CN109617038B - 一种多量程电压采集装置的输入保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多量程电压采集装置的输入保护电路，包括整流器、恒流源模块以及浮动电源；整流器的一个交流端连接信号输入端，整流器的另一个交流端连接信号输出端；恒流源模块的电流输入端与整流器的共阴极连接，恒流源模块的供电端与整流器的共阳极连接；浮动电源连接在恒流源模块的电流输出端和整流器的共阳极之间，且浮动电源的负极连接恒流源模块的电流输出端，浮动电源的正极连接整流器的共阳极。正常工作时低阻抗使信号容易通过，不明显降低信噪比和带宽，过压时高阻状态保护后续的电路不被损坏；正向过压和负向过压被整流桥整流，二极管的导通和截止自动切换，恒流源电流一直维持恒定值，没有检测和反馈机构造成的延时。

Description

一种多量程电压采集装置的输入保护电路

技术领域

本发明实施例涉及保护电路技术领域，尤其涉及一种多量程电压采集装置的输入保护电路。

背景技术

电压采集装置，为了适应宽广的输入电压范围同时又需要足够的分辨率，将装置的输入范围划分为多个量程。举例说明：一个交流电压表量程可以是 1V、10V、100V、1000V，假设表头的量程是10V，则装置中包含量程切换电路、衰减电路、放大电路，对于1V量程放大10倍，10V量程放大1倍，100V 量程衰减10倍，1000V量程衰减100倍。现有技术使用多抽头电阻分压器，开关选择不同抽头得到不同衰减倍数，然后信号到可变增益放大器，电阻分压器比和放大器增益组合得到所需的幅度变换倍数。当使用者错误操作选择小量程测量高电压，或较小的信号中偶尔受到干扰出现高电压时，放大器中半导体器件容易被高电压击穿损坏。

现有技术方案公开了两种技术方案去解决上述问题；方案一，如图1所示，是在电阻分压器抽头与放大器输入端之间串联电阻限流电阻，放大器输入端有电压钳位电路，过压时串联电阻限制输入电流，钳位电路限制放大器输入电压；方案二是通过使用两个反向串联的MOSFET，再串联电流检测电阻，三极管检测电流检测电阻的电压反馈到MOSFET的栅极，未过压时驱动 MOSFET导通，处于低阻抗，过压时首先是输入电流增大，在电流检测电阻上电压上升，使三极管导通将MOSFET栅极电压拉低，使MOSFET进入恒流模式或截止。

上述两种技术方案均存在不同的技术缺陷，具体的，方案一，需要串联高阻值电阻，放大器不可避免存在输入电容，串联的电阻与输入电容形成低通滤波器，限制了输入带宽，并且电阻的热噪声与阻值平方根成正比，此热噪声与输入信号叠加，导致信噪比降低。例如放大器输入钳位电压为15V，输入1000V，要将输入电流限制在2mA以下，则串联电阻至少492.5kΩ，假设放大器输入电容为20pF，带宽约为16kHz。

方案二，未过压时MOSFET导通，串联电阻很低，对带宽影响小，但是该方案存在检测和反馈控制电路，过压时回路先出现过电流，再被检测反馈到MOSFET栅极，此过程存在延时，并且高压MOSFET栅极电容较大，栅极电压降低不够迅速，快速增大的过电压MOSFET不能及时关断，从而可能造成保护失效，另外该方案复杂，所用元件数量多，需要两路浮动电源产生正负电压，元件越多可靠性越低，通常产生浮动电源的电路复杂，两路浮动电源需要更多元件和占用更多PCB面积，这些浮动的电路与PCB上信号地是存在杂散电容的，元件越多面积越大杂散电容就越大，此杂散电容并联在输入回路，增大了输入电容，对高频高速信号测量不利。

发明内容

本发明提供一种多量程电压采集装置的输入保护电路，以解决现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：

一种多量程电压采集装置的输入保护电路，设置在信号输入端和信号输出端之间，包括整流器、恒流源模块以及浮动电源；

所述整流器的一个交流端连接所述信号输入端，所述整流器的另一个交流端连接所述信号输出端；

所述恒流源模块的电流输入端与所述整流器的共阴极连接，所述恒流源模块的供电端与所述整流器的共阳极连接；

所述浮动电源连接在所述恒流源模块的电流输出端和所述整流器的共阳极之间，且所述浮动电源的负极连接所述恒流源模块的电流输出端，所述浮动电源的正极连接所述整流器的共阳极。

进一步地，所述多量程电压采集装置的输入保护电路中，所述整流器为由四个二极管组成的整流桥。

进一步地，所述多量程电压采集装置的输入保护电路中，所述整流桥的桥臂串联有限流电阻。

进一步地，所述多量程电压采集装置的输入保护电路中，所述恒流源模块包括一个三极管，所述三极管的发射极串联一个电阻连接到所述电流输出端，所述三极管的集电极连接到所述电流输入端，在所述三极管的基极与所述电流输出端之间连接有由浮动电源供电的电压。

进一步地，所述多量程电压采集装置的输入保护电路中，所述恒流源模块包括一个场效应管，所述场效应管的源极串联一个电阻连接到所述电流输出端，所述场效应管的漏极连接到所述电流输入端，在所述场效应管的栅极与所述电流输出端之间连接有由浮动电源供电的电压。

进一步地，所述多量程电压采集装置的输入保护电路中，所述场效应管为NPN型场效应管或N沟道场效应管。

进一步地，所述多量程电压采集装置的输入保护电路中，所述场效应管为PNP型场效应管或P沟道场效应管。

进一步地，所述多量程电压采集装置的输入保护电路中，还包括放大器，所述放大器的输入端与所述信号输出端连接。

进一步地，所述多量程电压采集装置的输入保护电路中，所述放大器的输入端正向连接一个钳位二极管至对GND参考的电源正极，所述放大器的输入端反向连接一个钳位二极管至对GND参考的电源负极。

进一步地，所述多量程电压采集装置的输入保护电路中，还包括保护二极管；

所述保护二极管与所述浮动电源并联，所述保护二极管的正极与所述浮动电源的负极连接，所述保护二极管的负极与所述浮动电源的正极连接，为所述浮动电源提供反向保护。

本发明实施例提供的一种多量程电压采集装置的输入保护电路，正常工作时低阻抗使信号容易通过，不明显降低信噪比和带宽，过压时高阻状态保护后续的电路不被损坏。正向过压和负向过压被整流桥整流，二极管的导通和截止自动切换，恒流源电流一直维持恒定值，没有检测和反馈机构造成的延时。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明提供的现有技术的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的一种多量程电压采集装置的输入保护电路的结构示意图；

图3a是本发明实施例一提供的恒流源模块的结构示意图；

图3b是本发明实施例一提供的恒流源模块的结构示意图；

图3c是本发明实施例一提供的恒流源模块的结构示意图；

图3d是本发明实施例一提供的恒流源模块的结构示意图；

图3e是本发明实施例一提供的恒流源模块的结构示意图；

图3f是本发明实施例一提供的恒流源模块的结构示意图。

附图标记：

整流器100，恒流源模块200，浮动电源300。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

请参阅附图2，为本发明实施例一提供的一种多量程电压采集装置的输入保护电路的结构示意图，该电路设置在信号输入端和信号输出端之间，包括整流器100、恒流源模块200以及浮动电源300；

所述整流器100的一个交流端连接所述信号输入端，所述整流器100的另一个交流端连接所述信号输出端；

所述恒流源模块200的电流输入端与所述整流器100的共阴极连接，所述恒流源模块200的电流输出端和供电端分别与所述整流器100的共阳极连接；

所述浮动电源300连接在所述恒流源模块200的电流输出端和所述整流器100的共阳极之间，且所述浮动电源300的负极连接所述恒流源模块200 的电流输出端，所述浮动电源300的正极连接所述整流器100的共阳极。

具体的，整流桥由四个二极管(D1、D2、D3、D4)组成，包括但不限于以下形式：单独的四个分立二极管、集成的全桥整流器100、两个半桥整流器 100、每个桥臂由一个或多个二极管正向串联构成一个桥臂。在本实施例中，优选的，所述整流器100为由四个二极管组成的整流桥，且考虑到二极管(D1、 D2、D3、D4)的参数差异，保证未过压时D3和D4支路电流基本相等，可在整流桥的桥臂串联阻值较低的电阻

浮动电源300正极流出的电流分三条支路，一是流进恒流源模块200的供电端给恒流源模块200供电，剩余的分两路，一路经D3、D1，另一路经 D4、D2，然后在整流器100的共阴极点汇合并流进恒流源模块200的电流输入端，最后在恒流源模块200的电流输出端出来返回浮动电源300的负极。流进恒流源模块200的电流输入端的电流受恒流源控制作用是保持恒定的。

在一种实施方式中，所述恒流源模块200包括一个三极管，所述三极管的发射极串联一个电阻连接到所述电流输出端，所述三极管的集电极连接到所述电流输入端，在所述三极管的基极与所述电流输出端之间连接有由浮动电源供电的电压。

在另一种实施方式中，所述恒流源模块200包括一个场效应管，所述场效应管的源极串联一个电阻连接到所述电流输出端，所述场效应管的漏极连接到所述电流输入端，在所述场效应管的栅极与所述电流输出端之间连接有由浮动电源供电的电压。

需要说明的是，所述场效应管为NPN型场效应管或N沟道场效应管，也可以是PNP型场效应管或P沟道场效应管，此时，由于图2是以恒流源模块 200包括一个三极管为例的，图2中的四个二极管应变为反向连接，浮动电源 300变为反向连接，恒流源模块200实施恒流的电路产生的电压也需反向。

具体的。恒流源模块200可以有多种实现方式(如图3a-图3f所示)，必然包含一个三极管或场效应管，发射极串联一个电阻到电流输出端，集电极连接到电流输入端，在基极与电流输出端之间加有一个由浮动电源供电的一个电压，此电压使得发射极上串联的电阻两端电压恒定，由于三极管共射极电流放大系数远大于1，即集电极电流基本等于发射极电流，从而使流入电流输入端的电流恒定。

三极管也可以使用场效应管代替，此时连接关系为栅极、漏极、源极分别对应三极管的基极、集电极、发射极。图3a使用稳压二极管提供基极和电流输出端间稳定的电压，浮动电源300通过基极上串联的电阻提供稳压二极管的偏置电流。图3b相对于图3a用n个二极管正向串联(n≥2)代替稳压二极管。图3c使用一个二极管与一个稳压二极管串联，二极管正向压降与三极管或场效应管的发射结电压具有大致相同的温度系数，从而减少环境温度变化对恒流源输出电流的影响。图3d使用另一个三极管，该另一个三极管的基极连接三极管的发射极，该另一个三极管的发射极连接电流输出端，该另一个三极管的集电极连接三极管的基极，取发射极上串联的电阻电压作负反馈，稳定发射极上串联的电阻的压降。图3e在图3d基础上，该另一个三极管的发射极串联一个稳压二极管，增加一个限流电阻从浮动电源300提供稳压二极管的偏置电流，该另一个三极管同样提供负反馈作用，稳压二极管降低了该另一个三极管的发射结电压温度系数的影响。图3f使用三端稳压器作负反馈，例如但不限于TL431这一型号，深度负反馈和三端稳压器内部稳定的基准电压使得发射极上串联的电阻的压降非常稳定。

优选的，所述多量程电压采集装置的输入保护电路还包括保护二极管；所述保护二极管与所述浮动电源300并联，所述保护二极管的正极与所述浮动电源300的负极连接，所述保护二极管的负极与所述浮动电源300的正极连接，为所述浮动电源300提供反向保护。

示例性的，所述多量程电压采集装置的输入保护电路还包括放大器(该放大器不是本发明所必需的)，所述放大器的输入端与所述信号输出端连接。

其中，所述放大器的输入端正向连接一个钳位二极管至对GND参考的电源正极，所述放大器的输入端反向连接一个钳位二极管至对GND参考的电源负极。

具体的，当信号输出端连接放大器的输入端时，它的输入端抗过压能力弱，加入两个二极管使放大器的输入端过高的电压导向钳位电源V+和V-。设V+、V-电压绝对值为15V，两个二极管导通压降为0.7V，当回路电流在两个二极管范围内，正向钳位电压为二极管压降加V+电压等于15.7V，同理负向钳位电压为-15.7V。在信号输入点到放大器的输入端间相当于有一个串联阻抗，若此串联阻抗保证当信号输入端电压为允许最大电压时，流过信号输入端-信号输出端-放大器的输入端路径的电流在两个二极管允许范围内，则放大器的输入端电压被钳位到±15.7V范围内，从而保证放大器不会因过压而损坏。

正向过压时，D1、D4导通，D2、D3变为截止，电流路径为信号输入端 -D1-共阴极-电流输入端-电流输出端-浮动电源300-共阳极-D4-信号输出端-放大器的输入端-D5-(V+)，此电流即为恒流源输出电流，可以设置较小值，例如 2mA。假设D1～D4正向导通压降均为0.7V，浮动电源300为5V，输入电压为Vin，则恒流源电流输入端和电流输出端之间的电压Vef：

Vef＝Vin-VD1+V1-VD4-VD5-(V+)＝Vin-12.1V；

当Vin最大为1000V时，Vef为987.9V，只要选取的三极管击穿电压大于987.9V并留有一定余量，耗散功率也有一定余量时，可保证三极管不击穿。输入过电压大部分被三极管承受，回路电流被恒流源限制，输出端电压被钳位到安全范围。

负向过压时，D2、D3导通，D1、D4变为截止，电流路径为(V-)-D6-放大器的输入端-信号输出端-D2-共阴极-电流输入端-电流输出端-浮动电源300-共阳极-D3-信号输入端，此电流即为恒流源输出电流，如上述设为2mA。可见无论正向或负向过压，恒流源电流方向和大小都不变，当Vin负最大为-1000V 时，同理Vef电压为987.9V。输入过电压大部分被三极管承受，回路电流被恒流源限制，输出端电压被钳位到安全范围。

未过压时，例Vin在±15.7V内，D5、D6处于反向偏置而截止，放大器输入为高阻抗。信号源到信号输入端的电流为零，信号输出端放大器的输入端路径电流为零，在浮动电源300和恒流源作用下，D1～D4导通，一条支路为D3到D1，另一条路径为D4到D2，若D1～D4参数一致，两条路径电流相等，按前述例子，每个二极管电流为1mA。根据半导体物理的理论可知理想二极管伏安特性关系为：

Is为反向饱和电流，是很小的值。k为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度， q为电子电量。

并且Id远大于Is，可推导出某个偏置电流Id的状态下动态电阻rd为：

在1mA时，室温下可算得rd为26Ω，4个二极管两串两并，信号输入端和信号输出端两点间电阻为26Ω，相对于现有技术方案一中的例子，同样的过压限制电流下，在未过压时本发明串联电阻为26Ω，现有技术方案一为 492.5kΩ，对于信噪比和带宽，本发明具有非常明显的优势。

当输入信号从未过压到过压状态转变时，D1～D4中有两个二极管从导通变为截止状态，这个过程是二极管依赖自身单向导电性自动完成的，不需要外部电路控制，不存在检测反馈控制的延时。有整流桥的整流，任何状态下恒流源电流和方向不变，三极管始终处于放大区，没有工作状态的转变，恒流源不会对过压响应时间产生影响。

本发明实施例提供的一种多量程电压采集装置的输入保护电路，正常工作时低阻抗使信号容易通过，不明显降低信噪比和带宽，过压时高阻状态保护后续的电路不被损坏。正向过压和负向过压被整流桥整流，二极管的导通和截止自动切换，恒流源电流一直维持恒定值，没有检测和反馈机构造成的延时。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多量程电压采集装置的输入保护电路，设置在信号输入端和信号输出端之间，其特征在于，包括整流器、恒流源模块以及浮动电源；

所述整流器的一个交流端连接所述信号输入端，所述整流器的另一个交流端连接所述信号输出端；

所述恒流源模块的电流输入端与所述整流器的共阴极连接，所述恒流源模块的供电端与所述整流器的共阳极连接；

所述浮动电源连接在所述恒流源模块的电流输出端和所述整流器的共阳极之间，且所述浮动电源的负极连接所述恒流源模块的电流输出端，所述浮动电源的正极连接所述整流器的共阳极。

2.根据权利要求1所述的多量程电压采集装置的输入保护电路，其特征在于，所述整流器为由四个二极管组成的整流桥。

3.根据权利要求2所述的多量程电压采集装置的输入保护电路，其特征在于，所述整流桥的桥臂串联有限流电阻。

4.根据权利要求1所述的多量程电压采集装置的输入保护电路，其特征在于，所述恒流源模块包括一个三极管，所述三极管的发射极串联一个电阻连接到所述电流输出端，所述三极管的集电极连接到所述电流输入端，在所述三极管的基极与所述电流输出端之间连接有由浮动电源供电的电压。

5.根据权利要求1所述的多量程电压采集装置的输入保护电路，其特征在于，所述恒流源模块包括一个场效应管，所述场效应管的源极串联一个电阻连接到所述电流输出端，所述场效应管的漏极连接到所述电流输入端，在所述场效应管的栅极与所述电流输出端之间连接有由浮动电源供电的电压。

6.根据权利要求5所述的多量程电压采集装置的输入保护电路，其特征在于，所述场效应管为NPN型场效应管或N沟道场效应管。

7.根据权利要求5所述的多量程电压采集装置的输入保护电路，其特征在于，所述场效应管为PNP型场效应管或P沟道场效应管。

8.根据权利要求1所述的多量程电压采集装置的输入保护电路，其特征在于，还包括放大器，所述放大器的输入端与所述信号输出端连接。

9.根据权利要求8所述的多量程电压采集装置的输入保护电路，其特征在于，所述放大器的输入端正向连接一个钳位二极管至对GND参考的电源正极，所述放大器的输入端反向连接一个钳位二极管至对GND参考的电源负极。

10.根据权利要求1所述的多量程电压采集装置的输入保护电路，其特征在于，还包括保护二极管；

所述保护二极管与所述浮动电源并联，所述保护二极管的正极与所述浮动电源的负极连接，所述保护二极管的负极与所述浮动电源的正极连接，为所述浮动电源提供反向保护。

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