CN209250236U - 浪涌保护电路、电路系统及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种浪涌保护电路、电路系统及电子设备，包括第一检测单元、第二检测单元、浪涌泄流单元；第一检测单元分别与第二检测单元和浪涌泄流单元相连；第一检测单元用于接收输入电压和控制电压，当输入电压超过钳位电压时，输出第一导通电压和第一导通电流，当控制电压大于控制电压阈值时，增大第一导通电压和第一导通电流；第二检测单元用于接收输入电压和第一导通电流，第二检测单元依据输入电压和第一导通电流，得到与第一导通电流有比值的检测电流，并依据检测电流输出与检测电流相对应的控制电压；浪涌泄流单元用于接收输入电压和第一导通电压，浪涌泄流单元依据输入电压和第一导通电压对输入电压进行泄流，输出泄流电流。

Description

浪涌保护电路、电路系统及电子设备

技术领域

本实用新型涉及集成电路技术领域，具体涉及一种浪涌保护电路、电路系统及电子设备。

背景技术

浪涌电压是超出正常电压的瞬间过电压，一般指电网中出现的短时间像“浪”一样的高电压引起的大电流。浪涌电压的产生原因主要有雷击、电网上的大型负荷接通或断开等。浪涌电压可能会造成计算机及各种硬件设备的损坏、电源设备的损坏、电子设备运行不稳定及老化加速。

为了保证各种硬件设备、电子设备安全可靠运行，延长其使用寿命，需要在各种硬件设备、电子设备的端口增设浪涌保护装置，对浪涌电压及时进行泄放，避免各种硬件设备、电子设备遭受浪涌电压的破坏，以保证各种硬件设备、电子设备的安全可靠运行。

现有技术中，应用于集成芯片中的浪涌保护电路通常通过一个浪涌管作为浪涌电压的泄放通道，使得在电路输入端口上的浪涌电压超出预设值时，浪涌管导通，对浪涌电压进行泄放，以实现对电路的保护。所述浪涌管通常为N型金属氧化物半导体(Negativechannel-Metal-Oxide-Semiconductor， NMOS)，但在现有技术的浪涌保护电路中，NMOS管承受的最大功率较大，使得NMOS管容易烧断。

实用新型内容

基于上述现有技术的不足，本实用新型提出了一种浪涌保护电路、电路系统及电子设备，以实现降低浪涌电路中承受的最大功率。

为实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：

本实用新型第一方面公开了一种浪涌保护电路，包括：

第一检测单元、第二检测单元、浪涌泄流单元；其中，所述第一检测单元分别与所述第二检测单元和所述浪涌泄流单元相连；

所述第一检测单元，用于接收输入电压和控制电压，当所述输入电压超过钳位电压时，所述第一检测单元输出第一导通电压和第一导通电流；当所述控制电压大于控制电压阈值时，所述第一检测单元增大所述第一导通电压和第一导通电流；

所述第二检测单元，用于接收所述输入电压和所述第一检测单元的第一导通电流，所述第二检测单元依据所述输入电压和第一导通电流，得到与所述第一导通电流有比值的检测电流，并依据所述检测电流输出与所述检测电流相对应的所述控制电压；

所述浪涌泄流单元，用于接收所述输入电压和所述第一检测单元输出的第一导通电压，所述浪涌泄流单元依据所述输入电压和第一导通电压对所述输入电压进行泄流，输出泄流电流。

可选地，在上述浪涌保护电路中，所述第一检测单元，包括：

稳压电路、第三开关管以及第二电阻；

所述稳压电路的输入端接收所述输入电压，所述稳压电路的输出端通过所述第二电阻接地，所述稳压电路包括至少两个串联的第一稳压二极管，用于产生所述钳位电压，所述稳压电路中的第一稳压二极管均反接于所述稳压电路中；

所述第二电阻远离地的一端用于输出所述第一导通电压，所述第二电阻接地的一端用于输出所述第一导通电流；

所述第三开关管的第一端和第二端并联所述稳压电路中至少一个第一稳压二极管，所述第三开关管的控制端接收所述控制电压。

可选地，在上述浪涌保护电路中，所述第一检测单元还包括：第二稳压二极管，所述第二稳压二极管的正极连接所述第二开关管的控制端，所述第二稳压二极管的负极连接所述第二开关管的第一端。

可选地，在上述浪涌保护电路中，所述浪涌泄流单元，包括：

第四开关管，所述第四开关管的第二端接收所述输入电压，所述第四开关管的控制端用于接收所述第一导通电压，所述第四开关管的第一端接地。

可选地，在上述浪涌保护电路中，所述开关管，包括：晶体管。

本实用新型第二方面公开了一种电路系统，包括：

工作电路，所述工作电路的输入端口用于接收输入电压，所述工作电路用于在输入电压处于正常电压值时进行工作；

如上述任意一项所述的浪涌保护电路，所述浪涌保护电路接收所述输入电压，用于使所述工作电路的输入电压保持在正常电压值。

本实用新型第三方面公开了一种电子设备，包括：

如上述任意一项所述的浪涌保护电路。

从上述的技术方案可以看出，本实用新型提供的浪涌保护电路中，当输入电压超过钳位电压时，第一检测单元产生第一导通电压和第一导通电流，使得接收了第一导通电压的浪涌泄流单元对输入电压进行泄流，输出泄流电流；而第二检测单元接收到第一导通电流时，会输出与第一导通电流成比值关系的检测电流，第二检测单元依据检测电流输出相对应的控制电压；第一检测单元接收到控制电压后，当控制电压高于控制电压阈值时，会使得输出的第一导通电压增大，令浪涌保护单元的泄流能力增强，钳位电压降低，输入电压最大值降低，进一步降低了浪涌保护电路承受的最大功率，且最大输入电压持续时间变短，使浪涌保护电路更加安全。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有的浪涌保护电路的电路图；

图2为现有的浪涌保护电路的仿真结果图；

图3为本申请实施例公开的一种浪涌保护电路的结构图；

图4为本申请实施例公开的一种浪涌保护电路的电路图；

图5为本申请实施例公开的一种浪涌保护电路的仿真结果图；

图6为本申请实施例公开的一种电路系统的结构图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

目前，现有的应用于集成电路的浪涌保护电路，如图1所示，包括稳压电路101、第一电阻R1以及第一开关管M1。稳压电路的输入端接收输入电压VIN，稳压电路101的输出端通过第一电阻R1接地。第一开关管M1的第二端接收输入电压VIN，第一开关管M1的第二端接地，第一开关管M1的控制端连接稳压电路101的输出端。其中，稳压电路101包括多个第一稳压二极管Z1，多个第一稳压二极管Z1反接于电路中。第一开关管M1可以为NMOS管，第一开关管 M1的第一端为源极，控制端为栅极，第二端为漏极。

当输入电压VIN超过钳位电压时，即出现浪涌电压时，稳压电路101导通，输出第一导通电压V1。第一开关管M1的控制端接收了第一导通电压V1，当第一导通电压V1超过第一开关管M1的开启电压时，第一开关管M1导通，对输入电压VIN进行泄流。

参阅图2，本申请实施例提供了图1的仿真结果。当浪涌电压为100V时，泄流电流IIN的最大值为29.851A，对应的输入电压VIN为38.296V。因此，根据功率计算公式：P＝UI，得到浪涌保护电路中开关管承受的最大瞬态功率为 P_max＝29.851×38.296＝1143.17W。虽然现有的浪涌保护电路可以将浪涌电压降低为钳位电压，但开关管承受的功率非常大，容易烧坏开关管，因此现有的浪涌保护电路并不安全。

针对上述问题，本申请实施例提出了一种浪涌保护电路，以实现降低浪涌保护电路中承受的最大功率。

参阅图3，本申请实施例公开了一种浪涌保护电路，包括：

第一检测单元301、第二检测单元302、浪涌泄流单元303。其中，所述第一检测单元301分别与所述第二检测单元302和所述浪涌泄流单元303相连。

第一检测单元301，用于接收输入电压和控制电压，当输入电压超过钳位电压时，第一检测单元301输出第一导通电压和第一导通电流。当控制电压大于控制电压阈值时，第一检测单元301降低钳位电压，增大第一导通电压和第一导通电流。钳位电压可根据实际需求人为进行设定。

可选地，参见图4，在本申请的另一实施例中，第一检测单元401的一种实施方式，包括：

稳压电路404、第三开关管M3以及第二电阻R2。

稳压电路404的输入端接收输入电压VIN，稳压电路404的输出端通过第二电阻R2接地GND，稳压电路404包括至少两个串联的第一稳压二极管Z1，用于产生钳位电压。稳压电路404中的第一稳压二极管Z1均反接于稳压电路404 中。

需要说明的是，第一稳压二极管Z1导通后两端产生反向击穿电压，n个第一稳压二极管Z1串联在稳压电路404中，导通后产生n倍的反向击穿电压。n个第一稳压二极管Z1产生钳位电压，钳位电压可通过串联第一稳压二极管Z1的个数进行调节。

第二电阻R2远离地的一端用于输出第一导通电压V1，第二电阻R2接地的一端用于输出第一导通电流Ib。

第三开关管M3的第一端和第二端并联稳压电路404中至少一个第一稳压二极管Z1。第三开关管M3并联的第一稳压二极管Z1的个数须小于稳压电路404中的第一稳压二极管Z1的总数。第三开关管M3的控制端接收控制电压V2。

其中，第三开关管M3可以为PMOS管，第三开关管M3的第一端为源极，第三开关管M3的控制端为栅极，第三开关管M3的第二端为漏极。

需要说明的是，第三开关管M3并联的第一稳压二极管Z1的个数可根据实际需求而定，且第三开关管M3可并联稳压电路404中的任意多个第一稳压二极管Z1，第三开关管M3并联的第一稳压二极管Z1所在稳压电路404中的位置并不影响本申请实施例的实现。

当输入电压VIN大于钳位电压时，即判断有浪涌电压出现，此时多个第一稳压二极管Z1导通，第二电阻R2有电流流过，因此第二电阻R2远离地的一端输出第一导通电压V1，第二电阻R2接地GND的一端输出第一导通电流Ib。若第一稳压二极管Z1导通时两端电压为反向击穿电压V_BR，且稳压电路404中的第一稳压二极管Z1有N个，则第一导通电压V1＝VIN-N×V_BR。当第一检测单元 401中的第三开关管M3的控制端接收到控制电压V2时，控制电压V2超过控制电压阈值时，第三开关管M3导通，第三开关管M3所并联的第一稳压二极管Z1 被短接。若第三开关管M3并联的第一稳压二极管Z1有n个，则第一导通电压V1的值为V1＝VIN-(N-n)×V_BR，因此钳位电压减低为(N-n)×V_BR，第一导通电压V1增大，相应的，通过第一电阻R1产生的第一导通电流Ib也增大。

可选地，第一检测单元401，还可以包括：第二稳压二极管Z2。第二稳压二极管Z2的正极连接第三开关管M3的控制端，第二稳压二极管Z2的负极连接第三开关管M3的第一端。第二稳压二极管Z2用于保护第三开关管M3，第三开关管M3第一端和控制端之间的电压超过第二稳压二极管Z2的反向击穿电压时，两端的电压被钳位于第二稳压二极管Z2的反向击穿电压，因此不会损坏第三开关管M3。

第二检测单元302，用于接收输入电压和第一检测单元301输出的第一导通电流，第二检测单元302依据所述输入电压和第一导通电流，得到与所述第一导通电流有比值的检测电流，并依据所述检测电流输出与所述检测电流相对应的所述控制电压；

可选地，参阅图4，在本申请的另一实施例中，第二检测单元402可以包括：第一开关管M1和第二开关管M2以及第一电阻R1。第一开关管M1的控制端分别与其第二端和第二开关管M2的控制端相连，第一开关管M1的第一端接地GND，第一开关管M1的第二端用于接收第一导通电流Ib；第二开关管M2 的第二端与第一电阻R1相连，第一端接地GND；第一电阻R1的另一端接收输入电压VIN；其中，第一开关管M1和第二开关管M2在第一导通电流Ib的作用下导通后，第二开关管M2的连接支路得到检测电流Isns，检测电流Isns流过第一电阻R1，第一电阻R1远离输入电压VIN的一端输出控制电压V2。其中，第一开关管M1和第二开关管M2可以为NMOS管，它们的第一端为源极，第二端为漏极，控制端为栅极。

需要说明的是，检测电流Isns与第一导通电流Ib具有比值关系。而检测电流Isns与第一导通电流Ib的比值为：第二检测单元402中的第一开关管M1与第二开关管M2的宽长比的比值。

可选地，参见图4，第一导通电流Ib可以人为的设置一个第一导通电流预设值Ib_th，当第一导通电流Ib超过第一导通电流预设值Ib_th时，依据检测电流产生的控制电压超过了控制电压阈值。其中，检测电流Isns和第一导通电流Isns 具有比值关系。此时第二检测单元402中的第一开关管M1和第二开关管M2导通，第一检测单元401中第三开关管M3并联的第一稳压二极管Z1均被短接，第一导通电压V1增大。其中，所述第一导通电流Ib与检测电流Isns的比值为第二检测单元402中的第一开关管M1的宽长比与第二开关管M2的宽长比的比值。

当控制电压V2达到控制电压阈值时，第一检测单元401中的第三开关管 M3的栅源电压差达到了开启电压V_th-M3。当第一开关管M1的宽长比与第二开关管M2的宽长比的比值为k：1时，检测电流Isns与第一导通电流Ib的比值为1： K。因此，可推导出第一导通电流预设值Ib_th与第一电阻R1、第三开关管的开启电压V_th-M3以及比值K的等式关系为：因此可看出第一导通电流预设值Ib_th与第一电阻R1以及比值k有关，可以通过调整比值k以及第一电阻 R1的阻值来设定第一导通电流设定值Ib_th，当第一导通电流设定值Ib_th达到所设定的值时，控制电压也达到了控制电压阈值，即第三开关管M3的栅源电压达到开启电压V_th-M3。

可选地，在本申请的另一实施例中，浪涌保护电路中的开关管可以是晶体管，也可以是其他具有晶体管功能的其他类型的开关管。

本实用新型提供的浪涌保护电路中，当输入电压超过钳位电压时，第一检测单元301产生第一导通电压和第一导通电流，使得接收了第一导通电压的浪涌泄流单元303对输入电压进行泄流，输出泄流电流；而第二检测单元302 接收到第一导通电流时，会输出与第一导通电流成比值关系的检测电流，第二检测单元302依据检测电流输出相对应的控制电压；第一检测单元301接收到控制电压后，当控制电压高于控制电压阈值时，会使得输出的第一导通电压增大，令浪涌泄流单元302的泄流能力增强，钳位电压降低，输入电压最大值降低，进一步降低了浪涌保护电路承受的最大功率，且最大输入电压持续时间变短，使浪涌保护电路更加安全。

参阅图5，当浪涌电压为100V时，最大泄流电流IIN为32.669A，此时输入电压VIN为32.883V。根据功率计算公式P＝UI，最大瞬态功率 P_max＝32.883×32.669＝1074.25W。对比图2中的最大瞬态功率1143.17W，可看出浪涌保护电路承受的最大瞬态功率下降。对比图2中的第一导通电压为3.4375V，和图5中的第一导通电压为3.7019V，可看出本申请实施例相较现有技术中的浪涌保护电路，第一导通电压有所增加，浪涌泄流单元的泄流能力增强。而且，对比图2中的最大输入电压38.296V和图5中的最大输入电压36.245V，可知图5中的最大输入电压较图2中的最大输入电压降低了约2V，图5中最大输入电压持续的时间也大大短于图2中的最大输入电压持续时间，最大输入电压的降低和最大输入电压持续时间的缩短，使整个电路承受的电压变低和承受高压的时间变短，让电路运行变得更加安全可靠。

参阅图6，本申请实施例公开了一种电路系统，包括：工作电路601和浪涌保护电路602。

工作电路601的输入端口用于接收输入电压VIN，工作电路601用于在输入电压处于正常电压值时进行工作。工作电路601进行的工作可以是为用电设备供电，也可以是运行程序等，所述工作电路601的工作内容不影响本申请实施例的实现。

浪涌保护电路602接收输入电压VIN，用于使工作电路601的输入电压VIN 保持在正常电压值。其中，浪涌保护电路602的具体实现过程与实现原理和上述实施例示出的浪涌保护电路一致，可参见，这里不再赘述。

本申请实施例公开了一种电子设备，包括浪涌保护电路。其中，所述浪涌保护电路的具体实现过程与实现原理和上述实施例示出的浪涌保护电路一致，可参见，这里不再赘述。在具体实施中，所述电子设备可以包括但不限于手机、平板电脑、其他通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)接口设备等。

专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (8)

1.一种浪涌保护电路，其特征在于，包括：

第一检测单元、第二检测单元、浪涌泄流单元；其中，所述第一检测单元分别与所述第二检测单元和所述浪涌泄流单元相连；

所述第一检测单元，用于接收输入电压和控制电压，当所述输入电压超过钳位电压时，所述第一检测单元输出第一导通电压和第一导通电流；当所述控制电压大于控制电压阈值时，所述第一检测单元增大所述第一导通电压和第一导通电流；

所述第二检测单元，用于接收所述输入电压和所述第一检测单元的第一导通电流，所述第二检测单元依据所述输入电压和第一导通电流，得到与所述第一导通电流有比值的检测电流，并依据所述检测电流输出与所述检测电流相对应的所述控制电压；

所述浪涌泄流单元，用于接收所述输入电压和所述第一检测单元输出的第一导通电压，所述浪涌泄流单元依据所述输入电压和第一导通电压对所述输入电压进行泄流，输出泄流电流。

2.根据权利要求1所述的浪涌保护电路，其特征在于，所述第二检测单元包括：第一开关管和第二开关管以及第一电阻；

所述第一开关管的控制端分别与其第二端和所述第二开关管的控制端相连，所述第一开关管的第一端接地，所述第一开关管的第二端用于接收所述第一导通电流；所述第二开关管的第二端与所述第一电阻相连，第一端接地；所述第一电阻的另一端接收所述输入电压；其中，所述第一开关管和第二开关管在第一导通电流的作用下导通后，所述第二开关管的连接支路得到所述检测电流，并输出所述控制电压。

3.根据权利要求1所述的浪涌保护电路，其特征在于，所述第一检测单元包括：稳压电路、第三开关管以及第二电阻；

所述稳压电路的输入端接收所述输入电压，所述稳压电路的输出端通过所述第二电阻接地，所述稳压电路包括至少两个串联的第一稳压二极管，用于产生所述钳位电压，所述稳压电路中的第一稳压二极管均反接于所述稳压电路中；

所述第二电阻远离地的一端用于输出所述第一导通电压，所述第二电阻接地的一端用于输出所述第一导通电流；

所述第三开关管的第一端和第二端并联所述稳压电路中至少一个第一稳压二极管，所述第三开关管的控制端接收所述控制电压。

4.根据权利要求3所述的浪涌保护电路，其特征在于，所述第一检测单元还包括：第二稳压二极管，所述第二稳压二极管的正极连接所述第三开关管的控制端，所述第二稳压二极管的负极连接所述第三开关管的第一端。

5.根据权利要求1所述的浪涌保护电路，其特征在于，所述浪涌泄流单元包括：

第四开关管，所述第四开关管的第二端接收所述输入电压，所述第四开关管的控制端用于接收所述第一导通电压，所述第四开关管的第一端接地。

6.根据权利要求2至5中任意一项所述的浪涌保护电路，其特征在于，所述开关管，包括：晶体管。

7.一种电路系统，其特征在于，包括：

工作电路，所述工作电路的输入端口用于接收输入电压，所述工作电路用于在输入电压处于正常电压值时进行工作；

如权利要求1至6中任意一项所述的浪涌保护电路，所述浪涌保护电路接收所述输入电压，用于使所述工作电路的输入电压保持在正常电压值。

8.一种电子设备，其特征在于，包括：

权利要求1至6任意一项所述的浪涌保护电路。