CN115313345B - 一种直流电源防反接保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流电源防反接保护电路，涉及大功率电路的防反接保护，包括：防反接模块，与电源正线和负载连接，所述防反接模块包括N沟道场效应管；所述N沟道场效应管的源极与电源正线连接，漏极与负载连接；升压模块，所述升压模块的输出端与N沟道场效应管的栅极连接，用于为防反接模块提供升压后的驱动电压；低频驱动模块，所述低频驱动模块的输出端与升压模块的输入端连接，所述低频驱动模块产生低频驱动信号，用于驱动升压模块；第二二极管D2，阴极与电源负线连接；所述第二二极管D2的阳极与低频驱动模块连接；所述低频驱动模块通过第二二极管D2与电源负线连接，在保护后级负载的同时，也保护了防反接保护电路本身。

Description

一种直流电源防反接保护电路
技术领域
本发明涉及大功率电路的防反接保护，具体涉及一种直流电源防反接保护电路。
背景技术
直流电源正负线反接时，会对后级用电设备造成损坏风险，很多标准对用电设备的输入端有反极性要求，需要在用电设备输入端增加防反接保护措施。
目前较为广泛应用的防反接保护电路包括以下几种方案：
（1）在功率回路中串联功率二极管，其中功率二极管的导通压降大，随着功率的增加，二极管的损耗会加大，一方面严重影响电源的效率，另一方面二极管自身的压降所产生的发热量也随之增大，从而导致整个供电系统温度升高，各电子元件的性能下降；
（2）在电源正线上串联PMOS管进行防反接保护，PMOS管的导通电阻较大，随着电流的增加其发热量也随着增加，从而存在散热性以及能耗损失的问题，上述（1）（2）不适合应用于大电流用电设备；
（3）在防反接保护电路中采用驱动电路，该驱动电路在电源正接时产生升压驱动信号，导通电源正线上的NMOS管，通过NMOS管给后级负载供电；电源反接时不能通过NMOS管给后级负载供电，保护后级负载，但此时的驱动电路面临被反向电压损坏的风险，即电源反接时，后级负载被保护了，但防反接保护电路本身没有被保护。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是既可以保护后级负载，又可以保护防反接保护电路本身，目的在于提供一种直流电源防反接保护电路，实现保护后级负载的同时，对防反接保护电路本身也进行保护，避免电源反接时，防反接保护电路本身被反向电压损坏。
本发明通过下述技术方案实现：
一种直流电源防反接保护电路，包括：
防反接模块，与电源正线和负载连接，上述防反接模块包括N沟道场效应管和体二极管，上述体二极管的阳极与N沟道场效应管的源极连接，上述体二极管的阴极与N沟道场效应管的漏极连接；
上述N沟道场效应管的源极与电源正线连接，上述N沟道场效应管的漏极与负载连接；
升压模块，上述升压模块的输出端与N沟道场效应管的栅极连接，用于为防反接模块提供升压后的驱动电压；
低频驱动模块，上述低频驱动模块的输出端与升压模块的输入端连接，上述低频驱动模块产生低频驱动信号，用于驱动升压模块；
第二二极管D2，上述第二二极管D2的阴极与电源负线连接；上述第二二极管D2的阳极与低频驱动模块连接；
上述低频驱动模块通过第二二极管D2与电源负线连接。
与上述N沟道场效应管的源极和漏极并联的体二极管连接于电源正线和负载之间，上述体二极管的阳极与N沟道场效应管的源极连接，上述体二极管的阴极与N沟道场效应管的漏极连接，根据上述N沟道场效应管的源极与电源正线连接，上述N沟道场效应管的漏极与负载连接，可知，上述体二极管的阳极与电源正线连接，上述体二极管的阴极与负载连接，当电源正接时，升压模块的驱动电压驱动N沟道场效应管导通，上述体二极管被旁路，电流以极低的损耗从N沟道场效应管的源极流向N沟道场效应管的漏极；当电源反接时，体二极管处于截止状态，电流无法从上述体二极管的阴极流向阳极，不让电流流过母线，因没有电流流过母线，电容两端没有电压，上述N沟道场效应管也处于截止状态，没有电流流过后级负载，用于保护后级负载；
上述第二二极管D2的阳极与低频驱动模块连接，当电源正接，低频驱动模块产生低频驱动信号驱动升压模块，电流从上述第二二极管D2的阳极流向阴极，上述第二二极管D2导通；当电源反接时，上述第二二极管D2截止，电流无法从上述第二二极管D2的阴极流向阳极，不让电流流过低频驱动模块，避免反向电压损坏低频驱动模块，保护了低频驱动模块，使该防反接保护电路在保护后级负载的同时，对防反接保护电路本身也进行了保护，解决了电源反接时，防反接保护电路本身被反向电压损坏的问题。
进一步的，上述升压模块与电源正线连接，上述升压模块需要接收到低频驱动模块发送的低频驱动信号后才能与电源负线形成连接关系，从而形成回路，在上述升压模块未接收到低频驱动信号时，该升压模块的电阻为无穷大，不会有电流流过，在上述升压模块接收到低频驱动信号后，上述升压模块接地，形成回路，电流流过上述升压模块，进而为防反接模块提供升压后的驱动电压。
进一步的，上述升压模块包括：
第一二极管D1，
电感，一端与上述电源正线连接，另一端与第一二极管D1的阳极连接；
电容，一端与上述第一二极管D1的阴极连接，另一端与电源正线连接；
开关，一端与连接上述电感和第一二极管D1的导线连接，另一端与低频驱动模块连接。
电源正接，闭合上述开关，电源正极与负极接通，上述电感开始充电，与电源正线连接的一端为正，与第一二极管D1阳极连接的一端为负，第一二极管D1截止；
打开上述开关，上述电感开始放电，与电源正线连接的一端为负，与第一二极管D1阳极连接的一端为正，第一二极管D1导通，电源与电感为电容充电。
进一步的，上述防反接模块还包括稳压管，上述稳压管的两端分别连接N沟道场效应管的源极和栅极。
上述稳压管与N沟道场效应管的源极和栅极并联，用于钳位输入N沟道场效应管栅极的电压，避免输入电压远大于上述N沟道场效应管的栅极导通电压，以此损坏上述N沟道场效应管。
进一步的，上述电容的两端分别连接N沟道场效应管的源极和栅极，上述电容两端的电压作为N沟道场效应管栅极的输入电压，用于导通N沟道场效应管。
进一步的，上述稳压管的阳极与N沟道场效应管的源极连接，上述稳压管的阴极连接至N沟道场效应管的栅极。
进一步的，上述低频驱动模块用于设定开关频率和占空比，根据上述开关频率和占空比产生低频驱动信号，周期性的产生低频驱动信号。
进一步的，上述低频驱动模块的输出端与开关连接，上述低频驱动模块产生低频驱动信号，控制上述开关的通断。
上述低频驱动模块周期性的产生低频驱动信号，使开关周期性的执行通断操作，为电容充电，维持电容两端的电压，用于持续导通N沟道场效应管。
进一步的，上述低频驱动模块的一端通过第二二极管D2与电源负线连接，另一端与电源正线直接连接，用于在电源正接时，电源、第二二极管D2和低频驱动模块形成回路，为低频驱动模块供电，产生低频驱动信号。
在电源反接时，第二二极管D2截止，电流不能通过第二二极管D2，使电源、第二二极管D2和低频驱动模块不能形成回路，电源无法为低频驱动模块供电，此时没有电流流过低频驱动模块，保护了低频驱动模块；
因低频驱动模块不工作，无法产生低频驱动信号，使上述升压模块无法接地形成回路，N沟道场效应管不能被导通，保护了后级负载。
进一步的，上述防反接模块包括一个N沟道场效应管或多个N沟道场效应管；当上述防反接模块包括多个N沟道场效应管，上述N沟道场效应管相互并联。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
与上述N沟道场效应管的源极和漏极并联的体二极管连接于电源正线和负载之间，上述体二极管的阳极与N沟道场效应管的源极连接，上述体二极管的阴极与N沟道场效应管的漏极连接，根据上述N沟道场效应管的源极与电源正线连接，上述N沟道场效应管的漏极与负载连接，可知，上述体二极管的阳极与电源正线连接，上述体二极管的阴极与负载连接，当电源正接时，升压模块的驱动电压驱动N沟道场效应管导通，上述体二极管被旁路，电流以极低的损耗从N沟道场效应管的源极流向N沟道场效应管的漏极；当电源反接时，体二极管处于截止状态，电流无法从上述体二极管的阴极流向阳极，不让电流流过母线，因没有电流流过母线，电容两端没有电压，上述N沟道场效应管也处于截止状态，没有电流流过后级负载，用于保护后级负载；上述N沟道场效应管的导通电阻小，相较于P沟道场效应管降低了导通损耗，适用于大电流用电设备；
上述第二二极管D2的阳极与低频驱动模块连接，当电源正接，低频驱动模块产生低频驱动信号驱动升压模块，电流从上述第二二极管D2的阳极流向阴极，上述第二二极管D2导通；当电源反接时，上述第二二极管D2截止，电流无法从上述第二二极管D2的阴极流向阳极，不让电流流过低频驱动模块，避免反向电压损坏低频驱动模块，保护了低频驱动模块，使该防反接保护电路在保护后级负载的同时，对防反接保护电路本身也进行了保护，解决了电源反接时，防反接保护电路本身被反向电压损坏的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为实施例1提供的连接框图；
图2为实施例1提供的电路图；
图3为实施例2提供的电路图；
图4为实施例2提供的多个N沟道场效应管并联时的电路图；
图5为实施例3提供的仿真结果示意图；
图6为实施例4提供的仿真结果示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
11-电源正线，12-电源负线，20-防反接模块，30-升压模块，40-负载，41-低频驱动模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例1提供一种直流电源防反接保护电路，如图1和图2所示，包括：
防反接模块20，与电源正线11和负载40连接，上述防反接模块20包括N沟道场效应管和体二极管，上述体二极管的阳极与N沟道场效应管的源极连接，上述体二极管的阴极与N沟道场效应管的漏极连接；
上述N沟道场效应管的源极与电源正线11连接，上述N沟道场效应管的漏极与负载40连接；
升压模块30，上述升压模块30与电源正线11连接，上述升压模块30的输出端与N沟道场效应管的栅极连接，用于为防反接模块20提供升压后的驱动电压，在电源正接时正常工作，在电源反接时不工作；
低频驱动模块41，上述低频驱动模块41的输出端与升压模块30的输入端连接，上述低频驱动模块41产生低频驱动信号，用于驱动升压模块30；
第二二极管D2，上述第二二极管D2的阴极与电源负线12连接；上述第二二极管D2的阳极与低频驱动模块41连接；
上述低频驱动模块41通过第二二极管D2与电源负线12连接。
与上述N沟道场效应管的源极和漏极并联的体二极管连接于电源正线11和负载40之间，上述体二极管的阳极与N沟道场效应管的源极连接，上述体二极管的阴极与N沟道场效应管的漏极连接，根据上述N沟道场效应管的源极与电源正线11连接，上述N沟道场效应管的漏极与负载40连接，可知，上述体二极管的阳极与电源正线11连接，上述体二极管的阴极与负载40连接，当电源正接时，体二极管处于导通状态，电流从上述体二极管的阳极流向阴极， 若N沟道场效应管被导通，则体二极管被旁路；当电源反接时，体二极管处于截止状态，电流无法从上述体二极管的阴极流向阳极，不让电流流过母线，因没有电流流过母线，电容两端没有电压，上述N沟道场效应管也处于截止状态，没有电流流过后级负载40，用于保护后级负载40；
上述第二二极管D2的阳极与低频驱动模块41连接，当电源正接，低频驱动模块41产生低频驱动信号驱动升压模块30，电流从上述第二二极管D2的阳极流向阴极，上述第二二极管D2导通；当电源反接时，上述第二二极管D2截止，电流无法从上述第二二极管D2的阴极流向阳极，不让电流流过低频驱动模块41，避免反向电压损坏低频驱动模块41，保护了低频驱动模块41，使该防反接保护电路在保护后级负载40的同时，对防反接保护电路本身也进行了保护，解决了电源反接时，防反接保护电路本身被反向电压损坏的问题。
具体的实施例，如图2所示，上述升压模块30包括：
第一二极管D1，
电感，一端与上述电源正线11连接，另一端与第一二极管D1的阳极连接；
电容，一端与上述第一二极管D1的阴极连接，另一端与电源正线11连接；
开关，一端与连接上述电感和第一二极管D1的导线连接，另一端与低频驱动模块41连接。
电源正接，闭合上述开关，电源正极与负极接通，上述电感开始充电，与电源正线11连接的一端为正，与第一二极管D1阳极连接的一端为负，第一二极管D1截止；
打开上述开关，上述电感开始放电，与电源正线11连接的一端为负，与第一二极管D1阳极连接的一端为正，第一二极管D1导通，电源与电感为电容充电，电容两端的电压在电源输入电压的基础上抬高。
具体的实施例，上述电容并联于N沟道场效应管的源极和栅极。
上述电容两端的电压作为N沟道场效应管栅极的输入电压，当电容两端的电压高于N沟道场效应管的导通门槛电压时，N沟道场效应管被导通。
实施例2
如图3所示，上述防反接模块20还包括稳压管，上述稳压管并联于N沟道场效应管的源极和栅极，上述稳压管的阳极与N沟道场效应管的源极连接，上述稳压管的阴极连接至N沟道场效应管的栅极。
上述稳压管用于钳位电容两端的电压，避免上述电容两端的电压远大于N沟道场效应管的栅极导通电压，以此损坏上述N沟道场效应管。
具体的实施例，上述低频驱动模块41用于设定开关频率和占空比，根据上述开关频率和占空比产生低频驱动信号，上述低频驱动模块41的输出端与开关连接，上述低频驱动模块41产生低频驱动信号，控制上述开关的通断。
上述开关以固定的开关频率和占空比实现导通和关断，周期性地为电容充电，维持电容两端的电压，用于持续导通N沟道场效应管；
上述电感、开关和第一二极管D1组成的负载电阻小，上述N沟道场效应管的驱动电流为该负载电阻的电流，所以上述开关以极低的开关频率和极小的占空比工作，不会带来高频电磁干扰。
具体的实施例，上述低频驱动模块41的一端通过第二二极管D2与电源负线12连接，另一端与电源正线11直接连接，用于在电源正接时，电源、第二二极管D2和低频驱动模块41形成回路，为低频驱动模块41供电，产生低频驱动信号。
在电源反接时，第二二极管D2截止，电流不能通过第二二极管D2，使电源、第二二极管D2和低频驱动模块41不能形成回路，电源无法为低频驱动模块41供电，此时没有电流流过低频驱动模块41，保护了低频驱动模块41；
因低频驱动模块41不工作，无法产生低频驱动信号，使上述升压模块30无法接地形成回路，N沟道场效应管不能被导通，保护了后级负载40。
因上述电感、开关和第一二极管D1组成的负载电阻小，电感、第一二极管D1、第二二极管D2和开关的通流要求较低，可选择封装较小的器件，提高集成度。
具体的实施例，如图4所示，上述防反接模块20包括一个N沟道场效应管或多个并联的N沟道场效应管，根据通流能力及功耗确定N沟道场效应管的数量，该方式为现有技术，此处不再赘述。
具体的实施例，上述N沟道场效应管采用导通电阻极小的NMOS，例如PJD40N0440A40V，降低导通损耗。
具体的实施例，将上述开关、第一二极管D1、第二二极管D2和低频驱动模块41集成在同一芯片中，进一步提高集成度。
实施例3
上述低频驱动模块41采用555系列芯片，不但可以调节频率，还可以调节占空比，占空比设置越小，其电磁干扰就越低，但应注意电感的峰值电流及开关的最小导通时间的限制。
对本发明的防电源反接保护电路进行仿真，采用28V直流电源，在低频驱动模块41将开关频率设置为1KHZ，导通占空比为0.1。
如图5所示，Vsw为电感与第一二极管D1阳极之间的电压波形，Vd为升压模块30的输出波形，即N沟道场效应管的驱动波形，I L 为电感电流波形。
电源正接时，闭合上述开关后，Vsw为低电平，电感电流I L 线性上升；
断开上述开关后，Vsw电压为电源输入电压与电感的反向电压之和，电感电流I L 线性下降，输入电源与电感共同为电容充电，电容两端的电压被稳压管钳位，故N沟道场效应管的驱动电压被钳位稳压。
实施例4
采用28V直流电源，在低频驱动模块41将开关频率设置为1KHZ，导通占空比为0.025，如图6所示，与实施例3相比，保持上述开关的开关频率不变，降低其导通占空比，可以减小电感电流I L 的峰值，但N沟道场效应管的驱动电压仍保持稳定，可以驱动正线上的N沟道场效应管正常导通。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种直流电源防反接保护电路，其特征在于，包括：
防反接模块(20)，与电源正线(11)和负载(40)连接，所述防反接模块(20)包括N沟道场效应管和体二极管，所述体二极管的阳极与N沟道场效应管的源极连接，所述体二极管的阴极与N沟道场效应管的漏极连接；
所述N沟道场效应管的源极与电源正线(11)连接，所述N沟道场效应管的漏极与负载(40)连接；
升压模块(30)，所述升压模块(30)的输出端与N沟道场效应管的栅极连接，用于为防反接模块(20)提供升压后的驱动电压；
低频驱动模块(41)，所述低频驱动模块(41)的输出端与升压模块(30)的输入端连接，所述低频驱动模块(41)产生低频驱动信号，用于驱动升压模块(30)；
第二二极管D2，所述第二二极管D2的阴极与电源负线(12)连接；所述第二二极管D2的阳极与低频驱动模块(41)连接；
所述低频驱动模块(41)通过第二二极管D2与电源负线(12)连接；
所述升压模块(30)与电源正线(11)连接；
所述升压模块(30)包括：
第一二极管D1，
电感，一端与所述电源正线(11)连接，另一端与第一二极管D1的阳极连接；
电容，一端与所述第一二极管D1的阴极连接，另一端与电源正线(11)连接；
开关，一端与连接所述电感和第一二极管D1的导线连接，另一端与低频驱动模块(41)连接。
2.根据权利要求1所述的一种直流电源防反接保护电路，其特征在于，所述防反接模块(20)还包括稳压管，所述稳压管的两端分别连接N沟道场效应管的源极和栅极。
3.根据权利要求2所述的一种直流电源防反接保护电路，其特征在于，所述电容的两端分别连接N沟道场效应管的源极和栅极。
4.根据权利要求2所述的一种直流电源防反接保护电路，其特征在于，所述稳压管的阳极与N沟道场效应管的源极连接，所述稳压管的阴极连接至N沟道场效应管的栅极。
5.根据权利要求1所述的一种直流电源防反接保护电路，其特征在于，所述低频驱动模块(41)用于设定开关频率和占空比，根据所述开关频率和占空比产生低频驱动信号。
6.根据权利要求5所述的一种直流电源防反接保护电路，其特征在于，所述低频驱动模块(41)的输出端与开关连接，所述低频驱动模块(41)产生低频驱动信号，控制所述开关的通断。
7.根据权利要求1所述的一种直流电源防反接保护电路，其特征在于，所述低频驱动模块(41)的一端通过第二二极管D2与电源负线(12)连接，另一端与电源正线(11)直接连接，用于在电源正接时，电源、第二二极管D2和低频驱动模块(41)形成回路，为低频驱动模块(41)供电。
8.根据权利要求1所述的一种直流电源防反接保护电路，其特征在于，所述防反接模块(20)包括一个N沟道场效应管或多个N沟道场效应管；当所述防反接模块(20)包括多个N沟道场效应管，所述N沟道场效应管相互并联。
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