CN114977116A - 一种适用于电力产品的电池过流欠压保护电路 - Google Patents

一种适用于电力产品的电池过流欠压保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电池保护技术领域，公开了一种适用于电力产品的电池过流欠压保护电路，包括电源电路、电流采样保持电路、欠压保护电路和电池输出控制电路；电源电路连接电池输出控制电路，电池输出控制电路分别连接电流采样保持电路与欠压保护电路。本发明采用极小的电流采样电阻，经运放放大后再进行阈值比较，降低了采样电阻功耗，满足了电池更大的电流输出需求；同时，电路集成了过流短路保护与欠压保护功能，不仅解决了电池输出过流或短路导致的问题，还解决了电池欠压时大电流对其造成冲击损伤的问题。提高了电池供电可靠性，保护了输出设备的安全。

Description

一种适用于电力产品的电池过流欠压保护电路
技术领域
本发明涉及电池保护技术领域，尤其涉及一种适用于电力产品的电池过流欠压保护电路。
背景技术
低压配用电领域中会出现市电掉电的情况，此时为保证关键数据的存储以及重要信息的上报，就需要用到备用电源和电池进行供电。电池本身内阻小、放电电流大，实际使用时易出现过流或短路的情况，此时电池输出巨大的电流，易造成用电设备损坏或电池故障，导致电池爆炸等重大安全事故，从而造成较严重的经济损失或人员伤亡。
大多数输出负载电路会不可避免地出现瞬时峰值电流，而简单的过流保护电路已不能够满足负载动态大电流的需求。在长时间使用后，电池电压降低，电池输出电流增大，也会降低电池寿命。
综上所述，亟需一种过流欠压保护电路来保证电池的安全、可靠运行。
对于电池的输出保护，现有技术大都仅涉及短路保护而忽略了欠压保护，同时，常见的过流短路保护电路中的采样电阻较大，功耗高，可允许的电池输出电流较小。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种适用于电力产品的电池过流欠压保护电路，采用极小的电流采样电阻，经运放放大后再进行阈值比较，降低了采样电阻功耗，满足了电池更大的电流输出需求；同时，电路集成了过流短路保护与欠压保护功能，不仅解决了电池输出过流或短路导致的问题，还解决了电池欠压时大电流对其造成冲击损伤的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种适用于电力产品的电池过流欠压保护电路，包括电源电路、电流采样保持电路、欠压保护电路和电池输出控制电路。
电源电路连接电池输出控制电路，电池输出控制电路分别连接电流采样保持电路与欠压保护电路。
电源电路包括电池，稳压芯片U4、U5。
电流采样保持电路包括采样电阻R13。
电池输出控制电路包括或门OR1，N沟道MOS管VT1，N沟道MOS管VT2，P沟道MOS管VT3。
欠压保护电路包括分压电阻R7、R8。
电池正极B+连接稳压芯片U4的1引脚，U4的2引脚输出Vcc，连接U5的1引脚，U4的3引脚接B-；U5的2引脚输出为基准电压Vref，U5的3引脚接B-，Vcc与Vref为系统供电；电池负极B-与输出Vout-之间连接有采样电阻R13，采样电阻R13所属的的电流采样保持电路对电池输出电流进行采样，当出现过流或短路时，输出高电平V1；电池正负极连接分压电阻，电池欠压时，分压电阻所属的欠压保护电路输出高电平V2；电流采样保持电路输出V1和欠压保护电路输出V2分别连接电池输出控制电路的或门OR1，当出现过流、短路或欠压时，或门OR1输出高电平控制N沟道MOS管VT1导通、N沟道MOS管VT2断开、P沟道MOS管VT3断开，电池输出控制电路输出端正极Vout+断电，实现电池故障保护。
优选地，所述电流采样保持电路还包括运算放大器U1，运算放大器U2，二极管VD1，稳压二级管VD2，反馈放大电阻R1、R2、R3、R4，限流电阻R5、R6；
采样电阻R13的两端分别连接电池负极B-和电路输出负极Vout-，Vout-连接电阻R1的一端，R1的另一端接运算放大器U1的正极和R3的一端，R3的另一端连接B-，B-连接电阻R2的一端，R2的另一端连接运算放大器U1的负极和R4的一端，R4的另一端连接U1的输出端和电阻R5的一端，构成电流采样电路，检测电池输出电流并将其转换为放大后的、与设定电压反向的电压信号输出；
电阻R5的另一端连接运算放大器U2的正极，U2的负极连接Vref，二极管VD1的阳极和阴极分别连接U1的输出和正极，U1输出连接电阻R6的一端，另一端连接稳压二级管VD2的阴极V1，VD2的阳极接Vout-，组成故障保持电路，U1输出的高电平高于Vref，U2保持输出高电平。
优选地，所述欠压保护电路还包括分压电阻R9、R10，限流电阻R11，迟滞电容C1，运算放大器U3，稳压二级管VD3；
电池正极B+连接上分压电阻R7的一端，R7的另一端连接下分压电阻R8的一端，同时连接迟滞电容C1的一端和运算放大器U3的负极，R8的另一端和C1的另一端接电池负极B-，构成电池电压分压检测电路；
电阻R9两端分别接参考基准电压Vref和运算放大器U3的正极，电阻R10两端分别接U3的正极和输出，构成欠压设定阈值比较电路；
欠压发生时，检测分压低于Vref，运算放大器U3输出高电平，U3的输出连接电阻R11，R11另一端接稳压二级管VD3的阴极钳位，VD3的另一端接Vout-，输出V2。
优选地，所述电池输出控制电路还包括分压电阻R12、R14、R15、R16、R17、R18；
电流采样保持电路输出V1和欠压保护电路输出V2分别连接或门OR1的输入两端，OR1的输出V3连接R12的一端，R12的另一端连接电阻R14的一端和VT1的栅极，R14的另一端和VT1的源极均接Vout-，VT1的漏极连接R16的一端V4，R16的另一端连接电池正极B+，V4连接分压电阻R15的一端，R15的另一端接Vout-；V4连接VT2的栅极，VT2的源极接Vout-，VT2的漏极接电阻R18的一端，R18的另一端接VT3的栅极和R17的一端，R17的另一端接B+和VT3的源极，VT3的漏极接输出Vout+；过流、短路时输出V1高电平，欠压时输出V2高电平，经或门OR1输出高电平，VT1导通，V4低电平，VT2断开，VT3断开，Vout+断电。
优选地，所述采样电阻R13的取值范围为2~4毫欧。
本发明的有益技术效果：采用极小的电流采样电阻，经运放放大后再进行阈值比较，降低了采样电阻功耗，满足了电池更大的电流输出需求；同时，电路集成了过流短路保护与欠压保护功能，不仅解决了电池输出过流或短路导致的问题，还解决了电池欠压时大电流对其造成冲击损伤的问题。提高了电池供电可靠性，保护了输出设备的安全。
附图说明
图1是本发明的总体电路图。
图2是本发明中的电流采样保持电路图。
图3是本发明中的欠压保护电路图。
图4是本发明中的电源电路图。
图5是本发明中的电池输出控制电路图。
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，以下结合附图及实施例，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，并不限定本发明。
实施例。
如图1所示，一种适用于电力产品的电池过流欠压保护电路，包括电源电路3、电流采样保持电路1、欠压保护电路2和电池输出控制电路4。
电源电路3连接电池输出控制电路4，电池输出控制电路4分别连接电流采样保持电路1与欠压保护电路2。
所述电流采样保持电路1包括3毫欧的采样电阻R13，运算放大器U1，运算放大器U2，二极管VD1，稳压二级管VD2，反馈放大电阻R1、R2、R3、R4，限流电阻R5、R6。
采样电阻R13的两端分别连接电池负极B-和电路输出负极Vout-，Vout-连接电阻R1的一端，R1的另一端接运算放大器U1的正极和R3的一端，R3的另一端连接B-，B-连接电阻R2的一端，R2的另一端连接运算放大器U1的负极和R4的一端，R4的另一端连接U1的输出端和电阻R5的一端，构成电流采样电路，检测电池输出电流并将其转换为放大后的、与设定电压反向的电压信号输出；
电阻R5的另一端连接运算放大器U2的正极，U2的负极连接Vref，二极管VD1的阳极和阴极分别连接U1的输出和正极，U1输出连接电阻R6的一端，另一端连接稳压二级管VD2的阴极V1，VD2的阳极接Vout-，组成故障保持电路，U1输出的高电平高于Vref，U2保持输出高电平。
所述欠压保护电路2包括分压电阻R7、R8、R9、R10，限流电阻R11，迟滞电容C1，运算放大器U3，稳压二级管VD3。
电池正极B+连接上分压电阻R7的一端，R7的另一端连接下分压电阻R8的一端，同时连接迟滞电容C1的一端和运算放大器U3的负极，R8的另一端和C1的另一端接电池负极B-，构成电池电压分压检测电路；
电阻R9两端分别接参考基准电压Vref和运算放大器U3的正极，电阻R10两端分别接U3的正极和输出，构成欠压设定阈值比较电路；
欠压发生时，检测分压低于Vref，运算放大器U3输出高电平，U3的输出连接电阻R11，R11另一端接稳压二级管VD3的阴极钳位，VD3的另一端接Vout-，输出V2。
所述电池输出控制电路4包括或门OR1，N沟道MOS管VT1，N沟道MOS管VT2，P沟道MOS管VT3，分压电阻R12、R14、R15、R16、R17、R18；
电流采样保持电路输出V1和欠压保护电路输出V2分别连接或门OR1的输入两端，OR1的输出V3连接R12的一端，R12的另一端连接电阻R14的一端和VT1的栅极，R14的另一端和VT1的源极均接Vout-，VT1的漏极连接R16的一端V4，R16的另一端连接电池正极B+，V4连接分压电阻R15的一端，R15的另一端接Vout-；V4连接VT2的栅极，VT2的源极接Vout-，VT2的漏极接电阻R18的一端，R18的另一端接VT3的栅极和R17的一端，R17的另一端接B+和VT3的源极，VT3的漏极接输出Vout+；过流、短路时输出V1高电平，欠压时输出V2高电平，经或门OR1输出高电平，VT1导通，V4低电平，VT2断开，VT3断开，Vout+断电。
所述电源电路3包括电池，稳压芯片U4、U5。
电池正极B+连接稳压芯片U4的1引脚，U4的2引脚输出Vcc，连接U5的1引脚，U4的3引脚（GND引脚）接B-；U5的2引脚输出为基准电压Vref，U5的3引脚（GND引脚）接B-，Vcc与Vref为系统供电；电池负极B-与输出Vout-之间连接有采样电阻R13，采样电阻R13所属的的电流采样保持电路对电池输出电流进行采样，当出现过流或短路时，输出高电平V1；电池正负极连接分压电阻，电池欠压时，分压电阻所属的欠压保护电路输出高电平V2；电流采样保持电路输出V1和欠压保护电路输出V2分别连接电池输出控制电路的或门OR1，当出现过流、短路或欠压时，或门OR1输出高电平控制N沟道MOS管VT1导通、N沟道MOS管VT2断开、P沟道MOS管VT3断开，电池输出控制电路输出端正极Vout+断电，实现电池故障保护。
当电池输出过流或短路故障发生时，输出电流巨大，流经采样电阻R13的电流大，转换为R13两端的高电压，电压信号经过运放U1后被放大，与运放U2的基准电压Vref进行比较，大于Vref时会触发过流短路保护，运放U2输出高电平，二极管VD1导通，U2输出保持高电平，经限流电阻R6和稳压管VD2稳压后输出高电平V1。
当电池输出欠压故障发生时，电池经电阻R7和R8分压，由C1电容滤除干扰并进行迟滞检测，电压低于运放U3的正极基准电压Vref时，运放U3输出高电平，若此时欠压振荡，由于U3输出高电平与R9、R10分压，将提高欠压比较基准，保证欠压开通滞回区间有效，U3输出高电平经限流电阻R11和稳压管VD3稳压后输出高电平V2。
V1和V2连接电池输出控制电路中或门OR1的两个输入引脚，OR1输出高电平V3，V3经过限流电阻R12，驱动N沟道MOS管VT1导通，则VT1的漏极V4与Vout-导通，V4为低电平，使得N沟道MOS管VT2关断，VT2的漏极断开，电池B+无法通过电阻R17和R18分压，P沟道MOS管VT3断开，电池不输出，Vout+断电，从而保护电池故障损坏。
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。

Claims (5)

1.一种适用于电力产品的电池过流欠压保护电路，其特征在于，包括电源电路、电流采样保持电路、欠压保护电路和电池输出控制电路；
电源电路连接电池输出控制电路，电池输出控制电路分别连接电流采样保持电路与欠压保护电路；
电源电路包括电池，稳压芯片U4、U5；
电流采样保持电路包括采样电阻R13；
电池输出控制电路包括或门OR1，N沟道MOS管VT1，N沟道MOS管VT2，P沟道MOS管VT3；
欠压保护电路包括分压电阻R7、R8；
电池正极B+连接稳压芯片U4的1引脚，U4的2引脚输出Vcc，连接U5的1引脚，U4的3引脚接B-；U5的2引脚输出为基准电压Vref，U5的3引脚接B-，Vcc与Vref为系统供电；电池负极B-与输出Vout-之间连接有采样电阻R13，采样电阻R13所属的电流采样保持电路对电池输出电流进行采样，当出现过流或短路时，输出高电平V1；电池正负极连接分压电阻，电池欠压时，分压电阻所属的欠压保护电路输出高电平V2；电流采样保持电路输出V1和欠压保护电路输出V2分别连接电池输出控制电路的或门OR1，当出现过流、短路或欠压时，或门OR1输出高电平控制N沟道MOS管VT1导通、N沟道MOS管VT2断开、P沟道MOS管VT3断开，电池输出控制电路输出端正极Vout+断电，实现电池故障保护。
2.根据权利要求1所述的一种适用于电力产品的电池过流欠压保护电路，其特征在于，所述电流采样保持电路还包括运算放大器U1，运算放大器U2，二极管VD1，稳压二级管VD2，反馈放大电阻R1、R2、R3、R4，限流电阻R5、R6；
采样电阻R13的两端分别连接电池负极B-和电路输出负极Vout-，Vout-连接电阻R1的一端，R1的另一端接运算放大器U1的正极和R3的一端，R3的另一端连接B-，B-连接电阻R2的一端，R2的另一端连接运算放大器U1的负极和R4的一端，R4的另一端连接U1的输出端和电阻R5的一端，构成电流采样电路，检测电池输出电流并将其转换为放大后的、与设定电压反向的电压信号输出；
电阻R5的另一端连接运算放大器U2的正极，U2的负极连接Vref，二极管VD1的阳极和阴极分别连接U1的输出和正极，U1输出连接电阻R6的一端，另一端连接稳压二级管VD2的阴极V1，VD2的阳极接Vout-，组成故障保持电路，U1输出的高电平高于Vref，U2保持输出高电平。
3.根据权利要求1所述的一种适用于电力产品的电池过流欠压保护电路，其特征在于，所述欠压保护电路还包括分压电阻R9、R10，限流电阻R11，迟滞电容C1，运算放大器U3，稳压二级管VD3；
电池正极B+连接上分压电阻R7的一端，R7的另一端连接下分压电阻R8的一端，同时连接迟滞电容C1的一端和运算放大器U3的负极，R8的另一端和C1的另一端接电池负极B-，构成电池电压分压检测电路；
电阻R9两端分别接参考基准电压Vref和运算放大器U3的正极，电阻R10两端分别接U3的正极和输出，构成欠压设定阈值比较电路；
欠压发生时，检测分压低于Vref，运算放大器U3输出高电平，U3的输出连接电阻R11，R11另一端接稳压二级管VD3的阴极钳位，VD3的另一端接Vout-，输出V2。
4.根据权利要求1所述的一种适用于电力产品的电池过流欠压保护电路，其特征在于，所述电池输出控制电路还包括分压电阻R12、R14、R15、R16、R17、R18；
电流采样保持电路输出V1和欠压保护电路输出V2分别连接或门OR1的输入两端，OR1的输出V3连接R12的一端，R12的另一端连接电阻R14的一端和VT1的栅极，R14的另一端和VT1的源极均接Vout-，VT1的漏极连接R16的一端V4，R16的另一端连接电池正极B+，V4连接分压电阻R15的一端，R15的另一端接Vout-；V4连接VT2的栅极，VT2的源极接Vout-，VT2的漏极接电阻R18的一端，R18的另一端接VT3的栅极和R17的一端，R17的另一端接B+和VT3的源极，VT3的漏极接输出Vout+；过流、短路时输出V1高电平，欠压时输出V2高电平，经或门OR1输出高电平，VT1导通，V4低电平，VT2断开，VT3断开，Vout+断电。
5.根据权利要求1所述的一种适用于电力产品的电池过流欠压保护电路，其特征在于，所述采样电阻R13的取值范围为2~4毫欧。
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