CN212210492U - 一种低成本的电源反接保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低成本的电源反接保护电路，该电路中的电源正极与Q1的源极和D2的阳极连接，Q1的漏极与D2的阴极、D3的阳极、R1的一端以及方波发生器的正极供电端连接，Q1的栅极与C3的一端和D6的阴极连接；D3的阴极与C7的一端和D4的阳极连接，D4的阴极与D5的阳极和C4的一端连接，D5的阴极与C6的一端和D6的阳极连接，R1的另一端与C7的另一端、C6的另一端以及Q2的集电极连接；电源负极与C3的另一端、C4的另一端、Q2的发射极、接地端GND以及方波发生器的负极供电端连接。该电路的成本低且可靠性高，不依赖于MCU及其软件程序来实现自动反接保护，便于工业上的大批量生产和应用。

Description

一种低成本的电源反接保护电路

技术领域

本实用新型属于汽车电源的电路设计技术领域，涉及一种低成本的电源反接保护电路。

背景技术

随着汽车行业的发展，各种控制器在汽车应用的越来越广，对控制器的自我保护功能也越来越高，防电源反接是电子产品的自我保护功能之一；电源反接会对控制器造成永久性的损坏，所以，需要给控制器电路中加入保护电路，达到即使接的反电源，也不会损坏的目的。

现有技术中，一般可以在电源的正极串入一个二极管来实现，不过，由于二极管有压降，会给电路造成不必要的损耗，对电子产品的工作电压范围也会大大缩减；由于MOS压降小，小到几乎可以忽略不计，因此，行业开始用PMOS管在电源正极，NMOS管在电源负极做防电源反接保护电路。

但是，由于二极管有压降，在电源的正极串入一个二极管来实现，会给电路造成不必要的损耗，对电子产品的工作电压范围也会大大缩减；由于同功率的PMOS管的价格比NMOS管贵两三倍，在用PMOS在电源正极来实现，会大大增加整个产品的成本；由于很多电子产品的负极有很多端点，无法用一个NMOS在负极实现反接保护，且同时不使用价格较贵的MCU芯片和AD采集芯片进行软件程序的闭环控制。

例如，专利申请号为CN201920818479.8的基于NMOS管的车载直流电源防反接保护电路公开了一种用一个NMOS管在正极实现反接保护的车用电源电路，然而，根据其图1以及说明书第24-28段的说明可知，其利用MCU和AD采集芯片采集当前状态，如果采集到自举升压电路电压和车载直流电源电压之差大于一定阈值时(根据具体MOS管的型号来确定此值)，则通过MCU中的程序认为自举升压电路正常，MOS可靠打开。因此，该电路的电源反接保护需要依赖于价格较贵的MCU芯片、 AD转换器件和PWM信号生成模块，成本依旧较高，还需要根据上述控制方式烧结专门的软件程序到MCU中，使得工序复杂且可靠程度不够高，不便于工业上的批量生产和应用。

基于此，亟需设计一种低成本的电源反接保护电路，以克服现有技术中的汽车电源反接保护电路成本高的缺陷，且便于工业上的批量生产和应用。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

基于此，本实用新型公开了一种低成本的电源反接保护电路，相对于现有技术，本实用新型的电路成本更低，且可靠性高，可不依赖于软件程序来实现自动反接保护，便于工业上的大批量生产和应用。

(二)技术方案

本实用新型公开了一种低成本的电源反接保护电路，所述电源反接保护电路包括：NMOS管Q1、NPN三极管Q2、方波发生器、二极管D2～D6、电容C3、C4、C6以及C7、电阻R1以及R3；

电源正极与Q1的源极和D2的阳极连接，Q1的漏极与D2的阴极、 D3的阳极、R1的一端以及方波发生器的正极供电端连接，Q1的栅极与 C3的一端和D6的阴极连接；

D3的阴极与C7的一端和D4的阳极连接，D4的阴极与D5的阳极和 C4的一端连接，D5的阴极与C6的一端和D6的阳极连接，R1的另一端与C7的另一端、C6的另一端以及Q2的集电极连接；

电源负极与C3的另一端、C4的另一端、Q2的发射极、接地端GND 以及方波发生器的负极供电端连接，方波发生器的输出端与R3的的一端连接，R3的另一端与Q2的基极连接。

进一步的，所述方波发生器为包括集成芯片MAX038的函数发生器。

进一步的，所述电源反接保护电路还包括：双向TVS管D1和电容C1，D1的一端和C1的一端都与Q1的漏极连接，D1的另一端和 C1的另一端都与电源负极连接。

进一步的，所述电源反接保护电路还包括电容C2，C2的一端与 Q2的基极连接，C2的另一端与接地端GND连接。

进一步的，所述电源为汽车控制器的车载直流电源。

进一步的，电源的正极电压为8～20V，电源的负极电压为0V。

进一步的，所述C3、C4、C6以及C7都为100nF。

进一步的，所述Q1的漏极和源极之间反并联有一个体二极管。

进一步的，所述二极管D2为单向二极管。

进一步的，所述电容C1和C2为滤波电容。

(三)有益效果

相对于现有技术，本实用新型具备如下的有益效果：

(1)相对于专利CN201920818479.8，本实用新型新设计了基于 D3～D6、C3～C4、C6～C7组成的电压升压电路(其不同于现有技术中的自举升压电路)，通过已设置好的固定开关频率的方波发生器和三极管 Q2的配合，使得C3中的电压能够在短时间内升到两倍电压，以完成电源正接时的Q1导通；当电源错误的反接时，由于方波发生器无法实现对应的正负极供电，故其不工作，使得Q2处于截止状态，此外C3的存在保证了Q1的栅极电压为0，使得NMOS管不导通，同时C4和D3～D6 也使得电流不能从正极流向负极，从而多角度保证了电流不能从电源正极流到电源负极，无法对控制器造成损害。

(2)本实用新型的电源反接保护电路中只使用了一个NMOS管，通过三极管、方波发生器等低成本电路器件的配合，即可通过纯硬件实现直流电源的防反接保护，成本更低，且可靠性高，适于工业级的大批量生产和应用。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本实用新型的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本实用新型进行任何限制，在附图中：

图1为本实用新型中低成本的电源反接保护电路的电路原理图。

图2为电源正接时，本实用新型电源反接保护电路中的方波发生器输出第一次高电平时的电路状态示意图。

图3为电源正接时，本实用新型电源反接保护电路中的方波发生器输出第一次低电平时的电路状态示意图。

图4为电源正接时，本实用新型电源反接保护电路中的方波发生器输出第二次高电平时的电路状态示意图。

图5为电源反接时，本实用新型电源反接保护电路的电路状态示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本实用新型进行清楚、完整地描述，同时也叙述了本实用新型技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本实用新型的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，其为本实用新型公开的一种低成本的电源反接保护电路的电路原理图，所述电源反接保护电路包括：NMOS管Q1、三极管Q2、方波发生器、二极管D2～D6、电容C3、C4、C6以及C7、电阻R1以及R3。其中，在进行正常供电后，方波发生器会自动产生固定频率的方波波形，其可以为包括集成芯片MAX038的方波生成器或者其它集成芯片，以降低成本。

具体的，各个电路元件的连接关系如下：

电源正极与Q1的源极(即3脚)和D2的阳极连接，Q1的漏极 (即2脚)与D2的阴极、D3的阳极、R1的一端以及方波发生器的正极供电端连接，Q1的栅极(即1脚)与C3的一端和D6的阴极连接；D3的阴极与C7的一端和D4的阳极连接，D4的阴极与D5的阳极和 C4的一端连接，D5的阴极与C6的一端和D6的阳极连接，R1的另一端与C7的另一端、C6的另一端以及Q2的集电极连接，电源负极与 C3的另一端、C4的另一端、Q2的发射极、接地端GND以及方波发生器的负极供电端连接，方波发生器的输出端与R3的的一端连接，R3 的另一端与Q2的基极连接。

在另外一个实施例中，为了使得电路不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击，所述电源反接保护电路还包括：双向TVS管D1(双向TVS管由两个单向TVS“背靠背”组合，其正反两个方向都具有相同的雪崩击穿特性和箝位特性)和电容C1，D1的一端和C1的一端都与Q1的漏极连接，D1的另一端和C1的另一端都与电源负极连接。

在另外一个实施例中，为了保证Q1的工作稳定性，所述电源反接保护电路还包括电容C2，C2的一端与Q2的基极连接，C2的另一端与接地端GND连接。

在另外一个实施例中，电源正极电压优选为8～20V，电源负极电压为0V，且所述电源优选为汽车控制器的车载直流电源；其次，C3、 C4、C6以及C7的规格相同，可都优选为100nF；另外，Q1的漏极和源极之间可反并联有一个体二极管，以对NMOS管进行保护；D2二极管的类型优选为单向二极管(即为普通的二极管，不为TVS管)，正向接入时，在Q1未导通前，电压经D2给方波发生器供电，使其工作，驱动升压电路，驱动Q1导通，Q1导通后，由于NMOS管Q1的内阻远远小于二极管D2，电流经过Q1，不再经过D2，满足大电流供电的需求。

为进一步明确本实用新型的低成本的电源反接保护电路的工作原理和优点，以下对电源进行正反接时的电路运行状态进行分析：

1)电源正向接入

在电源正向接入时，刚开始NMOS是处于截止状态，电流经过二极管D2为方波发生器提供电压，方波发生器的正负极供电正常，会自动产生固定频率的方波信号，并驱动三极管Q2；

如图2所示，当方波发生器输出第一次高电平时，Q2导通接地，电源电压通过D2、D3、D4、D5、D6给C7、C4、C6、C3充电。

如图3所示，当方波发生器第一次输出低电平时，Q2截止，由于电容两端的电压不能突变，电容C7、C6左边电压等于约2倍电源电压，右边等于电源电压(电容两端的压降依然等于电源电压，其左侧被通过R1但不接地的电源正极的电压抬升了到了2倍电源电压)，然后，电流经过D4、D6对C4、C3持续充电，充电后，C4、C3的电压也升到约2倍电源电压。

如图4所示，方波发生器第二次输出高电平时，Q2再次导通接地，由于电容两端的电压不能突变，此时，电容C6的左边电压为电源电压，右边为0V(C6的压降依然等于电源电压)；当C6的电压等于电源电压后，由于C4的压降为2倍电源电压>C6的压降，C4会给C6充电，充电后C4＝C6≈1.5倍电源电压；由于D6处于截止状态，C3不能给 C6充电，C3的压降依然保持2倍电源电压；

在此同时，电容C7的左边电压为电源电压，右边为0V(C7的压降依然等于电源电压)；此时，C7的电压＜C4的电压，但由于D4处于反向截止状态，C4不能给C7充电，C4保持约1.5倍电源电压。

方波发生器第二次输出低电平时(图中未示出)，C4再次被充到2 倍电源电压，方波发生器第三次输出第高电平时，C4的2倍电源电压>C6的电源电压，C4给C6充电，C4＝C6≈1.75电源电压；方波发生器经过数次输出高低电平输出后，C4的电压慢慢抬高，同时，C6 也给C3充电，C3的电压也慢慢稳步的抬高，仿真结果，最终C3的电压稳定在约2倍电源电压(实际电路中，除去电路损耗，Vout的电压稳定在约2倍电源电压)，用于稳定的驱动NMOS管Q1导通(导通的 Vgs实际上需要4V以上)；NMOS管Q1导通后，其阻抗只有几mΩ，阻抗远远小于二极管D1的阻抗，电流将通过Q1给方波发生器及其它负载提供电压电流，以便达到降低对电源电压的损耗的目的。

2)电源反向接入

如图5所示，当电源反向接入时，电源正极变为电源负极，电源负极变为电源正极，电源电流流向C1、C2、C3、C4、D1和方波发生器，因电容通交流阻直流的特性，电流无法流过C1、C2、C3、C4；此外，由于D1是双向TVS管，D1处于反向截止状态；由于方波发生器的接地的负极供电端错误的接入到了电源正极，且正极供电端没有电源信号，故方波发生器不工作，无法发出方波驱动Q2；Q2截止，电流不能流过Q2；Q1的1脚电压等于连接电压负极的3脚电压＝0V， Q1截止；电流不能从电源正极流到电源负极，无法对控制器造成损害，从而达到自我保护的目的。

综上可知，本实用新型通过Q2、D2～D6、C3、C4、C6、C7共同组成了一个电压升压部，电压升压部配合方波发生器，用于快速将电压升至约2倍的电源电压，为所述的NMOS管提供正常导通所需的驱动电压；同时，电压升压部中的部分部件也构成了一个电源反向保护部，在电源反向接入时，电源正极变为电源负极，电源负极变为电源正极，电源电压被C3、C4、Q2隔离了，且由于方波发生器没有正确的接入电源正负极加压，无法形成电源回路，此时方波发生器不工作，则无法驱动升压电路；由于升压电路无法工作，Q1的1脚电压等于3 脚电压(即为0V)，Q1截止，D2也无法通过电流，使得电流不能从电源正极流到电源负极，无法对控制器造成损害，从而最终达到自我保护的目的。此外，为了使得电路具备抑制尖峰电压的作用，可以选择在该电路的两极之间设置相互并联的双向TVS管D1和电容C1，并在R3和Q1的基极之间设置接地的滤波电容C2，使得开关管Q1的工作更加稳定。

在本实用新型所提供的上述实施例中，应该理解到，所揭露的恒流驱动电路可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述部和单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

最后说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种低成本的电源反接保护电路，其特征在于，所述电源反接保护电路包括：NMOS管Q1、NPN三极管Q2、方波发生器、二极管D2～D6、电容C3、C4、C6以及C7、电阻R1以及R3；

电源正极与Q1的源极和D2的阳极连接，Q1的漏极与D2的阴极、D3的阳极、R1的一端以及方波发生器的正极供电端连接，Q1的栅极与C3的一端和D6的阴极连接；

D3的阴极与C7的一端和D4的阳极连接，D4的阴极与D5的阳极和C4的一端连接，D5的阴极与C6的一端和D6的阳极连接，R1的另一端与C7的另一端、C6的另一端以及Q2的集电极连接；

电源负极与C3的另一端、C4的另一端、Q2的发射极、接地端GND以及方波发生器的负极供电端连接，方波发生器的输出端与R3的一端连接，R3的另一端与Q2的基极连接。

2.根据权利要求1所述的电源反接保护电路，其特征在于，所述方波发生器为包括集成芯片MAX038的函数发生器。

3.根据权利要求1或2所述的电源反接保护电路，其特征在于，所述电源反接保护电路还包括：双向TVS管D1和电容C1，D1的一端和C1的一端都与Q1的漏极连接，D1的另一端和C1的另一端都与电源负极连接。

4.根据权利要求3所述的电源反接保护电路，其特征在于，所述电源反接保护电路还包括电容C2，C2的一端与Q2的基极连接，C2的另一端与接地端GND连接。

5.根据权利要求1所述的电源反接保护电路，其特征在于，电源为汽车控制器的车载直流电源。

6.根据权利要求1所述的电源反接保护电路，其特征在于，电源的正极电压为8～20V，电源的负极电压为0V。

7.根据权利要求1所述的电源反接保护电路，其特征在于，所述C3、C4、C6以及C7都为100nF。

8.根据权利要求1所述的电源反接保护电路，其特征在于，所述Q1的漏极和源极之间外部反并联有一个二极管。

9.根据权利要求1所述的电源反接保护电路，其特征在于，所述二极管D2为单向二极管。

10.根据权利要求4所述的电源反接保护电路，其特征在于，所述电容C1和C2为滤波电容。

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