CN210404730U

CN210404730U - 一种用于板载供电端口的短路过载保护电路

Info

Publication number: CN210404730U
Application number: CN201921224908.5U
Authority: CN
Inventors: 张顺兵; 任飞坤
Original assignee: Xi'an Tonghairuineng Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Xi'an Tonghairuineng Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2020-04-24
Anticipated expiration: 2029-07-31

Abstract

本实用新型涉及保护电路，具体涉及一种用于板载供电端口的短路过载保护电路，解决现有板载供电端口短路或过载时，导致被供电设备产生故障的问题。该用于板载供电端口的短路过载保护电路包括MOS管单元、控制单元、反馈单元和保护单元；MOS管单元包括至少一个PMOS管；反馈单元的输入端分别与MOS管单元的源极、漏极连接，反馈单元的输出端与控制单元连接，其根据MOS管单元前后的电压，实现MOS管单元的开通和关断；MOS管单元的漏极通过保护单元与板载供电端口连接，保护单元用于EMC防护。

Description

一种用于板载供电端口的短路过载保护电路

技术领域

本实用新型涉及保护电路，具体涉及一种用于板载供电端口的短路过载保护电路。

背景技术

板载供电端口为常规硬件产品，用于向外部设备提供工作电源。如图1所示，动环监控主机FSU在监控机房动力与环境参数时，需使用多种不同类型的传感器(如门磁、烟感、红外、水浸、摄像头等)，此时需FSU提供DC12V或DC24V的供电接口，保证以上传感器能够正常工作。

但在实际应用中，会出现外部供电接口短路或过载的情况，造成内部DCDC电源保护，整个硬件系统处于不断上电断电的临界点，导致整个机房的监控数据离线，监控中心人员无法判断是监控主机本身故障还是机房电源故障。目前，通过以下几种方法解决该问题，一是使用专用的短路过载保护芯片，但此种方法具有以下问题：1)专用的短路过载保护芯片成本较高，一般电流越大成本越高；2)需外设专门的静电防护电路和浪涌防护电路：3)电流等级高的保护芯片不常用，需特制，成本较高。二是供电端口串联PTC(热敏电阻)；如图2所示，DCDC电源给硬件系统供电，同时也需给外部设备供电，外部供电需求较大时，外部瞬间短路，串联在电路中的PTC电阻不能及时动作，造成DCDC电源输出保护，硬件系统供电不正常，设备无法正常运行。此外，当外部供电到达1A以上时，瞬间短路，PTC动作时间远大于DCDC电源自保护启动的时间，不能起到保护作用。由此可知，以上两种方式均不能很好的解决板载供电端口短路或过载的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决现有板载供电端口短路或过载时，导致的被供电设备产生故障的问题，提供了一种用于板载供电端口的短路过载保护电路，当外部供电接口发生短路时，该电路保证硬件系统正常工作。

为实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种用于板载供电端口的短路过载保护电路，包括MOS管单元、控制单元、反馈单元和保护单元；所述MOS管单元包括至少一个PMOS管；所述反馈单元的输入端分别与MOS管单元的源极、漏极连接，所述反馈单元的输出端与控制单元连接，其根据MOS管单元前后的电压，实现MOS管单元的开通和关断；所述MOS管单元的漏极通过保护单元与板载供电端口连接，所述保护单元用于EMC防护(包含浪涌、静电、脉冲群等)。

进一步地，所述反馈单元包括电阻R2、电阻R4和电阻R6；所述电阻R2的一端与MOS管单元的源极连接；所述电阻R4的一端与MOS管单元的漏极连接；所述电阻R6的一端接地；所述电阻R2的另一端与电阻R4的另一端、电阻R6的另一端连接，且通过控制单元与MOS管单元的栅极连接。

进一步地，所述控制单元包括三极管Q3、电阻R1和电阻R3；所述三极管Q3的基极与反馈单元连接，所述三极管Q3的发射极接地，所述三极管Q3的集电极通过电阻R3与MOS管单元的栅极连接，所述电阻R1的一端与MOS管单元的源极连接，另一端与MOS管单元的栅极连接。

进一步地，所述控制单元还包括电阻R5，所述电阻R5的一端与电阻R2的另一端的连接，其另一端与三极管Q3的基极连接。

进一步地，所述控制单元还包括电容C1，所述电容C1的一端与MOS管单元的源极连接，另一端与MOS管单元的栅极连接。

进一步地，所述三极管Q3为NPN三极管。

进一步地，所述保护单元包括电容C3、二极管D1、热敏电阻RT1和蛇形线；所述电容C3的一端与MOS管单元的漏极连接，另一端接地；所述二极管D1的负极与MOS管单元的漏极连接，其正极接地；所述热敏电阻RT1的一端与MOS管单元的漏极连接，另一端与蛇形线的一端连接，所述蛇形线的另一端与板载供电端口连接。

进一步地，所述保护单元还包括气体放电管G1，所述气体放电管G1的一端与蛇形线的另一端连接，所述气体放电管G1的另一端接地。

进一步地，还包括电容C2，所述电容C2的一端与MOS管单元的漏极连接，另一端接地。

进一步地，所述MOS管单元包括并联的PMOS管Q1、PMOS管Q2。

本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型提供一种简单的短路过载保护电路，保证供电端口发生短路或过载故障时，保护电路动作保证内部电源正常工作，监控中心可以通过离线的传感器判断出大致的故障方向，快速派单解决故障。

2.本实用新型将EMC防护电路与过流保护电路融为一体，保证功能和性能的同时降低成本。

3.本实用新型的短路保护电路简单可靠，成本低、带负载能力可调，使用范围广泛。

4.本实用新型电路的电路元件使用灵活，可以根据使用场合更改保护电路元件，对于浪涌等级低的场合可以去掉G1气体放电管，D1型号也可以根据静电等级选择成本较低的。

附图说明

图1为现有板载供电接口应用示意图；

图2为现有供电端口串联PTC的硬件产品原理示意图；

图3为本实用新型用于板载供电端口的短路过载保护电路原理图；

图4为本实用新型用于板载供电端口的短路过载保护电路的电路图；

图5为本实用新型空载时反馈单元等效电路图；

图6为本实用新型负载启动时反馈单元等效电路图；

图7为本实用新型短路时反馈单元等效电路图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型的内容作进一步详细描述。

本实用新型提供的用于板载供电端口的短路过载保护电路使用分立元件实现短路过载保护电路，方法简单实用，应用范围广泛，成本低廉，同时该保护电路考虑周全，可适用不同等级的防护需求。

如图3所示，本实用新型用于板载供电端口的短路过载保护电路主要包含MOS管单元、控制单元、反馈单元、保护单元4个模块。该电路通过反馈单元处理MOS管单元前后的传输线电压情况以及接口负载的情况实现MOS管的开通和关断。也就是说，反馈单元均与MOS管单元的前传输线、后传输线连接，其根据MOS管单元前后的电压，通过控制单元实现MOS管单元的开通和关断；MOS管单元的后传输线通过保护单元与板载供电端口连接，保护单元用于防浪涌冲击。MOS管单元包括一个PMOS管或多个并联的PMOS管，并联数量根据需求设置。

如图4所示，本实用新型实施例提供的用于板载供电端口的短路过载保护电路包括MOS管单元、控制单元、反馈单元、保护单元和电容C2；MOS管单元是两个同型号的PMOS管Q1、PMOS管Q2并联组成(电流较小时Q1NC)；反馈单元包括电阻R2、电阻R4和电阻R6，电阻R2、电阻R4、电阻R6为精密电阻；电阻R2的一端与PMOS管Q1、PMOS管Q2的源极连接；电阻R4的一端与PMOS管Q1、PMOS管Q2的漏极连接；电阻R6的一端接地；电阻R2的另一端与电阻R4的另一端、电阻R6的另一端连接，且通过控制单元与PMOS管Q1、PMOS管Q2的栅极连接。

保护单元包括电容C3、二极管D1、热敏电阻RT1、蛇形线和气体放电管G1；电容C3的一端与PMOS管Q1、PMOS管Q2的漏极连接，另一端接地；二极管D1的负极与PMOS管Q1、PMOS管Q2的漏极连接，其正极接地；热敏电阻RT1的一端与PMOS管Q1、PMOS管Q2的漏极连接，另一端与蛇形线的一端连接，蛇形线的另一端与板载供电端口连接；气体放电管G1的一端与蛇形线的另一端连接，气体放电管G1的另一端接地。

控制单元包括电容C1、电阻R1、电阻R3、电阻R5和三极管Q3；电阻R5的一端与电阻R2的另一端的连接，另一端与三极管Q3的基极连接；三极管Q3的发射极接地，集电极通过电阻R3与PMOS管Q1、PMOS管Q2的栅极连接；电容C1和电阻R1并联，其并联后的一端与PMOS管Q1、PMOS管Q2的源极连接，其并联后的另一端与PMOS管Q1、PMOS管Q2的栅极连接。

电阻R5连接反馈单元与三极管Q3的基极，其主要作用为限流。在实际调试过程中，R4的阻值会在百欧姆级别，若不设置R5，三极管Q3的基极会通过R4直接连接到12V，此时NPN三极管Q3会出现一个基极到发射极的漏电流Ibe，造成额外功率损耗。

电容C1与电阻R1并联，连接在PMOS管的源极和栅极，其主要作用是缓启动MOS管。缓启动原理：上电瞬间，电容C1充电，PMOS管栅极电压随着电容C1充电缓慢减小；电容C1充满，PMOS管栅极电压就是R1和R3的分压。在实际测试过程中C1非常重要，电容C1的设置会减小PMOS管上电瞬间的过冲电压，短路故障排除，重新启动时没有电容C1会出现PMOS管烧毁情况。

电容C2的一端与PMOS管Q1、PMOS管Q2的漏极连接，另一端接地。电容C2连接在PMOS管的漏极与地之间，其主要作用是滤波，根据实际测试纹波情况，选择C2的参数，C2不能过大，否则会影响短路保护启动时间。

在图4中，VCC12V是硬件主板上的经过AC-DC模块输出的DC12V/5A的电源，作为硬件主板主电源使用，VCC12V给外部传感器供电的，同时给硬件主板使用。VCC12VO是主板对外提供的12V电源的接口，VCC12FB是反馈单元采集MOS管输出端PCB传输线的电压。

本实用新型的电路工作原理过程描述如下：

1)电压输出：主板DCDC电源电压经过PCB传输线给反馈单元一个电压信号，驱动控制单元打开MOS管，使主板电源电压经过PCB传输线和保护电路到达接口。

2)短路保护：当接口发生短路时，接口的零电位经PCB传输线到达反馈单元，驱动控制单元关闭MOS，阻止主板电压输出。

3)冷启动过载保护：当硬件上电启动，负载过重时，反馈单元采集到MOS管前后的传输线电压以及接口负载的情况，产生的启动信号不足以驱动控制单元，MOS管无法打开，保证硬件系统电源正常。

4)故障排除后自动恢复供电：当外部短路故障排除后，反馈单元通过比较MOS管前后的传输线电压情况和负载情况，驱动控制单元开通或保持关闭MOS管。

5)正常工作过流保护：正常工作时，外部故障电流过流时，保护单元启动保护。

本实用新型的电路的电流工作原理详细说明如下：

如图4所示，定义三极管Q3开关状态下的基极临界电压为Ub，反馈单元与控制单元连接点的电压为U，RL为负载。

当电压U大于电压Ub时，三极管Q3导通，R1和R3分压使PMOS管Q1和PMOS管Q2的栅极电压为低电平，PMOS导通，控制VCC12V电压输出。当电压U小于电压Ub时，三极管Q3截止，R1和R3分压使PMOS管Q1和PMOS管Q2的栅极电压为高电平，PMOS截止，控制VCC12V电压关闭。

空载启动和运行时：反馈单元等效电路如图5所示，根据空载反馈单元等效电路图可得：U＝VCC12V/(R2+R6)×R6；空载时，反馈单元通过R2和R6的分压确定电压U，调节R2和R6的阻值，使得U>Ub，可保证空载时电路正常运行。

负载启动时，反馈单元等效电路如图6所示，根据空载反馈单元等效电路图可得：U＝VCC12V/(R2+R6//(R4+RL))×R6//(R4+RL)；负载启动时，反馈单元通过R2、R4、R6和RL的分压确定电压U，通过调节R2、R4、R6和RL的阻值，使得U>Ub，可保证空载时电路正常运行。可以通过调节R4来调节负载容量，负载容量确定后调节RT1的PTC来调节过流保护。

短路时，反馈单元等效电路如图7所示，根据空载反馈单元等效电路图可得：U＝VCC12V/(R2+R6//R4)×R6//R4；短路时，反馈单元通过R2、R4和R6的分压确定电压U，调节R2、R4和R6的阻值，使得U>Ub，可保证空载时电路正常运行。

正常工作过程中过载时，PTC动作，限制输出电流，实现过流保护。PTC反应慢一般都在毫秒级以上，通流量大的PTC反应更慢，所有对于瞬间短路PTC基本来不及动作。

本实用新型的EMC防护由G1、蛇形线、RT1、D1来完成。例如，发生浪涌冲击时，蛇形线起到电感作用，使得瞬间大电流不能快速到达RT1，G1气体放电管导通，泄放大量浪涌电流到地；残留的电压和电流经过RT1的PTC有少量衰减；再到D1使TVS管快速导通，TVS管导通钳位电压并泄放电流，保护后端元件不受损坏。

Claims

1.一种用于板载供电端口的短路过载保护电路，其特征在于：包括MOS管单元、控制单元、反馈单元和保护单元；所述MOS管单元包括至少一个PMOS管；

所述反馈单元的输入端分别与MOS管单元的源极、漏极连接，所述反馈单元的输出端与控制单元连接，其根据MOS管单元前后的电压，实现MOS管单元的开通和关断；

所述MOS管单元的漏极通过保护单元与板载供电端口连接，所述保护单元用于EMC防护。

2.根据权利要求1所述的用于板载供电端口的短路过载保护电路，其特征在于：所述反馈单元包括电阻R2、电阻R4和电阻R6；所述电阻R2的一端与MOS管单元的源极连接；所述电阻R4的一端与MOS管单元的漏极连接；所述电阻R6的一端接地；所述电阻R2的另一端与电阻R4的另一端、电阻R6的另一端连接，且通过控制单元与MOS管单元的栅极连接。

3.根据权利要求2所述的用于板载供电端口的短路过载保护电路，其特征在于：所述控制单元包括三极管Q3、电阻R1和电阻R3；所述三极管Q3的基极与反馈单元连接，所述三极管Q3的发射极接地，所述三极管Q3的集电极通过电阻R3与MOS管单元的栅极连接，所述电阻R1的一端与MOS管单元的源极连接，另一端与MOS管单元的栅极连接。

4.根据权利要求2所述的用于板载供电端口的短路过载保护电路，其特征在于：所述控制单元还包括电阻R5，所述电阻R5的一端与电阻R2的另一端连接，其另一端与三极管Q3的基极连接。

5.根据权利要求4所述的用于板载供电端口的短路过载保护电路，其特征在于：所述控制单元还包括电容C1，所述电容C1的一端与MOS管单元的源极连接，另一端与MOS管单元的栅极连接。

6.根据权利要求5所述的用于板载供电端口的短路过载保护电路，其特征在于：所述三极管Q3为NPN三极管。

7.根据权利要求1至6任一所述的用于板载供电端口的短路过载保护电路，其特征在于：所述保护单元包括电容C3、二极管D1、热敏电阻RT1和蛇形线；所述电容C3的一端与MOS管单元的漏极连接，另一端接地；所述二极管D1的负极与MOS管单元的漏极连接，其正极接地；所述热敏电阻RT1的一端与MOS管单元的漏极连接，另一端与蛇形线的一端连接，所述蛇形线的另一端与板载供电端口连接。

8.根据权利要求7所述的用于板载供电端口的短路过载保护电路，其特征在于：所述保护单元还包括气体放电管G1，所述气体放电管G1的一端与蛇形线的另一端连接，所述气体放电管G1的另一端接地。

9.根据权利要求8所述的用于板载供电端口的短路过载保护电路，其特征在于：还包括电容C2，所述电容C2的一端与MOS管单元的漏极连接，另一端接地。

10.根据权利要求9所述的用于板载供电端口的短路过载保护电路，其特征在于：所述MOS管单元包括并联的PMOS管Q1、PMOS管Q2。