CN110797850B - 端口电压保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种端口电压保护电路，对第一端口与第二端口之间的电压进行钳位保护，所述端口电压保护电路包括：钳位模块，接在所述第一端口与所述第二端口之间，包括依次串联的若干个稳压二极管及一个MOS管；自检模块，与所述钳位模块相连，用于检测每个所述稳压二极管是否处于短路状态，同时检测所述MOS管是否存在断开故障。在本发明提供的端口电压保护电路中，通过串联的多个稳压二极管能够有效对第一端口和第二端口之间的电压进行钳位保护；同时，针对额外增加的端口电压保护电路的关键元器件，有效地设计了MOS管作为故障切断开关，并设计了实时自检模块，避免了因为端口电压保护电路中新增元器件而带来的二次短路问题的发生，提高了功能安全性。

Description

端口电压保护电路

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其是涉及一种端口电压保护电路。

背景技术

随着汽车电子技术的发展，对汽车电子可靠性、安全性的要求越来越高，因此通常在低压电池侧加入防止低压电池侧内短路的保护电路，这必然会引入功率MOS管作为故障发生时的切断产品与低压电池侧连接的安全开关，如图1所示。其功能是在产品连接低压电池的输出侧发生短路故障时，可以通过及时的切断功率开关，切断产品与电池侧的连接，来满足整车上功能安全的要求。举例来说，如果电容器C1发生短路故障，必然会导致低压电池瞬态放电，如果没有切断此放电回路的话，会导致低压电池的电压持续的降低，在整车运行时，会带来极高的风险；但是在C1电容器发生短路故障时，如果能够通过检测手段检测到C1电容器发生了短路故障，并进而关断功率MOS管开关，则能将整车危险控制在一定范围内。

而传统的整车安装时，低压输出网络与低压电池的连接线通常约为0.5m-5m长度之间，这不可避免的会产生很大的寄生电感，极端情况下寄生电感有可能达到5uH。在发生内短路状况时，其短路电流通常较大，因此在关断MOS管的瞬间不可避免的会让MOS管产生较大的电压应力，如图2所示，超过其能够承受的电压应力范围。

通常的做法是设计一个吸收缓冲电路或者选择耐压能力高的MOS管，但是通常的吸收缓冲电路很难能够抑制住5uH的电感所产生的电压尖峰，而选择耐压能力高的MOS管，又会变相的增大产品的热损耗和成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种端口电压保护电路，以对汽车的低压电池侧端口进行钳位保护，降低MOS管开关的电压尖峰；同时能对端口电压保护电路的关键元器件进行实时自检，避免由于额外增加电路所造成的二次短路问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种端口电压保护电路，对第一端口与第二端口之间的电压进行钳位保护，所述端口电压保护电路包括：

钳位模块，接在所述第一端口与所述第二端口之间，包括依次串联的若干个稳压二极管及一个MOS管；

自检模块，与所述钳位模块相连，用于检测每个所述稳压二极管是否处于短路状态，同时检测所述MOS管是否存在断开故障。

可选的，所述钳位模块包括依次串联的第一稳压二极管、第二稳压二极管、第三稳压二极管共三个稳压二极管及一个MOS管，所述第一稳压二极管和所述第二稳压二极管的串联连接处设有第一节点，所述第一稳压二极管远离所述第一节点的一端接所述第一端口，所述第二稳压二极管和所述第三稳压二极管的串联连接处设有第二节点，所述MOS的源极接所述第二端口。

可选的，所述自检模块包括第一控制单元、第二控制单元、第三控制单元、第四控制单元及采样单元，所述第一控制单元结合所述采样单元检测所述第一稳压管的短路状态，所述第二控制单元结合所述采样单元检测所述第二稳压管的短路状态，所述第三控制单元结合所述采样单元检测所述第三稳压管的短路状态，所述第四控制单元结合所述第三控制单元与所述采样单元检测所述MOS管的断开故障。

可选的，所述第一控制单元包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第一电阻、第二电阻及第三电阻；所述第一三极管的输入端接第一控制信号，所述第一三极管的控制端接第二控制信号，所述第一三极管的输出端在串联所述第一电阻之后与所述第二三极管的控制端连接；所述第二三极管的输出端接地，所述第二三极管的输入端在串联所述第二电阻之后与所述第三三极管的控制端连接；所述第三三极管的输入端接所述第一节点，所述第三三极管的输出端在串联所述第三电阻之后接所述第二节点；所述采样单元包括串联的第四电阻和第五电阻，所述第四电阻和所述第五电阻的串联连接处设有采样输出端，所述第四电阻远离所述采样输出端的一端接所述第二节点，所述第五电阻远离所述采样输出端的一端接地；所述第二端口接地。

可选的，所述第一控制单元还包括第六电阻，所述第一三极管的控制端在串联所述第六电阻之后接所述第二控制信号。

可选的，检测所述第一稳压管的短路状态时，所述第一控制信号输入高电平，所述第二控制信号输入低电平，导通所述第一三极管、第二三极管及第三三极管，检测所述采样输出端的输出电压，并根据所述采样输出端的输出电压判断所述第一稳压二极管是否发生短路。

可选的，若所述采样输出端的输出电压为r5/(r4+r5+r3)*{V(B+)-V(TVS1)}，则所述第一稳压二极管正常工作；若所述采样输出端的输出电压为r5/(r4+r5+r3)*{V(B+)-0}，则所述第一稳压二极管发生短路故障；其中，r3、r4及r5分别表示所述第三电阻、第四电阻及第五电阻的电阻值，V(B+)表示所述第一端口的电压值，V(TVS1)表示所述第一稳压二极管的稳压值。

可选的，所述第二控制单元包括第四三极管、第五三极管、第七电阻及第八电阻；所述第四三极管的控制端接所述第二控制信号，所述第四三极管的输出端接地，所述第四三极管的输入端串联有所述第七电阻之后接所述第五三极管的控制端；所述第五三极管的输入端接所述第一端口，所述第五三极管的输出端在串联所述第八电阻之后接所述第一节点。

可选的，所述第二控制单元还包括第九电阻，所述第四三极管的控制端在串联所述第九电阻之后接所述第二控制信号。

可选的，检测所述第二稳压管的短路状态时，所述第二控制信号输入高电平，导通所述第四三极管及第五三极管，检测所述采样输出端的输出电压，并根据所述采样输出端的输出电压判断所述第二稳压二极管是否发生短路。

可选的，若所述采样输出端的输出电压为r5/(r4+r5+r8)*{V(B+)-V(TVS2)}，则所述第二稳压二极管正常工作；若所述采样输出端的输出电压为r5/(r4+r5+r8)*{V(B+)-0}，则所述第二稳压二极管发生短路故障；其中，r8表示所述第八电阻的电阻值，V(TVS2)表示所述第二稳压二极管的稳压值。

可选的，所述第三控制单元包括第六三极管、第七三极管、第八三极管、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻及第十三电阻；所述第六三极管的输入端接所述第一三极管的输出端，所述第六三极管的输出端接地，所述第六三极管的控制端在串联所述第十电阻之后接第三控制信号；所述第七三极管的输入端在串联所述第十一电阻之后接所述第八三极管的控制端，所述第七三极管的输出端接地，所述第七三极管的控制端在串联所述第十二电阻之后接所述第三控制信号；所述第八三极管的输入端接功率电源，所述第八三极管的输出端在串联所述第十三电阻之后接所述第二节点。

可选的，所述第三控制单元还包括第十四电阻，所述第十四电阻串联在所述第一三极管的输出端与所述第一电阻之间，且所述第六三极管的输入端接在所述第十四电阻和所述第一电阻的串联连接处。

可选的，所述第四控制单元包括第十五电阻及第十六电阻，所述MOS管的栅极在串联所述第十五电阻值后接第四控制信号，所述第十六电阻的一端接所述MOS管的栅极，所述第十六电阻的另一端接地。

可选的，检测所述第三稳压管的短路状态时，所述第一控制信号、第三控制信号及第四控制信号均输入高电平，导通所述第一三极管、第六三极管、第七三极管、第八三极管及MOS管，检测所述采样输出端的输出电压，并根据所述采样输出端的输出电压判断所述第三稳压二极管是否发生短路。

可选的，若所述采样输出端的输出电压为r5/(r4+r5)*{V(TVS3)}，则所述第三稳压二极管正常工作；若所述采样输出端的输出电压为0，则所述第三稳压二极管发生短路故障；若所述采样输出端的输出电压为r5/(r4+r5+r13)*{V(power1)}，则所述MOS管发生断路故障；其中，r13表示所述第十三电阻的电阻值，V(TVS3)表示所述第三稳压二极管的稳压值，V(power1)表示所述功率电源的输出电压值。

可选的，检测所述MOS管的断开故障时，所述第一控制信号及第三控制信号均输入高电平，所述第四控制信号输入低电平，导通所述第一三极管、第六三极管、第七三极管及第八三极管，关闭所述MOS管，检测所述采样输出端的输出电压，并根据所述采样输出端的输出电压判断所述MOS管是否发生断开故障。

可选的，若所述采样输出端的输出电压为r5/(r4+r5+r13)*{V(power1)}，则所述MOS管可以断开，不存在断开故障；若所述采样输出端的输出电压为r5/(r4+r5)*{V(TVS3)}，则所述MOS管不能断开，发生断开故障。

在本发明提供的端口电压保护电路中，通过串联的多个稳压二极管能够有效对第一端口和第二端口之间的电压进行钳位保护，进而能减小后续电路中的MOS管开关的电压应力，从而可以选择较小耐压的MOS开关管，降低了电路系统的热损耗与成本；同时，针对额外增加的端口电压保护电路的关键元器件，有效地设计了MOS管作为故障切断开关，并设计了实时自检模块，避免了因为端口电压保护电路中新增元器件而带来的二次短路问题的发生，提高了功能安全性。

附图说明

图1为低压电池端口防短路保护电路结构示意图；

图2为不添加任何钳位或者吸收缓冲电路条件下MOS管开关的电压尖峰示意图；

图3为本发明一实施例的端口电压保护电路的基础结构示意图；

图4为本发明一实施例的稳压二极管短路状态检测电路示意图；

图5为本发明一实施例的MOS管断路故障检测电路示意图；

图6为本发明一实施例的端口电压保护电路的完整结构示意图；

其中，A1-第一节点，A2-第二节点，ADC-采样输出端，B+-电池的正极，B--电池的负极，C1-电容器，D-MOS管的漏极，DCDC-直流/直流转换器，G-MOS管的栅极，GND1、GND2、GND3、GND4-地，L1-寄生电感，LV-第一端口，LV’-第二端口，Power1-功率电源，R1-第一电阻，R2-第二电阻，R3-第三电阻，R4-第四电阻，R5-第五电阻，R6-第六电阻，R7-第七电阻，R8-第八电阻，R9-第九电阻，R10-第十电阻，R11-第十一电阻，R12-第十二电阻，R13-第十三电阻，R14-第十四电阻，R15-第十五电阻，R16-第十六电阻，S-MOS管的源极，S1-第一三极管，S2-第二三极管，S3-第三三极管，S4-第四三极管，S5-第五三极管，S6-第六三极管，S7-第七三极管，S8-第八三极管，t-时间，T1、T2-MOS管，Test1-第一控制信号，Test2-第二控制信号，Test3-第三控制信号，Test4-第四控制信号，Vds、Vcc、Vcc1-电压。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如在背景技术中所提及的，如图1所示，电动汽车的低压输出网络与低压电池的连接线中存在很大的寄生电感L1(极端情况下寄生电感有可能达到5uH)，关断MOS管T1的电压应力主要来自于内短路时的故障电流di/dt在线路的寄生电感L1上产生的电压，MOS管T1在关断时，其漏极和源极之间的Vds电压可以表示为LV电压端点与GND2电压端点之间的电压差，如下公式所示：

Vds＝V_LV-V_GND2 (1)

由于在内短路故障发生时，GND2点的电动势参考GND1近似为0V。因此可认为MOS管漏极和源极之间的电压近似约为LV电压端点参考GND1的电动势。

在不加端口电压钳位保护电路的条件下，MOS管T1中漏极和源极之间的实际电压Vds近似等效于图2所示，图中虚线标注部分意味着MOS管T1会承受较高的尖峰电压。

基于上述问题，本发明设计了一种低压电池侧端口电压保护电路，如图3所示，在第一端口LV和第二端口LV’(GND1)两点之间串接了第一稳压二极管TVS1、第二稳压二极管TVS2、第三稳压二极管TVS3共三个稳压管和MOS管T2四个元器件。在直流转换产品DCDC正常工作时，MOS管T2处于恒定导通状态，第一稳压二极管TVS1、第二稳压二极管TVS2、第三稳压二极管TVS3三个稳压管设计用来钳位第一端口LV和第二端口LV’(GND1)之间的电压，从而变相的用来抑制MOS管T1的电压应力(稳压二极管的数量和钳位电压取决于内短路保护的电流大小，线路的寄生电感L1的大小，以及MOS管T1能够承受的电压应力)。

其基本原理为，在内短路保护发生时，GND2和GND1的电压差近似为0，低压电池输出端的第一端口LV对LV’(GND1)的电压由于三个稳压二极管的存在会被钳位在三个稳压二极管的钳位电压之和。基于公式(1)，只要合理选择稳压二极管的稳压值，便可将MOS管T1关断时的电压尖峰控制在MOS管T1能够承受的范围内。

由于稳压二极管是直接添加在低压电池输出端口，如果第一稳压二极管TVS1、第二稳压二极管TVS2、第三稳压二极管TVS3中的任何一个元器件出现短路时，如果没有任何监控或者检测手段的话，必然也会导致未出现问题的稳压二极管级联损坏，这时第一稳压二极管TVS1、第二稳压二极管TVS2、第三稳压二极管TVS3很有可能同时出现短路的状态，并进而导致低压电池处于持续的放电状态，为了避免这种由于添加额外器件而出现二次短路的故障发生，需要：

(1)、需要对三个稳压二极管TVS1、TVS2及TVS3进行实时的状态检测，由于稳压二极管的短路状态是电路设计的制约因素，因此实时检测时主要针对稳压二极管是否处于短路状态进行检测；

(2)、如果检测到故障发生，需要切断故障回路与电压电池侧端口电路的连接，因此需要MOS管T2的存在，作为故障切断开关，并对MOS管T2实时检测其是否能够关断。

针对稳压二极管TVS的检测具体原理如图4所示，其检测原理为给稳压二极管TVS施加一定的电压Vcc，并通过电阻分压采样电路来检测稳压二极管TVS的状态，在稳压二极管TVS处于短路状态时，电阻分压采集到的电压(即采样输出端ADC处的电压)应该为r2/(r2+r1)×Vcc；如果稳压二极管TVS正常工作，当施加电压Vcc小于稳压二极管TVS的稳压值Vtvs时，电阻分压采集到的电压应该为0，当施加电压Vcc大于稳压二极管TVS的稳压值Vtvs时，电阻分压采集到的电压应该为r2/(r2+r1)×(Vcc-Vtvs)。其中，r1表示电阻R1的电阻值，r2表示电阻R2的电阻值。因此，通过采样输出端ADC的电压值即可知道实时检测的稳压二极管TVS是否处于短路状态。

针对MOS管T的断路状态检测如图5所示，其检测原理为给MOST管施加一定的电压Vcc1，通过电阻分压采样电路来检测MOS管T的开通和关断状态，在MOS管T开通时，采样输出端ADC采集到的电压应该为0V，但是在MOS管T关断时，采样输出端ADC采集到的电压应该为r2/(r1+r2+r3)*Vcc1。其中，r1表示电阻R1的电阻值，r2表示电阻R2的电阻值，r3表示电阻R3的电阻值。因此，通过采样输出端ADC的电压采样值即可知道实时检测的MOS管T的关断是否处于正常状态。

基于上述分析，针对三个稳压二极管TVS1、TVS2及TVS3和MOS管T2的实时检测，由图3所示的基础电路结构拓展出如图6所示的完整电路结构。

如图6所示，本发明提供了一种端口电压保护电路，对第一端口LV与第二端口GND1之间的电压进行钳位保护，所述端口电压保护电路包括：

钳位模块，接在所述第一端口LV与所述第二端口LV’(GND1)之间，包括依次串联的三个稳压二极管TVS1、TVS2、TVS3及一个MOS管T2；

自检模块，与所述钳位模块相连，用于检测每个稳压二极管(TVS1、TVS2、TVS3)是否处于短路状态，同时检测MOS管T2是否存在断开故障。

其中，所述钳位模块包括依次串联的第一稳压二极管TVS1第二稳压二极管TVS2、第三稳压二极管TVS3共三个稳压二极管及一个MOS管T2，第一稳压二极管TVS1和第二稳压二极管TVS2的串联连接处设有第一节点A1，第一稳压二极管TVS1远离第一节点A1的一端接所述第一端口LV，第二稳压二极管TVS2和第三稳压二极管TVS3的串联连接处设有第二节点A2，MOS管T2的源极接第二端口LV’，且第二端口LV’接地GND1。

其中，所述自检模块包括第一控制单元、第二控制单元、第三控制单元、第四控制单元及采样单元，所述第一控制单元结合所述采样单元检测第一稳压管TVS1的短路状态，所述第二控制单元结合所述采样单元检测第二稳压管TVS2的短路状态，所述第三控制单元结合所述采样单元检测第三稳压管TVS3的短路状态，所述第四控制单元结合所述第三控制单元与所述采样单元检测MOS管T2的断开故障。

在本发明的一个实施例中，如图6所示，所述第一控制单元包括第一三极管S1、第二三极管S2、第三三极管S3、第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻R3；第一三极管S1的输入端接第一控制信号Test1，第一三极管S1的控制端接第二控制信号Test2，第一三极管S1的输出端在串联第一电阻R1之后与第二三极管S2的控制端连接；第二三极管S2的输出端接地CND1，第二三极管S2的输入端在串联第二电阻R2之后与第三三极管S3的控制端连接；第三三极管S3的输入端接第一节点A1，第三三极管S3的输出端在串联第三电阻R3之后接第二节点A2；所述采样单元包括串联的第四电阻R4和第五电阻R5，第四电阻R4和第五电阻R5的串联连接处设有采样输出端ADC，第四电阻R4远离采样输出端ADC的一端接第二节点A2，第五电阻R5远离采样输出端ADC的一端接地GND1。

可选的，所述第一控制单元还包括第六电阻R6，第一三极管S1的控制端在串联第六电阻R6之后接第二控制信号Test2。

在本发明的一个实施例中，如图6所示，所述第二控制单元包括第四三极管S4、第五三极管S5、第七电阻R7及第八电阻R8；第四三极管S4的控制端接第二控制信号Test2，所述第四三极管S4的输出端接地GND1，第四三极管S4的输入端串联有第七电阻R7之后接第五三极管S5的控制端；第五三极管S5的输入端接第一端口LV，第五三极管S5的输出端在串联第八电阻R8之后接第一节点A1。

可选的，所述第二控制单元还包括第九电阻R9，第四三极管S4的控制端在串联第九电阻R9之后接第二控制信号Test2。

在本发明的一个实施例中，如图6所示，所述第三控制单元包括第六三极管S6、第七三极管S7、第八三极管S8、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12及第十三电阻R13；第六三极管S6的输入端接第一三极管S1的输出端，第六三极管S6的输出端接地GND1，第六三极管S6的控制端在串联第十电阻R10之后接第三控制信号Test3；第七三极管S7的输入端在串联第十一电阻R11之后接第八三极管S8的控制端，第七三极管S7的输出端接地GND1，第七三极管S7的控制端在串联第十二电阻R12之后接第三控制信号Test3；第八三极管S8的输入端接功率电源Power1，第八三极管S8的输出端在串联第十三电阻R13之后接第二节点A2。

可选的，所述第三控制单元还包括第十四电阻R14，第十四电阻R14串联在第一三极管S1的输出端与第一电阻R1之间，且第六三极管S6的输入端接在第十四电阻R14和第一电阻R1的串联连接处。

在本发明的一个实施例中，如图6所示，所述第四控制单元包括第十五电阻R15及第十六电阻R16，MOS管T2的栅极G在串联第十五电阻R15后接第四控制信号Test4，第十六电阻R16的一端接MOS管T2的栅极G，第十六电阻R16的另一端接地GND1。

需要说明的是，所述第一控制单元、第二控制单元、第三控制单元、第四控制单元及采样单元的具体结构不仅限于如图6所示的结构，在其它实施例中可以有不同的结构。

基于上述整个原理性的描述，最终的实时状态检测是通过图6中的多个三极管的开关控制来实现的，在此电路中共有4个控制信号Test1，Test2,Test3以及Test4。四个控制信号可以按照二进制编码组成2^4共16个编码组合，而其中只有几个编码是具有实际的意义的，可以参考下表中编码对应的三极管的开关状态。

针对上述有用二进制编码的说明如下:

(1)、序号1的状态说明：

所述第一控制单元结合所述采样单元检测第一稳压管TVS1的短路状态时，第一控制信号Test1输入高电平，第二控制信号Test2输入低电平(第三控制信号Test3及第四控制信号Test4同样输入低电平)，导通第一三极管S1、第二三极管S2及第三三极管S3，其余三极管全部断开，此时电流的通路是LV、TVS1、A1、S3、R3、A2、R4、ADC、R5，检测采样输出端ADC的输出电压，并根据采样输出端ADC的输出电压判断第一稳压二极管TVS1是否发生短路：若采样输出端ADC的输出电压为r5/(r4+r5+r3)*{V(B+)-V(TVS1)}，则第一稳压二极管TVS1正常工作；若采样输出端ADC的输出电压为r5/(r4+r5+r3)*{V(B+)-0}，则第一稳压二极管TVS1发生短路故障；其中，r3、r4及r5分别表示第三电阻R3、第四电阻R4及第五电阻R5的电阻值，V(B+)表示第一端口LV的电压值，V(TVS1)表示第一稳压二极管TVS1的稳压值。

(2)、序号2的状态说明：

所述第二控制单元结合所述采样单元检测第二稳压管TVS2的短路状态时，第一控制信号Test1及第二控制信号Test2均输入高电平(第三控制信号Test3及第四控制信号Test4均输入低电平)，导通第四三极管S4及第五三极管S5，其余三极管全部断开，此时电流的通路是LV、S5、R8、A1、TVS2、A2、R4、ADC、R5，检测采样输出端ADC的输出电压，并根据采样输出端ADC的输出电压判断第一稳压二极管TVS1是否发生短路：若所述采样输出端ADC的输出电压为r5/(r4+r5+r8)*{V(B+)-V(TVS2)}，则第二稳压二极管TVS2正常工作；若

所述采样输出端ADC的输出电压为r5/(r4+r5+r8)*{V(B+)-0}，则第二稳压二极管TVS2发生短路故障；其中，r8表示第八电阻R8的电阻值，V(TVS2)表示第二稳压二极管TVS2的稳压值。

(3)、序号3的状态说明：

所述第三控制单元结合所述采样单元检测第三稳压管TVS3的短路状态时，第一控制信号Test1、第三控制信号Test3及第四控制信号Test4均入高电平)，第二控制信号Test2输入低电平，导通第一三极管S1、第六三极管S6、第七三极管S7、第八三极管S8及MOS管T2，其余三极管全部断开，此时电流的通路是Power1、S8、R13、A2、TVS3、T2，检测采样输出端ADC的输出电压，并根据采样输出端ADC的输出电压判断第三稳压二极管TVS3是否发生短路：若采样输出端的输出电压为r5/(r4+r5)*{V(TVS3)}，则第三稳压二极管TVS3正常工作；若采样输出端ADC的输出电压为0，则第三稳压二极管TVS3发生短路故障；若输出电压为r5/(r4+r5+r13)*{V(power1)}，则MOS管T2发生断路故障；其中，r13表示第十三电阻R13的电阻值，V(power1)表示功率电源power1的输出电压值。

(4)、序号4的状态说明：

所述第三控制单元及第四控制单元结合所述采样单元检测MOS管T2的断开故障时，第一控制信号Test1及第三控制信号Test3均输入高电平，第二控制信号Test2及第四控制信号Test2输入低电平，导通第一三极管S1、第六三极管S6、第七三极管S7及第八三极管S8，关闭MOS管T2，检测采样输出端ADC的输出电压，并根据采样输出端ADC的输出电压判断MOS管T2是否发生断开故障：若采样输出端ADC的输出电压为r5/(r4+r5+r13)*{V(power1)}，则MOS管T2可以断开，不存在断开故障；若采样输出端ADC的输出电压为r5/(r4+r5)*{V(TVS3)}，则MOS管T2不能断开，发生断开故障。

基于上述分析可知，本发明实施例的端口电压保护电路能够有效的降低开关MOS管T1的电压应力，从而可以选择较小耐压的MOS开关管，降低了系统的热损耗，也带来了成本的降低；同时，针对额外增加的端口电压保护电路的关键元器件，有效地设计了切断及实时自检电路，避免了因为新增元器件而带来的二次短路问题的发生，提高了功能安全性。

此外，还可以对上述实施例进行变通，变通为N个稳压二极管加1个MOS管串联的方案，并实现对稳压二极管和MOS管的实时在线检测，结构同上述实施例，在此不再赘述。

综上所述，在本发明实施例提供的端口电压保护电路中，通过串联的多个稳压二极管能够有效的降低开关MOS管T1的电压应力，从而可以选择较小耐压的MOS开关管，降低了系统的热损耗，也带来了成本的降低；同时，针对额外增加的端口电压保护电路的关键元器件，有效地设计了故障切断及实时自检电路，避免了因为新增元器件而带来的二次短路问题的发生，提高了功能安全性。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种端口电压保护电路，对第一端口与第二端口之间的电压进行钳位保护，其特征在于，所述端口电压保护电路包括：

钳位模块，接在所述第一端口与所述第二端口之间，包括依次串联的若干个稳压二极管及一个MOS管；

自检模块，与所述钳位模块相连，用于检测每个所述稳压二极管是否处于短路状态，同时检测所述MOS管是否存在断开故障；

所述钳位模块包括依次串联的第一稳压二极管、第二稳压二极管、第三稳压二极管共三个稳压二极管及一个MOS管，所述第一稳压二极管和所述第二稳压二极管的串联连接处设有第一节点，所述第一稳压二极管远离所述第一节点的一端接所述第一端口，所述第二稳压二极管和所述第三稳压二极管的串联连接处设有第二节点，所述MOS管 的源极接所述第二端口；

所述自检模块包括第一控制单元、第二控制单元、第三控制单元、第四控制单元及采样单元，所述第一控制单元结合所述采样单元检测所述第一稳压二极管的短路状态，所述第二控制单元结合所述采样单元检测所述第二稳压二极管的短路状态，所述第三控制单元结合所述采样单元检测所述第三稳压二极管的短路状态，所述第四控制单元结合所述第三控制单元与所述采样单元检测所述MOS管的断开故障；

所述第一控制单元包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第一电阻、第二电阻及第三电阻；所述第一三极管的输入端接第一控制信号，所述第一三极管的控制端接第二控制信号，所述第一三极管的输出端在串联所述第一电阻之后与所述第二三极管的控制端连接；所述第二三极管的输出端接地，所述第二三极管的输入端在串联所述第二电阻之后与所述第三三极管的控制端连接；所述第三三极管的输入端接所述第一节点，所述第三三极管的输出端在串联所述第三电阻之后接所述第二节点；所述采样单元包括串联的第四电阻和第五电阻，所述第四电阻和所述第五电阻的串联连接处设有采样输出端，所述第四电阻远离所述采样输出端的一端接所述第二节点，所述第五电阻远离所述采样输出端的一端接地；所述第二端口接地。

2.如权利要求1所述的端口电压保护电路，其特征在于，所述第一控制单元还包括第六电阻，所述第一三极管的控制端在串联所述第六电阻之后接所述第二控制信号。

3.如权利要求1所述的端口电压保护电路，其特征在于，检测所述第一稳压二极管的短路状态时，所述第一控制信号输入高电平，所述第二控制信号输入低电平，导通所述第一三极管、第二三极管及第三三极管，检测所述采样输出端的输出电压，并根据所述采样输出端的输出电压判断所述第一稳压二极管是否发生短路。

4.如权利要求3所述的端口电压保护电路，其特征在于，若所述采样输出端的输出电压为r5/(r4+r5+r3)*{V(B+)-V(TVS1)}，则所述第一稳压二极管正常工作；若所述采样输出端的输出电压为r5/(r4+r5+r3)*{V(B+)-0}，则所述第一稳压二极管发生短路故障；其中，r3、r4及r5分别表示所述第三电阻、第四电阻及第五电阻的电阻值，V(B+)表示所述第一端口的电压值，V(TVS1)表示所述第一稳压二极管的稳压值。

5.如权利要求4所述的端口电压保护电路，其特征在于，所述第二控制单元包括第四三极管、第五三极管、第七电阻及第八电阻；所述第四三极管的控制端接所述第二控制信号，所述第四三极管的输出端接地，所述第四三极管的输入端串联有所述第七电阻之后接所述第五三极管的控制端；所述第五三极管的输入端接所述第一端口，所述第五三极管的输出端在串联所述第八电阻之后接所述第一节点。

6.如权利要求5所述的端口电压保护电路，其特征在于，所述第二控制单元还包括第九电阻，所述第四三极管的控制端在串联所述第九电阻之后接所述第二控制信号。

7.如权利要求5所述的端口电压保护电路，其特征在于，检测所述第二稳压二极管的短路状态时，所述第二控制信号输入高电平，导通所述第四三极管及第五三极管，检测所述采样输出端的输出电压，并根据所述采样输出端的输出电压判断所述第二稳压二极管是否发生短路。

8.如权利要求7所述的端口电压保护电路，其特征在于，若所述采样输出端的输出电压为r5/(r4+r5+r8)*{V(B+)-V(TVS2)}，则所述第二稳压二极管正常工作；若所述采样输出端的输出电压为r5/(r4+r5+r8)*{V(B+)-0}，则所述第二稳压二极管发生短路故障；其中， r8表示所述第八电阻的电阻值， V(TVS2)表示所述第二稳压二极管的稳压值。

9.如权利要求8所述的端口电压保护电路，其特征在于，所述第三控制单元包括第六三极管、第七三极管、第八三极管、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻及第十三电阻；所述第六三极管的输入端接所述第一三极管的输出端，所述第六三极管的输出端接地，所述第六三极管的控制端在串联所述第十电阻之后接第三控制信号；所述第七三极管的输入端在串联所述第十一电阻之后接所述第八三极管的控制端，所述第七三极管的输出端接地，所述第七三极管的控制端在串联所述第十二电阻之后接所述第三控制信号；所述第八三极管的输入端接功率电源，所述第八三极管的输出端在串联所述第十三电阻之后接所述第二节点。

10.如权利要求9所述的端口电压保护电路，其特征在于，所述第三控制单元还包括第十四电阻，所述第十四电阻串联在所述第一三极管的输出端与所述第一电阻之间，且所述第六三极管的输入端接在所述第十四电阻和所述第一电阻的串联连接处。

11.如权利要求10所述的端口电压保护电路，其特征在于，所述第四控制单元包括第十五电阻及第十六电阻，所述MOS管的栅极在串联所述第十五电阻值后接第四控制信号，所述第十六电阻的一端接所述MOS管的栅极，所述第十六电阻的另一端接地。

12.如权利要求10所述的端口电压保护电路，其特征在于，检测所述第三稳压二极管的短路状态时，所述第一控制信号、第三控制信号及第四控制信号均输入高电平，导通所述第一三极管、第六三极管、第七三极管、第八三极管及MOS管，检测所述采样输出端的输出电压，并根据所述采样输出端的输出电压判断所述第三稳压二极管是否发生短路。

13.如权利要求12所述的端口电压保护电路，其特征在于，若所述采样输出端的输出电压为r5/(r4+r5)*{ V(TVS3)}，则所述第三稳压二极管正常工作；若所述采样输出端的输出电压为0，则所述第三稳压二极管发生短路故障；若所述采样输出端的输出电压为r5/(r4+r5+r13)*{ V(power1)}，则所述MOS管发生断路故障；其中， r13表示所述第十三电阻的电阻值，V(TVS3)表示所述第三稳压二极管的稳压值，V(power1)表示所述功率电源的输出电压值。

14.如权利要求13所述的端口电压保护电路，其特征在于，检测所述MOS管的断开故障时，所述第一控制信号及第三控制信号均输入高电平，所述第四控制信号输入低电平，导通所述第一三极管、第六三极管、第七三极管及第八三极管，关闭所述MOS管，检测所述采样输出端的输出电压，并根据所述采样输出端的输出电压判断所述MOS管是否发生断开故障。

15.如权利要求14所述的端口电压保护电路，其特征在于，若所述采样输出端的输出电压为r5/(r4+r5+r13)*{ V(power1)}，则所述MOS管可以断开，不存在断开故障；若所述采样输出端的输出电压为r5/(r4+r5)*{ V(TVS3)}，则所述MOS管不能断开，发生断开故障。

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