CN106033880A

CN106033880A - 直流电源打嗝式保护电路

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Publication number: CN106033880A
Application number: CN201510101895.2A
Authority: CN
Inventors: 何曙光
Original assignee: Individual
Current assignee: Hu Shuangzhen
Priority date: 2015-03-09
Filing date: 2015-03-09
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2035-03-09
Also published as: CN109038504B; CN109038504A; CN109038503A; CN109038503B; CN106033880B

Abstract

本发明为两种直流电源打嗝式保护电路，属于电源技术领域，适于直流电源中作过流保护之用。现有电源产品的保护电路毛病甚多，或需要人为重启，或保护有较大的时间滞后而损坏电源等等。本发明作了两种新的电路设计，该电路是个四端网络，四端网络的输入端接被保护直流电源的正、负极，而四端网络的输出端接负载。它对被保护直流电源作“打嗝式”保护，这种“打嗝式”保护，动作快，自动恢复也快，且保护的时间长短可以调节，环境温度的影响小，功耗很低，整个电路简单，成本也低，实践证明可完全克服现有电源产品的保护电路的缺点。

Description

直流电源打嗝式保护电路

技术领域

本发明为两种直流电源打嗝式保护电路，属于电源技术领域。适于直流电源中作过流保护之用，不论是采用开关电源技术或是工频变压器降压技术的直流电源。

背景技术

直流电源工作时常因负载变化、使用不慎等原因造成负载加重或输出端短路，以至于输出电流过大而损坏，加入保护电路应是设计电源重要一环。

目前直流电源大致有截流型、限流型和过热型三种保护模式。1，截流型：当直流电源输出有过载或短路时会关断电源，不再对负载供电。它需要重启电源才能恢复供电，重启后如过载或短路情况依然存在，则会再次关断电源。也就是说它不会自行恢复供电，需要人为重启，对应用造成不便。2，限流型：设定一个输出电流的最大值，一旦负载电流达到这个最大值，便不再增加电流，限定在这个设定值，而输出电压下降，由此导致电源的内部功耗增大，发热增大，能效降低和可靠性降低。3，过热型：在电源的电路中嵌入温度传感器，例如常用的78、79系列的集成三端稳压器，当输出有过载或短路时，由于电流增大使器件温度上升，温度传感器感受到后产生相应动作，关断电源无电流输出，当器件温度下降电路会自动重启。其缺陷是感受温度变化有较大的时间滞后，很可能温度传感器来不及产生相应动作，电源已经损坏；或是延缓自动重启，不能适应负载要求；而且受环境温度的影响较大。

上述三种电源保护模式各有缺点，均不能适应某些有特别要求的负载，不能适应科技发展需求，需要开发新的电源保护模式。

发明内容

本发明针对流行的电源保护模式的缺点作了新的电路设计，它是一个四端网络，这个四端网络的输入端接被保护直流电源的正、负极，而四端网络的输出端接负载。它对被保护直流电源作“打嗝式”保护，具体电路后文详述。这种“打嗝式”保护，动作快，自动恢复也快，且保护的时间长短可以调节，环境温度的影响小，功耗很低，整个电路简单，成本也低。实践证明可完全克服上述三种电源保护模式的缺点。

附图说明

图1为一种打嗝式保护电路的设计，它的功率调整管采用P沟道场效应管，接在直流电源的正极。图2为另一种打嗝式保护电路的设计，它的功率调整管采用N沟道场效应管，接在直流电源的负极。

具体实施方式

以下结合实施例来进一步解释附图和说明本分明的发明所在。

图1是本发明打嗝式保护电路的一个实施例，该电路可看成一个四端网络，这个四端网络的输入端为（A1）、（B1），其中（A1）端接被保护直流电源的正极，（B1）端接被保护直流电源的负极，并作为该电路的参考零电位。这个四端网络的输出端为（A2）、（B2），其中（A2）端为输出的正极，（B2）为输出的负极。负载接在（A2）、（B2）两端。

先叙述图1电路的具体设计。图1中的N1、N2元件型号为TL431，是三端可调精密电压基准，该元件有阴极K、阳极A和参考R三个引脚。

把电阻R1的一端连接被保护直流电源的正极（A1），电阻R1的另一端连接N1元件的阴极，N1元件的阳极连接被保护直流电源的负极（B1），再将N1元件的阴极K和参考R两个引脚短接，从N1元件的阴极处可得到2.5V的精密基准电压输出，本实施例就是这样用的，并把电阻R4的一端连接到N1元件的阴极。

把电阻R2的一端连接被保护直流电源的正极（A1），电阻R3与电容C1互相并联后将其一端连接被保护直流电源的正极（A1），另一端连接二极管VD1的正极和P沟道场效应管V1的栅极，场效应管V1的源极连接被保护直流电源的正极（A1）；二极管VD1的负极同时连接电阻R2的另一端和N2元件的阴极；N2元件的阳极连接被保护直流电源的负极（B1）；N2元件的参考引脚连接电阻R4的另一端、电容C2的一端和电阻R6的一端；电容C2的另一端连接被保护直流电源的负极（B1）和电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接输出负极端（B2），电阻R6的另一端也连接到输出负极端（B2）。

P沟道场效应管V2的源极连接被保护直流电源的正极（A1），稳压管VD2的负极连接场效应管V2的源极，场效应管V2的栅极连接场效应管V1的漏极、稳压管VD2的正极和电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接输出负极端（B2），场效应管V2的漏极即为输出正极端（A 2）。

图1电路的工作原理是：通电后由电阻R1限流，N1元件得电，从N1元件的阴极处输出2.5V的精密基准电压，该2.5V的精密基准电压加在电阻R4和电阻R6组成的串联支路上，设计使电阻R6上的分压为2.4V。电阻R2是N2元件的限流电阻。适当选取电阻R5的阻值，当（A2）、（B2）两端无负载时或是较轻负载，电阻R5上没有负载电流或是流过较小的负载电流，于是电阻R5上无电压降或是电压降很小（小于0.1V），因此N2元件的参考引脚只有2.4V电压或是小于2.5V，使得N2元件处于截止状态，P沟道场效应管V1的栅极通过电阻R3得到高电平，场效应管V1也处于截止状态，此时P沟道场效应管V2的栅极通过电阻R7得到低电平，场效应管V2处于导通状态，允许输出电流，负载便可正常工作。稳压管VD2限制了场效应管V2的栅极和源极之间的电压过高，起保护场效应管V2的作用。

当（A2）、（B2）两端带重负载或者短路时，电阻R5上流过较大的负载电流或大的短路电流，使得电阻R5上的电压降达到或超过0.1V，此时N2元件参考引脚上的电压达到或超过2.5V，N2元件处于导通状态，拉低了场效应管V1的栅极电平，使得场效应管V1处于导通状态，场效应管V1的漏极输出高电平加在场效应管V2的栅极上，场效应管V2便处于截止状态，切断输出电流，对直流电源进行保护。由于没有了输出电流，电阻R5上也就没有了电压降，N2元件参考引脚上的电压达不到2.5V，N2元件重新处于截止状态，场效应管V1的栅极通过电阻R3再次得到高电平，场效应管V1也再次处于截止状态，此时场效应管V2的栅极通过电阻R7再次得到低电平，场效应管V2再次处于导通状态，允许输出电流，如果负载依然很重或者短路现象没有消除，则场效应管V1也会不断地交替导通和截止，而场效应管V2不断地交替截止和导通，对直流电源进行“打嗝式”保护。

当场效应管V1处于截止时场效应管V2是处于导通的，而当场效应管V1处于导通时场效应管V2是处于截止的，这从微观来看是有过渡过程的。当N2元件导通时，电容C1及场效应管V1的源极与栅极之间的极间电容通过二极管VD1、N2元件充电，使场效应管V1导通有一个延迟时间，则场效应管V2截止也就跟着延迟了；同样当N2元件处于截止时，电容C1及场效应管V1的源极与栅极之间的极间电容所充电荷要通过电阻R3放电，使场效应管V1截止也有一个延迟时间，则场效应管V2导通也就跟着延迟了。这两个延迟时间之和就是“打嗝”的周期。场效应管V1的源极与栅极之间的极间电容量相比电容C1可忽略，适当选取电容C1和电阻R3的值，便可以调整“打嗝”的周期，通常“打嗝”的周期调整为毫秒级较好。电容C2连接在N2元件的参考引脚和被保护直流电源的负极（B1）之间，起滤波作用。

电阻R5的阻值决定了输出电流被保护的临界值，设此临界值为I_O（A），则R5的阻值可用式R5 = 0.1(V) / I_O (A)来确定。例如输出电流被保护的临界值为10安培，则R5的阻值应为0.1/10 = 0. 01欧姆。

图2电路是本发明打嗝式保护电路的另一个实施例，同样该电路可视为一个四端网络，这个四端网络的输入端为（A01）、（B01），其中（A01）端接被保护直流电源的正极，（B01）端接被保护直流电源的负极，并作为该电路的参考零电位。这个四端网络的输出端为（A02）、（B02），其中（A02）端为输出的正极，（B02）为输出的负极。负载接在（A02）、（B02）两端，图2电路被保护直流电源的正极（A01）和输出的正极（A02）是直通短接的。图2电路的功率调整管采用N沟道场效应管，接在直流电源的负极。N沟道场效应管相对价廉易购。其中的N01、N02元件型号同为TL431，是三端可调精密电压基准。

把电阻R01的一端连接被保护直流电源的正极（A01），电阻R01的另一端连接N01元件的阴极，N01元件的阳极连接被保护直流电源的负极（B01），再将N01元件的阴极K和参考R两个引脚短接，从N01元件的阴极处可得到2.5V的精密基准电压输出，本实施例就是这样用的。并把电阻R04的一端连接到N01元件的阴极。

把电阻R02的一端连接被保护直流电源的正极（A01），电阻R02的另一端连接电阻R03的一端和PNP三极管V01的基极；电阻R03的另一端连接N02元件的阴极；N02元件的阳极连接被保护直流电源的负极（B01）；N02元件的参考引脚连接电阻R04的另一端和电阻R06的一端，电阻R06的另一端连接电阻R05的一端和N沟道场效应管V03的源极，电阻R05的另一端连接被保护直流电源的负极（B01）；场效应管V03的漏极即是输出负极端（B02）。

把三极管V01的发射极连接被保护直流电源的正极（A01），三极管V01的集电极连接电阻R07的一端和电阻R08的一端，电阻R07的另一端连接到场效应管V03的源极；电阻R08的另一端连接二极管VD01的正极，二极管VD01的负极连接电容C01的一端、电阻R09的一端和N沟道场效应管V02的栅极；电容C01的另一端和电阻R09的另一端连接到场效应管V03的源极；场效应管V02的源极也连接到场效应管V03的源极。

把电阻R010的一端连接被保护直流电源的正极（A01），电阻R010的另一端连接到场效应管V02的漏极、场效应管V03的栅极和稳压管VD02的负极，稳压管VD02的正极连接到场效应管V03的源极。

图2电路的工作原理是：通电后由电阻R01限流，N01元件得电，从N01元件的阴极处输出2.5V的精密基准电压，该2.5V的精密基准电压加在电阻R04和电阻R06组成的串联支路上，设计使电阻R06上的分压为2.4V。电阻R02和电阻R03是N02元件的限流电阻。适当选取电阻R05的阻值，当（A02）、（B02）两端无负载时或是较轻负载，电阻R05上没有负载电流或是流过较小的负载电流，于是电阻R05上无电压降或是电压降很小（小于0.1V），因此N02元件的参考引脚只有2.4V电压或是小于2.5V，使得N02元件处于截止状态，PNP三极管V01的基极接在电阻R02和电阻R03的串联节点上，此时得到高电平，三极管V01处于截止状态，N沟道场效应管V02的栅极也处于低电平不能导通，场效应管V02处于截止状态，N沟道场效应管V03的栅极通过电阻R010得到高电平，场效应管V03处于导通状态，允许输出电流，负载便可正常工作。稳压管VD02限制了场效应管V03的栅极和源极之间的电压过高，起保护场效应管V03的作用。

当（A02）、（B02）两端带重负载或者短路时，电阻R05上流过较大的负载电流或大的短路电流，使得电阻R05上的电压降达到或超过0.1V，此时N02元件参考引脚上的电压达到或超过2.5V，N02元件处于导通状态，拉低了三极管V01的基极电位，使三极管V01处于导通状态，场效应管V02的栅极通过电阻R08和二极管VD01得到高电平导通，短路掉场效应管V03栅极上的驱动电压，场效应管V03便处于截止状态，切断输出电流，对直流电源进行保护。由于没有了输出电流，电阻R05上也就没有了电压降，N02元件参考引脚上的电压达不到2.5V，N02元件重新处于截止状态，三极管V01的基极再次得到高电平，场效应管V02也再次处于截止状态，此时场效应管V03的栅极通过电阻R010再次得到高电平，场效应管V03再次处于导通状态，允许输出电流，如果负载依然很重或者短路现象没有消除，则图2电路的三极管V01和场效应管V02也会不断地交替导通和截止，而场效应管V03不断地交替截止和导通，对直流电源进行“打嗝式”保护。

与图1实施例类似，当场效应管V02处于截止时场效应管V03是处于导通的，而当场效应管V02处于导通时场效应管V03是处于截止的，这从微观来看是有过渡过程的。当N2元件导通时，三极管V01也导通，电容C01及场效应管V02的源极与栅极之间的极间电容通过二极管VD01、电阻R05充电，使场效应管V02导通有一个延迟时间，则场效应管V03截止也就跟着延迟了；同样当N2元件处于截止时，三极管V01也截止，电容C01及场效应管V02的源极与栅极之间的极间电容所充电荷要通过电阻R09放电，使场效应管V02截止也有一个延迟时间，则场效应管V03导通也就跟着延迟了。这两个延迟时间之和就是“打嗝”的周期。场效应管V02的源极与栅极之间的极间电容量相比电容C01可忽略，适当选取电容C01和电阻R09的值，便可以调整“打嗝”的周期，通常“打嗝”的周期调整为毫秒级较好。

电阻R05的阻值决定了输出电流被保护的临界值，设此临界值为I_O（A），则R05的阻值可用式R05 = 0.1(V) / I_O (A)来确定。例如输出电流被保护的临界值为10安培，则R05的阻值应为0.1/10 = 0. 01欧姆。

综上所述，本发明的第一种直流电源输出端打嗝式保护电路，由电阻元件R1 — R7、三端可调精密电压基准TL431元件N1—N2、电容C1—C2、二极管VD1、稳压管VD2、P沟道场效应管V1—V2组成，这些元件具体连接的方式是：把电阻R1的一端连接被保护直流电源的正极（A1），电阻R1的另一端连接N1元件的阴极，N1元件的阳极连接被保护直流电源的负极（B1），再将N1元件的阴极K和参考R两个引脚短接，并把电阻R4的一端连接到N1元件的阴极；把电阻R2的一端连接被保护直流电源的正极（A1），电阻R3与电容C1互相并联后将其一端连接被保护直流电源的正极（A1），另一端连接二极管VD1的正极和P沟道场效应管V1的栅极，场效应管V1的源极连接被保护直流电源的正极（A1），二极管VD1的负极同时连接电阻R2的另一端和N2元件的阴极；N2元件的阳极连接被保护直流电源的负极（B1），N2元件的参考引脚连接电阻R4的另一端、电容C2的一端和电阻R6的一端；电容C2的另一端连接被保护直流电源的负极（B1）和电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接输出负极端（B2），电阻R6的另一端也连接到输出负极端（B2）；P沟道场效应管V2的源极连接被保护直流电源的正极（A1），稳压管VD2的负极连接场效应管V2的源极，场效应管V2的栅极连接场效应管V1的漏极、稳压管VD2的正极和电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接输出负极端（B2），场效应管V2的漏极即为输出正极端（A 2）。

适当选取电容C1和电阻R3的值，便可以调整“打嗝”的时间周期，电阻R5的阻值决定了输出电流被保护的临界值，设此临界值为I_O（A），则R5的阻值可用式R5 = 0.1(V) / I_O (A)来确定。

综上所述，本发明的第二种直流电源输出端打嗝式保护电路，由电阻元件R01 — R010、三端可调精密电压基准TL431元件N01—N02、电容C01、二极管VD01、稳压管VD02、PNP三极管V01、P沟道场效应管V02—V03组成，这些元件具体连接的方式是：把电阻R01的一端连接被保护直流电源的正极（A01），电阻R01的另一端连接N01元件的阴极，N01元件的阳极连接被保护直流电源的负极（B01），再将N01元件的阴极K和参考R两个引脚短接，并把电阻R04的一端连接到N01元件的阴极；把电阻R02的一端连接被保护直流电源的正极（A01），电阻R02的另一端连接电阻R03的一端和PNP三极管V01的基极，电阻R03的另一端连接N02元件的阴极，N02元件的阳极连接被保护直流电源的负极（B01），N02元件的参考引脚连接电阻R04的另一端和电阻R06的一端，电阻R06的另一端连接电阻R05的一端和N沟道场效应管V03的源极，电阻R05的另一端连接被保护直流电源的负极（B01），场效应管V03的漏极即是输出负极端（B02）；把三极管V01的发射极连接被保护直流电源的正极（A01），三极管V01的集电极连接电阻R07的一端和电阻R08的一端，电阻R07的另一端连接到场效应管V03的源极，电阻R08的另一端连接二极管VD01的正极，二极管VD01的负极连接电容C01的一端、电阻R09的一端和N沟道场效应管V02的栅极，电容C01的另一端和电阻R09的另一端连接到场效应管V03的源极；场效应管V02的源极也连接到场效应管V03的源极；把电阻R010的一端连接被保护直流电源的正极（A01），电阻R010的另一端连接到场效应管V02的漏极、场效应管V03的栅极和稳压管VD02的负极，稳压管VD02的正极连接到场效应管V03的源极；被保护直流电源的正极（A01）和输出的正极（A02）是直通短接的。

适当选取电容C01和电阻R09的值，便可以调整“打嗝”的时间周期，电阻R05的阻值决定了输出电流被保护的临界值，设此临界值为I_O（A），则R05的阻值可用式R05 = 0.1(V) / I_O (A)来确定。

以上所述，仅是本发明的较佳实施范例而已，并非对发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.第一种直流电源输出端打嗝式保护电路，其特征在于：该电路由电阻元件R1 — R7、三端可调精密电压基准TL431元件N1—N2、电容C1—C2、二极管VD1、稳压管VD2、P沟道场效应管V1—V2组成；这些元件具体连接的方式是：把电阻R1的一端连接被保护直流电源的正极（A1），电阻R1的另一端连接N1元件的阴极，N1元件的阳极连接被保护直流电源的负极（B1），再将N1元件的阴极K和参考R两个引脚短接，并把电阻R4的一端连接到N1元件的阴极；把电阻R2的一端连接被保护直流电源的正极（A1），电阻R3与电容C1互相并联后将其一端连接被保护直流电源的正极（A1），另一端连接二极管VD1的正极和P沟道场效应管V1的栅极，场效应管V1的源极连接被保护直流电源的正极（A1），二极管VD1的负极同时连接电阻R2的另一端和N2元件的阴极；N2元件的阳极连接被保护直流电源的负极（B1），N2元件的参考引脚连接电阻R4的另一端、电容C2的一端和电阻R6的一端；电容C2的另一端连接被保护直流电源的负极（B1）和电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接输出负极端（B2），电阻R6的另一端也连接到输出负极端（B2）；P沟道场效应管V2的源极连接被保护直流电源的正极（A1），稳压管VD2的负极连接场效应管V2的源极，场效应管V2的栅极连接场效应管V1的漏极、稳压管VD2的正极和电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接输出负极端（B2），场效应管V2的漏极即为输出正极端（A 2）。

2.第二种直流电源输出端打嗝式保护电路，其特征在于：由电阻元件R01 — R010、三端可调精密电压基准TL431元件N01—N02、电容C01、二极管VD01、稳压管VD02、PNP三极管V01、P沟道场效应管V02—V03组成，这些元件具体连接的方式是：把电阻R01的一端连接被保护直流电源的正极（A01），电阻R01的另一端连接N01元件的阴极，N01元件的阳极连接被保护直流电源的负极（B01），再将N01元件的阴极K和参考R两个引脚短接，并把电阻R04的一端连接到N01元件的阴极；把电阻R02的一端连接被保护直流电源的正极（A01），电阻R02的另一端连接电阻R03的一端和PNP三极管V01的基极，电阻R03的另一端连接N02元件的阴极，N02元件的阳极连接被保护直流电源的负极（B01），N02元件的参考引脚连接电阻R04的另一端和电阻R06的一端，电阻R06的另一端连接电阻R05的一端和N沟道场效应管V03的源极，电阻R05的另一端连接被保护直流电源的负极（B01），场效应管V03的漏极即是输出负极端（B02）；把三极管V01的发射极连接被保护直流电源的正极（A01），三极管V01的集电极连接电阻R07的一端和电阻R08的一端，电阻R07的另一端连接到场效应管V03的源极，电阻R08的另一端连接二极管VD01的正极，二极管VD01的负极连接电容C01的一端、电阻R09的一端和N沟道场效应管V02的栅极，电容C01的另一端和电阻R09的另一端连接到场效应管V03的源极；场效应管V02的源极也连接到场效应管V03的源极；把电阻R010的一端连接被保护直流电源的正极（A01），电阻R010的另一端连接到场效应管V02的漏极、场效应管V03的栅极和稳压管VD02的负极，稳压管VD02的正极连接到场效应管V03的源极；被保护直流电源的正极（A01）和输出的正极（A02）是直通短接的。

3.如权利要求1所述的第一种直流电源输出端打嗝式保护电路，其特征在于：适当选取电容C1和电阻R3的值，便可以调整“打嗝”的时间周期，电阻R5的阻值决定了输出电流被保护的临界值，设此临界值为I_O（A），则R5的阻值可用式R5 = 0.1(V) / I_O (A)来确定。

4.如权利要求2所述的第二种直流电源输出端打嗝式保护电路，其特征在于：适当选取电容C01和电阻R09的值，便可以调整“打嗝”的时间周期，电阻R05的阻值决定了输出电流被保护的临界值，设此临界值为I_O（A），则R05的阻值可用式R05 = 0.1(V) / I_O (A)来确定。