CN203850812U - 负载短接保护电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种负载短接保护电路，包括输出控制电路、第一电流采样电路、电压开关控制电路、第一开关电路；输出控制电路、第一电流采样电路、第一开关电路依次相连，电压开关控制电路分别连接至第一电流采样电路和第一开关电路；输出控制电路用于输出电压给负载；第一电流采样电路用于采样输出控制电路输出的电流，并输出采样电压；电压开关控制电路用于在采样电压超过一预设值时自动输出控制信号；第一开关电路用于接收控制信号并断开输出控制电路与负载的通路。由于电压开关控制电路是通过电压实现自动输出使第一开关电路断开的控制信号，该电压来自第一电流采样电路，整个过程中开关的控制是通过硬件实现，可靠性提高，灵敏性能有效提高。
Description
技术领域
本实用新型涉及电压输出保护，更具体地说，涉及一种负载短接保护电路。
背景技术
在常用的电子产品中，很多都有电压输出的接口，输出一定的电压供外接负载使用，例如手机充电器以及一些电子工程师常用的如编程器、开发板之类的，由于此类产品的负载经常需要插拨或更换，如果由于连接线或者负载本身的原因，造成产品的输出“电源”与“地”之间短路，将会导致产品输出回路元器件烧坏，产品无法继续正常工作，影响了用户产品使用体验，增加了产品的维修售后服务等成本。
因此电源短路保护显得尤为重要，参考图1和图2，目前大家常用的做法就是在负载和稳压电路之间串联一个开关电路，然后通过第二电流采样电路部分采集输出到负载的电流，控制电路根据第二电流采样电路采集到的电流判断是否短路，并在短路时控制开关电路断开实现电路保护，结合图2，第二电流采样电路包括阻值较小的电阻R4，如图2中I-ADC示意的第二电流采样电阻R4上的电流送至AD采样，开关电路包括三级管Q1和MOS管Q2，三级管Q1的基极连接至控制电路中的MCU的OUT-EN，如果短路，则电阻R4上的电流增加，从而输出到MCU的电压增加，于是MCU的OUT-EN输出低电平，三极管Q1截止，于是MOS管Q2截止，负载与稳压器(U1)直接的回路断开，切断电源输出，进行短路保护。也有较简单的就是在输出回路中串联保险电阻，当电流大于一定值时保险电阻开路来实现保护。
这种借助MCU软件执行的短路保护，可靠性和反应速度受到软件程序的制约，可靠性不高，反应速度灵敏性受限制。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述MCU软件执行的短路保护存在的可靠性和反应速度受限制的实现缺陷，提供一种完全由硬件实现的负载短接保护电路。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种负载短接保护电路，包括输出控制电路，其中，还包括第一电流采样电路、电压开关控制电路、与负载连接的第一开关电路；
所述输出控制电路、第一电流采样电路、第一开关电路依次相连，所述电压开关控制电路分别连接至所述第一电流采样电路和第一开关电路；
所述输出控制电路用于输出电压给负载；所述第一电流采样电路用于采样所述输出控制电路输出的电流，并输出与所述电流对应的采样电压；所述电压开关控制电路用于检测所述采样电压并在所述采样电压超过一预设值时自动输出控制信号至所述第一开关电路；所述第一开关电路用于接收所述控制信号并断开所述输出控制电路与所述负载的通路。
在本实用新型所述的负载短接保护电路，其中，
所述第一电流采样电路包括第一电流采样电阻，所述电压开关控制电路包括第一三极管、第二三极管、第一分压电阻、第二分压电阻，所述第一开关电路包括第三三极管和第一MOS管；
所述第一三极管的发射极分别连接至所述第一电流采样电阻的一端和所述输出控制电路的电压输出端，所述第一电流采样电阻的另一端分别连接至所述第一三极管的基极和所述第一MOS管的源极，所述第一三极管的集电极连接至所述第一分压电阻的一端，所述第一分压电阻的另一端分别连接至所述第二三极管的基极和第二分压电阻的一端，所述第二分压电阻的另一端和所述第二三极管的发射极均接地；
所述第三三极管的基极分别连接至所述第二三极管的集电极和所述输出控制电路的控制端，所述第三三极管的发射极接地，所述第三三极管的集电极连接至所述第一MOS管的栅极，所述第一MOS管的漏极连接至负载的正极。
在本实用新型所述的负载短接保护电路，其中，所述第一电流采样电路还包括连接所述第一三极管的基极和第一电流采样电阻的限流电阻。
在本实用新型所述的负载短接保护电路，其中，所述电压开关控制电路还包括第一滤波电容和第一电阻，所述第一开关电路还包括第二滤波电容、偏置电阻、第二电阻、第三电阻；
所述第一滤波电容的两端分别连接至所述第一三极管的基极和发射极；所述第二滤波电容的一端接地，所述第二滤波电容的另一端连接至所述第一MOS管的漏极；所述偏置电阻的两端分别连接至所述第一MOS管的栅极和源极；所述第一电阻分别连接所述第一分压电阻和第二三极管的基极；所述第二电阻分别连接所述第三三极管的基极和所述输出控制电路的控制端；所述第三电阻的一端接地，所述第三电阻的另一端连接至所述输出控制电路的控制端。
在本实用新型所述的负载短接保护电路，其中，所述负载短接保护电路还包括稳压电路；
所述稳压电路分别连接所述输出控制电路和第一电流采样电路，或者所述稳压电路分别连接所述第一开关电路和负载。
在本实用新型所述的负载短接保护电路，其中，所述稳压电路包括型号为AMS1117的稳压器。
在本实用新型所述的负载短接保护电路，其中，所述负载短接保护电路还包括第二电流采样电路和第二开关电路；
所述第二电流采样电路分别连接所述负载和输出控制电路，所述第二开关电路连接至所述输出控制电路，所述第二开关电路还分别连接所述第一开关电路和负载，或者所述第二开关电路还分别连接所述输出控制电路和第一电流采样电路；
所述第二电流采样电路用于采样流过负载的电流；所述第二开关电路用于在第二电流采样电路采样到的电流超过一预定值时，在所述输出控制电路的控制下断开所述输出控制电路与所述负载的通路。
在本实用新型所述的负载短接保护电路，其中，所述第二电流采样电路包括第二电流采样电阻，所述第二开关电路包括第四三极管和第二MOS管、第四电阻；
所述第二电流采样电阻的一端分别连接至所述输出控制电路和所述负载的负极，所述第二电流采样电阻的另一端接地；
所述第四三极管的基极连接至所述输出控制电路，所述第四三极管的发射极接地，所述第四三极管的集电极连接至所述第二MOS管的栅极；
所述第四电阻的两端分别连接至所述第二MOS管的源极和栅极，所述第二MOS管的源极连接至所述第一MOS管的漏极，所述第二MOS管的漏极连接至所述负载的正极；或者，所述第二MOS管的源极连接至所述输出控制电路的电压输出端，所述第二MOS管的漏极连接至所述第一三极管的发射极。
实施本实用新型的负载短接保护电路，具有以下有益效果：本实用新型在负载短路时，通路中的电流增加，导致第一电流采样电路输出的采样电压增加，由于电压开关控制电路在采样电压增加到一预设值时电压开关控制电路会自动输出控制信号，于是与其连接的第一开关电路接收到控制信号时断开，进而实现在负载短接时断开输出控制电路与所述负载的通路，达到保护电路的目的。由于电压开关控制电路是通过电压实现自动输出使第一开关电路断开的控制信号的，而其所感受的电压来自第一电流采样电路，因此，整个过程中开关的控制是通过硬件电路改变的，取代了现有技术中借助MCU软件程序进行电压判断再控制断开开关的技术，整个控制过程可靠性提高，灵敏性能有效提高。
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，附图中：
图1是现有技术中短路保护的结构示意图；
图2是现有技术中短路保护的电路图；
图3是本实用新型负载短接保护电路的第一实施例与负载连接的结构示意图；
图4是本实用新型负载短接保护电路的第一实施例中第一短路保护电路的电路示意图；
图5是本实用新型负载短接保护电路的第二实施例与负载连接的结构示意图；
图6是本实用新型负载短接保护电路的第二实施例的电路示意图。
具体实施方式
为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。
图3是本实用新型负载短接保护电路的第一实施例与负载连接的结构示意图；
本实用新型的负载短接保护电路，包括输出控制电路，还包括第一电流采样电路、电压开关控制电路、第一开关电路；
所述输出控制电路、第一电流采样电路、第一开关电路、负载依次相连，所述电压开关控制电路分别连接至所述第一电流采样电路和第一开关电路；
所述输出控制电路用于输出电压给负载；所述第一电流采样电路用于采样所述输出控制电路输出的电流，并输出与所述电流对应的采样电压；所述电压开关控制电路用于检测所述采样电压并在所述采样电压超过一预设值时自动输出控制信号至所述第一开关电路；所述第一开关电路用于接收所述控制信号并断开所述输出控制电路与所述负载的通路。
在负载短路时，通路中的电流增加，导致第一电流采样电路输出的采样电压增加，由于电压开关控制电路在采样电压增加到一预设值时电压开关控制电路会自动输出控制信号，于是与其连接的第一开关电路接收到控制信号时断开，进而实现在负载短接时断开输出控制电路与所述负载的通路，达到保护电路的目的。由于电压开关控制电路是通过电压实现自动输出使第一开关电路断开的控制信号的，而其所感受的电压来自第一电流采样电路，因此，整个过程中开关的控制是通过硬件电路改变的，取代了现有技术中借助MCU软件程序进行电压判断再控制断开开关的技术，整个控制过程可靠性提高，灵敏性能有效提高。
图4是本实用新型负载短接保护电路的第一实施例中第一短路保护电路的电路示意图；
所述第一电流采样电路包括第一电流采样电阻R5、限流电阻R8；第一电流采样电阻R5为阻值较小的电阻，本实施例中为3.3Ω，限流电阻R8阻值较大，为1.5KΩ。
所述电压开关控制电路PNP型的第一三极管Q3、NPN型的第二三极管Q6、第一分压电阻R6、第二分压电阻R7、第一滤波电容C5和第一电阻R12，
所述第一开关电路包括NPN型的第三三极管Q4、P型的第一MOS管Q5、第二滤波电容C4、偏置电阻R9、第二电阻R10、第三电阻R11；
输出控制电路可以为MCU或单片机等，输出控制电路的控制端SC表示MCU的一个IO口，输出控制电路的电压输出端DC_IN为电路的前端输入电压的一个端口，本例中接入12V直流电压，其可以是MCU的IO口，也可以是稳压器U1的输出端或者其他电压输出电路的输出端。
所述第一三极管Q3的发射极分别连接至所述第一电流采样电阻R5的一端和所述输出控制电路的电压输出端DC_IN，所述第一电流采样电阻R5的另一端分别连接至限流电阻R8的一端和所述第一MOS管Q5的源极，限流电阻R8的另一端连接至所述第一三极管Q3的基极，所述第一滤波电容C5的两端分别连接至所述第一三极管Q3的基极和发射极，所述第一三极管Q3的集电极连接至所述第一分压电阻R6的一端，所述第一分压电阻R6的另一端连接至第一电阻R12的一端和第二分压电阻R7的一端，第一电阻R12的另一端连接至所述第二三极管Q6的基极，所述第二分压电阻R7的另一端和所述第二三极管Q6的发射极均接地；
所述第三三极管Q4的基极通过第二电阻R10分别连接至所述第二三极管Q6的集电极和所述输出控制电路的控制端SC，所述第三电阻R11的一端接地，所述第三电阻R11的另一端连接至所述输出控制电路的控制端SC。所述第三三极管Q4的发射极接地，所述第三三极管Q4的集电极连接至所述第一MOS管Q5的栅极，所述第一MOS管Q5的漏极连接至负载的正极。所述第二滤波电容C4的一端接地，所述第二滤波电容C4的另一端连接至所述第一MOS管Q5的漏极；所述偏置电阻R9的两端分别连接至所述第一MOS管Q5的栅极和源极。
工作原理如下：
正常负载的情况下，流过第一电流采样电阻R5的电流很小，在第一电流采样电阻R5上产生的采样电压，即第一电流采样电阻R5两端产生的电位差，不足以使第一三极管Q3导通，因此第二三极管Q6也截止，控制端SC的电平仅来自输出控制电路的高电平，第三三极管Q4导通，第一MOS管Q5导通，电路输出正常；
当外部负载短路或内阻较小导致电流增大到一定程度时，因流经第一电流采样电阻R5的电流增大，其上电位差会增大，大于0.7V时，第一三极管Q3导通，第一分压电阻R6与第二分压电阻R7直接通过第一三极管Q3的集电极与电压输出端DC_IN相连，第二分压电阻R7上分压使第二三极管Q6导通，于是第二三极管Q6的集电极输出低电平的控制信号，控制端SC由高电平被拉低成低电平，于是第三三极管Q4截止，第一MOS管Q5关断，DC_12V变为零，使后级无输出，达到输出短路保护的目的。当外部负载移除或短路的问题已解决，则恢复正常输出。
可见，第一三极管Q3的导通和截止直接由第一电流采样电阻R5的采用电压控制，相比于现有技术中通过软件判断过流再控制开关断开的技术来说，这种硬件控制的实现达到了提高电路反应灵敏性和可靠性的效果。
图5是本实用新型负载短接保护电路的第二实施例与负载连接的结构示意图；
第二实施例与第一实施例的不同在于：一是增加了稳压电路，二是保留了现有技术中的通过软件实现短路保护的部分，以实现双重保护。
软件实现短路保护相关的电路只要设计在电压输出端和负载之间、与上述硬件实现短路保护相关的电路串联即可，软件实现短路保护相关的电路包括第二电流采样电路和第二开关电路；所述第二电流采样电路用于采样流过负载的电流；所述第二开关电路用于在第二电流采样电路采样到的电流超过一预定值时，在所述输出控制电路的控制下断开所述输出控制电路与所述负载的通路。
所述第二电流采样电路分别连接所述负载和输出控制电路；所述第二电流采样电路分别连接所述负载和输出控制电路，所述第二开关电路连接至所述输出控制电路，所述第二开关电路在负载和输出控制电路的连接通路中的位置有两种：一是分别连接所述第一开关电路和负载，二是分别连接所述输出控制电路和第一电流采样电路。
同样的，稳压电路的连接方法有两种：一种是稳压电路分别连接所述输出控制电路的电压输出端DC_IN和第一电流采样电路，另一种是分别连接所述第一开关电路和负载。
本实施例中，稳压电路分别连接第一开关电路和第二开关电路，第二开关电路再连接至负载。即稳压电路的输入端连接硬件实现的短路保护相关的电路，稳压电路的输出端连接现有技术中软件实现的路保护相关的电路。
图6是本实用新型负载短接保护电路的第二实施例的电路示意图。
具体的，所述稳压电路包括型号为AMS1117的稳压器U1、电容C1、电容C2。电路中还包括2A的保险丝FUSE1，图中LOAD表示负载。
所述第二电流采样电路包括第二电流采样电阻R4、电容C3，第二电流采样电阻R4为阻值较小的电阻，本实施例中为0.05Ω。
所述第二开关电路包括NPN型的第四三极管Q1、P型的第二MOS管Q2、第四电阻R3、电阻R1、电阻R2；
所述第二电流采样电阻R4的一端分别连接至所述输出控制电路中MCU的一个IO口(图中I-ADC示意)和所述负载的负极，所述第二电流采样电阻R4的另一端接地，电容C3与第二电流采样电阻R4并联；
所述第四三极管Q1的基极通过电阻R1连接至所述输出控制电路中MCU的一个IO口(图中OUT-EN示意)，该IO口还经电阻R2接地，所述第四三极管Q1的发射极接地，所述第四三极管Q1的集电极连接至所述第二MOS管Q2的栅极；
第四电阻R3的两端分别连接至第二MOS管Q2的源极和栅极，所述第二MOS管Q2的源极连接至稳压器U1的输出端，稳压器U1的输出端还经电容C1和C2的并联支路接地，稳压器U1的输入端连接至所述第一MOS管Q5的漏极，所述第二MOS管Q2的漏极通过保险丝FUSE1连接至所述负载的正极；
当然，实际上也可以将第一开关电路和第二开关电路互换位置，对应的，则将所述第二MOS管Q2的源极连接至所述输出控制电路的电压输出端DC_IN，所述第二MOS管Q2的漏极连接至所述第一三极管Q3的发射极。
关于硬件部分实现短路保护的原理参考上述第一实施例，软件实现短路保护为：如果短路，则第二电流采样电阻R4上的电流增加，从而输出到MCU的电压增加，于是MCU判断过流，控制OUT-EN输出低电平，第四三极管Q1截止，于是第二MOS管Q2截止，负载与稳压器U1直接的回路断开，切断电源输出，进行短路保护。也有较简单的就是在输出回路中串联保险电阻，当电流大于一定值时保险电阻开路来实现保护。
综上所述，实施本实用新型的负载短接保护电路，在负载短路时，通路中的电流增加，导致第一电流采样电路输出的采样电压增加，由于电压开关控制电路在采样电压增加到一预设值时电压开关控制电路会自动输出控制信号，于是与其连接的第一开关电路接收到控制信号时断开，进而实现在负载短接时断开输出控制电路与所述负载的通路，达到保护电路的目的。由于电压开关控制电路是通过电压实现自动输出使第一开关电路断开的控制信号的，而其所感受的电压来自第一电流采样电路，因此，整个过程中开关的控制是通过硬件电路改变的，取代了现有技术中借助MCU软件程序进行电压判断再控制断开开关的技术，整个控制过程可靠性提高，灵敏性能有效提高。
上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。
Claims (8)
1.一种负载短接保护电路，包括输出控制电路，其特征在于，还包括第一电流采样电路、电压开关控制电路、与负载连接的第一开关电路；
所述输出控制电路、第一电流采样电路、第一开关电路依次相连，所述电压开关控制电路分别连接至所述第一电流采样电路和第一开关电路；
所述输出控制电路用于输出电压给负载；所述第一电流采样电路用于采样所述输出控制电路输出的电流，并输出与所述电流对应的采样电压；所述电压开关控制电路用于检测所述采样电压并在所述采样电压超过一预设值时自动输出控制信号至所述第一开关电路；所述第一开关电路用于接收所述控制信号并断开所述输出控制电路与所述负载的通路。
2.根据权利要求1所述的负载短接保护电路，其特征在于，
所述第一电流采样电路包括第一电流采样电阻(R5)，所述电压开关控制电路包括第一三极管(Q3)、第二三极管(Q6)、第一分压电阻(R6)、第二分压电阻(R7)，所述第一开关电路包括第三三极管(Q4)和第一MOS管(Q5)；
所述第一三极管(Q3)的发射极分别连接至所述第一电流采样电阻(R5)的一端和所述输出控制电路的电压输出端(DC_IN)，所述第一电流采样电阻(R5)的另一端分别连接至所述第一三极管(Q3)的基极和所述第一MOS管(Q5)的源极，所述第一三极管(Q3)的集电极连接至所述第一分压电阻(R6)的一端，所述第一分压电阻(R6)的另一端分别连接至所述第二三极管(Q6)的基极和第二分压电阻(R7)的一端，所述第二分压电阻(R7)的另一端和所述第二三极管(Q6)的发射极均接地；
所述第三三极管(Q4)的基极分别连接至所述第二三极管(Q6)的集电极 和所述输出控制电路的控制端(SC)，所述第三三极管(Q4)的发射极接地，所述第三三极管(Q4)的集电极连接至所述第一MOS管(Q5)的栅极，所述第一MOS管(Q5)的漏极连接至负载的正极。
3.根据权利要求2所述的负载短接保护电路，其特征在于，所述第一电流采样电路还包括连接所述第一三极管(Q3)的基极和第一电流采样电阻(R5)的限流电阻(R8)。
4.根据权利要求3所述的负载短接保护电路，其特征在于，所述电压开关控制电路还包括第一滤波电容(C5)和第一电阻(R12)，所述第一开关电路还包括第二滤波电容(C4)、偏置电阻(R9)、第二电阻(R10)、第三电阻(R11)；
所述第一滤波电容(C5)的两端分别连接至所述第一三极管(Q3)的基极和发射极；所述第二滤波电容(C4)的一端接地，所述第二滤波电容(C4)的另一端连接至所述第一MOS管(Q5)的漏极；所述偏置电阻(R9)的两端分别连接至所述第一MOS管(Q5)的栅极和源极；所述第一电阻(R12)分别连接所述第一分压电阻(R6)和第二三极管(Q6)的基极；所述第二电阻(R10)分别连接所述第三三极管(Q4)的基极和所述输出控制电路的控制端(SC)；所述第三电阻(R11)的一端接地，所述第三电阻(R11)的另一端连接至所述输出控制电路的控制端(SC)。
5.根据权利要求1所述的负载短接保护电路，其特征在于，所述负载短接保护电路还包括稳压电路；
所述稳压电路分别连接所述输出控制电路和第一电流采样电路，或者所述稳压电路分别连接所述第一开关电路和负载。
6.根据权利要求5所述的负载短接保护电路，其特征在于，所述稳压电路包括型号为AMS1117的稳压器(U1)。
7.根据权利要求2所述的负载短接保护电路，其特征在于，所述负载短接保护电路还包括第二电流采样电路和第二开关电路；
所述第二电流采样电路分别连接所述负载和输出控制电路，所述第二开关电路连接至所述输出控制电路，所述第二开关电路还分别连接所述第一开关电路和负载，或者所述第二开关电路还分别连接所述输出控制电路和第一电流采样电路；
所述第二电流采样电路用于采样流过负载的电流；所述第二开关电路用于在第二电流采样电路采样到的电流超过一预定值时，在所述输出控制电路的控制下断开所述输出控制电路与所述负载的通路。
8.根据权利要求7所述的负载短接保护电路，其特征在于，所述第二电流采样电路包括第二电流采样电阻(R4)，所述第二开关电路包括第四三极管(Q1)和第二MOS管(Q2)、第四电阻(R3)；
所述第二电流采样电阻(R4)的一端分别连接至所述输出控制电路和所述负载的负极，所述第二电流采样电阻(R4)的另一端接地；
所述第四三极管(Q1)的基极连接至所述输出控制电路，所述第四三极管(Q1)的发射极接地，所述第四三极管(Q1)的集电极连接至所述第二MOS管(Q2)的栅极；
所述第四电阻(R3)的两端分别连接至所述第二MOS管(Q2)的源极和栅极，所述第二MOS管(Q2)的源极连接至所述第一MOS管(Q5)的漏极，所述第二MOS管(Q2)的漏极连接至所述负载的正极；或者，所述第二MOS管(Q2)的源极连接至所述输出控制电路的电压输出端(DC_IN)，所述第二MOS管(Q2)的漏极连接至所述第一三极管(Q3)的发射极。
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