CN106104951B - 保护电路 - Google Patents

保护电路 Download PDF

Info

Publication number
CN106104951B
CN106104951B CN201480075237.4A CN201480075237A CN106104951B CN 106104951 B CN106104951 B CN 106104951B CN 201480075237 A CN201480075237 A CN 201480075237A CN 106104951 B CN106104951 B CN 106104951B
Authority
CN
China
Prior art keywords
voltage
transistor
protection circuit
unit
output
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201480075237.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106104951A (zh
Inventor
刘玮
石焕
阿克塞尔·洛贝克
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Technology AG
Original Assignee
ABB Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Technology AG filed Critical ABB Technology AG
Publication of CN106104951A publication Critical patent/CN106104951A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106104951B publication Critical patent/CN106104951B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H03K17/0826—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in bipolar transistor switches
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/087—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current for dc applications
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/569—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection
    • G05F1/573—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for protection with overcurrent detector
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current
    • H02H9/025—Current limitation using field effect transistors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

本公开的实施例提供一种在数字输出模块中使用的保护电路，数字输出模块包括第一电压源(S1)和至少一个输出端子。保护电路包括：第一采样单元(1)，用于采样与来自第一电压源(S1)的输出电流相关的第一电压；第一比较单元(2)，用于将采样的第一电压与第一参考电压(Vref1)进行比较；控制单元(3)，用于基于来自第一比较单元(2)的结果生成电流调节信号，和电流调节单元(4)，用于基于电流调节信号调节来自第一电压源(S1)的输出电流。该保护电路提供了过流和短路保护，并且成本上便宜。

Description

保护电路
技术领域
本公开的实施例涉及保护电路的领域，并且尤其是数字输出模块中的限流与短路保护电路。
背景技术
工业控制系统现在被用在诸如石油&天然气、化工、制药、造纸、采矿和金属领域等的几乎每一个工业领域中。工业控制系统的主要目的之一是自动地控制现场设备并且快速、高效且精确地运行过程。正常情况下，控制系统包含工程站、操作站、控制器、I/O站、终端板和现场设备。
数字输出信号被广泛地用在用于像ON/OFF控制和继电器输出一样的应用的过程控制中。数字输出模块基于操作或控制算法输出高或低电平。
先进的数字输出模块支持多输出通道及诊断和保护功能。短路检测是可用于通知用户是否有在现场短路的线缆的重要诊断信息。这样的短路检测对于数字输出模块是必要的，因为短路可以引起控制环路中的大电流，这可能会损坏模块中的电子元件。
标准短路检测和保护解决方案使用智能高侧开关(诸如英飞凌(Infineon)BTS4141N)来测量内部温度并实现限流和短路保护。然而，该种类的开关相对昂贵。对于具有多输出通道的数字输出模块，为各通道使用该类型的开关将会导致用于该模块的相当高的总成本。
发明内容
因此，为了克服以上提到的现有技术中的缺陷中的一个或多个，本公开的实施例的目的之一是提供一种与如已知的智能高侧开关相比便宜得多的保护电路。
根据本公开的实施例的一个方面，提供有一种待在数字输出模块中使用的保护电路。数字输出模块包括第一电压源和至少一个输出端子。保护电路包括：第一采样单元，用于采样与来自第一电压源的输出电流相关的第一电压；第一比较单元，用于将采样值与第一参考电压进行比较；控制单元，用于基于来自第一比较单元的结果生成电流调节信号；和电流调节单元，用于基于电流调节信号调节来自第一电压源的输出电流。该保护电路可以通过响应于来自采样单元的反馈调节电压源的输出电流而为输出设备提供过流保护。
根据示例性实施例，电流调节单元包括：具有基结、发射结和集电结的第一晶体管。第一晶体管被配置成在基结上的低于截止电压的低电平下导通。第一晶体管的集电结被配置成连接至至少一个输出端子中的一个，第一晶体管的基结被连接至控制单元，并且第一晶体管的发射结被连接至采样单元。
根据示例性实施例，采样单元包括第二电阻器；并且第一比较单元包括第一电压比较器，其反相输入被连接至第一参考电压，并且其正相输入被连接在第二电阻器与第一晶体管的发射结之间，并且其输出被连接至控制单元。
根据示例性实施例，第一电压比较器被配置成如果其正相输入上的电压低于第一参考电压则输出低电平，并且如果其正相输入上的电压高于第一参考电压则输出基本上对应于断开状态的高电阻。
根据示例性实施例，第一参考电压被设定为第一电压源的电压减去处于输出端子的过流状态时的在第二电阻器上的估计电压降的值。
根据示例性实施例，控制单元包括具有基结、发射结和集电结的第二晶体管。第二晶体管被配置成在基结上的高于截止电压的高电平下导通。第二晶体管的集电结经由第一电阻器被连接至第一晶体管的基结，第二晶体管的基结被连接至第一比较单元，并且第二晶体管的发射结被连接至接地平面。
根据示例性实施例，控制单元可以进一步包括被连接在第一晶体管的基结与第一电压源之间的第一电容器。
根据示例性实施例，第二晶体管的基结被进一步经由第三电阻器单元连接至第二电压源并且经由第一二极管连接至数字输出模块的控制信号端子。
根据示例性实施例，保护电路进一步包括：第二采样单元，用于采样与来自第一电压源的输出电流相关的第二电压；第二比较单元，用于将采样的第二电压与第三参考电压进行比较；和信号处理单元，用于处理来自第二比较单元的输出信号以生成短路控制信号。控制单元被进一步配置成基于短路控制信号生成电流调节信号。借助于以上单元，保护电路可以提供短路保护。
根据示例性实施例，第二比较单元包括第三电压比较器。第三电压比较器的正相输入被连接至第三参考电压，并且第三电压比较器的反相输入被连接至输出端子以便充当第二采样单元，并且第三电压比较器的输出被连接至信号处理单元。
根据示例性实施例，第三电压比较器被配置成如果其反相输入上的电压高于第三参考电压则输出低电平，并且如果其反相输入上的电压低于第三参考电压则输出基本上对应于断开状态的高电阻。
根据示例性实施例，第三参考电压被设定为第一电压源的电压减去处于输出端子的短路状态时的在第一电压源与输出端子之间的估计电压降的值。
根据示例性实施例，信号处理单元包括：第二电压比较器。第二电压比较器的正相输入被连接至第二参考电压，并且第二电压比较器的反相输入经由第二二极管被连接至控制信号端子，并且第二电压比较器的输出经由第三二极管被连接至第二晶体管的基结。
根据示例性实施例，信号处理单元可以进一步包括经由第四电阻器单元被连接至第二电压比较器的反相输入的第三电压源。
根据示例性实施例，第二电压比较器被配置成如果其反相输入上的电压高于第二参考电压则输出低电平，并且如果其反相输入上的电压低于第二参考电压则输出基本上对应于断开状态的高电阻。
根据示例性实施例，第二参考电压被设定为低于第三电压源上的电压。
根据示例性实施例，信号处理单元进一步包括被连接在第二电压比较器的反相输入与接地平面之间的第二电容器，使得信号处理单元可以滤除瞬时的大电流噪声以便避免非预期的截止动作。
根据示例性实施例，信号处理单元进一步包括经由第五电阻器被连接至第二电压比较器的输出的第四电压源。这样，信号处理单元可以向用户或另一自动化设备提供是否已发生短路的指示。
根据示例性实施例，第一晶体管是PNP晶体管或P沟道金属氧化物半导体，并且第二晶体管是NPN晶体管或N沟道金属氧化物半导体。
根据示例性实施例，还提供了一种具有至少一个输出通道的数字输出模块，其中至少一个输出通道被连接至如以上提到的保护电路。
由于保护电路中的所有电子元件都是相对便宜的普通元件，所以用于各保护电路的成本与如已知的智能高侧开关相比相当便宜，使得为数字输出模块的各通道提供一个保护电路在成本上是可接受的。
附图说明
当参照附图阅读关于示例性实施例的以下详细描述时，本公开的目的、特征和优点变得显而易见，其中
图1图示出根据本公开的示例性实施例的保护电路的电路图。
图2图示出根据本公开的另一示例性实施例的保护电路的电路图。
具体实施方式
下文中，将在描述本公开的机制和精神时参考示例性实施例。应该理解的是，这些实施例仅仅被提供以有助于本领域技术人员理解和实施本公开，但是不用于以任何方式限制本公开的范围。
在这里通过参考附图以示例性方式来描述本公开的各种实施例。
图1图示出具有根据本公开的示例性实施例的保护电路的数字输出模块的电路图。保护电路可以被连接至数字输出模块的一个输出通道。数字输出模块包括用于将电力提供至各通道的输出端子OUT的第一电压源S1。负载被连接至模块的各输出端子OUT以从模块接收数字输出(高电平)。负载可以是诸如现场设备等的在工业中使用的任何电设备。第一电压源S1通常可以提供24V的电压作为用于控制模块的标准电压。数字输出模块进一步包括针对各通道的一个控制信号端子Con_S，以将控制命令发送至各通道以便控制第一电压源S1输出从输出端子OUT到负载的电流(对应于高电平)。
根据本公开的一个实施例，保护电路可以包括：第一采样单元1，被配置成采样与来自第一电压源S1的输出电流相关的第一电压；第一比较单元2，被配置成将采样的第一电压与第一参考电压Vref1进行比较；控制单元3，被配置成基于来自第一比较单元2的结果而生成电流调节信号；和电流调节单元4，被配置成基于电流调节信号而调节来自第一电压源S1的输出电流。
第一采样单元1采样关于输出端子的输出电流的信息，并且第一比较单元2评价当前输出电流。基于评价结果，控制单元3可以生成电流调节信号给电流调节单元4。因此，电流调节单元4可以将输出电流调节在预定值内以避免负载上过流。
具体地，根据一个实施例，如图1所示，电流调节单元4可以包括具有基结、发射结和集电结的第一晶体管Q1。第一晶体管Q1可以被配置成在基结上的低于截止电压的低电平下导电。晶体管Q1的集电结可以被连接至保护电路的输出端子OUT，并且第一晶体管Q1的基结被连接至控制单元3，并且第一晶体管Q1的发射结经由第二电阻器R2被连接至第一电压源S1。
根据一个实施例，如图1所示，采样单元1可以包括第二电阻器R2；并且第一比较单元2可以包括第一电压比较器U1。第一电压比较器U1的反相输入被连接至第一参考电压Vref1，并且第一电压比较器U1的正相输入被连接在第二电阻器R2与第一晶体管Q1的发射结之间。第一电压比较器U1的输出被连接至控制单元3。
此外，根据一个实施例，如图1所示，控制单元3可以包括具有基结、发射结和集电结的第二晶体管Q2。第二晶体管Q2可以被配置成在基结上的高于截止电压的高电平下导通。第二晶体管Q2的集电结经由第一电阻器R1被连接至第一晶体管Q1的基结。第二晶体管Q2的基结被连接至第一比较单元2的输出。例如，第二晶体管Q2的基结被连接至第一电压比较器U1的输出端子。第二晶体管Q2的发射结被连接至地。
此外，根据一个实施例，如图1所示，控制单元3进一步包括被连接在第一晶体管Q1的基结与第一电压源S1之间的第一电容器C1。第二晶体管Q2的基结被进一步经由第三电阻器R3连接至第二电压源S2并经由第一二极管D1连接至控制信号端子Con_S。第二电压源S2充当用于第二晶体管Q2的高电平参考。
如图1所示，第一晶体管Q1可以被实施为PNP晶体管，并且第二晶体管Q2可以被实施为NPN晶体管。应该理解的是，第一晶体管Q和第二晶体管Q2也可以被实施为任何其他种类的半导电的开关元件，只要第一晶体管Q1可以在其基结(控制端)上的低电平下被切换至导通，而第二晶体管Q2可以在其基结(控制端)上的高电平下被切换至导通。例如，第一晶体管Q1也可以是P沟道金属氧化物半导体，并且第二晶体管Q2也可以是N沟道金属氧化物半导体。
根据一个实施例，第一电压比较器U1可以被配置成如果其正相输入上的电压低于第一参考电压Vref1则输出低电平，并且如果其正相输入上的电压高于第一参考电压Vref1则输出基本上对应于断开状态的高电阻。第一电压比较器U1可以以如已知的任何种类的电子电路或电子组成部件来实施。
第一参考电压Vref1可以被设定为第一电压源S1的电压减去处于保护电路的输出端子的过流状态时的在第二电阻器R2上的估计电压降的值。用户可以定义指示出保护电路的过流状态的流过保护电路的输出端子的估计电流值。通过用第二电阻器R2的电阻乘以估计电流值，可以获得第二电阻器R2上的估计电压降。在一个实施例中，第二电阻器R2上的估计电压降被设定为2.8V。在该情况中，第一参考电压将被设定为第一电压源S1的电压24V减去2.8V、即21.2V。
在操作中，保护电路可以被连接在数字输出模块的一个数字输出通道中。保护电路的输出端子OUT可以充当模块的输出并且将数字信号提供至负载以便控制负载的操作。在一个实施例中，控制信号端子Con_S可以被连接至诸如MCU等的信号发生器以接收用于控制模块的输出的控制信号。
根据一个实施例，在正常操作状态下，如果数字输出模块不打算输出高电平，则信号发生器会从控制信号端子Con_S发送低电平使得第一二极管D1的正向端上的电压归因于第二电压源S2而高于反向端。因此，二极管D1是导通的。作为结果，第二电压源S2的差不多总电压在第三电阻器R3上下降，并且第二晶体管Q2的基结上的电平仍然大约零，这低于第二晶体管Q2的截止电压。由于第二晶体管Q2在基结上的电压低于截止电压时不会导通，所以没有电流流过第二电阻器R2、第一晶体管Q1、第一电阻器R1和第二晶体管Q2。作为结果，第一晶体管Q1的基结上的电压保持与第一晶体管Q1的发射结上的相同。由于第一晶体管Q1在基结上的电压不低于发射结上的电压时不导通，所以没有电流流过输出端子OUT至外部负载。同时，由于第一晶体管Q1的发射结上的电压与第一电压源S1相同，所以第一电压比较器U1的正相输入上的电压将会高于第一参考电压。作为结果，第一电压比较器U1将会输出可视作输出上的断开状态的高电阻，使得第一电压比较器U1的输出将不会影响第二晶体管Q2的基结上的电压。
根据进一步的实施例，如果具有高电平(例如，不低于第二电压源S2的电压的相对高的电平)的控制信号由信号发生器发送至控制信号端子Con_S，则第一二极管D1将由于二极管D1的反向端上的电压不再低于正向端而不再导通。作为结果，在第三电阻器R3上没有电压降，并且第二晶体管Q2的基结上的电压将保持在第二电压源S2的电压、例如在该实施例中是5V。Q2的基结上的第二电压源S2的电压高于正常情况下例如0.7V的第二晶体管Q2的截止电压。因此，第二晶体管Q2(诸如NPN晶体管)被切换至导通，并且因此第一晶体管Q1的基结将通过第一电阻器R1接地并且第一晶体管Q1于是将是导通的，并因此电流从第一电压源S1通过第一晶体管Q1的发射结和集电结流动至输出端子OUT。这样，连接至输出端子OUT的外部负载可以接收该电流或电压信号作为用于控制负载、例如打开或关闭现场设备的高电平数字信号。同时，由于输出电流低于估计过流电流，所以第二电阻器R2上的电压降也低于估计电压降。因此，被进一步引导至第一电压比较器U1的正相输入的在第二电阻器R2与第一晶体管Q1之间的点上的采样电压仍高于反相输入上的第一参考电压。作为结果，第一电压比较器U1也将输出可视作输出上的断开状态的高电阻，使得第一电压比较器U1的输出不会影响第二晶体管Q2的基结上的电压，并且因此不会影响输出端子OUT上的正常电流输出。
一旦由于连接至输出端子的外部负载的减小的电阻使得大于预定估计电流的电流通过输出端子(这可能在当外部负载中发生诸如局部短路等的一些故障时出现)，通过输出端子的电流就被识别为过流状态。在该情况中，第二电阻器R2上的电压降将会高于估计电压降。在该情况中，第一电压比较器U1的正相输入上的电压将会低于第一电压比较器U1的反相输入上的第一参考电压。作为结果，第一电压比较器U1将输出低电平。这会创建从第二电压源S2通过第三电阻器R3至第一电压比较器U1的输出的电流路径。由于电流流过第三电阻器R3，所以第二晶体管Q2的基结上的电压将下降至与第一电压比较器U1的输出上的相同、即零。由于第二晶体管Q2的基结上的电压下降回到低于0.7V的截止电压，所以第二晶体管Q2将被关断，使得从第一晶体管Q1的发射结至第一晶体管Q1的基结的电流路径被截止并且从第一晶体管Q1的基结至第一电阻器R1的电流流动将消失。看起来像控制单元3将电流调节信号发送至第一晶体管Q1以关断第一晶体管Q1用于限制流过第一晶体管Q1的电流。
根据本公开的实施例，归因于第一电容器C1的存在，第一晶体管Q1的基结上的电压不会急剧地变化，并且将从第一晶体管Q1的发射结至基结维持相对小的电流。这样，第一晶体管Q1将进入放大区，并且流过第一晶体管Q1的发射结和集电结至输出端子OUT的输出电流将会降低至基结上的相对小的电流乘以第一晶体管Q1的放大因子的值。因为第一电容器C1逐渐放电，所以第一晶体管Q1的基结上的电压将逐渐升高，并且因此基结上的小电流并且进而是通过第一晶体管Q1的发射结和集电结至输出端子OUT的输出电流将逐渐降低。一旦通过第二电阻器R2的输出电流降低至引起第一晶体管Q1的发射结上的采样电压高于第一参考电压Vref1的值，第一电压比较器U1就将再次输出高电阻使得第二晶体管Q2将再次是导通的。在该情况中，还是归因于第一电容器C1，通过第一晶体管Q1的基结的电流将逐渐增加，这导致输出端子OUT上的输出电流增加。一旦输出端子OUT上的输出电流增加超过对应于第一晶体管Q1的发射结上的等于第一参考电压Vref1的电压的预定值，第一电压比较器U1就会再次输出低电平以关断第二晶体管Q2，这会引起基结上的电流和输出端子上的电流再次降低。作为结果，归因于第一电压比较器U1的反馈，输出端子OUT上的输出电流将被限制在对应于第一参考电压被预定在其下的电流值、即如之前提到的估计电流值的安全值内。这样实现了对输出端子OUT上的过流的限制。
图2图示出具有根据本公开的另一实施例的保护电路的数字输出模块的电路图。除了以上已描述的之外，根据图2的保护电路可以进一步包括：第二采样单元5，被配置成采样与来自第一电压源S1的输出电流相关的第二电压；第二比较单元6，被配置成将采样第二电压与第三参考电压Vref3进行比较；和信号处理单元7，被配置成处理来自第二比较单元6的输出信号以生成短路控制信号。控制单元3可以被进一步配置成基于短路控制信号生成电流调节信号。当接收该电流调节信号时，电流调节单元4可以截止输出电流以截止短路。
具体地，根据示例性实施例，第二比较单元6可以包括第三电压比较器U3。第三电压比较器U3的正相输入被连接至第三参考电压Vref3，并且第三电压比较器U3的反相输入被连接至保护电路的输出端子。第三电压比较器U3的输出被连接至信号处理单元7。
根据示例性实施例，信号处理单元7可以包括第二电压比较器U2。第二电压比较器U2的正相输入被连接至第二参考电压Vref2，并且第二电压比较器U2的反相输入经由第二二极管D2被连接至控制信号端子Con_S。第二电压比较器U2的输出经由第三二极管D3被连接至第二晶体管Q2的基结。第三电压源S3经由第四电阻器R4被连接至第二电压比较器U2的反相输入。
第二二极管D2仅允许从第三电压源S3流动至控制信号端子Con_S的电流，并且第三二极管D3仅允许从第二电压源S2流动至第二电压比较器U2的输出的电流。第三电压源S3和第四电压源S4两者充当高电平源，它们通常被设定为例如5V。
第二电压比较器U2可以被配置成如果其反相输入上的电压高于第二参考电压Vref2则输出低电平，并且如果其反相输入上的电压低于第二参考电压Vref2则输出基本上对应于断开状态的相对高的电阻。第三电压比较器U3被配置成如果其反相输入上的电压高于第三参考电压Vref3则输出低电平，并且如果其反相输入上的电压低于第三参考电压Vref3则输出基本上对应于断开状态的高电阻。第二参考电压Vref2可以被设定为低于第三电压源S3上的电压，例如2.5V。第三参考电压Vref3可以被设定为第一电压源S1的电压减去在处于保护电路的输出端子的短路状态时的在第一电压源S1与保护电路的输出端子之间的估计电压降的值。以该方式，短路可以被限定为流过输出端子OUT的电流如此地大以致引起第一电压源S1与输出端子OUT之间的电压降超过与第三参考电压有关的估计电压降。然而，处于短路状态时的电流值应该被限定得大于处于过流状态时的电流值。例如，在第一电压源S1是24V的情况中，处于短路状态时的估计电压降可以被设定为4V，使得第三参考电压Vref3将是20V。
优选地，第二电容器C2可以被连接在第二电压比较器U2的反相输入与大地之间以滤除不是实际短路的噪声。进一步优选地，第四电压源S4可以经由第五电阻器R5被连接至第二电压比较器U2的输出，并且第二电压比较器U2的输出可以被连接至外部设备，用于提供通知保护电路的输出端子中的短路发生的信号。
在输出端子OUT上没有短路的状态下，或者是正常状态或者是过流状态，输出端子OUT上的电流相对低使得第一电压源S1与输出端子OUT之间的电压降低于处于短路状态时的估计电压降。作为结果，第三电压比较器U3的反相输入上的电压高于第三电压比较器U3的正相输入上的第三参考电压，并且因此第三电压比较器U3将低电平输出至第二电压比较器U2的反相输入。在该情况中，第三电压源S3的电压在第四电阻器R4上完全下降，并且第二电压比较器U2的反相输入上的电压低于第二电压比较器U2的正相输入上的第二参考电压，使得第二电压比较器U2输出对应于断开状态的高电阻。作为结果，没有从第二电压源S2流动至第三电阻器R3的电流，并且因此第二晶体管Q2的基结上的电压仍然在与第二电压源S2相同的高电压上。这样，保护电路正常地或者在过流状态下操作，其中具有来自输出端子OUT的电流输出。在该情况中，由于第二电压比较器U2输出高电阻，所以第四电压源S4可以经由端子SC将高电平发送至设备以指示出非短路状态。所连接的设备可以是用于通过将接收到的电压电平变换成视觉或声音信号向用户示出电路状态的指示器。可替代地，端子SC也可以被连接至其他自动化设备，使得对应于电路状态的输出电压电平可以触发所连接的自动化设备的一些动作。
一旦在输出端子OUT中发生超过如以上提到的处于短路状态时的估计电流的电流，电流调节单元4就会首先如以上描述的将电流调节在预定范围内。归因于处于短路状态时的在负载上的很低的电阻，被引导至第三电压比较器U3的反相输入的保护电路的输出端子OUT上的采样电压将会降低至低于正相输入上的第三参考电压。它意味着在连接至输出端子OUT的负载中已发生短路。作为结果，第三电压比较器U3输出基本上对应于断开状态的高电阻，使得通过第三电压源S3和第四电阻器R4至第三电压比较器U3的输出的电流被截止。另外，由于控制信号端子Con_S在数字输出模块输出高电平时输出高电平，所以第二二极管D2不会传导从第三电压源S3通过第四电阻器R4至控制信号端子Con_S的电流。作为结果，将仅会有从第三电压源S3通过第四电阻器R4至第二电容器C2的小电流持续短时间以给第二电容器C2充电，并且因此第二电压比较器U2的反相输入上的电压将逐渐升高至接近第三电压源S3的电压。一旦给第二电容器C2的充电完成了，第二电压比较器U2的反相输入上的电压就会升高至等于第三电压源S3的电压，其高于第二电压比较器U2的正相输入上的第二参考电压。因此，第二电压比较器U2将输出低电平。作为结果，电流会流过第二电压源S2、第三电阻器R3和第三二极管D3至第二电压比较器U2的输出，并且因此第二晶体管Q2的基结上的电压将会降低至将近零，使得第二晶体管Q2被关断，并且第一晶体管Q1进而被关断，并且不再有通过输出端子OUT至外部负载的电流。这样，输出被截止，使得负载上的大电流被消除以便保护负载。另外，来自第一晶体管Q1的大功率输出也被限制在很短的周期内以便保护第一晶体管Q1。因此，实现了短路保护。在该情况中，由于第二电压比较器U2的输出上的电平是零，所以第四电压源S4的电压在第五电阻器R5上完全下降，使得将会有来自SC端子的低电平输出。这样，连接至SC端子的设备被通知发生了短路。
由于第二电容器C2使在第二电压比较器U2的反相输入上的电压升高的延迟，所以归因于除实际短路以外的其他原因的在输出端子OUT上的诸如瞬时大电流等的噪声将不会立即触发保护电路的截止动作。如果噪声在非常短的时间内消失，则电路不会受影响并且它仍连续地输出电流。这样，可以避免非预期的截止。可以领会的是，通过适当地确定第二电容器C2的电容和第二参考电压Vref2，延迟的周期可以被调节使得它不会持续太长到增加在大电流下的晶体管损坏的风险。优选地，延迟的持续时间被设定为在毫秒的数量级的值以防止第一晶体管Q1长时间在过载状态下操作。
一旦第一晶体管Q1归因于短路已被关断，由于第二电压比较器U2的反相输入保持处于高电压，第二电压比较器U2的输出就会保持输出低电平。作为结果，从第二电压源S2通过第三电阻器R3至第二电压比较器U2的输出端子的电流被维持，使得第二晶体管Q2的基结上的电压保持处于低电平并且第二晶体管Q2保持被关断，这进而导致第一晶体管Q1处于关断状态。因此，数字输出模块被锁定处于没有任何电流输出的关断状态。
如果短路故障被消除了并且用户希望再次接通电路以输出电流至负载，则他/她可以首先将控制信号端子Con_S上的控制信号设定为低电平，使得第二电容器C2可以通过第二二极管D2放电，以便使第二电压比较器U2的反相输入上的电压恢复至低电平。在该情况中，第二电压比较器U2可以输出很高的电阻使得第二晶体管Q2的基结上的电压被恢复至高电平，这引起第二晶体管Q2和第一晶体管Q1是导通，使得电路可以再次从输出端子OUT输出电流。
可以领会的是，第一晶体管Q1可以被实施为P沟道金属氧化物半导体，并且第二晶体管Q2可以被实施为N沟道金属氧化物半导体。在该情况中，基结被识别为栅极、发射结被识别为源极并且集电结被识别为漏极。
保护电路可以被连接至数字输出模块的各通道，使得各通道可以获得单个的过流和短路保护。另外，由于保护电路中的所有电子元件是相对便宜的普通元件，所以用于各保护电路的成本与如已知的智能高侧开关相比相当便宜。因此，为数字输出模块的各通道提供一个保护电路在成本上是可接受的。这对于具有大量通道的数字输出模块特别有利，因为它不会显著地增加用于模块的成本。此外，该保护电路也可以提供短路的指示并且滤除作为噪声的瞬时大电流。因此，保护电路更加可靠。可以领会的是，保护电路也可以被用在任何其他种类的电气和电子设备中，而不会失去如之前提到的有利效果。
通过研究附图、本公开的实施例的公开和随附权利要求，本领域技术人员可以在本公开的实施期间理解并实施所公开的实施例的其他修改。在权利要求中，“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除复数概念。在彼此相互不同的从属权利要求中说明了特定元素的简单的事实不表明这些元素的组合不能有利地使用。权利要求的附图中的标记不应该被解释为限制其范围。
虽然已参照当前考虑的实施例描述了本公开，但应该领会的是，本公开不限于所公开的实施例。相反，本公开旨在覆盖落入随附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。随附权利要求的范围以最宽的说明来解释并且覆盖所有这样的修改和等同结构及功能。

Claims (20)

1.一种在数字输出模块中使用的保护电路，所述数字输出模块包括第一电压源(S1)和至少一个输出端子，
其中所述保护电路包括：
第一采样单元(1)，被配置成采样与来自所述第一电压源(S1)的输出电流相关的第一电压；
第一比较单元(2)，被配置成将所采样的第一电压与第一参考电压(Vref1)进行比较；
控制单元(3)，被配置成基于来自所述第一比较单元(2)的结果生成电流调节信号，
电流调节单元(4)，被配置成基于所述电流调节信号调节来自所述第一电压源(S1)的所述输出电流；
第二采样单元(5)，被配置成采样与来自所述第一电压源(S1)的所述输出电流相关的第二电压；
第二比较单元(6)，被配置成将所采样的第二电压与第三参考电压(Vref3)进行比较；和
信号处理单元(7)，被配置成处理来自所述第二比较单元(6)的输出信号以生成短路控制信号；
其中所述控制单元(3)被进一步配置成基于所述短路控制信号生成电流调节信号。
2.根据权利要求1所述的保护电路，
其中所述电流调节单元(4)包括具有基结、发射结和集电结的第一晶体管(Q1)，所述第一晶体管(Q1)被配置成在所述基结上的低于截止电压的低电平下导通，并且
其中所述第一晶体管(Q1)的所述集电结被配置成连接至所述至少一个输出端子中的一个，所述第一晶体管(Q1)的所述基结被连接至所述控制单元(3)，并且所述第一晶体管(Q1)的所述发射结被连接至所述采样单元(1)。
3.根据权利要求1或2所述的保护电路，其中所述采样单元(1)包括第二电阻器单元(R2)。
4.根据权利要求2所述的保护电路，
其中所述第一比较单元(2)包括第一电压比较器(U1)，其中所述第一电压比较器(U1)的反相输入被连接至第一参考电压(Vref1)，并且所述第一电压比较器(U1)的正相输入被连接在所述采样单元(1)与所述第一晶体管(Q1)的所述发射结之间，并且所述第一电压比较器(U1)的输出被连接至所述控制单元(3)。
5.根据权利要求4所述的保护电路，
其中所述第一电压比较器(U1)被配置成如果其正相输入上的电压低于所述第一参考电压(Vref1)则输出低电平，并且如果其正相输入上的电压高于所述第一参考电压(Vref1)则输出基本上对应于关断状态的高电阻。
6.根据权利要求4或5所述的保护电路，其中所述第一参考电压(Vref1)被设定为所述第一电压源(S1)的所述电压减去处于所述输出端子的过流状态时的在所述采样单元(1)上的估计电压降的值。
7.根据权利要求2、4和5中的任一项所述的保护电路，其中所述控制单元(3)包括具有基结、发射结和集电结的第二晶体管(Q2)，其中所述第二晶体管(Q2)被配置成在所述基结上的高于截止电压的高电平下导通；并且其中
所述第二晶体管(Q2)的所述集电结经由第一电阻器单元(R1)被连接至所述第一晶体管(Q1)的所述基结，所述第二晶体管(Q2)的所述基结被连接至所述第一比较单元(2)的输出，并且所述第二晶体管(Q2)的所述发射结被连接至接地平面。
8.根据权利要求7所述的保护电路，其中所述控制单元(3)进一步包括被连接在所述第一晶体管(Q1)的所述基结与所述第一电压源(S1)之间的第一电容器(C1)。
9.根据权利要求7所述的保护电路，其中所述第二晶体管(Q2)的所述基结被进一步经由第三电阻器单元(R3)被连接至第二电压源(S2)并且经由第一二极管(D1)被连接至所述数字输出模块的控制信号端子(Con_S)。
10.根据权利要求1所述的保护电路，其中所述第二比较单元(6)包括第三电压比较器(U3)，其中所述第三电压比较器(U3)的正相输入被连接至第三参考电压(Vref3)，并且所述第三电压比较器(U3)的反相输入被连接至所述输出端子，并且所述第三电压比较器(U3)的输出被连接至所述信号处理单元(7)。
11.根据权利要求10所述的保护电路，其中所述第三电压比较器(U3)被配置成如果其反相输入上的电压高于所述第三参考电压(Vref3)则输出低电平，并且如果其反相输入上的电压低于所述第三参考电压(Vref3)则输出基本上对应于关断状态的高电阻。
12.根据权利要求11所述的保护电路，其中所述第三参考电压(Vref3)被设定为所述第一电压源(S1)的所述电压减去处于所述输出端子的所述输出短路状态时的在所述第一电压源(S1)与所述输出端子之间的估计电压降的值。
13.根据权利要求1、2、4、5和8-12中的任一项所述的保护电路，其中所述信号处理单元(7)包括第二电压比较器(U2)，其中所述第二电压比较器(U2)的正相输入被连接至第二参考电压(Vref2)，并且所述第二电压比较器(U2)的反相输入经由第二二极管(D2)被连接至所述控制信号端子(Con_S)，并且所述第二电压比较器(U2)的输出经由第三二极管(D3)被连接至所述第二晶体管(Q2)的基结。
14.根据权利要求13所述的保护电路，其中所述信号处理单元(7)进一步包括经由第四电阻器单元(R4)被连接至所述第二电压比较器(U2)的所述反相输入的第三电压源(S3)。
15.根据权利要求13所述的保护电路，其中
所述第二电压比较器(U2)被配置成如果其反相输入上的电压高于所述第二参考电压(Vref2)则输出低电平，并且如果其反相输入上的电压低于所述第二参考电压(Vref2)则输出基本上对应于关断状态的相对高的电阻。
16.根据权利要求15所述的保护电路，其中所述第二参考电压(Vref2)被设定为低于所述第三电压源(S3)上的电压。
17.根据权利要求1、2、4、5、8-12和14-16中的任一项所述的保护电路，其中所述信号处理单元(7)进一步包括被连接在所述第二电压比较器(U2)的所述反相输入与所述接地平面之间的第二电容器(C2)。
18.根据权利要求1、2、4、5、8-12和14-16中的任一项所述的保护电路，其中所述信号处理单元(7)进一步包括经由第五电阻器单元(R5)被连接至所述第二电压比较器(U2)的所述输出的第四电压源(S4)。
19.根据权利要求1、2、4、5、8-12和14-16中的任一项所述的保护电路，其中所述第一晶体管(Q1)是PNP晶体管或P沟道金属氧化物半导体，并且所述第二晶体管(Q2)是NPN晶体管或N沟道金属氧化物半导体。
20.一种具有至少一个输出通道的数字输出模块，其中至少一个输出通道被连接至根据前述权利要求中的任一项所述的保护电路。
CN201480075237.4A 2014-09-11 2014-09-11 保护电路 Active CN106104951B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CN2014/086282 WO2016037335A1 (en) 2014-09-11 2014-09-11 Protective circuit

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106104951A CN106104951A (zh) 2016-11-09
CN106104951B true CN106104951B (zh) 2018-08-07

Family

ID=55458259

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480075237.4A Active CN106104951B (zh) 2014-09-11 2014-09-11 保护电路

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10256805B2 (zh)
EP (1) EP3192140B1 (zh)
CN (1) CN106104951B (zh)
WO (1) WO2016037335A1 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107705763B (zh) * 2017-10-12 2020-04-28 深圳市华星光电技术有限公司 电平转换电路与液晶显示装置
US10763663B2 (en) 2018-02-27 2020-09-01 Abb Power Grids Switzerland Ag High speed protection of power transmission lines
CN111200423A (zh) * 2018-11-16 2020-05-26 圣邦微电子（北京）股份有限公司 一种功率管短路保护电路
CN115865062B (zh) * 2023-02-20 2023-05-16 浙江国利信安科技有限公司 数字量输出模块
CN117310555B (zh) * 2023-11-30 2024-04-09 上海海栎创科技股份有限公司 一种片上集成短路检测电路及检测方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101656414A (zh) * 2008-08-20 2010-02-24 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 电源保护装置
CN202309017U (zh) * 2011-11-16 2012-07-04 成都芯通科技股份有限公司 一种gps有源天线过流保护系统
CN102684507A (zh) * 2011-03-17 2012-09-19 国琏电子（上海）有限公司 反激式开关电源
CN102931629A (zh) * 2012-10-16 2013-02-13 东南大学 电流型变送信号输入通道快速继电器保护方法和电路
CN203026929U (zh) * 2012-11-29 2013-06-26 无锡市金赛德电子有限公司 一种本质安全型电源的电火花限制装置
CN103414178A (zh) * 2013-08-21 2013-11-27 成都成电光信科技有限责任公司 保护电路
JP2014154669A (ja) * 2013-02-07 2014-08-25 Denso Corp 過電流検出回路

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3714512A (en) * 1972-04-06 1973-01-30 Gen Electric Protection circuit for transistor modulators
US4271450A (en) * 1978-06-15 1981-06-02 Matsushita Electric Works, Ltd. Circuit arrangements for the control of a bistable relay
US4438473A (en) * 1981-07-21 1984-03-20 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Interior Power supply for an intrinsically safe circuit
JPS59144089U (ja) * 1983-03-14 1984-09-26 大同特殊鋼株式会社 プロテクタ−
JPS6323513A (ja) * 1986-07-15 1988-01-30 松下電器産業株式会社 電源保護回路
US6125024A (en) * 1993-06-03 2000-09-26 Texas Instruments Incorporated Externally programmable solid state power controller with power switch protection apparatus and method for making
US5764041A (en) * 1997-02-11 1998-06-09 Consorzio Per La Ricerca Sulla Microelettronica Nel Mezzogiornio Short circuit limitation current for power transistors
JP3065605B2 (ja) * 1998-10-12 2000-07-17 シャープ株式会社 直流安定化電源装置
JP3666383B2 (ja) * 2000-11-13 2005-06-29 株式会社デンソー 電圧レギュレータ
FR2830379B1 (fr) * 2001-10-03 2004-08-06 Agence Spatiale Europeenne Dispositif de protection d'une source de tension et d'une charge alimentee par la source de tension
US6996389B2 (en) * 2002-04-03 2006-02-07 Thomson Licensing Power supply for a satellite receiver
US20090022547A1 (en) * 2002-06-20 2009-01-22 Wen Yao Lo Roadside barrier marker structure
WO2004095156A1 (ja) * 2003-04-18 2004-11-04 Fujitsu Limited 定電圧電源回路
US7420791B1 (en) * 2004-08-09 2008-09-02 Intersil Americas Inc. Fault signature system for power management integrated circuits
US7580234B2 (en) * 2005-01-20 2009-08-25 Honeywell International Inc. Single threshold current surge limiter circuit with disable function
US7342440B2 (en) * 2005-03-04 2008-03-11 Infineon Technologies Austria Ag Current regulator having a transistor and a measuring resistor
JP4468316B2 (ja) * 2006-02-15 2010-05-26 株式会社日立製作所 電源装置の過電流検出回路及び過電流検出方法
JP2007336739A (ja) * 2006-06-16 2007-12-27 Yokowo Co Ltd 保護回路
JP5121501B2 (ja) * 2008-02-27 2013-01-16 富士通テン株式会社 過電流保護装置および電子機器
US20110234290A1 (en) * 2010-03-24 2011-09-29 Venkataramanan Ramamurthy Switched-capacitor current reference with reduced output ripple
CN103904628A (zh) * 2012-12-28 2014-07-02 深圳市海洋王照明工程有限公司 一种充电器及其过流保护电路
US9112352B2 (en) * 2013-02-02 2015-08-18 Shu-Ling Chen Condition responsive circuit protection apparatus which can enter an energy saving mode
CN203205843U (zh) * 2013-04-01 2013-09-18 深圳市晶福源电子技术有限公司 一种输出过流保护电路
CN103296642A (zh) * 2013-06-14 2013-09-11 浙江海振电子科技有限公司 一种直流马达驱动器负载短路保护电路

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101656414A (zh) * 2008-08-20 2010-02-24 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 电源保护装置
CN102684507A (zh) * 2011-03-17 2012-09-19 国琏电子（上海）有限公司 反激式开关电源
CN202309017U (zh) * 2011-11-16 2012-07-04 成都芯通科技股份有限公司 一种gps有源天线过流保护系统
CN102931629A (zh) * 2012-10-16 2013-02-13 东南大学 电流型变送信号输入通道快速继电器保护方法和电路
CN203026929U (zh) * 2012-11-29 2013-06-26 无锡市金赛德电子有限公司 一种本质安全型电源的电火花限制装置
JP2014154669A (ja) * 2013-02-07 2014-08-25 Denso Corp 過電流検出回路
CN103414178A (zh) * 2013-08-21 2013-11-27 成都成电光信科技有限责任公司 保护电路

Also Published As

Publication number Publication date
CN106104951A (zh) 2016-11-09
EP3192140A1 (en) 2017-07-19
EP3192140A4 (en) 2018-06-06
US10256805B2 (en) 2019-04-09
EP3192140B1 (en) 2021-06-09
US20160352213A1 (en) 2016-12-01
WO2016037335A1 (en) 2016-03-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106104951B (zh) 保护电路
US8482885B2 (en) Hybrid switch circuit
US8614866B2 (en) Hybrid switch circuit
US9310870B2 (en) Network appliance with power conditioning
US8508900B2 (en) Overvoltage protection circuit and electronic device comprising the same
CN109342973B (zh) 直流电源输入状态监测电路及系统
US11413965B2 (en) High voltage interlock circuit and detection method thereof
US20160025792A1 (en) Device and method for monitoring and switching a load circuit
CN103733498B (zh) 通用电压离散输入电路
CN105388957A (zh) 一种反馈控制电路及电源管理模块
CN108933527A (zh) 用于转换器的输出过电压保护
CN115702532A (zh) 故障管理电力系统
KR20200009421A (ko) 차량에서의 과전압 보호 회로
KR101345293B1 (ko) 고출력 전원 공급장치의 원격감지회로 및 이를 구비한 고출력 전원공급장치
US11509301B2 (en) Electronic switch with current regulation
KR101659088B1 (ko) Ｌｅｄ 전원 장치
CN215009573U (zh) 一种电源过电压保护电路
US9654022B2 (en) Power conversion device and control method thereof
US11936285B2 (en) Switch system comprising a current-limiting device
KR101490872B1 (ko) 래치 모드 또는 자동 복귀 모드 기능이 갖추어진 과전압 보호 회로
KR101449403B1 (ko) 비동기 dc-dc 부스트 컨버터용 전압감지 컨트롤러, 이를 이용한 led 백라이트 시스템과 램프 시스템, 및 입력전원의 선택적 차단방법
CN114069559B (zh) 安全关断装置、其自驱控制方法及电源供应系统
EP3716458A1 (en) Processing circuit and power supply device
WO2019047079A1 (zh) 功率开关器件过流保护电路及电机驱动系统、电机系统
EP4287428A1 (en) Overvoltage protection circuit

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant