CN102684178A - 一种用电源负载短路保护电路的多路输出电路 - Google Patents
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Abstract
一种用电源负载短路保护电路的多路输出电路，涉及电子技术领域。本发明包括供电电路、多路与供电电路相连的负载短路保护电路及对应负载。其结构特点是，所述供电电路使用24V/5A开关电源作为总供电电源。所述保护电路包括恒流电路、逻辑电路和两个定时器。所述恒流电路的输入端接开关电源的24V正电源，恒流电路的状态端口依次经定时器一、逻辑电路和定时器二与恒流电路的禁止端相连接，恒流电路的状态端还与逻辑电路的输入端相连。所述负载两端分别连接恒流电路的输出端和开关电源的24V负电源。同现有技术相比，本发明的任意一路电源负载过流或短路，都不影响其他两路正常工作，而且保护电路中所使用的功率器件不需加装散热器。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别是使用电源负载短路保护电路的多路输出电路。
背景技术
目前电源的负载短路保护电路种类繁多，但这些保护电路的保护目的通常都是用来解决电源调整管或电源开关管的烧毁问题的。这种保护电路一般不对负载电流进行严格的限制，以避免因无法适应负载电路并接的大容量滤波电容而导致电源无法正常启动。
现有技术中，西门子等公司推出的BTS4xx系列智能功率开关，其对功率场效应管的完备保护措施就是上述保护电路的典型代表，它的负载短路保护电路如图1所示。BTS4xx系列在“负载电流”比“最大输出电流”大二十几倍的情况下，保护逻辑才能起作用。同时，BTS4xx系列设计了过热保护功能的散热器，在负载电流过大、但又未能达到短路保护条件情况的情况下，这种过热保护功能可以有效地防止功率场效应管烧毁。但是这种过流保护方式显然具有两方面的局限：一是保护动作电流值不确定；二是保护动作时间很慢。
参看图2，为上述负载短路保护电路在多路输出开关电源的应用中。当某一路输出所连接的负载电路发生故障，导致该路过流；但该负载电流值不足够大，不足以使得该保护电路的负载短路保护逻辑动作。在这种情况下，由于开关电源的总负荷超过了其输出能力而被拉垮，进而导致其他各路输出全部出现故障。简而言之，就是某一路负载过流，拉垮了其他各路输出。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用电源负载短路保护电路的多路输出电路。它的任意一路电源负载过流或短路，都不影响其他两路正常工作，而且保护电路中所使用的功率器件不需加装散热器。
为了达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：
一种用电源负载短路保护电路的多路输出电路，它包括供电电路、多路与供电电路相连的负载短路保护电路及对应负载。其结构特点是，所述供电电路使用24V/5A开关电源作为总供电电源。所述保护电路包括恒流电路、逻辑电路和两个定时器。所述恒流电路的输入端接开关电源的24V正电源，恒流电路的状态端口依次经定时器一、逻辑电路和定时器二与恒流电路的禁止端相连接，恒流电路的状态端还与逻辑电路的输入端相连。所述负载两端分别连接恒流电路的输出端和开关电源的24V负电源。
在上述多路输出电路中，所述开关电源分别通过7805芯片和NE555芯片产生5V和27V的正电源。所述恒流电路包括状态指示电路和禁止电路。状态指示电路包括依次与开关电源的24V正电源相连接的稳压管、三极管一和三极管二。禁止电路包括依次与开关电源的24V正电源相连接的三极管三和三极管四，开关电源的24V正电源经电阻一接运算放大器的正输入端，开关电源的27V正电源为运算放大器供电，运算放大器的输出经场效应管接恒流电路的输出端。三极管三经电阻十一与场效应管相连。
在上述多路输出电路中，所述定时器一内置74HC221-A芯片，开关电源的5V正电源给74HC221-A芯片供电，开关电源的5V正电源还通过电阻十五和电容三连接到74HC221-A芯片上，74HC221-A芯片的输入端与恒流电路的状态端相连接。所述定时器二内置74HC221-B芯片，开关电源的5V正电源给74HC221-B芯片供电，开关电源的5V正电源还通过电阻十八和电容七连接到74HC221-B芯片上，74HC221-B芯片的输出端与恒流电路的禁止端相连接。所述逻辑电路使用数个电容和电阻将定时器一和定时器二连接。
本发明由于采用了上述结构，保护电路中所使用的功率器件不需加装散热器。恒流电路确保了输出电流任何时刻都不会超过一定限度，使得不论其对应负载处于何种状态都不可能因拉垮公共的“开关电源”而殃及其他路电源输出。而且，采用本发明构成的由一个开关电源分别连接三路带保护电路输出电路的器件成本较现有技术的分别使用三个开关电源构成三路互不影响的电源输出电路的成本要低廉。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为现有技术中BTS4xx系列负载短路保护电路示意图；
图2为现有技术中用BTS4xx系列负载短路保护电路连接成的多路输出开关电源示意图；
图3为本发明中一路负载短路保护电路的示意图；
图4为本发明中供电电路的电路图；
图5为本发明中恒流电路的电路图；
图6为本发明中两个定时器和逻辑电路的电路图；
图7为本发明的使用电源负载短路保护电路的三路输出电路示意图；
图8为本发明正常工作状态下各点信号波形图；
图9为本发明上电过程各点信号波形图；
图10为本发明故障状态各点信号波形图。
具体实施方式
参看图3至图6，本发明包括供电电路、多路分别与供电电路相连的保护电路及对应负载。供电电路使用24V/5A开关电源作为总供电电源，开关电源分别通过7805芯片和NE555芯片产生5V和27V的正电源。保护电路包括恒流电路、逻辑电路和两个定时器，所述恒流电路的输入端接开关电源的24V正电源，恒流电路的状态端口依次经定时器一、逻辑电路和定时器二与恒流电路的禁止端相连接，恒流电路的状态端还与逻辑电路的输入端相连。负载两端分别连接恒流电路的输出端和开关电源的24V负电源。恒流电路包括状态指示电路和禁止电路。状态指示电路包括依次与开关电源的24V正电源相连接的稳压管D3、三极管一T1和三极管二T2。禁止电路包括依次与开关电源的24V正电源相连接的三极管三T3和三极管四T4。开关电源的24V正电源经电阻一R1接运算放大器U1的正输入端，开关电源的27V正电源为运算放大器U1供电，运算放大器U1的输出经场效应管T5接恒流电路的输出端。三极管三T3经电阻十一R11与场效应管T5相连。定时器一内置74HC221-A芯片UA，开关电源的5V正电源给74HC221-A芯片UA供电，开关电源的5V正电源还通过电阻十五R15和电容三C3连接到74HC221-A芯片UA上，74HC221-A芯片UA的输入端与恒流电路的状态端相连接。定时器二内置74HC221-B芯片UB，开关电源的5V正电源给74HC221-B芯片UB供电，开关电源的5V正电源还通过电阻十八R18和电容七C7连接到74HC221-B芯片UB上，74HC221-B芯片UB的输出端与恒流电路的禁止端相连接。逻辑电路使用数个电容和电阻将定时器一和定时器二连接。
本发明中恒流电路进入恒流状态的条件是：电阻十一R11（0.05Ω）两端的电压降达到电阻一R1（680Ω）两端的电压降。由于电阻一R1两端的电压降为68mV，因而该电路的进入恒流状态的条件是负载电流为：68mV∕0.05Ω = 1.36A 。在负载电流小于1.36A时，由于电阻一R1两端的电压降小于电阻一R1两端的电压降，即运算放大器U1的反相输入端电压高于其同相输入端电压，因而运算放大器U1的输出端达到负向最大值，约为“比+24V低14V”。此时场效应管T5处于完全通导状态（导通电阻不大于0.2Ω）。本发明中三极管一T1作为一个电压比较器使用，比较电压由稳压管D3决定。由于稳压管D3选用8.2V稳压管，加上三极管一T1的BE结电压，比较电压大约为“比+24V低9V”。当负载电流达到恒流（1.36A）时，场效应管T5（IRF9530）的栅源电压大约在-4V左右，也就是运算放大器U1的输出端比+24V低4V左右，导致三极管一T1截止，三极管二T2输出高电平（指示“过流”状态）。当负载电流较小时，如前所述，运算放大器U1的输出端 比+24V低14V，导致三极管一T1导通，三极管二T2输出低电平（指示“正常”状态）。三极管三T3（9012）和三极管四T4（9013）等元器件构成禁止电路。当禁止端电压为高电平时，三极管四T4导通，带动三极管三T3导通，这样场效应管T5（IRF9530）的栅源电压被强制嵌位到0V，恒流电路被关断。如果需要改变本发明恒流电路的保护恒流值时，可通过调整电阻十一R11或者电阻一R1实现。
本发明中两个定时器和逻辑电路中，定时时间由电阻十五R15和电容三C3决定。定时器一的定时时间确定恒流电路的短暂恒流时间，该时间 = 0.7* R15*C3 ≈190mS。定时器二的定时时间由电阻十八R18和电容七C7决定。定时器二的定时时间确定恒流电路在负载发生故障情况下的关断时间，该时间 = 0.7* R15*C3 ≈ 3.6 S 。如果需要更改本发明定时器和逻辑电路的短暂恒流时间，可调整电阻十五R15或者电容三C3实现。如果需要更改定时器和逻辑电路的故障关断时间，可调整电阻十八R18或者电容三七C7实现。
参看图7，为采用本发明实现三路输出电路的示意图
参看图8，为在正常工作状态下，本发明的负载电流小于额定工作电流1A，恒流电路没有进入恒流状态，其输出电压几乎等于输入电压。此时恒流电路的状态输出处于无效状态，因而定时器一、逻辑电路和定时器二也处于无效状态，导致恒流电路的控制端处于接通状态，进而恒流电路维持在没有进入恒流的接通状态。
参看图9，本发明上电瞬间，由于负载上并接了大容量电解电容，类似于负载瞬间短路，造成恒流电路短时间进入恒流状态；此时恒流电路的状态输出转入有效状态，进而触发定时器一启动定时。这期间由于恒流电路的恒定输出电流1.5A大于负载额定电流1A，因而并接在负载上的大容量电解电容得以充电。随着充电电流逐渐减小，最终使得恒流电路脱离恒流状态，而转入接通状态，随之恒流电路的状态输出转入无效状态。当定时器一定时时间到时刻，逻辑发现此刻恒流电路的状态输出已转入无效状态，因而认定是正常上电过程；进而不启动定时器二。这样恒流电路的控制端始终处于非关断状态，致使恒流电路顺利转入正常工作状态。
参看图10，本发明一旦发生负载过流或短路的故障，造成恒流电路持续进入恒流状态；此时恒流电路的状态输出转入有效状态，进而触发定时器一启动定时。由于恒流电路的状态输出持续停留在有效状态，当定时器一定时时间到时刻，逻辑电路启动了定时器二，致使恒流电路被禁止，进而恒流电路没有任何输出。当定时器二定时到时，恒流电路将恢复输出，并试图重新完成一个上电过程。
Claims (3)
1.一种用电源负载短路保护电路的多路输出电路，它包括供电电路、多路与供电电路相连的负载短路保护电路及对应负载，其特征在于，所述供电电路使用24V/5A开关电源作为总供电电源；所述保护电路包括恒流电路、逻辑电路和两个定时器，所述恒流电路的输入端接开关电源的24V正电源，恒流电路的状态端口依次经定时器一、逻辑电路和定时器二与恒流电路的禁止端相连接，恒流电路的状态端另与逻辑电路的输入端相连；所述负载两端分别连接恒流电路的输出端和开关电源的24V负电源。
2.根据权利要求1所述的多路输出电路，其特征在于，所述开关电源分别通过7805芯片和NE555芯片产生5V和27V的正电源恒；所述流电路包括状态指示电路和禁止电路，状态指示电路包括依次与开关电源的24V正电源相连接的稳压管（D3）、三极管一（T1）和三极管二（T2），禁止电路包括依次与开关电源的24V正电源相连接的三极管三（T3）和三极管四（T4），开关电源的24V正电源经电阻一（R1）接运算放大器（U1）的正输入端，开关电源的27V正电源为运算放大器（U1）供电，运算放大器（U1）的输出经场效应管（T5）接恒流电路的输出端，三极管三（T3）经电阻十一（R11）与场效应管（T5）相连。
3.根据权利要求1所述的多路输出电路，其特征在于，所述定时器一内置74HC221-A芯片（UA），开关电源的5V正电源给74HC221-A芯片（UA）供电，开关电源的5V正电源还通过电阻十五（R15）和电容三（C3）连接到74HC221-A芯片（UA）上，74HC221-A芯片（UA）的输入端与恒流电路的状态端相连接；所述定时器二内置74HC221-B芯片（UB），开关电源的5V正电源给74HC221-B芯片（UB）供电，开关电源的5V正电源还通过电阻十八（R18）和电容七（C7）连接到74HC221-B芯片（UB）上，74HC221-B芯片（UB）的输出端与恒流电路的禁止端相连接；所述逻辑电路使用数个电容和电阻将定时器一和定时器二连接。
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