CN114142428A - 一种限流电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种限流电路，当流经待限流负载端的电流超过最大电流时，比较器的第一比较端的电压超过第二比较端的预设阈值电压，比较器的输出端输出对应的控制信号触发第三三端器件导通；第三三端器件导通后出发延时电路启动延时，延时电路经过一段延时时间后输出对应的控制信号触发第二三端器件导通；第二三端器件在导通时，其第一受控端的电平信号使第一三端器件截止，从而达到限流的技术目的。由此可知，本发明通过纯硬件的方式实现了一种限流方案，既可以做到精确控制限制电流的大小，也不需要繁琐操作，很好地解决了现有技术中的问题。

Description

一种限流电路

技术领域

本发明涉及限流技术领域，特别是涉及一种限流电路。

背景技术

生活中到处都可以看到电子技术的应用，随着科技的发展，越来越多的电子产品出现在我们的生活当中。也有越来越多的科技公司诞生，显然科技公司之间的竞争也在不断的加剧。

在以往的产品设计中，如果需要做到限制电流，通常有如下两种方法：方法1)通过使用保险丝来实现限流，即当电流过大时可以通过保险丝的熔断来限制电流；但在这种方法中，保险丝熔断后电路不能恢复使用，需要手动更换保险丝，且电流限制不够精确，无法做到mA级别的限制。方法2)通过单片机或者ARM芯片，即通过程序来采集电流，在算出当前电流的大小值后，通过芯片的输出脚控制输出负载电流的大小；在这种方法中，虽然可以做到精确电流的限制，但需要用到单片机或者ARM芯片，也需要编写程序，在量产应用时还需要增加烧录程序这个步骤，大大增加了开发的繁琐度和生产成本。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本提供一种限流电路，解决现有技术中的限流技术不够精准以及成本高居不下等问题。

为实现上述目的，本发明提供一种限流电路，包括：待限流负载端，其一端连接电源，另一端连接第一三端器件的第一受控端；所述第一三端器件的控制端连接第二三端器件的第一受控端，且其第二受控端连接比较器的第一比较端；所述比较器的第二比较端为预设阈值电压，且其输出端连接第三三端器件的控制端；所述第三三端器件的第一受控端连接延时电路的触发引脚，且其第二受控端接地；所述延时电路的输出端连接所述第二三端器件的控制端，且所述第二三端器件的第二受控端接地；其中，当流经所述待限流负载端的电流超过最大电流时，所述比较器的第一比较端的电压超过第二比较端的预设阈值电压，比较器的输出端输出对应的控制信号触发第三三端器件导通；所述第三三端器件导通后出发所述延时电路启动延时，所述延时电路经过一段延时时间后输出对应的控制信号触发第二三端器件导通；所述第二三端器件在导通时，其第一受控端的电平信号使第一三端器件截止。

于本发明的一些实施方式中，所述第一三端器件包括MOS管或三极管；所述第二三端器件包括MOS管或三极管；所述第二三端器件包括MOS管或三极管。

于本发明的一些实施方式中，所述比较器包括由运算放大器组成的电压比较器。

于本发明的一些实施方式中，所述延时电路包括555定时器。

于本发明的一些实施方式中，所述第一三端器件为NMOS管，其控制端、第一受控端和第二受控端分别为NMOS管的G端、D端和S端；所述第二三端器件为三极管，控制端、第一受控端和第二受控端分别为三极管的b端、c端和e端；所述第三三端器件为PMOS管，其控制端、第一受控端和第二受控端分别PMOS管的G端、S端和D端。

于本发明的一些实施方式中，流经所述待限流负载端的工作电流I的计算方式包括：

其中，电阻R0表示所述待限流负载端所接负载的内阻；VDD为所述所述待限流负载端连接的电源的电压；R10为采样电阻，其一端连接比较器的第一比较端，另一端接地。

于本发明的一些实施方式中，所述比较器的第二比较端的预设阈值电压V+的计算方式包括：

其中，R2的一端连接连接第二比较端，另一端接地；R1的一端连接第二比较端，另一端连接电源AVCC。

于本发明的一些实施方式中，流经所述待限流负载端的最大电流Imax的计算方式包括：

其中，R2的一端连接连接第二比较端，另一端接地；R1的一端连接第二比较端，另一端连接电源AVCC；R10为采样电阻，其一端连接比较器的第一比较端，另一端接地。

于本发明的一些实施方式中，所述延时电路包括555定时器芯片；所述555定时器芯片的延时时间的计算方式包括：

t＝R33*C7*1.1；其中，Uc为电容C7两端的电压；电容C7一端连接555定时器芯片的CONT引脚连；电阻R33的一端连接555定时器芯片的DISCH引脚和THRES引脚；电容C7的另一端与电阻R33的另一端相连；Vcc为555定时器芯片的电源端连接的电源VCC。

如上所述，本发明涉及的一种限流电路，具有以下有益效果：本发明提出了通过纯硬件的方式来精确限制电流的技术方案，既可以做到精确控制限制电流的大小，也不需要繁琐操作，很好地解决了现有技术中的问题。

附图说明

图1显示为本发明一实施例中限流电路的结构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固持”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

由于以往的电流限制方法都有各自的不利之处，例如使用保险丝来实现限流时，保险丝熔断后电路不能恢复使用，需要手动更换保险丝，且电流限制不够精确，无法做到mA级别的限制；再例如通过单片机或ARM芯片来实现电流时，虽然可以做到精确电流的限制，但需要用到单片机或者ARM芯片，也需要编写程序，在量产应用时还需要增加烧录程序这个步骤，大大增加了开发的繁琐度和生产成本。

有鉴于此，本发明提出了通过纯硬件的方式来精确限制电流的技术方案，既可以做到精确控制限制电流的大小，也不需要繁琐操作，很好地解决了现有技术中的问题。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本发明实施例中的技术方案的进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

如图1所示，展示了本发明一实施例中的一种限流电路的结构示意图，通过纯硬件的方式来进行精准限流。

具体来说，本实施例的限流电路包括：待限流负载端、第一三端器件、第二三端器件、第三三端器件、比较器、延时电路。其中，待限流负载端的一端连接电源，另一端连接第一三端器件的第一受控端；所述第一三端器件的控制端连接第二三端器件的第一受控端，且其第二受控端连接比较器的第一比较端；所述比较器的第二比较端为预设阈值电压，且其输出端连接第三三端器件的控制端；所述第三三端器件的第一受控端连接延时电路的触发引脚，且其第二受控端接地；所述延时电路的输出端连接所述第二三端器件的控制端，且所述第二三端器件的第二受控端接地；其中，当流经所述待限流负载端的电流超过最大电流时，所述比较器的第一比较端的电压超过第二比较端的预设阈值电压，比较器的输出端输出对应的控制信号触发第三三端器件导通；所述第三三端器件导通后出发所述延时电路启动延时，所述延时电路经过一段延时时间后输出对应的控制信号触发第二三端器件导通；所述第二三端器件在导通时，其第一受控端的电平信号使第一三端器件截止。

需说明的是，本实施例中的三端器件的主要用途是通过控制端接收到控制信号后触发导通或截止，具体可选用MOS管或三极管等；所述比较器可以是由运算放大器组成的比较器，或也可通过具有相似功能的逻辑器件构成；所述延时电路可选用555定时器，或者也可以通过类似具有延时功能的芯片实现，本实施例均不作限定。

为便于理解，下文的实施例中选用NMOS管M1为第一三端器件，三极管Q1作为第二三端器件，PMOS管M3作为第三三端器件，由运算放大器组成的电压比较器U1A作为比较器。其中，NMOS管M1的G端、D端、S端分别对应于第一三端器件的控制端、第一受控端、第二受控端；三极管Q1的b端、c端、e端分别对应于第二三端器件的控制端、第一受控端、第二受控端；PMOS管M3的G端、S端、D端分别对应第三三端器件的控制端、第一受控端、第二受控端；电压比较器U1A的负端对应第一比较端，正端对应第二比较端，由此来说明限流电路的工作原理。但应理解，出于说明性目的而提供以下示例，并且以下示例不应被理解成是限制性的。

如图1所示，电压比较器U1A的正向阈值电压可以根据电阻R1和R2进行调整。当流经采样电阻R10的电流过大时会导致电压比较器U1A的负端电压高于正向阈值电压，电压比较器U1A输出一低电平，使M3管导通，继而触发定时器U6，定时器U6的输出引脚控制三极管Q1导通，拉低M1管的G端，从而使M1管截止，进而达到限制电流的技术目的。

具体来说，当CN1端子接到负载时，假设负载内阻为R0，若要求负载工作电流I不超过Imax，即I＜Imax；负载工作电流I的计算公式如下：

其中，负载工作电流I的计算公式过程中，电阻R22取值为0。此时，电压比较器U1A的负端电压V－可通过下式计算得到：

电压比较器U1A的正向电压V+的电压可通过下式计算得到：

由于I＜Imax，因此可以得到：

根据运算放大器的规则V+＝V－，结合公式5)可以得到：

由公式7)此可以得到：

举例来说，如果要限制负载的工作电流不超过700mA，即Imax≈700mA，且若采样电阻R10的阻值为0.01Ω，AVCC的电压为15V，代入公式8)后可以得到电阻R1和R2的阻值比如下：

需说明的是，本实施例对电阻R1和R2的阻值是否可调及是否并联都不作限定。举例来说，可以取固定电阻R1的阻值为51.1KΩ，R2的阻值为24Ω；电阻R1可以是一个电阻，也可以由两个及以上电阻串/并联而成；电阻R2可以是一个电阻，也可以由两个及以上电阻串/并联而成。

在本实施例中，定时器可选用555定时器，目的是确保电路工作的正确时序，否则电路会处于高速的开通截止开通截止的恶性循环中，表现出来的现象就是CN1处的负载一直处于低于VDD工作电压的状态持续工作，而当电流超出时，无法完全切断负载供电。其中，555定时器的延时时间为：

t＝R33*C7*ln3；公式12)

t＝R33*C7*1.1；公式13)

由此可知，延时时间t取决于电阻R33和电容C7，可根据电路需要的延时时间的长短进行调整。

为便于本领域技术人员理解，现结合图1来对本发明的限流原理做进一步的说明：当负载工作电流超过预设的最大电流值后，根据公式1)和2)可知电压比较器U1A的负端电压V－会增大并在高于正端电压V+时，电压比较器U1A输出低电平；由于电压比较器U1A的输出端连接的是PMOS管M3的G端，PMOS管的主回路电流方向是从S端流向D端，导通条件是Vgs有一定的电压差(S端电位比G端电位高)，因为当G端为低电平时会使M3管导通；555定时器采用低电平触发，其触发引脚(2号TRIG引脚)连接M3管的S端，555定时器被触发后通过输出引脚(3号OUT引脚)输出高电平；555定时器的输出引脚(3号OUT引脚)连接三极管Q1的b端，触发三极管Q1导通，从拉低NMOS管M1的G端，NMOS管的主回路电流方向是从D端流向S端，导通条件是Vgs有一定的电压差(G端电位比S端电位高)，因此当G端低电平时会使M1管截止，实现限流的技术目的。

上文就本发明提供的限流电路的工作过程及原理做了详尽的说明。下文将通过多组实验来验证本实施例中限流电路的精准性。

实验需要用到的仪器至少包括电子负载测试仪和电源，首先利用电源给样品输入供电电压，并用电子负载测试仪做模拟负载接到端子CN1处，调小所述电子负载测试仪的电阻，使其输出电流逐渐增加，重复以上操作16次记录观察样品保护前输出电流值分别为：693mA，699mA，693mA，701mA,700mA，698mA，693mA，701mA,693mA，701mA,705mA，698mA，693mA，707mA,703mA，698mA。与设定的700mA相比，通过实验数据可以看出最大误差仅在正负7mA。误差分析来源为：受温度湿度等的影响M1处mos管内阻的差异，以及所用的元器件电阻阻值的差异。

综上所述，本发明提供了一种限流电路，本发明提出了通过纯硬件的方式来精确限制电流的技术方案，既可以做到精确控制限制电流的大小，也不需要繁琐操作，很好地解决了现有技术中的问题。因此，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种限流电路，其特征在于，包括：

待限流负载端，其一端连接电源，另一端连接第一三端器件的第一受控端；

所述第一三端器件的控制端连接第二三端器件的第一受控端，且其第二受控端连接比较器的第一比较端；

所述比较器的第二比较端为预设阈值电压，且其输出端连接第三三端器件的控制端；所述第三三端器件的第一受控端连接延时电路的触发引脚，且其第二受控端接地；

所述延时电路的输出端连接所述第二三端器件的控制端，且所述第二三端器件的第二受控端接地；

其中，当流经所述待限流负载端的电流超过最大电流时，所述比较器的第一比较端的电压超过第二比较端的预设阈值电压，比较器的输出端输出对应的控制信号触发第三三端器件导通；所述第三三端器件导通后出发所述延时电路启动延时，所述延时电路经过一段延时时间后输出对应的控制信号触发第二三端器件导通；所述第二三端器件在导通时，其第一受控端的电平信号使第一三端器件截止。

2.根据权利要求1所述的限流电路，其特征在于，所述第一三端器件包括MOS管或三极管；所述第二三端器件包括MOS管或三极管；所述第二三端器件包括MOS管或三极管。

3.根据权利要求1所述的限流电路，其特征在于，所述比较器包括由运算放大器组成的电压比较器。

4.根据权利要求1所述的限流电路，其特征在于，所述延时电路包括555定时器。

5.根据权利要求1所述的限流电路，其特征在于，所述第一三端器件为NMOS管，其控制端、第一受控端和第二受控端分别为NMOS管的G端、D端和S端；所述第二三端器件为三极管，控制端、第一受控端和第二受控端分别为三极管的b端、c端和e端；所述第三三端器件为PMOS管，其控制端、第一受控端和第二受控端分别PMOS管的G端、S端和D端。

6.根据权利要求1所述的限流电路，其特征在于，流经所述待限流负载端的工作电流I的计算方式包括：

其中，电阻R0表示所述待限流负载端所接负载的内阻；VDD为所述所述待限流负载端连接的电源的电压；R10为采样电阻，其一端连接比较器的第一比较端，另一端接地。

7.根据权利要求6所述的限流电路，其特征在于，所述比较器的第二比较端的预设阈值电压V+的计算方式包括：

其中，R2的一端连接连接第二比较端，另一端接地；R1的一端连接第二比较端，另一端连接电源AVCC。

8.根据权利要求7所述的限流电路，其特征在于，流经所述待限流负载端的最大电流Imax的计算方式包括：

其中，R2的一端连接连接第二比较端，另一端接地；R1的一端连接第二比较端，另一端连接电源AVCC；R10为采样电阻，其一端连接比较器的第一比较端，另一端接地。

9.根据权利要求1所述的限流电路，其特征在于，所述延时电路包括555定时器芯片；所述555定时器芯片的延时时间的计算方式包括：

t＝R33*C7*1.1；

其中，Uc为电容C7两端的电压；电容C7一端连接555定时器芯片的CONT引脚连；电阻R33的一端连接555定时器芯片的DISCH引脚和THRES引脚；电容C7的另一端与电阻R33的另一端相连；Vcc为555定时器芯片的电源端连接的电源VCC。

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