CN210806715U

CN210806715U - 基于运放和三极管的短路保护电路

Info

Publication number: CN210806715U
Application number: CN201921167833.1U
Authority: CN
Inventors: 刘留; 朱雄伟
Original assignee: Jiangsu Ganfeng Power Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Ganfeng Power Technology Co ltd
Priority date: 2019-07-24
Filing date: 2019-07-24
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2029-07-24

Abstract

本实用新型揭示了一种基于运放和三极管的短路保护电路，所述短路保护电路包括：采样单元，包括电流采样电阻Rs及运算放大器，用于实现电流采样并以输出电压V_IOUT；比较单元，包括比较器U1，比较器用于对电压V_IOUT与预设电压Vin+进行比较，并输出信号V_scs；信号锁存单元，包括反相缓冲器U22、缓冲器U23、及位于反相缓冲器U22和缓冲器U23之间的若干三极管，三极管包括第一三极管Q1、第二三极管Q2及第三三极管Q3，信号V_scs经反相缓冲器U22反向后，经过三极管输出信号V_cur，信号V_cur经缓冲器U23缓冲输出。本实用新型的短路保护电路包括采样单元、比较单元及信号锁存单元，可以实现大电流保护，短路响应迅速，保护更加安全。

Description

基于运放和三极管的短路保护电路

技术领域

本实用新型属于电池管理技术领域，具体涉及一种基于运放和三极管的短路保护电路。

背景技术

随着新能源技术的不断发展，各种电池产品的生产制造技术也日趋成熟，例如，锂离子电池、锂聚合物电池等。电池产品一般运用于各种电子设备，为了保证电池和电子设备在短路时免受损伤，电池产品中通常设有短路保护电路。

现有技术中的短路保护主要通过微处理器测量电流采样电阻两端电压，再进行判断是否短路，从而实现短路保护。此方案保护动作由微处理器计算大量数据后判断执行保护动作，具有很长时间滞后，在大电流系统中根本来不及保护。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于运放和三极管的短路保护电路。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于运放和三极管的短路保护电路，以实现短路检测和保护信号锁存。

为了实现上述目的，本实用新型一实施例提供的技术方案如下：

一种基于运放和三极管的短路保护电路，其特征在于，所述短路保护电路包括：

采样单元，包括电流采样电阻Rs及运算放大器，用于实现电流采样并以输出电压V_IOUT；

比较单元，包括比较器U1，比较器用于对电压V_IOUT与预设电压Vin+进行比较，并输出信号V_scs；

信号锁存单元，包括反相缓冲器U22、缓冲器U23、及位于反相缓冲器U22和缓冲器U23之间的若干三极管，三极管包括第一三极管Q1、第二三极管Q2及第三三极管Q3，信号V_scs经反相缓冲器U22反向后，经过三极管输出信号V_cur，信号V_cur经缓冲器U23缓冲输出。

一实施例中，所述电流采样电阻Rs的一端连接有第一电阻R1和第二电阻R2，并与电压VREF相连，另一端连接有第三电阻R3和第四电阻R4，运算放大器的正负极分别连接于第一电阻R1和第二电阻R2之间、及第三电阻R3和第四电阻R4之间。

一实施例中，所述输出电压V_IOUT为：

V_IOUT＝R1*(R3+R4)*VREF/[R3*(R1+R2)]+[R2*(R3+34)*V1-R4(R1+R2)*V2]/R3*(R1+R2)。

一实施例中，所述采样单元中，R1＝R3，R2＝R4，且R2＝k*R1，所述输出电压V_IOUT为：

V_IOUT＝VREF+k*I*Rs。

一实施例中，所述比较器U1前端设有低通滤波单元，低通滤波单元包括与电压V_IOUT串联设置的第五电阻R5及与电压V_IOUT并联设置的第一电容C1。

一实施例中，所述比较器U1用于：

当电压V_IOUT>Vin+时，比较器U1输出信号V_scs为低电平，此时发生短路；

当电压V_IOUT≤Vin+时，比较器U1输出信号V_scs为高电平，此时未发生短路。

一实施例中，所述比较单元还包括：

第六电阻R6，并联于比较器U1的VCC引脚和OUT引脚之间；

第七电阻R7和第八电阻R8，并联于比较器U1的VCC引脚和GND之间；

第二电容C2，并联于比较器U1的OUT引脚和GND之间；

第三电容C3，并联于比较器U1的VCC引脚和GND之间；

其中，所述比较器U1的IN+引脚输出预设电压Vin+，并连接于第七电阻R7和第八电阻R8之间，比较器U1的OUT引脚输出信号V_scs。

一实施例中，所述信号锁存单元中：

第一三极管Q1为PNP型三极管，发射极E与电压VCC相连，集电极C与电阻R157相连后与GND相连，基极B与第三三极管Q3的集电极C相连，且第一三极管Q1的发射极E和基极B之间并联有电容C37；

第二三极管Q2为PNP型三极管，发射极E与电压VCC相连，集电极C与电阻R159相连后与GND相连，基极B与电阻R114相连后接第一三极管Q1的集电极C；

第三三极管Q3为NPN型三极管，发射极E与GND相连，集电极C与电阻R155相连，基极B与电阻R161相连后接GND。

一实施例中，所述信号锁存单元中：

当信号V_scs为高电平时，经过反向缓冲器U22输出低电平，第二三极管Q2打开，第一三极管Q1和第三三极管Q3关闭，输出信号V_cur为高电平，经缓冲器U23缓冲输出；

当信号V_scs为低电平时，第一三极管Q1和第三三极管Q3打开，第二三极管Q2关闭，输出信号V_cur为低电平，经缓冲器U23缓冲输出。

一实施例中，反相缓冲器U22的Y引脚与第三三极管Q3的基极B之间设有电阻R160，VCC引脚与电压VCC相连，且与GND之间并联设有电容C38，A引脚用于接收信号V_scs；所述缓冲器U23的Y引脚与电阻R158相连后输出信号，VCC引脚与电压VCC相连，且与GND之间并联设有电容C39，A引脚与电阻R156相连并接收信号V_cur。

与现有技术相比，本实用新型的短路保护电路包括采样单元、比较单元及信号锁存单元，可以实现大电流保护，短路响应迅速，保护更加安全，一旦短路保护之后，必须人为排查短路原因，重启电路方可恢复。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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。

图1为本实用新型一具体实施例中短路保护电路的模块示意图；

图2为本实用新型一具体实施例中采样单元的电路原理图；

图3为本实用新型一具体实施例中比较单元的电路原理图；

图4为本实用新型一具体实施例中信号锁存单元的电路原理图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细描述。但该等实施方式并不限制本实用新型，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本实用新型的保护范围内。

并且，应当理解的是尽管术语第一、第二等在本文中可以被用于描述各种元件或结构，但是这些被描述对象不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将这些描述对象彼此区分开。例如，第一三级管可以被称为第二三级管，并且类似地第二三级管也可以被称为第一三级管，这并不背离本申请的保护范围。

参图1所示为本实用新型一具体实施方式中的短路保护电路，包括采样单元10、比较单元20及信号锁存单元30，其中：

参图2所示，采样单元10包括电流采样电阻Rs及运算放大器，用于实现电流采样并以输出电压V_IOUT；

参图3所示，比较单元20包括比较器U1，比较器用于对电压V_IOUT与预设电压Vin+进行比较，并输出信号V_scs；

参图4所示，信号锁存单元30包括反相缓冲器U22、缓冲器U23、及位于反相缓冲器U22和缓冲器U23之间的若干三极管，三极管包括第一三极管Q1、第二三极管Q2及第三三极管Q3，信号V_scs经反相缓冲器U22反向后，经过三极管输出信号V_cur，信号V_cur经缓冲器U23缓冲输出。

以下对本实施例中的采样单元10、比较单元20及信号锁存单元30进行详细说明。

参图2所示，电流采样电阻Rs的一端连接有第一电阻R1和第二电阻R2，并与电压VREF相连，另一端连接有第三电阻R3和第四电阻R4，运算放大器的正负极分别连接于第一电阻R1和第二电阻R2之间、及第三电阻R3和第四电阻R4之间。

运算放大器的正极5连接于第一电阻R1和第二电阻R2之间，负极6连接于第三电阻R3和第四电阻R4之间，电流采样电阻Rs两端电压分别为V1和V2，流经电流采样电阻Rs的电流为I。

本电路实现电流采样，并以电压的形式输出，输出电压V_IOUT为：

优选地，R1＝R3，R2＝R4，且R2＝k*R1，则输出电压V_IOUT为：

V_IOUT＝VREF+k*(V1-V2),V1-V2＝I*Rs；

即：

V_IOUT＝VREF+k*I*Rs。

对应的电流I＝(V_IOUT-VREF)/(k*Rs)。

参图3所示，比较单元20中，是否短路以高低电平形式输出。

优选地，比较器U1前端设有低通滤波单元，低通滤波单元包括与电压V_IOUT串联设置的第五电阻R5及与电压V_IOUT并联设置的第一电容C1。低通滤波单元能够使得V_IOUT进入比较器更加干净。

比较单元20还包括：

比较器U1，本实施例中的比较器U1的型号为TL331；

第六电阻R6，并联于比较器U1的VCC引脚和OUT引脚之间；

第二电容C2，并联于比较器U1的OUT引脚和GND之间；

第三电容C3，并联于比较器U1的VCC引脚和GND之间；

其中，比较器U1的IN+引脚输出预设电压Vin+，并连接于第七电阻R7和第八电阻R8之间，比较器U1的OUT引脚输出信号V_scs。

通过分压电阻R7与R8,可以设定Vin+的电压，从而设定短路电流的保护值。当电压V_IOUT>Vin+时，比较器U1输出信号V_scs为低电平，此时发生短路；当电压V_IOUT≤Vin+时，比较器U1输出信号V_scs为高电平，此时未发生短路。

参图4所示，本实施例中信号锁存单元30包括反相缓冲器U22、缓冲器U23、及位于反相缓冲器U22和缓冲器U23之间第一三极管Q1、第二三极管Q2和第三三极管Q3。

其中，反向缓冲器U22的型号为施密特触发反向器SN74AUP1G14，缓冲器23的型号为施密特触发缓冲器SN74LVC1G17。

进一步地，反相缓冲器U22的Y引脚与第三三极管Q3的基极B之间设有电阻R160，VCC引脚与电压VCC相连，且与GND之间并联设有电容C38，A引脚用于接收信号V_scs；

缓冲器U23的Y引脚与电阻R158相连后输出信号，VCC引脚与电压VCC相连，且与GND之间并联设有电容C39，A引脚与电阻R156相连并接收信号V_cur。

信号锁存单元30主要实现对比较电路输出短路信号保持以及缓冲，经信号锁存单元处理过的信号可以直接驱动主回路电子开关，从而实现短路保护。

信号锁存单元的工作原理具体为：

1、当未发生短路时，信号V_scs为高电平，经过反向缓冲器U22输出低电平，从而第三三极管Q3的基极B为低电平，第三三极管Q3无法打开；同时刚上电由于电容C37有一个充电时间，第二三极管Q2比第一三极管Q1先打开，第二三极管Q2打开后第一三极管Q1无法打开，从而V_cur为高电平，经缓冲器U23缓冲输出；

2、当发生短路时，信号V_scs为低电平，经过反向缓冲器U22输出高电平，从而第三三极管Q3的基极B为高电平，第三三极管Q3打开，第三三极管Q3的集电极C变为低电平，第一三极管Q1打开，第二三极管Q2被迫关闭，从而V_cur变为低电平，经缓冲器U23输出，从而实现短路保护。此时，即使V_scs因短路保护之后，再次翻转为高电平，依然无法改变短路信号输出，本电路必须人为重启电路，方可恢复。

本实施例中短路保护电路的短路反应时间短，能够迅速关断电流回路；同时，短路电流可设定很大，如设定采样电阻为50uΩ，那么短路电流可以设置为1000A以上。

由以上技术方案可以看出，本实用新型具有以下有益效果：

短路保护电路包括采样单元、比较单元及信号锁存单元，可以实现大电流保护，短路响应迅速，保护更加安全，一旦短路保护之后，必须人为排查短路原因，重启电路方可恢复。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种基于运放和三极管的短路保护电路，其特征在于，所述短路保护电路包括：

2.根据权利要求1所述的基于运放和三极管的短路保护电路，其特征在于，所述电流采样电阻Rs的一端连接有第一电阻R1和第二电阻R2，并与电压VREF相连，另一端连接有第三电阻R3和第四电阻R4，运算放大器的正负极分别连接于第一电阻R1和第二电阻R2之间、及第三电阻R3和第四电阻R4之间。

3.根据权利要求2所述的基于运放和三极管的短路保护电路，其特征在于，所述输出电压V_IOUT为：

4.根据权利要求3所述的基于运放和三极管的短路保护电路，其特征在于，所述采样单元中，R1＝R3，R2＝R4，且R2＝k*R1，所述输出电压V_IOUT为：

V_IOUT＝VREF+k*I*Rs。

5.根据权利要求1所述的基于运放和三极管的短路保护电路，其特征在于，所述比较器U1前端设有低通滤波单元，低通滤波单元包括与电压V_IOUT串联设置的第五电阻R5及与电压V_IOUT并联设置的第一电容C1。

6.根据权利要求1所述的基于运放和三极管的短路保护电路，其特征在于，所述比较器U1用于：

7.根据权利要求6所述的基于运放和三极管的短路保护电路，其特征在于，所述比较单元还包括：

第六电阻R6，并联于比较器U1的VCC引脚和OUT引脚之间；

第二电容C2，并联于比较器U1的OUT引脚和GND之间；

第三电容C3，并联于比较器U1的VCC引脚和GND之间；

8.根据权利要求1所述的基于运放和三极管的短路保护电路，其特征在于，所述信号锁存单元中：

9.根据权利要求8所述的基于运放和三极管的短路保护电路，其特征在于，所述信号锁存单元中：

10.根据权利要求8所述的基于运放和三极管的短路保护电路，其特征在于，反相缓冲器U22的Y引脚与第三三极管Q3的基极B之间设有电阻R160，VCC引脚与电压VCC相连，且与GND之间并联设有电容C38，A引脚用于接收信号V_scs；所述缓冲器U23的Y引脚与电阻R158相连后输出信号，VCC引脚与电压VCC相连，且与GND之间并联设有电容C39，A引脚与电阻R156相连并接收信号V_cur。