CN108923376B - 一种可自恢复的过流关断保护方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可自恢复的过流关断保护方法及电路，在电流通路上串接开关P‑MOS管，电流检测传感器、R‑C并联滤波电路、反向迟滞电压比较器以及基于N‑MOS管的开关控制器；反向迟滞电压比较器确定电流检测传感器输出电压是否超出正常值，根据输入电压与参考电压的比较情况输出高电平或低电平，基于N‑MOS管的开关控制器根据接收的高电平或低电平实现截止或导通，开关P‑MOS管根据基于N‑MOS管的开关控制器的截止或导通状态完成关断或导通。解决因在断电保护后需要人为干预才能恢复正常工作而导致电路短暂宕机的问题。可在供电电路电流异常增大时，自行对电路电流进行关断，在维持一段时间的掉电后，重新自行恢复供电，且电路结构原理简单、成本低、通用性强。

Description

一种可自恢复的过流关断保护方法及电路

技术领域

本发明涉及一种电路电流过流保护的方法，尤其涉及电路过流保护关断后自恢复的方法及电路。

背景技术

通常情况下电路在正常工作时，其供电电流都会在一定范围内。当电路出现某些故障导致电流迅速增大时(例如电路芯片出现栓锁，通过芯片的电流迅速增加，功耗也就相应增加，芯片迅速发热，如果维持栓锁时间较长，极有可能出现芯片损坏的情况。芯片要退出栓锁状态，必须要进行断电处理)，需要采取断电处理措施以保护电路安全。如果电路未发生损坏，断电后再恢复供电，电路就可以重新工作。

现有的电路电流过流保护措施一般采取断电保护，也即当电路电流超过设备额定电流时，设备自动断电。诸如电流熔断器，当电流超过额定要求时熔断器烧毁，电流断路。还有其他的过流保护方法，如过流继电器，过负载继电器等。这些过留保护方法的工作原则就是当电流超过额定之后自动断开回路以保护电路不被烧毁。要想重新加载，就需要进行人为干预。

在大部分情况下，电路电流过载后，及时断开电流能保证电路不会被损坏。在某些情况下，电路电流过大是由于某些偶发因素导致，例如电路芯片出现栓锁，其电流异常增加等。这种情况下，电路在短暂断电后重新加载就能够恢复正常工作状态。而当前大部分过流保护方法都不具备断电后重新自动加载的功能，只能通过人为干预恢复正常工作，导致电路短暂宕机。

发明内容

为了解决因在断电保护后需要人为干预才能恢复正常工作而导致电路短暂宕机的问题，本发明提供了一种可自恢复的过流关断保护方法及电路，可在供电电路在发生偶发故障(例如芯片栓锁)电流异常增大时，自行对电路电流进行关断。

本发明的技术解决方案是提供一种可自恢复的过流关断保护方法，包括以下步骤：

步骤一：电流通断控制

在电流通路上串接开关P-MOS管，其源极、漏极分别连接电流输入、输出(其源极为电流输入端，漏极为电流输出端)，栅极与源极之间串接一个大电阻，通过栅极上的电压状态控制开关P-MOS管源极-漏极的导通与截止，实现电流通断控制，达到开关控制的目的；

步骤二：电流检测

在开关P-MOS管之后检测电流通路上的电流，并将电流信号转换为电压信号；

可以在开关P-MOS管输出之后的电流通路上接入一个电流检测传感器，检测电流通路上的电流信号并将电流信号转换为电压信号输出；注意在检测过程中对被检测电流的影响应不会影响电流负载的正常工作。

步骤三：电压信号平滑

将步骤二输出的电压信号进行滤波，降低电压纹波；

可以在电流检测传感器输出端通过一个电阻接入一个R-C并联滤波电路，将电流检测传感器输出电压进行低通滤波，平滑电压信号。

步骤四：反向迟滞电压比较

将步骤三滤波后的电压信号输入至一个反向迟滞电压比较器，反向迟滞电压比较器依据输入电压与参考电压的比较情况输出高电平或低电平；

可以在R-C并联滤波电路之后接入一个反向迟滞电压比较器(由一个电压比较器及相应的正反馈电阻网路组成)，反向迟滞电压比较器输入负端与R-C并联滤波电路的输出相连，反向迟滞电压比较器输入正端通过一个电阻接入一个参考电压(参考电压值可以依据电流检测传感器-RC并联滤波电路在电路正常工作时输出的最大电压为参照进行设置)，反向迟滞电压比较器阈值电位分别为V_{g_high}、V_{g_low}(V_{g_high}大于V_{g_low})。当反向迟滞电压比较器负端电位高于V_{g_high}时，反向迟滞电压比较器输出低电平；当反向迟滞电压比较器负端电位低于V_{g_low}时，比较器输出高电平；当反向迟滞电压比较器正端电位高于V_{g_low}、低于V_{g_high}时，反向迟滞电压比较器维持原状态。

步骤五：开关控制

将步骤四输出的高电平或低电平接入到基于N-MOS管的开关控制器，基于N-MOS管的开关控制器根据接收的高电平或低电平实现截止或导通，开关P-MOS管根据基于N-MOS管的开关控制器的截止或导通状态完成关断或导通。

基于N-MOS管的开关控制器源极与开关P-MOS管栅极相连，漏极接地，栅极与反向迟滞电压比较器输出端相连，栅极与地之间串接一个电阻。

当电路正常工作，电流通路上电流处于正常状态时，R-C并联滤波电路上电位小于反向迟滞电压比较器上门槛电压阈值V_{g_high}，比较器输出高电平，基于N-MOS管的开关控制器源极-漏极处于导通状态。开关P-MOS管栅极通过N-MOS管被拉到低电位，源极-漏极之间处于导通状态。

如电路出现异常(例如栓锁等状况)，电流异常增大时，电流检测传感器输出电位增加，相应的R-C并联滤波电路上电位增加。当该电位超过反向迟滞电压比较器门槛电压阈值V_{g_high}时，反向迟滞电压比较器输出低电平，基于N-MOS管的开关控制器源极-漏极处于截止状态。开关P-MOS管栅极通过其栅-源之间的电阻被拉到高电位，从而源极-漏极之间处于高阻状态，电流通路被关断。

在电流被关断后(电路有可能会因断电恢复正常，如退出栓锁状态)，电流检测传感器输出电位为0，由于R-C并联滤波电路的存在，R-C并联滤波电路上电位缓慢下降，当该电位低于反向迟滞电压比较器下门槛电压阈值V_{g_low}时，反向迟滞电压比较器输出高电平，基于N-MOS管的开关控制器源极-漏极被导通，开关P-MOS管栅极通过基于N-MOS管的开关控制器被拉到低电位，源极-漏极之间处于导通状态。从而完成了自恢复过程。

进一步地，当断路时，可通过调整R-C常数和/或反向迟滞电压比较器的反馈参数调整断路自恢复时间t_r，断路自恢复时间t_r＝RCln(V_{g_high}/V_{g_low})，其中V_{g_high}与V_{g_low}为反向迟滞电压比较器的输入上门槛电位与输入下门槛电位。R-C时间常数越大，电流通路从被关断到被导通需要的时间越长。

进一步地，上述步骤一中使用的开关P-MOS管为大功率管，当开关P-MOS管导通时要确保可通过大于电路工作的电流。

本发明还提供一种可自恢复的过流关断保护电路，其特殊之处在于：包括开关P-MOS管、电流检测传感器、R-C并联滤波电路、反向迟滞电压比较器以及基于N-MOS管的开关控制器；

上述开关P-MOS管用于控制电流的通断；

上述电流检测传感器用于检测电流大小并将电流信号转换为电压信号输出；

上述R-C并联滤波电路用于平滑电流检测传感器的输出，并将平滑后的电压信号输入至反向迟滞电压比较器，同时控制电流断流后的自恢复时间；

上述反向迟滞电压比较器用于确定电流检测传感器输出电压是否超出正常值，根据输入电压与参考电压的比较情况输出高电平或低电平，同时控制电流断流后的自恢复时间；

上述基于N-MOS管的开关控制器在反向迟滞电压比较器控制下控制开关P-MOS管的源极-漏极的导通或关断。

进一步地，上述反向迟滞电压比较器包括电压比较器与电阻R3、电阻R4、电阻R5；

上述开关P-MOS管的源极、漏极分别为电流输入、输出端，开关P-MOS管的源极与栅极之间串接一个电阻；

开关P-MOS管的输出端与电流检测传感器的输入端连接，电流检测传感器的输出端经过一个串联电阻及R-C并联滤波电路后与电压比较器输入负端相连，电压比较器输出端与基于N-MOS管的开关控制器的栅极相连，基于N-MOS管的开关控制器的源极与开关P-MOS管栅极相连，控制P-MOS管漏极接地，基于N-MOS管的开关控制器栅极与地之间串接一个电阻；

电压比较器输入正端通过电阻R5接入一个参考电压，电压比较器输出端通过电阻R4接地，电压比较器输出端与输入正端之间串接电阻R3。

进一步地，上述电流检测传感器为霍尔传感器，(如霍尔电流传感器ACS712，或其他类型霍尔电流传感器)，能够检测被测电流大小而不会对被测电流造成影响，并且将被测值转换为电压。

本发明的优点是：

1、本发明可在供电电路在发生偶发故障(例如芯片栓锁)电流异常增大时，自行对电路电流进行关断，在维持一段时间的掉电后，重新自行恢复供电，不需要额外的人工干预，且电路结构原理简单、成本低、通用性强。

2、本发明可依据电路正常工作时的电流情况设置关断电压阈值(通过设置V_ref设置V_{g_high}与V_{g_low})，既保证不影响电路的正常工作，也能够防止异常大电流长时间通过电路，进而烧毁电路。

3、本发明可以依据需要设置电流自恢复时间，具有较强的灵活性。

附图说明

图1为本发明的电路原理图；

图2为电流通路上电流I、电流检测传感器输出电位V₁、电压比较器输入电位V₂、反向迟滞电压比较器输出电位V₃分别在电路正常工作时、电流异常后自动关断、关断后自恢复的波形示意。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

本发明在电流通路上设置一个大功率开关P-MOS管控制电流的通断；使用一个电流检测传感器检测电流大小，并输出相应电位；电流检测传感器输出电位在经过R-C滤波器平滑后输入给一个反向迟滞电压比较器；反向迟滞电压比较器将输入电压与预先设置好的电位参考值进行比较输出高电平或低电平；反向迟滞电压比较器的输出与一个基于N-MOS管开关控制器的栅极相连，这样就可以控制该N-MOS管源极-漏极之间的通、断状态；通过基于N-MOS管的开关控制器确定开关P-MOS管的栅极是否接地，从而控制了开关P-MOS管源极-漏极之间的通、断。

基于上述原理，本发明所提供的可控可自恢复的过流关断保护方法包括以下步骤：

(1)使用开关P-MOS管控制电流的通断：在电流的通路上设置开关P-MOS管，通过开关P-MOS管的栅极电压状态控制控制电流的通断；

(2)电流检测：检测电流通路上的电流，并将其转换为电压信号；

(3)电压信号的平滑：将步骤(2)输出的电压信号进行滤波，降低电压纹波，同时可通过调整R-C常数调整断路自恢复时间；

(4)电压比较：将步骤(3)处理后的电压信号输入至一个反向迟滞电压比较器，反向迟滞电压比较器依据输入电压与参考电压的比较情况输出高电平或低电平，同时可通过调整反向迟滞电压比较器的反馈参数调整断路自恢复时间；

(5)开关控制：将步骤(4)输出的电平接入到基于N-MOS管的开关控制器，当反向迟滞电压比较器输出高电平时，该基于N-MOS管的开关控制器导通，步骤(1)中的开关P-MOS则变成导通状态。当反向迟滞电压比较器输出低电平时，该基于N-MOS管的开关控制器截止，步骤(1)中的开关P-MOS则变成截止状态，电流通路就被截断；

自恢复的过流关断保护电路包括开关P-MOS管、电流检测传感器、R-C滤波电路、反向迟滞电压比较器、基于N-MOS管的开关控制器，其中开关P-MOS管用于控制电流的通断；电流检测传感器用来检测电流大小并输出相应电位；R-C滤波电路用来平滑电流传感器输出，同时控制电流断流后的自恢复时间；反向迟滞电压比较器用来确定经R-C滤波电路平滑后的电流检测传感器输出电位是否超出正常值(电路正常工作时，经R-C滤波电路平滑后的电流检测传感器输出电位最大值)，同时控制电流断流后的自恢复时间；基于N-MOS管的开关控制器在反向迟滞电压比较器的控制下决定了电流开关P-MOS的源极-漏极是处于导通还是高阻状态。

从图1可以看出，本实施例自恢复的过流关断保护电路包括P-MOS管Q1、N-MOS管Q2、电流检测传感器、反向迟滞电压比较器、电阻R1、电阻R2、电阻R6、电阻R7及电容C；

反向迟滞电压比较器由一般电压比较器以及电阻R3、R4、R5组成。电阻R3串接在比较器正向输入端与输出端之间，电阻R4一端与比较器正向输入端相连，另一端接地，电阻R5一端与比较器正向输入端相连，另一端接入参考电位。

P-MOS管Q1源极与电流输入相连，漏极与电流输出端相连，源极与栅极之间通过电阻R1相连；电流检测传感器的电流输入端连接被测电流输入端，电流输出端连接被测电流输出端，电压输出端通过电阻R7与电压比较器负端相连；电阻R7、电压比较器负端之间连接有电阻R6、电容C的一端，电阻R6、电容C的另一端接地；电压比较器输入正端通过电阻R5接入一个电压参考V_ref，输出端通过电阻R4接地，输出端与正端之间串接电阻R3；电压比较器输出端与N-MOS管Q2栅极相连；N-MOS管Q2源极与P-MOS管Q1栅极相连，漏极接地；电阻R2一端与N-MOS管Q2栅极相连，另一端接地。

下面以一次电路上电，及上电后电流先正常，然后异常，最后断电一定时间后自行恢复供电的过程为例，具体说明本发明控制电流通路的效果。

电路上电之前，电流传感器输出电压为0，反向迟滞电压比较器输出为高电平，基于N-MOS管的开关控制器导通，开关P-MOS管栅极通过N-MOS管接地，P-MOS管导通，因此可以正常上电。

电压比较器与电阻R3、R4、R5组成反向迟滞电压比较器。如果电压比较器输出高、低电位分别为V_high、0，电压比较器输入参考电压为V_ref，可以求出反向迟滞电压比较器的输入上门槛电位为输入下门槛电位为/>(考虑到电流检测传感器输出电位都高于0V，则V_ref＞0)。如果电路正常工作时R-C滤波器上电位为V₂(电压比较器输入电位)，设置V_ref，令V_{g_high}＞V_{g_low}＞V₂。当输入电位高于V_{g_high}时，电压比较器输出低电平0V；当输入电位低于V_{g_low}时，电压比较器输出高电平V_high；当输入电位在V_{g_low}、V_{g_high}之间时，电压比较器输出维持原状态。

当电路正常工作时，电流检测传感器输出电位经R-C滤波平滑后V₂＜V_{g_high}，反向迟滞电压比较器输出高电平V_high，这就使基于N-MOS管的开关控制器源极-漏极之间处于导通状态，开关P-MOS管栅极为低电位，开关P-MOS管源极-漏极之间导通，电流正常通过。

电路出现异常时(例如芯片栓锁等状况)，电流I增加，电流检测传感器输出V₁增加，相应的电压比较器输入电位V₂也会上升，在t1时刻，V₂＞V_{g_high}时，反向迟滞电压比较器输出低电平0V，这就使基于N-MOS管的开关控制器源极-漏极之间处于截止状态，开关P-MOS管栅极通过其栅-源之间电阻被拉至高电位，开关P-MOS管源极-漏极之间呈现高阻，电流被关断，电路脱离异常状态。

电路电流被关断后，电流检测传感器输出就为0。由于R-C滤波器的存在，电压比较器输入电位V₂不会立刻降到0，而是缓慢下降。在t2时刻，V₂＜V_{g_low}时，反向迟滞电压比较器输出高电平V_high，这就使基于N-MOS管的开关控制器源极-漏极之间处于导通状态，开关P-MOS管栅极为低电位，开关P-MOS管源极-漏极之间导通，电流正常通过，电路恢复工作。电路电流最小恢复时间为t_r＝RCln(V_{g_high}/V_{g_low})，其中R＝R6R7/(R6+R7)。可以看出可以通过调整R-C时间常数及反向迟滞电压比较器参考电位调整恢复时间。

Claims (4)

1.一种可自恢复的过流关断保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在电流的通路上串接开关P-MOS管，通过开关P-MOS管的栅极电压状态控制P-MOS管源极-漏极的导通与截止，实现电流通断控制；

步骤二：检测电流通路上的电流，并将电流信号转换为电压信号；

步骤三：将步骤二输出的电压信号进行R-C滤波，降低电压纹波；

步骤四：将步骤三滤波后的电压信号输入至一个反向迟滞电压比较器，反向迟滞电压比较器依据输入电压与参考电压的比较情况输出高电平或低电平；

步骤五：将步骤四输出的高电平或低电平接入到基于N-MOS管的开关控制器，基于N-MOS管的开关控制器根据接收的高电平或低电平分别实现导通或截止，开关P-MOS管根据基于N-MOS管的开关控制器的截止或导通状态完成关断或导通；

所述可自恢复的过流关断保护方法通过可自恢复的过流关断保护电路实现，所述可自恢复的过流关断保护电路包括：开关P-MOS管、电流检测传感器、R-C并联滤波电路、反向迟滞电压比较器以及基于N-MOS管的开关控制器；所述开关P-MOS管用于控制电流的通断；所述电流检测传感器用于检测电流大小并将电流信号转换为电压信号输出；所述R-C并联滤波电路用于平滑电流检测传感器的输出，并将平滑后的电压信号输入至反向迟滞电压比较器，同时控制电流断流后的自恢复时间；所述反向迟滞电压比较器用于根据输入电压与参考电压的比较情况输出高电平或低电平；同时控制电流断流后的自恢复时间；所述基于N-MOS管的开关控制器在反向迟滞电压比较器控制下控制开关P-MOS管的源极-漏极的导通或关断；

所述反向迟滞电压比较器包括电压比较器与电阻R3、电阻R4、电阻R5；

所述开关P-MOS管的源极、漏极分别为电流输入、输出端，开关P-MOS管的源极与栅极之间串接一个电阻；

开关P-MOS管的输出端与电流检测传感器的输入端连接，电流检测传感器的输出端经过一个串联电阻及R-C并联滤波电路后与电压比较器输入负端相连，电压比较器输出端与基于N-MOS管的开关控制器的栅极相连，基于N-MOS管的开关控制器的源极与开关P-MOS管栅极相连，控制P-MOS管漏极接地，基于N-MOS管的开关控制器栅极与地之间串接一个电阻；

电压比较器输入正端通过电阻R5接入一个参考电压，电压比较器输出端通过电阻R4接地，电压比较器输出端与输入正端之间串接电阻R3。

2.根据权利要求1所述的可自恢复的过流关断保护方法，其特征在于：当断路时，断路自恢复时间t_r＝RCln(V_{g_high}/V_{g_low})，其中V_{g_high}与V_{g_low}为反向迟滞电压比较器的输入上门槛电位与输入下门槛电位；

通过调整R-C常数和/或反向迟滞电压比较器的反馈参数调整断路自恢复时间t_r。

3.根据权利要求1所述的可自恢复的过流关断保护方法，其特征在于：所述步骤一中使用的开关P-MOS管为大功率管，当开关P-MOS管导通时要确保可通过大于电路工作的电流。

4.根据权利要求1所述的可自恢复的过流关断保护方法，其特征在于：所述电流检测传感器为霍尔传感器。