CN204333904U

CN204333904U - 一种过压保护电路

Info

Publication number: CN204333904U
Application number: CN201420873035.1U
Authority: CN
Inventors: 李威; 滕树鹏; 喻希远; 赵赟; 高晓梅; 郭振亚
Original assignee: USI Electronics Shanghai Co Ltd
Current assignee: USI Electronics Shanghai Co Ltd
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2024-12-30

Abstract

本实用新型涉及一种过压保护电路，包括：电压检测单元和开关单元，电压检测单元的输入端与外部电源单元连接，电压检测单元的输出端与开关单元的输入端连接，电压检测单元包括一与外部电源单元连接且由外部电源单元控制导通和关闭的压控元件，压控元件的输出端与开关单元连接，控制开关单元的导通和关闭；当电压检测单元检测到外部电源单元的输出电压达到压控元件的阈值电压时，则压控元件导通，输出相应地控制电平至开关单元，关闭开关单元以保护供电单元。其从电子硬件层面解决了直流电源误插而导致过压的问题，无需外界的配合，如软件或机械结构等，电路结构简单，成本低廉，通用性高，且不会给使用者带来任何风险。

Description

一种过压保护电路

技术领域

本实用新型涉及电子电路领域，尤其涉及一种为较低耐压电路提供过压保护的过压保护电路。

背景技术

目前电子产品的主要直流供电方式分为两种：第一种是变压器外置，其首先将220V～50Hz交流电在外置变压器中直接转为直流电，随后再接入电子产品，如，笔记本的电源，变压器外设置于笔记本的外部；第二种是变压器内置，与变压器外置类似，其也是将220V～50Hz的交流电直接转为直流电，随后再接入电子产品，但不同的是，变压器设置于电子产品的内部，如台式机供电，只需要通过外部的电缆线为其提供交流电即可。

对于第一种供电方式而言，目前市场上常见的外置变压器输出电压分为19V，12V，以及5V附近。在这种情况下，对于一些不熟悉电子产品特性的人来说，很容易误将错误的直流电源接入自己的设备，导致设备工作异常甚至烧坏。虽然大多数电子产品会在产品说明中标注“请使用专用电源”，但是产品的电源接口并没有提供电源误接时的保护电路，大大增加了由于误插电源而导致烧坏电子设备的风险。

当然，目前也有些电子设备厂商会设计特殊的专用电源接口为电子产品进行供电，以防止其他电源接入，但是这些专用设备的成本往往都很高，且设备的通用性不高；与此同时，也很难避免市面上会有其他类似电源可以接入设备，导致电子设备异常或烧毁。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供了一种过压保护电路，其从电子硬件层面解决了直流电源误插的问题，无需外界的配合，如软件或机械结构等，电路结构简单，通用性高，且不会给使用者带来任何风险。

本实用新型提供了一种过压保护电路，其内容包括：

一种过压保护电路，分别与外部电源单元及供电单元连接，包括电压检测单元和开关单元，所述电压检测单元的输入端与所述外部电源单元连接，所述电压检测单元的输出端与所述开关单元的输入端连接，所述开关单元的输出端与所述供电单元连接，所述外部电源单元同时为所述开关单元供电；

所述电压检测单元包括一与所述外部电源单元连接且由所述外部电源单元控制导通和关闭的压控元件，所述压控元件的输出端与所述开关单元连接，控制所述开关单元的导通和关闭；

当所述电压检测单元检测到所述外部电源单元的输出电压达到所述压控元件的阈值电压时，则所述压控元件导通，所述电压检测单元输出相应地控制电平至所述开关单元，关闭所述开关单元以保护所述供电单元。

在本实施例中，通过电压检测单元来检测外部电源单元的电压值，当外部电压过大时，电压检测电源控制开关单元关闭；当外部电压小于压控元件的阈值电压时，则开关单元为供电单元供电，有效地解决了当用户误接地电源接口时带来的电子设备异常或烧毁等，保障了电子设备的安全。

供电单元可以等价为电阻和电容的并联。

优选地，所述电压检测单元包括所述压控元件，钳位二极管，第一分压电阻，以及第二分压电阻；

所述钳位二极管的负极与所述外部电源单元连接，正极分别与所述压控元件的第一端及所述第一分压电阻的第一端连接；

所述第一分压电阻的第二端及所述压控元件的第二端分别接地；

所述第二分压电阻的第一端与所述外部电源单元连接，第二端及所述压控元件的第三端分别与所述开关单元连接。

优选地，所述压控元件为一NMOS晶体管，且所述压控元件的第一端，第二端以及第三端分别对应所述NMOS晶体管的栅极，源极以及漏极。

优选地，所述电压检测单元包括压控元件，钳位二极管，第一分压电阻，以及第二分压电阻；

所述第一分压电阻的第一端与所述外部电源单元连接，所述第一分压电阻的第二端及所述钳位二极管的负极分别与所述压控元件的第一端连接，所述钳位二极管的正极接地；所述压控元件的第二端与所述第二分压电阻的第二端连接，所述第二分压电阻的第一端与所述外部电源单元连接，所述压控元件的第三端与所述开关单元连接。

优选地，所述压控元件为一PMOS晶体管，且所述压控元件的第一端，第二端以及第三端分别对应所述PMOS晶体管的栅极，源极以及漏极。

优选地，所述钳位二极管为稳压二极管或TVS二极管。

在本实施例中，钳位二极管的使用有效地将供电单元接收到的电压控制一定范围内，当外部电源单元的电压超过了钳位二极管的击穿电压时，电压检测单元会输出控制信号控制开关元件关闭，当外部电源单元的电压在钳位二极管的击穿电压范围之内时，开关单元才会导通为供电单元进行供电。在本实用新型中，通过钳位二极管和晶体管的配合使用，以价格低廉的元器件，达到了为电子设备提供过压保护的目的；且如果过压保护电路需要适用于不同输入电压的设备，只需要相应的调整钳位二极管的型号和第一分压电阻的阻值即可实现，整个电路设计灵活。

优选地，所述开关单元中包括相互连接的第一晶体管和第二晶体管，其中，所述第一晶体管的栅极与电压检测单元连接，且源极接地，漏极与所述第二晶体管的栅极连接；所述第二晶体管的源极与所述外部电源单元连接，漏极与所述供电单元连接。

优选地，所述开关单元中还包括一RC延时电路，具体包括：第三分压电阻，第四分压电阻，以及一电容；

所述第三分压电阻与所述电容并联连接，其连接的第一端及所述第二晶体管的源极分别与所述外部电源单元连接，其连接的第二端分别与所述第四分压电阻的第一及所述第二晶体管的栅极连接；

所述第四分压电阻的第二端与所述第一晶体管的漏极连接。

在本实施例中，在第一晶体管和第二晶体管之间添加了一个RC延时电路，有效地避免了当第二晶体管导通速度过快时，负载中等效的电容迅速充电而在第二晶体管的漏极和源极之间产生的尖峰电流而带来的甚至烧坏第二晶体管的严重后果。RC延时电路的使用，通过调整第三分压电阻和第四分压电阻的阻值以及电容的容值来调整延时的时间，从而减慢第二晶体管的导通速度，实现保护第二晶体管不被烧毁的同时，延长了本实用新型过压保护电路的使用寿命。

优选地，所述第一晶体管为一NMOS晶体管；所述第二晶体管为一PMOS晶体管。

综上所述，本实用新型提供的过压保护电路，其有益效果在于：

1.在本实用新型中，在电压检测单元中通过钳位二极管、第一分压电阻，以及压控元件的配合使用，以价格低廉的元器件，达到了为电子设备提供过压保护的目的；即当外部电源单元的输入电压超过了钳位二极管的击穿电压，电压检测单元输出控制信号控制开关元件关闭，致使外部电源单元不给供电单元进行供电；相应地，当外部电源单元的电压小于钳位二极管的击穿电压范围，开关单元才会导通为供电单元进行供电。有效地解决了当用户误接地电源接口时带来的电子设备异常或烧毁等情况，从而保障了电子设备的安全。

2.在本实用新型中，只需要钳位二极管、第一分压电阻，以及压控元件三者的配合，即能实现过压保护的目的，因而如果过压保护电路需要适用于不同输入电压的设备，只需要根据需求相应的调整钳位二极管的型号以调整其击穿电压，同时对第一分压电阻的阻值进行相应的调整即可实现。整个电路设计灵活，且只需进行小范围的电子元件即可使用不同电压输入的电子设备，在实际应用中易于实现。

3.在本实用新型中，从电子硬件层面解决了直流电源误插的问题，而不需要外界，包括软件或机械机构的配合，且不同的电子产品可以使用通用电源接口，而不必担心误插电源，大大的提高了外置电源接口的通用性，有利于进一步降低成本，同时保障了用户的安全。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：

图1为本实用新型中过压保护电路的结构框图示意图；

图2为本实用新型中电压检测单元第一种实施方式电路图；

图3为本实用新型中电压检测单元第二种实施方式电路图；

图4为本实用新型中开关单元电路图；

图5为本实用新型中过压保护电路第一种实施方式电路图；

图6为本实用新型中过压保护电路第二种实施方式电路图；

图7为本实用新型中过压保护电路第三种实施方式电路图；

图8为本实用新型中过压保护电路第四种实施方式电路图；

图9为本实用新型中过压保护电路第五种实施方式电路图；

图10为本实用新型中过压保护电路第六种实施方式电路图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面结合附图和实施例对本实用新型进行具体的描述。下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如图1所示，为本实用新型中过压保护电路的结构框图示意图，本实用新型提供了一种过压保护电路，分别与外部电源单元及供电单元连接，过压保护电路具体包括：电压检测单元和开关单元，其中，电压检测单元的输入端与外部电源单元连接，电压检测单元的输出端与开关单元的输入端连接，开关单元的输出端与供电单元连接，外部电源单元同时为开关单元供电。在实际应用中，上述外部电源单元即电子设备的接入电源，供电单元即电子设备，本实用新型即在外部接入电源和电子设备之间设计了一种用于保护电子设备误接外部电源的保护电路，且外部电源除了接入电压检测单元供其检测外，还与开关电源连接，为其供电。

具体地，电压检测单元包括一与外部电源单元连接且由外部电源单元控制导通和关闭的压控元件，压控元件的输出端与开关单元连接，控制开关单元的导通和关闭；且当电压检测单元检测到外部电源单元的输出电压达到压控元件的阈值电压时，则压控元件导通，输出相应地控制电平至开关单元，关闭开关单元以保护供电单元。上述的压控元件为一受电压控制的元件，如MOS(MetalOxid Semiconductor，场效应)晶体管等，电压信号从MOS晶体管的栅极输入，漏极输出电流信号，且栅极输入电压的大小(阈值电压)决定了晶体管的导通或关闭。特别地，在另一个实施例中，本实用新型中压控元件可以用三极管代替，且在三极管基极需串联限流电阻即可实现，三极管是一种通过控制基极的输入电流从而控制三极管导通的半导体器件，功能与MOS晶体管类似，都可以用来实现本实用新型的目的。

如图2所示，为本实用新型中电压检测单元第一种实施方式电路图，具体包括压控元件，钳位二极管D1，第一分压电阻R1，以及第二分压电阻R2；钳位二极管D1的负极与外部电源单元连接，正极分别与压控元件的第一端及第一分压电阻R1的第一端连接；第一分压电阻R1的第二端及压控元件的第二端分别接地；第二分压电阻R2的第一端与外部电源单元连接，第二端及压控元件的第三端分别与开关单元连接。具体地，上述压控元件为一NMOS晶体管Q1，且压控元件的第一端，第二端以及第三端分别对应NMOS晶体管Q1的栅极，源极以及漏极，特别地，在本实用新型中NMOS晶体管的型号为2N7002，当然了，本实用新型中对NMOS晶体管的具体型号不作限定，只要其能实现本实用新型的目的，都包括在本实用新型的内容中。

如图3所示，为本实用新型中电压检测单元第二种实施方式电路图，具体包括压控元件，钳位二极管D1，第一分压电阻R1，以及第二分压电阻R2；其中，第一分压电阻R1的第一端与外部电源单元连接，第一分压电阻R1的第二端及钳位二极管D1的负极分别与压控元件的第一端连接，钳位二极管D1的正极接地；压控元件的第二端与第二分压电阻R2的第二端连接，第二分压电阻R2的第一端与外部电源单元连接，压控元件的第三端与开关单元连接。具体地，在本实用新型中，上述压控元件为一PMOS晶体管Q2，且压控元件的第一端，第二端以及第三端分别对应PMOS晶体管Q2的栅极，源极以及漏极。特别地，在本实用新型中，PMOS晶体管的型号为P5103EMG，本实用新型中对PMOS管的具体型号不作限定，只要其能实现本实用新型的目的，都包括在本实用新型的内容中。

进一步地，钳位二极管D1为稳压二极管或TVS二极管。

具体地，稳压二极管和TVS二极管的原理相似，在这里钳位二极管D1以稳压二极管为例做出具体说明，在实施过程中，当稳压二级管反向电压小于钳位电压(V_Z)时，稳压二极管的阻值较大，即相当于断路，稳压二极管两端压差即为输入电压；当稳压二级管反向电压超过V_Z时，稳压二极管会将其两端电压限制在某一固定值，此时若反向电压继续增大，稳压二级管的反向击穿电流会迅速增加，但二极管两端电压几乎不变。根据稳压二级管的上述特性和过压保护电路的具体需求，可以选择不同V_Z的稳压二极管和第一分压电阻R1的阻值，其中：

对于稳压二极管的选择：在本实用新型中主要对是V_Z的值的选择，V_Z要高于过压保护电路所保护的电路的工作电压而小于电路所能承受的最高电压，V_Z的值加上压控元件导通电压值即是过压保护电路能生效的最小过压值，此最小过压值需尽量接近被保护电路所能承受的最高电压。如：若过压保护电路工作电压为12V，电路能承受最高电压为13.5V，则选择型号为MMSZ5242B(V_Z＝12V)的稳压二极管即可实现本实用新型的目的。

对于第一分压电阻R1的选择：一般与稳压二极管特性有关，其阻值既要保证发生过压时稳压二极管能反向击穿工作，将电压钳位到V_Z，又要保证稳压二极管不因过流而损坏。

假设此实施例中供电单元的过压范围为V＝13.5V～19V，MMSZ5242B稳压二极管的V_Z＝12V，钳位电流I_Z(MIN)＝1mA,I_Z(MAX)＝40mA(稳压管的最大功耗为500mW),则R1阻值范围计算方法如下：

当电源单元的输出V＝19V，稳压二极管的钳位电流I_Z＝I_Z(MAX)＝40mA时，可以得到第一分压电阻R1的最小阻值：R1_(MIN)＝(V-V_Z)/I_Z(MAX)＝(19V-12V)/40mA＝175ohm

当电源的输出V＝13.5V，稳压二极管的钳位电流I_Z＝I_Z(MIN)＝1mA时，可以得到第一分压电阻R1的最大阻值：R1_(MAX)＝(V-V_Z)/I_Z(MIN)＝(13.5V-12V)/1mA＝1.5Kohm.

在实际应用中，可以根据上述方法根据不同的需求选择不同型号的稳压二极管，和不同阻值的第一分压电阻R1，在本实用新型中，第二分压电阻R2的阻值固定选为4.7K。由于TVS二极管的原理与稳压二极管相似，故选择TVS二极管时，二极管的选型以及R1的阻值的选择不作赘述。

如图4所示，为本实用新型中开关单元电路图，具体包括相互连接的第一晶体管Q3和第二晶体管Q4，其中，第一晶体管Q3的栅极与电压检测单元连接，且源极接地，漏极与第二晶体管Q4的栅极连接；第二晶体管Q4的源极与外部电源单元连接，漏极与供电单元连接。更进一步地，在本实施例中，第一晶体管Q3为一NMOS晶体管，第二晶体管Q4为一PMOS晶体管。特别是，在本实用新型中，第一晶体管Q3(NMOS晶体管)的型号为2N7002，第二晶体管Q4(PMOS晶体管)的型号为FDS6679AZ，本实用新型对NMOS晶体管和PMOS晶体管的具体型号不作限定，只要其能实现本实用新型的目的，都包括在本实用新型的内容中。

作为一个完整的实施例，如图5所示，为本实用新型中过压保护电路第一种实施方式电路图，以钳位二极管D1为稳压二极管，压控元件为一NMOS晶体管Q1，第一晶体管Q3为一NMOS晶体管，第二晶体管Q4为一PMOS晶体管为例，对于本实用新型中过压保护电路的流程作出如下描述：

假设稳压二极管的钳位电压为12V，此时若外部电源单元接入的电压为19V，则稳压二极管两端电压稳定在12V，因而在第一分压电阻R1上的电压为剩下的5V，因而压控元件的第一端(NMOS晶体管Q1的栅极)为高电平，达到NMOS晶体管Q1的导通电压，从而NMOS晶体管Q1导通，此时压控元件的第三端(NMOS晶体管Q1的漏极)为低电平输出；即开关单元中的第一晶体管Q3的栅极为低电平输入，没到达到第一晶体管Q3的导通条件，从而第一晶体管Q3不导通；此时，第二晶体管Q4的栅极为高电平输入，即第二晶体管Q4未达到导通条件从而不导通，开关电路关闭，不为后续的供电单元供电。

类似的，假设外部电源接入的电压为12V或5V，则此时稳压二极管相当于断开，因而压控元件的第一端(NMOS晶体管Q1的栅极)为低电平，从而NMOS晶体管Q1不导通，压控元件的第三端(NMOS晶体管Q1的漏极)高电平输出，即第一晶体管Q3栅极为高电平输入(第一晶体管Q3达到导通条件导通)，漏极为低电平输出，此时第二晶体管Q4栅极为低电平输入(达到第二晶体管Q4的导通条件)，第二晶体管Q4导通，开关单元导通，为后续供电单元供电。

如图6所示，为本实用新型中过压保护电路第二种实施方式电路图，压控单元为PMOS晶体管Q2时其工作流程与上述NMOS晶体管类似，在此不做赘述。

进一步地，在实际应用中，供电单元可以等价为电阻R l oad和电容C l oad并联，此时，如果开关单元中的第二晶体管Q4打开速度过快，则供电单元中的等价电容C l oad会迅速充电导致一个较大的尖峰电流在第二晶体管Q4的漏极和源极之间出现，甚至可能烧坏第二晶体管Q4，如果电流更大，甚至烧坏外置变压器及电源输入接口。因此，在本实用新型中，对上述第一种实施方式和第二种实施方式进行进一步改进为第三种实施方式和第四种实施方式，在第二晶体管Q4之前设计了一个RC延时电路，如图7和图8所示，具体包括：第三分压电阻R3，第四分压电阻R4，以及一电容C1；其中，第三分压电阻R3与电容C1并联连接，其连接的第一端及第二晶体管Q4的源极分别与外部电源单元连接，其连接的第二端分别与第四分压电阻R4的第一端及第二晶体管Q4的栅极连接；第四分压电阻R4的第二端与第一晶体管Q3的漏极连接。具体地，在本实用新型中，通过控制第三分压电阻R3及第四分压电阻R4的阻值以及电容C1的取值来降低第二晶体管Q4的导通速度，进而降低尖峰电流的峰值，其中，第一分压电阻R1及第二分压电阻R2的关系能够保证第二晶体管Q4完全导通即可，如，第一分压电阻R1大于10倍的第二分压电阻R2。特别地，在本实用新型中，为保证第二晶体管Q4打开足够缓慢，一般第三分压电阻R3选取大于100K级的阻值；在本实用新型中，RC延时电路中电容的容量为1U，且其两端最大承受电压为25V。工作时，在开关单元中，当电信号从第一晶体管Q3中输出之后，在电信号输入第二晶体管Q4之前，电信号先经过上述RC延时电路，以达到保护第二晶体管Q4和整个过压保护电路的作用。

如图9所示，为本实用新型中过压保护电路第五种实施方式电路图，即当所述压控单元为NMOS晶体管Q1时，将开关单元中包括的第一晶体管Q3改进为第三晶体管Q5，其中，第三晶体管Q5的栅极与电压检测单元(NMOS晶体管Q1的漏极)连接，源极与外部电源单元连接，漏极与第二晶体管Q4的栅极(第二分压电阻R2的第一端)连接；第二晶体管Q4的源极与外部电源单元连接，漏极与供电单元连接；同时，在第三晶体管Q5的源极与外部电源单元之间还设置了一阻值为4.7K的电阻R5。更进一步地，在本实施例中，第二晶体管Q4和第三晶体管Q5都为一PMOS晶体管。特别是，在本实用新型中，第二晶体管Q4的型号为FDS6679AZ，第三晶体管Q5(PMOS晶体管)的型号为P5103EMG，本实用新型对NMOS晶体管和PMOS晶体管的具体型号不作限定，只要其能实现本实用新型的目的，都包括在本实用新型的内容中，其工作流程在此不做赘述，与开关单元中包括第一晶体管Q3和第二晶体管Q4时类似。

如图10所示，为本实用新型中过压保护电路第六种实施方式电路图，即当所述压控单元为PMOS晶体管Q2时，所述开关单元中只包括第二晶体管Q4，其中，所述PMOS晶体管Q2的漏极与第二分压电阻R4的第一端连接。

以上对实用新型的具体实施例进行了详细描述，但本实用新型并不限制于以上描述的具体实施例，其只是作为范例。对于本领域技术人员而言，任何对该系统进行的等同修改和替代也都在本实用新型的范畴之中。因此，在不脱离实用新型的精神和范围下所作出的均等变换和修改，都应涵盖在本实用新型的范围内。

Claims

1.一种过压保护电路，分别与外部电源单元及供电单元连接，其特征在于：包括电压检测单元和开关单元，所述电压检测单元的输入端与所述外部电源单元连接，所述电压检测单元的输出端与所述开关单元的输入端连接，所述开关单元的输出端与所述供电单元连接，所述外部电源单元同时为所述开关单元供电；

当所述电压检测单元检测到所述外部电源单元的输出电压达到所述压控元件的阈值电压时，则所述压控元件导通，输出相应地控制电平至所述开关单元，关闭所述开关单元以保护所述供电单元。

2.如权利要求1所述过压保护电路，其特征在于：所述电压检测单元包括所述压控元件，钳位二极管，第一分压电阻，以及第二分压电阻；

3.如权利要求2所述过压保护电路，其特征在于：所述压控元件为一NMOS晶体管，且所述压控元件的第一端，第二端以及第三端分别对应所述NMOS晶体管的栅极，源极以及漏极。

4.如权利要求1所述过压保护电路，其特征在于：所述电压检测单元包括压控元件，钳位二极管，第一分压电阻，以及第二分压电阻；

5.如权利要求4所述过压保护电路，其特征在于：所述压控元件为一PMOS晶体管，且所述压控元件的第一端，第二端以及第三端分别对应所述PMOS晶体管的栅极，源极以及漏极。

6.如权利要求2-5中任意一项所述过压保护电路，其特征在于：所述钳位二极管为稳压二极管或TVS二极管。

7.如权利要求6所述过压保护电路，其特征在于：所述开关单元中包括相互连接的第一晶体管和第二晶体管，其中，

所述第一晶体管的栅极与电压检测单元连接，且源极接地，漏极与所述第二晶体管的栅极连接；

所述第二晶体管的源极与所述外部电源单元连接，漏极与所述供电单元连接。

8.如权利要求7所述过压保护电路，其特征在于，所述开关单元中还包括一RC延时电路，具体包括：第三分压电阻，第四分压电阻，以及一电容；

所述第四分压电阻的第二端与所述第一晶体管的漏极连接。

9.如权利要求7所述过压保护电路，其特征在于：所述第一晶体管为一NMOS晶体管；所述第二晶体管为一PMOS晶体管。