CN117477492A - 一种过压保护电路 - Google Patents

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CN117477492A CN202311456038.5A CN202311456038A CN117477492A CN 117477492 A CN117477492 A CN 117477492A CN 202311456038 A CN202311456038 A CN 202311456038A CN 117477492 A CN117477492 A CN 117477492A
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Abstract

本发明涉及过压保护技术领域,公开了一种过压保护电路,包括:当外接电源的电压未超过预设过压阈值时,过压检测电路关断后,开关电路导通,外接电源为输出电路充电至供电电压后为负载供电;当外接电源的电压超过预设过压阈值时,过压检测电路导通后,开关电路关断,负载断电。本发明设置过压检测电路及开关电路,当过压时,通过过压检测电路及开关电路的联动实现有效切换供电回路,实现对后级电子元器件的有效保护。

Description

一种过压保护电路
技术领域
本发明涉及过压保护技术领域,具体涉及一种过压保护电路。
背景技术
随着电子技术的发展和普及,用电设备对电源的可靠性提出了更高的要求,在保证用电设备正常供电的同时,供电输入端需要安全可靠的保护电路,防止供电端出现异常时对后级电子元器件的损坏,实现对后级电路的保护。对服务器主板来说,发生输入过压时如果不能及时断开供电回路,将会造成后级电子元器件的损坏;这就要求服务器主板设计者必须考虑在供电端口增加过压保护装置来保护后级电子元器件。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种过压保护电路,以解决当输入过压时,如何及时断开用电设备供电回路的问题。
第一方面,本发明提供了一种过压保护电路,包括:过压检测电路、开关电路及输出电路,其中,过压检测电路的第一端与外接电源的正极连接,过压检测电路的第二端与外接电源的负极连接,过压检测电路的第三端与开关电路的控制端连接;开关电路的第一端与外接电源的正极连接,开关电路的第二端与外接电源的负极连接,开关电路的控制端接所述过压检测电路的第三端,开关电路与所述输出电路的第一端连接,开关电路的第四端接地后与负载的负极供电端连接;输出电路的第一端与负载的正极供电端连接,输出电路的第二端接地;当外接电源的电压未超过预设过压阈值时,过压检测电路关断后,开关电路导通,外接电源为输出电路充电至供电电压后为负载供电;当外接电源的电压超过预设过压阈值时,过压检测电路导通后,开关电路关断,负载断电。
本发明设置过压检测电路及开关电路,当过压时,通过过压检测电路及开关电路的联动实现有效切换供电回路,实现对后级电子元器件的有效保护。
在一种具体实施方式中,过压检测电路包括:第一分压电路、第二分压电路及开关单元,其中,第一分压电路的第一端与外接电源的正极连接,第一分压电路的第二端与外接电源的负极连接,第一分压电路的第三端与开关单元的控制端连接,第一分压电路将外接电源的电压进行分压后得到第一分压;第二分压电路的第一端与外接电源的正极连接,第二分压电路的第二端与外接电源的负极连接,第二分压电路的第三端与开关单元的第一端连接,第二分压电路的第三端还与开关电路的控制端连接,第二分压电路将所输入的电压分压后得到第二分压;开关单元的第二端接地;当外接电源的电压未超过预设过压阈值时,第一分压未超过开关单元的工作电压,此时开关单元处于断路状态,第二分压使能开关电路,开关电路导通;当外接电源的电压超过预设过压阈值时,第一分压超过开关单元的工作电压,此时开关单元导通后,第二分压电路的第三端信号被拉低,开关电路关断。
在一种具体实施方式中,第一分压电路包括:第一电阻及第二电阻,其中,第一电阻的第一端与外接电源的正极连接,第一电阻的第二端与第二电阻的第一端、开关单元的控制端连接;第二电阻的第二端与外接电源的负极连接。
在一种具体实施方式中,第二分压电路包括:第三电阻及第四电阻,其中,第三电阻的第一端与外接电源的正极连接,第三电阻的第二端与第四电阻的第一端、开关单元的第一端连接;第四电阻的第二端与开关单元的第二端连接后接地。
在一种具体实施方式中,开关单元包括:稳压管及第一可控开关,其中,稳压管的阴极与第一分压电路的第三端连接,稳压管的阳极与第一可控开关的控制端连接;第一可控开关的第一端与第二分压电路的第三端连接,第一可控开关的第二端与第二分压电路的第二端连接后接地。
在一种具体实施方式中,开关电路包括:电子保险丝,其中,电子保险丝的第一端与外接电源的正极连接,电子保险丝的第二端与外接电源的负极连接后接地,电子保险丝的控制端与过压检测电路的第三端连接,电子保险丝的第三端与输出电路的第一端、负载的正极供电端连接,电子保险丝的第四端与外接电源的负极、负载的负极供电端连接。
本发明通过在供电端加入过压检测电路,配合电子保险丝等无过压保护功能的芯片,可在发生输入过压时,有效切断供电回路,达到保护后级用电元器件的目的;本发明是过压检测电路和无输入过压保护功能芯片的结合,解决了现有技术中无输入过压保护功能的问题;同时,简单的过压检测电路配合电子保险丝等保护芯片,较现有技术成本降低,保护芯片的可选择性和可替代性更高。
在一种具体实施方式中,输出电路包括:输出电容,其中,输出电容的第一端与开关电路的第三端连接,输出电容的第二端接地。
在一种具体实施方式中,过压保护电路还包括:过压尖峰抑制电路,其中过压尖峰抑制电路的第一端与外接电源的正极连接,过压尖峰抑制电路的第二端与外接电源的负极连接;过压尖峰抑制电路用于吸收外接电源的瞬态尖峰电压。
在一种具体实施方式中,过压尖峰抑制电路包括:瞬态电压抑制二极管,其中,瞬态电压抑制二极管的阴极与外接电源的正极连接,瞬态电压抑制二极管的阳极与外接电源的负极连接。
在一种具体实施方式中,过压保护电路还包括:电源连接器,其中,外接电源的正极、负极通过电源连接器与过压尖峰抑制电路、过压检测电路、开关电路连接。
附图说明
图1是现有技术方案一的电路图;
图2是现有技术方案二的电路图;
图3是根据本发明实施例的过压保护电路的组成图;
图4是根据本发明实施例的又一过压保护电路的组成图;
图5是根据本发明实施例的过压保护电路的电路图;
图6是根据本发明实施例的又一过压保护电路的组成图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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,本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在服务器供电设计中,现有技术方案一是在输入端口放置热插拔保护芯片,该方案的电路原理图如附图1所示。具体工作原理如下:当输入电压Vin达到开启电压,MP5023的EN脚电压高于使能阈值电压时,MP5023内部MOSFET闭合,输出电压Vout逐渐建立,最后接近稳定在输入电压Vin。输入电压Vin经电阻R1和R2分压采样,采样电压送到MP5023的OV脚,一旦采样电压超过MP5023芯片OV脚的内部基准电压,内部比较器的输出将会由低电平翻转为高电平,MP5023内部MOSFET断开,供电回路切断,保护后级电子元器件不会因过压损坏,达到了输入过压保护的目的。该方案为吸收输入瞬时电压过冲,在电源输入端口放置瞬态电压抑制二极管D1吸收瞬时电压过冲,用来保护热插拔芯片不受损坏。
现有技术方案一虽然在服务器主板中使用广泛,但也存在以下不足之处:使用的热插拔芯片较为复杂,芯片价格成本较高,并且相关芯片制造商大多是国外厂商,芯片交期和价格较难控制;因各个厂家芯片的设计方案不相同,较难实现完全替代,只能是方案替代;以上这些都会造成开发成本的增加。同时,有些热插拔芯片没有输入过压保护功能,无法在输入电压异常时实现及时有效的输入过压保护。
现有技术方案二使用电子保险丝来达到输入过压保护的目的,该方案的电路原理图如附图2所示。具体工作原理如下:当输入电压Vin达到开启电压,电子保险丝U1的EN/UVLO脚达到阈值电压以上时,U1内部MOSFET闭合,输出电压Vout逐渐建立,最后接近稳定在输入电压Vin。当输入电压Vin异常,Vin增加到一定值后,输出电压Vout会被钳位在固定值Vout_clamp,防止输出电压随着输入电压的升高继续增加,从而保护后级电子元器件不因过压损坏,实现输入过压保护的目的。同样,该方案为吸收输入瞬时电压过冲,在电源输入端口放置瞬态电压抑制二极管D1吸收瞬时电压过冲,用来保护电子保险丝不受损坏。
现有技术方案二常应用在小电流直流输入场合,虽然具有输入电压钳位功能,但也存在以下不足之处:当电子保险丝的输出电流Iout一定,随着输入电压Vin增加,输入电压Vin和输出钳位电压Vout_clamp的压差ΔV变大,电子保险丝的功耗ΔP=ΔV*Iout增加,一旦超过电子保险丝芯片允许功耗,芯片将会高温运行,甚至损坏。以TPS259260为例,输出钳位电压为15V,假定该芯片工作在55度环温下,芯片结温不超125度,根据芯片结温到环温的热阻可知芯片最大允许功耗为1.5W,如果输出电流为3A,则输入电压和输出电压的压差不应大于0.5V,即输入电压不能超过15.5V;如果输入电压继续增加,则芯片的功耗和结温都将继续增加,芯片将会高温运行,甚至损坏,严重影响使用寿命。
在本实施例中提供了一种过压保护电路,以解决上述在服务器供电回路中,一般使用无过压保护功能的电子保险丝作为输入保护开关,这种方案不能有效的防止输入过压对服务器主板造成的损坏的问题,如图3所示,包括:过压检测电路1、开关电路2及输出电路3。
如图3所示,过压检测电路1的第一端与外接电源的正极连接,过压检测电路1的第二端与外接电源的负极连接,过压检测电路1的第三端与开关电路2的控制端连接。
具体地,本实施例的过压检测电路1在发生过压时,控制开关电路2的控制信号拉低,开关电路2关断,从而切断外接电源与负载的连接;未发生过压时,开关电路2的控制信号为高电平,开关电路2保持导通状态,从而建立外接电源与负载的连接。
可选地,过压检测电路1可以由电压互感器、比较器等电路构成,比较器可以将采集的电压与预设电压阈值进行比较后输出过压信号或未过压信号,或者过压检测电路1由具有模数转换功能的控制芯片构成,控制芯片内部设置阈值比较程序,基于该程序判断是否过压,并输出过压信号或未过压信号。如图3所示,开关电路2的第一端与外接电源的正极连接,开关电路2的第二端与外接电源的负极连接,开关电路2的控制端接过压检测电路1的第三端,开关电路2的第三端与输出电路3的第一端连接,开关电路2的第四端接地后与负载的负极供电端连接。
具体地,当外接电源的电压未超过预设过压阈值时,过压检测电路1关断后,开关电路2导通,外接电源为输出电路3充电至供电电压后为负载供电;当外接电源的电压超过预设过压阈值时,过压检测电路1导通后,开关电路2关断,负载断电。
具体地,本实施例的开关电路2具有建立或切断外接电源与负载连接的功能,其中,开关电路2内部通过设置可控开关,在未发生过压时,可控开关将外接电源正极和负载正极连接;在发生过压时,可控开关将外接电源正极和负载正极断开,以实现对后级用电负载的正常供电和过压保护。
可选地,开关电路2可以包括电子保险丝,该电子保险丝内部集成可控开关。
如图3所示,输出电路3的第一端与负载的正极供电端连接,输出电路3的第二端接地。
具体地,当刚上电时,外接电源正常情况下,外接电源为本实施例的输出电路3充电,当输出电路3的电压接近输入电压时,为负载供电。
可选地,为了设置分级过压保护,本实施例可以在过压检测电路1中设置多个保护阈值,例如:第一阈值、第二阈值,当外接电源的电压在第一阈值与第二阈值之间时,判定该电压正常,开关电路2导通;当外接电源的电压大于第二阈值时,判定该外接电源的电压异常,开关电路2关断,若开关电路2连续关断频次高于预设频次,则判定外接电源的电压不稳压、极其异常,此时将保护阈值降低为第一阈值,即只要外接电源的电压大于第一阈值,则开关电路2关断,以便对外接电源维修检查。
在一些具体实施方式中,如图4所示,过压检测电路1包括:第一分压电路11、第二分压电路12及开关单元13。
如图4所示,第一分压电路11的第一端与外接电源的正极连接,第一分压电路11的第二端与外接电源的负极连接,第一分压电路11的第三端与开关单元13的控制端连接,第一分压电路11将外接电源的电压进行分压后得到第一分压。
具体地,第一分压电路11实则为开关单元13的驱动电路,该驱动电路的输入电压受控于外接电压的电压,当外接电源电压超过预设过压阈值时,驱动电路输出的电压能够使得开关单元13导通或关断,该开关单元13的导通或关断能够使得开关电路2的导通或关断,开关单元13与开关电路2之间的联动方式可以由具体电路设置。
如图4所示,第二分压电路12的第一端与外接电源的正极连接,第二分压电路12的第二端与外接电源的负极连接,第二分压电路12的第三端与开关单元13的第一端连接,第二分压电路12的第三端还与开关电路2的控制端连接,第二分压电路12将所输入的电压分压后得到第二分压。
具体地,第二分压电路12是将输入电压进行分压后使能或者不使能开关电路2,例如:当第二分压电路的电压超过开关电路2的使能电压时,开关电路2导通,使得负载得电;当发生输入过压时,开关单元13开始正常工作,将开关电路2的控制端信号拉低,开关电路2断开。。
如图4所示,开关单元13的第二端接地。
具体地,当外接电源的电压未超过预设过压阈值时,第一分压未超过开关单元13的工作电压,此时开关单元13断开后,第二分压使能开关电路2,开关电路2导通;当外接电源的电压超过预设过压阈值时,第一分压超过开关单元13的工作电压,此时开关单元13导通后,第二分压电路12的第三端信号拉低,开关电路2关断。
在一些具体实施方式中,如图5所示,第一分压电路11包括:第一电阻R4及第二电阻R5。第一电阻R4的第一端与外接电源的正极(即VIN)连接,第一电阻R4的第二端与第二电阻R5的第一端、开关单元13的控制端连接;第二电阻R5的第二端与外接电源的负极连接。
具体地,本实施例的第一分压电路11由两个电阻构成,实则还可由多个电阻串联连接构成,其中,电阻的数量由实际工况确定,在此不作限制。
在一些具体实施方式中,如图5所示,第二分压电路12包括:第三电阻R1及第四电阻R2,其中,第三电阻R1的第一端与外接电源的正极连接,第三电阻R1的第二端与第四电阻R2的第一端、开关单元13的第一端连接;第四电阻R2的第二端与开关单元13的第二端连接后接地。
具体地,本实施例的第二分压电路12由两个电阻构成,实则还可由多个电阻串联连接构成,其中,电阻的数量由实际工况确定,在此不作限制。
在一些具体实施方式中,如图5所示,开关单元13包括:稳压管Z1及第一可控开关Q1,其中,稳压管Z1的阴极与第一分压电路11的第三端连接,稳压管Z1的阳极与第一可控开关Q1的控制端连接;第一可控开关Q1的第一端与第二分压电路12的第三端连接,第一可控开关Q1的第二端与第二分压电路12的第二端连接后接地。
具体地,图5中,当输入电压Vin为额定电压时,即Vin未超过预设过压阈值时,第一电阻R4及第二电阻R5分压后得到的第一分压不高于稳压管Z1的工作电压,此时稳压管Z1关断,第一可控开关Q1的门极无电流流过,第一可控开关Q1关断,开关电路2的控制端被第二分压电路12拉高,开关电路2导通。
具体地,当Vin超过预设过压阈值时,第一电阻R4及第二电阻R5分压后得到的第一分压高于稳压管Z1的工作电压,此时稳压管Z1导通,第一可控开关Q1的门极有电流流过,第一可控开关Q1导通,将开关电路2的控制端信号拉低,开关电路2关断,断开负载与输入供电的连接。
在一些具体实施方式中,如图5所示,开关电路2包括:电子保险丝U1,其中,电子保险丝U1的第一端与外接电源的正极连接,电子保险丝U1的第二端与外接电源的负极连接后接地,电子保险丝U1的控制端与过压检测电路1的第三端连接,电子保险丝U1的第三端与输出电路3的第一端、负载的正极供电端连接,电子保险丝U1的第四端与外接电源的负极、负载的负极供电端连接。
具体地,本实施例的开关电路2采用电子保险丝U1,在现有技术中,该电子保险丝U1单独应用于过压保护中,即未设置过压检测电路1,这种应用方式会增加电子保险丝U1损坏的概率,而本实施例设置过压检测电路1,过压检测电路1检测到输入电压超过保护阈值时,过压检测电路1输出低电平将电子保险丝U1的使能信号拉低,电子保险丝U1切断供电回路,实现对用电设备的保护。
可选地,本实施例的开关电路2为无过压保护功能的芯片,配合过压检测电路1,可以在发生输入过压时,有效切断供电活路。
在一些具体实施方式中,如图5所示,输出电路3包括:输出电容C2,其中,输出电容的第一端与开关电路2的第三端连接,输出电容的第二端接地。
可选地,本实施例在输出电路3中设置滤波电路,以滤除杂波,该滤波不限于LC、RLC滤波。在一些具体实施方式中,如图6所示,过压保护电路还包括:过压尖峰抑制电路4,其中,过压尖峰抑制电路4的第一端与外接电源的正极连接,过压尖峰抑制电路4的第二端与外接电源的负极连接;过压尖峰抑制电路4用于吸收外接电源的瞬态尖峰电压。
在一些具体实施方式中,如图6所示,过压尖峰抑制电路4包括:瞬态电压抑制二极管D1,其中,瞬态电压抑制二极管D1的阴极与外接电源的正极连接,瞬态电压抑制二极管D1的阳极与外接电源的负极连接。
可选地,本实施例还可以在第一分压电路11输入侧接入压敏电阻,该压敏电阻,以在电路承受过压时进行电压钳位,吸收多余的电流以保护敏感器件。在电路中起到瞬态过电压保护的作用。
在一些具体实施方式中,过压保护电路还包括:电源连接器,其中,外接电源的正极、负极通过电源连接器与过压尖峰抑制电路、过压检测电路1、开关电路2连接。
以图5所示拓扑为例,当输入电压Vin为额定电压时,电阻R4和R5分压后得到电压不高于稳压管Z1的工作电压,第一可控开关Q1基极无电流流过,Q1截止;电阻R1和R2将采样到的输入电压送到电子保险丝U1的EN脚,当采样电压大于EN脚的阈值电压时,U1内部的MOSFET开始导通,输出电容上的电压Vout缓慢上升到接近输入电压Vin,Vout的上升时间由电容C1的容值决定。当输入电压Vin出现过压的异常情况,比如:供电电源发生损坏和输入端误插入高电压电源时,电阻R4和R5采样分压后的电压高于稳压管Z1两端电压,Z1开始工作,第一可控开关Q1的基极有电流流过,Q1的发射结正偏,集电结反偏,满足导通条件,Q1导通,U1的EN脚被拉低,U1内部的MOSFET关断,断开输入供电回路,达到保护后级元器件的目的。瞬态电压抑制二极管D1可以吸收输入瞬态尖峰电压,当输入直流供电电压高于D1的工作电压时,D1会被因过功率发生损坏;因此,输入过压检测电路1设定的过电压保护值,应低于瞬态电压抑制二极管D1的工作电压。
虽然结合附图描述了本发明的实施例,但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型,这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种过压保护电路,其特征在于,包括:过压检测电路、开关电路及输出电路,其中,
所述过压检测电路的第一端与外接电源的正极连接,所述过压检测电路的第二端与外接电源的负极连接,所述过压检测电路的第三端与所述开关电路的控制端连接;
所述开关电路的第一端与外接电源的正极连接,所述开关电路的第二端与外接电源的负极连接,所述开关电路的控制端接所述过压检测电路的第三端,所述开关电路的第三端与所述输出电路的第一端连接,所述开关电路的第四端接地后与负载的负极供电端连接;
所述输出电路的第一端与所述负载的正极供电端连接,所述输出电路的第二端接地;
当所述外接电源的电压未超过预设过压阈值时,所述过压检测电路关断后,所述开关电路导通,所述外接电源为所述输出电路充电至供电电压后为负载供电;
当所述外接电源的电压超过预设过压阈值时,所述过压检测电路导通后,所述开关电路关断,所述负载断电。
2.根据权利要求1所述的过压保护电路,其特征在于,包括:所述过压检测电路包括:第一分压电路、第二分压电路及开关单元,其中,
所述第一分压电路的第一端与所述外接电源的正极连接,所述第一分压电路的第二端与所述外接电源的负极连接,所述第一分压电路的第三端与所述开关单元的控制端连接,所述第一分压电路将所述外接电源的电压进行分压后得到第一分压;
所述第二分压电路的第一端与所述外接电源的正极连接,所述第二分压电路的第二端与所述外接电源的负极连接,所述第二分压电路的第三端与所述开关单元的第一端连接,所述第二分压电路的第三端还与所述开关电路的控制端连接,所述第二分压电路将所输入的电压分压后得到第二分压;
所述开关单元的第二端接地;
当外接电源的电压未超过预设过压阈值时,所述第一分压未超过所述开关单元的工作电压,此时所述开关单元处于断路状态,所述第二分压使能所述开关电路,所述开关电路导通;
当外接电源的电压超过预设过压阈值时,所述第一分压超过所述开关单元的工作电压,此时所述开关单元导通后,所述第二分压电路的第三端信号被拉低,所述开关电路关断。
3.根据权利要求2所述的过压保护电路,其特征在于,所述第一分压电路包括:第一电阻及第二电阻,其中,
所述第一电阻的第一端与所述外接电源的正极连接,所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端、所述开关单元的控制端连接;
所述第二电阻的第二端与所述外接电源的负极连接。
4.根据权利要求2所述的过压保护电路,其特征在于,所述第二分压电路包括:第三电阻及第四电阻,其中,
所述第三电阻的第一端与所述外接电源的正极连接,所述第三电阻的第二端与所述第四电阻的第一端、所述开关单元的第一端连接;
所述第四电阻的第二端与所述开关单元的第二端连接后接地。
5.根据权利要求2所述的过压保护电路,其特征在于,所述开关单元包括:稳压管及第一可控开关,其中,
所述稳压管的阴极与所述第一分压电路的第三端连接,所述稳压管的阳极与所述第一可控开关的控制端连接;
所述第一可控开关的第一端与所述第二分压电路的第三端连接,所述第一可控开关的第二端与所述第二分压电路的第二端连接后接地。
6.根据权利要求1所述的过压保护电路,其特征在于,所述开关电路包括:电子保险丝,其中,
所述电子保险丝的第一端与所述外接电源的正极连接,所述电子保险丝的第二端与所述外接电源的负极连接后接地,所述电子保险丝的控制端与所述过压检测电路的第三端连接,所述电子保险丝的第三端与所述输出电路的第一端、负载的正极供电端连接,所述电子保险丝的第四端与所述外接电源的负极、所述负载的负极供电端连接。
7.根据权利要求1所述的过压保护电路,其特征在于,所述输出电路包括:输出电容,其中,
所述输出电容的第一端与所述开关电路的第三端连接,所述输出电容的第二端接地。
8.根据权利要求1所述的过压保护电路,其特征在于,还包括:过压尖峰抑制电路,其中,
所述过压尖峰抑制电路的第一端与所述外接电源的正极连接,所述过压尖峰抑制电路的第二端与所述外接电源的负极连接;
所述过压尖峰抑制电路用于吸收外接电源的瞬态尖峰电压。
9.根据权利要求8所述的过压保护电路,其特征在于,所述过压尖峰抑制电路包括:瞬态电压抑制二极管,其中,
所述瞬态电压抑制二极管的阴极与所述外接电源的正极连接,所述瞬态电压抑制二极管的阳极与所述外接电源的负极连接。
10.根据权利要求8-9任一项所述的过压保护电路,其特征在于,还包括:电源连接器,其中,
所述外接电源的正极、负极通过所述电源连接器与所述过压尖峰抑制电路、过压检测电路、开关电路连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117895450A (zh) * 2024-03-15 2024-04-16 中车南京浦镇车辆有限公司 直流母线供电电路及过欠压保护方法

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