一种应用于水下设备的多功能高压电源输入保护电路的制作方法

本发明涉及电源输入保护领域，具体的涉及一种应用于水下设备的多功能高压电源输入保护电路。

背景技术

在水下检测系统中，往往不止一种电子设备，而岸基站与电子设备之间的距离很远，当设备遇到过流、过压及浪涌等突发情况时，若不及时进行保护而是先把设备的情况上报基站，可能在信息上报的过程中，设备已经损坏。

随着技术的发展，电子设备中的种类与功能日益增加，设备内部电路的供电需求各异，而平台一般只提供单组电压供电，需电子设备自行进行电源变换。虽然电压供电端会采用避雷针、分流，屏蔽网、均衡电位接地等措施来为负载提供一个相对安全的使用环境，但仅仅靠这些措施是远远不够的，现有的电源输入保护电路功能单一，不能够同时提供过压保护、过流保护、电源反接保护及防浪涌保护，对水下设备的保护不够全面。

此外现有的保护电路一般采用输入电源和负载之间设置mosfet或其他功率器件件，比较器控制mosfet的通断，从而达到输入电源与负载之间的隔离。这种保护电路只能用在低压情况下，具有局限性，因为mosfet的功率一般很小，若用在高压电路中，电路不过压时会有持续性的高压大电流通过mosfet，极易造成mosfet损坏，不具备可靠性。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种适应高压和低压情况、带多种保护功能的应用于水下设备的多功能高压电源输入保护电路。

本发明采用的技术方案是：

一种应用于水下设备的多功能高压电源输入保护电路，包括：电源输入端j1、电源输出端j3、设置在电源输入端j1和电源输出端j3之间的比较器u3、稳压管u1和稳压管u2、功率开关管q1、若干电阻；

所述电源输入端j1通过dc-dc电源模块与电源输出端j3相连，电源输入端j1的正极与dc-dc电源模块的正极之间设置有反接保护单元和过流保护单元；

所述反接保护单元与过流保护单元的公共端与比较器u3的正极输入端相连，所述比较器u3的负极输入端与稳压管u2的负极相连，比较器u3的负极输入端通过电阻r7与稳压管u1的负极相连，所述稳压管u1和稳压管u2的正极接地，比较器u3的的输出端与功率开关管q1的控制端相连，所述功率开关管q1的输入端通过若干串联的功率电阻与反接保护单元的负极相连，功率开关管q1的输出端接地，功率开关管q1的输入端与输出端之间通过若干串联的tvs管相连，功率开关管q1的控制端通过另一个tvs管接地，所述tvs管用于过压时pn结反向击穿泄放电流保护功率开关管q1。

进一步的，所述稳压管u1的正极和负极之间通过串联的电阻r9、电阻r12相连，所述电阻r9和电阻r12的公共端与稳压管u1的ref端相连；所述稳压管u2的正极和负极之间通过串联的电阻r10、电阻r13相连，所述电阻r10和电阻r13的公共端与稳压管u2的ref端相连。

进一步的，所述过流保护单元为熔断器f1，过流保护单元还包括设置在熔断器f1与dc-dc电源模块的正极输入端之间的磁珠fb2，设置在电源输入端j1的负极与dc-dc电源模块的负极输入端之间的磁珠fb4。

进一步的，所述稳压管u1的负极与稳压管u2的负极之间串联有电阻r7；所述稳压管u1的负极通过依次串联的电阻r1、电阻r2、电阻r3与二极管d1的负极相连，所述二极管d1的负极通过电阻r4与比较器u3的in+端相连，所述比较器u3的in+端通过电阻r11接地。

进一步的，所述比较器u3的v+端通过若干并联的滤波电容接地。

进一步的，所述比较器u3的的输出端通过电阻r8与功率开关管q1的控制端相连。

进一步的，所述dc-dc电源模块的正极输出端与电源输出端j3的正极之间设置有肖特基整流器d7。

进一步的，所述功率开关管q1采用mosfet。

进一步的，所述比较器u3采用双电源宽频带运算放大器。

进一步的，所述反接保护单元包括两个并联的二极管d1，所述二极管d1的正极皆与电源输入端j1的正极相连，二极管d1的负极皆与过流保护单元的一端相连。

本发明的有益效果：

本发明通过比较器u3来输出控制信号，稳压器u1给比较u3提供电源，稳压器u2给比较器u3提供基准电压，输入电源与负载之间使用功率开关管q1连接；当过压时，比较器u3输出高电平，控制功率开关管q1导通将输入电源下拉到地将多余的瞬时电量泄放，提供过压保护；还能够通过反接保护单元提供电源反接保护，过流保护单元提供过流保护；比较器u3在发生雷电浪涌时迅速作出响应并控制后端的功率开关管q1进行保护动作，功率电阻在发生雷电浪涌时与功率开关管q1构成通路在极短的时间内抵御雷电，提供防浪涌保护。

此外当处于高压非过压状态时，如果tvs管上的电压超过阈值，器件迅速导通，通过pn结反向过压雪崩击穿将浪涌能量泄放掉，起到保护功率开关管q1的作用，保证了保护电路的可靠性。

因此本发明能够帮助水下设备的电源应对过流、过压及浪涌等突发情况，提高了水下设备的安全性和可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明；

图1为本发明多功能电源输入保护电路的原理图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的一种应用于水下设备的多功能高压电源输入保护电路，包括：电源输入端j1、电源输出端j3、设置在电源输入端j1和电源输出端j3之间的比较器u3、稳压管u1和稳压管u2、功率开关管q1、若干电阻、若干电容和若干二极管，优选的，本实施例中比较器u3为双电源宽频带运算放大器，也可以采用其他实现比较器功能的同等告诉运算放大器；功率开关管q1采用mosfet，本实施例中采用n-mosfet，也可以根据运放输出逻辑采用p-mosfet或其他功率开关器件。

电源输入端j1通过dc-dc电源模块与电源输出端j3相连，电源输入端j1的正极与dc-dc电源模块的正极之间设置有反接保护单元和过流保护单元，优选的，本实施例中反接保护单元采用两个并列的二极管d1，利用二极管正向导通，反向截止的特性来提供防反接保护，过流保护单元采用熔断器f1，在给负载提供过流保护的同时也可以避免由于负载损坏引起的输入母线短路，二极管d1的正极皆与电源输入端j1的正极相连，二极管d1的负极皆与熔断器f1的一端相连，熔断器f1的另一端与dc-dc电源模块的正极输入端相连。

优选的，二极管d1与dc-dc电源模块的正极输入端之间设置有磁珠fb2，电源输入端j1的负极与dc-dc电源模块的负极输入端之间设置有磁珠fb1，以用于滤除高频噪声和提供过流保护，dc-dc电源模块的正极输出端与电源输出端j3的正极之间设置有肖特基整流器d7以用于整流。

二极管d1和熔断器f1的公共端通过电阻r4与比较器u3的in+端相连，稳压管u1的负极通过依次串联的电阻r1、电阻r2、电阻r3与二极管d1的负极相连，优选的，电阻r1、r2、r3采用水泥线绕精密电阻，比较器u3的in-端与稳压管u2的负极相连，比较器u3的in-端通过电阻r7与稳压管u1的负极相连，比较器u3的in+端通过电阻r11接地；稳压管u1和稳压管u2的正极接地，比较器u3的v+端通过三个并联的滤波电容c1、c2、c3接地，比较器u3的的output端通过电阻r8与mosfetq1的栅极相连，mosfetq1的漏极通过串联的功率电阻r2、功率电阻r5与二极管d1的负极相连；mosfetq1的源极端接地，mosfetq1的漏极与源极之间通过三个同向串联的tvs管d2、d3、d5相连，其中tvs管d5的正极接地，tvs管d2的负极与mosfetq1的漏极相连，mosfetq1的栅极端通过tvs管d4接地；

mosfetq1的输入端通过若干串联的功率电阻与反接保护单元的负极相连，以用于雷电浪涌时与mosfetq1构成通路。

稳压管u1的正极和负极之间通过串联的电阻r9、电阻r12相连，电阻r9和电阻r12的公共端与稳压管u1的ref端相连；稳压管u2的正极和负极之间通过串联的电阻r10、电阻r13相连，电阻r10和电阻r13的公共端与稳压管u2的ref端相连。

本发明的工作原理为：

因稳压管u1的vz(cathodevoltage，阴极电压)最大仅为10v，故在电源输入端连接r1、r2与r3三个水泥线绕精密电阻将输入电压降到vz以下，根据计算公式vu1＝vref*(1+r9/r12)，和已知的vref，可求得vu1和vu2。

比较器u3的电源由稳压管u1的输出电压提供，稳压器u2为运放反向输入端提供一个基准电压，电源输入端通过分压电阻r4与r11后接入比较器的同向输入端，根据计算公式vin+＝vcc*(r11/(r4+r11))可算出比较器的同向输入端电压vin+的电压值。

mosfetq1的阈值电压已知，当tvs管上的电压超过一定幅度时，器件迅速导通，通过pn结反向过压雪崩击穿将浪涌能量泄放掉，起到保护mosfetq1的作用。mosfetq1的通断由u3比较器的output端控制。

因为比较器u3采用双电源供电时输出电压不足以驱动mosfet，所以比较器u3采用单电源供电，输出电压为双电源供电的2倍，可达到mosfetq1的阈值电压以上。

在本发明电路中，vi＝vin+，vu2＝vin-，当比较器的同向输入端电压vin+为nv时，输入电压为83nv，即本发明电路的电压设定值是83nv。

a、当vin+≤nv时，即输入电压低于电压设定值83nv，比较器的output端输出低电平，即0v，不能达到mosfetq1的阈值电压，mosfetq1截止；

b、当vin+＞nv时，即输入电压高于电压设定值83nv，比较器的output端输出高电平，达到mosfetq1的阈值电压，mosfetq1导通将输入电源下拉到地将多余的瞬时电量泄放。

此外比较器u3与mosfetq1在实现电路的过压保护功能的同时还可与r2、r5共同提供防雷击浪涌的功能。比较器u3可在发生雷电浪涌时迅速作出响应并控制后端的mosfet进行保护动作。r2、r5的功率电阻可在发生雷电浪涌时与mosfetq1构成通路在极短的时间内抵御雷电。

其中，本实施例中稳压管u1与稳压管u2为可调精确稳压管，稳压管u1的输出电压值可通过改变r9、r12的电阻值来进行调节，稳压管u2的输出电压值可通过改变r10、r13的电阻值来进行调节。

本发明通过比较器u3来输出控制信号，稳压器u1给比较u3提供电源，稳压器u2给比较器u3提供基准电压，输入电源与负载之间使用功率开关管q1连接；当过压时，比较器u3输出高电平，控制功率开关管q1导通将输入电源下拉到地将多余的瞬时电量泄放，提供过压保护；还能够通过反接保护单元提供电源反接保护，过流保护单元提供过流保护；比较器u3在发生雷电浪涌时迅速作出响应并控制后端的功率开关管q1进行保护动作，功率电阻在发生雷电浪涌时与功率开关管q1构成通路在极短的时间内抵御雷电，提供防浪涌保护。

此外当处于高压非过压状态时，如果tvs管上的电压超过阈值，器件迅速导通，通过pn结反向过压雪崩击穿将浪涌能量泄放掉，起到保护功率开关管q1的作用，保证了保护电路的可靠性。

本发明的保护电路不仅能为水下设备的电源提供高压过压保护、还能够提供防浪涌保护、反接保护、过流保护等，电路简单，功能多样，提高了水下设备的安全性和可靠性。

以上所述仅为本发明的优先实施方式，本发明并不限定于上述实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。