專利名稱：一種低阻抗直流過壓保護電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種低阻抗直流過壓保護電路，尤其涉及一種使用在便攜式供電設備上的低阻抗直流過壓保護電路。
背景技術：
現(xiàn)在的便攜式供電設備一般都采用直流電源供電，對輸入電壓有范圍限制，在供電電壓超過其上限值就會損壞設備。便攜式設備都配備了直流電源插頭，用于外部直流電源適配器給便攜式設備進行充電或者供電；由于目前市面上的通用的直流電源適配器的插頭規(guī)格只有三四種，但輸出電壓卻有5V、9V、12V等多種規(guī)格，普通消費者沒有注意到電源電壓限制范圍而錯誤的使用了不配套的電源適配器的時候，便攜式設備就有可能由于輸入直流電壓過高而損壞。雖然在電路設計中使用適應寬輸入電壓的DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器件，可以自動適應不同的輸入電壓，但在此類DC-DC器件的成本非常昂貴；另外使用DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器件有可能給后級電源帶來紋波，當后級電路中有射頻電路的時候，電源紋波對射頻性能影響尤為明顯。DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器件的使用會給后級電路的不能發(fā)揮最佳性能埋下隱患，在某些產(chǎn)品的電路設計中有必要提供一種不帶DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器件的供電電壓過壓保護電路。公開號為CN201629569U的專利公開了一種USB接口過壓保護電路，但此電路只適用于USB設備供電電路中，并且默認輸出電壓是打開的，采樣控制電壓取自5V電源輸出端，存在高于5V的電壓先輸出到負載端之后，由于保護電路檢測到高于5V電壓才切斷電壓輸出，這樣會在負載端形成一個電壓沖擊脈沖；公開號為CN101267111A的專利文檔中也公開了一種防過壓的保護電路，但此電路使用了三極管作為電源通斷開關，存在導通電阻較大，自身壓降和損耗較大的問題；在目前便攜式平板電腦設備中，電池容量都達4000mAh以上時，要實現(xiàn)電池快充功能，則需要2A或者4A的充電電流，由于采用PNP型三極管作為電源通斷開關器件，由于三極管導通電阻最小也在ΙΟΟπιΩ左右，在持續(xù)大電流的情況下，三極管本身會嚴重發(fā)熱，嚴重影響用戶體驗，并且無起保護門限值輸出指示等功能，在低電壓大電流的場合應用受到限制，自身無穩(wěn)壓反饋監(jiān)測機制。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是針對上述現(xiàn)有技術的不足之處，提供一種低阻抗直流過壓保護電路。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:一種低阻抗直流過壓保護電路，包括對電源電壓進行電壓報警門限值比較的電壓報警門限比較電路、對超過電壓門限值的電壓信號進行報警的門限報警信號輸出電路、開關通斷控制電路、對所述開關通斷控制電路的開關時間、速度進行調(diào)節(jié)的開關打開延時時間調(diào)整電路、功率電子開關、二次穩(wěn)壓濾波電路、穩(wěn)壓監(jiān)測反饋電路，其特征在于，所述開關通斷控制電路在上電瞬間確保所述功率電子開關是處于截止狀態(tài)，并且輸出電壓通過所述穩(wěn)壓監(jiān)測反饋電路、開關打開延時時間調(diào)整電路反饋到所述開關通斷控制電路中。進一步地，所述電壓報警門限比較電路包括串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管ZDl和偏置電阻R2，所述穩(wěn)壓二極管ZDl的負極連接電源輸入端，正極通過所述偏置電阻R2接地，所述穩(wěn)壓二極管ZDl反向擊穿電壓參數(shù)決定電路的門限比較電壓大小。進一步地，所述的開關打開延時時間調(diào)整電路包括第一三極管Ql和第一電阻R1、第四電阻R4、第九電阻R9、第一電容Cl，所述第一三極管Ql的基極通過第九電阻R9與電壓報警門限比較電路和穩(wěn)壓檢測反饋電路相連，集電極通過第一電阻Rl與電壓輸入端相連、通過第一電容Cl接地、并通過第四電阻R4與所述開關通斷控制電路相連，所述第一三極管Ql的發(fā)射極接地。進一步地，所述開關通斷控制電路包括第二三極管Q2，所述第二三級管Q2的基極與所述第一三極管Ql的集電極相連，集電極與所述功率電子開關相連，發(fā)射極接地。進一步地，所述功率電子開關包括場效應管Q3，所述場效應管Q3的源級連接電源電壓輸入端，柵極與所述第二三極管Q2的集電極連接，漏極與所述二次穩(wěn)壓濾波電路相連。進一步地，所述場效應管Q3采用可確保電源輸入端到輸出端通路電阻小于20Π1Ω的P溝道場效應管。進一步地，所述穩(wěn)壓監(jiān)測反饋電路通過第十九電阻R19將輸出電壓反饋到開關打開延時時間調(diào)整電路的第一三極管Ql的基極，影響三極管Ql的飽和、截止程度。進一步地，所述門限報警信號輸出電路包括發(fā)光二極管Dl和/或蜂鳴器BI，所述發(fā)光二極管Dl與所述偏置電阻Rl并聯(lián)、所述蜂鳴器BI —端連接所述穩(wěn)壓二極管ZDl的負極，另一端通過限流電阻R17、控制開關與所述穩(wěn)壓二極管ZDl的正極相連，所述控制開關包括第七三極管Q7，所述第七三極管Q7的集電極與所述蜂鳴器BI相連，基極與所述穩(wěn)壓二極管ZDl的正極相連，發(fā)射級接地。本實用新型在先檢測輸入電壓是否超過過壓保護門限值，根據(jù)檢測結(jié)果開關通斷控制電路再決定是否將功率電子開關處于截止狀態(tài)還是飽和導通狀態(tài)，從而實現(xiàn)給后級電路負載供電的斷與通的控制；在電壓輸入端和電壓輸出端通路上只采用了 P溝道場效應管，電路流過的電流大小受到P溝道場效應管的具體封裝與型號限制，本直流過壓保護電路中設定的電壓為直流5.6V，最大負載電流為10Α，此電路正常工作功率范圍為0W—50W。本實用新型發(fā)明的直流過壓保護電路由于自身阻抗很低，自身電流消耗為UA級，輸出功率可以達到50W，并且能夠在電路工作期間實時監(jiān)測輸入電壓和輸出電壓形成了閉環(huán)反饋，同時在輸出端提供二次穩(wěn)壓保護功能；電路適合用在直流低電壓供電且大電流負載的應用場合。

下面將結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明，圖1是本實用新型實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型實施例的電路原理示意圖。
具體實施方式
[0019]如圖1所示，在電源電壓輸入端接通生效之后，電壓報警門限比較電路先切斷后級電路負載和工作電源的連接，并實時監(jiān)測電源電壓輸入端；當直流輸入的電源電壓低于過壓保護門限值的時候，開關通斷控制電路自動打開功率電子開關，接通電源和后級電路負載；在直流輸入電源電壓高于過壓保護門限值的時候，開關通斷控制電路自動將功率電子開關切換到截止狀態(tài)，切斷直流輸入電源和后級電路負載，并且門限報警信號輸出電路輸出過壓報警信號，避免先接通后級電路負載之后再切斷直流輸入電源和后級電路負載而形成的過壓尖脈沖對電路的損害。在電壓輸出端通過穩(wěn)壓檢測反饋電路、開關打開延時時間調(diào)整電路連接到電壓報警門限比較電路中，對輸出的電壓值也進行監(jiān)測，并和輸入電壓形成反饋聯(lián)動控制機制。如圖2所示，VCC_IN為外部直流電源輸入端，VCC_0UT為穩(wěn)壓之后的直流電源輸出端，連接后級電路負載。此電路中的電壓報警門限比較電路是由穩(wěn)壓二極管ZDl和電阻R2構(gòu)成；門限報警信號輸出電路有電阻R3和發(fā)光二極管Dl構(gòu)成；開關通斷控制電路由NPN三極管Q2和電阻R5、R27、電容C2組成；開關打開延時時間調(diào)整電路由電阻R9、NPN三極管Ql、電阻R1、電容Cl、電阻R4構(gòu)成第一級時間調(diào)整控制電路，開關通斷控制電路中的電阻R27和電容C2構(gòu)成第二級時間調(diào)整控制電路；功率電子開關是指P溝道場效應管Q3Si6467 ;尖峰吸收電路是由濾波電容C3和C4組成；二次穩(wěn)壓濾波電路由穩(wěn)壓二極管ZD2組成；穩(wěn)壓監(jiān)測反饋電路由電阻R19組成。P溝道場效應管Q3Si6467導通控制電壓Vgs = -1.8V，通過電流5A的情況下，導通電阻小于20m Ω，由于導通內(nèi)阻小，在VCC_IN節(jié)點和VCC_0UT之間只有很小的導通阻抗，可確保低阻抗直流過壓保護電路在大負載電流下都處于低阻抗狀態(tài)，減小電路本身在大電流情況下的功率消耗，進一步減小電路的發(fā)熱量。具體工作原理如下:外部直流電源插入瞬間，由圖2所知，ZD1、Rl、R5、C2、Q3的S極(即2、3、6、7引腳)同時得電，由于上電瞬間電容C2是不帶電荷的，那么上電瞬間電容C2相當于短路，Q3的G級電壓得到加速提升，確保了 Q3在上電瞬間是處于截止狀態(tài)，也即功率電子開關在上電瞬間是處于截止狀態(tài)。當VCC_IN外部直流輸入電源電壓小于穩(wěn)壓二極管ZDl的耐壓值5.6V的時候，ZDl是處于截止狀態(tài)，三極管Ql的基極沒有偏置電壓，被電阻R2、R9拉為零電平，故三極管Ql也是處于截止狀態(tài)；由于三極管Ql處于截止狀態(tài)，那么外部直流輸入電源通過電阻Rl和R4加載到三極管Q2的基極，由于三極管Q2基極的偏置電壓遠大于0.7V，同時三極管Q2的集電極偏置電壓等于外部直流輸入電源電壓，故三極管Q2立即進入深度飽和狀態(tài)，將Q2集電極電壓拉低到0.3V左右，也即將P溝道場效應管Q3Si6467的柵極電壓拉低到0.3V左右，由于P溝道場效應管特性決定，當柵極電壓遠小于源極S電壓的時候，P溝道場效應管導通處于飽和狀態(tài)，所以Q2集電極電壓被拉到0.3V左右的時候，P溝道場效應管也處于深度導通狀態(tài)，將外部直流輸入電源電壓送到VCC_0UT節(jié)點。在此第一級時間調(diào)整控制電路中電容Cl是可以調(diào)節(jié)功率電子開關的反應速度和從截止到飽和的反應時間。具體工作原理分析如下:外部直流電源的上電瞬間，外部直流電源電壓通過Rl電阻給Cl充電，由于電容Cl需要通過Rl電阻來充電，并且電容Cl的電壓也即開關通斷控制電路NPN三極管Q2的基極偏置電壓，此電壓的上升快慢決定了三極管Q2的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時間。通過調(diào)節(jié)Rl和電容Cl的阻值關系，可以改變Q2的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時間和快慢，在電路參數(shù)取值上，只要電容Cl的充電大于0.7V的時間即大于穩(wěn)壓二極管ZDl和三極管Ql的狀態(tài)穩(wěn)定的反應時間，則可以確保外部直流電源的上電瞬間開關通斷控制電路不會將功率電子開關打開，VCC_OUT節(jié)點電壓一直處于無輸出狀態(tài)，避免了上電瞬間，電源輸出端會出現(xiàn)的電源尖脈沖；在第二級時間調(diào)整控制電路中，上電瞬間由于電容C2沒有儲存電荷，故在上電瞬間直流電源對C2快速充電，使Q3的柵極電壓電位快速上升到等于源極電壓電位，非?？煽康谋ＷC了功率電子開關Q3的處于截止；在開關通斷控制電路中的三極管Q2由截止狀態(tài)變?yōu)轱柡蛯ǖ臓顟B(tài)轉(zhuǎn)換期間，電容C2要對地釋放電荷，電容C2的放電回路中有電阻R27存在，故放電速度受到R27的影響，由于功率電子開關Q3為P溝道場效應管，當柵極電平為低電平的時候處于導通狀態(tài)，當柵極電平等于源極電平的時候處于截止狀態(tài)，調(diào)節(jié)R27的阻值和電容C2的容值即可改變功率電子開關Q3的柵極電平變化快慢，即可影響電子開關的反應速度。門限報警信號輸出電路中R3和發(fā)光二極管Dl由于沒有偏置電壓，故Dl處于截止狀態(tài)，TPl節(jié)點處于低電平狀態(tài),發(fā)光二極管Dl不發(fā)光,無過壓報警信號輸出。當VCC_IN外部直流輸入電源電壓大于穩(wěn)壓二極管ZDl的耐壓值5.6V的時候，ZDl被擊穿；TP1節(jié)點得到(VCC_IN-5.6) V電壓，也即三極管Ql的基極得到(VCC_IN_5.6) V偏置電壓，只要基極偏置電壓大于0.5V，三極管Ql即可翻轉(zhuǎn)進入飽和狀態(tài)，將Ql集電極的電壓拉低到0.3V，這樣開關通斷控制電路中三極管Q2基極失去了有效的偏置電壓，進入了截止狀態(tài)，Q2的集電極的電壓等于外部直流輸入電源電壓，也即功率電子開關P溝道的場效應管Q3Si6467的柵極電位等于源極電位，根據(jù)P溝道場效應管的特性，Si6467會處于截止狀態(tài)，將外部直流電源電壓和后級負載切斷。當穩(wěn)壓二極管ZDl被擊穿的時候，TPl節(jié)點得到(VCC_IN_5.6)V電壓，由于發(fā)光二極管自身發(fā)光需要1.5V左右的導通壓降，故需要VCC_IN節(jié)點輸入電壓大于等于(5.6V+1.5V) = 7.2V時候，發(fā)光二極管才能夠發(fā)光，輸出超出門限的報警信號；外部直流輸入電源電壓越高，則發(fā)光二極管得到的偏置電壓就越高，發(fā)光程度越強。故根據(jù)發(fā)光二極管的發(fā)光程度可以初略判斷外部輸入電壓的高低程度。穩(wěn)壓監(jiān)測反饋電路工作原理如下:當VCC_0UT節(jié)點電壓輸出較高時候，通過反饋電阻R19反饋到開關打開延時時間調(diào)整電路NPN三極管Ql的基極，對應的提高了 Ql基極的偏置電壓，加快Ql進入到飽和狀態(tài)，按照上面的分析，也加快了 Q2的截止狀態(tài)，從而確保功率電子開關P溝道場效應管Q3Si6467進入截止狀態(tài)，穩(wěn)定的保護后級電路負載。穩(wěn)壓監(jiān)測反饋電路通過反饋電阻R19將輸出電壓反饋到開關打開延時時間調(diào)整電路的三極管Ql的基極，影響三極管Ql的飽和、截止程度。穩(wěn)壓反饋監(jiān)測電路將輸出電壓的變化量引入了控制電路中，形成一個閉環(huán)反饋控制環(huán)路，使整個保護電路能夠在電路工作全過程中實時監(jiān)測輸入電壓的變化情況，確保后級電路在任何時候都工作在安全的電壓范圍內(nèi)。對于發(fā)光二極管需要超出門限報警信號1.5V左右才能夠發(fā)光報警的情況，可以通過聲音報警電路。可在發(fā)光二極管報警電路的基礎上增加蜂鳴器BI和限流電阻R17、控制開關Q7。圖2中的NPN三極管Q7的基極只要得到大于0.3V的偏置電壓，即可進入工作狀態(tài)，蜂鳴器BI得電工作，發(fā)出報警聲音。 當輸出節(jié)點VCC_0UT在功率電子開關的控制下和VCC_IN節(jié)點接通的時候，濾波電容C7、C6會充電，同時穩(wěn)壓二極管ZD2會監(jiān)視VCC_OUT節(jié)點電壓，進行二次穩(wěn)壓，在即使前級電路控制異常的時候，穩(wěn)壓二極管ZD2也會進行穩(wěn)壓控制，確保后級電路工作正常。濾波電容C7、C6在外部直流電源輸入電壓出現(xiàn)小幅度波動的時候，電容C7、C6會自動對后級輸出VCC_OUT節(jié)點電壓進行平滑。過壓保護電路在電壓輸入端和電壓輸出端通路上只采用了 P溝道場效應管，而P溝道場效應管屬于電壓控制型器件，在工作過程中自身消耗的電流只有nA級別，幾乎為零；在開關通斷控制電路中的三極管Ql和三極管Q2工作在反相狀態(tài)。三極管Ql飽和導通的時候，三極管Q2處于截止狀態(tài)，從而使功率電子開關也處于截止狀態(tài)，整個過壓保護電路自身工作的電流功耗為門限報警信號輸出電路、開關通斷控制電路功耗總和，約為10mA—20mA;由于功率電子開關處于截止狀態(tài)，外部直流電源的負載功耗即為門限報警信號輸出電路、開關通斷控制電路功耗總和，由于三極管Ql的偏置電阻都可以取值較大，飽和導通的靜態(tài)電流為uA級別，而門限報警信號輸出電路的發(fā)光二極管Dl工作電流為2mA ；三極管Ql截止的時候，三極管Q2處于飽和導通狀態(tài)，整個過壓保護電路自身工作的電流功耗等于三極管Q2的飽和導通電流，已經(jīng)設定為250uA。過壓保護電路在正常工作時候，自身電流消耗為uA級別。
權利要求1.一種低阻抗直流過壓保護電路，包括對電源電壓進行電壓報警門限值比較的電壓報警門限比較電路、對超過電壓門限值的電壓信號進行報警的門限報警信號輸出電路、開關通斷控制電路、對所述開關通斷控制電路的開關時間、速度進行調(diào)節(jié)的開關打開延時時間調(diào)整電路、功率電子開關、二次穩(wěn)壓濾波電路、穩(wěn)壓監(jiān)測反饋電路，其特征在于，所述開關通斷控制電路在上電瞬間確保所述功率電子開關是處于截止狀態(tài)，并且輸出電壓通過所述穩(wěn)壓監(jiān)測反饋電路、開關打開延時時間調(diào)整電路反饋到所述開關通斷控制電路中。
2.根據(jù)權利要求1所述低阻抗直流過壓保護電路，其特征在于，所述電壓報警門限比較電路包括串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管(ZDl)和偏置電阻(R2)，所述穩(wěn)壓二極管(ZDl)的負極連接電源輸入端，正極通過所述偏置電阻(R2)接地，所述穩(wěn)壓二極管(ZDl)反向擊穿電壓參數(shù)決定電路的門限比較電壓大小。
3.根據(jù)權利要求2所述低阻抗直流過壓保護電路，其特征在于，所述的開關打開延時時間調(diào)整電路包括第一三極管(Ql)和第一電阻(Rl)、第四電阻(R4)、第九電阻(R9)、第一電容(Cl)，所述第一三極管(Ql)的基極通過第九電阻(R9)與電壓報警門限比較電路和穩(wěn)壓檢測反饋電路相連，集電極通過第一電阻(Rl)與電壓輸入端相連、通過第一電容(Cl)接地、并通過第四電阻(R4)與所述開關通斷控制電路相連，所述第一三極管(Ql)的發(fā)射極接地。
4.根據(jù)權利要求3所述低阻抗直流過壓保護電路，其特征在于，所述開關通斷控制電路包括第二三極管(Q2)，所述第二三級管(Q2)的基極與所述第一三極管(Ql)的集電極相連，集電極與所述功率電子開關相連，發(fā)射極接地。
5.根據(jù)權利要求4所述低阻抗直流過壓保護電路，其特征在于，所述功率電子開關包括場效應管(Q3)，所述場效應管(Q3)的源級連接電源電壓輸入端，柵極與所述第二三極管(Q2)的集電極連接，漏極與所述二次穩(wěn)壓濾波電路相連。
6.根據(jù)權利要求5所述低阻抗直流過壓保護電路，其特征在于，所述場效應管(Q3)采用可確保電源輸入端到輸出端通路電阻小于20πιΩ的P溝道場效應管。
7.根據(jù)權利要求6所述低阻抗直流過壓保護電路，其特征在于，所述穩(wěn)壓監(jiān)測反饋電路通過第十九電阻(R19)將輸出電壓反饋到開關打開延時時間調(diào)整電路的第一三極管(Ql)的基極，影響三極管Ql的飽和、截止程度。
8.根據(jù)權利要求7所述低阻抗直流過壓保護電路，其特征在于，所述門限報警信號輸出電路包括發(fā)光二極管(Dl)和/或蜂鳴器(BI)，所述發(fā)光二極管(Dl)與所述偏置電阻(Rl)并聯(lián)、所述蜂鳴器(BI) —端連接所述穩(wěn)壓二極管(ZDl)的負極，另一端通過限流電阻(R17)、控制開關與所述穩(wěn)壓二極管(ZDl)的正極相連，所述控制開關包括第七三極管(Q7)，所述第七三極管(Q7)的集電極與所述蜂鳴器(BI)相連，基極與所述穩(wěn)壓二極管(ZDl)的正極相連，發(fā)射級接地。
專利摘要本實用新型公開了一種低阻抗直流過壓保護電路，包括對電源電壓進行電壓報警門限值比較的電壓報警門限比較電路、對超過電壓門限值的電壓信號進行報警的門限報警信號輸出電路、開關通斷控制電路、對所述開關通斷控制電路的開關時間、速度進行調(diào)節(jié)的開關打開延時時間調(diào)整電路、功率電子開關、二次穩(wěn)壓濾波電路、穩(wěn)壓監(jiān)測反饋電路，所述開關通斷控制電路在上電瞬間確保所述功率電子開關是處于截止狀態(tài)，電路無電壓輸出；電路輸出電壓通過所述穩(wěn)壓監(jiān)測反饋電路、開關打開延時時間調(diào)整電路反饋到所述開關通斷控制電路中，從而實現(xiàn)電路動態(tài)穩(wěn)壓的功能。
文檔編號H02H3/20GK203026905SQ201220560188
公開日2013年6月26日 申請日期2012年10月29日 優(yōu)先權日2012年10月29日
發(fā)明者羅雄劍, 陳勇智 申請人:深圳市遠望谷信息技術股份有限公司