CN217240585U - 一种具有负载上电冲击电流抑制功能的缓冲电路 - Google Patents

一种具有负载上电冲击电流抑制功能的缓冲电路 Download PDF

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郭峰
李承东
任艳
郑忠宇
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Abstract

本实用新型公开了一种具有负载上电冲击电流抑制功能的缓冲电路，包括第一输出限流控制电路、第一缓冲输出控制电路、第二缓冲输出控制电路以及主回路开关控制管；所述第一输出限流控制电路分别与第一缓冲输出控制电路、第二缓冲输出控制电路相连，所述第一缓冲输出控制电路分别与第二缓冲输出控制电路、主回路开关控制管相连；所述第二缓冲输出控制电路包括第二输出限流控制电路、限流电阻，所述第二输出限流控制电路通过限流电阻分别与第一输出限流控制电路、第一缓冲输出控制电路、主回路开关控制管相连。将本缓冲电路接在电源与负载之间，在负载上电瞬间，能够有效抑制冲击电流，实现输出电流从零开始呈线性上升趋势，直至最大输出电流。

Description

一种具有负载上电冲击电流抑制功能的缓冲电路
技术领域
本实用新型属于缓冲电路技术领域，具体地是涉及一种具有负载上电冲击电流抑制功能的缓冲电路。
背景技术
随着国家对节能环保的要求越来越高，煤矿井下设备的低功耗化越来越普及。出于供电安全考虑，煤矿井下监控类设备大多不具备独立供电条件，需要集中供电；所以部分设备需要连接较长的供电线路，导致供电线上存在较大电阻；为避免线路上的电压损失过大，根据欧姆定律可知，需要降低供电电流。但由于设备负载固定，所以只能通过提高供电电压来实现。
由于监控类电子产品负载中各类芯片大都需要低压供电，因此负载侧需要连接有降压电路。降压电路有两种：开关电源电路、线性稳压电路，线性稳压电路特点是输入电流近似等于输出电流，因此转换效率近似等于输出电压与输入电压的比值，转换效率较低，尤其是输入输出电压差较大时；开关电源线路的原理是转换效率基本固定，如在电压电流固定的情况下，提高输入电压，可有效降低输入电流。因此开关电源电路具有转换效率高，节能环保的特点，被广泛应用。
但由开关电源电路的原理决定负载必须要有较大的电容电感等储能元件才能提高开关电源电路转换效率，这些负载储能元件在通电瞬间会对电源输入端产生极大的冲击电流，如果不对其进行抑制，会导致供电电源输出保护，甚至损坏。因此，对此类负载上电冲击电流的抑制是目前迫切需要解决的问题。
实用新型内容
本实用新型就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提供一种具有负载上电冲击电流抑制功能的缓冲电路。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案。
本实用新型为一种具有负载上电冲击电流抑制功能的缓冲电路，包括第一输出限流控制电路、第一缓冲输出控制电路、第二缓冲输出控制电路以及主回路开关控制管；所述第一输出限流控制电路分别与第一缓冲输出控制电路、第二缓冲输出控制电路相连，所述第一缓冲输出控制电路分别与第二缓冲输出控制电路、主回路开关控制管相连；所述第二缓冲输出控制电路包括第二输出限流控制电路、限流电阻，所述第二输出限流控制电路通过限流电阻分别与第一输出限流控制电路、第一缓冲输出控制电路、主回路开关控制管相连。
作为本实用新型的一种优选方案，所述第一输出限流控制电路包括电阻R1、三极管Q2，电阻R1两端分别与三极管Q2的基极、发射极相连；所述第一缓冲输出控制电路包括电容C1。
作为本实用新型的另一种优选方案，所述第二缓冲输出控制电路包括第二输出限流控制电路、限流电阻R2、限流电阻R5，限流电阻R2一端、限流电阻R5一端都与第二输出限流控制电路连接，限流电阻R2另一端与第一输出限流控制电路相连，限流电阻R5另一端分别与第一缓冲输出控制电路、主回路开关控制管相连。
进一步地，所述第二输出限流控制电路包括二极管D1、二极管D2、限流电阻R3、限流电阻R4、电容C2、三极管Q3,二极管D1的阳极分别与限流电阻R2、限流电阻R3相连，二极管D1的阴极与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极分别与电容C2、限流电阻R4连接，电容C2分别与限流电阻R3、三极管Q3的基极连接，限流电阻R4与三极管Q3的发射极相连，三极管Q3的集电极与限流电阻R5相连。
作为本实用新型的另一种优选方案，所述主回路开关控制管为三极管Q1,或者所述主回路开关控制管为场效应管。
作为本实用新型的另一种优选方案，所述主回路开关控制管与第二输出限流控制电路之间连接有电阻RL。
本实用新型有益效果：
本实用新型所提供的一种具有负载上电冲击电流抑制功能的缓冲电路，将本缓冲电路接在电源与负载之间，在负载上电瞬间，能够有效抑制冲击电流，实现输出电流从零开始呈线性上升趋势，直至最大输出电流。
附图说明
图1是本实用新型一种具有负载上电冲击电流抑制功能的缓冲电路的电路图。
图2是本实用新型一种具有负载上电冲击电流抑制功能的缓冲电路的电阻R1两端电压与时间T之间的波形图。
图中标记：1为第一输出限流控制电路、2为第二缓冲输出控制电路、3为第一缓冲输出控制电路、4为第二输出限流控制电路、5为主回路开关控制管。
具体实施方式
为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
结合图1所示，一种具有负载上电冲击电流抑制功能的缓冲电路，包括第一输出限流控制电路1、第一缓冲输出控制电路3、第二缓冲输出控制电路2以及主回路开关控制管5；所述第一输出限流控制电路1分别与第一缓冲输出控制电路3、第二缓冲输出控制电路2相连，所述第一缓冲输出控制电路3分别与第二缓冲输出控制电路2、主回路开关控制管5相连；所述第二缓冲输出控制电路2包括第二输出限流控制电路4、限流电阻，所述第二输出限流控制电路4通过限流电阻分别与第一输出限流控制电路1、第一缓冲输出控制电路3、主回路开关控制管5相连。
所述第一输出限流控制电路1包括电阻R1、三极管Q2，电阻R1两端分别与三极管Q2的基极、发射极相连；所述第一缓冲输出控制电路3包括电容C1,电容C1的一端与第一输出限流控制电路1的三极管Q2的集电极相连、另一端与主回路开关控制管5相连。
所述第二缓冲输出控制电路2包括第二输出限流控制电路4、限流电阻R2、限流电阻R5，限流电阻R2一端、限流电阻R5一端都与第二输出限流控制电路4连接，限流电阻R2另一端与第一输出限流控制电路1相连，限流电阻R5另一端分别与第一缓冲输出控制电路3、主回路开关控制管5相连。
所述第二输出限流控制电路4包括二极管D1、二极管D2、限流电阻R3、限流电阻R4、电容C2、三极管Q3,二极管D1的阳极分别与限流电阻R2、限流电阻R3相连，二极管D1的阴极与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极分别与电容C2、限流电阻R4连接，电容C2分别与限流电阻R3、三极管Q3的基极连接，限流电阻R4与三极管Q3的发射极相连，三极管Q3的集电极与限流电阻R5相连。
所述主回路开关控制管5为三极管Q1,三极管Q1的发射极为输入端，基极为各电路控制端，集电极为电源输出端；所述主回路开关控制管5与第二输出限流控制电路4之间连接有电阻RL。或者所述主回路开关控制管5选用场效应管。
本实用新型的缓冲电路设有VIN电压输入端、VOUT电压输出端、接地端。
具体地，本实用新型提供的具有负载上电冲击电流抑制功能的缓冲电路，其中所述第一缓冲输出控制电路3、第二缓冲输出控制电路2为上电缓冲阶段动态工作电路。第一缓冲输出控制电路3由电容C1构成，电容C1两端分别连接三级Q1的基极和发射极；第二缓冲输出控制电路2由第二输出限流控制电路4、限流电阻R2、限流电阻R5构成，第二输出限流控制电路4由限流电阻R3、限流电阻R4，二极管D1、二极管D2，电容C2和三极管Q3组成，二极管D1与二极管D2正向串联。限流电阻R2一端作为第二缓冲输出控制电路2的电源入口端，其连接VIN电压输入端；限流电阻R2另一端连接二极管D1的正极，同时连接限流电阻R3的一端；限流电阻R3的另一端连接电容C2的正极及三极管Q3的基极，三极管Q3的发射极连接限流电阻R4的一端，三极管Q3的集电极连接限流电阻R5的一端；限流电阻R5的另一端连接三极管Q1的基极，对三极管Q1进行控制；二极管D2的负极、电容C2的负极、限流电阻R4和电阻RL的一端共同接到电源地上，三极管Q1的集电极、电阻RL的另一端共同连接VOUT电压输出端。
所述第一输出限流控制电路1、第二输出限流控制电路4为缓冲结束后静态工作电路，第一输出限流控制电路1由电阻R1与三极管Q2组成，电阻R1为电流采样电阻，三极管Q2的发射极连接VIN电压输入端，三极管Q2的基极连接三极管Q1的发射极；由于所述第二输出限流控制电路4是第二缓冲输出控制电路2的构成部分，因此第二输出限流控制电路4具有缓冲输出控制功能，除具有缓冲输出控制功能外，同时具有输出限流控制功能。
所述三极管Q1的工作原理：三极管Q1作为主回路开关控制管5，三极管Q1的导通情况受其基极电流IB1及基极与发射极电压差VBE1决定，因此想要达到控制输出的目的，主要手段就是控制三极管Q1基极的电压和电流。
所述第一缓冲输出控制电路3的工作原理：第一缓冲输出控制电路3的作用在于控制三极管Q1基极与发射极电压差VBE1。由图1可知，通过电容C1、限流电阻R5、三极管Q3、限流电阻R4构成了第一RC电路。VIN电压输入端接通电源后，通过第一RC电路向电容C1进行充电，电容C1两端电压即三极管Q1的VBE1从零开始缓慢上升，直至完全导通，从而达到抑制作用。
所述第二缓冲输出控制电路2的工作原理：第二缓冲输出控制电路2的作用在于控制三极管Q1的基极电流IB1。由图1可知限流电阻R2、限流电阻R3、电容C2构成了第二RC电路。VIN电压输入端接通电源后，通过第二RC电路向电容C2进行充电，电容C2两端电压即三极管Q3的VBE3从零开始缓慢上升，直至完全导通。
冲击电流抑制的实现：由于上电瞬间电容C1、电容C2均为短路状态，因此分别控制的三极管Q1、三极管Q3均为关断状态，实现冲击电流抑制。
缓冲控制的实现：由RC电路理论可知，电容充电过程中，两端电压的上升呈非线性变化，电压上升率逐渐降低。因此欲使三极管Q1的基极电压呈线性变化，只能通过调整充电电流的方式来实现。第二RC电路的作用是通过电容C2充电过程中，电容C2两端的电压的缓慢上升，控制三极管Q3的基极电流IC实现缓慢上升，进而提高电容C1两端电压的上升率，实现线性上升过程，进而控制三极管Q1输出电流实现线性缓慢上升。
缓冲过程参数调整：通过调整第二RC电路中电阻及电容的参数，可以实现电流从零开始上升至正常电流的时间，即输出电流上升斜率；通过调整第一RC电路中电容C1的值，可以实现将输出电流积分曲线调整到平直斜线的目的。
所述第一输出限流控制电路1的工作原理：第一输出限流控制电路1的作用在于控制VBE1，进而控制三极管Q1的导通程度，最终控制输出电流。随着负载电流逐渐增大，电阻R1两端电压会逐渐升高，三极管Q2的基极与发射极之间的压差也会逐渐增大，当到达三极管Q2导通条件时，三极管Q2便会逐渐导通，致使三极管Q2的发射极与基极之间的电压差VCE2会逐渐减小,进而控制三极管Q1导通能力逐渐减弱，致使电路输出电流降低，最终达到稳态。此时电流即为本缓冲电路最大输出电流。
所述第二输出限流控制电路4的工作原理：第二输出限流控制电路4的作用在于控制三极管Q2的基极电流IB2,从而达到控制电路最大输出电流的目的。电路在缓冲结束后，电容均没有电流流过。正向串联的二极管D1、二极管D2组成稳压电路，二极管可采用硅材料二极管，二极管D1阳极端的电压值约为1.4V；此处也可采用高精度的稳压电路达到稳定电压的目的。三极管Q3的基极电流为1.4V与三极管Q3导通时的VBE3的差值除以限流电阻R3与限流电阻R4的和，此电流乘以三极管Q3的放大倍数即为三极管Q3的集电极最大电流。因为此时电容C1并无电流流过，所以该电流即为三极管Q1的基极电流，乘以三极管Q1的放大倍数即为本缓冲电路最大输出电流。
输出限流控制参数调整：可通过调整电阻R1的值达到调整电流输出限值的目的；也可通过调整稳压电路的稳压值或者调整限流电阻R3、限流电阻R4的阻值来达到调整电流输出限值的目的。
另外，本实用新型的缓冲电路可以集成封装成芯片，形成电源管理类芯片。
如图2所示的波形图，图2中的纵坐标为R1两端电压UR1,横坐标为时间T；其中T1为电路启动时刻，即电流抑制起始时刻；T2为电流抑制结束时刻；T3为启动过程结束时刻，即负载正常工作起始时刻。
电路总回路电流I＝UR1/R1。由上图2可知，从电路启动时刻T1开始，电流匀速上升，有效避免了负载储能元件对电源的冲击；至T2时刻电流不再上升，抑制过程结束，此后电流为负载实际电流；至T3时刻，整个启动过程结束，负载正常工作。
可以理解的是，以上关于本实用新型的具体描述，仅用于说明本实用新型而并非受限于本实用新型实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有负载上电冲击电流抑制功能的缓冲电路，其特征在于：包括第一输出限流控制电路、第一缓冲输出控制电路、第二缓冲输出控制电路以及主回路开关控制管；所述第一输出限流控制电路分别与第一缓冲输出控制电路、第二缓冲输出控制电路相连，所述第一缓冲输出控制电路分别与第二缓冲输出控制电路、主回路开关控制管相连；所述第二缓冲输出控制电路包括第二输出限流控制电路、限流电阻，所述第二输出限流控制电路通过限流电阻分别与第一输出限流控制电路、第一缓冲输出控制电路、主回路开关控制管相连。
2.根据权利要求1所述的一种具有负载上电冲击电流抑制功能的缓冲电路，其特征在于：所述第一输出限流控制电路包括电阻R1、三极管Q2，电阻R1两端分别与三极管Q2的基极、发射极相连；所述第一缓冲输出控制电路包括电容C1。
3.根据权利要求1所述的一种具有负载上电冲击电流抑制功能的缓冲电路，其特征在于：所述第二缓冲输出控制电路包括第二输出限流控制电路、限流电阻R2、限流电阻R5，限流电阻R2一端、限流电阻R5一端都与第二输出限流控制电路连接，限流电阻R2另一端与第一输出限流控制电路相连，限流电阻R5另一端分别与第一缓冲输出控制电路、主回路开关控制管相连。
4.根据权利要求3所述的一种具有负载上电冲击电流抑制功能的缓冲电路，其特征在于：所述第二输出限流控制电路包括二极管D1、二极管D2、限流电阻R3、限流电阻R4、电容C2、三极管Q3,二极管D1的阳极分别与限流电阻R2、限流电阻R3相连，二极管D1的阴极与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极分别与电容C2、限流电阻R4连接，电容C2分别与限流电阻R3、三极管Q3的基极连接，限流电阻R4与三极管Q3的发射极相连，三极管Q3的集电极与限流电阻R5相连。
5.根据权利要求1所述的一种具有负载上电冲击电流抑制功能的缓冲电路，其特征在于：所述主回路开关控制管为三极管Q1,或者所述主回路开关控制管为场效应管。
6.根据权利要求1所述的一种具有负载上电冲击电流抑制功能的缓冲电路，其特征在于：所述主回路开关控制管与第二输出限流控制电路之间连接有电阻RL。
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