CN211830182U - 电源保护电路 - Google Patents

Abstract

公开了一种电源保护电路，该电源保护电路包括串联在电源与负载之间的第一晶体管，耦接在所述第一晶体管与所述负载之间的异常检测模块，以及耦接在该异常检测模块与该第一晶体管栅极的控制模块，其中，该控制模块包括由两个与非逻辑电路组成的组合电路，该组合电路包括接收检测信号的第一输入端和接收电源的开机信号的第二输入端，在系统开机后，该组合电路的输出为1，在检测信号出现异常后，该组合电路的输出锁定为0，输出至第一晶体管，锁定为断路。本实用新型的电源保护电路，利用由两个与非逻辑电路组成的组合电路的锁定特性，控制晶体管的通断和锁定，以硬件电路实现高效的、反应迅速的电源保护。

Description

电源保护电路

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，特别涉及一种电源保护电路。

背景技术

现阶段电源保护电路包括的过压保护和过流保护方案依赖于保险丝的熔断机制。当电流达到额定值时，保险丝将会因为温度过高而熔断，借此来达到对后级电路保护的目的。但是在实际使用中，常会受周围温度或元器件PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)散热设计影响，实际保护过程与预期相差甚远。

如图1所示，图1示出了根据现有技术的1A保险丝的电流值与持续时间的特性曲线。其中，横坐标为电流(单位，安培)，纵坐标为保险丝导通的持续时间(单位，秒)，图中三条曲线为三种1A保险丝的电流-持续时间的特性曲线，由图可知，1A保险丝在电流达到1A时不会快速熔断，而是在至少10秒后才熔断。对该特性曲线进行了采用新的保险丝样品并挂载电子负载的测试，由实验测试发现所有1A保险丝均可以稳定工作在1.4A电流下，且电子负载的压降小于0.5V。当电子负载调节输出使工作电流为1.5A时，电子负载压降逐渐增大，直至保险丝烧毁，压降为0V，其过程持续时间高达13秒之久。另外，对于再利用的保险丝，焊盘补锡成球状的保险丝样品可以在1.65A的电流下稳定运行而不烧毁、熔断，使用保险丝对电路进行过流、过压保护的方案很难适用于功耗要求严苛的电子设备。1A保险丝在1.4A电流下可以维持住10S的持续导通时间，之后才被熔断，而不是在电流达到1A时立即熔断，10秒的过流时间足够烧坏大部分电子器件，更不用说一些对功耗要求特别严苛的电子设备，利用保险丝的熔断机制来保护电路不能准确、及时地断开电路，对设备的保护作用效果不佳。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的在于提供一种电源保护电路，从而在负载电路异常时准确、及时地断开电路，并不可逆地锁定断开状态。

根据本实用新型的一方面，提供一种电源保护电路，其中，包括：

第一晶体管，串联在电源与负载之间；

异常检测模块，耦接在所述第一晶体管与所述负载之间，包括输出检测信号的输出端，所述检测信号为低电平时表示检测；

控制模块，包括与所述电源耦接的第一输入端、与所述异常检测模块的输出端连接的第二输入端和与所述第一晶体管栅极耦接的输出端，其中，所述控制模块包括：

第一与非逻辑电路，包括第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一与非逻辑电路的第一输入端为所述控制模块的第二输入端；

第二与非逻辑电路，包括第一输入端、与所述第一与非逻辑电路的输出端连接的第二输入端和输出端，所述第二与非逻辑电路的第一输入端为所述控制模块的第一输入端，所述第二与非逻辑电路的输出端为所述控制模块的输出端，

其中，所述检测信号为低电平时，所述第一晶体管断开。

进一步地，所述异常检测模块包括：

电流采样模块，耦接在所述第一晶体管与所述负载之间，包括输出电流采样信号的输出端；

电压采样模块，耦接在所述第一晶体管与所述负载之间，包括输出电压采样信号的输出端；

比较模块，包括与所述电流采样模块的输出端连接的第一输入端、与所述电压采样模块的输出端连接的第二输入端和输出所述检测信号的输出端。

进一步地，所述比较模块包括：

串联连接在电源与地之间的第七电阻，所述第七电阻包括滑动端；

第一比较器，包括与所述第七电阻的滑动端连接的同相输入端、与所述电流采样信号的输出端连接的反相输入端和输出所述检测信号的输出端。

串联连接在电源与地之间的第九电阻，所述第九电阻包括滑动端；

第二比较器，包括与所述第九电阻的滑动端连接的同相输入端、与所述电压采样信号的输出端连接的反相输入端和输出所述检测信号的输出端。

进一步地，所述异常检测模块还包括：

增益模块，包括与所述电流采样模块的输出端连接的输入端和与所述第一比较器的反相输入端连接的输出端。

进一步地，所述比较模块还包括：

串联连接在所述第七电阻与地之间的第八电阻或串联连接在所述第九电阻和地之间的第十电阻。

进一步地，所述控制模块为两个控制模块，各自的第二输入端分别与所述第一比较器的输出端和所述第二比较器的输出端连接。

进一步地，还包括：

第二晶体管，串联在所述第一晶体管的栅极与地之间，所述第二晶体管的栅极与所述控制模块的输出端耦接；

第三电阻，连接在所述第一晶体管的栅极与所述电源之间，

其中，所述第一晶体管为PMOS管，所述第二晶体管为NMOS管。

进一步地，还包括：

第四电阻，串联连接在所述第一晶体管的栅极与所述第二晶体管之间；

第三电容，一端连接至所述第三电阻与所述第一晶体管的栅极的中间节点，另一端连接至所述电源。

进一步地，还包括：

依次串联连接在所述电源与地之间的第二电阻和第二电容，所述第二电阻与所述第二电容的中间节点连接至所述控制模块的第一输入端。

本实用新型提供的电源保护电路包括由第一与非逻辑电路和第二与非逻辑电路组成的控制模块，第一与非逻辑电路的输出端连接至第二与非逻辑电路的第二输入端，第二与非逻辑电路输出端为控制模块的输出端并连接至第一与非逻辑电路的第二输入端，第二与非逻辑电路的第一输入端与电源耦接，接收电源的开机信号，第一与非逻辑电路的第一输入端与异常检测模块的输出端连接，接收检测信号。系统初始时，开机信号为0，第二与非逻辑电路的输出端输出1，负载端电流电压无异常，检测信号为1，第一与非逻辑电路输出端为0，第二与非逻辑电路的输出端输出稳定为1；初始化后，开机信号为1；当负载端出现过流或过压时，第一与非逻辑电路的第一输入端为0，输出端为1，第二与非逻辑电路的输入为(1，1)，输出为0，再造成第一与非逻辑电路的第二输入端为0，联合锁定第一与非逻辑电路的输出端为1，也即是第二与非逻辑电路的输入端锁定为(1，1)，输出端为0，达到在出现一次过流或过压后便不可逆地锁定控制模块的输出为0，锁定第一晶体管为断路状态，可以有效地保护负载端电路。

同时，只要系统重新上电，电源的开机信号归零一次，就可以解除锁定，无需更换电子器件，方便有效。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了根据现有技术的1A保险丝的电流值与持续时间的特性曲线；

图2示出了根据本实用新型实施例的电源保护电路的电路结构示意图；

图3示出了根据本实用新型实施例的电源保护电路的控制模块的结构示意图；

图4示出了根据根实用新型实施例的电源保护电路的测试时序图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。图2示出了根据本实用新型实施例的电源保护电路的电路结构示意图。本实用新型实施例的电源保护电路100包括PMOS管(positive channel Metal Oxide Semiconductor，P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管)M1，NMOS(Negative channel-Metal-Oxide-Semiconductor，N型金属氧化物半导体)管M2、M3，电流采样模块110，电压采样模块120，比较模块130，控制模块140，电阻R1、R2、第三电阻R3、R4、R5、R6，电容C1、C2、第三电容C3，增益模块150。其中，电流采样模块110、电压采样模块120、比较模块130和增益模块150构成异常检测模块，与负载连接检测负载的电压和电流，与控制模块140连接，输出检测信号至控制模块140。

PMOS管M1串联在电源VIN和负载VOUT之间，PMOS管M1的栅极通过电阻R3连接到电源VIN；电阻R4和NMOS管M2、M3依次串联在PMOS管M1的栅极与地之间，NMOS管M2、M3的栅极分别通过电阻R5、R6与控制模块140的两个输出端连接；电容C3连接在PMOS管M1的栅极与电源VIN之间，用于防止系统上电的浪涌电流过大造成PMOS管M1的误触发，使PMOS管M1工作在饱和区；控制模块140的两个输出端的初始信号为高电平，电源保护电路100初始化时，NMOS管M2、M3为导通状态，电阻R3的阻值大于电阻R4的阻值，在本实施例中电阻R3为10千欧，电阻R4为4.7千欧，PMOS管M1工作在饱和区，电源VIN和负载VOUT之间导通。

电流采样模块110包括串联在PMOS管M1的输出端与负载VOUT之间的采样电阻R11，运算放大器111以及电阻R12、R13、R14、R15，运算放大器111的同相输入端通过电阻R12和电阻R15分别连接至电阻R11与PMOS管M1的中间节点和运算放大器111的输出端，运算放大器111的反相输入端通过电阻R13和电阻R14分别连接至电阻R11与负载VOUT的中间节点和地，对R11两端的电流采样，也即是对电源VIN至负载VOUT之间的电流采样。

电流采样模块110的输出端连接至增益模块150，将电流采样信号输出给增益模块150，增益模块150将该电流采样信号进行10倍增益处理后输出至比较模块130。增益模块150包括运算放大器151、电阻组153和电阻串152，电阻串152为三个串联的阻值相等的电阻，电阻组153为三个并联的阻值相等的电阻，电阻组153的三个电阻的单个阻值与电阻串152的三个电阻的单个阻值相等，在本实施例中为10千欧，增益模块150的运算放大器151的同相输入端与电流采样模块110的运算放大器111的输出端连接，电阻串152连接在运算放大器151的反相输入端与输出端之间，电阻组153连接在运算放大器151的反相输入端与地之间。对电流采样信号进行10倍增益处理，可以放大电流信号与参考信号的差距，对于电流变化微小的电流信号也可以准确判断过流，可以提升过流保护的精确性，对功耗要求严苛的设备可以及时准确的执行过流保护。

电压采样模块120包括电阻R16、R17，电阻R16和电阻R17依次串联在负载VOUT和地之间，对负载电压采样，电阻R16和电阻R17的中间节点输出电压采样信号，连接至比较模块130的输入端，在本实施例中，电阻R16的阻值为10千欧，电阻R17的阻值为4.7千欧。

比较模块130包括第一比较器131、第二比较器132、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10，第七电阻R7和第八电阻R8依次串联在电源VIN和地之间，第九电阻R9和第十电阻R10依次串联在电源VIN和地之间，第七电阻R7和第八电阻R8的中间节点连接至第一比较器131的同相输入端，第九电阻R9和第十电阻R10的中间节点连接至第二比较器132的同相输入端，第一比较器131的反相输入端与增益模块150的输出端连接，接收10倍增益的电流采样信号，第二比较器132的反相输入端与电压采样模块120的输出端连接，接收电压采样信号。

第七电阻R7和第八电阻R8的中间节点提供电流比较的参考信号，当10倍增益的电流采样信号大于该参考信号时，第一比较器131的输出端输出低电平。第九电阻R9和第十电阻R10的中间节点提供电压比较的参考信号，当电压采样信号大于该信号时，第二比较器132的输出端输出低电平。在本实施例中，第八电阻R8和第十电阻R10的阻值为1千欧，第七电阻R7和第九电阻R9的阻值为10千欧。第七电阻R7和第九电阻R9可以是滑变电阻，其滑动端连接至比较器的同相输入端，使参考信号可以调节，以适用于不同的应用场景，对工作电流大的设备提高参考信号的电压值，对工作电流小的设备降低参考信号的电压值。设置第八电阻R8和第十电阻R10可以在滑动电阻短路时，其中间节点输出电压不为低电平，导致电路保护误触发，或者是在滑动电阻部分短路时提供一重保险措施。

比较模块130的输出端连接至控制模块140的输入端，控制模块140接收过流信号、过压信号和电源VIN的电源信号，根据过流信号、过压信号和电源信号输出控制信号至NMOS管M2、M3的栅极。

电阻R1和电容C1依次串联在电源VIN与地之间，电阻R1和电容C1的中间节点输出电源信号，电阻R2和电容C2依次串联在电源VIN与地之间，电阻R2和电容C2的中间节点输出电源信号。在本实施例中电阻R1、R2的阻值选用4.7千欧，电容C1、C2的电容选用0.1微法。采用该设计可以防止系统上电瞬间的浪涌电流对与非门的损伤。

图3示出了根据本实用新型实施例的电源保护电路的控制模块的结构示意图。本实用新型实施例的电源保护电路的控制模块140的核心结构包括第一与非门141和第二与非门142，第一与非门141的输出端13连接至与第二非门142的输入端22，第二与非门142的输出端23和第一与非门141的输入端12连接，第一与非门141的输入端11与比较模块130的输出端连接，接收过流信号和过压信号，第二与非门142的输入端21连接至电阻R1和电容C1的中间节点，接收电源信号，第二与非门142的输出端23输出控制信号至NMOS管的栅极。与非门在输入都为1时，输出0。

以0表示低电平、1表示高电平，设备开机时，该电源信号从0上升至1，负载电流、电压为正常值，比较模块130输出的过流、过压信号为1，第一与非门141的输入端11、12为1，第一与非门141的输出端13为0，也即是第二与非门142的输入端22为0，第二与非门142的两个输入端为(0，0)或(0，1)，设备初始化时和正常稳定运行时第二与非门142的输出端23都为1。

在本实施例的电源保护电路100中，控制模块140包括两份上述控制模块的核心结构，分别接收过流信号和过压信号，且电源信号分别通过电阻R1、电容C1和电阻R2、电容C2分别获取，输出端分别连接至NMOS管M2的栅极和NMOS管M3的栅极。设置两份相对独立的控制核心，可以应对意外的故障，当任意一份发生故障时，另一份依旧可以正常工作，达到过流保护或过压保护，过流和过压一般会是伴随发生的，过流保护和过压保护任一项可以起作用，便可以断开电源保护负载。

还可以采用一个与门逻辑单元，该与门的输入端连接第一比较器131和第二比较器132的输入端，负载过流或过压时，第一比较器131和第二比较器132的输入端至少之一为0，与门输出0，则控制模块140的核心结构可以仅需一份，就可以实现过流保护和过压保护。

当过流和过压任意一种情况发生时，比较模块130相应的输出端输出0，控制模块140的任意一份核心结构的第一与非门141的输入端11为0，第一与非门141的输出端13为1，第二与非门142的输入端22为1，此时的电阻R1和电容C1的中间节点的电压已经稳定，第二与非门142的输入端21为1，第二与非门142的输出端23为0，NMOS管M2和NMOS管M3任意一个的栅极为0，PMOS管M1的栅极与地之间断开，PMOS管M1栅极电平为电源VIN的高电平，PMOS管M1断开，负载被保护。

PMOS管M1断开后，电流采样信号和电压采样信号为0，比较模块130的输出端的过流信号和过压信号为1，控制模块140的两个核心结构的与第一非门141的输入端11为1，第二与非门142的输出端23依旧为0，使第一与非门141的输入端12为0，第一与非门141的输出端13为1；第二与非门142的输入端22为1，设备开机后，电源稳定输出，第二与非门142的输入端21为1，第二与非门142的输入锁定为(1，1)，第二与非门142的输出端23锁定为0，也即是在设备运行后，出现负载过流和过压任意一种情况时，PMOS管M1断开，如不进行其它操作，控制模块140的任意一个输出端的输出锁定为0，NMOS管M2和NMOS管M3中至少一个为断路，PMOS管M1的栅极持续为1，电源与负载之间不会自动导通，达到一次过压或过流便不可逆地断开电源和负载连接的效果。

对系统重新上电，电源重新初始化输出，使第二与非门142的输入端21为0初始，第二与非门142的输入为(0，1)，输出端23初始化为1，锁定解除，系统保护重置。

由于晶体管的特性，电路执行保护的动作没有物理损伤，只要设备重新供电，电源VIN重新接入控制模块140，在初始接入时，第二与非门142的输入端21由短暂的0信号，第二与非门142的输出端被初始化为1，第一与非门141的输入端为(1，1)，输出端13为0，第二与非门142的输入不全是1，输出端23输出1，NMOS管M2、M3导通，PMOS管M1的栅极电压为第三电阻R3和电阻R4的中间节点电压，为低电平，且工作在饱和区，负载VOUT重新与电源VIN连通。

M1为系统中对电源与负载之间的通断直接作用的晶体管，容易损坏，M1采用低成本的PMOS管，有利于降低成本，且M1为一个同时受控于过压保护系统和过流保护系统。如果用两个晶体管串联在电源于负载之间分别受控于过流保护系统和过压保护系统，也可以达到过流和过压保护效果。控制模块通过M2、M3控制M1的通断，提升了系统的隔离度，能增加系统的稳定性。

本实用新型实施例的电源保护电路100全部由硬件实现，无需软件控制程序对过流、过压的判断，节约了软件资源，且由于没有软件程序，也避免了程序算法会带来的软件问题，使用纯硬件电路，任意部件由损坏也便于更换，对于系统的后期维护提供了便利。

图4示出了根据根实用新型实施例的电源保护电路的测试时序图。其中，曲线1为比较模块130输出的过流或过压信号的电平信号，曲线2为负载VOUT的电平信号，曲线3为系统初始化信号。

以0表示低电平、1表示高电平，在t1时刻前，设备未启动，所有电路硬件无源，系统电平全为0，NMOS管栅极低电平，断路，PMOS管M1断路；在t1时刻，设备启动，电源VIN输入，PMOS管M1栅极连通至电源VIN为高电平，断路，电源与负载之间断路，曲线2为低电平，电流、电压采样值为0，比较模块130输入0输出1，此时，电源VIN为电容C1充电，第二与非门142的初始供电为0；在t2时刻，电容C1初始化充电完毕，负载电性稳定，过流、过压信号为1，电流采样模块110、电压采样模块120和比较模块130稳定，第二与非门142的输出端23开始初始化；在t3时刻，第二与非门142的输出端23初始化完毕，为1，NMOS管M2、M3导通，PMOS管M1栅极变为0，导通电源VIN和负载VOUT，曲线2所示的负载VOUT的电平为1；t3至t4之间，负载工作正常；在t4时刻，负载过流，比较模块130输出0，控制模块140输出0，NMOS管断路，PMOS管M1的栅极至地之间断路、连接到电源VIN电平为1，PMOS管M1断路，电源VIN与负载VOUT之间断路，负载VOUT电平为0；t4时刻之后，负载无电流、电压，比较模块130输出1，控制模块140依旧输出0，NMOS管断路，PMOS管断路，负载VOUT的供电不恢复。由上述实验结构可知，当过流、过压的异常发生时，本实用新型实施例的电源保护电路能够迅速反应，断开负载与电源的连接，保护负载电路，在保护之后，过流、过压监测信号恢复正常，系统依旧断开负载与电源的连接，能够有效地保护负载电路。

由上述分析可知，负载正常和系统初始化时，控制模块140输出1，负载电路异常时，控制模块输出0，可以选择M1为NMOS管，M2、M3为PMOS管，M2、M3并联连接在M1栅极与地之间，电阻R4和电容C3可以去掉。系统初始化时M2、M3断路，M1栅极连接到电源VIN导通，由于NOMS管为高压导通，上电时的浪涌电流不会误触发断路保护，当异常时，控制模块140的两个输出端的电平信号至少之一为0，M2、M3至少一个导通，M1栅极直接接地，M1断路，异常保护后，在不重新上电初始化的情况下，控制模块140的两个输出端的电平信号至少之一依旧为0，可以达到持续断开电源与负载的功效。

本实用新型的电源保护电路灵敏度到，响应快，能够监测电压和电流，保护有效，相比于传统的保险丝保护只要重新上电就可以自动恢复，无线保险丝的更换，操作方便，采用纯硬件电路，省去软件程序，也避免了软件程序算法可能带来的问题，后期维护方便。

依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种电源保护电路，其特征在于，包括：

第一晶体管，串联在电源与负载之间；

异常检测模块，耦接在所述第一晶体管与所述负载之间，包括输出检测信号的输出端，所述检测信号为低电平时表示检测；

控制模块，包括与所述电源耦接的第一输入端、与所述异常检测模块的输出端连接的第二输入端和与所述第一晶体管栅极耦接的输出端，

其中，所述控制模块包括：

第一与非逻辑电路，包括第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一与非逻辑电路的第一输入端为所述控制模块的第二输入端；

第二与非逻辑电路，包括第一输入端、与所述第一与非逻辑电路的输出端连接的第二输入端和输出端，所述第二与非逻辑电路的第一输入端为所述控制模块的第一输入端，所述第二与非逻辑电路的输出端为所述控制模块的输出端，

其中，所述检测信号为低电平时，所述第一晶体管断开。

2.根据权利要求1所述的电源保护电路，其特征在于，所述异常检测模块包括：

电流采样模块，耦接在所述第一晶体管与所述负载之间，包括输出电流采样信号的输出端；

电压采样模块，耦接在所述第一晶体管与所述负载之间，包括输出电压采样信号的输出端；

比较模块，包括与所述电流采样模块的输出端连接的第一输入端、与所述电压采样模块的输出端连接的第二输入端和输出所述检测信号的输出端。

3.根据权利要求2所述的电源保护电路，其特征在于，所述比较模块包括：

串联连接在电源与地之间的第七电阻，所述第七电阻包括滑动端；

第一比较器，包括与所述第七电阻的滑动端连接的同相输入端、与所述电流采样信号的输出端连接的反相输入端和输出所述检测信号的输出端，

串联连接在电源与地之间的第九电阻，所述第九电阻包括滑动端；

第二比较器，包括与所述第九电阻的滑动端连接的同相输入端、与所述电压采样信号的输出端连接的反相输入端和输出所述检测信号的输出端。

4.根据权利要求3所述的电源保护电路，其特征在于，所述异常检测模块还包括：

增益模块，包括与所述电流采样模块的输出端连接的输入端和与所述第一比较器的反相输入端连接的输出端。

5.根据权利要求3所述的电源保护电路，其特征在于，所述比较模块还包括：

串联连接在所述第七电阻与地之间的第八电阻或串联连接在所述第九电阻和地之间的第十电阻。

6.根据权利要求5所述的电源保护电路，其特征在于，

所述控制模块为两个控制模块，各自的第二输入端分别与所述第一比较器的输出端和所述第二比较器的输出端连接。

7.根据权利要求1所述的电源保护电路，其特征在于，还包括：

第二晶体管，串联在所述第一晶体管的栅极与地之间，所述第二晶体管的栅极与所述控制模块的输出端耦接；

第三电阻，连接在所述第一晶体管的栅极与所述电源之间，

其中，所述第一晶体管为PMOS管，所述第二晶体管为NMOS管。

8.根据权利要求7所述的电源保护电路，其特征在于，还包括：

第四电阻，串联连接在所述第一晶体管的栅极与所述第二晶体管之间；

第三电容，一端连接至所述第三电阻与所述第一晶体管的栅极的中间节点，另一端连接至所述电源。

9.根据权利要求1所述的电源保护电路，其特征在于，还包括：

依次串联连接在所述电源与地之间的第二电阻和第二电容，所述第二电阻与所述第二电容的中间节点连接至所述控制模块的第一输入端。

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