CN112165075B - 一种过流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带温度补偿的过流保护电路，至少包括电压采样电路、比较器和上拉电阻，所述比较器的正输入端与所述电压采样电路连接，负输入端接入参考电压，并且所述比较器的输出端与所述上拉电阻连接，在所述电压采样电路的第一分压电阻和第二分压电阻之间连接有热敏电阻，所述热敏电阻与第二分压电阻并联且与所述第一分压电阻串联分压。通过该设置方式，能够通过调整电阻分压比例在低温条件下实现过流保护。

Description

一种过流保护电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种带温度补偿的过流保护电路。

背景技术

过流保护电路通常会设计在功率电路的应用中，当比较器设计为过流保护电路时，需对电路中的电压变化进行采样。以功率金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)应用场景为例进行说明。MOSFET的优势在于驱动电路简单，MOSFET需要的驱动电流比较小，而且通常可以直接由互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)或者集电极开路TTL驱动电路驱动。而且MOSFET没有电荷存储效应，其开关比较迅速，能够以较快的速度工作。此外，MOSFET没有二次击穿失效机理，在温度越高时往往耐力越强，而且发生热击穿的可能性越低，还可以较宽的温度范围内提供较好的性能，因此MOSFET可以广泛地应用于消费电子、工业产品、机电设备、智能手机以及其他便携式数码电子产品中。但是由于导通内阻的存在，在MOSFET过流的情况下，很容易产生大量的热量而导致MOSFET因过温而损坏，因此要有严格的过流保护电路。

例如，公开号为CN207706148U的中国专利文献公开了一种新型的小功率MOSFET过流保护检测电路。如图5所示，该过流保护检测电路通过检测串联在直流母线上电阻R1两端的电压来判断MOSFET是否过流，当电阻R1两端的电压高于设定值时检测电路产生过流故障信号。该电路中串联有电阻R1。电阻R1的一端连接至P型三极管Q1的发射级。电阻R1的另一端通过电阻R4连接至P型三极管Q1的基极。P型三极管Q1的集电极通过电阻R2连接至比较器U1的负输入端。比较器U1的正输入端连接有参考电压V1。同时，比较器U1的负输入端通过并联连接的电阻R3和齐纳二极管ZD1接地。图5中的虚线框为其过流保护电路，其基本的工作原理是当MOSFET导通时流过电阻R1的电流为I，因此电阻R1两端的电压为电流I与电阻R1的乘积。电阻R4为三极管Q1的基极限流电阻。在MOSFET正常工作时，电阻R1两端的电压小于三极管Q1的发射极(E)与基极(B)的导通电压0.7V时，三极管Q1截止，进而比较器U1的负输入端处V2的电压为0。而比较器U1的正输入端处接入参考电压V1，该参考电压V1为大于0V的电压保护阈值，因此V2的电压小于参考电压，从而比较器U1输出为高电平，不会产生过流故障信号。当MOSFET过流时，其漏极相对源极的电压Vds急剧增大，这个过程中电流I逐渐增加使得电压VR1大于导通电压0.7V时，三极管Q1导通，此时三极管Q1的集电极点(C)的电压约为VCC，进而V2的电压为电阻R3与VCC的乘积处于电阻R2和电阻R3之和。当V2大于参考电压V1时，比较器U1输出低电平，产生过流故障信号。齐纳二极管ZD1为稳压二极管，保护V2电压不超过比较器U1允许输入的最大电压。通过选择合适的电阻R1就可以设定过流电流I的大小已达到保护MOSFET的目的。从以上可以看出，该专利的过流保护电路为图5中虚线框部分，基于比较器设计的过流保护电路，通过电路汇总的电压变化进行采样来实现过流保护，该过流保护电路的等效拓扑如图6所示。但是，功率MOSFET的应用电路具有功率大、发热高的特点。随着温度的变化，功率MOSFET的内阻也随之变化，这就导致了采样的电压值也在变化，由于参考电压是恒定的，从而导致过流保护点会随着温度的变化而变化。图6中所示的过流保护方案，仅能够通过适当调整电阻R1和电阻R2的分压比例，实现在不同温度下保护点不超出硬件的限值范围，或是通过MCU检测温度后，利用软件调整过流保护点。

例如，公开号为CN111431411A的中国专利文献公开了一种温度补偿电路、功率控制芯片和电源适配器。该温度补偿电路包括补偿模式判定电路、温度检测电路和温度补偿运算电路；所述补偿模式判定电路与功率控制芯片的COMP脚相连，用于采集所述COMP脚的电平信号，基于所述电平信号形成数字控制信号；所述温度检测电路与所述功率控制芯片相连，用于采集所述功率控制芯片对应的检测温度信号；所述温度补偿运算电路与所述补偿模式判定电路和所述温度检测电路相连，用于对所述温度检测电路输入的检测温度信号和所述补偿模式判定电路输入的数字控制信号进行运算，获取温度补偿信号。该温度补偿电路可有效保障恒压控制过程的控制精度。即，该专利文献提供的技术方案是通过MCU检测温度后，利用软件调整过流保护点。尽管通过软件的方式实现过流保护，能够方便地调整过流保护点，但是响应速度较慢，至少在毫秒量级。因此，通过硬件实现过流保护是不可少的，然而调整电阻分压比例可能会导致在低温条件下的无法实现保护功能。因此，需要一种能够解决功率电路的过流保护点在不同温度下保持一致的过流保护电路。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供一种过流保护电路，用于实现功率MOSFET的过流保护，至少包括电压采样电路、比较器Comp1和上拉电阻R4。所述比较器Comp1的正输入端与所述电压采样电路连接。所述比较器Comp1的负输入端接入参考电压Vref。所述比较器Comp1的输出端与所述上拉电阻R4连接。在所述电压采样电路的第一分压电阻R1和第二分压电阻R2之间连接有热敏电阻R-NTC。所述热敏电阻R-NTC与第二分压电阻R2并联且与所述第一分压电阻R1串联分压。本发明可实现过流保护点的稳定性，不受温度的影响。当比较器设计为过流保护电路时，需对电路中的电压变化进行采样。以功率MOSFET应用场景为例，随着温度的变化，功率MOSFET的内阻呈现为正温度相关性，这就导致了采样的电压值也呈现为正温度相关性，由于参考电压是恒定的，从而导致过流保护点会随着温度的变化而变化。现有的解决方案中，或是通过适当调整电阻R1和R2的分压比例，实现在不同温度下保护点不超出硬件的限值范围，或是通过MCU检测温度后，利用软件调整过流保护点。尽管通过软件的方式实现过流保护，能够方便地调整过流保护点，但是响应速度较慢，至少在毫秒量级。因此，通过硬件实现过流保护是不可少的，然而调整电阻分压比例可能会导致在低温条件下的无法实现保护功能。本发明解决问题从采样电阻阻值变化入手，利用电阻阻值的温度相关特性，当温度升高时，电阻分压值变小；当温度降低时，电阻分压值变大，以此来实现过流保护点的一致性。

根据一种优选实施方式，所述热敏电阻R-NTC的温度特性与所述功率MOSFET的内阻的温度特性相反。在所述功率MOSFET温度升高使得其内阻变大的情况下，所述热敏电阻R-NTC的阻值变小，使得所述热敏电阻R-NTC与第二分压电阻R2并联后的阻值变小。所述热敏电阻R-NTC与第二分压电阻R2并联后与所述第一分压电阻R1串联以降低形成分压后的电压值从而避免在高温的情况下所述过流保护点降低。

根据一种优选实施方式，在所述功率MOSFET温度降低使得其内阻变小的情况下，所述热敏电阻R-NTC的阻值变大，使得所述热敏电阻R-NTC与第二分压电阻R2并联后的阻值变大。所述热敏电阻R-NTC与第二分压电阻R2并联后与所述第一分压电阻R1串联以提高形成分压后的电压值从而避免在低温的情况下所述过流保护点升高。

根据一种优选实施方式，在所述比较器Comp1的正输入端于输出端之间并联有能够形成滞环电路以避免所述过流保护电路在过流保护点附近发生振荡的第三电阻R3。

根据一种优选实施方式，所述第三电阻R3为高阻抗电阻。在所述采样电路输入至所述比较器Comp1的正输入端的电压未超过所述参考电压Vref的情况下，所述比较器Comp1输出为低阻抗使得所述第三电阻R3、热敏电阻R-NTC、第二分压电阻R2彼此并联，从而使得所述第三电阻R3、热敏电阻R-NTC、第二分压电阻R2并联的电阻值与所述热敏电阻R-NTC和第二分压电阻R2并联的电阻值相差较小以起到偏置的作用。

根据一种优选实施方式，在所述采样电路输入至所述比较器Comp1的正输入端的电压超过所述参考电压Vref的情况下，所述比较器Comp1输出为高阻抗使得所述第三电阻R3与所述上拉电阻R4串联后与所述第一分压电阻R1并联，从而使得所述上拉电阻R4的上拉电压对所述第一分压电阻R1的电压影响较小以起到偏置作用。

根据一种优选实施方式，所述过流保护电路还包括用于转移热量的吸收器件。所述吸收器件与所述热敏电阻R-NTC连接。

根据一种优选实施方式，所述吸收器件至少包括PTC电阻。所述PTC电阻通过连接元件与所述热敏电阻R-NTC串联。所述连接元件还分别与所述第一分压电阻R1和温度补偿组件连接。

根据一种优选实施方式，在温度升高的情况下，所述PTC电阻的阻值升高使得所述热敏电阻R-NTC的热量部分转移至所述PTC电阻。在所述温度超过第一阈值的情况下，所述PTC电阻的阻值增大以使得所述PTC电阻所在支路处于开路状态，从而实现所述热敏电阻R-NTC的过热保护。

根据一种优选实施方式，在所述温度小于第一阈值的情况下，所述连接元件连通，使得所述温度补偿组件与所述PTC电阻、所述热敏电阻R-NTC并联后与所述第一分压电阻R1串联，从而对串联接入的所述PTC电阻带来的干扰进行补偿。

附图说明

图1是本发明的一种优选实施方式的电路示意图；

图2是本发明的另一种优选实施方式的电路示意图；

图3是在温度升高后本发明的第三电阻的变化示意图；

图4是在温度降低后本发明的第三电阻的变化示意图；

图5是现有技术中功率MOSFET的过流保护电路示意图；

图6是图5中过流保护电路的等效拓扑示意图。

附图标记列表

Comp1：比较器 R1：第一分压电阻 R2：第二分压电阻

R3：第三电阻 R4：上拉电阻 Vref：参考电压

R-NTC：热敏电阻

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种过流保护电路，用于实现功率MOSFET的过流保护，至少包括电压采样电路、比较器Comp1和上拉电阻R4。比较器Comp1的正输入端与电压采样电路连接。比较器Comp1的负输入端接入参考电压Vref。比较器Comp1的输出端与上拉电阻R4连接。在电压采样电路的第一分压电阻R1和第二分压电阻R2之间连接有热敏电阻R-NTC。热敏电阻R-NTC与第二分压电阻R2并联且与第一分压电阻R1串联分压。

优选地，如图2所示，在比较器Comp1的正输入端于输出端之间并联有能够形成滞环电路以避免过流保护电路在过流保护点附近发生振荡的第三电阻R3。优选地，第三电阻R3为高阻抗电阻。在采样电路输入至比较器Comp1的正输入端的电压未超过参考电压Vref的情况下，比较器Comp1输出为低阻抗使得第三电阻R3、热敏电阻R-NTC、第二分压电阻R2彼此并联。优选地，由于第三电阻R3是高阻抗电阻，因此使得第三电阻R3、热敏电阻R-NTC、第二分压电阻R2并联的电阻值与热敏电阻R-NTC和第二分压电阻R2并联的电阻值相差较小，进而起到偏置的作用。优选地，在采样电路输入至比较器Comp1的正输入端的电压超过参考电压Vref的情况下，比较器Comp1输出为高阻抗。由于第三电阻R3是高阻抗电阻，使得第三电阻R3与上拉电阻R4串联后与第一分压电阻R1并联，从而使得上拉电阻R4的上拉电压对第一分压电阻R1的电压影响较小，进而起到偏置作用。通过以上设置方式，通过第三电阻R3形成滞环电路，从而在保护点附近避免发生振荡，提高稳定性。

优选地，热敏电阻R-NTC的温度特性与功率MOSFET的内阻的温度特性相反。功率MOSFET的内阻呈现为正温度系数，当温度升高后其阻值变大。优选地，如图3所示，在功率MOSFET温度升高使得其内阻变大的情况下，热敏电阻R-NTC的阻值变小，使得热敏电阻R-NTC与第二分压电阻R2并联后的阻值变小。热敏电阻R-NTC与第二分压电阻R2并联后其并联电阻的阻值变小。而且热敏电阻R-NTC与第二分压电阻R2并联后与第一分压电阻R1串联，从而与第一分压电电阻R1分压后形成的电压值也降低这就保证了在高温情况下，过流保护点不会降低。

优选地，如图4所示，在功率MOSFET温度降低使得其内阻变小的情况下，热敏电阻R-NTC的阻值变大，使得热敏电阻R-NTC与第二分压电阻R2并联后的阻值变大。热敏电阻R-NTC与第二分压电阻R2并联后其并联电阻变大。热敏电阻R-NTC与第二分压电阻R2并联后与第一分压电阻R1串联，与第一分压电电阻R1分压后形成的电压值也变大，从而保证了在低温情况下，过流保护点不会升高。

通过以上设置方式，本发明可实现过流保护点的稳定性，不受温度的影响。当比较器设计为过流保护电路时，需对电路中的电压变化进行采样。以功率MOSFET应用场景为例，随着温度的变化，功率MOSFET的内阻呈现为正温度相关性，这就导致了采样的电压值也呈现为正温度相关性，由于参考电压是恒定的，从而导致过流保护点会随着温度的变化而变化。现有的解决方案中，或是通过适当调整电阻R1和R2的分压比例，实现在不同温度下保护点不超出硬件的限值范围；或是通过MCU检测温度后，利用软件调整过流保护点。本发明解决问题从采样电阻阻值变化入手，利用电阻阻值的温度相关特性，当温度升高时，电阻分压值变小；当温度降低时，电阻分压值变大，以此来实现过流保护点的一致性，同时设计滞环电路，实现在保护点附近避免发生振荡，提升稳定性。通过设计简洁的、完全对称的电流平均值检测电路和限流阀值基准电路，满足了过流保护对温度自动补偿的要求，提高了系统过流阀值的稳定性、变换器的可靠性和经济性

但是以上电路存在以下问题：

在实际使用过程中经过测量发现MOSFET大部分时间工作于高温状态，而为热敏电阻R-NTC更好地实现温度补偿，热敏电阻NTC一般工作于MOSFET附近，因此热敏电阻R-NTC与MOSFET的工作温度相近，热敏电阻R-NTC即热敏电阻R-NTC可能大部分的工作时间处于高温环境中。需要说明的是，尽管本发明解决了低温下的温度补偿问题，但是热敏电阻R-NTC本身适用于低温补偿的应用场景，热敏电阻R-NTC一直工作于高温环境下其本身的功耗较大，在高温情况下热敏电阻存在温度补偿不足和非线性精度不足的问题。以上问题的存在极可能导致过流保护电路无法正常工作，从而无法实现对MOSFET的过流保护。因此本发明通过吸收器件和温度补偿电路来解决以上问题。

优选地，过流保护电路还包括用于转移热量的吸收器件。吸收器件与热敏电阻R-NTC的阻值连接。优选地，吸收器件至少包括PTC电阻。PTC电阻通过连接元件与热敏电阻R-NTC串联。连接元件还分别与第一分压电阻R1和温度补偿组件连接。优选地，连接元件可以是三极管或者MOSFET。优选地，连接元件可以是通过芯片驱动。优选地，在温度升高的情况下，PTC电阻的阻值升高使得热敏电阻R-NTC的热量部分转移至PTC电阻。在温度超过第一阈值的情况下，PTC电阻的阻值增大以使得PTC电阻所在支路处于开路状态，从而实现热敏电阻R-NTC的过热保护。优选地，第一阈值可以是热敏电阻R-NTC失效的温度。优选地，高温能够正常工作的热敏电阻R-NTC其成本较高，普通型的热敏电阻R-NTC其工作温度基本在100℃左右，因此本发明的第一阈值可以是100℃。优选地，在温度小于第一阈值的情况下，连接元件连通，使得温度补偿组件与PTC电阻、热敏电阻R-NTC并联后与第一分压电阻R1串联，从而对串联接入的PTC电阻带来的干扰进行补偿。优选地，可以采用驱动芯片驱动连接元件，进而实现其选择性导通。优选地，温度补偿组件可以是采用电气器件或者电路的形式。优选地，电气器件可以是封装好的带有PTC/NTC电阻的温度补偿器件。优选地，电路形式的温度补偿组件可以是串并联电阻构成的电路。优选地，考虑到热敏电阻R-NTC与PTC电阻连接，而两者的温度性质相反，即温度升高的情况下，热敏电阻R-NTC的阻值变小，而PTC电阻的阻值增大，其两者串联后的等效电阻不会随温度升高而降低。因此温度补偿电路至少包括一个与热敏电阻R-NTC并联的PTC电阻、多个不同/相同阻值的分流电阻以及三极管。三极管的基极分别与PTC电阻和分流电阻连接。三极管的集电极和发射极分别与其他分流电阻连接。基本原理是，随着PTC电阻的增加以并联分流电阻，从而降低阻值以达到与热敏电阻R-NTC相同的温度特性。通过该设置方式，与热敏电阻R-NTC并联的PTC电阻不仅能够抵消串联的PTC电阻带来的干扰，而且PTC电阻工作的温度范围宽，能够在高温下正常工作。

通过以上设置方式，达到的有益效果是：

本发明在电压采样电路的热敏电阻R-NTC一侧设置有吸收器件。吸收器件至少包括PTC电阻。一方面PTC电阻由于正温度相关，因此温度越高其电阻越高，不仅可以吸收部分NTC的功耗和热量，避免热敏电阻R-NTC温度过高，使得NTC处于正常工作范围。另一方面在温度过高的情况下，其阻值更大，可以视为开路状态，进而可以自动断开与NTC的连接，实现NTC过温保护，避免烧毁。此外，在NTC处于高温仍还工作的情况下，其存在温度补偿不足和误差问题，可以通过另一路的PTC电阻并联，然后通过串联分流电阻，通过在高温下实现温度补偿。或者断开此路，通过原来的第一分压电阻R1/第二分压电阻R2来实现温度补偿。

本发明说明书包含多项发明构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种过流保护电路，用于实现功率MOSFET的过流保护，至少包括电压采样电路、比较器(Comp1)和上拉电阻(R4)，其中，所述比较器(Comp1)的正输入端与所述电压采样电路连接，负输入端接入参考电压(Vref)，并且所述比较器(Comp1)的输出端与所述上拉电阻(R4)连接，其特征在于，

在所述电压采样电路的第一分压电阻(R1)和第二分压电阻(R2)之间连接有热敏电阻R-NTC，其中，所述热敏电阻R-NTC与第二分压电阻(R2)并联且与所述第一分压电阻(R1)串联分压；

所述过流保护电路还包括用于转移热量的吸收器件，其中，所述吸收器件与所述热敏电阻R-NTC连接；

所述吸收器件至少包括PTC电阻，其中，所述PTC电阻通过连接元件与所述热敏电阻R-NTC串联，其中，所述连接元件还分别与所述第一分压电阻(R1)和温度补偿组件连接；

在所述温度小于第一阈值的情况下，所述连接元件连通，使得所述温度补偿组件与所述PTC电阻、所述热敏电阻R-NTC并联后与所述第一分压电阻(R1)串联，从而对串联接入的所述PTC电阻带来的干扰进行补偿。

2.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于，所述热敏电阻R-NTC的温度特性与所述功率MOSFET的内阻的温度特性相反，其中，在所述功率MOSFET温度升高使得其内阻变大的情况下，所述热敏电阻R-NTC的阻值变小，使得所述热敏电阻R-NTC与第二分压电阻(R2)并联后的阻值变小，其中，所述热敏电阻R-NTC与第二分压电阻(R2)并联后与所述第一分压电阻(R1)串联以降低形成分压后的电压值，从而避免在高温的情况下所述过流保护点降低。

3.根据权利要求2所述的过流保护电路，其特征在于，在所述功率MOSFET温度降低使得其内阻变小的情况下，所述热敏电阻R-NTC的阻值变大，使得所述热敏电阻R-NTC与第二分压电阻(R2)并联后的阻值变大，其中，所述热敏电阻R-NTC与第二分压电阻(R2)并联后与所述第一分压电阻(R1)串联以提高形成分压后的电压值，从而避免在低温的情况下所述过流保护点升高。

4.根据权利要求3所述的过流保护电路，其特征在于，在所述比较器(Comp1)的正输入端于输出端之间并联有能够形成滞环电路以避免所述过流保护电路在过流保护点附近发生振荡的第三电阻(R3)。

5.根据权利要求4所述的过流保护电路，其特征在于，所述第三电阻(R3)为高阻抗电阻，其中，在所述采样电路输入至所述比较器(Comp1)的正输入端的电压未超过所述参考电压(Vref)的情况下，所述比较器(Comp1)输出为低阻抗使得所述第三电阻(R3)、热敏电阻R-NTC、第二分压电阻(R2)彼此并联，从而使得所述第三电阻(R3)、热敏电阻R-NTC、第二分压电阻(R2)并联的电阻值与所述热敏电阻R-NTC和第二分压电阻(R2)并联的电阻值相差较小以起到偏置的作用。

6.根据权利要求5所述的过流保护电路，其特征在于，在所述采样电路输入至所述比较器(Comp1)的正输入端的电压超过所述参考电压(Vref)的情况下，所述比较器(Comp1)输出为高阻抗使得所述第三电阻(R3)与所述上拉电阻(R4)串联后与所述第一分压电阻(R1)并联，从而使得所述上拉电阻(R4)的上拉电压对所述第一分压电阻(R1)的电压影响较小以起到偏置作用。

7.根据权利要求6所述的过流保护电路，其特征在于，在温度升高的情况下，所述PTC电阻的阻值升高使得所述热敏电阻R-NTC的热量部分转移至所述PTC电阻，其中，在所述温度超过第一阈值的情况下，所述PTC电阻的阻值增大以使得所述PTC电阻所在支路处于开路状态，从而实现所述热敏电阻R-NTC的过热保护。

Images