CN104979813A - 一种限流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了限流保护电路，包括过流检测模块、功率驱动模块和开关控制模块；当驱动信号支路中的电流高于过流值时，第四三极管和MOS管形成级联负反馈的动态平衡，使MOS管工作在恒流区，输出恒定电流，为负载提供恒定的驱动功率，并通过过流检测模块输出过流信号。本发明的电路能够根据不同的负载要求快速调节电流过流值，防止驱动电源驱动信号支路中的电流过大导致电路可靠性降低，达到增强驱动电路稳定性和可靠性的技术效果，简单实用。采用三极管与MOS管级连的形式，过流时通过闭环负反馈形成它们之间的动态平衡，使MOS管工作在恒流区，输出过流信号与恒定电流，为负载提供恒定的驱动功率，维持驱动电路使能，并可提供一定的在线维修时间。

Description

一种限流保护电路

技术领域

本发明涉及一种限流保护电路，属于电路技术领域。

背景技术

随着集成电路技术的高速发展，电源产品和功率驱动电路内部的功耗不断变大，特别是当输出过载甚至短路时，功率管上的大电流将会永久性损坏电路芯片和电子产品。为了避免这种情况，芯片中通常会加入过流保护电路。在功率驱动电路中，过流保护电路根据控制方式的不同大致可分为关断方式和限流方式，限流方式由于其具有电流下垂特性，故障排除后电路系统能自动恢复工作，因此得到广泛应用。但目前多数的限流保护电路在电流过载时都会降额输出，无法为负载提供稳定的驱动功率，在某些特殊场合实用性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种限流保护电路，要为负载提供稳定的驱动功率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种限流保护电路，其特征是，包括过流检测模块、功率驱动模块和开关控制模块；

功率驱动模块中包括MOS管；开关控制模块中包括第四三极管；

当功率驱动模块中驱动信号支路中的电流低于过流值时，实现功率驱动功能；当驱动信号支路中的电流高于过流值时，第四三极管和MOS管形成级联负反馈的动态平衡，使MOS管工作在恒流区，输出恒定电流，为负载提供恒定的驱动功率，并通过过流检测模块输出过流信号。

过流检测模块包括取样电阻、第二三极管、第四电阻和第八电阻；

电源电压V_DD经取样电阻分别连接至第二三极管的基极和功率驱动模块中MOS管的源极；第二三极管的发射极连接至电源电压V_DD；第二三极管N2的集电极经第四电阻、第八电阻接地，第二三极管的集电极连接至功率驱动模块中MOS管的栅极；过流检测点输出压降Voc为通过第四电阻和第八电阻分压后的输出电压。

功率驱动模块还包括第二电阻和第五电阻；

MOS管源极连接至电源电压V_DD，MOS管栅极连接至第二电阻和第五电阻一端形成的共接点；第二电阻的另一端接电源电压V_DD，第五电阻的另一端连接至开关控制模块；MOS管的漏极连接至输出端Vout。

开关控制模块还包括第六电阻和第七电阻；

控制端Vin经第六电阻和第七电阻接地；第六电阻和第七电阻的共接点与第四三极管基极相连；第四三极管发射极与第七电阻的另一端共接于地；第四三极管集电极连接至功率驱动模块。

第二三极管的集电极经由一第三二极管连接至功率驱动模块中的MOS管。

MOS管的漏极至输出端Vout的同时还连接第五二极管的负极；第五二极管的正极接地。

所述第五二极管为快回复二极管。

本发明所达到的有益效果：

本发明的限流保护电路能够根据不同的负载要求快速调节电流过流值，防止驱动电源驱动信号支路中的电流过大导致电路可靠性降低，达到增强驱动电路稳定性和可靠性的技术效果，简单实用。

本发明的限流保护电路采用三极管与MOS管级连的形式，过流时通过闭环负反馈形成它们之间的动态平衡，使MOS管工作在恒流区，输出过流信号与恒定电流，为负载提供恒定的驱动功率，维持驱动电路使能，并可提供一定的在线维修时间。

附图说明

图1限流保护电路原理图；

图2电路正常工作时的信号时序图；

图3限流保护电路输出波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明公开了一种限流保护电路，针对驱动电路输出电流大的特点，采用三极管、MOS管和若干电阻等组成，能够根据不同的负载要求快速调节电流过流值。当驱动信号支路中的电流低于过流值时，实现功率驱动功能；当驱动信号支路中的电流高于过流值时，三极管和MOS管形成级联负反馈的动态平衡，使MOS管工作在恒流区，并输出过流信号和恒定电流，为负载提供恒定的驱动功率，继续维持一段时间的电路使能，满足一些特殊场合的应用要求。

本发明的工作原理：本发明公开的一种限流保护电路原理图如图1所示。其中，第一级三极管N2选用PNP型晶体管，MOS管N1选用六角形P沟道场效应管(HEXFET)。RS为取样电阻，RL为阻性负载(本设计也可用于感性负载，快恢复二极管N5在负载为感性时起电路保护作用)。

如图1所示，此种限流保护电路主要由有三部分组成：过流检测模块、功率驱动模块和开关控制模块。

过流检测模块包括取样电阻RS、三极管N2、电阻R4、R8。电源电压V_DD经取样电阻RS分别连接至三极管N2的基极和功率驱动模块中MOS管N1源极。三极管N2的发射极连接至电源电压V_DD。三极管N2的集电极经电阻R4、R8接地，三极管N2的集电极同时经二极管N3连接至功率驱动模块中MOS管N1的栅极。过流检测点输出压降V_oc通过电阻R4、R8分压。

功率驱动模块包括MOS管N1、二极管N5、电阻R2、电阻R5。MOS管N1源极连接至电源电压V_DD，MOS管N1栅极经电阻R3连接至电阻R2和电阻R5的共接点。电阻R2的另一端接电源电压V_DD，电阻R5的另一端连接至开关控制模块。MOS管N1的漏极同时连接至输出端Vout、二极管N5的负极。二极管N5的正极接地。

开关控制模块包括三极管N4、电阻R6、R7。控制端V_in经电阻R6、R7后接地。电阻R6、R7的连接点与三极管N4基极相连。三极管N4发射极与电阻R7共接于地。三极管N4集电极连接至功率驱动模块。

开关控制模块控制电路使能，根据控制端V_in输入TTL信号的时序实现对电路通断的控制。三极管N4的基极－发射极上的压差V_BE4由电阻R6、R7分压可得，如式(1)所示。

V_BE4＝V_in·R7/(R6+R7)   (1)

当V_in端输入低电平时，三极管N4的基极－发射极间没有压差，即V_BE4＝0，三极管N4未开启，电路未启动；当V_in端输入高电平时，V_BE4≈1.5V，大于三极管N4的开启电压V_BE(set)，电路开启。

功率驱动模块由MOS管N1等构成，由于取样电阻RS很小，驱动电源电压V_DD在其上的损失可忽略不计，所以MOS管N1源极电压V_S1等于电源电压V_DD。当开关控制模块使能时，MOS管N1栅极通过电阻R2、R5分压可得，如式(2)所示。

V_G1＝V_DD·R2/(R2+R5)   (2)

当MOS管N1的栅极－源极电压

V_GS1＝V_G1-V_S1   (3)

大于N1的开启电压V_GS(th)时，电路开启。二极管N5选用快回复二极管，在负载为感性时起电路保护作用。电路正常工作时的信号时序图如图2所示。

图2中，取V_DD＝10V，电路正常工作。在0.3秒时V_in端输入高电平，电路正常开启，为负载提供稳定的输出功率。

根据图1所示电路原理，过流检测模块采用小电阻取样的方式对电路电流进行检测，RS为取样电阻。根据电路连接情况可知，取样电阻RS两端电压V_RS等于三极管N2的基极－发射极上的电压V_BE2与电阻R1两端电压V_R1的和，电阻R1为三极管基极保护电路，其流经的电流很小，所以有：

V_BE2≈V_RS   (3)

当驱动电路正常工作时，流经取样电阻RS的电流I_RS较小，根据欧姆定律可知取样电阻RS两端电压V_RS较小，此时三极管N2的基极－发射极间的压降V_BE2小于其开启电压V_BE(set)，电路未进入过流保护。当电路驱动电压过高，出现过流现象时，取样电阻RS两端电压I_RS随之增大，当V_BE2≥V_BE(set)时，三极管N2打开。此时，电源电压通过三极管N2和二极管N3后直接到达MOS管N1的栅极，MOS管栅极－源极间压差V_GS1＝0V，MOS管N1关闭。MOS管N1关闭后，取样电阻RS所在回路断路，I_RS＝0A，三极管N2关闭。整个电路在闭环负反馈中达到动态平衡，三极管N1的基极－发射极V_BE2处于开启和关闭的零界点，即V_BE2＝V_BE(set)。MOS管栅极－源极电压V_GS1＝V_GS(thmax)，MOS管N1工作在恒流区，电路在过流时恒流输出，持续为负载提供恒定功率。

此时，电路过流时输出电流表达式如式(4)所示。

$I_e=\frac{V_e}{RL}=\frac{V_{BE\left(set\right)}}{RS}---\left(4\right)$

那么，电路过流时输出电压如式(5)所示

$V_e=\frac{V_{BE\left(set\right)}}{RS}\·RL---\left(5\right)$

在电路未过流时，三极管N2集电极电压V_C2与MOS管N1栅极电压V_G1相等，即

V_C2＝V_E2-|V_GS1|＝V_DD-|V_GS(thmax)|   (6)

那么，过流检测点输出压降V_oc通过电阻R4、R8分压可得，如式(7)所示。

V_oc＝V_C2·R8/(R4+R8)   (7)

那么，限流保护电路在不同驱动电源电压下的输出波形如图3所示。

驱动电源电压设为0～50V线性增加，如图3中虚线所示。由图3可知，当驱动电源欠压时，电路未开启；当驱动电源电压过大，输出过流时，限流保护功能开启，电路输出恒定电流，此时过流检测点有信号输出。为更好的观察过流检测信号，可在过流检测端处连接缓冲器，选取合适的阈值，将过流检测信号整形，以高低电平形式输出，本专利不作进一步讨论。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种限流保护电路，其特征是，包括过流检测模块、功率驱动模块和开关控制模块；

功率驱动模块中包括MOS管；开关控制模块中包括第四三极管；

当功率驱动模块中驱动信号支路中的电流低于过流值时，实现功率驱动功能；当驱动信号支路中的电流高于过流值时，第四三极管和MOS管形成级联负反馈的动态平衡，使MOS管工作在恒流区，输出恒定电流，为负载提供恒定的驱动功率，并通过过流检测模块输出过流信号。

2.根据权利要求1所述的一种限流保护电路，其特征是，过流检测模块包括取样电阻、第二三极管、第四电阻和第八电阻；

电源电压V _DD 经取样电阻分别连接至第二三极管的基极和功率驱动模块中MOS管的源极；第二三极管的发射极连接至电源电压V _DD ；第二三极管的集电极经第四电阻、第八电阻接地，第二三极管的集电极连接至功率驱动模块中MOS管的栅极；过流检测点输出压降Voc为通过第四电阻和第八电阻分压后的输出电压。

3.根据权利要求1所述的一种限流保护电路，其特征是，功率驱动模块还包括第二电阻和第五电阻；

MOS管源极连接至电源电压V _DD ，MOS管栅极连接至第二电阻和第五电阻一端形成的共接点；第二电阻的另一端接电源电压V _DD ，第五电阻的另一端连接至开关控制模块；MOS管的漏极连接至输出端Vout。

4.根据权利要求1所述的一种限流保护电路，其特征是，开关控制模块还包括第六电阻和第七电阻；

控制端Vin经第六电阻和第七电阻接地；第六电阻和第七电阻的共接点与第四三极管基极相连；第四三极管发射极与第七电阻的另一端共接于地；第四三极管集电极连接至功率驱动模块。

5.根据权利要求2所述的一种限流保护电路，其特征是，第二三极管的集电极经由一第三二极管连接至功率驱动模块中的MOS管。

6.根据权利要求3所述的一种限流保护电路，其特征是，MOS管的漏极至输出端Vout的同时还连接第五二极管的负极；第五二极管的正极接地。

7.根据权利要求6所述的一种限流保护电路，其特征是，所述第五二极管为快回复二极管。