CN113315362B - 一种快速响应阻抗切换的保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种快速响应阻抗切换的保护电路，包括保护电路一、保护电路二、功率开关、切换电路；所述功率开关的一端连接前级功率源，另一端连接负载；所述切换电路的输入分别连接保护电路一、保护电路二，切换电路的输出连接于功率开关的控制输入端；所述保护电路一、保护电路二分别用于检测功率开关的电流，并经切换电路控制功率开关的电流；当保护电路二动作时，切换电路用于强制将功率开关的控制权切换到保护电路二上。本发明能对非瞬时负载变化和瞬时负载变化下的功率开关进行保护，既能在异常状态快速反应进行保护，同时又仍旧维持一定的负载驱动能力，从而兼具智能化和高可靠性的优点。

Description

一种快速响应阻抗切换的保护电路

技术领域

本发明涉及功率开关技术领域，尤其涉及一种快速响应阻抗切换的保护电路。

背景技术

随着很多消费类设备的微型化，更多的功能模组被封装限制在一个更小体积的空间内，因此对内置的功率开关的可靠性要求越来越高。既要能满足负载和功率要求，又要使功率开关在异常情况下不能过载损坏，这对功率开关的集成化和其保护功能的智能化提出越来越高的要求。

要求功率开关在正常状态下能维持较小的导通阻抗，具有足够的负载驱动能力，又具有非常低的开关功率损耗。但在负载比较重时，由于较低的导通阻抗，功率开关的电流过大，可能会导致功率开关累积过热而损坏。对于瞬时较大的剧烈负载变化的异常状态，则有可能会造成功率开关立刻过载损坏，或者使功率开关的前级功率源立刻过载而导致整个系统失控。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速响应阻抗切换的保护电路，能对非瞬时负载变化和瞬时负载变化下的功率开关进行保护，既能在异常状态快速反应进行保护，同时又仍旧维持一定的负载驱动能力，从而兼具智能化和高可靠性的优点。

为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种快速响应阻抗切换的保护电路，包括保护电路一、保护电路二、功率开关、切换电路；所述功率开关的一端连接前级功率源，另一端连接负载；所述切换电路的输入分别连接保护电路一、保护电路二，切换电路的输出连接于功率开关的控制输入端；所述保护电路一、保护电路二分别用于检测功率开关的电流，并经切换电路控制功率开关的电流；当保护电路二动作时，切换电路用于强制将功率开关的控制权切换到保护电路二上。

较佳地，当保护电路二动作时，功率开关经保护电路二和切换电路驱动以瞬时增加到某一设定的导通电阻值，从而使功率开关的电流降低，但功率开关又不会完全关闭。

较佳地，所述保护电路二对应的功率开关检测电流门限高于保护电路一对应的功率开关检测电流门限。

较佳地，所述保护电路一的精度高于保护电路二，但保护电路二的速度大于保护电路一。

较佳地，所述保护电路一包括电流检测电路一、电流比较电路一、基准参考电流一、保护执行电路一；所述电流检测电路一的输入连接于功率开关，输出连接于电流比较电路一的其中一个输入；所述电流比较电路一的另一个输入连接于基准参考电流一；所述电流比较电路一、保护执行电路一的输出分别连接于切换电路的输入。

较佳地，所述保护执行电路一用于控制功率开关增大导通电阻，以将功率开关的电流下拉至保护电路一的电流保护点以内。

较佳地，所述保护电路二包括电流检测电路二、电流比较电路二、基准参考电流二、保护执行电路二；所述电流检测电路二的输入连接于功率开关，输出连接于电流比较电路二的其中一个输入；所述电流比较电路二的另一个输入连接于基准参考电流二；所述电流比较电路二、保护执行电路二的输出分别连接于切换电路的输入。

采用上述方案，本发明的有益效果是：

对于非瞬时的负载变化可以通过对功率开关的电流进行限制，不要超过保护电路一的电流保护点进行保护；而对于瞬时较大负载变化的异常状态，通过保护电路二能实现快速反应强制将功率开关瞬时切换到一个较大导通电阻的状态，降低功率开关的损耗，保护功率开关不被损坏，同时又不会将功率开关完全关闭而仍旧保持导通状态，具有智能化、高可靠性的优点。

附图说明

图1为本发明的原理性框图；

图2为本发明的一具体实施例电路图；

其中，附图标识说明：

1—功率开关， 2—切换电路，

3—电流检测电路一， 4—电流比较电路一，

5—基准参考电流一， 6—保护执行电路一，

7—电流检测电路二， 8—电流比较电路二，

9—基准参考电流二， 10—保护执行电路二。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

参照图1所示，本发明提供一种快速响应阻抗切换的保护电路，包括保护电路一、保护电路二、功率开关1、切换电路2；所述功率开关1的一端连接前级功率源，另一端连接负载；所述切换电路2的输入分别连接保护电路一、保护电路二，切换电路2的输出连接于功率开关1的控制输入端；所述保护电路一、保护电路二分别用于检测功率开关1的电流，并经切换电路2控制功率开关1的电流；当保护电路二动作时，切换电路2用于强制将功率开关1的控制权切换到保护电路二上。

本发明针对非瞬时负载变化和瞬时大负载变化，集成两路具有不同电流检测精度和反应速度的保护电路来实现，在正常状态下能维持较小的导通电阻，具有足够的负载驱动能力，又具有非常低的开关功率1损耗；对于非瞬时的负载变化可以通过对功率开关1的电流进行限制，不要超过保护电路一的电流保护点进行保护，这个过程反应速度会稍慢但电流控制精度较高；而对于瞬时较大负载变化的异常状态，该保护电路能实现快速反应将功率开关1瞬时切换到一个较大导通电阻的状态，降低功率开关1的损耗，保护其不被损坏，这个过程不需要较高的电流控制精度但反应迅速，同时又不会将功率开关1完全关闭而仍旧保持导通状态。

所述保护电路一包括电流检测电路一3、电流比较电路一4、基准参考电流一5、保护执行电路一6；所述电流检测电路一3的输入连接于功率开关1，输出连接于电流比较电路一4的其中一个输入；所述电流比较电路一4的另一个输入连接于基准参考电流一5；所述电流比较电路一4、保护执行电路一6的输出分别连接于切换电路2的输入。

所述保护电路二包括电流检测电路二7、电流比较电路二8、基准参考电流二9、保护执行电路二10；所述电流检测电路二7的输入连接于功率开关1，输出连接于电流比较电路二8的其中一个输入；所述电流比较电路二8的另一个输入连接于基准参考电流二9；所述电流比较电路二8、保护执行电路二10的输出分别连接于切换电路2的输入。

保护电路一组合构成一个精度较高但速度稍低的保护电路；保护电路二组合构成一个精度稍低但快速反应的保护电路。

电流检测电路一3的检测精度比较高，但检测速度相对偏低；电流检测电路二7的检测速度非常快，但检测精度相对偏低；电流比较电路一4具有较高的比较精度和控制精度但反应速度相对偏慢，电流比较电路二8具有极快的比较速度和控制速度。也就是说，在本发明中电流检测电路一3的检测精度高于电流检测电路二7，但电流检测电路二7的检测速度大于电流检测电路一3；电流比较电路一4的比较精度和控制精度高于电流比较电路二8，但电流比较电路二8的比较速度和控制速度大于电流比较电路一4。

保护电路二的优先级高于保护电路一，当保护电路二动作时，切换电路2强制将功率开关1的控制权切换到保护电路二上，并且强制将功率开关1立刻切换到一个较大的导通电阻状态，同时又不会将功率开关1完全关闭而仍旧保持导通状态，这个状态由保护执行电路二来10实现。在保护电路二没有动作的一般状态时，切换电路2只响应保护电路一的动作，从而保护功率开关1不被损坏，同时又保留一定的负载驱动能力。

综上，本发明既能使功率开关1在正常状态维持较低的导通电阻，又能在异常状态快速反应进行保护，同时又仍旧维持一定的负载驱动能力，实现低导通电阻、高控制电流精度和快速反应的保护速度，从而兼具智能化和高可靠性的优点。

本发明的一具体实施例如图2所示。一般情况下，电流检测电路和电流比较电路的精度与速度难以同时兼顾，这两个电路在考虑精度和速度时，从实际需求及电路成本出发，选择出性价比高的电路。

在此实施例中，Isw为流过功率开关Msw0的电流，Is1为由电流检测电路一3得到的功率开关1电流的检测电流，其检测比例为Is1：Isw＝1:20000；Ir1为基准参考电流一5产生的基准电流。假设Ir1＝100μA，由此可以得出保护电路一对于功率开关Msw0的电流保护点在Iprt1＝Ir1*Isw/Is1＝100μA*20000/1＝2A。本发明的电流检测电路一3和电流比较电路一4的精度需要选择相对较高的，可以选择控制Iprt1的精度到10％以内，但检测反应时间较慢达到50μS左右，以此设计的电流检测电路一3和电流比较电路一4性价比较高。

在该实施例中，电流比较电路一4和保护执行电路一6采用控制电路或者控制逻辑、或者控制模块，需要实现比较及误差放大功能，图2中对电流比较电路一4和保护执行电路一6做了简化示意。

在此实施例中，Is2为由电流检测电路二7得到的功率开关1电流的检测电流，其检测比例为Is2：Isw＝1:30000；Ir2为基准参考电流二9产生的基准电流，假设Ir2＝100μA，由此可以得出保护电路二对于功率开关Msw0的电流保护点在Iprt2＝Ir2*Isw/Is2＝100μA*30000/1＝3A。本发明的电流检测电路二7和电流比较电路二8的精度要求相对不高，可以选择控制Iprt2的精度到40％以内，但其检测反应时间要求比较快，达到5μS以内，以此设计的电流检测电路二7和电流比较电路二8性价比较高。

在该实施例中，电流比较电路二8可以采用比较器+外围电路组成，图2中对电流比较电路二8做了简化示意。

同时，电流检测电路一3与电流检测电路二7在图2中也只是做了简化示意，在此不做电路的具体限定，只要可以满足电流检测电路一3的检测精度大于电流检测电路二7，但电流检测电路二7的检测速度大于电流检测电路一3即可。

基准参考电流一5和基准参考电流二9分别为保护电路一和保护电路二提供基准参考电流，保护电路二对应的功率开关1检测电流门限高于保护电路一对应的功率开关1检测电流门限，即基准参考电流二9对应的功率开关1检测电流保护门限Iprt2会高于基准参考电流一5对应的功率开关1检测电流保护门限Iprt1，由上述实施例可以得到Iprt2＝3A高于Iprt1＝2A。切换电路2包括开关sw1和开关sw2，开关sw1连接保护电路一，开关sw2连接保护电路二，开关sw1和开关sw2的导通控制端电平相反，分别为低电平和高电平控制导通。

在上述实施例中，功率开关1的电流超过保护电路一的电流保护点2A之后，若功率开关1的电流从2A变化至3A的过程时间达到50μS及以上，则判定为非瞬时的负载变化，触发保护电路一启动；若功率开关1的电流从2A变化至3A的过程时间少于50μS，则判定为瞬时大负载变化，此时触发保护电路二启动。

所述保护执行电路一6用于控制功率开关1增大导通电阻，以将功率开关1的电流下拉至保护电路一的电流保护点以内。对于非瞬时的负载变化，通过保护电路一的保护执行电路一6对功率开关1的电流进行限制，不要超过保护电路一的电流保护点进行保护，在上述实施例中，保护电路一的电流保护点为2A。

当保护电路二动作时，功率开关1经保护执行电路二10和切换电路2驱动以瞬时增加到某一设定的导通电阻值，从而使功率开关1的电流降低，但功率开关1又不会完全关闭。这个状态由保护执行电路二10来实现，此处需要瞬间(立刻)切换功率开关1的导通电阻实现，通常设定的该导通电阻值(固定值)，可以使功率开关1的电流下拉至保护电路一的电流保护点2A以内。

假设在某一瞬时(瞬时大负载变化)，功率开关1突然流过3.5A电流时，同时超过了保护电路一和保护电路二的电流检测保护门限，但由于保护电路二的反应时间只有5μS，速度更快，会在保护电路一完全反应之前，已经检测到功率开关1的电流过大，因此使得在保护电路二动作时，切换电路2强制将功率开关1的控制权切换到保护电路二上，由保护执行电路二10来控制功率开关。保护执行电路二10包括MOS管Mb1、电压缓冲器buf、电流源I1，MOS管Mb1的漏极连接电流源I1，电压缓冲器buf的输入端连接MOS管Mb1与电流源I1的公共连接端，电压缓冲器buf的输出端连接切换电路2的开关sw2。保护执行电路二10通过偏置电流Ib1和MOS管Mb1得到一个钳位电压Vclp，通过电压缓冲器buf和开关sw2驱动功率开关Msw0减小其栅源极电压，从而增大其导通电阻且又维持导通状态，实现保护功率开关1不被损坏，同时又保留一定的负载驱动能力。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种快速响应阻抗切换的保护电路，其特征在于，包括保护电路一、保护电路二、功率开关以及切换电路；所述功率开关的一端连接前级功率源，另一端连接负载；所述切换电路的输入分别连接保护电路一、保护电路二，切换电路的输出连接于功率开关的控制输入端；所述保护电路一、保护电路二分别用于检测功率开关的电流，并经切换电路控制功率开关的电流；

当保护电路二动作时，功率开关经保护电路二和切换电路驱动以瞬时增加到某一设定的导通电阻值，从而使功率开关的电流降低，但功率开关又不会完全关闭；

所述保护电路二包括电流检测电路二、电流比较电路二、基准参考电流二以及保护执行电路二；所述电流检测电路二的输入连接于功率开关，输出连接于电流比较电路二的其中一个输入；所述电流比较电路二的另一个输入连接于基准参考电流二；所述电流比较电路二、保护执行电路二的输出分别连接于切换电路的输入；

所述保护执行电路二包括MOS管Mb1、电压缓冲器buf、电流源I1，所述MOS管Mb1的漏极连接电流源I1，所述MOS管Mb1的源极连接至电源端，所述MOS管Mb1的栅极连接至MOS管Mb1的漏极与电流源I1的公共连接端，所述电压缓冲器buf的输入端连接MOS管Mb1与电流源I1的公共连接端，所述电压缓冲器buf的输出端连接切换电路；所述保护执行电路二通过电流源I1的偏置电流Ib1和MOS管Mb1得到一个钳位电压Vclp，并通过电压缓冲器buf和切换电路驱动功率开关减小其栅源极电压，从而增大其导通电阻且又维持导通状态；所述保护电路二对应的功率开关检测电流门限高于保护电路一对应的功率开关检测电流门限；所述保护电路一的精度高于保护电路二，但保护电路二的速度大于保护电路一。

2.根据权利要求1所述的快速响应阻抗切换的保护电路，其特征在于，所述保护电路一包括电流检测电路一、电流比较电路一、基准参考电流一以及保护执行电路一；所述电流检测电路一的输入连接于功率开关，输出连接于电流比较电路一的其中一个输入；所述电流比较电路一的另一个输入连接于基准参考电流一；所述电流比较电路一、保护执行电路一的输出分别连接于切换电路的输入。

3.根据权利要求2所述的快速响应阻抗切换的保护电路，其特征在于，所述保护执行电路一用于控制功率开关增大导通电阻，以将功率开关的电流下拉至保护电路一的电流保护点以内。

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