发明内容
本发明的目的在于提供一种电源的短路保护电路,旨在解决无需断开电源与外部负载或无需接入充电器来实现电源的短路保护电路解除后自行恢复的问题。
为实现上述目的,本发明提供一种电源的短路保护电路,包括:电压调整电路、延时电路、判别电路,判别电路的第一端接收用于表示电源的外部负载的工作状态的检测电压,判别电路的第二端经电压调整电路连接基准电压源,延时电路接收检测电压,并对检测电压进行延时后输入至电压调整电路,其中在外部负载处于正常状态和短路状态时,延时后的检测电压分别控制电压调整电路输出第一基准电压和第二基准电压至判别电路的第二端;判别电路对第一基准电压及检测电压进行比较,以判定外部负载是否从正常状态变为短路状态,并对第二基准电压及检测电压进行比较,以判定外部负载是否从短路状态变为正常状态。
其中,基准电压源为电源的正极,电压调整电路至少包括串联连接于正极与地之间的第一电阻、第二电阻和第一开关,判别电路的第二端连接至第一电阻和第二电阻之间的中间节点,第一开关通过两个通路端串联于中间节点与地之间,第一开关的控制端连接延时电路,其中在正常状态下,延时后的检测电压控制第一开关截止,在短路状态下,延时后的检测电压控制第一开关导通,进而使得第二基准电压小于第一基准电压。
其中,第一开关是第一场效应管,第一开关的控制端是第一场效应管的栅极,第一开关的两个通路端分别是第一场效应管的漏极及源极。
其中,判别电路包括一电压比较器,电压比较器的第一输入端接收检测电压,电压比较器的第二输入端接收电压调整电路输出的第一基准电压或第二基准电压。
其中,延时电路包括第二开关、第三开关、第三电阻、第四电阻和电容,第三电阻和电容并联连接,第三电阻和电容的第一连接点连接第二开关的控制端,第三电阻和电容的第二连接点接地;第二开关的两个通路端分别连接电压调整电路和接收检测电压,第三开关的控制端和其中一个通路端同时接收检测电压,第三开关的另一个通路端通过第四电阻与第三电阻和电容的第一连接点连接。
其中,第二开关是第二场效应管,第二开关的控制端是第二场效应管的栅极,第二开关的两个通路端分别是第二场效应管的漏极及源极,第三开关是第三场效应管,第三开关的控制端是第三场效应管的栅极,第三开关的两个通路端分别是第三场效应管的漏极及源极。
其中,短路保护电路还包括短路保护执行电路、短路保护解除电路和逻辑控制电路,短路保护执行电路与短路保护解除电路并联连接于电源的负极与电源的外部负载之间,其中短路保护解除电路的等效阻值大于短路保护执行电路的等效阻值,逻辑控制电路根据判别电路输出的比较结果控制短路保护执行电路和短路保护解除电路,检测电压为短路保护执行电路和短路保护解除电路与外部负载之间的电压,其中在外部负载处于正常状态时,逻辑控制电路控制短路保护执行电路导通,并控制短路保护解除电路截止,在外部负载处于短路状态时,逻辑控制电路控制短路保护执行电路截止,并控制短路保护解除电路导通。
其中,当外部负载处于正常状态时,经延时后的检测电压控制电压调整电路输出第一基准电压,判别电路判定第一基准电压与检测电压之间的差值大于第一预定阈值,逻辑控制电路控制短路保护执行电路维持导通状态,并控制短路保护解除电路维持截止状态;当外部负载从正常状态变为短路状态时,判别电路判定第一基准电压与检测电压之间的差值小于第一预定阈值,逻辑控制电路控制短路保护执行电路切换至截止状态,并控制短路保护解除电路切换至导通状态,经延时后的检测电压进一步控制电压调整电路输出第二基准电压;当外部负载处于短路状态时,判别电路判定检测电压与第二基准电压之间的差值大于第二预定阈值,逻辑控制电路控制短路保护执行电路维持截止状态,并控制短路保护解除电路维持导通状态;当外部负载从短路状态变为正常状态时,判别电路判定检测电压与第二基准电压之间的差值小于第二预定阈值,逻辑控制电路控制短路保护执行电路切换至导通状态,并控制短路保护解除电路切换至截止状态,经延迟后的检测电压进一步控制电压调整电路输出第一基准电压。
其中,短路保护执行电路至少包含一个第四开关,第四开关的控制端连接逻辑控制电路,第四开关通过两个通路端串联连接于电源的负极和外部负载之间;短路保护解除电路至少包含一个第五开关和一个第五电阻,第五开关的控制端连接逻辑控制电路,第五开关通过两个通路端与第五电阻串联连接于电源的负极与外部负载之间。
其中,短路保护解除电路的等效阻值与外部负载的等效阻值为相同数量级,短路保护执行电路的等效阻值小于短路保护解除电路的等效阻值至少一个数量级。
有益效益:本发明电源的短路保护电路通过监测电源的外部负载的工作状态,然后通过电压调整电路和延时电路改变判别电路输入的基准电压,并将用于表示电源的外部负载的工作状态的检测电压与基准电压相比较来判定电源的外部负载处于短路状态或正常状态,进而实现短路保护或短路保护解除后自恢复功能。本发明通过硬件控制,可靠性高,稳定性好,同时短路保护解除后的恢复功能无需断开电源与外部负载或接入充电器即可以自动实现,从而提升用户体验,节约用户成本。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图和具体实施方式对本发明所提供的一种电源短路保护电路做进一步详细描述。
如图1,本发明电源的短路保护电路实施例一,包括:
电压调整电路101、延时电路102、判别电路103,判别电路103的第一端11接收用于表示电源的外部负载的工作状态的检测电压VM,判别电路103的第二端12经电压调整电路101连接基准电压源VDD,延时电路102接收检测电压VM,并对检测电压VM进行延时后输入至电压调整电路101,其中在外部负载处于正常状态和短路状态时,延时后的检测电压VM分别控制电压调整电路101输出第一基准电压和第二基准电压至判别电路103的第二端12。
外部负载等效电阻的大小随着其工作状态的变化而变化,当其处于正常状态时,等效电阻是连接所有外部负载的阻值大小等效值,当其处于短路状态时,等效电阻接近零,而检测电压VM的大小也随着外部负载阻值大小的变化而变化,呈反相关系,因此,可以通过监测检测电压VM的大小来实现监测外部负载等效电阻的大小来进一步判断外部负载的工作状态。
检测电压VM通过电压调整电路101和延时电路102改变判别电路103输入的基准电压,在外部负载处于正常状态时,电压调整电路101输出第一基准电压,判别电路对第一基准电压及检测电压VM进行比较,以判定外部负载是否从正常状态变为短路状态,从而执行短路保护功能;在外部负载处于短路状态时,电压调整电路101输出第二基准电压,判别电路103对第二基准电压及检测电压VM进行比较,以判定外部负载是否从短路状态变为正常状态,从而执行短路保护解除后自恢复功能。
在本实例的一应用场景中,如图2所示,基准电压源VDD是电源的正极104,电压调整电路101至少包括串联连接于正极104与地105之间的第一电阻R1、第二电阻R2和第一开关FET1,第一开关FET1可选第一场效应管FET1,第一开关FET1的控制端是第一场效应管FET1的栅极,第一开关FET1的两个通路端分别是第一场效应管FET1的源极及漏极。
判别电路103包括一电压比较器15,判别电路103的第一端11是电压比较器15的第一输入端11,判别电路103的第二端12是电压比较器15的第二输入端12。电压比较器15的第一输入端11接收检测电压VM,电压比较器15的第二输入端12连接至第一电阻R1和第二电阻R2之间的中间节点Q,第一场效应管FET1串联于中间节点Q和地105之间,第一场效应管FET1的漏极连接第一电阻R1、源极连接第二电阻R2、栅极连接延时电路102。
延时电路102包括第二开关FET2、第三开关FET3、第三电阻R3、第四电阻R4和电容C1,第三电阻R3和电容C1并联连接,第二开关FET2可选第二场效应管FET2,第二开关FET2的控制端是第二场效应管FET2的栅极,第二开关FET2的两个通路端分别是第二场效应管FET2的漏极及源极,第三开关FET3可选第三场效应管FET3,第三开关FET3的控制端是第三场效应管FET3的栅极,第三开关FET3的两个通路端分别是第三场效应管FET3的漏极及源极。第三电阻R3和电容C1的第一连接点13连接第二场效应管FET2的栅极,第三电阻R3和电容C1的第二连接点14接地105,第二场效应管FET2的源极连接电压调整电路101中的第一场效应管FET1的栅极,第二场效应管FET2的漏极接收检测电压VM,第三场效应管FET3的栅极和漏极同时接收检测电压VM,源极通过第四电阻R4与第三电阻R3和电容C1的第一连接点13连接。
由于第一场效应管FET1的栅极接收经过延时电路102的延时作用后的检测电压VM,因此其栅极电压VCC等于检测电压VM,但滞后于检测电压VM的变化,在延时电路102中,第三电阻R3的阻值通常远大于第四电阻R4的阻值,对第三电阻R3、第四电阻R4和电容C1选取合适的值使第一场效应管FET1栅极电压VCC相对检测电压VM的延时时间大于整个电路的短路保护响应时间。
具体地,图2中,本实施例一电源的短路保护电路的工作过程如下:
当外部负载处于正常状态时,检测电压VM为低电平,第一场效应管FET1的栅极电压VCC也为低电平,第一场效应管FET1截止,电压调整电路101输出第一基准电压的大小等于基准电压源VDD的大小。
当外部负载从正常状态变为短路状态时,检测电压VM被拉高至接近第一基准电压VDD,由于第一场效应管FET1的栅极电压VCC滞后于检测电压VM的变化,此时第一场效应管FET1的栅极电压VCC仍为低电平,第一场效应管FET1仍然截止,电压比较器15的第二输入端12接收电压调整电路101输出的第一基准电压VDD,电压比较器15判定第一基准电压VDD和检测电压VM之间的差值小于第一预定阈值,比如第一预定阈值为0.2V,电压比较器15输出电平信号以执行短路保护功能。此时,第一场效应管FET1的栅极电压VCC变为高电平,控制第一场效应管FET1导通,基准电压源VDD通过第一电阻R1和第二电阻R2分压,输出第二基准电压VDD*R2/(R1+R2)。
当外部负载短路解除,从短路状态变为正常状态时,检测电压VM电位被拉低,电压比较器15的第二输入端12接收电压调整电路101输出的第二基准电压VDD*R2/(R1+R2),电压比较器15判定检测电压VM和第二基准电压VDD*R2/(R1+R2)之间的差值小于第二预定阈值,比如第二预定阈值为0V,电压比较器15输出电平信号以执行短路保护解除后自恢复功能。此时,检测电压VM被拉低至外部负载处于正常状态时的低电平,经过一定延时第一场效应管FET1的栅极电压VCC也变成低电平,第一场效应管FET1切换至截止状态,电压调整电路101又恢复到输出第一基准电压VDD的情况,继续监测外部负载的工作状态。
如图3所述,本发明电源的短路保护电路实施例二,除了包括电压调整电路201、延时电路202、判别电路203以外,还包括短路保护执行电路204、短路保护解除电路205和逻辑控制电路206。
短路保护执行电路204与短路保护解除电路205并联连接,其一端与电源207的负极连接,其另一端通过第六电阻R6与电源的外部负载208连接,短路保护执行电路204与短路保护解除电路205分别连接逻辑控制电路206,逻辑控制电路206的另一端连接判别电路203的第三端23。
其中,短路保护解除电路205的等效阻值大于短路保护执行电路204的等效阻值,逻辑控制电路206根据判别电路203的第三端23输出的比较结果控制短路保护执行电路204和短路保护解除电路205,检测电压VM为短路保护执行电路204和短路保护解除电路205与外部负载208之间的电压,其中在外部负载208处于正常状态时,逻辑控制电路206控制短路保护执行电路204导通,并控制短路保护解除电路205截止,在外部负载208处于短路状态时,逻辑控制电路206控制短路保护执行电路204截止,并控制短路保护解除电路205导通。
第七电阻R7和第二电容C2构成平滑滤波电路,以有效滤除干扰信号,防止干扰信号的引入使电源的短路保护电路产生误动作。电源207的正极经过平滑滤波电路输出基准电压源VDD,连接电压调整电路201,电压调整电路201的另一端接地209。
具体地,如图4所示,本实施例的一应用场景中,电压调整电路201、延时电路202、判别电路203的电路结构及连接情况与实施例一图2相类似,此处不再赘述。
短路保护执行电路204至少包括一个第四开关FET4,第四开关FET4可选第四场效应管FET4,第四开关FET4的控制端是第四场效应管FET4的栅极,第四开关FET4的两个通路端分别是第四场效应管FET4的源极和漏极,第四场效应管FET4的栅极连接逻辑控制电路206,源极连接电源207的负极,漏极通过第六电阻R6和外部负载208连接。
短路保护解除电路205至少包括一个第五开关FET5和与一个第五电阻R5,第五开关FET5可选第五场效应管FET5,第五开关FET5的控制端是第五场效应管FET5的栅极,第五开关FET5的两个通路端分别是第五场效应管FET5的源极和漏极,第五场效应管FET5的栅极连接逻辑控制电路206,第五场效应管FET5的源极连接电源207的负极,漏极通过第五电阻R5与第六电阻R6和外部负载208连接。
短路保护解除电路206的等效阻值与外部负载208的等效阻值为相同数量级,短路保护执行电路204的等效阻值小于短路保护解除电路205的等效阻值至少一个数量级。也就是说,第五电阻R5的阻值与外部负载208的阻值为相同数量级,第四场效应管FET4的导通电阻小于第五场效应管FET5的导通电阻及第五电阻R5的阻值和至少一个数量级。
为了便于说明本实施例二电源保护电路的工作过程,定义一些具体数值,所有具体数值仅做参考,并不做限定。
一起参阅图3和图4,外部负载208的等效电阻Rload的阻值一般为10~100KΩ,通常为60KΩ,第五电阻R5选取50KΩ,第六电阻R6选取1KΩ,短路保护解除后,在由电源207、短路保护解除电路205、第六电阻R6和外部负载208的等效电阻Rload组成的回路中,检测电压VM的大小为VDD*R5/(Rload+R6+R5),令等效电阻Rload分别等于10KΩ和100KΩ,可以得出1/3VDD<VM<5/6VDD,所以只要检测电压VM电位下降,低于5/6VDD即可判定外部负载208重新接入电路,短路保护已解除。因此,电压调整电路201输出的第二基准电压为5/6VDD,由此可选取第一电阻R1为10KΩ,第二电阻R2为50KΩ。
本发明实施例二的具体工作过程为:
当外部负载208处于正常状态时,经延时后的检测电压VM控制电压调整电路201输出第一基准电压,第一基准电压的大小等于基准电压源VDD的大小,判别电路203判定第一基准电压VDD与检测电压VM之间的差值大于第一预定阈值,逻辑控制电路206控制短路保护执行电路204维持导通状态,并控制短路保护解除电路205维持截止状态。因此,第四场效应管FET4导通,第五场效应管FET5截止,电源207对外部负载208正常放电,检测电压VM接近地209的电压VSS,第一场效应管FET1的栅极电压VCC为低电平,第一场效应管FET1截止,判别电路203的第二端22接收电压调整电路201输出的第一基准电压VDD。
当外部负载208从正常状态变为短路状态时,等效电阻Rload接近零,检测电压VM被拉高至接近第一基准电压VDD,判别电路203判定第一基准电压VDD与检测电压VM之间的差值小于第一预定阈值,判别电路203的第三端23控制逻辑控制电路206输出低电平使第四场效应管FET4切换至截止状态,使电源207停止对外部负载208放电,实现短路保护功能;
与此同时,逻辑控制电路206输出高电平使第五场效应管FET5切换至导通状态。在上述动作的同时,检测电压VM的高电平经延时电路202使第一场效应管FET1的栅极电压VCC也变成高电平,延时电路202的延时时间大于短路保护响应时间。第一场效应管FET1导通使基准电压源VDD经第一电阻R1和第二电阻R2输出第二基准电压5/6VDD。
当外部负载208处于短路状态时,判定电路203判定检测电压VM与第二基准电压5/6VDD之间的差值大于第二预定阈值,逻辑控制电路206控制第四场效应管FET4维持截止状态,并控制第五场效应管FET5维持导通状态。
当短路保护解除,外部负载208重新接入电路,从短路状态变为正常状态时,电源207、短路保护解除电路205、第六电阻R6和等效电阻Rload组成回路,检测电压VM被拉低,判别电路203将检测电压VM的大小VDD*R5/(Rload+R6+R5)与第二基准电压5/6VDD进行比较,当VDD*R5/(Rload+R6+R5)与5/6VDD的差值小于第二预定阈值,判别电路203的第三端23控制逻辑控制电路206输出高电平使第四场效应管FET4切换至导通状态,电源207重新对外部负载208放电,实现短路保护解除后自恢复功能;
与此同时,逻辑控制电路206输出低电平使第五场效应管FET5切换至截止状态。检测电压VDD接近地209的电压VSS,经延时电路202延时使第一场效应管FET1的栅极电压VCC为低电平,第一场效应管FET1截止,电压调整电路201重新输出第一基准电压VDD,再次对外部负载208的工作状态进行监测。
如图5所示,本发明电源的短路保护电路实施例三,为一电池保护板的原理图,外部负载302接在P+和P-之间,电阻R5和电容C2组成平滑滤波电路,电池301通过该平滑滤波电路连接保护集成电路(integratedcircuit,IC)300,第四场效应管FET4和第五场效应管FET5构成短路保护执行电路303,第四场效应管FET4附带自体二极管D1,其栅极连接保护IC的引脚DO,第五场效应管FET5附带自体二极管D2,其栅极连接保护IC的引脚CO。
该电池保护板可具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能。当P+和P-端连接充电器,给电池301正常充电时,第四场效应管FET4和第五场效应管FET5均处于导通状态;当保护IC300监测到充电异常时,将第五场效应管FET5截止终止充电。当P+和P-端连接外部负载302,电池301正常放电时,第四场效应管FET4和第五场效应管FET5均处于导通状态,当保护IC监测到放电异常时,将第四场效应管FET4截止终止放电。
保护IC中短路保护功能部分的电路可具体为如图6所示的电路结构,包括电压调整电路304、延时电路305、判别电路306、短路保护解除电路307和逻辑控制电路308,保护IC的各个引脚VDD、VSS、VM、DO分别对应连接图6中的基准电压源VDD、接地电压VSS、检测电压VM、逻辑控制电路308的输出端DO。
利用图6所示电路结构的电池保护板可实现短路保护及短路保护解除后自动恢复的功能,短路保护解除后的恢复功能无需通过断开电池305与外部负载306或接入充电器的方式即可自动实现,可靠性高,实用性强。
在其他实施例中,基于不同的监测情况,电源短路保护电路的具体电路结构并不仅限于上述三种实施例,还可采用其他方式,比如电压调整电路中可采用两个以上的电阻,短路保护执行电路可采用多个开关等。
本发明通过上述三个实施例详细描述了一种电源的短路保护电路,通过监测电源的外部负载的工作状态,然后通过电压调整电路和延时电路改变判别电路输入的基准电压,并将用于表示电源的外部负载的工作状态的检测电压与基准电压相比较来判定电源的外部负载处于短路状态或正常状态,进而实现短路保护或短路保护解除后自恢复功能。本发明通过硬件控制,可靠性高,稳定性好,同时短路保护解除后的恢复功能无需断开电源与外部负载或接入充电器即可以自动实现,从而提升用户体验,节约用户成本。
以上所述仅为本发明的实施方式,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围。