CN106209041A - 一种过流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉公开一种过流保护电路，包括：采样控制电路、转换电路、参考电压电路，比较判断单元，锁存驱动单元；采样控制电路通过第一输入端和第二输入端采集负载设备两端的电压，并第一输入端采集的电压和第二输入端采集的电压输出给转换电路；转换电路将所述接收到的电压转换成第一电压，并将第一电压发送给比较判断单元；比较判断单元将第一电压和参考电压进行比较，当第一电压超过所述参考电压时，向锁存驱动单元发送过流保护信号；锁存驱动单元将过流保护信号锁存，并增强过流保护信号的驱动能力后，输出控制负载设备的通断，从而对负载设备实施过流保护措施。

Description

一种过流保护电路

技术领域

本发明涉及紧急保护电路领域，尤其涉及一种过流保护电路。

背景技术

当前越来越多的电子系统中使用到电子开关，而随着流经电子开关的电流越来越大、电子开关的电阻越做越小；当出现异常情况时，会引起流经电子开关的电流过大，易造成电子开关的损坏；传统的过流保护电路是直接在电流通路中串入一个电阻，通过检测电阻上的压差来实现保护，但由于随着应用电流的增大，电子开关电阻越做越小，通过串入电阻检测的方式已经不能满足要求，且传统的过流保护方式需要用到的是极高精度的电阻，因此过流保护电路的成本很高，制约了过流保护电路的推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种过流保护电路，解决在出现异常情况时，负载设备电路内电流过大，而易造成负载设备损坏的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种过流保护电路。该电路包括：采样控制电路，用于采集负载设备两端的电压；转换电路，用于将负载设备两端的电压转换成第一电压；比较判断单元，用于比较所述第一电压和参考电压，当所述第一电压超过所述参考电压时，产生过流保护信号；锁存驱动单元，用于锁存过流保护信号，并将所述过流保护信号的驱动能力增强，输出控制负载设备的通断。

所述采样控制电路包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；所述第一输入端和第二输入端用于接收负载设备两端的电压；

当第一输入端接收的电压大于第二输入端接收的电压时，所述第一输入端接收的电压经第二输出端输出给所述转换电路，所述第二输入端接收的电压经第一输出端输出给所述转换电路；

当第二输入端接收的电压大于第一输入端接收的电压时，所述第一输入端接收的电压经第一输出端输出给所述转换电路，所述第二输入端接收的电压经第二输出端输出给所述转换电路。

所述采样控制电路包括第一采样开关、第二采样开关、第三采样开关和第四采样开关；

所述第一采样开关的第二端连接所述第二采样开关的第一端，所述第二采样开关的第二端连接所述第三采样开关的第一端，所述第三采样开关的第二端连接所述第四采样开关的第一端，所述第四采样开关的第二端连接所述第一采样开关的第一端；所述第一采样开关的控制端和所述第三采样开关的控制端用于接收外部应用的控制开关导通信号VC1，所述第二采样开关的控制端和所述第四采样开关的控制端用于接收外部应用的控制开关导通信号VC2；

当第一输入端接收的电压大于第二输入端接收的电压时，所述控制开关导通信号VC2有效，所述第二采样开关和所述第四采样开关导通；

当第二输入端接收的电压大于第一输入端接收的电压时，所述控制开关导通信号VC1有效，所述第一采样开关和所述第三采样开关导通。

根据负载设备两端之间的电流流向，所述转换电路的第一输入端选通所述采样控制电路的第一输出端，所述转换电路的第二输入端选通所述采样控制电路的第二输出端，所述转换电路的第一输入端和第二输入端的电压差为负载设备两端的电压差，所述第一电压通过公式：VSENSE＝δ×Vloadswitch，进行转换，其中，VSENSE为第一电压的值，δ为所述转换电路的转换系数，Vloadswitch为负载设备两端的电压差。

所述转换电路包括运放AMP1、运放AMP2、调整管N1、调整管P1、镜像管P2、电阻R1、电阻R2和电流源I1；

运放AMP1的负输入端为转换电路的第一输入端，运放AMP2的负输入端为转换电路的第二输入端，所述转换电路的第一输入端和第二输入端用于接收采样控制电路输出的电压，运放AMP1的正输入端连接调整管N1的漏极、电阻R1的一端和恒流源I1的一端，恒流源I1的另一端接地，运放AMP1的输出端连接调整管N1的栅极，调整管N1的源极接地，运放AMP2的正输入端连接调整管P1的漏极和电阻R1的另一端，运放AMP2的输出端连接调整管P1的栅极，调整管P1的源极连接电源VDD，调整管P1的栅极连接镜像管P2的栅极，镜像管P2的源极连接电源VDD，镜像管P2的漏极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接地，镜像管P2的漏极和电阻R2之间取节点作为转换电路的输出端，用于输出第一电压；所述转换电路的转换系数为：其中R1为所述电阻R1的阻值，R2为所述电阻R2的阻值。

所述比较判断单元包括：电压比较器COMP；所述电压比较器COMP的正输入端用于接收所述第一电压，所述电压比较器COMP的负输入端用于接收所述参考电压，当所述第一电压超过所述参考电压时，所述电压比较器翻转，输出过流保护信号，所述过流保护信号的过流保护阈值为：其中，VREF为所述参考电压的值，δ为所述转换电路的转换系数，RMOS为负载设备通路的导通电阻。

所述锁存驱动单元包括：RS锁存器，增强驱动能力DRIVER；所述RS锁存器通过置位端S用于接收所述过流保护信号，所述RS锁存器将所述过流保护信号锁存，并输出给驱动能力增强模块DRTVER，所述驱动能力增强模块DRTVER将所述过流保护信号的驱动能力增强，输出控制负载设备通断。

所述RS锁存器通过重新上电再次开启负载设备，或者通过打嗝方式隔一段时间复位，再次开启负载设备。

本发明还包括参考电压电路，用于产生所述参考电压，并输出给所述比较判断单元。

所述负载设备包括负载开关。

采用本发明提供的方案时，由于在实际应用中，异常情况下负载设备的两端均有可能成为高电平的一端，因此，相对于现有的单向采集、保护的过流保护技术，本发明在设计采样控制电路时，考虑到无论负载设备的那一端为高电平，均要实现对负载设备两端的电压进行采集，因此，采样控制电路采用第一采样开关、第三采样开关和第二采样开关、第四采样开关两组开关，通过根据负载开关两端的电流流向，选通第一采样开关和第三采样开关导通，或选通第二采样开关和第四采样开关导通，来实现对负载设备的双向过流保护，例如既可以使用在单向的负载开关应用中，也可以应用在双向的负载开关中，对负载开关进行过流保护；

采用本发明提供的方案时，由于一般的过流保护技术中，当达到断开负载设备的目的后，需要手工重新更换或开启负载设备，为解决这一问题，本发明在设计锁存驱动单元，考虑到当实现使负载设备断开后，仅需通过对过流保护电路的操作就能实现重启负载设备的目的，所以，本发明的锁存驱动单元直接将过流保护信号锁存，永久锁死负载设备通路，只有重新上电才能再次开启负载设备，或者通过打嗝方式，即隔一段时间复位RS锁存器，再次开启负载设备，进而使本发明更灵活、便捷地满足用户需要将关闭后的负载设备再次开启的需求；

由于诸如负载开关Loadswitch这样的负载设备，栅寄生电容一般都较大，因此本方案采用按比例增加驱动级数的反相器来实现对过流保护信号驱动能力的增强，使得本方案在高电压、大电流的应用场合中更有效地控制负载设备的通断，对负载设备进行实施保护；

此外，本发明提供的的过流保护电路，可不需要外部高精度的电阻情况下，就能现高精度的过流保护作用，相比现有技术中因采用高精度电阻而增加价昂贵成本，本方案在保持高精度的同时也降低了的成本。

附图说明

图1是本发明提供的过流保护保护电路的原理图；

图2是本发明实施例提供的过流保护保护电路的电路结构示意图；

图3是本发明实施例提供的参考电压电路的电路结构示意图；

图4是本发明实施例提供的过流保护保护电路的工作流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，过流保护电路包括：采样控制电路001、转换电路002、比较判断单元003和锁存驱动单元004。

采样控制电路001通过第一输入端和第二输入端采集负载设备两端的电压，并将采集的电压输出给转换电路002；转换电路002将接收到的电压转换成第一电压后，发送给比较判断单元003；比较判断单元003将第一电压和参考电压进行比较，当第一电压超过所述参考电压VREF时，比较判断单元003向锁存驱动单元004发送过流保护信号；锁存驱动单元004将过流保护信号进行锁存，并将过流保护信号的驱动能力增强，输出控制负载设备的通断。

如图2所示，本实施例选择负载开关作为本发明实施保护的负载设备，其中，采样控制电路001包括第一采样开关S1、第二采样开关S2、第三采样开关S3、第四采样开关S4。

所述第一采样开关S1、第二采样开关S2、第三采样开关S3和第四采样开关S4均为CMOS传输门；第一采样开关S1的第二端连接第二采样开关S2的第一端，第二采样开关S2的第二端连接第三采样开关S3的第一端，第三采样开关S3的第二端连接第四采样开关S4的第一端，第四采样开关S4的第二端连接第一采样开关S1的第一端；第一采样开关S1的控制端和第三采样开关S3的控制端用于接收外部应用的控制开关导通信号VC1，第二采样开关S2的控制端和第四采样开关S4的控制端用于接收外部应用的控制开关导通信号VC2；

第一采样开关S1和第四采样开关S4之间取节点作为采样控制电路001的第一输入端SENSE1，用于接收负载开关Loadswitch第一端IO1的电压；

第一采样开关S1和第二采样开关S2之间取节点作为采样控制电路001的第一输出端OUT1，用于连接转换电路002的第一输入端；

第二采样开关S2和第三采样开关S3之间取节点作为采样控制电路001的第二输入端SENSE2，用于接收负载开关Loadswitch第二端的电压IO2；

第三采样开关S3和第四采样开关S4之间取节点作为采样控制电路001的第二输出端OUT2，用于连接转换电路002的第二输入端；

当负载开关Loadswi tch通路中的电流从第一端IO1流到第二端IO2时，负载开关Loadswi tch第一端IO1的电压高于第二端IO2的电压，此时外部应用的控制开关导通信号VC2有效，使第二采样开关S2、第四采样开关S4导通，第一输出端OUT1将第二输入端SENSE2采集到的电压输出至转换电路002的第一输入端，第二输出端OUT2将第一输入端SENSE1采集到的电压输出至转换电路002的第二输入端；

当负载开关Loadswitch通路中的电流从第二端IO2流到第一端IO1时，负载开关Loadswitch第二端IO2的电压高于第一端IO1的电压，此时外部应用的控制开关导通信号VC1有效，第一采样开关S1、第三采样开关S3导通，第一输出端OUT1将第一输入端SENSE1采集到的电压输出至转换电路002的第一输入端，第二输出端OUT2将第二输入端SENSE2采集到的电压输出至转换电路002的第二输入端；

转换电路002包括运放AMP1、运放AMP2、调整管N1、调整管P1、镜像管P2、电阻R1、电阻R2和电流源I1。

运放AMP1的负输入端为转换电路002的第一输入端，用于接收采样控制电路001的第一输出端OUT1的输出电压，运放AMP1的正输入端连接调整管N1的漏极、电阻R1的一端和恒流源I1的一端，恒流源I1的另一端接公共参考地GND，运放AMP1的输出端连接调整管N1的栅极，调整管N1的源极接公共参考地GND，运放AMP2的负输入端为转换电路002的第二输入端，用于接收采样控制电路001的第二输出端的输出电压，运放AMP2的正输入端连接调整管P1的漏极和电阻R1的另一端，运放AMP2的输出端连接调整管P1的栅极，调整管P1的源极连接电源VDD，调整管P1的栅极连接镜像管P2的栅极，调整管P1和镜像管P2为镜像关系，镜像管P2的源极连接电源VDD，镜像管P2的漏极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接公共参考地GND，镜像管P2的漏极和电阻R2之间取节点作为转换电路002的输出端，用于输出第一电压VSENSE；

根据负载开关Loadswitch两端之间电流流向不同，运放AMP1的负输入端选通采样控制电路001的第一输出端OUT1，运放AMP2的负输入端选通采样控制电路001中的第二输出端OUT2，运放AMP1的负输入端和运放AMP2的负输入端之间的电压差等于负载开关Loadswitch第一端IO1和第二端IO2之间的电压差Vloadswitch，由运放的虚短特性，运放AMP1正输入端的电压与负输入端的电压相等，运放AMP2正输入端的电压与负输入端的电压相等，因此电阻R1两端的压差则等于运放AMP1负输入端和运放AMP2负输入端之间的电压差，实际也就为负载开关Loadswitch第一端IO1和第二端IO2之间的电压之差，通过将电流源I1接公共参考地，避免在负载开关Loadswitch两端电压差较小，以及运放AMP1和运放AMP2存在失调时，保证电压转电流支路有明确的直流偏置，以保证转换电路002的正常工作，此外，流过调整管P1的电流等于电阻R1的电流，通过调整管P1和镜像管P2的镜像关系，将前端电压转成电流进行采样，进而通过电阻R2将电流转换成第一电压VSENSE，而电流的镜像准确程度，也决定着过流保护阈值的准确性，因此，基于转换电路002的电路结构，可以根据运放AMP1的负输入端和运放AMP1的负输入端之间的电压差，也就是负载设备两端的电压差Vloadswitch来计算电阻R2两端的电压差VR2，计算公式为：

$VR2=\frac{Vloadswitch\×R2}{R1}---\left(1\right)$

其中Vloadswi tch为负载开关两端的电压差，R1电阻R1的值，R2为电阻R2的值，由于电阻R2另一端接公共参考地GND，因此电阻R2两端的电压差VR2等于第一电压VSENSE，即：

$VSENSE=VR2=\frac{Vloadswitch\×R2}{R1}---\left(2\right);$

另为系数δ，则：

VSENSE＝δ×Vloadswitch (3)

比较判断单元003包括电压比较器COMP。

电压比较器COMP的正输入端作为比较判断单元003的第一输入端，用于接收转换电路002输出的第一电压VSENSE，电压比较器COMP的负输入端作为比较判断单元003的第二输入端，用于接收参考电压VREF，电压比较器COMP的输出端OCP_COMP为比较判断单元003的输出端，用于输出比较结果；

比较判断单元003将第一输入端接收的第一电压VSENSE和第二输入端接收的参考电压VREF进行比较，当第一电压VSENSE超过参考电压VREF时，电压比较器COMP翻转，输出过流保护信号OCP至锁存驱动单元004；

根据公式(2)，负载开关Loadswitch通路两端允许的安全电压差为：

过流保护信号OCP的保护的阈值即为：其中，δ为转换电路的转换系数，即RMOS为负载开关Loadswitch通路的导通电阻，RMOS是可测的，通过选择相应的参考电压VREF和设置电阻R₁、电阻R2的值，根据公式就可计算所要的过流保护阈值；

锁存驱动单元004包括锁存器RS，增强驱动能力DRIVER。

RS锁存器的置位端S与比较判断单元003的输出端连接，RS锁存器的复位端R用于接收过流保护电路的使能信号EN，所述使能信号EN为应用系统对过流保护电路的控制信号，RS锁存器的输出端Q连接驱动能力增强模块DRTVER的输入端，增强驱动能力DRIVER的输出端与负载开关Loadswitch的控制输入端连接，向负载开关Loadswitch输出过流保护信号OCP，控制负载开关Loadswitch的通断；

根据用户需求，锁存驱动单元004可将过流保护信号OCP直接锁存，永久锁死负载开关Loadswitch通路，只有重新上电才能再次开启负载开关Loadswitch，或者通过打嗝方式，即隔一段时间复位RS锁存器，再次开启负载开关Loadswitch；

由于负载开关Loadswitch栅寄生电容一般较大，所以需要对过流保护信号OCP增强驱动能力，故在实施案例中增加增强驱动能力DRIVER，用于增强过流保护信号OCP的驱动能力，在本实施例中，增强驱动能力DRIVER为按1:4:16:64的四级驱动来实现的反相器，在不同的应用中，可根据实际需要的驱动能力来设置相应的比例和级数来；

如图3所示，本发明提供的过流保护电路还包括参考电压电路，参考电压电路包括恒流源IDC、镜像管P1、镜像管P3，MOS电阻N1。

镜像管P1源极连接电源VDD，镜像管P1的栅极和漏极都与恒流源IDC的一端连接，恒流源IDC的另一端接公共参考地GND，镜像管P3的源极连接电源VDD，镜像管P3的栅极连接镜像管P1的栅极，镜像管P3的漏极连接MOS电阻N1的漏极，镜像管P3与MOS电阻N1之间取节点作为参考电压电路的输出端，用于输出参考电压VREF给比较判断单元003，MOS电阻N1的源极接公共参考地GND，MOS电阻N1的栅极连接电压源VDD；MOS电阻N1和负载开关LoadSwitch通路中的管子的类型相同，恒流源IDC可在带隙参考中产生得到。

由于VREF的产生与MOS管N1大小和流过其电流大小直接相关，为了保证VREF可控，将镜像管P3与镜像管P1设计为镜像关系，以保证流过N1电流为设定值，得到的所需的VREF电压值；

如图4所示，本实施例的工作过程包括以下步骤：

S101：采用采样控制电路001采集负载开关Loadswi tch两端的电压；

S102：采用转换电路002将负载开关Loadswitch两端的电压转换成第一电压VSENSE；

S103：采用比较判断单元003将所述第一电压VSENSE与参考电压VREF进行比较，当所述第一电压VSENSE超过所述参考电压VREF时，输出过流保护信号OCP；

S104：采用锁存驱动单元004将所述过流保护信号OCP进行驱动能力增强，输出控制负载开关LoadSwitch的通断。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种过流保护电路，其特征在于，包括：

采样控制电路(001)，用于采集负载设备两端的电压；

转换电路(002)，用于将负载设备两端的电压转换成第一电压；

比较判断单元(003)，用于比较所述第一电压和参考电压，当所述第一电压超过所述参考电压时，产生过流保护信号(OCP)；

锁存驱动单元(004)，用于锁存过流保护信号(OCP)，并将所述过流保护信号(OCP)的驱动能力增强，输出控制负载设备的通断。

2.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于，所述采样控制电路(001)包括第一输入端(SENSE1)、第二输入端(SENSE2)、第一输出端(OUT1)和第二输出端(OUT2)；所述第一输入端(SENSE1)和第二输入端(SENSE2)用于接收负载设备两端的电压；

当第一输入端(SENSE1)接收的电压大于第二输入端(SENSE2)接收的电压时，所述第一输入端(SENSE1)接收的电压经第二输出端(OUT2)输出给所述转换电路(002)，所述第二输入端(SENSE2)接收的电压经第一输出端(OUT1)输出给所述转换电路(002)；

当第二输入端(SENSE2)接收的电压大于第一输入端(SENSE1)接收的电压时，所述第一输入端(SENSE1)接收的电压经第一输出端(OUT1)输出给所述转换电路(002)，所述第二输入端(SENSE2)接收的电压经第二输出端(OUT2)输出给所述转换电路(002)。

3.根据权利要求2所述的过流保护电路，其特征在于，所述采样控制电路(001)包括：第一采样开关(S1)、第二采样开关(S2)、第三采样开关(S3)和第四采样开关(S4)；

所述第一采样开关(S1)的第二端连接所述第二采样开关(S2)的第一端，所述第二采样开关(S2)的第二端连接所述第三采样开关(S3)的第一端，所述第三采样开关(S3)的第二端连接所述第四采样开关(S4)的第一端，所述第四采样开关(S4)的第二端连接所述第一采样开关(S1)的第一端；所述第一采样开关(S1)的控制端和所述第三采样开关(S3)的控制端用于接收外部应用的控制开关导通信号VC1，所述第二采样开关(S2)的控制端和所述第四采样开关(S4)的控制端用于接收外部应用的控制开关导通信号VC2；

当第一输入端(SENSE1)接收的电压大于第二输入端(SENSE2)接收的电压时，所述控制开关导通信号VC2有效，所述第二采样开关(S2)和所述第四采样开关(S4)导通；

当第二输入端(SENSE2)接收的电压大于第一输入端(SENSE1)接收的电压时，所述控制开关导通信号VC1有效，所述第一采样开关(S1)和所述第三采样开关(S3)导通。

4.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于，根据负载设备两端之间的电流流向，所述转换电路(002)的第一输入端选通所述采样控制电路(001)的第一输出端(OUT1)，所述转换电路(002)的第二输入端选通所述采样控制电路(001)的第二输出端(OUT2)，所述转换电路(002)的第一输入端和第二输入端的电压差为负载设备两端的电压差，所述第一电压通过公式：VSENSE＝δ×Vloadswitch，进行转换，其中，VSENSE为第一电压的值，δ为所述转换电路(002)的转换系数，Vloadswitch为负载设备两端的电压差。

5.根据权利要求4所述的过流保护电路，其特征在于，所述转换电路(002)包括：运放AMP1、运放AMP2、调整管N1、调整管P1、镜像管P2、电阻R1、电阻R2和电流源I1；

运放AMP1的负输入端为转换电路(002)的第一输入端，运放AMP2的负输入端为转换电路(002)的第二输入端，所述转换电路(002)的第一输入端和第二输入端用于接收采样控制电路(001)输出的电压，运放AMP1的正输入端连接调整管N1的漏极、电阻R1的一端和恒流源I1的一端，恒流源I1的另一端接地，运放AMP1的输出端连接调整管N1的栅极，调整管N1的源极接地，运放AMP2的正输入端连接调整管P1的漏极和电阻R1的另一端，运放AMP2的输出端连接调整管P1的栅极，调整管P1的源极连接电源VDD，调整管P1的栅极连接镜像管P2的栅极，镜像管P2的源极连接电源VDD，镜像管P2的漏极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接地，镜像管P2的漏极和电阻R2之间取节点作为转换电路(002)的输出端，用于输出第一电压；所述转换电路(002)的转换系数为：其中R1为所述电阻R1的阻值，R2为所述电阻R2的阻值。

6.根据权利要求3所述的过流保护电路，其特征在于，所述比较判断单元(003)包括：电压比较器COMP；所述电压比较器COMP的正输入端用于接收所述第一电压，所述电压比较器COMP的负输入端用于接收所述参考电压，当所述第一电压超过所述参考电压时，所述电压比较器翻转，输出过流保护信号(OCP)，所述过流保护信号(OCP)的过流保护阈值为：其中，VREF为所述参考电压的值，δ为所述转换电路(002)的转换系数，RMOS为负载设备通路的导通电阻。

7.根据权利要求4所述的过流保护电路，其特征在于，所述锁存驱动单元(004)包括：RS锁存器，增强驱动能力DRIVER；所述RS锁存器通过置位端S用于接收所述过流保护信号(OCP)，所述RS锁存器将所述过流保护信号(OCP)锁存，并输出给驱动能力增强模块DRTVER，所述驱动能力增强模块DRTVER将所述过流保护信号(OCP)的驱动能力增强，输出控制负载设备通断。

8.根据权利要求7所述的过流保护电路，其特征在于，所述RS锁存器通过重新上电再次开启负载设备，或者通过打嗝方式隔一段时间复位，再次开启负载设备。

9.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于，还包括参考电压电路，用于产生所述参考电压，并输出给所述比较判断单元(003)。

10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的过流保护电路，其特征在于，所述负载设备包括负载开关。