CN110729698B - 一种mcu过流保护电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MCU过流保护电路及其控制方法，用于保护MCU，包括电流采样模块、电压比较模块、MCU连接模块、定时触发模块和信息触发模块，通过电流采样模块采集输入MCU的电流信号I，并将电流信号转换为电压信号；电压信号输出至电压比较模块，和基准电压比较，大于基准电压则电流信号I过流，电压比较模块输出高电平；小于基准电压则电流信号I不过流，电压比较模块输出低电平。当电流信号I过流时，电流信号I通过保护连接电路连接MCU，定时器T启动计时，信息提示模块发出过流提示信号。本发明的MCU过流保护电路结构简单，控制方法可靠，电流检测准确，电路响应迅速，且成本较低，并能够有效地避免MCU因过流而烧毁，提高了电路的安全性和可靠性。

Description

一种MCU过流保护电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及一种MCU过流保护电路及其控制方法。
背景技术
随着技术的高速发展，MCU的应用愈来愈广泛。正由于MCU的广泛应用，不仅使得控制器越来越智能化、简单化，而且运算速度大幅度提高，控制更加的精确、高速。但在MCU工作运行时，IO口的输入输出电流不能超过其最大值。开关电源给MCU供电时，若由于电源短路造成IO口过流，则MCU将被烧毁，而MCU的控制功能越强大，其价格越高，如果MCU损坏，则会造成经济损失；并且由于MCU的引脚较多，更换亦较困难。因此，在IO口处增加过流保护电路具有重要的作用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种MCU过流保护电路及其控制方法，能够有效地避免MCU因过流而烧毁，提高电路的安全性和可靠性。
本发明的目的通过以下两个方面的技术方案实现：
第一方面，本发明提供一种MCU过流保护电路，用于保护MCU，包括
电流采样模块：用于采集输入所述MCU的电流信号I，并将所述电流信号I转换为电压信号；
电压比较模块：所述电压比较模块的输入端连接所述电流采样模块的第一输出端，将所述电压信号和所述电压比较模块的基准电压进行比较，根据比较结果，输出高电平或低电平；
MCU连接模块：所述MCU连接模块包括正常连接电路和保护连接电路，所述MCU连接模块的控制端连接所述电压比较模块的输出端，所述MCU连接模块的输入端连接所述电流采样模块的第二输出端，所述MCU连接模块的输出端连接MCU，所述MCU连接模块根据所述电压比较模块输出的高电平或低电平选择正常连接电路或保护连接电路连接MCU。
进一步地，所述MCU过流保护电路还包括
定时触发模块：所述定时触发模块的输出端连接所述电压比较模块的输出端，所述定时触发模块的输出端分别连接火线和零线，所述定时触发模块根据所述电压比较模块输出的高电平或低电平控制零线和火线的通断；
信息提示模块：所述信息提示模块的控制端连接所述电压比较模块的输出端，所述信息提示模块根据所述电压比较模块输出的电平信号显示或关闭过流信息。
进一步地，所述电流采样模块包括采样电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和运算放大器U1，所述采样电阻R1的一端连接所述电阻R2的一端且公共端接收所述电流信号I，所述电阻R1的另一端连接所述电阻R3的一端且公共端连接所述MCU选择模块的输入端，所述电阻R2的另一端连接所述运算放大器U1的一个输入端，所述电阻R3的另一端连接所述电阻R4的一端且公共端连接所述运算放大器U1的另一个输入端，所述电阻R4的另一端连接所述运算放大器U1的输出端且公共端连接所述电压比较模块。
进一步地，所述电压比较模块包括VCC电源、电阻R5、电阻R6、比较器U2，所述电阻R5的一端连接所述VCC电源，所述电阻R5的另一端连接所述所述电阻R6的一端且公共端连接所述比较器U2的反相输入端，所述电阻R6的另一端接地，所述比较器U2的同相输入端连接所述电流采样模块的第一输出端，所述比较器U2的输出端连接所述MCU连接模块。
进一步地，所述MCU连接电路包括第一导通开关、第二导通开关、PTC电阻、反相器U3，所述反相器U3的输入端连接所述第二导通开关的控制端且公共端连接所述电压比较模块的输出端，所述反相器U3的输出端连接所述第一导通开关的控制端，所述第一导通开关的输入端连接所述第二导通开关的输入端且公共端连接所述电流采样模块的第二输出端，所述第一导通开关的输出端连接所述PTC电阻的一端且公共端连接MCU的I/O口，所述PTC电阻的另一端连接所述第二导通开关的输出端。
进一步地，所述第一导通开关、所述第二导通开关均为NPN三极管。
进一步地，所述定时触发模块包括定时器T和常闭开关K1，所述定时器T的输入端连接所述电压比较模块的输出端，所述定时器的输出单连接所述常闭开关的控制端，所述常闭开关的两端分别连接电压的零线和火电。
进一步地，所述信息提示模块包块三极管Q3、电源Vcc、LED，所述三极管Q3的基极连接所述电压比较器的输出端，所述三极管Q3的集电极连接所述电源Vcc，所述三极管Q3的发射极连接所述LED的正极，所述LED的负极接地。
第二方面，本发明还提供一种MCU过流保护电路的控制方法，所述控制方法通过第一方面所述的MCU过流保护电路实现，包括：
通过电流采样模块采集输入MCU的电流信号I，并将所述电流信号转换为电压信号；
所述电压信号输出至电压比较模块，和基准电压比较，大于基准电压则电流信号I过流，电压比较模块输出高电平；小于基准电压则电流信号I不过流，电压比较模块输出低电平。
当电流信号I过流时，电流信号I通过保护连接电路连接MCU，定时器T启动计时，信息提示模块发出过流提示信号。
进一步地，所述定时器T启动时间超过Ns时，断开常闭开关K1，直接关闭供电电源。
本发明的有益效果是：本发明公开了一种MCU过流保护电路及其控制方法，该MCU过流保护电路结构简单，控制方法可靠，电流检测准确，电路响应迅速，而且成本较低。当IO口的输入输出电流大于其能承受的最大电流值时，通过可靠的控制逻辑和电路，能够有效地避免MCU因过流而烧毁，从而提高电路的安全性和可靠性。
附图说明
利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明的一个实施例的MCU过流保护电路的电路结构图。
图2是本发明的一个实施例的MCU过流保护电路的控制方法流程示意图。
其中，附图标记如下：10.电流采样模块，20.电压比较模块，30.MCU连接模块，40.定时触发模块，50.信息提示模块。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在数字电路中，把电压的高低用逻辑电平来表示，逻辑电平包括高电平和低电平这两种。不同的元器件形成的数字电路，电压对应的逻辑电平也不同。逻辑电平通过阈值电平来定义，例如，在在TTL门电路中，把大于3 .5伏(阈值高电平)的电压定义为逻辑高电平，用数字1表示；把小于0.3伏(阈值低电平)的电压定义为逻辑低电平，用数字0表示。
如图1所示，本实施例的一种MCU过流保护电路，用于保护MCU，包括
电流采样模块10：用于采集输入MCU的电流信号I，并将电流信号I转换为电压信号并放大；
电压比较模块20：电压比较模块20的输入端连接电流采样模块10的第一输出端，将电压信号和电压比较模块20的基准电压进行比较，根据比较结果，输出高电平或低电平；
MCU连接模块30：MCU连接模块30包括正常连接电路和保护连接电路，MCU连接模块30的控制端连接电压比较模块20的输出端，MCU连接模块30的输入端连接电流采样模块10的第二输出端，MCU连接模块30的输出端连接MCU，MCU连接模块30根据电压比较模块20输出的高电平或低电平选择正常连接电路或保护连接电路连接MCU。
定时触发模块40：定时触发模块40的输出端连接电压比较模块20的输出端，定时触发模块40的输出端分别连接火线和零线，定时触发模块40根据电压比较模块20输出的高电平或低电平控制零线和火线的通断；
信息提示模块50：信息提示模块50的控制端连接电压比较模块20的输出端，信息提示模块50根据电压比较模块20输出的电平信号显示或关闭过流信息。
其中，电流采样模块10包括采样电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和运算放大器U1，采样电阻R1的一端连接电阻R2的一端且公共端接收电流信号I，电阻R1的另一端连接电阻R3的一端且公共端连接MCU选择模块的输入端，电阻R2的另一端连接运算放大器U1的一个输入端，电阻R3的另一端连接电阻R4的一端且公共端连接运算放大器U1的另一个输入端，电阻R4的另一端连接运算放大器U1的输出端且公共端连接电压比较模块20。
电阻R1为采样电阻，采样电阻R1的两端压降为V，运算放大器U1用于获取采样电阻R1的压降V，并将V放大后输出，其放大倍数如式（1）：
B = R4/R3 （1）。
在本实施例中，流入MCU的I/O口的额定电流为IMAX，则采样电阻R1的额定压降VMAX如式（2）：
VMAX=IMAX*R1 （2）。
通过运算放大器U1输出的电压为VA，其额定输出电压为VAMAX，那么：
VAMAX= VMAX*B （3）。
其中，电压比较模块20包括VCC电源、电阻R5、电阻R6、比较器U2，电阻R5的一端连接VCC电源，电阻R5的另一端连接电阻R6的一端且公共端连接比较器U2的反相输入端，电阻R6的另一端接地，比较器U2的同相输入端连接运算放大器U1的输出端，比较器U2的输出端连接MCU连接模块30。
比较器U1的同相输入端用于获取运算放大器U1输出的电压VA，比较器U1的反相输入端连接基准电压VB，基准电压由电阻R5、电阻R6分压决定，如式（4）：
VB = R6/（R5+R6）*VCC （4）。
当运算放大器U1输出的电压VA 大于基准电压VB时，比较器输出高电平；
当运算放大器U1输出的电压VA 小于基准电压VB时，比较器输出低电平。
通过设置电阻R5、电阻R6的值，使：
VB =VAMAX （5）。
式（5）成立时，当输入MCU的I/O口的电流信号I超过额定电流IMAX时，即认为电流信号I过流，此时，由式（1）、式（2）可知采样电阻R1的两端压降V会大于VMAX，由式（3）可知运算放大器U1输出的电压为VA会大于VAMAX ，由式（5）可知，过流情况下，VA会大于VB，从而使比较器U2输出高电平；同理，可知当电流信号I不大于额定电流IMAX时，即电流信号I不过流的时候，比较器U2输出低电平。
其中，MCU连接电路包括第一导通开关、第二导通开关、PTC电阻、反相器U3，反相器U3的输入端连接第二导通开关的控制端且公共端连接比较器U2的输出端，反相器U3的输出端连接第一导通开关的控制端，第一导通开关的输入端连接第二导通开关的输入端且公共端连接电阻R1的输出端，第一导通开关的输出端连接PTC电阻的一端且公共端连接MCU的I/O口，PTC电阻的另一端连接第二导通开关的输出端。
第一导通开关为NPN三极管Q1，第二导通开关为NPN三极管Q2。
其中，三极管Q1和方向器U3组成正常连接电路，三极管Q2和PTC电阻组成保护连接电路，当电流信号I过流时，比较器U2输出高电平，经过反相器U3后，由高电平转换为低电平，使得三极管Q1关断，而三极管Q2会导通，电流信号I流过采样电阻R1后通过保护连接电路连接至MCU，本实施例中PTC为正温度系数，随着温度的升高，其阻值亦会增大，起到抑制电流的作用。
当电流信号I不过流时，比较器U2输出低电平，经过反相器U3后，由低电平转换为高电平，使得三极管Q1导通，而三极管Q2会关断，电流信号I流过采样电阻R1后通过正常连接电路连接至MCU。
定时触发模块40包括定时器T和常闭开关K1，定时器T的输入端连接电压比较模块20的输出端，定时器的输出单连接常闭开关的控制端，常闭开关的两端分别连接电压的零线和火电。
定时器T接收到高电平后启动，并在定时一段时间后输出一个可以使常闭开关K1断开的信号，常闭开关K1是一个可以受控制端改变状态的开关器件，例如三极管、mos管、继电器等，例如：
常闭开关K1为继电器，继电器的线圈一端接地，另一端连接定时器T的输出端，继电器的开关为常态闭合状态，两端分别连接供电电压的零线和火线；
电流信号I过流后，定时器T接收到高电平，启动计时，当计时时间达到预设的Ns时，定时器T输出一个高电平，使继电器线圈导通，从而改变继电器的开关状态，使电路和供电电压彻底断开。
通过定时器T的计时作用，只有过流时间达到Ns后才彻底关闭所有电源，避免了由于干扰信号导致MCU关机的问题。
信息提示模块50包块三极管Q3、电源Vcc、LED，三极管Q3的基极连接电压比较器的输出端，三极管Q3的集电极连接电源Vcc，三极管Q3的发射极连接LED的正极，LED的负极接地。
三极管Q3为NPN三极管，其它可以实现相同功能的导通开关也应该在本发明的保护范围内，LED为任意颜色的LED，同时也可以为其它的发光元件或其它可以起到提示功能的器件，例如、蜂鸣器、扬声器等可以发声的器件。
电流信号I过流后，三极管Q3导通，使LED发光，用以提醒维修人员和用户，方便维修人员进行问题查找。
本实施例的工作原理：当流入MCU的I/O口的电流信号I不过流时，经采样后比较器U2输出低电平，MCU连接模块30通过正常连接电路连接MCU，定时触发模块40不会启动，信息提示模块50不启动，MCU正常运行。
当流入MCU的I/O口的电流信号I过流时，经采样后比较器U2输出高电平，MCU连接模块30通过保护连接电路连接MCU，定时器触发模块启动定时器，信息提示模块50发出过流提示，MCU以过流保护的状态继续运行。
当流入MCU的I/O口的电流信号I过流时间达到Ns过流信号仍未解除时，定时触发模块40通过常闭开关K1关闭供电电压的零线和火线，彻底关闭所有电源，MCU停止运行。
本实施例还提供了一种MCU过流保护电路的控制方法，控制方法通过本实施例的MCU过流保护电路实现，包括：
通过电流采样模块10采集输入MCU的电流信号I，将电流信号转换为电压信号并放大；
电压信号输出至电压比较模块20，和基准电压比较，大于基准电压则电流信号I过流，电压比较模块20输出高电平；小于基准电压则电流信号I不过流，电压比较模块20输出低电平。
当电流信号I过流时，电流信号I通过保护连接电路连接MCU，定时器T启动计时，信息提示模块50发出过流提示信号。
当定时器T启动时间超过Ns时，断开常闭开关K1，直接关闭供电电源。
本实施例通过在MCU的I/O口处增加电流检测电路，实现实时检测IO口的电流；若未过流，则正常运行；若供电电源电路，导致IO口过流，则通过控制逻辑方法，启动过流保护电路，避免MCU过流烧坏，并发出过流提示；若过流超过一定时间，则断掉零火线电源，停止运行；通过过流计时能抑制瞬间过电流，电流恢复正常后电路自动回复正常工作。
从本实施例可以看出，本实施例的MCU过流保护电路及其控制方法，该过流保护电路结构简单，控制方法可靠，电流检测准确，电路响应迅速，而且成本较低。当IO口的输入输出电流大于其能承受的最大电流值时，通过可靠的控制逻辑和电路，能够有效地避免MCU因过流而烧毁，从而提高电路的安全性和可靠性。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种MCU过流保护电路，其特征在于，用于保护MCU，包括
电流采样模块：用于采集输入所述MCU的电流信号I，并将所述电流信号I转换为电压信号；
电压比较模块：所述电压比较模块的输入端连接所述电流采样模块的第一输出端，将所述电压信号和所述电压比较模块的基准电压进行比较，根据比较结果，输出高电平或低电平；
MCU连接模块：所述MCU连接模块包括正常连接电路和保护连接电路，所述MCU连接模块的控制端连接所述电压比较模块的输出端，所述MCU连接模块的输入端连接所述电流采样模块的第二输出端，所述MCU连接模块的输出端连接MCU，所述MCU连接模块根据所述电压比较模块输出的高电平或低电平选择正常连接电路或保护连接电路连接MCU；
所述MCU过流保护电路还包括
定时触发模块：所述定时触发模块的输出端连接所述电压比较模块的输出端，所述定时触发模块的输出端分别连接火线和零线，所述定时触发模块根据所述电压比较模块输出的高电平或低电平控制零线和火线的通断；
信息提示模块：所述信息提示模块的控制端连接所述电压比较模块的输出端，所述信息提示模块根据所述电压比较模块输出的电平信号显示或关闭过流信息。
2.如权利要求1所述的一种MCU过流保护电路，其特征在于，所述电流采样模块包括采样电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和运算放大器U1，所述采样电阻R1的一端连接所述电阻R2的一端且公共端接收所述电流信号I，所述电阻R1的另一端连接所述电阻R3的一端且公共端连接所述MCU连接模块的输入端，所述电阻R2的另一端连接所述运算放大器U1的一个输入端，所述电阻R3的另一端连接所述电阻R4的一端且公共端连接所述运算放大器U1的另一个输入端，所述电阻R4的另一端连接所述运算放大器U1的输出端且公共端连接所述电压比较模块。
3.如权利要求1所述的一种MCU过流保护电路，其特征在于，所述电压比较模块包括VCC电源、电阻R5、电阻R6、比较器U2，所述电阻R5的一端连接所述VCC电源，所述电阻R5的另一端连接所述电阻R6的一端且公共端连接所述比较器U2的反相输入端，所述电阻R6的另一端接地，所述比较器U2的同相输入端连接所述电流采样模块的第一输出端，所述比较器U2的输出端连接所述MCU连接模块。
4.如权利要求1所述的一种MCU过流保护电路，其特征在于，所述MCU连接模块包括第一导通开关、第二导通开关、PTC电阻、反相器U3，所述反相器U3的输入端连接所述第二导通开关的控制端且公共端连接所述电压比较模块的输出端，所述反相器U3的输出端连接所述第一导通开关的控制端，所述第一导通开关的输入端连接所述第二导通开关的输入端且公共端连接所述电流采样模块的第二输出端，所述第一导通开关的输出端连接所述PTC电阻的一端且公共端连接MCU的I/O口，所述PTC电阻的另一端连接所述第二导通开关的输出端。
5.如权利要求4所述的一种MCU过流保护电路，其特征在于，所述第一导通开关、所述第二导通开关均为NPN三极管。
6.如权利要求1所述的一种MCU过流保护电路，其特征在于，所述定时触发模块包括定时器T和常闭开关K1，所述定时器T的输入端连接所述电压比较模块的输出端，所述定时器的输出端连接所述常闭开关的控制端，所述常闭开关的两端分别连接电压的零线和火线。
7.如权利要求1所述的一种MCU过流保护电路，其特征在于，所述信息提示模块包块三极管Q3、电源Vcc、LED，所述三极管Q3的基极连接所述电压比较模块的输出端，所述三极管Q3的集电极连接所述电源Vcc，所述三极管Q3的发射极连接所述LED的正极，所述LED的负极接地。
8.一种MCU过流保护电路的控制方法，其特征在于，所述控制方法通过权利要求1至7任意一项所述的MCU过流保护电路实现，包括：
通过电流采样模块采集输入MCU的电流信号I，并将所述电流信号转换为电压信号；
所述电压信号输出至电压比较模块，和基准电压比较，大于基准电压则电流信号I过流，电压比较模块输出高电平；小于基准电压则电流信号I不过流，电压比较模块输出低电平；
当电流信号I过流时，电流信号I通过保护连接电路连接MCU，定时器T启动计时，信息提示模块发出过流提示信号。
9.如权利要求8所述的一种MCU过流保护电路的控制方法，其特征在于，所述定时器T启动时间超过Ns时，断开常闭开关K1，直接关闭供电电源。
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