CN109888725B - 一种直流大电流短路保护电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流大电流短路保护电路及方法，包括霍尔效应电流传感器U1、阻抗匹配电路、分压取样电路和冷却控制电路；霍尔效应电流传感器U1的IP+端连接有电源正端001，IP‑端连接有电源地端002；阻抗匹配电路输入端与与霍尔效应电流传感器U1输出端连接，输出端与分压取样电路输入端连接；分压取样电路输出端与冷却控制电路输入端连接；冷却控制电路输出端与电路输出端003连接；避免了使用体积大、寿命短的熔断器，或使用大功率采样电阻在大电流环境下带来输出电压下降和产生巨额热损，同时解决了供电开关频繁通断以至容易烧毁的问题，达到大电流保护的目的。
Description
技术领域
本发明属于电源管理技术领域，涉及一种直流大电流短路保护电路及方法。
背景技术
在大电流直流供配电电路中，为了提高其可靠性，需要设计合理的保护电路。短路保护是其中之一，在电路发生过流、短路时，实现对电源和负载的保护。短路保护的原理是通过电流检测电路，检测通路电流，与设定的阈值进行比较，控制供电通路的通断。当出现短路时，封锁驱动信号，切断供电通路，实现保护。
现有直流大电流短路保护有三种方式：熔断器、采样电阻和霍尔效应电流传感器。熔断器的优点是使用简单，缺点是体积大、使用寿命短；采样电阻在大电流情况下，由于电阻两端的电压与通过的电流成正比，通过采样电阻的功率与电流的平方成正比，所以采样电阻上产生较大压降，降低供电质量，同时采样电阻还会消耗巨额热损，影响供电通路的安全性；霍尔电流传感器不会产生以上问题，但是单纯采用霍尔电流传感器的缺点是如果短路现象频繁出现，会出现功率开关管频繁开通、关断，产生热积累，容易造成损坏。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种直流大电流短路保护电路及方法，避免了使用体积大、寿命短的熔断器，或使用大功率采样电阻在大电流环境下带来输出电压下降和产生巨额热损，同时解决了供电开关频繁通断以至容易烧毁的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种直流大电流短路保护电路，包括霍尔效应电流传感器U1、阻抗匹配电路、分压取样电路和冷却控制电路；
霍尔效应电流传感器U1的IP+端连接有电源正端001，IP-端连接有电源地端002；阻抗匹配电路输入端与与霍尔效应电流传感器U1输出端连接，输出端与分压取样电路输入端连接；分压取样电路输出端与冷却控制电路输入端连接；
冷却控制电路包括电阻R4、电阻R5、比较器am1和电容C5；电源分别连接电阻R4的一端、电阻R5的一端、比较器am1的V+端和电容C5的一端，电容C5的另一端接地；电阻R4另一端分别依次连接比较器am1的负输入端、NPN三极管T1的集电极和电容C3的一端，电容C3的另一端依次分别连接地和NPN三极管T1的发射极，NPN三极管T1的基极串联电阻R8后连接电路输出端003，电容C3的另一端还与分压采样电路连接；电阻R5另一端分别依次连接比较器am1的正输入端和电阻R6的一端，电阻R6的另一端依次分别连接比较器am2的正输入端和电阻R7的一端，电阻R7的另一端与电容C3的另一端连接，比较器am2的负输入端接收分压取样电路的采样电压值，比较器am2的V+端分别连电源和电容C6的一端，电容C6的另一端接地；
冷却控制电路还包括与非门D1、与非门D2和非门D3，与非门D1的一个输入端与比较器am1的输出端相连，另一个输入端与与非门D2的输出端连接；与非门D1输出端接到与非门D2的一个输入端；与非门D2的一个输入端与比较器am2的输出端相连，另一个输入端与与非门D1的输出端连接；与非门D2输出端接到与非门D1的一个输入端和非门D3的输入端，非门D3的输出端接到电路输出端003。
优选的，阻抗匹配电路包括与霍尔效应电流传感器U1的VCC端依次分别连接电容C1的一端、电容C4的一端和电压跟随器am3的V+端，电容C4的另一端接地；霍尔效应电流传感器U1的GND端分别依次连接地和电容C2的一端；霍尔效应电流传感器U1的VOUT端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接电压跟随器am3的正输入端；电容C1的一端连接电源，电容C1的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与电压跟随器am3的正输入端连接。
优选的，分压取样电路包括电阻R2和电阻R3，电阻R2的一端阻抗匹配电路的输出端，电阻R2的另一端与电阻R3的一端连接。
优选的，霍尔效应电流传感器U1的型号为ACS758ECB-200U-PFF-T。
一种直流大电流短路保护方法，根据上述的任意一种电路，包括以下步骤；
霍尔效应电流传感器U1的输出信号经过阻抗匹配电路进行阻抗匹配，增强驱动能力后，再经过分压取样电路，并对分压取样电路中的电压进行采样，作为比较器am2负输入端的输入信号；
设定比较器am1的阈值电压，当电容C3两端电压小于比较器am1的阈值电压时，比较器am1输出高电平，当电容C3两端电压大于比较器am1的阈值电压时，比较器am1输出低电平；
设定比较器am2的阈值电压，当供电通路电流在正常工作范围时，采样电压值小于比较器am2的阈值电压，比较器am2输出高电平；当供电通路发生过流或短路时，采样电压值大于比较器am2的阈值电压，则比较器am2输出低电平；
当供电通路电流在正常工作范围时，采样电压值小于比较器am2的设定阈值，比较器am2输出高电平，与非门D2输出低电平，电路输出端003电压为高电平，NPN三极管T1管导通，电容C3通过NPN三极管T1放电，使电路输出端003保持为高电平；
当供电通路发生过流或短路时，采样电压值大于比较器am2的设定阈值，比较器am2输出低电平，与非门D2输出高电平，电路的输出端003由高电平跳变为低电平，切断供电通路，进入过流短路保护状态，保护电路进入暂稳态，NPN三极管T1截止，此后电容C3充电，当电容C3充电至其两端电压大于比较器am1的阈值电压时，比较器am1输出低电平，比较器am2输出高电平，非门D3输入端为低电平，电路的输出端003由低电平翻转为高电平，同时NPN三极管T1导通，于是电容C3放电，保护电路返回到稳定状态，供电通路退出过流短路保护状态，被再次接通。
优选的，比较器am1的阈值电压为VCC×(R6+R7)/(R5+R6+R7)，比较器am2的阈值电压为VCC×(R7)/(R5+R6+R7)。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用霍尔效应电流传感器和冷却控制电路构建大电流短路保护系统，冷却控制电路能够根据分压取样电路中的采样电压值进行判断，使电路输出端003始终保持高电平，当供电通路发生过流或短路时，电路的输出端003由高电平跳变为低电平，切断供电通路，避免了使用体积大、寿命短的熔断器，或使用大功率采样电阻在大电流环境下带来输出电压下降和产生巨额热损，同时解决了供电开关频繁通断以至容易烧毁的问题，达到大电流保护的目的。
附图说明
图1是本发明所述的电路图。
图2是本发明图1中V1点、VC3点和电路输出端003的冷却时间波图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明所述电路包括霍尔效应电流传感器U1、阻抗匹配电路、分压取样电路和冷却控制电路；
霍尔效应电流传感器U1的IP+端连接有电源正端001，IP-端连接有电源地端002；阻抗匹配电路输入端与与霍尔效应电流传感器U1输出端连接，输出端与分压取样电路输入端连接；分压取样电路输出端与冷却控制电路输入端连接；冷却控制电路输出端与电路输出端003连接。
本实施例优选的霍尔效应电流传感器U1采用Allegro生产的ACS758ECB-200U-PFF-T型号。
阻抗匹配电路包括电容C1、电容C2、电容C4、电阻R1和电压跟随器am3；霍尔效应电流传感器U1的VCC端依次分别连接电容C1的一端、电容C4的一端和电压跟随器am3的V+端，电容C4的另一端接地；霍尔效应电流传感器U1的GND端分别依次连接地和电容C2的一端；霍尔效应电流传感器U1的VOUT端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接电压跟随器am3的正输入端；电容C1的一端连接电源，电容C1的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与电压跟随器am3的正输入端连接。
分压取样电路包括电阻R2和电阻R3，电阻R2的一端分别连接电压跟随器am3的负输入端与电压跟随器am3的输出端，电阻R2的另一端与电阻R3的一端连接。
冷却控制电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C3、电容C5、电容C6、比较器am1、比较器am2、NPN三极管T1；电源分别连接电阻R4的一端、电阻R5的一端、比较器am1的V+端和电容C5的一端，电容C5的另一端接地；电阻R4另一端分别依次连接比较器am1的负输入端、NPN三极管T1的集电极和电容C3的一端，电阻R3的另一端连接电容C3的另一端，电容C3的另一端还依次分别连接地和NPN三极管T1的发射极，NPN三极管T1的基极串联电阻R8后连接电路输出端003，电容C3用于向分压采样电路放电；电阻R5另一端分别依次连接比较器am1的正输入端和电阻R6的一端，电阻R6的另一端依次分别连接比较器am2的正输入端和电阻R7的一端，电阻R7的另一端与电容C3的另一端连接，比较器am2的负输入端和电阻R2的另一端连接，比较器am2的V+端分别连电源和电容C6的一端，电容C6的另一端接地。
冷却控制电路还包括与非门D1、与非门D2和非门D3；与非门D1的一个输入端与比较器am1的输出端相连，另一个输入端与与非门D2的输出端连接；与非门D1输出端接到与非门D2的一个输入端；与非门D2的一个输入端与比较器am2的输出端相连，另一个输入端与与非门D1的输出端连接；与非门D2输出端接到与非门D1的一个输入端和非门D3的输入端，非门D3的输出端接到电路输出端003。
霍尔效应电流传感器U1的输出信号VOUT依次经过限流电阻R1和电压跟随器am3进行阻抗匹配，增强驱动能力后，再经过R2和R3组成的分压取样电路，并对R3两端的电压进行采样，采样电压作为冷却控制电路的输入信号。
设定比较器am1的阈值电压为VCC×(R6+R7)/(R5+R6+R7)，当电容C3两端电压小于VCC×(R6+R7)/(R5+R6+R7)时，比较器am1输出高电平，当电容C3两端电压大于VCC×(R6+R7)/(R5+R6+R7)时，比较器am1输出低电平。
设定比较器am2的阈值电压为VCC×(R7)/(R5+R6+R7)，当供电通路电流在正常工作范围时，采样电压值小于VCC×(R7)/(R5+R6+R7)，比较器am2输出高电平；当供电通路发生过流或短路时，采样电压值大于VCC×(R7)/(R5+R6+R7)，则比较器am2输出低电平。
当供电通路电流在正常工作范围时，采样电压值小于VCC×(R7)/(R5+R6+R7)，此时比较器am2输出高电平，与非门D2输出低电平，电路输出端003电压为高电平，NPN三极管T1管导通，电容C3通过NPN三极管T1放电，电容C3两端电压始终小于VCC×(R6+R7)/(R5+R6+R7)，比较器am1输出高电平，使电路输出端003保持为高电平；
当供电通路发生过流甚至短路时，采样电压值大于VCC×(R7)/(R5+R6+R7)，此时比较器am2输出低电平，与非门D2输出高电平，电路的输出端003由高电平跳变为低电平，切断供电通路，进入过流短路保护状态，保护电路进入暂稳态，NPN三极管T1截止，此后电容C3充电，当电容C3充电至其两端电压大于比较器am1的阈值电压时，比较器am1输出高电平，比较器am2输出高电平，非门D3输入端为低电平，电路的输出端003由低电平翻转为高电平，同时NPN三极管T1导通，于是电容C3放电，保护电路返回到稳定状态，供电通路退出过流短路保护状态，被再次接通。
电路输出端003的电平信号，作为供电通路的开关控制信号，在供电通路过流或短路时，切断供电通路，实现对过流或短路保护。并且在电容C3充电期间，即使短路或过流现象消除，通路也不会立刻接通，避免频繁开关对供电通路器件造成热累积损坏。等待电容C3充电完毕，再次打开供电通路，达到保护器件的目的。
电容C3电压从零电平上升到VCC×(R6+R7)/(R5+R6+R7)的时间，即输出003端电压的的脉宽tw(当R5＝R6＝R7时)为
tw＝R4C3ln3≈1.1R4C3
通常R4的取值在几百欧至几兆欧，电容取值为几百皮法到几百微法。脉冲宽度tw可从几微妙到数分钟。
如图2所示，取图1中V1点、VC3点和电路输出端003为例，可以看出短路保护冷却时间可调。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种直流大电流短路保护电路，其特征在于，包括霍尔效应电流传感器U1、阻抗匹配电路、分压取样电路和冷却控制电路；
霍尔效应电流传感器U1的IP+端连接有电源正端001，IP-端连接有电源地端002；阻抗匹配电路输入端与霍尔效应电流传感器U1输出端连接，输出端与分压取样电路输入端连接，阻抗匹配电路包括与霍尔效应电流传感器U1的VCC端依次分别连接电容C1的一端、电容C4的一端和电压跟随器am3的V+端，电容C4的另一端接地；霍尔效应电流传感器U1的GND端分别依次连接地和电容C2的一端；霍尔效应电流传感器U1的VOUT端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接电压跟随器am3的正输入端；电容C1的一端连接电源，电容C1的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与电压跟随器am3的正输入端连接；分压取样电路输出端与冷却控制电路输入端连接；
冷却控制电路包括电阻R4、电阻R5、比较器am1和电容C5；电源分别连接电阻R4的一端、电阻R5的一端、比较器am1的V+端和电容C5的一端，电容C5的另一端接地；电阻R4另一端分别依次连接比较器am1的负输入端、NPN三极管T1的集电极和电容C3的一端，电容C3的另一端依次分别连接地和NPN三极管T1的发射极，NPN三极管T1的基极串联电阻R8后连接电路输出端003，电容C3的另一端还与分压采样电路连接；电阻R5另一端分别依次连接比较器am1的正输入端和电阻R6的一端，电阻R6的另一端依次分别连接比较器am2的正输入端和电阻R7的一端，电阻R7的另一端与电容C3的另一端连接，比较器am2的负输入端接收分压取样电路的采样电压值，比较器am2的V+端分别连电源和电容C6的一端，电容C6的另一端接地；
冷却控制电路还包括与非门D1、与非门D2和非门D3，与非门D1的一个输入端与比较器am1的输出端相连，另一个输入端与与非门D2的输出端连接；与非门D1输出端接到与非门D2的一个输入端；与非门D2的一个输入端与比较器am2的输出端相连，另一个输入端与与非门D1的输出端连接；与非门D2输出端接到与非门D1的一个输入端和非门D3的输入端，非门D3的输出端接到电路输出端003。
2.根据权利要求1所述的一种直流大电流短路保护电路，其特征在于，分压取样电路包括电阻R2和电阻R3，电阻R2的一端为 阻抗匹配电路的输出端，电阻R2的另一端与电阻R3的一端连接。
3.根据权利要求1所述的一种直流大电流短路保护电路，其特征在于，霍尔效应电流传感器U1的型号为ACS758ECB-200U-PFF-T。
4.一种直流大电流短路保护方法，根据权利要求1-3任意一项所述的直流大电流短路保护电路，其特征在于，包括以下步骤；
霍尔效应电流传感器U1的输出信号经过阻抗匹配电路进行阻抗匹配，增强驱动能力后，再经过分压取样电路，并对分压取样电路中的电压进行采样，作为比较器am2负输入端的输入信号；
设定比较器am1的阈值电压，当电容C3两端电压小于比较器am1的阈值电压时，比较器am1输出高电平，当电容C3两端电压大于比较器am1的阈值电压时，比较器am1输出低电平；
设定比较器am2的阈值电压，当供电通路电流在正常工作范围时，采样电压值小于比较器am2的阈值电压，比较器am2输出高电平；当供电通路发生过流或短路时，采样电压值大于比较器am2的阈值电压，则比较器am2输出低电平；
当供电通路电流在正常工作范围时，采样电压值小于比较器am2的设定阈值，比较器am2输出高电平，与非门D2输出低电平，电路输出端003电压为高电平，NPN三极管T1管导通，电容C3通过NPN三极管T1放电，使电路输出端003保持为高电平；
当供电通路发生过流或短路时，采样电压值大于比较器am2的设定阈值，比较器am2输出低电平，与非门D2输出高电平，电路的输出端003由高电平跳变为低电平，切断供电通路，进入过流短路保护状态，保护电路进入暂稳态，NPN三极管T1截止，此后电容C3充电，当电容C3充电至其两端电压大于比较器am1的阈值电压时，比较器am1输出低电平，比较器am2输出高电平，非门D3输入端为低电平，电路的输出端003由低电平翻转为高电平，同时NPN三极管T1导通，于是电容C3放电，保护电路返回到稳定状态，供电通路退出过流短路保护状态，被再次接通。
5.根据权利要求4所述的一种直流大电流短路保护方法，其特征在于，比较器am1的阈值电压为VCC×(R6+R7)/(R5+R6+R7)，比较器am2的阈值电压为VCC×(R7)/(R5+R6+R7)。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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