CN204304396U - 一种过流保护电路及过流保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种过流保护电路及过流保护装置，设置有开关管、电阻分压网络和采样电阻；所述采样电阻串联在用电负载的负极连通地线的供电线路中；所述电阻分压网络的一端连接直流电源，另一端连接采样电阻，分压节点连接开关管的控制极，通过控制开关管通断来产生过流保护信号，用于控制用电负载的供电回路通断；所述采样电阻和电阻分压网络中分压电阻的阻值配置为使流过所述供电线路的电流大于安全阈值时，使所述分压节点处的电压大于所述开关管的导通压降，控制开关管导通，以改变所述过流保护信号的电平状态。本实用新型的过流保护电路结构简单，响应迅速，可应用在所有基于直流供电的用电负载的供电线路中，实现对用电负载的过流保护。

Description

一种过流保护电路及过流保护装置

技术领域

本实用新型属于供电检测技术领域，具体地说，是涉及一种用于对流过供电线路中的电流进行检测并实现过流保护的电路结构设计以及采用这种过流保护电路设计的装置。

背景技术

在电子产品的设计开发过程中，保证系统工作的安全性和可靠性是所有工程师必须考虑的一个首要问题，也就是说，系统必须能够自动检测自身的各项运行参数，以防止过流、过压等偶然因素引发系统遭受不可逆的损害。对于一些在恶劣的户外环境下工作的电子产品，具有过流保护功能就显得尤为重要。因为户外的环境恶劣，各种不可预测的因素都有可能引起电源瞬间短路等现象，进而对电子产品造成不可逆转的损坏。

传统的过流保护电路使用的是充电管理芯片，在一些低成本的电子产品中使用的是低成本的电源管理芯片，而低成本的电源管理芯片没有过流监测的功能，因此搭建一套成本低廉、参数可调的过流监测电路就显得尤为重要。传统低成本的电流监测方法主要采用电流电压转换方式，采用运算放大器将采集到的电流转换为电压信号，然后对电压信号进行AD采样，继而推算出电流的大小。这种方法虽然可以实时监测线路中流过的电流大小，但是在发生过流故障时，系统不能做出快速反应。因为AD转换器完成一次电流的采样、转换和判断是需要一段比较长的时间的。很多情况下，当系统检测到过流后，还没来得急切断供电线路，后级的用电负载已经发生了不可逆转的损坏。因此，传统的电流监测方法并不能达到理想的过流保护效果。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种过流保护电路，可以加快过流检测的速度，继而实现保护动作的迅速响应。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种过流保护电路，设置有开关管、电阻分压网络和采样电阻；所述采样电阻串联在用电负载的负极连通地线或者电源负极的供电线路中；所述电阻分压网络的一端连接直流电源，另一端连接采样电阻与用电负载连通的一侧，电阻分压网络的分压节点连接开关管的控制极，通过控制开关管通断来产生过流保护信号，用于控制用电负载的供电回路通断；所述采样电阻和电阻分压网络中分压电阻的阻值配置为：使流过所述供电线路的电流在低于设定的安全阈值时，所述分压节点处的电压小于所述开关管的导通压降，仅在流过所述供电线路的电流大于等于所述安全阈值时，使所述分压节点处的电压大于等于所述开关管的导通压降，控制开关管导通，以改变所述过流保护信号的电平状态。

进一步的，所述采样电阻的一端连接地线或者电源的负极，另一端连接所述的电阻分压网络。为了尽量降低系统功耗，所述采样电阻的阻值应小于1Ω。

优选的，所述开关管的开关通路一端接地，另一端通过上拉电阻连接所述的直流电源。

作为所述开关管的一种优选实施例，所述开关管可以选用一颗NPN型三极管，所述三极管的基极连接所述电阻分压网络的分压节点，发射极接地，集电极通过所述的上拉电阻连接直流电源，并输出所述的过流保护信号。

作为所述开关管的另外一种优选实施例，所述开关管可以选用一颗N沟道MOS管，所述MOS管的栅极连接所述电阻分压网络的分压节点，源极接地，漏极通过所述的上拉电阻连接直流电源，并输出所述的过流保护信号。

为了在系统发生过流故障时，能够有效地控制用电负载断电，本实用新型在所述用电负载的供电回路中连接有一开关，根据所述过流保护信号的电平状态控制所述开关通断，以连通或者切断所述的供电回路。

进一步的，所述开关的开关通路串联在所述用电负载的负极与所述的采样电阻之间，所述开关的控制极接收所述的过流保护信号。

作为所述开关的一种优选实施例，所述开关可以选用一颗N沟道MOS管，所述N沟道MOS管的栅极接收所述的过流保护信号，漏极连接所述用电负载的负极，源极连接所述的采样电阻；在所述N沟道MOS管的栅极与源极之间跨接有配置电阻。

作为所述开关的另外一种优选实施例，所述开关可以选用一颗单向可控硅，所述可控硅的触发极接收所述的过流保护信号，阳极连接所述用电负载的负极，阴极连接所述的采样电阻。

基于上述过流保护电路的结构设计，本实用新型还提出了一种过流保护装置，所述过流保护装置连接在用电负载的负极与电源的负极或者地线之间，设置有开关管、电阻分压网络和采样电阻；所述采样电阻串联在用电负载的负极连通地线或者电源负极的供电线路中；所述电阻分压网络的一端连接直流电源，另一端连接采样电阻与用电负载连通的一侧，电阻分压网络的分压节点连接开关管的控制极，通过控制开关管通断来产生过流保护信号，用于控制用电负载的供电回路通断；所述采样电阻和电阻分压网络中分压电阻的阻值配置为：使流过所述供电线路的电流在低于设定的安全阈值时，所述分压节点处的电压小于所述开关管的导通压降，仅在流过所述供电线路的电流大于等于所述安全阈值时，使所述分压节点处的电压大于等于所述开关管的导通压降，控制开关管导通，以改变所述过流保护信号的电平状态。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的过流保护电路采用分立元器件搭建电流检测电路，对流过供电线路的电流进行实时监测，并在电流超过安全阈值时能够直接产生开关量信号，控制执行元件迅速动作，使系统快速进入过流保护状态，由此减小了用电负载因过流故障而导致损毁的几率，提高了负载用电的安全性。本实用新型的过流保护电路结构简单，成本低廉，响应迅速，可以广泛地应用在所有基于直流供电的用电负载的供电线路中，以实现对该类用电负载的过流保护。

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本实用新型所提出的过流保护电路的一种实施例的电路原理框图；

图2是本实用新型所提出的过流保护电路在实际应用过程中的连接关系示意图；

图3是本实用新型所提出的过流保护电路的一种实施例的具体电路原理图；

图4是本实用新型所提出的过流保护电路的另外一种实施例的具体电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。

本实施例的过流保护电路连接在用电负载的负极与电源的负极或者地线之间，如图2所示，通过对连接用电负载的负极的供电线路中的电流进行实时地采样和检测，以判断流过用电负载的电流是否正常，实现对用电负载的过流保护。在本实施例中，所述的电源可以是电池，也可以是适配器等能够输出直流电流的供电设备。所述用电负载为要求直流供电的直流负载。

为了降低过流保护电路的硬件成本，本实施例摒弃对充电管理芯片和电源管理芯片的使用，采用分立元器件搭建过流检测电路，并且在发生过流故障时，无需对电流进行采样、AD转换和阈值判断，即可直接输出开关量形式的过流保护信号，以方便后续电路及时响应，迅速执行保护动作，由此缩短了从出现过流到切断供电所经历的保护动作滞后时间，大大降低了用电负载因过流而造成损坏的几率。

本实施例的过流检测电路主要由开关管Q100、电阻分压网络R400、R450、采样电阻R200等部分组成，参见图3所示。将所述采样电阻R200串联在用电负载的负极PORT1连通地线或者电源负极的供电线路中，用于对流过用电负载的电流进行采样。例如，将采样电阻R200的一端接地或者连接电源的负极，另一端连通用电负载的负极PORT1，并与所述的电阻分压网络相连接。所述电阻分压网络优选由两个分压电阻R400、R450串联而成，一端连接直流电源VDD，另一端连接所述的采样电阻R200。当然，所述电阻分压网络也可以采用更多的分压电阻串联而成，本实施例对此不进行具体限制。将所述电阻分压网络的分压节点B（例如分压电阻R400、R450的中间节点）连接至开关管Q100的控制极，配置所述采样电阻R200和分压电阻R400、R450的阻值，使流过所述供电线路的电流在低于设定的安全阈值时，所述分压节点B处的电压小于所述开关管Q100的导通压降，保持开关管Q100的关断状态；而当流过所述供电线路的电流大于等于所述安全阈值时，使所述分压节点B处的电压大于等于所述开关管Q100的导通压降，从而控制所述开关管Q100导通。由此一来，通过控制开关管Q100导通或者关断，即可产生不同电平状态的过流保护信号，以用于对所述用电负载的供电回路进行通断控制。

在本实施例中，所述开关管Q100可以采用NPN型三极管或者N沟道MOS管等具有特定导通压降的电子器件进行过流检测电路的具体设计。当采用NPN型三极管Q100时，如图3所示，可以将NPN型三极管Q100的基极连接至电阻分压网络的分压节点B，发射极接地，集电极通过上拉电阻R455连接直流电源VDD，并通过所述NPN型三极管Q100的集电极输出所述的过流保护信号。当采用N沟道MOS管Q200时，如图4所示，可以将N沟道MOS管Q200的栅极连接至电阻分压网络的分压节点B，源极接地，漏极通过上拉电阻R455连接直流电源VDD，并通过所述N沟道MOS管Q200的漏极输出所述的过流保护信号。

为了保证通过开关管产生的过流保护信号能够对用电负载的供电回路实现有效的通断控制，本实施例优选将所述过流保护信号作为中断信号，传输至一处理器MCU（例如单片机等）的中断接口MCU_INTERRUPT，结合图1所示，在系统发生过流故障时，通过触发处理器MCU进入中断模式，以快速生成控制信号MCU_CTR，传输至一开关Q300的控制极，通过控制所述开关Q300动作，以切断用电负载的供电回路，实现断电保护。

由于处理器MCU进入中断模式只需要几个机器周期，因此产生所述控制信号MCU_CTR的速度非常快，可以实现保护动作的迅速响应。

在本实施例中，所述开关Q300优选设置在连接用电负载的负极PORT1的供电线路中，如图3、图4所示。即，将开关Q300的开关通路串联在所述用电负载的负极PORT1与所述采样电阻R200之间，通过开关Q300的控制极接收所述的过流保护信号或者处理器MCU输出的控制信号MCU_CTR，以实现对所述用电负载的供电回路的通断控制。

在本实施例中，所述开关Q300可以选用N沟道MOS管、单向可控硅Q400或者继电器等支持大电流的开关元件。当选用N沟道MOS管Q300时，如图3所示，可以将所述N沟道MOS管Q300的栅极连接至所述处理器MCU的其中一路GPIO口，接收处理器MCU输出的控制信号MCU_CTR，将N沟道MOS管Q300的漏极连接用电负载的负极PORT1，源极连接所述的采样电阻R200，并通过配置电阻R700连接其栅极。通过控制N沟道MOS管Q300导通或者截止，来连通或者切断用电负载的供电回路，实现对用电负载的过流保护。当选用单向可控硅Q400作为所述的开关时，如图4所示，可以将单向可控硅Q400的触发极连接至所述处理器MCU 的GPIO口，接收处理器MCU输出的所述控制信号MCU_CTR，将单向可控硅Q400的阳极连接至所述用电负载的负极PORT1，阴极连接所述的采样电阻R200。在发生过流故障时，通过处理器MCU将所述控制信号MCU_CTR由高电平转为低电平，继而控制单向可控硅Q400从导通状态切换至关断状态，以切断用电负载的供电线路，避免过高的电流对用电负载造成不可逆转的损坏。

下面结合图3，对本实施例所提出的过流保护电路的具体工作原理进行详细地阐述。

如图3所示，在系统开机运行时，处理器MCU首先输出高电平的控制信号MCU_CTR，控制N沟道MOS管Q300饱和导通，连通用电负载的供电回路，使用电负载上电运行。

当流过用电负载的电流没有超出安全阈值时，由于此时流过采样电阻R200的电流比较小，结合事先对分压电阻R400、R450的阻值配置，使作用于NPN型三极管Q100的基极电压小于NPN型三极管Q100的导通压降，此时，NPN型三极管Q100处于截止状态，直流电源VDD通过上拉电阻R454作用于处理器MCU的中断接口MCU_INTERRUPT，置处理器MCU的中断接口MCU_INTERRUPT为高电平。此时，处理器MCU不进入中断，保持正常运行模式，持续输出高电平的控制信号MCU_CTR，保持N沟道MOS管Q300的饱和导通状态，使用电负载持续运行。

当流过用电负载的电流升高，超出设定的安全阈值时，由于此时流过采样电阻R200的电流变大，使作用于NPN型三极管Q100的基极电压升高，当所述基极电压超过NPN型三极管Q100的导通压降时，NPN型三极管Q100导通，拉低处理器MCU的中断接口MCU_INTERRUPT的电位，使处理器MCU瞬间进入中断模式。处理器MCU在进入中断模式后，置控制信号MCU_CTR为低电平，控制N沟道MOS管Q300截止，切断用电负载的供电回路，使用电负载断电停止运行，实现过流保护功能。

图4所示的过流保护电路的工作原理同上述对图3所示过流保护电路的工作原理，本实施例在此不再展开说明。

在实际使用过程中，可以通过调节采样电阻R200的阻值大小来调整过流保护的阈值，以适应不同用电负载的过流保护要求。但是，为了尽量降低系统功耗，所述采样电阻R200的阻值最好小于1Ω，以满足系统的功耗要求。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种过流保护电路，其特征在于：设置有开关管、电阻分压网络和采样电阻；所述采样电阻串联在用电负载的负极连通地线或者电源负极的供电线路中；所述电阻分压网络的一端连接直流电源，另一端连接采样电阻与用电负载连通的一侧，电阻分压网络的分压节点连接开关管的控制极，通过控制开关管通断来产生过流保护信号，用于控制用电负载的供电回路通断；所述采样电阻和电阻分压网络中分压电阻的阻值配置为：使流过所述供电线路的电流在低于设定的安全阈值时，所述分压节点处的电压小于所述开关管的导通压降，仅在流过所述供电线路的电流大于等于所述安全阈值时，使所述分压节点处的电压大于等于所述开关管的导通压降，控制开关管导通，以改变所述过流保护信号的电平状态。

2.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于：所述采样电阻的一端连接地线或者电源的负极，另一端连接所述的电阻分压网络；所述采样电阻的阻值小于1Ω。

3.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于：所述开关管的开关通路一端接地，另一端通过上拉电阻连接所述的直流电源。

4.根据权利要求3所述的过流保护电路，其特征在于：所述开关管为NPN型三极管，所述三极管的基极连接所述电阻分压网络的分压节点，发射极接地，集电极通过所述的上拉电阻连接直流电源，并输出所述的过流保护信号。

5.根据权利要求3所述的过流保护电路，其特征在于：所述开关管为N沟道MOS管，所述MOS管的栅极连接所述电阻分压网络的分压节点，源极接地，漏极通过所述的上拉电阻连接直流电源，并输出所述的过流保护信号。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的过流保护电路，其特征在于：在所述用电负载的供电回路中连接有一开关，根据所述过流保护信号的电平状态控制所述开关通断，以连通或者切断所述的供电回路。

7.根据权利要求6所述的过流保护电路，其特征在于：所述开关的开关通路串联在所述用电负载的负极与所述的采样电阻之间，所述开关的控制极接收所述的过流保护信号。

8.根据权利要求7所述的过流保护电路，其特征在于：所述开关为N沟道MOS管，所述N沟道MOS管的栅极接收所述的过流保护信号，漏极连接所述用电负载的负极，源极连接所述的采样电阻；在所述N沟道MOS管的栅极与源极之间跨接有配置电阻。

9.根据权利要求7所述的过流保护电路，其特征在于：所述开关为单向可控硅，所述可控硅的触发极接收所述的过流保护信号，阳极连接所述用电负载的负极，阴极连接所述的采样电阻。

10.一种过流保护装置，其特征在于：设置有如权利要求1至9中任一项所述的过流保护电路，所述过流保护装置连接在用电负载的负极与电源的负极或者地线之间。