CN207868791U - 一种直流电源保护电路及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种直流电源保护电路及电子设备，该第一保护支路包括串联的半导体放电管和瞬态抑制二极管，第一直流线路接入正极电压，第二直流线路接入负极电压；第一直流线路和第二直流线路之间的正向电压大于第一预设电压时，瞬态抑制二极管和半导体放电管导通，第一预设电压为瞬态抑制二极管的钳位电压和半导体放电管的转折电压的叠加；第一直流线路和第二直流线路之间的反向电压大于第二预设电压时，瞬态抑制二极管和半导体放电管呈两个串联的正向二极管导通。实现了减小直流电源保护电路的残压、减小芯片功耗、面积和降低直流电源保护电路的成本，以及实现了直流电源保护电路的小型化和防反接的多重防护的效果。
Description
技术领域
本实用新型实施例涉及半导体器件技术，尤其涉及一种直流电源保护电路及电子设备。
背景技术
电子设备在汽车电子、通讯、新能源、安防、消费电子、工业电子、医疗电子等行业得到了广泛的应用，其性能的优劣直接关系到相关设备能否安全可靠的工作。
为了保证电子设备能够安全可靠的工作，多在电子设备电源端口设计直流电源保护电路，例如，过压保护、过流保护和过温保护等。其中，由于雷击或直流电源反接是造成过压而损坏直流电源电路器件的常见原因。现有技术中，为了使直流电源保护电路达到既能够防雷击，又能够防反接的效果，通常采用在电子设备电源端口并联瞬态抑制二极管(Transient Voltage Suppressor，TVS)的方案。然而，TVS芯片残压较高，对后级直流电源电路的防护效果较差，以及存在芯片功耗大、面积大且成本高的问题。
实用新型内容
本实用新型提供一种直流电源保护电路及电子设备，以实现直流电源保护电路的小型化和提高防护性能的效果。
第一方面，本实用新型实施例提供了一种直流电源保护电路，所述直流电源保护电路包括：
第一保护支路，包括串联的半导体放电管和瞬态抑制二极管，所述第一保护支路的第一端与第一直流线路电连接，所述第一保护支路的第二端与第二直流线路电连接；所述第一直流线路接入正极电压，所述第二直流线路接入负极电压；
所述第一直流线路和所述第二直流线路之间的正向电压大于第一预设电压时，所述瞬态抑制二极管和所述半导体放电管导通，第一预设电压为所述瞬态抑制二极管的钳位电压和所述半导体放电管的转折电压的叠加；所述第一直流线路和所述第二直流线路之间的反向电压大于第二预设电压时，所述瞬态抑制二极管和所述半导体放电管呈两个串联的正向二极管导通。
可选地，所述瞬态抑制二极管为单向瞬态抑制二极管；所述半导体放电管为单向半导体放电管；
其中，所述单向瞬态抑制二极管沿所述第一保护支路的第一端到所述第一保护支路的第二端的方向为钳位方向；所述单向半导体放电管沿所述第一保护支路的第一端到所述第一保护支路的第二端的方向为特性方向。
可选地，所述直流电源保护电路还包括：
第二保护支路，所述第二保护支路串接有至少一个二极管；所述第二保护支路的第一端与所述第一直流线路电连接，所述第二保护支路的第二端与所述第二直流线路电连接；
所述第二保护支路用于在所述第一直流线路和所述第二直流线路之间的反向电压大于第三预设电压时，所述第二保护支路导通。
可选地，所述瞬态抑制二极管为双向瞬态抑制二极管；所述半导体放电管为双向半导体放电管。
可选地，所述瞬态抑制二极管为双向瞬态抑制二极管；所述半导体放电管为反向截止半导体放电管；
其中，所述反向截止半导体放电管沿所述第一保护支路的第一端到所述第一保护支路的第二端的方向为特性方向。
可选地，所述瞬态抑制二极管为单向瞬态抑制二极管；所述半导体放电管为反向截止半导体放电管；
其中，所述单向瞬态抑制二极管沿所述第一保护支路的第一端到所述第一保护支路的第二端的方向为钳位方向；所述反向截止半导体放电管沿所述第一保护支路的第一端到所述第一保护支路的第二端的方向为特性方向。
可选地，所述二极管的类型包括：肖特基二极管和快速恢复二极管。
可选地，所述第一直流线路和所述第二直流线路分别与受电设备的两个电源端口电连接。
可选地，所述直流电源保护电路还包括熔断器，所述熔断器串联于所述第一直流线路或者所述第二直流线路。
第二方面，本实用新型实施例还提供了一种电子设备，所述电子设备上使用本实用新型任意实施例提供的直流电源保护电路。
本实用新型通过设置第一保护支路，所述第一保护支路的第一端与第一直流线路电连接，所述第一保护支路的第二端与第二直流线路电连接，所述第一直流线路和所述第二直流线路之间的正向电压大于第一预设电压时，所述瞬态抑制二极管和所述半导体放电管导通，所述第一预设电压为所述瞬态抑制二极管的钳位电压和所述半导体放电管的转折电压的叠加；所述第一直流线路和所述第二直流线路之间的反向电压大于第二预设电压时，所述瞬态抑制二极管和所述半导体放电管呈两个串联的正向二极管导通，解决了现有技术中具有防雷击和防反接功能的直流电源保护电路的残压较高，对后级电路的防护效果较差，以及存在芯片功耗大、面积大且成本高的问题，实现了减小直流电源保护电路的残压、减小芯片功耗、面积和降低直流电源保护电路的成本，以及在此基础上，使该直流电源保护电路具有防反接的功能，从而实现直流电源保护电路的小型化和提高防护性能的效果。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的一种直流电源保护电路的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的一种直流电源保护电路的伏安特性曲线示意图；
图3为本实用新型实施例提供的一种单向瞬态抑制二极管的伏安特性曲线示意图；
图4为本实用新型实施例提供的一种直流电源保护电路的正向导通特性曲线与现有技术的对比示意图；
图5为本实用新型实施例提供的另一种直流电源保护电路的结构示意图；
图6为本实用新型实施例提供的一种单向半导体放电管的伏安特性曲线示意图；
图7为本实用新型实施例提供的又一种直流电源保护电路的结构示意图；
图8为本实用新型实施例提供的又一种直流电源保护电路的结构示意图；
图9为本实用新型实施例提供的一种双向瞬态抑制二极管的伏安特性曲线示意图；
图10为本实用新型实施例提供的一种双向半导体放电管的伏安特性曲线示意图；
图11为本实用新型实施例提供的又一种直流电源保护电路的结构示意图；
图12为本实用新型实施例提供的一种反向截止半导体放电管的伏安特性曲线示意图；
图13为本实用新型实施例提供的又一种直流电源保护电路的结构示意图；
图14为本实用新型实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
本实用新型实施例提供一种直流电源保护电路，本实施例可适用于汽车电子。图1为本实用新型实施例提供的一种直流电源保护电路的结构示意图。参见图1，该直流电源保护电路包括：第一保护支路10，该第一保护支路10包括串联的半导体放电管11和瞬态抑制二极管12，第一保护支路10的第一端与第一直流线路80电连接，第一保护支路10的第二端与第二直流线路90电连接。其中，第一直流线路80接入正极电压，第二直流线路90接入负极电压。第一直流线路80和第二直流线路90之间的正向电压大于第一预设电压时，瞬态抑制二极管12和半导体放电管11导通，第一预设电压为瞬态抑制二极管12的钳位电压和半导体放电管11的转折电压的叠加；第一直流线路80和第二直流线路90之间的反向电压大于第二预设电压时，瞬态抑制二极管12和半导体放电管11呈两个串联的正向二极管导通。其中，第二直流线路90接入负极电压定义为0V，第一直流线路80则为正电压，此时，电压方向定义为本实用新型的正向电压，即，正向电压为第一直流线路80电势高于第二直流线路90的值；同理，当第一直流线路80电势低于第二直流线路90，定义反向电压为第二直流线路90高于第一直流线路80的值。
图2为本实用新型实施例提供的一种直流电源保护电路的伏安特性曲线示意图，下面参见图2，该直流电源保护电路在第一直流线路80和第二直流线路90之间的正向电压大于第一预设电压VS1时，例如受到从第一直流线路80到第二直流线路90的浪涌冲击时，瞬态抑制二极管12和半导体放电管11导通，瞬态抑制二极管12将其两端的电压钳位到钳位电压VC2。也就是说，在正向过电压的作用下，当第一直流线路80和第二直流线路90之间的正向电压达到半导体放电管11的转折电压及瞬态抑制二极管12的钳位电压的两者之和时，半导体放电管11处于导通状态，瞬态抑制二极管12处于钳位状态，以此泄放正向过电压。
图3为本实用新型实施例提供的一种单向瞬态抑制二极管的伏安特性曲线示意图。瞬态抑制二极管(Transient Voltage Suppressor，TVS)是一种二极管形式的高效能保护器件。参见图3，当瞬态抑制二极管12两端的电极受到瞬态正向高压冲击时，其能将两电极间的高阻抗变为低阻抗，吸收浪涌功率，使两电极间的电压钳位于钳位电压VC；当瞬态抑制二极管12两端的电极受到瞬态反向高压冲击时，瞬态抑制二极管12导通，呈现单向导通的二极管特性，导通压降为VF1；从而保护直流电源100中的元器件免受雷击等浪涌电压的损坏。
需要说明的是，半导体放电管11(Thyristor Surge Suppresser，TSS)是利用晶闸管原理制成的，依靠PN结的击穿电流触发器件导通放电。即半导体放电管11的导通是晶体管正反馈加二极管雪崩击穿，因此可以流过很大的浪涌电流或脉冲电流。当外加电压大于半导体放电管11的转折电压时，半导体放电管11迅速进入导通状态，该导通压降很小。与半导体放电管相比，瞬态抑制二极管的残压较高。现有技术中只采用了瞬态抑制二极管，其作用到后级电路100的能量较大，该能量会对后级电路100中的电解电容进行充电，甚至造成电解电容损坏。因此，在相同的保护等级下，本实用新型实施例提供的直流电源保护电路可以采用钳位电压较小的瞬态抑制二极管的型号。例如，直流电源的电压等级为12V，直流电源保护电路可以实现18V的防护等级，即当第一直流线路80和第二直流线路90之间的正向电压超过18V时，第一保护支路10导通。若采用现有技术中的方案，需要设置一个钳位电压VC为18V的瞬态抑制二极管。参见图4，虚线70是现有技术正向导通时的特性曲线。若采用本实用新型实施例提供的技术方案，可以设置一个钳位电压为12V的瞬态抑制二极管11和一个转折电压为6V的半导体放电管12，以此达到18V的防护等级。继续参见图4，实线60是本实用新型实施例提供的直流电源保护电路正向导通时的特性曲线。在直流电源保护电路导通的瞬间，其两端的电压上升为电压VS1，然后降到了电压VC2。这是由于半导体放电管在导通时的导通压降几乎为零，电压VC2主要为瞬态抑制二极管的钳位电压12V。由图中可以看出，与现有技术相比，半导体放电管11和瞬态抑制二极管12串联可以使得在相同的保护等级下，降低直流保护电路的残压，即VC2<VC，对后级电路100起到了更好的保护作用。
继续参见图2，第一直流线路80和第二直流线路90之间的反向电压大于第二预设电压VF3时，瞬态抑制二极管12和半导体放电管11呈二极管导通状态。也就是说，在第一直流线路80和第二直流线路90之间的反向过电压的作用下，半导体放电管11和瞬态抑制二极管12呈现单向导通的二极管特性。单向导通的二极管特性为，当二极管的阳极和阴极之间的电压(即正向导通电压)非常小时，流过二极管的电流几乎为零；当正向导通电压电压超过死区电压时，流过二极管的电流开始迅速增长。该死区电压的大小与二极管的材料以及温度等因素有关。一般，硅二极管的死区电压大约为0.7V，锗二极管的死区电压大约为0.2V。在本实用新型实施例中，反向压降为两个二极管正向导通电压累加。由于半导体放电管11和瞬态抑制二极管12的二极管正向导通方向承受的电压较小，第二预设电压VF3也较小，一般不超过两个串联二极管的死区电压的和，该直流保护电路能够起到较好的防反接效果。防反接指的是，第一直流线路80接入负极电压，第二直流线路90接入正极电压。一般第一直流线路80接电子设备电源端口正极，第二直流线路90接电子设备电源端口负极，此时，将可能造成电子设备后级电路损坏。而本实用新型实施例提供的技术方案，可以将第一直流线路80和第二直流线路90之间的反向电压限制在较小范围内，例如限定为第二预设电压VF3，起到较好的防反接效果。此外，瞬态抑制二极管12的芯片面积较大，且成本较高，成为阻碍直流电源保护电路的小型化和低成本化的一个主要原因。本实用新型实施例提供的技术方案，由于半导体放电管11的通态热损耗较小、流通能力强，因此，半导体放电管11的芯片面积较小，成本较低，有利于直流电源保护电路的小型化和低成本化。
综上，本实施例的技术方案通过设置第一保护支路10，该第一保护支路10的第一端与第一直流线路80电连接，该第一保护支路10的第二端与第二直流线路90电连接，该第一直流线路80和所述第二直流线路90之间的正向电压大于第一预设电压VS1时，瞬态抑制二极管12和半导体放电管11导通，瞬态抑制二极管12将其两端的电压钳位到钳位电压VC2；第一直流线路80和第二直流线路90之间的反向电压大于第二预设电压VF3时，瞬态抑制二极管12和半导体放电管11呈二极管导通，解决了现有技术中具有防雷击和防反接功能的直流电源保护电路的残压较高，对后级电路100电路的防护效果较差，以及存在芯片功耗大、面积大且成本高的问题，实现了减小直流电源保护电路的残压、减小芯片功耗、面积和降低直流电源保护电路的成本，以及在此基础上，使该直流电源保护电路具有防反接的功能，从而实现直流电源保护电路的小型化和多重防护的效果。
图5为本实用新型实施例提供的另一种直流电源保护电路的结构示意图。参见图5，在上述各技术方案的基础上，该瞬态抑制二极管12为单向瞬态抑制二极管；该半导体放电管11为单向半导体放电管。其中，单向瞬态抑制二极管沿第一保护支路10的第一端到第一保护支路10的第二端的方向为钳位方向；单向半导体放电管沿第一保护支路10的第一端到第一保护支路10的第二端的方向为特性方向。
图6为本实用新型实施例提供的一种单向半导体放电管的伏安特性曲线示意图。参见图6，当外加正向电压大于单向半导体放电管的转折电压VS时，单向半导体放电管迅速进入特性方向，该导通压降VT很小，对后级电路100起到了保护作用。当外加反向电压大于单向半导体放电管的反向击穿电压VF2时，单向半导体放电管迅速进入二极管正向导通状态。单向瞬态抑制二极管的伏安特性曲线和工作特性参见图3。根据前述分析可知，该技术方案也可以实现图2中的伏安特性曲线，因此，在相同的保护等级下，本技术方案提供的直流电源保护电路采用的瞬态抑制二极管的钳位电压VC较小。实现了减小直流电源保护电路的残压、减小芯片功耗、面积和降低直流电源保护电路的成本，以及在此基础上，使该直流电源保护电路具有防反接的功能，从而实现直流电源保护电路的小型化和提高防护性能的效果。
图7为本实用新型实施例提供的又一种直流电源保护电路的结构示意图。参见图7，在上述各技术方案的基础上，该直流电源保护电路还包括：第二保护支路20，该第二保护支路20串接有至少一个二极管21；第二保护支路20的第一端与第一直流线路80电连接，第二保护支路20的第二端与第二直流线路90电连接；第二保护支路20用于在第一直流线路80和第二直流线路90之间的反向电压大于第三预设电压时，第二保护支路20导通。其中，该第三预设电压为正数。根据前述分析可知，该技术方案也可以实现图2中的伏安特性曲线，以及第二保护支路20这样设置可以使得当第一直流线路80和第二直流线路90之间的电压反接时，由第二直流线路90到第一直流线路80之间的残压为二极管正向导通电压，使得该直流电源保护电路的通态损耗更小。
本实用新型实施例不对该二极管21的类型进行限定，可选地，该二极管21的类型包括：肖特基二极管和快速恢复二极管。
图8为本实用新型实施例提供的又一种直流电源保护电路的结构示意图。参见图8，在上述各技术方案的基础上，该瞬态抑制二极管12为双向瞬态抑制二极管；该半导体放电管11为双向半导体放电管。其中，双向瞬态抑制二极管的伏安特性曲线参见图9，当双向瞬态抑制二极管两端的电极受到瞬态正向或反向高压冲击时，其能将两电极间的高阻抗变为低阻抗，吸收浪涌功率，使两电极间的电压钳位于钳位电压VC。双向半导体放电管的伏安特性曲线参见图10，当双向半导体放电管两端的电极受到正向或反向电压高于转折电压VS时，双向半导体放电管迅速进入导通状态，该导通压降VT很小，从而使得该技术方案实现图2中的伏安特性曲线。
图11为本实用新型实施例提供的又一种直流电源保护电路的结构示意图。参见图11，在上述各技术方案的基础上，该瞬态抑制二极管11为双向瞬态抑制二极管；该半导体放电管12为反向截止半导体放电管。其中，反向截止半导体放电管沿第一保护支路10的第一端到第一保护支路10的第二端的方向为特性方向。反向截止半导体放电管的伏安特性曲线参见图12，当反向截止半导体放电管两端的电极受到正向电压高于转折电压VS时，双向半导体放电管迅速进入导通状态，该导通压降VT很小。当反向截止半导体放电管两端的电极受到反向高压冲击时，该第一保护支路10处于截止状态，反向高压会通过第二保护支路20泄放；若第二保护支路20损坏导致该反向高压超过反向截止半导体放电管的反向截止电压VF4，反向截止半导体放电管因击穿而损坏。反向截止半导体放电管的单向通流能力更强，即通过相同的电流，其芯片面积更小，进一步减小了直流电源保护电路的芯片面积。
可选地，瞬态抑制二极管11还可以为单向瞬态抑制二极管；半导体放电管12为反向截止半导体放电管。其中，单向瞬态抑制二极管沿第一保护支路10的第一端到第一保护支路10的第二端的方向为钳位方向；反向截止半导体放电管沿第一保护支路10的第一端到第一保护支路10的第二端的方向为特性方向。
图13为本实用新型实施例提供的又一种直流电源保护电路的结构示意图。参见图13，在上述各技术方案的基础上，该直流电源保护电路还包括熔断器81，熔断器采用保险丝，当直流电源保护电路两端的电极受到反向高压冲击时，第一保护支路10导通，熔断器81受热熔断，切断该反向高压，从而保护直流电源不受损坏。
在上述各技术方案的基础上，第一直流线路80和第二直流线路90分别与受电设备的两个电源端口电连接。
本实用新型实施例提供了一种电子设备，图14为本实用新型实施例提供的一种电子设备的结构示意图，该电子设备包括本实用新型任意实施例提供的直流电源保护电路。例如该电子设备可以是汽车电子、通讯、新能源、安防、消费电子、工业电子、医疗电子等装置中的电脑、导航仪或摄像头等。本实用新型实施例提供的电子设备包括上述实施例中的直流电源保护电路，因此本实用新型实施例提供的电子设备也具备上述实施例中所描述的有益效果。
注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种直流电源保护电路，其特征在于，包括：
第一保护支路，包括串联的半导体放电管和瞬态抑制二极管，所述第一保护支路的第一端与第一直流线路电连接，所述第一保护支路的第二端与第二直流线路电连接；所述第一直流线路接入正极电压，所述第二直流线路接入负极电压；
所述第一直流线路和所述第二直流线路之间的正向电压大于第一预设电压时，所述瞬态抑制二极管和所述半导体放电管导通，所述第一预设电压为所述瞬态抑制二极管的钳位电压和所述半导体放电管的转折电压的叠加；所述第一直流线路和所述第二直流线路之间的反向电压大于第二预设电压时，所述瞬态抑制二极管和所述半导体放电管呈两个串联的正向二极管导通。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述瞬态抑制二极管为单向瞬态抑制二极管；所述半导体放电管为单向半导体放电管；
其中，所述单向瞬态抑制二极管沿所述第一保护支路的第一端到所述第一保护支路的第二端的方向为钳位方向；所述单向半导体放电管沿所述第一保护支路的第一端到所述第一保护支路的第二端的方向为特性方向。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括：
第二保护支路，所述第二保护支路串接有至少一个二极管；所述第二保护支路的第一端与所述第一直流线路电连接，所述第二保护支路的第二端与所述第二直流线路电连接；
所述第二保护支路用于在所述第一直流线路和所述第二直流线路之间的反向电压大于第三预设电压时，所述第二保护支路导通。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述瞬态抑制二极管为双向瞬态抑制二极管；所述半导体放电管为双向半导体放电管。
5.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述瞬态抑制二极管为双向瞬态抑制二极管；所述半导体放电管为反向截止半导体放电管；
其中，所述反向截止半导体放电管沿所述第一保护支路的第一端到所述第一保护支路的第二端的方向为特性方向。
6.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述瞬态抑制二极管为单向瞬态抑制二极管；所述半导体放电管为反向截止半导体放电管；
其中，所述单向瞬态抑制二极管沿所述第一保护支路的第一端到所述第一保护支路的第二端的方向为钳位方向；所述反向截止半导体放电管沿所述第一保护支路的第一端到所述第一保护支路的第二端的方向为特性方向。
7.根据权利要求3-6任一所述的电路，其特征在于，所述二极管的类型包括：肖特基二极管和快速恢复二极管。
8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一直流线路和所述第二直流线路分别与受电设备的两个电源端口电连接。
9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括熔断器，所述熔断器串联于所述第一直流线路或者所述第二直流线路。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备上使用权利要求1-9任一所述的直流电源保护电路。
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Cited By (1)
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| CN109950888A (zh) * | 2017-12-20 | 2019-06-28 | 东莞市阿甘半导体有限公司 | 一种直流电源保护电路及电子设备 |
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| CN109950888A (zh) * | 2017-12-20 | 2019-06-28 | 东莞市阿甘半导体有限公司 | 一种直流电源保护电路及电子设备 |
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