CN203787935U - 基于高边电流检测的过流保护电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及电源的过流保护，具体是一种基于高边电流检测的过流保护电路。完善了电源的过流保护功能。包括由检测电阻Rs与电子开关元件串联构成的主电路、控制电子开关元件导通及关断的控制电路；检测电阻Rs的自由端为电源侧接线端，电子开关元件的自由端为负载侧接线端，控制端与控制电路的输出端连接；控制电路包括输入端与检测电阻Rs连接的高边电流检测模块、用于判断电源输出状况及控制电子开关元件工作状态的中间处理模块；中间处理模块的输入端与高边电流检测模块输出端连接，输出端与电子开关元件的控制端连接。结构合理，安全可靠，成本低廉，具有自恢复功能，有效防止了电路振荡；适用于煤矿本安电路，能够有效抑制短路火花能量。
Description
技术领域
本实用新型涉及电源的过流保护，具体是一种基于高边电流检测的过流保护电路。
背景技术
目前，诸多用户要求电源低成本、高密度、高可靠，并具有多种保护功能。在保护功能方面诸如有：输入欠压、输入过压、过温、输出过压、输出过流保护(短路)等。其中，对于用户来说最关心的是输出过流保护（短路保护），输出过流保护是指在输出短路或过载时对电源或负载进行的保护，输出过流保护有多种形式，可分为额定电流下垂型、恒流型、恒功率型，多数为电流下垂型。输出过流保护对终端用户影响最为明显，没有做好会对终端用户造成无法估量的损失。
发明内容
本实用新型为了完善电源的过流保护功能，提供了一种基于高边电流检测的过流保护电路。
本实用新型是采用如下技术方案实现的：基于高边电流检测的过流保护电路，包括由检测电阻Rs与电子开关元件串联构成的主电路、控制电子开关元件导通及关断的控制电路；检测电阻Rs的自由端为电源侧接线端，电子开关元件的自由端为负载侧接线端，电子开关元件的控制端与控制电路的输出端连接；所述控制电路包括输入端与检测电阻Rs连接的高边电流检测模块、用于判断电源输出状况及控制电子开关元件工作状态的中间处理模块；中间处理模块的输入端与高边电流检测模块输出端连接，输出端与电子开关元件的控制端连接；
所述高边电流检测模块包括采集检测电阻Rs两端电压的PNP三极管Q1和PNP三极管Q2，由NPN三极管Q3、NPN三极管Q4、NPN三极管Q5构成的镜像恒流源，以及由NPN三极管Q6、NPN三极管Q7、PNP三极管Q8构成的镜像恒流源；
PNP三极管Q1的发射极与检测电阻Rs自由端连接、PNP三极管Q2的发射极与检测电阻Rs的另一端连接，PNP三极管Q1的基极经电阻R6与PNP三极管Q2的基极连接，PNP三极管Q1的集电极与基极连接；
NPN三极管Q3的集电极、NPN三极管Q4和NPN三极管Q5的基极经电阻R1与检测电阻Rs自由端（即主电路的电源侧接线端）连接，NPN三极管Q4、NPN三极管Q5的发射极分别经电阻R2、R3接地；NPN三极管Q3的基极与NPN三极管Q4的发射极连接，发射极接地；NPN三极管Q4的集电极与PNP三极管Q1的集电极连接， NPN三极管Q5的集电极与PNP三极管Q2的集电极连接；
PNP三极管Q8的基极与PNP三极管Q2的集电极连接，发射极与PNP三极管Q2的基极连接，集电极与NPN三极管Q6的集电极连接；NPN三极管Q6的基极与集电极、NPN三极管Q7的基极连接，NPN三极管Q7的集电极与PNP三极管Q8的基极连接，NPN三极管Q6、NPN三极管Q7的发射极分别经电阻R5、R4接地，NPN三极管Q6的发射极与电阻R5的连接节点为模块输出端。
应用时，将主电路串入负载的供电干路（即电源和负载之间），通过高边电流检测模块监测检测电阻Rs的电压降，经处理转换成与干路电流成比例的输出信号，并传输给中间处理模块，然后由中间处理模块依据高边电流检测模块的输出信号判断电源输出是否发生过流故障，并输出相应触发信号控制电子开关元件工作状态，控制主电路的导通和截止：如发生过流故障，则控制电子开关元件关断，使主电路截止；如电源输出正常，则控制电子开关元件导通，保持主电路导通，进而有效实现电源的过流保护功能。
如图3所示，所述高边电流检测模块的电路原理阐述如下：将模块的输入端Rsence+和Rsence-连接在检测电阻Rs的两端，由NPN三极管Q3、NPN三极管Q4、NPN三极管Q5构成的镜像恒流源对PNP三极管Q1、Q2供电，且电阻R2和电阻R3相同，确保为PNP三极管Q1、Q2提供相同的电流，使PNP三极管Q1、Q2工作在特性相近的状态；PNP三极管Q1提供相对高端偏移的基准电压，PNP三极管Q2提供相对检测电阻Rs分压的偏移电压，检验电阻Rs上的分压被PNP三极管Q2偏移后，和PNP三极管Q1提供的基准电压产生一个在数值上等于检验电阻Rs自身压降的压差，该压差在电阻R6上形成电流，并通过由NPN三极管Q6、NPN三极管Q7、PNP三极管Q8构成的镜像恒流源，在其中一路的电阻R5上形成输出，另一路输入到PNP三极管Q2，用来补偿PNP三极管Q1因增加了电阻R6的分流而形成的电压误差。其中，电阻R5和电阻R6的比值决定了高边电流检测模块的放大倍数；电阻R4比电阻R5略小，作用是在PNP三极管Q2上形成一定的过补偿（或者说正反馈），减少因晶体管放大倍数有限带来的电路增益误差。
高边电流检测模块输出结果的计算过程如下：
流过电阻R6的电流
（1）
PNP三极管Q1、PNP三极管Q2相同，且工作在特性相近的状态，因此 ；则
（2）
而 （3）
（4）
因远小于，故省略
得 （5）
即（5）
其中，；
从而 （6）
（7）
此电路中R5=20KΩ,R6=1KΩ
故理论上 （8）
即高边电流检测模块输出端输出检测电阻Rs电压降固定倍率20的对地直流电压。
所述电子开关元件采用P沟道增强型场效应管，其源极与检测电阻Rs连接，漏极为负载侧接线端，栅极与控制电路输出端连接。所述电子开关元件还可以采用双向可控硅、晶体三极管。采用P沟道增强型场效应管的优势在于：输入阻抗大，漏电流小，正常工作导通时，内阻小发热量小。
所述中间处理模块包括电压比较器U2、电压比较器U3、由电阻R7和电阻R8串联构成分压支路、以及由电阻R11和电阻R12串联构成分压支路；电压比较器U2的反相端与高边电流检测模块的输出端连接，同相端与电阻R7、电阻R8间的连接节点连接，输出端经反向二极管D1与电压比较器U3的反相端连接；电压比较器U3的同相端与电阻R11、电阻R12间的连接节点连接，反相端经电容C1接地，并经电阻R10连接电源VCC；电压比较器U3的上拉电阻R13串联于电压比较器U3输出端与检测电阻Rs之间。所述中间处理模块还可以采用集成电路芯片、可编程逻辑器件CPLD等实现。采用电压比较器构建上述电路的优势在于：电路简单、器件取材容易、成本低。
正常情况下，高边电流检测模块U1的输出，电压比较器U2的输出为高电平，此时，二极管D1截止，电容C1充满电，电压比较器U3的反相端电压,电压比较器U3的输出为低电平，P沟道增强型场效应管开通使负载得电；当干路发生过流故障时，高边电流检测模块的输出，电压比较器U2的输出为低电平，二极管D1导通，电容C1迅速放电，使，电压比较器U3的输出跳变为高电平，P沟道增强型场效应管关断。此时，高边电流检测模块检测不到电流，高边电流检测模块的输出，电压比较器U2的输出跳变为高电平，电容C1开始通过电阻R4充电，充电时间为
(9)
经过时间后，电压比较器U3的反相端电压,电压比较器U3的输出为低电平，P沟道增强型场效应管开通使负载得电；若过流故障消除，则短路保护电路自恢复，使干路恢复正常，否则再次关断电路，且由于延时电容C1的设置，有效防止了干路发生供电振荡。
与现有技术相比，本实用新型属于额定电流下垂型过流保护电路，当发生过流时关断电路，使电流为零；本实用新型采用高边电流检测技术实时监测高边电流，将检测电阻放置在高侧—电源与负载之间，不仅消除了低边检测中出现的地线干扰，而且能够检测电源与系统地的短路故障；且高边电流检测模块采用分立晶体三极管实现，只要不超过晶体三极管的耐压值，就能避免采用运放进行高边电流采样会遇到的共模输入电压过高问题，即能解决接近电源电压的共模输入电压问题，具有安全可靠、成本低廉、结构简单和低功耗等优点。
本实用新型结构合理，安全可靠，成本低廉，具有自恢复功能，有效防止了电路振荡；适用于煤矿本安电路，能够有效抑制短路火花能量。
附图说明
图1为本实用新型的原理方框图；
图2为本实用新型的一具体电路原理图；
图3为本实用新型所述高边电流检测模块的电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，基于高边电流检测的过流保护电路，包括由检测电阻Rs与电子开关元件串联构成的主电路、控制电子开关元件导通及关断的控制电路，检测电阻Rs的自由端为电源侧接线端，电子开关元件的自由端为负载侧接线端，电子开关元件的控制端与控制电路的输出端连接；所述控制电路包括输入端与检测电阻Rs连接的高边电流检测模块、用于判断电源输出状况及控制电子开关元件工作状态的中间处理模块；中间处理模块的输入端与高边电流检测模块输出端连接，输出端与电子开关元件的控制端连接；
如图3所示，所述高边电流检测模块包括采集检测电阻Rs两端电压的PNP三极管Q1和PNP三极管Q2，由NPN三极管Q3、NPN三极管Q4、NPN三极管Q5构成的镜像恒流源，以及由NPN三极管Q6、NPN三极管Q7、PNP三极管Q8构成的镜像恒流源；
PNP三极管Q1的发射极与检测电阻Rs自由端连接、PNP三极管Q2的发射极与检测电阻Rs的另一端连接，PNP三极管Q1的基极经电阻R6与PNP三极管Q2的基极连接，PNP三极管Q1的集电极与基极连接；
NPN三极管Q3的集电极、NPN三极管Q4和NPN三极管Q5的基极经电阻R1与检测电阻Rs自由端（即主电路的电源侧接线端）连接，NPN三极管Q4、NPN三极管Q5的发射极分别经电阻R2、R3接地；NPN三极管Q3的基极与NPN三极管Q4的发射极连接，发射极接地；NPN三极管Q4的集电极与PNP三极管Q1的集电极连接， NPN三极管Q5的集电极与PNP三极管Q2的集电极连接；
PNP三极管Q8的基极与PNP三极管Q2的集电极连接，发射极与PNP三极管Q2的基极连接，集电极与NPN三极管Q6的集电极连接；NPN三极管Q6的基极与集电极、NPN三极管Q7的基极连接，NPN三极管Q7的集电极与PNP三极管Q8的基极连接，NPN三极管Q6、NPN三极管Q7的发射极分别经电阻R5、R4接地， NPN三极管Q6的发射极与电阻R5的连接节点为模块输出端。
如图2所示，所述电子开关元件采用P沟道增强型场效应管，其源极与检测电阻Rs连接，漏极为负载侧接线端，栅极与控制电路输出端连接；所述P沟道增强型场效应管选用IRF9530型P沟道增强型场效应管；所述中间处理模块包括电压比较器U2、电压比较器U3、由电阻R7和电阻R8串联构成分压支路、以及由电阻R11和电阻R12串联构成分压支路；电压比较器U2的反相端与高边电流检测模块的输出端连接，同相端与电阻R7、电阻R8间的连接节点连接，输出端经反向二极管D1与电压比较器U3的反相端连接；电压比较器U3的同相端与电阻R11、电阻R12间的连接节点连接，反相端经电容C1接地，并经电阻R10连接电源VCC；电压比较器U3的上拉电阻R13串联于电压比较器U3输出端与检测电阻Rs之间。电压比较器U2、U3采用LM339电压比较器芯片。
以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种基于高边电流检测的过流保护电路，其特征在于：包括由检测电阻Rs与电子开关元件串联构成的主电路、控制电子开关元件导通及关断的控制电路，检测电阻Rs的自由端为电源侧接线端，电子开关元件的自由端为负载侧接线端，电子开关元件的控制端与控制电路的输出端连接；所述控制电路包括输入端与检测电阻Rs连接的高边电流检测模块、用于判断电源输出状况及控制电子开关元件工作状态的中间处理模块；中间处理模块的输入端与高边电流检测模块输出端连接，输出端与电子开关元件的控制端连接；
所述高边电流检测模块包括采集检测电阻Rs两端电压的PNP三极管Q1和PNP三极管Q2，由NPN三极管Q3、NPN三极管Q4、NPN三极管Q5构成的镜像恒流源，以及由NPN三极管Q6、NPN三极管Q7、PNP三极管Q8构成的镜像恒流源；
PNP三极管Q1的发射极与检测电阻Rs自由端连接、PNP三极管Q2的发射极与检测电阻Rs的另一端连接，PNP三极管Q1的基极经电阻R6与PNP三极管Q2的基极连接，PNP三极管Q1的集电极与基极连接；
NPN三极管Q3的集电极、NPN三极管Q4和NPN三极管Q5的基极经电阻R1与检测电阻Rs自由端连接，NPN三极管Q4、NPN三极管Q5的发射极分别经电阻R2、R3接地；NPN三极管Q3的基极与NPN三极管Q4的发射极连接，发射极接地；NPN三极管Q4的集电极与PNP三极管Q1的集电极连接， NPN三极管Q5的集电极与PNP三极管Q2的集电极连接；
PNP三极管Q8的基极与PNP三极管Q2的集电极连接，发射极与PNP三极管Q2的基极连接，集电极与NPN三极管Q6的集电极连接；NPN三极管Q6的基极与集电极、NPN三极管Q7的基极连接，NPN三极管Q7的集电极与PNP三极管Q8的基极连接，NPN三极管Q6、NPN三极管Q7的发射极分别经电阻R5、R4接地， NPN三极管Q6的发射极与电阻R5的连接节点为模块输出端。
2.根据权利要求1所述的基于高边电流检测的过流保护电路，其特征在于：所述电子开关元件采用P沟道增强型场效应管，其源极与检测电阻Rs连接，漏极为负载侧接线端，栅极与控制电路输出端连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于高边电流检测的过流保护电路，其特征在于：所述中间处理模块包括电压比较器U2、电压比较器U3、由电阻R7和电阻R8串联构成分压支路、以及由电阻R11和电阻R12串联构成分压支路；电压比较器U2的反相端与高边电流检测模块的输出端连接，同相端与电阻R7、电阻R8间的连接节点连接，输出端经反向二极管D1与电压比较器U3的反相端连接；电压比较器U3的同相端与电阻R11、电阻R12间的连接节点连接，反相端经电容C1接地，并经电阻R10连接电源VCC；电压比较器U3的上拉电阻R13串联于电压比较器U3输出端与检测电阻Rs之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Guo Rui Inventor after: Li Hong Inventor after: Jiang Jiahe Inventor after: Wei Xiaolu Inventor before: Guo Rui Inventor before: Li Hong Inventor before: Jiang Jiahe |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: GUO RUI LI HONG JIANG JIAHE TO: GUO RUI LI HONG JIANG JIAHE WEI XIAOLU |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140820 Termination date: 20150409 |
|
| EXPY | Termination of patent right or utility model |