CN217469755U - 低电压电源防护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低电压电源防护电路，包括防浪涌电路、过压保护电路、防电流冲击电路、开关电路、共模保护电路；所述开关电路与负载电路连接；所述防浪涌电路一端与直流电源正极连接，另一端与直流电源负极连接，所述防浪涌电路用于保护电路不受浪涌脉冲的破坏；所述过压保护电路分别与直流电源正极、所述开关电路连接，所述过压保护电路根据直流电源电压控制所述开关电路的通断；所述防电流冲击电路分别与直流电源正极、所述开关电路连接，所述防电流冲击电路用于延时导通所述开关电路；所述共模保护电路分别与直流电源、负载电路连接，所述共模保护电路用于消除电路中的共模干扰。

Description

低电压电源防护电路

技术领域

本实用新型涉及到电源防护电路领域，具体而言，涉及到一种低电压电源防护电路。

背景技术

直流电源通常用于为负载(例如各类电子设备)供电，但直流电源启动瞬间或是在运行中容易出现过大电压，以及由于负载短路或是过载等原因而容易产生过大电流，此外直流电源在启动瞬间也可能产生浪涌脉冲，由于浪涌脉冲的峰值电压远高于直流电源的额定工作电压，很可能使电路在浪涌的一瞬间烧坏，如PN结电容击穿，电阻烧断等，对于直流电源来说还存在共模干扰。这些原因都会让电路存在安全隐患且容易对电子设备造成损害。

实用新型内容

本实用新型的主要目的为提供一种低电压电源防护电路，旨在解决直流电源启动或运行时产生大电压、大电流、浪涌脉冲、共模干扰导致负载和电源受损的问题。

本实用新型采用了以下的技术方案：

一种低电压电源防护电路，包括防浪涌电路、过压保护电路、防电流冲击电路、开关电路、共模保护电路；所述开关电路与负载电路连接，所述开关电路用于控制负载电路的通断；所述防浪涌电路一端与直流电源正极连接，另一端与直流电源负极连接，所述防浪涌电路用于保护电路不受浪涌脉冲的破坏；所述过压保护电路分别与直流电源正极、所述开关电路连接，所述过压保护电路根据直流电源电压控制所述开关电路的通断；所述防电流冲击电路分别与直流电源正极、所述开关电路连接，所述防电流冲击电路用于延时导通所述开关电路；所述共模保护电路分别与直流电源、负载电路连接，所述共模保护电路用于消除电路中的共模干扰。

进一步地，所述开关电路包括场效应管、第一电阻、第二电阻；所述第一电阻的第一端与直流电源正极连接，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接形成第一结点，所述第二电阻的第二端与直流电源负极连接；所述场效应管的源极与直流电源正极连接，所述场效应管的栅极与所述第一结点连接，所述场效应管的漏极与负载电路连接。

进一步地，所述过压保护电路包括三极管、稳压二极管、第三电阻、第四电阻；所述第三电阻、所述第四电阻、所述稳压二极管串联连接在直流电源的正极和负极上；所述三极管的基极与所述第三电阻、所述第四电阻的连接点连接，所述三极管的发射极与直流电源正极连接，所述三极管的集电极与所述第一结点连接。

进一步地，所述防电流冲击电路包括电容，所述电容的第一端与直流电源正极连接，所述电容的第二端与所述第一结点连接。

进一步地，所述防浪涌电路包括瞬态二极管，所述瞬态二极管一端与直流电源正极连接，另一端与直流电源负极连接。

进一步地，所述共模保护电路包括共模电感，所述共模电感输入端与直流电源连接，所述共模电感输出端与负载电路连接。

进一步地，还包括过流保护电路，所述过流保护电路一端与直流电源连接，另一端分别与所述过压保护电路、所述防电流冲击电路、所述开关电路、所述共模保护电路连接，所述过流保护电路用于进行过流保护。

进一步地，所述过流保护电路包括保险丝，所述保险丝一端与直流电源正极连接，另一端分别与所述过压保护电路、所述防电流冲击电路、所述开关电路、所述共模保护电路连接。

有益效果：

本申请通过防浪涌电路、过压保护电路、防电流冲击电路、开关电路、共模保护电路共同作用，以防止直流电源启动或运行时产生大电压、大电流、强力脉冲导致负载受损。

附图说明

图1是本实用新型一实施例的电路连接示意图。

其中：Q1、场效应管；Q2、三极管；R1、第一电阻；R2、第二电阻；R3、第三电阻；R4、第四电阻；C1、电容；Z1、稳压二极管；TVS1、瞬态二极管；F1、保险丝；CM1、共模电感。

10、开关电路；20、防电流冲击电路；30、过压保护电路；40、过流保护电路；50、防浪涌电路；60、共模保护电路。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参照图1，提出本实用新型一实施例，包括防浪涌电路50、过压保护电路30、防电流冲击电路20、开关电路10、共模保护电路60；开关电路10与负载电路连接，开关电路用于控制负载电路的通断；防浪涌电路50一端与直流电源正极连接，另一端与直流电源负极连接，防浪涌电路50用于将静电或大电流泄放；过压保护电路30分别与直流电源正极、开关电路10连接，过压保护电路30根据直流电源电压控制开关电路10的通断；防电流冲击电路20分别与直流电源正极、开关电路10连接，防电流冲击电路20用于延时导通开关电路10；共模保护电路60分别与直流电源、负载电路连接，共模保护电路60用于消除电路中的共模干扰。

在上述实施例中，通过防浪涌电路50、过压保护电路30、防电流冲击电路20、开关电路10、共模保护电路60共同作用，以防止直流电源启动或运行时产生大电压、大电流、强力脉冲、共模干扰导致负载受损。

开关电路10是一个开关，当开关电路10闭合时，直流电源才能顺利为负载电路供电，当开关电路10断开时，直流电源不能为负载电路供电。开关电路10可以采用PNP型的开关三极管、NPN型的开关三极管或者N沟道的场效应管、P沟道的场效应管。

浪涌主要指的是电源中一瞬间产生的强力脉冲，由于浪涌的峰值电压有可能远高于电源的额定工作电压，电路会在浪涌的一瞬间烧坏。防浪涌电路50就是为了防止浪涌脉冲对负载电路造成破坏。防浪涌电路50可以通过MOV压敏电阻或者TVS瞬态二极管实现。MOV压敏电阻是一种限压型保护器件，利用压敏电阻的非线性特性，当电压升高到压敏电阻的阈值电压，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对较低的电压值，从而实现对后级电路的保护。TVS瞬态二极管是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS瞬态二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。

过压保护电路30与开关电路10连接形成保护电路，过压保护电路30根据输入直流电源的电压值控制开关电路10的断开或导通，能够避免超过电压设定值的电压对整个电路的损坏。如果输入的直流电源电压大于额定电压，过压保护电路30可以检测到这一结果，并控制开关电路10断开，这样就能够避免对负载电路造成损坏。可以通过稳压二极管和三极管形成过压保护电路30，稳压二极管判断输入电源的电压是否超过额定电压，然后通过稳压二极管控制三极管的导通和截止，再通过三极管的导通和截止控制开关电路10的通断。

负载电路上电瞬间可能会产生很大的冲击电流，给电子元件造成损坏。上述实施例中的防电流冲击电路20就是为了防止大电流对负载电路造成冲击。防电流冲击电路20主要是通过延时导通开关电路10，确保负载电路不会受到大电流的破坏。防电流冲击电路20可以通过电容实现，电容充放电的过程作为开关电路10延迟导通的缓冲时间。也可以通过电容和三极管实现，利用电容的充放电特性来控制三极管的导通和截止，进而实现开关电路10的延迟导通。

直流电源至少有两根导线，这两根导线作为往返线路输送电力。在这两根导线之外通常还有第三导体，这就是"地线"，共模干扰在导线与地线之间传输，属于非对称性干扰，它定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差，共模干扰影响有用信号的传播。上述实施例中的共模保护电路60就是为了消除电路中的共模干扰，可以通过滤波的方法抑制共模干扰，采用滤波器实现。滤波器允许某一特定频率的信号顺利通过，而其它频率的信号则要受到较大的抑制，它切断了电磁干扰信号沿电源线传播的路径。

在一实施例中，开关电路10包括场效应管Q1、第一电阻R1、第二电阻R2；第一电阻R1的第一端与直流电源正极连接，第一电阻R1的第二端与第二电阻R2的第一端连接形成第一结点，第二电阻R2的第二端与直流电源负极连接；场效应管Q1的源极与直流电源正极连接，场效应管Q1的栅极与第一结点连接，场效应管Q1的漏极与负载电路连接。

在上述实施例中，由场效应管Q1作开关管，具体地，可将P型场效应管Q1(PMOS管)作为开关管。当P型场效应管Q1的源极电压大于栅极电压，且源极电压减去栅极电压的值超过了临界值时，P型场效应管Q1导通，即开关电路10导通。第一电阻R1和第二电阻R2串联，第一电阻R1与P型场效应管Q1的栅极和源极电压并联，直流电源电压经过第一电阻R1和第二电阻R2的分压之后，P型场效应管Q1栅极电压与第二电阻R2两端电压相等，而P型场效应管Q1源极电压与直流电源电压相等，这时P型场效应管Q1源极电压减去栅极电压的值会超过临界值，因此P型场效应管Q1导通。具体地，可将第一电阻R1和第二电阻R2的值设置为1M，这样一来，栅极电压是源极电压的一半。场效应管Q1能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把多个场效应管Q1集成在一块硅片上，更能适应各种应用场景，此外场效应管Q1还具有噪声系数小，制造工艺简单，耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点。

在一实施例中，过压保护电路30包括三极管Q2、稳压二极管Z1、第三电阻R3、第四电阻R4；第三电阻R3、第四电阻R4、稳压二极管Z1串联连接在直流电源的正极和负极上；三极管Q2的基极与第三电阻R3、第四电阻R4的连接点连接，三极管Q2的发射极与直流电源正极连接，三极管Q2的集电极与第一结点连接。

在上述实施例中，三极管Q2的导通与截止会控制场效应管Q1的通断，其原理是：三极管Q2的发射极与直流电源正极连接，集电极与第一结点连接，这相当于三极管Q2的集电极、发射极两端和开关电路10中的场效应管Q1的栅极、源极两端并联，当三极管Q2饱和导通，三极管Q2的集电极和发射极相当于短路，因此开关电路10中的第一电阻R1和第二电阻R2无法起到分压作用，场效应管Q1的栅极电压和源极电压均等于直流电源电压，差值为零，这时源极电压和栅极电压之间的差值无法超过临界值，因此场效应管Q1无法导通，负载电路无法通电；当三极管Q2处于截止状态，第一电阻R1和第二电阻R2能够正常分压，那么源极电压和栅极电压之间的差值能够达到临界值，场效应管Q1导通，负载电路通电。

而三极管Q2的导通和截止通过稳压二极管Z1控制。稳压二极管Z1是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，具有单向导电性，且具有稳定的反向击穿电压。具体地，可将三极管设置为PNP型三极管Q2，PNP型三极管Q2中的发射极电压减去基极电压的值大于临界值(一般为0.6V～0.7V)，则PNP型三极管Q2饱和导通；在上述实施例中，PNP型三极管Q2的基极、发射极与第三电阻R3并联，第三电阻R3与第四电阻R4、稳压二极管Z1串联连接在直流电源上，当稳压二极管Z1未被反向击穿时，由于它的单向导电性，第三电阻R3、第四电阻R4、稳压二极管Z1的串联电路处于开路状态，没有电流通过，PNP型三极管Q2的基极、发射极的电压相同，差值为零，因此PNP型三极管Q2处于截止状态；当稳压二极管Z1被反向击穿时，电流能够通过第三电阻R3、第四电阻R4、稳压二极管Z1的串联电路，第三电阻R3、第四电阻R4能够起到分压作用，PNP型三极管Q2的基极电压与第四电阻R4的电压相同，发射极电压与直流电源电压相同，这时，PNP型三极管Q2的发射极电压大于基极电压，且发射极电压与基极电压的差值大于临界值，因此，PNP型三极管Q2导通。

总的来说，稳压二极管Z1未被反向击穿时，PNP型三极管Q2处于截止状态，导致场效应管Q1导通，负载电路通电；当稳压二极管Z1被反向击穿时，PNP型三极管Q2导通，使得场效应管Q1断开，负载电路无法通电。

稳压二极管Z1是否被击穿取决于直流电源的输入电压，如果直流电源的输入电压大于额定电压，那么稳压二极管Z1将被反向击穿，以控制开关电路10断开以保护负载电路不被大电压损坏。如果直流电源的输入电压未超过额定电压，那么开关电路10导通，负载电路正常工作。这可以有效防止超过电路额定电压的电压对负载电路造成损坏。

该过压保护电路30可以适用于多种规格的低电压直流电源电路，例如5V、12V、24V的低电压直流电源电路，可以通过不同的稳压二极管Z1实现。

在一实施例中，防电流冲击电路20包括电容C1，电容C1的第一端与直流电源正极连接，电容C1的第二端与第一结点连接。

在上述实施例中，上电的一瞬间，电容C1还没有充电，电容C1的两个极板是等电位的，此时电容C1对电流没有阻碍作用，因此电容C1两端相当于短路，由于电容C1与场效应管Q1的源极、栅极并联，因此场效应管Q1的源极电压、栅极电压相等，那么源极电压二号栅极电压之间的差值为零，无法超过临界值，因此场效应管Q1无法导通，负载电路无法通电；之后电容C1慢慢进行充电和放电，在放电过程，其两端电压逐渐增加，因此第一电阻R1的第一端和第二电阻R2的第二端之间的电压也逐渐增加，第一电阻R1的第一端与第一结点的电压差也逐渐增大，因此场效应管Q1源极和栅极两端电压差值也逐渐增大，直到这一电压差达到临界值，场效应管Q1导通。这样一来，直流电源开始输入时，开关电路10就会延时导通，避免上电瞬间的大电流对电路造成冲击，一般大电流都是在上电瞬间产生的，不会持续很长时间，在电容C1充电过程内，电路会恢复正常，这时场效应管Q1再导通，即开关电路10打开，就不会对负载电路造成影响。

在一实施例中，防浪涌电路50包括瞬态二极管TVS1，瞬态二极管TVS1一端与直流电源正极连接，另一端与直流电源负极连接。

在上述实施例中，瞬态二极管TVS1是一种二极管形式的高效能保护器件，当瞬态二极管TVS1的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，能有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。瞬态二极管TVS1还具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。

在一实施例中，共模保护电路60包括共模电感CM1，共模电感CM1输入端与直流电源连接，共模电感CM1输出端与负载电路连接。

在上述实施例中，共模电感CM1输入端连接直流电源的正极和负极，输出端连接负载电路。共模电感CM1包括两个电感线圈，这两个电感线圈绕在同一铁芯上，匝数和相位都相同(绕制反向)。这样，当电路中的正常电流流经共模电感CM1时，电流在同相位绕制的两个电感线圈中会产生反向的磁场，因而相互抵消，此时正常电流主要受电感线圈电阻和少量因漏感造成的阻尼的影响；当有共模电流流经电感线圈时，由于共模电流的同向性，会在电感线圈内产生同向的磁场而增大电感线圈的感抗，使电感线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波的目的。共模电感CM1对直流电源的共模干扰有很好的抑制作用，能有效避免共模干扰通过线缆形成电磁辐射影响其余电子元件的正常工作。

在一实施例中，还包括过流保护电路40，过流保护电路40一端与直流电源连接，另一端分别与过压保护电路30、防电流冲击电路20、开关电路10、共模保护电路60连接，过流保护电路40用于进行过流保护。

在上述实施例中，过流保护就是当电路中的电流超过预定阈值后，关断直流电源与过压保护电路30、防电流冲击电路20、开关电路10、共模保护电路60之间的连接，以保护电路。在具体的实施例中，可以通过保险丝实现这一功能，也可以通过采样电阻和三极管进行过流保护。

在一实施例中，过流保护电路40包括保险丝F1，保险丝F1一端与直流电源正极连接，另一端分别与过压保护电路30、防电流冲击电路20、开关电路10、共模保护电路60连接。

在上述实施例中，当直流电源流入整个电路中的电流超过电流设定值时，会烧断保险丝F1，保险丝F1断开，电路处于开路状态，可以防止过压保护电路30、防电流冲击电路20、开关电路10、共模保护电路60及负载电路受到影响，能够避免因电流过流造成的电源烧毁现象。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型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，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种低电压电源防护电路，其特征在于，包括防浪涌电路、过压保护电路、防电流冲击电路、开关电路、共模保护电路；

所述开关电路与负载电路连接，所述开关电路用于控制负载电路的通断；

所述防浪涌电路一端与直流电源正极连接，另一端与直流电源负极连接，所述防浪涌电路用于保护电路不受浪涌脉冲的破坏；

所述过压保护电路分别与直流电源正极、所述开关电路连接，所述过压保护电路根据直流电源电压控制所述开关电路的通断；

所述防电流冲击电路分别与直流电源正极、所述开关电路连接，所述防电流冲击电路用于延时导通所述开关电路；

所述共模保护电路分别与直流电源、负载电路连接，所述共模保护电路用于消除电路中的共模干扰。

2.根据权利要求1所述的低电压电源防护电路，其特征在于，所述开关电路包括场效应管、第一电阻、第二电阻；

所述第一电阻的第一端与直流电源正极连接，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接形成第一结点，所述第二电阻的第二端与直流电源负极连接；

所述场效应管的源极与直流电源正极连接，所述场效应管的栅极与所述第一结点连接，所述场效应管的漏极与负载电路连接。

3.根据权利要求2所述的低电压电源防护电路，其特征在于，所述过压保护电路包括三极管、稳压二极管、第三电阻、第四电阻；

所述第三电阻、所述第四电阻、所述稳压二极管串联连接在直流电源的正极和负极上；

所述三极管的基极与所述第三电阻、所述第四电阻的连接点连接，所述三极管的发射极与直流电源正极连接，所述三极管的集电极与所述第一结点连接。

4.根据权利要求2所述的低电压电源防护电路，其特征在于，所述防电流冲击电路包括电容，所述电容的第一端与直流电源正极连接，所述电容的第二端与所述第一结点连接。

5.根据权利要求1所述的低电压电源防护电路，其特征在于，所述防浪涌电路包括瞬态二极管，所述瞬态二极管一端与直流电源正极连接，另一端与直流电源负极连接。

6.根据权利要求1所述的低电压电源防护电路，其特征在于，所述共模保护电路包括共模电感，所述共模电感输入端与直流电源连接，所述共模电感输出端与负载电路连接。

7.根据权利要求1所述的低电压电源防护电路，其特征在于，还包括过流保护电路，所述过流保护电路一端与直流电源连接，另一端分别与所述过压保护电路、所述防电流冲击电路、所述开关电路、所述共模保护电路连接，所述过流保护电路用于进行过流保护。

8.根据权利要求7所述的低电压电源防护电路，其特征在于，所述过流保护电路包括保险丝，所述保险丝一端与直流电源正极连接，另一端分别与所述过压保护电路、所述防电流冲击电路、所述开关电路、所述共模保护电路连接。

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