一种直流输入电压的欠压及过压保护电路的制作方法

本实用新型涉及一种输入欠压或过压保护电路，尤其涉及一种直流输入电压的欠压及过压保护电路。

背景技术：

随着科学技术的发展，包括计算机、平板电脑、移动终端等在内的电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源和供电保护电路。在工业领域，嵌入式单板一般使用直流开关电源供电，但是由于开关电源中控制电路比较复杂，晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差，且存在严重的开关干扰，在使用过程中给用户带来很大不便，因此，为了保护开关电源自身和负载的安全，根据开关电源的原理和特点，在嵌入式单板上增加一种保护电路，当开关电源发生欠压、过电压、过电流短路时，单板上的保护电路可有效保护单板上的精密的集成电路芯片(IC)、各种对电压波动较为敏感的元器件。

目前常用的电源过压保护电路中很多采用电控晶闸管进行过电压保护，电路中采用晶闸管触发电路，结合比较器，来达到电路过压保护的目的。此种方案中，由于晶闸管本身承受过电流和过电压的能力较差，在运行过程中会造成静态及动态的过载能力较差的问题，另外晶闸管本身容易受干扰而误导通，在实际应用中，有时可能起不到对电路过压保护的作用。

电源过压保护电路中的另外一种方式，通过采用小功率或大功率的晶体管组成复合管的串联电路，结合硅稳压二极管和比较放大器来达到稳压电源电路的目的。这种过压保护电路中，由于晶体管本身开关速度低，且为电流驱动，因此存在所需的驱动电路功率要求较大，驱动电路比较复杂等特点，另外晶体管存在二次击穿等问题。

由于嵌入式单板电路的工作一般依赖并使用直流开关电源作为供电，从开关电源侧无法提供对单板输入电压的欠压或过压保护，为实现对嵌入式单板上较为精密的IC和有关器件进行保护，因此，需要一种对单板输入电压进行欠压保护的保护电路。

技术实现要素：

本实用新型实施例旨在提供一种直流输入电压的欠压及过压保护电路，克服现有技术采用电控晶闸管进行过电压保护，由于晶闸管本身承受过电流和过电压的能力较差，在运行过程中会造成静态及动态的过载能力较差的问题，以及采用小功率或大功率的晶体管组成复合管的串联电路，由于晶体管本身开关速度低，且为电流驱动，因此存在所需的驱动电路功率要求较大，驱动电路比较复杂等特点，同时晶体管存在二次击穿等问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供以下技术方案：

一方面，本实用新型实施例提供一种直流输入电压的欠压及过压保护电路，所述电路包括：一级电路和二级电路，所述一级电路和二级电路串联连接，所述一级电路包括第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)和一个P沟道增强型MOS管，所述二级电路包括第三电阻(R₃)、第四电阻(R₄)、一个P沟道增强型MOS管和一个反函数型指数电路，所述P沟道增强型MOS管的阈值电压为V_GS(th)，所述一级电路输入电压为V_i，V_i满足所述一级电路输出电压为Vo1，所述Vo1为所述二级电路的输入电压V_S，所述V_S满足K为反函数型指数电路中与对数模拟运算相关模块内选取的二极管或三极管器件参数相关的常数，所述二级电路输出电压为Vo2。

一些实施例中，所述一级电路包括第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)和第一P沟道增强型MOS管(Q1)，所述第一P沟道增强型MOS管(Q1)的S极连接外部输入电压(V_i)，所述第一P沟道增强型MOS管(Q1)的D极为所述一级电路的输出端，连接所述二级电路的输入端，所述第一电阻(R₁)和第二电阻(R₂)串联形成分压电路，所述第一P沟道增强型MOS管(Q1)的G极连接到由第一电阻(R₁)和第二电阻(R₂)组成的分压电路的输出端，所述第一电阻(R₁)一端与所述第一P沟道增强型MOS管(Q1)的S极连接，所述第二电阻(R₂)一端接地。

一些实施例中，所述二级电路包括第三电阻(R₃)、第四电阻(R₄)、第二P沟道增强型MOS管(Q2)和一个反函数型指数电路，所述第二P沟道增强型MOS管(Q2)的S极为所述二级电路的输入端，连接所述一级电路的输出端，所述第二P沟道增强型MOS管(Q2)的D极为所述二级电路的输出端，所述第二P沟道增强型MOS管(Q2)的G极连接所述反函数型指数电路一端，所述反函数型指数电路另一端连接到由第三电阻(R₃)和第四电阻(R₄)组成的分压电路的输出端，所述第三电阻(R₃)一端与所述第二P沟道增强型MOS管(Q2)的S极连接，所述第四电阻(R₄)一端接地。

一些实施例中，所述一级电路中第一电阻(R₁)或第二电阻(R₂)中有一个为可调电阻，或者所述第一电阻(R₁)和第二电阻(R₂)整体为一个滑动变阻器。

一些实施例中，所述二级电路中第三电阻(R₃)或第四电阻(R₄)中有一个为可调电阻，或者所述第三电阻(R₃)和第四电阻(R₄)整体为一个滑动变阻器。

一些实施例中，所述第一P沟道增强型MOS管(Q1)的阈值电压为V_GS(th)，所述第一P沟道增强型MOS管(Q1)栅、源极之间的电压V_GS小于或等于所述第一P沟道增强型MOS管(Q1)的阈值电压V_GS(th)时，所述第一P沟道增强型MOS管(Q1)的S极和D极之间导通。

一些实施例中，所述第二P沟道增强型MOS管(Q2)的阈值电压为V_GS(th)，所述二级电路输入电压V_S增大到一定值V₂时，所述二级电路通过反函数型指数电路自动调高第二P沟道增强型MOS管(Q2)栅极、源极之间的电压V_GS，直至V_GS大于第二P沟道增强型MOS管(Q2)导通的阈值电压V_GS(th)，所述第二P沟道增强型MOS管(Q2)的S极、D极断开。

一些实施例中，所述二级电路中反函数型指数电路通过一路单独的直流电压供电。

一些实施例中，所述反函数型指数电路的供电电压符合指数电路的直流额定电压要求。

一些实施例中，所述反函数型指数电路的供电电压是不同于输入电压V_i的单独电压，且所述反函数型指数电路的供电电压大于二级电路输出电压的上限值V₂。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型实施例提供了一种直流输入电压的欠压及过压保护电路，克服了现有技术采用电控晶闸管进行过电压保护，由于晶闸管本身承受过电流和过电压的能力较差，在运行过程中会造成静态及动态的过载能力较差的问题，以及采用小功率或大功率的晶体管组成复合管的串联电路，由于晶体管本身开关速度低，且为电流驱动，因此存在所需的驱动电路功率要求较大，驱动电路比较复杂等特点，同时晶体管存在二次击穿等问题。本实用新型通过采用两级串联开关电路，电路使用的元器件少，结构简单，成本低，可实现对嵌入式单板电路中的精密IC以及对电压变化范围敏感的元器件形成保护，从而延长电路使用寿命。

【附图说明】

图1为本实用新型一实施例提供的一种直流输入电压的欠压及过压保护电路的电路结构图；

图2为本实用新型另一实施例提供的一种直流输入电压的欠压及过压保护电路的电路结构图；

图3为本实用新型一实施例提供的一种直流输入电压的欠压及过压保护电路的一级电路结构图；

图4为本实用新型一实施例提供的一种直流输入电压的欠压及过压保护电路的二级电路结构图。

【具体实施方式】

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

如图1，本实用新型一实施例提供了一种直流输入电压的欠压及过压保护电路，适用于输入欠压或过压保护电路，所述电路包括：

一级电路和二级电路；

所述一级电路包括第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)和第一P沟道增强型MOS管(Q1)，所述第一P沟道增强型MOS管(Q1)的S极连接外部输入电压(V_i)，所述第一P沟道增强型MOS管(Q1)的D极为所述一级电路的输出端，连接所述二级电路的输入端，所述第一电阻(R₁)和第二电阻(R₂)串联形成分压电路，所述第一P沟道增强型MOS管(Q1)的G极连接到由第一电阻(R₁)和第二电阻(R₂)组成的分压电路的输出端，所述第一电阻(R₁)一端与所述第一P沟道增强型MOS管(Q1)的S极连接，所述第二电阻(R₂)一端接地。

所述二级电路包括第三电阻(R₃)、第四电阻(R₄)、第二P沟道增强型MOS管(Q2)和一个反函数型指数电路，所述第二P沟道增强型MOS管(Q2)的S极为所述二级电路的输入端，连接所述一级电路的输出端，所述第二P沟道增强型MOS管(Q2)的D极为所述二级电路的输出端，所述第二P沟道增强型MOS管(Q2)的G极连接所述反函数型指数电路一端，所述反函数型指数电路另一端连接到由第三电阻(R₃)和第四电阻(R₄)组成的分压电路的输出端，所述第三电阻(R₃)一端与所述第二P沟道增强型MOS管(Q2)的S极连接，所述第四电阻(R₄)一端接地。

在一些实施例中，所述一级电路和二级电路为串联连接。

在一些实施例中，所述一级电路的作用是对输入直流电压进行欠压保护(要求输入电压不得低于V₁)，所述二级电路的作用是对输入直流电压进行过压保护(要求输入电压不得高于V₂)。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型实施例提供了一种直流输入电压的欠压及过压保护电路，克服了现有技术采用电控晶闸管进行过电压保护，由于晶闸管本身承受过电流和过电压的能力较差，在运行过程中会造成静态及动态的过载能力较差的问题，以及采用小功率或大功率的晶体管组成复合管的串联电路，由于晶体管本身开关速度低，且为电流驱动，因此存在所需的驱动电路功率要求较大，驱动电路比较复杂等特点，同时晶体管存在二次击穿等问题。本实用新型通过采用两级串联开关电路，每级开关电路均采用P沟道增强型绝缘栅型场效应管(简称P沟道MOS管)，电路使用的元器件少，结构简单，成本低，可实现对嵌入式单板电路中的精密IC以及对电压变化范围敏感的元器件形成保护，从而延长电路使用寿命。

实施例2

本实用新型一实施例还提供了另一种直流输入电压的欠压及过压保护电路，适用于输入欠压或过压保护电路，所述电路包括：

一级电路和二级电路；

所述一级电路包括第三电阻R₃、第四电阻R₄、一个P沟道增强型MOS管(电路符号为Q2)和一个反函数型指数电路，所述P沟道增强型MOS管Q2在所述一级电路中作为开关，所述P沟道增强型MOS管Q2的S极连接外部输入电压Vo1，所述P沟道增强型MOS管Q2的D极为所述一级电路的输出端Vo2，所述P沟道增强型MOS管Q2的D极还连接至下一级电路的输入端，所述P沟道增强型MOS管Q2的G极连接所述反函数型指数电路一端，所述反函数型指数电路另一端连接到由输入电压Vo1经过第三电阻R₃和第四电阻R₄组成的分压电路的输出端，所述第三电阻R₃和第四电阻R₄串联形成分压电路，所述第三电阻R₃一端与所述P沟道增强型MOS管Q2的S极连接，所述第四电阻R₄一端接地。

所述二级电路包括第一电阻R₁、第二电阻R₂和一个P沟道增强型MOS管(电路符号为Q1)，所述P沟道增强型MOS管Q1在所述二级电路中作为开关，所述P沟道增强型MOS管Q1的S极连接外部输入电压V_i，所述P沟道增强型MOS管Q1的D极为所述二级电路的输出端Vo3，所述P沟道增强型MOS管Q1的D极还连接至下二级电路的输入端，所述P沟道增强型MOS管Q1的G极连接到由输入电压V_i经过第一电阻R₁和第二电阻R₂组成的分压电路的输出端，所述第一电阻R₁和第二电阻R₂串联形成分压电路，所述第一电阻R₁一端与所述P沟道增强型MOS管Q1的S极连接，所述第二电阻R₂一端接地；

在一些实施例中，所述一级电路和二级电路为串联连接。

在一些实施例中，所述一级电路的作用是对输入直流电压进行过压保护(要求输入电压不得高于V₂)，所述二级电路的作用是对输入直流电压进行欠压保护(要求输入电压不得低于V₁)。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型实施例提供了一种直流输入电压的欠压及过压保护电路，克服了现有技术采用电控晶闸管进行过电压保护，由于晶闸管本身承受过电流和过电压的能力较差，在运行过程中会造成静态及动态的过载能力较差的问题，以及采用小功率或大功率的晶体管组成复合管的串联电路，由于晶体管本身开关速度低，且为电流驱动，因此存在所需的驱动电路功率要求较大，驱动电路比较复杂等特点，同时晶体管存在二次击穿等问题。本实用新型通过采用两级串联开关电路，每级开关电路均采用P沟道增强型绝缘栅型场效应管(简称P沟道MOS管)，电路使用的元器件少，结构简单，成本低，可实现对嵌入式单板电路中的精密IC以及对电压变化范围敏感的元器件形成保护，从而延长电路使用寿命。

实施例3

如图2-3，本实用新型一实施例还提供了一种直流输入电压的欠压及过压保护电路，适用于输入欠压或过压保护电路，所述电路包括：

一级电路；

所述一级电路包括第一电阻R₁、第二电阻R₂和一个P沟道增强型MOS管(电路符号为Q1)，所述P沟道增强型MOS管Q1在所述一级电路中作为开关，所述P沟道增强型MOS管Q1的S极连接外部输入电压V_i，所述P沟道增强型MOS管Q1的D极为所述一级电路的输出端Vo1，所述P沟道增强型MOS管Q1的D极还连接至下一级电路的输入端，所述P沟道增强型MOS管Q1的G极连接到由输入电压V_i经过第一电阻R₁和第二电阻R₂组成的分压电路的输出端，所述第一电阻R₁和第二电阻R₂串联形成分压电路，所述第一电阻R₁一端与所述P沟道增强型MOS管Q1的S极连接，所述第二电阻R₂一端接地。所述一级电路的作用是对输入直流电压进行欠压保护(要求输入电压不得低于V₁)。

在一些实施例中，所述一级电路中第一电阻R₁或第二电阻R₂中有一个为可调电阻。由于P沟道增强型绝缘栅型场效应管(简称P沟道增强型MOS管)Q1的G、S极之间的电压V_GS由下列公式(1)决定：

根据P沟道增强型MOS管的工作特点，当栅、源极之间的电压V_GS小于或等于所述P沟道增强型MOS管Q1的阈值电压V_GS(th)(负值)，所述P沟道增强型MOS管的S极和D极之间导通。容易得出下面的结论：

根据公式(1)，当输入电压V_i一定时，调节所述一级电路中的可调电阻，使得V_GS<＝V_GS(th)，此时，所述P沟道增强型MOS管的S极和D极之间形成导通。

根据公式(1)，已知所述P沟道增强型MOS管Q1的阈值电压V_GS(th)，选择和确定第一电阻R₁、第二电阻R₂值以后，输入电压值V_i

输入电压值V_i就是可以使所述P沟道增强型MOS管Q1的S极和D极之间形成导通的最低输入电压值。由此可见，所述一级电路为单板输入电压提供了一个输入电压的下限，且通过调节可调电阻的阻值，可以设定不同的输入电压下限，以适应不同的应用场合。

在一些实施例中，当所述一级电路的输入电压低于其额定电压值一定的幅度时，此时，欠压保护电路(所述一级电路)发挥作用，切断输入电压，起到对电路系统集成电路或元器件的保护，从而延长电路使用寿命。

二级电路；

所述二级电路包括第三电阻R₃、第四电阻R₄、一个P沟道增强型MOS管(电路符号为Q2)和一个反函数型指数电路，所述P沟道增强型MOS管Q2在所述二级电路中作为开关，所述P沟道增强型MOS管Q2的S极连接外部输入电压Vo1，所述P沟道增强型MOS管Q2的D极为所述二级电路的输出端Vo2，所述P沟道增强型MOS管Q2的D极还连接至下一级电路的输入端，所述P沟道增强型MOS管Q2的G极连接所述反函数型指数电路一端，所述反函数型指数电路另一端连接到由输入电压Vo1经过第三电阻R₃和第四电阻R₄组成的分压电路的输出端，所述第三电阻R₃和第四电阻R₄串联形成分压电路，所述第三电阻R₃一端与所述P沟道增强型MOS管Q1的S极连接，所述第四电阻R₄一端接地。

在一些实施例中，所述二级电路的输入电压为所述一级电路的输出电压。

在一些实施例中，所述二级电路中反函数型指数电路通过一路单独的直流电压供电。所述反函数型指数电路的供电电压的基本特征包括：所述反函数型指数电路的供电电压符合所述指数电路的直流额定电压要求，所述反函数型指数电路的供电电压是不同于输入电压V_i的单独电压，同时所述反函数型指数电路的供电电压应大于保护电路(所述二级电路)输出电压的上限值V₂。

在一些实施例中，所述二级电路中第三电阻R₃或第四电阻R₄中有一个为可调电阻。由于P沟道增强型MOS管Q2的S极电压等于输入电压Vo1，根据反函数型指数电路的输出电压公式，可以知道P沟道增强型MOS管Q2的栅极电压为：

其中，K是反函数型指数电路中与对数模拟运算相关模块内选取的二极管或三极管器件参数相关的常数。因此P沟道增强型MOS管Q2的G极、S极之间的电压为：

上述公式(2)中的V_S为所述二级电路的输入电压，也是一级电路的输出电压。当一级电路输出电压控制在一个合适的范围时可保证公式(2)的V_GS<＝V_GS(th)，此时P沟道增强型MOS管Q2的S极、D极之间形成导通。当二级电路的输入电压V_S逐渐增大时，由于P沟道增强型MOS管Q2的G极电压相对与其S极电压呈指数增加，所以二级电路的输入电压V_S增大到一定的数值时，将使得V_GS>V_GS(th)，此时P沟道增强型MOS管Q2的S极、D极之间断开。所以这个二级电路起到的作用为：当输入电压增大到一定值V₂时，二级电路通过反函数型指数电路自动调高P沟道MOS管栅极、源极之间的电压V_GS，直至V_GS大于Q2管导通的阈值电压V_GS(th)，而导致P沟道增强型MOS管Q2的S极、D极断开，为二级电路连接的负载提供过压保护。

在一些实施例中，当所述二级电路的输入电压高于其额定电压值一定的幅度时，此时，过压保护电路(所述二级电路)发挥作用，切断输入电压，起到对电路系统集成电路或元器件的保护，从而延长电路使用寿命。

在一些实施例中，包含这种针对直流输入电压进行欠压保护和过压保护的电路系统、嵌入式单板、电源系统等。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型实施例提供了一种直流输入电压的欠压及过压保护电路，克服了现有技术采用电控晶闸管进行过电压保护，由于晶闸管本身承受过电流和过电压的能力较差，在运行过程中会造成静态及动态的过载能力较差的问题，以及采用小功率或大功率的晶体管组成复合管的串联电路，由于晶体管本身开关速度低，且为电流驱动，因此存在所需的驱动电路功率要求较大，驱动电路比较复杂等特点，同时晶体管存在二次击穿等问题。本实用新型通过采用两级串联开关电路，每级开关电路均采用P沟道增强型绝缘栅型场效应管(简称P沟道MOS管)，电路使用的元器件少，结构简单，成本低，可实现对嵌入式单板电路中的精密IC以及对电压变化范围敏感的元器件形成保护，从而延长电路使用寿命。

需要说明的是，本实用新型的说明书及其附图中给出了本实用新型的较佳的实施方式，但是，本实用新型可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施方式，这些实施方式不作为对本实用新型内容的额外限制，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施方式，均视为本实用新型说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。