CN208241310U - 一种过流保护电路及装置 - Google Patents

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杨健
赵建华
蒋燕波
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Guangdong Saiwei Electronics Co.,Ltd.
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Abstract

本申请公开了一种过流保护电路及装置，该过流保护电路至少包括第一开关管，第一开关管的第一端与电压控制输入端连接；第二开关管，第二开关管的第一端与电压控制输入端连接；第一运算放大器，第一开关管的第二端和第二开关管的第二端连接第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的第一输入端与第二开关管的第三端连接，第一运算放大器的第二输入端与第一开关管的第三端连接；第一稳流器，第一开关管的第三端通过第一稳流器接地；第二稳流器，第二开关管的第三端通过第二稳流器接地。通过上述方式，本申请能够实现过流保护。

Description

一种过流保护电路及装置
技术领域
本申请涉及电子电路领域，特别是涉及一种过流保护电路及装置。
背景技术
电池管理、工业控制、通信和消费电子等应用中都常常需要过流保护开关，内置功率开关的过流保护芯片因为其简单易用而得到广泛应用，传统的内置功率开关的过流保护芯片正常工作时，功率开关和参考开关都是连接固定的驱动电压，功率开关和参考开关都工作在线性区；通过比较功率开关和参考开关上的压降来判断是否过流，过流后关断功率开关来达到过流保护的目的。
此外，传统方案对于过流后采用恒流输出的需求，需要增加一个功率开关，通过控制新增的功率开关的驱动电压来达到限流的目的，这种做法增加了功率开关的导通电阻和成本。
实用新型内容
本申请主要解决的问题是提供一种过流保护电路及装置，能够实现过流保护。
为解决上述技术问题，本申请采用的技术方案是提供一种过流保护电路，该过流保护电路至少包括第一开关管，第一开关管的第一端与电压控制输入端连接；第二开关管，第二开关管的第一端与电压控制输入端连接；第一运算放大器，第一开关管的第二端和第二开关管的第二端连接第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的第一输入端与第二开关管的第三端连接，第一运算放大器的第二输入端与第一开关管的第三端连接；第一稳流器，第一开关管的第三端通过第一稳流器接地；第二稳流器，第二开关管的第三端通过第二稳流器接地。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一技术方案是提供一种过流保护装置，该过流保护装置包括上述的过流保护电路。
通过上述方案，本申请的有益效果是：通过将过流保护电路的第一开关管的第一端与电压控制输入端连接；第二开关管的第一端与电压控制输入端连接；第一开关管的第二端和第二开关管的第二端连接第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的第一输入端与第二开关管的第三端连接，第一运算放大器的第二输入端与第一开关管的第三端连接；第一开关管的第三端通过第一稳流器接地；第二开关管的第三端通过第二稳流器接地；通过将运算放大器的输出端连接到第一开关管和第二开关管的第二端，从而控制第一开关管和第二开关管的工作状态，使得它们可以工作在饱和区，当出现过流状况时，运算放大器的输出端输出的电压减小使得第二开关管工作在饱和区，导通阻抗增大，从而使得输出的电流减小，起到了过流时减小输出电流的作用，保护了负载电路。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是现有技术中过流保护电路一实施例的结构示意图；
图2是现有技术中过流保护电路另一实施例的结构示意图；
图3是本申请提供的过流保护电路一实施例的结构示意图；
图4是本申请提供的过流保护电路一实施例的另一结构示意图；
图5是本申请提供的过流保护电路另一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了实现过流保护的目的，现有技术中使用两个晶体管来实现，如图1所示，T1为参考管，T2为功率管，VSS为电源正极输入端，VDD为电压控制输入端，晶体管T1和T2都工作在线性区，相当于两个开关，功率管T2的导通阻抗比参考管T1的导通阻抗小得多；当输出电流I2大于预设限流值时，功率管T2闭合，输出电流I2为0A；通过运算放大器，发现过流就关断功率管T2，不输出电流。
此外为了实现过流后恒流输出的目的，现有技术中额外增加一个功率管T3，如图2所示，功率管T3的导通电阻不必和功率管T2的导通电阻成预设比例，但出于面积优化的考虑，一般功率管T3的导通电阻和功率管T2的导通电阻近似，参考管T1和功率管T2还是都工作在线性区，只是作为开关。
参考管T1和功率管T2工作时完全打开，参考管T1和功率管T2上的压降非常小，所以A点电压和B点电压基本都等于电压控制输入端VDD电压。
检测参考管T1和功率管T2上的压降，当输出电流I2超过预设限流值，即B点电压低于A点电压时，通过调节功率管T3的栅极驱动电压，增大功率管T3的导通电阻，减小输出电流，使B点电压等于A点电压。
通过比较工作在线性区的开关管T1上的压降来判断是否过流，但过流后不关断电流，而是调节功率管T3来使得输出电流I2等于预设限流值，继续输出电流；但由于多用一个功率管致使电路面积增大，增加成本。
参阅图3，图3是本申请提供的过流保护电路一实施例的结构示意图，该过流保护电路至少包括第一开关管T1、第二开关管T2、第一运算放大器A1、第一稳流器H1和第二稳流器H2。
第一开关管T1的第一端与电压控制输入端连接；第二开关管T2的第一端与电压控制输入端连接；第一开关管T1的第二端和第二开关管T2的第二端连接第一运算放大器A1的输出端，第一运算放大器A1的第一输入端与第二开关管T2的第三端连接，第一运算放大器A1的第二输入端与第一开关管T1的第三端连接。
第一开关管T1的第三端、第一运算放大器A1的第二输入端和第一稳流器H1耦接于第一公共点A，第二开关管T2的第三端、第一运算放大器A1的第一输入端和第二稳流器H2耦接于第二公共点B。
第一运算放大器A1的正电源端连接电源正极输入端VSS(图中未示出)，其中电源用于为第一运算放大器A1供电，并且电压控制输入端的电压为电源正极输入端VSS的电压经过升压电路处理后得到的电压；例如，电源正极输入端VSS电压为5V，电压控制输入端的电压为10V。
第一开关管T1和第一开关管T2可以为MOS管(场效应管)或三极管；当第一开关管T1和第一开关管T2为MOS管时，第一端为MOS管的漏极，第二端为MOS管的栅极，第三端为MOS管的源极。
第一运算放大器A1的第一输入端为运算放大器的同相输入端；第一运算放大器A1的负电源端接地；第一运算放大器A1的第二输入端为运算放大器的反相输入端；由于第一运算放大器的输入电压范围为0～VDD，因此第一运算放大器需要采用rail-to-rail；其中VDD为电压控制输入端电压。
第一开关管T1的第三端通过第一稳流器H1接地；第二开关管T2的第三端通过第二稳流器H2接地。
第一运算放大器A1用于检测第一输入端和第二输入端的电压差值，根据电压差值调整第一开关管的第二端和第二开关管的第二端的电压值。
第一开关管T1为N型MOS管，第二开关管T2为功率开关管，第二开关管T2也为N型MOS管，第一开关管T1为参考管，第一开关管T1的导通电阻通常为第二开关管T2导通电阻的上万倍；MOS管的导通电阻与所占的面积成反比，导通电阻越小，所占的面积越大，因此第二开关管T2的面积比第一开关管T1的面积大。由于同等电阻的晶体管管N型晶体管的面积比较小，所以N型晶体管使用更普遍，本实施例中也可使用P型晶体管。
如图4所示，第一稳流器H1为参考恒流源，第二稳流器H2为电流源，参考恒流源用来设定预设限流值ILIM，其中，ILIM＝N0*I1，N0为第一开关管T1与第二开关管T2的导通阻抗之比，N0>>1000，I1为参考恒流源的电流值。
当过流保护电路输出电流I2小于预设限流值ILIM，I2<ILIM＝N0*I1，则过流保护电路输出的电流为I2。
如果接入外部负载过多或电源电压过大致使过流保护电路输出电流I2大于限流值ILIM时，此时过流保护电路起作用，在过流保护电路检测到过流时，第一输入端和第二输入端的电压差值小于预设电压值，第一运算放大器的输出端控制第一开关管T1和第二开关管T2工作在饱和区。
通过调节第二开关管T2的第二端的驱动电压，即减小第二开关管T2的第二端的驱动电压，从而增大第二开关管T2的导通电阻，从而将第二公共点B电压降低，使得外部负载的输入电流等于ILIM，此时输出电流I2＝ILIM＝N0*I1。
本实施例首先检测是否过流，当过流时利用第一运算放大器来调节功率管T2的第二端的电压，使得过流后输出电流I2等于预设限流值ILIM，其控制和检测比现有技术要复杂，但是可以节省一个功率管，从而节省面积和成本。
区别于现有技术，本实施例提供了一种过流保护电路，该过流保护电路的第一开关管的第一端与电压控制输入端连接；第二开关管的第一端与电压控制输入端连接；第一开关管的第二端和第二开关管的第二端连接第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的第一输入端与第二开关管的第三端连接，第一运算放大器的第二输入端与第一开关管的第三端连接；第一开关管的第三端通过第一稳流器接地；第二开关管的第三端通过第二稳流器接地。通过将运算放大器的输出端连接到第一开关管和第二开关管的第二端，从而控制第一开关管和第二开关管的工作状态，使得它们可以工作在饱和区，当出现过流状况时，运算放大器的输出端输出电压减小使得第二开关管工作在饱和区，导通阻抗增大，从而使得输出的电流减小，起到了过流时减小输出电流的作用，保护了负载电路。
参阅图5，图5是本申请提供的过流保护电路一实施例的结构示意图，本实施例基于上述实施例，该过流保护电路至少包括第一开关管T1、第二开关管T2、第一运算放大器A1、第一稳流器和第二稳流器；其中，第二稳流器为电流源，其电流值为I2。
第一稳流器至少包括第三开关管T3、第二运算放大器A2、第一电阻R1和第二电阻R2。
第三开关管T3的第一端与第一开关管T1的第三端连接；第二运算放大器A2的第一输入端接收参考电压VREF，第二运算放大器A2的第二输入端与第三开关管T3的第三端连接，第二运算放大器A2的输出端与第三开关管T3的第二端。
第三开关管T3可以为N型MOS管或三极管；当第三开关管T3为N型MOS管时，第一端为N型MOS管的漏极，第二端为N型MOS管的栅极，第三端为N型MOS管的源极。
第一电阻R1一端与第二运算放大器A2的第二输入端连接，第一电阻R1的另一端接地；第二电阻R2连接在第三开关管T3的第一端与第一开关管T1的第三端之间，第二电阻R2为可调电阻。
第三开关管T3的第三端、第二运算放大器A2的第二输入端和第一电阻R1耦接于第三公共点C，第一开关管T1的第三端、第一运算放大器A1的第二输入端和第二电阻R2耦接于第一公共点A。
过流保护电路还可以包括调整电路，其用于调整参考电压VREF，通过调整电路可以调节参考电压VREF的大小；或者也可以通过人工手动调节参考电压VREF；例如，参考电压可以为2.5V。
当过流时，第一运算放大器A1的第一输入端和第二输入端电压差值小于预设值，第一运算放大器A1的输出端电压减小使得第一开关管T1和第二开关管T2处于饱和区，流经第二开关管T2的电流减小,第二公共点B的电压减小。
利用过流时第一公共点A电压下降的特点，调节参考电压VREF或者电阻R2的值，来实现输出电压低于预设电压值后的限流折回功能，即外部短路时可将预设限流值降为0A附近，大大降低了短路功耗。
当第二公共点B电压下降到预设电压值时，预设限流值变小，第一公共点A电压跟随第二公共点B电压变化。
第一稳流器输出的电流I1如下所示：
I1＝VC/R1＝VREF/R1，其中VC为第三公共点C的电压值。
当第一公共点A电压下降到低于参考电压VREF电压时，第三公共点C电压VC会被下拉至小于参考电压VREF，流经第一电阻R1的电流I1减小，此时限流值I2＝N0*I1就会变小；其中，N0为第一开关管T1与第二开关管T2的导通阻抗之比；当第一公共点A电压降到0V时，第三公共点C电压也会降到0V，预设限流值也降到0A。
输出电压的限流折回点电压VB＝I1*(R1+R2)，预设限流值一般通过N0*VREF/R1来设置，一般参考电压VREF、N0、R1和I1为固定值，所以只能通过第二电阻R2的阻值来调整输出电压的限流折回点。
区别于现有技术，本实施例提供的过流保护电路，通过将传统的恒流源替换为至少包括第三开关管、第二运算放大器、第一电阻和第二电阻的电路；第三开关管的第一端与第一开关管的第三端连接；第二运算放大器的第一输入端接收参考电压，第二运算放大器的第二输入端与第三开关管的第三端连接，第二运算放大器的输出端与第三开关管的第二端；第一电阻一端与第二运算放大器的第二输入端连接，第一电阻的另一端接地；第二电阻连接在第三开关管的第一端与第一开关管的第三端之间。通过调节第二电阻的阻值或参考电压的电压值，实现对输出折流点的控制，使得在发生短路时，不仅可以实现过流保护，还可以降低负载电路的功耗。
本申请还提供一种过流保护装置，该过流保护装置包括上述实施例中的过流保护电路。
以上仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种过流保护电路，其特征在于，所述过流保护电路至少包括：
第一开关管，所述第一开关管的第一端与电压控制输入端连接；
第二开关管，所述第二开关管的第一端与所述电压控制输入端连接；
第一运算放大器，所述第一开关管的第二端和所述第二开关管的第二端连接所述第一运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的第一输入端与所述第二开关管的第三端连接，所述第一运算放大器的第二输入端与所述第一开关管的第三端连接；
第一稳流器，所述第一开关管的第三端通过所述第一稳流器接地；
第二稳流器，所述第二开关管的第三端通过所述第二稳流器接地。
2.根据权利要求1所述的过流保护电路，其特征在于，所述第一运算放大器用于检测所述第一输入端和所述第二输入端的电压差值，根据所述电压差值调整所述第一开关管的第二端和所述第二开关管的第二端的电压值。
3.根据权利要求2所述的过流保护电路，其特征在于，所述第一开关管为N型MOS管，所述第二开关管为功率开关管。
4.根据权利要求3所述的过流保护电路，其特征在于，所述第一稳流器为参考恒流源，第二稳流器为电流源。
5.根据权利要求2所述的过流保护电路，其特征在于，
在所述过流保护电路检测到过流时，所述电压差值小于预设值，所述第一运算放大器的输出端控制所述第一开关管和所述第二开关管工作在饱和区。
6.根据权利要求3所述的过流保护电路，其特征在于，所述第一稳流器至少包括：
第三开关管，所述第三开关管的第一端与所述第一开关管的第三端连接；
第二运算放大器，所述第二运算放大器的第一输入端接收参考电压，所述第二运算放大器的第二输入端与所述第三开关管的第三端连接，所述第二运算放大器的输出端与所述第三开关管的第二端；
第一电阻，所述第一电阻一端与所述第二运算放大器的第二输入端连接，所述第一电阻的另一端接地。
7.根据权利要求6所述的过流保护电路，其特征在于，所述第一稳流器还包括第二电阻，所述第二电阻连接在所述第三开关管的第一端与所述第一开关管的第三端之间。
8.根据权利要求7所述的过流保护电路，其特征在于，所述第二电阻为可调电阻。
9.根据权利要求6所述的过流保护电路，其特征在于，所述过流保护电路还包括调整电路，用于调整所述参考电压。
10.一种过流保护装置，包括如权利要求1-9任一项所述的过流保护电路。
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CN108493912A (zh) * 2018-04-09 2018-09-04 东莞赛微微电子有限公司 一种过流保护电路及装置
TWI771002B (zh) * 2021-05-13 2022-07-11 固緯電子實業股份有限公司 用於電源裝置的限流電路

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