CN114336561A - 一种直流浪涌电压抑制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直流浪涌电压抑制电路，包括第一开关管，第二开关管，电压检测电路，稳压器，电流检测电路，反馈电路和控制电路组成。第一开关管作为浪涌抑制管，实现浪涌电压抑制；第二开关管作为理想二极管，实现反极性保护；电压检测电路，用于检测输入电压，实现输入欠压保护；稳压器，用于为控制电路供电；电流检测电路，用于检测输出电流，实现输出过流和短路保护；反馈电路，用于将输出电压的一部分反馈给控制电路；控制电路，用于驱动第一开关管和第二开关管，通过负反馈实现浪涌电压期间输出电压的稳定。本发明的直流浪涌电压抑制电路，具备浪涌电压抑制、反极性保护、输入欠过压保护、输出过流和短路保护功能。
Description
技术领域
本发明属于电源技术领域，具体涉及一种直流输入端的浪涌电压抑制电路。
背景技术
浪涌电压是指偏离受控稳态电压特性的一种电压。在军用车辆等用电设备系统中，由于发动机启动、调节器补偿、开关或者负载切换等原因，常常会产生瞬时的浪涌电压，它会损坏电路及其元件，危及设备安全工作，消除浪涌电压一直是关系到设备安全可靠运行的核心问题。《GJB298-87军用车辆28伏直流电气系统特性》标准中规定了电源系统产生的100V/50ms的浪涌电压和±250V/50us尖峰脉冲电压，要求在浪涌电压或尖峰脉冲电压发生时，后级设备应能正常工作。对于微妙级的尖峰脉冲电压，可以用TVS瞬态二极管或压敏电阻消除。对于毫秒级的浪涌电压，需要用相应的浪涌电压抑制电路消除。
传统的浪涌抑制电路采用分立器件，主要包括场效应管、双极性晶体管、齐纳二极管、电阻和电容等组成。场效应管作为开关管，双极性晶体管作为检测管，通过双极性晶体管的BE结电压来检测输入电压，在浪涌电压期间通过关断开关管以保护后级电路，实现浪涌电压抑制功能。该电路优点在于结构简单，缺点是输出储能电容体积较大，原因在于开关管关断期间要维持后级电路工作需要较大的储能电容。
发明专利“CN110112722B_浪涌抑制模块及其制作方法”，采用降压型拓扑和控制芯片驱动，实现了浪涌电压抑制功能，优点在于外围器件较少，但无反极性保护、输出过流和短路保护功能。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种直流浪涌电压抑制电路。
技术方案
一种直流浪涌电压抑制电路，其特征在于包括：
第一开关管，作为浪涌抑制管，用于实现浪涌电压抑制；
第二开关管，作为理想二极管，实现反极性保护；
电压检测电路，用于检测输入电压，实现输入欠过压保护；
稳压器，用于为控制电路供电；
电流检测电路，用于检测输出电流，实现输出过流和短路保护；
反馈电路，将输出电压的一部分反馈给控制电路；
控制电路，用于驱动第一开关管和第二开关管，通过负反馈实现输出电压的稳定；
上述的第一开关管，其输入端与系统输入连接，输出端与第二开关管的输入端连接，控制端与控制电路连接；
上述的第二开关管，其输入端与第一开关管输出端连接，输出端与系统输出连接，控制端与控制电路连接；
上述的电压检测电路，其输入端与系统输入连接，其输出端与控制电路连接；
上述的稳压器，其输入端与系统输入连接，其输出端与控制电路连接；
上述的电流检测电路，其输入端与系统输出连接，其输出端与控制电路连接；
上述的反馈电路，其输入端与系统输出连接，其输出端与控制电路连接；
上述的控制电路，其第一输入端与电压检测电路的输出端连接，其第二输入端与稳压器输出端连接，其第三输入端与电流检测电路的输出端连接，其第四输入端与反馈电路的输出端连接，其第一输出端与第一开关管的控制端连接，其第二输出端与第二开关管的控制端连接。
本发明进一步的技术方案：所述的第一开关管，包括但不限于一个N沟道场效应管Q1，作为浪涌抑制管，由控制芯片提供栅极控制电压；当输入供电正常时，Q1处于导通状态并工作于饱和区，提供一条从输入电源到负载的低阻抗通路；当输入浪涌电压发生时，控制芯片通过负反馈控制使得Q1源级的电压稳压，从而使Q1工作于线性区，负责耗散功率。
本发明进一步的技术方案：所述的第二开关管，包括但不限于一个N沟道场效应管Q2，作为理想二极管，用于提供输入端的反极性保护。
本发明进一步的技术方案：所述的电压检测电路，包括但不限于三个串联的电阻R1，R2和R3，检测输入电压并将一定比例的电压送入控制芯片的欠压保护UV引脚和过压保护点OV引脚，分别用于设置欠压保护点和过压保护点。
本发明进一步的技术方案：所述的稳压器包括但不限于电阻R4和齐纳二极管D1，用于向控制电路供电。
本发明进一步的技术方案：所述的电流检测电路包括但不限于电阻R5，用于检测负载电流，并将其两端的电压信号送入控制芯片，当过流或输出短路时控制芯片关断第一开关管，起过流和短路保护作用。
本发明进一步的技术方案：所述的反馈电路包括但不限于两个串联的电阻R6和R7，电阻R6和R7的公共端与控制芯片的反馈引脚FB连接，用于将输出电压的一部分送入控制芯片，内部的负反馈控制实现输出电压的稳定。
本发明进一步的技术方案：所述的控制电路为控制芯片U1，
其UV引脚用于设置欠压保护点，欠压保护点为
欠压保护门限为1.25V，在欠压情况下控制芯片控制第一开关管关断；其OV引脚用于设置过压保护点，过压保护点为
过压保护门限为1.25V，在过压情况下控制芯片控制第一开关管关断；Vcc引脚为芯片的供电引脚，输入范围为4V至80V；HGATE引脚用于驱动浪涌抑制管Q1的栅极，由一个内部电荷泵电流源拉高，并箝位在比SOURCE引脚高12V的电平；DGATE引脚用于驱动理想二极管Q2的栅极，当负载电流在Q2的两端产生30mV以上的压降时，DGATE引脚由一个内部电荷泵电流源拉高，并箝位在比SOURCE引脚高12V的电平上；
在输入电压正常时，U1驱动Q1处于导通状态，并提供一条从输入电源到负载的低阻抗通路，还驱动Q2处于导通状态，用作理想二极管，以避免负载在输入极性反接的情况下受损；当浪涌电压发生时，U1可限制OUT引脚上的电压，原理是通过负反馈由内部的电压放大器调节HGATE引脚电压，以在FB引脚上保持1.25V的电压；在此期间，Q1处于导通状态并相负载提供电流，这可在短暂的浪涌电压过程中实现不间断运行。
有益效果
本发明提出的一种直流浪涌电压抑制电路，具备浪涌电压抑制、反极性保护、输入欠过压保护、输出过流和短路保护功能。与现有技术相比，其有益效果如下：
(1)本发明与传统关断型浪涌电压抑制电路比较，不需要大容量的输出储能电容，减小了电路尺寸。由于关断型浪涌电压抑制电路在浪涌电压期间关断开关管，为保证后级电路能持续工作需要大容量电容提供能量，对于负载功率稍大的情况，电容的尺寸有时是无法接受的。本发明的浪涌电压抑制电路，浪涌电压期间开关管持续导通，输出电压恒定，不需要储能电容，减小了电路尺寸。
(2)本发明与现有降压型浪涌电压抑制电路比较，具备反极性保护、输出过流和短路保护功能。浪涌电压抑制电路应该具备完善保护功能，以保证后级电路不会损坏。本发明提出的电路可保证即使浪涌电压功能失效时，过流保护电路可限制输出电流，保护后级电路不会损坏。与现有降压型浪涌电压抑制电路串联通用反极性保护电路、输出过流和短路保护电路相比，减少了电路的复杂程度和元器件数量，提高了可靠性。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为传统直流浪涌电压抑制电路；
图2为本发明提供的直流浪涌电压抑制电路原理框图；
图3为本发明提供的直流浪涌电压抑制电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
以下结合附图3对本发明的实施例作进一步详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
所描述的实施例输入电压范围Vin为9V至36V，浪涌电压100V，持续时间50ms，要求输出电压Vout≤36V，输出过流点设置为10A。
可设置欠压保护点为8V，过压保护点为120V，因此
可选择电阻R3阻值为1k，则电阻R1和R2的阻值分别约为84k和15k。
计算浪涌电压期间反馈电路分压阻值以将Vout限制在36V：
可选择电阻上电流为250uA，则电阻R6和R7的阻值分别为139k和5k。
计算电流检测电路中电阻R5的阻值，过流保护检测门限最小为45mV，过流值10A，则电阻
齐纳二极管的箝位电压应小于80V，以保护浪涌电压期间控制芯片U1不会损坏，电阻R4阻值的选择应最低输入电压下，控制芯片U1电源电流能保证其正常工作。控制芯片U1的(Vcc)引脚最低工作电压4V，最大工作电流为750uA，用于保证正常工作的最大阻值
开关管Q1和Q2通常采用场效应管，对于开关管Q1，其漏-源极电压额定值必须高于浪涌电压，以保证在输出短路到地的情况下开关管Q1不会损坏。对于开关管Q2，其漏-源极电压额定值必须高于设定的输出电压，以保证在输入短路到地的情况下开关管Q2不会损坏。开关管Q1的选型还应考虑浪涌期间的瞬态应力，这主要涉及场效应管的安全工作区。场效应管的安全工作区以瓦特平方秒(P2t)为单位来表达，这是对瞬变持续时间的P(t)2dt的积分。对于浪涌抑制管Q1，其瞬变的
上式中ILOAD表示负载电流，VPK表示浪涌电压，VREG表示设置的最大输出电压，τ表示浪涌持续时间。对于ILOAD＝8A，VPK＝100V，VREG＝36V，τ＝50ms的瞬态条件，P2t为6.55×103W2s。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种直流浪涌电压抑制电路，其特征在于包括：
第一开关管，作为浪涌抑制管，用于实现浪涌电压抑制；
第二开关管，作为理想二极管，实现反极性保护；
电压检测电路，用于检测输入电压，实现输入欠过压保护；
稳压器，用于为控制电路供电；
电流检测电路，用于检测输出电流，实现输出过流和短路保护；
反馈电路，将输出电压的一部分反馈给控制电路；
控制电路，用于驱动第一开关管和第二开关管，通过负反馈实现输出电压的稳定；
上述的第一开关管，其输入端与系统输入连接，输出端与第二开关管的输入端连接，控制端与控制电路连接；
上述的第二开关管，其输入端与第一开关管输出端连接，输出端与系统输出连接，控制端与控制电路连接；
上述的电压检测电路，其输入端与系统输入连接，其输出端与控制电路连接；
上述的稳压器，其输入端与系统输入连接，其输出端与控制电路连接；
上述的电流检测电路，其输入端与系统输出连接，其输出端与控制电路连接；
上述的反馈电路，其输入端与系统输出连接，其输出端与控制电路连接；
上述的控制电路，其第一输入端与电压检测电路的输出端连接，其第二输入端与稳压器输出端连接，其第三输入端与电流检测电路的输出端连接，其第四输入端与反馈电路的输出端连接，其第一输出端与第一开关管的控制端连接，其第二输出端与第二开关管的控制端连接。
2.根据权利要求1所述的一种直流浪涌电压抑制电路，其特征在于所述的第一开关管，包括但不限于一个N沟道场效应管Q1，作为浪涌抑制管，由控制芯片提供栅极控制电压；当输入供电正常时，Q1处于导通状态并工作于饱和区，提供一条从输入电源到负载的低阻抗通路；当输入浪涌电压发生时，控制芯片通过负反馈控制使得Q1源级的电压稳压，从而使Q1工作于线性区，负责耗散功率。
3.根据权利要求1所述的一种直流浪涌电压抑制电路，其特征在于所述的第二开关管，包括但不限于一个N沟道场效应管Q2，作为理想二极管，用于提供输入端的反极性保护。
4.根据权利要求1所述的一种直流浪涌电压抑制电路，其特征在于所述的电压检测电路，包括但不限于三个串联的电阻R1，R2和R3，检测输入电压并将一定比例的电压送入控制芯片的欠压保护UV引脚和过压保护点OV引脚，分别用于设置欠压保护点和过压保护点。
5.根据权利要求1所述的一种直流浪涌电压抑制电路，其特征在于所述的稳压器包括但不限于电阻R4和齐纳二极管D1，用于向控制电路供电。
6.根据权利要求1所述的一种直流浪涌电压抑制电路，其特征在于所述的电流检测电路包括但不限于电阻R5，用于检测负载电流，并将其两端的电压信号送入控制芯片，当过流或输出短路时控制芯片关断第一开关管，起过流和短路保护作用。
7.根据权利要求1所述的一种直流浪涌电压抑制电路，其特征在于所述的反馈电路包括但不限于两个串联的电阻R6和R7，电阻R6和R7的公共端与控制芯片的反馈引脚FB连接，用于将输出电压的一部分送入控制芯片，内部的负反馈控制实现输出电压的稳定。
8.根据权利要求1所述的一种直流浪涌电压抑制电路，其特征在于所述的控制电路为控制芯片U1，
其UV引脚用于设置欠压保护点，欠压保护点为
欠压保护门限为1.25V，在欠压情况下控制芯片控制第一开关管关断；其OV引脚用于设置过压保护点，过压保护点为
过压保护门限为1.25V，在过压情况下控制芯片控制第一开关管关断；Vcc引脚为芯片的供电引脚，输入范围为4V至80V；HGATE引脚用于驱动浪涌抑制管Q1的栅极，由一个内部电荷泵电流源拉高，并箝位在比SOURCE引脚高12V的电平；DGATE引脚用于驱动理想二极管Q2的栅极，当负载电流在Q2的两端产生30mV以上的压降时，DGATE引脚由一个内部电荷泵电流源拉高，并箝位在比SOURCE引脚高12V的电平上；
在输入电压正常时，U1驱动Q1处于导通状态，并提供一条从输入电源到负载的低阻抗通路，还驱动Q2处于导通状态，用作理想二极管，以避免负载在输入极性反接的情况下受损；当浪涌电压发生时，U1可限制OUT引脚上的电压，原理是通过负反馈由内部的电压放大器调节HGATE引脚电压，以在FB引脚上保持1.25V的电压；在此期间，Q1处于导通状态并相负载提供电流，这可在短暂的浪涌电压过程中实现不间断运行。
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