CN109842090A - 一种输出短路保护电路和保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种输出短路保护电路，包括：单向导通支路、储能电路、比较电路、短路信号输出电路和主控芯片；所述输出电源未短路时，输出电源通过单向导通支路给比较电路和短路信号输出电路供电，并给所述储能电路充电；所述输出电源短路时，所述储能电路放电给比较电路和短路信号输出电路供电；所述比较器通过采样电阻检测流经采样电阻的电流大小，并与阈值进行比较；当所述输出电源未短路时，比较器输出高电平；当所述输出电源短路时，比较器输出低电平，使得短路信号输出电路输出短路信号至主控芯片，所述主控芯片进一步输出控制信号使得输出电路中的开关管断开。本发明还提供了输出短路保护方法。

Description

一种输出短路保护电路和保护方法

技术领域

本发明涉及一种输出短路保护电路。

背景技术

在PLC控制器的使用过程中，输出单元常常会外接一些驱动负载。如图1所示，如果外接设备一旦发生短路，故障产生的较大的过电流，不仅会损坏PLC的输出接口，使MOS管Q1因电流过大而导致击穿，影响系统的正常工作，还可能会引发安全事故。因此，为避免电子设备因内部故障所引起的严重伤害，提高输出电路的可靠性，需要提供一种解决输出短路保护的处理方法。

目前，解决这一问题的输出短路保护常见的有在电路中串入快断保险丝。当输出负载发生短路时，由公式Q＝0.24I2RT得，保险丝两端的电流升高，其产生的热量使保险丝自身熔断，从而起到切断电流的作用。但当保险丝断开后，不能自身恢复，需要重新更换保险丝，否则系统无法正常工作，仅能保护一次，操作麻烦。同时会出现保险丝的不正常烧断情况，如开机瞬间、保险丝使用时间过长等，都会导致保险丝烧断，导致系统不稳定，影响设备的运行效率。

另一种是电路中串入自恢复保险丝，当线路发生短路或过载时，流经自恢复保险丝的大电流产生的热量使自身融化，形成高阻状态，当故障排除后，自恢复保险丝重新冷却结晶，恢复为低阻状态，电路恢复正常工作。这种自恢复保险丝虽然有输出保护功能，在短路保护后元器件无需更换，但耐压较低，响应速度慢，有些自恢复保险丝在3A的电流作用下，保护时间也在1S以上，那么对于毫秒级动作的MOS管而言，无法起到输出保护的作用，因此，自恢复保险丝较适用于短路或过载短时间内不烧坏元器件的场合。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种新的解决输出短路保护的电路和方法。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种输出短路保护电路，包括：单向导通支路、储能电路、比较电路、短路信号输出电路和主控芯片；

所述输出电源未短路时，输出电源通过单向导通支路给比较电路和短路信号输出电路供电，并给所述储能电路充电至饱和；

所述输出电源短路时，所述储能电路放电给比较电路和短路信号输出电路供电；

所述比较器通过采样电阻检测流经采样电阻的电流大小，并与阈值进行比较；当所述输出电源未短路时，比较器输出高电平；当所述输出电源短路时，比较器输出低电平，使得短路信号输出电路输出短路信号至主控芯片，所述主控芯片进一步输出控制信号使得输出电路中的开关管断开。

在一较佳实施例中：所述单向导通支路为续流二极管D2，其阳极连接至输出电源的正极，阴极连接至储能电路。

在一较佳实施例中：所述储能电路为电解电容C1，其正极分别连接至二极管D2的阴极、比较电路和短路信号输出电路，负极连接至GND端。

在一较佳实施例中：所述比较电路包括比较器IC1，其正极输入端分别通过电阻R5连接至输出电源的正极、还通过电阻R6连接至GND端；其负极输入端通过所述开关管连接负载再连接至输出电源的正极、还通过电阻R4连接至GND端。

在一较佳实施例中：所述短路信号输出电路包括光耦合器U2，其二极管的阳极连接至储能电路，阴极连接至比较器IC1的输出端，其光敏三极管的集电极为短路信号输出端与主控芯片连接。

在一较佳实施例中：所述主控芯片输出控制信号关断开关管的同时，还输出报警信号至显示屏进行显示，当且仅当解除短路故障时，主控芯片停止输出关断开关管的控制信号。

本发明还提供了一种输出短路保护方法，包括以下步骤：

1)系统正常运行时，输出电源通过单向导通电路给储能电路充电；

2)主控芯片判断是否接收到短路信号，若是，则执行步骤3，若否则执行步骤1；

3)主控芯片发送控制信号控制输出电路的开关管关断，并发送报警信号至显示屏进行显示；

4)主控芯片进一步判断短路信号是否消除，若是，则回到步骤1，若否则持续执行步骤3。

在一较佳实施例中：当所述电源发生短路时，储能电路供电至比较电路和短路信号发送电路；

所述比较器通过采样电阻检测流经采样电阻的电流大小，并与阈值进行比较；当所述输出电源未短路时，比较器输出高电平；当所述输出电源短路时，比较器输出低电平，使得短路信号输出电路输出短路信号至主控芯片。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明提供了一种输出短路保护电路和保护方法，为防止负载短路时，导致输出电路的开关管击穿，采用的是模拟运算比较电压保护电路对输出电路进行短路保护的方法。当输出电源发生短路时，由于二极管D2的单向导电性，二极管D2不导通，电解电容C1放电，继续为电压比较器IC1、光耦合器U2供电，电压比较器IC1的输出由高电平变成低电平，使光耦合器U2导通后，给定一个低电平的短路信号给CPU，CPU采集到短路信号后，输出控制信号关断开关管。由于电压比较器比较的时间和CPU处理及断开开关管的时间之和远远小于开关管击穿时间，其响应速度快，可控制在1ms以内，所以系统在开关管发生击穿时间到来之前，停止输出，从而防止了开关管击穿，有效的保护了电路。并且发生短路后系统在触摸屏上提示短路报警信号，故障处理后，重新启动系统可正常工作，无需更换电路元器件。

附图说明

图1为本发明优选实施例中输出短路保护电路的电路图。

图2为本发明优选实施例中输出短路保护方法的处理流程图。

具体实施方式

为了使本发明技术方案更加清楚，现将本发明结合实施例和附图做进一步说明。

参考图1，一种输出短路保护电路，包括：单向导通支路、储能电路、比较电路、短路信号输出电路和主控芯片；

所述输出电源未短路时，输出电源通过单向导通支路给比较电路和短路信号输出电路供电，并给所述储能电路充电至饱和；

所述输出电源短路时，所述储能电路放电给比较电路和短路信号输出电路供电；

所述比较器通过采样电阻检测流经采样电阻的电流大小，并与阈值进行比较；当所述输出电源未短路时，比较器输出高电平；当所述输出电源短路时，比较器输出低电平，使得短路信号输出电路输出短路信号至主控芯片，所述主控芯片进一步输出控制信号使得输出电路中的开关管断开。

具体来说，所述单向导通支路为续流二极管D2，其阳极连接至输出电源的正极，阴极连接至储能电路。所述储能电路为电解电容C1，其正极分别连接至二极管D2的阴极、比较电路和短路信号输出电路，负极连接至GND端。

所述比较电路包括比较器IC1，其正极输入端分别通过电阻R5连接至输出电源的正极、还通过电阻R6连接至GND端；其负极输入端通过所述开关管连接负载再连接至输出电源的正极、还通过电阻R4连接至GND端。

所述短路信号输出电路包括光耦合器U2，其二极管的阳极连接至储能电路，阴极连接至比较器IC1的输出端，其光敏三极管的集电极为短路信号输出端与主控芯片连接。

所述主控芯片输出控制信号关断开关管的同时，还输出报警信号至显示屏进行显示，当且仅当解除短路故障时，主控芯片停止输出关断开关管的控制信号。因此，本实施例的技术方案不会出现反复关断或导通开关管的问题，只有短路故障被解除之后，开关管才能被重新导通，在此之前，开关管都是始终处于关断状态。

本实施例中，所述开关管为MOS管Q1，其栅极连接至光耦合器U1的三极管发射极，漏极通过负载连接至输出电源，源极连接至比较器IC1的负极输入端。光耦合器U1的二极管的阳极接收所述控制信号。当控制芯片接收到短路信号时，其发出低电平的控制信号使得所述光耦合器U1断开，从而实现关断MOS管Q1。

具体的处理流出如图2所示：

步骤一：PLC正常运行，MOS管Q1正常输出，Y口接的负载及系统正常运行。同时二极管D2处于导通状态，电解电容C1处于充电状态，直至电解电容C1两端的电压达到饱和。

步骤二：判断输出端是否发生短路，若没有发生短路，则执行步骤一。反之，执行步骤三。

步骤三：发生短路时，二极管D2无法导通，电解电容C3开始供电，电压比较器IC1对采样电阻R4的电压进行电压比较，c点高电平变成低电平，光耦U2导通，PDR1信号输出低电平的短路信号，CPU采集信号并发出控制信号，控制MOS管Q1关断，从而切断了电路输出，保护了PLC系统，同时在触摸屏上提示短路报警。执行步骤四。

步骤四：判断短路故障是否处理，若有处理，则执行步骤一。反之，则MOS管Q1保持关断状态，触摸屏上仍提示短路报警。

对于比较器IC1在短路前输出高电平，短路后输出低电平的原理说明如下：

短路前，系统处于正常运行状态，在a处的电流公式为：

其中，I_a表示在a点处的电流。

IC1为电压比较器，其同相输入端的电压为U+，反相输入端的电压为U_-，输出电压为Uout。则电压比较器反相输入端的电压为：

U_{_}＝U_a＝I_aR₄ (2)

将公式(1)代入公式(2)可得出：

其中，U_a表示在a点处两端的电压

取R₄＝0.01Ω，R_负＝10Ω，代入到公式(3)得出短路前

U_-＝U_a≈0.024V

设电压比较器IC1同相输入端的电流为I₊，得出公式为：

则在b点处产生的电压为：

U_b＝U₊＝I₊R₆ (5)，

将公式(4)代入公式(5)得出：

取R₅＝11.5KΩ，R₆＝500Ω，代入到公式(6)得出短路前U_b＝U₊≈1V

由公式(3)和公式(6)比较得出，短路前U_{_}<U₊，U_out输出为高电平，此时光耦合器U2不导通，二极管D2处于正向导通状态，电解电容C1充电至两端的电压处于饱和状态。

短路后，二极管D2阳极的电压此时为低电平，由于二极管单向导电的特性，因此二极管D2无法导通，且电解电容C1为储能元件给电压比较器IC1，光耦U2供电，在a处的电流公式为：

将R₄＝0.01Ω代入到公式(7)，则此时电压比较器反相输入端的电压为：

U_-’＝U_a’≈I_a’R₄≈24V (8)

短路前后，电压比较器IC1的同相输入端的电压将会减小，为：

U_b’＝U₊’<1V (9)

由公式(8)和公式(9)可以比较得出，短路后U_-’>U₊’，U_out输出为低电平，此时光耦合器U2导通，在PDR1端输出一个信号，CPU采集处理短路信号PLC执行Y口输出停止的指令，并使MOS管Q1关断，同时给定报警信号并在触摸屏上显示。

而且，由于MOS管的击穿时间T一般在几十毫秒左右，电压比较器比较的时间和CPU处理及断开MOS管的时间之和小于MOS管Q1击穿的时间，可控制在1ms以内，因此，PLC中断输出并提示短路报警有效。系统保证了在MOS管击穿时间到来之前，提前将MOS管关断。

以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的范围不限于此，本领域的技术人员可以容易地想到本发明所公开的变化或技术范围。替代方案旨在涵盖在本发明的范围内。因此，本发明的保护范围应由权利要求的范围确定。

Claims (8)

1.一种输出短路保护电路，其特征在于包括：单向导通支路、储能电路、比较电路、短路信号输出电路和主控芯片；

所述输出电源未短路时，输出电源通过单向导通支路给比较电路和短路信号输出电路供电，并给所述储能电路充电；

所述输出电源短路时，所述储能电路放电给比较电路和短路信号输出电路供电；

所述比较器通过采样电阻检测流经采样电阻的电流大小，并与阈值进行比较；当所述输出电源未短路时，比较器输出高电平；当所述输出电源短路时，比较器输出低电平，使得短路信号输出电路输出短路信号至主控芯片，所述主控芯片进一步输出控制信号使得输出电路中的开关管断开。

2.根据权利要求1所述的一种输出短路保护电路，其特征在于：所述单向导通支路为续流二极管D2，其阳极连接至输出电源的正极，阴极连接至储能电路。

3.根据权利要求2所述的一种输出短路保护电路，其特征在于：所述储能电路为电解电容C1，其正极分别连接至二极管D2的阴极、比较电路和短路信号输出电路，负极连接至GND端。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种输出短路保护电路，其特征在于：所述比较电路包括比较器IC1，其正极输入端分别通过电阻R5连接至输出电源的正极、还通过电阻R6连接至GND端；其负极输入端通过所述开关管连接负载再连接至输出电源的正极、还通过电阻R4连接至GND端。

5.根据权利要求4所述的一种输出短路保护电路，其特征在于：所述短路信号输出电路包括光耦合器U2，其二极管的阳极连接至储能电路，阴极连接至比较器IC1的输出端，其光敏三极管的集电极为短路信号输出端与主控芯片连接。

6.根据权利要求1或2或3或5所述的一种输出短路保护电路，其特征在于：所述主控芯片输出控制信号关断开关管的同时，还输出报警信号至显示屏进行显示，当且仅当解除短路故障时，主控芯片停止输出关断开关管的控制信号。

7.一种输出短路保护方法，其特征在于包括以下步骤：

1)系统正常运行时，输出电源通过单向导通电路给储能电路充电至饱和；

2)主控芯片判断是否接收到短路信号，若是，则执行步骤3，若否则执行步骤1；

3)主控芯片发送控制信号控制输出电路的开关管关断，并发送报警信号至显示屏进行显示；

4)主控芯片进一步判断短路信号是否消除，若是，则回到步骤1，若否则持续执行步骤3。

8.根据权利要求7所述的一种输出短路保护方法，其特征在于：当所述电源发生短路时，储能电路供电至比较电路和短路信号发送电路；

所述比较器通过采样电阻检测流经采样电阻的电流大小，并与阈值进行比较；当所述输出电源未短路时，比较器输出高电平；当所述输出电源短路时，比较器输出低电平，使得短路信号输出电路输出短路信号至主控芯片。