CN106972455A - 高压小电流限流电路、限流保护模块及无人运载设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压小电流限流电路、限流保护模块及无人运载设备，该限流电路,包括开关、采样和放大电路，开关分别连接采样和放大电路、开关控制电路，开关控制电路连接控制器，采样和放大电路连接基准电源和比较器电路，该基准电源和比较器电路与控制器相连。基准电源和比较器电路包括比较器U2，开关控制电路包括三极管Q2、电阻R6、三极管Q3，当负载正常过流时，控制器会触发中断，同时使三极管Q3导通，三极管Q2的基极电压被拉低，三极管Q2截止，导致开关截止，后端无电源输出。因此就保护了后端电路和前端的整个电源输入端电源域，安全性和稳定性好，电流误差不会超过10mA，填补了市场空白，具有广阔的市场前景。

Description

高压小电流限流电路、限流保护模块及无人运载设备

技术领域

本发明涉及电源限流技术，尤其涉及一种高压小电流限流电路、限流保护模块及无人运载设备。

背景技术

限流保护就是达到一定值如:保护装置就会切断电路以便保护电气设备。

目前用于限流保护的芯片很多，但大多数都是常用的USB(5V)电源限流保护(例如DIODES的AP2552/53A等)。对于12V等的高压电源限流芯片却很少，一些如ST的STEF12PUR，虽说可以对12V限流，但限流大小在3A—5A之间，对于一些小电流的模块(例如12V/200mA)却起不了作用。

这种高压小电流的限流芯片市场上是没有的，但是无人机、无人车、支路电源比较多且需要电源保护的功能性模块，例如车载GPS导航、通讯模块等均需要所述的高压小电流的限流芯片，目前的做法包括：1)用分立的器件搭建；2)限流电路的开启和关闭需要软件配合执行。其涉及电路复杂，操作繁琐，但安全性和稳定性差，如很多公司都采用自恢复保险丝(NTC)来做限流保护。当后端电路(模块)过流时，保险丝会自动熔断。从而可以适当地保护前后端电路。但是自恢复保险是(NTC)的精度比较低，有至少100mA的峰值电流I trip，即：如果我们需要200mA的电流保护，如果用自恢复保险丝(NTC)，则可能在瞬时输出300mA的电流甚至更高(如表1：自恢复保险丝规格表)，这样后端的电路(模块)可能已经烧掉了。

表1：自恢复保险丝规格表

为了解决上述问题，本发明提供了一种高压小电流限流电路，结构简单，操作方便，安全性和稳定性好，电流误差不会超过10mA，填补了市场空白，具有广阔的市场前景。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高压小电流限流电路、限流保护模块及无人运载设备，本发明通过器件的合理设计，精确地测量输出电流的大小，当输出电流达到需要限流的大小时关断电源，保护后端电路或模块，同时不影响整个电源的正常工作，而且电路简单，制造方便，有利于产品推广。

根据本发明的一个方面，提供了一种高压小电流限流电路，包括开关、采样和放大电路、基准电源和比较器电路，开关分别连接采样和放大电路、开关控制电路，开关控制电路连接控制器，采样和放大电路连接基准电源和比较器电路，该基准电源和比较器电路与控制器相连，开关连接电源输入端、采样和放大电路连接电源输出端。

进一步的，基准电源和比较器电路包括比较器U2，开关控制电路包括三极管Q2、电阻R6、三极管Q3，其中，开关分别连接电源输入端、电阻R5、采样和放大电路，采样和放大电路分别连接电源输出端、比较器U2，电阻R5连接三极管Q2，三极管Q2分别于电阻R6、三极管Q3相连，电阻R6、三极管Q3均与控制器相连。

(1)上电之前，控制器无输出，三极管Q3截止，三极管Q2截止，开关截止，电源输出端电压为0V；

(2)当控制器工作后，三极管Q3截止，三极管Q2导通，开关导通，电源输出端电压给后端负载；

(3)当后端负载正常工作时,控制器不会触发中断，也不会使三极管Q3导通；

(4)当负载正常过流时，比较器U2的同相输入端输出为高电平，控制器会触发中断，同时使三极管Q3导通，三极管Q2的基极电压被拉低，三极管Q2截止，导致开关截止，后端无电源输出。因此就保护了后端电路和前端的整个电源输入端电源域。

进一步的，电源输入端连接电阻R4，电阻R4连接电阻R5。

进一步的，采样和放大电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、放大器U1，开关分别与电阻R1的一端、电阻R2的一端相连，电阻R1的另一端分别连接电源输出端、电阻R3的一端，电阻R2的另一端、电阻R3的另一端均与放大器U1连接，放大器U1连接比较器U2。

进一步的，比较器U2反向输入端-IN连接电阻R8，同相输入端+IN连接放大器U1，电压输入端V+分别连接供给电压、电容C9，电容C9接地，电压输入端V-连接接地端，输出端VOUT连接控制器，电阻R8分别连接电容C8的一端、基准电压源U3的阴极、电阻R7的一端，基准电压源U3的阴极、电阻R7的一端相连接，电容C8的另一端分别与基准电压源U3的阳极、接地端相连，电阻R7的另一端连接供给电压。

进一步的，开关分别连接电容C5、放大器U1，电容C5与接地端相连，放大器U1连接接地端。

进一步的，三极管Q3经电容C6连接接地端，三极管Q2经电容C7接地，三极管Q3、三极管Q2的发射极均接地，电源输入端分别连接电容C1、电容C2，电容C1、电容C2均接地，电阻R1的另一端分别连接电容C3、电容C4，电容C3、电容C4均连接接地端。

进一步的，开关为开关管。

进一步的，控制器为MCU芯片。

根据本发明的另一个方面，提供一种电源限流保护功能性模块，包括：所述高压小电流限流电路。

根据本发明的另一个方面，提供一种无人运载设备，包括无人机或无人车，以及设置在无人机或无人车内的所述的高压小电流限流电路。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明示例的高压小电流限流电路，包括开关、采样和放大电路、基准电源和比较器电路，开关分别连接采样和放大电路、开关控制电路，开关控制电路连接控制器，采样和放大电路连接基准电源和比较器电路，该基准电源和比较器电路与控制器相连，开关连接电源输入端、采样和放大电路连接电源输出端。上电之前，控制器无输出，开关控制电路截止，开关截止，电源输出端电压为0V；当控制器工作后，开关导通，电源输出端电压给后端负载；当后端负载正常工作时,控制器不会触发中断；当负载正常过流时，基准电源和比较器电路中比较器U2的同相输入端输出为高电平，控制器会触发中断，导致开关截止，后端无电源输出。因此就保护了后端电路和前端的整个电源输入端电源域，本发明通过中断的方式告知控制器，来控制关断开关，安全性和稳定性好，电流误差不会超过10mA，填补了市场空白，具有广阔的市场前景。

2、本发明示例的高压小电流限流电路，整个电路所涉及电学器件少，电路简单，便于制造，所用器件价格便宜，便于产品普及。

3、本发明示例的限流保护模块，能用于高电压(如12V)、小电流(200mA)的功能模块的限流，用来保护模块安全。

4、本发明示例的无人运载设备，包括无人机或无人车，以及设置在无人机或无人车内的所述的高压小电流限流电路，当输出电流达到需要限流的大小时关断电源，保护后端电路或模块，同时不影响整个电源的正常工作，有效保护了无人运载设备的正常运行。

附图说明

图1为本发明实施例的电路图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例：

如图1所示，一种高压小电流限流电路，包括开关、采样和放大电路、基准电源和比较器电路，开关分别连接采样和放大电路、开关控制电路，开关控制电路连接控制器，采样和放大电路连接基准电源和比较器电路，该基准电源和比较器电路与控制器相连。基准电源和比较器电路包括比较器U2，开关控制电路包括三极管Q2、电阻R6、三极管Q3。电源输入端12V-IN分别连接电容C1、电容C2、电阻R4的一端、开关管Q1-P沟道场效应管AO3415的PIN2脚，电容C1、电容C2均分别接地，电阻R4的另一端与开关管Q1-P沟道场效应管AO3415的PIN1脚相连且均连接电阻R5的一端，开关管Q1-P沟道场效应管AO3415的PIN3脚分别连接电容C5的一端、电阻R1的一端、电阻R2的一端，电容C5的另一端接地，电阻R1的另一端分别连接电阻R3的一端、电容C3的一端、电容C4的一端、电源输出端12V-OUT，电容C3的另一端、电容C4的另一端接地，电阻R2的另一端与放大器U1同向输入端PIN4脚相连，R3的另一端均与放大器U1反向输入端PIN5脚相连，开关管Q1-P沟道场效应管AO3415的PIN3脚连接放大器U1的PIN3脚，放大器U1PIN2脚接地，放大器U1PIN2脚与PIN1脚连接，放大器U1输出端PIN6脚连接比较器U2的同相输入端+IN，比较器U2反向输入端-IN连接电阻R8的一端，电压输入端V-连接接地端，输出端VOUT连接控制器MCU的中断脚(INT)，电压输入端V+分别连接供给电压、电容C9，电容C9接地，电阻R8的另一端分别连接电容C8的一端、基准电压源U3的阴极、电阻R7的一端，基准电压源U3的阴极、电阻R7的一端相连接，电容C8的另一端分别与基准电压源U3的阳极、接地端相连，电阻R7的另一端连接供给电压(3.3V)。电阻R5的另一端连接三极管Q2的集电极，三极管Q2的基极分别连接电容C7、电阻R6的一端、三极管Q3的集电极，电容C7接地，三极管Q2的发射极连接接地端，电阻R6的另一端连接控制器MCU的IO脚，三极管Q3的基极分别连接控制器MCU的中断脚INT、电容C6，电容C6接地，三极管Q3的发射极接地。

开关管Q1-P沟道场效应管AO3415：开关管Q1-P沟道场效应管AO3415用于控制后端负载电源的开启和关闭，当后端负载需要正常工作时，则开启开关管；当后端负载不需要工作或者工作时出现大电流异常时，则关闭开关管，切断电源。开关管Q1采用常用的P沟道场效应管AO3415，其导通电流最大可达4A，导通内阻约为50毫欧姆，自带ESD保护，完全可以满足需求。

采样和放大电路：采样电阻R1是0.1Ω误差1％的金属膜电阻，额定功率1/8W，后端负载电流全部由此电阻通过。放大器U1采用的是TI公司的电压输出、低侧或高侧测量、双向、零漂移系列分流监控器INA214,其放大倍数为100V/V。

精度如下：

–±1％增益误差(整个温度范围内的最大值)

–0.5μV/℃偏移漂移(最大值)

–10ppm/℃增益漂移(最大值)。

比较器U2：比较器U2采用3-PEAK的TP2271，工作电压可达36V，噪声低，输入失调电压低至1.0mV,比较器U2的基准电压为TI公司的LM4040A20I提供，电压值为标准的2.048V，误差0.1％。

三极管Q2：型号DTC114EE。

电容C1:22uF，误差20％10v，电容C2:0.1uF，误差20％50v，电容C3:22uF，误差20％10v，电容C4:0.1uF，误差20％50v，电容C5:0.1uF，误差20％50v，电容C6:0.1uF，误差20％50v，电容C7:0.1uF 20％50v，电容C8:0.1uF 20％50v，

电容C9:0.1uF，误差20％50v。

电阻R2:100KΩ，电阻R3:100KΩ，电阻R4:3KΩ，电阻R5:2.2KΩ，电阻R6:1KΩ，电阻R7:1KΩ，电阻R8:1KΩ。

电路工作过程如下：

(1)上电之前，控制器MCU的IO脚无输出，CTRL信号由于后端无电源，输出为低电平，三极管Q3截止，三极管Q2截止，开关管Q1 P-MOS管AO3415的PIN2和PIN1脚之间无压差，开关管Q1截止，12V_OUT输出为0V。

(2)当控制器MCU工作后，控制器MCU的IO脚输出为高电平，CTRL信号由于后端电源未开启，输出为低电平，三极管Q3截止，三极管Q2导通，使三极管Q2的集电极PIN3脚为低电平，这样开关管Q1的PIN2和PIN1脚之间由于电阻R4和R5分压，产生约5V的压差(计算公式为：R5/(R4+R5)×12)，这样开关管Q1 P-MOS管AO3415导通，12V_OUT输出约12V电压给后端负载。

(3)当后端负载正常工作时(电流I小于200mA)，采样电阻R1(0.1欧姆)两端的压差直接反馈给精密运算放大器U1的同相端和反相端，也就是放大器U1的PIN4和PIN5脚。放大器U1的放大倍数为100V/V。即放大器U1的PIN6脚输出电压Vout＝100×(V+-V_),以本次设计为例：当输出负载电流为0.2A时，Vout＝100×(0.2×0.1)＝2V。比较器U2的同相输入端(放大器U1的PIN3脚)的输入电压小于2.048V，比较器U2输出端(PIN1)输出为低电平，即CTRL＝0V，这样控制器MCU的中断脚(INT)不会触发中断，也不会使三极管Q3导通。

(4)当负载正常过流时(指工作电流大于210mA)，比较器U2的同相输入端(放大器U1的PIN3脚)的输入电压大于2.048V，比较器U2输出端(PIN1)输出为高电平，即CTRL＝3.3V，这样控制器MCU的中断脚(INT)会触发中断，同时使三极管Q3导通，三极管Q2的基极电压被拉低，三极管Q2截止，导致开关管Q1 P-MOS截止，后端无电源输出。如此同时，控制器MCU中断被触发，IO脚输出为低电平,保持开关管Q1 P-MOS截止，后端无电源输出，12V_OUT＝0V。这样就保护了后端电路和前端的整个12V_IN电源域。其他使用12V_IN电源的模块不会因此受影响。

本实施例的电源限流保护功能性模块，包括：所述高压小电流限流电路。

本实施例的无人机，包括：所述的高压小电流限流电路。

本实施例的无人车，包括：所述的高压小电流限流电路。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (11)

1.一种高压小电流限流电路，其特征是，包括开关、采样和放大电路、基准电源和比较器电路，开关分别连接采样和放大电路、开关控制电路，开关控制电路连接控制器，采样和放大电路连接基准电源和比较器电路，该基准电源和比较器电路与控制器相连，开关连接电源输入端、采样和放大电路连接电源输出端。

2.根据权利要求1所述的高压小电流限流电路，其特征是，基准电源和比较器电路包括比较器U2，开关控制电路包括三极管Q2、电阻R6、三极管Q3，其中，开关分别连接电源输入端、电阻R5、采样和放大电路，采样和放大电路分别连接电源输出端、比较器U2，电阻R5连接三极管Q2，三极管Q2分别于电阻R6、三极管Q3相连，电阻R6、三极管Q3均与控制器相连。

3.根据权利要求2所述的高压小电流限流电路，其特征是，电源输入端连接电阻R4，电阻R4连接电阻R5。

4.根据权利要求3所述的高压小电流限流电路，其特征是，采样和放大电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、放大器U1，开关分别与电阻R1的一端、电阻R2的一端相连，电阻R1的另一端分别连接电源输出端、电阻R3的一端，电阻R2的另一端、电阻R3的另一端均与放大器U1连接，放大器U1连接比较器U2。

5.根据权利要求4所述的高压小电流限流电路，其特征是，比较器U2反向输入端-IN连接电阻R8，同相输入端+IN连接放大器U1，电压输入端V+分别连接供给电压、电容C9，电容C9接地，电压输入端V-连接接地端，输出端VOUT连接控制器，电阻R8分别连接电容C8的一端、基准电压源U3的阴极、电阻R7的一端，基准电压源U3的阴极、电阻R7的一端相连接，电容C8的另一端分别与基准电压源U3的阳极、接地端相连，电阻R7的另一端连接供给电压。

6.根据权利要求5所述的高压小电流限流电路，其特征是，开关分别连接电容C5、放大器U1，电容C5与接地端相连，放大器U1连接接地端。

7.根据权利要求6所述的高压小电流限流电路，其特征是，三极管Q3经电容C6连接接地端，三极管Q2经电容C7接地，三极管Q3、三极管Q2的发射极均接地，电源输入端分别连接电容C1、电容C2，电容C1、电容C2均接地，电阻R1的另一端分别连接电容C3、电容C4，电容C3、电容C4均连接接地端。

8.根据权利要求7所述的高压小电流限流电路，其特征是，开关为开关管。

9.根据权利要求8所述的高压小电流限流电路，其特征是，控制器为MCU芯片。

10.一种限流保护模块，其特征是，包括如权利要求1-9所述的高压小电流限流电路。

11.一种无人运载设备，其特征是，包括无人机或无人车，以及设置在无人机或无人车内的如权利要求1-9所述的高压小电流限流电路。