CN117394300A - 一种低损耗防反接电路及其防反接控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低损耗防反接电路及其防反接控制方法，属于电路保护领域，包括防反接电路，防反接电路包括两个输入端分别与直流电源的第一输出端和第二输出端连接的MOS管整流桥，MOS管整流桥和直流电源之间连接有电压比较单元，电压比较单元的输出端经驱动单元与MOS管整流桥的控制端相连，MOS管整流桥的输出端与负载相连，MOS管整流桥与负载之间还连接有DCDC单元，DCDC单元与驱动电源的供电端相连。本发明采用上述结构的低损耗防反接电路及其防反接控制方法，通过利用MOS管进行整流，相比于传统的二极管整流方式，具有降低功率损耗、提高效率、降低发热量、减小整体的体积的优点。

Description

一种低损耗防反接电路及其防反接控制方法

技术领域

本发明涉及保护电路技术领域，尤其涉及一种低损耗防反接电路及其防反接控制方法。

背景技术

传统的电路中，为了防止直流输入意外反接时对电路造成的破坏，通常需要在输入端串联上一个功率二极管，利用功率二极管的单向导电特性进行整流。

采用上述整流方式存在以下问题：

假设在导通状态下功率二极管两端存在正向管压降，若此时的导通电流为I，则功率二极管产生的功率损耗为/>，且由于一般的功率二极管正向管压降/>为1~1.5V，此时若整流回路导通状态下有两个功率二极管处于导通状态，则电路中的功率损耗为/>，可知此防反接电路存在功率损耗大、效率低、输出端与输入端存在2-3V电压差的问题。

同时由于功率二极管处的功率损耗大部分转化为热能，发热严重，故还需要设置与之相匹配的散热器，散热器的设置，增加了防反接系统整体的体积。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种低损耗防反接电路及其防反接控制方法，通过利用MOS管进行整流，相比于传统的二极管整流方式，具有降低功率损耗、提高效率、降低发热量、减小整体的体积的优点。

为实现上述目的，本发明提供了一种低损耗防反接电路，包括设置于直流电源和负载之间的防反接电路，防反接电路包括两个输入端分别与直流电源的第一输出端和第二输出端连接的MOS管整流桥，MOS管整流桥和直流电源之间连接有用于比较直流电源的第一输出端和第二输出端电压大小的电压比较单元，电压比较单元的输出端经驱动单元与MOS管整流桥的控制端相连，MOS管整流桥的输出端与负载相连，MOS管整流桥与负载之间还连接有DCDC单元，DCDC单元与驱动电源的供电端相连。

优选的，电压比较单元包括正向电压比较模块和反向电压比较模块，正向电压比较模块包括并联设置且两端分别与直流电源的第一输出端和第二输出端相连的两路正向电压比较回路，反向电压比较模块包括并联设置且两端分别与直流电源的第二输出端和第一输出端相连的两路反向电压比较回路；正向电压比较回路和反向电压比较回路上均串联有保护电阻。

优选的，驱动单元包括分别与两路正向电压比较回路连接的两路正向驱动回路和分别与两路反向电压比较回路连接的两路反向驱动回路；

两路正向驱动回路和两路反向驱动回路均包括串联于电压比较回路上的光耦二极管、与光耦二极管耦合的光耦三极管以及与光耦三极管的信号输出端连接的推挽放大器，推挽放大器的输出端与MOS管整流桥的控制端相连；光耦三极管的VCC端和COM端分别与DCDC单元的正极输出端和负极输出端相连；两路正向驱动回路上的光耦二极管朝向直流电源的第二输出端的方向单向导通，两路反向驱动回路上的光耦二极管朝向直流电源的第一输出端的方向单向导通。

优选的，MOS管整流桥包括栅极分别与两路正向驱动回路的推挽放大器的驱动信号输出端相连的第一MOS管和第四MOS管以及栅极分别与两路反向驱动回路的推挽放大器的驱动信号输出端相连的第二MOS管和第三MOS管，第一MOS管、第二MOS管、第四MOS管、第三MOS管的栅极还经降压电阻分别与第一MOS管、第二MOS管、第四MOS管、第三MOS管的源极相连；

第一MOS管的源极还与第三MOS管的漏极相连，第三MOS管的源极与第四MOS管的源极相连，第四MOS管的漏极与第二MOS管的源极相连，第二MOS管的漏极与第一MOS管的漏极相连；

第一MOS管的源极和第三MOS管的漏极之间以及第四MOS管的漏极和第二MOS管的源极之间分别连接有直流电源的第一输出端和第二输出端；

第二MOS管的漏极和第一MOS管的漏极之间接有正极输出端口，第三MOS管的源极和第四MOS管的源极之间接有负极输出端口。

优选的，DCDC单元包括并联设置的三路隔离变压器，隔离变压器的初级线圈分别连接有正极输出端口和负极输出端口，隔离变压器的次级线圈与驱动回路的供电端相连。

优选的，第一MOS管、第二MOS管、第四MOS管、第三MOS管均为N沟道增强型管。

一种低损耗防反接电路的防反接控制方法，包括以下步骤：

设定直流电源的第一输出端和第二输出端分别为Power In-1端和Power In-2端，判断Power In-1端和Power In-2端的正负极：

当Power In-1端为正极，Power In-2端为负极时，反向驱动回路上的光耦二极管截止，正向驱动回路上的光耦二极管导通，正向驱动回路上的光耦二极管发光，正向驱动回路的光耦三极管接收到光信号后由推挽放大器向第一MOS管和第四MOS管输出驱动信号，第一MOS管和第四MOS管导通，第二MOS管和第三MOS管截止，输入MOS管整流桥的正极电源信号经第一MOS管由正极输出端口输出，输入MOS管整流桥的负极电源信号经第四MOS管由负极输出端口输出；

当Power In-1端为负极，Power In-2端为正极时，正向驱动回路上的光耦二极管截止，反向驱动回路上的光耦二极管导通，反向驱动回路上的光耦二极管发光，反向驱动回路的光耦三极管接收到光信号后由推挽放大器向第二MOS管和第三MOS管输出驱动信号，第二MOS管和第三MOS管导通，第一MOS管和第四MOS管截止，输入MOS管整流桥的正极电源信号经第二MOS管由正极输出端口输出，输入MOS管整流桥的负极电源信号经第三MOS管由负极输出端口输出。

本发明具有以下有益效果；

通过利用MOS管进行整流，相比于传统的二极管整流方式，具有降低功率损耗、提高效率、降低发热量、减小整体的体积的优点。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的低损耗防反接电路的结构框图；

图2为本发明的低损耗防反接电路的电压比较单元和驱动单元的电路原理图；

图3为本发明的低损耗防反接电路的MOS管整流桥的电路原理图；

图4为本发明的低损耗防反接电路的DCDC单元的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明实施例公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图4所示，一种低损耗防反接电路，包括设置于直流电源和负载之间的防反接电路，防反接电路包括两个输入端分别与直流电源的第一输出端和第二输出端连接的MOS管整流桥，MOS管整流桥和直流电源之间连接有用于比较直流电源的第一输出端和第二输出端电压大小的电压比较单元，电压比较单元的输出端经驱动单元与MOS管整流桥的控制端相连，MOS管整流桥的输出端与负载相连，MOS管整流桥与负载之间还连接有DCDC单元，DCDC单元与驱动电源的供电端相连。

其中，电压比较单元包括正向电压比较模块和反向电压比较模块，正向电压比较模块包括并联设置且两端分别与直流电源的第一输出端和第二输出端相连的两路正向电压比较回路，反向电压比较模块包括并联设置且两端分别与直流电源的第二输出端和第一输出端相连的两路反向电压比较回路；正向电压比较回路和反向电压比较回路上均串联有保护电阻。

在本实施例中，电压比较单元用于比较判断MOS管整流桥输入端Power In-1端和Power In-2端的电压大小关系，从而判断是Power In-1端接直流电源正极Power In-2端接直流电源负极，或者，Power In-1端接直流电源负极Power In-2端接直流电源正极。

驱动单元包括分别与两路正向电压比较回路连接的两路正向驱动回路和分别与两路反向电压比较回路连接的两路反向驱动回路；两路正向驱动回路和两路反向驱动回路均包括串联于电压比较回路上的光耦二极管、与光耦二极管耦合的光耦三极管以及与光耦三极管的信号输出端连接的推挽放大器，推挽放大器的输出端与MOS管整流桥的控制端相连；光耦三极管的VCC端和COM端分别与DCDC单元的正极输出端和负极输出端相连；两路正向驱动回路上的光耦二极管朝向直流电源的第二输出端的方向单向导通，两路反向驱动回路上的光耦二极管朝向直流电源的第一输出端的方向单向导通。

MOS管整流桥包括栅极分别与两路正向驱动回路的推挽放大器的驱动信号输出端相连的第一MOS管MOS1和第四MOS管MOS4以及栅极分别与两路反向驱动回路的推挽放大器的驱动信号输出端相连的第二MOS管MOS2和第三MOS管MOS3，第一MOS管MOS1、第二MOS管MOS2、第四MOS管MOS4、第三MOS管MOS3的栅极还经降压电阻分别与第一MOS管MOS1、第二MOS管MOS2、第四MOS管MOS4、第三MOS管MOS3的源极相连；第一MOS管MOS1的源极还与第三MOS管MOS3的漏极相连，第三MOS管MOS3的源极与第四MOS管MOS4的源极相连，第四MOS管MOS4的漏极与第二MOS管MOS2的源极相连，第二MOS管MOS2的漏极与第一MOS管MOS1的漏极相连；第一MOS管MOS1的源极和第三MOS管MOS3的漏极之间以及第四MOS管MOS4的漏极和第二MOS管MOS2的源极之间分别连接有直流电源的第一输出端和第二输出端；第二MOS管MOS2的漏极和第一MOS管MOS1的漏极之间接有正极输出端口，第三MOS管MOS3的源极和第四MOS管MOS4的源极之间接有负极输出端口。第一MOS管MOS1、第二MOS管MOS2、第四MOS管MOS4、第三MOS管MOS3均为N沟道增强型管。

DCDC单元包括并联设置的三路隔离变压器，隔离变压器的初级线圈分别连接有正极输出端口和负极输出端口，隔离变压器的次级线圈与驱动回路的供电端相连，本实施例中的次级线圈的正极输出端和负极输出端分别与驱动回路的正极输入端（VCC端）和负极输入端（COM端）相连，从而实现了DCDC单元对驱动回路供电。

一种低损耗防反接电路的防反接控制方法，包括以下步骤：

设定直流电源的第一输出端和第二输出端分别为Power In-1端和Power In-2端，判断Power In-1端和Power In-2端的正负极：

当Power In-1端为正极，Power In-2端为负极时，反向驱动回路上的光耦二极管截止，正向驱动回路上的光耦二极管导通，正向驱动回路上的光耦二极管发光，正向驱动回路的光耦三极管接收到光信号后由推挽放大器向第一MOS管MOS1和第四MOS管MOS4输出驱动信号，第一MOS管MOS1和第四MOS管MOS4导通，第二MOS管MOS2和第三MOS管MOS3截止，输入MOS管整流桥的正极电源信号经第一MOS管MOS1由正极输出端口输出，输入MOS管整流桥的负极电源信号经第四MOS管MOS4由负极输出端口输出；

当Power In-1端为负极，Power In-2端为正极时，正向驱动回路上的光耦二极管截止，反向驱动回路上的光耦二极管导通，反向驱动回路上的光耦二极管发光，反向驱动回路的光耦三极管接收到光信号后由推挽放大器向第二MOS管MOS2和第三MOS管MOS3输出驱动信号，第二MOS管MOS2和第三MOS管MOS3导通，第一MOS管MOS1和第四MOS管MOS4截止，输入MOS管整流桥的正极电源信号经第二MOS管MOS2由正极输出端口输出，输入MOS管整流桥的负极电源信号经第三MOS管MOS3由负极输出端口输出；

光电耦合原理为：当光耦二极管导通发光时，光耦三极管的输出端与光耦的VCC端短路与COM端断路，从而使得光耦三极管导通；当光耦二极管截止不发光时，光耦三极管的输出端与光耦的VCC端断路与COM端短路，从而使得光耦三极管截止。

本实施例所述的防反接电路的主要功率损耗分为两个部分：MOS管整流桥导通损耗和DCDC单元损耗。其中MOS整流桥导通损耗为，其中R为MOS管的导通内阻，本实施例选择MOS管的导通内阻为0.001Ω。DCDC单元功率损耗一般损耗在0.5-2W。

例如，在48V 100A的负载情况下，一般的基于2个正向管压降为1V二极管的防反接电路的功率损耗为1V·100A·2=200W，而本实施例所述的防反接电路的功率损耗为100A·100A·0.001Ω·2+2W=12W。

因此，本发明采用上述结构的低损耗防反接电路及其防反接控制方法，通过利用MOS管进行整流，相比于传统的二极管整流方式，具有降低功率损耗、提高效率、降低发热量、减小整体的体积的优点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种低损耗防反接电路，包括设置于直流电源和负载之间的防反接电路，其特征在于：防反接电路包括两个输入端分别与直流电源的第一输出端和第二输出端连接的MOS管整流桥，MOS管整流桥和直流电源之间连接有用于比较直流电源的第一输出端和第二输出端电压大小的电压比较单元，电压比较单元的输出端经驱动单元与MOS管整流桥的控制端相连，MOS管整流桥的输出端与负载相连，MOS管整流桥与负载之间还连接有DCDC单元，DCDC单元与驱动电源的供电端相连。

2.根据权利要求1所述的一种低损耗防反接电路，其特征在于：电压比较单元包括正向电压比较模块和反向电压比较模块，正向电压比较模块包括并联设置且两端分别与直流电源的第一输出端和第二输出端相连的两路正向电压比较回路，反向电压比较模块包括并联设置且两端分别与直流电源的第二输出端和第一输出端相连的两路反向电压比较回路；

正向电压比较回路和反向电压比较回路上均串联有保护电阻。

3.根据权利要求2所述的一种低损耗防反接电路，其特征在于：驱动单元包括分别与两路正向电压比较回路连接的两路正向驱动回路和分别与两路反向电压比较回路连接的两路反向驱动回路；

两路正向驱动回路和两路反向驱动回路均包括串联于电压比较回路上的光耦二极管、与光耦二极管耦合的光耦三极管以及与光耦三极管的信号输出端连接的推挽放大器，推挽放大器的输出端与MOS管整流桥的控制端相连；

光耦三极管的VCC端和COM端分别与DCDC单元的正极输出端和负极输出端相连；

两路正向驱动回路上的光耦二极管朝向直流电源的第二输出端的方向单向导通，两路反向驱动回路上的光耦二极管朝向直流电源的第一输出端的方向单向导通。

4.根据权利要求3所述的一种低损耗防反接电路，其特征在于：MOS管整流桥包括栅极分别与两路正向驱动回路的推挽放大器的驱动信号输出端相连的第一MOS管和第四MOS管以及栅极分别与两路反向驱动回路的推挽放大器的驱动信号输出端相连的第二MOS管和第三MOS管，第一MOS管、第二MOS管、第四MOS管、第三MOS管的栅极还经降压电阻分别与第一MOS管、第二MOS管、第四MOS管、第三MOS管的源极相连；

第一MOS管的源极还与第三MOS管的漏极相连，第三MOS管的源极与第四MOS管的源极相连，第四MOS管的漏极与第二MOS管的源极相连，第二MOS管的漏极与第一MOS管的漏极相连；

第一MOS管的源极和第三MOS管的漏极之间以及第四MOS管的漏极和第二MOS管的源极之间分别连接有直流电源的第一输出端和第二输出端；

第二MOS管的漏极和第一MOS管的漏极之间接有正极输出端口，第三MOS管的源极和第四MOS管的源极之间接有负极输出端口。

5.根据权利要求4所述的一种低损耗防反接电路，其特征在于：DCDC单元包括并联设置的三路隔离变压器，隔离变压器的初级线圈分别连接有正极输出端口和负极输出端口，隔离变压器的次级线圈与驱动回路的供电端相连。

6.根据权利要求4所述的一种低损耗防反接电路，其特征在于：第一MOS管、第二MOS管、第四MOS管、第三MOS管均为N沟道增强型管。

7.如上述权利要求1-6任一项所述的一种低损耗防反接电路的防反接控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

设定直流电源的第一输出端和第二输出端分别为Power In-1端和Power In-2端，判断Power In-1端和Power In-2端的正负极：

当Power In-1端为正极，Power In-2端为负极时，反向驱动回路上的光耦二极管截止，正向驱动回路上的光耦二极管导通，正向驱动回路上的光耦二极管发光，正向驱动回路的光耦三极管接收到光信号后由推挽放大器向第一MOS管和第四MOS管输出驱动信号，第一MOS管和第四MOS管导通，第二MOS管和第三MOS管截止，输入MOS管整流桥的正极电源信号经第一MOS管由正极输出端口输出，输入MOS管整流桥的负极电源信号经第四MOS管由负极输出端口输出；

当Power In-1端为负极，Power In-2端为正极时，正向驱动回路上的光耦二极管截止，反向驱动回路上的光耦二极管导通，反向驱动回路上的光耦二极管发光，反向驱动回路的光耦三极管接收到光信号后由推挽放大器向第二MOS管和第三MOS管输出驱动信号，第二MOS管和第三MOS管导通，第一MOS管和第四MOS管截止，输入MOS管整流桥的正极电源信号经第二MOS管由正极输出端口输出，输入MOS管整流桥的负极电源信号经第三MOS管由负极输出端口输出。