CN216086133U - Io保护电路及输入输出保护系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种IO保护电路及输入输出保护系统，包括：分别具有三个电极的第一开关器件和第二开关器件，其中，第一开关器件的第三电极与第二开关器件的第一电极相连，且第一开关器件的第一电极与第二开关器件的第三电极之间设有反馈电路；第二开关器件的第三电极通过一防倒灌电路连接至电源，第一开关器件的第一开关器件的第三电极通过一系统电阻连接至电源；第一开关器件的第一电极和第二电极之间连接一偏置电阻，输入端通过一限流电阻连接至第一开关器件的第一电极。本实用新型解决了现有技术中由于电路输出端发生异常而造成电路器件损害且占用较多PCB板面积的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及保护电路的技术领域，尤其涉及一种IO保护电路及输入输出保护系统。
背景技术
在电路设计中经常会涉及到板间或模块间的通讯线路保护问题。其中要解决的一个设计问题是如果接入电路的线缆意外短路到电源线或短路到地线，则如何保护电路不会损坏。为解决该技术问题，通常会设计一个保护电路，用于将外界异常与电路板上的核心器件隔离。但是在异常电压比较高的情况下，通常电路中起到保护作用的器件体积就会比较大，从而由于占用PCB板上的面积比较大而造成PCB板面积的浪费。
有鉴于此，有必要对现有技术中的电路保护方案予以改进，以解决上述问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于揭示一种IO保护电路及输入输出保护系统，以解决现有技术中由于电路输出端发生异常而造成电路器件损害且占用较多 PCB板面积的问题。
为实现上述目的之一，本实用新型提供了一种IO保护电路，包括：
分别具有三个电极的第一开关器件和第二开关器件，其中，第一开关器件的第三电极与第二开关器件的第一电极相连，且第一开关器件的第一电极与第二开关器件的第三电极之间设有反馈电路；
第二开关器件的第三电极通过一防倒灌电路连接至电源，第一开关器件的第一开关器件的第三电极通过一系统电阻连接至所述电源；
第一开关器件的第一电极和第二电极之间连接一偏置电阻，输入端通过一限流电阻连接至第一开关器件的第一电极。
作为本实用新型的进一步改进，所述反馈电路由反馈电阻R5或比较器构成。
作为本实用新型的进一步改进，所述防倒灌电路由限流电阻R4和防倒灌二极管D1构成，防倒灌二极管的阴极与第二开关器件的第三电极相连。
作为本实用新型的进一步改进，所述系统电阻R1＝17.4KΩ，所述偏置电阻R2＝1.62KΩ，所述限流电阻R3＝6.65KΩ，所述限流电阻R4＝280Ω，所述反馈电阻R5＝20KΩ。
作为本实用新型的进一步改进，电源电压Vcc＝5V，关断电压U0＝10V。
作为本实用新型的进一步改进，所述第一开关器件和所述第二开关器件均配置为三极管，且第一开关器件和第二开关器件的三个电极分别为基极、发射极、集电极。
作为本实用新型的进一步改进，所述第一开关器件和所述第二开关器件均配置为场效应管，且第一开关器件和第二开关器件的三个电极分别为栅极、源极、漏极。
作为本实用新型的进一步改进，所述输入端连接用于输出数字信号的控制单元，所述输出端连接外部通信电路。
作为本实用新型的进一步改进，所述第二开关器件的第二电极和第三电极之间并联一浪涌保护电路。
本实用新型还提供一种输入输出保护系统，包括：控制单元；以及IO 保护电路。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型的IO保护电路根据第一开关器件的第一电极和第二电极之间设置的偏置电阻、输入端与第一开关器件的第一电极之间设置的限流电阻、以及第一开关器件和第一电极与第二开关器件的第三电极之间设置的反馈电路，以在输出端发生异常产生高电压时将第二开关器件的功率限制在较小范围内，因此，本实用新型不仅能够使IO保护电路占用连接至其输入端的电路或设备的PCB面积较小，而且能够避免由于输出端异常高电压造成第二开关器件的功率过大而损坏，甚至对连接至输入端的电路或设备造成损坏的问题发生。由此，本实用新型解决了现有技术中由于电路输出端发生异常而造成电路器件损害且占用较多PCB板面积的问题。
附图说明
图1为本实用新型一个实施例的输入输出保护系统的示意性结构框图；
图2为本实用新型一个实施例的IO保护电路的示意性电路图；
图3为本实用新型一个实施例的IO保护电路的示意性电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本实用新型的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本实用新型的保护范围之内。
如图1所示，本实施例提供一种输入输出保护系统，其包括：IO保护电路100；IO保护电路100输入端(即Input端)连接的控制单元200(即PCB 板上的内部电路，如MCU等需要输出数字信息的芯片)；以及，IO保护电路100输出端(即Output端)连接的外部通信电路300，具体可通过PCB 板上的连接器等直接与外部通信电缆连接。其中，外部通信电路300具体包括水泵控制电路板、喷头控制电路板或者电池控制电路板等。
如图2所示，本实施例的IO保护电路100具体包括：分别具有三个电极的第一开关器件和第二开关器件，其中，第一开关器件的第三电极与第二开关器件的第一电极相连，且第一开关器件的第一电极与第二开关器件的第三电极之间设有反馈电路；第二开关器件的第三电极通过一防倒灌电路连接至电源(电源电压Vcc)，第一开关器件的第三电极通过一系统电阻R1连接至电源；第一开关器件的第一电极和第二电极之间连接一偏置电阻R2，IO保护电路100的Input端通过一限流电阻R3连接至第一开关器件的第一电极。
本实施例的IO保护电路根据第一开关器件的第一电极和第二电极之间设置的偏置电阻R2、输入端与第一开关器件的第一电极之间设置的限流电阻R3、以及第一开关器件和第一电极与第二开关器件的第三电极之间设置的反馈电路，以在输出端发生异常产生高电压时将第二开关器件的功率限制在较小范围内，因此，本实施例不仅能够使IO保护电路占用连接至其输入端的电路或设备的PCB面积较小，而且能够避免由于输出端异常高电压造成第二开关器件的功率过大而损坏，甚至对连接至输入端的电路或设备造成损坏的问题发生。由此，本实施例解决了现有技术中由于电路输出端发生异常而造成电路器件损害且占用较多PCB板面积的问题。
其中，可根据IO保护电路中设置的偏置电阻R2、限流电阻R3以及反馈电路设置关断电压UOC(即设置第二开关器件的第三电极与第二电极之间的电压为UOC)，从而通过偏置电阻R2、限流电阻R3以及反馈电路设置的关断电压UOC，使得输出端发生异常产生高电压时将第二开关器件的功率限制在较小范围内，以避免由于输出端异常高电压造成第二开关器件的功率过大而损坏，甚至对连接至输入端的电路或设备造成损坏的问题发生。
需要说明的是，第一开关器件和第二开关器件的第二电极均连接至系统地，第二开关器件的第三电极与第二电极之间的电压即为IO保护电路100 的Output端的输出电压UO。其中，第二开关器件的第二电极和第三电极之间并联一浪涌保护电路30(具体可由TVS等器件构成)。
防倒灌电路10由限流电阻R4和防倒灌二极管D1构成，其中，防倒灌二极管的阴极与第二开关器件的第三电极相连。反馈电路20可由反馈电阻 R5构成。偏置电阻R2、限流电阻R3、反馈电阻R5及关断电压UOC满足如下公式：
R5＞(Umax-UA12)2/P0(2)
其中，Umax为输出端异常时的最高电压，UA12为第一开关器件的第一电极与第二电极之间的电压，P0为反馈电阻R5的预设功率，IA12为第一开关器件处于饱和导通状态时流过其第一电极的电流，Ui为输入端的输入电压，Vcc 为电源电压，UD1为防倒灌二极管的导通电压。UB32为第二开关器件的第三电极与第二电极之间的电压，IB32为输出端的最大输出电流。
在上述一个具体的实施例中，第一开关器件和第二开关器件均配置为三极管，且第一开关器件和第二开关器件的三个电极分别为基极b、发射极e、集电极c。在本实施例中，IO保护电路100中各个器件的计算过程如下：
在IO保护电路100正常工作且Input端的输入电压Ui为0V时，选择输出端的最大电流为15mA，输出低电平(即UCE2，也即UB32)不高于0.1V。即UCE2＝0.1V时ICE2＝15mA(即IB32＝15mA)。由此，基于公式(1)可知 R4＝280Ω。其中，Vcc为5V，UD1＝0.7V。
当输出端(即Output端)短路到高电压时，本实施例将高电压的最高值设置为Umax＝60V，R5的功率限制为不超过250mW(即预设功率P0)，因此基于公式(2)可知R5＞(Umax-UA12)2/P0≈Um2ax/P0＝14.4KΩ，即根据R5的取值范围将R5取值为15KΩ、16.2KΩ、17.4KΩ、18.2KΩ、19.1KΩ、20KΩ等E96 标准阻值表中任一数值，本实施例中取R5＝20KΩ。
其中，根据三极管B的输出特性曲线可知UBE2(即UB12)为720.99mV，且根据三极管B的输入特性曲线可知当UCE2＝0.1V，UBE2＝720.99mV时， IBE2＝288.69μA。此时，在三极管A处于截止状态时，R1＝Vcc/IBE2＝17.3KΩ(按照E96标准阻值表，R1取17.4KΩ)。需要说明的是，当选定三极管A和三极管B时，其对应的输入、输出特性曲线可根据厂家提供的器件模型参数得知。
当三极管B处于临界截止状态时，对于硅管而言，取0.5V作为其基极关断电压，即U’BE2＝UCE1＝0.5V，则ICE1＝(Vcc-UCE1)/R1＝260.1μA。根据三级管A输出特性曲线可知，当UCE1＝0.5V，ICE1＝260.1μA时，UBE1＝608.58mV (即当UA32＝0.5V，IA32＝260.1μA时UA12＝608.58mV)。根据三级管A输入特性曲线可知，当UCE1＝0.5V，UBE1＝608.58mV时，IBE1＝2.58μA(即IA12＝2.58μA)。此时，假设UOC＝10V，则基于公式(3)可得知R2//R3＝1.3KΩ。
需要解释的是，IO保护电路100正常工作且对应的Input端的输入电压 Ui为0V时，R2与R3等效为并联接地，当Input端的输入电压为高电平时，三极管A基极电压会比Ui＝0V时更高，更有利于三极管B关断。因此Ui＝0V 时三极管B可以截止，输入高电平时三极管B一定可以截止。
当输入输出保护路100正常工作且Input端的输入电压为高电平(假设 Ui＝3.3V)时，三极管A处于饱和导通状态，则基于如下公式：
得知，IBE1＝2.89μA，其中，βA为三极管A的放大倍数，取βA＝100。为确保三极管A可以完全饱和导通，取IBE1＝10μA，且由三极管A的输入特性曲线可知，对应的UBE1约为644mV。
参图3所示，根据三极管A的基极节点的电流计算方法I1+I2＝I3+I4可得到公式(4)，将Ui＝3.3V，UBE1＝644mV，Vcc＝5V，UD1＝0.7V，R4＝280Ω， R5＝20KΩ带入公式(4)得到：R3＝4.13R2。结合R2//R3＝1.3KΩ和R3＝4.13R2 可得知：R2＝1.61KΩ，R3＝6.67KΩ。其中，按照E96标准阻值表，R2取1.62KΩ， R3取6.65KΩ。
如此，根据IO保护电路中各个器件参数的设置确定关断电压UOC，以在输出端发生异常产生高电压时将第二开关器件的功率限制在较小范围内，从而在占用连接至其输入端的电路或设备的PCB面积较小的情况下避免由于输出端异常高电压造成第二开关器件的功率过大而损坏，甚至对连接至输入端的电路或设备造成损坏的问题发生。
在上述另一个具体实施例中，第一开关器件和第二开关器件均配置为场效应管，且第一开关器件和第二开关器件的三个电极分别为栅极g(相当于三极管的基极b、源极s(相当于三极管的发射极e)、漏极d(相当于三极管的集电极c)。应理解，第一开关器件和第二开关器件均配置为场效应管的作用和原理与第一开关器件和第二开关器件均配置为三极管的原理相同或相似，因此，关于第一开关器件和第二开关器件均配置为场效应管以实现电路保护的过程或方案可参图2所示，对此不做详细说明。
在其他一些实施例中，反馈电路20也可由比较器构成。该比较器可配置为漏极开路输出型比较器，通过比较器所在支路、以及电阻R2和电阻R3 设置关断电压UOC，以使得IO保护电路100在占用连接至其输入端的电路或设备的PCB面积较小的情况下避免由于输出端异常高电压造成第二开关器件的功率过大而损坏，甚至对连接至输入端的电路或设备造成损坏的问题发生。其中，关于将反馈电路由比较器构成的方案为本领域技术人员所熟知的技术，以及通过比较器、电阻R2和电阻R3设置关断电压UOC的方案与上述所揭示的采用三极管的方案相似，具体可参上述所揭示的采用三极管实现电路保护的内容，对此不做赘述。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。
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方式加以描述，但并非每个实施方式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 (10)
1.一种IO保护电路，其特征在于，包括：
分别具有三个电极的第一开关器件和第二开关器件，其中，第一开关器件的第三电极与第二开关器件的第一电极相连，且第一开关器件的第一电极与第二开关器件的第三电极之间设有反馈电路；
第二开关器件的第三电极通过一防倒灌电路连接至电源，第一开关器件的第一开关器件的第三电极通过一系统电阻连接至所述电源；
第一开关器件的第一电极和第二电极之间连接一偏置电阻，输入端通过一限流电阻连接至第一开关器件的第一电极。
2.根据权利要求1所述的IO保护电路，其特征在于，
所述反馈电路由反馈电阻或比较器构成。
3.根据权利要求2所述的IO保护电路，其特征在于，
所述防倒灌电路由限流电阻R4和防倒灌二极管D1构成，防倒灌二极管的阴极与第二开关器件的第三电极相连。
4.根据权利要求3所述的IO保护电路，其特征在于，
所述系统电阻R1＝17.4KΩ，所述偏置电阻R2＝1.62KΩ，所述限流电阻R3＝6.65KΩ，所述限流电阻R4＝280Ω，所述反馈电阻R5＝20KΩ。
5.根据权利要求4所述的IO保护电路，其特征在于，
电源电压Vcc＝5V，关断电压UOC＝10V。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的IO保护电路，其特征在于，
所述第一开关器件和所述第二开关器件均配置为三极管，且第一开关器件和第二开关器件的三个电极分别为基极、发射极、集电极。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的IO保护电路，其特征在于，
所述第一开关器件和所述第二开关器件均配置为场效应管，且第一开关器件和第二开关器件的三个电极分别为栅极、源极、漏极。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的IO保护电路，其特征在于，
所述输入端连接用于输出数字信号的控制单元，所述IO保护电路的输出端连接外部通信电路。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的IO保护电路，其特征在于，
所述第二开关器件的第二电极和第三电极之间并联一浪涌保护电路。
10.一种输入输出保护系统，其特征在于，包括：控制单元；以及如权1～9任一项所述的IO保护电路。
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