CN103873030B - 一种带锁存的故障检测电路及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种带锁存的故障检测电路，输入信号连接到比较器的正输入端，参考电压通过电阻连接到比较器的负输入端，比较器输出状态判定信号。或者，输入信号通过电阻连接到比较器的负输入端，参考电压通过电阻连接到比较器的正输入端，比较器输出状态判定信号。三极管一为NPN型，其基极通过一个电阻连接比较器的输出端，集电极连接比较器的负输入端，发射极接地。三极管二也为NPN型，其基极通过一个电阻接收解锁信号，集电极连接三极管一的基极，发射极接地。所述状态判定信号为高电平时将三极管一导通。所述解锁信号为高电平脉冲信号，其为高电平时将三极管二导通。本申请的电路结构简单，生产成本低且可靠性好，应用领域广。

Description

一种带锁存的故障检测电路及其实现方法

技术领域

本申请涉及一种故障检测电路。

背景技术

故障检测电路用于判断输入信号是否在正常范围内，如果是，则表明输入信号正常，输出第一状态；如果否，则表明输入信号发生了故障，输出第二状态。通过将故障检测电路的输出信号连接到保护电路、报警电路等即可在故障发生时执行后续操作。

最简单的一种故障检测电路就是比较器，输入信号和参考信号作为比较器的两个比较对象。例如，正常情况下输入信号小于或等于参考信号，此时比较器输出低电平。一旦发生故障而使得输入信号大于参考信号，此时比较器就输出高电平。

某些故障检测电路具有锁存功能，即某一时刻输入信号发生故障，则该故障检测电路从该时刻起始终输出表征故障状态的信号，即使后一时刻该故障已经解除。直至有解锁信号输入该故障检测电路，其才改为输出表征正常状态的信号。目前的故障检测电路为实现锁存功能，一般采用触发器，例如D触发器、RS触发器等。

授权公告号CN202353177U、授权公告日2012年7月25日的实用新型专利公开了一种过压保护电路，由分压电路、比较触发电路、看门狗电路、锁存电路、硬件输出保护电路组成。其中的锁存电路是由两个与非门组成的RS触发锁存电路。

授权公告号CN202444242U、授权公告日2012年9月19日的实用新型专利公开了一种过流保护电路，由过流锁存电路、模块保护逻辑电路、与门关断电路组成。其中的过流锁存电路包括由两个与非门所组成的RS锁存器（其文字介绍为与门，但图片显示为与非门符号）。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种带锁存的故障检测电路。为此，本申请还要提供所述带锁存的故障检测电路的实现方法。

为解决上述技术问题，本申请带锁存的故障检测电路为：输入信号连接到比较器的正输入端，参考电压通过电阻连接到比较器的负输入端，比较器输出状态判定信号；或者，输入信号通过电阻连接到比较器的负输入端，参考电压通过电阻连接到比较器的正输入端，比较器输出状态判定信号；

三极管一为NPN型，其基极通过电阻连接比较器的输出端，集电极连接比较器的负输入端，发射极接地；

三极管二也为NPN型，其基极通过电阻接收解锁信号，集电极连接三极管一的基极，发射极接地；

所述状态判定信号为高电平时将三极管一导通；

所述解锁信号为高电平脉冲信号，其为高电平时将三极管二导通。

本申请带锁存的故障检测电路的实现方法是，当比较器的正输入端电压大于负输入端电压时，其输出高电平；否则输出低电平；

第一种情况：正常状态下的输入信号小于参考电压，将输入信号接到比较器的正输入端，参考电压通过电阻接到比较器的负输入端；

第一阶段为正常状态，输入信号小于参考电压，解锁信号为低电平，比较器输出低电平，三极管一截止，三极管二截止；

第二阶段为故障发生状态，当输入信号大于参考电压，且解锁信号保持低电平，则比较器改为输出高电平，三极管一导通，比较器负输入端的电平被拉到地，三极管二仍截止；

第三阶段为故障锁存状态，当输入信号小于参考电压，且解锁信号保持低电平，则比较器仍输出高电平，三极管一仍然导通，故障状态被锁存，三极管二仍截止；

第四阶段为解锁状态，当输入信号小于参考电压，且解锁信号出现至少一个高电平脉冲，三极管二导通，三极管一截止，比较器改为输出低电平；当解锁信号为低电平后，三极管二也截止，回到第一阶段；

第二种情况：正常状态下的输入信号大于参考电压，将输入信号通过电阻接到比较器的负输入端，参考电压通过电阻接到比较器的正输入端；

第一阶段为正常状态，输入信号大于参考电压，解锁信号为低电平，比较器输出低电平，三极管一截止，三极管二截止；

第二阶段为故障发生状态，当输入信号小于参考电压，且解锁信号保持低电平，则比较器改为输出高电平，三极管一导通，比较器负输入端的电平被拉到地，三极管二仍截止；

第三阶段为故障锁存状态，当输入信号大于参考电压，且解锁信号保持低电平，则比较器仍输出高电平，三极管一仍然导通，故障状态被锁存，三极管二仍截止；

第四阶段为解锁状态，当输入信号大于参考电压，且解锁信号出现至少一个高电平脉冲，三极管二导通，三极管一截止，比较器改为输出低电平；当解锁信号为低电平后，三极管二也截止，回到第一阶段。

本申请的电路结构简单，生产成本低且可靠性好。相应的实现方法逻辑清晰，可用于过压、欠压、过流、欠流、过温、欠温等多种应用领域。

附图说明

图1是本申请带锁存的故障检测电路的第一实施例的电路结构图；

图2是本申请带锁存的故障检测电路的第二实施例的电路结构图；

图3是本申请带锁存的故障检测电路的第一实施例的变形电路结构图；

图4是本申请带锁存的故障检测电路的第二实施例的变形电路结构图；

图4a是图4的又一种变形结构。

图中附图标记说明：

R1～R9为电阻；C1～C4为电容；Q1～Q3为三极管；U1为比较器。

具体实施方式

请参阅图1，本申请带锁存的故障检测电路的第一实施例为：比较器U1的正输入端为A节点，用于输入待检测的信号。参考电压Vref通过电阻四R4连接到比较器U1的负输入端。比较器U1的输出端为C节点，用于输出状态判别信号。三极管一Q1为NPN型，其基极通过电阻五R5连接C节点，集电极连接比较器U1的负输入端，发射极接地。三极管二Q2也为NPN型，其基极通过电阻七R7连接B节点，集电极连接三极管一Q1的基极，发射极接地。B节点用于输入解锁信号。当比较器U1的正输入端电压大于负输入端电压时，其输出高电平，幅值足以使三极管一Q1导通。当比较器U1的正输入端电压小于或等于负输入端电压时，比较器U1输出低电平。

图1中，比较器U1、电阻四R4构成了比较模块，三极管一Q1、三极管二Q2、电阻五R5、电阻七R7构成了锁存模块。A节点为第一输入端，接收待检测的输入信号。B节点为第二输入端，接收解锁信号。解锁信号在平时始终置为低电平，仅在需要解锁时有至少一个高电平脉冲，优选为一个10～100μs脉宽的高电平脉冲。当解锁信号出现高电平时，将三极管二Q2导通。C节点为输出端，输出状态判定信号。

该带锁存的故障检测电路的第一实施例通常用于过压检测，将检测阈值设为参考电压Vref，其工作过程包括如下四个阶段。第一阶段为正常状态：正常情况下的A节点的输入信号小于参考电压Vref，B节点输入的解锁信号置为低电平，因此比较器U1始终输出低电平，三极管一Q1截止，三极管二Q2截止。第二阶段为故障发生状态：当A节点的输入信号大于参考电压Vref，即输入信号出现过压故障，B节点输入的解锁信号仍置为低电平，则比较器U1改为输出高电平。该高电平使得三极管一Q1导通，因而将比较器U1的负输入端电位拉低至地，那么比较器U1将维持输出高电平。三极管二Q2仍截止。第三阶段为故障锁存状态：输入信号的过压故障已经消除，即A节点的输入信号小于参考电压Vref，但是B节点输入的解锁信号仍置为低电平，则比较器U1仍然输出高电平，即故障状态被锁存。第四阶段为解锁状态：A节点的输入信号小于参考电压Vref为正常情况，B节点输入的解锁信号出现至少一个高电平脉冲，这将使三极管二Q2短暂导通再截止。在三极管二Q2短暂导通期间，其将三极管一Q1的基极电位拉低至地，从而使三极管一Q1截止，那么比较器U1的负输入端恢复为参考电压Vref。此时比较器U1改为输出低电平。在三极管二Q2再截止后，三极管一Q1仍截止，比较器U1维持输出低电平，回到第一阶段。

请参阅图2，这是本申请带锁存的故障检测电路的第二实施例。其与第一实施例的区别仅在于：A节点通过电阻二R2连接到比较器U1的负输入端，A节点用于输入待检测的信号。因此图2中的比较器U1、电阻二R2、电阻四R4构成了比较模块。

该带锁存的故障检测电路的第二实施例通常用于欠压检测，将检测阈值设为参考电压Vref，其工作过程包括如下四个阶段。第一阶段为正常状态：正常情况下的A节点的输入信号大于参考电压Vref，B节点输入的解锁信号置为低电平，因此比较器U1始终输出低电平，三极管一Q1截止，三极管二Q2截止。第二阶段为故障发生状态：当A节点的输入信号小于参考电压Vref，即输入信号出现欠压故障，B节点输入的解锁信号仍置为低电平，则比较器U1改为输出高电平。该高电平使得三极管一Q1导通，因而将比较器U1的负输入端电位拉低至地，那么比较器U1将维持输出高电平。三极管二Q2仍截止。当三极管一Q1导通时，电阻二R2使得B节点不会直接连接到地。第三阶段为故障锁存状态：输入信号的欠压故障已经消除，即A节点的输入信号大于参考电压Vref，但是B节点输入的解锁信号仍置为低电平，则比较器U1仍然输出高电平，即故障状态被锁存。第四阶段为解锁状态：A节点的输入信号大于参考电压Vref为正常情况，B节点输入的解锁信号出现至少一个高电平脉冲，这将使三极管二Q2短暂导通再截止。在三极管二Q2短暂导通期间，其将三极管一Q1的基极电位拉低至地，从而使三极管一Q1截止，那么比较器U1的负输入端恢复为A节点电压。此时比较器U1改为输出低电平。在三极管二Q2再截止后，三极管一Q1仍截止，比较器U1维持输出低电平，回到第一阶段。

从上面两个实施例可知，与现有的带锁存的故障检测电路相比，本申请的锁存模块仅由两个三极管和两个电阻组成，结构简单、成本低廉、可靠性高，能完美地实现锁存和解锁功能，可以方便地应用于各类物理量的过压、欠压故障检测。

请参阅图3，这是本申请带锁存的故障检测电路的第一实施例的变形结构，由比较模块、锁存模块、保护模块、反馈模块所组成。

其中的比较模块与第一实施例相比，增加了电阻一R1、电阻二R2和电阻三R3。比较器U1的正输入端同时连接电阻一R1、电阻二R2和电阻三R3的一端。电阻一R1的另一端用于接收输入信号Vbat。电阻二R2的另一端为A节点，此时的A节点就不用于接收输入信号了。电阻三R3的另一端接地。在比较器U1的正输入端和地之间还增加了电容一C1，主要作用是滤波。

其中的锁存模块与第一实施例相比，在三极管二Q2的集电极和地之间增加了电容二C2，主要作用是防止比较器U1输出信号有波动（例如毛刺）时将三极管一Q1误导通。

新增的保护模块位于比较器U1的输出端之后，由电阻六R6、电容四C4、三极管三Q3所组成。电阻六R6连接比较器U1的输出端和三极管三Q3的基极。电容四C4连接三极管三Q3的基极和地，用于和电阻六R6构成滤波电路来滤除比较器U1的输出抖动。三极管三Q3也是NPN型，其集电极为节点D，发射极接地。节点D向未图示的保护电路输出经过滤波处理的状态判别信号，其与比较器U1的输出端保持相同的电平状态。

新增的反馈模块位于比较器U1的输出端之后，由电阻八R8和电容三C3所组成。电阻八R8连接比较器U1的输出端和C节点。电容三C3连接C节点和地。C节点向未图示的微处理器输出经过滤波处理的状态判别信号，其与比较器U1的输出端保持相同的电平状态。

图3中，Vbat所在位置为第一输入端，接收待检测的输入信号。A节点为第二输入端，接收低电平。B节点为第三输入端，接收解锁信号。C节点为第一输出端，输出滤波后的状态判定信号。D节点为第二输出端，也输出滤波后的状态判定信号。

图3与图1相比，最为核心的比较模块和锁存模块大同小异，因而工作原理相同。

请参阅图4，这是本申请带锁存的故障检测电路的第二实施例的变形结构。其与第一实施例的变形结构的区别仅在于：还增加了电阻九R9和三极管四Q4。A节点通过电阻九R9连接到三极管四Q4的基极，三极管四Q4的集电极同时连接电阻一R1、电阻二R2和电阻三R3的一端，三极管四Q4的发射极接地。电阻一R1的另一端用于接收输入信号Vbat。电阻二R2的另一端连接比较器U1的负输入端。电阻三R3的另一端接地。A节点为低电平。

请参阅图4a，这是本申请带锁存的故障检测电路的第二实施例的又一种变形结构。其与图4的区别仅在于：省略了电阻九R9和三极管四Q4。比较器U1的负输入端同时连接电阻一R1、电阻二R2和电阻三R3的一端。电阻一R1的另一端用于接收输入信号Vbat。电阻二R2的另一端为A节点，A节点为高阻态。电阻三R3的另一端接地。

图4、图4a与图2相比，最为核心的比较模块和锁存模块大同小异，因而工作原理相同。

上述两个实施例及其变形结构中，部分或全部的NPN型三极管可以改为NMOS晶体管，NPN型三级管的基极、集电极、发射极分别改为NMOS晶体管的栅极、源极、漏极。

上述两个实施例及其变形电路都可以在工作状态以外新增诊断状态。诊断状态用于判断该故障检测电路能否正常工作，以确保安全。

以图1所示的第一实施例为例，微处理器每次初始化时进入诊断状态。在诊断状态下，微处理器向A节点发出诊断信号，向B节点发出解锁信号。这两个信号均有至少一个高电平脉冲，且先后发出。诊断信号先使比较器U1的输出端发生电平状态的第一次改变，解锁信号再使比较器U1的输出端发生电平状态的第二次改变。那么微处理器通过检测比较器U1的输出端，如果检测到了这两次电平状态的改变，就认为该故障检测电路正常，从而转入工作状态；否则，就认为该故障检测电路有问题，进行后续报警和排查处理。基于相同原理，诊断信号和解锁信号的发出顺序、数量可以任意设定，只要比较器U1的输出端能检测到相应的电平状态的改变就说明诊断通过。

以图2所示的第二实施例为例，在诊断状态下，A节点接收诊断信号，B节点接收解锁信号。其余均与第一实施例的诊断状态相同。

以图3所示的第一实施例的变形电路为例，在诊断状态下，图3中的Vbat所在位置不输入，A节点接收诊断信号，B节点接收解锁信号。其余均与第一实施例的诊断状态相同。

以图4所示的第二实施例的变形电路为例，在诊断状态下，图4中的Vbat所在位置不输入，A节点接收诊断信号，B节点接收解锁信号。当诊断信号出现高电平脉冲时，三极管四Q4导通，电阻九R9使得A节点不会连接到地。其余均与第一实施例的诊断状态相同。

上述两个实施例及其变形结构中，如果无需诊断功能，那么A节点始终输入低电平。如果需要诊断功能，那么A节点用于输入诊断信号。诊断信号在平时始终置为低电平，仅在需要诊断时有至少一个高电平脉冲，优选为一个10～100μs脉宽的高电平脉冲。当诊断信号出现高电平时，其在比较器U1的一个输入端的电压值大于参考电压Vref在比较器U1的另一个输入端的电压值。

以图4a所示的第二实施例的又一种变形电路为例，在诊断状态下，图4中的Vbat所在位置不输入，A节点接收诊断信号，B节点接收解锁信号。A节点在平时始终置为高阻态，仅在需要诊断时变为低电平。其余均与第一实施例的诊断状态相同。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带锁存的故障检测电路，其特征是，输入信号连接到比较器的正输入端，参考电压通过电阻连接到比较器的负输入端，比较器输出状态判定信号；或者，输入信号通过电阻连接到比较器的负输入端，参考电压通过电阻连接到比较器的正输入端，比较器输出状态判定信号；

三极管一为NPN型，其基极通过电阻连接比较器的输出端，集电极连接比较器的负输入端，发射极接地；

三极管二也为NPN型，其基极通过电阻接收解锁信号，集电极连接三极管一的基极，发射极接地；

所述状态判定信号为高电平时将三极管一导通；

所述解锁信号为高电平脉冲信号，其为高电平时将三极管二导通；当输入信号连接到比较器的正输入端，参考电压通过电阻连接到比较器的负输入端时，在比较器的正输入端之前新增了电阻一、电阻二、电阻三；这三个电阻的一端均连接比较器的正输入端，电阻一的另一端用于接收输入信号，电阻二的另一端始终输入低电平，电阻三的另一端接地；

当输入信号通过电阻连接到比较器的负输入端，参考电压通过电阻连接到比较器的正输入端时，在比较器的正输入端之前新增了电阻一、电阻二、电阻三；这三个电阻的一端均连接比较器的负输入端，电阻一的另一端用于接收输入信号，电阻二的另一端始终为高阻态，电阻三的另一端接地；

或者，当输入信号通过电阻连接到比较器的负输入端，参考电压通过电阻连接到比较器的正输入端时，在比较器的正输入端之前新增了电阻一、电阻二、电阻三、电阻九、三极管四；电阻九连接三极管四的基极，三极管四的集电极连接电阻一、电阻二、电阻三的一端，三极管四的发射极接地；电阻九的另一端始终输入低电平；电阻一的另一端用于接收输入信号，电阻二的另一端连接比较器的负输入端，电阻三的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的带锁存的故障检测电路，其特征是，当输入信号连接到比较器的正输入端，参考电压通过电阻连接到比较器的负输入端时，在比较器的正输入端和地之间还增加了用于滤波的电容；

当输入信号通过电阻连接到比较器的负输入端，参考电压通过电阻连接到比较器的正输入端时，在比较器的负输入端和地之间还增加了用于滤波的电容。

3.根据权利要求1所述的带锁存的故障检测电路，其特征是，在三极管二的集电极和地之间增加了用于滤波的电容。

4.根据权利要求1所述的带锁存的故障检测电路，其特征是，在比较器的输出端之后新增了RC滤波电路，用于滤除状态判别信号中的抖动后再输出。

5.根据权利要求1所述的带锁存的故障检测电路，其特征是，在比较器的输出端之后新增了串联的RC滤波电路和三极管三；

三极管三也是NPN型，其基极连接RC滤波电路，集电极输出滤波后的状态判别信号，发射极接地。

6.根据权利要求1或5所述的带锁存的故障检测电路，其特征是，部分或全部的NPN型三极管改为NMOS晶体管；NPN型三级管的基极、集电极、发射极分别改为NMOS晶体管的栅极、源极、漏极。

7.一种带锁存的故障检测电路的实现方法，其特征是，当比较器的正输入端电压大于负输入端电压时，其输出高电平；否则输出低电平；

第一种情况：正常状态下的输入信号小于参考电压，将输入信号接到比较器的正输入端，参考电压通过电阻接到比较器的负输入端；

第一阶段为正常状态，输入信号小于参考电压，解锁信号为低电平，比较器输出低电平，三极管一截止，三极管二截止；

第二阶段为故障发生状态，当输入信号大于参考电压，且解锁信号保持低电平，则比较器改为输出高电平，三极管一导通，比较器负输入端的电平被拉到地，三极管二仍截止；

第三阶段为故障锁存状态，当输入信号小于参考电压，且解锁信号保持低电平，则比较器仍输出高电平，三极管一仍然导通，故障状态被锁存，三极管二仍截止；

第四阶段为解锁状态，当输入信号小于参考电压，且解锁信号出现至少一个高电平脉冲，三极管二导通，三极管一截止，比较器改为输出低电平；当解锁信号为低电平后，三极管二也截止，回到第一阶段；

第二种情况：正常状态下的输入信号大于参考电压，将输入信号通过电阻接到比较器的负输入端，参考电压通过电阻接到比较器的正输入端；

第一阶段为正常状态，输入信号大于参考电压，解锁信号为低电平，比较器输出低电平，三极管一截止，三极管二截止；

第二阶段为故障发生状态，当输入信号小于参考电压，且解锁信号保持低电平，则比较器改为输出高电平，三极管一导通，比较器负输入端的电平被拉到地，三极管二仍截止；

第三阶段为故障锁存状态，当输入信号大于参考电压，且解锁信号保持低电平，则比较器仍输出高电平，三极管一仍然导通，故障状态被锁存，三极管二仍截止；

第四阶段为解锁状态，当输入信号大于参考电压，且解锁信号出现至少一个高电平脉冲，三极管二导通，三极管一截止，比较器改为输出低电平；当解锁信号为低电平后，三极管二也截止，回到第一阶段。

8.根据权利要求7所述的带锁存的故障检测电路的实现方法，其特征是，为带锁存的故障检测电路在工作状态以外新增诊断状态；

当输入信号连接到比较器的正输入端，参考电压通过电阻连接到比较器的负输入端时，诊断状态下，微处理器向比较器的正输入端发出诊断信号；

当输入信号通过电阻连接到比较器的负输入端，参考电压通过电阻连接到比较器的正输入端时，诊断状态下，微处理器向比较器的负输入端发出诊断信号；

微处理器还向三极管二的基极发出解锁信号；两项操作顺序不限；微处理器通过检测比较器的输出端如果发现有相应的电平状态的改变，就认为该故障检测电路正常，从而转入工作状态；否则就认为该故障检测电路有问题。