CN111817263B - 限流保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了限流保护电路，包括功率电路供电电源、功率芯片和功率芯片供电电源，所述功率芯片的EN脚连接上拉电阻，还包括功率MOS管，所述功率芯片的输出脚通过电阻一与功率MOS管的栅极相连；所述功率MOS管与功率负载串联形成支路，所述支路两端与功率电路供电电源的正负极连接。本发明的有益效果是，有效避免额外功率算好，提高限流保护效果。

Description

限流保护电路
技术领域
本发明涉及保护电路设计领域，特别是限流保护电路。
背景技术
过电流是功率电路中常见的故障，过电流发生时容易损坏功率管，因此限流功能已成为功率电路中必不可少的保护措施。当前最常用的限流电路原理是依靠外加采样电阻来实现，利用工作电流流过采样电阻产生的压降作为反馈信号，反馈到比较器，比较器比较基准电压和反馈电压产生控制信号，进而通过逻辑电路控制功率器件的通断来实现限流作用。然而，上述方案会在采样电阻上消耗额外的功率，降低了系统效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，设计了限流保护电路。
实现上述目的本发明的技术方案为，限流保护电路，包括功率电路供电电源、功率芯片和功率芯片供电电源，所述功率芯片的EN脚连接上拉电阻，还包括功率MOS管，所述功率芯片的输出脚通过电阻一与功率MOS管的栅极相连；所述功率MOS管与功率负载串联形成支路，所述支路两端与功率电路供电电源的正负极连接；
还包括电阻二、电阻三、三极管二，电阻四、电阻五、三极管三；
所述三极管二的基极通过电阻二与功率芯片的Output脚相连，三极管二的集电极与功率芯片的EN脚相连；
所述三极管三的集电极与三极管二的发射极连接，所述三极管三的基极通过电阻四与功率MOS管连接，电阻三的一端与三极管二的基极连接，另一端与功率芯片的GND脚连接，所述电阻五的一端与三极管三的基极连接，另一端与功率芯片的GND脚连接。
所述三极管二的基极电平(VQ2)取决于功率芯片的Output脚电平(Vout)、电阻二和电阻三及三极管三的集电极-射极电压VCEQ3，计算公式为：VQ2＝Vout×R3/(R3+R2)-VCEQ3；其中：VQ2为三极管二(Q2)的基极电平，R2为电阻二，R3为电阻三。
所述三极管三的基极电平(VQ3)取决于功率MOS管的源极与漏极的电压差(ΔVQ1)及电阻R4和R5，计算公式为：VQ3＝ΔVQ1×R5/(R4+R5)；其中，ΔVQ1：功率MOS管(Q1)源极-漏极电压差，VQ3为三极管三(Q3)的基极电平；R4为电阻四，R5为电阻五。
所述功率MOS管关断，则功率芯片的Output脚电平为低电平，所以三极管二的基极电压为低电平，所述三极管二截止，所述三极管三的集电极电流为0。
所述功率MOS管导通，工作电流I在规定范围内，则三极管三处于截止状态，三极管二也处于截止状态。
所述功率MOS管导通，工作电流I超出规定范围，则三极管三导通，三极管二导通，功率芯片关闭，功率MOS管关闭。
有益效果
利用本发明的技术方案制作的限流保护电路，可以有效降低因采样电阻造成的额外功率消耗，提高系统的反应效率，保证电路的保护效果。
附图说明
图1是本发明所述限流保护电路的电路图；
图中，U、功率电路供电电源；Driver IC、功率芯片；VCC、功率芯片供电电源；Q1、功率MOS管；Q2、三极管二；Q3、三极管三；R1、电阻一；R2、电阻二；R3、电阻三；R4、电阻四；R5、电阻五；RL、功率负载。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1所示，本申请的创造点在于，所述功率芯片的输出脚通过电阻一R1与功率MOS管的栅极相连；所述功率MOS管与功率负载RL串联形成支路，所述支路两端与功率电路供电电源的正负极连接；还包括电阻二R2、电阻三R3、三极管二Q2，电阻四R4、电阻五R5、三极管三Q3；所述三极管二的基极通过电阻二与功率芯片的Output脚相连，三极管二的集电极与功率芯片的EN脚相连；所述三极管三的集电极与三极管二的发射极连接，所述三极管三的基极通过电阻四与功率MOS管连接，电阻三的一端与三极管二的基极连接，另一端与功率芯片的GND脚连接，所述电阻五的一端与三极管三的基极连接，另一端与功率芯片的GND脚连接。
在本技术方案实施的过程中，本领域人员需要将本案中所有电气件与其适配的电源通过导线进行连接，并且应该根据实际情况，选择合适的控制器，以满足控制需求，具体连接以及控制顺序，应参考下述工作原理中，各电气件之间先后工作顺序完成电性连接，其详细连接手段，为本领域公知技术，下述主要介绍工作原理以及过程，不在对电气控制做说明。
在本技术方案中，功率MOS管导通时源极与漏极之间的电压差与通过的电流成正比，电流增加时源极与漏极之间的电压差会增加，此限流新技术是借助功率MOS管源极与漏极之间的电压差来间接控制功率MOS管的通断进而实现限流功能。
具体原理如上图1所示：U为功率电路部分供电电源；VCC为功率芯片(Driver IC)的供电电源；Q1为功率MOS管，实现功率回路的控制；Driver IC的EN脚控制Driver IC的使能，高电平时正常驱动功率管工作，低电平时关断输出控制(输出为0)，EN脚通过上拉电阻R6置于高电平；Driver IC的输出脚通过R1与功率MOS Q1的栅极相连；RL为功率负载；R2、R3、Q2和R4、R5、Q3为限流采样和控制电路。
三极管Q2的基极通过R2与Driver IC的Output脚相连，Q2的基极电平(VQ2)取决于Driver IC的Output脚电平(Vout)、电阻R2和R3及Q3的集电极-射极电压VCEQ3，VQ2＝Vout×R3/(R3+R2)-VCEQ3；其中：VQ2为三极管二(Q2)的基极电平，R2为电阻二，R3为电阻三；三极管Q2的集电极与Driver IC的EN脚相连；三极管Q3的基极电平(VQ3)取决于功率MOS管Q1的源极与漏极的电压差(ΔVQ1)及电阻R4和R5，VQ3＝ΔVQ1×R5/(R4+R5)；其中，ΔVQ1：功率MOS管(Q1)源极-漏极电压差，VQ3为三极管三(Q3)的基极电平；R4为电阻四，R5为电阻五；功率MOS管Q1导通时源极与漏极的电压差ΔVQ1＝I×RDS(on)，I为流过Q1的工作电流，RDS(on)为MOS管Q1的导通电阻。
功率MOS管Q1关断时，Driver IC的Output脚电平为低电平，所以三极管Q2的基极电压为低电平，Q2截止。三极管Q3基极电平为高电平(U×R5/(RL+R4+R5))，存在较低的基极-射极电流IBE，但因Q2截止故Q3集电极电流为0。
功率MOS管Q1导通时，当工作电流I在规定范围时，功率MOSQ1的源极与漏极电压差ΔVQ1较低，通过R4和R5的分压使三极管Q3的基极电压VQ3低于Q3的开通阈值电压VBEO，Q3处于截止状态，此时Q2基极电平处于高电平，因Q3无集电极电流Q2也处于截止状态。当工作电流I超出规定电流范围时，功率MOSQ1的源极与漏极的电压差ΔVQ1会增大到一定阈值，合理配置R4和R5使此时三极管Q3的基极电平VQ3高于开启电压VBE，此时Q3处于导通状态；又因此时Driver IC的Output脚电平为高电平，合理配置R2和R3的电阻可以使得三极管Q2的基极电平高于开启电压VBE，使得Q2导通，Q3和Q2同时导通将Driver IC的EN脚电平拉低，关闭Driver IC，进而关断功率MOSQ1。Driver IC的Output脚电平降低后Q2基极电压降低使得Q2截止，Driver IC的EN脚恢复高电平，Driver IC恢复正常输出驱动功率MOS Q1的通断。通过以上方式，将Q1的工作电流限制在规定的范围内。
实施例：
假设功率MOS Q1的导通电阻为1Ω，工作电流范围为≤2A。三级管Q2、Q3的开通阈值VBE＝0.7V。在此电路中Q3导通时的集电极-射极电压VCEQ3＝1V。Driver IC的输出电压为3V。R6为EN脚上拉电阻，可取值10K。R1的作用是为防止栅极的自激震荡，阻值可取47Ω。R3和R5可定为1K，再通过分压公式来计算R2和R4的阻值。当工作电流达到2A时，功率MOS管Q1漏极与源极的电压差ΔVQ1＝2A*1Ω＝2V，此时要保证Q3的导通，应使得VQ3≥0.7V，即(ΔVQ1×R5/(R4+R5))≥0.7V，计算可得R4≤1.8K。要保证Q2导通，应使得VQ2≥0.7V，即(Vout×R3/(R3+R2)-VCEQ3)≥0.7V，计算可得R2≤0.76K。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.限流保护电路，包括功率电路供电电源(U)、功率芯片(Driver IC)和功率芯片供电电源(VCC)，其特征在于，还包括功率MOS管(Q1)，所述功率芯片的EN脚连接上拉电阻(R6)，所述功率芯片的输出脚通过电阻一(R1)与功率MOS管的栅极相连；所述功率MOS管与功率负载(RL)串联形成支路，所述支路两端与功率电路供电电源的正负极连接；
还包括电阻二(R2)、电阻三(R3)、三极管二(Q2)，电阻四(R4)、电阻五(R5)、三极管三(Q3)；
所述三极管二的基极通过电阻二与功率芯片的Output脚相连，三极管二的集电极与功率芯片的EN脚相连；
所述三极管三的集电极与三极管二的发射极连接，所述三极管三的基极通过电阻四与功率MOS管连接，电阻三的一端与三极管二的基极连接，另一端与功率芯片的GND脚连接，所述电阻五的一端与三极管三的基极连接，另一端与功率芯片的GND脚连接。
2.根据权利要求1所述的限流保护电路，其特征在于，所述三极管二的基极电平(VQ2)取决于功率芯片的Output脚电平(Vout)、电阻二和电阻三及三极管三的集电极-射极电压VCEQ3，计算公式为：VQ2＝Vout×R3/(R3+R2)-VCEQ3，其中：VQ2为三极管二(Q2)的基极电平，R2为电阻二，R3为电阻三。
3.根据权利要求1所述的限流保护电路，其特征在于，所述三极管三的基极电平(VQ3)取决于功率MOS管的源极与漏极的电压差(ΔVQ1)及电阻R4和R5，计算公式为：VQ3＝ΔVQ1×R5/(R4+R5)，其中，ΔVQ1：功率MOS管(Q1)源极-漏极电压差，VQ3为三极管三(Q3)的基极电平；R4为电阻四，R5为电阻五。
4.根据权利要求1所述的限流保护电路，其特征在于，所述功率MOS管关断，则功率芯片的Output脚电平为低电平，所以三极管二的基极电压为低电平，所述三极管二截止，所述三极管三的集电极电流为0。
5.根据权利要求1所述的限流保护电路，其特征在于，所述功率MOS管导通，工作电流I在规定范围内，则三极管三处于截止状态，三极管二也处于截止状态。
6.根据权利要求1所述的限流保护电路，其特征在于，所述功率MOS管导通，工作电流I超出规定范围，则三极管三导通，三极管二导通，功率芯片关闭，功率MOS管关闭。
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