CN106451341B - 负载过流保护电路及负载过流保护方法 - Google Patents

负载过流保护电路及负载过流保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种负载过流保护电路，包括依次连接的电流采样电阻、放大器、比较器一、定时器、自锁控制电路以及电子开关，所述电流采样电阻与电子开关连接，所述比较器一还与参考源一连接；所述放大器对电流采样电阻的电压放大后送入比较器一，所述比较器一比较放大器输出的电压信号与参考源一之间的大小，如果放大器输出的电压信号高于参考源一，则定时器开始延时计时，在延时计时过程中，如果放大器输出的电压信号低于参考源一，则定时器停止计时，电子开关正常导通，否则，定时器延时计时达到设定值，自锁控制电路关断电子开关并锁定电子开关断开状态。本发明解决了解决过流保护的延时时间短，同时很容易烧坏MOS管的问题。

Description

负载过流保护电路及负载过流保护方法
技术领域
本发明属于机器人控制技术领域，尤其涉及一种负载过流保护电路及负载过流保护方法，本发明保护电路还涉及峰值电流关断电路。
背景技术
芯片厂家推出的电源管理方案，如TI的电源管理芯片TPS2490/TPS2491和LINEARTECHNOLOGY的LT4363都是把电子开关(MOS管)和采样电阻串联在电源母线的正线中，电源管理芯片外接一个电容来设置内部定时器的延时时间，电源管理芯片监测采样电阻上的压降并与内部的参考源相比较，当采样电阻上的压降超过参考源时，电源管理芯片开始调整MOS管栅极电压，以限制采样电阻上的压降，同时启动延时定时器，当定时时间到，关断MOS管。
电源管理芯片从开始调整MOS管栅极电压到关断MOS管，这一延时时间很短，只是数十毫秒，同时在延时过程中，MOS管漏极-源极间的压降(VDS)增大，导致MOS管的功耗瞬间增大，很容易烧坏MOS管，失去保护功能。
当电源母线上出现了很大的瞬间电流时，由于延时定时器的存在，电源管理芯片还没来得及关断MOS管，负载已经被瞬间电流损坏。如果不使用芯片内部的延时定时器，只要采样电阻上的压降超过参考值，芯片就会迅速关断MOS管，这样当负载出现数百微秒的过流时，电源管理芯片仍然会关断MOS管，使得系统的容错性能下降。
综上，这种方案的缺陷是：1、过流保护的延时时间短，同时很容易烧坏MOS管；2、缺少灵活性，不能够针对负载过电流和峰值电流而设置不同的延时关断时间。
发明内容
为解决现有技术存在的问题本发明提供一种负载过流保护电路，本发明采用当负载过流时，比较器输出高电平，该高电平经过定时器延时，进入具有自锁功能的自锁控制电路，关断电子开关并保持锁定状态。
本发明提供的负载过流保护电路，包括依次连接的电流采样电阻、放大器、比较器一、定时器、自锁控制电路以及电子开关，所述电流采样电阻与电子开关连接，所述比较器一还与参考源一连接；
所述放大器对电流采样电阻的电压放大后送入比较器一，所述比较器一比较放大器输出的电压信号与参考源一之间的大小，如果放大器输出的电压信号高于参考源一，则定时器开始延时计时，在延时计时过程中，如果放大器输出的电压信号低于参考源一，则定时器停止计时，电子开关正常导通，否则，定时器延时计时达到设定值，自锁控制电路关断电子开关并锁定电子开关断开状态。
本发明可以改变定时器的定时时间设置负载承受过电流的时间，改变参考源一的大小设置需要保护的负载电流大小，解决了解决过流保护的延时时间短，同时很容易烧坏MOS管的问题。
为了解决芯片内部延时定时器不能够有效针对负载过电流和峰值而设置不同的延时关断时间问题，采用放大器对电流采样电阻上的电压进行放大，放大后的电压信号同时进入两个比较器，一个用于过流保护，一个用于峰值电流保护，
本发明还包括比较器二，所述比较器二与放大器、自锁控制电路连接；所述比较器二还与参考源二连接，用于比较放大器输出的电压信号与参考源二之间大小；在定时器未启动延时计时或者处于延时计时过程中，如果放大器输出的电压信号高于参考源二，自锁控制电路关断电子开关并锁定电子开关断开状态，如前所述，比较器一的比较结果进行过流保护控制，比较器二的比较结果则用于峰值电流保护控制，两者结合，则有效针对负载过电流和峰值而设置不同的延时关断时间。同时，当瞬间尖峰电流流过负载时，比较器二输出高电平，该高电平直接进入自锁控制电路关断电子开关并保持锁定状态，此时，可不考虑比较器一的输出结果，只要比较器二的比较结果为放大器输出的电压信号高于参考源二，则立即关断电子开关。
本发明提供的一种自锁控制电路包括电阻R1、R2、R3、R4，三极管Q1、Q2；所述电阻R4的一端与定时器、比较器二连接，另一端与三极管Q2的基极连接；三极管Q2的集电极与电阻R1连接，电阻R1的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极连接电源VCC，其集电极与电阻R3连接，电阻R3的另一端、三极管Q2的发射极分别接地连接，电阻R2的两端分别与三极管Q1的集电极、三极管Q2的基极连接，三极管Q1的集电极与电子开关连接。
本发明提供的一种自锁控制电路包括电阻R5、R6，反馈二极管D1，比较器U1A；所述比较器U1A的同相输入端与电阻R5连接，其反相输入端连接参考源VREF，电阻R5的另一端与比较器二、定时器连接，比较器U1A的输出端与电子开关连接，反馈二极管D1的两端分别与U1A的输出端、同相输入端连接，电阻R6的两端分别与U1A的电源正极及输出端连接。
本发明还包括与自锁控制电路连接的解锁电路，该解锁电路接收到解锁信号后使自锁控制电路打开电子开关，当对负载重新上电时，向解锁电路发出解锁信号即可。
本发明提供的一种解锁电路包括三极管Q4、电阻R7；三极管Q4的集电极与自锁控制电路连接，其发射极接地连接，其基极与电阻R7连接，电阻R7的另一端与解锁信号源连接。
本发明提供的另一种解锁电路包括三极管Q3、电阻R8、电阻R9；三极管Q3的集电极与自锁控制电路连接，其基极与电阻R8连接，电阻R8的另一端与解锁信号源连接，电阻R9的两端分别接地、与三极管Q3的基极连接。
本发明还提供一种负载过流保护方法，对电路回路进行电压采样，对电压采样信号进行放大，将放大后的电压信号与第一参考电压信号进行比较，如果放大后的电压信号高于第一参考电压信号，则启动延时计时，在延时计时过程中，对电路回路进行持续采样并放大，如果放大后的电压信号低于第一参考电压信号，则停止延时计时，电路回路保持导通，否则，延时计时达到设定值时，关断电路回路并锁定关断状态。
本发明在未启动延时计时或者延时计时过程中，对电路回路进行持续采样并放大，如果放大后的电压信号高于第二参考电压信号，则关断电路回路并锁定关断状态。
当电路回路处于关断状态锁定情况下，输入解锁信号，导通电路回路，也即当对负载重新上电时，向解锁电路发出解锁信号即可。
本发明具有以下有益效果：
(1)改变定时器的定时时间设置负载承受过电流的时间；改变参考源一的大小设置需要保护的负载电流大小；改变参考源二的大小设置峰值电流大小。
(2)精确调整定时器的参数改变负载过流时的关断时间。
(3)集成过电流延时关断负载和峰值电流瞬间关断负载于一体。
(4)所使用的电子开关不限于MOS管，也可以是晶体管、晶闸管、固态继电器等半导体开关器件和继电器、接触器等机械开关。
(5)具有自锁功能的自锁控制电路不限于使用分立元件构成，也可以使用集成电路构成。
(6)放大电路(使用成熟集成电路—运算放大器)、比较延时电路、自锁控制电路不仅适用于采样电阻在电源正线上的负载过流保护，也适用于采样电阻位于电源负线上的负载过流保护。
附图说明
图1本发明模块结构示意图；
图2为基于分立元件的自锁控制电路结构图；
图3为基于集成电路的自锁控制电路结构图；
图4为解锁电路结构图一；
图5为解锁电路结构图二。
图中：1、电流采样电阻；2、电子开关；3、参考源一；4、比较器一；5、定时器；6、放大器；7、自锁控制电路；8、比较器二；9、参考源二；10、解锁电路。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括负载过流保护功能和峰值电流关断功能，图1所示的电路接在电源正线上，相应地，该电路也可以接在电源负线上。本发明所提供的电路包括电流采样电阻1、电子开关2、放大器6、比较器一4、定时器5、自锁控制电路7、比较器二8、解锁电路10，比较器一4与定时器5构成比较延时电路。电流采样电路1与电源正极、电子开关2、放大器6连接，电子开关2与负载、自锁控制电路7连接，放大器6与比较器一4、比较器二8连接，比较器一4与参考源一3、定时器5连接，比较器二8与参考源二9连接，自锁控制电路7与比较器二8、定时器5、解锁电路10连接。放大器6对电流采样电阻1上的电压进行放大，放大后的电压信号同时进入比较器一4和比较器二8，比较器一4用于过流保护，比较器二8用于峰值电流保护。
正常工作时，放大器6输出的电压信号送入比较器一4、比较器二8，如果放大器输出的电压信号低于参考源一3，比较器一4输出低电平，定时器5不启动，自锁控制电路7不动作，电子开关2正常导通；当负载过流且超过设定值时，放大器6输出的电压信号高于参考源一3，比较器4输出高电平，该高电平启动定时器5开始延时计时，在延时计时的过程中，放大器6持续将采样电阻1上的电压放大并送入比较器一4、比较器二8，如果负载过流现象消失，放大器输出的电压信号低于参考源一3，比较器一4输出低电平，则定时器停止计时，自锁控制电路7不会动作；如果延时计时达到系统设定时间间隔，则自锁控制电路动作，关断电子开关2并保持锁定状态。在负载过流、定时器5计时的过程中，如果出现峰值电流且超过设定值，放大器6输出的电压信号高于参考源二9，比较器二8输出高电平，该高电平直接进入自锁控制电路7关断电子开关2并保持锁定状态。即便在负载未过流时，当出现峰值电流并超过设定值时，放大器6输出的电压信号高于参考源二9，比较器8输出高电平，该高电平直接进入自锁控制电路7关断电子开关2并保持锁定状态。电子开关2关断状态锁定后，当对负载重新上电时，向解锁电路10发出解锁信号就可以解除锁定状态，从而继续向负载供电。
本发明解决了过流保护的延时时间短，同时很容易烧坏MOS管的问题，可改变定时器的定时时间设置和负载承受过电流的时间。采用当负载过流时，比较器输出高电平，该高电平经过定时器延时，进入具有自锁功能的控制电路，关断电子开关并保持锁定状态；当瞬间尖峰电流流过负载时，比较器输出高电平，该高电平直接进入自锁控制电路关断电子开关并保持锁定状态；当对负载重新上电时，向解锁电路发出解锁信号即可。本发明解决了芯片内部的延时定时器不能够有效针对负载过电流和峰值而设置不同的延时关断时间的问题，采用放大器对电流采样电阻上的电压进行放大，放大后的电压信号同时进入两个比较器，一个用于过流保护，一个用于峰值电流保护。
图2示出的是基于分立元件的自锁控制电路结构图，自锁控制电路包括电阻R1、R2、R3、R4，三极管Q1、Q2；电阻R4的一端与定时器5、比较器二8连接，另一端与三极管Q2的基极连接；三极管Q2的集电极与电阻R1连接，电阻R1的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极连接电源VCC，其集电极与电阻R3连接，电阻R3的另一端、三极管Q2的发射极分别接地连接，电阻R2的两端分别与三极管Q1的集电极、三极管Q2的基极连接，三极管Q1的集电极与电子开关连接。图2中，VIN是比较器二8或比较延时电路(该电路的定时器的输出)的输出(电路正常工作时，VIN为低电平)，当VIN出现高电平脉冲时，三极管Q2导通，这时电阻R1上会有电流流过(电流流向为：VCC—三极管Q1的发射级(管脚2)—三极管Q1的基极(管脚1)—R1—三极管Q2的集电极(管脚3)—三极管Q2的发射级(管脚2)—GND)，三极管Q1导通，VO处电压接近VCC，同时VO处的电压经过电阻R2到三极管Q2的基极，即使VIN为低，仍能维持三极管Q2持续导通，从而维持VO一直为高电平，VO输出的高电平到达电子开关，达到自锁的目的。
图3示出的是基于集成电路的自锁控制电路结构图，自锁控制电路包括电阻R5、R6，反馈二极管D1，比较器U1A；所述比较器U1A的同相输入端与电阻R5连接，其反相输入端连接参考源VREF，电阻R5的另一端与比较器二、定时器连接，比较器U1A的输出端与电子开关连接，反馈二极管D1的两端分别与U1A的输出端、同相输入端连接，电阻R6的两端分别与U1A的电源正极及输出端连接，比较器U1A的电源正极接电源VCC，电源负极接地。图3中，比较器U1A的反相输入端(引脚2)接参考源VREF，U1A的同相输入端(引脚3)经电阻R5接比较器二8或比较延时电路(该电路的定时器的输出)的输出VIN，当VIN大于反相输入端的电压VREF时，其输出VO是高电平，经过正反馈二极管D1，维持比较器U1A的同相输入端电压大于反相输入端电压，使得VO为持续的高电平，即使VIN<VREF，VO仍然为高电平，VO输出的高电平到达电子开关，达到自锁目的。
图4示出了一种解锁电路，如图4中虚线框所示，解锁电路包括三极管Q4、电阻R7；三极管Q4的集电极与三极管Q2的基极连接，其发射极接地连接，其基极与电阻R7连接，电阻R7的另一端与解锁信号源连接。图4中，解锁电路是在自锁电路的基础上增加的功能，当自锁电路动作后，VO输出高电平，需要解锁时，发出的高电平解锁信号到达电阻R7左侧的UNLOCK处时，会将三极管Q4导通，从而将三极管Q2的基极拉低，关断三极管Q2，使得三极管Q1截至，VO输出为低，从而实现了解锁的目的。
图5示出了另一种解锁电路，如图5中虚线框所示，解锁电路包括三极管Q3、电阻R8、电阻R9；三极管Q3的集电极与比较器U1A的同相输入端连接，其基极与电阻R8连接，电阻R8的另一端与解锁信号源连接，电阻R9的两端分别接地、与三极管Q3的基极连接。
图5中，解锁电路是在自锁电路的基础上增加的功能，当自锁电路动作后，VO输出高电平，需要解锁时，发出的高电平解锁信号到达电阻R8左侧的UNLOCK处时，会将三极管Q3导通，比较器U1A的同相输入端电压小于反相输入端电压，使得VO为低电平，从而实现了解锁的目的。

Claims (6)

1.一种负载过流保护电路，其特征在于：包括依次连接的电流采样电阻、放大器、比较器一、定时器、自锁控制电路以及电子开关，所述电流采样电阻与电子开关连接，所述比较器一还与参考源一连接；
所述放大器对电流采样电阻的电压放大后送入比较器一，所述比较器一比较放大器输出的电压信号与参考源一之间的大小，如果放大器输出的电压信号高于参考源一，则定时器开始延时计时，在延时计时过程中，如果放大器输出的电压信号低于参考源一，则定时器停止计时，电子开关正常导通，否则，定时器延时计时达到设定值，自锁控制电路关断电子开关并锁定电子开关断开状态；
还包括比较器二，所述比较器二与放大器、自锁控制电路连接；所述比较器二还与参考源二连接，用于比较放大器输出的电压信号与参考源二之间大小；在定时器未启动延时计或者处于延时计时过程中，如果放大器输出的电压信号高于参考源二，自锁控制电路关断电子开关并锁定电子开关断开状态；
所述自锁控制电路包括电阻R1、R2、R3、R4，三极管Q1、Q2；所述电阻R4的一端与定时器、比较器二连接，另一端与三极管Q2的基极连接；三极管Q2的集电极与电阻R1连接，电阻R1的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极连接电源VCC，其集电极与电阻R3连接，电阻R3的另一端、三极管Q2的发射极分别接地连接，电阻R2的两端分别与三极管Q1的集电极、三极管Q2的基极连接，三极管Q1的集电极与电子开关连接；还包括与自锁控制电路连接的解锁电路，该解锁电路接收到解锁信号后使自锁控制电路打开电子开关，所述解锁电路的输出与三极管Q2的基极连接。
2.如权利要求1所述的负载过流保护电路，其特征在于：所述解锁电路包括三极管Q4、电阻R7；三极管Q4的集电极与自锁控制电路连接，其发射极接地连接，其基极与电阻R7连接，电阻R7的另一端与解锁信号源连接。
3.如权利要求1所述的负载过流保护电路，其特征在于：所述解锁电路包括三极管Q3、电阻R8、电阻R9；三极管Q3的集电极与自锁控制电路连接，其基极与电阻R8连接，电阻R8的另一端与解锁信号源连接，电阻R9的两端分别接地、与三极管Q3的基极连接。
4.一种负载过流保护方法，其特征在于：所述负载过流保护方法利用权利要求1-3任一权利要求所述的负载过流保护电路实现；对电路回路进行电压采样，对电压采样信号进行放大，将放大后的电压信号与第一参考电压信号进行比较，如果放大后的电压信号高于第一参考电压信号，则启动延时计时，在延时计时过程中，对电路回路进行持续采样并放大，如果放大后的电压信号低于第一参考电压信号，则停止延时计时，电路回路保持导通，否则，延时计时达到设定值时，关断电路回路并锁定关断状态。
5.如权利要求4所述的负载过流保护方法，其特征在于：在未启动延时计时或者延时计时过程中，对电路回路进行持续采样并放大，如果放大后的电压信号高于第二参考电压信号，则关断电路回路并锁定关断状态。
6.如权利要求4所述的负载过流保护方法，其特征在于：当电路回路处于关断状态锁定情况下，输入解锁信号，导通电路回路。
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