CN216672596U - 一种防反接电路、自动充电机器人和充电系统 - Google Patents

一种防反接电路、自动充电机器人和充电系统 Download PDF

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许哲涛
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Abstract

本实用新型公开了一种防反接电路、自动充电机器人和充电系统，涉及电子技术领域，其一具体实施方式包括：第一NMOS管的源极与电源输入端连接、漏极与电源输出端连接、栅极与正向导通控制电路的输出端连接；第二NMOS管的源极与电源输入端连接、漏极与正向导通控制电路的输出端连接、栅极与反向导通控制电路的输出端连接；正向导通控制电路的一个输入端与电源输入端连接，另一输入端与电源输出端连接；反向导通控制电路的一个输入端与电源输入端连接，另一输入端与电源输出端连接。该实施方式利用NMOS导通内阻小于PMOS导通内阻的特点，监测NMOS源极和漏极电压差并反馈到栅极输入端，使源漏极压降可控，实现了正向输入导通压降小，反向输入快速截止的目的。

Description

一种防反接电路、自动充电机器人和充电系统
技术领域
本实用新型涉及电子技术领域，尤其涉及一种防反接电路、自动充电机器人和充电系统。
背景技术
自主回桩充电功能的机器人，充电极片通常裸露，电池极片与电池相连，充电时充电桩通过充电极片向机器人电池充电。机器人正常工作时，为防止电池通过极片向外部放电造成短路，需在充电极片与电池之间，加入电源输入侧防反接电路。
目前电源输入侧防反接电路参见图1所示：电源输入端接入二极管，当电源反接时二极管反向截止。在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有方式中二极管的压降在0.3V～0.7V之间，导通压降大，会产生较大的能量耗散，造成元件过热问题。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型实施例提供一种电源输入侧防反接电路、自动充电机器人和充电系统，至少能够解决现有技术中能量耗散高，导致元件过热的现象。
为实现上述目的，根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种电源输入侧防反接电路，包括第一NMOS管、第二NMOS管、正向导通控制电路、反向导通控制电路；
所述第一NMOS管的源极与电源输入端连接、漏极与电源输出端连接、栅极与所述正向导通控制电路的输出端连接；
所述第二NMOS管的源极与电源输入端连接、漏极与所述正向导通控制电路的输出端连接、栅极与所述反向导通控制电路的输出端连接；
所述正向导通控制电路的一个输入端与电源输入端连接，另一输入端与电源输出端连接；
所述反向导通控制电路的一个输入端与电源输入端连接，另一输入端与电源输出端连接。
可选的，所述正向导通控制电路包括放大器和第一降压器；
所述放大器的负向输入端与电源输出端连接，正向输入端与所述第一降压器的输出端连接，所述第一降压器的输入端与电源输入端连接。
可选的，所述反向导通控制电路包括比较器，所述比较器的负向输入端与电源输入端连接，正向输入端与电源输出端连接。
可选的，所述反向导通控制电路还包括第二降压器，所述比较器的正向输入端与所述第二降压器的输出端连接，所述第二降压器的输入端与电源输出端连接。
可选的，还包括供电电路，所述供电电路的输入端与电源输入端和电源输出端连接，输出端与所述正向导通控制电路的电源端、和所述反向导通控制电路的电源端连接。
可选的，所述供电电路包括升压电荷泵；
所述升压电荷泵的输入端与电源输入端和电源输出端连接，输出端与所述正向导通控制电路的电源端、和所述反向导通控制电路的电源端连接。
可选的，所述供电电路包括第一二极管和第二二极管；
所述第一二极管的正极与电源输入端连接，负极与所述升压电荷泵连接；
所述第二二极管的正极与电源输出端连接，负极与所述升压电荷泵连接；
所述升压电荷泵以所述第一二极管和所述第二二极管的并联输出作为输入。
可选的，所述升压电荷泵的输出端与所述正向导通控制电路中的放大器的电源端连接、和与所述反向导通控制电路中的比较器的电源端连接，以为放大器和比较器供电。
为实现上述目的，根据本实用新型实施例的另一方面，提供了一种自动充电机器人，包括充电极片、电池极片、电池和防反接电路，充电极片与防反接电路的电源输入端连接，电池极片与防反接电路的电源输出端连接，电池极片与电池连接。
为实现上述目的，根据本实用新型实施例的再一方面，提供了一种充电系统，包括充电桩和自动充电机器人，充电时充电桩通过自动充电机器人的充电极片，向自动充电机器人的电池充电。
根据本实用新型所述提供的方案，上述实用新型中的一个实施例具有如下优点或有益效果：针对电源输入侧反接保护，利用NMOS导通内阻小于PMOS导通内阻的特点，监测NMOS源极和漏极电压差值并反馈到栅极输入端，使源极和漏极压降可控，实现了正向电源输入导通压降小，反向电源输入快速截止的目的，进而使得能量耗散降低。
上述的非惯用的可选方式所具有的进一步效果将在下文中结合具体实施方式加以说明。
附图说明
附图用于更好地理解本实用新型，不构成对本实用新型的不当限定。其中：
图1是现有串联二极管的防反接电路原理图；
图2是防反接电路原理示意图；
图3(a)是一可选的防反接电路原理示意图；
图3(b)是另一可选的防反接电路原理示意图；
图4是加入供电电路后的防反接电路原理示意图；
图5(a)是一种可选的加入供电电路后的防反接电路原理示意图；
图5(b)是另一种可选的加入供电电路后的防反接电路原理示意图；
图6是一具体地电源输入侧防反接电路原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的示范性实施例做出说明，其中包括本实用新型实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本实用新型的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
参见图2，示出的是本实用新型实施例提供的一种防反接电路原理图，电源输入端电压为Vin，输出端电压为Vout。
NMOS1的源极S与电源输入端Vin连接、漏极D与电源输出端Vout连接、栅极G与正向导通控制电路的输出端连接；NMOS1的源极S与电源输入端Vin相连、漏极D与正向导通控制电路的输出端相连、栅极G与反向导通控制电路的输出端连接；实际操作中，NMOS1可以为大功率NMOS管，NMOS2可以为小功率NMOS管。
正向导通控制电路主要控制NMOS1的源极和漏极之间的压差，其一端与电源输入端Vin连接、另一端与电源输出端Vout连接；反向导通控制电路主要控制NMOS2的导通与截止，其一端与电源输入端Vin连接、另一端与电源输出端Vout连接。
参见图3(a)，示出的是本实用新型实施例提供的一可选的防反接电路原理图：
对于正向导通控制电路，包含放大器以及第一降压器V1，放大器的负向输入端VIN-与电源输出端Vout连接，正向输入端VIN+与第一降压器V1的输出端连接，第一降压器V1的输入端与电源输入端Vin连接。此时放大器的正向输入端VIN+电压，为电源输入端Vin经第一降压器V1降压后的电压，即Vin-V1。
对于反向导通控制电路，包含比较器，比较器的负向输入端VIN-与电源输入端Vin连接，正向输入端VIN+与电源输出端Vout连接。
参见图3(b)，示出的是本实用新型实施例提供的另一可选的防反接电路原理图：
对于反向导通控制电路，包含比较器和第二降压器V2，比较器的正向输入端VIN+与第二降压器V2的输出端连接，第二降压器V2的输入端与电源输出端Vout连接。此时比较器的正向输入端电压VIN+，为电源输出端电压经第二降压器V2降压后的电压，即Vout-V2。
此处阐述具体实现原理：
1、正向导通控制：当电源由输入端Vin正向输入时，Vin电压大于Vout电压，因此比较器的负向输入端Vin-＝Vin>正向输入端Vin+＝Vout，比较器输出低电平，使得NMOS2截止。此种是对于图3(a)所示电路，对于图3(b)电路，则是Vin>Vout-V2。
NMOS1的源极S电压高于漏极D电压，当两级压降大于V1时，可推导出Vin-Vout>V1，公式变换得到Vin-V1>Vout，由此放大器的正向输入端Vin+＝Vin-V1>负向输入端Vin-＝Vout，放大器的运放输出增大，导致NMOS1的栅极G电压增大，vGS增大、内阻减小，促使源极S和漏极D的压降降低，直至达到V1为止，运放输出实现平衡。
上述实施例中在电源正向输入时，NMOS1两端压降保持在V1，控制压降V1数值，可实现正向导通时NMOS1消耗较小率，以此降低NMOS1的发热情况。
2、反向导通控制：当电源由输出端Vout反向输入时，Vin电压小于Vout电压，比较器的负向输入端Vin-＝Vin<正向输入端Vin+＝Vout，比较器输出高电平，NMOS2的栅极G和源极S的压差大于导通电压，NMOS2导通。此种是对于图3(a)所示电路，对于图3(b)所示电路，则在当反向电压Vout大于V2时，比较器的负向输入端Vin-＝Vin<正向输入端Vin+＝Vout-V2。
NMOS1的源极S电压低于漏极D电压，放大器的正向输入端Vin+＝Vin<负向输入端Vin-＝Vout，放大器的运放输出低，NMOS1处于截止状态，使得反向输入电源处于断路状态，不会造成损坏。
上述实施例中在电源反向输入时，控制NMOS2导通，NMOS1快速截止，且可以通过调整V2数值，以实现对更小反向电压的快速关断，V2数值通常与被保护电路的参数有关。
需要说明的是，降压V1决定了NMOS1正向导通时的压降，V1越小NMOS1导通时的压降越低，受限于NMOS1实际导通内阻和V1降压电路最小降压值，V1优选大于20mV。降压V2决定了反向电压输入时NMOS反向关断触发阈值，V2数值过大，反向保护作用降低。V1过小易造成电路不稳定，V2优选取值在10mV～30mV之间。
参见图4，示出的是本实用新型实施例提供的一种加入供电电路的防反接电路原理图：
图2、图3(a)、图3(b)所示电路中，正向导通控制电路和反向导通控制电路可以自行供电，本实施方式中通过电源输入端和输出端供电。供电电路的输入端与电源输入端Vin和电源输出端Vout连接，输出端与正向导通控制电路和反向导通控制电路连接，用以为正向导通控制电路和反向导通控制电路提供电源。
其一种可选实施例参见图5(a)所示，供电电路中仅设置有升压电荷泵，以电源输入端Vin和电源输出端Vout电压为输入，经升压电荷泵升压后，为正向导通控制电路和反向导通控制电路提供电源。
另一种可选实施例参见图5(b)所示，还加入有二极管D1和D2，二极管D1的正极与电源输入端连接，二极管D2的正极与电源输出端连接，二极管D1与二极管D2的并联输出作为升压电荷泵的输入。
当电源由输入端Vin正向输入时，二极管D1导通，二极管D2反向截止，升压电荷泵的输入电源由NMOS1的S极经二极管D1提供。但当电源由输出端Vout反向输入时，二极管D2导通，二极管D1反向截止，升压电荷泵的输入电源经二极管D2提供(反向输入时VIN接地，地接电源)。
参见图6，示出了本实用新型实施例提供的一具体地电源输入侧防反接电路原理图，包括NMOS1、NMOS2、正向导通控制电路、反向导通控制电路和供电电路；
正向导通控制电路包括放大器和第一降压器，电源输入端电压经第一降压器降压后，输入到放大器的正向输入端，经放大器的运放输出，通过调整NMOS1的栅极电压，控制NMOS1源极和栅极的压降；
反向导通控制电路包括比较器和第二降压器，电源输出端电压经第二降压器降压后，输入到比较器的正向输入端，经比较器的输出高电平或低电平，控制NMS2的导通或截止；
供电电路包括升压电荷泵、二极管D1和二极管D2，升压电荷泵与放大器的电源端和比较器的电源端连接，用以给比较器和放大器供电。
本实施例所提供的防反接电路，针对电源输入侧反接保护，利用NMOS导通内阻小于PMOS导通内阻的特点，监测NMOS源极和漏极电压差值并反馈到栅极输入端，使源极和漏极压降可控，实现了正向电源输入导通压降小，反向电源输入快速截止的目的，进而使得能量耗散降低。
本方案提供的防反接电路，可以应用于自动充电机器人上，此时需在机器人充电极片和电池极片之间加入该防反接电路(可以封装电路)，充电极片连接防反接电路的电源输入端，电池极片连接防反接电路的电源输出端，电池极片与电池连接。通过该种防反接电路，机器人电池不会通过极片向外部放电造成短路。
自动充电机器人依赖充电桩自动充电，因而可以应用于一种充电系统上，充电桩通过机器人的充电极片，向机器人的电池充电。
上述具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防反接电路，其特征在于，包括第一NMOS管、第二NMOS管、正向导通控制电路、反向导通控制电路；
所述第一NMOS管的源极与电源输入端连接、漏极与电源输出端连接、栅极与所述正向导通控制电路的输出端连接；
所述第二NMOS管的源极与电源输入端连接、漏极与所述正向导通控制电路的输出端连接、栅极与所述反向导通控制电路的输出端连接；
所述正向导通控制电路的一个输入端与电源输入端连接，另一输入端与电源输出端连接；
所述反向导通控制电路的一个输入端与电源输入端连接，另一输入端与电源输出端连接。
2.根据权利要求1所述的防反接电路，其特征在于，所述正向导通控制电路包括放大器和第一降压器；
所述放大器的负向输入端与电源输出端连接，正向输入端与所述第一降压器的输出端连接，所述第一降压器的输入端与电源输入端连接。
3.根据权利要求1所述的防反接电路，其特征在于，所述反向导通控制电路包括比较器，所述比较器的负向输入端与电源输入端连接，正向输入端与电源输出端连接。
4.根据权利要求3所述的防反接电路，其特征在于，所述反向导通控制电路还包括第二降压器，所述比较器的正向输入端与所述第二降压器的输出端连接，所述第二降压器的输入端与电源输出端连接。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的防反接电路，其特征在于，还包括供电电路，所述供电电路的输入端与电源输入端和电源输出端连接，输出端与所述正向导通控制电路的电源端、和所述反向导通控制电路的电源端连接。
6.根据权利要求5所述的防反接电路，其特征在于，所述供电电路包括升压电荷泵；
所述升压电荷泵的输入端与电源输入端和电源输出端连接，输出端与所述正向导通控制电路的电源端、和所述反向导通控制电路的电源端连接。
7.根据权利要求6所述的防反接电路，其特征在于，所述供电电路包括第一二极管和第二二极管；
所述第一二极管的正极与电源输入端连接，负极与所述升压电荷泵连接；
所述第二二极管的正极与电源输出端连接，负极与所述升压电荷泵连接；
所述升压电荷泵以所述第一二极管和所述第二二极管的并联输出作为输入。
8.根据权利要求6或7所述的防反接电路，其特征在于，所述升压电荷泵的输出端，与所述正向导通控制电路中的放大器的电源端连接、和与所述反向导通控制电路中的比较器的电源端连接，以为放大器和比较器供电。
9.一种自动充电机器人，其特征在于，包括充电极片、电池极片、电池和权利要求1-8中任一项所述的防反接电路，充电极片与防反接电路的电源输入端连接，电池极片与防反接电路的电源输出端连接，电池极片与电池连接。
10.一种充电系统，包括充电桩和权利要求9所述的自动充电机器人，充电时充电桩通过自动充电机器人的充电极片，向自动充电机器人的电池充电。
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