CN104901267B - 一种以太网用电设备低损耗过流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种以太网用电设备过流保护电路，其包括四个部分，分别为阈值电路、比较放大电路、供电电路和延时电路。本发明的主要目的在于，防止以太网用电设备上电及正常工作时，过大电流对设备造成的损坏。出于减少电路损耗的考虑，本发明选取了相对较小的保护阈值电压。而为了减少阈值电压切换过程的错误触发，本发明设置了相关延时电路。为了有效提高电路控制的精准度，比较放大电路采用工艺偏差较小晶体管做为正向输入端口和反相输入端口，并在阈值电路中引入相关电阻以减少电压采样信号和阈值电压信号的误差。可见，本发明在有效保护以太网设备上电及正常工作的同时，又具有低损耗和高精准度的优点。

Description

一种以太网用电设备低损耗过流保护电路

技术领域

本发明涉及以太网设备用电接口电路的设计，尤其涉及的是，一种设备用电接口过流保护电路的设计。

背景技术

当以太网设备开始上电工作时，会出现过冲电流使电路及其器件损坏。并且，在设备正常工作的过程中，由于负载的变化或电路短路，同样会出现较大的电流损坏设备。因此，有必要设计以太网用电设备的过流保护电路来保护设备。由于以太网设备上电过程中，电流在较短时间内迅速升高，因此设定的过流保护阈值应相对较小。而在设备正常工作时，应以IEEE802.3af标准为依据，设定一个相对大的过流保护阈值，以保证设备的正常工作。可见以太网设备过流保护电路应具有双阈值，并能根据设备的工作状态进行切换。在设备过流保护电路的设计中，同样应考虑电路的结构简化及损耗问题，以使电路更具有实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种以太网用电设备过流保护电路。

本发明的技术方案如下：以太网用电设备过流保护电路包括四个部分，其分别为阈值电路、比较放大电路、供电电路和延时电路。在设备上电过程中，供电电路将电压采样信号通过阈值电路输入到比较放大电路的反相输入端，同时阈值电路将上电状态阈值电压信号输入到比较放大电路的正向输入端。比较放大电路对正向输入端和反向输入端的信号进行比较，并输出控制信号，以限制供电电路的过冲电流。当设备由上电状态向正常工作状态转变时，供电电路输出的电压采样信号会被拉低至接近零电位，比较放大电路会输阈值出切换信号，经延时电路输入到阈值电路。当阈值电路接收到阈值切换信号，电路将根据时序逻辑输出工作状态阈值电压信号到比较放大电路的正向输入端。放大比较电路根据工作状态阈值电压信号及电压采样信号输出控制信号，并对设备进行过流保护。

以太网用电设备过流保护电路中，阈值电路包括阈值切换信号输入端、电压采样信号输入端、电压采样信号输出端、阈值电压信号输出端、1至6号MOS管、1至4号电阻、基准电流源、1号反相器。阈值电路能够分别产生11.5mV和37mV的阈值电压，当阈值切换信号为低电平时，电路输出11.5mV上电状态阈值电压信号，当阈值切换信号为高电平时，电路输出37mV工作状态阈值电压信号。其中阈值切换信号输入端通过1号反相器连接2号MOS管的栅极，并直接连接1号MOS管的栅极。电压采样信号输入端连接1号电阻及2号电阻的上端，电压采样信号输出端连接1号MOS管及2号MOS管的漏极。阈值电压信号输出端连接3号MOS管及4号MOS管的漏极。1号MOS管的源极连接2号电阻的下端，2号MOS管源极连接1号电阻的下端。3号MOS管的栅极连接6号MOS管的栅极，3号MOS管的源极连接4号电阻的上端。4号MOS管的栅极连接5号MOS管的栅极，4号MOS管的源极连接3号电阻的上端。5号MOS管的栅极连接1号MOS管的栅极，5号MOS管的漏极连接基准电流源的下端。6号MOS管的栅极连接2号MOS管的栅极，6号MOS管的漏极连接5号MOS管的漏极。在阈值电路中，1至4号电阻的采用能够消除两路输出信号在比较时的误差，而较小阈值电压的设定则能够有效降低电路的损耗。

以太网用电设备过流保护电路中，比较放大电路包括正向输入端口、反相输入端口、控制信号输出端口、阈值切换信号输出端口、7至39号MOS管、1至4号晶体管、基准电流源、2至3号反相器。在比较放大电路中，正向输入端接收阈值电压信号，反相输入端接收电压采样信号。控制信号输出端连接供电电路的40号MOS管，对供电电路中的过冲电流进行限制。阈值切换信号输出端信号的变化主要根据电压采样信号，当上电状态结束时，电压采样信号接近零电位，阈值切换信号由低电平转换为高电平。比较放大电路中，正向输入端口连接3号晶体管的基极，反相输入端口连接4号晶体管的基极。控制信号输出端口连接33号MOS管的漏极，阈值切换信号输出端口连接2号反相器的输出端。1号晶体管的基极连接2号晶体管的基极，1号晶体管的集电极连接12号MOS管的漏极。2号晶体管的基极连接13号MOS管的源极，2号晶体管的集电极连接11号MOS管的漏极。3号晶体管的发射极连接2号晶体管的发射极，3号晶体管的集电极接地。4号晶体管的发射极连接1号晶体管的发射极，4号晶体管的集电极接地。2号反相器的输入端连接25号MOS管的源极，2号反相器的输出端连接3号反相器的输入端。31号MOS管的漏极连接基准电流源，31号MOS管的源极连接32号MOS管的漏极。比较放大电路中1至4号晶体管的采用，有利于减少输出控制信号的偏差，使限流控制效果更精准。

以太网用电设备过流保护电路中，供电电路包括电压输入端口、控制信号输入端口、电压采样信号输出端口、开关电源***、1号电容、40号MOS管、5号电阻。在供电电路中，40号MOS管、5号电阻与比较放大电路共同组成过冲电流限制电路，将供电电路中的电流限制在安全范围之内。在上电过程中，由于1号电容被充电，电压采样信号输出端的电位被不断拉低，当电压采样信号输出端的电位接近零时，上电过程结束，供电电路开始正常工作供电。供电电路中，电压输入端连接1号电容的左端，1号电容的右端连接40号MOS管的漏极。40号MOS管的栅极连接控制信号输入端口，40号MOS管的源极连接5号电阻的上端。5号电阻的上端连接电压采样信号输出端口，5号电阻的下端接地。

以太网用电设备过流保护电路中，延时电路包括阈值切换信号输入端口、延时信号输出端口、41至55号MOS管、4至5号反相器、基准电流源、2号电容。在延时电路中，放大比较电路输出的阈值切换信号做为延时电路的输入，而经延时后的阈值切换信号被输入到阈值电路中。延时电路的采用主要是为了避免由于干扰造成的阈值切换信号错误触发。延时电路中，阈值切换信号输入端口连接46和49号MOS管的栅极，延时信号输出端口连接5号反相器的输出端。43号MOS管的漏极连接基准电流源，43号MOS管的源极接地。2号电容的上端连接53和54号MOS管的栅极，2号电容的下端接地。52号MOS管的栅极连接55号MOS管的栅极，52号MOS管的漏极连接53号MOS管的源极。53号MOS管的栅极连接46号MOS管的漏极，53号MOS管的漏极连接54号MOS管的漏极。54号MOS管的栅极连接47号MOS管的漏极，54号MOS管的漏极连接4号反相器的输入端。55号MOS管的栅极连接49号MOS管的源极，55号MOS管的源极接地。

本发明主要用于以太网设备上电及正常工作时的过流保护。根据IEEE802.3af标准，本发明设定了两个保护阈值电压，并分别用于设备上电状态和工作状态的过流保护。出于减少电路损耗的考虑，本发明选取了相对较小的保护阈值电压。而为了减少阈值电压切换过程的错误触发，本发明设置了450us的延时电路。为了有效提高电路控制的精准度，比较放大电路采用工艺偏差较小晶体管做为正向输入端口和反相输入端口，并在阈值电路中引入1至4号电阻以减少电压采样信号和阈值电压信号的误差。可见，本发明在有效保护以太网设备上电及正常工作的同时，又具有低损耗和高精准度的优点。

附图说明

图1为本发明的电路***框图；

图2为本发明的阈值电路的电路图；

图3为本发明的比较放大电路的电路图；

图4为本发明的供电电路的电路图；

图5为本发明的延时电路的电路图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。本说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当某一元件固定于另一个元件，包括将该元件直接固定于该另一个元件，或者将该元件通过至少一个居中的其它元件固定于该另一个元件。当一个元件连接另一个元件，包括将该元件直接连接到该另一个元件，或者将该元件通过至少一个居中的其它元件连接到该另一个元件。

如图1所示，本发明包括四个部分，其分别为阈值电路、比较放大电路、供电电路和延时电路。在设备上电过程中，供电电路将电压采样信号Vsmp通过阈值电路输入到比较放大电路的反相输入端，同时阈值电路将11.5mV上电状态阈值电压信号Vtal输入到比较放大电路的正向输入端。比较放大电路对正向输入端和反向输入端的信号进行比较，并输出控制信号Vcon，以限制供电电路的过冲电流。当设备由上电状态向正常工作状态转变时，供电电路输出的电压采样信号Vsmp会被拉低至接近零电位，比较放大电路会输出阈值切换信号Vins，经延时电路输入到阈值电路。当阈值电路接收到阈值切换信号Vins，电路将根据时序逻辑输出37mV工作状态阈值电压信号Vtal到比较放大电路的正向输入端。阈值电路根据工作状态阈值电压信号Vtal及电压采样信号Vsmp对设备进行过流保护。

如图2所示，阈值电路包括阈值切换信号输入端Vins、电压采样信号输入端Vsmp、电压采样信号输出端Vn、阈值电压信号输出端Vtal、MOS管M1至M6、电R1至R4、基准电流源ib、反相器T1。阈值电路能够分别产生11.5mV和37mV的阈值电压，当阈值切换信号Vins为低电平时，电路输出11.5mV上电状态阈值电压信号Vtal，当阈值切换信号Vins为高电平时，电路输出37mV工作状态阈值电压信号Vtal。其中阈值切换信号输入端Vins通过反相器T1连接MOS管M2的栅极，并直接连接MOS管M1的栅极。电压采样信号输入端Vsmp连接电阻R1及电阻R2的上端，电压采样信号输出端Vn连接MOS管M1及MOS管M2的漏极。阈值电压信号输出端Vtal连接MOS管M3及MOS管M4的漏极。MOS管M1的源极连接电阻R2的下端，MOS管M2源极连接电阻R1的下端。MOS管M3的栅极连接MOS管M6的栅极，MOS管M3的源极连接电阻R4的上端。MOS管M4的栅极连接MOS管M5的栅极，MOS管M4的源极连接电阻R3的上端。MOS管M5的栅极连接MOS管M1的栅极，MOS管M5的漏极连接基准电流源ib的下端。MOS管M6的栅极连接MOS管M2的栅极，MOS管M6的漏极连接MOS管M5的漏极。在阈值电路中，电阻R1至R4的采用能够消除两路输出信号在比较时的误差，而较小阈值电压的设定则能够有效降低电路的损耗。

如图3所示，比较放大电路包括正向输入端口Vtal、反相输入端口Vn、控制信号输出端口Vcon、阈值切换信号输出端口Vins、MOS管M7至M39、晶体管Q1至Q4、基准电流源ia、反相器T2至T3。在比较放大电路中，正向输入端Vtal接收阈值电压信号Vtal，反相输入端Vn接收电压采样信号Vsmp。控制信号输出端Vcon连接供电电路的MOS管M40，对供电电路中的过冲电流进行限制。阈值切换信号输出端Vins信号的变化主要根据电压采样信号Vsmp，当上电状态结束时，电压采样信号Vsmp接近零电位，阈值切换信号Vins由低电平转换为高电平。比较放大电路中，正向输入端口Vtal连接晶体管Q3的基极，反相输入端口Vn连接晶体管Q4的基极。控制信号输出端口Vcon连接MOS管M33的漏极，阈值切换信号输出端口Vins连接反相器T2的输出端。晶体管Q1的基极连接晶体管Q2的基极，晶体管Q1的集电极连接MOS管M12的漏极。晶体管Q2的基极连接MOS管M13的源极，晶体管Q2的集电极连接MOS管M11的漏极。晶体管Q3的发射极连接晶体管Q2的发射极，晶体管Q3的集电极接地。晶体管Q4的发射极连接晶体管Q1的发射极，晶体管Q4的集电极接地。反相器T2的输入端连接MOS管M25的源极，反相器T2的输出端连接反相器T3的输入端。MOS管M31的漏极连接基准电流源ia，MOS管M31的源极连接MOS管M32的漏极。比较放大电路中晶体管Q1至Q4的采用，有利于减少输出控制信号Vcon的偏差，使限流控制效果更精准。

如图4所示，供电电路包括电压输入端口Vin、控制信号输入端口Vcon、电压采样信号输出端口Vsmp、开关电源***、电容c1、MOS管M40、电阻R5。在供电电路中，MOS管M40、电阻R5与比较放大电路共同组成过冲电流限制电路，将供电电路中的电流限制在安全范围之内。在上电过程中，由于电容C1被充电，电压采样信号输出端Vsmp的电位被不断拉低，当电压采样信号输出端Vsmp的电位接近零时，上电过程结束，供电电路开始正常工作供电。供电电路中，电压输入端连接电容C1的左端，电容C1的右端连接MOS管M40的漏极。MOS管M40的栅极连接控制信号输入端口Vcon，MOS管M40的源极连接电阻R5的上端。电阻R5的上端连接电压采样信号输出端口Vsmp，电阻R5的下端接地。

如图5所示，以太网用电设备过流保护电路中，延时电路包括阈值切换信号输入端口Vins、延时信号输出端口Vdel、MOS管M41至M55、反相器T4至T5、基准电流源ic、电容C2。在延时电路中，放大比较电路输出的阈值切换信号Vins做为延时电路的输入，而经延时后的阈值切换信号Vins被输入到阈值电路中。延时电路的采用主要是为了避免由于干扰造成的阈值切换信号错误触发。延时电路中，阈值切换信号输入端口Vins连接MOS管M46和M49的栅极，延时信号输出端口Vdel连接反相器T5的输出端。MOS管M43的漏极连接基准电流源ic，MOS管M43的源极接地。电容C2的上端连接MOS管M53和M54的栅极，电容C2的下端接地。MOS管M52的栅极连接MOS管M55的栅极，MOS管M52的漏极连接MOS管M53的源极。MOS管M53的栅极连接MOS管M46的漏极，MOS管M53的漏极连接MOS管M54的漏极。MOS管M54的栅极连接MOS管M47的漏极，MOS管M54的漏极连接反相器T4的输入端。MOS管M55的栅极连接MOS管M49的源极，MOS管M55的源极接地。

进一步地，本发明的实施例还包括，上述各实施例的各技术特征，相互组合形成的二次温度补偿基准电压源。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种以太网用电设备过流保护电路，其特征在于，其包括阈值电路、比较放大电路、供电电路和延时电路；

阈值电路包括阈值切换信号输入端、电压采样信号输入端、电压采样信号输出端、阈值电压信号输出端、MOS管M1至M6、电阻R1至R4、基准电流源ib、反相器T1；

阈值切换信号输入端通过反相器T1连接MOS管M2的栅极，并直接连接MOS管M1的栅极；电压采样信号输入端连接电阻R1及电阻R2的上端，电压采样信号输出端连接MOS管M1及MOS管M2的漏极；阈值电压信号输出端连接MOS管M3及MOS管M4的漏极；MOS管M1的源极连接电阻R2的下端，MOS管M2源极连接电阻R1的下端；MOS管M3的栅极连接MOS管M6的栅极，MOS管M3的源极连接电阻R4的上端；MOS管M4的栅极连接MOS管M5的栅极，MOS管M4的源极连接电阻R3的上端；MOS管M5的栅极连接MOS管M1的栅极，MOS管M5的漏极连接基准电流源ib的下端；MOS管M6的栅极连接MOS管M2的栅极，MOS管M6的漏极连接MOS管M5的漏极；MOS管M5的源极连接电阻R3的上端，MOS管M6的源极连接电阻R4的上端；

供电电路包括电压输入端口Vin、控制信号输入端口、电压采样信号输出端口、开关电源***、电容C1、MOS管M40、电阻R5；

电压输入端口Vin连接电容C1的左端，电容C1的右端连接MOS管M40的漏极；MOS管M40的栅极连接控制信号输入端口，MOS管M40的源极连接电阻R5的上端；电阻R5的上端连接电压采样信号输出端口，电阻R5的下端接地；开关电源***的输入端连接电压输入端口Vin，并连接电容C1的左端， 开关电源***的输出端连接MOS管M40的漏极，并连接电容C1的右端；

供电电路的电压采样信号输出端口连接阈值电路的电压采样信号输入端， 阈值电路的阈值电压信号输出端连接比较放大电路的正向输入端口，阈值电路的电压采样信号输出端连接比较放大电路的反相输入端口， 比较放大电路的控制信号输出端口连接供电电路的控制信号输入端口，比较放大电路的阈值切换信号输出端口连接延时电路的阈值切换信号输入端口， 延时电路的延时信号输出端口连接阈值电路的阈值切换信号输入端。