CN109818330A - 一种短路保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短路保护电路，包括：开关管、关断保持电路和调节电阻；所述开关管的栅极连接一控制电压输入端，源极连接所述调节电阻的一端，漏极用于连接负载；所述关断保持电路的第一端点连接所述开关管的栅极，第二端点连接所述开关管的源极，第三端点连接所述调节电阻的另一端；所述调节电阻的所述另一端用于接地或连接电源。根据本发明的技术方案可以实现对负载设备的短路保护，不仅在每次发生短路后具有关断保持功能和重新上电可恢复特性，还可达到纳秒级的短路响应速度，成本低且使用寿命长等。

Description

一种短路保护电路

技术领域

本发明涉及保护电路技术领域，尤其涉及一种短路保护电路。

背景技术

在电器设备的实际使用过程中，由于不当操作等原因，往往容易出现电路短路现象，进而可能导致电器设备的损坏等。在现有技术中，为提供短路保护，大多数采用的是在线路中接入保险丝，也即熔断器。由于熔断器是通过自身发热并进行熔断，从而断开电路的连接以达到保护电路目的。

然而，对于采用熔断器的方案，一是具有不可恢复性，当电路每次发生短路时，熔断器在熔断后必须更换新的熔断器才能恢复工作，长期而言，具有较高的成本；二是熔断响应慢，由于熔断器的内部熔断材料的温度不会突变，故而短路响应时间较长。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出一种短路保护电路，通过利用开关管和由两个三极管组成的关断保持电路来实现短路保护，以解决现有熔断器方案的不可恢复性及熔断响应慢等难题。

本发明实施例提出一种短路保护电路，包括：开关管、关断保持电路和调节电阻；

所述开关管的栅极连接一控制电压输入端，源极连接所述调节电阻的一端，漏极用于连接负载；

所述关断保持电路的第一端点连接所述开关管的栅极，第二端点连接所述开关管的源极，第三端点连接所述调节电阻的另一端；

所述调节电阻的另一端用于接地或连接电源。

在上述的短路保护电路中，可选地，所述关断保持电路包括一PNP管和一NPN管，所述PNP管的集电极连接所述NPN管的基极，所述NPN管的集电极连接所述PNP管的基极；

当所述开关管为NMOS管时，所述调节电阻的另一端用于接地；所述PNP管的发射极连接至所述第一端点，所述NPN管的基极连接至所述第二端点，所述NPN管的发射极连接至所述第三端点。

在上述的短路保护电路中，可选地，当所述开关管为PMOS管时，所述调节电阻的另一端用于连接所述电源；

所述NPN管的发射极连接至所述第一端点，所述PNP管的基极连接至所述第二端点，所述PNP管的发射极连接至所述第三端点。

在上述的短路保护电路中，可选地，还包括：栅极电阻，所述栅极电阻的一端连接所述控制电压输入端，另一端连接所述开关管的栅极。

在上述的短路保护电路中，可选地，还包括：限流电阻，所述限流电阻的一端连接所述关断保持电路的第二端点，另一端连接所述开关管的源极。

在上述的短路保护电路中，可选地，当所述开关管为NMOS管时，若预设保护电流值为I_o，所述NPN管的开启电压为U_th，则所述调节电阻的取值为

在上述的短路保护电路中，可选地，当所述开关管为PMOS管时，若预设电流值为I_o，所述PNP管的开启电压为U_th，则所述调节电阻的取值为

在上述的短路保护电路中，可选地，还包括：第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻的一端用于连接电源，另一端经过所述第二分压电阻后接地；

所述开关管的栅极连接至所述第一分压电阻和所述第二分压电阻之间。

本发明的技术方案可以实现对负载设备的短路保护，不仅在每次发生短路后具有关断保持功能和重新上电可恢复特性，还可达到纳秒级别的短路响应速度，成本低且使用寿命长等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。

图1为本发明实施例1的短路保护电路的第一结构示意图；

图2为本发明实施例1的短路保护电路的第二结构示意图；

图3为本发明实施例1的短路保护电路的分压电路的结构示意图；

图4为本发明实施例2的短路保护电路的结构示意图。

主要元件符号说明：

100-短路保护电路；Q1、Q1’-开关管；R1-调节电阻；R2-栅极电阻；R3-限流电阻；Q2、Q2’-第一三极管；Q3、Q3’-第二三极管；R4-第一分压电阻；R5-第二分压电阻。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下面结合具体的实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

请参照图1，本实施例提出一种短路保护电路100，可用于对电信号及功率输出的短路保护，防止因短路而损坏电器设备等。下面对该短路保护电路100进行详细说明。

如图1所示，该短路保护电路100包括开关管Q1、关断保持电路和调节电阻R1。其中，所述开关管Q1的栅极连接一控制电压输入端Input，源极连接所述调节电阻R1的一端，漏极则作为负载连接端Output以用于连接负载。

所述关断保持电路的第一端点1连接所述开关管Q1的栅极，第二端点2连接所述开关管Q1的源极，第三端点3连接所述调节电阻R1的另一端。

所述调节电阻R1的所述另一端用于接地或连接电源。其中，图1仅示出了当调节电阻R1接地时的短路保护电路100的结构示意图。

示范性地，通过控制开关管的导通或关断，可控制负载的供电通路的通断，即控制供电电源与负载的连接状态。当负载发生短路时，该开关管自动关断并且关断保持电路进入开关管关断的锁定状态，以将负载与供电电源立即断开，故电路进入短路保护状态。而当负载正确工作时，该开关管处于导通状态，关断保持电路处于非锁定状态，故电路不进入短路保护。

本实施例中，上述的控制电压输入端Input用于接入一控制电压，以实现对开关管Q1的栅极进行电压控制，进而实现对开关管Q1的导通或关断控制。由于采用不同类型的开关管Q1，如有P沟道的MOS管(PMOS管)或N沟道的MOS管(NMOS管)，其导通条件也不相同，故该控制电压的取值可根据实际使用需要来相应设定。

示范性地，从选定的开关管Q1的型号的使用手册中获取该开关管Q1的开启电压V_TH和栅极-源极之间的额定电压V_GS，若该V_GS的取值范围为[-V，V]，则所述控制电压u的高电平取值范围为V_TH≤u≤V，而其低电平取值范围为-V≤u≤V_TH。

本实施例中，该开关管Q1的漏极作为负载连接端Output，用于连接负载，其源极则经过调节电阻R1后接地或连接电源，具体是接地还是接电源可根据实际采用的开关管Q1的类型来确定。可以理解，本实施例中的“接地”是指连接到电路的低电位参考端。例如，若以电源负极为低电位参考端，则该“接地”即指电源负极。

示范性地，若开关管Q1采用PMOS管，其源极则经过该调节电阻R1后连接到电路的供电电源，其漏极连接负载后接地。若开关管Q1采用NMOS管，其源极则经过该调节电阻R1后接地，而其漏极经过负载后连接到电源正极。

本实施例中，该关断保持电路主要用于在接入的负载发生短路时，立即关断开关管Q1，并对开关管Q1的关断状态进行锁定，使得开关管Q1即使在短路原因消除时也不会二次导通，直到关断电源后再重新上电，电路才可恢复正常工作。这样可防止开关管Q1在关断后受到干扰而出现反复导通和关断现象，从而可提高开关管Q1的使用寿命以及整个电路的寿命等。

其中，该关断保持电路包括一PNP管和一NPN管，当开关管Q1采用不同类型的MOS管时，这两个三极管所组成的关断保持电路与开关管Q1、调节电阻R1的连接方式不同。本实施例主要以开关管Q1采用NMOS管为例，对该关断保持电路的内部结构进行说明。

如图2所示，当开关管Q1为NMOS管时，该关断保持电路包括第一三极管Q2和第二三极管Q3，其中，第一三极管Q2为PNP管，第二三极管Q3为NPN管。具体地，该PNP管的集电极连接至NPN管的基极，而NPN管的集电极则连接至PNP管的基极。该PNP管的发射极连接至关断保持电路的第一端点1，NPN管的基极连接至第二端点2，NPN管的发射极连接至第三端点3。

可选地，所述调节电阻R1与预设的保护电流值有关，具体的取值可根据实际设定的电流保护点来相应确定。示范性地，当开关管Q1为NMOS管时，若预设电流值为I_o，第二三极管Q3(即NPN管)的开启电压为U_th，则所述调节电阻的取值为

进一步可选地，如图1所示，该短路保护电路100还包括：栅极电阻R2，所述栅极电阻R2的一端连接所述控制电压输入端Input以接入一控制电压，另一端连接所述开关管Q1的栅极。

可以理解，MOS管的输入电阻很大，若MOS管的开关速度过快，则在高压情况下极易击穿周围的器件，而通过串上一个合适的栅极电阻可起缓冲作用，进而起到保护开关管作用等。其中，该栅极电阻的阻值可根据实际选用的MOS管等来具体确定。例如，可采用10KΩ～20KΩ的电阻。

进一步可选地，该短路保护电路100还包括：限流电阻R3，所述限流电阻R3的一端连接所述关断保持电路的第二端点2，另一端连接所述开关管Q1的源极。可以理解，通过在关断保持电路中的三极管的基极串上一个合适的限流电阻可使三极管能够充分饱和导通，从而更好地保证三极管的开关作用。其中，该限流电阻的阻值可根据实际选用的三极管等来具体确定，例如，可采用1KΩ～10KΩ的电阻。

进一步可选地，如图3所示，该短路保护电路100还包括：第一分压电阻R4和第二分压电阻R5，所述第一分压电阻R4的一端用于连接电源，另一端经过所述第二分压电阻R5后接地，所述开关管Q1的栅极位于所述第一分压电阻R4和所述第二分压电阻R5之间。若该短路保护电路100中包括栅极电阻R2，则所述开关管Q1可经过该栅极电阻R2后连接到所述第一分压电阻R4和所述第二分压电阻R5之间。可以理解，该第一分压电阻R4和第二分压电阻R5可构成一分压电路，通过调整这两个分压电阻，可将分压后的电压接入开关管的栅极，以使接入的控制电压能够适用于不同的应用场合。

下面对该短路保护电路100的工作过程进行说明，如图2所示，当开关管Q1为NMOS管时，关断保持电路的第一三极管Q2为PNP管，第二三极管Q3为NPN管，而负载位于供电电源VCC和开关管Q1之间。

(a)当电路上电后，开关管Q1的栅极可经过栅极电阻R2后接入一高电平的控制电压，此时开关管Q1导通，开关管Q1的漏极为低电平，故电流从供电电源经过负载后，再流经开关管Q1和调节电阻R1回到地，从而形成一个回路。

(b)在负载正常工作时，即电路未发生短路时，此时流经的电流正常，调节电阻R1两端的电压会小于NPN管的导通电压，故NPN管不导通，PNP管也无法导通。

(c)当负载发生短路时，或当接入的负载过大时，此时流经的电流突然变大，导致调节电阻R1两端的电压会大于NPN管的导通电压，故NPN管导通。NPN管导通后则为PNP管提供导通驱动信号，进而使PNP管也导通。此时将开关管Q1的栅极的电压下拉至接地。于是，开关管Q1关断，电路形成开路，即进入保护状态。此外，由于PNP管导通后又提供触发信号给NPN管，如此形成循环，即当PNP管导通后NPN管可以得到一个持续的导通信号，而不需要调节电阻R1的分压电压的持续触发，故而PNP管和NPN管的状态可以锁定。

(d)随后，若短路原因消除，由于关断保持电路的NPN管与PNP管形成状态锁定，故开关管Q1不会二次导通，待等到电路重新上电后，互锁关系解除，电路可恢复正常工作。

可以理解，通过利用半导体器件的导通与关断状态，不仅可以实现电路的短路保护，而且使得保护响应非常迅速，可达到纳秒级别的响应时间。

通过本实施例的技术方案具有以下技术效果：

1.该短路保护电路具有可恢复性，即当短路发生时，电路正常切断，电源重启后能恢复工作，解决了现有熔断器在发生熔断后而必须更换的问题；

2.由于采用的开关管及三极管是半导体器件，短路响应时间短，故能迅速断开电路，并且不会产生爆炸、火花等危险；

3.当发生短路时，由两个三极管组成的关断保持电路能在开关管关断后，锁定电路的开路状态，并直到进行电源重启后，解除自锁状态并恢复电路的导通。通过自锁功能，可防止开关管进入反复的导通和关断状态，尤其在大电流下，可提高开关管的使用寿命等；

4.在发生短路时，由两个三极管组成的关断保持电路将会导通，由于三极管的导通内阻小，故产生的功耗也很小；

5.通过调节调节电阻的阻值参数等，可形成不同大小的电流规格，即可设置不同的电流保护点，从而使该短路保护电路满足不同的应用场景，且操作简单。

实施例2

本实施例还提出一种短路保护电路100，与上述实施例不同之处在于，本实施例的开关管Q1’为PMOS管，而关断保持电路中的第一三极管Q2’为NPN管，第二三极管Q3’为PNP管。

具体地，如图4所示，当开关管Q1’为PMOS管时，该关断保持电路中的PNP管的集电极连接至NPN管的基极，该NPN管的集电极则连接至PNP管的基极。该NPN管的发射极连接至关断保持电路的第一端点1，PNP管的基极连接至第二端点2，PNP管的发射极连接至第三端点3。

如图4所示，当开关管Q1’为PMOS管时，该关断保持电路的第一三极管Q2’为NPN管，第二三极管Q3’为PNP管，而负载位于开关管Q1’之后，下面对该短路保护电路100的工作过程进行说明。

(a)当电路上电后，开关管Q1’的栅极可经过栅极电阻R2后接入一低电平的控制电压，此时开关管Q1’导通，开关管Q1’的漏极为高电平，故电流从供电电源经过调节电阻R1和开关管Q1’，再流经负载回到地，从而形成一个回路。

(b)在负载正常工作时，即电路未发生短路时，此时该回路的电流正常，调节电阻R1两端的电压将小于PNP管的导通电压，故PNP管不导通，PNP管也无法导通。

(c)当负载发生短路时，或当接入的负载过大时，此时该回路的电流突然变大，导致调节电阻R1两端的电压将大于PNP管的导通电压，故PNP管导通，PNP管导通后向NPN管提供驱动信号，进而NPN管也导通，此时将开关管Q1’的栅极的电压上拉至电源VCC。于是，开关管Q1’关断，电路形成开路，即进入保护状态。此外，由于NPN管导通后又提供了触发信号给PNP管，如此形成循环，即当NPN管导通后PNP管可以得到一个持续的导通信号，而不需要调节电阻R1的分压电压的持续触发，故而NPN管和PNP管的导通状态可以锁定。

(d)随后，若短路原因消除，由于关断保持电路的NPN管与PNP管形成状态锁定，故开关管Q1’不会二次导通，待等到电路重新上电后，互锁关系解除，电路可恢复正常工作。

其中，对于本实施例中的各阻值的参数选取，可根据实际需要来相应设定。示范性地，当开关管Q1为PMOS管时，若预设电流值为I_o，第二三极管Q3’(即PNP管)的开启电压为U_th，则所述调节电阻R1的取值为可以理解，上述实施例1中的可选项同样适用于本实施例，故在此不再详述。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种短路保护电路，其特征在于，包括：开关管、关断保持电路和调节电阻；

所述开关管的栅极连接一控制电压输入端，源极连接所述调节电阻的一端，漏极用于连接负载；

所述关断保持电路的第一端点连接所述开关管的栅极，第二端点连接所述开关管的源极，第三端点连接所述调节电阻的另一端；

所述调节电阻的另一端用于接地或连接电源。

2.根据权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于，所述关断保持电路包括一PNP管和一NPN管，所述PNP管的集电极连接所述NPN管的基极，所述NPN管的集电极连接所述PNP管的基极；

当所述开关管为NMOS管时，所述调节电阻的另一端用于接地；所述PNP管的发射极连接至所述第一端点，所述NPN管的基极连接至所述第二端点，所述NPN管的发射极连接至所述第三端点。

3.根据权利要求2所述的短路保护电路，其特征在于，当所述开关管为PMOS管时，所述调节电阻的另一端用于连接所述电源；

所述NPN管的发射极连接至所述第一端点，所述PNP管的基极连接至所述第二端点，所述PNP管的发射极连接至所述第三端点。

4.根据权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于，还包括：栅极电阻，所述栅极电阻的一端连接所述控制电压输入端，另一端连接所述开关管的栅极。

5.根据权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于，还包括：限流电阻，所述限流电阻的一端连接所述关断保持电路的第二端点，另一端连接所述开关管的源极。

6.根据权利要求2所述的短路保护电路，其特征在于，当所述开关管为NMOS管时，若预设保护电流值为I_o，所述NPN管的开启电压为U_th，则所述调节电阻的取值为

7.根据权利要求3所述的短路保护电路，其特征在于，当所述开关管为PMOS管时，若预设电流值为I_o，所述PNP管的开启电压为U_th，则所述调节电阻的取值为

8.根据权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于，还包括：第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻的一端用于连接电源，另一端经过所述第二分压电阻后接地，

所述开关管的栅极连接至所述第一分压电阻和所述第二分压电阻之间。