CN117096830A - 直流输入保护电路 - Google Patents

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袁于勤
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Abstract

本申请涉及直流电源领域，一种直流输入保护电路，包括：依次级联的防反接模块、干扰滤除模块、过流保护模块、过压保护模块、欠压保护模块和开关模块；所述防反接模块，用于限制直流输入的电流的方向；干扰滤除模块，用于滤除进入保护电路的差模或共模干扰；过流保护模块，用于限制直流输入的电流的大小；过压保护模块，用于限制直流输入的电压的最大值；欠压保护模块，用于限制直流输入的电压的最小值；开关模块，用于结合过流保护模块、过压保护模块和欠压保护模块的输出，决定直流输入保护电路是否输出电流或电压。本申请具有成本低、电路简单质量好、不易受外界环境影响的技术效果。

Description

直流输入保护电路
技术领域
本申请涉及直流电源的领域，尤其是涉及一种直流输入保护电路。
背景技术
目前，在电子行业中开关电源已经得到广泛运用，但是电力系统中由于雷击或负载变化等原因电网经常会有波动，电网波动会给开关电源带来电压波动（过压或欠压），电网中的干扰也会通过变压器耦合到次级直流电源中，在开关电源的实际使用中也会有直流电源接反和过流的风险。现有的保护电路有两种方案：一、电压比较器芯片搭建过流保护电压保护（过压、欠压）电路，其优点是稳定性好但是成本比较高。二、稳压二极管搭建电路做过压欠压保护，虽然成本低但是由于稳压二极管的温度稳定性和电流稳定性不高，容易受外界环境影响。
发明内容
为了提供成本低、电路简单质量好、不易受外界环境影响的直流输入保护电路，本申请提供了一种直流输入保护电路。
本申请提供的一种直流输入保护电路，采用如下的技术方案：
第一方面，提供一种直流输入保护电路，包括：依次级联的防反接模块、干扰滤除模块、过流保护模块、过压保护模块、欠压保护模块和开关模块；
所述防反接模块，用于限制直流输入的电流的方向；
干扰滤除模块，用于滤除进入保护电路的差模或共模干扰；
过流保护模块，用于限制直流输入的电流的大小；
过压保护模块，用于限制直流输入的电压的最大值；
欠压保护模块，用于限制直流输入的电压的最小值；
开关模块，用于结合过流保护模块、过压保护模块和欠压保护模块的输出，决定直流输入保护电路是否输出电流或电压。
优选的，所述防反接模块，包括：二极管D1。
优选的，所述干扰滤除模块，包括：级联在一起的双向TVS管、共模电感、磁珠和/或电容C1。
优选的，所述过流保护模块，包括：电源端VDD，接地端GND，第一电阻R1，第五电阻R5，第七电阻R7，第二三极管Q2和第四三极管Q4；所述第二三极管Q2为PNP管，所述第四三极管Q4为NPN管；
所述第一电阻R1跨接在所述第二三极管Q2的基极与发射极之间，所述第一电阻R1的一端连接所述干扰滤除模块的输出端，所述第一电阻R1的另一端连接电源端VDD；所述第二三极管Q2的集电极通过依次串联的第五电阻R5和第七电阻R7连接到接地端GND；
所述第五电阻R5和第七电阻R7的连接处，还与所述第四三极管Q4的基极连接；所述第四三极管Q4的发射极连接到接地端GND，所述第四三极管Q4的集电极作为过流保护模块的输出端，与所述开关模块连接。
优选的，所述过压保护模块，包括：第二电阻R2，第八电阻R8和第五三极管Q5；所述第五三极管Q5为NPN管；
所述第二电阻R2和第八电阻R8串联在一起，并跨接在电源端VDD和接地端GND之间；所述第二电阻R2和第八电阻R8的连接处，还与第五三极管Q5的基极连接；所述第五三极管Q5的发射极连接到接地端GND，所述第五三极管Q5的集电极作为过压保护模块的输出端，与所述开关模块连接。
优选的，所述欠压保护模块，包括：第三电阻R3和第六电阻R6；所述第三电阻R3和第六电阻R6串联在一起，并跨接在电源端VDD和接地端GND之间；所述第三电阻R3和第六电阻R6的连接处作为欠压保护模块的输出端，与所述开关模块连接。
优选的，所述开关模块，包括：输出端OUT，第四电阻R4，第一场效应管Q1和第三三极管Q3；所述第一场效应管Q1为NMOS管，第三三极管Q3为NPN管；
所述第四电阻R跨接在所述第一场效应管Q1的栅极和源极之间；所述第一场效应管Q1的源极还与电源端VDD连接，所述第一场效应管Q1的漏极与所述输出端OUT连接，所述第一场效应管Q1的栅极与所述第三三极管Q3的集电极连接；所述第三三极管Q3的发射极与接地端GND连接，所述第三三极管Q3的基极与所述过流保护模块的输出端连接。
优选的，所述第三三极管Q3的基极还与所述过压保护模块的输出端连接。
优选的，所述第三三极管Q3的基极还与所述欠压保护模块的输出端连接。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.能实现防反接、干扰滤除、过压保护、欠压保护、过流保护，对比现有各种保护电路功能更强；
2.纯硬件搭建的保护电路，比起用MCU搭建的电路反应更快效果更好；
3.相比起用MCU或者比较器搭建的保护电路，成本更低，对布局空间要求更低；
4.相比起用稳压管搭建的保护电路，电阻分压式的方式对电流和温度的稳定性更好。
附图说明
图1是直流输入保护电路的逻辑构成图；
图2是直流输入保护电路的具体实施例图；
附图标记说明：1、防反接模块；2、干扰滤除模块；3、过流保护模块；4、过压保护模块；5、欠压保护模块；6、开关模块。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-附图2及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
术语解释：
差模干扰：是指在传输信号的两个导线（如信号正负极）上出现的干扰电压或电流，其特点是两个导线上的幅度和相位相反。差模干扰主要由于信号源、传输线路或接收器之间的不匹配、串扰或电源波动等因素引起。差模干扰对于差模信号的正常传输会产生干扰影响。
共模干扰：是指同时作用于传输信号两个导线的干扰电压或电流，其特点是两个导线上的幅度和相位相同。共模干扰主要由于电磁辐射、接地问题、电源波动或外界电磁干扰等因素引起。共模干扰对于差模信号的正常传输同样会产生干扰影响。
具体的，
第一方面，如图1所示，提供一种直流输入保护电路，包括：依次级联的防反接模块、干扰滤除模块、过流保护模块、过压保护模块、欠压保护模块和开关模块；
所述防反接模块1，用于限制直流输入的电流的方向；在本实施例中，根据输入电压的不同选择相应耐压的二极管。
干扰滤除模块2，用于滤除进入保护电路的差模或共模干扰；
过流保护模块3，用于限制直流输入的电流的大小；如果直流输入保护电路的电流过大，则过流保护模块会输出一个值，令开关模块关断直流输入保护电路，使得进入直流输入保护电路的电流无法流出。
过压保护模块4，用于限制直流输入的电压的最大值；如果输入直流输入保护电路的电压过大，超出预设置的电压的最大值，则过压保护模块会输出一个值，令开关模块关断直流输入保护电路，使得直流输入保护电路不再输出电压。
欠压保护模块5，用于限制直流输入的电压的最小值；如果输入直流输入保护电路的电压太小，即处于欠压状态，小于预设置的电压的最小值，则欠压保护模块会输出一个值，令开关模块关断直流输入保护电路，使得直流输入保护电路不再输出电压。
开关模块6，用于结合过流保护模块、过压保护模块和欠压保护模块的输出，决定直流输入保护电路是否输出电流或电压。也可以用于单独依靠过流保护模块的输出，决定直流输入保护电路是否输出电流；可以用于单独依靠过压保护模块，决定直流输入保护电路是否输出电压；可以用于单独依靠欠压保护模块，决定直流输入保护电路是否输出电压。
优选的，如图2所示，所述防反接模块，包括：二极管D1。二极管是单向导通器件。二极管D1的阳极连接输入电源DC+，二极管D1的阴极连接后面的干扰滤除模块的输入端。DC+有可能出现过流、过压、欠压的情况，所以，需要过流保护模块、过压保护模块、欠压保护模块。电源端VDD是为了弥补DC+在后续电路中的损耗，而设置的直流电源端，用于确保过流保护模块、过压保护模块、欠压保护模块的正常工作。
优选的，所述干扰滤除模块，包括：级联在一起的双向TVS管、共模电感、磁珠和/或电容C1。TVS管是一种用于电路保护的电子器件，全称为Transient Voltage Suppressor（瞬态电压抑制器），它在电路中用于提供过电压保护，防止由于电压突变、闪电击中、电感崩溃或其他瞬态事件引起的电压过大，保护其他敏感的电子元件或设备不受损害。共模电感（Common Mode Inductor）是一种用于抑制共模干扰的电感元件。电容C1起到滤波的作用。在本实施例中，TVS管为D2。共模电感为L1。磁珠为FB1、FB2。
优选的，所述过流保护模块，包括：电源端VDD，接地端GND，第一电阻R1，第五电阻R5，第七电阻R7，第二三极管Q2和第四三极管Q4；所述第二三极管Q2为PNP管，所述第四三极管Q4为NPN管；
所述第一电阻R1跨接在所述第二三极管Q2的基极与发射极之间，所述第一电阻R1的一端连接所述干扰滤除模块的输出端，所述第一电阻R1的另一端连接电源端VDD；所述第二三极管Q2的集电极通过依次串联的第五电阻R5和第七电阻R7连接到接地端GND；
所述第五电阻R5和第七电阻R7的连接处，还与所述第四三极管Q4的基极连接；所述第四三极管Q4的发射极连接到接地端GND，所述第四三极管Q4的集电极作为过流保护模块的输出端，与所述开关模块连接。
过流保护模块的工作原理：当流过第一电阻R1的电流达到预设置的电流值时，第一电阻R1的两端的电压，也即第二三极管Q2的电压大于0.7伏时，第二三极管Q2会进入饱和区，第二三极管Q2的集电极的电压可以近似地认为接近零电压；则第二三极管Q2的集电极到接地端GND之间没有电流流过，导致第四三极管Q4的集电极电压为零伏；此时，无论过压保护模块，还是欠压保护模块处于什么工作状态，开关模块的输入都是低电平；会导致第一场效应管Q1处于关断状态，即流过过流保护模块的电流大于预设置的电流值，则开关模块会关断直流输入保护电路，使得过大的电流不会流向直流输入保护电路的输出端，进入下一级电路。在本实施例中，如果过流的限制为200mA，可以得到，第一电阻R1的阻值为0.7÷200=3.5Ω。第一电阻R1为3.5Ω，那么，第四三极管Q4能够导通，第五电阻R5为10KΩ，第七电阻R7为100KΩ即可。
优选的，所述过压保护模块，包括：第二电阻R2，第八电阻R8和第五三极管Q5；所述第五三极管Q5为NPN管；
所述第二电阻R2和第八电阻R8串联在一起，并跨接在电源端VDD和接地端GND之间；所述第二电阻R2和第八电阻R8的连接处，还与第五三极管Q5的基极连接；所述第五三极管Q5的发射极连接到接地端GND，所述第五三极管Q5的集电极作为过压保护模块的输出端，与所述开关模块连接。
过压保护模块的工作原理：第五三极管Q5为NPN管；当第八电阻R8的电压大于0.7V，即第五三极管Q5的基极与发射极的电压大于0.7伏时，第五三极管Q5会进入导通状态。在这种情况下，集电极的电压（Vce）将保持相对较低的值，通常接近饱和电压；集电极的电压可以近似地认为接近零电压。则无论过流保护模块和欠压保护模块输出的值是多少，过压保护模块输出值为低电平，使得开关模块的第一场效应管处于关断状态，即过压保护模块的输入电压大于预设值的最大电压值，则开关模块会关断直流输入保护电路，使得过大的电压不会从直流输入保护电路输出，进入下一级电路。在本实施例中，输出OUT电压为11V（±1V）。
则12V×（R8/（R2+R8））=0.7V即可，此处第二电阻R2可取161KΩ，第八电阻R8可取10KΩ。
优选的，所述欠压保护模块，包括：第三电阻R3和第六电阻R6；所述第三电阻R3和第六电阻R6串联在一起，并跨接在电源端VDD和接地端GND之间；所述第三电阻R3和第六电阻R6的连接处作为欠压保护模块的输出端，与所述开关模块连接。
欠压保护模块的工作原理：当进入欠压保护模块的电压小于预设置的电压值时，第六电阻R6两端的电压会较小，即欠压保护模块的输出为低电平，导致第三三极管Q3处于截止状态；无论此时过流保护模块，过压保护模块处于什么状态，开关模块中的第一场效应管Q1都处于关断状态，即没有电压从直流输入保护电路输出。在本实施例中，输出OUT电压为11V（±1V）。则，10V×（R6/（R3+R6））= 0.7V即可，则第三电阻R3可取132KΩ，第六电阻R6可取10KΩ。
优选的，所述开关模块，包括：输出端OUT，第四电阻R4，第一场效应管Q1和第三三极管Q3；所述第一场效应管Q1为NMOS管，第三三极管Q3为NPN管；
所述第四电阻R跨接在所述第一场效应管Q1的栅极和源极之间；所述第一场效应管Q1的源极还与电源端VDD连接，所述第一场效应管Q1的漏极与所述输出端OUT连接，所述第一场效应管Q1的栅极与所述第三三极管Q3的集电极连接；所述第三三极管Q3的发射极与接地端GND连接，所述第三三极管Q3的基极与所述过流保护模块的输出端连接。
开关模块的工作原理：在第三三极管Q3的基极为低电平时，第三三极管Q3也出截止区，因此，第四电阻R4的两端，也即第一场效应管Q1的栅极和源极之间电压为零伏。当开关模块中的第一场效应管Q1为PMOS管时，PMOS管的栅极与源极的电压相等时，PMOS管处于关闭状态，也称为截止状态。即开关模块处于关断状态。综上，可见，无论过流保护模块、过压保护模块和/或欠压保护模块中，哪一个的输出，处于低电平状态，即输出到第三三极管Q3的基极为低电平，则开关模块都会处于关断状态，不会有电流或电压输出到下一级电路。
优选的，所述第三三极管Q3的基极还与所述过压保护模块的输出端连接。
优选的，所述第三三极管Q3的基极还与所述欠压保护模块的输出端连接。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.能实现防反接、干扰滤除、过压保护、欠压保护、过流保护，对比现有各种保护电路功能更强；
2.纯硬件搭建的保护电路，比起用MCU搭建的电路反应更快效果更好；
3.相比起用MCU或者比较器搭建的保护电路，成本更低，对布局空间要求更低；
4.相比起用稳压管搭建的保护电路，电阻分压式的方式对电流和温度的稳定性更好。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，本说明书（包括摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (9)

1.一种直流输入保护电路，其特征在于，包括：依次级联的防反接模块、干扰滤除模块、过流保护模块、过压保护模块、欠压保护模块和开关模块；
所述防反接模块，用于限制直流输入的电流的方向；
干扰滤除模块，用于滤除进入保护电路的差模或共模干扰；
过流保护模块，用于限制直流输入的电流的大小；
过压保护模块，用于限制直流输入的电压的最大值；
欠压保护模块，用于限制直流输入的电压的最小值；
开关模块，用于结合过流保护模块、过压保护模块和欠压保护模块的输出，决定直流输入保护电路是否输出电流或电压。
2.根据权利要求1所述的直流输入保护电路，其特征在于，所述防反接模块，包括：二极管D1。
3.根据权利要求1所述的直流输入保护电路，其特征在于，所述干扰滤除模块，包括：级联在一起的双向TVS管、共模电感、磁珠和/或电容C1。
4.根据权利要求1所述的直流输入保护电路，其特征在于，所述过流保护模块，包括：电源端VDD，接地端GND，第一电阻R1，第五电阻R5，第七电阻R7，第二三极管Q2和第四三极管Q4；所述第二三极管Q2为PNP管，所述第四三极管Q4为NPN管；
所述第一电阻R1跨接在所述第二三极管Q2的基极与发射极之间，所述第一电阻R1的一端连接所述干扰滤除模块的输出端，所述第一电阻R1的另一端连接电源端VDD；所述第二三极管Q2的集电极通过依次串联的第五电阻R5和第七电阻R7连接到接地端GND；
所述第五电阻R5和第七电阻R7的连接处，还与所述第四三极管Q4的基极连接；所述第四三极管Q4的发射极连接到接地端GND，所述第四三极管Q4的集电极作为过流保护模块的输出端，与所述开关模块连接。
5.根据权利要求4所述的直流输入保护电路，其特征在于，所述过压保护模块，包括：第二电阻R2，第八电阻R8和第五三极管Q5；所述第五三极管Q5为NPN管；
所述第二电阻R2和第八电阻R8串联在一起，并跨接在电源端VDD和接地端GND之间；所述第二电阻R2和第八电阻R8的连接处，还与第五三极管Q5的基极连接；所述第五三极管Q5的发射极连接到接地端GND，所述第五三极管Q5的集电极作为过压保护模块的输出端，与所述开关模块连接。
6.根据权利要求5所述的直流输入保护电路，其特征在于，所述欠压保护模块，包括：第三电阻R3和第六电阻R6；所述第三电阻R3和第六电阻R6串联在一起，并跨接在电源端VDD和接地端GND之间；所述第三电阻R3和第六电阻R6的连接处作为欠压保护模块的输出端，与所述开关模块连接。
7.根据权利要求6所述的直流输入保护电路，其特征在于，所述开关模块，包括：输出端OUT，第四电阻R4，第一场效应管Q1和第三三极管Q3；所述第一场效应管Q1为NMOS管，第三三极管Q3为NPN管；
所述第四电阻R跨接在所述第一场效应管Q1的栅极和源极之间；所述第一场效应管Q1的源极还与电源端VDD连接，所述第一场效应管Q1的漏极与所述输出端OUT连接，所述第一场效应管Q1的栅极与所述第三三极管Q3的集电极连接；所述第三三极管Q3的发射极与接地端GND连接，所述第三三极管Q3的基极与所述过流保护模块的输出端连接。
8.根据权利要求7所述的直流输入保护电路，其特征在于，所述第三三极管Q3的基极还与所述过压保护模块的输出端连接。
9.根据权利要求8所述的直流输入保护电路，其特征在于，所述第三三极管Q3的基极还与所述欠压保护模块的输出端连接。
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