CN107395176B - 一种用于mos管的限流电路及mos开关装置 - Google Patents

Abstract

本申请实公开了一种用于MOS管的限流电路及MOS开关装置，该电路主要包括第一PNP型三极管、第二NPN型三极管、静态压降单元和电流采样电阻。其中，第一PNP型三极管的射极连接MOS开关管的驱动信号源输出端、基极连接第二NPN型三极管的集电极、集电极接地；第二NPN型三极管的基极连接静态压降单元的一端、射极接地；静态压降单元另一端与电流采样电阻中连接MOS开关管源极的一端连接，电流采样电阻的另一端接地；MOS开关管的漏极连接负载、栅极连接驱动信号源输出端。当电流采样电阻上产生的压降和静态压降单元的电压之和大于第二NPN型三极管的开启电压时，第二NPN型三极管导通，进而第一PNP型三极管导通，限制MOS开关管的G极驱动电压，以达到限流的目的。

Description

一种用于MOS管的限流电路及MOS开关装置

技术领域

本申请涉及电子技术领域，尤其涉及一种用于MOS管的限流电路及MOS开关装置。

背景技术

众所周知，MOS管的优势是电压驱动类型半导体，其开通、关断消耗电流微乎其微，而且导通内阻Rds(on)相当低，很多都在10毫欧以下，有些已经做到1毫欧姆以下，所以选择MOS管进行开关控制是很好的方案。

随着半导体行业的逐渐发展进步，很多功率MOS管的额定工作电流可以达到100安培，可是目前还没有厂家能够做到单个MOS管可以达到额定工作电流200A。但在实际应用中经常会出现200A，甚至500A的大电流的情况，这样，单个MOS管远远不能满足如此大的电流要求。为此，通常采用多颗MOS管并联起来应用，这样很大的电流由多颗MOS管来分担，单颗MOS管承担的电流就比较小了，确保了器件安全稳定地工作。

但是，多管并联的低压大电流MOS管，常常因为MOS管的跨导一致性等原因造成均流效果不理想，致使某个MOS管的电流异常增大，这样就需要对每一个MOS管做限流保护。现有的限流保护电路通常采用保险管，热金属保险管以及PPTC自恢复保险，但是，这几种反应速度比较慢，而且有的不能自恢复，难以真正起到保护电路和器件的作用。

发明内容

本申请提供了一种用于MOS管的限流电路及MOS开关装置，以对MOS开关管做限流保护，使其电流在预设的限值以下，提高开关电路的安全性和稳定性。

根据本发明实例的第一方面，提供了一种用于MOS管的限流电路，除包括直流电压源、与所述直流电压源连接的负载、以及与所述负载连接的MOS开关管外，还包括第一PNP型三极管、第二NPN型三极管、静态压降单元和电流采样电阻，其中：

所述第一PNP型三极管的射极连接所述MOS开关管的驱动信号源输出端、基极连接所述第二NPN型三极管的集电极、集电极接地；

所述第二NPN型三极管的基极连接所述静态压降单元的一端、射极接地；

所述静态压降单元另一端与所述电流采样电阻中连接所述MOS开关管源极的一端连接，所述电流采样电阻的另一端接地；

所述MOS开关管的漏极连接所述负载、栅极连接所述驱动信号源输出端。

优选地，所述静态压降单元包括第三NPN型三极管、第一分压电阻和第二分压电阻，其中：

所述第三NPN型三极管的集电极分别连接所述直流电压源和所述第一分压电阻的一端、基极分别连接所述第一分压电阻的另一端和所述第二分压电阻的一端；

所述第二分压电阻的另一端连接所述电流采样电阻中连接所述MOS开关管源极的一端。

优选地，所述静态压降单元还包括第三分压电阻和第四分压电阻，其中：

所述第三分压电阻的一端连接所述第三NPN型三极管的集电极、另一端连接所述第二NPN型三极管的基极；

所述第四分压电阻的一端连接所述第二NPN型三极管的基极、另一端接地。

优选地，所述第三NPN型三极管和所述第二NPN型三极管为同样型号的三极管。

优选地，所述电路还包括第一电阻、第二电阻、第四NPN型三极管、第三电阻、稳压二极管和第四电阻，其中：

所述第一电阻的一端连接所述直流电压源、另一端分别连接所述第四NPN型三极管的集电极和所述第二电阻的一端；

所述NPN型三极管的射极连接所述第四电阻的一端、基极分别连接所述第二电阻的另一端和所述第三电阻的一端，所述第四电阻的另一端连接所述静态压降单元一端；

所述第三电阻的另一端连接所述稳压二极管的负极，所述稳压二极管的正极接地。

优选地，所述电路还包括稳压电容，所述稳压电容的一端连接所述第一PNP型三极管的射极、另一端连接所述第一PNP型三极管的基极。

优选地，所述电路还包括第五电阻和第六电阻，其中：

所述第五电阻的一端连接所述第一PNP型三极管的基极、另一端连接所述第二NPN型三极管的集电极；

所述第六电阻的一端连接所述驱动信号源输出端、另一端连接所述第二NPN型三极管的集电极。

根据本发明实例的第二方面，还提供了一种MOS开关装置，包括本发明实例第一方面所述的限流电路。

由以上技术方案可见，本发明实例的提供的用于MOS管的限流电路及MOS开关装置，当负载电流在电流采样电阻上产生的压降和静态压降单元的电压之和大于第二NPN型三极管的开启电压时，第二NPN型三极管的集电极和射极之间导通，进而第一PNP型三极管导通。进一步的，第一PNP型三极管相当于并联在MOS开关管的G-S极上，第一PNP型三极管如果饱和导通，那么G-S两端的电压可以近似认为是零，MOS开关管将会关断。而本实施的电路设计中，第一PNP型三极管导通的条件是电流采样电阻上流过一定的电流，来使第一PNP型三极管导通，因此，只要电流采样电阻上流过预设的电流值，就可以使第一PNP型三极管有限度的导通，从MOS开关管的G极分走一部分电流，降低MOS开关管的G极电压，从而限制了流过MOS开关管的漏极与源极间的电流，进而限制了流入负载的电流。另外，本实施例中的，静态压降单元为第二NPN型三极管的开启电压提供了一个静态压降，这样电流采样电阻能够在一个比较低的压降下就可以使第二NPN型三极管导通，继而限制MOS开关管的驱动，达到限流的目的，这样电流采样电阻能够选取比较低的阻抗值，以适应大电流情况下的限流电路。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种用于MOS管的限流电路的结构示意图；

图2为本申请提供的一种用于MOS管的限流电路的仿真电路图；

图3为图2中仿真电路的第一仿真波形图；

图4为图2中仿真电路的第二仿真波形图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1为本申请提供的一种用于MOS管的限流电路的结构示意图。如图1所示，该电路除了原有开关电路中的直流电压源50VDC、与直流电压源50VDC连接的负载R7、以及与负载R7连接的MOS开关管Q1外，还包括第一PNP型三极管Q2、第二NPN型三极管Q3、静态压降单元和电流采样电阻R6。

其中，第一PNP型三极管Q2的射极e连接MOS开关管Q1的驱动信号源输出端Vin、基极b连接第二NPN型三极管Q3的集电极c、其集电极c接地；第二NPN型三极管Q3的基极b连接静态压降单元的一端、射极e接地；静态压降单元另一端与电流采样电阻R6中连接MOS开关管Q1源极的一端连接，电流采样电阻R6的另一端接地；MOS开关管Q1的漏极连接负载R7、栅极连接驱动信号源输出端。

在上述电路工作的过程中，当负载电流在电流采样电阻R6上产生的压降和静态压降单元的电压之和大于第二NPN型三极管Q3的开启电压时，第二NPN型三极管Q3的集电极c和射极e之间导通，进而使第一PNP型三极管Q2导通。进一步的，第一PNP型三极管Q2相当于并联在MOS开关管Q1的G-S极上，第一PNP型三极管Q2如果饱和导通，那么G-S两端的电压可以近似认为是零，MOS开关管Q1将会关断。而本申请的电路设计中，第一PNP型三极管Q2的c-e极之间不会饱和导通，因为，第一PNP型三极管Q2导通的条件是电流采样电阻R6上流过一定的电流，来使第一PNP型三极管Q2导通，因此，只要电流采样电阻R6上流过预设的电流值，就可以使第一PNP型三极管Q2有限度的导通，从MOS开关管Q1的G极分走一部分电流，降低MOS开关管Q1的G极电压，从而限制了流过MOS开关管Q1的D-S极间的电流，进而限制了流入负载R7的电流。

另外，本实施例中的，静态压降单元为第二NPN型三极管Q3的开启电压提供了一个静态压降，这样电流采样电阻R6能够在一个比较低的压降下就可以使第二NPN型三极管Q3导通，继而限制MOS开关管Q1的驱动，达到限流的目的，这样电流采样电阻R6能够选取比较低的阻抗值，以适应大电流情况下的限流电路。

进一步的，本申请中的静态压降单元采用三级管静态分压的方式，具体包括第三NPN型三极管Q4、第一分压电阻R1和第二分压电阻R2。其中，第三NPN型三极管Q4的集电极c分别连接直流电压源50VDC和第一分压电阻R1的一端、基极b分别连接第一分压电阻R1的另一端和第二分压电阻R2的一端；第二分压电阻R2的另一端连接电流采样电阻R6中连接MOS开关管Q1源极的一端。

通过设计第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的电阻，使第三NPN型三极管Q4处于放大状态，这样第三NPN型三极管Q4处便会有0.7V的压降，进而可以使电流采样电阻R6上承受的压降变小。

进一步的，为使第二NPN型三极管Q3工作更为稳定，上述静态压降单元还包括第三分压电阻R3和第四分压电阻R4。其中，第三分压电阻R3的一端连接第三NPN型三极管Q4的集电极c、另一端连接第二NPN型三极管Q3的基极b；第四分压电阻R4的一端连接第二NPN型三极管Q3的基极b、另一端接地。

利用上述电路，设计第一分压电阻R1和第二分压电阻R2使第三NPN型三极管Q4处于放大状态，同时，通过设计第三分压电阻R3和第四分压电阻R4的阻值，使(U_Q4+U_R6)*R4/(R3+R4)小于第二NPN型三极管Q3的开启电压，第二NPN型三极管Q3处于截至状态；当负载电流在电流采样电阻R6上产生的压降(U_Q4+U_R6)*R4/(R3+R4)大于Q的开启电压时，Q3的c极与e极之间导通，进而Q2导通，限制Q1的G极驱动电压，以达到限流的目的。

上述第三分压电阻R3和第四分压电阻R4不仅可以分压为第二NPN型三极管Q3提供导通电压,同时第三分压电阻R3也是第二NPN型三极管Q3的基极b驱动电阻，可以起到一定的限流作用，进而使第二NPN型三极管Q3不会过于敏感，而且通过调整R3与R4的分压比，可以更好的调节限流值。

本申请还可以将第三NPN型三极管Q4和第二NPN型三极管Q3为同样型号的三极管。这样，第三NPN型三极管Q4和第二NPN型三极管Q3便会形成相互制约的关系，第三NPN型三极管Q4的c-e极电流越大，第二NPN型三极管Q3的b极电位越低。由于三极管随温度的增高导通压降变小，随温度的升高，第二NPN型三极管Q3的的导通压降变低，同时第三NPN型三极管Q4的导通压也降低，流过第三NPN型三极管Q4的c-e电流增大，第二NPN型三极管Q3的b极电位降低，即Q4为Q3提供的基准电位也降低了，所以可以起到抑制温漂的作用。

为使上述静态压降单元可以从功率电源上获取稳定的电压，如图1所示，所述电路还包括线性电压源，具体的，该还包括第一电阻R11、第二电阻R12、第四NPN型三极管Q5、第三电阻R15、稳压二极管D1和第四电阻R10。

其中，第一电阻R11的一端连接直流电压源50VDC、另一端分别连接第四NPN型三极管Q5的集电极c和第二电阻R12的一端；NPN型三极管的射极e连接第四电阻R10的一端、基极b分别连接第二电阻R12的另一端和第三电阻R15的一端，第四电阻R10的另一端连接静态压降单元一端；第三电阻R15的另一端连接稳压二极管的负极，稳压二极管的正极接地。

上述第一至第三电阻R11、R12、R15以及稳压二极管D1串联在直流电压源50VDC上，由于稳压二极管D1上的电压是定值(假设为5.6V)，第三电阻R15为限流电阻，阻值很小，可以以防止流过稳压二极管D1的电流过大，烧毁稳压二极管D1、由于流过第三电阻R15的电流很小，所以可以们忽略其上的压降，那么第四NPN型三极管Q5的b极上的电压就是稳压二极管D1上的电压，减去第四NPN型三极管Q5的b-e的二极管压降0.7v，得到第四NPN型三极管Q5的e极为4.9v；假如这个电压下降为4.8v，那么第四NPN型三极管Q5的b点电位为5.5V，流过D1的电流减小，流过Q5的b-e的电流增大，那么Q5的c-e的电流增大，c-e两端的电压减小，进而维持住Q5的e极电位为4.9V。反之，流过Q5的b-e间的电流减小，则c-e两端的电压增大，进而维持住Q5的e极电位为4.9V不变。因此，利用上述电路结构，通过Q5的线性稳压,从电源上获取稳定的电源,再通过R10，R3，R4的直流分压，为Q3和Q4提供稳定的静态电压。

为使第一PNP型三极管的基极电压更为稳定，还可以在上述电路中增设稳压电容C1，其中，稳压电容C1的一端连接第一PNP型三极管Q2的射极e、另一端连接第一PNP型三极管Q2的基极b。当然，为了使Q3、Q4的基极电压更稳定，可以考虑在Q3、Q4的基极到源极并联适当容值的电容。

进一步的，还可以在Q3的集电极上设置上拉电阻第五电阻R8和第六电阻R9。其中，第五电阻R8的一端连接第一PNP型三极管Q2的基极b、另一端连接第二NPN型三极管Q3的集电极c；第六电阻R9的一端连接驱动信号源输出端、另一端连接第二NPN型三极管Q3的集电极c。

利用上述电路，本实施例还对该电路的限流作用进行仿真实验。图2为本申请提供的一种用于MOS管的限流电路的仿真电路图。主回路选用的MOS开关管为IRF530，负载R7为1欧姆电阻，电流采样电阻R6为47mΩ,预限电流为4.5安培,电源为50VDC±5V，Q3与Q4均采用2N2222三级管,通过互补关系抑制温漂。限流电路中的其它元件的电阻值、电容值以及型号设计可以参考图2。

图3为图2中仿真电路的第一仿真波形图，图4为图2中仿真电路的第二仿真波形图。从图3和图4可以看出，负载电流最大为4.5安培，实现了限流的目的；电流采样电阻R6上的压降峰值仅为0.19V，这将大大的降低采样电阻的功耗；同时，第三NPN型三极管Q4基极与电流采样电阻R6的电压差保持在0.58V，为Q3提供了稳定的静态电压。

有上述实施例可见，选取比较小的电流采样电阻，就可以实现精准限流，采样电阻功耗小，这将大大的提高电路的可靠性与稳定性。同时，本实施例提供的电路全部采用分立器件完成，具有低功耗,温漂小,限流准确,响应速度快,抗干扰能力强以及成本低廉的优点，适合于大电流下使用,并且电路易于实现。在实际PCB布板中，考虑将Q3与Q4相邻摆放，这样可以有效的提高抑制温漂的效果。

基于上述限流电路，本实施例还提供了一种MOS开关装置，该开关装置包括上述实施例提供的限流电路。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (5)

1.一种用于MOS管的限流电路，包括直流电压源、与所述直流电压源连接的负载、以及与所述负载连接的MOS开关管，其特征在于，所述电路还包括第一PNP型三极管、第二NPN型三极管、静态压降单元、线性电压源和电流采样电阻，其中：

所述静态压降单元包括第三NPN型三极管、第一分压电阻和第二分压电阻、第三分压电阻和第四分压电阻；

所述线性电压源包括：第一电阻、第二电阻、第四NPN型三极管、第三电阻、第四电阻、稳压二极管；

所述第一PNP型三极管的射极连接所述MOS开关管的驱动信号源输出端、基极连接所述第二NPN型三极管的集电极、集电极接地；

所述第二NPN型三极管的射极接地；

所述第一电阻的一端连接所述直流电压源、另一端分别连接所述第四NPN型三极管的集电极和所述第二电阻的一端；

所述第四NPN型三极管的射极连接所述第四电阻的一端、基极分别连接所述第二电阻的另一端和所述第三电阻的一端，所述第四电阻的另一端连接所述静态压降单元一端；

所述第三电阻的另一端连接所述稳压二极管的负极，所述稳压二极管的正极接地；所述第三NPN型三极管的集电极分别连接所述直流电压源和所述第一分压电阻的一端、基极分别连接所述第一分压电阻的另一端和所述第二分压电阻的一端；

所述第二分压电阻的另一端连接所述电流采样电阻中连接所述MOS开关管源极的一端；所述电流采样电阻的另一端接地；

所述第三分压电阻的一端连接所述第三NPN型三极管的集电极、另一端连接所述第二NPN型三极管的基极；

所述第四分压电阻的一端连接所述第二NPN型三极管的基极、另一端接地；

所述MOS开关管的漏极连接所述负载、栅极连接所述驱动信号源输出端。

2.根据权利要求1所述的限流电路，其特征在于，所述第三NPN型三极管和所述第二NPN型三极管为同样型号的三极管。

3.根据权利要求1所述的限流电路，其特征在于，所述电路还包括稳压电容，所述稳压电容的一端连接所述第一PNP型三极管的射极、另一端连接所述第一PNP型三极管的基极。

4.根据权利要求1所述的限流电路，其特征在于，所述电路还包括第五电阻和第六电阻，其中：

所述第五电阻的一端连接所述第一PNP型三极管的基极、另一端连接所述第二NPN型三极管的集电极；

所述第六电阻的一端连接所述驱动信号源输出端、另一端连接所述第二NPN型三极管的集电极。

5.一种MOS开关装置，其特征在于，包括权利要求1至4任一所述的限流电路。