CN106549364A - 一种直流电源保护电路及其制造的gprs设备 - Google Patents

一种直流电源保护电路及其制造的gprs设备 Download PDF

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CN106549364A CN201710031261.3A CN201710031261A CN106549364A CN 106549364 A CN106549364 A CN 106549364A CN 201710031261 A CN201710031261 A CN 201710031261A CN 106549364 A CN106549364 A CN 106549364A
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姚金龙
杨铮
高楠
陈烊伊
董胜龙
张春林
符子建
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    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
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Abstract

本发明涉及一种保护电路及包含该电路的GPRS设备，所述保护电路包括电流采集单元、第一控制单元和第二控制单元，所述电流采集单元和第一控制单元串联于直流电源的正极和用电设备之间，所述第二控制单元的输入端分别与直流电源的正极以及电流采集单元的电流信号输出端连接，所述第二控制单元的输出端与第一控制控制单元的控制输入端连接，所述第一控制单元至少包括两个相互串联的全控型器件，所述第二控制单元包括D触发器U1，当发生故障电流增大超过限值时，通过D触发器U1控制第一控制单元关断，进而将直流电源切断，实现了对用电设备及电源的保护。

Description

一种直流电源保护电路及其制造的GPRS设备
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体地说涉及一种直流电源保护电路。
背景技术
使用直流电源供电的用电设备，特别是使用电池供电的用电设备，如GPRS设备，在电源和用电的用电设备之间通常设有电源保护电路，当出现故障，电流过大时断开电路，起到保护用电设备和电源的目的，目前，电源保护电路主要包括电流限流保护、电阻+熔断型保险丝保护以及三极管限流电路保护三种形式。
1.电阻限流保护：采用大功率电阻限流的方式限制用电设备的电流，即当电源电压一定时，给电路串联电阻，使用电设备中即使出现短路，由于电阻的限流作用，使电路电流保持在运行范围内，这种设计要求电阻的功率需要满足在长期大电流下不会烧毁，则需要电阻的功率非常大，体积相应增大，对于电子产品空间上不容易实现，如电源供电电压为6.6V，当要求电路电流限制在3A以下时，电阻阻值需为6.6V÷3A＝2.2Ω，这样电阻功率为P＝I2R＝3×3×2.2＝19.8W，这还不包括采用1.5倍的安全系数计算，显然这样大的电阻在小巧的电池供电设备中体积过大；另外，如增大电阻的阻值，则会在电阻上产生很大的压降，从而影响对用电设备的电压供给，容易造成用电设备无法正常工作，如即使是2.2Ω的电阻，在2A负载电流情况下已经会分掉电源4.4V电压，用电设备的电压跌落严重，无法保证负载正常工作。
2.电阻+熔断型保险丝保护：保险丝虽然能在用电设备发生持续数秒的大电流情况下熔断，保护用电设备，但保险丝熔断后，对于不方便拆卸的计量用电设备来讲，该设备意味着已损坏，需要返厂维修，即使是可更换保险丝的非计量设备，用户方便更换保险丝，也存在更换成本及影响使用的问题。
3.三极管限流电路保护：这是一种当输出用电设备发生短路电流增大时，能使调整三极管输出电流减小至零，从而使调整三级管工作在截止状态，实现对用电设备及电源的保护，这种电路虽可实现对故障电源的切断，但切断时间长，会对用电设备造成损坏，而且电流过大情况下电路总压降过大，会造成用电设备两端电压的波动较大。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种直流电源保护电路，但电路中发生故障时，可将电源快速切除起到保护用电设备的作用。
本发明采用的技术方案如下：
一种保护电路，包括直流电源、电流采集单元、第一控制单元和第二控制单元，所述电流采集单元和第一控制单元串联于直流电源的正极和用电设备之间，所述第二控制单元的输入端分别与直流电源的正极以及电流采集单元的电流信号输出端连接，所述第二控制单元的输出端与第一控制控制单元的控制输入端连接，所述第一控制单元至少包括两个相互串联的全控型器件，所述第二控制单元包括D触发器U1。
进一步，所述电流采集单元包括电阻R1和三极管Q1，所述电阻R1一端与直流电源的正极以及三极管Q1的发射极连接，另一端与第一控制单元的电源输入端以及三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1为PNP型三极管。
进一步，D触发器U1的PR管脚通过电阻R2与直流电源的正极连接，且通过电容器C2接地，D触发器U1的VCC和CLR管脚与直流电源的正极连接，且二者通过电容器C3接地，D触发器U1的CP管脚与所述三极管Q1的集电极连接，D触发器U1的Q-管脚与第二控制单元的控制输入端连接，D触发器U1的D和GND管脚接地。
进一步，还包括第一辅助单元，所述第一辅助单元一端与所述D触发器U1的CP管脚连接，另一端接地，第一辅助单元包括并联的电容器C4和电阻R3。
进一步，所述第一控制单元包括相互串联的MOS管Q2与MOS管Q3，所述MOS管Q2的源极与所述电阻R1连接，所述MOS管Q3的漏极与用电设备连接，MOS管Q2的漏极与MOS管Q3的源极连接，所述MOS管Q2与MOS管Q3的栅极均与所述D触发器U1的Q-管脚连接，所述MOS管Q2与MOS管Q3均为大电流P沟道MOS管。
进一步，还包括第二辅助单元，所述第二辅助单元一端与所述D触发器U1的Q-管脚连接，另一端接地，第二辅助单元包括并联的电容器C5和电阻R4。
进一步，还包括第三辅助单元，所述第三辅助单元并联于所述直流电源的两端，第三辅助单元包括并联的二极管D1和电容器C1，所述二极管D1为瞬态抑制二极管。
本发明还提供一种包含保护电路的GPRS设备，其特征在于，还包括GPRS电路、开关电路和MCU电路，所述GPRS电路的电源输入端通过开关电路与所述保护电路的输出端连接，所述MCU电路的电源输入端与保护电路的输出端连接，MCU电路的控制输出端与开关电路的控制输入端和GPRS电路的通信端连接。
进一步，所述MCU电路包括调压器件U3和MCU芯片U4，所述GPRS电路包括GPRS芯片U6、SIM卡U5以及天线馈点，所述MCU芯片U4通过调压器件U3与所述保护电路的输出端连接，所述MCU芯片U4的控制输出端还与所述开关电路的控制输入端连接；所述GPRS芯片U6的通信端与MCU芯片U4的控制输出端连接，所述SIM卡U5与GPRS芯片U6的SIM端连接，所述天线馈点与GPRS芯片U6的GSM端连接，GPRS芯片U6的电源输入端通过开关电路与所述保护电路的输出端连接。
本发明的有益效果是：
(1)当电路中发生故障电流增大超过限值时，通过D触发器控制第一控制单元的各串联连接的MOS管关断，进而将直流电源切断，MOS管的翻转时间很短，在几十纳秒内即可完成电路的切断，几乎是瞬间切断，有效的实现了对用电设备及电源的保护；当故障消除后，电源恢复正常供电，D触发器Q2复位，保护电路中无器件损坏，无需更换新的器件即可恢复用电的正常使用。
(2)第一控制单元包括至少两个相互串联连接的MOS管，当其中有MOS管出现故障被击穿时，第一控制单元仍能正常工作，增加了电路的稳定性。
(3)MOS管Q2、MOS管Q3、D触发器U1以及电阻R1的损耗极小，使得整个保护电路的静态电流约为2μA，保证了用电设备的正常用电。
(4)D触发器Q2的CP和Q-管脚分别通过RC电路组成第一、第二辅助单元接地，可以有效防止电路中有小的电压波动时，电路误动作，增加了电路的可靠性；直流电源两端并联第三辅助单元，可以有效抑制直流电源小的电压波动。
(5)电路所有器件均为贴片封装，体积小巧，特别是D触发器U1，其面积仅为约4.4mm2，故整个电路占用面积非常小巧，可控制在2cm2以内，特别适合小型电子用电设备使用，并且整个电路成本很低，批量器件采购成本不高于3元，进而使得整个用电设备的成本更低。
(6)GPRS电路通过开关电路与直流电源保护电路连接，在用电设备不使用时，通过MCU电路控制开关电路关断，进而关断GPRS电路，起到节约省电的作用。
附图说明
图1为一种保护电路的电路图；
图2为一种包含保护电路的GPRS设备的电路图。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。
实施例一：
如图1所示，一种保护电路，包括直流电源、电流采集单元、第一控制单元、第二控制单元、第一辅助单元、第二辅助单元和第三辅助单元，所述直流电源为6.6v电源，所述电流采集单元和第一控制单元依次串联于直流电源的正极和用电设备之间，所述电流采集单元包括电阻R1和PNP型三极管Q1，所述电阻R1的一端与直流电源的正极以及PNP型三极管Q1的发射极连接，电阻R1的另一端与第一控制单元的电源输入端以及PNP型三极管Q1的基极连接，所述电阻R1为高精度小阻值电阻，阻值大小为2Ω，精度为1％，功耗为2W，所述PNP型三极管Q1的型号为SS8550。
所述第一控制单元包括相互串联的MOS管Q2与MOS管Q3，所述MOS管Q2的源极与所述电阻R1连接，所述MOS管Q3的漏极与用电设备连接，MOS管Q2的漏极与MOS管Q3的源极连接，所述MOS管Q2与MOS管Q3的栅极均与所述D触发器U1的Q-管脚连接，所述MOS管Q2与MOS管Q3均为大电流P沟道MOS管，型号为SI2323DS，漏极电流为-4.7A。
所述D触发器U1的型号为NL17SZ74，D触发器U1的PR管脚通过电阻R2与直流电源的正极连接，并通过电容器C2接地，所述电阻R2阻值大小为2K，所述电容器C2电容大小为0.1μF，D触发器U1的VCC和CLR管脚与直流电源的正极连接，并通过电容器C3接地，所述电容器C3电容大小为0.1μF，D触发器U1的CP管脚与所述PNP型三极管Q1的集电极连接，D触发器U1的Q-管脚与所述MOS管Q2以及MOS管Q3的栅极连接，D触发器U1的D和GND管脚接地，所述D触发器U1的真值表如表1所示。
表1D触发器Q2真值表
表中：
H-高电平；
L-低电平；
×-高电平或低电平；
NC-无变化；
↑-上升沿；
N↑-无上升沿。
正常使用上电时在电阻R2的作用下D触发器U1的PR管脚达到高电平的时间较CLR管脚具有一定的延迟，根据D触发器U1真值表中第一条规则，可以保证其Q-管脚输出为低电平，使MOS管Q2与MOS管Q3导通，给用电设备供电。
正常工作开始后D触发器U1的PR管脚和CLR管脚均保持高电平，且D触发器U1的D管脚为低电平，根据D触发器U1真值表中第六条规则，其Q-管脚保持输出为低电平，使MOS管Q2与MOS管Q3导通，给用电设备供电。
当电路中出现故障电流增大时，电阻R1两端电压持续升高，到电阻R1两端电压超过限值时，PNP型三极管Q1导通，其集电极输出高电平给D触发器U1的的CP管脚，即给D触发器U1的CP管脚一个上升沿信号，根据D触发器U1真值表中第五条规则，其Q-管脚此时输出高电平，使MOS管Q2与MOS管Q3关断，进而将直流电源切除起到保护用电设备和直流电源的作用，当故障消除后，重新上电，D触发器U1复位，电路回复工作。
本发明的一种保护电路，通过D触发器U1控制使MOS管Q2与MOS管Q3导通，进而将直流电源切断，MOS管的翻转时间很短，在几十纳秒内即可完成电路的切断，几乎是瞬间切断，有效的实现了对用电设备及电源的保护；当故障消除后，电源恢复正常供电，D触发器U1复位，保护电路中无器件损坏，无需更换新的器件即可恢复用电的正常使用。第一控制单元包括MOS管Q2与MOS管Q3，若其中一个MOS管出现故障被击穿时，第一控制单元仍能正常工作，增加了电路的稳定性。MOS管Q2、MOS管Q3、D触发器U1以及电阻R1的损耗极小，使得整个保护电路的静态电流约为2μA，保证了用电设备的正常用电。
所述第一辅助单元的一端与所述D触发器U1的CP管脚连接，另一端接地，第一辅助单元包括并联的电容器C4和电阻R3，所述电容器C4电容大小为0.1μF，所述电阻R3阻值大小为10K；所述第二辅助单元的一端与所述D触发器U1的Q-管脚连接，另一端接地，第二辅助单元包括并联连接的电容器C5和电阻R4，所述电容器C5电容大小为0.1μF，所述电阻R4阻值大小为10K。
所述第三辅助单元并联于所述直流电源的两端，所述第三辅助单元包括并联的二极管D1以及电容器C1，所述电容器C1电容大小为0.1μF，所述二极管D1为瞬态抑制二极管，其型号为SMBJ10.0CA。
D触发器U1的CP和Q-管脚分别通过RC电路组成第一、第二辅助单元接地，可以有效防止电路中有小的电压波动时，电路误动作，增加了电路的可靠性；直流电源两端并联第三辅助单元，可以有效抑制直流电源小的电压波动。
电路所有器件均为贴片封装，体积小巧，特别是D触发器U1，其面积仅为约4.4mm2，故整个电路占用面积非常小巧，可控制在2cm2以内，特别适合小型电子用电设备使用，并且整个电路成本很低，批量器件采购成本不高于为3元，进而使得整个用电设备的成本更低。
实施例二：
如图2所示，一种包含保护电路的GPRS设备，与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：该GPRS设备还包括，开关电路、GPRS电路以及MCU电路。
所述开关电路包括第四辅助单元、第五辅助单元、开关控制单元、第一调压单元和第六辅助单元，所述第四辅助单元的一端与实施例一的保护电路的输出端连接，另一端接地，所述第四辅助单元包括依次串联的电阻R5、熔断器FU1和电容器C6，所述电阻R5为高精度小阻值电阻，其阻值大小为4.7Ω，精度为1％，功耗为3W，所述熔断器FU1的熔断电流为500mA，所述电容器C6为有极性电容，其正极与熔断器FU1连接，其负极接地，其型号为10PK2200。
所述第五辅助单元的一端与实施例一的保护电路的输出端连接，另一端接地，所述第五辅助单元包括并联的电容器C7与电容器C8，所述电容器C7为有极性钽电容，其正极与实施例一的保护电路的输出端连接，其负极接地，其电容大小为220μF，所述电容器C8电容大小为0.1μF。
所述开关单元包括MOS管Q4与三极管Q5，所述MOS管Q4的源极与实施例一的保护电路的输出端连接，其漏极与第一调压单元连接，其栅极与三极管Q5的集电极连接，所述三极管Q5的发射极接地，其基极通过电阻R7与MCU电路连接，所述MOS管Q4的源极和漏极之间还并联连接有电阻R6，所述MOS管Q4为大电流P沟道MOS管，型号为SI2323DS，漏极电流为-4.7A，所述三极管Q5为NPN型三极管，型号为SS8050，所述电阻R6阻值为100K，所述电阻R7阻值的大小为100K。
所述第一调压单元包括第一调压器U2，其型号为SPX29302T5-L/TR，其Vin和En管脚均与所述MOS管Q4的漏极连接，其Gnd管脚通过依次串联连接的电阻R8和R9与其Vout管脚连接，且接地，其ADJ管脚通过电阻R9与其Vout管脚连接，所述电阻R8阻值的大小为51K，所述电阻R9阻值的大小为120K。
所述第六辅助单元的一端与第一调压器U2的Vout管脚连接，另一端接地，所述第六辅助单元包括相互并联的电容器C9～C13和二极管D2，所述电容器C9与C10为有极性钽电容，二者电容的大小分别为470μF与220μF，所述电容器C11～C1电容的大小分别为0.1μF、33pF和10pF，所述二极管D2为稳压二极管，其型号为ZMM5V1。
所述GPRS电路包括GPRS芯片U6、SIM卡U5与天线馈点，所述GPRS芯片U6的NETLIGHT管脚与所述第一稳压器U2的Vout管脚连接，二者间还串联有指示单元，指示单元包括电阻R18、R19、LED和三极管Q6，所述电阻R18的一端与所述第一稳压器U2的Vout管脚连接，另一端与所述LED的正极连接，LED的负极与所述三极管Q6的集电极连接，三极管Q6的基极与电阻R19连接，三极管Q6的发射极接地，所述LED为绿色的LED，所述三极管Q6为NPN型三极管，型号为SS8050-1.5A，所述电阻R18、R19阻值分别为10K、1K。
所述GPRS芯片U6的VBAT管脚与第一稳压器U2的Vout管脚连接，所述GPRS芯片U6的PWRKET管脚通过电阻R20接地，所述电阻R20阻值的大小为1K，所述GPRS芯片U6的GSM-ANT管脚通过电阻R21与天线馈点连接，且电阻R21的两端分别通过电容器C22以及C23接地，所述电阻R21阻值大小为0R，所述电容器C22、C23电容大小均为22pF；
所述SIM卡U5的I/O 0通过串联连接的电阻R14和R17与所述GPRS芯片的SIM-DATA管脚连接，且通过电容器C19接地，所述SIM卡U5的RST管脚通过电阻R15与所述GPRS芯片U6的SIM-RST管脚连接，且通过电容器C21接地，所述SIM卡U5的CLK管脚通过电阻R15与所述GPRS芯片U6的SIM-CLK管脚连接，且通过电容器C20接地，所述SIM卡U5的Vdd管脚通过电阻R15与所述GPRS芯片U6的SIM-VDD管脚连接，且通过电容器C18接地，所述电阻R14阻值大小为0R，所述电阻R15～R17阻值大小均为22R，所述电容器C18电容大小为0.1μF，所述电容器C19～C21电容大小均为33pF。
所述MCU电路包括MCU芯片U4、第二调压器U3以及第七辅助单元，所述第二调压器U3的型号为RH5RL30AA，所述第二调压器U3的Vin管脚通过二极管D3与实施例一的保护电路的输出端连接，且通过电容器C15接地，电容器C15电容大小为0.1μF，所述二极管D3的正极与实施例一的保护电路的输出端连接，其负极与所述第二调压器的Vin管脚连接，所述二极管D3的型号为SS14，所述第七辅助单元的端与所述第二调压器U3的Vin管脚连接，另一端接地，所述第七辅助单元包括串联的电阻R10和电容器C14，所述电阻R10为高精度小阻值电阻，阻值大小为22Ω，精度为1％，功耗为3W，电容器C14为有极性电容，其型号为10PK2200。
所述第二调压器U3的Vout管脚与所述MCU芯片U4的VCC管脚连接，且通过并联的电容器C16和电容器C17接地，所述电容器C16电容的大小为10μF，所述电容器C17电容的大小为0.1μF，所述MCU芯片U4的TX和RX管脚分别通过电阻R11和R12与GPRS芯片的UART1-TXD和UART1-RXD管脚连接，所述电阻R11和R12阻值均为1K，所述MCU芯片U4的P-ctr管脚通过电阻R7与三极管Q5的基极连接。
当设备中出现故障电流过大时，通过保护电路切断直流电源，进而起到保护直流电源和GPRS设备的目的，另外，GPRS电路通过开关电路与保护电路连接，在用电设备不使用时，通过MCU电路控制开关电路关断，进而关断GPRS电路，起到节约省电的作用。
以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (9)

1.一种保护电路，包括直流电源，其特征在于，还包括电流采集单元、第一控制单元和第二控制单元，所述电流采集单元和第一控制单元串联于直流电源的正极和用电设备之间，所述第二控制单元的输入端分别与直流电源的正极以及电流采集单元的电流信号输出端连接，所述第二控制单元的输出端与第一控制控制单元的控制输入端连接，所述第一控制单元至少包括两个相互串联的全控型器件，所述第二控制单元包括D触发器U1。
2.根据权利要求1所述的一种保护电路，其特征在于，所述电流采集单元包括电阻R1和三极管Q1，所述电阻R1一端与直流电源的正极以及三极管Q1的发射极连接，另一端与第一控制单元的电源输入端以及三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1为PNP型三极管。
3.根据权利要求2所述的一种保护电路，其特征在于，D触发器U1的PR管脚通过电阻R2与直流电源的正极连接，且通过电容器C2接地，D触发器U1的VCC和CLR管脚与直流电源的正极连接，且二者通过电容器C3接地，D触发器U1的CP管脚与所述三极管Q1的集电极连接，D触发器U1的Q-管脚与第二控制单元的控制输入端连接，D触发器U1的D和GND管脚接地。
4.根据权利要求3所述的一种保护电路，其特征在于，还包括第一辅助单元，所述第一辅助单元一端与所述D触发器U1的CP管脚连接，另一端接地，第一辅助单元包括并联的电容器C4和电阻R3。
5.根据权利要求3所述的一种保护电路，其特征在于，所述第一控制单元包括相互串联的MOS管Q2与MOS管Q3，所述MOS管Q2的源极与所述电阻R1连接，所述MOS管Q3的漏极与用电设备连接，MOS管Q2的漏极与MOS管Q3的源极连接，所述MOS管Q2与MOS管Q3的栅极均与所述D触发器U1的Q-管脚连接，所述MOS管Q2与MOS管Q3均为大电流P沟道MOS管。
6.根据权利要求5所述的一种保护电路，其特征在于，还包括第二辅助单元，所述第二辅助单元一端与所述D触发器U1的Q-管脚连接，另一端接地，第二辅助单元包括并联的电容器C5和电阻R4。
7.根据权利要求1所述的一种保护电路，其特征在于，还包括第三辅助单元，所述第三辅助单元并联于所述直流电源的两端，第三辅助单元包括并联的二极管D1和电容器C1，所述二极管D1为瞬态抑制二极管。
8.一种包含权利要求1-7任一所述的保护电路的GPRS设备，其特征在于，还包括GPRS电路、开关电路和MCU电路，所述GPRS电路的电源输入端通过开关电路与所述保护电路的输出端连接，所述MCU电路的电源输入端与保护电路的输出端连接，MCU电路的控制输出端与开关电路的控制输入端和GPRS电路的通信端连接。
9.根据权利要求8所述的一种包含保护电路的GPRS设备，其特征在于，所述MCU电路包括调压器件U3和MCU芯片U4，所述GPRS电路包括GPRS芯片U6、SIM卡U5以及天线馈点，所述MCU芯片U4通过调压器件U3与所述保护电路的输出端连接，所述MCU芯片U4的控制输出端还与所述开关电路的控制输入端连接；所述GPRS芯片U6的通信端与MCU芯片U4的控制输出端连接，所述SIM卡U5与GPRS芯片U6的SIM端连接，所述天线馈点与GPRS芯片U6的GSM端连接，GPRS芯片U6的电源输入端通过开关电路与所述保护电路的输出端连接。
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