CN113595029B - 输入输出保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种输入输出保护电路，包括：分别具有三个电极的第一开关器件和第二开关器件，第一开关器件的第三电极与第二开关器件的第一电极相连，第一开关器件的第一电极与第二开关器件的第三电极之间设有反馈电路；第二开关器件的第三电极通过一防倒灌电路连接至电源，第一开关器件的第三电极通过一系统电阻连接至电源；第一开关器件的第一电极和第二电极之间连接一偏置电阻，输入端通过一限流电阻连接至第一开关器件的第一电极；第二开关器件的第三电极与第二电极之间设置一关断电压，关断电压基于偏置电阻、限流电阻以及反馈电路进行确定。本发明解决了现有技术中由于电路输出端发生异常而造成电路器件损害且占用较多PCB板面积的问题。
Description
技术领域
本发明涉及保护电路的技术领域，尤其涉及一种输入输出保护电路。
背景技术
在电路设计中经常会涉及到板间或模块间的通讯线路保护问题。比如，若接入电路的线缆意外短路到电源线或短路到地线，则如何保护电路不会损坏是电路设计过程中需要考虑的问题。
为解决该技术问题，通常会设计一个保护电路，用于隔离外界异常与电路板上的核心器件。但是如果异常电压比较高，则通常电路中起到保护作用的器件体积会比较大，如此，占用PCB板的面积较大而造成PCB板上面积的浪费。并且随着PCB板上设计的保护电路越多，由此，占用PCB板的面积越大，从而造成PCB板上面积浪费的现象愈发严重。
有鉴于此，有必要对现有技术中的电路保护方案予以改进，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于揭示一种输入输出保护电路，解决现有技术中由于电路输出端发生异常而造成电路器件损害且占用较多PCB板面积的问题。
为实现上述目的之一，本发明提供了一种输入输出保护电路，包括：
分别具有三个电极的第一开关器件和第二开关器件，其中，第一开关器件的第三电极与第二开关器件的第一电极相连，且第一开关器件的第一电极与第二开关器件的第三电极之间设有反馈电路；
第二开关器件的第三电极通过一防倒灌电路连接至电源，第一开关器件的第三电极通过一系统电阻R1连接至所述电源；
第一开关器件的第一电极和第二电极之间连接一偏置电阻R2，输入端通过一限流电阻R3连接至第一开关器件的第一电极；
其中，第二开关器件的第三电极与第二电极之间设置一关断电压，且所述关断电压基于所述偏置电阻R2、所述限流电阻R3以及反馈电路进行确定。
作为本发明的进一步改进，所述反馈电路由反馈电阻R5构成，所述防倒灌电路由限流电阻R4和防倒灌二极管D1构成，防倒灌二极管的阴极与第二开关器件的第三电极相连。
作为本发明的进一步改进，所述偏置电阻R2、所述限流电阻R3、所述反馈电阻R5及关断电压UOC满足如下公式：
R5＞(Umax-UA12)2/P0，/>
其中，UB32为第二开关器件的第三电极与第二电极之间的电压，IB32为输出端的最大输出电流，Umax为输出端异常时的最高电压，UA12为第一开关器件的第一电极与第二电极之间的电压，P0为反馈电阻的预设功率，IA12为第一开关器件处于饱和导通状态时流过其第一电极的电流，Ui为输入端的输入电压，Vcc为电源电压，UD1为防倒灌二极管的导通电压。
作为本发明的进一步改进，所述反馈电路由比较器构成。
作为本发明的进一步改进，所述输出端未发生异常时，输出端的电平与输入端的电平趋于一致。
作为本发明的进一步改进，在所述输出端发生异常时，若输出端的异常电压低于关断电压，则第二开关器件在输入端为高电平时处于关闭状态或在输入端为低电平时处于打开状态；
若输出端的异常电压高于或等于关断电压，则第二开关器件处于关闭状态，其中，第二开关器件处于关闭状态时所述输出端的异常电压作用于第二开关器件的第二电极与第三电极之间。
作为本发明的进一步改进，所述输出端发生异常为输出端故障短路。
作为本发明的进一步改进，所述第二开关器件的第二电极和第三电极之间并联一浪涌保护电路。
作为本发明的进一步改进，所述第一开关器件和所述第二开关器件均配置为三极管，且第一开关器件和第二开关器件的三个电极分别为基极、发射极、集电极。
作为本发明的进一步改进，所述第一开关器件和所述第二开关器件均配置为场效应管，且第一开关器件和第二开关器件的三个电极分别为栅极、源极、漏极。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的输入输出保护电路根据第一开关器件的第一电极和第二电极之间的偏置电阻R2、输入端与第一开关器件的第一电极之间的限流电阻R3、以及第一开关器件和第一电极与第二开关器件的第三电极之间设置的反馈电路在输出端(即第二开关器件的第三电极与第二电极之间)设置关断电压，以通过关断电压的设置在输出端发生异常产生高电压时将第二开关器件的功率限制在较小范围内，因此，本发明不仅能够使输入输出保护电路占用连接至其输入端的电路或设备的PCB面积较小，而且能够避免由于输出端异常高电压造成第二开关器件的功率过大而损坏，甚至对连接至输入端的电路或设备造成损坏的问题发生。由此，本发明解决了现有技术中由于电路输出端发生异常而造成电路器件损害且占用较多PCB板面积的问题。
附图说明
图1为本发明一个实施例的输入输出保护系统的示意性结构框图；
图2为本发明一个实施例的输入输出保护电路的示意性电路图；
图3为本发明一个实施例的输入输出保护电路的示意性电路原理图；
图4为输入输出保护电路工作在100KHz方波输入信号及输出端接入100pF、10KΩ负载情况下的输出波形图；
图5为第二开关器件在输出端由于故障接入高电压时的功率与关断电压之间的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
如图1所示，本实施例提供一种输入输出保护系统，其包括：输入输出保护电路100；输入输出保护电路100输入端(即Input端)连接的控制单元200(即PCB板上的内部电路，如MCU等需要输出数字信息的芯片)；以及，输入输出保护电路100输出端(即Output端)连接的外部通信电路300，具体可通过PCB板上的连接器等直接与外部通信电缆连接。
如图2所示，本实施例的输入输出保护电路100具体包括：分别具有三个电极的第一开关器件和第二开关器件，其中，第一开关器件的第三电极与第二开关器件的第一电极相连，且第一开关器件的第一电极与第二开关器件的第三电极之间设有反馈电路；第二开关器件的第三电极通过一防倒灌电路连接至电源(电源电压Vcc)，第一开关器件的第三电极通过一系统电阻R1连接至电源；第一开关器件的第一电极和第二电极之间连接一偏置电阻R2，输入输出保护电路100的Input端通过一限流电阻R3连接至第一开关器件的第一电极；其中，第二开关器件的第三电极与第二电极之间设置一关断电压UOC，且关断电压UOC基于偏置电阻R2、限流电阻R3以及反馈电路进行确定。需要说明的是，第一开关器件和第二开关器件的第二电极均连接至系统地，第二开关器件的第三电极与第二电极之间的电压即为输入输出保护电路100输出端的输出电压UO。第二开关器件的第二电极和第三电极之间并联一浪涌保护电路30(具体可由TVS等器件构成)。
应理解，本实施例的输入输出保护电路100根据第一开关器件的第一电极和第二电极之间的偏置电阻R2、输入端与第一开关器件的第一电极之间的限流电阻R3、以及第一开关器件和第一电极与第二开关器件的第三电极之间设置的反馈电路在输出端(即第二开关器件的第三电极与第二电极之间)设置关断电压，以通过关断电压的设置在输出端发生异常产生高电压时将第二开关器件的功率限制在较小范围内，因此，本实施例不仅能够使输入输出保护电路占用连接至其输入端的电路或设备的PCB面积较小，而且能够避免由于输出端异常高电压造成第二开关器件的功率过大而损坏，甚至对连接至输入端的电路或设备造成损坏的问题发生。由此，本实施例解决了现有技术中由于电路输出端发生异常而造成电路器件损害且占用较多PCB板面积的问题。
在上述实施例中，防倒灌电路10由限流电阻R4和防倒灌二极管D1构成，其中，防倒灌二极管的阴极与第二开关器件的第三电极相连。反馈电路20可由反馈电阻R5构成。偏置电阻R2、限流电阻R3、反馈电阻R5及关断电压UOC满足如下公式：
R5＞(Umax-UA12)2/P0 (2)
其中，Umax为输出端异常时的最高电压，UA12为第一开关器件的第一电极与第二电极之间的电压，P0为反馈电阻R5的预设功率，IA12为第一开关器件处于饱和导通状态时流过其第一电极的电流，Ui为输入端的输入电压，Vcc为电源电压，UD1为防倒灌二极管的导通电压。UB32为第二开关器件的第三电极与第二电极之间的电压，IB32为输出端的最大输出电流。
在上述一个具体的实施例中，第一开关器件和第二开关器件均配置为三极管，且第一开关器件和第二开关器件的三个电极分别为基极b、发射极e、集电极c。在本实施例中，输入输出保护电路100中各个器件的计算过程如下：
在输入输出保护电路100正常工作时，选择输出端的最大电流为15mA，输出低电平(即UCE2，也即UB32)不高于0.1V。即UCE2＝0.1V时ICE2＝15mA(IB32＝15mA)。由此，基于公式(1)可知R4＝280Ω。其中，Vcc为5V，UD1＝0.7V。
当输出端(即Output端)短路到高电压时，本实施例将高电压的最高值设置为Umax＝60V，R5的功率限制为不超过250mW(即预设功率P0)，因此基于公式(2)可知即根据R5的取值范围将R5取值为15KΩ、16.2KΩ、17.4KΩ、18.2KΩ、19.1KΩ、20KΩ等E96标准阻值表中任一数值，本实施例中取R5＝20KΩ。
其中，根据三极管B的输出特性曲线可知UBE2(即UB12)为720.99mV，且根据三极管B的输入特性曲线可知当UCE2＝0.1V，UBE2＝720.99mV时，IBE2＝288.69μA。此时，在三极管A处于截止状态时，R1＝Vcc/IBE2＝17.3KΩ(按照E96标准阻值表，R1取17.4KΩ)。需要说明的是，当选定三极管A和三极管B时，其对应的输入、输出特性曲线可根据厂家提供的器件模型参数得知。
当三极管B处于临界截止状态时，对于硅管而言，取0.5V作为其基极关断电压，即U’BE2＝UCE1＝0.5V，则ICE1＝(Vcc-UCE1)/R1＝260.1μA。根据三级管A输出特性曲线可知，当UCE1＝0.5V，ICE1＝260.1μA时，UBE1＝608.58mV(即当UA32＝0.5V，IA32＝260.1μA时UA12＝608.58mV)。根据三级管A输入特性曲线可知，当UCE1＝0.5V，UBE1＝608.58mV时，IBE1＝2.58μA(即IA12＝2.58μA)。此时，基于公式(3)可得知关断电压UOC与(R2//R3)之间的关系满足公式(3a)：
需要解释的是，上述所揭示的输入输出保护电路100正常工作，其对应的Input端输入电压Ui＝0V，此时R2与R3等效为并联接地，当Input端输入为高电平时，三极管A基极电压会比Ui＝0V时更高，更有利于三极管B关断。因此Ui＝0V时三极管B可以截止，输入高电平时三极管B一定可以截止。
当输入输出保护路100正常工作且Input端的输入电压为高电平(假设Ui＝3.3V)时，三极管A处于饱和导通状态，则基于如下公式：
得知，IBE1＝2.89μA，其中，βA为三极管A的放大倍数，取βA＝100。为确保三极管A可以完全饱和导通，取IBE1＝10μA，且由三极管A的输入特性曲线可知，对应的UBE1约为644mV。
参图3所示，根据三极管A的基极节点的电流计算方法I1+I2＝I3+I4可得到公式(4)，将Ui＝3.3V，UBE1＝644mV，Vcc＝5V，UD1＝0.7V，R4＝280Ω，R5＝20KΩ带入公式(4)得到：
R3＝4.13R2 (5)
结合公式(3a)和公式(5)可得知：
如此，根据公式(6)得到关断电压UOC和电阻R2的关系，当取R2为1.61KΩ(R3为6.67KΩ)时，可得知关断电压UOC约为10V；反之，取关断电压UOC为10V，可得知R2约为1.61KΩ(R3为6.67KΩ)，其中，按照E96标准阻值表，R2取1.62KΩ，R3取6.65KΩ。从而根据公式(1)至公式(4)得到公式(5)和公式(6)，从而得到关断电压UOC与输入输出保护电路100中各个器件参数的关系，由此根据对各个器件参数的设置确定关断电压UOC，以在输出端发生异常产生高电压时将第二开关器件的功率限制在较小范围内，从而在占用连接至其输入端的电路或设备的PCB面积较小的情况下避免由于输出端异常高电压造成第二开关器件的功率过大而损坏，甚至对连接至输入端的电路或设备造成损坏的问题发生。
在输入输出保护电路100的输出端未发生异常时，Output端的电平与Input端的电平趋于一致。继续参图2所示，输入输出保护电路100正常工作时，若Input端输入高电平，三极管A打开，三极管B的基极被拉低，因此三极管B处于关闭状态，电源电压Vcc通过防倒灌电路10输出至Output端，此时Output端呈现高电平。若Input端输入低电平，三极管A关闭，三极管B的基极被R1拉高，因此三极管B打开。此时，电源电压Vcc的电流依次经过R4、D1以及三极管B的集电极c流向地。其中，选择合适的R1值，能够使三极管B的开启电阻保持在合理范围，使Output端的电平维持在较为理想的低电平。由此可知，参图4所示，当输入输出保护电路100正常工作时，其输入端和输出端的电平一致(或趋于一致或相差不大)。此时，反馈电路20不会对三极管A的基极电压产生明显影响。
在输出端发生异常(输出端故障短路如短路到高电压或短路接地)时，三极管B被短路，三极管B不会产生异常功率或损坏，此时，电源电压Vcc产生的电流会通过R4、D1直接流向短路点，若选择合适的R4值、防倒灌二极管D1的功率，可确保R4、D1不会被损坏。同时适当减小R4值，可以使输入输出保护电路100在相同的电容负载条件下具有更强的负载驱动能力和更快的电路工作频率。
当输出端由于故障接入高电压时，若输出端的异常电压Uk1低于关断电压UOC，则异常电压Uk1将会直接作用于三极管B的集电极或D1的阴极。由于异常电压Uk1高于电源电压Vcc，因此D1处于截止状态，由此电阻R4和电源电压Vcc对应的电源均能够得到保护。并且，由于选合适的R1值，因此三极管B的集电极电流被限制于较小值，但三极管B的功率仍然会随着异常电压Uk1的升高而增大。具体可分为两种情形，其一，若输入端是高电平，则三极管B处于关闭状态，此时即使异常电压Uk1直接加载在三极管B上，选择三极管B的Vc-e耐压值高于异常电压Uk1，三极管B便不会损坏，同时由于D1的作用也会保护电源电压Vcc不会损坏。其二，若输入端是低电平，则三极管B处于打开状态，参图5所示的T1与T2之间的三极管B的功率曲线，三极管B的功率P1会随异常电压Uk1的影响上升。
当异常电压Uk1逐渐升高至异常电压Uk2(即异常电压Uk2等于或超过关断电压UOC)时，R5与R3、R2并联后的等效电阻形成分压电路，使得三极管A基极的电压随同异常电压Uk2一起上升，该异常电压Uk2将导致三极管A打开，从而使三极管B关断。因此，此时三极管B的功率P2将会显著下降，而不是跟随异常电压Uk2的升高而升高。因此，若输出端的异常电压高于或等于关断电压UOC，则第二开关器件处于关闭状态，其中，第二开关器件处于关闭状态时输出端的异常电压作用于第二开关器件的第二电极与第三电极之间。如此，通过关断电压UOC的设计，能够将三极管B的功率限制在一个较小的范围内(P2较小，约等于0)，因此三极管B可以选择功率较小的器件，以达到减小占用PCB面积和降低器件发热的目的。
此外，当外部异常电压通过R5加载在三极管A的基极上时，由于三极管A的UBE电压的限制，三极管A基极电压通常不会高于0.7V，同时由于R3和R5的限流作用，也会保护输入输出保护电路的Input端器件不会受到外部异常电压的影响。
在上述另一个具体实施例中，第一开关器件和第二开关器件均配置为场效应管，且第一开关器件和第二开关器件的三个电极分别为栅极g(相当于三极管的基极b、源极s(相当于三极管的发射极e)、漏极d(相当于三极管的集电极c)。应理解，第一开关器件和第二开关器件均配置为场效应管的作用和原理与第一开关器件和第二开关器件均配置为三极管的原理相同或相似，因此，关于第一开关器件和第二开关器件均配置为场效应管以实现电路保护的过程或方案可参图2所示，对此不做详细说明。
在其他一些实施例中，反馈电路20也可由比较器构成。该比较器可配置为漏极开路输出型比较器，通过比较器所在支路、以及电阻R2和电阻R3设置关断电压UOC，以使得输入输出保护电路100在占用连接至其输入端的电路或设备的PCB面积较小的情况下避免由于输出端异常高电压造成第二开关器件的功率过大而损坏，甚至对连接至输入端的电路或设备造成损坏的问题发生。其中，关于将反馈电路由比较器构成的方案为本领域技术人员所熟知的技术，以及通过比较器、电阻R2和电阻R3设置关断电压UOC的方案与上述所揭示的采用三极管的方案相似，具体可参上述所揭示的采用三极管实现电路保护的内容，对此不做赘述。
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。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，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，各实施例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。
Claims (8)
1.一种输入输出保护电路，其特征在于，包括：
分别具有三个电极的第一开关器件和第二开关器件，其中，第一开关器件的第三电极与第二开关器件的第一电极相连，且第一开关器件的第一电极与第二开关器件的第三电极之间设有反馈电路；
第二开关器件的第三电极通过一防倒灌电路连接至电源，第一开关器件的第三电极通过一系统电阻R1连接至所述电源；
第一开关器件的第一电极和第二电极之间连接一偏置电阻R2，输入端通过一限流电阻R3连接至第一开关器件的第一电极；
其中，第二开关器件的第三电极与第二电极之间设置一关断电压，且所述关断电压基于所述偏置电阻R2、所述限流电阻R3以及反馈电路进行确定；
所述反馈电路由反馈电阻R5或者比较器构成，所述防倒灌电路由限流电阻R4和防倒灌二极管D1构成，防倒灌二极管的阴极与第二开关器件的第三电极相连并作为输出端。
2.根据权利要求1所述的输入输出保护电路，其特征在于，所述偏置电阻R2、所述限流电阻R3、所述反馈电阻R5及关断电压U OC满足如下公式：，，/>，/>；其中，U B32为第二开关器件的第三电极与第二电极之间的电压，I B32为输出端的最大输出电流，U max 为输出端异常时的最高电压，U A12为第一开关器件的第一电极与第二电极之间的电压，P 0为反馈电阻的预设功率，I A12为第一开关器件处于饱和导通状态时流过其第一电极的电流，U i为输入端的输入电压，Vcc为电源电压，U D1为防倒灌二极管的导通电压。
3.根据权利要求1或2所述的输入输出保护电路，其特征在于，
所述输出端未发生异常时，输出端的电平与输入端的电平趋于一致。
4.根据权利要求1或2所述的输入输出保护电路，其特征在于，
在所述输出端发生异常时，若输出端的异常电压低于关断电压，则第二开关器件在输入端为高电平时处于关闭状态或在输入端为低电平时处于打开状态；
若输出端的异常电压高于或等于关断电压，则第二开关器件处于关闭状态，其中，第二开关器件处于关闭状态时所述输出端的异常电压作用于第二开关器件的第二电极与第三电极之间。
5.根据权利要求4所述的输入输出保护电路，其特征在于，
所述输出端发生异常为输出端故障短路。
6.根据权利要求1所述的输入输出保护电路，其特征在于，
所述第二开关器件的第二电极和第三电极之间并联一浪涌保护电路。
7.根据权利要求1所述的输入输出保护电路，其特征在于，
所述第一开关器件和所述第二开关器件均配置为三极管，且第一开关器件和第二开关器件的三个电极分别为基极、发射极、集电极。
8.根据权利要求1所述的输入输出保护电路，其特征在于，
所述第一开关器件和所述第二开关器件均配置为场效应管，且第一开关器件和第二开关器件的三个电极分别为栅极、源极、漏极。
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