CN116191348A - 基于负反馈调节的电流采样及过流保护电路、***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于负反馈调节的电流采样及过流保护电路,包括:负载回路和运放回路,负载回路中包括采样电阻,运放回路中包括第二电阻、运算放大器、PMOS管、分压组件和NMOS管,运算放大器的反相输入端通过第二电阻连接采样电阻的第一端,运算放大器的同相输入端与采样电阻的第二端连接,运算放大器的输出端连接PMOS管的栅极,运算放大器的反相输入端连接PMOS管的源极,PMOS管的漏极连接控制***处理器单元的ADC输入端,PMOS管的漏极连接分压组件的第一端,分压组件的第二端连接NMOS管的栅极,分压组件的第三端连接NMOS管的源极并接地,NMOS管的漏极连接低压电源并连接控制***处理器单元的中断输入端。该电路结构简单、过流保护响应迅速。
Description
技术领域
本发明属于电子电路技术领域,尤其涉及一种基于负反馈调节的电流采样及过流保护电路、***及方法。
背景技术
电子电路中的元器件都有其工作电流,当电路中电流超过工作电流时就会对元器件造成损害,轻则无法正常工作,重则会造成短路,导致电路烧毁。因此,对电路电流进行实时监测,过流及时切断电源回路非常必要。
现有技术中,通常采用以下几种方式进行电流采样及过流保护:
(1)直接用采样电阻进行电流采样;
ADC测量采样电阻上面的压降,不经过运算放大器等处理电路,当采样大电流时,为了保证过流能力,只能选阻值很小的电阻,电压=电流*电阻,往往得到一个很小的电压信号范围,此信号直接送入ADC芯片或单片机,采样电流精度很差。
(2)用采样电阻,经过差分运算放大器等处理电路进行电流采样;
一般采用低端采样和高端采样两种拓扑结构,低端采样电路引入地线干扰,影响采样精度,高端采样电路对运算放大器选择要求较高,一般采用低偏移电压高精度运算放大器,成本会增加很多。
(3)采用霍尔传感器或电流互感器进行电流采样;
一般应用于特定的场合,用互感器测量直流大电流时,要求体积较大,影响安装;用霍尔传感器测量小量程电流时,要求使用大偏置电压,容易引起误差,且体积大,成本高。
(4)采用ADC检测过流从而断开电源回路的方式进行过流保护;
当ADC检测到过流信号时,经过控制单元内部逻辑处理,单片机输出关断信号,断开电源回路,此过程响应时间较慢,在电源电路断开之前可能因过流时间太长造成电路烧毁。
(5)采用硬件的方式进行过流保护;
一般采用比较器或逻辑器件进行过流信号检测,输出控制信号直接关断电源回路,此方式不经过软件处理,需要额外增加硬件保护电路,成本较高。
发明内容
为解决上述问题,本发明的目的是提供一种基于负反馈调节的电流采样及过流保护电路,该基于负反馈调节的电流采样及过流保护电路实时采集ADC输入端的电压,从而计算出运放回路中的实时电流,实现实时监测。同时,电流采样输入电压范围与过流阈值可根据采样电阻及分压电阻值大小进行线性调节,提高采样精度。
为实现上述目的,本发明的技术方案为:一种基于负反馈调节的电流采样及过流保护电路,包括:负载回路和运放回路,所述负载回路中包括采样电阻,所述运放回路中包括第二电阻、运算放大器、P沟道MOS管、分压组件和N沟道MOS管,所述运算放大器的反相输入端通过第二电阻连接所述采样电阻的第一端,所述运算放大器的同相输入端与所述采样电阻的第二端连接,所述运算放大器的输出端连接所述P沟道MOS管的栅极,所述运算放大器的反相输入端连接所述P沟道MOS管的源极,所述P沟道MOS管的漏极连接控制***处理器单元的ADC输入端,所述P沟道MOS管的漏极连接分压组件的第一端,所述分压组件的第二端连接N沟道MOS管的栅极,所述分压组件的第三端连接N沟道MOS管的源极并接地,所述N沟道MOS管的漏极连接低压电源并连接控制***处理器单元的中断输入端。
在本发明的一个实施例中,所述P沟道MOS管的漏极通过稳压滤波电路连接控制***处理器单元的ADC输入端,所述稳压滤波电路包括第四电阻,所述第四电阻的第一端连接所述P沟道MOS管的漏极,所述第四电阻的第二端连接控制***处理器单元的ADC输入端,所述第四电阻的第二端通过并联的第二电容和稳压管接地。
在本发明的一个实施例中,所述N沟道MOS管的漏极通过电平转换电路连接控制***处理器单元的中断输入端,所述电平转换电路串联的第八电阻、第九电阻和第三电容,所述N沟道MOS管的漏极连接所述第八电阻的第二端,所述第九电阻的第二端连接控制***处理器单元的中断输入端,所述第三电容的第二端接地,所述第八电阻的第一端连接所述低压电源。
在本发明的一个实施例中,所述运算放大器的正向输入端和反相输入端连接有第一电容。
在本发明的一个实施例中,所述P沟道MOS管的的漏极通过第一二极管与所述稳压滤波电路中第四电阻的第一端连接。
在本发明的一个实施例中,所述分压组件包括呈三角形连接的第五电阻、第六电阻和第七电阻,所述第五电阻和所述第六电阻的共结点与所述P沟道MOS管的漏极连接,所述第五电阻和所述第七电阻的共结点接地,所述第六电阻和所述第七电阻的共结点与所述N沟道MOS管的栅极连接。
在本发明的一个实施例中,所述运算放大器的电源正极输入端和电源负极输入端分别连接正电源和地。
基于相同的发明构思,本发明还提供一种基于负反馈调节的电流采样及过流保护***,包括处理器单元及所述的基于负反馈调节的电流采样及过流保护电路,所述处理器单元的基于所述电流采样及过流保护电路发送的电信号和对负载回路进行电流采样和过流保护。
基于相同的发明构思,本发明还提供一种基于负反馈调节的电流采样及过流保护方法,应用于所述的基于负反馈调节的电流采样及过流保护***,包括以下步骤:通过ADC输入端采集运放回路中的电信号;基于所述电信号根据预设算法计算出负载回路中的电流;在所述负载回路中的电流大于预设阈值的情况下,N沟道MOS管导通,处理器中断输入端电压跳变,控制负载回路执行预设中断措施。
基于相同的发明构思,本发明还提供一种计算机设备,包括:存储器,所述存储器用于存储处理程序;处理器,所述处理器执行所述处理程序时实现所述的基于负反馈调节的电流采样及过流保护方法。
本发明由于采用以上技术方案,使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果:
1、本发明实时采集ADC输入端的电压,从而计算出运放回路中的实时电流,实现实时监测。同时,电流采样输入电压范围与过流阈值可根据采样电阻及分压电阻值大小进行线性调节,提高采样精度。
2、本发明通过实时监测运放回路中的电流,在回路电流超过阈值的情况下,瞬间导通N沟道MOS管M2并通过电平转换电路反馈给处理器单元,处理器单元迅速做出中断处理,实现主回路的快速关断,响应迅速,避免进一步的电路损伤。
3、本申请的电路组成简单,元器件较少,对运算放大器选型无太高要求,成本较低;集成电流采样电路与过流保护电路,无需分开设计,且能满足过流快速关断保护;电流采样输入电压范围与过流阈值均与负载电流呈线性关系,可灵活调节采样电阻及分压电阻阻值大小,适配不同ADC单元及单片机IO口输入电压要求,实现宽范围电流采样。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明,其中:
图1为本发明的基于负反馈调节的电流采样及过流保护电路图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书,本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率,仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
需要说明,本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
如图1所示,本实施例提供一种基于负反馈调节的电流采样及过流保护电路,采用高端采样的方式,该电路包括负载回路、运放回路以及电平转换回路,所述负载回路中包括电源、保险丝F1、采样电阻R1、外部负载LOAD,所述运放回路包括第二电阻R2、运算放大器U1、P沟道MOS管M1、第一二极管D1、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7,所述第二电阻R2的两端分别与保险丝F1的第二端和运算放大器U1的反相输入端连接,所述运算放大器U1的正相输入端与采样电阻R1的第二端连接,运算放大器U1的电源正极输入端和电源负极输入端分别连接正电源和地,运算放大器U1的输出端连接P沟道MOS管M1的栅极,P沟道MOS管M1的源极与第二电阻R2的第二端连接,P沟道MOS管M1的漏极与第一二极管D1的第一端连接,第一二极管D1的第二端连接处理器单元的ADC输入端,第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7呈三角连接,第一二极管D1的第二端与第五电阻R5的第一端连接,第五电阻R5的第二端接地,第六电阻R6的第一端与第一二极管D1的第二端连接,第六电阻R6的第二端与N沟道MOS管的基极连接,N沟道MOS管的源极接地,N沟道MOS管的漏极与处理器单元的中断输入端连接。
进一步的,第一二极管D1通过一稳压滤波电路与处理器单元的ADC输入端连接,所述稳压滤波电路包括与所述第一二极管D1第二端连接的第四电阻R4,所述第四电阻R4的第二端连接处理器单元的ADC输入端,所述第四电阻R4的第二端通过并联的第二电阻C2和稳压管D2接地。所述第一二极管D1用于反相电流保护。
进一步的,N沟道MOS管的漏极通过一电平转换电路连接处理器单元的中断输入端,所述电平转换电路包括依次串联的低压电源、第八电阻R8、第九电阻R9和第三电容C3,N沟道MOS管的漏极连接第八电阻R8的第二端,所述第九电阻R9的第二端连接处理器单元的中断输入端,第三电容C3的第二端接地。
进一步的,运算放大器U1的正相输入端和反相输入端之间连接有第一电容C1。运算放大器U1的输出端通过第三电阻R3与P沟道MOS管的栅极连接。
进一步的,通过线性调节分压电阻第二电阻R2、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和采样电阻R1的阻值能够实现采样精度的调节。
负载回路中,由采样电阻R1反馈负载电流,提供运算放大器U1反相输入端电压;运放回路中,由第二电阻R2分压提供运算放大器U1反相输入端电压;因为运算放大器U1具有开环增益高和输出阻抗低等特点,所以输入电流很小,因此,当负反馈体系调节至平衡状态时,采样电阻R1和第二电阻R2反馈到运算放大器U1反相输入端和同相输入端电压相等,采样电阻R1两端电压等于第二电阻R2两端电压,且与负载电流呈线性关系;在运放回路中,流经第二电阻R2的电流与流经第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7组合的合成电阻的电流相等。输入处理器单元ADC输入端的电压为第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7组合的合成电阻在运放回路的分压,且该电压与负载电流呈线性变化关系,通过采集到的电压来计算负载电流,计算方式如下:
第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7组合的合成电阻阻值为RC:RC=R5*(R6+R7)/(R5+R6+R7);
负载回路电流IL为:IL=(VIN-V-)/R1;
运算放大器U1反相输入端与同相输入端电压近似相等,即:V-=V+;
运放回路电流为:IC=(VIN-V+)/R2;
处理器单元ADC输入端电压为:
VI_AD=RC*Ic=[R5*(R6+R7)/(R5+R6+R7)]*IL*R1/R2。
处理器单元中断输入电压默认为高电平,过载时,负载回路电流IL增大使运放回路电流IC增大,N沟道MOS管M2栅极电压增大,达到其栅极阈值电压时,N沟道MOS管M2导通,处理器单元中断输入端电压跳变为低电平,***处理器执行中断命令,断开电源供电,起到过流保护作用。中断端口电平跳变判断方式如下:
N沟道MOS管M2栅极电压VM2=VI_AD*R7/(R6+R7);
处理器单元中断输入端电平跳变条件:VM2>VGS(th)。
本申请中,处理器单元实时采集ADC输入端的电压,从而计算出运放回路中的实时电流,实现实时监测。同时,电流采样输入电压范围与过流阈值可根据采样电阻及分压电阻值大小进行线性调节,提高采样精度。本申请的技术方案中,通过实时监测运放回路中的电流,在回路电流超过阈值的情况下,瞬间导通N沟道MOS管M2并通过电平转换电路反馈给处理器单元,处理器单元迅速做出中断处理,实现主回路的快速关断,响应迅速,避免进一步的电路损伤。
本申请的电路组成简单,元器件较少,对运算放大器选型无太高要求,成本较低;集成电流采样电路与过流保护电路,无需分开设计,且能满足过流快速关断保护;电流采样输入电压范围与过流阈值均与负载电流呈线性关系,可灵活调节采样电阻及分压电阻阻值大小,适配不同ADC单元及单片机IO口输入电压要求,实现宽范围电流采样。
基于相同的发明构思,本发明还提供一种基于负反馈调节的电流采样及过流保护***,包括处理器单元及所述的基于负反馈调节的电流采样及过流保护电路,所述处理器单元的基于所述电流采样及过流保护电路发送的电信号和对负载回路进行电流采样和过流保护。
基于相同的发明构思,本发明还提供一种基于负反馈调节的电流采样及过流保护方法,应用于所述的基于负反馈调节的电流采样及过流保护***,包括以下步骤:通过ADC输入端采集运放回路中的电信号;基于所述电信号根据预设算法计算出负载回路中的电流;在所述负载回路中的电流大于预设阈值的情况下,N沟道MOS管导通,处理器中断输入端电压跳变,控制负载回路执行预设中断措施。
基于相同的发明构思,本发明还提供一种计算机设备,包括:存储器,所述存储器用于存储处理程序;处理器,所述处理器执行所述处理程序时实现所述的基于负反馈调节的电流采样及过流保护方法。
本领域普通技术人员可以理解:实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成,前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中,该程序在执行时,执行包括上述方法实施例的步骤;而前述的存储介质包括:移动存储设备、只读存储器(ReadOnlyMemory,ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化,倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则仍落入在本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于负反馈调节的电流采样及过流保护电路,其特征在于,包括:负载回路和运放回路,所述负载回路中包括采样电阻,所述运放回路中包括第二电阻、运算放大器、P沟道MOS管、分压组件和N沟道MOS管,所述运算放大器的反相输入端通过第二电阻连接所述采样电阻的第一端,所述运算放大器的同相输入端与所述采样电阻的第二端连接,所述运算放大器的输出端连接所述P沟道MOS管的栅极,所述运算放大器的同相输入端连接所述P沟道MOS管的源极,所述P沟道MOS管的漏极连接控制***处理器单元的ADC输入端,所述P沟道MOS管的漏极连接分压组件的第一端,所述分压组件的第二端连接N沟道MOS管的栅极,所述分压组件的第三端连接N沟道MOS管的源极并接地,所述N沟道MOS管的漏极连接低压电源并连接控制***处理器单元的中断输入端。
2.根据权利要求1所述的基于负反馈调节的电流采样及过流保护电路,其特征在于,所述P沟道MOS管的漏极通过稳压滤波电路连接控制***处理器单元的ADC输入端,所述稳压滤波电路包括第四电阻,所述第四电阻的第一端连接所述P沟道MOS管的漏极,所述第四电阻的第二端连接控制***处理器单元的ADC输入端,所述第四电阻的第二端通过并联的第二电容和稳压管接地。
3.根据权利要求1所述的基于负反馈调节的电流采样及过流保护电路,其特征在于,所述N沟道MOS管的漏极通过电平转换电路连接控制***处理器单元的中断输入端,所述电平转换电路串联的第八电阻、第九电阻和第三电容,所述N沟道MOS管的漏极连接所述第八电阻的第二端,所述第九电阻的第二端连接控制***处理器单元的中断输入端,所述第三电容的第二端接地,所述第八电阻的第一端连接所述低压电源。
4.根据权利要求1所述的基于负反馈调节的电流采样及过流保护电路,其特征在于,所述运算放大器的正向输入端和反相输入端连接有第一电容。
5.根据权利要求2所述的基于负反馈调节的电流采样及过流保护电路,其特征在于,所述P沟道MOS管的的漏极通过第一二极管与所述稳压滤波电路中第四电阻的第一端连接。
6.根据权利要求1所述的基于负反馈调节的电流采样及过流保护电路,其特征在于,所述分压组件包括呈三角形连接的第五电阻、第六电阻和第七电阻,所述第五电阻和所述第六电阻的共结点与所述P沟道MOS管的漏极连接,所述第五电阻和所述第七电阻的共结点接地,所述第六电阻和所述第七电阻的共结点与所述N沟道MOS管的栅极连接。
7.根据权利要求1所述的基于负反馈调节的电流采样及过流保护电路,其特征在于,所述运算放大器的电源正极输入端和电源负极输入端分别连接正电源和地。
8.一种基于负反馈调节的电流采样及过流保护***,其特征在于,包括处理器单元及权利要求1至权利要求7任意一项所述的基于负反馈调节的电流采样及过流保护电路,所述处理器单元的基于所述电流采样及过流保护电路发送的电信号和对负载回路进行电流采样和过流保护。
9.一种基于负反馈调节的电流采样及过流保护方法,应用于权利要求8所述的基于负反馈调节的电流采样及过流保护***,其特征在于,包括以下步骤:
通过ADC输入端采集运放回路中的电信号;
基于所述电信号根据预设算法计算出负载回路中的电流;
在所述负载回路中的电流大于预设阈值的情况下,N沟道MOS管导通,处理器中断输入端电压跳变,控制负载回路执行预设中断措施。
10.一种计算机设备,其特征在于,包括:
存储器,所述存储器用于存储处理程序;
处理器,所述处理器执行所述处理程序时实现如权利要求9所述的基于负反馈调节的电流采样及过流保护方法。
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