一种低阻抗限流式抗高压保护电路的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种低阻抗限流式抗高压保护电路，包括串接在输入端和输出端之间的开关管1和开关管2；电流检测反馈电路接在所述开关管1和开关管2之间，用于检测通过的电流并将电流转换成电压信号反馈给限流控制装置；限流控制装置与所述电流检测反馈电路、开关管1和开关管2相连接；开关管1和开关管2正常工作时以低阻态将输入信号传递到输出端，一旦输出端不慎对地短路或误接高电压，开关管快速转为恒流高阻态并将输入端和输出端之间的电压安全阻断；限流控制装置，用于根据所述电流检测反馈电路所反馈的电压信号输出控制信号，使所述开关管1或开关管2处于低阻态或恒流高阻态。采用本发明技术方案，正常工作时具有低阻抗特性，误接高压时以恒流高阻态进行高压安全阻断，从而保护输出电路不因外界电压冲击而损坏。
【专利说明】一种低阻抗限流式抗高压保护电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子【技术领域】，具体地说，特别涉及一种流经电流在允许范围内时呈低阻态，超过范围后会自动转入恒流高阻态，对流经电流进行限制并安全阻断两端电压的低阻抗限流式抗高压保护电路。
【背景技术】
[0002]“工业过程校准器”是一种集输出与测量多种信号于一体的多用途计量标准仪器，是工业企业的工作标准，发挥着计量溯源的重要作用。由于该产品主要应用于工业现场，故误接高压或大电流的可能性极大，而目前市场上最好的校准器其输出端的耐压能力仅为36V, 一旦误入高电压或大电流必然损毁无疑。
[0003]图1是业内用过的输出端口保护电路:在保证输出信号噪声和负载能力的条件下，模拟信号输出端先串入一个小阻值自恢复保险丝以限制电流，然后再对地加一个TVS管以限制电压，从而保护输出电路不因外界电压冲击而损坏。但这样的保护电路因自恢复保险丝的特性存在以下缺点:
[0004]1、自恢复保险丝有个最大电流限制，超过会导致自身损伤，因此误接电压不能太高，上述电路只能保护±36VDC电压；
[0005]2、由于自恢复保险丝动作时间过长，某些情况下会导致TVS管Dl过功率烧毁；
[0006]3、自恢复保险丝受冲击和老化等原因，内阻会逐步变大，造成电路负载能力下降、输出噪声增大的问题。
[0007]4、保护限制电流偏大，校验仪输出电流一般均在30mA以下，因此还另需设计限流保护电路。
【发明内容】
[0008]为了克服上述主要缺点，本发明提供了一种能精确限流、低阻抗、抗高压的低阻抗限流式抗高压保护电路。
[0009]本发明提供了一种低阻抗限流式抗高压保护电路，包括串接在输入端和输出端之间的开关管I和开关管2;
[0010]一电流检测反馈电路串接在所述开关管I和开关管2之间，用于检测通过的电流并将电流转换成电压信号反馈给限流控制装置；
[0011]一限流控制装置与所述电流检测反馈电路、开关管I和开关管2相连接；
[0012]所述开关管I和开关管2正常工作时以低阻态将输入信号传递到输出端,一旦输出端不慎对地短路或误接高电压，开关管快速转为恒流高阻态并将输入端和输出端之间的电压安全阻断；
[0013]所述限流控制装置，用于根据所述电流检测反馈电路所反馈的电压信号控制所述开关管I或开关管2处于低阻态或恒流高阻态。
[0014]作为优选，所述限流控制装置将所述开关管I在输入正电流超过范围时将其转为恒流高阻态；将所述开关管2在输入负电流超过范围时将电路转为恒流高阻态。
[0015]作为优选，所述限流控制装置将所述开关管在通过电流超过范围时转为可变阻状态，所述开关管转为恒流高阻态。
[0016]作为优选，所述限流控制装置包括一运放以及为该电路供电的供电电源，该电源相对于输入电压浮动；
[0017]所述运放的同相输入端经电阻分压电路与所述供电电源相连接，调节电阻参数可设定其输入电压信号；所述运放的反相输入端叠加所述电流检测反馈电路的反馈电压信号，所述运放根据该反馈电压信号控制其输出端输出所述控制信号。
[0018]作为优选，所述开关管I或开关管2为MOSFET管，所述控制信号通过控制MOSFET管栅极的偏压使其处于低阻态或恒流高阻态。
[0019]作为优选，所述运放在反馈电压信号低于同相端输入电压时，运放输出提供足够高的栅极偏置电压使开关管处于完全导通状态；在反馈电压信号达到同相端输入电压时，运放输出电压下降，降低了开关管栅极偏置电压，开关管导通电阻上升，使电流采样电阻上电压维持在运放输入的设定电压左右。
[0020]作为优选，所述限流控制装置还包括快速三极管，该三极管在输入信号快速上升时，能快速导通并将MOSFET栅极电压降下来，从而让MOSFET高速进入截止状态。
[0021]作为优选，所述开关管I和开关管2为N沟道M0SFET，和其配合为快速NPN三极管。
[0022]作为优选，所述开关管I和开关管2为P沟道M0SFET，和其配合为快速PNP三极管。
[0023]作为优选，所述开关管I和开关管2为N沟道和P沟道MOSFET混搭，和其配合为快速NPN和PNP三极管混搭。
[0024]保护电路还包括一些高速三极管，这些器件是防止MOSFET因寄生电容和运放动作慢而导致瞬态电流时间过长，造成电路中器件因功率过大而损坏；利用三极管BE间的二极管和另加的快速二极管，用于快速放电，以限制限流电阻上的电压过高，有效的避免了因瞬态Vgs超过允许值而导致场效应管损坏。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为现有技术的一种过电压保护电路的原理图；
[0026]图2为本发明所述一种低阻抗限流式抗高压保护电路的原理图框图；
[0027]图3为本发明所述一种低阻抗限流式抗高压保护电路的实施例1的原理图；
[0028]图4为本发明所述一种低阻抗限流式抗高压保护电路的实施例2的原理图；
[0029]图5为本发明所述一种低阻抗限流式抗高压保护电路的实施例3的原理图。
【具体实施方式】
[0030]下面参考附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件或处理的表示和描述。[0031 ] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0032]参见图2，所示为本发明所述一种低阻抗限流式抗高压保护电路的原理图框图，包括串接在输入端和输出端之间的开关管I和开关管2 ；
[0033]一电流检测反馈电路接在所述开关管I和开关管2之间，用于检测通过的电流并将电流转换成电压信号反馈给限流控制装置；
[0034]一限流控制装置与所述电流检测反馈电路、开关管I和开关管2相连接；
[0035]开关管I和开关管2正常工作时以低阻态将输入信号传递到输出端,一旦输出端不慎对地短路或误接高电压，开关管快速转为恒流高阻态并将输入端和输出端之间的电压安全阻断；
[0036]限流控制装置，用于根据所述电流检测反馈电路所反馈的电压信号输出控制信号，使开关管I或开关管2处于低阻态或恒流高阻态。
[0037]下面结合优选实施例进一步详细说明本发明的技术方案。
[0038]实施例1
[0039]如图3所示，本发明所述一种低阻抗限流式抗高压保护电路:
[0040]输入端连到TVS管D8和N沟道增强型M0SFETM1的漏极。TVS管D8另一端接输出地线。U2A运放输出I脚通过电阻Rll同M0SFETM1的栅极和三极管Ql集电极相连，运放U2由电压源Vl和V2供电，Vl电压源通过R8和R9分压，再由分压供给到U2运放的3脚和5脚输入端。M0SFETM1的源极连到三极管Ql的基极和二极管D4阴极，并通过电阻R4连到运放U2A的2脚和M0SFETM5的漏极和栅极，同时M0SFETM1源极还通过R2连到二极管D4、D5阳极、M0SFETM5、M6的源极和三极管Q1、Q2的发射极及电源Vl的负端。三极管Q2发射极通过R3连到三极管Q2基极、二极管D5阴极和M0SFETM2源极。并通过R5反馈到运放U2的6脚和M0SFETM6的漏极和栅极。运放U2的7脚通过电阻R12同M0SFETM2栅极和三极管Q2集电极相连。最终由M0SFETM2漏极连到输出端。
[0041 ] 上述的一种低阻抗限流式抗高压保护电路，所述M0SFETM1、M0SFETM2均为N沟道MOSFET。
[0042]正常工作时，因流经电阻R2、R3输出电流的形成电压低于电压源Vl (电压源V1、V2的电压在7.6V左右)经电阻R8、R9的分压，运放U2的两个输出电压接近电压源VI，M0SFETMUM0SFETM2处于导通状态，输入信号经M0SFETM1、电阻R2、电阻R3和M0SFETM2传送到输出端，采用D-PAK500VM0SFET(N型，完全导通状态下漏极至源极的阻抗约为0.8 Ω )时，从输入端到输出端的总输出阻抗为:0.8 Ω +R2+R3+0.8 Ω ;一般R2、R3为5.1 Ω，因而总输出阻抗为11.8 Ω，这样基本上对输出噪声和负载能力无影响。
[0043]当输出端误接正高电压时，电流通过M0SFETM2、电阻R3、R2和M0SFETM1向输入端灌入，当流过电流在电阻R3形成的压降接近运放U2的5脚电平时，运放U2的7脚输出电压下降，M0SFETM2的漏极至源极的阻抗开始增加，将电阻R3上的电压维持在运放U2的5脚相同电压。从而限制了灌入电流。为防止瞬态电流或电压击毁输入端所连电路，加TVSD8向地泄放电流，以限制输入端电压。
[0044]同样，当输出端误接负高电压时，电流由输入端通过M0SFETM1、电阻R2、R3和M0SFETM2向输出端流出。当流过电流在电阻R2形成的压降接近运放U2的3脚电平时，运放U2的I脚输出电压下降，M0SFETM1的漏极至源极的阻抗开始增加，将电阻R2上的电压维持在运放U2的3脚相同电压，从而限制输出电流。同样，TVSD8限制输入端电压。
[0045]三极管Q1、Q2对误接快速上升时间的高电压起保护作用。MOSFET栅源极之间存在一个电容，要使这个电容放电并使MOSFET截止需要相当的时间；误入电压高时，这段时间足以高电压破坏各MOSFET和输入端所连器件。因此采用三极管使保持MOSFET导通的容性电压快速放电。在误接正电压时，通过信号快速上升时，M0SFETM2还处在导通状态。但当流经电阻R3的电流产生足够大的电压(0.7V)使三极管Q2导通时，三极管Q2 —进入导通状态就快速将M0SFETM2上的栅极电容放电，从而使该MOSFET快速截止。同样，误接负电压时，流经电阻R2的电流使三极管Ql导通，使M0SFETM1的栅极电容放电，并使该MOSFET快速截止。当MOSFET截止后，流经电阻R2、R3的电流消失，使对应的三极管截止。在输出回路中，运放输出通过电阻Rll或R12对相应M0SFETM1或M2的栅极充电，栅极充到一定电压时，MOSFET再次导通。当流经电阻R2、R3的电流达到设定值时，对应运放输出电压下降并让通过MOSFET的电流维持在设定电流。由于电阻R11、R12阻值较大(1ΜΩ)，栅极充电有一个较长过程。栅极缓慢重新充电和由此引起的MOSFET慢慢恢复导通状态有这样的好处，即避免了在非完全导通时间内的二次瞬态冲击。
[0046]M0SFETM5、M6用于限制运放反馈端电压，以保护运放。
[0047]保护电路还包括一些高速二极管，利用三极管BE间的二极管和快速二极管，以限制电阻R2或R3上的电压过高，有效的避免了因瞬态Vgs超过允许值而导致M0SFETM1或M2损坏。
[0048]MOSFET在导通状态时呈阻性，因此可看作串联了一个小阻值电阻，并且因本身阻值较小，温度对其影响的绝对值也小。在工作温度范围内对输出精度、噪声和负载能力无影响。当耐受高压时，又能呈高阻以抵抗住高压，保护输入端电路的安全。在将通过电流限制在30mA以内，并对M0SFETM1和M2加上合适的散热措施后，本实施例能处理±500V的外接高压保护。
[0049]实施例2
[0050]如图4所示，本实施例与实施例1工作原理基本类似，因此不一一叙述，区别的是所述M0SFETM7、M0SFETM8均为P沟道M0SFET，三极管Q5、Q6为PNP三极管，运放输入为负压分压。
[0051]实施例3
[0052]如图5所示，本实施例其实是实施例1和实施例2的组合体，工作原理基本类似，因此不叙述。
[0053]虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解，在不超出所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，对上述实施例可以进行各种改变、替代和变换。本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。
【权利要求】
1.一种低阻抗限流式抗高压保护电路，其特征在于，包括串接在输入端和输出端之间的开关管I和开关管2 ； 一电流检测反馈电路接在所述开关管I和开关管2之间，用于检测通过的电流并将电流转换成电压信号反馈给限流控制装置； 一限流控制装置与所述电流检测反馈电路、开关管I和开关管2相连接； 所述开关管I和开关管2正常工作时以低阻态将输入信号传递到输出端,一旦输出端不慎对地短路或误接高电压，开关管快速转为恒流高阻态并将输入端和输出端之间的电压安全阻断； 所述限流控制装置，用于根据所述电流检测反馈电路所反馈的电压信号输出控制信号，使所述开关管I或开关管2处于低阻态或恒流高阻态。
2.根据权利要求1所述的低阻抗限流式抗高压保护电路，其特征在于，所述限流控制装置将所述开关管I在输入正电流超过范围时将其转为恒流高阻态；将所述开关管2在输入负电流超过范围时将电路转为恒流高阻态。
3.根据权利要求2的低阻抗限流式抗高压保护电路，其特征在于，所述限流控制装置将所述开关管在通过电流超过范围时转为可变阻状态，所述开关管转为恒流高阻态。
4.根据权利要求1所述的低阻抗限流式抗高压保护电路，其特征在于，所述限流控制装置包括一运放以及为该电路供电的独立供电电源，该电源相对于输入电压浮动； 所述运放的同相输入端经电阻分压电路与所述供电电源相连接，调节电阻参数可设定其输入电压信号；所述运放的反相输入端叠加所述电流检测反馈电路的反馈电压信号，所述运放根据该反馈电压信号控制其输出端输出所述控制信号。
5.根据权利要求1或4的低阻抗限流式抗高压保护电路，其特征在于，所述开关管I或开关管2为MOSFET管，所述控制信号通过控制MOSFET管栅极的偏压使其处于低阻态或恒流高阻态。
6.根据权利要求5的低阻抗限流式抗高压保护电路，其特征在于，所述运放在反馈电压信号低于同相端输入电压时，运放输出提供足够高的栅极偏置电压使开关管处于完全导通状态；在反馈电压信号达到同相端输入电压时，运放输出电压下降，降低了开关管栅极偏置电压，开关管导通电阻上升，使限流电阻上电压维持在运放输入的设定电压左右。
7.根据权利要求5所述的低阻抗限流式抗高压保护电路，其特征在于，所述限流控制装置还包括快速三极管，该三极管在输入信号快速上升时，能快速导通并将MOSFET栅极电压降下来，从而让MOSFET高速进入截止状态。
8.根据权利要求1所述的低阻抗限流式抗高压保护电路，其特征在于，所述开关管I和开关管2为N沟道MOSFET，和其配合为快速NPN三极管。
9.根据权利要求1所述的低阻抗限流式抗高压保护电路，其特征在于，所述开关管I和开关管2为P沟道MOSFET，和其配合为快速PNP三极管。
10.根据权利要求1所述的低阻抗限流式抗高压保护电路，其特征在于，所述开关管I和开关管2为N沟道和P沟道MOSFET混搭，和其配合为快速NPN和PNP三极管混搭。
【文档编号】H02H9/04GK104078966SQ201410331925
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月14日 优先权日:2014年7月14日
【发明者】姚治贡 申请人:余姚市劲仪仪表厂