CN117410928A - 一种双向可控的芯片限流检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向可控的芯片限流检测电路，属于电流保护技术领域，包括控制回路、电流限制回路和过流检测回路，其中控制回路包括电阻R1和MOS驱动器，R1为MOS驱动器的LED限流电阻，用于防止LED电流过大损坏；电流限制回路包括MOS驱动器，电阻R2至R7，稳压管DZ1，N沟道MOS Q1、Q4，N沟道JFET Q2、Q3；过流检测回路包括电阻R8至R15、运算放大器U1和U2、二极管D1和D2，R8至R10、R14、U1组成第一差分运放电路，R11至R13、R15、U2组成第二差分运放电路，二极管D1、D2用于选择两个差分运放电路的输出信号；本发明实现了对小电流传输信号的限流保护。

Description

一种双向可控的芯片限流检测电路

技术领域

本发明涉及电路保护技术领域，具体涉及一种双向可控的芯片限流检测电路。

背景技术

现有的限流技术方案主要分为以下几种，一种是以三极管为主要器件，通过电阻分压导通/关断三极管实现限流；一种是以运放为主要器件，通过对采样电阻上的分压进行处理判断是否存在过流现象并处理；第三种是通过专用的限流芯片配合外围器件实现限流功能。

三极管限流技术方案在电流超载后，所有的压降都在三极管上，三极管存在过热的风险，若在此基础上增加自锁功能的话，当过流消除后，限流保护电路不能自行恢复。运放限流技术方案主要适用于电流比较大的应用，如电源输出限流等，不适用于mA级信号传输线应用。专用限流芯片技术方案外围电路复杂，成本较高，普适性较差，因此本发明提出了一种双向可控的芯片限流检测电路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双向可控的芯片限流检测电路，解决以下技术问题：

现有技术方案中：三极管限流技术方案在电流超载后，存在过热的风险，若在此基础上增加自锁功能的话，当过流消除后，限流保护电路不能自行恢复；运放限流技术方案主要适用于电流比较大的应用，不适用于mA级信号传输线应用；专用限流芯片技术方案外围电路复杂，成本较高，普适性较差。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种双向可控的芯片限流检测电路，包括控制回路，电流限制回路和过流检测回路，其中：

所述控制回路包括电阻R1和MOSFET驱动器O1，其中R1为MOSFET驱动器O1驱动LED的限流电阻，用于防止LED电流过大损坏；

所述电流限制回路包括MOSFET驱动器O1，电阻R2至R7，稳压管DZ1，N沟道MOSFETQ1、Q4，N沟道JFET Q2、Q3；R2为DZ1的限流电阻，R3和R4分别为Q1和Q4的栅极驱动电阻，Q1和Q4为限流电路的主开关，Q2和Q3为限流电路的电流调节器件；R5为驱动回路的分压电阻；R6和R7分别为Q2和Q3的分流电阻；

所述过流检测回路包括电阻R8至R15、运算放大器U1和U2、二极管D1和D2，其中R8、R9、R10、R14、U1组成第一差分运放电路，R11、R12、R13、R15、U2组成第二差分运放电路，二极管D1和D2用于选择两个差分运放电路的输出信号。

作为本发明进一步的方案：所述控制回路中，R1的电阻值由控制信号的电压和MOSFET驱动器O1驱动LED允许的电流确定。

作为本发明进一步的方案：所述电流限制回路中：

DZ1的稳压值根据Q1和Q4的特性选择，R2的电阻值根据O1输出的驱动电压和DZ1的稳压值确定；

R3和R4的阻值根据Q1和Q4的特性来确定，Q1、Q2、Q3、Q4的选型根据传输信号的电压和电流等级确定；

R5用于微调Q1和Q4的静态工作点；

R6和R7的阻值根据限制电流值与Q2和Q3的特性确定。

作为本发明进一步的方案：所述电流限制回路中R3、R6、Q1、Q2组成的电路与R4、R7、Q4、Q3组成的电路完全对称。

作为本发明进一步的方案：当所述控制信号置高后，MOSFET驱动器O1的驱动LED有电流通过，MOSFET驱动器O1的输出端产生一个浮动的驱动电压，电流限制回路开始工作，当控制信号置零时，MOSFET驱动器O1关闭，电流限制回路关闭。

作为本发明进一步的方案：当控制回路信号置高时，MOSFET驱动器O1输出驱动信号，Q1、Q4开通，传输信号电流从Q1的D端流入，S端流出，Q2和Q3的S端和G端短接，Q2和Q3处于放大区，传输信号电流流入R6的一端和Q2的D端，从R6的另一端和Q2的S端流出后再流入R7的一端和Q3的S端，传输信号电流从R7的另一端和Q3的D端流出后，从Q4的S端流入，然后从Q4的D端流出，进入信号的下一级。

作为本发明进一步的方案：当检测电路中的传输信号电流值在预设范围内时，Q1至Q4 的DS端电压降处于mV级，信号传输正常，调整R8至R15的值，控制差分电路对电流限制回路输出电压差的放大比例，使过流检测回路输出电压的值小于二极管正向导通压降，此时检测信号的电压值为零，整个检测电路正常运行。

作为本发明进一步的方案：当传输信号电流增大时，Q2和Q3工作于放大区，Q2和Q3的DS端之间分别相当于等效电阻RQ2和RQ3，RQ2和RQ3分别与R6和R7并联，Q1的工作区间由饱和区向放大区靠近，Q4的工作区间进一步进入饱和区，当电流持续增大时，Q1的工作区间由饱和区进入放大区，Q1的DS端之间的电压变大，Q1、Q2、Q3在放大区的工作区间达到动态平衡，Q1至Q4的DS端导通压降，该压降为传输信号在输入端和输出端的电压差，当输出负载降低至短路状态时，传输信号的电压全部分压在Q1至Q4的DS端，输出电压接近为零，传输信号的电流则限制在预设最大允许电流值，此时Q1的DS端的导通压降最大，Q2和Q3的DS端的导通压降相等，Q4的DS端的导通压降最小。

作为本发明进一步的方案：当允许的最大导通电流值越大，R6、R7的电阻值越小，R6、R7上流过的电流值越大，当允许的最大导通电流值越小，R6、R7的电阻值越大，R6、R7上流过的电流值越小；当允许的最大导通电流在Q2、Q3的电流范围内，则去除R6和R7，此时仅通过Q2和Q3进行通流；

当Q1至Q4的型号确定时，选择R6和R7的阻值，使导通电流值达到预设最小阈值，则当去除R6和R7时，将此时电路中的允许导通电流值设为电路最大允许导通电流值的下限值。

作为本发明进一步的方案：当电流达到最大允许电流值时，电流限制回路输出的电压差经过差分运放电路放大后，输出被下一级信号输入端识别的高电平，此时判定系统出现过流故障，控制信号置低，整个限流检测系统关闭，信号传输路径断开，当故障排除后重新将控制信号置高，系统重新工作。

本发明的有益效果：

本发明的可控双向限流检测电路是针对小电流传输信号的限流保护方案，当传输信号的电流超过允许的最大电流或者发生短路时，可以将传输信号的电流限制在允许的最大电流，同时检测信号置位，在需要的情况下，可以通过控制信号完全切断传输信号，等故障消除后再次通过控制信号恢复通路。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，本发明为一种双向可控的芯片限流检测电路，如图所示，控制回路包括电阻R1和MOSFET驱动器O1两个元器件组成，其中R1为MOSFET驱动器O1驱动LED的限流电阻，防止LED电流过大损坏，R1的值根据控制信号的电压和MOSFET驱动器O1驱动LED允许的电流确定。

如图1所示，电流限制回路包括MOSFET驱动器O1，电阻R2至R7，稳压管DZ1，N沟道MOSFET Q1、Q4，N沟道JFET Q2、Q3。

R2为DZ1的限流电阻，DZ1的稳压值根据Q1、Q4的特性选择，R2的值根据O1输出的驱动电压和DZ1的稳压值确定， R3、R4分别为Q1、Q4的栅极驱动电阻，R3、R4的阻值根据Q1、Q4的特性来确定，Q1、Q4为限流电路的主开关，Q2、Q3为限流电路的电流调节器件，Q1、Q2、Q3、Q4的选型根据传输信号的电压和电流等级确定，R6、R7分别为Q2、Q3的分流电阻，其阻值根据限制电流的大小和Q2、Q3的特性确定，R5为驱动回路的分压电阻，可以微调Q1和Q4的静态工作点。

如图1所示，过流检测回路包括电阻R8至R15、运算放大器U1至2、二极管D1至2，其中R8、R9、R10、R14、U1组成差分运放电路，R11、R12、R13、R15、U2组成另一路差分运放电路，二极管D1、D2用于选择两个差分运放电路的输出信号，运放和二极管的选型可根据保护的速度进行选择，电阻阻值的选择可根据限流时Q2、Q3的DS端压降和输出保护信号的电压值进行计算。

R3、R6、Q1、Q2组成的电路与R4、R7、Q4、Q3组成的电路完全对称，因此在分析限流电路工作原理时，以电流的方向为从上往下为例，进行分析。

当控制信号置高后，MOSFET驱动器O1的LED有电流通过，MOSFET驱动器O1的输出端产生一个浮动的驱动电压，电流限制回路开始工作；当控制信号置零时，MOSFET驱动器O1关闭，电流限制回路关闭。

如图1所示，在电路图中标注出节点A、节点B、节点C、节点D、节点E、节点F、节点G；

当控制回路信号置高时，MOSFET驱动器O1输出驱动信号，Q1、Q4开通，传输信号电流从Q1的D端流入，S端流出，Q2和Q3的S端和G端短接，Q2和Q3处于放大区，所以电路流入R6的一端和Q2的D端，从R6的另一端和Q2的S端流出后再流入R7的一端和Q3的S端，同时R5和节点D相连接的一端也会流入微小的电流，由于此电流在uA级，此处忽略不计。传输信号电流从R7的另一端和Q3的D端流出后，从Q4的S端流入，然后从Q4的D端流出，进入信号的下一级，整个电流的途径即为上所述。

当传输信号电流在正常范围内时，Q1至Q4 器件的DS端电压降都比较小（几至几十毫伏），因为CD、DE节点间的电压差很小，AB节点间电压差固定，所以AC、AE节点间的电压差变化很小，即Q1、Q4的驱动电压VGS变化很小，可以认为Q1、Q4的工作状态变化很小，信号传输正常。此时CE节点间的电位差大于零，因此F节点的输出电压被运放供电限制为零，G节点的输出电压大于零，此时CE节点间的电位差比较小，调整R8至R15的值，即调整差分电路对CE节点电压差的放大比例，使F、G节点输出电压的值略小于二极管正向导通压降，此时检测信号的电压值为零，整个系统正常运行。

当传输信号电流增大时，Q2和Q3工作于放大区，此时可将Q2、Q3的DS端之间分别看作一个等效电阻，分别与R6、R7并联，因此CD、DE间的电压差会随着电流的增大而增大，C节点的电位高于D节点，D节点电位高于E节点。当CD、DE间的电压差增大后，AB节点间电压差固定，所以AC节点间的电压差减小，AE节点间的电压差增大，Q1的工作区间由饱和区向放大区靠近，Q4的工作区间进一步进入饱和区，当电流持续增大时，Q1的工作区间由饱和区进入放大区，Q1的DS端之间的电压显著变大，Q1、Q2、Q3在放大区的工作区间达到新的动态平衡，Q1至Q4的DS端导通压降，即为传输信号在输入端和输出端的电压差，当输出负载进一步降低至短路状态时，传输信号的电压几乎全部分压在Q1至Q4的DS端，输出电压接近为零，而电流则限制在最大允许电流值。此时Q1的DS端的导通压降最大，Q2、Q3的DS端的导通压降几乎相等，Q4的DS端的导通压降最小。

当允许的最大导通电流值越大，R6、R7的电阻值越小，R6、R7上流过的电流值越大，相反当允许的最大导通电流值越小，R6、R7的电阻值越大，R6、R7上流过的电流值越小，当最大电流值小于一定的值后，R6、R7可以去掉，仅靠Q2、Q3进行通流即可，若Q1至Q4的型号已经确定，则去掉R6、R7时的最大允许电流即为此电路最大允许电流值的下限。

当电流达到最大允许电流值时，CD、DE节点间的电压差会明显高于正常传输电流时的电压差，CE节点间的电压差经过差分运放电路放大后，输出一个可以被下一级信号输入端识别的高电平，此时认为系统出现过流故障，需要进一步处理，同时可以根据需求，决定Control信号是否置低，当控制信号置低后，整个限流检测系统将关闭，信号传输路径断开，当故障排除后重新将控制信号置高，系统重新工作。

电流限制回路和过流检测回路部分的结构完全对称，传输电流同样从下往上流动时。

Control信号和Detection信号还有以下几种扩展适用场景，均包括在本专利要求范围内：

1、Control信号和Detection信号经过数字信号逻辑门共同动作形成闭环控制，不只限于所举示例如Detection信号经过反向后和Control信号一起进入与逻辑门，与逻辑门的输出信号接入O1的LED输入端，当出现过流现象后，限流保护电路主动关断，故障消除后主动恢复；

2、Detection信号可接入多种检测系统或者指示系统，不只限于所举示例如驱动LED灯作为故障指示，接入其他处理系统或逻辑系统作为故障输入信号。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种双向可控的芯片限流检测电路，其特征在于，包括控制回路，电流限制回路和过流检测回路，其中：

所述控制回路包括电阻R1和MOSFET驱动器O1，其中R1为MOSFET驱动器O1驱动LED的限流电阻，用于防止LED电流过大损坏；

所述电流限制回路包括MOSFET驱动器O1，电阻R2至R7，稳压管DZ1，N沟道MOSFET Q1、Q4，N沟道JFET Q2、Q3；其中，R2为DZ1的限流电阻，R3和R4分别为Q1和Q4的栅极驱动电阻，Q1和Q4为限流电路的主开关，Q2和Q3为限流电路的电流调节器件；R5为驱动回路的分压电阻；R6和R7分别为Q2和Q3的分流电阻；

所述过流检测回路包括电阻R8至R15、运算放大器U1和U2、二极管D1和D2，其中R8、R9、R10、R14、U1组成第一差分运放电路，R11、R12、R13、R15、U2组成第二差分运放电路，二极管D1和D2用于选择两个差分运放电路的输出信号。

2.根据权利要求1所述的一种双向可控的芯片限流检测电路，其特征在于，所述控制回路中，R1的电阻值由控制信号的电压和MOSFET驱动器O1驱动LED允许的电流确定。

3.根据权利要求1所述的一种双向可控的芯片限流检测电路，其特征在于，所述电流限制回路中：

DZ1的稳压值根据Q1和Q4的特性选择，R2的电阻值根据O1输出的驱动电压和DZ1的稳压值确定；

R3和R4的阻值根据Q1和Q4的特性来确定，Q1、Q2、Q3、Q4的选型根据传输信号的电压和电流等级确定；

R5用于微调Q1和Q4的静态工作点；

R6和R7的阻值根据限制电流值与Q2和Q3的特性确定。

4.根据权利要求1所述的一种双向可控的芯片限流检测电路，其特征在于，所述电流限制回路中R3、R6、Q1、Q2组成的电路与R4、R7、Q4、Q3组成的电路完全对称。

5.根据权利要求1所述的一种双向可控的芯片限流检测电路，其特征在于，当所述控制信号置高后，MOSFET驱动器O1的驱动LED有电流通过，MOSFET驱动器O1的输出端产生一个浮动的驱动电压，电流限制回路开始工作，当控制信号置零时，MOSFET驱动器O1关闭，电流限制回路关闭。

6.根据权利要求5所述的一种双向可控的芯片限流检测电路，其特征在于，当控制回路信号置高时，MOSFET驱动器O1输出驱动信号，Q1、Q4开通，传输信号电流从Q1的D端流入，S端流出，Q2和Q3的S端和G端短接，Q2和Q3处于放大区，传输信号电流流入R6的一端和Q2的D端，从R6的另一端和Q2的S端流出后再流入R7的一端和Q3的S端，传输信号电流从R7的另一端和Q3的D端流出后，从Q4的S端流入，然后从Q4的D端流出，进入信号的下一级。

7.根据权利要求1所述的一种双向可控的芯片限流检测电路，其特征在于，当检测电路中的传输信号电流值在预设范围内时，Q1至Q4 的DS端电压降处于mV级，信号传输正常，调整R8至R15的值，控制差分电路对电流限制回路输出电压差的放大比例，使过流检测回路输出电压的值小于二极管正向导通压降，此时检测信号的电压值为零，整个检测电路正常运行。

8.根据权利要求7所述的一种双向可控的芯片限流检测电路，其特征在于，当传输信号电流增大时，Q2和Q3工作于放大区，Q2和Q3的DS端之间分别相当于等效电阻RQ2和RQ3，RQ2和RQ3分别与R6和R7并联，Q1的工作区间由饱和区向放大区靠近，Q4的工作区间进一步进入饱和区，当电流持续增大时，Q1的工作区间由饱和区进入放大区，Q1的DS端之间的电压变大，Q1、Q2、Q3在放大区的工作区间达到动态平衡，Q1至Q4的DS端导通压降，该压降为传输信号在输入端和输出端的电压差，当输出负载降低至短路状态时，传输信号的电压全部分压在Q1至Q4的DS端，输出电压接近为零，传输信号的电流则限制在预设最大允许电流值，此时Q1的DS端的导通压降最大，Q2和Q3的DS端的导通压降相等，Q4的DS端的导通压降最小。

9.根据权利要求8所述的一种双向可控的芯片限流检测电路，其特征在于，当允许的最大导通电流值越大，R6、R7的电阻值越小，R6、R7上流过的电流值越大，当允许的最大导通电流值越小，R6、R7的电阻值越大，R6、R7上流过的电流值越小；当允许的最大导通电流在Q2、Q3的电流范围内，则去除R6和R7，此时仅通过Q2和Q3进行通流；

当Q1至Q4的型号确定时，选择R6和R7的阻值，使导通电流值达到预设最小阈值，则当去除R6和R7时，将此时电路中的允许导通电流值设为电路最大允许导通电流值的下限值。

10.根据权利要求9所述的一种双向可控的芯片限流检测电路，其特征在于，当电流达到最大允许电流值时，电流限制回路输出的电压差经过差分运放电路放大后，输出被下一级信号输入端识别的高电平，此时判定系统出现过流故障，控制信号置低，整个限流检测系统被关闭，信号传输路径断开，当故障排除后重新将控制信号置高，系统重新工作。