CN216625280U - 一种过流保护电路及电系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种过流保护电路及电系统，该电路包括：开关电路，开关电路的输入端与外部电源连接；采样电路，采样电路分别连接开关电路的输出端和外部负载，用于采样外部电源通过开关电路输入至外部负载的电信号；采样控制电路，采样控制电路分别与开关电路的控制端和采样电路连接，用于响应于采样电路采样的电信号，控制开关电路的输入端与输出端之间的通路断开或导通。本申请所提供的技术方案，可以较好地实现降低后期维护的成本，同时还减小了过流保护电路的体积。

Description

一种过流保护电路及电系统

技术领域

本申请涉及电子技术领域，特别是涉及一种过流保护电路及电系统。

背景技术

在新能源电系统应用场景中，存在一种应用工况，即一个大功率电源的输出需要带多个负载。这几个负载需要独立控制和过流保护，这样就会实现在任意一个负载出现短路或者其他故障，不会影响其他负载的工作。但是在当前的技术中，多是继电器实现对不同负载的独立控制，通过分别为不同的负载设置保险丝实现独立保护。但是，由于保险丝作为一种易损器件，在对电路进行布局时往往需要考虑更换的便利性，同时在保险丝熔断之后，控制系统是无法识别出对应的故障，还需要增加额外的检测电路来判断，增加了后期维护的成本。

实用新型内容

本申请主要解决的技术问题是提供一种过流保护电路及电系统，可以较好地实现降低后期维护的成本，同时还减小了过流保护电路的体积。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种过流保护电路，所述过流保护电路包括：

开关电路，所述开关电路的输入端与外部电源连接；

采样电路，所述采样电路分别连接所述开关电路的输出端和外部负载，用于采样所述外部电源通过所述开关电路输入至所述外部负载的电信号；

采样控制电路，所述采样控制电路分别与所述开关电路的控制端和所述采样电路连接，用于响应于所述采样电路采样的电信号，控制所述开关电路的输入端与输出端之间的通路断开或导通。

进一步地，所述采样控制电路包括：

比较电路，与所述采样电路连接，用于将所述电信号与所述第一预设阈值进行比较，并响应于所述电信号大于或等于所述第一预设阈值输出第一控制信号；

控制电路，所述控制电路分别与所述比较电路和所述开关电路的控制端连接，用于响应于所述第一控制信号，控制所述开关电路的输入端与输出端之间的通路断开。

更进一步地，所述过流保护电路还包括隔离驱动电路，所述隔离驱动电路分别连接所述控制电路和所述开关电路的控制端；

所述控制电路包括第一光耦、第二光耦和控制芯片；

其中，所述第一光耦连接所述比较电路的输出端和所述控制芯片，所述第一光耦用于响应于所述第一控制信号，触发所述控制芯片控制所述开关电路输入端和输出端断开；

所述第二光耦连接所述比较电路和所述隔离驱动电路，所述第二光耦用于响应于所述第一控制信号，使得所述开关电路的输入端和输出端断开。

更进一步地，所述采样控制电路还包括差分放大电路，所述差分放大电路连接所述采样电路和所述比较电路，所述差分放大电路用于对所述采样电路采样所得的所述电信号进行放大处理。

再进一步地，所述采样控制电路还包括电压跟随电路，所述电压跟随电路连接所述差分放大电路和所述比较电路，用于对经过所述差分放大电路放大处理后的电信号进行电流放大处理。

其中，所述采样控制电路还包括缓冲电路，所述缓冲电路连接所述电压跟随电路和所述比较电路，以用于避免所述比较电路输出反复跳变。

其中，所述缓冲电路包括：二极管、第一电阻和第一电容，所述二极管连接所述电压跟随电路和所述比较电路，所述第一电阻连接所述电压跟随电路和所述比较电路，所述第一电容分别与所述第一电阻和所述二极管的输出端连接。

更进一步地，所述比较电路包括轨到轨的运放或带上拉电阻的比较器。

进一步地，所述开关电路包括MOS管；

所述采样电路包括采样电阻。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种电系统，所述电系统包括如上述任意一项所述的过流保护电路。

本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请所提供的技术方案，通过提供包括开关电路、采样电路和采样控制电路的过流保护电路，并设置开关电路的输入端与外部电源连接，采样电路分别连接开关电路的输出端和外部负载，用于采样外部电源通过开关电路输入至外部负载的电信号，采样控制电路分别与开关电路的控制端和采样电路连接，采样控制电路用于响应于采样电路采样所得的电信号，控制开关电路的输入端与输出端之间的通路断开或导通，相比于现有技术，通过设置采样控制电路根据采样电路采样所得的电信号快速控制开关电路输入端与输出端之间通路断开或导通，可以在避免损坏电子器件前提下实现对外部负载进行过流保护，避免频繁更换用于过流保护的器件，可以较好地实现降低后期维护的成本，同时还减小了过流保护电路的体积，起到了良好的技术效果。

附图说明

图1为本申请一种过流保护电路一实施例中的结构示意图；

图2为本申请一种过流保护电路另一实施例中的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

请参见图1，图1为本申请一种过流保护电路100一实施例中的结构示意图。在当前实施例中，本申请所提供的过流保护电路100包括开关电路10、采样电路20和采样控制电路30。

其中，开关电路10的输入端与外部电源1连接，开关电路10的输出端连接外部负载2，开关电路10受控使得外部电源1和外部负载2之间的通路导通或断开。

具体地，开关电路10用于在采样控制电路30的控制下，导通外部电源1与外部负载2，以使得外部电源1为外部负载2进行供电；当通过开关电路10输入至外部负载2的电流过大，即通过开关电路10输入至外部负载2的电信号大于或等于第一预设阈值时，开关电路10还用于在采样控制电路30的控制下，断开外部电源1与外部负载2，进而保护外部负载2中的器件避免因输入电流过大而被损坏，实现对外部负载2中的元器件的过流保护。

采样电路20分别连接开关电路10的输出端和外部负载2，用于采样外部电源1通过开关电路10输入至外部负载2的电信号。采样电路20还用于与采样控制电路30连接，用于将采样所得的电信号反馈至采样控制电路30，进而使得采样控制电路30可以根据采样所得的电信号控制开关电路10的通断。

进一步地，采样电路20包括采样电阻Rs，开关电路10包括MOS管Q1。其中，MOS管的类型可以包括N-MOS管或P-MOS管。在一实施例中，以N-MOS管为例，N-MOS管的栅极与采样控制电路30连接，N-MOS管的漏极与外部电源1端连接，N-MOS管的源极与外部负载2端连接。

具体地，采样电阻Rs的一端连接开关电路10的输出端，采样电阻Rs的另一端连接外部负载2的输入端(当开关电路10为MOS管时，则采样电阻Rs一端连接MOS管的源极，采样电阻Rs的另一端连接外部负载2的输入端)，采样控制电路30分别连接采样电阻Rs的两端，使得采样控制电路30可以获取到采样电阻Rs的电压，进而使得采样控制电路30根据采样电阻Rs的实时电压确定输入至外部负载2的电信号实时的电流值，并根据电流值进一步判断当前输入是否为过流输入。

采样控制电路30分别与开关电路10的控制端和采样电路20连接，用于响应采样电路20采样的电信号，控制开关电路10的输入端与输出端之间的通路断开或导通。

在一实施例中，在外部负载2与外部电源1接通之后，当采样控制电路30确定采样电路20采样的电信号大于或等于第一预设阈值时，采样控制电路30则会进一步控制开关电路10的输入端与输出端之间的通路断开，进而实现使得外部负载2与外部电源1之间断开，从而保护外部负载2中的电子器件避免因为输入电流过大而损坏。

在另一实施例中，在外部负载2与外部电源1接通之后，当采样电路20采样的电信号小于第一预设阈值时，则进一步控制开关电路10的输入端与输出端之间保持连接状态，使得外部负载2与外部电源1之间保持接通，从而保持外部电源1继续为外部负载2进行供电。

进一步地，当采样电路20为采样电阻Rs时，则采样控制电路30通过确定采样电阻Rs的电压，并结合采样电阻Rs的阻值，进而确定流经采样电阻Rs的电流信号的电流值，然后将所确定的电流信号的电流值与预先设定的第一预设阈值进行比较，并基于电流值与第一预设阈值的比较结果控制开关电路10。如若，流经采样电阻Rs的电流信号的电流值大于或等于第一预设阈值，则判断此时出现过流输入的情况，采样控制电路30会进一步控制开关电路10的输入端与输出端断开，进而将外部负载2与外部电源1断开，使得外部电源1停止为外部负载2供电，从而保护外部负载2中的各个电子器件不会因为过流输入而被损坏。反之，如若经过判断得到流经采样电阻Rs的电流信号的电流值小于第一预设阈值，则采样控制电路30确定得到当前的输入为符合外部负载2的需求(即此时不存在过流输入的情况)，此时采样控制电路30会控制保持开关电路10的输入端与输出端处于接通状态。

本申请图1所对应的实施例中，通过提供包括开关电路10、采样电路20和采样控制电路30的过流保护电路100，并设置开关电路10的输入端与外部电源1连接，采样电路20分别连接开关电路10的输出端和外部负载2，用于采样外部电源1通过开关电路10输入至外部负载2的电信号，采样控制电路30分别与开关电路10的控制端和采样电路20连接，采样控制电路30用于响应于采样电路20采样所得的电信号，控制开关电路10的输入端与输出端之间的通路断开或导通，相比于现有技术中设置继电器和保险丝进行过流保护，本申请所提供的技术方案通过设置采样控制电路30，利用采样控制电路30根据采样电路20采样所得的电信号快速控制开关电路10输入端与输出端之间通路断开或导通，可以在避免损坏电子器件前提下实现对外部负载2进行过流保护，避免因过流保护而频繁更换用于过流保护的器件，可以较好地实现降低后期维护的成本，同时还减小了过流保护电路100的体积。

请参见图2，图2为本申请一种过流保护电路100另一实施例中的结构示意图。在当前实施例中，本申请所提供的过流保护电路100中的采样控制电路30包括比较电路33和控制电路34。

其中，比较电路33与采样电路20连接，采样电路20采样所得的电信号反馈至比较电路33，比较电路33用于将采样所得的电信号与第一预设阈值进行比较，并响应于电信号大于或等于第一预设阈值输出第一控制信号，然后将第一控制信号输入至控制电路34。

进一步地，当采样电路20反馈至比较电路33的电信号大于或等于第一预设阈值时，则比较电路33会生成第一控制信号并将其输出至控制电路34，以使得控制电路34根据第一控制信号控制开关电路10。

其中，需要说明的是，比较电路33包括轨到轨的运放或带上拉电阻的比较器。其中，当比较电路33包括轨到轨的运放时，可以实现降低比较电路33正端电压的计算比较难度，实现快速计算求得输入至比较电路33的两个比较电压，提高过流保护电路100的响应速度。

进一步地，在一实施例中，是从电压的角度判断采样电路20采样所得的电信号是否大于或等于第一预设阈值，此时，第一预设阈值为预先设定的电压阈值，用于判断此时经过开关电路10输入至外部负载2的电信号是否存在过流的情况。

更进一步地，比较电路33输入端输入的比较电压的计算方式如下：

其中，V_H为比较电路33正端输入的高电压，V_L为比较电路33正端输入的低电压，Vref为基准电压，VCC为电源电压。

控制电路34分别与比较电路33和开关电路10的控制端连接，用于响应于比较电路33输出的第一控制信号，控制开关电路10的输入端与输出端之间的通路断开。具体地，控制电路34与比较电路33连接，用于接收比较电路33基于比较所得的电压比较结果所生成的第一控制信号，控制电路34会进一步根据第一控制信号，控制开关电路10的输入端与输出端之间的通路断开，进而使得外部负载2与外部电源1断开。

请继续参见图2，过流保护电路100还包括隔离驱动电路U1。

其中，隔离驱动电路U1分别连接控制电路34和开关电路10的控制端，隔离驱动电路U1用于在控制电路34的控制下，使得开关电路10的输入端与输出端处于导通或断开的状态。

进一步地，控制电路34包括第一光耦U2、第二光耦U3和控制芯片341。

其中，第一光耦U2连接比较电路33的输出端和控制芯片341，第一光耦U2用于响应于第一控制信号，导通上拉电阻R12和地端SGND，实现将控制芯片341的检测信号MCU被拉到SGND，标识检测到故障，进而触发控制芯片341控制开关电路10的输入端与输出端断开。

第二光耦U3连接比较电路33和隔离驱动电路U1，第二光耦U3用于响应于第一控制信号，导通隔离驱动电路U1的正端和负端，以使得开关电路10的输入端和输出端断开。

在一实施例中，当经过差分放大电路31输出的电信号的电压V_c1大于V_H时，比较电路33输出低电平，此时第一光耦U2和第二光耦U3导通，第一光耦U2导通则控制芯片341的检测信号MCU被拉到SGND，此时控制芯片341确定存在过流输入的故障，则会控制将开关电路10关断。

进一步地，为防止干扰，故障判断可以增加一定时间的延时，所以MCU的保护为慢速保护。

第二光耦U3导通，此时隔离驱动电路U1的正端和负端短接，即图中CTRL+和CTRL-短路，开关电路10直接被控制关断，这一路的保护为快速保护，在CTRL+和CTRL-短路时能够瞬间响应将开关电路10的输入端与输出端关断。当比较电路33检测得到V_c1再次下降到V_L以下时，此时比较电路33输出高电平，此时第一光耦U2和第二光耦U3则会停止动作，以保持开关电路10处于接通状态。

基于上述描述，假设缓冲电路中的二极管上的压降是V_D1，则过流保护点的电流I_OCP的计算公式如下：

进一步地，请继续参见图2，采样控制电路30还包括差分放大电路31。其中，差分放大电路31连接采样电路20和比较电路33，差分放大电路31用于对采样电路20采样所得的电信号进行放大处理。具体地，在当前实施例中，差分放大电路31是用于对采样电路20采样所得的电信号进行电压放大。

更进一步地，为了使得采样电路20采样所得的电信号抗干扰信号进一步被增强，请继续参见图2，采样控制电路30还包括电压跟随电路32。其中，电压跟随电路32连接差分放大电路31和比较电路33，用于对经过差分地方大电路放大处理后的电信号进行电流放大处理。其中，需要说明的是，电压跟随电路32是通过利用调整阻抗实现对放大电路输出的电信号进行电流放大处理，使得采样所得的信号更为稳定，然后将各位稳定的电信号输入至比较电路33，进而与预先设定的第一预设阈值进行比较。

进一步地，为了避免比较电路33输出的结果反复跳变，采样控制电路30还包括缓冲电路(图未标识)。其中，缓冲电路连接电压跟随电路32和比较电路33，用于实现快充慢放，以用于避免比较电路33输出反复跳变。

更进一步地，缓冲电路包括：二极管D1、第一电阻R5和第一电容C1。其中，二极管D1连接电压跟随电路32和比较电路33，第一电阻R5连接电压跟随电路32和比较电路33，第一电容C1分别与第一电阻R5和二极管D1的输出端连接。在电压上升的过程中，电压跟随电路32输出的电信号流经二极管D1为第一电容C1进行充电直至充满，在第一电容C1充电这一过程会预留一定的延迟时间，在第一电容C1充满后，电压跟随电路32输出的电信号经过第一电阻R5直接输出至比较电路33，在此过程中可以使得比较电路33延迟一定的时间接收到电压上升后的电信号。当采样所得的电压下降时，此时第一电容C1会通过第一电阻R5对外进行放电，由于第一电阻R5的阻值较大，故第一电容C1的电压下降速度会远远小于输入至比较电路33的电信号的电压下降速度，从而实现使得第一电阻R5输出至比较电路33的电信号在延迟的时间内延迟变化，直至第一电容C1放电完毕，从而避免比较电路33的输出反复跳变。

进一步地，当某一应用本申请所提供的过流保护电路100的电系统中包括多个外部负载2需要过流保护时，则可以通过分别为每一个外部负载2对应设置一个本申请所提供的过流保护电路100，即可实现为每一个外部负载2提供过流保护服务。

请同时结合图1至图2，本申请所提供的过流保护电路的工作过程如下：

图中的Vo和GND分别是电源模块输出的正端和负端。Q1是用于控制对外部负载2上电的开关电路。进一步地，开关电路还可以包括：半导体器件、继电器和MOS管。图2中是以MOS管为例来做说明。CTRL+和CTRL-为开关电路Q1的控制信号，具体是通过隔离驱动电路U1来控制开关电路Q1，当CTRL+相对CTRL-为高电平时，开关电路Q1开通；当CTRL+相对CTRL-为低电平时，开关电路Q1关断。

VCC是辅助电源(辅助电源包括VCC、VCC1、VCC2、VCC3)，参考地为MOS管的源极，VCC用于给隔离驱动电路U1、第一光耦U2、第二光耦U3、差分放大电路A1(差分放大电路同时包括电阻R1、R2、R3及R4)、电压跟随电路A2、比较电路A3供电。VCC可以通过隔离反激开关电源实现，在此不做过多说明。其中，图中的R8和R9为第一光耦中的电阻，R10和R11为第二光耦中的电阻，C2为第一光耦中用于与上拉电阻R12匹配的电容。

VCC2是控制芯片一侧的辅助电源，参考地为SGND。Rs为串在输出回路中的采样电阻，也可以理解为电流检测电阻，Io用于标识经过开关电路10输入至外部负载的电信号的电流值。运放A1和电阻R1、R2、R3及R4形成差分放大电路，用于放大采样电阻Rs两端的电压信号。其中R1＝R2，R3＝R4，放大比例为R3/R1。放大后的电压如下述公式：

电压跟随电路A2接在差分放大电路的后面，用于增加电信号的抗干扰能力。电压跟随电路A2的输出电压与差分放大电路A1输出的电压相同，记为Vs。在Vs上升时通过二极管D1给第一电容C1充电，第一电容C1上的电压Vc1和Vs同步上升，当Vs下降时第一电容C1通过第一电阻R5放电，第一电阻R5取值较大，所以第一电容C1上的电压Vc1的下降速度要远小于电压跟随电路输出的电信号的电压Vs。第一电容C1上的电压Vc1快升慢降，能够实现快速保护同时防止比较电路A3输出反复跳变，实现使得开关电路在被关断一定时间之后才可以被控制接通，从而可以改善开关电路发热严重的问题。进一步地，比较电路还包括R6和R7。其中比较电路A3采用轨到轨的运放，Vref是过流点电压基准，是由另外设置的辅助电路(图未示)输出的基准比较的电压。比较电路A3正端输入的两个比较电平V_H和V_L的计算方式详见上文。

本申请还提供一种电系统，本申请所提供的电系统包括如上图1至图2及其所对应的任意一个实施例中所述的过流保护电路。本申请所提供的电系统，通过在电系统中设置有本申请所提供的过流保护电路，可以较好地对电系统进行过流保护，同时由于本申请所提供的过流保护电路的体积相比现有技术中大大减小，过同时也可以减少电系统的整体体积，也无需因为电路启动过流保护而频繁的更换器件，可以降低电系统后期的维护成本。

需要说明的是，当过流保护电路应用于电系统中，过流保护电路中的控制芯片可以是电系统中的处理器，即是在进行过流保护时，是由处理器控制开关电路的输入端和输出端断开或导通。

进一步地，电系统可以为终端设备、电器设备、计算机终端、工业设备、用于控制工业设备中控制装置等中任意一种，可以理解的，电系统还可以是其他任意一种设备，具体在此不一一列举。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种过流保护电路，其特征在于，所述过流保护电路包括：

开关电路，所述开关电路的输入端与外部电源连接；

采样电路，所述采样电路分别连接所述开关电路的输出端和外部负载，用于采样所述外部电源通过所述开关电路输入至所述外部负载的电信号；

采样控制电路，所述采样控制电路分别与所述开关电路的控制端和所述采样电路连接，用于响应于所述采样电路采样的电信号，控制所述开关电路的输入端与输出端之间的通路断开或导通。

2.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于，所述采样控制电路包括：

比较电路，与所述采样电路连接，用于将所述电信号与第一预设阈值进行比较，并响应于所述电信号大于或等于所述第一预设阈值输出第一控制信号；

控制电路，所述控制电路分别与所述比较电路和所述开关电路的控制端连接，用于响应于所述第一控制信号，控制所述开关电路的输入端与输出端之间的通路断开。

3.根据权利要求2所述的过流保护电路，其特征在于，所述过流保护电路还包括隔离驱动电路，所述隔离驱动电路分别连接所述控制电路和所述开关电路的控制端；

所述控制电路包括第一光耦、第二光耦和控制芯片；

其中，所述第一光耦连接所述比较电路的输出端和所述控制芯片，所述第一光耦用于响应于所述第一控制信号，触发所述控制芯片控制所述开关电路输入端和输出端断开；

所述第二光耦连接所述比较电路和所述隔离驱动电路，所述第二光耦用于响应于所述第一控制信号，使得所述开关电路的输入端和输出端断开。

4.根据权利要求2所述的过流保护电路，其特征在于，所述采样控制电路还包括差分放大电路，所述差分放大电路连接所述采样电路和所述比较电路，所述差分放大电路用于对所述采样电路采样所得的所述电信号进行放大处理。

5.根据权利要求4所述的过流保护电路，其特征在于，所述采样控制电路还包括电压跟随电路，所述电压跟随电路连接所述差分放大电路和所述比较电路，用于对经过所述差分放大电路放大处理后的电信号进行放大处理。

6.根据权利要求5所述的过流保护电路，其特征在于，所述采样控制电路还包括缓冲电路，所述缓冲电路连接所述电压跟随电路和所述比较电路，以用于避免所述比较电路输出反复跳变。

7.根据权利要求6所述的过流保护电路，其特征在于，所述缓冲电路包括：二极管、第一电阻和第一电容，所述二极管连接所述电压跟随电路和所述比较电路，所述第一电阻连接所述电压跟随电路和所述比较电路，所述第一电容分别与所述第一电阻和所述二极管的输出端连接。

8.根据权利要求2所述的过流保护电路，其特征在于，所述比较电路包括轨到轨的运放或带上拉电阻的比较器。

9.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于，

所述开关电路包括MOS管；

所述采样电路包括采样电阻。

10.一种电系统，其特征在于，所述电系统包括如权利要求1至9任意一项所述的过流保护电路。

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