CN115800717B - 一种带保护关断功能的防反接直流输入缓启动电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带保护关断功能的防反接直流输入缓启动电路和方法，电路包括防反接电路、直通旁路、保护电路、驱动控制电路和防浪涌电流缓启动电路；防反接电路在输入电压反接的情况下断开；防浪涌电流缓启动电路与直通旁路并联连接，防浪涌电流缓启动电路在输入电压正常情况下，对直流输入端口处的储能器件进行预充电，且在储能器件充电达到预设值时，驱动直流旁路导通以使后级电路正常供电；保护电路在监测到故障时，通过控制电路控制关断直通旁路和防浪涌电流缓启动电路的驱动，使得输入电压与后级电路断开。本发明在发生过欠压、过流、过热等故障需要保护关断时，可控制缓启动电路和直通旁路同时断开，从而断开主回路，提高了设备的可靠性。

Description

一种带保护关断功能的防反接直流输入缓启动电路和方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体涉及一种带保护关断功能的防反接直流输入缓启动电路和方法。

背景技术

通常，电子设备的电源在直流输入端口处会使用容量不等的电容，在突然施加电压或者开机的时候会产生很大的冲击电流，给前端供电设备、该电子设备输入端熔丝的选型及器件的可靠性造成了一定的影响。机载设备环境条件和试验标准RTCA/DO-160各版本对于当电压突然施加到设备时产生的冲击电流峰值，都有明确限值要求。为了克服该冲击电流，需要为电子设备电源的直流输入端配备适当的防反接和缓启动保护电路。

目前，在现有的直流电源输入防反接和缓启动保护电路中，通常采用两个MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化层-半导体-场效晶体管)Q1和Q2实现防反接和缓启动功能。如图1所示，其中，Q2起到防反接的作用，刚上电的时候靠其体内二极管导通，正常上电以后，R4、R5和ZD2给Q2的GS极产生正向压降，管子打开，减小其体内二极管的正向压降产生的损耗。Q1起到缓启动的作用，由R2对C1缓慢充电，Q1的GS极电压缓慢上升，相当于一个可变电阻，对输入电流起到限制的作用。当发生过压或者欠压时，过欠压保护电路驱动光耦OC1，使得光耦副边CE导通，将Q1的GS极电压拉低，起到过欠压保护关断作用，保护后级DC输入转换器的直流输入端不被高压损坏或者不工作在不稳定的欠压状态。然而，由于其工作在MOSFET的线性区，因此通常上述方案需采用额定电压和额定电流较大的MOSFET封装，性价比较低，且若C2电容容量较大，输入电压较大的情况下，该MOSFET极易短时损耗过大，热量来不及散出，超过其安全工作区而发生损坏或者减少寿命。

为了解决上述现有技术中MOSFET极易短时损耗过大，容易发生损坏或减少寿命，行业内采用图2所示的R1和Q1并联的方案，该方案加大C1容值，在Q1导通前，由电阻R1对C2进行预充电，设置在C2充电达到一定值时，导通Q1，既达到减小Q1导通时的短时损耗的作用，又在工作时短路电阻R1，为正常工作电流通路。然而，当发生过欠压保护时，电阻R1没法断开通路，无法完全保护后级电路。

针对上述R1和Q1并联的方案存在的问题，通过在主通路上增加了P沟道MOSFETQ3，如图3所示，在发生过欠压保护或者过流保护时，关断Q3，很好的实现了断开保护。作为等效，Q3可变N沟道MOSFET，串联到Q1和Q2回路。然而，Q3作为主回路通路开关，必须选择和Q1、Q2相同电压电流规格，这无疑增加了成本，也增加了电路板的面积，增大了设备的体积。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种带保护关断功能的防反接直流输入缓启动电路。

本发明通过下述技术方案实现：

一种带保护关断功能的防反接直流输入缓启动电路，包括防反接电路、直通旁路、保护电路、驱动控制电路和防浪涌电流缓启动电路；

所述防反接电路在输入电压反接的情况下断开，使得输入电压与后级电路断开；

所述防浪涌电流缓启动电路与所述直通旁路并联连接，所述防浪涌电流缓启动电路在输入电压正常情况下，对直流输入端口处的储能器件进行预充电，且在储能器件充电达到预设值时，驱动所述直流旁路导通以使后级电路正常供电；

所述保护电路在监测到故障时，通过所述驱动控制电路控制关断所述直通旁路和防浪涌电流缓启动电路的驱动，使得输入电压与后级电路断开。

本发明能够在保证防反接和缓启动功能的前提下，在发生过欠压、过流、过热等故障需要保护关断时，可控制缓启动电路和直通旁路同时断开，从而断开主回路，保护电路免受进一步损坏而发生危险事故，提高了设备的可靠性。

作为优选实施方式，本发明的防反接电路包括MOSFET Q2、稳压二极管ZD2、电阻R4和电阻R5；

所述直通旁路包括MOSFET Q1、电阻R2、电阻R3、电阻R6、电容C1、稳压二极管ZD1和二极管D1；

所述防浪涌电流缓启动电路包括MOSFET Q4和电阻R1；

其中，电阻R4的一端接输入电压，电阻R4的另一端连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接Q2的源极；Q2的漏极接地，Q2的栅极连接电阻R4和电阻R5的公共连接端，Q2的源极连接Q1的源极；稳压二极管ZD2并联连接在Q2的栅极和源极之间；

Q1的源极和Q4的源极连接，Q1的栅极通过电阻R6连接Q4的栅极、电阻R2一端和电阻R3一端，Q4的漏极通过电阻R1连接Q1的漏极和储能器件；

电容C1并联连接在Q1的栅极和源极之间；

电阻R2另一端连接输入电压，电阻R3另一端连接Q1的源极；

稳压二极管ZD1并联连接在电阻R3两端，二极管D1并联连接在电阻R6两端。

作为优选实施方式，本发明的直通旁路还包括二极管D3；

所述二极管D3串联连接在电阻R2和电阻R3之间。

作为优选实施方式，本发明的直通旁路还包括电阻R8；

所述电阻R8与二极管D1串联后并联连接在所述电阻R6的两端。

作为优选实施方式，本发明的电阻R2根据输入电压大小，可进行串并联等效设计。

作为优选实施方式，本发明的防反接电路还包括二极管D2；

所述二极管D2串联连接在电阻R4和电阻R5之间。

作为优选实施方式，本发明的电阻R4根据输入电压大小，可进行串并联等效设计。

作为优选实施方式，本发明的驱动控制电路包括光耦OC1和电阻R7；

所述光耦OC1的输入端通过电阻R7和保护电路连接；

所述光耦OC1的光敏三极管的集电极C连接Q4的栅极、电阻R6和电阻R3的公共连接端；

所述光耦OC1的光敏三极管的发射极E连接Q4的源极、Q1的源极。

作为优选实施方式，本发明的光耦OC1可替换为磁隔离器件、三极管、比较器或者继电器。

另一方面，本发明提出了如本发明所述的防反接直流输入缓启动电路的工作方法，包括：

上电启动后，若存在故障时，保护电路通过驱动控制电路控制关断Q1和Q4的驱动，故障电压与后级电路断开；若输入反接，则Q2截止，输入电压与后级电路断开；

若不存在故障或反接，输入电压在正常范围内，则输入电压通过电阻R1对储能器件进行充电，从而达到缓启动的作用；上电过程中，Q2的体二极管先导通，输入电压通过电阻R4、电阻R5和稳压二极管ZD2，驱动Q2导通，降低导通损耗；

在缓启动过程中，输入电压通过电阻R2和电阻R6对电容C1进行充电，当电容C1电压达到预设值时，Q1导通；

待Q1导通后，后级电路可正常开通，供电；

若正常工作时，发生故障时，保护电路通过控制驱动控制电路开通，关断Q1和Q4，Q1关断时，电容C1电压通过二极管D1放电。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明能够在保证防反接和缓启动功能的前提下，在发生过压过流过热等故障时，及时断开输入短路，保障后级电路遭受损坏，提高设备的可靠性。

本发明通过在缓启动电阻支路上串联MOSFET，该MOSFET可选取比主路上的MOSFET电流规格更小的MOSFET，降低了成本，且对电路板面积影响较小。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为现有技术1的电路原理图。

图2为现有技术2的电路原理图。

图3为现有技术3的电路原理图。

图4为本发明实施例的电路原理框图。

图5为本发明实施例的电路原理图。

图6为本发明实施例的电路工作流程图。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

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

现有的直流电源输入防反接和缓启动保护电路无法保证在防反接和缓启动功能的前提下，在发生过压过流过热等故障时，及时断开输入短路，保障后级电路遭受损坏或者增大了设备的体积和成本。基于此，本实施例提供了一种带保护关断功能的防反接直流输入缓启动电路，本实施例通过在缓启动电路上设置开关器件，当发生过欠压、过流、过热等故障需要保护关断时，缓启动电路和直通旁路可同时断开，从而断开主回路，保护电路免受进一步损坏而发生危险事故；同时该开关无需选取和主回路中的开关相同规格，降低了成本，且对设备体积影响较小。

具体如图4所示，本实施例提出的电路具体包括防雷击防浪涌电压电路、防反接电路、防浪涌电流缓启动电路、直通旁路、储能器件(电容等)、保护电路、驱动控制电路等模块。

其中，防雷击防浪涌电压电路设置在输入端口，储能元件并联在DC输入转换器的前端，防反接电路和直通旁路连接在设备电源直流输入端主回路中，防浪涌电流缓启动电路与直通旁路并联连接，防浪涌电流缓启动电路在输入电压正常情况下，对直流输入端口处的储能器件进行预充电，且在储能器件充电达到预设值时，驱动直流旁路导通以使后级电路正常供电。

保护电路用于监测输入电压，当发生过压、欠压、过流、过热等故障时，通过驱动控制电路控制断开直通旁路和防浪涌电流缓启动电路的驱动，保障后级电路不遭受损坏，提高设备的可靠性。

如图5所示，本发明实施例中，防反接电路主要由MOSFET Q2、稳压二极管ZD2、电阻R4、电阻R5等器件构成。其中，电阻R4的一端和防雷击防浪涌电压电路输出端连接，电阻R4的另一端和电阻R5一端、Q2的基极连接，电阻R5和ZD2并联连接在Q2的栅极和源极之间，Q2的漏极接地。

作为一种可选的实施方式，防反接电路还可包括二极管D2，二极管D2串联连接在电阻R4和电阻R5之间。

作为一种可选的实施方式，电阻R4可根据输入电压大小，进行串并联等效设计。

本发明实施例中，直通旁路主要由MOSFET Q1、电阻R2、电阻R3、电阻R6、电容C1、稳压二极管ZD1、二极管D1等器件构成。其中，Q1的源极和Q2的源极连接，Q1的漏极接储能元件的一端和防浪涌电流缓启动电路；电阻R2的一端连接到防雷击防浪涌电压电路的输出端，电阻R2的另一端连接电阻R3一端、电阻R6一端和稳压二极管ZD1的正极；电阻R3的另一端接Q1的源极；电阻R6的另一端接电容C1一端和Q1的栅极；电容C1并联连接在Q1的栅极和源极；稳压二极管ZD1的负极连接在Q1的源极，二极管D1并联连接在电阻R6两端。

作为一种可选的实施方式，直通旁路还包括二极管D3，二极管D3串联连接在电阻R2和电阻R3之间。

作为一种可选的实施方式，直通旁路还包括电阻R8，电阻R8与二极管D1串联后并联连接在电阻R6的两端。

作为一种可选的实施方式，电阻R2可根据输入电压大小，进行串并联等效设计。

本发明实施例中，驱动控制电路主要由光耦OC1和电阻R7构成。其中，光耦OC1的输入端通过电阻R7和保护电路连接，光耦OC1的光敏三极管的集电极C通过电阻R6连接Q1的栅极，光敏三极管的发射极E连接防浪涌电流缓启动电路。

作为一种可选的实施方式，驱动控制电路也可采用磁隔离器件、三极管、比较器或者继电器等器件来替代光耦OC1。

本发明实施例中，防浪涌电流缓启动电路主要由MOSFET Q4和电阻R1构成。其中，Q4的栅极连接OC1的光敏三极管的集电极C，Q4的源极连接OC1的光敏三极管的发射极E、Q1的源极，Q4的漏极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接Q1的漏极。

如图6所示，本发明实施例提出的图5所示的电路工作原理具体为：

Step1，上电启动后，若存在过压、欠压、过流、过热等故障时，保护电路通过光耦OC1，控制关断Q1、Q4的驱动，故障电压与后级电路断开。若输入反接，则Q2截止，同样起到保护断开的作用。

Step2，若不存在Step1的故障条件，输入电压在正常范围内，则输入电压通过电阻R1对C2电容进行充电，假设电容上电压为0，等效串联阻抗为0，则根据欧姆定律，瞬时充电电流峰值Ip为输入电压Vin和电阻R1的比值，即：

Ip＝Vin/R1

从而达到缓启动的作用。上电过程中，Q2的体二极管先导通，输入电压通过R4、D2、R5、ZD2，驱动Q2导通，降低导通损耗，其中D2为优选的非必须器件，可以去掉，R4可根据输入电压大小，进行串并联等效设计实施。

Step3，在Step2缓启动的过程中，输入电压Vin通过R2、D3、R6对C1进行充电，设置充电时间为C2充电到90％以上时，C1电压刚好到Q1的开通门限Vth，若此时Q1开通时的电流超过标准或MOSFET的选型要求，则增加C1电压的上升时间，待C2电压充电到更高才导通，此时可根据实际需求进行设置。其中D3为优选的非必须器件，可以去掉，R2可根据输入电压大小，进行串并联等效设计实施。

Step4，待Q1开通后，后级电路可正常开通，供电。

Step5，若正常工作时，发生输入过压过流过热等故障，则保护电路通过控制光耦OC1器件开通，关断Q1、Q4，Q1关断时，C1电压通过二极管D1放电，达到快速关断的目的，可适当串联小电阻R8进行限流，以避免损坏OC1或者二极管D1，R8是非必须的器件。

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 (9)

1.一种带保护关断功能的防反接直流输入缓启动电路，其特征在于，包括防反接电路、直通旁路、保护电路、驱动控制电路和防浪涌电流缓启动电路；

所述防反接电路和直通旁路连接在设备电源直流输入端主回路中；所述防反接电路在输入电压反接的情况下断开，使得输入电压与后级电路断开；

所述防浪涌电流缓启动电路与所述直通旁路并联连接，所述防浪涌电流缓启动电路在输入电压正常情况下，对直流输入端口处的储能器件进行预充电，且在储能器件充电达到预设值时，驱动所述直通旁路导通以使后级电路正常供电；

所述保护电路在监测到故障时，通过所述驱动控制电路控制关断所述直通旁路和防浪涌电流缓启动电路的驱动，使得输入电压与后级电路断开；

所述防反接电路包括MOSFET Q2、稳压二极管ZD2、电阻R4和电阻R5；

所述直通旁路包括MOSFET Q1、电阻R2、电阻R3、电阻R6、电容C1、稳压二极管ZD1和二极管D1；

所述防浪涌电流缓启动电路包括MOSFET Q4和电阻R1；

其中，电阻R4的一端接输入电压，电阻R4的另一端连接电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接MOSFET Q2的源极；MOSFET Q2的漏极接地，MOSFET Q2的栅极连接电阻R4和电阻R5的公共连接端，MOSFET Q2的源极连接MOSFET Q1的源极；稳压二极管ZD2并联连接在MOSFET Q2的栅极和源极之间；

MOSFET Q1的源极和MOSFET Q4的源极连接，MOSFET Q1的栅极通过电阻R6连接MOSFETQ4的栅极、电阻R2一端和电阻R3一端，MOSFET Q4的漏极通过电阻R1连接MOSFET Q1的漏极和储能器件；

电容C1并联连接在MOSFET Q1的栅极和源极之间；

电阻R2另一端连接输入电压，电阻R3另一端连接MOSFET Q1的源极；

稳压二极管ZD1并联连接在电阻R3两端，二极管D1并联连接在电阻R6两端。

2.根据权利要求1所述的一种带保护关断功能的防反接直流输入缓启动电路，其特征在于，所述直通旁路还包括二极管D3；

所述二极管D3串联连接在电阻R2和电阻R3之间。

3.根据权利要求1所述的一种带保护关断功能的防反接直流输入缓启动电路，其特征在于，所述直通旁路还包括电阻R8；

所述电阻R8与二极管D1串联后并联连接在所述电阻R6的两端。

4.根据权利要求1所述的一种带保护关断功能的防反接直流输入缓启动电路，其特征在于，所述电阻R2根据输入电压大小，进行串并联等效设计。

5.根据权利要求1所述的一种带保护关断功能的防反接直流输入缓启动电路，其特征在于，所述防反接电路还包括二极管D2；

所述二极管D2串联连接在电阻R4和电阻R5之间。

6.根据权利要求1所述的一种带保护关断功能的防反接直流输入缓启动电路，其特征在于，所述电阻R4根据输入电压大小，进行串并联等效设计。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种带保护关断功能的防反接直流输入缓启动电路，其特征在于，所述驱动控制电路包括光耦OC1和电阻R7；

所述光耦OC1的输入端通过电阻R7和保护电路连接；

所述光耦OC1的光敏三极管的集电极C连接MOSFET Q4的栅极、电阻R6和电阻R3的公共连接端；

所述光耦OC1的光敏三极管的发射极E连接MOSFET Q4的源极、MOSFET Q1的源极。

8.根据权利要求7所述的一种带保护关断功能的防反接直流输入缓启动电路，其特征在于，所述光耦OC1替换为磁隔离器件、三极管、比较器或者继电器。

9.如权利要求1-8任一项所述的一种带保护关断功能的防反接直流输入缓启动电路的工作方法，其特征在于，包括：

上电启动后，若存在故障时，保护电路通过驱动控制电路控制关断MOSFET Q1和MOSFETQ4的驱动，故障电压与后级电路断开；若输入反接，则MOSFET Q2截止，输入电压与后级电路断开；

若不存在故障或反接，输入电压在正常范围内，则输入电压通过电阻R1对储能器件进行充电，从而达到缓启动的作用；上电过程中，MOSFET Q2的体二极管先导通，输入电压通过电阻R4、电阻R5和稳压二极管ZD2，驱动MOSFET Q2导通，降低导通损耗；

在缓启动过程中，输入电压通过电阻R2和电阻R6对电容C1进行充电，当电容C1电压达到预设值时，MOSFET Q1导通；

待MOSFET Q1导通后，后级电路正常开通，供电；

若正常工作时，发生故障时，保护电路通过控制驱动控制电路开通，关断MOSFET Q1和MOSFET Q4，MOSFET Q1关断时，电容C1电压通过二极管D1放电。