CN203645299U - 一种硬件过载或短路保护电路及dc电源供电电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种硬件过载或短路保护电路及DC电源供电电路，其中硬件过载或短路保护电路包括：设置在DC电源E与供电输出端正极之间的用于控制电路通断的开关电源输出单元K；限流输出电阻R0，其设置在开关电源输出单元K与供电输出端正极之间的线路上，用于检测限流输出电阻R0两端的电压差；保护单元P，其包括一个正反馈比较电路，其产生一个滞回比较区间，即第一比较电压阈值和第二比较电压阈值，所述的第一比较电压阈值大于第二比较电压阈值；所述DC电源供电电路包括DC电源E，供电输出端正极和供电输出端负极。本实用新型结构简单，所用元器件成本低，且控制精度高，不会发生反复误触发的问题。可广泛应用于DC电源保护电路中。
Description
技术领域
本实用新型涉及电源保护技术领域，尤其是涉及一种硬件过载或短路保护电路及DC电源供电电路。
背景技术
在自动控制领域中，控制器往往需要采集多个外部传感器的信号，进行反馈控制。绝大部分传感器是有源式的，即需要供电才能正常工作，这就需要控制器内部设计有可为传感器供电的电源系统电路。
如果外部传感器和控制器内部电路使用同一个电源模块电路供电，则在外部传感器发生故障或由于线束问题导致传感器的供电正极和负极短路时，会使得控制器内部电路也无法得到正常供电，从而使整个系统瘫痪。因此控制器内部电路的供电和外部传感器的供电必须分开设计，且各自具有过载和短路保护。
在本技术领域和相似领域中，目前主要是使用具有保护功能的集成电路芯片这种方法来解决这个问题，这种方法有以下缺点：（1）集成电路芯片价格较高；若控制器需要为多个传感器进行相互独立的供电，使用成本比较可观；（2）每种型号的集成电路芯片的输出电流能力是固定的，因此不同的传感器应用可能需要匹配不同型号的集成电路芯片，在设计应用上受限。
另外也有使用软件保护的方法，具体是通过单片机程序对负载电流进行检测，然后根据检测的结果进行电源的开关控制。这种方法首先需要设计精密的测流电路，设计成本较高，其次软件保护的响应时间不够迅速，因此这种保护并不可靠。
还有在线路上使用PPTC自恢复保险或熔断器的方法，这种方法虽然电路结构最为简单、成本最低，但响应时间也较慢，保护不可靠，并且也不适合额定负载电流较小（如小于100mA）的电路应用。
中国发明专利（专利申请号CN201010216394.6）公开了一种过压过流硬件保护电路，其中使用了反相比例电路来进行电流的检测，这种电路在实际应用中由于电阻的精度和运算放大器性能问题，在放大系数较小的时候误差较大，可能会导致反复误触发，应用有较大的局限性；另外该发明中除了使用比较器，还使用了门电路和光耦等器件对保护驱动信号进行锁止避免振荡，结构过于复杂。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种硬件过载或短路保护电路及DC电源供电电路，解决现有保护电路采用反相比例电路来进行电流的检测，误差大，容易反复误触发的问题，且结构复杂，成本高。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供一种硬件过载或短路保护电路，包括：设置在DC电源E与供电输出端正极之间的用于控制电路通断的开关电源输出单元K；
限流输出电阻R0，其设置在开关电源输出单元K与供电输出端正极之间的线路上；
保护单元P，其包括一个正反馈比较电路，其产生一个滞回比较区间，即第一比较电压阈值和第二比较电压阈值，所述的第一比较电压阈值大于第二比较电压阈值；
所述正反馈比较电路接收限流输出电阻R0两端的电压，当限流输出电阻R0两端的电压差大于第一比较电压阈值时，保护单元P中的正反馈比较电路输出切断输出保护信号至开关电源输出单元K，切断开关电源输出单元K的输出，从而保护整个电源系统；若限流输出电阻R0两端电压差小于第二比较电压阈值时，保护电路停止输出保护信号，通过设定第二比较电压阈值小于零，保护电流输出的切断输出保护信号将会一直锁止，直至故障排除后的下一次重新上电，才可恢复正常。
所述开关电源输出单元K包括输入端口4-1、接地端口4-2、输出端口4-3、供电端口4-4，第一开关管Q1和第二开关管Q2，第一开关管Q1接收输入端口4-1的信号用以驱动第二开关管Q2，第二开关管Q2与输出端口4-3、供电端口4-4连接，用于输出供电。
所述保护单元P还包括第三开关管Q3，比较器U1接收来自限流输出电阻R0两端的电压，当电压差超过设定的阈值时，比较器U1输出切断输出保护信号，使第三开关管Q3导通，第三开关管Q3将信号传输给开开关电源输出单元K的输入端口4-1，第一开关管Q1接收输入端口4-1的信号用以驱动第二开关管Q2，从而控制开关电源输出单元K的输出状态。
所述保护单元P包括与开关电源输出单元K的输入端口4-1连接的输出端口5-1；接地端口5-2；与限流输出电阻R0输出端连接的第二状态输入端口5-3；与限流输出电阻R0输入端连接的第一状态输入端口5-4；与DC电源E连接的供电端口5-5。所述比较器U1的正向输入端与第一状态输入端口5-4之间设置有供电状态第一输入电阻R6，比较器U1的反向输入端与第二状态输入端口5-3之间设置有供电状态第二输入电阻R7。
进一步的，所述保护单元P还包括用于提高电源稳定性的第三上拉电阻R9、驱动第三开关管Q3的第三驱动电阻R10。
与现有技术相比，本发明构造了一种结构简单的两级开关驱动电路和正反馈比较控制电路，实现了具有过载和短路保护的保护电路。
本实用新型解决其技术问题所采用的另一技术方案是：提供一种DC电源供电电路，包括DC电源E，供电输出端正极和供电输出端负极，包括：设置在DC电源E与供电输出端正极之间的用于控制电路通断的开关电源输出单元K；限流输出电阻R0，其设置在开关电源输出单元K与供电输出端正极之间的线路上；保护单元P，其包括一个正反馈比较电路，其产生一个滞回比较区间，即第一比较电压阈值和第二比较电压阈值，所述的第一比较电压阈值大于第二比较电压阈值；
所述正反馈比较电路接收限流输出电阻R0两端的电压，当限流输出电阻R0两端的电压差大于第一比较电压阈值时，保护单元P中的正反馈比较电路输出切断输出保护信号至开关电源输出单元K，切断开关电源输出单元K的输出，从而保护整个电源系统；若限流输出电阻R0两端电压差小于第二比较电压阈值时，保护电路停止输出保护信号，通过设定第二比较电压阈值小于零，保护电流输出的切断输出保护信号将会一直锁止，直至故障排除后的下一次重新上电，才可恢复正常。
本实用新型的有益效果：通过保护电路控制开关电源输出单元的通断，来控制外接线路的通断，结构简单。直接采用电压来作为反馈控制的参量，避免了使用误差较大的运放式测流电路，实现了高精度的控制，过载和短路保护迅速、可靠。保护单元中采用的正反馈比较结构，使得在发生过载和短路故障时，保护单元输出的切断输出保护信号将会一直锁止，直至故障排除后的下一次重新上电，才可恢复正常，避免了由隐性故障（如线路虚接问题导致传感器供电正负极虚短路）导致供电输出和保护反复动作而引发电流冲击，损坏相应元件；通过调整正反馈参数和限流电阻的参数，可灵活设定保护电流的大小，适应性强。且仅用一个比较器就实现了过载保护信号的输出和锁止，结构简单、成本低廉，易于实施。
以下将结合附图和实施例，对本实用新型进行较为详细的说明。
附图说明
图1为本实用新型的电路图。
图2为本实用新型保护电路的内部电路图。
图3为本实用新型中开关电源输出单元的内部电路图I。
图4为本实用新型中开关电源输出单元的内部电路图II。
具体实施方式
实施例，如图1至4所示，一种硬件过载或短路保护电路，包括：设置在DC电源E与供电输出端正极之间的用于控制电路通断的开关电源输出单元K；
限流输出电阻R0，其设置在开关电源输出单元K与供电输出端正极之间的线路上；
保护单元P，其包括一个正反馈比较电路，其产生一个滞回比较区间，即第一比较电压阈值和第二比较电压阈值，所述的第一比较电压阈值大于第二比较电压阈值；
所述正反馈比较电路接收限流输出电阻R0两端的电压，当限流输出电阻R0两端的电压差大于第一比较电压阈值时，保护单元P中的正反馈比较电路输出切断输出保护信号至开关电源输出单元K，切断开关电源输出单元K的输出，从而保护整个电源系统；若限流输出电阻R0两端电压差小于第二比较电压阈值时，保护电路停止输出保护信号，通过设定第二比较电压阈值小于零，保护电流输出的切断输出保护信号将会一直锁止，直至故障排除后的下一次重新上电，才可恢复正常。
所述正反馈比较电路包括比较器U1、正反馈电阻R8和供电状态第一输入电阻R6；
所述比较器U1的正向输入端与供电状态第一输入电阻R6连接在限流输出电阻R0的输入端，反向输入端与供电状态第二输入电阻R7连接在限流输出电阻R0的输出端，正反馈电阻R8设置在比较器U1的正向输入端与输出端之间。
所述开关电源输出单元K包括输入端口4-1、接地端口4-2、输出端口4-3、供电端口4-4，第一上拉电阻R1、第一驱动电阻R2、第一开关管Q1、第二上拉电阻R3、第二驱动电阻R4、第二开关管Q2。第一开关管Q1接收输入端口4-1的信号用以驱动第二开关管Q2，第二开关管Q2与输出端口4-3、供电端口4-4连接，用于输出供电。
所述保护单元P还包括第三开关管Q3，比较器U1接收来自限流输出电阻R0两端的电压，当电压差超过设定的阈值时，比较器U1输出切断输出保护信号，使第三开关管Q3导通，第三开关管Q3将信号传输给开关电源输出单元K的输入端口4-1，第一开关管Q1接收输入端口4-1的信号用以驱动第二开关管Q2，从而控制开关电源输出单元K的输出状态。
所述保护单元P包括与开关电源输出单元K的输入端口4-1连接的输出端口5-1；接地端口5-2；与限流输出电阻R0输出端连接的第二状态输入端口5-3；与限流输出电阻R0输入端连接的第一状态输入端口5-4；与DC电源E连接的供电端口5-5。所述比较器U1的正向输入端与第一状态输入端口5-4之间设置有供电状态第一输入电阻R6，比较器U1的反向输入端与第二状态输入端口5-3之间设置有供电状态第二输入电阻R7。
进一步的，所述保护单元P还包括用于提高电源稳定性的第三上拉电阻R9、驱动第三开关管Q3的第三驱动电阻R10。
所述第二开关管Q2可以是普通的三极管，为了降低供电输出端正极2上的电压损失，开关电源输出单元4中的开关管Q2采用为内阻小的场效应管，可以大大降低大电流应用中的电压损失。例如，若Q2的内阻为0.1欧姆，则在1A的输出电流下，Q2上的电压损失仅为0.1V。在实际应用中可以依据最大输出电流以及允许的电压损失来对Q2的参数进行选取。
一种DC电源供电电路，包括DC电源E，供电输出端正极和供电输出端负极，包括：设置在DC电源E与供电输出端正极之间的用于控制电路通断的开关电源输出单元K；限流输出电阻R0，其设置在开关电源输出单元K与供电输出端正极之间的线路上；保护单元P中的正反馈比较电路输出切断输出保护信号至开关电源输出单元K，切断开关电源输出单元K的输出，从而保护整个电源系统；若限流输出电阻R0两端电压差小于第二比较电压阈值时，保护电路停止输出保护信号，通过设定第二比较电压阈值小于零，保护电流输出的切断输出保护信号将会一直锁止，直至故障排除后的下一次重新上电，才可恢复正常。
本实用新型的工作原理为：上电后按照无任何故障的情况下进行如下瞬态过程分析。
（1）首先默认状态下开关电源输出单元K未输出电压，输出电流为0，限流电阻R0两端电压差为0，此时保护单元内部的比较器U1的正输入端和负输入端之间的电压差为0，未超过所设定的正反馈比较电压阈值，因此比较器U1输出为0，开关管Q3截止，端口5-1的状态未受控制。
（2）在开关电源输出单元K内部，由于第一上拉电阻R1的拉高作用，开关管Q1的PN结正偏而实现导通，将开关管Q2的基极拉低，从而使Q2的PN结也发生正偏而实现导通，开关电源输出单元K输出端口4-3输出电压。
在开关电源输出单元K的输出电流未超过设定的保护电流时，限流电阻R0两端电压差也未超过所设定的正反馈比较电压阈值，因此比较器U1的输出仍然保持为0，开关电源输出单元K保持稳定输出。
一旦发生过载或传感器内部短路，开关电源输出单元K的输出电流大于设定的保护电流，限流电阻R0两端电压差大于所设定的正反馈比较电压阈值，因此比较器U1输出高电平的切断输出保护信号，开关管Q3由于PN结正偏而实现导通，端口5-1和4-1的状态被拉低，使得开关管Q1和Q2迅速从导通状态变为截止状态，开关电源输出单元K停止输出。
在保护单元P中，正反馈比较结构具有滞回效应，只有当比较器U1的正输入端口与负输入端口之间的电压差小于0，比较器U1才会从高电平输出翻转为低电平输出，而在本实用新型电路的连接方式中，比较器U1的正输入端口与负输入端口之间的电压差永远不会出现小于0的状态，因此一旦发生过载或短路后，高电平的切断输出保护信号将会一直被锁止而防止振荡，从而避免由隐性故障导致的输出和保护反复触发而引起的电流冲击问题。
若在过载故障或短路故障未排除的情况下重新上电，在开关电源输出单元K输出电压的瞬间，限流电阻R0两端电压差将会超过设定的正反馈比较电压阈值，比较器U1将会迅速动作并输出高电平的切断输出保护信号，之后该信号被锁止。
若在过载故障或短路故障被排除后重新上电，情况将会如上述的无任何故障情况下的瞬态过程分析一样。
在本实用新型所述的DC电源供电电路中，供电输出端正极的输出电压是与电源输入端的电压保持跟随的，若外接电器元件需要5V供电，则电源输入端连接至5V；若外接电器元件需要12V供电，则电源输入端连接至12V，以此类推。取决于比较器U1的直流特性参数，本实用新型的电路能够适应5V～32V这个范围内所有电压的应用。
Claims (9)
1.一种硬件过载或短路保护电路，其特征在于：包括：设置在DC电源E与供电输出端正极之间的用于控制电路通断的开关电源输出单元K；
限流输出电阻R0，其设置在开关电源输出单元K与供电输出端正极之间的线路上，用于检测限流输出电阻R0两端的电压差；
保护单元P，其包括一个正反馈比较电路，其产生一个滞回比较区间，即第一比较电压阈值和第二比较电压阈值，所述的第一比较电压阈值大于第二比较电压阈值；
所述正反馈比较电路接收限流输出电阻R0两端的电压，当限流输出电阻R0两端的电压差大于第一比较电压阈值时，保护单元P中的正反馈比较电路输出切断输出保护信号至开关电源输出单元K，切断开关电源输出单元K的输出，从而保护整个电源系统；若限流输出电阻R0两端电压差小于第二比较电压阈值时，保护电路停止输出保护信号，通过设定第二比较电压阈值小于零，保护电流输出的切断输出保护信号将会一直锁止，直至故障排除后的下一次重新上电，才可恢复正常。
2.如权利要求1所述的硬件过载或短路保护电路，其特征在于：所述正反馈比较电路包括比较器U1、正反馈电阻R8和供电状态第一输入电阻R6；
所述比较器U1的正向输入端与供电状态第一输入电阻R6连接在限流输出电阻R0的输入端，反向输入端与供电状态第二输入电阻R7连接在限流输出电阻R0的输出端，正反馈电阻R8设置在比较器U1的正向输入端与输出端之间。
3.如权利要求1所述的硬件过载或短路保护电路，其特征在于：所述开关电源输出单元K包括输入端口4-1、接地端口4-2、输出端口4-3、供电端口4-4，第一开关管Q1和第二开关管Q2，第一开关管Q1接收输入端口4-1的信号用以驱动第二开关管Q2，第二开关管Q2与输出端口4-3、供电端口4-4连接，用于输出供电。
4.如权利要求3所述的硬件过载或短路保护电路，其特征在于：所述保护单元P还包括第三开关管Q3，比较器U1接收来自限流输出电阻R0两端的电压，当电压差超过设定的阈值时，比较器U1输出切断输出保护信号，使第三开关管Q3导通，第三开关管Q3将信号传输给开关电源输出单元K的输入端口4-1，第一开关管Q1接收输入端口4-1的信号用以驱动第二开关管Q2，从而控制开关电源输出单元K的输出状态。
5.如权利要求4所述的硬件过载或短路保护电路，其特征在于：所述保护单元P包括与开关电源输出单元K的输入端口4-1连接的输出端口5-1；接地端口5-2；与限流输出电阻R0输出端连接的第二状态输入端口5-3；与限流输出电阻R0输入端连接的第一状态输入端口5-4；与DC电源E连接的供电端口5-5。
6.如权利要求5所述的硬件过载或短路保护电路，其特征在于：所述比较器U1的正向输入端与第一状态输入端口5-4之间设置有供电状态第一输入电阻R6，比较器U1的反向输入端与第二状态输入端口5-3之间设置有供电状态第二输入电阻R7。
7.如权利要求5或6所述的硬件过载或短路保护电路，其特征在于：所述保护单元P还包括用于提高电源稳定性的第三上拉电阻R9、驱动第三开关管Q3的第三驱动电阻R10。
8.如权利要求3所述的硬件过载或短路保护电路，其特征在于：所述第二开关管Q2为内阻小的场效应管。
9.一种DC电源供电电路，包括DC电源E，供电输出端正极和供电输出端负极，其特征在于：包括：设置在DC电源E与供电输出端正极之间的用于控制电路通断的开关电源输出单元K；
限流输出电阻R0，其设置在开关电源输出单元K与供电输出端正极之间的线路上；
保护单元P，其包括一个正反馈比较电路，其产生一个滞回比较区间，即第一比较电压阈值和第二比较电压阈值，所述的第一比较电压阈值大于第二比较电压阈值；
所述正反馈比较电路接收限流输出电阻R0两端的电压，当限流输出电阻R0两端的电压差大于第一比较电压阈值时，保护单元P中的正反馈比较电路输出切断输出保护信号至开关电源输出单元K，切断开关电源输出单元K的输出，从而保护整个电源系统；若限流输出电阻R0两端电压差小于第二比较电压阈值时，保护电路停止输出保护信号，通过设定第二比较电压阈值小于零，保护电流输出的切断输出保护信号将会一直锁止，直至故障排除后的下一次重新上电，才可恢复正常。
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Cited By (2)
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| CN103701089A (zh) * | 2013-12-31 | 2014-04-02 | 昌辉汽车转向系统（黄山）有限公司 | 一种硬件过载或短路保护电路及dc电源供电电路 |
| CN108988623A (zh) * | 2018-08-23 | 2018-12-11 | 深圳市弘粤驱动有限公司 | 一种外接负载的短路保护 |
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