CN115085144A - 一种基于电流检测的供电输出过流保护电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电流检测的供电输出过流保护电路及方法，连接在供电输出电路上的电流采样电阻、输出MOS，电流采样电路，比较输出电路和驱动电路；电流采样电路用于采集通过所述电流采样电阻的实际工作电流，并基于所述实际工作电流和预设的电流阈值调节输出至比较输出电路的输出电压；比较输出电路通过比较所述输出电压和预设的电压阈值，来控制驱动电路输入端的通断，驱动电路基于输入端的通断控制所述输出MOS通断，即供电输出电路的通断。本发明电路结构简单，采用纯硬件控制，响应速度快，可靠性高。

Description

一种基于电流检测的供电输出过流保护电路及方法
技术领域
本发明属于电动汽车电池管理系统(BMS)领域，具体涉及一种基于电流检测的供电输出过流保护电路及方法。
背景技术
BMS行业的DV试验主要工作是对前期设计的结构、材料、功能、性能等等进行综合评估，同时暴露设计过程中的问题点，并进行相应的整改来支持TG2数据的制作及后期模具件的开发。
DV试验要求所有输出接口必须满足对电源和对地短路测试，对于诸如继电器控制输出或者供电输出的接口，必须增加过流保护电路才能满足DV试验要求，由于对地短路瞬间电流较大，如果不能及时断开输出，可能会损坏回路上的主要器件。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种纯硬件控制的过流保护电流，电流保护阈值可配置，且响应时间短，不会损坏器件的基于电流检测的供电输出过流保护电路及方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种基于电流检测的供电输出过流保护电路，包括；
连接在供电输出电路上的电流采样电阻、输出MOS；
电流采样电路，采集通过所述电流采样电阻的实际工作电流，并基于所述实际工作电流和预设的电流阈值调节输出至比较输出电路的输出电压；
比较输出电路，通过比较所述输出电压和预设的电压阈值，来控制驱动电路输入端的通断；
驱动电路，基于输入端的通断控制所述输出MOS通断，即供电输出电路的通断。
作为本发明的进一步优化方案，所述电流采样电路中包括取样电阻，所述电流采样电路通过比较所述实际工作电流和预设的电流阈值来调节所述取样电阻的阻值，进而调节所述输出电压，其中电流阈值为多个且每个电流阈值对应有取样电阻的不同阻值；
所述比较输出电路中包括基准电压芯片U1和三极管，所述基准电压芯片U1基于电压阈值和所述输出电压，导通三极管，所述电压阈值为所述基准电压芯片U1的基准脚电压；
所述驱动电路中包括MOS管，所述MOS管在三极管的控制下，关断所述输出MOS。
作为本发明的进一步优化方案，所述电流采样电路包括R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、PNP对管Q2、三极管Q3、电容C1和ADC采样电路，所述R1和R6为所述取样电阻；
所述R1、R2输入端连接于电流采样电阻Rs的两端电路上，输出端通过PNP对管Q2与R3、R4连接，所述R3、R4输出端通过R5后接地；
所述三极管Q3的E级与R1输出端连接，B级与PNP对管Q2连接，C级一路通过R6后接地，C级另一路通过R7和电容C1后接地；
所述ADC采样电路连接于电容C1两端，用于采集电容C1的两端电压。
作为本发明的进一步优化方案，所述实际工作电流Is的计算公式为：
Figure BDA0003747881400000031
其中，u为所述ADC采样电路采集的电容C1的两端电压，也为所述电流采样电路的输出电压。
作为本发明的进一步优化方案，所述比较输出电路包括基准电压芯片U1、R8、R9、R11、三极管Q5；
所述基准电压芯片U1输入端连接电流采样电路(具体连接R7)，输出端通过R9连接三极管Q5，所述基准电压芯片U1输出端还通过R8连接电源VCC；
所述三极管Q5的B级与R9连接，C级通过R11后接地；
所述三极管Q4的C级与R9连接，E级接地。
作为本发明的进一步优化方案，所述比较输出电路还包括三极管Q4，所述三极管Q4的C级与R9连接，E级接地，B级与所述三极管Q5的C级连接。
作为本发明的进一步优化方案，所述驱动电路包括R10、R12、R14、MOS管Q6；
所述R10一端连接比较输出电路(具体连接Q5的E级)，另一端连接电源VCC；
所述R12一端连接比较输出电路(具体连接Q5的E级)，另一端分成两路，一路接地，另一路与MOS管Q6连接；
所述MOS管Q6一端接地，另一端通过R14与输出MOS连接。
作为本发明的进一步优化方案，所述驱动电路还包括R13和稳压管D1，所述R13和稳压管D1并联，所述R13和稳压管D1一端与R14输出端连接，另一端连入电流采样电阻和输出MOS之间的供电输出电路上。
一种采用上述供电输出过流保护电路进行过流保护的方法，包括以下步骤：
S1.利用ADC采样电路采集电容C1的两端电压u，即电流采样电路的输出电压，并采用下述公式计算出实际工作电流Is：
Figure BDA0003747881400000041
S2.比较所述实际工作电流Is和预设的电流阈值，确定出实际工作电流Is对应的电流采样电路中取样电阻的待调节阻值，基于该待调节阻值调节所述取样电阻，得到输出电压u’；
S3.当输出电压u’大于电压阈值时，基准电压芯片U1导通，三极管Q5随之导通，使MOS管Q6关断，从而MOS管Q1关断，供电输出电路关闭。
作为本发明的进一步优化方案，步骤S3中，当三极管Q5导通后，三极管Q4随之导通，将MOS管Q6的GS端电压钳位连接在三极管Q5的BE端，使得MOS管Q6处于关断状态。
本发明的有益效果在于：
1)本发明过流保护电路结构简单，采用纯硬件控制，响应速度快，可靠性高；
2)本发明过流保护电路可以用在供电输出电路，提供过流保护功能，尤其是在BMS的继电器输出电路，要求输出满足对地短路保护功能。
附图说明
图1是本发明的整体控制框图。
图2是本发明的整体电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。
实施例1
如图1-2所示，一种基于电流检测的供电输出过流保护电路，包括电流采样电阻、电流采样电路、比较输出电路、驱动电路和输出MOS；
所述电流采样电阻和输出MOS串联在供电输出电路上，IN为输入端，OUT为输出；
所述电流采样电路两端连接在电流采样电阻的两端，用于采集所述供电输出电路上的实际工作电流，并基于所述实际工作电流和预设的电流阈值调节电流采样电路的输出电压；
具体的，所述电流采样电路中包括取样电阻，所述电流采样电路通过比较所述实际工作电流和预设的电流阈值来调节所述取样电阻的阻值，进而调节所述输出电压，其中电流阈值为多个且每个电流阈值对应有取样电阻的不同阻值，当实际工作电路达到某个电流阈值时，可以通过DV试验显示设备显示实际工作电路、电流阈值及该电流阈值对应的取样电阻阻值，通过该阻值即可对取样电阻的电阻进行调整，取样电阻为可调电阻，调整方式可为手动调节或是自动调节，具体可采用电位器调节；
所述比较输出电路输入端与电流采样电路连接，输出端与驱动电路连接，用于通过比较所述输出电压和预设的电压阈值，控制所述驱动电路；具体的所述比较输出电路中包括基准电压芯片U1和三极管，所述基准电压芯片U1基于电压阈值和所述输出电压，导通三极管，所述电压阈值为所述基准电压芯片U1的基准脚电压，在这里为2.5V；
所述驱动电路输出端与输出MOS连接，用于在比较输出电路的控制下通断所述输出MOS；具体的所述驱动电路中包括MOS管，所述MOS管在三极管的控制下，关断所述输出MOS。
需要说明的是，在车辆DV试验时，不同的车辆过流保护阈值不同，因此为适应不同的车辆试验，在过流保护电路中，先采用电流采样电路对实际工作电流进行采集，将实际工作电流与预设的电流阈值进行对比，不同的电流阈值对应不同阻值的取样电阻，这样就能够在实际工作电流采集到之后，调节取样电阻的阻值；
取样电阻调节完成之后，电流采样电路的输出电压就会发生改变，这样，当输出电压大于电压阈值，即基准电压芯片U1的基准脚电压时，基准电压芯片U1导通，三极管导通，MOS管关断，实现了输出MOS的关断，整个供电输出电路断开，进行过流保护。
其中，
所述电流采样电路包括R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、PNP对管Q2、三极管Q3、电容C1和ADC采样电路，所述R1和R6为取样电阻；
所述R1、R2输入端连接于电流采样电阻Rs的两端电路上，输出端通过PNP对管Q2与R3、R4连接，所述R3、R4输出端通过R5后接地；
所述三极管Q3的E级(发射极)与R1输出端连接，B级(基极)与PNP对管Q2连接，C级(集电极)一路通过R6后接地，C级另一路通过R7和电容C1后接地；
所述ADC采样电路连接于电容C1两端，用于采集电容C1的两端电压；
电流采样电路中，Q2为PNP对管，其参数一致性好，可保证电流采集的精度，Q3为PNP三极管，R6为取样电阻，其两端电压与电流采样电阻Rs上电流成线性关系，对应关系为：
Figure BDA0003747881400000071
其中，R7、C1为电流采样滤波电路，C1的两端电压与R6两端电压相同，因此u为所述ADC采样电路采集的电容C1的两端电压，也为所述电流采样电路的输出电压，通过ADC采样C1两端电压即可以得到电路实际工作电流。
所述比较输出电路包括基准电压芯片U1、R8、R9、R11、三极管Q5；
所述基准电压芯片U1输入端连接R7，基准电压芯片U1在这里作为电压比较器用，输出端通过R9连接三极管Q5，所述基准电压芯片U1输出端还通过R8连接电源VCC；
所述三极管Q5的B级与R9连接，C级通过R11后接地；
所述三极管Q4的C级与R9连接，E级接地。
所述比较输出电路还包括三极管Q4，所述三极管Q4的C级与R9连接，E级接地，B级与所述三极管Q5的C级连接。
作为本发明的进一步优化方案，所述驱动电路包括R10、R12、R14、MOS管Q6；
所述R10一端连接Q5的E级，另一端连接电源VCC；
所述R12一端连接Q5的E级，另一端分成两路，一路接地，另一路与MOS管Q6连接；
所述MOS管Q6一端接地，另一端通过R14与输出MOS连接。
所述驱动电路还包括R13和稳压管D1，所述R13和稳压管D1并联，所述R13和稳压管D1一端与R14输出端连接，另一端连入电流采样电阻和输出MOS之间的供电输出电路上。
一种采用上述供电输出过流保护电路进行过流保护的方法，包括以下步骤：
S1.利用ADC采样电路采集电容C1的两端电压u，即电流采样电路的输出电压，并采用下述公式计算出实际工作电流Is：
Figure BDA0003747881400000091
S2.比较所述实际工作电流Is和预设的电流阈值，确定出实际工作电流Is对应的电流采样电路中取样电阻的待调节阻值，基于该待调节阻值调节所述取样电阻R1和R6，得到输出电压u’；例如当需要得到保护电流Is为3A，u为基准电压芯片U1的基准电压2.5V，Rs为取样电阻0.1Ω，所以可以取R1＝1k,那么R6＝2.5/(3*0.1)＝8.33k。
S3.当输出电压u’大于电压阈值时，即输出电压u’大于基准电压芯片U1的基准脚电压2.5V时，基准电压芯片U1导通，三极管Q5随之导通，使MOS管Q6关断，从而MOS管Q1关断，供电输出电路关闭。
步骤S3中，当三极管Q5导通后，三极管Q4随之导通，将MOS管Q6的GS端(G脚为接地端，S脚为源极)电压钳位连接在三极管Q5的BE端，使得MOS管Q6处于关断状态；
所以输出过流之后，Is降为0，不会出现再次闭合MOS管Q1的情况，只有当Vcc掉电后再上电，才可以再次打开MOS管Q1。
设计R6适当值，当Is达到一定值，R6上电压正好2.5V，使输出关断，达到过流保护目的。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电流检测的供电输出过流保护电路，其特征在于，包括：
连接在供电输出电路上的电流采样电阻、输出MOS；
电流采样电路，采集通过所述电流采样电阻的实际工作电流，并基于所述实际工作电流和预设的电流阈值调节输出至比较输出电路的输出电压；
比较输出电路，通过比较所述输出电压和预设的电压阈值，来控制驱动电路输入端的通断；
驱动电路，基于输入端的通断控制所述输出MOS通断，即供电输出电路的通断。
2.根据权利要求1所述的一种基于电流检测的供电输出过流保护电路，其特征在于：所述电流采样电路中包括取样电阻，所述电流采样电路通过比较所述实际工作电流和预设的电流阈值来调节所述取样电阻的阻值，进而调节所述输出电压，其中电流阈值为多个且每个电流阈值对应有取样电阻的不同阻值；
所述比较输出电路中包括基准电压芯片U1和三极管，所述基准电压芯片U1基于电压阈值和所述输出电压，导通三极管，所述电压阈值为所述基准电压芯片U1的基准脚电压；
所述驱动电路中包括MOS管，所述MOS管在三极管的控制下，关断所述输出MOS。
3.根据权利要求2所述的一种基于电流检测的供电输出过流保护电路，其特征在于：所述电流采样电路包括R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、PNP对管Q2、三极管Q3、电容C1和ADC采样电路，所述R1和R6为所述取样电阻；
所述R1、R2输入端连接于电流采样电阻Rs的两端电路上，输出端通过PNP对管Q2与R3、R4连接，所述R3、R4输出端通过R5后接地；
所述三极管Q3的E级与R1输出端连接，B级与PNP对管Q2连接，C级一路通过R6后接地，C级另一路通过R7和电容C1后接地；
所述ADC采样电路连接于电容C1两端，用于采集电容C1的两端电压。
4.根据权利要求3所述的一种基于电流检测的供电输出过流保护电路，其特征在于：所述实际工作电流Is的计算公式为：
Figure FDA0003747881390000021
其中，u为所述ADC采样电路采集的电容C1的两端电压，也为所述电流采样电路的输出电压。
5.根据权利要求4所述的一种基于电流检测的供电输出过流保护电路，其特征在于：所述比较输出电路包括基准电压芯片U1、R8、R9、R11、三极管Q5；
所述基准电压芯片U1输入端连接电流采样电路，输出端通过R9连接三极管Q5，所述基准电压芯片U1输出端还通过R8连接电源VCC；
所述三极管Q5的B级与R9连接，C级通过R11后接地；
所述三极管Q4的C级与R9连接，E级接地。
6.根据权利要求5所述的一种基于电流检测的供电输出过流保护电路，其特征在于：所述比较输出电路还包括三极管Q4，所述三极管Q4的C级与R9连接，E级接地，B级与所述三极管Q5的C级连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于电流检测的供电输出过流保护电路，其特征在于：所述驱动电路包括R10、R12、R14、MOS管Q6；
所述R10一端连接比较输出电路，另一端连接电源VCC；
所述R12一端连接比较输出电路，另一端分成两路，一路接地，另一路与MOS管Q6连接；
所述MOS管Q6一端接地，另一端通过R14与输出MOS连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于电流检测的供电输出过流保护电路，其特征在于：所述驱动电路还包括R13和稳压管D1，所述R13和稳压管D1并联，所述R13和稳压管D1一端与R14输出端连接，另一端连入电流采样电阻和输出MOS之间的供电输出电路上。
9.一种采用权利要求8所述的供电输出过流保护电路进行过流保护的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.利用ADC采样电路采集电容C1的两端电压u，即电流采样电路的输出电压，并采用下述公式计算出实际工作电流Is：
Figure FDA0003747881390000031
S2.比较所述实际工作电流Is和预设的电流阈值，确定出实际工作电流Is对应的电流采样电路中取样电阻的待调节阻值，基于该待调节阻值调节所述取样电阻，得到输出电压u’；
S3.当输出电压u’大于电压阈值时，基准电压芯片U1导通，三极管Q5随之导通，使MOS管Q6关断，从而MOS管Q1关断，供电输出电路关闭。
10.根据权利要求9所述的一种基于电流检测的供电输出过流保护方法，其特征在于：步骤S3中，当三极管Q5导通后，三极管Q4随之导通，将MOS管Q6的GS端电压钳位连接在三极管Q5的BE端，使得MOS管Q6处于关断状态。
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