CN112421594B - 输入防护电路和车载发电机 - Google Patents

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钱航
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Abstract

本发明涉及一种输入防护电路和车载发电机。该一种输入防护电路包括：N沟道MOS管，漏极与所述输入防护电路的电压输入端连接，源极与所述输入防护电路的电压输出端连接；升压电路，输入端与所述电压输入端连接，所述升压电路用于将所述升压电路的输入端输入的电压升压成目标电压，并通过升压电路的输出端输出；电压调节电路，与所述升压电路的输出端和N沟道MOS管的栅极连接，用于将所述栅极的电压调节为预设值和目标电压中的较小值。通过升压电路和电压调节电路结合来驱动NMOS管，在电压输入端输入的电压较高时，能够将电压输出端(即NMOS管源极)的电压稳定在“预设值‑Vgs”(Vgs为NMOS管的栅源电压)，保护所述输入防护电路连接的电子设备。

Description

输入防护电路和车载发电机
技术领域
本发明涉及汽车电子技术领域，特别是涉及一种输入防护电路和车载发电机。
背景技术
车载电子设备，例如汽车信息系统(即行车电脑)、导航系统、汽车音响与影视娱乐系统、车载通信系统及上网设备等，这些都是接到一个电源上的，而这些车载电子设备的电源一般是是车载电池或是发电机，车载电池或发电机的输出电压会因为汽车复杂的工作环境而受到波动，另一方面，使用电机、电磁阀、燃油喷射等负载的汽车系统会把尖峰噪声和几种瞬态浪涌电压引入到电源线或信号中。其中，在车辆供电环境中的瞬态过压现象中，对电子设备危害最大的就是抛负载瞬态过压现象，例如抛负载电压最大可达到174V，会造成电路无法正常工作，严重者会造成车载电子设备或车载电源损坏。
发明内容
基于此，有必要提供一种可以解决车载电子设备的抛负载瞬态过压问题的输入防护电路和车载发电机。
本发明提供了一种输入防护电路，包括：
N沟道MOS管，漏极与所述输入防护电路的电压输入端连接，源极与所述输入防护电路的电压输出端连接；
升压电路，输入端与所述电压输入端连接，所述升压电路用于将所述升压电路的输入端输入的电压升压成目标电压，并通过升压电路的输出端输出；
电压调节电路，与所述升压电路的输出端和N沟道MOS管的栅极连接，用于将所述栅极的电压调节为预设值和目标电压中的较小值。
在其中一个实施例中，所述输入防护电路用于对车载电子设备进行输入防护。
在其中一个实施例中，所述输入防护电路还包括稳压管D4，所述稳压管D4的负极连接所述栅极，所述稳压管D4的正极连接所述源极。
在其中一个实施例中，所述电压调节电路包括稳压管D1，所述稳压管D1的负极连接所述升压电路的输出端和所述栅极的连接点，所述稳压管D1的正极接地，所述预设值为稳压管D1的稳压值。
在其中一个实施例中，所述升压电路包括倍压电路，所述倍压电路的一端与所述电压输入端连接，另一端连接所述电压调节电路和栅极的连接点。
在其中一个实施例中，所述输入防护电路还包括接于所述倍压电路与所述栅极之间的电阻R1。
在其中一个实施例中，所述倍压电路包括二极管D2、二极管D3、电容C1、电容C2及开关管；
所述开关管包括第一端、第二端和控制端，所述第二端接地，所述第一端连接所述电压输入端及所述电容C1的一端，所述电容C1的另一端连接所述二极管D2的负极，所述二极管D3的正极连接所述电容C1和所述二极管D2的连接点，所述二极管D3的负极连接所述升压电路的输出端，所述电容C2的一端接地、另一端连接所述二极管D3的负极。
在其中一个实施例中，所述开关管为NPN型三极管，所述第一端为集电极、第二端为发射极、控制端为基极，所述基极用于输入方波信号。
在其中一个实施例中，所述倍压电路还包括电阻R2、电阻R3，所述电阻R2接于所述第一端和电容C1的连接点与所述电压输入端之间，所述电阻R3接于所述电压输入端与所述二极管D2之间。
此外，本发明还提供了一种车载发电机，包括上述的输入防护电路。
上述输入防护电路，通过升压电路和电压调节电路结合来驱动NMOS管，升压电路能够在电压输入端输入的电压较低时保证NMOS管导通；而电压调节电路能够在电压输入端输入的电压较高时，使得NMOS管的栅极电压为所述预设值，因此能够将电压输出端(即NMOS管源极)的电压稳定在“预设值-Vgs”(Vgs为NMOS管的栅源电压)。并且NMOS管能够承受使用条件的瞬间高电压下的瞬间功率，保护所述输入防护电路连接的电子设备。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一实施例的输入防护电路的结构示意图；
图2为另一实施例的输入防护电路的结构示意图；
图3为一实施例的倍压电路的电路图；
图4为一实施例的输入防护电路的电路图。
附图标号说明：
N沟道MOS管：110；升压电路：120；电压调节电路：130；输入防护电路的电压输入端：101；输入防护电路的电压输出端：102。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。
可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
车载电子设备，例如汽车信息系统(即行车电脑)、导航系统、汽车音响与影视娱乐系统、车载通信系统及上网设备等，都是接到一个电源上的，而这些车载电子设备的电源一般是是车载电池或是发电机，车载电池或发电机的输出电压会因为汽车复杂的工作环境而受到波动。另一方面，使用电机、电磁阀、燃油喷射等负载的汽车系统会把尖峰噪声和几种瞬态浪涌电压引入到电源线或信号中。其中，在车辆供电环境中的瞬态过压现象中，对电子设备危害最大的就是抛负载瞬态过压现象，例如抛负载电压最大可达到174V，会造成电路无法正常工作，严重者会造成车载电子设备或车载电源损坏。
基于上述原因，本发明提供了一种输入防护电路。请参阅图1，输入防护电路包括N沟道MOS管110、升压电路120、电压调节电路130、输入防护电路的电压输入端101、输入防护电路的电压输出端102，其中，N沟道MOS管110的漏极与所述输入防护电路的电压输入端101连接，N沟道MOS管110的源极与所述输入防护电路的电压输出端102连接。升压电路120的输入端与所述电压输入端101连接，所述升压电路120用于将所述升压电路120的输入端输入的电压升压成目标电压，并通过升压电路120的输出端输出。电压调节电路130与所述升压电路120的输出端和N沟道MOS管110的栅极连接，用于将所述栅极的电压调节为预设值和目标电压中的较小值。
上述输入防护电路，通过升压电路120和电压调节电路130结合来驱动NMOS管，升压电路120能够在电压输入端输入的电压较低时保证NMOS管导通；而电压调节电路130能够在电压输入端输入的电压较高时，使得NMOS管的栅极电压为所述预设值，因此能够将电压输出端102(即NMOS管源极)的电压稳定在“预设值-Vgs”(Vgs为NMOS管的栅源电压)。并且NMOS管能够承受使用条件的瞬间高电压下的瞬间功率，保护所述输入防护电路连接的电子设备。
在其中一个实施例中，所述输入防护电路用于对车载电子设备进行输入防护，具体地，汽车电气系统主要可以分为发电机、蓄电池和车载电子设备，当发电机的负载突然断开时，发电机内部的定子绕组会产生一个瞬态脉冲高压且励磁绕组也会产生一个瞬态高压，定子绕组产生的瞬态脉冲高压和励磁绕组产生的瞬态高压组成了抛负载瞬态电压。抛负载瞬态高压可达到174V，很容易超过车载电子设备的额定电压，因此需要设计一个电路防止抛负载瞬态过压现象对车载电子设备的损害。
请参阅图2，图2为本申请一实施例中的输入防护电路。电压调节电路130包括稳压管D1，所述稳压管D1的负极连接所述升压电路120的输出端和所述栅极的连接点，所述稳压管D1的正极接地，所述预设值为稳压管D1的稳压值。
具体地，若升压电路120输出端的电压大于稳压管D1的稳压值，稳压管D1则将稳压管负极端的电压调整为稳压管D1的稳压值，从而使得N沟道MOS管110的栅极电压Vg调整为稳压管D1的稳压值；若升压电路120输出端的电压小于稳压管D1的稳压值，小于稳压管D1的工作电压，因此稳压管不导通，升压电路120的输出端直接与N沟道MOS管110的栅极连接，N沟道MOS管110的栅极电压Vg为升压电路120输出端的电压。在可选的实施例中，稳压管D1的稳压值可以为输入防护电路输出端102的电压Vout与Vgs(Vgs为NMOS管的栅源电压)之和，其中，输入防护电路输出端的电压即为与输入防护电路连接的负载所需的工作电压，继而在抛负载瞬态过压时也可以保证输入防护电路输出的电压可以使与输入防护电路连接的负载正常工作。
在其中一个实施例中，参阅图2，输入防护电路还包括稳压管D4，所述稳压管D4的负极连接所述栅极，所述稳压管D4的正极连接所述源极。具体地，稳压管D4的作用是为了防止N沟道MOS管110的栅极和源极过压击穿，保护N沟道MOS管110的栅极和源极。
请参阅图2，在其中一个实施例中，所述升压电路120包括倍压电路，所述倍压电路的一端与所述电压输入端连接，另一端连接所述电压调节电路130和栅极的连接点。具体地，当输入防护电路的输入端电压过低时，经过倍压电路时电压会变为原输入电压的2倍，进而能够保证N沟道MOS管110正常导通，也能保证输入防护电路输出的电压可以使与之连接的负载正常工作。
在其中一个实施例中，输入防护电路还包括接于所述倍压电路与所述栅极之间的电阻R1。当电源反接的时候,电阻R1可以保护D1,D4,NMOS不被烧毁。
请参阅图3，在其中一个实施例中，所述倍压电路包括二极管D2、二极管D3、电容C1、电容C2及开关管；所述开关管包括第一端、第二端和控制端，所述第二端接地，所述第一端连接所述电压输入端及所述电容C1的一端，所述电容C1的另一端连接所述二极管D2的负极，所述二极管D3的正极连接所述电容C1和所述二极管D2的连接点，所述二极管D3的负极连接所述升压电路120的输出端，所述电容C2的一端接地、另一端连接所述二极管D3的负极。
在其中一个实施例中，所述开关管为NPN型三极管，所述第一端为集电极、第二端为发射极、控制端为基极，所述基极用于输入方波信号。在其中一个实施例中，所述倍压电路还包括电阻R2、电阻R3，所述电阻R2接于所述第一端和电容C1的连接点与所述电压输入端之间，所述电阻R3接于所述电压输入端与所述二极管D2之间。
具体地，当方波信号为高电平时，三极管导通，电容C1与三极管连接处电压为0，电压输入端通过R3、D2给电容C1充电，C1上端电压为Vin-Vf。当方波信号为低电平时，三极管关断，电容C1与三极管连接处电压为Vin，由于电容电压不能突变，因此电容C1上端电压为Vin-Vf+Vin，此时电容C1经由二极管D3给电容C2充电，电容C2上端电压为Vin-Vf+Vin-Vf＝2*(Vin-Vf)，由于二极管D2、D3的存在，电容C1只能由电源充电和放电至电容C2，电容C2只能由电容C1充电，因此，电容C2上端电压可以维持2*(Vin-Vf)，由于电容C2会向R1、NMOS管放电，所以需要方波持续工作给电容C2充电，在此电路中，电阻R1和NMOS管放电极慢，当电阻R2、R3选择阻值较大的电阻，会使得升压电路的静态功耗较低。
二极管D2、二极管D3的压降均为Vf，在三极管的基极输入一方波信号，驱动倍压电路运行，使得倍压电路输出的电压等于2*Vin-2*Vf，进而能够保证输入防护电路的输出端电压Vout为Vg-Vgs。因为Vg的电压需要电阻R3经由D2、D3给C2充电，因此启动时Vg的电压是需要上升时间的，而输入防护电路输出端的电压Vout是跟随Vg上升而上升的，因此使用此倍压电路可以实现软起动。可选的，该方波信号可以由多种方式生成，包括但不限于直流稳压电源(DCDC)的SW信号，自震荡电路。
在可选的实施例中，在不输入方波信号驱动时，也能够保证倍压电路输出的电压为Vin-2*Vf，但是会增加额外功耗，且在输入防护电路输入电压Vin较低时，此时倍压电路不工作，因此二极管的额外压降可能会使得电路无法正常工作。因此考虑到在输入防护电路输入低压时，电路也能正常工作建议输入方波信号。其中N沟道MOS管110的栅极电压Vg为倍压电路输出端的电压、稳压管D1稳压值二者之间的较小值。
此外，此倍压电路不能作为通常的倍压电路使用，因为其驱动能力偏低，但可以用来驱动MOS管，因为MOS管的驱动电流小于1μA，因此使用此倍压电路驱动N沟道MOS管110可以使其正常工作。在可选的实施例中，适当调整R2、R3阻值参数可以使得静态电流小于5μA，可以增加车载电池的耐久度，因为若倍压电路所连接的系统有休眠要求，就会要求静态电流的值必须很小,否则此电路长时间工作会造成车载电池亏电，进而整个电路无法正常工作。
请参阅图4，图4为一实施例的输入防护电路的电路图。输入防护电路包括N沟道MOS管110、升压电路120、稳压管D4、电压调节电路130、输入防护电路的电压输入端101、输入防护电路的电压输出端102，其中，电压调节电路130包括稳压管D1，升压电路120包括二极管D2、电容C1、NPN型三极管、电阻R2、电阻R3、二极管D3及电容C2。各元件的连接关系图1-图4中已经介绍过，不再重复介绍。
上述输入防护电路尤其适用于车载电源。本申请使用该输入防护电路代替TVS管保护车载电子设备，在降低瞬间高压的同时，也需要承受瞬间高压带来的瞬间功率。与TVS管对比，假设输入瞬间电压174V，内阻1欧姆，TVS管和稳压管D1的稳压值为36V。在降低瞬间高压时，单独使用TVS管需要承受瞬间电流为(174V-36V)/1Ω＝138A，瞬间功率为36V*138A＝4968W；而采用本申请中的输入防护电路，NMOS管需要承受的瞬间电压小于138V(174V-36V)，其需要承受的瞬间功率为138V*负载电流。故当负载电流小于36A时，NMOS管承受功率小于TVS管，而通常电路的负载电流小于1A，因此，在降低抛负载造成的瞬态高压时，NMOS管需要承受功率远远小于TVS管承受的，因此，此输入防护电路可以应用于汽车复杂的工作环境。而且NMOS管的封装尺寸也比较小，可以节省空间。
本申请中的输入防护电路的器件静态功耗极低，器件成本低，且使用倍压电路和稳压管结合驱动NMOS管，实现了软启动功能，且倍压电路能够在电压输入端输入的电压较低时保证NMOS管导通；而稳压管能够在电压输入端输入的电压较高时，使得NMOS管的栅极电压为稳压值，因此能够将电压输出端(即NMOS管源极)的电压稳定在“稳压值-Vgs”(Vgs为NMOS管的栅源电压)。并且NMOS管在吸收瞬间高压的同时，能够承受使用条件的瞬间高电压下的瞬间功率，保护所述输入防护电路连接的电子设备。
此外，本发明还提供了一种车载发电机，包括上述的输入防护电路。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种输入防护电路，其特征在于，包括：
N沟道MOS管，漏极与所述输入防护电路的电压输入端连接，源极与所述输入防护电路的电压输出端连接；
升压电路，输入端与所述电压输入端连接，所述升压电路用于将所述升压电路的输入端输入的电压升压成目标电压，并通过升压电路的输出端输出；
电压调节电路，与所述升压电路的输出端和N沟道MOS管的栅极连接，用于将所述栅极的电压调节为预设值和目标电压中的较小值；
其中，所述升压电路包括倍压电路，所述倍压电路的一端与所述电压输入端连接，另一端连接所述电压调节电路和栅极的连接点，所述倍压电路包括二极管D2、二极管D3、电容C1、电容C2及开关管，所述开关管包括第一端、第二端和控制端，所述第二端接地，所述第一端连接所述电压输入端及所述电容C1的一端，所述电容C1的另一端连接所述二极管D2的负极，所述二极管D2的正极连接所述电压输入端，所述二极管D3的正极连接所述电容C1和所述二极管D2的连接点，所述二极管D3的负极连接所述升压电路的输出端，所述电容C2的一端接地、另一端连接所述二极管D3的负极。
2.根据权利要求1所述的输入防护电路，其特征在于，用于对车载电子设备进行输入防护。
3.根据权利要求1所述的输入防护电路，其特征在于，还包括稳压管D4，所述稳压管D4的负极连接所述栅极，所述稳压管D4的正极连接所述源极。
4.根据权利要求1所述的输入防护电路，其特征在于，所述电压调节电路包括稳压管D1，所述稳压管D1的负极连接所述升压电路的输出端和所述栅极的连接点，所述稳压管D1的正极接地，所述预设值为稳压管D1的稳压值。
5.根据权利要求4所述的输入防护电路，其特征在于，当所述升压电路的输出端的电压大于所述稳压管D1的稳压值时，调节所述稳压管D1的负极端的电压为所述稳压管D1的稳压值。
6.根据权利要求1所述的输入防护电路，其特征在于，还包括接于所述倍压电路与所述栅极之间的电阻R1。
7.根据权利要求1所述的输入防护电路，其特征在于，所述开关管为NPN型三极管，所述第一端为集电极、第二端为发射极、控制端为基极，所述基极用于输入方波信号。
8.根据权利要求1所述的输入防护电路，其特征在于，所述倍压电路还包括电阻R2、电阻R3，所述电阻R2接于所述第一端和电容C1的连接点与所述电压输入端之间，所述电阻R3接于所述电压输入端与所述二极管D2之间。
9.一种车载发电机，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的输入防护电路。
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