CN115833803A - 一种具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置，通过设置驱动电路以及保护电路，可以有效地对负载电路以及电源端进行短路保护，以及实现驱动大电流过载时的过载保护，并对电压数据进行采样输出，以使外部诊断设备能够对负载电流进行诊断，整个装置采用的电子元件器都是常规原件，成本较低，可以大规模进行生产和使用。

Description

一种具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置

技术领域

本申请属于汽车电子电器产品直流低边驱动技术领域，具体涉及一种具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置。

背景技术

现代汽车电子电路中有许多应用使用到高、低边开关作为驱动输出，这些输出驱动在复杂的汽车电子电器系统中运行，需要实时对回路驱动电流情况实施监控，以达到对电路运行状态的控制或功能逻辑的实现。在达到上述目的的同时，为保证电路运行的可靠性，电路还应具有硬件电流限制能力以及对电路进行过载或短路保护能力。现在也有一些半导体公司推出有具有短路保护的驱动IC，这些驱动IC在应用中成本价格极其昂贵，使在具有成本限制的应用中造成很大的成本开销，在对集成度要求不高的场合特别适用。

发明内容

本申请的目的在于提供一种具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置，解决了现有技术中存在的问题。

本申请通过下述技术方案实现：

一种具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置，包括控制输入电路、保护电路、保持电路、负载电路、驱动电路、采样电路、放大电路以及诊断输出电路；

所述控制输入电路受外部信号的激励，产生驱动电路的控制信号，以根据控制信号控制驱动电路的开通和关断；

所述驱动电路中场效应管的栅极受到控制信号的激励，将该场效应管的漏极与其源极导通，以将采样电路与负载电路导通，从而使负载电路的电流传输至采样电路进行采样，得到电压信号；

所述放大电路对采样电路采样的电压信号进行放大，将放大后的电压信号分别传输至保护电路中的第一三极管的基极以及诊断输出电路，且所述诊断输出电路将放大后的电压信号输出至外部诊断设备中；

所述保护电路中第一三极管的基极接收到放大后的电压信号超过其开通阈值后，将驱动电路中场效应管的栅极接地，以切断负载电路所在的回路，使负载电路在限制的电流范围内工作；

所述保持电路中第二三极管的集电极连接至负载电路的输出端与场效应管的漏极之间的连接点上，所述第二三极管的基极接收控制信号，所述第二三极管的发射极连接至第一三极管的基极上，以在负载电路所在的回路切断时，将负载电路输出端上的高电平持续加载至第一三极管的基极上，从而使驱动电路持续关断，形成持续保护。

在一种可能的实施方式中，所述控制输入电路包括三极管Q1以及三极管Q2，所述三极管Q1的基极接收外部信号的激励，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极与三极管Q2的基极连接，所述三极管Q2的发射极与电源的正极VCC连接，且所述三极管Q2的发射极通过电阻R2与其基极连接，所述三极管Q2的集电极输出控制信号。

在一种可能的实施方式中，所述驱动电路包括场效应管Q5，所述场效应管Q5的栅极与控制输入电路输出的控制信号连接，所述场效应管Q5的漏极与负载电路的输出端连接，所述负载电路的输入端与电源的正极VCC连接，所述场效应管Q5的源极与采样电路的一端连接，所述采样电路的另一端接地。

在一种可能的实施方式中，所述负载电路包括负载电阻RL1，所述负载电阻RL1的输入端与电源的正极VCC连接，所述负载电阻RL1的输出端与场效应管Q5的漏极连接。

在一种可能的实施方式中，所述采样电路包括采样电阻R11，所述采样电路R11的一端与场效应管Q5的源极连接，所述采样电路R11的另一端接地。

在一种可能的实施方式中，所述放大电路包括放大器U1，所述放大器U1的同相输入端与采样电路R11的一端连接，以对采样电阻R11采样的电压信号进行放大；所述放大器U1的输出端将放大后的电压信号分别传输至保护电路中的第一三极管的基极以及诊断输出电路，且所述诊断输出电路将放大后的电压信号输出至外部诊断设备中。

在一种可能的实施方式中，所述保护电路包括三极管Q3，所述三极管Q3作为第一三极管，所述三极管Q3的集电极与场效应管Q5的栅极连接，所述三极管Q3的发射极接地，所述三极管Q3的基极接收放大电路输出的电压信号；当电压信号大于三极管Q3的导通电压时，所述三极管Q3导通，将场效应管Q5的栅极接地，从而使场效应管Q5的栅极电压为零，切断负载电路所在的回路，使负载电路在限制的电流范围内工作。

在一种可能的实施方式中，所述第一三极管的基极与放大器U1的输出端之间设置有二极管D5，所述二极管D5的正极与放大器U1的输出端连接，所述二极管D5的负极与第一三极管的基极连接，以防止保持电路中第二三极管输出的电压信号反冲导致的短路。

在一种可能的实施方式中，所述保持电路包括三极管Q4、电阻R6、接地电容C1以及稳压二极管D4，所述三极管Q4作为第二三极管，所述三极管Q4的集电极与场效应管Q5的漏极连接，所述三极管Q4的发射极与第一三极管的基极连接，所述三极管Q4的基极与稳压二极管D4的正极连接，所述稳压二极管D4的负极分别与接地电容C1以及电阻R6的一端连接，所述电阻R6的另一端接收控制信号；当控制信号作用于三极管Q4的基极上后，且场效应管Q5被关断后，所述三极管Q4导通，将负载电路输出端上的高电平持续加载至第一三极管的基极上，从而使驱动电路持续关断，形成持续保护。

在一种可能的实施方式中，所述诊断输出电路包括电阻R16以及接地电容C4，所述电阻R16的一端与放大器U1的输出端连接，以接收放大后的电压信号，所述电阻R16的另一端将放大后的电压信号输出至外部诊断设备中，且所述电阻R16的另一端与接地电容C4连接，以对输出的信号滤波。

本申请提供的一种具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置，通过设置驱动电路以及保护电路，可以有效地对负载电路以及电源端进行短路保护，以及实现驱动大电流过载时的过载保护，并对电压数据进行采样输出，以使外部诊断设备能够对负载电流进行诊断，整个装置采用的电子元件器都是常规原件，成本较低，可以大规模进行生产和使用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的某些实施例，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为本申请实施例提供的一种具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置的结构框图。

图2为本申请实施例提供的一种具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置的电路原理图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本申请作进一步的详细说明，本申请的示意性实施方式及其说明仅用于解释本申请，并不作为对本申请的限定。

实施例1

如图1和图2共同所示，本申请实施例提供一种具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置，包括控制输入电路、保护电路、保持电路、负载电路、驱动电路、采样电路、放大电路以及诊断输出电路。

控制输入电路受外部信号的激励，产生驱动电路的控制信号，以根据控制信号控制驱动电路的开通和关断。例如：输入1电平时，驱动电路打开；输入0电平时，驱动电路关闭。

驱动电路中场效应管的栅极受到控制信号的激励，将该场效应管的漏极与其源极导通，以将采样电路与负载电路导通，从而使负载电路的电流传输至采样电路进行采样，得到电压信号。场效应管打开时，持续不断地输出限制电流以下的功率；场效应管关断时，关断流经负载电路的电流，使电路处于关闭状态。

主要由采样电阻作为传感器，将回路流过的电流信号转换为电压信号。通过对采样电路中的电压情况，诊断回路电流量。

放大电路对采样电路采样的电压信号进行放大，将放大后的电压信号分别传输至保护电路中的第一三极管的基极以及诊断输出电路，且诊断输出电路将放大后的电压信号输出至外部诊断设备中。

保护电路中第一三极管的基极接收到放大后的电压信号超过其开通阈值后，将驱动电路中场效应管的栅极接地，以切断负载电路所在的回路，使负载电路在限制的电流范围内工作。

保持电路中第二三极管的集电极连接至负载电路的输出端与场效应管的漏极之间的连接点上，第二三极管的基极接收控制信号，第二三极管的发射极连接至第一三极管的基极上，以在负载电路所在的回路切断时，将负载电路输出端上的高电平持续加载至第一三极管的基极上，从而使驱动电路持续关断，形成持续保护。

在一种可能的实施方式中，控制输入电路包括三极管Q1以及三极管Q2，三极管Q1的基极接收外部信号的激励，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的发射极与电源的正极VCC连接，且三极管Q2的发射极通过电阻R2与其基极连接，三极管Q2的集电极输出控制信号。

可选的，三极管Q1的基极与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端接收外部信号的激励，三极管Q1的基极还与接地电阻R3连接，三极管Q1的集电极通过电阻R4与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的集电极还与接地电阻R5连接。

在一种可能的实施方式中，驱动电路包括场效应管Q5，场效应管Q5的栅极与控制输入电路输出的控制信号连接，场效应管Q5的漏极与负载电路的输出端连接，负载电路的输入端与电源的正极VCC连接，场效应管Q5的源极与采样电路的一端连接，采样电路的另一端接地。

可选的，驱动电路还包括电阻R7、二极管D2以及稳压二极管D3，电阻R7的一端与场效应管Q5的栅极连接，电阻R7的另一端接入控制输入电路输出的控制信号，稳压二极管D3的正极与场效应管Q5的源极以及采样电阻R11的一端连接，稳压二极管D3的负极分别与场效应管Q5的栅极、三极管Q3的集电极、电阻R7的一端以及二极管D2的正极连接，二极管D2的正极分别与三极管Q2的集电极以及接地电阻R5连接。

在一种可能的实施方式中，负载电路包括负载电阻RL1，负载电阻RL1的输入端与电源的正极VCC连接，负载电阻RL1的输出端与场效应管Q5的漏极连接。

在一种可能的实施方式中，采样电路包括采样电阻R11，采样电路R11的一端与场效应管Q5的源极连接，采样电路R11的另一端接地。

值得说明的是，在本实施例中的接地相当于与电源的负极连接，从而形成负载回路，以使三极管Q2的集电极能控制负载回路的导通和关断。

在一种可能的实施方式中，放大电路包括放大器U1，放大器U1的同相输入端与采样电路R11的一端连接，以对采样电阻R11采样的电压信号进行放大。放大器U1的输出端将放大后的电压信号分别传输至保护电路中的第一三极管的基极以及诊断输出电路，且诊断输出电路将放大后的电压信号输出至外部诊断设备中。

可选的，放大器U1的反相输入端分别与接地电阻R12、电阻R14的一端以及电容C2的一端连接，放大器U1的另一端分别与电容C2的另一端、电阻R14的一端、接地电阻R15、保护电路中稳压二极管D6的负极以及诊断输出电路中电阻R16的一端连接。

在一种可能的实施方式中，保护电路包括三极管Q3，三极管Q3作为第一三极管，三极管Q3的集电极与场效应管Q5的栅极连接，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的基极接收放大电路输出的电压信号。当电压信号大于三极管Q3的导通电压时，三极管Q3导通，将场效应管Q5的栅极接地，从而使场效应管Q5的栅极电压为零，切断负载电路所在的回路，使负载电路在限制的电流范围内工作。

在一种可能的实施方式中，第一三极管的基极与放大器U1的输出端之间设置有二极管D5，二极管D5的正极与放大器U1的输出端连接，二极管D5的负极与第一三极管的基极连接，以防止保持电路中第二三极管输出的电压信号反冲导致的短路。

可选的，保护电路还可以包括稳压二极管D6、接地电阻R8以及电阻R10连接，稳压二极管D6的正极与二极管D5的正极连接，二极管D5的负极分别与电阻R10的一端、保持电路中接地电阻R9以及三极管Q4的发射极连接，电阻R10的另一端分别与三极管Q3的基极以及接地电阻R8连接。

在一种可能的实施方式中，保持电路包括三极管Q4、电阻R6、接地电容C1以及稳压二极管D4，三极管Q4作为第二三极管，三极管Q4的集电极与场效应管Q5的漏极连接，三极管Q4的发射极与第一三极管的基极连接，三极管Q4的基极与稳压二极管D4的正极连接，稳压二极管D4的负极分别与接地电容C1以及电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端接收控制信号。当控制信号作用于三极管Q4的基极上后，且场效应管Q5被关断后，三极管Q4导通，将负载电路输出端上的高电平持续加载至第一三极管的基极上，从而使驱动电路持续关断，形成持续保护。

可选的，保持电路还包括二极管D1以及接地电阻R9，二极管D1的正极分别与稳压二极管D4的负极、电阻R6的一端以及接地电容C1连接，二极管D1的负极与电阻R6的另一端连接。

在一种可能的实施方式中，诊断输出电路包括电阻R16以及接地电容C4，电阻R16的一端与放大器U1的输出端连接，以接收放大后的电压信号，电阻R16的另一端将放大后的电压信号输出至外部诊断设备中，且电阻R16的另一端与接地电容C4连接，以对输出的信号滤波。

本申请的工作原理如下：

(1)正常工作原理

当IN控制端输入高电平时，使控制输入电路导通，电源(输入至驱动电路的控制信号)通过三极管Q2以及电阻R7加载到驱动电路中场效应管Q5的栅极，使场效应管Q5导通，电源通过负载RL1、场效应管Q5以及采样电阻R11形成负载回路，驱动电路打开并驱动。

在上述驱动电路打开过程中，保持电路中由于电容C1的存在，三极管Q4导通要延迟于场效应管Q5；当场效应管Q5导通后，场效应管Q5的漏极电压为低，三极管Q4的集电极电压为低，三极管Q4导通后，由于保护电路中三极管Q3的基极电压处于低电平状态，三极管Q3关闭。

在上述驱动电路打开后，驱动电流流经采样电阻R11，采样电阻R11将流过的驱动电流转化为电压信号，采样电阻R11两端的电压大小，反应了流经回路的负载大小。该电压信号通过放大电路放大后，即可输入诊断输出电路和保护电路。

(2)负载输出端OUT对电源短路

当正常工作时，场效应管Q5导通。而当负载输出端OUT(即负载电阻RL1与场效应管Q5漏极连接的一端)与电源的正极VCC发生短路时，由于三极管Q4处于导通状态，三极管Q3的基极为高电平，三极管Q3导通，场效应管Q5的栅极通过三极管Q3下拉到地，场效应管Q5截止关闭，实现输出端对电源短路保护。

(3)输出电路电流过载

当正常工作时，三级管Q2导通。而当负载输出端OUT过载时，采样电阻R11两端电压上升，该电压信号经放大器U1组成的放大器放大后输出，当放大后的电压信号高于V_D6+V_D5+V_{三极管Q3be}时，将三极管Q3导通，场效应管Q5栅极通过三极管Q3下拉到地，场效应管Q5截止关闭，实现输出端对电源短路保护。其中，V_D6表示二极管D6的电压，V_D5表示二极管D5的电压，V_{三极管Q3be}表示三级管Q2的导通电压。

在上述保护起效后，由于场效应管Q5截止，场效应管Q5的漏极电压升高，三极管Q4由于处于导通状态，三极管Q3的基极电压保持为高电压，三极管Q3持续导通，使保护电路持续工作。由于场效应管Q5截止，放大器U1输出信号为低，失去对三极管Q3的控制，其中二极管D5用于放大器U1输出为0时，防止三极管Q4过来的信号反冲短路。

(4)其它电路说明

电路中电阻R6、稳压二极管D4以及接地电容C1组合使用，使三极管Q4的导通慢于场效应管Q5的导通，延时间主要取决于对场效应管Q5保护时间要求，通过调节电阻R6以及接地电容C1的参数，可以调节充电速度，调节稳压二极管D4的稳压值，可以调节启控阀值。值得说明的是，电路中未明确给定相关参数，电路参数可以根据需求进行调整，从而使电路匹配到相应功率输出的保护。

本申请可以应用于大电流工作场合，可以根据实际驱动功率进行参数调整，重现电路功能，直接应用；该装置具有电流限制，解决大电流过载保护能力；该装置具有负载短路保护，解决了输出端对电源短路的保护能力；可应用于各种类型负载；电流限制可调，可根据驱动场效应管载荷能力，调整限制电流阀值和/或放大电路放大倍数，来实现电流限有制能力；该装置具有诊断输出，可以应用于对驱动负载具有检测需求的场合；在大电流应用、集成度要求不高的场合应用和有成本要求的应用具有实用效果。

以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、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，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置，其特征在于，包括控制输入电路、保护电路、保持电路、负载电路、驱动电路、采样电路、放大电路以及诊断输出电路；

所述控制输入电路受外部信号的激励，产生驱动电路的控制信号，以根据控制信号控制驱动电路的开通和关断；

所述驱动电路中场效应管的栅极受到控制信号的激励，将该场效应管的漏极与其源极导通，以将采样电路与负载电路导通，从而使负载电路的电流传输至采样电路进行采样，得到电压信号；

所述放大电路对采样电路采样的电压信号进行放大，将放大后的电压信号分别传输至保护电路中的第一三极管的基极以及诊断输出电路，且所述诊断输出电路将放大后的电压信号输出至外部诊断设备中；

所述保护电路中第一三极管的基极接收到放大后的电压信号超过其开通阈值后，将驱动电路中场效应管的栅极接地，以切断负载电路所在的回路，使负载电路在限制的电流范围内工作；

所述保持电路中第二三极管的集电极连接至负载电路的输出端与场效应管的漏极之间的连接点上，所述第二三极管的基极接收控制信号，所述第二三极管的发射极连接至第一三极管的基极上，以在负载电路所在的回路切断时，将负载电路输出端上的高电平持续加载至第一三极管的基极上，从而使驱动电路持续关断，形成持续保护。

2.根据权利要求1所述的具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置，其特征在于，所述控制输入电路包括三极管Q1以及三极管Q2，所述三极管Q1的基极接收外部信号的激励，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极与三极管Q2的基极连接，所述三极管Q2的发射极与电源的正极VCC连接，且所述三极管Q2的发射极通过电阻R2与其基极连接，所述三极管Q2的集电极输出控制信号。

3.根据权利要求1所述的具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置，其特征在于，所述驱动电路包括场效应管Q5，所述场效应管Q5的栅极与控制输入电路输出的控制信号连接，所述场效应管Q5的漏极与负载电路的输出端连接，所述负载电路的输入端与电源的正极VCC连接，所述场效应管Q5的源极与采样电路的一端连接，所述采样电路的另一端接地。

4.根据权利要求3所述的具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置，其特征在于，所述负载电路包括负载电阻RL1，所述负载电阻RL1的输入端与电源的正极VCC连接，所述负载电阻RL1的输出端与场效应管Q5的漏极连接。

5.根据权利要求3所述的具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置，其特征在于，所述采样电路包括采样电阻R11，所述采样电路R11的一端与场效应管Q5的源极连接，所述采样电路R11的另一端接地。

6.根据权利要求5所述的具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置，其特征在于，所述放大电路包括放大器U1，所述放大器U1的同相输入端与采样电路R11的一端连接，以对采样电阻R11采样的电压信号进行放大；所述放大器U1的输出端将放大后的电压信号分别传输至保护电路中的第一三极管的基极以及诊断输出电路，且所述诊断输出电路将放大后的电压信号输出至外部诊断设备中。

7.根据权利要求4所述的具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置，其特征在于，所述保护电路包括三极管Q3，所述三极管Q3作为第一三极管，所述三极管Q3的集电极与场效应管Q5的栅极连接，所述三极管Q3的发射极接地，所述三极管Q3的基极接收放大电路输出的电压信号；当电压信号大于三极管Q3的导通电压时，所述三极管Q3导通，将场效应管Q5的栅极接地，从而使场效应管Q5的栅极电压为零，切断负载电路所在的回路，使负载电路在限制的电流范围内工作。

8.根据权利要求6所述的具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置，其特征在于，所述第一三极管的基极与放大器U1的输出端之间设置有二极管D5，所述二极管D5的正极与放大器U1的输出端连接，所述二极管D5的负极与第一三极管的基极连接，以防止保持电路中第二三极管输出的电压信号反冲导致的短路。

9.根据权利要求3所述的具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置，其特征在于，所述保持电路包括三极管Q4、电阻R6、接地电容C1以及稳压二极管D4，所述三极管Q4作为第二三极管，所述三极管Q4的集电极与场效应管Q5的漏极连接，所述三极管Q4的发射极与第一三极管的基极连接，所述三极管Q4的基极与稳压二极管D4的正极连接，所述稳压二极管D4的负极分别与接地电容C1以及电阻R6的一端连接，所述电阻R6的另一端接收控制信号；当控制信号作用于三极管Q4的基极上后，且场效应管Q5被关断后，所述三极管Q4导通，将负载电路输出端上的高电平持续加载至第一三极管的基极上，从而使驱动电路持续关断，形成持续保护。

10.根据权利要求6所述的具有电流限制和诊断功能的大功率低边驱动装置，其特征在于，所述诊断输出电路包括电阻R16以及接地电容C4，所述电阻R16的一端与放大器U1的输出端连接，以接收放大后的电压信号，所述电阻R16的另一端将放大后的电压信号输出至外部诊断设备中，且所述电阻R16的另一端与接地电容C4连接，以对输出的信号滤波。

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