CN203225506U - 可设定阈值电流的程控过流保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种可设定阈值电流的程控过流保护电路，涉及电子电路领域，包括：电流取样电路模块、电子开关电路模块和微处理器模块。所述电流取样电路模块同时连接所述电子开关电路模块、所述微处理器模块及直流电源；所述电子开关电路模块同时连接所述电流取样电路模块、所述微处理器模块及电源负载。微处理器模块能够自动实时比较电流取样电路模块所提取的电源负载电流数值及通过软件设定的阈值电流，然后根据比较结果对电子开关电路模块进行相应的控制，最终有效地保证了直流电源不受负载短路、过流以及浪涌电流的影响和危害，从而能够更加安全、稳定地工作。

Description

可设定阈值电流的程控过流保护电路

技术领域

本实用新型涉及电子电路领域，尤其涉及一种可设定阈值电流的程控过流保护电路。

背景技术

直流电源很容易因为意外（如负载电路出现故障）或人为因素发生短路或过流，如果没有为其设计完善的过流保护电路，直流电源（包括其控制电路）及其负载电路均有可能被严重烧坏或者出现性能降级，甚至引发火灾事故。

常见的直流电源过流保护电路一般采用以下四类保护机制：

一.发生短路或过流时并不切断电源，而是将负载电流限制在一定值。这类过流保护电路虽然具有自动恢复功能，但是如果发生长时间短路或过流，直流电源及其负载电路还是有可能会被烧坏或者出现性能降级；

二.发生短路或过流的时候，通过PNP或P-MOS主控制晶体管（也可以采用继电器，只是响应速度会稍慢）快速切断电源，同时利用记忆电路（双稳态触发器、可控硅等）来维持保护状态。这种电路无法实现自动恢复功能，即短路或过流解除后需要依靠人工重新启动（实际是让电路复位）；

三.将上述第二点提到的双稳态记忆电路改为单稳态触发器。当发生短路或过流的时候，单稳态触发器立即被过流检测电路触发而进入暂态，此时电源被快速切断，数秒后单稳态触发器自动回到稳态，电源重新被打开。如果短路或过流已被解除，则电源一直保持打开状态，即自动恢复到正常工作状态；否则单稳态触发器将立即再次被触发而进入暂态，电源会再次被快速关闭，然后如此周而复始。由于发生连续短路或过流的时候，电源每一次尝试性打开的时间非常短暂，而电子开关电路模块的周期性关闭时间（即单稳态电路的暂态维持时间）则相对比较长，从而保证了直流电源及其控制电路的安全。但这种保护电路的缺点也是很明显的：单稳态触发器的暂态维持时间以及启动过流保护的阈值电流都需要通过改变相关硬件参数才能调节，而且在保证过流保护电路的响应速度的前提下很难消除电源刚启动时的浪涌电流所引起的过流保护电路误动作（误触发）。

四.采用自恢复保险丝（属于PTC/正温度系数热敏电阻，需串联到电源中）。未发生短路或过流时，PTC温度低、电阻小，发生短路或过流，温度上升到居里温度时阻值转变到高阻值，从而将负载电流限制在一个较小的值。显然这种电路具有自动恢复功能，而且电路非常简单，也不怕浪涌电流，但是过流保护的阈值电流仍然无法灵活改变（只能更改保险丝规格）而且数值会随环境温度的变化而变化，响应速度也比较慢（一般都在0.1秒以上，甚至长达数秒到数十秒），环境温度比较低、过流电流相对阈值电流不算太大时响应速度会更慢。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种可以通过软件来设定阈值电流的新型程控过流保护电路。

为了实现本实用新型的上述目的，本实用新型提供了一种可设定阈值电流的程控过流保护电路，包括：电流取样电路模块、电子开关电路模块和微处理器模块；

所述电流取样电路模块输入端连接直流电源，所述电流取样电路模块输出端连接所述电子开关电路模块输入端，所述电流取样电路模块检测输出端连接所述微处理器模块输入端；所述电子开关电路模块输出端连接电源负载，所述电子开关电路模块控制输入端连接所述微处理器模块输出端。所述电流取样电路模块用于对电源负载电流进行取样并按比例转换为电压信号，然后再传输给所述微处理器模块；所述电子开关电路模块用于控制直流电源的通断；所述微处理器模块用于比较、判断电源负载是否出现短路或过流，所述微处理器模块根据其比较、判断结果输出相应的控制信号来控制所述电子开关电路模块的通断。

上述方案的有益效果为：微处理器模块能够自动实时比较电流取样电路模块所提取的电源负载电流数值及通过软件设定的阈值电流，然后根据比较结果对电子开关电路模块进行相应的控制，最终有效地保证了直流电源不受负载短路、过流以及浪涌电流的影响和危害，从而能够更加安全、稳定地工作。

所述的可设定阈值电流的程控过流保护电路，优选的，所述电流取样电路模块包括：第一电阻、第二电阻、第五电阻、第六电阻、第八电阻、第九电阻、第一电容、稳压二极管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管；

所述第一电阻的一端和所述第二电阻的一端相连，该相连节点为本程控过流保护电路的电源输入端，用于连接直流电源，所述第一电阻另一端连接第二晶体管发射极；所述第二电阻另一端与第三晶体管发射极相连，该相连节点还连接电子开关电路模块一端；所述第五电阻的一端与第三晶体管集电极相连，该相连节点还连接所述第五晶体管集电极，所述第五电阻另一端接地；所述第六电阻的一端连接第五晶体管发射极，所述第六电阻另一端接地；所述第八电阻一端与第四晶体管发射极相连，该相连节点还连接所述第九电阻一端，所述第八电阻另一端接地；所述第九电阻另一端与所述第一电容一端相连，该相连节点还连接所述稳压二极管一端及所述微处理器模块输入端；所述第一电容另一端接地；所述稳压二极管另一端接地；所述第二晶体管基极与所述第三晶体管基极相连，该相连节点还连接所述第三晶体管集电极；所述第四晶体管集电极与所述第二晶体管集电极相连；所述第四晶体管基极与所述第五晶体管基极相连，该相连节点还连接第四晶体管集电极。

上述方案的有益效果为：第五电阻为启动/偏置电阻，可以让第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管获得必要的偏置电流以进入正常工作状态;由第六电阻、第八电阻、第四晶体管、第五晶体管共同组成镜像电流源。第九电阻及第一电容组成低通滤波器，可以滤除干扰信号；第九电阻及稳压二极管可以对输入微处理器模块的电压信号限幅，以保护微处理器模块。

所述的可设定阈值电流的程控过流保护电路，优选的，所述电子开关电路模块包括：第三电阻、第四电阻、第七电阻、第十电阻、第二电容、第一晶体管和第六晶体管；

所述第三电阻一端与第一晶体管发射极相连，该相连节点还连接第二电阻另一端，第三电阻另一端与第一晶体管基极相连；所述第四电阻一端与第一晶体管基极相连，所述第四电阻另一端与第六晶体管集电极相连；所述第七电阻一端与第六晶体管基极相连，第七电阻另一端与所述第一晶体管集电极相连；所述第十电阻一端与第六晶体管基极相连，所述第十电阻另一端与微处理器模块输出端相连；所述第二电容与第一晶体管集电极相连，该相连节点为本程控过流保护电路的电源输出端，用于连接电源负载，所述第二电容另一端接地；所述第六晶体管发射极接地。

上述方案的有益效果为：第七电阻为自锁电阻；第十电阻为第六晶体管基极限流电阻；第一晶体管为主控制管；第六晶体管为副控制管；当主控制管采用PNP三极管时，第三电阻为其基极分流电阻，可以防止主控制管漏电，第四电阻为其基极限流电阻，可以限制通过主控制管的最大电流；当主控制管采用P-MOS场效应管时，第三电阻及第四电阻为其栅/源分压电阻，可以限制通过主控制管的最大电流。

综合上述技术方案，本实用新型的有益效果为：

过流保护响应速度快、过流消除后能自动恢复、不怕浪涌电流干扰、暂态时间(连续过流时电子开关电路模块的周期性关闭时间)及阈值电流均可以通过软件灵活设定，智能化程度较高，能让直流电源更加安全、稳定地工作。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型可设定阈值电流的程控过流保护电路的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”、“连通”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本实用新型提供了一种可以通过软件来设定阈值电流的新型程控过流保护电路，包括：电流取样电路模块、电子开关电路模块和微处理器模块。所述电流取样电路模块同时连接所述电子开关电路模块、所述微处理器模块及直流电源；所述电子开关电路模块同时连接所诉电流取样电路模块、所述微处理器模块及电源负载。所述电流取样电路模块用于对电源负载电流进行取样并按比例转换为电压信号，然后再传输给所述微处理器模块；所述电子开关电路模块用于控制直流电源的通断；所述微处理器模块用于比较、判断电源负载是否出现短路或过流，所述微处理器模块根据其比较、判断结果输出相应的控制信号来控制所述电子开关电路模块的通断。

上述方案的有益效果为：微处理器模块能够自动实时比较电流取样电路模块所提取的电源负载电流数值及通过软件设定的阈值电流，然后根据比较结果对电子开关电路模块进行相应的控制，最终有效地保证了直流电源不受负载短路、过流以及浪涌电流的影响和危害，从而能够更加安全、稳定地工作。

所述的可以通过软件来设定阈值电流的新型程控过流保护电路，优选的，所述电流取样电路模块包括：第一电阻、第二电阻、第五电阻、第六电阻、第八电阻、第九电阻、第一电容、稳压二极管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管；

所述第一电阻的一端和所述第二电阻的一端相连，该相连节点为本程控过流保护电路的电源输入端，用于连接直流电源，第一电阻另一端连接第二晶体管发射极；所述第二电阻另一端连接第三晶体管发射极，该相连节点同时还连接电子开关电路模块；所述第五电阻的一端连接第三晶体管集电极，该相连节点同时还连接所述第五晶体管集电极，所述第五电阻另一端接地；所述第六电阻的一端连接第五晶体管发射极，所述第六电阻另一端接地；所述第八电阻一端连接第四晶体管发射极，该相连节点同时还连接所述第九电阻一端，所述第八电阻另一端接地；所述第九电阻另一端连接所述第一电容一端，该相连节点同时还连接所述稳压二极管一端及所述微处理器模块输入端；所述第一电容另一端接地；所述稳压二极管另一端接地；所述第二晶体管基极连接所述第三晶体管基极，该相连节点同时还连接所述第三晶体管集电极；所述第四晶体管集电极连接所述第二晶体管集电极；所述第四晶体管基极连接所述第五晶体管基极，该相连节点同时还连接第四晶体管集电极。

上述方案的有益效果为：第五电阻为启动/偏置电阻，可以让第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管获得必要的偏置电流以进入正常工作状态;由第六电阻、第八电阻、第四晶体管、第五晶体管共同组成镜像电流源。第九电阻及第一电容组成低通滤波器，可以滤除干扰信号；第九电阻及稳压二极管可以对输入微处理器模块的电压信号限幅，以保护微处理器模块。

所述的可以通过软件来设定阈值电流的新型程控过流保护电路，优选的，所述电子开关电路模块包括：第三电阻、第四电阻、第七电阻、第十电阻、第二电容、第一晶体管和第六晶体管；

所述第三电阻一端连接第一晶体管发射极，该相连节点同时还连接电流取样电路模块，第三电阻另一端连接第一晶体管基极；所述第四电阻一端连接第一晶体管基极，所述第四电阻另一端连接第六晶体管集电极；所述第七电阻一端连接第六晶体管基极，第七电阻另一端连接所述第一晶体管集电极；所述第十电阻一端连接第六晶体管基极，所述第十电阻另一端连接微处理器模块输出端；所述第二电容连接第一晶体管集电极，该相连节点为本程控过流保护电路的电源输出端，用于连接电源负载，所述第二电容另一端接地；所述第六晶体管发射极接地。

上述方案的有益效果为：第七电阻为自锁电阻；第十电阻为第六晶体管基极限流电阻；第一晶体管为主控制管；第六晶体管为副控制管；当主控制管采用PNP三极管时，第三电阻为其基极分流电阻，可以防止主控制管漏电，第四电阻为其基极限流电阻，可以限制通过主控制管的最大电流；当主控制管采用P-MOS场效应管时，第三电阻及第四电阻为其栅/源分压电阻，可以限制通过主控制管的最大电流。

其中直流电源连接所述电流取样电路模块输入端，所述电流取样电路模块输出端连接电子开关电路模块输入端，所述电子开关电路模块输出端连接电源负载，所述电流取样电路模块检测输出端和电子开关电路模块控制输入端分别连接所述微处理器模块的检测输入端和控制输出端。

本实用新型程控过流保护电路的基本机制是：在背景技术中描述的第三类保护电路基础之上，利用微处理器模块及其软件取代其中的单稳态触发器，结果不仅保留了该类电路的过流保护功能及自动恢复功能，而且同时具有过流保护响应速度快、不怕浪涌电流干扰、暂态维持时间(连续过流时电子开关电路模块的周期性关闭时间)及阈值电流均可以通过软件灵活设定等优点，智能化程度较高，能让直流电源更加安全、稳定地工作。

如附图1所示，需要特别说明的部分元件及网络名：

第二电阻R2：一般取10ohm以下；

第五电阻R5：一般取1Mohm以上；

第六电阻R6和第八电阻R8：R6=R8；

稳压二极管D1：稳压值和微处理器模块电源电压相等；

第一晶体管Q1：一般为PNP三极管，也可改成P-MOS场效应管或继电器；

第二晶体管Q2和第三晶体管Q3：孪生或同规格PNP三极管；

第四晶体管Q4和第五晶体管Q5：孪生或同规格NPN三极管；

第六晶体管Q6：NPN三极管；

VIN、VOUT：本程控过流保护电路的直流输入电压、直流输出电压；

MCU_EN：微处理器模块输出到电子开关电路模块控制输入端的控制信号，具有高电平脉冲、低电平脉冲及高阻抗三种输出状态；

MCU_A/D：电流取样电路模块检测输出端送到微处理器模块输入端的、反映电源负载电流大小的等比例直流电压信号。微处理器模块首先将其转换为数字信号，然后再与通过软件设定的阈值电流进行比较以判断电源负载是否存在短路或过流。

本实用新型的工作过程为：

微处理器模块输出MCU_EN高电平脉冲，Q6和Q1依次快速导通，直流电源通过Q1输出到电源负载，此时通过R7维持Q6/Q1导通以完成电子开关电路模块的自锁，然后MCU_EN立即转入高阻抗状态。R5能够让Q2、Q3、Q4、Q5获得必要的偏置电流以进入正常工作状态，电源空载时上述四个晶体管的集电极电流均维持在10μA以下。通过由R6、R8、Q4、Q5所组成的镜像电流源的作用，当负载电流在50mA以上时可忽略流过R5的电流，同时Q2、Q3集电极电流基本相等，再加上Q2和Q3的电气参数具有较高的一致性，其包括hFE、输入特性曲线等，因此Q2、Q3的基极电流及发射结电压V_BE也基本相等，显然此时R1和R2两端的电压也基本相等。假设负载电流为Is，同时MCU_A/D对地电压Vs小于稳压二极管D1稳压值，则R9、D1中基本无电流通过，此时R1及R8中流过的电流大约是(R2×Is)/R1，所以Vs≈[(R2×Is)/R1]×R8。如果正好将Vs设定为软件过流保护的阈值电压，那么当负载电流达到或超过Is的时候，微处理器模块就会立即输出MCU_EN低电平脉冲，Q1、Q6将立即截至（解锁），直流电源被快速切断，然后MCU_EN会再次转入高阻抗状态。数秒时间（同样可以通过软件来设定）后微处理器模块会尝试性输出MCU_EN高电平脉冲信号，如果短路/过流已解除，则Q1、Q6会一直导通，否则过流保护电路会再次迅速动作，并周而复始，重复上述过程。为防止浪涌电流（比如负载电路的大容量电源滤波电容的充电电流、直流马达的启动电流等）误触发过流保护电路，电源刚启动,Q1、Q6导通后一定时间内（典型值为1s左右，仍然可以通过软件来设定），微处理器模块将暂不响应MCU_A/D电压信号（期间即使超过阈值电压Vs，本程控过流保护电路也不会出现误动作）。

假如软件设定的过流保护阈值电流为Is，为保证本程控过流保护电路能够按上述设计思路正常工作，Is显然必须适当大于额定电源负载电流一定数值，其余量要合适，以兼顾安全性及防止过流保护电路出现误动作。一般可取两倍额定电源负载电流作为过流保护的阈值电流，同时Is还必须小于由Q1hFE、R2、R3和R4、输入电压VIN所共同决定的VOUT最大输出电流I，该电流满足以下一元一次方程：{VIN-R2×[0.6/R3+(1+1/hFE)×I]-0.6}/R4=0.6/R3+I/hFE，Q1hFE、R2、R3、R4、输入电压VIN确定后很容易计算出I的大小。如果Q1为P-MOS场效应管，则可以在其转移特性曲线（V_GS与I_D的关系曲线）坐标系中画出以下一次函数I=－[(R2+R3+R4)/(R2×R3)]×V_GS+VIN/R2的图像,其为直线，与I_D轴、V_GS轴交点的坐标分别为0，VIN/R2、(VIN×R3)/(R2+R3+R4)，0，直线和曲线的交点所对应的电流值即为VOUT最大输出电流I,所述电流为估算值。如果将Q1换成继电器，则VOUT最大输出电流I仅由直流电源本身的电流输出能力决定。

在本说明书的描述中，参考术语“一种优选实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种可设定阈值电流的程控过流保护电路，其特征在于，包括：电流取样电路模块、电子开关电路模块和微处理器模块；

所述电流取样电路模块输入端连接直流电源，所述电流取样电路模块输出端连接所述电子开关电路模块输入端，所述电流取样电路模块检测输出端连接所述微处理器模块输入端；所述电子开关电路模块输出端连接电源负载，所述电子开关电路模块控制输入端连接所述微处理器模块输出端，所述电流取样电路模块用于对电源负载电流进行取样并按比例转换为电压信号，然后再传输给所述微处理器模块；所述电子开关电路模块用于控制直流电源的通断；所述微处理器模块用于比较、判断电源负载是否出现短路或过流，所述微处理器模块根据其比较、判断结果输出相应的控制信号来控制所述电子开关电路模块的通断。

2.根据权利要求1所述的可设定阈值电流的程控过流保护电路，其特征在于，所述电流取样电路模块包括：第一电阻、第二电阻、第五电阻、第六电阻、第八电阻、第九电阻、第一电容、稳压二极管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管和第五晶体管；

所述第一电阻的一端和所述第二电阻的一端相连，该相连节点为本程控过流保护电路的电源输入端，用于连接直流电源，所述第一电阻另一端连接第二晶体管发射极；所述第二电阻另一端与第三晶体管发射极相连，该相连节点还连接电子开关电路模块一端；所述第五电阻的一端与第三晶体管集电极相连，该相连节点还连接所述第五晶体管集电极，所述第五电阻另一端接地；所述第六电阻的一端连接第五晶体管发射极，所述第六电阻另一端接地；所述第八电阻一端与第四晶体管发射极相连，该相连节点还连接所述第九电阻一端，所述第八电阻另一端接地；所述第九电阻另一端与所述第一电容一端相连，该相连节点还连接所述稳压二极管一端及所述微处理器模块输入端；所述第一电容另一端接地；所述稳压二极管另一端接地；所述第二晶体管基极与所述第三晶体管基极相连，该相连节点还连接所述第三晶体管集电极；所述第四晶体管集电极与所述第二晶体管集电极相连；所述第四晶体管基极与所述第五晶体管基极相连，该相连节点还连接第四晶体管集电极。

3.根据权利要求2所述的可设定阈值电流的程控过流保护电路，其特征在于，所述电子开关电路模块包括：第三电阻、第四电阻、第七电阻、第十电阻、第二电容、第一晶体管和第六晶体管；

所述第三电阻一端与第一晶体管发射极相连，该相连节点还连接第二电阻另一端，第三电阻另一端与第一晶体管基极相连；所述第四电阻一端与第一晶体管基极相连，所述第四电阻另一端与第六晶体管集电极相连；所述第七电阻一端与第六晶体管基极相连，第七电阻另一端与所述第一晶体管集电极相连；所述第十电阻一端与第六晶体管基极相连，所述第十电阻另一端与微处理器模块输出端相连；所述第二电容与第一晶体管集电极相连，该相连节点为本程控过流保护电路的电源输出端，用于连接电源负载，所述第二电容另一端接地；所述第六晶体管发射极接地。

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