CN106486963A - 一种星用抗辐照自恢复式过流/短路保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明一种星用抗辐照自恢复式过流/短路保护电路，通过线路结构实现可自恢复式的过流/短路保护功能；设计合理，体积小，重量轻。其包括供电模块、三极管驱动模块、包括VDMOS管Q2的VDMOS管模块、电流检测放大比较模块和包括D触发器U3的触发反馈模块，以及串联在母线上的精密采样电阻RS1；供电模块用于通过母线为电流检测放大比较模块和触发反馈模块供电；三极管驱动模块的输入端连接控制电路的输入信号，输出端连接VDMOS管Q2的栅端；VDMOS管Q2的源端经精密采样电阻RS1连接母线，漏端通过电阻R13接地；电流检测放大比较模块包括用于电流检测与信号放大的电流检测芯片U1，以及比较器U2。

Description

一种星用抗辐照自恢复式过流/短路保护电路

技术领域

本发明涉及半导体混合集成电路设计技术，具体为一种星用抗辐照自恢复式过流/短路保护电路。

背景技术

航天器及其内部设备需要精确的温度控制系统来保证其工作的有效性和可靠性，因此需要设计具有过流/短路保护功能的加热器驱动控制电路来实现对母线的保护，以此保证各种仪器设备工作的安全性和可靠性。传统星用电路的过流/短路保护功能实现方式为分立器件搭建、通过保险丝对电路进行过流保护。由于星用电路的特殊性，要求电路具有抗辐照、过流/短路保护可恢复等特点，因此传统的过流/短路保护技术不能满足星用电路的使用要求。

传统星用过流/短路保护电路的技术实现方式存在以下缺点：

1、分立器件搭建的电路集成度低；

传统加热器控制电路采用VDMOS管、三极管、电流采样芯片等有源、无源元件等分立器件搭建完成，电路重量、体积均较大。随着卫星标准化、小型化、轻量化的要求，需要对传统的分立MOS管加热器驱动控制电路进行厚膜集成，集成后的电路体积、重量较分立器件搭建的电路有大幅度的减小。

2、过流/短路保护功能的实现依靠保险丝，过流保护状态不可自恢复；

传统过流/短路保护功能的实现均依靠保险丝，当母线电流达到设置的过流电流时，保险丝自身熔断，从而切断电流，保护电路的安全运行。但熔断后不可自恢复，需重新手动更换保险丝，对于星用电路来说可操作性差。

3、抗辐照性能不能满足星用电路使用要求；

由于核心器件抗辐照VDMOS管进口芯片采购难度大、成本高；抗辐照电流检测芯片国内外尚无。因此，满足电路整体抗辐照特性的电路成本高，不能满足大范围星用电路的使用要求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种星用抗辐照自恢复式过流/短路保护电路，通过线路结构实现可自恢复式的过流/短路保护功能；设计合理，体积小，重量轻。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种星用抗辐照自恢复式过流/短路保护电路，包括供电模块、三极管驱动模块、包括VDMOS管Q2的VDMOS管模块、电流检测放大比较模块和包括D触发器U3的触发反馈模块，以及串联在母线上的精密采样电阻RS1；

供电模块用于通过母线为电流检测放大比较模块和触发反馈模块供电；

三极管驱动模块的输入端连接控制电路的输入信号，输出端连接VDMOS管Q2的栅端；VDMOS管Q2的源端经精密采样电阻RS1连接母线，漏端通过电阻R13接地；

电流检测放大比较模块包括用于电流检测与信号放大的电流检测芯片U1，以及比较器U2；电流检测芯片U1的输入端串联精密采样电阻RS1，用于采集精密采样电阻RS1两端电压差并进行放大；电流检测芯片U1的输出端连接比较器U2的同相输入端，比较器U2的反向输入端连接参考电压；

D触发器U3的输入端连接比较器U2的输出端，用于根据比较器U2的输出对输入信号进行过流状态信号的反馈，向三极管驱动模块输出触发反馈信号；触发反馈信号与输入信号合并后接入三极管驱动模块。

优选的，电流检测芯片U1包括第一运放和第二运放；

所述第一运放连接母线电压和正电源供电，第一运放包括连接在母线电压和负电源之间的分压电路；第一运放的同相输入端和反相输入端分别通过电阻R01和电阻R02连接在高边采样电阻的两端，第一运放的输出端连接输出达林顿管的基极，第一运放的分压输出端分别连接对应的分压达林顿管的基极，分压达林顿管依次级联在第一运放的同相输入端和输出达林顿管的集电极之间，输出达林顿管的发射极经电阻R03接地；

所述第二运放连接第一运放的分压输出端和正电源供电；第二运放的同相输入端连接输出达林顿管的发射极；第二运放的反相输入端分别经电阻R04接地，经电阻R05连接第二运放的输出端；第二运放的输出端输出监控信号。

进一步，第二运放包括由低温漂基准电流产生电路和多级电流镜组成的恒流源模块；恒流源模块输出端产生的基准电流对应连接在第一运放的两个恒流源输入端，并为第二运放提供偏置电流。

再进一步，所述的第一运放还包括恒流偏置电路、输入级电路和输出级电路；

输入级电路包括连接在第一运放的同相输入端和反相输入端的输入级差分对，输入级差分对三极管分别连接母线电压供电和恒压偏置电路接入参考电流；

分压电路的各分压输出端分别设置有并联的三组电压缓冲单元，所有的第一组电压缓冲单元依次级联在第一运放的同相输入端和输出级电路之间，所有的第二组电压缓冲单元依次级联在第一运放的反相输入端和输出级电路之间，所有的第三组电压缓冲单元依次级联在恒压偏置电路的输入端和第一恒流源输入端之间；

输出级电路的供电端连接正电源和负电源，参考电流端连接第二恒流电源输入端，输出端连接第一运放输出端。

优选的，供电模块包括VDMOS管Q1、三极管T1、三极管T2和三极管T3，以及串联的分压电阻R5和分压电阻R6；

VDMOS管Q1的源端连接母线电压，栅端经电阻R1连接母线电压，经电阻R2连接三极管T1的集电极，漏端连接三极管T2集电极且经电阻R4连接三极管T2基极；

三极管T1的基极连接输入信号，发射极连接电路中的等电位；

三极管T2的基极和发射极分别经稳压二极管和电容组连接电路中的等电位；三极管T2的发射极连接三极管T3集电极且经电阻R7连接三极管T3基极；

三极管T3的基极和发射极分别经稳压二极管和电容组连接电路中的等电位；三极管T3的发射极连接触发反馈模块的供电端；

串联的分压电阻R5和分压电阻R6的一端连接电路中的等电位；另一端连接在三极管T2的发射极和三极管T3集电极之间，为电流检测放大比较模块供电；分压电阻R5和分压电阻R6之间输出参考电压。

优选的，三极管驱动模块中的三极管T4基极连接合并的触发反馈信号与输入信号，集电极连接VDMOS管Q2的栅极，发射极连接基极且连接电路中的等电位。

优选的，比较器U2的输出端经二极管D1和电阻R14与D触发器U3的输入端连接；输入信号经二极管D2与D触发器U3的Q端连接，D触发器U3的Q端输出限流状态信号；

当母线正常工作时，流经精密采样电阻RS1的电流小于设定的过流保护电流，比较器U2同相端电压低于反相端的参考电压，比较器U2输出为低电平，D触发器U3的Q端输出低电平，Q端输出高电平；

当母线过流或短路时，流经精密采样电阻RS1的电流大于设定的过流保护电流时，比较器同相端电压高于反相端的参考电压，比较器U2输出翻转为高电平，D触发器U3翻转，D触发器的Q端输出高电平，D触发器的端输出为低电平，通过二极管D₂将三极管T4的基极电压拉低，三极管T4截止，VDMOS管Q2的栅-源电压低于阈值电压，VDMOS管Q2关断，断开输入信号，电路被锁定为断开状态。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的电路采用高边精密电流检测、精确比较放大、触发器组成可恢复式过流保护结构，具有过流/短路保护及锁定功能，通过调整参考电压可实现过流保护点的精确设置，替代了传统的保险丝，方便灵活，电路可自动判断过流状态，对一次母线有保护功能；结构合理，集成后电路整体重量轻，体积小，可靠性高。

进一步的，采用抗辐照电流检测芯片作为核心器件，不仅降低了电路成本和采购周期，而且提高了电路整体的抗辐射指标，使其达到了抗总剂量能力1E5rad(Si)，抗单粒子效应能力75MeV·cm²/mg。

附图说明

图1为本发明所述电路的原理框图。

图2为本发明所述电路的连接结构图。

图3为本发明实例中所述的电流检测芯片U1的电路结构图。

图4为本发明实例中所述的第一运放的基本结构示意图。

图5为本发明实例中所述的第二运放的基本结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明所述电路的原理如图1所示。电路通过三极管驱动模块驱动VDMOS管的导通与关断，母线与VDMOS管的源极串联精密采样电阻，电流检测芯片通过共模采样检测出采样电阻两端的电压差，经放大后输出到比较器的同相输入端，与设定的反相端参考电压相比较。D触发器根据比较器的输出对输入信号进行过流状态信号的反馈，若出现过流的情况，过流状态反馈信号为低，将三极管驱动模块的输入端电压拉低，开关关闭，完成过流保护功能。

如图2所示，本发明所述电路包括供电模块、三极管驱动模块、VDMOS管模块、电流检测放大比较模块和包括D触发器的触发反馈模块。具体由电流检测芯片U1，比较器U2，D触发器U3，VDMOS管Q1、Q2，三极管T1～T4、精密采样电阻RS1及外围电路组成。

其工作原理如下：母线电压V_INA与VDMOS管Q2的源极串联精密采样电阻RS1，电流采样芯片U1通过共模采样检测出精密采样电阻RS1两端的电压差，经优选的100倍的放大后输出到比较器U2的同相输入端，与设定的反相端参考电压相比较，在正常工作条件下，流经RS1的电流小于设定的过流保护电流，比较器U2同相端电压低于反相端的参考电压，此时，比较器输出为低电平，D触发器U3的Q端输出低电平的限流状态信号，Q端输出高电平；当开关过流或短路时，流经精密采样电阻RS1的电流大于设定的过流保护电流时，比较器同相端电压高于反相端的参考电压，此时，比较器输出翻转为高电平，并使D触发器翻转，D触发器的Q端(限流状态信号)输出高电平，D触发器的Q端输出为低电平，通过二极管D₂将三极管T4的基极电压拉低，T4截止，VDMOS管Q2的栅-源电压低于阈值电压，VDMOS管Q2关断，断开输入控制，电路因此被锁定为断开状态。需要对D触发器重新上电，才能去除锁定状态，只有输入信号关闭才能使得整个过流保护及锁定电路供电断电；重新加载输入信号，对电路加电后电路重新开启，若过流及短路状态消失，电路正常工作。

电流检测芯片U1是一款抗辐照电流检测芯片，其功能是通过检测母线上采样电阻两端的电压检测母线上流过的电流，并将采样电压放大100倍输出，提供对母线电流的实时检测数据。U1采用50V双极抗辐照工艺进行提参建模，满足抗辐照指标要求1E5rad(Si)，抗单粒子效应能力75MeV·cm²/mg。

如图3所示，电流检测芯片U1采用两级运放分别实现了高压采样-电流电压转换和放大的功能。

本发明在电压高边通过接成闭环的第一运放amp1将采样电压(V_IN+—V_IN-)转换为电流信号I，根据运算放大器的虚短-虚断方法，可计算出

(V_IN+－V_IN-)＝R1×I (1)

该电流信号I经三级达林顿管Q1Q2、Q3Q4、Q5Q6传输从电压高边到电压低边，并在电阻R03上转换为电压信号，随后通过第二运放amp2放大输出。其中，达林顿管Q5Q6为输出达林顿管，达林顿管Q1Q2、Q3Q4分别为连接在第一运放分压输出端的分压达林顿管。

第一运放由高压、低压两部分构成，分别通过IN+端和VCC端供电，应用时IN+端和VS端共同接系统的高压母线。

电阻R02电阻值等于电阻R01的阻值，用于平衡第一运放输入偏置电流在电阻R01上产生的电压降，防止其影响电压-电流转换的精度。

达林顿管Q1Q2、Q3Q4、Q5Q6组成了电流传输通路，将电流信号由电压高边传输到电压低边，其基极电位由第一运放内部的分压电路提供，通过这种串联分压的级联形式可以保证每个器件的CE电压被限制在其CE击穿电压内。

第二运放通过闭环电阻R04、R05设置为同相放大器，将R03×I的电压信号再次放大输出。第二运放内部还包含了该电路的偏置模块。

如图4所示，第一运放主要由分压电路、恒流偏置电路、输入级电路、输出级电路四部分构成，其中输入级电路和恒流偏置电路因涉及高压边，均通过串接电压缓冲单元来实现高耐压能力，本优选实例中采用达林顿降压缓冲结构。

Q7Q8为输入级差分对，Q9Q10Q11Q12是给差分对提供恒流偏置的，差分对的电流信号通过达林顿降压缓冲结构(Q16Q17、Q18Q19和Q22Q23、Q24Q25)传输给有源负载Q29Q30，并经过双转单结构Q28、Q31和共射放大级Q32输出。

第一运放的第一、二恒流源输入端LB1和LB2端口由第二运放的恒流源模块提供的基准电流，Q33Q34组成与Q9Q10Q11Q12比例相同的电流镜结构，保证LB1、LB2端口的电流信号不经损失的传输给各自的放大级器件。

分压电路的分压值vb1和vb2提供给达林顿电压缓冲单元(Q16Q17、Q18Q19、Q20Q21和Q22Q23、Q24Q25、Q26Q27)，电压缓冲单元也可使用其他达林顿结构或MOS复合管构成。

如图5所示，第二运放内部主要分为恒流源、输入级、中间放大级和输出级四个功能模块，Q37、Q38为输入差分对管，Q39、Q40、Q41、Q42给输入差分对管提供偏置电流，Q43、Q44是电流镜结构的有源负载，共同构成了输入级模块；中间放大级由接成共射极结构的Q51和电流源三极管Q52组成，作为第二运放的主要增益级，单电源输出级保证输出电压信号可低至VEE负电源轨，恒流源模块由低温漂基准电流产生电路和多级电流镜构成，为第二运放各级提供偏置电流，并产生基准电流由LB1和LB2端提供给第一运放对应的恒流源输入端。

Claims (7)

1.一种星用抗辐照自恢复式过流/短路保护电路，其特征在于，包括供电模块、三极管驱动模块、包括VDMOS管Q2的VDMOS管模块、电流检测放大比较模块和包括D触发器U3的触发反馈模块，以及串联在母线上的精密采样电阻RS1；

供电模块用于通过母线为电流检测放大比较模块和触发反馈模块供电；

三极管驱动模块的输入端连接控制电路的输入信号，输出端连接VDMOS管Q2的栅端；VDMOS管Q2的源端经精密采样电阻RS1连接母线，漏端通过电阻R13接地；

电流检测放大比较模块包括用于电流检测与信号放大的电流检测芯片U1，以及比较器U2；电流检测芯片U1的输入端串联精密采样电阻RS1，用于采集精密采样电阻RS1两端电压差并进行放大；电流检测芯片U1的输出端连接比较器U2的同相输入端，比较器U2的反向输入端连接参考电压；

D触发器U3的输入端连接比较器U2的输出端，用于根据比较器U2的输出对输入信号进行过流状态信号的反馈，向三极管驱动模块输出触发反馈信号；触发反馈信号与输入信号合并后接入三极管驱动模块。

2.根据权利要求1所述的一种星用抗辐照自恢复式过流/短路保护电路，其特征在于，电流检测芯片U1包括第一运放和第二运放；

所述第一运放连接母线电压和正电源供电，第一运放包括连接在母线电压和负电源之间的分压电路；第一运放的同相输入端和反相输入端分别通过电阻R01和电阻R02连接在高边采样电阻的两端，第一运放的输出端连接输出达林顿管的基极，第一运放的分压输出端分别连接对应的分压达林顿管的基极，分压达林顿管依次级联在第一运放的同相输入端和输出达林顿管的集电极之间，输出达林顿管的发射极经电阻R03接地；

所述第二运放连接第一运放的分压输出端和正电源供电；第二运放的同相输入端连接输出达林顿管的发射极；第二运放的反相输入端分别经电阻R04接地，经电阻R05连接第二运放的输出端；第二运放的输出端输出监控信号。

3.根据权利要求2所述的一种星用抗辐照自恢复式过流/短路保护电路，其特征在于，第二运放包括由低温漂基准电流产生电路和多级电流镜组成的恒流源模块；恒流源模块输出端产生的基准电流对应连接在第一运放的两个恒流源输入端，并为第二运放提供偏置电流。

4.根据权利要求3所述的一种星用抗辐照自恢复式过流/短路保护电路，其特征在于，所述的第一运放还包括恒流偏置电路、输入级电路和输出级电路；

输入级电路包括连接在第一运放的同相输入端和反相输入端的输入级差分对，输入级差分对三极管分别连接母线电压供电和恒压偏置电路接入参考电流；

分压电路的各分压输出端分别设置有并联的三组电压缓冲单元，所有的第一组电压缓冲单元依次级联在第一运放的同相输入端和输出级电路之间，所有的第二组电压缓冲单元依次级联在第一运放的反相输入端和输出级电路之间，所有的第三组电压缓冲单元依次级联在恒压偏置电路的输入端和第一恒流源输入端之间；

输出级电路的供电端连接正电源和负电源，参考电流端连接第二恒流电源输入端，输出端连接第一运放输出端。

5.根据权利要求1所述的一种星用抗辐照自恢复式过流/短路保护电路，其特征在于，供电模块包括VDMOS管Q1、三极管T1、三极管T2和三极管T3，以及串联的分压电阻R5和分压电阻R6；

VDMOS管Q1的源端连接母线电压，栅端经电阻R1连接母线电压，经电阻R2连接三极管T1的集电极，漏端连接三极管T2集电极且经电阻R4连接三极管T2基极；

三极管T1的基极连接输入信号，发射极连接电路中的等电位；

三极管T2的基极和发射极分别经稳压二极管和电容组连接电路中的等电位；三极管T2的发射极连接三极管T3集电极且经电阻R7连接三极管T3基极；

三极管T3的基极和发射极分别经稳压二极管和电容组连接电路中的等电位；三极管T3的发射极连接触发反馈模块的供电端；

串联的分压电阻R5和分压电阻R6的一端连接电路中的等电位；另一端连接在三极管T2的发射极和三极管T3集电极之间，为电流检测放大比较模块供电；分压电阻R5和分压电阻R6之间输出参考电压。

6.根据权利要求1所述的一种星用抗辐照自恢复式过流/短路保护电路，其特征在于，三极管驱动模块中的三极管T4基极连接合并的触发反馈信号与输入信号，集电极连接VDMOS管Q2的栅极，发射极连接基极且连接电路中的等电位。

7.根据权利要求1所述的一种星用抗辐照自恢复式过流/短路保护电路，其特征在于，比较器U2的输出端经二极管D1和电阻R14与D触发器U3的输入端连接；输入信号经二极管D2与D触发器U3的端连接，D触发器U3的Q端输出限流状态信号；

当母线正常工作时，流经精密采样电阻RS1的电流小于设定的过流保护电流，比较器U2同相端电压低于反相端的参考电压，比较器U2输出为低电平，D触发器U3的Q端输出低电平，端输出高电平；

当母线过流或短路时，流经精密采样电阻RS1的电流大于设定的过流保护电流时，比较器同相端电压高于反相端的参考电压，比较器U2输出翻转为高电平，D触发器U3翻转，D触发器的Q端输出高电平，D触发器的端输出为低电平，通过二极管D₂将三极管T4的基极电压拉低，三极管T4截止，VDMOS管Q2的栅-源电压低于阈值电压，VDMOS管Q2关断，断开输入信号，电路被锁定为断开状态。