CN110311351A - 过流保护电路以及负载回路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种过流保护电路以及负载回路，所述过流保护电路包括电流采样电路、电压放大电路、过流阈值控制单元、可编程电压基准电路以及电压比较器；所述电流采样电路的输入端与负载回路连接，所述电流采样电路的输出端通过所述电压放大电路与所述电压比较器的第一输入端连接，所述过流阈值控制单元通过所述可编程电压基准电路与所述电压比较器的第二输入端连接，所述电压比较器的输出端与所述负载回路连接。本申请通过电流采样电路、电压放大电路、过流阈值控制单元、可编程电压基准电路以及电压比较器构成的过流保护电路；过流阈值控制单元通过软件编程即可动态调整设置基准电压值，并可根据不同的负载灵活动态设置过流阈值。

Description

过流保护电路以及负载回路

技术领域

本申请涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种过流保护电路以及负载回路。

背景技术

在电子电路技术领域，过流保护电路是指当负载回路中发生短路或负载突变故障导致输出电流过大时，对负载回路进行保护的一种电路。现有技术一般采用间歇通断的形式实现过流保护，通过对负载回路的电流进行采样，当采样到的电流超过规定的阈值时，过流保护电路输出过流指示信号，进而自动断开负载回路。

如图1所示，过流保护电路由电流采样电路、电压放大电路、基准电压源以及电压比较器构成。电流采样电路与负载回路连接，用于对负载回路的电流进行采样，通常是在负载回路中串联采样电阻，根据欧姆定律得到与流经电阻电流成正比的电压值；电压放大电路，用于将微小电压信号进行放大后输出采样电压；基准电压源，用于为电压比较器提供基准电压，一般采用电阻分压方式产生基准电压或采用专用基准电压芯片产生基准电压；电压比较器，用于将电压放大电路输出的采样电压和基准电压源提供的基准电压进行比较，输出过流指示信号；电压比较器输出的过流指示信号通过逻辑与门与开关控制信号进行逻辑与运算，从而控制可控开关管。例如：当电流过大时，采样电压大于基准电压，电压比较器输出低电平信号触发可控开关的关断，以达到电路过流保护效果。其中，使电压比较器输出过流指示信号的最小采样电流为过流阈值。

上述过流保护电路存在的问题是，1、如果过流保护电路的输出端口因意外短路或者负载故障，可能使得可控开关不停的工作在大电流的冲击下，严重影响可控开关的使用寿命，甚至由于功率增大、发热严重而导致烧坏；2、间歇通断的形式导致不能稳定输出故障告警状态信号，无法实现故障诊断和定位消除；3、不能根据负载的变化对过流阈值进行相应的修改。

发明内容

本申请的主要目的在于提出一种过流保护电路以及负载回路，旨在解决现有过流保护电路存在的影响可控开关的使用寿命、无法实现故障诊断和定位以及不能根据负载的变化对过流阈值进行相应的修改的问题。

为实现上述目的，本申请实施例一方面提供一种过流保护电路，所述过流保护电路包括电流采样电路、电压放大电路、过流阈值控制单元、可编程电压基准电路以及电压比较器；

所述电流采样电路的输入端与负载回路连接，所述电流采样电路的输出端通过所述电压放大电路与所述电压比较器的第一输入端连接，所述过流阈值控制单元通过所述可编程电压基准电路与所述电压比较器的第二输入端连接，所述电压比较器的输出端与所述负载回路连接；

所述电流采样电路，用于对所述负载回路的电流进行采样并输出采样电压；

所述电压放大电路，用于对所述电流采样电路输出的采样电压进行放大，输出放大后的采样电压；

所述过流阈值控制单元，用于根据过流阈值确定基准电压值；

所述可编程电压基准电路，用于根据所述过流阈值控制单元确定的基准电压值，输出编程后的基准电压值；

所述电压比较器，用于对所述电压放大电路输出的采样电压和所述可编程电压基准电路输出的基准电压值进行比较，输出过流信号；所述过流信号用于控制所述负载回路的断开。

在一种实施方式中，所述过流保护电路还包括过流触发锁定电路；

所述电压比较器的输出端通过所述流触发锁定电路与所述负载回路连接；

所述过流触发锁定电路，用于根据所述电压比较器输出的过流信号，产生并锁定过流指示信号。

在一种实施方式中，所述过流保护电路还包括过流诊断及控制单元。

所述过流诊断及控制单元的输入端与所述过流触发锁定电路的输出端连接，所述过流诊断及控制单元的输出端与所述过流触发锁定电路的复位端连接；

所述过流诊断及控制单元，用于根据所述过流触发锁定电路产生的过流指示信号进行过流故障诊断和脉冲次数计数；在脉冲次数计数值未超过预设阈值且过流故障被消除的情况下，输出复位信号；

所述过流触发锁定电路，还用于根据所述过流诊断及控制单元输出的复位信号进行复位。

在一种实施方式中，所述过流诊断及控制单元，还用于在脉冲次数计数值超过预设阈值且过流故障未被消除的情况下，不再输出复位信号。

在一种实施方式中，所述过流触发锁定电路包括D触发器；

所述D触发器的D端和PRE端均与高电平连接，所述D触发器的CLK 端与所述电压比较器的输出端连接，所述D触发器的Q反向端用于输出所述过流指示信号，所述D触发器的CLR端用于接收所述复位信号。

在一种实施方式中，所述可编程电压基准电路包括基准电压源和可编程数字电位器；

所述可编程数字电位器的控制接口与所述过流阈值控制单元连接；

所述基准电压源，用于为所述可编程数字电位器提供满幅度基准电压；

所述可编程数字电位器，用于根据所述过流阈值控制单元确定的基准电压值，输出编程后的基准电压值。

在一种实施方式中，所述电流采样电路包括与所述负载回路串联连接的采样电阻；

所述过流阈值控制单元确定的基准电压值等于所述过流阈值和所述采样电阻阻值的积。

为实现上述目的，本申请实施例另一方面提供一种负载回路，所述负载回路包括依次连接的电源、负载、可控开关以及上述的过流保护电路；

所述负载回路还包括逻辑门，所述逻辑门的第一输入端与所述过流保护电路的输出端连接，所述逻辑门的第二输入端用于接收开关控制信号，所述逻辑门的输出端与所述可控开关的控制端连接。

在一种实施方式中，所述逻辑门为逻辑与门。

在一种实施方式中，所述可控开关包括场效应管或者绝缘栅双极型晶体管。

本申请实施例提供的过流保护电路以及负载回路，通过电流采样电路、电压放大电路、过流阈值控制单元、可编程电压基准电路以及电压比较器构成的过流保护电路；过流阈值控制单元通过软件编程即可动态调整设置基准电压值，并可根据不同的负载灵活动态设置过流阈值。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请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，对于本领域普通技术人员而言，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他的附图。

图1为现有的一种过流保护电路结构示意图；

图2为本申请实施例的过流保护电路结构示意图；

图3为本申请实施例的过流保护电路中可编程电压基准电路结构示意图；

图4为本申请实施例的过流保护电路中过流触发锁定电路结构示意图。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

现在将参考附图描述实现本申请各个实施例的。在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本申请的说明，其本身并没有特定的意义。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

第一实施例：

如图2所示，本申请第一实施例提供一种过流保护电路，所述过流保护电路(图中的虚线框所示)包括电流采样电路、电压放大电路、过流阈值控制单元、可编程电压基准电路以及电压比较器；

所述电流采样电路的输入端与负载回路连接，所述电流采样电路的输出端通过所述电压放大电路与所述电压比较器的反相输入端连接，所述过流阈值控制单元通过所述可编程电压基准电路与所述电压比较器的同相输入端连接，所述电压比较器的输出端与所述负载回路连接。

所述电流采样电路，用于对所述负载回路的电流进行采样并输出采样电压；

在本实施例中，所述电流采样电路串联在负载回路中，用于对流经负载的电流值进行采样，根据欧姆定律可知，其输出采样电压值与采样电流成线性比例关系。所述电流采样电路可以通过采样电阻串联在负载回路中实现。

所述电压放大电路，用于对所述电流采样电路输出的采样电压进行放大，输出放大后的采样电压；

在本实施例中，由于功率和损耗限制，所述电流采样电路中的采样电阻阻值一般比较小，对应输出的采样电压值比较小，因此所述电压放大电路可采用运算放大器将微小采样电压信号放大设定的倍数后，再输出用于与基准电压进行比较。

所述过流阈值控制单元，用于根据过流阈值确定基准电压值；

在本实施例中，所述过流阈值控制单元确定的基准电压值等于所述过流阈值和所述采样电阻阻值的积。

在本实施例中，所述过流阈值控制单元可以采用微处理器MCU控制系统的软件实现，即由软件实现的过流阈值控制单元根据负载的过流阈值和采样电阻阻值确定对应的基准电压值。

所述可编程电压基准电路，用于根据所述过流阈值控制单元确定的基准电压值，输出编程后的基准电压值；

请参考图3所示，在一种实施方式中，所述可编程电压基准电路包括基准电压源和可编程数字电位器；

所述可编程数字电位器的控制接口与所述过流阈值控制单元连接；

所述基准电压源，用于为所述可编程数字电位器提供满幅度基准电压；

所述可编程数字电位器，用于根据所述过流阈值控制单元确定的基准电压值，输出编程后的基准电压值。

在该实施方式中，所述基准电压源可采用专用基准电压芯片。所述可编程数字电位器的控制接口与所述过流阈值控制单元连接，由所述过流阈值控制单元确定的基准电压值可以通过软件编程控制所述可编程数字电位器，实现输出需要的基准电压到电压比较器。可编程输出范围为零至基准电压源满量程，基准电压值的调节精度取决于专用基准电压芯片及数字电位器的精度。

所述电压比较器，用于对所述电压放大电路输出的采样电压和所述可编程电压基准电路输出的基准电压值进行比较，输出过流信号；所述过流信号用于控制所述负载回路的断开。

请再参考图2所示，在一种实施方式中，所述过流保护电路还包括过流触发锁定电路；

所述电压比较器的输出端通过所述流触发锁定电路与所述负载回路连接；

所述过流触发锁定电路，用于根据所述电压比较器输出的过流信号，产生并锁定过流指示信号。

在一种实施方式中，所述过流保护电路还包括过流诊断及控制单元。

所述过流诊断及控制单元的输入端与所述过流触发锁定电路的输出端连接，所述过流诊断及控制单元的输出端与所述过流触发锁定电路的复位端连接；

所述过流诊断及控制单元，用于根据所述过流触发锁定电路产生的过流指示信号进行过流故障诊断和脉冲次数计数；在脉冲次数计数值未超过预设阈值且过流故障被消除的情况下，输出复位信号；

所述过流触发锁定电路，还用于根据所述过流诊断及控制单元输出的复位信号进行复位。

在一种实施方式中，所述过流诊断及控制单元，还用于在脉冲次数计数值超过预设阈值且过流故障未被消除的情况下，不再输出复位信号。

需要说明的是，不再输出复位信号可以是输出非复位信号。

以下结合图4，并以所述过流触发锁定电路为D触发器进行说明：

如图4所示，所述D触发器的D端和PRE端均与高电平(图中的VCC 所示)连接，所述D触发器的CLK端与所述电压比较器的输出端连接，所述D触发器的Q反向端(图中的所示)用于输出所述过流指示信号，所述 D触发器的CLR端用于接收所述复位信号。

当D触发器接收到电压比较器输出的过流脉冲信号上升沿时进入触发状态，产生并锁定过流指示信号输出接到所述负载回路中的逻辑与门，触发器的过流指示信号锁定输出为有效低电平状态，此低电平经过逻辑与门运算后输出低电平，控制所述负载回路中的可控开关迅速关断并保持关断状态；过流指示信号另一路接入过流诊断及控制单元，过流诊断及控制单元依据此信号进行过流故障诊断。

过流诊断及控制单元输出复位信号到D触发器的复位引脚CLR端，用于实现D触发器复位，当接收到过流诊断及控制单元输出的复位信号时，D 触发器复位为初始化工作状态，进入下一次过流触发就绪状态：过流指示信号的输出复位为无效电平(高电平)，可控开关受控于开关控制信号。

过流诊断及控制单元接收D触发器的过流指示信号，过流指示信号用于过流故障的诊断依据；该单元可通过输出复位信号控制D触发器复位，重新启动下一次的过流检测流程，该单元对收到的过流指示信号脉冲次数进行计数，当过流计数值达到设定的次数后，则不再输出复位信号，永久关闭可控开关，以实现过流检测次数的控制，该单元输出复位控制信号的间隔时间(频率)和过流次数最大值都可灵活设置。

过流诊断及控制单元可以采用微处理器MCU控制系统的软件实现，即通过软件采集过流指示信号的状态实现过流故障诊断、并通过软件设定输出复位控制信号的间隔时间和过流检测的次数值，如果当过流计数值达到设定的最大次数之前过流故障被消除，输出复位控制信号后无需重新上电即可恢复电路正常工作；当过流计数值达到设定的最大次数后，过流故障仍然存在，则不再输出复位信号，永久关闭可控开关，通过以上实现过流故障诊断功能和过流检测次数的控制。由于该单元输出复位控制信号的间隔时间(频率)和过流次数最大值都可灵活设置，因此可以降低过流检测频率和次数，实现过流检测次数的限制，避免了可控开关长时间频繁进入开启-过流-关断- 开启的循环状态，避免可控开关不停的工作在大电流的冲击下由于功率增大、发热严重而导致损坏，延长可控开关器件的使用寿命，实现可靠的过流保护。

本实施例提供的过流保护电路，通过电流采样电路、电压放大电路、过流阈值控制单元、可编程电压基准电路以及电压比较器构成的过流保护电路；过流阈值控制单元通过软件编程即可动态调整设置基准电压值，并可根据不同的负载灵活动态设置过流阈值。

第二实施例：

本申请第二实施例提供一种负载回路，所述负载回路包括依次连接的电源、负载、可控开关以及第一实施例所述的过流保护电路；

所述负载回路还包括逻辑门，所述逻辑门的第一输入端与所述过流保护电路的输出端连接，所述逻辑门的第二输入端用于接收开关控制信号，所述逻辑门的输出端与所述可控开关的控制端连接。

在本实施例中，所述过流保护电路可参考前述内容，在此不作赘述。

在本实施例中，所述逻辑门为逻辑与门。

在本实施例中，所述可控开关包括场效应管或者绝缘栅双极型晶体管。

以下仍以所述过流触发锁定电路为D触发器进行说明：

当逻辑与门接收到D触发器输出的过流指示信号时(即低电平)，此低电平经过逻辑与门运算后输出低电平，控制所述可控开关迅速关断并保持关断状态。

当逻辑与门接收到D触发器输出的无效电平(高电平)时，可控开关受控于开关控制信号。

本实施例提供的负载回路，通过电流采样电路、电压放大电路、过流阈值控制单元、可编程电压基准电路以及电压比较器构成的过流保护电路；过流阈值控制单元通过软件编程即可动态调整设置基准电压值，并可根据不同的负载灵活动态设置过流阈值。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种过流保护电路，其特征在于，所述过流保护电路包括电流采样电路、电压放大电路、过流阈值控制单元、可编程电压基准电路以及电压比较器；

所述电流采样电路的输入端与负载回路连接，所述电流采样电路的输出端通过所述电压放大电路与所述电压比较器的第一输入端连接，所述过流阈值控制单元通过所述可编程电压基准电路与所述电压比较器的第二输入端连接，所述电压比较器的输出端与所述负载回路连接；

所述电流采样电路，用于对所述负载回路的电流进行采样并输出采样电压；

所述电压放大电路，用于对所述电流采样电路输出的采样电压进行放大，输出放大后的采样电压；

所述过流阈值控制单元，用于根据过流阈值确定基准电压值；

所述可编程电压基准电路，用于根据所述过流阈值控制单元确定的基准电压值，输出编程后的基准电压值；

所述电压比较器，用于对所述电压放大电路输出的采样电压和所述可编程电压基准电路输出的基准电压值进行比较，输出过流信号；所述过流信号用于控制所述负载回路的断开。

2.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于，所述过流保护电路还包括过流触发锁定电路；

所述电压比较器的输出端通过所述流触发锁定电路与所述负载回路连接；

所述过流触发锁定电路，用于根据所述电压比较器输出的过流信号，产生并锁定过流指示信号。

3.根据权利要求2所述的过流保护电路，其特征在于，所述过流保护电路还包括过流诊断及控制单元。

所述过流诊断及控制单元的输入端与所述过流触发锁定电路的输出端连接，所述过流诊断及控制单元的输出端与所述过流触发锁定电路的复位端连接；

所述过流诊断及控制单元，用于根据所述过流触发锁定电路产生的过流指示信号进行过流故障诊断和脉冲次数计数；在脉冲次数计数值未超过预设阈值且过流故障被消除的情况下，输出复位信号；

所述过流触发锁定电路，还用于根据所述过流诊断及控制单元输出的复位信号进行复位。

4.根据权利要求3所述的过流保护电路，其特征在于，所述过流诊断及控制单元，还用于在脉冲次数计数值超过预设阈值且过流故障未被消除的情况下，不再输出复位信号。

5.根据权利要求3所述的过流保护电路，其特征在于，所述过流触发锁定电路包括D触发器；

所述D触发器的D端和PRE端均与高电平连接，所述D触发器的CLK端与所述电压比较器的输出端连接，所述D触发器的Q反向端用于输出所述过流指示信号，所述D触发器的CLR端用于接收所述复位信号。

6.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于，所述可编程电压基准电路包括基准电压源和可编程数字电位器；

所述可编程数字电位器的控制接口与所述过流阈值控制单元连接；

所述基准电压源，用于为所述可编程数字电位器提供满幅度基准电压；

所述可编程数字电位器，用于根据所述过流阈值控制单元确定的基准电压值，输出编程后的基准电压值。

7.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于，所述电流采样电路包括与所述负载回路串联连接的采样电阻；

所述过流阈值控制单元确定的基准电压值等于所述过流阈值和所述采样电阻阻值的积。

8.一种负载回路，其特征在于，所述负载回路包括依次连接的电源、负载、可控开关以及权利要求1-7任一所述的过流保护电路；

所述负载回路还包括逻辑门，所述逻辑门的第一输入端与所述过流保护电路的输出端连接，所述逻辑门的第二输入端用于接收开关控制信号，所述逻辑门的输出端与所述可控开关的控制端连接。

9.根据权利要求8所述的负载回路，其特征在于，所述逻辑门为逻辑与门。

10.根据权利要求8所述的负载回路，其特征在于，所述可控开关包括场效应管或者绝缘栅双极型晶体管。