CN108631279A - 过流保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种过流保护电路，包括控制模块、与控制模块连接的第一子控制模块、与控制模块连接的第二子控制模块及与控制模块连接的检测模块；所述第一子控制模块与第一场效应管Q1连接且用于控制第一场效应管Q1的导通或截止；所述第二子控制模块与第二场效应管Q7的栅极连接且用于控制第二场效应管Q7的导通或截止；所述检测模块包括第一三极管Q2，所述第一三极管Q2的基极与第二子控制模块连接且集电极与控制模块连接。本发明控制模块定时检测过流现象是否消失，当过流现象排除后能够自动驱动第一场效应管Q1和第二场效应管Q7导通向负载供电。

Description

过流保护电路
技术领域
本发明实施例涉及过流保护电路领域，尤其涉及一种过流保护电路。
背景技术
在电路系统中，当主机设备需要向多个从机设备提供电源时，通常都会在主机设备的电路中设计过流保护电路，防止因出现线路短路等情况时输出电流过大而导致器件损坏。当线路中电流大于一定值时，就启动过流保护措施。从机设备的电源输入端会并联较大容量的电容，以便内部的电源稳压芯片能够输出稳定的直流电压。当从机设备较多时，负载等效的电容值越大，在初始上电时，总线会对从机的电容充电，此时电流会特别大。
现有的主机电路中，为区别上电初始时因对电容充电出现短暂的线路电流大以及真正出现过流的情形，通常是在开关管两端并联较大阻值的电阻，或在电路中串联NTC等器件，使用这些器件作为过流保护措施时，初始上电时对电容的充电电流小，初始时间长，而且出现过流发生时一直会有电压输出，还是会有电流流过负载，一段时间后会出现器件过热损坏的情况。
当设备中有安装有多个控制模块，每个控制模块间共用输入电源，但连接不同的相互独立的输出回路。为了防止工程施工中输出回路间发生相互误接的情况，特别是一个控制模块的电源正极与另外一个控制模块的负极直接连接，如果只有一个控制模块进行过流保护还是不能确保另外的控制模块不会出现器件损坏的情况。
发明内容
本发明为解决上述背景技术中提出的技术问题，提供了一种过流保护电路。
本发明提供了一种过流保护电路，包括控制模块、与控制模块连接的第一子控制模块、与控制模块连接的第二子控制模块及与控制模块连接的检测模块；所述第一子控制模块与第一场效应管Q1连接且用于控制第一场效应管Q1的导通或截止；所述第二子控制模块与第二场效应管Q7的栅极连接且用于控制第二场效应管Q7的导通或截止；所述检测模块包括第一三极管Q2，所述第一三极管Q2的基极与第二子控制模块连接且集电极与控制模块连接。
进一步地，控制模块的第25管脚为FAULT管脚且与第一三极管Q2的集电极连接，控制模块的第41管脚为SHUTOFFA管脚且与所述第一子控制模块连接；控制模块的第42管脚为SHUTOFFB管脚且与第二子控制模块连接；控制模块的第43管脚为SEND管脚。
进一步地，所述第一子控制模块包括依次连接的第一电阻R1、第二三极管Q3、第二电阻R2及第一稳压二极管Z1与第三电阻R3的并联体；所述第一电阻R1连接于第二三极管Q3的基极；所述第二电阻R2一端连接于第二三极管Q3的集电极，另一端连接于第一稳压二极管Z1的阳极及第一场效应管Q1的第一端；所述第一稳压二极管Z1的阴极连接于24V的第一电源Vcc1及第一场效应管Q1的第二端；所述第二三极管Q3的基极与发射极之间连接有第四电阻R4且发射极接地，所述第一场效应管Q1的第三端连接第一电压输出端口。
进一步地，所述第二子控制模块包括第三三极管Q4、第四三极管Q5、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10；所述第三三极管Q4的发射极和集电极与第四三极管Q5的发射极和集电极分别对应连接，且发射极接地；所述第五电阻R5一端连接于第三三极管Q4的基极，另一端连接于控制模块；所述第六电阻R6两端分别连接于第三三极管Q4的基极和发射极；所述第七电阻R7一端连接于第四三极管Q5的基极，另一端连接于第一三极管Q2的基极；所述第八电阻R8两端分别连接于第四三极管Q5的基极和发射极；所述第九电阻R9一端连接于第三三极管Q4的集电极，另一端连接第二电源Vcc2；所述第十电阻R10一端连接于第三三极管Q4和第四三极管Q5的集电极，另一端连接于第二场效应管Q7的栅极；所述第二场效应管Q7的漏极连接于第二电压输出端口；所述第二场效应管Q7的源极接地。
进一步地，所述测量模块包括第五三极管Q6、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第二稳压二极管Z2、第一电容C1、保险F1、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19及第二十电阻R20；所述第五三极管Q6的发射极和基极分别连接于第十一电阻R11和第十二电阻R12串联形成的串联体两端，所述第五三极管Q6的发射极还连接于第一场效应管Q1的漏极，所述第十一电阻R11连接于第一场效应管Q1与第一电压输出端口的中间；所述第十三电阻R13的一端连接于第五三极管Q6的集电极，另一端连接于第一二极管D1的阳极，所述第一二极管D1的阴极分别与第十四电阻R14的一端、第一电容C1的一端、第十五电阻R15的一端及第二子控制模块连接；所述第十四电阻R14的另一端分别连接于第十六电阻R16的一端及第一三极管Q2的基极；所述第十七电阻R17的一端连接于第一三极管Q2的集电极，另一端连接于第三电源Vcc3；所述第一电容C1的另一端、第十六电阻R16的另一端及第一三极管Q2的发射极接地；所述第二二极管D2的阴极连接于第十五电阻R15的另一端，阳极分别连接于第十八电阻R18的一端及第十九电阻R19的一端；所述第十八电阻R18的另一端接地，所述第十九电阻R19的另一端连接于保险F1的一端，保险F1的另一端连接于第二场效应管Q7的漏极及第二电源输出端口；所述第三二极管D3的阴极连接于所述第二十电阻R20，阳极连接于第二稳压二极管Z2的阳极，所述第二稳压二极管Z2的阴极连接于第二电源输出端口。
进一步地，所述控制模块采用单片机、DSP或ARM等可编程逻辑芯片。
本发明的有益效果是：本发明配合通过检测模块设有的第一三极管Q2检测电路是否出现过流现象，控制模块定时检测第一三极管Q2的集电极电平状态。线路上的电流在正常值范围时Q2的集电极为高电平状态，线路的电流超过一定值时，Q2的集电极为低电平。当电路在上电初始时出现过流现象是，先是由第一三极管Q2控制关闭第二场效应管Q7，电流可以经过与第二场效应管Q7并联的电阻，由于这些电阻阻值较小，可以较快时间实现对第一电容C1的充电；当电路出现真正过流的情形时，第一三极管Q2的基极电压一直持续过流信号输出，控制模块驱动第一子控制模块控制第一场效应管Q1截止以及驱动第二子控制模块控制第二场效应管Q7截止，关闭电压输出，不会出现振荡情况，电路工作稳定。控制模块定时检测过流现象是否消失，当过流现象排除后能够自动驱动第一场效应管Q1和第二场效应管Q7导通向负载供电。
附图说明
图1为本发明过流保护电路的电路图。
图2为本发明过流保护电路的控制模块示意图。
图3为本发明过流保护电路的第一子控制模块的电路图。
图4为本发明过流保护电路的第二子控制模块的电路图。
图5为本发明过流保护电路的测量模块的电路图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1～5所示，本发明提供了一种过流保护电路，包括控制模块、与控制模块连接的第一子控制模块、与控制模块连接的第二子控制模块及与控制模块连接的检测模块；所述第一子控制模块与第一场效应管Q1连接且用于控制第一场效应管Q1的导通或截止；所述第二子控制模块与第二场效应管Q7的栅极连接且用于控制第二场效应管Q7的导通或截止；所述检测模块包括第一三极管Q2，所述第一三极管Q2的基极与第二子控制模块连接且集电极与控制模块连接。
本发明配合通过检测模块设有的第一三极管Q2检测电路是否出现过流现象，控制模块定时检测第一三极管Q2的基极电压，当电路在上电初始时出现过流现象是，先是由第一三极管Q2控制关闭第二场效应管Q7，电流可以经过与第二场效应管Q7并联的电阻，由于这些电阻阻值较小，可以较快时间实现对第一电容C1的充电；当电路出现真正过流的情形时，第一三极管Q2的基极电压一直持续过流信号输出，控制模块驱动第一子控制模块控制第一场效应管Q1截止以及驱动第二子控制模块控制第二场效应管Q7截止，关闭电压输出，不会出现振荡情况，电路工作稳定。控制模块定时检测过流现象是否消失，当过流现象排除后能够自动驱动第一场效应管Q1和第二场效应管Q7导通向负载供电。
在一个具体实施例中，所述第一子控制模块包括依次连接的第一电阻R1、第二三极管Q3、第二电阻R2及第一稳压二极管Z1与第三电阻R3的并联体；所述第一电阻R1连接于第二三极管Q3的基极；所述第二电阻R2一端连接于第二三极管Q3的集电极，另一端连接于第一稳压二极管Z1的阳极及第一场效应管Q1的第一端；所述第一稳压二极管Z1的阴极连接于24V的第一电源Vcc1及第一场效应管Q1的第二端；所述第二三极管Q3的基极与发射极之间连接有第四电阻R4且发射极接地，所述第一场效应管Q1的第三端连接第一电压输出端口。
在一个具体实施例中，所述第二子控制模块包括第三三极管Q4、第四三极管Q5、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10；所述第三三极管Q4的发射极和集电极与第四三极管Q5的发射极和集电极分别对应连接，且发射极接地；所述第五电阻R5一端连接于第三三极管Q4的基极，另一端连接于控制模块；所述第六电阻R6两端分别连接于第三三极管Q4的基极和发射极；所述第七电阻R7一端连接于第四三极管Q5的基极，另一端连接于第一三极管Q2的基极；所述第八电阻R8两端分别连接于第四三极管Q5的基极和发射极；所述第九电阻R9一端连接于第三三极管Q4的集电极，另一端连接第二电源Vcc2；所述第十电阻R10一端连接于第三三极管Q4和第四三极管Q5的集电极，另一端连接于第二场效应管Q7的栅极；所述第二场效应管Q7的漏极连接于第二电压输出端口；所述第二场效应管Q7的源极接地。
在一个具体实施例中，所述测量模块包括第五三极管Q6、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第二稳压二极管Z2、第一电容C1、保险F1、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19及第二十电阻R20；所述第五三极管Q6的发射极和基极分别连接于第十一电阻R11和第十二电阻R12串联形成的串联体两端，所述第五三极管Q6的发射极还连接于第一场效应管Q1的漏极，所述第十一电阻R11连接于第一场效应管Q1与第一电压输出端口的中间；所述第十三电阻R13的一端连接于第五三极管Q6的集电极，另一端连接于第一二极管D1的阳极，所述第一二极管D1的阴极分别与第十四电阻R14的一端、第一电容C1的一端、第十五电阻R15的一端及第二子控制模块连接；所述第十四电阻R14的另一端分别连接于第十六电阻R16的一端及第一三极管Q2的基极；所述第十七电阻R17的一端连接于第一三极管Q2的集电极，另一端连接于第三电源Vcc3；所述第一电容C1的另一端、第十六电阻R16的另一端及第一三极管Q2的发射极接地；所述第二二极管D2的阴极连接于第十五电阻R15的另一端，阳极分别连接于第十八电阻R18的一端及第十九电阻R19的一端；所述第十八电阻R18的另一端接地，所述第十九电阻R19的另一端连接于保险F1的一端，保险F1的另一端连接于第二场效应管Q7的漏极及第二电源输出端口；所述第三二极管D3的阴极连接于所述第二十电阻R20，阳极连接于第二稳压二极管Z2的阳极，所述第二稳压二极管Z2的阴极连接于第二电源输出端口。
本发明的实施原理如下：线路中第一场效应管Q1为总线的总开关，第一场效应管Q1关闭时总线没有输出电压。第二场效应管Q7是输出负端开关管，第十九电阻R19、第十八电阻R18串联后再与第二场效应管Q7并联。第二场效应管Q7导通时，没有电流流过第十九电阻R19及第十八电阻R18，当第二场效应管Q7截止时，电流可以流经第十九电阻R19及第十八电阻R18到地。第二三极管Q3及第三三极管Q4控制第二场效应管Q7是否导通。
第十一电阻R11串联在电路中检测总线的电流，正常工作情况下第十一电阻R11两端电压较低，第五三极管Q6处于截止状态，第一二极管D1、第二二极管D2的阳极电压低，第二三极管Q3及第三三极管Q4都为截止状态，第二场效应管Q7栅极电压为高电平，第一二极管Q2截止，FAULT端为高电平。
当线路中电流增大时，第十一电阻R11两端电压会升高，第十一电阻R11两端电压大于第五三极管Q6的导通电压(约0.6V)时，第五三极管Q6导通，Detect端电压变高，第一三极管Q2及第二三极管Q3导通，第二场效应管Q7栅极电压变为低电平，第二场效应管Q7截止，电流继续经过第十九电阻R19及第十八电阻R18到地，这时线路中串联引入的这两个电阻，会使总线的电流变小。如果是在上电初始阶段，由于电容充电导致的线路过流，在第二场效应管Q7截止后，由于第十九电阻R19及第十八电阻R18的阻值较为小，则从机设备的输入电容还将以较快的速度进行充电。在充电完成后，第十八电阻R18端的电压小于1V，不能使D2导通，这时第十一电阻R11两端电压也变低，第一二极管D1也处于截止状态，第一三极管Q2、第三三极管Q4截止，过流信号消失，第二场效应管Q7再次导通。如果是线路确实发生过流，则在第二场效应管Q7截止后，电流经第十九电阻R19及第十八电阻R18到地，当第十八电阻R18端电压大于1.2V，第二二极管D2导通、第一三极管Q2导通。控制模块识别到持续的过流FAULT信号，控制第一场效应管Q1、第二场效应管Q7关闭，切断总线电压输出。隔一段时间后，先控制第一场效应管Q1导通、第二场效应管Q7截止，这时电流还是流经电阻R19、R18，即使外部出现短路状态，线路中的电流不会非常大。当控制模块检测到过流信号FAULT还是为低，则表明过流现象还是存在。如果过流信号FAULT为高电平，则再控制第二场效应管Q7导通，根据FAULT信号判断过流现象是否排除。
在第十九电阻R19及第十八电阻R18间接有可恢复保险F1，R19、R18使用的阻值较小。当负载过小，第二场效就管Q5关闭后，电流流过F1、R19、R18形成回路时，电流会较大。电流超过可恢复保险F1的动作电流，可恢复保险F1会发热，在数秒时间内可恢复保险F1的电阻会变得很大，控制流过F1、R19、R18的电流到较小值。如果接在负端的高电压持续存在，则不会F1、R19、R18造成损坏。只要接在负端的电压大于第二稳压二极管Z2的额定电压值，第二稳压二极管Z2会导通，控制三极管Q2持续导通，一直向主控制芯片提供过流故障信号。在第二场效应管Q7导通，第二稳压二极管Z2处的电压都较低，该检测回路不起作用。这样即使出现控制模块的负端是有误接的高电压接入也能持续关闭控制回路，误接的高电压持续存在时，过流故障信号会持续存在。
具体实施时，要结合电路设计参数合理确定第十一电阻R11、第十九电阻R19、第十八电阻R18的电阻值。按图1中的阻值，所有二极管及三极管的导通按0.6V计算，有
线路电路超过3A时，第一电阻R11两端电压大于0.6V，第五三极管Q6导通。等效于24V供电电压情况下，线路的负载阻值的最小值RLmin为8Ω。
当第十八电阻R18两端电压大于1.2V时，使第二二极管D2导通、第一三极管Q2导通，则可等效为当第二场效应管Q7截止时的线路保护电流为
发生了过流情况，在第二二极管D2导通，使第二场效应管Q7截止后，电流经第十九电阻R19、第十八电阻R18形成回路，这时线路的电流值为
这时电阻R18两端电压约
VR18＝R18I2＝10×203mA＝2.03V
能够控制D2导通，从而使Q2导通。
R18、R19串联一个额定电流为100mA的PTC，实际测试结果表明，当100mA的可恢复保险F1与110欧电阻串联连接24V电源时，持续约2秒钟可恢复保险F1的阻抗会迅速变大，线路的电流很快减少。pSpice软件仿真结果表明，24V电压情况下，110欧电阻对10000uF电容充电，约0.7s充电电流能下降到120mA以下。可以在控制模块的软件中进入判断，过流信号如果持续超过1s则认为发生过流情况，通过软件控制关断电源输出。如果软件因其他任务打断不能及时关断电源输出时，超过2秒钟可恢复保险F1的阻抗会变大，使流经F1、R18、R19的电流变小。
当流过R18的电流变小后，其两端电压会下降，将使D2截止。这时系统相当于一个小于8欧的负载与F1、R18、R19相连，而此时F1、R18、R19等效的电阻肯定大于R18、R19的阻值即110欧。根据电阻分压计算方法，当110欧与8欧电阻串联接入24V电压时，110欧电阻端的电压约22V，即L-端电压会达到22V以上。此电压可以使12V稳压二极管Z2、D3导通，从而使Q2导通。这样过流信号FAULT还是会为低电平。
在确定第十九电阻R19、第十八电阻R18的阻值时，必须确保I2>I2max，这样才能有效的向控制模块提供稳定的过流信号，否则会导致第二场效应管Q7频繁导通与截止。确定电阻的阻值时要考虑电阻的额定功率。
系统中设计了三种阶梯式限制电流方式，使系统中出现过流时既不会因线路中电流太大导致器件损坏的情况，也能对大电容负载进行限制充电。确保系统能有效处理大电容初始充电，及真正发生过流的情况。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“在一个可选实施例中”、“具体地”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (6)

1.一种过流保护电路，其特征在于：包括控制模块、与控制模块连接的第一子控制模块、与控制模块连接的第二子控制模块及与控制模块连接的检测模块；所述第一子控制模块与第一场效应管Q1连接且用于控制第一场效应管Q1的导通或截止；所述第二子控制模块与第二场效应管Q7的栅极连接且用于控制第二场效应管Q7的导通或截止；所述检测模块包括第一三极管Q2，所述第一三极管Q2的基极与第二子控制模块连接且集电极与控制模块连接。
2.如权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于：控制模块的第25管脚为FAULT管脚且与第一三极管Q2的集电极连接，控制模块的第41管脚为SHUTOFFA管脚且与所述第一子控制模块连接；控制模块的第42管脚为SHUTOFFB管脚且与第二子控制模块连接；控制模块的第43管脚为SEND管脚。
3.如权利要求2所述的过流保护电路，其特征在于：所述第一子控制模块包括依次连接的第一电阻R1、第二三极管Q3、第二电阻R2及第一稳压二极管Z1与第三电阻R3的并联体；所述第一电阻R1连接于第二三极管Q3的基极；所述第二电阻R2一端连接于第二三极管Q3的集电极，另一端连接于第一稳压二极管Z1的阳极及第一场效应管Q1的栅极；所述第一稳压二极管Z1的阴极连接于24V的第一电源Vcc1及第一场效应管Q1的源极；所述第二三极管Q3的基极与发射极之间连接有第四电阻R4且发射极接地，所述第一场效应管Q1的漏极连接第一电压输出端口。
4.如权利要求3所述的过流保护电路，其特征在于：所述第二子控制模块包括第三三极管Q4、第四三极管Q5、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10；所述第三三极管Q4的发射极和集电极与第四三极管Q5的发射极和集电极分别对应连接，且发射极接地；所述第五电阻R5一端连接于第三三极管Q4的基极，另一端连接于控制模块；所述第六电阻R6两端分别连接于第三三极管Q4的基极和发射极；所述第七电阻R7一端连接于第四三极管Q5的基极，另一端连接于第一三极管Q2的基极；所述第八电阻R8两端分别连接于第四三极管Q5的基极和发射极；所述第九电阻R9一端连接于第三三极管Q4的集电极，另一端连接第二电源Vcc2；所述第十电阻R10一端连接于第三三极管Q4和第四三极管Q5的集电极，另一端连接于第二场效应管Q7的栅极；所述第二场效应管Q7的漏极连接于第二电压输出端口；所述第二场效应管Q7的源极接地。
5.如权利要求2所述的过流保护电路，其特征在于：所述测量模块包括第五三极管Q6、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第二稳压二极管Z2、第一电容C1、保险F1、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19及第二十电阻R20；所述第五三极管Q6的发射极和基极分别连接于第十一电阻R11和第十二电阻R12串联形成的串联体两端，所述第五三极管Q6的发射极还连接于第一场效应管Q1的漏极，所述第十一电阻R11连接于第一场效应管Q1与第一电压输出端口的中间；所述第十三电阻R13的一端连接于第五三极管Q6的集电极，另一端连接于第一二极管D1的阳极，所述第一二极管D1的阴极分别与第十四电阻R14的一端、第一电容C1的一端、第十五电阻R15的一端及第二子控制模块连接；所述第十四电阻R14的另一端分别连接于第十六电阻R16的一端及第一三极管Q2的基极；所述第十七电阻R17的一端连接于第一三极管Q2的集电极，另一端连接于第三电源Vcc3；所述第一电容C1的另一端、第十六电阻R16的另一端及第一三极管Q2的发射极接地；所述第二二极管D2的阴极连接于第十五电阻R15的另一端，阳极分别连接于第十八电阻R18的一端及第十九电阻R19的一端；所述第十八电阻R18的另一端接地，所述第十九电阻R19的另一端连接于保险F1的一端，保险F1的另一端连接于第二场效应管Q7的漏极及第二电源输出端口；所述第三二极管D3的阴极连接于所述第二十电阻R20，阳极连接于第二稳压二极管Z2的阳极，所述第二稳压二极管Z2的阴极连接于第二电源输出端口。
6.如权利要求2所述的过流保护电路，其特征在于：所述控制模块采用单片机、DSP或ARM等可编程逻辑控制芯片。
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