CN203026905U - 一种低阻抗直流过压保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低阻抗直流过压保护电路，包括对电源电压进行电压报警门限值比较的电压报警门限比较电路、对超过电压门限值的电压信号进行报警的门限报警信号输出电路、开关通断控制电路、对所述开关通断控制电路的开关时间、速度进行调节的开关打开延时时间调整电路、功率电子开关、二次稳压滤波电路、稳压监测反馈电路，所述开关通断控制电路在上电瞬间确保所述功率电子开关是处于截止状态，电路无电压输出；电路输出电压通过所述稳压监测反馈电路、开关打开延时时间调整电路反馈到所述开关通断控制电路中，从而实现电路动态稳压的功能。

Description

一种低阻抗直流过压保护电路

技术领域

本发明涉及一种低阻抗直流过压保护电路，尤其涉及一种使用在便携式供电设备上的低阻抗直流过压保护电路。

背景技术

现在的便携式供电设备一般都采用直流电源供电，对输入电压有范围限制，在供电电压超过其上限值就会损坏设备。便携式设备都配备了直流电源插头，用于外部直流电源适配器给便携式设备进行充电或者供电；由于目前市面上的通用的直流电源适配器的插头规格只有三四种，但输出电压却有5V、9V、12V等多种规格，普通消费者没有注意到电源电压限制范围而错误的使用了不配套的电源适配器的时候，便携式设备就有可能由于输入直流电压过高而损坏。虽然在电路设计中使用适应宽输入电压的DC-DC电压转换器件，可以自动适应不同的输入电压，但在此类DC-DC器件的成本非常昂贵；另外使用DC-DC电压转换器件有可能给后级电源带来纹波，当后级电路中有射频电路的时候，电源纹波对射频性能影响尤为明显。DC-DC电压转换器件的使用会给后级电路的不能发挥最佳性能埋下隐患，在某些产品的电路设计中有必要提供一种不带DC-DC电压转换器件的供电电压过压保护电路。

公开号为CN201629569U的专利公开了一种USB接口过压保护电路，但此电路只适用于USB设备供电电路中，并且默认输出电压是打开的，采样控制电压取自5V电源输出端，存在高于5V的电压先输出到负载端之后，由于保护电路检测到高于5V电压才切断电压输出，这样会在负载端形成一个电压冲击脉冲；公开号为CN101267111A的专利文档中也公开了一种防过压的保护电路，但此电路使用了三极管作为电源通断开关，存在导通电阻较大，自身压降和损耗较大的问题；在目前便携式平板电脑设备中，电池容量都达4000mAh以上时，要实现电池快充功能，则需要2A或者4A的充电电流，由于采用PNP型三极管作为电源通断开关器件，由于三极管导通电阻最小也在100mΩ左右，在持续大电流的情况下，三极管本身会严重发热，严重影响用户体验，并且无起保护门限值输出指示等功能，在低电压大电流的场合应用受到限制，自身无稳压反馈监测机制。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种低阻抗直流过压保护电路。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种低阻抗直流过压保护电路，包括对电源电压进行电压报警门限值比较的电压报警门限比较电路、对超过电压门限值的电压信号进行报警的门限报警信号输出电路、开关通断控制电路、对所述开关通断控制电路的开关时间、速度进行调节的开关打开延时时间调整电路、功率电子开关、二次稳压滤波电路、稳压监测反馈电路，其特征在于，所述开关通断控制电路在上电瞬间确保所述功率电子开关是处于截止状态，并且输出电压通过所述稳压监测反馈电路、开关打开延时时间调整电路反馈到所述开关通断控制电路中。

进一步地，所述电压报警门限比较电路包括串联的稳压二极管ZD1和偏置电阻R2，所述稳压二极管ZD1的负极连接电源输入端，正极通过所述偏置电阻R2接地，所述稳压二极管ZD1反向击穿电压参数决定电路的门限比较电压大小。

进一步地，所述的开关打开延时时间调整电路包括第一三极管Q1和第一电阻R1、第四电阻R4、第九电阻R9、第一电容C1，所述第一三极管Q1的基极通过第九电阻R9与电压报警门限比较电路和稳压检测反馈电路相连，集电极通过第一电阻R1与电压输入端相连、通过第一电容C1接地、并通过第四电阻R4与所述开关通断控制电路相连，所述第一三极管Q1的发射极接地。

进一步地，所述开关通断控制电路包括第二三极管Q2，所述第二三级管Q2的基极与所述第一三极管Q1的集电极相连，集电极与所述功率电子开关相连，发射极接地。

进一步地，所述功率电子开关包括场效应管Q3，所述场效应管Q3的源级连接电源电压输入端，栅极与所述第二三极管Q2的集电极连接，漏极与所述二次稳压滤波电路相连。

进一步地，所述场效应管Q3采用可确保电源输入端到输出端通路电阻小于20mΩ的P沟道场效应管。

进一步地，所述稳压监测反馈电路通过第十九电阻R19将输出电压反馈到开关打开延时时间调整电路的第一三极管Q1的基极，影响三极管Q1的饱和、截止程度。

进一步地，所述门限报警信号输出电路包括发光二极管D1和/或蜂鸣器B1，所述发光二极管D1与所述偏置电阻R1并联、所述蜂鸣器B1一端连接所述稳压二极管ZD1的负极，另一端通过限流电阻R17、控制开关与所述稳压二极管ZD1的正极相连，所述控制开关包括第七三极管Q7，所述第七三极管Q7的集电极与所述蜂鸣器B1相连，基极与所述稳压二极管ZD1的正极相连，发射级接地。

本实用新型在先检测输入电压是否超过过压保护门限值，根据检测结果开关通断控制电路再决定是否将功率电子开关处于截止状态还是饱和导通状态，从而实现给后级电路负载供电的断与通的控制；在电压输入端和电压输出端通路上只采用了P沟道场效应管，电路流过的电流大小受到P沟道场效应管的具体封装与型号限制，本直流过压保护电路中设定的电压为直流5.6V，最大负载电流为10A，此电路正常工作功率范围为0W--50W。

本实用新型发明的直流过压保护电路由于自身阻抗很低，自身电流消耗为uA级，输出功率可以达到50W，并且能够在电路工作期间实时监测输入电压和输出电压形成了闭环反馈，同时在输出端提供二次稳压保护功能；电路适合用在直流低电压供电且大电流负载的应用场合。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，

图1是本实用新型实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例的电路原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，在电源电压输入端接通生效之后，电压报警门限比较电路先切断后级电路负载和工作电源的连接，并实时监测电源电压输入端；当直流输入的电源电压低于过压保护门限值的时候，开关通断控制电路自动打开功率电子开关，接通电源和后级电路负载；在直流输入电源电压高于过压保护门限值的时候，开关通断控制电路自动将功率电子开关切换到截止状态，切断直流输入电源和后级电路负载，并且门限报警信号输出电路输出过压报警信号，避免先接通后级电路负载之后再切断直流输入电源和后级电路负载而形成的过压尖脉冲对电路的损害。在电压输出端通过稳压检测反馈电路、开关打开延时时间调整电路连接到电压报警门限比较电路中，对输出的电压值也进行监测，并和输入电压形成反馈联动控制机制。

如图2所示，VCC_IN为外部直流电源输入端，VCC_OUT为稳压之后的直流电源输出端，连接后级电路负载。此电路中的电压报警门限比较电路是由稳压二极管ZD1和电阻R2构成；门限报警信号输出电路有电阻R3和发光二极管D1构成；开关通断控制电路由NPN三极管Q2和电阻R5、R27、电容C2组成；开关打开延时时间调整电路由电阻R9、NPN三极管Q1、电阻R1、电容C1、电阻R4构成第一级时间调整控制电路，开关通断控制电路中的电阻R27和电容C2构成第二级时间调整控制电路；功率电子开关是指P沟道场效应管Q3Si6467；尖峰吸收电路是由滤波电容C3和C4组成；二次稳压滤波电路由稳压二极管ZD2组成；稳压监测反馈电路由电阻R19组成。

P沟道场效应管Q3Si6467导通控制电压Vgs＝-1.8V，通过电流5A的情况下，导通电阻小于20mΩ，由于导通内阻小，在VCC_IN节点和VCC_OUT之间只有很小的导通阻抗，可确保低阻抗直流过压保护电路在大负载电流下都处于低阻抗状态，减小电路本身在大电流情况下的功率消耗，进一步减小电路的发热量。

具体工作原理如下：外部直流电源插入瞬间，由图2所知，ZD1、R1、R5、C2、Q3的S极(即2、3、6、7引脚)同时得电，由于上电瞬间电容C2是不带电荷的，那么上电瞬间电容C2相当于短路，Q3的G级电压得到加速提升，确保了Q3在上电瞬间是处于截止状态，也即功率电子开关在上电瞬间是处于截止状态。

当VCC_IN外部直流输入电源电压小于稳压二极管ZD1的耐压值5.6V的时候，ZD1是处于截止状态，三极管Q1的基极没有偏置电压，被电阻R2、R9拉为零电平，故三极管Q1也是处于截止状态；由于三极管Q1处于截止状态，那么外部直流输入电源通过电阻R1和R4加载到三极管Q2的基极，由于三极管Q2基极的偏置电压远大于0.7V，同时三极管Q2的集电极偏置电压等于外部直流输入电源电压，故三极管Q2立即进入深度饱和状态，将Q2集电极电压拉低到0.3V左右，也即将P沟道场效应管Q3Si6467的栅极电压拉低到0.3V左右，由于P沟道场效应管特性决定，当栅极电压远小于源极S电压的时候，P沟道场效应管导通处于饱和状态，所以Q2集电极电压被拉到0.3V左右的时候，P沟道场效应管也处于深度导通状态，将外部直流输入电源电压送到VCC_OUT节点。

在此第一级时间调整控制电路中电容C1是可以调节功率电子开关的反应速度和从截止到饱和的反应时间。具体工作原理分析如下：外部直流电源的上电瞬间，外部直流电源电压通过R1电阻给C1充电，由于电容C1需要通过R1电阻来充电，并且电容C1的电压也即开关通断控制电路NPN三极管Q2的基极偏置电压，此电压的上升快慢决定了三极管Q2的状态翻转时间。通过调节R1和电容C1的阻值关系，可以改变Q2的状态翻转时间和快慢，在电路参数取值上，只要电容C1的充电大于0.7V的时间即大于稳压二极管ZD1和三极管Q1的状态稳定的反应时间，则可以确保外部直流电源的上电瞬间开关通断控制电路不会将功率电子开关打开，VCC_OUT节点电压一直处于无输出状态，避免了上电瞬间，电源输出端会出现的电源尖脉冲；在第二级时间调整控制电路中，上电瞬间由于电容C2没有储存电荷，故在上电瞬间直流电源对C2快速充电，使Q3的栅极电压电位快速上升到等于源极电压电位，非常可靠的保证了功率电子开关Q3的处于截止；在开关通断控制电路中的三极管Q2由截止状态变为饱和导通的状态转换期间，电容C2要对地释放电荷，电容C2的放电回路中有电阻R27存在，故放电速度受到R27的影响，由于功率电子开关Q3为P沟道场效应管，当栅极电平为低电平的时候处于导通状态，当栅极电平等于源极电平的时候处于截止状态，调节R27的阻值和电容C2的容值即可改变功率电子开关Q3的栅极电平变化快慢，即可影响电子开关的反应速度。

门限报警信号输出电路中R3和发光二极管D1由于没有偏置电压，故D1处于截止状态，TP1节点处于低电平状态，发光二极管D1不发光，无过压报警信号输出。

当VCC_IN外部直流输入电源电压大于稳压二极管ZD1的耐压值5.6V的时候，ZD1被击穿；TP1节点得到(VCC_IN-5.6)V电压，也即三极管Q1的基极得到(VCC_IN-5.6)V偏置电压，只要基极偏置电压大于0.5V，三极管Q1即可翻转进入饱和状态，将Q1集电极的电压拉低到0.3V，这样开关通断控制电路中三极管Q2基极失去了有效的偏置电压，进入了截止状态，Q2的集电极的电压等于外部直流输入电源电压，也即功率电子开关P沟道的场效应管Q3Si6467的栅极电位等于源极电位，根据P沟道场效应管的特性，Si6467会处于截止状态，将外部直流电源电压和后级负载切断。

当稳压二极管ZD1被击穿的时候，TP1节点得到(VCC_IN-5.6)V电压，由于发光二极管自身发光需要1.5V左右的导通压降，故需要VCC_IN节点输入电压大于等于(5.6V+1.5V)＝7.2V时候，发光二极管才能够发光，输出超出门限的报警信号；外部直流输入电源电压越高，则发光二极管得到的偏置电压就越高，发光程度越强。故根据发光二极管的发光程度可以初略判断外部输入电压的高低程度。

稳压监测反馈电路工作原理如下：当VCC_OUT节点电压输出较高时候，通过反馈电阻R19反馈到开关打开延时时间调整电路NPN三极管Q1的基极，对应的提高了Q1基极的偏置电压，加快Q1进入到饱和状态，按照上面的分析，也加快了Q2的截止状态，从而确保功率电子开关P沟道场效应管Q3Si6467进入截止状态，稳定的保护后级电路负载。

稳压监测反馈电路通过反馈电阻R19将输出电压反馈到开关打开延时时间调整电路的三极管Q1的基极，影响三极管Q1的饱和、截止程度。稳压反馈监测电路将输出电压的变化量引入了控制电路中，形成一个闭环反馈控制环路，使整个保护电路能够在电路工作全过程中实时监测输入电压的变化情况，确保后级电路在任何时候都工作在安全的电压范围内。

对于发光二极管需要超出门限报警信号1.5V左右才能够发光报警的情况，可以通过声音报警电路。可在发光二极管报警电路的基础上增加蜂鸣器B1和限流电阻R17、控制开关Q7。图2中的NPN三极管Q7的基极只要得到大于0.3V的偏置电压，即可进入工作状态，蜂鸣器B1得电工作，发出报警声音。

当输出节点VCC_OUT在功率电子开关的控制下和VCC_IN节点接通的时候，滤波电容C7、C6会充电，同时稳压二极管ZD2会监视VCC_OUT节点电压，进行二次稳压，在即使前级电路控制异常的时候，稳压二极管ZD2也会进行稳压控制，确保后级电路工作正常。滤波电容C7、C6在外部直流电源输入电压出现小幅度波动的时候，电容C7、C6会自动对后级输出VCC_OUT节点电压进行平滑。

过压保护电路在电压输入端和电压输出端通路上只采用了P沟道场效应管，而P沟道场效应管属于电压控制型器件，在工作过程中自身消耗的电流只有nA级别，几乎为零；在开关通断控制电路中的三极管Q1和三极管Q2工作在反相状态。三极管Q1饱和导通的时候，三极管Q2处于截止状态，从而使功率电子开关也处于截止状态，整个过压保护电路自身工作的电流功耗为门限报警信号输出电路、开关通断控制电路功耗总和，约为10mA--20mA；由于功率电子开关处于截止状态，外部直流电源的负载功耗即为门限报警信号输出电路、开关通断控制电路功耗总和，由于三极管Q1的偏置电阻都可以取值较大，饱和导通的静态电流为uA级别，而门限报警信号输出电路的发光二极管D1工作电流为2mA；三极管Q1截止的时候，三极管Q2处于饱和导通状态，整个过压保护电路自身工作的电流功耗等于三极管Q2的饱和导通电流，已经设定为250uA。过压保护电路在正常工作时候，自身电流消耗为uA级别。

Claims (8)

1.一种低阻抗直流过压保护电路，包括对电源电压进行电压报警门限值比较的电压报警门限比较电路、对超过电压门限值的电压信号进行报警的门限报警信号输出电路、开关通断控制电路、对所述开关通断控制电路的开关时间、速度进行调节的开关打开延时时间调整电路、功率电子开关、二次稳压滤波电路、稳压监测反馈电路，其特征在于，所述开关通断控制电路在上电瞬间确保所述功率电子开关是处于截止状态，并且输出电压通过所述稳压监测反馈电路、开关打开延时时间调整电路反馈到所述开关通断控制电路中。

2.根据权利要求1所述低阻抗直流过压保护电路，其特征在于，所述电压报警门限比较电路包括串联的稳压二极管(ZD1)和偏置电阻(R2)，所述稳压二极管(ZD1)的负极连接电源输入端，正极通过所述偏置电阻(R2)接地，所述稳压二极管(ZD1)反向击穿电压参数决定电路的门限比较电压大小。

3.根据权利要求2所述低阻抗直流过压保护电路，其特征在于，所述的开关打开延时时间调整电路包括第一三极管(Q1)和第一电阻(R1)、第四电阻(R4)、第九电阻(R9)、第一电容(C1)，所述第一三极管(Q1)的基极通过第九电阻(R9)与电压报警门限比较电路和稳压检测反馈电路相连，集电极通过第一电阻(R1)与电压输入端相连、通过第一电容(C1)接地、并通过第四电阻(R4)与所述开关通断控制电路相连，所述第一三极管(Q1)的发射极接地。

4.根据权利要求3所述低阻抗直流过压保护电路，其特征在于，所述开关通断控制电路包括第二三极管(Q2)，所述第二三级管(Q2)的基极与所述第一三极管(Q1)的集电极相连，集电极与所述功率电子开关相连，发射极接地。

5.根据权利要求4所述低阻抗直流过压保护电路，其特征在于，所述功率电子开关包括场效应管(Q3)，所述场效应管(Q3)的源级连接电源电压输入端，栅极与所述第二三极管(Q2)的集电极连接，漏极与所述二次稳压滤波电路相连。

6.根据权利要求5所述低阻抗直流过压保护电路，其特征在于，所述场效应管(Q3)采用可确保电源输入端到输出端通路电阻小于20mΩ的P沟道场效应管。

7.根据权利要求6所述低阻抗直流过压保护电路，其特征在于，所述稳压监测反馈电路通过第十九电阻(R19)将输出电压反馈到开关打开延时时间调整电路的第一三极管(Q1)的基极，影响三极管Q1的饱和、截止程度。

8.根据权利要求7所述低阻抗直流过压保护电路，其特征在于，所述门限报警信号输出电路包括发光二极管(D1)和/或蜂鸣器(B1)，所述发光二极管(D1)与所述偏置电阻(R1)并联、所述蜂鸣器(B1)一端连接所述稳压二极管(ZD1)的负极，另一端通过限流电阻(R17)、控制开关与所述稳压二极管(ZD1)的正极相连，所述控制开关包括第七三极管(Q7)，所述第七三极管(Q7)的集电极与所述蜂鸣器(B1)相连，基极与所述稳压二极管(ZD1)的正极相连，发射级接地。

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