CN206865122U - 一种用于通信电路的过载保护电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型属于通信电路技术领域，公开一种用于通信电路的过载保护电路，包括电流输出电路、与电流输出电路输出端连接的负载、与负载串联的负载电流检测电路、与负载电流检测电路输出端连接的比较电路、与比较电路输入端相连的过载电流基准模块、与比较电路输出端连接的过载保护保持控制电路以及两端分别与电流输出电路信号端和过载保护保持控制电路连接的电流输出控制电路，还包括为过载电流基准模块、比较电路、电流输出控制电路和电流输出电路提供电源的电源模块。本保护电路结构简单、成本低，在电路发生过载或短路情况下，及时停止电流输出，同时对过载是否消除进行反复自动检测，在检出过载消除后，使该电路快速恢复正常工作状态。

Description

一种用于通信电路的过载保护电路
技术领域
本实用新型涉及通信线路保护技术领域，具体地，涉及一种用于通信电路的、尤其是水表采集器的Mbus通信电路、可在电路正常或过载工况下对电路的电流进行相关调控的过载保护电路。
背景技术
MBUS作为一种主从半双工的通信技术，具有通信距离远、抗干扰能力强、供电灵活等特点，广泛应用于各种仪表的数据采集中，水表采集器的MBUS通信电路既可以作为通信线路，也可以作为供电线路，其过载或短路会对采集器乃至整个采集系统的设备都有比较严重的影响。
MBUS数据通信总线在水表数据采集中被广泛使用，该总线在进行通信的同时也为所属的从机(水表)提供电源的供应，所以对作为主机采集器的MBUS电路进行保护至关重要。
传统的MBUS主机电路的保护主要是通过限制电路的最大输出电流来实现对电路的保护作用，其电流与负载的关系如附图1所示，这种传统的输出方式在过载时，其输出的电流是最大电流值，当现场施工或其他原因造成过载或短路时， MBUS主机(采集器)一直在输出最大的电流，这样容易使主机器件发热、老化，在密封的环境下，还会因为发出的热量积累严重而烧坏采集器，更严重的是引起火灾等安全事故。
发明内容
本实用新型解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种用于通信电路的、能在电路发生过载状况时对电路电流进行调控，并在过载状况消失时能够立刻自动投入工作的过载保护电路。
本实用新型的目的通过以下技术方案实现：
一种用于通信电路的过载保护电路，包括电流输出电路、与电流输出电路输出端连接的所属从机组成的负载、与负载串联的负载电流检测电路、与负载电流检测电路输出端连接的比较电路、与比较电路输入端相连的过载电流基准模块、与比较电路输出端连接的过载保护保持控制电路以及两端分别与电流输出电路信号端和过载保护保持控制电路连接的电流输出控制电路，还包括电源模块，所述电源模块用于为过载电流基准模块、比较电路、电流输出控制电路和电流输出电路提供电源。
所述保护电路根据负载的实际情况设置负载的过载电流基准，在电源模块正常工作情况下，所述过载保护电路包含以下3种工作状态：
状态1：负载正常；负载电流检测电路检测的电流值与过载电流基准经比较电路比较判断后，比较电路持续输出“负载正常”信号，过载保护保持控制电路直通，电流输出控制电路使电流输出电路正常输出电流，维持通信的正常进行。
状态2：过载检测；当发生过载时，负载电流检测电路将检测出的负载电流输入比较电路中，与过载电流基准进行比较，比较电路输出“负载过载”信号，并经过载保护保持控制电路进行延时T1之后，输出给电流输出控制电路，切断电流输出电路的输出电流，防止负载电流过大，烧毁电流输出电流，达到保护主机采集器的目的。
状态3：过载状态是否解除的检测；当过载持续进行时，在电流输出控制电路控制电流输出电路切断负载电流后，即相当于过载状况消失，比较电路输出“负载正常”信号，经过过载保护保持控制电路进行延时T2之后，电流输出控制电路控制电流输出电路正常输出；但实际的过载状况并未解除，负载电流检测电路与比较电路立刻检测出负载处于过载状态，经过载保护保持控制电路进行延时T1之后，电流输出控制电路再次切断电流输出电路的输出电流，保护主机采集器，在负载状况过载持续期间，不断反复进行该过程，直到过载解除，整个装置恢复至状态1。
在此过程中，电流输出控制电路不断控制电流输出电路正常输出电流与切断输出电流，若负载过载状况解除，则比较器不会输出“负载过载”信号，从而电流输出电流能够一直正常地为负载输出工作，使整个MBUS通信系统立刻进入正常工作状态，即状态1。
具体地，在该保护电路的状态2与状态3中，通过配置过载保护保持控制电路的延时时间T1与延时时间T2，可以有效地保护状态3中的主机采集器的电流输出电流。即在通信负载持续过载，保护电路主动检测过载是否解除的过程中， T1为过载电流的持续时间，T2为电流输出电流切断负载电流的时间，T1与T2之和为一个过载状态是否解除检测的周期，因此实际负载的平均电流IAV由式(1) 可得：
式中，IOL为过载电流；
当T1远小于T2时，负载过载时的平均电流IAV基本可忽略不计，即电流输出电路在宏观尺度下实际输出的电流很小，不会对电流输出电路造成任何不利影响，因此在状态3中电流输出电路周期性地输出电流来检测过载是否解除而不断引发过载时，不会损坏电流输出电路，并且在过载解除后，能使整个MBUS通信系统迅速进入正常的工作状态。
进一步地，所述过载保护保持控制电路包括阳极与所述比较电路输出端连接的二极管，所述二极管的阴极接用于设置T1、T2的充放电电容与电容放电电阻，所述电容与电容放电电阻直接并联，另一端直接接地。
具体地，延时T1为比较电路输出端通过二极管为所述电容快速充电至电流输出控制电路控制电流输出电路切断电流输出的有效控制电压的时间，延时为电容对所述电阻放电至电流输出控制电路控制电流输出电路恢复电流输出的有效控制电压的时间。
具体地，所述二极管可有效防止电容反向通过比较电路输出端进行放电，保证电容只能通过电阻放电，便于精确控制延时时间T2，保证主机采集器在状态3 下的安全性。
进一步地，所述电流输出控制电路包括三端口半导体器件以及与所述三端口半导体器件串联的限流电阻，所述限流电阻另一端与电源模块连接。
具体地，所述三端口半导体器件可为三极管、MOSFET、场效应管或IGBT等具备控制端的半导体器件中的任意一种，所述三端口半导体器件的控制端信号输入由比较电路的输出信号经过载保护保持电路进行延时给定，通过该控制信号控制电流输出电路是正常输出电流，还是切断电流停止工作。
优选地，所述三端口半导体器件为MOSFET，MOSFET开关速度快，为电压型驱动器件，阈值电压低，驱动电流小，驱动电路简单，无需比较电路具备较强的带载能力。
具体地，所述MOSFET的门极与二极管的阴极相连，漏极与限流电阻串联，所述MOSFET的漏极还与所述电流输出电路的控制信号端连接。
更具体地，过载发生时，比较电路输出端通过对电容充电，使电容电压迅速达到所述MOSFET的开启电压，从而切断电流输出电路对负载的输出。
所述限流电阻用于限制所在支路电流的大小，防止MOSFET开通时，漏极电流过大，损坏MOSFET，也可降低因MOSFET关闭时，对电流输出电路的控制信号输入端的瞬间电流冲击，避免损害电流输出电路。
进一步地，所述比较电路包括电压比较器，所述电压比较器的同相端输入信号为负载电流检测电路的输出信号；所述电压比较器的反相端输入信号为负载过载电流基准模块的输出信号。
具体地，当负载电流检测电路的输出信号大于过载电流基准模块的输出信号，电压比较器输出高电平，电压比较器通过过载保护保持控制电路的二极管给电容充电，使过载保护保持控制电路的电容电压升高；当负载电流检测电路的输出信号小于过载电流基准模块的输出信号，电压比较器输出低电平，由于过载保护保持控制电路中二极管的单向导电性，过载保护保持控制电路的电容只能通过放电电阻放电，电容电压降低直至零。负载电流检测电路
进一步地，所述负载电流检测电路使用小电阻采样，通过检测所述小电阻的电压得出负载电流。
具体地，负载电流检测电路选用较小阻值的电阻，远小于负载电阻值，不会影响电流输出电路正常输出的负载电流。
进一步地，所述过载电流基准模块包括相互串联的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端与电源模块连接，第一电阻和第二电阻的公共点与电压比较器反相输入端连接,所述第二电阻另一端接地。
具体地，所述第一电阻和第二电阻的阻值根据过载基准电流选取，第一电阻与第二电阻的取值应符合式2的关系：
式中，R1为第一电阻，R2为第二电阻，R3为负载电流检测电路的采样小电阻，IOLB为设定的过载基准电流，UCC为过载电流基准模块的电源电压。
进一步地，所述电压比较器的同相输入端与负载电流检测电路的输出端之间还设有用于滤除高频干扰、提高电压比较器判断准确率的RC滤波器。
具体地，RC滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且易于选用标准的阻容元件，具有较好的通用性。
进一步地，所述电压比较器的反相输入端与第一电阻和第二电阻的公共点之间还设有用于滤除高频干扰、提高电压比较器判断准确率的电容滤波器。
进一步地，为保证负载持续过载时，电流输出电路的平均电流很小，当过载解除后，通信电路又能在很短时间内进入工作，将所述过载保护保持控制电路的电容充电至MOSFET开启电压的充电时间设为1us～5us,所述放电电阻能在1～ 1.5s内将所述电容电荷放完，当然本领域的设计人员也能够很容易地将充电时间T1与放电时间T2设置成其它值，只要T1远小于T2即可。
优选地，所述电容充电至MOSFET开启电压的充电时间为1us,所述放电电阻能在1s内将电容电荷放完。
具体地，在发生过载时，使保护电路每隔1秒输出一个很短的瞬时(1us) 过载电流，用于检测回路是否恢复正常负载状态，这个过载电流时间短，所以实际整个回路的平均电流接近于0。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
在刚发生过载的情况下，所述保护电路能及时停止电流输出，从而保证通信电路的稳定；
在过载发生的过程中，所述保护电路能通过过载保护保持控制电路的电容和电阻配合的充放电过程对过载是否消除进行反复自动检测；
当检测出过载消除后，所述保护电路可使通信电路快速恢复正常工作状态。
本实用新型的保护电路结构简单、成本较低，却达到了有效解决现有技术通信电路在负载过载及短路状态下输出电流长期持续在最高负载水平造成的一系列危险因数存在的问题，大大提高的通信电路的稳定性，尤其是基于MBUS通信电路的采集器产品的稳定性。
附图说明
图1为传统保护电路在过载时电流与负载的关系曲线图；
图2为本实用新型所述保护电路的结构框图；
图3为本实用新型所述保护电路的结构示意图；
图4为本实用新型所述保护电路在过载时电流与负载的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
如图2～4所示，一种用于通信电路的过载保护电路，包括电流输出电路、与电流输出电路输出端连接的负载、与负载串联的负载电流检测电阻R3、与R3 电压输出端连接的由R6与C3构成的电压比较器U1同相端的RC滤波器、由电阻 R1与R2串联的电压分压电路构成的过载电流基准模块、与R1和R2公共端连接的电压比较器U1反相端滤波电容C2、与电压比较器U1输出端连接的二极管D1、与D1连接的充放电容C1与放电电阻R4、与R19和C12公共端连接MOSFETQ1、与Q1漏极连接限流电阻R5，Q1的漏极与电流输出电流的控制端连接。还包括为电流输出电路提供电源的36V电压源以及与R5和R1连接的6V电源。
负载电流检测电路负载电流检测电路本实施例的过载保护电路根据所接负载与电流输出电路的实际情况设置负载的过载基准电流，过载保护电路包含以下 3种工作状态：
状态1：负载正常；负载电流检测电阻R3的电压值UR3与过载电流基准模块中R2的电压值UR2通过电压比较器U1比较后，输出低电平。电容C1与电阻R4 的电压几乎为零，MOSFETQ1的门极电压低于开启电压，Q1的漏极通过限流电阻与6V电压相连，为高电平。电流输出电路在控制端为高电平时，正常输出电流，维持整个通信系统正常工作。
负载电流检测电路状态2：过载检测；负载电流检测电阻R3的电压值UR3与过载电流基准模块中R2的电压值UR2通过电压比较器U1比较后，输出高电平。比较器U1通过二极管D1对电容C1充电，经过时间T1后，电容C1与电阻R4的电压达到MOSFETQ1的门极电压开启电压，Q1导通，漏极通过Q1直接接地，为低电平。即电流输出电路在控制端为低电平，电流输出电路切断输出电流，避免电流输出电路工作于过载状态。
负载电流检测电路状态3：过载状态是否解除的检测；当过载持续进行时，在电流输出控制电路切断负载电流后，负载电流检测电阻R3的电压为0，电压比较器U1输出低电平。充放电电容C1通过R4放电，经过时间T2之后，C1与R4 的电压降到Q1的开启电压之下时，Q1关断，电流输出电流的控制端为高电平，电流输出电流正常工作，输出负载电流。由于负载仍处于过载状态，R3的电压UR3大于R2的电压UR2，电压比较器U1输出高电平，并通过二极管D1对电容C1充电，经过时间T1之后，Q1门极电压超过开启电压，Q1导通，电流输出电路控制端为低电平，电流输出电路切断输出电流，保护电流输出电路。在负载状况过载持续期间，不断反复进行该过程，直到过载解除，整个装置恢复至状态1。
具体地，过载电流基准模块中第一电阻R1和第二电阻R2的阻值根据过载基准电流选取，第一电阻R1与第二电阻R2的取值应符合式3的关系：
式中，R3为负载电流检测电路电阻，IOLB为过载电流，UCC为6V电源电压。具体地，在该保护电路的状态2与状态3中，取T1远小于T2，虽然在T1期间，负载过载，电流较大。但在整个T1+T2的周期中，电流输出电路的平均电流很小，其平均电流计算如式(4)所示。对电流输出电路不会造成任何不利影响。即在负载过载状态持续期间，保护电路对过载状态是否解除的检测不会危及到器件与电路的安全。
式中，IOL为过载电流；
由式(4)可知，当T1远小于T2时，负载过载时的平均电流IAV基本可忽略不计。
具体地，本实施例中T1设为1us，T2设为1s，即在过载时，每隔1秒输出一个很短的瞬时(1uS)过载电流，因此在状态3中输出电流控制电流不断周期性地输出电流检测过载是否解除引发过载时，不会损坏电流输出电路，并且在过载解除后，能使整个通信系统迅速进入正常的工作状态。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型的技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于通信电路的过载保护电路，其特征在于，包括电流输出电路、与电流输出电路输出端连接的负载、与负载串联的负载电流检测电路、与负载电流检测电路输出端连接的比较电路、与比较电路输入端相连的过载电流基准模块、与比较电路输出端连接的过载保护保持控制电路以及两端分别与电流输出电路信号端和过载保护保持控制电路连接的电流输出控制电路，还包括电源模块，所述电源模块用于为过载电流基准模块、比较电路、电流输出控制电路和电流输出电路提供电源。
2.根据权利要求1所述用于通信电路的过载保护电路，其特征在于，所述过载保护保持控制电路包括阳极与所述比较电路输出端连接的二极管，所述二极管的阴极接有用于为检测过载是否消除而充放电的电容，电容另一端接地，所述电容两端并联有放电电阻；
所述电流输出控制电路包括三端口半导体器件以及与所述三端口半导体器件串联的限流电阻，所述限流电阻另一端与电源模块连接。
3.根据权利要求2所述用于通信电路的过载保护电路，其特征在于，所述三端口半导体器件为MOSFET，所述MOSFET的门极与二极管的阴极相连，漏极与限流电阻串联，所述MOSFET的漏极还与所述电流输出电路的信号端连接。
4.根据权利要求2所述用于通信电路的过载保护电路，其特征在于，所述比较电路包括电压比较器，所述电压比较器的同相输入端与负载电流检测电路的输出端连接，反相输入端与过载电流基准模块连接，电压比较器的输出端与所述二极管的阳极相连，所述电压比较器用于根据过载电流基准模块输出的参考点电压与负载电流检测电路的输出电压进行比较输出不同的电平值。
5.根据权利要求1所述用于通信电路的过载保护电路，其特征在于，所述负载电流检测电路使用电阻采样，通过检测所述电阻的电压得出负载电流。
6.根据权利要求4所述用于通信电路的过载保护电路，其特征在于，所述过载电流基准模块包括相互串联的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端与电源模块连接，第一电阻和第二电阻的公共点与电压比较器反相输入端连接；第二电阻另一端接地,所述过载电流基准模块用于根据第一电阻和第二电阻的不同阻值为电压比较器的反相输入端提供不同的参考点电压。
7.根据权利要求4所述用于通信电路的过载保护电路，其特征在于，所述电压比较器的同相输入端与负载电流检测电路的输出端之间还设有用于滤除高频干扰、提高电压比较器判断准确率的RC滤波器。
8.根据权利要求4所述用于通信电路的过载保护电路，其特征在于，所述电压比较器的反相输入端与过载电流基准模块之间还设有用于滤除高频干扰、提高电压比较器判断准确率的电容滤波器。
9.根据权利要求2所述用于通信电路的过载保护电路，其特征在于，所述电容充电至MOSFET开启电压的充电时间为1us～5us,所述放电电阻能在1～1.5s内将电容电荷放完。
10.根据权利要求9所述用于通信电路的过载保护电路，其特征在于， 所述电容充电至MOSFET开启电压的充电时间为1us,所述放电电阻能在1s内将电容电荷放完。
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