CN110971114A - 一种过电压保护电路及供电设备 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种过电压保护电路及供电设备，其中，所述过电压保护电路由MOS管、偏置模块和控制模块构成，在负载两端的电压不超过过压保护点时，所述控制模块控制所述MOS管处于完全导通状态，此时负载两端电压等于输入电源电压；在当负载两端的电压超过过压保护点时，所述控制模块控制所述MOS管进入线性导通状态，MOS管两端的电压增加，从而降低负载两端的电压，使得负载两端的电压小于输入电源电压，避免负载受到浪涌电压或过电压的影响，并且所述MOS管在出现浪涌电压或过电压时，始终将负载两端电压保持在过压保护点，实现了在出现浪涌电压或过电压时，将为负载提供的电压稳定在过压保护点的目的。

Description

一种过电压保护电路及供电设备
技术领域
本申请涉及电路设计技术领域，更具体地说，涉及一种过电压保护电路及供电设备。
背景技术
随着电子设备精密程度的不断提升，电子设备对于供电回路的供电电压稳定性的要求越来越高。
但是供电回路可能会由于设备之间的相互影响或其他原因引入一些浪涌电压或使供电回路产生不可控的过电压，为了保证供电回路后级设备的正常运行，需要引入防雷系统或者过电压保护设备来抑制浪涌电压或过电压。
但在实际的应用过程中发现，防雷系统和过电压保护设备的动作阈值均是固定的，且在浪涌电压超过动作阈值时，均会切断供电电源，使得负载无法得到持续且稳定的电源供应，难以满足一些精细化设备对于电源的要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请提供了一种过电压保护电路及供电设备，以实现在出现浪涌电压或过电压时，将为负载提供的电压稳定在过压保护点的目的，避免一旦出现浪涌电压或过电压就切断为负载提供的电源的情况。
为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：
一种过电压保护电路，包括：MOS管、偏置模块和控制模块；其中，
所述MOS管的输入极与输入电源正极以及所述偏置模块的输入端连接，所述MOS管的输出极与负载的一端以及所述偏置模块的接地端连接，所述MOS管的驱动极与所述偏置模块的输出端以及所述控制模块的输出端连接；
所述偏置模块，用于接收所述输入电源，对所述输入电源进行分压后为所述MOS管的驱动极提供基础偏置电压；
所述控制模块的输入端与所述负载远离所述MOS管的输出极一端以及所述输入电源负极连接，所述控制模块用于采集负载电压，并判断所述负载电压是否小于或等于过压保护点，如果是，则为所述MOS管的驱动极提供第一驱动电压，以控制所述MOS管处于完全导通状态；如果否，则为所述MOS管的驱动极提供第二驱动电压，以控制所述MOS管处于线性导通状态，将所述负载两端的电压限制在所述过压保护点，所述第二驱动电压小于所述第一驱动电压。
可选的，所述MOS管为N型场效应晶体管；
所述驱动极为栅极；
所述输入极为漏极；
所述输出极为源极。
可选的，所述偏置模块包括：第一电阻和第二电阻；其中，
所述第一电阻的一端作为所述偏置模块的输入端，与所述工作电源的正极以及所述MOS管的输入级连接，所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端以及所述MOS管的驱动极连接；
所述第二电阻远离所述第一电阻的一端作为所述偏置模块的接地端。
可选的，所述偏置模块还包括：第一二极管；
所述第一二极管的正极与所述第二电阻远离所述第一电阻的一端连接，所述第一二极管的负极与所述第一电阻和第二电阻的连接节点连接；
所述第一二极管，用于将所述MOS管的驱动极的最高电压箝位在预设电压值。
可选的，所述控制模块包括：运算放大器、电压采集单元、同相电压输入单元和负相电压输入单元；其中，
所述运算放大器的第一电源输入端与隔离电源连接，所述运算放大器的第二电源输入端与负相电压输入单元的输入端连接，且同时接地；
所述运算放大器的同相输入端与所述同相电压输入单元的输出端以及所述电压采集单元的输出端连接，所述运算放大器的负相输入端与所述负相电压输入单元的输出端连接；
所述电压采集单元远离所述运算放大器的一端连接所述负载远离所述MOS管的输出极的一端，用于采集所述负载电压，并将采集的负载电压提供给所述运算放大器的同相输入端；
所述同相电压输入单元，用于接收隔离电源，并将所述隔离电源进行处理后提供给所述运算放大器的同相输入端；
所述负相电压输入单元的输入端接地，所述负相电压输入单元的输出端与所述运算放大器的负相输入端连接，所述负相电压输入单元用于为所述运算放大器的负相输入端提供参考电压；
所述运算放大器，用于根据同相电压输入端输入的电压值与所述参考电压的大小关系，输出第一驱动电压或第二驱动电压。
可选的，所述电压采集单元包括第三电阻和第四电阻；其中，
所述第三电阻的一端与所述负载远离所述MOS管的一端连接，另一端与所述第四电阻连接；
所述第四电阻远离所述第三电阻的一端与所述运算放大器的同相输入端连接。
可选的，所述负相电压输入单元包括：第五电阻、第一电容和第二二极管；其中，
所述第五电阻的一端接地，且与所述运算放大器的第二电源输入端以及第二二极管的负极均连接，另一端与所述运算放大器的负相输入端以及所述第一电容的一端均连接；
所述第一电容远离所述第五电阻的一端与所述运算放大器的输出端连接；
所述第二二极管的正极与所述运算放大器的正相输入端连接。
可选的，还包括：第七电阻；
所述第七电阻的一端与所述运算放大器的输出端以及所述第一电容远离所述第五电阻的一端连接，另一端与所述MOS管的驱动极连接。
可选的，所述同相电压输入单元包括：第六电阻；
所述第六电阻的一端与所述运算放大器的第一电源输入端即所述隔离电源均连接；
所述第六电阻的另一端与所述运算放大器的同相电压输入端连接。
一种供电设备，包括如上述任一项所述的过电压保护电路。
从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供了一种过电压保护电路及供电设备，其中，所述过电压保护电路由MOS管、偏置模块和控制模块构成，在负载两端的电压不超过过压保护点时，所述控制模块控制所述MOS管处于完全导通状态，此时负载两端电压等于输入电源电压；在当负载两端的电压超过过压保护点时，所述控制模块控制所述MOS管进入线性导通状态，MOS管两端的电压增加，从而降低负载两端的电压，使得负载两端的电压小于输入电源电压，避免负载受到浪涌电压或过电压的影响，并且所述MOS管在出现浪涌电压或过电压时，始终将负载两端电压保持在过压保护点，实现了在出现浪涌电压或过电压时，将为负载提供的电压稳定在过压保护点的目的。
附图说明
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，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请的一个实施例提供的一种过压保护电路的结构示意图；
图2为本申请的另一个实施例提供的一种过压保护电路的结构示意图；
图3为本申请的又一个实施例提供的一种过压保护电路的结构示意图；
图4为本申请的再一个实施例提供的一种过压保护电路的结构示意图；
图5为本申请的一个可选实施例提供的一种过压保护电路的结构示意图；
图6为本申请的另一个可选实施例提供的一种过压保护电路的结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术所述，现有技术中通常通过引入防雷系统或者过电压保护设备来抑制浪涌电压或过电压。
其中，防雷系统引入对电源回路的正常工作是非常有利的，但是防雷系统的动作阈值是固定的，过电压的保护点不能精细化，并且在浪涌电压出现时会产生浪涌电流，导致空气开关等出现跳闸现象，切断了供电电源，不能满足一些精细化设备对电源电压的要求。
同样的，过电压保护设备基本也是采用一些压敏元件构成，压敏元件阈值也是固定的，并且还有一定的阈值范围，过电压的保护点同样得不到精确化的控制。
有鉴于此，本申请实施例提供了一种过电压保护电路，包括：MOS管、偏置模块和控制模块；其中，
所述MOS管的输入极与输入电源正极以及所述偏置模块的输入端连接，所述MOS管的输出极与负载的一端以及所述偏置模块的接地端连接，所述MOS管的驱动极与所述偏置模块的输出端以及所述控制模块的输出端连接；
所述偏置模块，用于接收所述输入电源，对所述输入电源进行分压后为所述MOS管的驱动极提供基础偏置电压；
所述控制模块的输入端与所述负载远离所述MOS管的输出极一端以及所述输入电源负极连接，所述控制模块用于采集负载电压，并判断所述负载电压是否小于或等于过压保护点，如果是，则为所述MOS管的驱动极提供第一驱动电压，以控制所述MOS管处于完全导通状态；如果否，则为所述MOS管的驱动极提供第二驱动电压，以控制所述MOS管处于线性导通状态，将所述负载两端的电压限制在所述过压保护点，所述第二驱动电压小于所述第一驱动电压。
所述过电压保护电路由MOS管、偏置模块和控制模块构成，在负载两端的电压不超过过压保护点时，所述控制模块控制所述MOS管处于完全导通状态，此时负载两端电压等于输入电源电压；在当负载两端的电压超过过压保护点时，所述控制模块控制所述MOS管进入线性导通状态，MOS管两端的电压增加，从而降低负载两端的电压，使得负载两端的电压小于输入电源电压，避免负载受到浪涌电压或过电压的影响，并且所述MOS管在出现浪涌电压或过电压时，始终将负载两端电压保持在过压保护点，实现了在出现浪涌电压或过电压时，将为负载提供的电压稳定在过压保护点的目的。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种过电压保护电路，如图1所示，包括：MOS管V1、偏置模块10和控制模块20；其中，
所述MOS管V1的输入极与输入电源正极以及所述偏置模块10的输入端连接，所述MOS管V1的输出极与负载RL的一端以及所述偏置模块10的接地端连接，所述MOS管V1的驱动极与所述偏置模块10的输出端以及所述控制模块20的输出端连接；
所述偏置模块10，用于接收所述输入电源，对所述输入电源进行分压后为所述MOS管V1的驱动极提供基础偏置电压；
所述控制模块20的输入端与所述负载RL远离所述MOS管V1的输出极一端以及所述输入电源负极连接，所述控制模块20用于采集负载RL电压，并判断所述负载RL电压是否小于或等于过压保护点，如果是，则为所述MOS管V1的驱动极提供第一驱动电压，以控制所述MOS管V1处于完全导通状态；如果否，则为所述MOS管V1的驱动极提供第二驱动电压，以控制所述MOS管V1处于线性导通状态，将所述负载RL两端的电压限制在所述过压保护点，所述第二驱动电压小于所述第一驱动电压。
在图1中，DC+表示所述输入电源正极，DC-表示所述输入电源负极。
在本实施例中，所述控制模块20由另外的隔离电源提供工作电源，所述过压保护点可以由所述隔离电源的电压和控制模块20确定。
所述偏置模块10提供的基础偏置电压和所述控制模块20输出的第一驱动电压或第二驱动电压共同决定了所述MOS管V1所处的工作状态，在当所述负载RL电压不超过所述过压保护点时，所述第一驱动电压和基础偏置电压共同将所述MOS管V1偏置在完全导通状态，此时MOS管V1的输入极和输出极相当于一条导线，负载RL两端的电压等于所述输入电源的电压；在当所述负载RL电压超过所述过压保护点时，所述控制模块20输出幅值较小的第二驱动电压，且第二驱动电压的幅值逐渐变小，开始缓慢关断MOS管V1，让MOS管V1开始进入线性导通状态，此时MOS管V1的输入极和输出极两端的电压开始增加，因此负载RL两端的电压小于输入电源的电压并保持在过压保护点，既保护所述负载RL免受浪涌电压或过电压的损坏，而且持续且稳定地为所述负载RL提供电源，同时满足了精细化设备对于过电压保护和在过电压期间提供稳定电源的需求。
可选的，仍然参考图1，所述MOS管V1为N型场效应晶体管；
所述驱动极为栅极；
所述输入极为漏极；
所述输出极为源极。
下面对所述偏置模块10和控制模块20的可行结构分别进行说明。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，参考图2，所述偏置模块10包括：第一电阻R1和第二电阻R2；其中，
所述第一电阻R1的一端作为所述偏置模块10的输入端，与所述工作电源的正极以及所述MOS管V1的输入级连接，所述第一电阻R1的另一端与所述第二电阻R2的一端以及所述MOS管V1的驱动极连接；
所述第二电阻R2远离所述第一电阻R1的一端作为所述偏置模块10的接地端。
图2中，GND表示接地，在图2所示的结构中，所述第一电阻R1、第二电阻R2和负载RL构成了一条通路，第二电阻R2两端分压为所述MOS管V1的驱动极提供基础偏置电压。
可选的，参考图3，所述偏置模块10还包括：第一二极管D1；
所述第一二极管D1的正极与所述第二电阻R2远离所述第一电阻R1的一端连接，所述第一二极管D1的负极与所述第一电阻R1和第二电阻R2的连接节点连接；
所述第一二极管D1，用于将所述MOS管V1的驱动极的最高电压箝位在预设电压值。
在本实施例中，通过设置的所述第一二极管D1将所述MOS管V1的驱动极的最高电压箝位在预设电压值，以避免过电压对MOS管V1的驱动极造成损坏的情况出现。
所述第一二极管D1可以是稳压二极管(Zener diode)。所述预设电压值可以为7.5V。当然地，在本申请的其他实施例中，所述预设电压值还可以是其他的可行取值，本申请对此并不做限定，具体视实际情况而定。
在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，如图4所示，所述控制模块20包括：运算放大器U1A、电压采集单元21、同相电压输入单元22和负相电压输入单元23；其中，
所述运算放大器U1A的第一电源输入端与隔离电源连接，所述运算放大器U1A的第二电源输入端与负相电压输入单元23的输入端连接，且同时接地；
所述运算放大器U1A的同相输入端与所述同相电压输入单元22的输出端以及所述电压采集单元21的输出端连接，所述运算放大器U1A的负相输入端与所述负相电压输入单元23的输出端连接；
所述电压采集单元21远离所述运算放大器U1A的一端连接所述负载RL远离所述MOS管V1的输出极的一端，用于采集所述负载RL电压，并将采集的负载RL电压提供给所述运算放大器U1A的同相输入端；
所述同相电压输入单元22，用于接收隔离电源，并将所述隔离电源进行处理后提供给所述运算放大器U1A的同相输入端；
所述负相电压输入单元23的输入端接地，所述负相电压输入单元23的输出端与所述运算放大器U1A的负相输入端连接，所述负相电压输入单元23用于为所述运算放大器U1A的负相输入端提供参考电压；
所述运算放大器U1A，用于根据同相电压输入端输入的电压值与所述参考电压的大小关系，输出第一驱动电压或第二驱动电压。
可选的，参考图5，所述电压采集单元21包括第三电阻R3和第四电阻R4；其中，
所述第三电阻R3的一端与所述负载RL远离所述MOS管V1的一端连接，另一端与所述第四电阻R4连接；
所述第四电阻R4远离所述第三电阻R3的一端与所述运算放大器U1A的同相输入端连接。
可选的，参考图6，所述负相电压输入单元23包括：第五电阻R5、第一电容C1和第二二极管D2；其中，
所述第五电阻R5的一端接地，且与所述运算放大器U1A的第二电源输入端以及第二二极管D2的负极均连接，另一端与所述运算放大器U1A的负相输入端以及所述第一电容C1的一端均连接；
所述第一电容C1远离所述第五电阻R5的一端与所述运算放大器U1A的输出端连接；
所述第二二极管D2的正极与所述运算放大器U1A的正相输入端连接。
图6中，第五电阻和第一电容作为所述运算放大器U1A的积分参数。第二二极管用于保护所述运算放大器，避免同相输入端与反相输入端的压差过大。此外，图6中还示出了作为所述MOS管V1的驱动电阻的第七电阻R7。
所述第七电阻R7的一端与所述运算放大器U1A的输出端以及所述第一电容C1远离所述第五电阻R5的一端连接，另一端与所述MOS管V1的驱动极连接。
可选的，仍然参考图6，所述同相电压输入单元22包括：第六电阻R6；
所述第六电阻R6的一端与所述运算放大器U1A的第一电源输入端即所述隔离电源均连接；
所述第六电阻R6的另一端与所述运算放大器U1A的同相电压输入端连接。
以图6所示的过电压保护电路为例，所述过压保护点与所述隔离电源的电压、第六电阻R6、第三电阻R3和第四电阻R4相关，在实际使用过程中，所述负载RL两端的电压为接地电压与输入电源负极电压的差值，即(GND-DC-)，当负载RL两端的电压满足不等式(1)时，认为负载RL两端的电压未超过过压保护点，此时运算放大器U1A同相输入端电压为正值，运算放大器U1A的输出端输出正电压作为第一驱动信号，驱动MOS管V1继续处于完全导通状态；
VCC/R6>(GND-DC-)/(R4+R3) (1)；
当负载RL两端的电压满足不等式(2)时，此时认为负载RL两端的电压已经超过过压保护点，此时运算放大器U1A同相输入端电压为负值，运算放大器U1A输出端输出电压(即输出第二驱动信号)开始减小，并开始缓慢关断MOS管V1，让MOS管V1开始变成线性导通状态，MOS管V1两端的电压开始增加，所以负载RL两端的电压开始减小，当负载RL两端的电压减小到满足等式(3)时，运算放大器U1A同相输入端和负相输入端的差值为0，运算放大器U1A输出端的输出电压不再降低，保持在当前的输出电压值作为所述第二驱动信号，同时MOS管V1不再继续关断，仍旧处于线性导通状态，负载RL两端电压一直保持在过压保护点，直至输入电源正极和输入电源负极之间的电压差小于过压保护点后，运算放大器U1A重新输出第一驱动信号，控制MOS管V1重新进入完全导通状态。整个过程中，负载RL两端的电压未超过过压保护点，且负载RL两端电压并未间断，没有对供电回路产生浪涌电流。
VCC/R6<(GND-DC-)/(R4+R3) (2)；
VCC/R6＝(GND-DC-)/(R4+R3) (2)；
相应的，本申请实施例还提供了一种供电设备，包括如上述任一实施例所述的过压保护电路。
综上所述，本申请实施例提供了一种过电压保护电路及供电设备，其中，所述过电压保护电路由MOS管、偏置模块和控制模块构成，在负载两端的电压不超过过压保护点时，所述控制模块控制所述MOS管处于完全导通状态，此时负载两端电压等于输入电源电压；在当负载两端的电压超过过压保护点时，所述控制模块控制所述MOS管进入线性导通状态，MOS管两端的电压增加，从而降低负载两端的电压，使得负载两端的电压小于输入电源电压，避免负载受到浪涌电压或过电压的影响，并且所述MOS管在出现浪涌电压或过电压时，始终将负载两端电压保持在过压保护点，实现了在出现浪涌电压或过电压时，将为负载提供的电压稳定在过压保护点的目的。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种过电压保护电路，其特征在于，包括：MOS管、偏置模块和控制模块；其中，
所述MOS管的输入极与输入电源正极以及所述偏置模块的输入端连接，所述MOS管的输出极与负载的一端以及所述偏置模块的接地端连接，所述MOS管的驱动极与所述偏置模块的输出端以及所述控制模块的输出端连接；
所述偏置模块，用于接收所述输入电源，对所述输入电源进行分压后为所述MOS管的驱动极提供基础偏置电压；
所述控制模块的输入端与所述负载远离所述MOS管的输出极一端以及所述输入电源负极连接，所述控制模块用于采集负载电压，并判断所述负载电压是否小于或等于过压保护点，如果是，则为所述MOS管的驱动极提供第一驱动电压，以控制所述MOS管处于完全导通状态；如果否，则为所述MOS管的驱动极提供第二驱动电压，以控制所述MOS管处于线性导通状态，将所述负载两端的电压限制在所述过压保护点，所述第二驱动电压小于所述第一驱动电压。
2.根据权利要求1所述的过电压保护电路，其特征在于，所述MOS管为N型场效应晶体管；
所述驱动极为栅极；
所述输入极为漏极；
所述输出极为源极。
3.根据权利要求1所述的过电压保护电路，其特征在于，所述偏置模块包括：第一电阻和第二电阻；其中，
所述第一电阻的一端作为所述偏置模块的输入端，与所述工作电源的正极以及所述MOS管的输入级连接，所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端以及所述MOS管的驱动极连接；
所述第二电阻远离所述第一电阻的一端作为所述偏置模块的接地端。
4.根据权利要去3所述的过电压保护电路，其特征在于，所述偏置模块还包括：第一二极管；
所述第一二极管的正极与所述第二电阻远离所述第一电阻的一端连接，所述第一二极管的负极与所述第一电阻和第二电阻的连接节点连接；
所述第一二极管，用于将所述MOS管的驱动极的最高电压箝位在预设电压值。
5.根据权利要求1所述的过电压保护电路，其特征在于，所述控制模块包括：运算放大器、电压采集单元、同相电压输入单元和负相电压输入单元；其中，
所述运算放大器的第一电源输入端与隔离电源连接，所述运算放大器的第二电源输入端与负相电压输入单元的输入端连接，且同时接地；
所述运算放大器的同相输入端与所述同相电压输入单元的输出端以及所述电压采集单元的输出端连接，所述运算放大器的负相输入端与所述负相电压输入单元的输出端连接；
所述电压采集单元远离所述运算放大器的一端连接所述负载远离所述MOS管的输出极的一端，用于采集所述负载电压，并将采集的负载电压提供给所述运算放大器的同相输入端；
所述同相电压输入单元，用于接收隔离电源，并将所述隔离电源进行处理后提供给所述运算放大器的同相输入端；
所述负相电压输入单元的输入端接地，所述负相电压输入单元的输出端与所述运算放大器的负相输入端连接，所述负相电压输入单元用于为所述运算放大器的负相输入端提供参考电压；
所述运算放大器，用于根据同相电压输入端输入的电压值与所述参考电压的大小关系，输出第一驱动电压或第二驱动电压。
6.根据权利要求5所述的过电压保护电路，其特征在于，所述电压采集单元包括第三电阻和第四电阻；其中，
所述第三电阻的一端与所述负载远离所述MOS管的一端连接，另一端与所述第四电阻连接；
所述第四电阻远离所述第三电阻的一端与所述运算放大器的同相输入端连接。
7.根据权利要求5所述的过电压保护电路，其特征在于，所述负相电压输入单元包括：第五电阻、第一电容和第二二极管；其中，
所述第五电阻的一端接地，且与所述运算放大器的第二电源输入端以及第二二极管的负极均连接，另一端与所述运算放大器的负相输入端以及所述第一电容的一端均连接；
所述第一电容远离所述第五电阻的一端与所述运算放大器的输出端连接；
所述第二二极管的正极与所述运算放大器的正相输入端连接。
8.根据权利要求7所述的过电压保护电路，其特征在于，还包括：第七电阻；
所述第七电阻的一端与所述运算放大器的输出端以及所述第一电容远离所述第五电阻的一端连接，另一端与所述MOS管的驱动极连接。
9.根据权利要求5所述的过电压保护电路，其特征在于，所述同相电压输入单元包括：第六电阻；
所述第六电阻的一端与所述运算放大器的第一电源输入端即所述隔离电源均连接；
所述第六电阻的另一端与所述运算放大器的同相电压输入端连接。
10.一种供电设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的过电压保护电路。
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