串联电流互感器或电流采样电阻及其外围电路作为过流采样，不需要串联电流互感器或电流采样电阻及其外围电路，降低了保护电路的体积和器件数量，提高了保护电路的可靠性。

图4为本发明过流保护电路实施例二的结构示意图一，如图4所示，本实施例提供了一种具体的过流保护电路，具体应用于大功率降压式变换(BUCK)电路中。本实施例中的电源功率回路具体为大功率BUCK电路，功率管具体为MOSFET管，图中以Q1为例，即本实施例中的过流保护电路为Q1的过流保护电路。如图4所示，Q1、Q2、L1、C3和C4构成一个完整的BUCK电源功率回路，以实现高电压HVVDD降压输出到VOUT的功能。在本实施例中，D2、R7和R8构成Q1的驱动电路，相应地，D3、R9和R10构成Q2的驱动电路。本实施例中的开关信号具体为脉冲宽度调制(PulseWidth Modulation；以下简称：PWM)信号，开关信号的输入端具体为图4中的PWM_HIGH，PWM_HIGH和PWM_LOW分别为来自电源PWM控制器的上臂驱动信号和下臂驱动信号，Q1和Q2在这两个信号的高低交错变化的控制下，实现电源功率的变换。

在上述实施例的基础之上，本实施例中的驱动模块可以包括驱动二极管、第一驱动电阻和第二驱动电阻，即驱动模块具体由图4中的D2、R7和R8组成；箝位模块可以包括箝位二极管、第一限流电阻和第二限流电阻，即箝位模块具体由图4中的D1、R5和R6组成；分压限流模块可以包括分压电容、滤波电容、第一分压电阻和第二分压电阻，即分压限流模块具体由图4中的C1、C2、R3和R4组成；检测控制模块可以包括三端稳压管、光电耦合器、第一驱动电阻和第二驱动电阻，即检测控制模块具体由图4中的U1、U2、R1和R2组成。

具体地，本实施例中的驱动二极管D2的正极与MOSFET管的栅极(如图4中的标号1所示)相连，驱动二极管D2的负极连接开关信号的输入端。第一驱动电阻R7的两端分别与驱动二极管D2的正极和负极相连，第二驱动电阻R8的一端与驱动二极管D2的正极相连，第二驱动电阻R8的另一端与Q1的源极(如图4中的标号3所示)相连。箝位二极管D1的负极与Q1的漏极(如图4中的标号2所示)相连，箝位二极管D1的负极与第一限流电阻R5的一端相连，第一限流电阻R5的另一端与第二限流电阻R6的一端相连，第二限流电阻R6的另一端与驱动二极管D2的负极相连。分压电容C2的一端连接在第一限流电阻R5和第二限流电阻R6相连组成的第一节点上，此处的第一节点具体为图4中的点A，分压电容C2的另一端与Q1的源极相连，第二分压电阻R4的一端连接在第一节点A上，其另一端与滤波电容C1的一端相连，滤波电容C1的另一端与Q1的源极相连，第一分压电阻R3并联连接在滤波电容C1的两端。三端稳压管U2的负极通过第二驱动电阻R2与光电耦合器U1的阴极相连，三端稳压管U2的阳极与Q1的源极相连，三端稳压管U2的基准电压电极连接在滤波电容C1与第二限流电阻R6相连组成的第二节点B上，光电耦合器U1的阳极连接第一电源电压VDD15V，光电耦合器U1的输出端通过第一驱动电阻R1连接第二电源电压VDD5V。

在本实施例中，当开关信号处于打开状态，即Q1的驱动信号PWM_HIGH为高电平时，Q1正常导通，此时，Q1的漏极-源极电压Vds小于2V，即Q1在正常工作情况下的漏极-源极饱和电压小于2V。由于D1的负极连接在HVVDD上，则施加在D1上的电压使得D1正向导通，此时，电流经过PWM_HIGH、R6、R5、D1到达Q1的2管脚，再到达Q1的1管脚。本实施例中的三端稳压管U2的型号可以具体为AZ431。此时三端稳压管U2的基准电压极的电压约为Q1的漏极-源极电压Vds、D1两端的电压Vd1和电阻R5两端的电压Vr5之和，该电压的大小不足以使得U2击穿导通。因此，在正常情况下，U2处于截止状态，U1处于截止状态，可以通过单片机或其他设备检测到管脚OCP_HIGH为高电平。

当桥臂上出现瞬时过流或短路等故障时，引起Q1漏极电流剧增，或者因其他故障引起Q1退饱和，则使得Q1的Vds电压随之剧增。当Vds增大时，使得U2的基准电压极的电压(Vds+Vd1+Vr5)也增大，进而引起U2击穿导通，使得U1也电导通，则此时通过单片机可以检测到管脚OCP_HIGH的电平变为低电平。此时，可以将检测到的管脚OCP_HIGH的电平信号发送到CPU，在CPU的控制之下将PWM_HIGH的信号切换为低电平，使得开关信号关断，进而使得大功率BUCK电路关断，实现对电路的电流保护。当PWM-HIGH信号为低电平时，功率管Q1处于关断状态，箝位二极管D1处于反向截止状态，隔离Q1的高压Vds施加在驱动模块和分压限流模块上，确保了功率管Q1在关断期间驱动模块和分压限流模块中的电路不被Vds的高压击穿。由此可见，本实施例通过R1、R2、R3、R4、R5、R6、D1、U1、U2、C1、C2构成了上臂功率MOSFET管Q1的浮地式过流保护电路，其能够及时检测出Q1出现异常时的Vds电压，当出现Vds电压异常时，通过R4和R5连接的第一连接点A的电压会升高，最终当该电压值达到保护设定值时，便会导致U2导通，U1得电，使得OCP_HIGH的电平发生变化，最终控制PWM_HIGH的输入信号实现对大功率BUCK电路的电流关断，从而实现了电流保护。

需要指出的是，以上为对大功率BUCK电路中上臂功率管Q1的过流保护，本实施例也可以实现对下臂功率管Q2的过流保护，只需将过流保护电路与下臂功率管Q2的回路相连，此处不再赘述。

进一步地，本实施例中的三端稳压管U2可以采用普通的稳压管和三极管电路来实现，也可以采用电压比较器或者运算放大器构成的电压比较电路来实现，这些都属于本发明的保护范围。图5为本发明过流保护电路实施例二中三端稳压管的基本结构示意图，如图5所示，K(Cathode)为三端稳压管的阴极，A(Anode)为三端稳压管的阳极，R(Reference)为三端稳压管的基准电压极。图6为本发明过流保护电路实施例二中三端稳压管的等效结构示意图一，如图6所示，三端稳压管还可以采用运算放大器和普通三极管构成的等效的电压比较电路来实现。图7为本发明过流保护电路实施例二中三端稳压管的等效结构示意图二，如图7所示，三端稳压管还可以采用普通稳压二级管和三极管来实现电压比较电路。

本实施例提供了一种电流保护电路，通过在大功率BUCK电路中设置Q1的由R1、R2、R3、R4、R5、R6、D1、U1、U2、C1、C2构成的浮地式过流保护电路，利用Q1的压降和浮地电压基准检测，实现对大功率BUCK电路中上臂功率管Q1出现短路等故障时的电流保护，本实施例解决了现有技术中需要串联电流互感器或电流采样电阻及其外围电路作为过流采样，避免了电流过大烧毁大功率BUCK电路中上臂功率管；本实施例不需要串联电流互感器及其外围电路作为过流采样，降低了过流采样电路的体积和器件数量，简化了电路，提高了保护电路的可靠性；本实施例也不需要串联电流采样电阻及其外围电路作为过流采样，大大降低了采样电阻的损耗，提高了电源的转换效率，减小了保护电路的体积，提高了保护电路的可靠性。

图8为本发明过流保护电路实施例二的结构示意图二，如图8所示，本实施例提供了一种具体的过流保护电路，具体应用于半桥变换电路中。本实施例中的电源功率回路具体为半桥变换电路，功率管具体为MOSFET管，图中以Q1为例，即本实施例中的过流保护电路为Q1的过流保护电路，具体由图中的R1、R2、R3、R4、R5、R6、D1、U1、U2、C1、C2来构成该过流保护电路，其连接关系以及工作原理可以与上述图4中类似，此处不再赘述。

图9为本发明过流保护电路实施例二的结构示意图三，如图9所示，本实施例提供了一种具体的过流保护电路，具体应用于全桥变换电路中。本实施例中的电源功率回路具体为全桥变换电路，功率管具体为MOSFET管，图中以Q1为例，即本实施例中的过流保护电路为Q1的过流保护电路，具体由图中的R1、R2、R3、R4、R5、R6、D1、U1、U2、C1、C2来构成该过流保护电路，其连接关系以及工作原理可以与上述图4中类似，此处不再赘述。

本实施例还提供了一种网络设备，可以包括上述图3、图4、图8和图9中的任一过流保护电路，该网络设备可以具体为交换机、路由器等。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种过流保护电路，应用于电源功率回路中，其特征在于，包括：

驱动模块，用于当输入的开关信号为打开状态时，驱动所述电源功率回路中的功率管；

箝位模块，用于获取所述功率管的漏极-源极电压，根据所述漏极-源极电压对分压限流模块两端的电压进行箝位和隔断处理；

分压限流模块，用于对检测控制模块的电压进行分压和限流处理；

检测控制模块，用于根据分压限流后的电压控制对三端稳压管的导通或截止，当所述功率管的漏极-源极电压大于预设的电压阈值时，控制所述三端稳压管处于导通状态，并驱动所述开关信号的状态切换为关断状态。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述驱动模块包括驱动二极管、第一驱动电阻和第二驱动电阻，所述箝位模块包括箝位二极管、第一限流电阻和第二限流电阻，所述分压限流模块包括分压电容、滤波电容、第一分压电阻和第二分压电阻，所述检测控制模块包括三端稳压管、光电耦合器、第一驱动电阻和第二驱动电阻；其中：

所述驱动二极管的正极与所述功率管的栅极相连，其负极连接所述开关信号的输入端，所述第一驱动电阻的两端分别与所述驱动二极管的正极和负极相连，所述第二驱动电阻的一端与所述驱动二极管的正极相连，其另一端与所述功率管的源极相连；

所述箝位二极管的负极与所述功率管的漏极相连，其负极与所述第一限流电阻的一端相连，所述第一限流电阻的另一端与所述第二限流电阻的一端相连，所述第二限流电阻的另一端与所述驱动二极管的负极相连；

所述分压电容的一端连接在所述第一限流电阻和所述第二限流电阻相连组成的第一节点上，其另一端与所述功率管的源极相连，所述第二分压电阻的一端连接在所述第一节点上，其另一端与所述滤波电容的一端相连，所述滤波电容的另一端与所述功率管的源极相连，所述第一分压电阻并联连接在所述滤波电容的两端；

所述三端稳压管的阴极通过所述第二驱动电阻与所述光电耦合器的阴极相连，其阳极与所述功率管的源极相连，其基准电压电极连接在所述滤波电容与所述第二限流电阻相连组成的第二节点上，所述光电耦合器的阳极连接第一电源电压，其输出端通过所述第一驱动电阻连接第二电源电压；

当所述功率管的漏极-源极电压大于预设的电压阈值时，通过所述光电耦合器的输出端的电压驱动所述开关信号的状态切换为关断状态。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述电源功率回路为大功率降压式变换电路、半桥变换电路或全桥变换电路。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的电路，其特征在于，所述三端稳压管采用运算放大器和三极管构成的电压比较电路来实现。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的电路，其特征在于，所述三端稳压管采用稳压二级管和三极管构成的电压比较电路来实现。

6.一种网络设备，其特征在于，包括上述权利要求1-5中任一项所述的过流保护电路。

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