CN103474951B - 一种输出可控低压差过流保护电路 - Google Patents

Abstract

一种输出可控低压差过流保护电路，包括主通路、副通路、反向电压保护电路、主副通路过流切换及使能禁止控制电路、效率调节电阻、过流采样电阻和极限电流设定电，该电路具备自动过流保护和输出使能/禁止的功能，串接在电路的电源入口处，能够实现星载设备元器件抗单粒子锁定和电路短路过流保护功能，具有较高的实用价值。按照本发明电路定制的专用ASIC芯片很好的满足航天器星载设备的应用需求，有利于提高设备集成度，同时该电路过流保护功能对于航天器以外的电路也具有很强的通用性。

Description

一种输出可控低压差过流保护电路

技术领域

本发明涉及一种输出可控低压差过流保护电路，用于电子设备的电路过流保护，属于电子电路设计领域。

背景技术

在航天器电子设备设计中，过流保护是一项重要的可靠性、安全性措施，主要用于电源保护、半导体器件单粒子锁定保护设计等。目前常用的过流保护设计有两种：一种是采用限流电阻进行过流保护，另一种采用稳压限流器件进行过流保护，其中采用限流电阻进行过流保护最为常见。

(1)采用限流电阻做过流保护，电路简单，但不能保证电路设计每次都能够达到设计要求和满足过流保护的结果，稳定性不高，采用限流电阻做过流保护有以下明显缺陷：

a、电阻小，限流值不满足要求，起不到保护作用；电阻大，压降增加，器件的供电电压不满足要求。

b、对于供电电流较大的情况，需要电路内部分区限流，既增加印制板设计难度，又会造成各组件电压不一致。

c、工作电流变化导致器件供电电压波动，影响工作性能，一般建议减小供电回路中的电阻，与限流保护需求相矛盾。

(2)采用稳压限流器件进行过流保护的方法，由采样电路监视输出电流，并通过比较器产生过流信号，然后控制稳压器调整管的输出电压，从而达到限流保护的目的。过流保护状态下，特别是在负载短路情况下，不仅有过大电流从调整管流过，而且调整管两端的电压也处于最大值，整个电路的功耗全部加在调整管上，很可能烧坏调整管。因此，如果卫星或飞船设备在轨发生单粒子锁定，假设不能够及时切断电，长时间保持大电流通过，则有可能造成故障不可恢复。另外由于受制于没有宇航等级器件，不满足在轨使用寿命要求，目前国内航天器应用比较少。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种输出可控低压差过流保护电路，具备自动过流保护和输出可控的功能，将该电路串接在航天器电子设备的电源入口处，解决了航天器电子设备设计中半导体器件单粒子锁定保护设计和供电电源过流保护的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种输出可控低压差过流保护电路包括主通路、副通路、反向电压保护电路、主副通路过流切换及使能禁止控制电路、效率调节电路、过流采样电路和极限电流设定电路，其中：

过流采样电路用于采样整个保护电路的电流；

主副通路过流切换及使能禁止控制电路根据电流采样信号和外部输入控制信号对主副通路进行切换和使能禁止控制；

当控制信号处于输出使能状态时，由过流采样电路对流过的电流进行采样监视，当电流在限流门限内时，主副通路过流切换及使能禁止控制电路控制主通路处于正常工作状态，并通过效率调节电路调节主通路对负载的供电效率，主通路输出连接负载；当采样的电流超出限流门限，主副通路过流切换及使能禁止控制电路控制主通路电路停止工作，同时控制副通路电路正常工作，通过副通路为负载提供电源，副通路连接负载；

保护电路处于过流状态时，极限电流设定电路设置限制了流过副通路的极限电流；

当控制信号处于输出禁止状态，主副通路过流切换及使能禁止控制电路控制主通路与副通路处于截止状态，使得整个电路停止为负载提供电源；

反向电压保护电路连接于所述主副通路过流切换及使能禁止控制电路与所述主通路及所述副通路的输出端之间用于防止在多电源并联供电情况下防止反向电压的回灌。

所述主通路包括一个PNP型三极管T1A；所述副通路包括NPN型三极管T2和电阻R4；所述主副通路过流切换及使能禁止控制电路包括PNP型三极管T3、NPN型三极管T5、NPN型三极管T6、NPN型三极管T7、NPN型三极管T8、二极管D1、二极管D3、电阻R1、电阻R2、电阻R5和电阻R6；所述反向电压保护电路包括PNP型三极管T4和电阻R3；所述效率调节电路采用电阻Rs2；所述过流采样电路采用电阻Rs1；所述极限电流设定电路采用电阻Rp；

所述PNP型三极管T1A的基极连接到主副通路过流切换及使能禁止控制电路中的NPN型三极管T5的集电极；所述PNP型三极管T1A的集电极与副通路中的NPN型三极管T2的发射极和反向保护电路中的PNP型三极管T4的发射极相连；所述PNP型三极管T1A的发射极连接到主副通路过流切换及使能禁止控制电路中的PNP型三极管T3的基极及副通路中的NPN型三极管T2的基极和电阻R4、电阻Rs1和电阻Rp的一端；

所述NPN型三极管T2的发射极与反向保护电路中的PNP型三极管T4的发射极相连；所述NPN型三极管T2的集电极与电阻Rp的另一端相连；电阻R4的另一端与所述NPN型三极管T2的基极以及主副通路过流切换及使能禁止控制电路中的NPN型三极管T7的集电极相连；

所述PNP型三极管T3的集电极与二极管D1的阳极相连，二极管D1的阴极与反向保护电路中PNP型三极管T4的集电极相连；所述NPN型三极管T7的基极作为使能信号的输入端通过电阻R5与控制端信号相连；所述NPN型三极管T8的基极作为使能信号的输入端通过电阻R6与控制端信号相连；所述PNP型三极管T3的基极与Rs1的一端相连，所述二极管D3的阳极、所述PNP型三极管T3的发射机、以及电阻R1的一端与电阻Rs1的另一端相连；电阻R1的另一端连接到所述NPN型三极管T8的集电极和所述NPN型三极管T5的基极以及所述NPN型三极管T6的集电极；

所述PNP型三极管T4的集电极通过电阻R2与NPN型三极管T6的基极相连；所述PNP型三极管T4的基极通过电阻R3接地。

所述主通路、副通路、反向电压保护电路、主副通路过流切换及使能禁止控制电路、效率调节电路、过流采样电路和极限电流设定电路集中在一个芯片内。

所述主通路、副通路、反向电压保护电路、主副通路过流切换及使能禁止控制电路集中在一个芯片内，效率调节电路、过流采样电路和极限电流设定电路采样外置形式。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用主、副通路双通道结构设计，分别提供电路在正常工作状态下和过流状态下的电流通道。主通道能够保证正常工作时低压差供电需求，副通道能保证将电流限定在安全范围之内达到保护供电电源的目的。

(2)本发明提出的过流保护电路可以通过配置不同的采样电阻、极限电流限流电阻、效率调节电阻，针对具体应用环境设置合理的电流保护区间，提高电路的使用灵活性。

(3)本发明提出的过流保护电路具备过流时自动切断主通路以保护电源和驱动管，过流后输出电压降低可以在发生空间单粒子锁定时使元器件退出锁定状态，过流现象消失后电路可以自动恢复正常供电的功能，同时具备比较宽的电源电压适应范围，通用性较强。同时本发明采用反馈控制，使电路内部各晶体管在正常工作和过流保护状态下均能保持饱和或截止状态，保证各管功耗在较低的水平，避免了器件因过热烧坏，提高电路可靠性。

(4)本发明具备防反向电压功能，支持多电源并联供电，解决电源冷备份、设备常加电设计供电问题，电源输入端采用本电路可以有效控制浪涌电流的大小。

(5)本发明电路实现定制ASIC芯片设计时，将采样电阻、极限电流限流电阻、效率调节电阻外置，可以提高芯片的适用范围。

附图说明

图1为本发明的电路功能模块示意图；

图2为本发明的具体电路示意图；

图3为本发明电路处于输出正常状态下的直流参数仿真图；

图4为本发明电路处于输出过流保护状态下的直流参数仿真图；

图5为本发明电路处于控制端输出禁止状态下的直流参数仿真图；

图6为本发明电路处于反向保护状态下的直流参数仿真图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明具体实施方式。

如图1所示，本发明一种输出可控低压差过流保护电路，包括主通路、副通路、反向电压保护电路、主副通路过流切换及使能禁止控制电路、效率调节电路、过流采样电路和极限电流设定电路。

过流采样电路用于采样整个保护电路的电流；主副通路过流切换及使能禁止控制电路的输入端与外部控制信号相连；主副通路过流切换及使能禁止控制电路根据由电流采样获得的过流标识信号和外部输入使能或禁止控制信号的电压状态对主副通路进行切换和使能禁止控制。

主通路与效率调节电路、过流采样电路和极限电流设定电路及主副通路过流切换及使能禁止控制电路相连。副通路分别与极限电流设定电路及主副通路过流切换及使能禁止控制电路相连。当控制信号处于输出使能状态时(即控制信号为低电平时)，过流采样电路对流过的电流进行采样监视，如果电流在限流门限内，主副通路过流切换及使能禁止控制电路控制主通路处于正常工作状态，并通过效率调节电路调节主通路对负载的供电效率，主通路输出连接负载；当负载短路时，被采样的电流超出限流门限，主副通路过流切换及使能禁止控制电路控制主通路电路停止工作，同时控制副通路电路正常工作，通过副通路为负载提供电源，副通路连接负载。

当控制信号处于输出禁止状态时(即控制信号为高电平时)，主副通路过流切换及使能禁止控制电路控制主通路与副通路处于截止状态使得整个电路停止为负载提供电源；

保护电路处于过流状态时，极限电流设定电路设置限制了流过副通路的极限电流。

反向电压保护电路连接于所述主副通路过流切换及使能禁止控制电路与所述主通路及所述副通路的输出端之间用于防止在多电源并联供电情况下防止反向电压的回灌。

效率调节电路的两端分别连接于主通路电路和主副通路过流切换及使能禁止控制电路，用于根据电路的实际工作电流控制芯片的损耗电流大小，保证电路供电效率。

极限电流设定电路连接于过流采样电路的一端和主副通路过流切换及使能禁止控制电路，另一端连接于副通路用于设定负载短路情况下的过载电流最大值，当保护电路处于过流状态时，极限电流设定电路设置限制了流过副通路的极限电流；过流采样电路的另一端同时连接到主副通路过流切换及使能禁止控制电路。

下面以一具体实例说明本发明电路结构和工作原理：

如图1、2所示，效率调节电路采用电阻Rs2实现；所述过流采样电路采用电阻Rs1实现；所述极限电流设定电路采用电阻Rp实现；主通路选用PNP型三极管T1A，PNP型三极管T1A的基极连接到主副通路过流切换及使能禁止控制电路中的NPN型三极管T5的集电极；PNP型三极管T1A的集电极与副通路中的NPN型三极管T2的发射极和反向保护电路中的PNP型三极管T4的发射极相连；PNP型三极管T1A的发射极连接到主副通路过流切换及使能禁止控制电路中的PNP型三极管T3的基极及副通路中的电阻R4、过流采样电阻Rs1和电阻Rp的一端。

副通路包括NPN型三极管T2和电阻R4；NPN型三极管T2的发射极与反向保护电路中的PNP型三极管T4的发射极相连；NPN型三极管T2的集电极与电阻Rp的另一端相连；电阻R4的另一端与NPN型三极管T2的基极以及主副通路过流切换及使能禁止控制电路中的NPN型三极管T7的集电极相连。

主副通路过流切换及使能禁止控制电路包括PNP型三极管T3、NPN型三极管T5、NPN型三极管T6、NPN型三极管T7、NPN型三极管T8、二极管D1、二极管D3、电阻R1、电阻R2、电阻R5和电阻R6；PNP型三极管T3的集电极与二极管D1的阳极相连；NPN型三极管T7的基极作为使能信号的输入端通过电阻R5与控制端信号相连；NPN型三极管T8的基极作为使能信号的输入端通过电阻R6与控制端信号相连；电阻Rs1的另一端相连于所述二极管D3的阳极、PNP型三极管T3的发射机、以及电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端连接到NPN型三极管T8的集电极和NPN型三极管T5的基极以及所述NPN型三极管T6的集电极。

反向电压保护电路包括PNP型三极管T4和电阻R3；PNP型三极管T4的基极与二极管D3的阴极相连；PNP型三极管T4的集电极与二极管D1的阴极相连，同时PNP型三极管T4的集电极通过电阻R2与NPN型三极管T6的基极相连。

下面结合正常工作、过流保护、禁止输出和反向截止几种工作状态来介绍本电路的工作原理：

本电路的部分器件的参数固定，其中电阻R1为10KΩ、电阻R2为5KΩ、电阻R3为47KΩ、电阻R4为500Ω、电阻R5为1KΩ、电阻R6为1KΩ，其他部分器件的参数选择与具体工作环境状态相关，需要根据实际使用情况选择合适的取值，包括过流采样电阻RS1、极限电流设定电阻Rp和效率调节电阻RS2。

根据本发明提供电路的应用环境，假定输入电压5V，正常工作的电流为100mA，将电路过流门限设定为200mA，由此可以计算出电流采样电阻Rs1的阻值可设定为3Ω，效率调节电阻Rs2为500Ω；负载短路时最高极限电流限定为230mA，则电阻Rp为15Ω。

1、正常工作状态

如图3所示，正常工作时，外部控制信号Vctr输入电平为低，NPN型三极管T7和T8截止(T7和T8主要负责由外部信号控制电路的使能和禁止)，NPN型三极管T5导通；电流小于限流门限时PNP型三极管T3处于截止状态，此时PNP型三极管T1A工作在饱和态，PNP型三极管T1A饱和压降不足以使NPN型三极管T2导通，电流主要经PNP型三极管T1A流向负载；此时电路输出压降为RS1压降和PNP型三极管T1A的饱和压降之和(约0.3V)。

2、过流保护状态

如图4所示，当负载出现短路时，通过电阻RS1电流增大，当RS1两端压降可以使PNP型三极管T3导通时，NPN型三极管T6基极电压升高，NPN型三极管T6导通处于饱和状态，NPN型三极管T5基极电压小于0.3V，处于截至状态，此时PNP型三极管T1A的基极通路截断，从而使PNP型三极管T1A截止，主供电通路切断。在这种状态下，电流通过Rp和NPN型三极管T2流向负载，NPN型三极管T2工作在饱和状态，最大电流由Rp大小决定。由于正常供电和过流保护时，PNP型三极管T1A和NPN型三极管T2均工作在饱和状态，压降很小，功耗也较小，可以有效保护晶体管。

3、禁止输出状态

如图5所示，如果要切断对负载供电，则需要控制端Vctr输入高电平，使NPN型三极管T7和NPN型三极管T8饱和导通，控制NPN型三极管T2、NPN型三极管T5基极的电压小于0.3，使NPN型三极管T2和NPN型三极管T5处于截止状态，这样PNP型三极管T1A和NPN型三极管T2都关断，主、副供电通路电路都不能提供电流通路，输出端电压为低，达到输出关断的目的。

4、反向截止状态

如图6所示，在某些常加电负载设计中，通常会用主、备电源并联同时提供电源，当某一路电源关断或故障时，另外工作电源的电流可能会由输出端反灌回输入端，为了防止此种情况，电路内部设置了反向保护电路。PNP型三极管T4和二极管D1和D3监视反向电压实现反向截止控制功能。当输出端电压高于输入端电压时，PNP型三极管T4导通，其基极、集电极电压均为高电平，PNP型三极管T4集电极电压控制NPN型三极管T6饱和，使得NPN型三极管T5基极电压降低，NPN型三极管T5处于截止状态，PNP型三极管T1A的基极通路断开，PNP型三极管T1A处于截止状态，防止主供电通路反向导通。而副供供电通路中NPN型三极管T2的BE结反向截止，同样不会提供反向电流通道。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种输出可控低压差过流保护电路，其特征在于包括：主通路、副通路、反向电压保护电路、主副通路过流切换及使能禁止控制电路、效率调节电路、过流采样电路和极限电流设定电路，其中：

过流采样电路用于采样整个保护电路的电流；

主副通路过流切换及使能禁止控制电路根据电流采样信号和外部输入控制信号对主副通路进行切换和使能禁止控制；

当控制信号处于输出使能状态时，由过流采样电路对流过的电流进行采样监视，当电流在限流门限内时，主副通路过流切换及使能禁止控制电路控制主通路处于正常工作状态，并通过效率调节电路调节主通路对负载的供电效率，主通路输出连接负载；当采样的电流超出限流门限，主副通路过流切换及使能禁止控制电路控制主通路电路停止工作，同时控制副通路电路正常工作，通过副通路为负载提供电源，副通路连接负载；

保护电路处于过流状态时，极限电流设定电路设置限制了流过副通路的极限电流；

当控制信号处于输出禁止状态，主副通路过流切换及使能禁止控制电路控制主通路与副通路处于截止状态，使得整个电路停止为负载提供电源；

反向电压保护电路连接于所述主副通路过流切换及使能禁止控制电路与所述主通路及所述副通路的输出端之间用于防止在多电源并联供电情况下防止反向电压的回灌；

主通路包括一个PNP型三极管T1A；所述副通路包括NPN型三极管T2和电阻R4；所述主副通路过流切换及使能禁止控制电路包括PNP型三极管T3、NPN型三极管T5、NPN型三极管T6、NPN型三极管T7、NPN型三极管T8、二极管D1、二极管D3、电阻R1、电阻R2、电阻R5和电阻R6；所述反向电压保护电路包括PNP型三极管T4和电阻R3；所述效率调节电路采用电阻Rs2；所述过流采样电路采用电阻Rs1；所述极限电流设定电路采用电阻Rp；

所述PNP型三极管T1A的基极连接到主副通路过流切换及使能禁止控制电路中的NPN型三极管T5的集电极；所述PNP型三极管T1A的集电极与副通路中的NPN型三极管T2的发射极和反向保护电路中的PNP型三极管T4的发射极相连；所述PNP型三极管T1A的发射极连接到主副通路过流切换及使能禁止控制电路中的PNP型三极管T3的基极及副通路中的NPN型三极管T2的基极和电阻R4、电阻Rs1和电阻Rp的一端；

所述NPN型三极管T2的发射极与反向保护电路中的PNP型三极管T4的发射极相连；所述NPN型三极管T2的集电极与电阻Rp的另一端相连；电阻R4的另一端与所述NPN型三极管T2的基极以及主副通路过流切换及使能禁止控制电路中的NPN型三极管T7的集电极相连；

所述PNP型三极管T3的集电极与二极管D1的阳极相连，二极管D1的阴极与反向保护电路中PNP型三极管T4的集电极相连；所述NPN型三极管T7的基极作为使能信号的输入端通过电阻R5与控制端信号相连；所述NPN型三极管T8的基极作为使能信号的输入端通过电阻R6与控制端信号相连；所述PNP型三极管T3的基极与Rs1的一端相连，所述二极管D3的阳极、所述PNP型三极管T3的发射机、以及电阻R1的一端与电阻Rs1的另一端相连；电阻R1的另一端连接到所述NPN型三极管T8的集电极和所述NPN型三极管T5的基极以及所述NPN型三极管T6的集电极；

所述PNP型三极管T4的集电极通过电阻R2与NPN型三极管T6的基极相连；所述PNP型三极管T4的基极通过电阻R3接地。

2.根据权利要求1所述的一种输出可控低压差过流保护电路，其特征在于：所述主通路、副通路、反向电压保护电路、主副通路过流切换及使能禁止控制电路、效率调节电路、过流采样电路和极限电流设定电路集中在一个芯片内。

3.根据权利要求1所述的一种输出可控低压差过流保护电路，其特征在于：所述主通路、副通路、反向电压保护电路、主副通路过流切换及使能禁止控制电路集中在一个芯片内，效率调节电路、过流采样电路和极限电流设定电路采样外置形式。