过压保护电路、装置及系统的制作方法

1.本实用新型涉及电子技术领域，尤其涉及一种过压保护电路、装置及系统。


背景技术：

2.工业类控制产品如plc、工控机等等大多数都是采用直流电源供电。设计这类端口电路时，通常需要考虑：基于工控类产品作业电磁环境较差，为了提高产品emc性能，设计工程师通常会在产品的供电电源端口增加抗干扰保护措施，如tvs管、压敏电阻、空气放电管等等瞬态干扰抑制器；对于输入端口滤波电容、电源ic等器件电压值参数有最大值限定要求，基于成本和pcb空间考虑，要避免过设计。针对上述两点设计考虑，选用瞬态干扰抑制器的最大钳位电压应小于输入端口其他器件的电压值；然而，瞬态干扰抑制器的击穿电压和最大钳位电压值相差较大，导致通常所选用的器件仅比正常输入电压范围大几伏；客户端经常出现由于接线人员没注意产品外壳丝印或用户手册误接错线导致端口器件因过压烧坏，产品工作异常问题。因此，出于针对输入端口所选用器件包括瞬态抑制器、电容、ic等器件的精准过压保护的需求。
3.现有的技术中有的采用集成芯片控制的过压保护电路，由于采用芯片进行控制，存在电路结构复杂、成本高的缺点；部分保护电路采用以热熔断器、稳压二极管和mos管组成的过压保护电路，方案机理是过压时通过mos管短接到地，利用热熔断器因发热变成高阻态起到保护目的。这种方案存在大电流时，由于熔断器响应慢造成系统响应差，精度很低；并且热熔断器和mos管的额定电流参数需要更大，造成设计成本高。
4.上述内容仅用于辅助理解本实用新型的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。


技术实现要素：

5.本实用新型的主要目的在于提供一种过压保护电路、装置及系统，旨在解决现有技术中过压保护精度较低的技术问题。
6.为实现上述目的，本实用新型提出一种过压保护电路，所述过压保护电路包括：过压控制电路和保护执行电路；
7.其中，所述过压控制电路分别与电源以及所述保护执行电路连接，所述保护执行电路与负载连接；
8.所述过压控制电路，用于在所述电源输出的电源电压大于预设电压时，输出过压保护信号至所述保护执行电路；
9.所述保护执行电路，用于在接收到所述过压保护信号时，断开所述电源与所述负载之间的回路，停止为所述负载供电。
10.可选地，所述过压保护电路还包括：电压检测电路；
11.其中，所述电压检测电路与所述电源以及所述过压控制电路连接；
12.所述电压检测电路，用于对所述电源输出的电源电压进行检测，并在所述电源电
压大于所述预设电压时，输出电压异常信号至所述过压控制电路；
13.所述过压控制电路，用于在接收到所述电压异常信号时输出过压保护信号至所述保护执行电路。
14.可选地，所述电压检测电路，还用于在所述电源电压小于所述预设电压时，输出运行信号至所述过压控制电路；
15.所述过压控制电路，用于在接收到所述运行信号时输出供电信号至所述保护执行电路；
16.所述保护执行电路，用于在接收到所述供电信号时，导通所述电源与所述负载之间的回路，为所述负载供电。
17.可选地，所述电压检测电路包括：第一电阻、第二电阻以及第一电容；
18.其中，所述第一电阻的第一端与所述电源连接，所述第一电阻的第二端分别与所述第二电阻的第一端、第一电容的第一端以及所述过压控制电路连接，所述第二电阻的第二端以及所述第一电容的第二端接地。
19.可选地，所述过压控制电路包括：第三电阻、第四电阻、第五电阻、控制芯片以及第二电容；
20.其中，所述第三电阻的第一端与所述电源连接，所述第三电阻的第二端与所述控制芯片的第一端以及所述第四电阻的第一端连接，所述控制芯片的第二端与所述第一电阻的第二端、所述第二电阻的第一端以及所述第一电容的第一端连接，所述第四电阻的第二端与所述第五电阻的第一端、所述第二电容的第一端以及所述保护执行电路连接，所述控制芯片的第三端、所述第五电阻的第二端以及所述第二电容的第二端接地。
21.可选地，所述保护执行电路包括：第六电阻、第七电阻、第一功率管、第二功率管以及第三电容；
22.其中，所述第六电阻的第一端分别与所述电源、第三电容的第一端以及所述第二功率管的输入端连接，所述第六电阻的第二端分别与所述第三电容的第二端、所述第七电阻的第一端以及所述第二功率管的控制端连接，所述第七电阻的第二端与所述第一功率管的输入端连接，所述第一功率管的控制端与所述第四电阻的第二端、所述第五电阻的第一端以及所述第二电容的第一端连接，所述第二功率管的输出端与所述负载连接，所述第一功率管的输出端接地。
23.可选地，所述控制芯片包括：第一比较器、第一三极管以及第一二极管；
24.其中，所述第一比较器的第一输入端分别与所述第一电阻的第二端、第二电阻的第一端以及第一电容的第一端连接，所述第一比较器的第二输入端与门限电源连接，所述第一比较器的输出端与所述第一三极管的基极连接，所述第一三极管的集电极分别与所述第三电阻的第二端、所述第四电阻的第一端以及所述第一二极管的阴极连接，所述第一三极管的发射极与所述第一二极管的阳极接地。
25.可选地，所述过压保护电路还包括：稳压电路；
26.其中，所述稳压电路通过所述保护执行电路与所述电源连接；
27.所述稳压电路，用于对所述电源输出的电源电压进行稳压，为所述负载提供稳定的电源电压。
28.为实现上述目的，本实用新型还提出一种过压保护装置，所述过压保护装置包括
所述的过压保护电路。
29.为实现上述目的，本实用新型还提出一种过压保护系统，所述过压保护系统包括所述的过压保护装置。
30.在本实用新型提供了一种过压保护电路、装置及系统，该过压保护电路包括：过压控制电路和保护执行电路；所述过压控制电路分别与电源以及所述保护执行电路连接，所述保护执行电路与负载连接；所述过压控制电路在所述电源输出的电源电压大于预设电压时，输出过压保护信号至所述保护执行电路；所述保护执行电路在接收到所述过压保护信号时，断开所述电源与所述负载之间的回路，停止为所述负载供电。本实用新型在电源电压大于预设电压时，输出过压保护信号断开电源与负载之间的回路对负载进行保护。
附图说明
31.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。
32.图1为本实用新型实施例提出的过压保护电路第一实施例的结构示意图；
33.图2为本实用新型实施例提出的过压保护电路第二实施例的结构示意图；
34.图3为本用新型实施例提出的过压保护电路第二实施例的电路图；
35.图4为本用新型实施例提出的过压保护电路第二实施例中控制芯片的电路图。
36.附图标号说明：
37.标号名称标号名称10过压控制电路r1～r7第一至第七电阻20保护执行电路c1～c4第一至第四电容30电压检测电路d1第一二极管40稳压电路t1～t2第一至第二功率管u1控制芯片vcc电源a1第一比较器vout输入负载的电压q1第一三极管d1第一二极管vref门限电压gnd接地
38.本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
39.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
40.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
41.需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)
仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
42.另外，在本实用新型中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
43.参照图1，图1为本实用新型实施例提出的过压保护电路第一实施例的结构示意图。基于图1，提出本实用新型过压保护电路的第一实施例。
44.在本实施例中，所述过压保护电路包括：过压控制电路10和保护执行电路20；
45.其中，所述过压控制电路10分别与电源vcc以及所述保护执行电路20连接，所述保护执行电路20与负载连接。
46.应理解的是，在电源vcc为负载进行供电时，电源vcc输出的电源电压应当与负载所需要的驱动电压匹配。在电源电压大于负载的驱动电压时，过大的电压可能会对负载的运行造成影响甚至直接损坏负载。电源电压小于负载的驱动电压时，负载由于电源vcc提供的电压不足可能无法正常的运行。
47.需要说明的是，过压控制电路10是用于在负载处于过压状态下对负载进行控制的电路。过压控制电路10可以通过对电源vcc输出的电源电压进行采集，然后将电源电压与预设电压进行比较确定负载状态。过压控制电路10内部可以是比较器与其他相关元件组成的电路。过压控制电路10可以通过内部的比较器对电源电压和预设电压进行比较，根据比较器的输出结果确定电源电压与预设电压之间的大小即负载是否处于过压状态。保护执行电路20是用于直接对负载进行保护的电路。保护执行电路20可以将电源vcc提供的电压进行旁通，或者直接断开电源vcc与负载直接的连接对负载进行保护。
48.在具体实施中，可以对电源vcc提供的电源电压与预设电压进行比较，在电源电压大于预设电压时，所述过压控制电路10可以输出过压保护信号至所述保护执行电路20；所述保护执行电路20可以在接收到所述过压保护信号时，断开所述电源与所述负载之间的回路，停止为所述负载供电。
49.其中，所述预设电压是预先设定的用于确定电源是否处于过压状态的电压。过压保护信号是用于启动过压保护的信号。
50.在本实施例中提供了一种过压保护电路，所述过压保护电路包括：过压控制电路和保护执行电路；所述过压控制电路分别与电源以及所述保护执行电路连接，所述保护执行电路与负载连接；所述过压控制电路在所述电源输出的电源电压大于预设电压时，输出过压保护信号至所述保护执行电路；所述保护执行电路在接收到所述过压保护信号时，断开所述电源与所述负载之间的回路，停止为所述负载供电。本实施例中在电源电压大于预设电压时，输出过压保护信号断开电源与负载之间的回路对负载进行保护。
51.参照图2，图2为本实用新型实施例提出的过压保护电路第一实施例的结构示意图。基于上述过压保护电路第一实施例提出本实用新型过压保护电路的第二实施例。
52.在本实施列中，所述过压保护电路还包括：电压检测电路30；
53.其中，所述电压检测电路30与所述电源vcc以及所述过压控制电路10连接。
54.需要说明的是，电压检测电路30是用于对电源电压进行采集和检测的电路。电压检测电路30可以直接与电源vcc连接对电源电压进行采集也可以通过分压电阻进行降压之后的电源电压进行采集。在采集到分压电阻进行降压之后的电源电压时，可以通过设置门限电压，当降压后的电源电压大于门限电压时此时电源电压大于预设电压。
55.在具体实施中，所述电压检测电路30可以对所述电源输出的电源电压进行检测，然后将电源电压与预设电压通过比较器进行比较。在所述电源电压大于所述预设电压时，输出电压异常信号至所述过压控制电路10；所述过压控制电路10在接收到所述电压异常信号时输出过压保护信号至所述保护执行电路20对所述负载进行保护。
56.当然在电源电压小于或等于预设电压时，电源vcc可以直接对负载进行供电并不会对负载造成损坏。在本实施例中，所述电压检测电路30还可以在所述电源电压小于所述预设电压时，输出运行信号至所述过压控制电路10；所述过压控制电路10可以在接收到所述运行信号时输出供电信号至所述保护执行电路20；所述保护执行电路20可以在接收到所述供电信号时，导通所述电源与所述负载之间的回路，为所述负载供电。
57.其中，电压异常信号是用于体现电源电压大于预设电压的信号，而运行信号是用于体现电源电压并不大于预设电压的信号。电压异常信号与运行信号为电压值并不相同的信号。电压异常信号的电压值大于门限电压，运行信号的电压值小于或等于门限电压。
58.参照图3，在本实施例中，所述电压检测电路30包括：第一电阻r1、第二电阻r2以及第一电容c1；
59.其中，所述第一电阻r1的第一端与所述电源vcc连接，所述第一电阻r1的第二端分别与所述第二电阻r2的第一端、第一电容c1的第一端以及所述过压控制电路10连接，所述第二电阻r2的第二端以及所述第一电容c1的第二端接地。
60.应理解的是，第一电阻r1与第二电阻r2将电源vcc提供的电源电压进行降压，得到降压后的电源电压vth，vth＝vcc*r2/(r1+r2)(1)。同时第一电容c1与第一电阻r1可以组成滤波电路，可以对降压后的电源电压vth进行滤波降低电路中的干扰，从而得到准确的降压后的电源电压。
61.在具体实施中，电源vcc输出的电源电压经过第一电阻r1以及第二电阻r2的分压作用将电源电压进行降压得到降压后的电源电压vth，然后通过第一电容c1和第一电阻r1组成的滤波电路进行滤波得到准确的降压后的电源电压，并将该准确的降压后的电源电压输出至过压控制电路10。
62.在本实施例中，所述过压控制电路包括：第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、控制芯片u1以及第二电容c2；
63.其中，所述第三电阻r3的第一端与所述电源vcc连接，所述第三电阻r3的第二端与所述控制芯片u1的第一端以及所述第四电阻r4的第一端连接，所述控制芯片u1的第二端与所述第一电阻r1的第二端、所述第二电阻r2的第一端以及所述第一电容c1的第一端连接，所述第四电阻r4的第二端与所述第五电阻r5的第一端、所述第二电容c2的第一端以及所述保护执行电路20连接，所述控制芯片u1的第三端、所述第五电阻r5的第二端以及所述第二电容c2的第二端接地gnd。
64.需要说明的是，控制芯片u1是用于将降压后的电源电压vth与门限电压vref进行
比较芯片。该控制芯片u1可由比较器、开关管等相关元器件组成。控制芯片u1所在的之路与第五电阻r5以及第四电阻r4所在的支路并联。在降压后的电源电压vth大于门限电压vref时，控制芯片u1直接将电源电压通过第三电阻r3近似接地，此时在第四电阻r4的第二端输出低电平信号至保护执行电路20，保护执行电路20在接收到该低电平信号时，断开电源vcc与负载之间的连接。
65.应理解的是，此处第二电容c2、第三电阻r3以及第四电阻r4组成一个滤波电路，对支路中的噪音进行滤除，从而在第四电阻r4的第二端输出标准电压值的过压保护信号至过压保护执行电路20。
66.在本实施例中，所述保护执行电路20包括：第六电阻r6、第七电阻r7、第一功率管t1、第二功率管t2以及第三电容c3；
67.其中，所述第六电阻r6的第一端分别与所述电源vcc、第三电容c3的第一端以及所述第二功率管t2的输入端连接，所述第六电阻r6的第二端分别与所述第三电容c3的第二端、所述第七电阻r7的第一端以及所述第二功率管t2的控制端连接，所述第七电阻r7的第二端与所述第一功率管t1的输入端连接，所述第一功率管t1的控制端与所述第四电阻的第二端、所述第五电阻r5的第一端以及所述第二电容c2的第一端连接，所述第二功率管t2的输出端与所述负载连接，所述第一功率管t1的输出端接地gnd。
68.应理解的是，在本实施例中第一功率管t1和第二功率管t2均为nmos管。当nmos管的栅极与源极之间的电压大于nmos管的导通电压时，nmos管导通。第三电容c3为滤波电容。
69.需要说明的是，当降压后的电源电压vth小于门限电压vref时，控制芯片u1输出处于开集关闭状态，此时在第四电阻r4的第二端输出高电平的供电信号至第一功率管t1的栅极，第一功率管t1的栅极与源极之间的电压为vgs＝vcc*r5/(r3+r4+r5)(2)。当第一功率管t1的栅极与源极之间的电压vgs小于第一功率管t1的导通电压时，第一功率管t1截止，并且直接导致第二功率管t2截止，输入负载的电压vout输出值为0，负载不工作。当第一功率管t1的栅极与源极之间的电压vgs大于第一功率管t1的导通电压时，第一功率管t1和第二功率管t2导通，输入负载的电压vout值约等于电源电压vcc，负载进入正常工作状态。
70.因此，在正常工作状态时(未欠压或过压状态)应适当调节第四电阻r4与第五电阻r5的阻值，第四电阻r4第二端输出供电信号的电压值应当大于第一功率管t1的导通电压。此外，当第一电阻r1和第二电阻r2降压后的电源电压vth小于门限电压vref时，还可以通过调节第四电阻r4和第五电阻r5的阻值进行设置功率管t1工作于截住状态，从而设置电源电压欠压范围
71.当降压后的电源电压vth大于门限电压vref时，控制芯片u1内直接将电源vcc通过第三电阻r3接地，此时第四电阻r4第二端输出低电平的过压保护信号至第一功率管t1的栅极，由于控制芯片u1的分压作用，在第四电阻r4与第五电阻r5两端的电压vka为电压值很小的电压。此时输入第一功率管t1栅极的电压为vgs＝v
ka
*r5/(r5+r4)(3)。这时设置输入第一功率管t1栅极的电压vgs小于第一功率管t1的驱动电压，第一功率管t1和第二功率管t2截止，输出至负载的电压vout为0，负载不工作，进入过压保护模式。
72.当降压后的电源电压vth约等于门限电压vref时，由控制芯片u1内部集成的门限电压vref、第一电阻r1和第二电阻r2决定过压保护的电压值精度和磁滞阈值。在本实施例中控制芯片u1选型可以选sgm431b为例进行详解，其门限电压vref为2.5v，门限电压vref精
度为0.5％。假设第一电阻r1和第二电阻r2选用阻值精度为
±
x％，过压保护的预设电压为vop，可以通过vop＝v
ref
×
(r1+r2)/r2(4)计算出理想值。即结合控制芯片u1、第一电阻r1和第二电阻r2精度误差后，过压保护的预设电压的范围为vop(min-max)vop
(min-max)
＝v
ref
*(1
±
0.5％)
×
(r1+r2)*(1
±
x％)/[r2
×
(1
±
x％)](5)简化后可得vop
(min-max)
＝v
ref
×
(1
±
0.5％)
×
(1+r1*(1
±
2x％)/r2)，
[0073]
由于(1+r1*(1
±
2x％)/r2)＜(r1+r2)*(1
±
2x％)/(r2*(1
±
2x％))，即
[0074]
vop
(min-max)
＜v
ref
×
(1+r1/r2)
×
(1
±
0.5％)
×
(1
±
2x％)
ꢀꢀ
(6)。
[0075]
把上(4)式带入上(6)式后，得出vop
(min-max)
＜vop
×
(1
±
0.5％)
×
(1
±
2x％)(7)。当第一电阻r1和第二电阻r2选用阻值精度为
±
5％时，由上(7)式得出过压保护的预设电压范围为vop
±
10.55％；当第一电阻r1和第二电阻r2选用阻值精度为
±
1％时，由上(7)式得出过压保护的预设电压范围为vop
±
2.51％；当第一电阻r1和第二电阻r2选用阻值精度为
±
0.1％时，由上(7)式得出过压保护的预设电压范围为vop
±
0.701％。本设计过压保护值vop的精度主要由控制芯片u1、第一电阻r1和第二电阻r2决定，可以通过选型实现高精度过压保护设计。
[0076]
参照图4，在本实施例中，所述控制芯片u1包括：第一比较器a1、第一三极管q1以及第一二极管d1；
[0077]
其中，所述第一比较器a1的第一输入端分别与所述第一电阻r1的第二端、第二电阻r2的第一端以及第一电容c1的第一端连接，所述第一比较器a1的第二输入端与门限电源vref连接，所述第一比较器a1的输出端与所述第一三极管q1的基极连接，所述第一三极管q1的集电极分别与所述第三电阻r3的第二端、所述第四电阻r4的第一端以及所述第一二极管d1的阴极连接，所述第一三极管q1的发射极与所述第一二极管d1的阳极接地gnd。
[0078]
在具体实施中，第一电阻r1的第二端输出的降压后的电源电压vth输入至第一比较器a1的正向输入端，门限电压vref输入至第一比较器a1的负向输入端，在降压后的电源电压vth大于门限电压vref时，第一比较器a1的输出端输出高电平信号此时第一三极管q1导通，电源电压vcc经过第三电阻r3以及第一三极管q1接地；而降压后的电源电压vth小于门限电压vref时，第一比较器a1的输出端输出低电平信号，此时第一三极管q1截止，电源电压vcc经过第三电阻r3、第四电阻r4以及第五电阻r5接地，在第四电阻r4的第二端输入高电平的供电信号，第一功率管t1以及第二功率管t2导通，电源vcc可以将电源电压通过第二功率管t2输出至负载。
[0079]
在本实施例中，所述过压保护电路还包括：稳压电路40；
[0080]
其中，所述稳压电路40通过所述保护执行电路20与所述电源vcc连接。
[0081]
参照图3，在本实施例中，稳压电路40包括第四电容c4，第四电容c4的第一端与第二功率管t2的源极连接，所述第四电容c4的第二端接地。
[0082]
在具体实施中，所述稳压电路40可以通过第四电容c4的充放电特性对所述电源vcc输出的电源电压进行稳压。另外，c3可以根据c4的容值参数调整，实现缓启动作用，以免vout后级容性负载过大导致上电瞬态时电路工作异常，为所述负载提供稳定的电源电压
[0083]
在本实施例中提供了一种过压保护电路，所述过压保护电路包括：过压控制电路和保护执行电路；所述过压控制电路分别与电源以及所述保护执行电路连接，所述保护执行电路与负载连接；所述过压控制电路在所述电源输出的电源电压大于预设电压时，输出
过压保护信号至所述保护执行电路；所述保护执行电路在接收到所述过压保护信号时，断开所述电源与所述负载之间的回路，停止为所述负载供电。本实施例中在电源电压大于预设电压时，输出过压保护信号控制第一功率管和第二功率管的截止，断开对电源与负载之间的回路对负载进行保护。
[0084]
为实现上述目的，本实用新型还提出一种过压保护装置，所述过压保护装置包括如上述的过压保护电路。该过压保护电路的具体结构参照上述实施例，由于本过压保护装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
[0085]
为实现上述目的，本实用新型还提出一种过压保护系统，所述过压保护系统包括如上述的过压保护装置。该过压保护装置的具体结构参照上述实施例，由于本过压保护系统采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
[0086]
以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型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，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。