CN113740765A - 一种短路检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种短路检测电路，包括：电压源、电流转换电路、保护电路、限流电路、采样电路，当负载的第二端接地时，外接电源为负载供电，当负载的第二端不接地时，根据电流转换电路的第二端电压，或利用电压源电压、电流转换电路的第二端的电压、短路检测电路各个电路的内部元器件参数计算得到负载的电阻，判断负载是否短路。通过在负载断电的情况下，检测电流转换电路的第二端的电压或反向计算电阻的方法，实现在负载开启前就完成对负载是否短路的检测，可直接不再开启输出，克服了现有技术中在负载通电情况下，直接检测电源电压、电源电流所导致的短路保护失败、检测电阻发热严重的缺陷，并且避免产生瞬间的大电流造成器件损坏的风险。

Description

一种短路检测电路
技术领域
本发明涉及检测技术领域，具体涉及一种短路检测电路。
背景技术
现在市场上的LED电源分为恒压电源和恒流电源两大类。在恒压电路方案中，因为输出电压恒定，输出电流会根据负载的大小进行变化，所以当恒压电源发生故障，引发短路时，恒压电源在开启输出后电流会在短时间内激增。如果不能快速检测到短路故障并及时对其进行保护。轻则损坏电源，重则引发火灾事故。现在进行短路检测的思路大体分为对电源电压进行检测以及对电源电流进行检测，其中，对电源电压进行检测的电路如图1所示，当输出短路时，由于负载为0，则输出电流会远远超过电源VCC的输出能力，故会导致电源VCC电压降低，因此只需要检测到check点电压低于一定阈值则可以判定设备发生短路，对设备进行保护即可，但是，当电源VCC输出功率较大时，或者短路具有一定阻值的情况，则VCC电压降落很慢，甚至降不到检测阈值之下，从而导致短路保护失败。对电源电流进行检测的电路如图2所示，当输出短路时，则因为负载为0，输出电流会瞬间增大，则流过电阻RL的电流增大，导致电阻RL两端电压增大，故只需要检测到check点电压高于一定阈值则可以判定设备短路，对设备进行保护即可，但是，当想要对check点处的信号进行处理时，无论是单片机ADC还是使用运放对该信号进行放大，则都需要电阻RL两端电压到一定幅度才可以进行处理，导致电源功率很大时，电阻RL的功率很高，发热严重，不适合做大功率恒压电源的短路保护方案。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服通过检测电源电压以进行短路检测的方案中存在当电源电压输出功率较大时，易短路保护失败的缺陷，以及通过检测电源电流以进行短路检测的方案中存在电源功率很大时，检测电阻发热严重的缺陷，并避免产生瞬间的大电流造成器件的损坏，从而提供一种在电源输出开启前即可检测到输出是否发生故障的短路检测电路。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明实施例提供一种短路检测电路，包括：电压源、电流转换电路、保护电路、限流电路、采样电路，电压源，其第一端与外接电源连接，其第二端与电流转换电路的控制端连接；电流转换电路，其第一端依次通过限流电路、保护电路与负载的第二端连接，其第二端通过采样电路接地；负载的第一端与外接电源连接；当负载的第二端接地时，外接电源为负载供电，当负载的第二端不接地时，根据电流转换电路的第二端电压，或利用电压源电压、电流转换电路的第二端的电压、短路检测电路各个电路的内部元器件参数计算得到负载的电阻，判断负载是否短路。
在一实施例中，电流转换电路包括：电流变换器，其控制端与电压源的第二端连接，其第一端依次通过限流电路、保护电路与负载的第二端连接。
在一实施例中，短路检测电路还包括：负载第二端通过负载开关电路接地，当负载开关电路导通时，外接电源为负载供电，当负载开关电路断开时，对负载进行短路检测。
在一实施例中，负载开关电路包括：负载控制开关，其第一端与负载的第二端连接，第二端接地，其控制端与外接处理器连接。
在一实施例中，保护电路包括：二极管，其阳极与负载的第二端连接，其阴极通过限流电路与电流变换器的第一端连接。
在一实施例中，限流电路包括：第一电阻，第一端与二极管的阴极连接，其阳极与电流变换器的第一端连接。
在一实施例中，采样电路包括：第二电阻，其第一端与电流变换器的第二端连接，其第二端接地。
在一实施例中，电压源电压应小于LED负载开启电压、二极管电压、电流变换器电压之和。
在一实施例中，电流变换器的第二端电压超过预设电压阈值时，判定负载短路；或，根据电压源电压、二极管电压、电流变换器电压、电流变换器的第二端电压、第一电阻阻值、第二电阻阻值，计算负载的电阻阻值，当负载的电阻阻值为0时，判定负载短路。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的短路检测电路，电压源的第一端与外接电源连接，其第二端与所述电流转换电路的控制端连接，电流转换电路的第一端依次通过所述限流电路、保护电路与负载的第二端连接，其第二端通过所述采样电路接地，负载的第一端与外接电源连接；当负载的第二端接地时，外接电源为负载供电，当负载的第二端不接地时，根据电流转换电路的第二端电压，或利用电压源电压、电流转换电路的第二端的电压、短路检测电路各个电路的内部元器件参数计算得到负载的电阻，判断负载是否短路。通过在负载断电的情况下，检测电流转换电路的第二端的电压或反向计算电阻的方法，实现在负载开启前就完成对负载是否短路的检测，可直接不再开启输出，克服了现有技术中在负载通电情况下，直接检测电源电压、电源电流所导致的短路保护失败、检测电阻发热严重的缺陷，并且避免产生瞬间的大电流造成器件损坏的风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的现有技术中对电源电压进行短路检测的电路图；
图2为本发明实施例提供的现有技术中对电源电流进行短路检测的电路图；
图3为本发明实施例提供的短路检测电路的一个具体示例的示意图；
图4为本发明实施例提供的短路检测电路的另一个具体示例的示意图；
图5为本发明实施例提供的短路检测电路的另一个具体示例的示意图；
图6为本发明实施例提供的短路检测电路的另一个具体示例的示意图；
图7为本发明实施例提供的短路检测电路的另一个具体示例的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例
本发明实施例提供一种短路检测电路，如图3所示，包括：电压源1、电流转换电路2、保护电路3、限流电路4、采样电路5。
如图1所示，本发明实施例的电压源1，其第一端与外接电源连接，其第二端与电流转换电路2的控制端连接；电流转换电路2，其第一端依次通过限流电路4、保护电路3与负载的第二端连接，其第二端通过采样电路5接地；负载的第一端与外接电源连接。
如图1所示，当负载的第二端(port端)接地时，外接电源-负载-接地端构成供电回路，此时外接电源为负载供电，当负载的第二端不接地时，根据电流转换电路2的第二端电压，或利用电压源电压、电流转换电路2的第二端的电压、短路检测电路各个电路的内部元器件参数计算得到负载的电阻阻值，判断负载是否短路。
具体地，为了解决通过检测电源电压以进行短路检测的方案中存在当电源电压输出功率较大时，易短路保护失败的问题，以及通过检测电源电流以进行短路检测的方案中存在电源功率很大时，检测电阻发热严重的问题，本发明实施例在负载断电的情况下(即负载第二端不接地而悬空的情况下)检测是否存在短路的情况，并在负载开启前就完成对负载是否短路的检测。
具体地，本发明实施例的负载可以为不同类型，如LED负载及电阻，其中，为了保证LED负载可靠断电，首先将电压源1的电压值控制在小于LED负载最小开启电压、保护电路电压、电流转换电路2电压的之和，而当负载短路时有两种判断依据判定其是否短路：一是检测short点电压是否超过预设电压阈值，当超过时，判定负载短路，二是通过利用电压源电压、电流转换电路2的第二端的电压、短路检测电路各个电路的内部元器件参数计算负载的电阻值，当计算得到的负载的电阻值小于预设阈值时，判定负载短路，以上仅用以举例，但不以此为限制。
在一具体实施例中，如图4所示，电流转换电路2包括：电流变换器Q1，其控制端与电压源1的第二端连接，其第一端依次通过限流电路4、保护电路3与负载的第二端连接，其中，图4中电流变换器Q1以PNP三极管为例，此外还可以为其他具有相同开关功能的元器件，在此不做限制。
在一具体实施例中，如图5所示，短路检测电路还包括：负载第二端通过负载开关电路6接地，当负载开关电路6导通时，外接电源为负载供电，当负载开关电路6断开时，对负载进行短路检测。
在一具体实施例中，如图4所示，本发明实施例负载开关电路6包括：负载控制开关Q2，其第一端与负载的第二端连接，第二端接地，其控制端与外接处理器连接，其中，图4中负载控制开关Q2以MOSFET为例，此外还可以为其他具有相同开关功能的元器件，在此不做限制。
如图4所示，本发明实施例保护电路3包括：二极管D1，其阳极与负载的第二端连接，其阴极通过限流电路4与电流变换器Q1的第一端连接，其中，二极管防止电流变换器Q1集电极电流反向流至负载。
如图4所示，本发明实施例限流电路4包括：第一电阻R1，第一端与二极管D1的阴极连接，其阳极与电流变换器Q1的第一端连接，限流电路限制流入电流变换器的电流。
如图4所示，本发明实施例采样电路5包括：第二电阻R2，其第一端与电流变换器Q1的第二端连接，其第二端接地。
具体地，基于图4所示的电路结构，本发明实施例的短路检测电路的检测原理为：处理器(例如单片机)或驱动电路与负载控制开关Q2的控制端(CTL端)连接，当CTL端置高时，负载控制开关Q2导通，外接电源为负载供电，当CTL端置低时，负载控制开关Q2关断，外接电源停止为负载供电，当负载断电时，short端输出的检测电压输入至处理器(例如单片机)中，以判断负载是否短路。
具体地，当负载控制开关Q2关断之后可知：
V1＝VL+VD1+VR1+Veb (1)
式(1)中，V1为电压源电压，VL为负载电压，VD1为二极管电压，VR1为第一电阻R1电压，Veb为电流变换器电压。
因为二极管D1与电流变换器Q1均具有PN结，故将VD1、Veb均近似为0.7V，则式(1)等效为：
V1＝VL+VR1+1.4 (2)
当负载为LED负载时，则图4所示的电路结构的等效电路如图6所示，LED负载等效为串联连接的多个发光二极管以及等效电阻RL1，式(1)及式(2)中的负载电阻电压VL为等效电阻电压，由于LED负载含有串联连接的多个发光二极管部分，则LED负载需要最小开启电压VON，若将电压源电压V1调节值满足关系V1<VON+1.4，则当负载控制开关Q2关闭时，式(2)可以得到VL+VR1<VON，因此，LED负载与电流变换器Q1均不能导通，第一电阻R1的电流及第二电阻R2的电流均为0，且short端电压为0，即当负载为LED负载时，电流变换器Q1的第二端(short端)电压为0时，判定LED负载未短路。
当负载为电阻负载或LED负载短路时，图4所示的电路结构可等效为如图7所示的电路结构，其中RL1为LED负载等效电阻或电阻负载，则当负载控制开关Q2关断时，根据式(2)可以得到第一电阻R1电流(电流变换器Q1发射极电流)为：
Ie＝(V1-1.4)/(R1+RL1) (3)
式(3)中，Ie为第一电阻R1电流。
由于Ie＝Ib+Ic，且电流变换器Q1的集电极电流Ic远大于其基极电流，因此Ie≈Ic，则short电压VR2满足：
VR2＝Ie*R2＝(V1-1.4)*R2/(R1+RL1) (4)
因为R1、R2、V1都是固定值，因为由式(4)可得：
RL1＝((V1-1.4)*R2/VR2)-R1 (4)
由式(4)可知，随着电阻负载阻值(或LED负载等效电阻阻值)RL1的减小，short端的电压VR2增大，若电阻负载短路或LED负载短路时，则RL1近似为0，故short端的电压VR2将会达到最大值，此外由于正常电阻负载的阻值肯定远大于0，则short端的电压无法达到短路时的电压值，此时可以通过判断short端的电压VR2是否超过预设电压阈值时，当超过时，判定负载短路，其中，比较的过程可以由硬件电路的比较器完成或者由软件程序完成。除此之外，可以利用式(4)计算得到RL1，若RL1小于正常工作的阻值(预设阈值)，则可判定负载短路。
基于以上电路，本发明实施例还可得到带有短路检测功能的LED电源，其包括：图3～图7所示的电路、LED负载、处理器，处理器用于控制外接电源为LED负载供电，以及在LED灯串断电时，采集short端电压，判断LED负载是否短路。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种短路检测电路，其特征在于，包括：电压源(1)、电流转换电路(2)、保护电路(3)、限流电路(4)、采样电路(5)，
电压源(1)，其第一端与外接电源连接，其第二端与所述电流转换电路(2)的控制端连接；
电流转换电路(2)，其第一端依次通过所述限流电路(4)、保护电路(3)与负载的第二端连接，其第二端通过所述采样电路(5)接地；
负载的第一端与外接电源连接；
当负载的第二端接地时，外接电源为负载供电，当负载的第二端不接地时，根据电流转换电路(2)的第二端电压，或利用电压源(1)电压、电流转换电路(2)的第二端的电压、短路检测电路各个电路的内部元器件参数计算得到负载的电阻，判断负载是否短路。
2.根据权利要求1所述的短路检测电路，其特征在于，所述电流转换电路(2)包括：
电流变换器(Q1)，其控制端与所述电压源(1)的第二端连接，其第一端依次通过所述限流电路(4)、保护电路(3)与负载的第二端连接。
3.根据权利要求1所述的短路检测电路，其特征在于，还包括：
负载第二端通过负载开关电路(6)接地，当所述负载开关电路(6)导通时，外接电源为负载供电，当所述负载开关电路(6)断开时，对负载进行短路检测。
4.根据权利要求3所述的短路检测电路，其特征在于，所述负载开关电路(6)包括：
负载控制开关(Q2)，其第一端与所述负载的第二端连接，第二端接地，其控制端与外接处理器连接。
5.根据权利要求2所述的短路检测电路，其特征在于，所述保护电路(3)包括：
二极管(D1)，其阳极与所述负载的第二端连接，其阴极通过所述限流电路(4)与所述电流变换器(Q1)的第一端连接。
6.根据权利要求5所述的短路检测电路，其特征在于，所述限流电路(4)包括：
第一电阻(R1)，第一端与所述二极管(D1)的阴极连接，其阳极与所述电流变换器(Q1)的第一端连接。
7.根据权利要求6所述的短路检测电路，其特征在于，所述采样电路(5)包括：
第二电阻(R2)，其第一端与所述电流变换器(Q1)的第二端连接，其第二端接地。
8.根据权利要求7所述的短路检测电路，其特征在于，
所述电压源(1)电压小于LED负载最小开启电压、二极管(D1)电压、电流变换器(Q1)电压之和。
9.根据权利要求8所述的短路检测电路，其特征在于，
电流变换器(Q1)的第二端电压超过预设电压阈值时，判定所述负载短路；
或，根据电压源(1)电压、二极管(D1)电压、电流变换器(Q1)电压、电流变换器(Q1)的第二端电压、第一电阻(R1)阻值、第二电阻(R2)阻值，计算负载的电阻阻值，当负载的电阻阻值为小于预设阈值时，判定所述负载短路。
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