CN110707676A - 一种基于电荷泵的浪涌抑制电路 - Google Patents

一种基于电荷泵的浪涌抑制电路 Download PDF

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张海宝
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    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage

Abstract

本发明公开了一种基于电荷泵的浪涌抑制电路，其包括：MOS管、稳压电路、电荷泵电路、电压限值电路，输入直流电源连接MOS管源极和稳压电路输入端，稳压电路输出端连接电荷泵电路输入端，电荷泵电路输出端电压经电压限制电路的电压限制二极管限制后输送至MOS管的源极。本发明当输入电压处于正常范围内时，浪涌抑制电路正常导通，且导通电阻很小，为几十毫欧，当输入电压出现过压浪涌时，浪涌抑制电路的导通电阻自动迅速增加，浪涌抑制电路承受过压浪涌的大部分电压，确保用电设备的输入电压在可接受范围内。

Description

一种基于电荷泵的浪涌抑制电路
技术领域
本发明属于电路设计技术领域，涉及一种输入浪涌抑制电路，具体地说是一种用于直流输入设备输入端电源浪涌抑制的电路。
背景技术
对于一些特定环境和用途的电子设备，其供电电源中经常会有电压浪涌(本文所指浪涌均为过压浪涌)，为了保护这些用电设备，防止受浪涌电压冲击而损坏，需要对电子设备的电源电路进行防浪涌处理，设计有效的抗浪涌电路。相关浪涌处理要求为：满足GJB181-1986文件中的相关要求，用电设备应经受五次过压浪涌，每次过压浪涌的持续时间为50ms，浪涌电压为80V，两次过压浪涌之间的时间间隔为1min。由于过压浪涌的伏秒积很大，所以不能简单地用传统的储能方式来抑制，否则电感和电容元件将会过大，导致重量、体积无法承受。
一般常用的浪涌抑制方法是在电源输入端并联电压箝位器件，如瞬态电压抑制二极管、压敏电阻、固体放电管等，正常情况下，电源电压的波动范围低于箝位器件的动作电压，箝位器件无反应，相当于开路，对电路没有影响；当电源出现浪涌时，浪涌电压高于箝位器件的动作电压，箝位器件快速导通，吸收浪涌电压的能量，将电源电压限制在安全范围内，从而起到保护用电设备的作用。由于电压箝位器件是对浪涌电压的能量进行吸收，而特定用电设备的电源浪涌能量很大，箝位器件导通时流过的电流往往达到几十甚至几百安培以上，承受的功耗在几千到上万瓦。因此功率偏小的器件很容易损坏，不能起到正常保护作用。而大功率器件价格偏高，体积也较大，有时会受用电设备内部空间、高度等限制，应用受到一定制约；即使能用，也因为经常承受大功率浪涌冲击，会加快器件老化，工作一定时间后，性能和可靠性下降，保护能力减弱，导致自身和用电设备都可能受浪涌冲击而损坏。另外，箝位器件的箝位电压精度不高，有一定的偏差范围，在一些要求较高的电子设备中不适合使用。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种基于电荷泵的浪涌抑制电路，解决无源浪涌电压抑制器件及电路存在的输入损耗高、存在较大电流冲击、易老化、箝位电压精度不高等问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于电荷泵的浪涌抑制电路，其包括：MOS管、稳压电路、电荷泵电路、电压限值电路，输入直流电源连接MOS管源极和稳压电路输入端，稳压电路输出端连接电荷泵电路输入端，电荷泵电路输出端电压经电压限制电路的电压限制二极管限制后输送至MOS管的源极。
其中，所述输入直流电源28V进入抑制电路后，初始时刻MOS管开通，其栅极的驱动电压被限制在低于电压限值二极管击穿电压DC39V，稳压电路将输入的直流电源进行降压至DC12V，为后面的电荷泵电路供电，电荷泵电路将输入的DC12V电压泵升至比输入电压高12V，电荷泵电路的输出电压受到电压限值二极管的限制。
其中，所述输入直流电源与MOS管栅极之间设置箝位二极管D3，当输入电压存在浪涌时，箝位二极管D3控制MOS管驱动电压，使其处于线性工作状态，抑制输入的浪涌电压。
其中，所述输入直流电源的输入电压通过电阻R2、二极管D4给MOS管Q1的栅极充电，由箝位二极管D3箝制充电电压，初始时刻MOS管Q1的源极电压为零，随着栅极电压的升高，源极电压也不断升高，直到升高至Vin-VGS。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的基于电荷泵的浪涌抑制电路，具有以下优点：
(1)电路由MOS管、TVS管、IC芯片等半导体器件组成，其具有重量轻、体积小、工作稳定、效率高、安全可靠等特点。
(2)当输入端电压在正常范围内的情况下浪涌抑制电路的阻抗很小，降低了正常条件下的损耗，减少了发热量，当出现浪涌电压时MOS管的导通阻抗自动升高，降低设备的输入电压。
(3)电压浪涌抑制电路可根据负载设备的电流调整其并联MOS管的数量和型号，将导通电流损耗降低到可接受范围内。
附图说明
图1是本发明一种基于电荷泵的浪涌抑制电路的原理框图。
图2是本发明一种基于电荷泵的浪涌抑制电路的具体电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明基于电荷泵的浪涌抑制电路需要能够实现：当输入电压处于正常范围内时，浪涌抑制电路正常导通，且导通电阻很小，为几十毫欧，当输入电压出现过压浪涌时，浪涌抑制电路的导通电阻自动迅速增加，浪涌抑制电路承受过压浪涌的大部分电压，确保用电设备的输入电压在可接受范围内。
图1为本发明的原理框图，基于电荷泵的浪涌抑制电路包括：MOS管、稳压电路、电荷泵电路、电压限值电路，输入直流电源连接MOS管源极和稳压电路输入端，稳压电路输出端连接电荷泵电路输入端，电荷泵电路输出端电压经电压限制电路的电压限制二极管限制后输送至MOS管的源极。
输入直流电源28V进入抑制电路后，初始时刻MOS管开通，其栅极的驱动电压被限制在低于电压限值二极管击穿电压(DC39V)，稳压电路将输入的直流电源进行降压至DC12V，为后面的电荷泵电路供电，电荷泵电路将输入的DC12V电压泵升至比输入电压高12V，电荷泵电路的输出电压同样受到电压限值二极管的限制，无法高于DC39V，根据MOS管的导通特性，其源极电压无法高于栅极电压，因此该电路可实现将输出电压限制在DC39V以内。
本发明基于电荷泵的浪涌抑制电路图如图2所示：
在正常输入电压时，MOS管开通，输出正常电压，当输入电压存在浪涌时，箝位二极管D3控制MOS管驱动电压，使其处于线性工作状态，抑制输入的浪涌电压。
输入电压通过电阻R2、二极管D4给MOS管Q1的栅极充电，由箝位二极管D3箝制充电电压。初始时刻MOS管Q1的源极电压为零，随着栅极电压的升高，源极电压也不断升高，直到升高至Vin-VGS，在此过程中，线性稳压电路也逐渐进入稳定工作状态，MOS管Q1的源极电压经过电阻R6和三极管Q2的降压，将电压稳定至VCC(10V)，U2为TL431芯片，依据分压网络R8、R9的电压反馈对流进三极管Q2的基极电流进行调整，从而保证输出电压稳定在10V。
当VCC电压建立完成后，向定时器芯片U1供电，U1的3脚输出频率10KHz、占空比50％、幅值为VCC的方波，该方波经过电阻R5、电容C3、二极管D5、二极管D1、电阻R1组成的电荷泵电路后，将电压泵升至(VS+10V)，作为MOS管Q1的驱动电压，使MOS管Q1处于完全导通状态，即VD＝VS+IL×RDS，VD为MOS管Q1的漏极电压，VS为MOS管Q1的源极电压，IL为负载电流，RDS为MOS管Q1的导通阻抗，低于20mΩ。
正常情况下，MOS管Q1处于完全导通情况下，其导通损耗根据公式P＝I2×R计算可得知在5A的负载电流条件下损耗小于0.5W。当输入端出现浪涌电压时，Q1的栅极由于有TVS管D3的存在，其最高电压将被限制在39V，即经过电荷泵升高后的驱动电压VGS≤39V，此时Q1还处于完全导通状态，其源极电压VS将逐渐升高，当源极电压VS升高至39V时，VGS＝0V，Q1将进入高阻抗的断开状态，其源极电压VS将逐渐降低。因此可以判定MOS管源极电压VS最高将不超过39V的电压限值，当出现浪涌电压时，MOS管将处于放大工作区，根据输入的浪涌电压值自动调整导通阻抗。
按照图2所示连接以下器件，电阻R2、二极管D4、MOS管Q1的栅极组成初始启动电路，TVS二极管D3的击穿电压值按照用电设备的允许输入电压值进行选择，将浪涌抑制器的输出电压钳位至D3的击穿电压。电阻R1、二极管D1、D5、电容C3和芯片U1共同组成电荷泵升电路，将电压泵升到(VS+10V)，为MOS管Q1提供驱动电压。电阻R6、R7、R8、R9、三极管Q2、芯片U2、电容C6、C7组成稳压电路，将输入电压降低至10V输出，为芯片U1供电，电阻R3、R4、二极管D6、D7、电容C4、C5组成U1输出10KHz方波所需的外围电路，为电荷泵电路提供泵升电压所需要的10KHz方波。
直流28V输入电源经过稳压电路将电压降低至DC10V为方波输出芯片提供供电电源，方波输出芯片向电荷泵电路提供10KHz方波，电荷泵电路再将驱动电压泵升至Vin+10V并输出，电压限值电路对电荷泵的输出电压进行限值，使其最高电压不超过DC39V，然后该电压送至MOS管的栅极作为驱动电压，即MOS管的栅极电压始终不高于DC39V，如果要维持MOS管的开通状态则其源极电压绝对不能超过DC39V，一旦高于该电压，MOS管的VGS将呈现负压，使其处于高阻抗的关断状态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于电荷泵的浪涌抑制电路，其特征在于，包括：MOS管、稳压电路、电荷泵电路、电压限值电路，输入直流电源连接MOS管源极和稳压电路输入端，稳压电路输出端连接电荷泵电路输入端，电荷泵电路输出端电压经电压限制电路的电压限制二极管限制后输送至MOS管的源极。
2.如权利要求1所述的基于电荷泵的浪涌抑制电路，其特征在于，所述输入直流电源28V进入抑制电路后，初始时刻MOS管开通，其栅极的驱动电压被限制在低于电压限值二极管击穿电压DC39V，稳压电路将输入的直流电源进行降压至DC12V，为后面的电荷泵电路供电，电荷泵电路将输入的DC12V电压泵升至比输入电压高12V，电荷泵电路的输出电压受到电压限值二极管的限制。
3.如权利要求2所述的基于电荷泵的浪涌抑制电路，其特征在于，所述输入直流电源与MOS管栅极之间设置箝位二极管D3，当输入电压存在浪涌时，箝位二极管D3控制MOS管驱动电压，使其处于线性工作状态，抑制输入的浪涌电压。
4.如权利要求3所述的基于电荷泵的浪涌抑制电路，其特征在于，所述输入直流电源的输入电压通过电阻R2、二极管D4给MOS管Q1的栅极充电，由箝位二极管D3箝制充电电压，初始时刻MOS管Q1的源极电压为零，随着栅极电压的升高，源极电压也不断升高，直到升高至Vin-VGS。
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