CN104332943B - 直流电保护电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种直流电保护电路，包括：分流电路、放大电路、比较电路、锁定触发电路和可控开关，其中，分流电路用于从直流电路中获取预设比例的电流分量；放大电路用于将电流分量放大设定倍数；比较电路用于将放大的电流分量与设定阈值进行比较，在放大的电流分量大于设定阈值时输出过流信号；锁定触发电路用于在接收到过流信号时，锁定触发可控开关；可控开关用于受到锁定触发电路锁定触发时，保持断开直流电路。本申请采用硬件电路检测过流故障，并执行保护，因此反应速度较快，能在意外情况下及时切断直流电路。

Description

直流电保护电路

技术领域

本申请涉及电路技术领域，尤其涉及一种直流电保护电路。

背景技术

对电源实施短路保护或者反接保护是提高产品可靠性的重要手段。短路保护或者反接保护功能的实现方式之一是检测过流状态并执行输出切断，防止风险发生。对于直流输出的过电流保护，特别是短路等极端情况下电流变化率大，过电流保护不及时会导致断开输出回路时感性冲击过大损坏开关。

图1示出了根据相关技术的一种直流电保护电路的电路图，其包括：电流信号提取电路10、处理器20和可控开关30。电流信号提取电路10用于从直流电路的充电或放电电流中提取一定比例的电流分量，处理器20通过运行软件，判断所述电流分量是否过大，根据判断结果操作可控开关30的开合，从而切换或接通直流电电路。

然而发明人发现，由于软件执行中的代码循环执行等待时间、信号采集时间、信息处理时间比较长，该保护电路方案可能反应速度太低，不能在意外情况下及时切断直流电路。

发明内容

本申请的目的在于提供直流电保护电路，以解决上述的问题。

在本申请的实施例中提供了一种直流电保护电路，包括：分流电路、放大电路、比较电路、锁定触发电路和可控开关，其中，分流电路用于从直流电路中获取预设比例的电流分量；放大电路用于将电流分量放大设定倍数；比较电路用于将放大的电流分量与设定阈值进行比较，在放大的电流分量大于设定阈值时输出过流信号；锁定触发电路用于在接收到过流信号时，锁定触发可控开关；可控开关用于受到锁定触发电路锁定触发时，保持断开直流电路。

本申请上述实施例的直流电保护电路采用硬件电路检测过流故障，并执行保护，因此反应速度较快，能在意外情况下及时切断直流电路。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1示出了根据相关技术的一种直流电保护电路的电路图；

图2示出了根据本申请一个实施例的直流电保护电路的电路图；

图3示出了根据本申请一个优选实施例的直流电保护电路的电路图；

图4示出了根据本申请另一优选实施例的直流电保护电路的电路图；

图5示出了图4的直流电保护电路的工作示意图；

图6-图8示出了根据本申请三个优选实施例的可控开关的电路图；

图9示出了根据本申请一个优选实施例的直流电保护电路的电路图；

图10-12示出了根据本申请三个优选实施例的直流电充放电保护电路的电路图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本申请做进一步的详细描述。

图2示出了根据本申请一个实施例的直流电保护电路的电路图。如图2所示，该直流电保护电路包括：分流电路12、放大电路42、比较电路44、锁定触发电路46和可控开关50，其中，分流电路12用于从直流电路中获取预设比例的电流分量；放大电路42用于将电流分量放大设定倍数；比较电路44用于将放大的电流分量与设定阈值进行比较，在放大的电流分量大于设定阈值时输出过流信号；锁定触发电路46用于在接收到过流信号时，锁定触发可控开关50；可控开关50用于受到锁定触发电路锁定触发时，保持断开直流电路。

该直流电保护电路采用硬件电路检测过流故障，并执行保护，因此反应速度较快，能在意外情况下及时切断直流电路。

图3示出了根据本申请一个优选实施例的直流电保护电路的电路图。

如图3所示，分流电路12可以包括电阻器，串联在直流电路中。电阻器的阻值可以合理地设置，使得分流的电流比较小，但足以进行检测。

放大电路42是由图中的运算放大器U1、电阻器R1和R2构成的运算放大电路，比较电路44由图中的运算放大器U2构成，

如图3所示，电流分量经过分流电路12电阻器的负载而转变成电压，分流电路12的一端连接运算放大器U1的负输入端，运算放大器U1的输出端连接运算放大器U2的负输入端。当然，根据电流方向的不同，可以设置运算放大器U1的输出端连接运算放大器U2的正输入端，如图10中的电路200所示。运算放大器U1和U2的正输入端连接参考电压，图3对此简化表示，没有画出。需要指出的是，还可以采用别的电路设计来实现放大电路42以及比较电路44，这都属于本申请的保护范围。运算放大电路的放大倍数由R2：R1决定，一般比值范围为1:1至100:1。该结构比较简单，很容易实现。

如图3所示，锁定触发电路46包括第一三极管Q2、第二三极管Q3、第三三极管Q4、第一电阻R7和第二电阻R8，第一三极管Q2的集电极通过第一电阻R7连接到第二三极管Q3的基极和第三三极管Q4的基极，第一三极管Q2的发射极连接电源VCC，第一三极管Q2的基极通过第二电阻R8连接到第二三极管Q3的集电极和比较电路U2的输出端，第三三极管Q4的集电极连接可控开关50的控制端，第二三极管Q3的发射极和第三三极管Q4的发射极接地。

优选地，比较电路U2的输出为开集输出，信号为下拉电压。下拉动作将为Q2提供基极电流；Q2的基极电流引起Q2的集电极电流增大，为Q3及Q4提供基极电流；Q3被导通，其产生的集电极电流同时可以提供给Q2以维持其导通状态，电路进入过流锁定状态。Q2为Q4提供的基极电流使Q4导通，输出保护信号，关断可控开关50，直流电流被切断。

在图3的优选实施例中，比较电路采用了开集输出，但也可以采用开漏输出，三极管采用了PNP型，但也可以采用NPN型，这都属于本申请的保护范围。

图4示出了根据本申请另一优选实施例的直流电保护电路的电路图。如图4所示，上述的直流电保护电路还包括处理器70和第四三极管Q1，处理器70串联在比较电路U2的输出端与第四三极管Q1的基极之间，第四三极管Q1的发射极连接电源VCC，其集电极连接第一三极管的基极，处理器用于故障排除后，输出下拉电压，Q1导通从而使Q2断开，电路复位，从过流锁定状态退出，直流电路恢复输出直流电I_out。

图5示出了图4的直流电保护电路的工作示意图，包括以下步骤：

步骤S10，由分流电路12从直流电路中采集一个电流分量，并由放大电路42放大，例如放大电路42采用图3的运算放大电路，则放大倍数为R2/R1；

步骤S20，比较电路44将放大电路42放大的电流分量与其参考电压(即设定阈值)进行比较，如果大于该参考电压，则产生开集输出，信号为下拉电压；

步骤S30，下拉动作将为Q2提供基极电流；Q2的基极电流引起Q2的集电极电流增大，为Q3及Q4提供基极电流；Q3被导通，其产生的集电极电流同时可以提供给Q2以维持其导通状态，电路进入过流锁定状态；

步骤S40，Q2为Q4提供的基极电流使Q4导通，输出保护信号；

步骤S50，关断可控开关50，直流电流被切断；

步骤S60，故障排除后，处理器70输出下拉电压，Q1导通从而使Q2断开，电路复位，从过流锁定状态退出，直流电路恢复输出直流电I_out。

优选地，可控开关包括MOS管，其栅极连接锁定触发电路的输出端，其源极和漏极串联在直流电路中。该结构比较简单，很容易实现。

图6-图8示出了根据本申请三个优选实施例的可控开关的电路图。

如图6所示，可控开关还包括第三电阻R5、第四电阻R6和稳压管DZ1，第三电阻R5和第四电阻R6串联在锁定触发电路46的三极管Q4的集电极与MOS管Q10的栅极之间，稳压管DZ1与第四电阻R6并联。

当可控开关为MOS管时，由于栅极电容的存在，从保护信号开始输出到开关Q10被彻底断开之间有一定的延迟时间。此延迟时间越长则可能意味着断开前的电流越大，即电路越容易损坏。则此时可采用如图6所示分阶段关断电路：

Q4输出保护信号，从R5、R6及DZ1流过下拉驱动电流，将Q10的栅极向参考低电位下拉；

通常选择R5阻值(如10Ω～100Ω)远小于R6阻值(如1kΩ～3KΩ)，DZ1的标称稳压值略大于Q10的开启电压Vgs(th)，如4.7V；则在Q9输出保护信号初期，Q10的Vgs>4.7V(大约)时，主要下拉电流由R5及DZ1流过，信号下降沿坡度大，减少Q10的关断延迟时间；

在Q4输出保护信号后期，Q10的Vgs<4.7V(大约)时，主要下拉电流由R6流过，信号下降沿坡度平缓，防止Q10的Vds变化过大导致器件损坏；

电路Q4、R5、R6、DZ1将Q10的Vgs下拉至0V后，分阶段关断完成。

相关技术中的可控开关延迟时间较长，意味着断开前的电流较大，即电路较容易损坏，以上优选实施例分阶段关断的设计使得可控开关的延迟时间缩短，减小了可控开关保护执行时的过电流的峰值。

图7的实施例中，单向的稳压管DZ1更换为双向的稳压管DZ2。工作原理基本上与图6一致。

图8的实施例中，稳压管DZ1更换为电容器C1。

Q4输出保护信号，从R9、R10及C1流过下拉驱动电流，将Q10的栅极向参考低电位下拉；

通常选择R9阻值(如10Ω～100Ω)远小于R10阻值(如1kΩ～3KΩ)，C1的标称电容值略小于Q10的输入电容，如4.7nF；则在Q4输出保护信号初期，主要下拉电流由R9及C1流过，信号下降沿坡度大，减少Q10的关断延迟时间；

在Q4输出保护信号后期，Q10的Vgs<4.7V(大约)时，主要下拉电流由R9及R10流过，信号下降沿坡度平缓，防止Q10的Vds变化过大导致器件损坏；

电路Q4、R9、R10、C1将Q10的Vgs下拉至0V后，分阶段关断完成。

图6-图8的优选实施例的可控开关电路简单成本低，保护限值可任意设置，设计自由度高，分阶段关断可加快MOS管关断，提升保护反应速度，降低电路风险，减少RC滤波，提升保护反应速度。

图9示出了根据本申请优选一个实施例的直流电保护电路的电路图，如图9所示，直流电路包括用作电源的电池组DC 90，可控开关50设置在电池组的一个输出端，将电池组DC 90的正极定义为地。本直流电保护电路可以运用于各种不同场景，例如本实施例适合于充放电的电池电路中。

图10-12示出了根据本申请三个优选实施例的直流电充放电保护电路的电路图。

如图10所示，该直流电充放电保护电路包括第一电路100和第二电路100，第一电路100和第二电路200均包括上述图2-图9的直流电保护电路的构造，第一电路100用于电池组的充电保护，第二电路200用于电池组的放电保护。第一电路100和第二电路200的电路构造仅比较电路的接法有区别，但其中用到的元件，例如MOS管、电阻器、运放芯片等，其参数值可以根据具体充电电流的大小和放电电流的大小进行不同的设置。另外处理器70和处理器72可以做成两个分立的元件，也可以用同一个元件来实现。其他各个元件可以采用分立的元件来实现，也可以集成到集成电路中来实现，除比较电路以外，两个电路还可以共用其他元件。图11示出了第一电路100和第二电路200共用放大电路42的优选实施例。图12示出了第一电路100和第二电路200共用放大电路42和处理器72的优选实施例。

图中DC 80为串联使用的磷酸铁锂电芯模组，Q17为放电控制MOS管，Q18为充电控制MOS管。该电池组正常工作时放电MOS管Q17及充电MOS管Q18都是处于导通状态。当充电过电流情况发生时(如充电器启动时大电流、充电器故障等)，过大的充电电流流过分流电路，在分流电路两端产生的电压信号经硬件充电过流保护电路(图中所示电路100)处理后，快速输出分阶段关断保护信号给充电MOS管，将充电MOS管平稳关断，保护电池组不受损伤。第一电路100的充电过流保护过程如下：

1、充电电流信号由分流电路采集得到，经运放U3放大后传递至比较电路U4，运充电路的放大倍数由R4：R3决定，一般比值范围为1:1至100:1；

2、若充电电流超出预定值则触发比较电路U4输出过流信号；

3、比较电路U4的输出类型为开集输出，输出的过流信号为下拉，下拉动作将为Q6提供基极电流；Q6的基极电流引起Q6的集电极电流增大，为Q7及Q8提供基极电流；Q7被导通，其产生的集电极电流同时可以提供给Q6以维持其导通状态，电路进入过流锁定状态；

4、Q6为Q8提供的基极电流使Q8导通，输出保护信号，关断开关S2，充电电流被切断；

5、故障排除后或处理器72断开开关S2的驱动信号后，由处理器向Q5输出下拉信号，Q5导通从而使Q6断开，电路复位，从过流锁定状态退出恢复。

当放电过电流情况发生时(如重载、短路、反接等)，过大的放电电流流过分流电路，在分流电路两端产生的电压信号经硬件放电过流保护电路(图中所示电路200)处理后，快速输出分阶段关断保护信号给放电MOS管，将放电MOS管平稳关断，保护电池组不受损伤。第二电路200的放电过流保护过程如下：

1、放电电流信号由分流电路采集得到，经运放U1放大后传递至比较电路U2，运放电路的放大倍数由R2：R1决定，一般比值范围为1:1至100:1；

2、若放电电流超出预定值则触发比较电路U2输出过流信号；

3、比较电路U2的输出类型为开集输出，输出的过流信号为下拉，下拉动作将为Q2提供基极电流；Q2的基极电流引起Q2的集电极电流增大，为Q3及Q4提供基极电流；Q3被导通，其产生的集电极电流同时可以提供给Q2以维持其导通状态，电路进入过流锁定状态；

4、Q2为Q4提供的基极电流使Q4导通，输出保护信号，关断开关S1，放电电流被切断；

5、故障排除后或处理器70断开开关S1的驱动信号后，由处理器向Q1输出下拉信号，Q1导通从而使Q2断开，电路复位，从过流锁定状态退出恢复。

从以上的描述可以看出，本申请的各个实施例实现保护点的灵活配置，方便运用于不同场景；实现过电流的快速侦测反应，减小保护执行时的过电流的峰值，降低电路风险；降低电路复杂度，减少电路成本；实现MOSFET的分阶段关断，降低关断时的电流变化率，降低电路风险。反应速度快，实测表明从过电流发生到电流被完全切断一般用时<50us，有效降低过电流的最大峰值，显著提升电路可靠性。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，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)

1.一种直流电保护电路，其特征在于，包括：分流电路、放大电路、比较电路、锁定触发电路和可控开关，其中，

所述分流电路用于从直流电路中获取预设比例的电流分量；

所述放大电路用于将所述电流分量放大设定倍数；

所述比较电路用于将所述放大的电流分量与设定阈值进行比较，在所述放大的电流分量大于所述设定阈值时输出过流信号；

所述锁定触发电路用于在接收到所述过流信号时，锁定触发所述可控开关；

所述可控开关用于受到所述锁定触发电路锁定触发时，保持断开所述直流电路；

其中，所述可控开关包括MOS管，其栅极连接所述锁定触发电路的输出端，其源极和漏极串联在所述直流电路中；

所述锁定触发电路包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第一电阻和第二电阻，所述第一三极管的集电极通过所述第一电阻连接到所述第二三极管的基极和所述第三三极管的基极，所述第一三极管的发射极连接电源，所述第一三极管的基极通过所述第二电阻连接到所述第二三极管的集电极和所述比较电路的输出端，所述第三三极管的集电极连接所述可控开关的控制端，所述第二三极管的发射极和所述第三三极管的发射极接地。

2.根据权利要求1所述的直流电保护电路，其特征在于，所述分流电路包括电阻器，串联在所述直流电路中。

3.根据权利要求1所述的直流电保护电路，其特征在于，所述放大电路包括运算放大电路，所述比较电路包括比较电路，所述分流电路的一端连接所述运算放大电路的输入端，所述运算放大电路的输出端连接所述比较电路的输入端。

4.根据权利要求1所述的直流电保护电路，其特征在于，所述比较电路的输出为开集输出，所述过流信号为下拉电压。

5.根据权利要求1所述的直流电保护电路，其特征在于，还包括处理器和第四三极管，所述处理器串联在所述比较电路的输出端与所述第四三极管的基极之间，所述第四三极管的发射极连接电源，其集电极连接所述第一三极管的基极，所述处理器用于故障排除后，输出下拉电压。

6.根据权利要求1所述的直流电保护电路，其特征在于，所述可控开关还包括第三电阻、第四电阻、以及稳压管或电容器，所述第三电阻和所述第四电阻串联在所述锁定触发电路与所述MOS管的栅极之间，所述稳压管或所述电容器与所述第四电阻并联。

7.根据权利要求1-6任一项所述的直流电保护电路，其特征在于，所述直流电路包括用作电源的电池组，所述可控开关设置在所述电池组的一个输出端。

8.根据权利要求7所述的直流电保护电路，其特征在于，所述直流电保护电路包括第一电路和第二电路，所述第一电路和所述第二电路均包括权利要求1-7任一项所述的直流电保护电路的构造，所述第一电路用于所述电池组的充电保护，所述第二电路用于所述电池组的放电保护。