CN112366652A - 保护电路及电路保护系统 - Google Patents

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CN112366652A CN202011282505.3A CN202011282505A CN112366652A CN 112366652 A CN112366652 A CN 112366652A CN 202011282505 A CN202011282505 A CN 202011282505A CN 112366652 A CN112366652 A CN 112366652A
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邢金鹏
李庆山
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Abstract

本发明揭示了一种保护电路，包括输入电源、负载电源、第一P沟道场效应管、第二P沟道场效应管、比较器、基准电压源、分压电路和单向导通电路，所述输入电源与所述第一P沟道场效应管的漏极连接，所述负载电源与所述第二P沟道场效应管的漏极连接，所述第一P沟道场效应管的源极与所述第二P沟道场效应管的源极相连后，通过所述分压电路连接于所述比较器的正相输入端，所述第一P沟道场效应管的栅极与所述第二P沟道场效应管的栅极相连后，连接于所述比较器的输出端，所述负载电源与所述基准电压源相连后，连接于所述比较器的反相输入端。本发明提供一种保护电路，能够实现快速响应和有效隔离的功能，且电路可以重复利用。

Description

保护电路及电路保护系统
技术领域
本发明涉及一种保护电路及电路保护系统，特别是一种基于P沟道场效应管和比较器的保护电路和电路保护系统。
背景技术
弱电领域中常在电源的输出路径上加入保护电路，从而实现当负载出现过流或过压情况时，及时采取相应措施保护负载中元器件和电源，现有技术中通常采用串接保险丝等熔断体作为过流保护措施，但保险丝的熔断需要经过一段时间，期间内电路持续处于过流状态，因此无法有效保护精密元器件；而对于过压保护而言，现有技术中惯常做法是，当输出电压超过一定范围时，保护器件对系统短路，从而将产生的瞬间过压泄放掉，但该种措施会极大影响系统电源，因此设计一种响应及时、能够将负载与电源有效隔离，且电路结构简单的保护电路是十分必要的。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种保护电路，从而解决保护电路响应不及时，无法将负载与电源有效隔离的技术问题。
本发明的目的之一在于提供一种电路保护系统。
为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种保护电路，包括输入电源、负载电源、第一P沟道场效应管、第二P沟道场效应管、比较器、基准电压源、分压电路和单向导通电路，所述输入电源与所述第一P沟道场效应管的漏极连接，所述负载电源与所述第二P沟道场效应管的漏极连接，所述第一P沟道场效应管的源极与所述第二P沟道场效应管的源极相连后，通过所述分压电路连接于所述比较器的正相输入端，所述第一P沟道场效应管的栅极与所述第二P沟道场效应管的栅极相连后，连接于所述比较器的输出端，所述负载电源与所述基准电压源相连后，连接于所述比较器的反相输入端，所述负载电源与所述比较器的反相输入端相连的支路上，设置有所述单向导通电路，所述单向导通电路的电流方向由所述比较器的反相输入端，指向所述负载电源。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述保护电路还包括第一电阻，所述第一电阻一端连接于所述输入电源，另一端连接于所述比较器的输出端。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述第一电阻为上拉电阻，当比较器的输出端为高电平时，用以增大高电平值，提升驱动第一P沟道场效应管和第二P沟道场效应管的能力。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述分压电路包括第二电阻和第三电阻，所述第二电阻串接于所述第一P沟道场效应管的源极、所述第二P沟道场效应管的源极与所述比较器的正相输入端之间，所述第三电阻一端接地，另一端与所述比较器的正相输入端相接。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述单向导通电路包括第一二极管，所述第一二极管的正极与所述比较器的反相输入端相接，所述第一二极管的负极与所述负载电源相接。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述保护电路还包括第二二极管，所述第二二极管串接于所述分压电路所在支路上，用以使电流流向比较器的正相输入端。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述保护电路还包括第一电容和第二电容，所述第一电容的一端与所述比较器的反相输入端相连，另一端接地，所述第二电容的一端与所述比较器的正相输入端相连，另一端接地。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述保护电路还包括第三电容和第四电容，所述第三电容的一端与所述输入电源连接，另一端接地，所述第四电容的一端与所述负载电源连接，另一端接地。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述保护电路还包括第四电阻、第五电阻，所述第四电阻一端连接于所述基准电压源，另一端连接所述比较器的反相输入端，所述第五电阻一端连接于所述输入电源，另一端接地。
为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种电路保护系统，包括上述任一种技术方案的保护电路以及管理模块，所述管理模块与所述第一P沟道场效应管具有电性连接，用以控制所述第一P沟道场效应管导通和关断。
与现有技术相比，本发明的保护电路，通过设置两个P沟道场效应管以及比较器，从而控制电源到负载的输出，利用P沟道场效应管栅极加高电平截止、加负电压导通的特性，实现快速响应和有效隔离的功能，且保护电路可以重复利用。
附图说明
图1是本发明一实施方式中保护电路的电路原理图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
需要说明的是，术语“包括”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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明一实施方式中，保护电路设置于电路保护系统中。
其中，电路保护系统还包括与保护电路电性连接的管理模块，具体地，在本领域通用技术手段中，管理模块通常通过GPIO(General-purpose input/output，通用型输入输出口)与保护电路及其内部元器件连接，用以为保护电路提供手动导通和关断的操作方式，在保护电路自身发生故障时，得以进行强制关断，防止其影响前端输入或后端负载。
进一步地，如图1，在本实施方式中，上述保护电路包括输入电源1、负载电源2、第一P沟道场效应管MP1、第二P沟道场效应管MP2、比较器3、基准电压源4、分压电路5和单向导通电路6，其中，输入电源1与第一P沟道场效应管MP1的漏极连接，负载电源2与第二P沟道场效应管MP2的漏极连接，第一P沟道场效应管MP1的源极与第二P沟道场效应管MP2的源极连接后，通过分压电路5连接于比较器3的正相输入端，其中分压电路5主要用以降低接入至比较器3的正向输入端的电压；第一P沟道场效应管MP1的栅极与第二P沟道场效应管MP2的栅极相连后，连接于比较器3的输出端，负载电源2与基准电压源4相连后，连接于比较器3的反向输入端，负载电源2与比较器3的反相输入端相连的支路上，设置有单向导通电路6，单向导通电路6的电流方向由比较器3的反相输入端，指向负载电源2。
可以理解地，P沟道场效应管的结构为N型硅衬底，因此内部多数载流子为空穴，少数载流子为电子，进一步地，N型硅衬底上设置有两个P区，分别构成了源极和漏极，如此，在栅极上相对于源极施加负电压，也即在P沟道场效应管的栅极上施加负电荷电子，即可在硅衬底上相对应地感应得到正电荷空穴和带固定正电荷的耗尽层，如此，P沟道场效应管即导通。而在本实施方式中，正是利用了这个特性，通过在栅极施加高低电平，即可控制P沟道场效应管实现关断和导通效果。
此外，由于P沟道场效应管内部存在，由漏极指向源极的寄生快恢复二极管，在本实施方式中，由于两个P沟道场效应管的源极相接，因此两个P沟道场效应管之间的中间电压，也即如图1所示的Umid，在两个P沟道场效应管均导通的情况下，始终与两个P沟道场效应管中电压较高的一个的所受电压保持一致，如此，在第一P沟道场效应管MP1的源极与输入电源1连接，第二P沟道场效应管MP2与负载电源2连接的实施方式中，Umid始终等于输入电源1和负载电源2中较大的一方。利用P沟道场效应管的该特性，可以判断输入电源1和负载电源2的电压大小，进而获得负载电路的情况。
具体地，定义输入电源1的电压为Uin，负载电源2的电压为Uout，基准电压源4的电压为Uref，比较器3的正相输入端的电压为U+，比较器3的反相输入端的电压为U-，比较器3的输出端的电压为Uo，并进行保护电路具体工作原理的描述如下：
当电路工作正常的情况下，设定基准电压源4的电压Uref小于输入电源1的电压Uin以及负载电源2的电压Uout，且Uref大于两个P沟道场效应管之间的中间电压Umid经过分压电路分压后得到的电压，也即大于比较器3的正相输入端的电压U+，如此，比较器3的输出端的电压Uo为负值，Uo施加在两个P沟道场效应管的栅极，第一P沟道场效应管MP1和第二P沟道场效应管MP2均导通，保护电路正常导通。
当负载电源2或其所接电路发生过流短路的情况下，负载电源2的电压Uout低于基准电压源4的电压Uref，单向导通电路6导通，此时，在不考虑单向导通电路6的导通压降的情况下，比较器3的反相输入端的电压U-即等于负载电源2的电压Uout，同时，由于P沟道场效应管内部存在寄生快恢复二极管，在负载电源2的电压Uout低于输入电源1的电压Uin的时候，中间电压Umid等于输入电源1的电压Uin，中间电压Umid经过分压电路5后输入至比较器3的正相输入端，此时，由于电路处于异常工况，因此需要调控比较器3的输出端的电压Uo为高电平，进而关断第一P沟道场效应管MP1以及第二P沟道场效应管MP2，也即使得U+大于U-，如此，便可得到关于负载电源2的电压Uout和输入电源1的电压Uin的第一不等式。
当负载电源2或其所接电路产生过压脉冲的情况下，负载电源2的电压Uout高于基准电压源4的电压Uref，单向导通电路6截止，此时，比较器3的反相输入端的电压U-即等于基准电压源4的电压Uref，同时，由于P沟道场效应管内部存在寄生快恢复二极管，在负载电源2的电压Uout高于输入电源1的电压Uin的时候，中间电压Umid等于负载电源2的电压Uout，中间电压Umid经过分压电路5后输入至比较器3的正相输入端，此时由于电路处于异常工况，因此同样需要调控比较器3的输出端的电压Uo为高电平，进而关断第一P沟道场效应管MP1以及第二P沟道场效应管MP2，也即使得比较器3的正相输入端的电压U+大于反相输入端的电压U-，如此，便可得到关于负载电源2的电压Uout和基准电压源4的电压Uref的第二不等式。
进一步地，结合上述第一不等式和第二不等式，可以得到电源保护窗口，从而通过调节，扩大或限制负载电源2的电压Uout的情况，满足各种电子产品保护的需要。同时，本发明上述实施方式所提供的电路，具有响应及时、能够将负载电源2和输入电源1进行有效隔离的作用，更具体地，在负载电源2发生过流短路的情况下，能够通过第一P沟道场效应管MP1阻断输入电源1损坏保护电路及负载电源2及其所接电路，在负载电源2产生过压脉冲的情况下，能够通过第二P沟道场效应管MP2阻断过压脉冲倒灌，损坏保护电路及输入电源1。
可以理解地，在本实施方式中，保护电路设置于电路保护系统中，管理模块通过GPIO与保护电路的第一P沟道场效应管MP1电性连接，从而控制第一P沟道场效应管MP1的导通和关断，具体而言，管理模块与第一P沟道场效应管MP1的栅极电性连接，当管理模块向栅极输出高电平时，可强制关断第一P沟道场效应管MP1，进一步地，在本实施方式中，由于第一P沟道场效应管MP1与第二P沟道场效应管MP2的栅极相互连接，因此，在管理模块通过GPIO向第一P沟道场效应管MP1输出高电平时，同样能够强制关断第二P沟道场效应管。如此，本发明提供的保护电路及电路保护系统，不仅能够自动响应并断开负载电源2与输入电源1的连接，还能够通过管理模块输出高电平进行强制关断，从而实现电路的手动控制。
当然保护电路同样能够独立作用，并串接在电路中，在本发明一实施方式中，保护电路在供电电源与负载之间设置有多个，在不同负载分别出现异常工况时，能够分别控制并断开单个负载与供电电源的连接，相对于现有技术中仅在供电电源与负载之间设置有一个而言，更方便工作人员定点调试和排障。
另一方面，在本实施方式中，继续如图1，保护电路还包括第一电阻R1，第一电阻R1一端连接于输入电源1，另一端连接于比较器3的输出端。该第一电阻R1实际上为上拉电阻，当比较器3的输出端的电压Uo为高电平时，用以增大高电平值，提升驱动第一P沟道场效应管MP1和第二P沟道场效应管的能力，如此，能够使得保护电路反应更为灵敏。当然在本发明的其他实施方式中，同样存在足以上拉比较器3的输出端的电压Uo的其他电路结构设置方式。
更具体地，分压电路5包括第二电阻R2和第三电阻R3，第二电阻R2串接于第一P沟道场效应管MP1的源极、第二P沟道场效应管MP2的源极与比较器3的正相输入端之间，第三电阻R3一端接地，另一端与比较器3的正相输入端相接。通过设置定值电阻组成分压电路，更便于后续计算和实际生产组装。
在分压电路5所在支路上，实际上是通过分压电路5的分压，保证分压电路5靠近比较器3的正相输入端的电压，低于靠近第一P沟道场效应管MP1或第二P沟道场效应管MP2的电压，从而限制电流的流向，进而防止电流向输入电源倒灌，但此种方法仍存在一定风险，为了进一步提升保护电路的稳定性，分压电路5所在支路上还包括第二二极管D2，用以使电流流向比较器3的正相输入端，并且防止负载电源短路时，在第二P沟道场效应管MP2内部的寄生二极管反向截止恢复时间内，比较器3的正相输入端电压被拉低，此时由于比较器3输出低电平，第一P沟道场效应管MP1和第二P沟道场效应管MP2均正常导通，无法起到保护作用，基于此，增加二级管D2可以避免发生上述问题，进一步地，在本实施方式中，第二二极管D2的正极与第一P沟道场效应管MP1和第二P沟道场效应管MP2连接，负极与分压电路5连接，当然本发明并不局限于此种实施方式。
对于单向导通电路6而言，其包括第一二极管D1，第一二极管D1的正极与比较器3的反相输入端相接，第一二极管D1的负极与负载电源2相接。如此便足以实现单向导通电路6的功能，当然在本发明存在能够实现同样功能的其他实施方式。
基于此，本实施方式中关于负载电源2的电压Uout的取值范围可作如下推导：
首先，定义第一二极管D1具有导通压降Ud1，第二二极管D2具有导通压降Ud2，由于本实施方式中分压电路5由第二电阻R2和第三电阻R3构成，因此第一P沟道场效应管MP1与第二P沟道场效应管MP2之间的中间电压Umid与比较器3的正相输入端的电压U+的关系为：
Figure BDA0002781238280000081
当负载电源2或其所接的电路发生过流短路时，负载电源2的电压Uout低于基准电压源4的电压Uref，此时，比较器3的反相输入端电压U-以及中间电压Umid的值如下式：
U-＝Uout-Ud1；
Umid＝Uin；
此时，为了关断两个P沟道场效应管，也即使比较器3的输出端的电压Uo为高电平，令比较器3的正相输入端的电压U+大于反相输入端的电压U-，如此，便得到了关于Uout的第一不等式：
Figure BDA0002781238280000082
基于此，我们定义
Figure BDA0002781238280000083
也即当Uout<UOL时，保护电路作用并切断输入电源1对负载电源2的电源供给，当Uout>UOL时，保护电路正常导通，输入电源1为负载电源2供电。
同样地，当负载电源2或其所接电路产生过压脉冲时，负载电源2的电压Uout高于基准电压源4的电压Uref，此时，比较器3的反相输入端电压U-以及中间电压Umid的值如下式：
Umid＝Uout；
U-＝Uref；
为了防止负载电源2或其所接电路端倒灌，保护输入电源1及保护电路部分不受影响，因此仍需要对两个P沟道场效应管进行关断操作，如此便得到了关于Uout的第二不等式：
Figure BDA0002781238280000091
基于此，我们定义
Figure BDA0002781238280000092
也即当Uout>UOH时，保护电路作用并切断负载电源2与输入电源1之间的连接，防止倒灌，当Uout<UOH时，保护电路正常导通，输入电源1为负载电源2供电。
如此，即形成了该保护电路的保护窗口，也即当UOL<Uout<UOH时，保护电路内第一P沟道场效应管MP1以及第二P沟道场效应管MP2正常导通，负载电源的电压Uout在理想状况下近似等于输入电源的电源Uin，而当Uout>UOH或Uout<UOL时，保护电路内第一P沟道场效应管MP1和第二P沟道场效应管MP2关断。
此外，为了保证保护电路工作状态稳定，保护电路还包括第一电容C1和第二电容C2，其中，第一电容C1的一端与比较器3的反相输入端相连，另一端接地，第二电容C2的一端与比较器3的正相输入端相连，另一端接地。如此，能够通过电容的滤波和稳压的作用，保证比较器3能够工作在较为稳定的工况下。
相对应地，保护电路还包括第三电容C3和第四电容C4，第三电容C3的一端与输入电源1连接，另一端接地，第四电容C4的一端与负载电源2连接，另一端接地。如此，能够保证输入电源1输入的电压以及负载电源2输出的电压稳定。
由于保护电路主要作用于过流或过压等异常工况下，因此防止保护电路内部元器件损坏，也是实现保护电路循环利用的重点之一，因此保护电路还包括第四电阻R4、第五电阻R5，其中，第四电阻R4一端连接于基准电压源4，另一端连接比较器3的反相输入端，第五电阻R5一端连接于输入电源1，另一端接地。如此，在保护电路通有较大电流或施加较大电压时，能够进行限流，并通过第四电阻R4和第五电阻R5进行泄放，从而防止保护电路内部元器件损坏。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种保护电路，其特征在于，所述保护电路包括输入电源(1)、负载电源(2)、第一P沟道场效应管(MP1)、第二P沟道场效应管(MP2)、比较器(3)、基准电压源(4)、分压电路(5)和单向导通电路(6)，
所述输入电源(1)与所述第一P沟道场效应管(MP1)的漏极连接，所述负载电源(2)与所述第二P沟道场效应管(MP2)的漏极连接，
所述第一P沟道场效应管(MP1)的源极与所述第二P沟道场效应管(MP2)的源极相连后，通过所述分压电路(5)连接于所述比较器(3)的正相输入端，
所述第一P沟道场效应管(MP1)的栅极与所述第二P沟道场效应管(MP2)的栅极相连后，连接于所述比较器(3)的输出端，
所述负载电源(2)与所述基准电压源(4)相连后，连接于所述比较器(3)的反相输入端，所述负载电源(2)与所述比较器(3)的反相输入端相连的支路上，设置有所述单向导通电路(6)，所述单向导通电路(6)的电流方向由所述比较器(3)的反相输入端，指向所述负载电源(2)。
2.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述保护电路还包括第一电阻(R1)，所述第一电阻(R1)一端连接于所述输入电源(1)，另一端连接于所述比较器(3)的输出端。
3.根据权利要求2所述的保护电路，其特征在于，所述第一电阻(R1)为上拉电阻，当比较器(3)的输出端为高电平时，用以增大高电平值，提升驱动第一P沟道场效应管(MP1)和第二P沟道场效应管(MP2)的能力。
4.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述分压电路(5)包括第二电阻(R2)和第三电阻(R3)，所述第二电阻(R2)串接于所述第一P沟道场效应管(MP1)的源极、所述第二P沟道场效应管(MP2)的源极与所述比较器(3)的正相输入端之间，所述第三电阻(R3)一端接地，另一端与所述比较器(3)的正相输入端相接。
5.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述单向导通电路(6)包括第一二极管(D1)，所述第一二极管(D1)的正极与所述比较器(3)的反相输入端相接，所述第一二极管(D1)的负极与所述负载电源(2)相接。
6.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述保护电路还包括第二二极管(D2)，所述第二二极管(D2)串接于所述分压电路(5)所在支路上，用以使电流流向比较器(3)的正相输入端。
7.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述保护电路还包括第一电容(C1)和第二电容(C2)，所述第一电容(C1)的一端与所述比较器(3)的反相输入端相连，另一端接地，所述第二电容(C2)的一端与所述比较器(3)的正相输入端相连，另一端接地。
8.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述保护电路还包括第三电容(C3)和第四电容(C4)，所述第三电容(C3)的一端与所述输入电源(1)连接，另一端接地，所述第四电容(C4)的一端与所述负载电源(2)连接，另一端接地。
9.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述保护电路还包括第四电阻(R4)、第五电阻(R5)，所述第四电阻(R4)一端连接于所述基准电压源(4)，另一端连接所述比较器(3)的反相输入端，所述第五电阻(R5)一端连接于所述输入电源(1)，另一端接地。
10.一种电路保护系统，其特征在于，所述电路保护系统包括权利要求1-9任一项所述的保护电路以及管理模块，所述管理模块与所述第一P沟道场效应管(MP1)具有电性连接，用以控制所述第一P沟道场效应管(MP1)导通和关断。
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