CN108141030A - 保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种保护电路(100)，包括：可供电压施加于其上的输入端(101)；与所述输入端(101)并联设置的切换路径(103)，其中，该切换路径(103)内连接有用于闭合该切换路径(103)的可控制开关(105)；连接至所述输入端(101)且用于检测该输入端(101)处的异常电压的传感装置(107)，其中，该传感装置(107)用于当检测到异常电压时，向所述可控制开关(105)发送控制信号，以闭合该可控制开关(105)，从而闭合所述切换路径(103)；以及能量供应装置(109)，该能量供应装置与所述切换路径(103)并联连接且用于将闭合状态下的所述可控制开关(105)上的电压降转化为供电电压，并将该供电电压施加至所述传感装置(107)上。

Description

保护电路

技术领域

本发明涉及一种保护电路。

背景技术

过压保护器或反极性保护装置可用于针对所施加的主输入电压的过压或反极性，为电路提供保护。反极性保护装置通常含有与主输入电压反平行设置的二极管，当发生反极性时，该二极管可将主输入电压限制至该二极管的正向电压。除了该二极管之外，此类电路通常还采用在发生反极性时熔断的保险丝。过压保护器通常含有与主输入电压串联且在施加过压时断开的开关，或者与主输入电压并联且在施加过压时闭合的开关。然而，过压保护器的此类开关可在正常操作期间产生较大损耗。而且，此类开关通常只能在短时间内使用。

此外，所谓的消弧电路或箝位电路可用作过压保护器。消弧电路含有短路开关或者过压传感器，该传感器在检测到过压时，通过启动所述短路开关而使主输入电压短路。

消弧电路的短路开关可以为晶闸管或场效应晶体管(FET)。晶闸管可在施加过压时通过闩锁将其末端短路，并一直使其自身保持闩锁状态，直至流经该晶闸管的电流降至保持电流以下。然而，晶闸管通常会产生较大损耗。为了限制此类损耗，电路还通常添加在晶闸管闩锁时熔断的保险丝。然而，该保险丝对与消弧电路连接的电流或电压供应装置造成很大的限制。例如，为了实现保险丝的快速熔断，任何连接的电源必须能够提供三倍于该保险丝额定值的电流。

另一方面，当场效应晶体管用作短路开关时，通常需要外部能量源对该短路开关进行控制，从而可能造成额外成本。此外，一旦该外部能量源发生任何故障，则表示该消弧电路再也不能确保发挥其保护功能。如果该场效应晶体管的控制电压由消弧电路的输入电压而非外部能量源提供时，当输入电压发生反极性时，同样无法确保发挥其保护功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种节能的保护电路。

该目的由具有根据独立权利要求的特征的技术方案实现。附图、说明书及从属权利的技术方案为本发明的有利实施方式。

根据所述本发明第一方面，上述目的由一种保护电路实现，该保护电路包括：可供主输入电压施加于其上的输入端；与所述输入端并联设置的切换路径，其中，该切换路径内连接有用于闭合该切换路径的可控制开关；连接至所述输入端且用于检测该输入端处的异常电压的传感装置，其中，该传感装置用于当检测到异常电压时，向所述可控制开关发送控制信号，以闭合该可控制开关，从而闭合所述切换路径；以及能量供应装置，该能量供应装置与所述切换路径并联且用于将闭合状态下的所述可控制开关上的电压降转化为供电电压，并将该供电电压施加于所述传感装置上。如此，所实现的优点在于，可实现针对异常主输入电压的有效保护。由于所述保护电路包括所述能量供应装置，而且由于该装置向所述保护电路提供供电电压，因此该保护电路无需设置用于供应能量的外部能量源。

所述输入端可包括可供所述主输入电压以电位差形式施加的第一极和第二极。当所述切换路径闭合时，可使得所述输入端，即所述第一极和第二极经该切换路径被短路。所述保护电路可通过所述输入端连接至电压供应装置和/或电流供应装置，而且其可在检测到该电流供应装置和/或电压供应装置提供的异常主输入电压时，闭合所述切换路径，从而实现通过该切换路径将所述电流和/或电压供应装置短路。

所述主输入电压可以为直流电压。具体而言，该主输入电压可包括例如用于自动化或汽车领域的高达60VDC的电压。

所述保护电路可以为封闭模块，该模块例如包括外壳，该保护电路的所有部件都设于该外壳内。此外，所述保护电路可包括电连接该保护电路各部件的电气线路。

所述传感装置还可包括用于检测异常主输入电压及用于控制可控制开关的电路。该传感装置可经电气线路与所述可控制开关电连接。此外，该传感装置可电连接至所述输入端，以对异常主输入电压进行检测。

所述能量供应装置可将所述切换路径上的电压降转化为供电电压，尤其为所述切换路径的可控制开关和/或输入电阻器上的电压降。所述切换路径上的电压降可以为50mV、100mV、150mV、200mV或250mV。

根据一种实施方式，所述能量供应装置包括储能装置，尤其为电容器和/或线圈且该储能装置可由所述供电电压充电，其中，该储能装置与所述传感装置的供电电压输入端连接。如此，所实现的优点在于，所述能量供应装置可高效且不受所述电压降波动影响的方式提供所述供电电压。

如此，可在将所述电压降转化为所述供电电压的过程中，对生成所述主输入电压的所述电压降例如在电压供应装置的打嗝工作模式下发生的波动进行补偿。

在所述保护电路的一种有利实施方式中，所述能量供应装置用于当所述可控制开关被打开，或者当触及该可控制开关上的电压降的阈值时转入无效状态，其中，当所述能量供应装置处于该无效状态下时，所述电压降无法转化为所述供电电压。如此，所实现的优点在于，所述能量供应装置仅在需要时，尤其当存在异常主输入电压时生成所述供电电压。这可降低所述保护电路的能耗。

所述能量供应装置可在不需要将所述可控制开关上的电压降转化为所述供电电压时，例如当所述可控制开关被打开时或者当该转化因所述电压降低至无法生成所述供电电压而无法实现时，转入无效状态。在该无效状态下，所述能量供应装置可具有高阻抗。

在所述保护电路的另一有利实施方式中，所述可控制开关包括晶体管，尤其常闭FET晶体管。该FET晶体管可以为MOSFET晶体管。

在所述保护电路的另一有利实施方式中，所述控制信号包括控制电压，其中，所述传感装置用于当检测到异常电压时，将所述控制电压施加于所述晶体管的栅极。如此，所实现的优点在于，可在当施加所述控制电压时，有效闭合所述切换路径。

在所述保护电路的另一有利实施方式中，所述供电电压与所述控制电压相同。在此情况下，所述传感装置可设计为当其感测到所述异常主输入电压时，将所述供电电压发送于所述可控制开关，从而将该可控制开关闭合。

在所述保护电路的另一有利实施方式中，所述异常主输入电压为过电压和/或反极性电压。如此，所实现的优点在于，可实现针对过电压和/或反极性电压的有效保护。

在所述保护电路的另一有利实施方式中，与所述切换路径内的所述可控制开关并联有二极管，其中，该二极管设置为当施加反极性的主输入电压时，将所述输入端短路。如此，所实现的优点在于，当所述主输入电压的极性反转时，可对其进行有效限制。此外，当所述主输入电压的极性反转时，流入所述输入端的电流可经所述二极管流出。

在所述保护电路的另一有利实施方式中，所述能量供应装置包括尤其为直流-直流转换器的第一转换器，该第一转换器用于将处于闭合状态下的所述可控制开关上的电压降转化为所述供电电压。如此，所实现的优点在于，可以以更低的能耗有效生成所述供电电压。具体而言，该供电电压的生成无需任何外部能量源。

在所述保护电路的另一有利实施方式中，所述能量供应装置包括连接于所述第一转换器和所述传感装置的供电电压输入端之间的第二转换器，该第二转换器用于将所述第一转换器产生的供电电压保持恒定，尤其通过增减该电压而将其保持恒定。如此，所实现的优点在于，可高效地使所述供电电压可为所述传感装置所用。通过使用两个转换器，可确保即使当处于闭合状态的所述可控制开关上的电压降较低，或者即使当该电压降具有波动时，也可有效地生成所述供电电压。所述第二转换器可以为升压转换器和/或降压转换器。

在所述保护电路的另一有利实施方式中，所述能量供应装置包括第三转换器，该第三转换器用于当所述主输入电压极性反转时，将处于闭合状态的所述可控制开关上的电压降转化为所述供电电压。如此，所实现的优点在于，即使当所述主输入电压的极性和/或所述可控制开关上的电压降的极性反转时，也能有效生成所述供电电压。

在所述保护电路的另一有利实施方式中，所述第二转换器连接于所述第三转换器与所述传感装置之间，以接收由所述第三转换器生成的所述供电电压，并在将该电压馈送于所述传感装置之前，将其保持恒定，尤其通过增减该电压而将其保持恒定。

在所述保护电路的另一有利实施方式中，所述能量供应装置包括尤其为二极管的整流器，其中该整流器用于当所述主输入电压出现反极性时防止所述供电电压的反极性。如此，所实现的优点在于，即使当所述主输入电压的极性和/或所述可控制开关上的电压降的极性反转时，也能有效生成所述供电电压。

在所述保护电路的另一有利实施方式中，所述传感装置用于当所述供电电压降至其他特定阈值以下时，减小所述控制信号的信号强度。如此，所实现的优点在于，可有效补偿所述可控制开关上的最小电压降。通过减小所述控制信号，可增大所述可控制开关的等效电阻，从而增大所述可控制开关上的电压降，以及增大所转化的供电电压。

在所述保护电路的另一有利实施方式中，所述传感装置用于当所述供电电压升至一定最小阈值之上时，增大所述控制信号的信号强度。

在所述保护电路的另一有利实施方式中，该保护电路包括用于输出所述主输入电压的输出端。该输出端可与所述切换路径并联。如此，所实现的优点在于，该保护电路可例如用作电流或电压源与负载之间的中间模块。该保护电路可为所述负载提供针对异常主输入电压，尤其针对过压或反极性的保护。该保护电路可设计为四极模块。

根据本发明的第二方面，上述目的由一种电压供应装置，尤其包括根据本发明第一方面的所述保护电路的恒压电源实现。如此，所实现的优点在于，可实现一种有效防止输出异常电压，尤其防止输出过电压和/或反极性电压的电压供应装置。

附图说明

以下，对附图所示的本发明的例示实施方式进行进一步详细说明。

附图中：

图1为根据一种实施方式的保护电路的示意图。

图2为根据一种实施方式的保护电路的示意图。

图3为根据一种实施方式的带输出端的保护电路的示意图。

图4为根据一种实施方式的集成保护电路的示意图。

附图标记

100 保护电路

101 输入端

103 切换路径

105 可控制开关

107 传感装置

109 能量供应装置

111 二极管

113 第一极

115 第二极

117 负载

201 第一转换器

203 第二转换器

205 第三转换器

207 电阻器

209 电路

301 输出端

303 第三极

305 第四极

具体实施方式

图1为根据一种实施方式的保护电路100的示意图。

保护电路100包括：可供主输入电压施加的输入端101；与输入端101并联设置的切换路径103，其中切换路径103内连接有用于闭合切换路径103的可控制开关105；以及连接至输入端101且用于检测输入端101处的异常主输入电压的传感装置107，其中，传感装置107用于当检测到异常主输入电压时，通过向可控制开关105发送控制信号而闭合可控制开关105，从而闭合切换路径103。此外，保护电路100包括与切换路径103并联的能量供应装置109，该能量供应装置用于将闭合状态下的可控制开关105上的电压降转化为供电电压，并将该供电电压施加于传感装置107之上。

输入端101可包括可供主输入电压以电位差形式施加的第一极113和第二极115。当切换路径103闭合时，可使得所述输入端，即第一极113和第二极115经该切换路径103被短路。保护电路100可通过输入端101连接至电压供应装置和/或电流供应装置，而且其可在检测到该电流供应装置和/或电压供应装置提供的异常主输入电压时，闭合切换路径103，从而实现通过该切换路径103将所述电流和/或电压供应装置短路。

所述电压可以为直流电压。具体而言，该电压可包括例如用于自动化或汽车领域的高达60VDC的电压。

保护电路100上可连接负载117(即电气负载)。具体而言，负载117可与切换路径103并联。保护电路100可用于将所述主输入电压馈送至负载117。

保护电路100可以为封闭模块，该模块例如包括外壳，保护电路100的所有部件都设于该外壳内。此外，保护电路100可包括电连接保护电路100各部件的电气线路。

传感装置107还可包括用于检测异常主输入电压及用于控制可控制开关105的电路209。传感装置107可经电气线路与可控制开关105电连接。此外，传感装置107可电连接至输入端101，以对异常主输入电压进行检测。

能量供应装置109可将切换路径103上的电压降转化为供电电压，该电压降尤其为切换路径103的可控制开关105和/或输入电阻器上的电压降。切换路径103上的电压降可以为50mV、100mV、150mV、200mV或250mV。

可控制开关105可包括晶体管，尤其FET晶体管或MOSFET晶体管。所述控制信号可以为控制电压，其中，传感装置107用于在检测到异常主输入电压时，将所述控制电压施加于所述晶体管的栅极。此外，所述晶体管可设计为常闭晶体管，而且其可仅在所述控制电压施加于该晶体管栅极上时，闭合切换路径103。

所述控制电压可对应于所述供电电压，具体而言，该控制电压可与所述供电电压相同。传感装置107可用于在检测到异常主输入电压时，将所述供电电压施加至所述晶体管的栅极上。

所述异常主输入电压可包括为过电压或反极性电压的主输入电压。如此，保护电路100可用作过压或反极性电压的保护手段。当保护电路100例如连接至电压供应装置或电流供应装置时，保护电路100可检测该电流或电压供应装置所提供电压的过压和/或反极性，并且在当其检测到此类过压和/或反极性时，通过切换路径103，将所述电流或电压供应装置短路。

图1所示保护电路100还包括与切换路径103内的可控制开关105并联的二极管111。

二极管111可设置为与切换路径103内的正常电流流动方向相反(即与其反平行)。

二极管111还可用作反极性保护手段。举例而言，当所述主输入电压的极性反转时，二极管111将输入端101的第一极113与第二极115短路。在图1所示例示实施方式中，当所述主输入电压的极性反转时，二极管111可传导从第一极113流向第二极115的电流。如此，二极管111可将所述能量供应源的反极性主输入电压限制至二极管111的正向电压值，该值可例如为0.7V～1V。二极管111可以为齐纳二极管。

图2为根据另一实施方式的保护电路100的示意图。

图2所示的能量供应装置包括第一转换器201，第二转换器203及第三转换器205。第一转换器201、第二转换器203和第三转换器205可以为直流-直流转换器，这些转换器用作电荷泵，并可将切换路径103上的电压降转化为所述供电电压，其中，该供电电压可高于所述电压降。

第一转换器201可用于当所述主输入电压以正常极性施加时产生所述供电电压，第三转换器205可用于当所述主输入电压以反极性施加时产生该供电电压。

第二转换器203可连接于第一转换器201与传感装置107的供电电压输入端之间，或第三转换器205与传感装置107的供电电压输入端之间。第二转换器203可用于分别将第一转换器201或第三转换器205所产生的供电电压保持恒定，具体而言，通过对其进行增减而保持其恒定，以及用于将所述电压施加于传感装置107的供电电压输入端。第二转换器203的使用实现了即使在处于闭合状态的可控制开关105上的电压降较低时，也能确保有效地生成所需的供电电压。第二转换器203可以为升压转换器和/或降压转换器。

根据一种实施方式，第一转换器201和/或第二转换器203和/或第三转换器205分别包括常开晶体管和/或谐振电路，尤其常闭谐振电路。

根据另一实施方式，能量供应装置109包括整流器，尤其为二极管。该整流器可用于当所述主输入电压极性反转时，防止或补偿所述供电电压的反极性。

根据另一实施方式，所述整流器包括正向电压较低的二极管。此外，该整流器可包括常开开关。该整流器可以为桥式整流器。

根据另一实施方式，能量供应装置109包括储能装置，尤其为电容器和/或线圈。该储能装置可由所述供电电压充电。此外，该储能装置可与传感装置107的供电电压输入端连接。

所述储能装置可例如在电压供应装置的打嗝工作模式期间补偿所述电压降的波动，该电压供应装置在将所述电压降向所述供电电压的转化期间生成所述主输入电压。此外，在传感装置107检测到所述异常主输入电压后，可由所述储能装置所储存的能量生成所述供电电压。在可控制开关105闭合后，可利用处于闭合状态的可控制开关105上的电压降生成所述供电电压，或者将该电压降转化成所述供电电压。

根据另一实施方式，能量供应装置107包括若干能量收集装置。此外，转换器201，203，205可设计为能量收集转换器。

图2所示的切换路径103包括电阻器207，该电阻器连接于可控制开关105与第一极113之间，并代表切换路径103的等效电阻。

根据一种实施方式，能量供应装置109用于将可控制开关105和/或电阻器207上的电压降转化为所述供电电压。

图2所示的传感装置107包括用于检测异常主输入电压以及用于控制可控制开关105的电路209。电路209可包括由两个二极管形成的用于对在图2中示为常闭晶体管的可控制开关105进行控制的或门。

根据一种实施方式，传感装置107用于当所述供电电压降至某一其他阈值以下时，降低控制信号的信号强度。举例而言，当未知电流或电压源经切换路径103被短路后，切换路径103的可控制开关105和/或所述等效电阻207上的电压降的阻抗可能低至无法将该电压降转化为足以生成所述控制信号的供电电压电平。如果所述供电电压太低，则传感装置107可用于削减施加至所述FET晶体管栅极上的控制信号(尤其为控制电压)。该控制电压的削减使得所述FET晶体管的阻抗增大，从而增大该晶体管上的电压降。

根据另一实施方式，传感装置107用于当所述供电电压升至超出一定最小阈值时，提升所述控制信号的信号强度。

根据另一实施方式，当发生过压或反极性时，可将所述控制信号(具体为控制电压)调节至足够的电压电平，以经切换路径103将产生低输出电流的未知能量源永久短路。

根据另一实施方式，保护电路100包括调节器，该调节器用于当所述供电电压太低时减小所述控制电压，以及当所述供电电压太高时增大所述控制电压。

图3为根据一种实施方式的带输出端301的保护电路示意图。

输出端301可用于输出所述主输入电压。输出端301可与切换路径103并联设置。图3所示输出端301包括可供所述主输入电压以电位差的形式施加的第三极303和第四极305。

根据一种实施方式，所述保护电路可设计为四极模块。该四极模块可连接于所述电流或电压源与负载117(即电气负载)之间。

图4为根据一种实施方式的集成于电压供应装置或电流供应装置内的保护电路100的示意图。

该电压供应装置可以为恒压电源，而所述电流供应装置可以为恒流电源。

根据一种实施方式，保护电路100可作为电压监测装置连接至所述电压供应装置的输出端。该保护电路可在当所述电压供应装置的电压调节器失效时，或者当主输入电压以相反方向(即反极性)施加时，限制所述供电电压。

根据另一实施方式，保护电路100可用作无需外部能量源的低损耗过电压和/或反极性保护装置。

Claims (15)

1.一种保护电路(100)，其特征在于，包括：

可供电压施加的输入端(101)；

与所述输入端(101)并联设置的切换路径(103)，其中，所述切换路径(103)内连接有用于闭合所述切换路径(103)的可控制开关(105)；

连接至所述输入端(101)且用于检测所述输入端(101)处的异常电压的传感装置(107)，其中，所述传感装置(107)用于当检测到异常电压时，向所述可控制开关(105)发送控制信号，以闭合所述可控制开关(105)，从而闭合所述切换路径(103)；以及

能量供应装置(109)，所述能量供应装置与所述切换路径(103)并联连接且用于将闭合状态下的所述可控制开关(105)上的电压降转化为供电电压，并将所述供电电压施加至所述传感装置(107)上。

2.根据权利要求1所述的保护电路(100)，其特征在于，所述能量供应装置(109)包括可由所述供电电压充电的储能装置，尤其为电容器或线圈，所述储能装置连接至所述传感装置(107)的供电电压输入端。

3.根据权利要求1或2所述的保护电路(100)，其特征在于，所述能量供应装置(109)用于当所述可控制开关(105)被打开，或者当触及所述可控制开关(105)上的所述电压降的阈值时转入无效状态，其中，当所述能量供应装置(109)处于所述无效状态下时，所述电压降无法转化为所述供电电压。

4.根据前述权利要求当中任一项所述的保护电路(100)，其特征在于，所述可控制开关(105)包括尤其为常闭FET的晶体管。

5.根据权利要求4所述的保护电路(100)，其特征在于，所述控制信号包括控制电压，且所述传感装置(107)用于当检测到异常电压时，将所述控制电压施加至所述晶体管的栅极。

6.根据权利要求4或5所述的保护电路(100)，其特征在于，所述供电电压与所述控制电压相同。

7.根据前述权利要求当中任一项所述的保护电路(100)，其特征在于，异常主输入电压为过电压和/或反极性电压。

8.根据前述权利要求当中任一项所述的保护电路(100)，其特征在于，二极管(111)与所述切换路径(103)内的所述可控制开关(105)并联，其中，所述二极管(111)设置为当施加反极性的主输入电压时，将所述输入端(101)短路。

9.根据前述权利要求当中任一项的所述保护电路(100)，其特征在于，所述能量供应装置(109)包括尤其为直流-直流转换器的第一转换器(201)，其中所述第一转换器用于将处于闭合状态下的所述可控制开关(105)上的所述电压降转化为所述供电电压。

10.根据权利要求9所述的保护电路(100)，其特征在于，所述能量供应装置(109)包括连接于所述第一转换器(201)和所述传感装置(107)的供电电压输入端之间的第二转换器(203)，所述第二转换器用于将所述第一转换器(201)产生的所述供电电压保持恒定，尤其通过增加或减少所述供电电压而将所述供电电压保持恒定。

11.根据权利要求9或10所述的保护电路(100)，其特征在于，所述能量供应装置(109)包括第三转换器(205)，所述第三转换器用于当所述主输入电压的极性反转时，将处于闭合状态的所述可控制开关(105)上的所述电压降转化为所述供电电压。

12.根据权利要求9至11当中任一项所述的保护电路(100)，其特征在于，所述能量供应装置(109)包括尤其为二极管的整流器，其中所述整流器用于当所述主输入电压出现反极性时防止所述供电电压的反极性。

13.根据前述权利要求当中任一项所述的保护电路(100)，其特征在于，所述传感装置(107)用于当所述供电电压降至其他特定阈值以下时，减小所述控制信号的信号强度。

14.根据前述权利要求当中任一项所述的保护电路(100)，其特征在于，所述保护电路包括用于输出所述主输入电压的输出端(301)。

15.一种电压供应装置，所述电压供应装置尤其为恒压电源且包括根据前述权利要求当中任一项所述的保护电路(100)。