CN111446690A - 一种具备延时自恢复功能的过电压保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备延时自恢复功能的过电压保护电路，该电路通用性强、实现简单、成本低廉。该电路结构中限流电阻一端接外部直流电源VCC，另一端接入稳压器的CATHODE端，稳压器REF端接反馈电阻网络的中端，反馈电阻网络一端接第一增强型PMOS管的栅极，另一端与电源地GND连接；稳压器的CATHODE端连接第一增强型PMOS管的栅极，第一增强型PMOS管的源极连接电源VCC，第一增强型PMOS管漏极通过延时电阻连接至电源地GND，同时漏极连接第二增强型PMOS管的栅极和充电电阻；第二增强型PMOS管漏极连接负载网络的供电正端，其源极与外部直流电源VCC连接；延时电容一端连接至电源地GND，另一端通过充电电阻同时连接至第一增强型PMOS管的漏极和第二增强型PMOS管栅极。
Description
技术领域
本发明属于电子学领域，涉及一种过电压保护电路，尤其涉及一种具备延时自恢复功能的过电压保护电路。
背景技术
随着科技的发展和信息技术的进步，电子电路的功能日益强大，其硬件方案愈来愈复杂。同时，由于集成电路的高速发展，芯片尺寸变小，功能更加模块化，使得单套电子电路内设计有多片集成电路以实现更为强大的功能成为现实。
现代电子电路供电方法多种多样，如市电供电、稳压电源供电、适配器供电太阳能供电和电池供电等。要做到理想供电几乎不可能，任何供电设备都存在偏差且会逐渐老化，并容易受到外界干扰。如果供电电压偶然过高，则会导致电子电路中耐压不同的部分工作状态不一致，比如耐压较高部分可以正常工作，耐压较低部分不能正常工作甚至损坏，进一步造成整套电子电路处于部分工作部分异常的状态，带来加剧损坏的风险。
针对供电电压过高的情况，常见的保护措施是电源入口设计有保险器。对于包含保险器的电子电路而言，供电电压偶然过高可能造成电流突然增大进而烧断保险器，直接致使电子电路进入不能恢复工作的待维修状态(保险器作用往往是一次性的)；而对于过电压不导致电流增大的电子电路，保险器往往无效。功能复杂且造价昂贵的电子电路，往往设计有过电压自动关机功能以保护电子电路。供电过压自动关机功能往往需要电压传感器、电压检测器、开关(继电器或机械开关)、MCU(单片机)和控制软件等，软硬件成本较大，开发难度大，难以广泛应用。
另外，触发过电压自动关机后，还需要人工判断供电是否恢复正常并操作开机，不仅增加人工成本还会造成因判断失误硬开机致电路损坏的严重后果。对于某些过电压不宜自动关机或无人参与工作的电子电路，则不得不直接面对供电过压带来的各种风险。因此，自恢复往往是过电压保护电路必需的功能。
任何供电设备的输出电压均有一定的波动范围，同时，电子电路工作电流往往是动态变化，势必进一步造成电压的波动。对于瞬时的过电压，具备自恢复过电压保护功能的电子电路会发生超快速关机开机，容易造成电子电路内部容性器件的击穿损坏，对于包括多片集成电路的电子电路尤其危险，因此自恢复过电压保护必须具有延时功能。
因此，急需一种通用的简单的低成本的具备延时自恢复功能的过电压保护电路。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种通用性强、实现简单、成本低廉的具备延时自恢复功能的过电压保护电路。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了一种具备延时自恢复功能的过电压保护电路，包括限流电阻、稳压器、反馈电阻网络、第一增强型PMOS管、延时电阻、第二增强型PMOS管、充电电阻以及延时电容；
限流电阻一端接外部直流电源VCC，另一端接入稳压器的CATHODE端，稳压器REF端接反馈电阻网络的中端，反馈电阻网络一端接第一增强型PMOS管的栅极，另一端与电源地GND连接；
稳压器的CATHODE端连接第一增强型PMOS管的栅极，第一增强型PMOS管的源极连接电源VCC，第一增强型PMOS管漏极通过延时电阻连接至电源地GND，同时漏极连接第二增强型PMOS管的栅极和充电电阻；第二增强型PMOS管漏极连接负载网络的供电正端，其源极与外部直流电源VCC连接；延时电容一端连接至电源地GND，另一端通过充电电阻同时连接至第一增强型PMOS管的漏极和第二增强型PMOS管栅极；
其中，限流电阻的电阻值远小于反馈电阻网络的电阻值；充电电阻的电阻值远小于延时电阻的电阻值。
该电路的工作原理是：
该电路接受直流供电，限流电阻、稳压器和反馈电阻网络组合产生稳定电压uZ(有两种情况，分别为UZ1和UZ1)，并供给至第一增强型PMOS管的栅极，与外部直流电源电压uVCC共同决定第一增强型PMOS管的源漏极工作状态(当uVCC正常时，断开；当uVCC过高时，导通)。
当第一增强型PMOS管的源漏极为断开状态时，第二增强型PMOS管栅极被延时电阻连接到电源地GND，故第二增强型PMOS管源漏极为导通状态，从而对负载网络供电；
当第一增强型PMOS管的源漏极由断开变为导通状态时，第二增强型PMOS管栅极电压约为电源电压uVCC，故第二增强型PMOS管源漏极为断开状态，从而对负载网络断电保护。延时电容通过充电电阻被电源VCC快速充电。
当第一增强型PMOS管的源漏极由导通变为断开状态时，延时电容上的电量通过延时电阻释放，直到其上电压(即第二增强型PMOS管的栅极电压)降低到可以使第二增强型PMOS管源漏极为导通状态，从而实现对负载网络恢复供电(恢复延时时间td由延时电阻和延时电容共同决定)。
进一步地，上述反馈电阻网络由上电阻R1以及下电阻R2串联构成。
进一步地，上述第一增强型PMOS管、第二增强型PMOS管以及增强型NMOS管也可采用耗尽型MOS管或结型场效应管或三极管或绝缘栅双极晶体管替换，原理图做适应性调整即可。
进一步地，上述稳压器可调稳压器。
本发明所具有的积极效果：
1、本发明原理简单通用，可以直接增加在任何原设计无过电压保护且需要过电压保护的电子电路中，而不改变其原有的任何设计；对于已经有过电压保护的电子电路中，也仅需要直接替换对应的过电压保护电路即可(不改变其余部分的设计)。
2、本发明选用的材料和元器件均为通用器件，每一种均是种类繁多、价格便宜，特别适合于新产品研制开发和批量生产。
3、本发明原理简单，安全可靠，特别适合于模组化封装或IC设计并大批量生产。
4、本发明应用于供电条件比较苛刻的电子电路中，除保护过电压损坏电子电路外，还可额外保护供电电源以免因过电压导致过电流而损坏。
5、本发明应用于具有保险丝的电子电路中，可以大大减少过电压导致的过电流对保险丝的消耗。
6、本发明具备自恢复特性，应用于过电压保护后需人工参与维护和操作的电子电路时，可以节约大量人工。
附图说明
图1为本发明的电路原理示意图；
图2为本发明的电路动态工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的电路结构和实现原理进行详细说明。
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种具备延时自恢复功能的过电压保护电路的具体实施例，如图1，包括限流电阻10、稳压器11、反馈电阻网络12、第一增强型PMOS管13、延时电阻14、第二增强型PMOS管15、充电电阻16以及延时电容17。需要说明的是：
其中，第一增强型PMOS管13、第二增强型PMOS管15也可采用耗尽型MOS管或结型场效应管或三极管或绝缘栅双极晶体管替换，若更换MOS管的类型，则电路连接方式也需要进行适应性调整(该调整属于本领域技术人员根据实际情况都能作出的常规调整，此处不进行赘述)。
稳压器(11)为可调稳压器。
该电路的具体连接结构是：
限流电阻10一端接外部直流电源VCC，另一端接入稳压器11的CATHODE端，稳压器11REF端接反馈电阻网络12的中端，反馈电阻网络12一端接第一增强型PMOS管13的栅极，另一端与电源地GND连接；限流电阻10、可调稳压器11和反馈电阻网络12组合产生稳定电压uZ在可调稳压器11的CATHODE端，有两种情况，分别为UZ1和UZ2；
稳压器11的CATHODE端连接第一增强型PMOS管13的栅极，第一增强型PMOS管13的源极连接电源VCC，第一增强型PMOS管13漏极通过延时电阻14连接至电源地GND，同时漏极连接第二增强型PMOS管15的栅极和充电电阻16；第二增强型PMOS管15漏极连接负载网络18的供电正端，其源极与外部直流电源VCC连接；延时电容17一端连接至电源地GND，另一端通过充电电阻16同时连接至第一增强型PMOS管13的漏极和第二增强型PMOS管15栅极。
其中，限流电阻10的电阻值远小于反馈电阻网络12的电阻值；充电电阻16的电阻值远小于延时电阻14的电阻值。
以下对该电路中每个电路及元件进行具体说明：
1、限流电阻10为普通电阻，其阻值R10由可调稳压器(11)的稳定电流IZ的范围(IZmin，IZmax)决定。要保证在电源电压uVCC在大于正常值一定范围内，可调稳压器(11)均正常可稳压为UZ1(即
设限流电阻10阻值为R10，
则
(uVCC为外部直流电源电压)，且R10＜＜R1+R2(设R1与R2阻值分别为R1和R2)。
2、可调稳压器11为通用器件，其关键参数(如最大稳定电压、最小稳定电压、最小稳定电流IZmin、最大稳定电流IZmax和参考端电压Vref等)要与具体应用环境相匹配。
3、反馈电阻网络12由上电阻R1与下电阻R2串联构成，当电源电压uVCC＞UZ1时，基于器限流电阻10、可调稳压器11和反馈电阻网络12组合产生的稳定电压为
当电源电压uVCC≤uZ1时，可调稳压器11上流经电流约为0，此时
(R10＜＜R1+R2)。
4、第一增强型PMOS管13为通用器件，其关键参数(如VDS、RDS(on)和VGS(th)等)要与具体应用环境相匹配。其源漏极工作状态由其源极电压uS13(uS13＝uVCC)、栅极电压uG13(uG13＝uZ)和开启电压VGS(th)13(＜0)共同决定。当(uGS13＝uG13-uS13＝uZ-uVCC≤VGS(th)13)时，第一增强型PMOS管13源漏极为导通状态，否则为断开状态。
5、延时电阻14为普通电阻(阻值R14)，与延时电容17(容值C17)共同决定延时时间
(忽略R16)。
6、第二增强型PMOS管15为通用器件，其关键参数(如VDS、ID、RDS(on)和PD等)要满足负载网络18的最大工作电压和电流。其漏源极工作状态由其源极电压uS15(uS15＝uVCC)、栅极电压uG15和开启电压VGS(th)15(＜0)共同决定。当第一增强型PMOS管13源漏极为断开状态时，第二增强型PMOS管15的栅极电压uG15≈0(栅极被延时电阻14电阻下拉到电源地GND)，其栅源电压为uGS15＝uG15-uS15＝0-uVCC＜VGS(th)15，故其漏源极为导通状态，负载网络18正常工作；反之，其漏源极为断开状态，负载网络18被断电保护。
7、充电电阻16为普通电阻(阻值R16)，其要保证延时电容17充电尽可能快，同时还要避免充电开始瞬间出现过大尖峰电流，且R16＜＜R14。
8、延时电容17为普通电容，与延时电阻14共同决定延时时间
(忽略R16)。
9、负载网络18为假定的负载，泛指本发明可能应用于的一切电路负载，例如计算机主板、各类电子板卡、控制电路等。
本实施例提供的电路动态工作过程为：
假定初始时刻外部直流电源电压uVCC正常，限流电阻10、可调稳压器11和反馈电阻网络12组合产生的稳定电压为
或UZ2≈uVCC)；第一增强型PMOS管13的栅源间电压为uGS13＝uG13-uS13＝uZ-uVCC＞VGS(th)13时，其源漏极为断开状态；进而第二增强型PMOS管15的栅源电压为uGS15＝uG15-uS15＝0-uVCC＜VGS(th)15，故其漏源极为导通状态，负载网络18正常供电。
当电源电压uVCC≥Vov时(过电压保护阈值
使得第一增强型PMOS管13的栅源间电压为uGC13＝uG13-uS13＝uZ-uVCC≤VGS(th)13，其源漏极为导通状态；进而第二增强型PMOS管15的栅源电压为uGS15＝uG15-uS15≈uVCC-uVCC＞VGS(th)15，故其漏源极为断开状态，负载网络18被断电保护；同时延时电容17通过充电电阻16被外部直流电源VCC快速充电(致延时电容17电压
)。
当电源电压由uVCC≥Vov变为uVCC＜Vov时，第一增强型PMOS管13的栅源间电压为uGS13＝uG13-uS13＝uZ-uVCC＞VGS(th)13时，其源漏极为断开状态；而此刻延时电容17开始放电，其上电压
由uVCC逐渐下降，第二增强型PMOS管15栅极电压由
决定，当经过td时间后，
下降至(uVCC-|VGS(th)15|)时，第二增强型PMOS管15的栅源电压为uGS15＝uG15-uS15＝uVCC-|VGS(th)15|-uVCC＝VGS(th)15，其漏源极由断开变为导通状态，负载网络18恢复正常供电。
本电路过电压保护阈值为
延时恢复时间为
如图2所示。
总而言之，本发明可以有效实现对目标电路进行自恢复过电压保护，且保护作用具备延时特性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种具备延时自恢复功能的过电压保护电路，其特征在于：
包括限流电阻(10)、稳压器(11)、反馈电阻网络(12)、第一增强型PMOS管(13)、延时电阻(14)、第二增强型PMOS管(15)、充电电阻(16)以及延时电容(17)；
限流电阻(10)一端接外部直流电源VCC，另一端接入稳压器(11)的CATHODE端，稳压器(11)REF端接反馈电阻网络(12)的中端，反馈电阻网络(12)一端接第一增强型PMOS管(13)的栅极，另一端与电源地GND连接；
稳压器(11)的CATHODE端连接第一增强型PMOS管(13)的栅极，第一增强型PMOS管(13)的源极连接电源VCC，第一增强型PMOS管(13)漏极通过延时电阻(14)连接至电源地GND，同时漏极连接第二增强型PMOS管(15)的栅极和充电电阻(16)；第二增强型PMOS管(15)漏极连接负载网络(18)的供电正端，其源极与外部直流电源VCC连接；延时电容(17)一端连接至电源地GND，另一端通过充电电阻(16)同时连接至第一增强型PMOS管(13)的漏极和第二增强型PMOS管(15)栅极；
其中，限流电阻(10)的电阻值远小于反馈电阻网络(12)的电阻值；充电电阻(16)的电阻值远小于延时电阻(14)的电阻值。
2.根据权利要求1所述的具备延时自恢复功能的过电压保护电路，其特征在于：反馈电阻网络(12)由上电阻R1以及下电阻R2串联构成。
3.根据权利要求2所述的具备延时自恢复功能的过电压保护电路，其特征在于：所述第一增强型PMOS管(13)、第二增强型PMOS管(15)均可采用耗尽型MOS管或结型场效应管或三极管或绝缘栅双极晶体管替换。
4.根据权利要求3所述的具备延时自恢复功能的过电压保护电路，其特征在于：稳压器(11)为可调稳压器。
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