CN103618286A - 一种瞬时过压保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种瞬时过压保护电路，包括：基本保护支路和负载；其中，所述基本保护支路包括串联在一起的第一保险元件和第一瞬态电压抑制器TVS；所述第一保险元件未与所述第一TVS连接的一端与所述负载的电源输入接口的正极连接；所述第一TVS未与所述第一保险元件连接的一端与所述负载的电源输入接口的负极连接；当输入所述电源输入接口的瞬时过压导致流过所述第一TVS的电流超过所述第一TVS的最大反向脉冲峰值电流，致使流过所述第一保险元件的电流超过所述第一保险元件的额定电流时，所述第一保险元件熔断使所述基本保护支路断开。通过本发明，避免由于短路故障使负载的供电电流减少，影响负载的性能。

Description

一种瞬时过压保护电路

技术领域

本发明实施例涉及电路技术领域，特别是涉及一种瞬时过压保护电路。

背景技术

TVS（Transient Voltage Suppressor，瞬态电压抑制器）是在稳压二极管工艺基础上发展起来的一种新产品，是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10^-12秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件免受各种浪涌脉冲的损坏。由于它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点，目前已广泛应用于计算机系统、通讯设备、交/直流电源、汽车、电子镇流器、家用电器、仪器仪表（电度表）等各个领域。

TVS常用于电路负载的电源输入接口，其作用为抑制瞬时过压，把电压箝位在负载的安全工作电压之下，从而保护负载内部的元器件。现有的瞬时过压保护电路如图1所示，TVS跨接在负载的电源输入接口。当外部瞬时过压进入电源输入接口时，TVS的电流急骤增加，电压V_P上升到TVS某一固定的箝位电压V_C，并保持在这一水平上。因此，将TVS的最大箝位电压V_{C －MAX}设置为小于负载的安全工作电压，从而一旦电源输入接口的瞬时过压超过TVS的最大箝位电压V_C－MAX时就会立刻被抑制为V_C，从而保护负载内部的元器件免受瞬时过压的损害。

但是，上述电路中当输入电源输入接口的瞬时过压导致流过TVS的电流超过TVS的电流设计极限时，TVS将出现故障，其中最为常见、影响最大的是短路故障。当电路出现短路故障时TVS将短接电源输入接口的两端，即短接负载的绝大部分供电电流，从而减少负载的供电电流，影响负载的性能，导致负载不能正常工作。

发明内容

本发明实施例提供了一种瞬时过压保护电路，以解决当TVS出现短路故障时，使负载的供电电流减少，影响负载的性能，导致负载不能正常工作的问题。

为了解决上述问题，本发明公开了一种瞬时过压保护电路，包括：基本保护支路和负载；其中，所述基本保护支路包括串联在一起的第一保险元件和第一瞬态电压抑制器TVS；所述第一保险元件未与所述第一TVS连接的一端与所述负载的电源输入接口的正极连接；所述第一TVS未与所述第一保险元件连接的一端与所述负载的电源输入接口的负极连接；当输入所述电源输入接口的瞬时过压导致流过所述第一TVS的电流超过所述第一TVS的最大反向脉冲峰值电流，致使流过所述第一保险元件的电流超过所述第一保险元件的额定电流时，所述第一保险元件熔断使所述基本保护支路断开。

优选地，所述瞬时过压保护电路还包括备用保护支路和控制开关；其中，所述控制开关与所述备用保护支路串联，串联后的所述控制开关与所述备用保护支路、与所述基本保护支路并联；所述控制开关未与所述备用保护支路连接的一端与所述负载的电源输入接口的正极连接；所述备用保护支路未与所述控制开关连接的一端与所述负载的电源输入接口的负极连接；当所述第一保险元件熔断使所述基本保护支路断开时，所述控制开关闭合，导致所述备用保护支路导通，通过所述备用保护支路进行所述负载的瞬时过压保护；当所述第一TVS处于反向截止状态或者所述第一TVS处于反向击穿状态时，所述控制开关断开，导致所述备用保护支路断开。

优选地，所述备用保护支路包括串联在一起的第二保险元件和第二TVS，所述第二保险元件未与所述第二TVS连接的一端与所述控制开关连接；所述第二TVS未与所述第二保险元件连接的一端与所述负载的电源输入接口的负极连接。

优选地，所述瞬时过压保护电路还包括告警支路，所述告警支路包括连接在一起的告警指示元件和告警驱动元件，所述告警驱动元件的第一端与所述告警指示元件相连，所述告警驱动元件的第二端与所述第一TVS相连；所述控制开关还设置有与所述告警驱动元件相连的控制端，所述告警驱动元件的第三端通过所述控制端与所述控制开关相连；当所述第一保险元件熔断使所述基本保护支路断开时，所述告警驱动元件控制所述控制开关闭合，并驱动所述告警指示元件发出告警。

优选地，所述告警指示元件包括：发光二极管；所述告警驱动元件包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一三极管T1和第二三极管T2；其中，所述R1分别与所述第一TVS的负极、以及所述T1的基极连接；所述R2分别与所述T1的集电极、以及所述负载的电源输入接口的正极连接；所述R3分别与所述发光二极管的正极、以及所述负载的电源输入接口的正极连接；所述R4分别与所述T1的集电极、以及所述T2的基极连接；所述T1的发射极与所述负载的电源输入接口的负极连接；所述T2的发射极与所述负载的电源输入接口的负极连接；所述发光二极管的负极与所述T2的集电极连接。

优选地，所述控制开关的控制端与所述T2的集电极连接；当所述第一保险元件熔断使所述基本保护支路断开时，所述T2的集电极为低电平，控制所述控制开关闭合；当所述第一TVS处于反向截止状态或者所述第一TVS处于反向击穿状态时，所述T2的集电极为高电平，控制所述控制开关断开。

优选地，所述第一保险元件包括保险丝、保险管和保险电阻中的至少一个。

优选地，所述第一TVS与所述第二TVS的关键参数相同，所述关键参数包括最大反向工作电压、最大箝位电压、以及最大反向脉冲峰值电流。

优选地，所述控制开关为继电器开关。

与现有技术相比，本发明实施例包括以下优点：

本发明实施例提出的一种瞬时过压保护电路包括基本保护支路和负载，其中，基本保护支路包括串联在一起的第一保险元件和第一瞬态电压抑制器TVS；第一保险元件未与第一TVS连接的一端与负载的电源输入接口的正极连接；第一TVS未与第一保险元件连接的一端与负载的电源输入接口的负极连接。在上述瞬时过压保护电路中，当输入所述电源输入接口的瞬时过压导致流过所述第一TVS的电流超过所述第一TVS的最大反向脉冲峰值电流时，将致使流过所述第一保险元件的电流超过所述第一保险元件的额定电流，此时所述第一保险元件将会熔断，从而使所述基本保护支路断开，即第一TVS也会断开，因此并不会导致第一TVS出现短路故障，避免由于短路故障使负载的供电电流减少，影响负载的性能，导致负载不能正常工作的问题。

附图说明

图1是现有技术中一种瞬时过压保护电路的示意图；

图2是本发明实施例一的一种瞬时过压保护电路的结构框图；

图3是本发明实施例二的一种瞬时过压保护电路的结构框图；

图4是本发明实施例二的一种瞬时过压保护电路的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

参照图2，示出了本发明实施例一的一种瞬时过压保护电路的结构框图。

本发明实施例中，瞬时过压保护电路可以包括基本保护支路200和负载202，所述负载202的电源输入接口连接电源204。其中，基本保护支路200可以包括串联在一起的第一保险元件2000和第一TVS2002；所述第一保险元件未与所述第一TVS连接的一端与所述负载的电源输入接口的正极连接；所述第一TVS未与所述第一保险元件连接的一端与所述负载的电源输入接口的负极连接。

负载是指连接在电路中电源两端的、消耗电能的电子元件。它是用电能进行工作的装置，又称“用电器”。负载（用电器）的功能是把电能转变为其他形式的能量，例如，电炉把电能转变为热能、电动机把电能转变为机械能，等等。常见的计算机、家用电器、通讯设备等都可以作为负载，本发明实施例中，瞬时过压保护电路中的负载即为被保护设备。

TVS是一种二极管形式的高效能保护器件，当TVS两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的箝位电压V_C上，从而确保被保护设备免受瞬态高能量的冲击而损坏。因此，在电路设计过程中，要选择最大箝位电压V_C-MAX小于负载的安全工作电压的TVS，才能对负载起到保护作用。

TVS根据极性可分为单向TVS和双向TVS。单向TVS一般适用于直流电路，双向TVS一般适用于交流电路中，本发明实施例中均以单向TVS为例进行介绍。

图2所示的瞬时过压保护电路中，在正常工作的情况下，第一TVS处于反向截止状态，此时它不影响电路的任何功能，电源直接供给负载电能，电流从电源的正极通过负载的电源输入接口的正极流向负载，负载正常运行。当电路中由于雷电、各种电器干扰等原因出现大幅度的瞬时过压输入负载的电源输入接口时，第一保险元件接通相当于导线，第一TVS可以在极短的时间内（最高可达到1×10^-12秒）迅速转入反向击穿状态（此时流过所述第一TVS的电流小于或等于所述第一TVS的最大反向脉冲峰值电流），并将负载两端的电压箝位在所述第一TVS的某一固定的箝位电压V_C上，由于第一TVS的最大箝位电压小于负载的安全工作电压，因此可以有效地保护负载免受损坏。当瞬时过压或脉冲电流过去后，第一TVS将再次转入反向截止状态，负载正常运行。

本发明实施例中可以设定所述第一保险元件的额定电流等于所述第一TVS的最大反向脉冲峰值电流。当输入所述电源输入接口的瞬时过压过大，导致流过所述第一TVS的电流超过所述第一TVS的最大反向脉冲峰值电流（也即导致所述第一TVS的功率超过所述第一TVS的最大反向脉冲峰值功率，最大反向脉冲峰值功率是指最大反向脉冲峰值电流与最大箝位电压的乘积）时，将会致使流过所述第一保险元件的电流超过所述第一保险元件的额定电流，因此所述第一保险元件将会熔断，从而使所述基本保护支路断开。因此即使流过所述第一TVS的电流超过所述第一TVS的最大反向脉冲峰值电流，也不会导致第一TVS出现短路故障，避免由于短路故障使负载的供电电流减少，影响负载的性能，导致负载不能正常工作的问题。

实施例二：

参照图3，示出了本发明实施例二的一种瞬时过压保护电路的结构框图。

本发明实施例中，瞬时过压保护电路可以包括基本保护支路300和负载302，所述负载302的电源输入接口连接电源304。其中，基本保护支路300可以包括串联在一起的第一保险元件3000和第一TVS3002；所述第一保险元件未与所述第一TVS连接的一端与所述负载的电源输入接口的正极连接；所述第一TVS未与所述第一保险元件连接的一端与所述负载的电源输入接口的负极连接。

在本发明的一种优选实施例中，所述瞬时过压保护电路还可以包括控制开关306和备用保护支路308。其中，所述控制开关306与所述备用保护支路308串联，串联后的所述控制开关与所述备用保护支路、与所述基本保护支路并联。所述控制开关未与所述备用保护支路连接的一端与所述负载的电源输入接口的正极连接；所述备用保护支路未与所述控制开关连接的一端与所述负载的电源输入接口的负极连接。

在所述瞬时保护电路正常工作的情况下，第一TVS处于反向截止状态，所述基本保护支路也处于截止状态，此时所述控制开关断开，导致所述备用保护支路断开，通过所述基本保护支路进行所述负载的瞬时过压保护。当电路中由于雷电、各种电器干扰等原因出现大幅度的瞬时过压输入负载的电源输入接口时，第一保险元件接通相当于导线，第一TVS迅速转入反向击穿状态（此时流过所述第一TVS的电流小于或等于所述第一TVS的最大反向脉冲峰值电流），所述基本保护支路导通，此时所述控制开关也为断开，导致所述备用保护支路断开，通过所述基本保护支路进行所述负载的瞬时过压保护。

而当输入所述电源输入接口的瞬时过压过大，导致流过所述第一TVS的电流超过所述第一TVS的最大反向脉冲峰值电流时，所述第一保险元件将会熔断，从而使所述基本保护支路断开。此时，所述控制开关将会闭合，导致所述备用保护支路导通，通过所述备用保护支路进行所述负载的瞬时过压保护。

对于上述情况中控制开关的断开和闭合，可以通过设置检测元件检测基本保护支路的电压或电流来自动控制，本发明实施例对此并不加以限制。

由于上述备用保护支路是在基本保护支路由于第一保险元件熔断而断开时，对负载进行瞬时过压保护，其与基本保护支路的作用相同，因此在本发明一种优选实施例中，所述备用保护支路的组成可以和所述基本保护支路相同，即所述备用保护支路308可以包括串联在一起的第二保险元件3080和第二TVS3082。其中，所述第二保险元件未与所述第二TVS连接的一端与所述控制开关连接，所述第二TVS未与所述第二保险元件连接的一端与所述负载的电源输入接口的负极连接。所述备用保护支路的工作过程与基本保护支路的工作过程基本相似，具体过程参照上述实施例一的相关描述即可，本发明实施例在此不再详细论述。

为了使电路的设计更加方便简洁，本发明实施例中可以使所述第一TVS与所述第二TVS的关键参数相同，所述关键参数可以包括最大反向工作电压、最大箝位电压、以及最大反向脉冲峰值电流，从而使得TVS的选用更加方便。当然，本发明实施例中第一TVS与所述第二TVS的其他参数也可以相同，例如，击穿电压、最大反向漏电流、最大反向脉冲峰值功率、以及测试电流，等等。即本发明实施例中可以选用两个相同的保险元件分别作为第一保险元件和第二保险元件，也可以选用两个相同的TVS分别作为第一TVS和第二TVS。

在本发明的一种优选实施例中，所述瞬时过压保护电路还可以包括告警支路310，所述告警支路可以包括连接在一起的告警指示元件3100和告警驱动元件3102。其中，所述告警驱动元件的第一端与所述告警指示元件相连，所述告警驱动元件的第二端与所述第一TVS相连。当所述第一保险元件熔断使所述基本保护支路断开时，所述告警驱动元件可以驱动所述告警指示元件发出告警，从而通知用户基本保护支路已经断开。

在一种具体的实现中，还可以通过所述告警驱动元件控制所述控制开关的断开与闭合，因此所述控制开关还可以设置有与所述告警驱动元件相连的控制端，所述告警驱动元件的第三端通过所述控制端与所述控制开关相连。当所述第一保险元件熔断使所述基本保护支路断开时，所述告警驱动元件还可以控制所述控制开关闭合；当所述第一TVS处于反向截止状态或者所述第一TVS处于反向击穿状态时，所述告警驱动元件还可以控制所述控制开关断开。此种情况下，当所述第二保险元件熔断使所述备用保护支路断开时，所述告警驱动元件也可以驱动所述告警指示元件发出告警，从而通知用户备用保护支路已经断开。

下面，对本发明实施例的瞬时过压保护电路的具体电路图进行说明。参照图4，示出了本发明实施例二的一种瞬时过压保护电路的示意图。

（1）对图4中的各个元件进行说明：

F1、F2：保险元件；所述保险元件可以包括保险丝、保险管和保险电阻中的至少一个。

D1、D2：TVS管。

D3：发光二极管。

R1、R2、R3、R4：三极管外接电阻。

T1、T2：三极管。

K1：控制开关，可以为继电器开关。

（2）对图4中的各个元件的连接关系进行说明：

结合图3与图4对应说明，第一保险元件为F2，第一TVS为D2，控制开关为K1，第二保险元件为F1，第二TVS为D1，告警指示元件包括发光二极管D3，告警驱动元件包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一三极管T1和第二三极管T2。

基本保护支路：F2的一端与负载的电源输入接口的正极连接，另一端与D2的负极连接，D2的正极与电源输入接口的负极连接；

备用保护支路和控制开关：F1的一端与K1的第一端连接，另一端与D1的负极连接，D1的正极与电源输入接口的负极连接，K1的第二端与负载的电源输入接口的正极连接；

告警支路：R1分别与所述D2的负极、以及所述T1的基极连接；所述R2分别与所述T1的集电极、以及所述负载的电源输入接口的正极连接；所述R3分别与所述D3的正极、以及所述负载的电源输入接口的正极连接；所述R4分别与所述T1的集电极、以及所述T2的基极连接；所述T1的发射极与所述负载的电源输入接口的负极连接；所述T2的发射极与所述负载的电源输入接口的负极连接；所述D3的负极与所述T2的集电极连接；所述K1的控制端与所述T2的集电极连接。

（3）对图4中的瞬时过压保护电路的工作过程进行说明：

电路正常工作情况下，D2处于反向截止状态，电源电压通过F2加在电阻R1和三极管T1的发射结上，T1饱和导通，其集电极输出（a点）为低电平；三极管T2截止，其集电极输出（b点）为高电平，b点的高电平将控制K1断开，告警指示灯D3不告警（不亮）。当电源输入接口的瞬时过电压经F2加在D2的两端，超过D2的箝位电压V_C的过电压被抑制掉，D2处于反向击穿状态，基本保护支路导通，b点为高电平，b点的高电平将控制K1断开，告警指示灯D3不告警（不亮）。

当输入所述电源输入接口的瞬时过压导致流过所述D2的电流超过所述D2的最大反向脉冲峰值电流时，F2将因流过超过其额定电流的过载电流而熔断，此时三极管T1截止，a点为高电平，T2管导通，b点为低电平，告警指示灯D3发出告警（被点亮），另外b点的低电平将控制K1闭合，F1和D1接入电源输入接口，代替F2和D2完成负载的瞬时过压保护功能。

本发明实施例的瞬时过压保护电路中，当输入所述电源输入接口的瞬时过压导致流过所述第一TVS的电流超过所述第一TVS的最大反向脉冲峰值电流时，将致使所述第一保险元件熔断，从而使所述基本保护支路断开，即第一TVS也会断开，因此并不会导致第一TVS出现短路故障，避免由于短路故障使负载的供电电流减少，影响负载的性能，导致负载不能正常工作的问题。并且，本发明实施例中还设置了备用保护支路，当基本保护支路断开时，可以通过备用保护支路进行负载的瞬时过压保护，提高负载运行的可靠性。另外瞬时过压保护电路中还设置了告警指示元件，当基本保护支路或备用保护支路断开时，可以发出告警，从而使用户可以及时了解电路的运行情况，方便进行维护。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种瞬时过压保护电路，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种瞬时过压保护电路，其特征在于，包括：

基本保护支路和负载；

其中，所述基本保护支路包括串联在一起的第一保险元件和第一瞬态电压抑制器TVS；所述第一保险元件未与所述第一TVS连接的一端与所述负载的电源输入接口的正极连接；所述第一TVS未与所述第一保险元件连接的一端与所述负载的电源输入接口的负极连接；

当输入所述电源输入接口的瞬时过压导致流过所述第一TVS的电流超过所述第一TVS的最大反向脉冲峰值电流，致使流过所述第一保险元件的电流超过所述第一保险元件的额定电流时，所述第一保险元件熔断使所述基本保护支路断开。

2.根据权利要求1所述的瞬时过压保护电路，其特征在于，还包括备用保护支路和控制开关；

其中，所述控制开关与所述备用保护支路串联，串联后的所述控制开关与所述备用保护支路、与所述基本保护支路并联；

所述控制开关未与所述备用保护支路连接的一端与所述负载的电源输入接口的正极连接；所述备用保护支路未与所述控制开关连接的一端与所述负载的电源输入接口的负极连接；

当所述第一保险元件熔断使所述基本保护支路断开时，所述控制开关闭合，导致所述备用保护支路导通，通过所述备用保护支路进行所述负载的瞬时过压保护；当所述第一TVS处于反向截止状态或者所述第一TVS处于反向击穿状态时，所述控制开关断开，导致所述备用保护支路断开。

3.根据权利要求2所述的瞬时过压保护电路，其特征在于，所述备用保护支路包括串联在一起的第二保险元件和第二TVS，所述第二保险元件未与所述第二TVS连接的一端与所述控制开关连接；所述第二TVS未与所述第二保险元件连接的一端与所述负载的电源输入接口的负极连接。

4.根据权利要求2所述的瞬时过压保护电路，其特征在于，还包括告警支路，所述告警支路包括连接在一起的告警指示元件和告警驱动元件，所述告警驱动元件的第一端与所述告警指示元件相连，所述告警驱动元件的第二端与所述第一TVS相连；所述控制开关还设置有与所述告警驱动元件相连的控制端，所述告警驱动元件的第三端通过所述控制端与所述控制开关相连；

当所述第一保险元件熔断使所述基本保护支路断开时，所述告警驱动元件控制所述控制开关闭合，并驱动所述告警指示元件发出告警。

5.根据权利要求4所述的瞬时过压保护电路，其特征在于，

所述告警指示元件包括：发光二极管；

所述告警驱动元件包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一三极管T1和第二三极管T2；

其中，所述R1分别与所述第一TVS的负极、以及所述T1的基极连接；所述R2分别与所述T1的集电极、以及所述负载的电源输入接口的正极连接；所述R3分别与所述发光二极管的正极、以及所述负载的电源输入接口的正极连接；所述R4分别与所述T1的集电极、以及所述T2的基极连接；

所述T1的发射极与所述负载的电源输入接口的负极连接；所述T2的发射极与所述负载的电源输入接口的负极连接；所述发光二极管的负极与所述T2的集电极连接。

6.根据权利要求5所述的瞬时过压保护电路，其特征在于，所述控制开关的控制端与所述T2的集电极连接；

当所述第一保险元件熔断使所述基本保护支路断开时，所述T2的集电极为低电平，控制所述控制开关闭合；

当所述第一TVS处于反向截止状态或者所述第一TVS处于反向击穿状态时，所述T2的集电极为高电平，控制所述控制开关断开。

7.根据权利要求1所述的瞬时过压保护电路，其特征在于，所述第一保险元件包括保险丝、保险管和保险电阻中的至少一个。

8.根据权利要求3所述的瞬时过压保护电路，其特征在于，所述第一TVS与所述第二TVS的关键参数相同，所述关键参数包括最大反向工作电压、最大箝位电压、以及最大反向脉冲峰值电流。

9.根据权利要求1所述的瞬时过压保护电路，其特征在于，所述控制开关为继电器开关。

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