CN214900183U - 一种电源开关供电电路和电源系统 - Google Patents

一种电源开关供电电路和电源系统 Download PDF

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陈强
潘江洪
王冰
沈剑
黄嘉曦
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Abstract

本申请提供了一种电源开关供电电路和电源系统,其中电源开关供电电路包括输入端、输出端、开关、正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻,输入端用于连接电源,输出端用于连接负载,开关、正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻串联于输入端与输出端之间。本申请提供的电源开关供电电路,通过与开关串联设置正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻,有效解决负载上电瞬间过流和负载故障时电流过大的技术问题,有效防止电源系统的电流过大,保护电源系统安全,降低功耗和发热,并能在过流导致电路断开后自动恢复电路导通,无需人工手动操作,而且电源开关供电电路结构简单,成本极低,适合大量商用,实用性强。

Description

一种电源开关供电电路和电源系统
技术领域
本申请属于电源技术领域,更具体地说,是涉及一种电源开关供电电路和电源系统。
背景技术
电源系统经常用到开关供电电路,即给外部负载供电的电路。开关供电电路在使用过程中,一般存在两个问题:一是,外部负载的输入端通常设置有大电容,电容在上电瞬间处于短路状态,会产生很大的电流,一般有几安培至几十安培不等,然后随着电容充电,电流逐渐减小;然而,电源系统的供电能力是有限的,即有额定电流,而负载在上电的瞬间吸收几十安培的电流,会让整个电源系统过载,出现上电电流过冲,造成损坏。二是,电源系统在供电过程中,外部负载由于某种原因出现问题,例如短路或雷电浪涌等,造成电流非常大,超过了电源系统的供电能力,也会损坏电源系统。
目前,电路的过流保护通常采用保险丝或断路器,当出现故障导致电路出现大电流时自动断开电路,之后则需要手动重新连通电路,操作麻烦;抑制上电电流过冲通常采用电源内阻,但是电源内阻会产生功耗和发热,造成能源浪费。也有的采用保护电路对开关供电电路进行自动控制切换,但是保护电路结构复杂,成本较高,不利于大规模推广商用。因此,亟需提供一种电源的开关供电电路以解决上述问题。
实用新型内容
本申请实施例的目的在于提供一种电源开关供电电路和电源系统,有效防止电路的电流过大,并能在过流导致电路断开后自动恢复电路导通,而且结构简单,成本极低,适合大量商用,有效解决现有技术中存在的保护电路结构复杂的技术问题。
为实现上述目的,本申请采用的技术方案是:提供一种电源开关供电电路,其特征在于:包括输入端、输出端、开关、正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻,所述输入端用于连接电源,所述输出端用于连接负载,所述开关、所述正温度系数热敏电阻和所述负温度系数热敏电阻串联于所述输入端与所述输出端之间。
在一个实施例中,所述电源开关供电电路还包括开关驱动电路,所述开关驱动电路与所述开关连接,所述开关驱动电路用于驱动所述开关的通断。
在一个实施例中,所述开关为第一金属氧化物半导体场效应晶体管,所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极与所述输出端连接,所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极与所述开关驱动电路连接,所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管的源极与所述正温度系数热敏电阻或所述负温度系数热敏电阻连接。
在一个实施例中,所述电源开关供电电路还包括第一稳压元件,所述第一稳压元件并联于所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管的源极和栅极之间。
在一个实施例中,所述开关驱动电路包括第二金属氧化物半导体场效应晶体管和微控制单元,所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极与所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极连接,所述微控制单元与所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极连接,所述微控制单元用于控制所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极与源极之间的电压差。
在一个实施例中,所述开关驱动电路还包括第一限流元件,所述第一限流元件串联于所述微控制单元与所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极之间。
在一个实施例中,所述开关驱动电路还包括第二限流元件,所述第二限流元件串联于所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极与所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极之间。
在一个实施例中,所述第二限流元件包括串联的多个第二限流电阻。
在一个实施例中,所述开关驱动电路还包括第二稳压元件,所述第二稳压元件并联于所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管的源极和栅极之间。
本申请还提供一种电源系统,其特征在于,包括如上述任一项所述的电源开关供电电路。
本申请提供的电源开关供电电路和电源系统的有益效果在于:
与现有技术相比,本申请的电源开关供电电路,通过与开关串联设置正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻,有效解决负载上电瞬间过流和负载故障时电流过大的技术问题,有效防止电源系统的电流过大,保护电源系统安全,降低功耗和发热,并能在过流导致电路断开后自动恢复电路导通,无需人工手动操作,而且电源开关供电电路结构简单,成本极低,适合大量商用,实用性强。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,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性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的电源开关供电电路的原理图;
图2为本申请实施例提供的电源开关供电电路的线路图。
其中,图中各附图标记:
1-输入端;2-输出端;3-开关;31-第一金属氧化物半导体场效应晶体管;4-正温度系数热敏电阻;5-负温度系数热敏电阻;6-开关驱动电路;61-第二金属氧化物半导体场效应晶体管;62-微控制单元;63-第一限流元件;64-第二限流元件;641-第二限流电阻;65-第二分压元件;66-第二稳压元件;7-第一稳压元件;8-第一分压元件;81-第一分压电阻;9-滤波元件。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本申请进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。
需要说明的是,当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是,术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或更多个该特征。在本申请的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
现对本申请实施例提供的一种电源开关供电电路进行说明。
请参阅图1和图2,本申请提供的电源开关供电电路,包括输入端1、输出端2、开关3、正温度系数热敏电阻4和负温度系数热敏电阻5,输入端1用于连接电源,输出端2用于连接负载,开关3、正温度系数热敏电阻4和负温度系数热敏电阻5串联于输入端1与输出端2之间。
上述实施例中的电源开关供电电路的工作原理为:
正温度系数(Positive Temperature Coefficient,PTC)热敏电阻4,常温下自身的电阻会比较小,比如0.2欧姆,而随着温度上升,正温度系数热敏电阻4自身的电阻会显著增大,比如无穷大,从而能够形成开路状态。
负温度系数(Negative Temperature Coefficient,NTC)热敏电阻5,常温下自身的电阻会比较大,例如5欧姆,而随着温度上升,负温度系数热敏电阻5自身的电阻会减小,比如减小至1欧姆。
当开关3接通时,负载与电源连通。负载上电的瞬间,负载电容会吸收比较大的电流,但由于负温度系数热敏电阻5的存在,且此时负温度系数热敏电阻5的温度较低,阻抗较大,比如5欧姆,电源开关供电电路中的最大电流是固定的,即60V/5欧姆=12A的瞬态电流,从而负温度系数热敏电阻5在上电的过程中起到限制电流的作用,有效抑制上电电流过冲;负载电容在完成充电过程中,电源开关供电电路中的电流会快速减小到负载所需的额定电流,并持续为该额定电流,在该持续的额定电流的作用下,负温度系数热敏电阻5的温度会升高,使得负温度系数热敏电阻5的阻抗减少,最后达到温度与阻抗的平衡,此时负温度系数热敏电阻5的阻抗较小,比如1欧姆,同时正温度系数热敏电阻4在负载上电的瞬间和负载电容充电过程中由于没有持续的大电流状态,正温度系数热敏电阻4本身的温度不会增加,阻抗较小,比如0.2欧姆,因此在正常供电过程中,PCT热敏电阻4和NCT热敏电阻5均处于阻抗较小的状态,有效减少电源系统的能量损耗,降低功耗和发热,减少能源浪费,降低使用成本。
在供电过程中,当外部负载由于某种原因出现问题故障时,比如短路或雷电浪涌,负载会吸收非常大的峰值电流,超过电源系统的供电能力,峰值电流流过正温度系数热敏电阻4时,会导致正温度系数热敏电阻4的阻抗陡增,变为无穷大,从而使得电源开关电路处于开路状态,即使负载断电,保护电源系统安全;问题故障消除之后,正温度系数热敏电阻4的温度降低,PCT热敏电阻4的阻抗恢复到较小状态,从而自动恢复负载与电源连通,无需人工手动操作,使用简单方便。
上述实施例中的电源开关供电电路,通过与开关3串联设置正温度系数热敏电阻4和负温度系数热敏电阻5,有效解决负载上电瞬间过流和负载故障时电流过大的技术问题,有效防止电源系统的电流过大,保护电源系统安全,降低功耗和发热,并能在过流导致电路断开后自动恢复电路导通,无需人工手动操作,而且电源开关供电电路结构简单,成本极低,适合大量商用。
在一个具体实施例中,正温度系数热敏电阻4的型号为A72-110;负温度系数热敏电阻5的型号为NTC5D-9。
可选地,开关3、正温度系数热敏电阻4和负温度系数热敏电阻5以任意顺序串联于输入端1与输出端2之间。例如,开关3与输出端2连接,正温度系数热敏电阻4和负温度系数热敏电阻5以任意顺序串联于开关3与输入端1之间;或者,开关3与输入端1连接,正温度系数热敏电阻4和负温度系数热敏电阻5以任意顺序串联于开关3与输出端2之间;或者,开关3连接于正温度系数热敏电阻4和负温度系数热敏电阻5之间。
可选地,电源开关供电电路还包括开关驱动电路6,开关驱动电路6与开关3连接,开关驱动电路6用于驱动开关3的通断。通过设置开关驱动电路6,实现对开关3的自动通断控制,无需人工手动操作,自动化程度高,使用简单方便,实用性强。
在本申请的其中一个实施例中,开关3为第一金属氧化物半导体场效应晶体管31,第一金属氧化物半导体场效应晶体管31的漏极与输出端2连接,第一金属氧化物半导体场效应晶体管31的栅极与开关驱动电路6连接,第一金属氧化物半导体场效应晶体管31的源极与正温度系数热敏电阻4或负温度系数热敏电阻5连接。金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET),其特点是用栅极与源极之间的电压来控制漏极电流,通过设置第一金属氧化物半导体场效应晶体管31与输出端2连接,并由开关驱动电路6控制第一金属氧化物半导体场效应晶体管31的通断,使得电源开关供电电流的大小取决于第一金属氧化物半导体场效应晶体管31的最大工作电流的大小,驱动电路简单,需要的驱动功率小,开关速度快,工作频率高,热稳定性优良,具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。
在一个具体实施例中,第一金属氧化物半导体场效应晶体管31为功率PMOS管,例如型号为P6010DDG的功率PMOS管。
可选地,电源开关供电电路还包括第一稳压元件7,第一稳压元件7并联于第一金属氧化物半导体场效应晶体管31的源极和栅极之间。通过设置第一稳压元件7,起到稳压作用,用于保证第一金属氧化物半导体场效应晶体管31的源极与栅极之间的电压稳定,有效保护第一金属氧化物半导体场效应晶体管31不被损坏,延长使用寿命,实用性强。
在一个具体实施例中,第一稳压元件7为稳压管,例如型号为LM3Z15VT1G的15V稳压管,稳压管两端的电压基本保持不变,有效限制第一金属氧化物半导体场效应晶体管31的源极和栅极的电压稳定。
可选地,电源开关供电电路还包括第一分压元件8,第一分压元件8并联于第一金属氧化物半导体场效应晶体管31的源极和栅极之间。通过设置第一分压元件8,当开关驱动电路6断开时,第一分压元件8两端的电压相同,进而限制第一金属氧化物半导体场效应晶体管31的源极和栅极的电压相同,即源极与栅极之间的电压差为零,从而保证第一金属氧化物半导体场效应晶体管31处于断开状态,避免第一金属氧化物半导体场效应晶体管31受到干扰而产生误操作,保证电源开关供电电路稳定可靠,保护电源系统安全,适合大量商用。
具体地,第一分压元件8包括串联的多个第一电阻81。通过采用多个第一电阻81,能够一起分担高压差的功率,可靠性高,而且有利于减小第一电阻81尺寸,便于减小电路封装尺寸,降低制造成本,适合大量商用。
在一个具体实施例中,包括两个阻值相同的第一分压电阻81,例如阻值均为130K欧姆。
在本申请的其中一个实施例中,开关驱动电路6包括第二金属氧化物半导体场效应晶体管61和微控制单元(Microcontroller Unit,MCU)62,第二金属氧化物半导体场效应晶体管61的漏极与第一金属氧化物半导体场效应晶体管31的栅极连接,微控制单元62与第二金属氧化物半导体场效应晶体管61的栅极连接,微控制单元62用于控制第二金属氧化物半导体场效应晶体管61的栅极与源极之间的电压差。通过设置微控制单元62和第二金属氧化物半导体场效应晶体管61,微控制单元62控制第二金属氧化物半导体场效应晶体管61的通断,第二金属氧化物半导体场效应晶体管61控制第一金属氧化物半导体场效应晶体管31的通断,有利于减小微控制单元62的驱动功率,降低功耗,保护微控制单元62安全,使用寿命长,降低成本,适合大量商用,实用性强。
上述实施例的开关驱动电路6使用时,微控制单元62控制第二金属氧化物半导体场效应晶体管61的栅极与源极之间的电压相等,压差为零,使得第二金属氧化物半导体场效应晶体管61的漏极与源极断开,从而使得第一金属氧化物半导体场效应晶体管31的栅极悬空,进而使得第一金属氧化物半导体场效应晶体管31的栅极与源极之间的电压相等,压差为零,则第一金属氧化物半导体场效应晶体管31的源极与漏极断开,即开关3断开,以实现电源开关供电电路的断开。相反,微控制单元62控制第二金属氧化物半导体场效应晶体管61的栅极与源极之间的电压不等,即压差不为零,使得第二金属氧化物半导体场效应晶体管61的漏极与源极导通,进而使得第一金属氧化物半导体场效应晶体管31的栅极与源极之间的电压不相等,出现电压差,则第一金属氧化物半导体场效应晶体管31的源极与漏极导通,即开关3接通,以实现电源开关供电电路的导通。
在一个具体实施例中,第二金属氧化物半导体场效应晶体管61为NMOS管,例如型号为BSS123的NMOS管。
可选地,开关驱动电路6还包括第一限流元件63,第一限流元件63串联于微控制单元62与第二金属氧化物半导体场效应晶体管61的栅极之间。通过与微控制单元62串联第一限流元件63,当第二金属氧化物半导体场效应晶体管61损坏导致短路时,第一限流元件63能够作为负载,防止微控制单元62收到的电流过大,实现对微控制单元62的短路保护,并避免第二金属氧化物半导体场效应晶体管61开启过快,保证电源开关供电电路稳定安全可靠工作,延长使用寿命,适合大量商用。
在一个具体实施例中,第一限流元件63为第一限流电阻,例如阻值为33欧姆的电阻。
可选地,开关驱动电路6还包括第二限流元件64,第二限流元件64串联于第二金属氧化物半导体场效应晶体管61的漏极与第一金属氧化物半导体场效应晶体管31的栅极之间。通过与第二金属氧化物半导体场效应晶体管61串联第二限流元件64,当第一金属氧化物半导体场效应晶体管31损坏导致短路时,第二限流元件64能够作为负载,防止第二金属氧化物半导体场效应晶体管61受到过高电压而损坏,实现对第二金属氧化物半导体场效应晶体管61的短路保护,并避免第一金属氧化物半导体场效应晶体管31开启过快,保证电源开关供电电路稳定安全可靠工作,延长使用寿命,适合大量商用。
优选地,第二限流元件64包括串联的多个第二限流电阻641。通过采用多个第二限流电阻641,能够一起分担高压差的功率,可靠性高,而且有利于减小第二限流电阻641的尺寸,便于减小电路封装尺寸,降低制造成本,适合大量商用,实用性强。
在一个具体实施例中,包括两个阻值相同的第二限流电阻641,例如阻值均为56K欧姆。
可选地,开关驱动电路6还包括第二分压元件65,第二分压元件65并联于第二金属氧化物半导体场效应晶体管61的源极和栅极之间。通过设置第二分压元件65,当微控制单元62断开时,第二分压元件65两端的电压相同,进而限制第二金属氧化物半导体场效应晶体管61的源极和栅极的电压相同,即源极与栅极之间的电压差为零,从而保证第二金属氧化物半导体场效应晶体管61处于断开状态,避免第二金属氧化物半导体场效应晶体管61受到干扰而产生误操作,保证电源开关供电电路稳定可靠,保护电源系统安全,适合大量商用。
在一个具体实施例中,第二分压元件65包括第二分压电阻,例如阻值为100K欧姆的电阻。
可选地,开关驱动电路6还包括第二稳压元件66,第二稳压元件66并联于第二金属氧化物半导体场效应晶体管61的源极和栅极之间。通过设置第二稳压元件66,起到稳压作用,用于保证第二金属氧化物半导体场效应晶体管61的源极与栅极之间的电压稳定,有效保护第二金属氧化物半导体场效应晶体管61不被损坏,保证电路稳定可靠工作,延长使用寿命,实用性强。
在一个具体实施例中,第二稳压元件66为滤波电容,例如1nF/50V的电容,抗干扰能力强,起到滤波稳定电压作用。
可选地,电源开关供电电路还包括滤波元件9,例如0.1UF/100V的滤波电容,抗干扰能力强,两滤波元件9连接于开关3的两端,起到滤波稳定电压作用。
本申请的另一实施例还提供了一种电源系统,该电源系统包括由上述任一实施例提供的电源开关供电电路。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电源开关供电电路,其特征在于:包括输入端、输出端、开关、正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻,所述输入端用于连接电源,所述输出端用于连接负载,所述开关、所述正温度系数热敏电阻和所述负温度系数热敏电阻串联于所述输入端与所述输出端之间。
2.根据权利要求1所述的电源开关供电电路,其特征在于:
所述电源开关供电电路还包括开关驱动电路,所述开关驱动电路与所述开关连接,所述开关驱动电路用于驱动所述开关的通断。
3.根据权利要求2所述的电源开关供电电路,其特征在于:
所述开关为第一金属氧化物半导体场效应晶体管,所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极与所述输出端连接,所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极与所述开关驱动电路连接,所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管的源极与所述正温度系数热敏电阻或所述负温度系数热敏电阻连接。
4.根据权利要求3所述的电源开关供电电路,其特征在于:
所述电源开关供电电路还包括第一稳压元件,所述第一稳压元件并联于所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管的源极和栅极之间。
5.根据权利要求3或4所述的电源开关供电电路,其特征在于:
所述开关驱动电路包括第二金属氧化物半导体场效应晶体管和微控制单元,所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极与所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极连接,所述微控制单元与所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极连接,所述微控制单元用于控制所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极与源极之间的电压差。
6.根据权利要求5所述的电源开关供电电路,其特征在于:
所述开关驱动电路还包括第一限流元件,所述第一限流元件串联于所述微控制单元与所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极之间。
7.根据权利要求5所述的电源开关供电电路,其特征在于:
所述开关驱动电路还包括第二限流元件,所述第二限流元件串联于所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极与所述第一金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极之间。
8.根据权利要求7所述的电源开关供电电路,其特征在于:
所述第二限流元件包括串联的多个第二限流电阻。
9.根据权利要求5所述的电源开关供电电路,其特征在于:
所述开关驱动电路还包括第二稳压元件,所述第二稳压元件并联于所述第二金属氧化物半导体场效应晶体管的源极和栅极之间。
10.一种电源系统,其特征在于,包括根据权利要求1至9中任一项所述的电源开关供电电路。
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