CN110518543A - 一种短路保护电路和供电*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种短路保护电路，其包括电流监测模块、短路响应模块以及开关模块：开关模块与负载连接；电流监测模块与开关模块连接；短路响应模块与电流监测模块和开关模块连接。开关模块用于控制负载电流路径的通断；电流监测模块实时监测负载电流，当短路发生时，电流监测模块输出的第一电压信号大于预设阈值，能够可靠触发短路响应模块；短路响应模块接收第一电压信号，在负载短路时可以快速输出持续性驱动信号以控制开关模块关断并保持。此时，短路响应模块输出的持续性驱动信号可以使得开关模块完全关断，而非处于开关中间状态。

Description

一种短路保护电路和供电***

技术领域

本发明属于短路保护技术领域，尤其涉及一种短路保护电路和供电***。

背景技术

目前，传统的短路保护电路存在以下问题：

1、以N型MOSFET为核心的控制开关，通过负载电流变化触发N-MOSFET的关断；短路发生时流经负载、该控制开关以及限流模块的电流值，并非是上升突变的。在电流上升的过程中，限流模块的压降逐渐增大，短路保护模块中的开关逐渐导通，短路保护模块输出到MOS管受控端的电压逐渐下降，该MOS管也逐渐由导通向关断过渡，并进一步限制短路电流的上升。根据理论分析和实际测试的结果，上述过程最终会使控制开关中的N-MOSFET不会彻底的完全关断，而是处于电阻较大的中间状态，同时负载电流处于一个较低水平而非完全为零。特别地，在PoE(Power Over Ethernet，以太网供电)应用中，输出电压一般为48V或者53.5V；在这种应用场景中，PoE电压主要加在N-MOSFET的源漏两极之间，此时MOSFET上的巨大功耗会使其在极短时间内烧毁，使得整个PoE设备发生不可逆的损坏。

2、以P型MOSFET为核心的控制开关，通过输出电压变化触发P-MOSFET的关断。当负载短路时，若短路电流仍在供电设备的带载能力范围内，例如，带有数量较多的PoE供电端口设备，单口功率限值与整机带载能力相比只占很小部分，这种应用场景下，则输出电压无明显跌落或只有部分跌落，同时电流显著增加的情况，此时该短路保护电路无法被正常触发，导致不能启动短路保护功能。由此引入负载设备烧毁的风险。

因此，传统的技术方案中存在短路保护电路的启动不能被可靠触发以及短路发生时不能够快速地使控制开关处于关断状态的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种短路保护电路，旨在解决传统的技术方案中存在的短路发生时不能够快速地使控制开关处于关断状态的问题。

第一方面，本公开实施例提供了一种短路保护电路，其包括电流监测模块、短路响应模块以及开关模块；开关模块，与负载连接，用于控制负载电流路径的通断；电流监测模块，与开关模块连接，电流监测模块用于监测负载电流，并根据负载电流输出第一电压信号；以及短路响应模块，与电流监测模块和开关模块连接，短路响应模块接收第一电压信号，用于在负载短路时快速输出持续性驱动信号以控制开关模块关断并保持，负载短路时，第一电压信号大于预设阈值。

结合第一方面，在第一方面的第一种实施方式中，短路响应模块包括第一电源、执行开关单元以及辅助开关单元；执行开关单元与电流监测模块连接以接入第一电压信号，用于负载短路时输出持续性驱动信号以控制开关模块关断并保持；辅助开关单元与执行开关单元连接，用于根据持续性驱动信号控制执行开关单元保持导通状态。

结合第一方面的第一种实施方式，在第一方面的第二种实施方式中，短路响应模块还包括第一电压控制器，其与电流监测模块和执行开关单元连接，用于对接入的第一电压信号进行电压转换，并在负载短路时输出使执行开关单元被触发为导通状态的第二电压信号。

结合第一方面的第一种实施方式，在第一方面的第三种实施方式中，短路响应模块还包括第二电压控制器，其与第一电源和辅助开关单元连接，用于对第一电源进行电压转换以输出第三电压信号。

结合第一方面或者第一方面的第一种实施方式，在第一方面的第四种实施方式中，电流监测模块包括第一分压器，第一分压器的第一端用于连接开关模块的近地端，第一分压器的第二端接地。

结合第一方面的第四种实施方式，在第一方面的第五种实施方式中，第一电压控制器包括第二分压器和阻值可调的第三分压器，第二分压器的第二端与第一分压器的第一端连接，第二分压器的第一端与第三分压器的第一端连接，第三分压器的第二端与第一分压器的第二端连接。

结合第一方面的第五种实施方式，在第一方面的第六种实施方式中，执行开关单元包括第一三极管，第二分压器的第一端与第一三极管的基极连接，第一三极管的发射极接地，第一三极管的集电极用于连接开关模块的控制端。

结合第一方面的第六种实施方式，在第一方面的第七种实施方式中，辅助开关单元包括第二三极管，第一三极管的集电极与第二三极管的基极连接，第一三极管的基极与第二三极管的集电极连接，第二三极管的发射极与第一电源连接。

结合第一方面的第七种实施方式，在第一方面的第八种实施方式中，第二电压控制器包括第四分压器和第五分压器，第二三极管的发射极与第四分压器的第一端和第五分压器的第一端连接，第五分压器的第二端接地，第四分压器的第二端与第一电源连接。

第二方面，本公开实施例提供了一种供电***，其包括第二电源和控制单元，控制单元的输出端与开关模块的控制端连接，第二电源通过负载与开关模块的近负载端连接，开关模块的近地端与电流监测模块的第一端连接，电流监测模块的第二端接地，开关模块的控制端用于接收持续性驱动信号，供电***还包括上述任一实施方式的短路保护电路。

上述的短路保护电路通过电流监测模块实时监测负载电流，当短路发生时，电流监测模块输出的第一电压信号能够可靠触发短路响应模块，此时，短路响应模块可直接地输出持续性驱动信号，快速控制开关模块完全关断并保持，而非处于开关中间状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本公开一实施例提供的一种短路保护电路和供电***的结构示意图之一；

图2为本公开一实施例提供的一种短路保护电路和供电***的结构示意图之二；

图3为本公开一实施例提供的一种短路保护电路和供电***的结构示意图之三；

图4为本公开一实施例提供的一种短路保护电路和供电***的结构示意图之四；

图5为图4所示的一种短路保护电路和供电***的示例电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本公开一实施例提供的短路保护电路和供电***的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种短路保护电路，其包括电流监测模块100、短路响应模块200以及开关模块300；开关模块300与负载连接，用于控制负载电流路径的通断；电流监测模块100与开关模块300连接，用于监测负载电流，并根据负载电流输出第一电压信号；短路响应模块200与电流监测模块100和开关模块300连接，短路响应模块接收第一电压信号，用于在负载短路时输出持续性驱动信号以快速控制开关模块300关断并保持，负载短路时，第一电压信号大于预设阈值。

具体地，电流监测模块100串联在负载回路中，其第一端与开关模块300的近地端连接，其第二端接地，用于实时检测负载电流，并输出与负载电流相对应的第一电压信号；这种检测负载短路的线路构造方式，当短路时，必然导致流经负载的电流值增大，从而增大与电流值相对应的第一电压信号的电压值，此变化过程非常可靠，可适用所有类型的短路状态检测。正常状态下，第一电压信号的电压值不足以触发短路响应模块200输出持续性驱动信号，则开关模块300处于正常工作状态；当负载短路时，流经负载的电流值增大，导致电流监测模块100输出的第一电压信号的电压值升高，大于短路响应模块200的预设阈值，从而触发短路响应模块200输出持续性驱动信号，此时，持续性驱动信号控制开关模块300关断并保持，以此实现短路时的快速可靠保护目的。

如图2所示，在其中一个实施例中，短路响应模块200包括第一电源VDD、执行开关单元220以及辅助开关单元230；执行开关单元220与电流监测模块100连接以接入第一电压信号，用于负载短路时输出持续性驱动信号以控制开关模块300关断并保持；辅助开关单元230与执行开关单元220和第一电源VDD连接，用于根据持续性驱动信号控制执行开关单元220保持导通状态。可以理解的是，预设阈值为执行开关单元220的导通阈值电压。具体地，第一电压信号接入执行开关单元220的输入端，执行开关单元220的输出端与辅助开关单元230的输入端和开关模块300的控制端连接，辅助开关单元230的输出端与执行开关单元220的输入端连接，辅助开关单元230的第三端连接有直流电源；当负载短路时，第一电压信号能够触发执行开关单元220向导通状态转变，此时输出的驱动信号开始控制开关模块300由导通向关断转变；同时，持续性驱动信号的变化触发辅助开关单元230转变为导通状态，此时，辅助开关单元230的第三端与辅助开关单元230的输出端导通，将执行开关单元220的输入端电压钳制在高位，进而使执行开关单元220完全处于导通状态，在负载发生短路时能够输出持续性驱动信号以完全彻底地关断开关模块300。

如图3所示，在其中一个实施例中，短路响应模块200还包括第一电压控制器210，其与电流监测模块100和执行开关单元220连接，用于对接入的第一电压信号进行电压转换，并在负载短路时输出使执行开关单元220被触发为导通状态的第二电压信号。

具体地，在电流监测模块100的输出端与执行开关单元220的输入端之间串接第一电压控制器210，该第一电压控制器210用于对第一电压信号进行电压调节，以使其输出的第二电压信号能够可靠触发执行开关单元220，并输出持续性驱动信号。提高了调控第一电压信号的便捷高效性。

如图4所示，在其中一个实施例中，短路响应模块200还包括第二电压控制器240，其与第一电源VDD和辅助开关单元230连接，用于对第一电源VDD进行电压转换以输出第三电压信号。

具体地，第二电压控制器240将接入的第一电源的电压值进行调整，在负载短路时，辅助开关单元230的输入端接收到持续性驱动信号后，确保辅助开关单元230的输出端与辅助开关单元230的第三端导通，以将执行开关单元220的输入端电压快速地钳制于能够使执行开关单元220处于导通状态的电压值范围。

如图4所示，在其中一个实施例中，第一电压控制器210接入第一电压信号，并对第一电压信号进行分压后输出第二电压信号，以确保第二电压信号在正常状态下不触发执行开关单元220，此时，执行开关单元220处于关断状态；当短路时，第二电压信号触发执行开关单元220，此时，执行开关单元220开始由关断状态向导通状态转变，输出逐渐降低的驱动信号；该驱动信号同时引入辅助开关单元230，第二电压控制器240输出的第四电压信号一直连接辅助开关单元230，此时，辅助开关单元230从关断状态开始向导通状态转变，从而将输出的第三电压信号连接至第二电压信号处，将执行开关单元220彻底钳制于完全导通状态，此时执行开关单元220输出的持续性驱动信号控制开关模块300处于彻底的完全关断状态。此方案避免了传统的技术方案中出现的短路时的平衡状态，即控制开关模块300处于开关中间状态，存在烧毁风险。

如图5所示，在其中一个实施例中，电流监测模块100包括第一分压器R1；第一分压器R1的第一端用于连接开关模块300的输出端；第一分压器R1的第二端接地。

具体地，第一分压器R1的第一端输出第一电压信号；此处并不局限于采用单一电阻，也可以是多个电阻的组合；分压器也可以是滑动变阻器或者可变电阻。

如图5所示，在其中一个实施例中，第一电压控制器210包括第二分压器R2和阻值可调的第三分压器R3；第二分压器R2的第二端与第一分压器R1的第一端连接；第二分压器R2的第一端与第三分压器R3的第一端连接；第三分压器R3的第二端与第一分压器R1的第二端连接。

具体地，第二分压器R2的第一端输出第二电压信号；此处并不局限于采用该方案，其他能够实现电压调节的可变电阻、滑动变阻器或者其他阻抗变换网络也可以。

如图5所示，在其中一个实施例中，执行开关单元220包括第一三极管Q1，Q1为NPN型三极管；第二分压器R2的第一端与第一三极管Q1的基极连接；第一三极管Q1的发射极接地；第一三极管Q1的集电极用于连接开关模块300的控制端。

具体地，当负载短路时，第一三极管Q1的基极接入的第二电压信号触发自身开始由关断变为导通，然后第一三极管Q1的集电极输出一个逐渐降低的驱动信号；可以理解的是，上述的预设阈值即为第一三极管Q1的导通阈值电压。执行开关单元并不局限于采用该方案，也可以是其他能够实现其作用的开关电路或者电路的组合。

如图5所示，在其中一个实施例中，辅助开关单元230包括第二三极管Q2，Q2为PNP型三极管；第一三极管Q1的集电极与第二三极管Q2的基极连接；第一三极管Q1的基极与第二三极管Q2的集电极连接；第二三极管Q2的发射极与第一电源VDD连接。

具体地，当负载短路时，第一三极管Q1的集电极输出的逐渐降低的驱动信号，接入第二三极管Q2的基极，此时，第二三极管Q2的发射极与基极之间的电压差值使第二三极管Q2导通，进而使得第一三极管Q1的基极电压被钳位在高值，进而保证第一三极管Q1处于导通状态。

如图5所示，在其中一个实施例中，第二电压控制器240包括第四分压器R4和第五分压器R5；第二三极管Q2的发射极与第四分压器R4的第一端和第五分压器R5的第一端连接；第五分压器R5的第二端接地；第四分压器R4的第二端与第一电源VDD的输出端连接。

具体地，第二电压控制器240也可以为可调电阻或者其他阻抗变换网络。

具体地，当负载正常工作时，电流监测模块100上的压降经过第一电压控制器210的第二分压器R2和第三分压器R3分压后，使得第一三极管Q1的基极电压低于导通阈值，第一三极管Q1处于关断状态。第一电源VDD经第二电压控制器240的第四分压器R4和第五分压器R5分压后，使得第二三极管Q2的发射极电压值低于其引入的持续性驱动信号的电压值，亦即低于开关模块300的控制端电压或者第一三极管Q1的集电极电压。此时辅助开关处于关断状态。

当负载发生短路时，电流监测模块100上的压降经过第一电压控制器210的第二分压器R2和第三分压器R3分压后，使得第一三极管Q1的基极电压(第二电压信号)大于导通阈值，第一三极管Q1开始由关断状态向导通状态转变。此时第二三极管Q2的基极电压被拉低，第二三极管Q2导通，进而使得第一三极管Q1的基极电压被钳制在高位，保证了第一三极管Q1真正处于导通状态并保持。这样成功地避免了当开关模块300逐渐关断，负载电流逐渐减小时，第一三极管Q1处于开关中间状态风险，也避免了负载设备不能完全断电可能造成的损坏。

如图1至图5所示，在其中一个实施例中，本公开提供了一种供电***，其包括第二电源VCC和控制模块400，控制模块400的输出端与开关模块300的控制端连接，第二电源VCC通过负载与开关模块300的输入端连接，开关模块300的输出端与电流监测模块100的第一端连接，电流监测模块100的第二端接地，开关模块300的控制端用于引入持续性驱动信号，供电***还可以包括上述实施例中的任一种短路保护电路。

具体地，第二电源VCC为负载供电，并经过开关模块300流入电流监测模块，然后接地。正常状态时，控制模块400控制开关模块300的导通状态；短路时，短路保护电路控制开关模块300处于完全关断状态，短路保护动作快速可靠。

控制模块400的输出端与场效应管Q3的栅极连接；场效应管Q3的源极与电流监测模块100的第一端连接；场效应管Q3的漏极与负载的输出端连接；此处，场效应管Q3为N型MOSFET。

在以上应用场景中，本公开提供的短路保护电路完全由纯硬件组成，且所使用的电路元器件数量少，电路结构精简，以此为基础，可构建不同场景中的低成本应用方案。

在其中一个应用中，该短路保护电路可应用于以太网供电(PoE)电路中，特别是对成本敏感的非标准PoE电路中。通常来讲，业内应用PoE技术的设备会使用TI等公司的PSE专用管理芯片，实现符合IEEE 802.3af/at协议标准的管理功能。所用专用管理芯片中一般包含短路保护设计。但在一些对PoE管理功能无严格要求但对成本较为敏感的应用场景中，需要性价比更高的非标准PoE管理方案。此时需要额外通过软硬件设计实现短路保护功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种短路保护电路，其特征在于，包括：

开关模块，与负载连接，所述开关模块用于控制所述负载的电流路径的通断；

电流监测模块，与所述开关模块连接，所述电流监测模块用于监测所述负载的电流，并根据所述负载的电流输出第一电压信号；以及

短路响应模块，与所述电流监测模块和所述开关模块连接，所述短路响应模块接收所述第一电压信号，用于在所述负载短路时快速输出持续性驱动信号以控制所述开关模块关断并保持，所述负载短路时，所述第一电压信号大于预设阈值。

2.如权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于，所述短路响应模块包括：

第一电源；

执行开关单元，与所述电流监测模块连接以接入所述第一电压信号，用于所述负载短路时输出所述持续性驱动信号以控制所述开关模块关断并保持；以及

辅助开关单元，与所述执行开关单元和所述第一电源连接，用于根据所述持续性驱动信号控制所述执行开关单元保持导通状态。

3.如权利要求2所述的短路保护电路，其特征在于，所述短路响应模块还包括：

第一电压控制器，与所述电流监测模块和所述执行开关单元连接，用于对接入的所述第一电压信号进行电压转换，并在所述负载短路时输出使所述执行开关单元被触发为导通状态的第二电压信号。

4.如权利要求2所述的短路保护电路，其特征在于，所述短路响应模块还包括：

第二电压控制器，与所述第一电源和所述辅助开关单元连接，用于对所述第一电源进行电压转换以输出第三电压信号。

5.如权利要求1所述的短路保护电路，其特征在于，所述电流监测模块包括第一分压器，

所述第一分压器的第一端用于连接所述开关模块的近地端，所述第一分压器的第二端接地。

6.如权利要求5所述的短路保护电路，其特征在于，所述第一电压控制器包括第二分压器和阻值可调的第三分压器，

所述第二分压器的第二端与所述第一分压器的第一端连接，所述第二分压器的第一端与所述第三分压器的第一端连接，所述第三分压器的第二端与所述第一分压器的第二端连接。

7.如权利要求6所述的短路保护电路，其特征在于，所述执行开关单元包括第一三极管，

所述第二分压器的第一端与所述第一三极管的基极连接，所述第一三极管的发射极接地，所述第一三极管的集电极用于连接所述开关模块的控制端。

8.如权利要求7所述的短路保护电路，其特征在于，所述辅助开关单元包括第二三极管，

所述第一三极管的集电极与所述第二三极管的基极连接，所述第一三极管的基极与所述第二三极管的集电极连接，所述第二三极管的发射极与所述第一电源连接。

9.如权利要求8所述的短路保护电路，其特征在于，所述第二电压控制器包括第四分压器和第五分压器，

所述第二三极管的发射极与所述第四分压器的第一端和所述第五分压器的第一端连接，所述第五分压器的第二端接地，所述第四分压器的第二端与所述第一电源连接。

10.一种供电***，包括第二电源和控制模块，所述控制单元的输出端与所述开关模块的控制端连接，所述第二电源通过负载与所述开关模块的近负载端连接，所述开关模块的近地端与所述电流监测模块的第一端连接，所述电流监测模块的第二端接地，所述开关模块的控制端用于引入所述持续性驱动信号，其特征在于，还包括如权利要求1至9任一项所述的短路保护电路。