一种浪涌电流限制电路的制作方法

1.本实用新型实施例涉及涌电流限制技术，更具体地，涉及一种浪涌电流限制电路。


背景技术：

2.已有限制浪涌电流的方法分无源和有源两种类型：
3.无源是指将电阻性限流装置与电源串联，现有技术是将电源输入线串联负温度系数电阻器(ntc)，在环境温度下，ntc器件显示出高电阻，而在接通电源时，高电阻会限制流入电路的浪涌电流，随着电流的流动，热敏电阻温度升高，电阻会大大降低，稳定值小于一欧姆，因此又能够允许稳态电流的流入。
4.有源是值使用由电阻器、开关装置和控制电路组成的浪涌限制电路，通过适时的控制开关装置的开和关来有效的避开浪涌尖峰，以此来达到滤除尖峰的目的。现有的有源浪涌限制电路的设计还是依赖于热敏电阻，需要热敏电阻与开关装置结合，并形成协同工作关系来达到限制浪涌的目的，原理都是大同小异，浪涌发生时，热敏电阻处于高阻态，并且高阻态的热敏电阻会限制电压或电流使压控或流控的开关装置处于关断状态，这样浪涌无法通过开关装置进入产品内部，当持续供电，温度上升后，热敏电阻的阻抗会下降，这时电流已经稳定，开关装置也达到导通状态，则稳态电流可以持续供电。
5.当前限制浪涌电流电路的技术结构存在以下问题：
6.1、依赖热敏电阻作为开关装置开关的控制源，而热敏电阻的阻抗受环境温度影响，因此开关的时间和快慢受环境因素影响较大，且不能精确控制。
7.2、控制电路的整体结构要由电源控制电路、自锁电路、热敏电阻短接电路、电压采样电路等部分组成，结构比较复杂，器件数量较多，且整个系统占用面积较大，作为产品电源端的保护电路，对产品pcb(印刷电路板)面积利用率形成挑战。


技术实现要素：

8.本实用新型实施例提供了一种浪涌电流限制电路，能够不依赖热敏电阻，不受环境因素影响，设计简单、器件数量少、占用面积小。
9.本实用新型实施例还提供了一种浪涌电流限制电路，可以包括：分压电路、延时电路和开关电路；
10.所述分压电路连接于电源输入端和地之间；
11.所述延时电路与所述分压电路并联；
12.所述开关电路的第一端与所述电源输入端相连，所述开关电路的第二端与电源输出端相连；
13.所述分压电路的电压输出端与所述开关电路的受控端相连；所述受控端用于控制所述开关电路的第一端和所述开关电路的第二端之间的导通和关断；
14.所述延时电路的延时控制端与所述开关电路的受控端相连。
15.在本实用新型的示例性实施例中，所述分压电路，设置为对电源输入电压进行分
压；
16.所述延时电路，设置为在输入电源后延迟所述开关电源的导通。
17.在本实用新型的示例性实施例中，所述分压电路包括第一电阻和第二电阻；
18.所述第一电阻的第一端与所述电源输入端相连；
19.所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端相连；其中，所述第一电阻的第一端作为所述分压电路的电压输出端；
20.所述第二电阻的第二端接地。
21.在本实用新型的示例性实施例中，所述延时电路可以包括：第一电容和第三电阻；
22.所述第一电容的第一端与所述电源输入端相连；
23.所述第一电容的第二端与所述第三电阻的第一端相连；其中，所述第一电容的第一端作为所述延时电路的延时控制端；
24.所述第三电阻的第二端接地。
25.在本实用新型的示例性实施例中，所述第二电阻和所述第三电阻合并为一个电阻。
26.在本实用新型的示例性实施例中，所述开关电路为金属-氧化物半导体场效应晶体管mosfet；
27.所述mosfet的源极为所述开关电路的第一端，栅极为所述开关电路的受控端，漏极为所述开关电路的第二端。
28.在本实用新型的示例性实施例中，所述浪涌电流限制电路还包括保护电路；所述保护电路连接于所述电源输入端和地之间。
29.在本实用新型的示例性实施例中，所述电源保护电路包括：二极管；
30.所述二极管的阴极与所述电源输入端相连，所述二极管的阳极接地。
31.在本实用新型的示例性实施例中，所述浪涌电流限制电路还包括后端电路；所述后端电路连接于所述电源输出端和地之间。
32.在本实用新型的示例性实施例中，所述后端电路包括：第二电容；
33.所述第二电容的第一端与所述电源输出端相连，所述第二电容的第二端接地。
34.本实用新型实施例的浪涌电流限制电路可以包括：分压电路、延时电路和开关电路；所述分压电路连接于电源输入端和地之间；所述延时电路与所述分压电路并联；所述开关电路的第一端与所述电源输入端相连，所述开关电路的第二端与电源输出端相连；所述分压电路的电压输出端与所述开关电路的受控端相连；所述受控端用于控制所述开关电路的第一端和所述开关电路的第二端之间的导通和关断；所述延时电路的延时控制端与所述开关电路的受控端相连。通过该实施例方案，实现了浪涌电流的抑制能够不依赖热敏电阻，不受环境因素影响，并且设计简单、器件数量少、占用面积小。
35.本实用新型实施例的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型实施例而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
36.附图用来提供对本实用新型技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，
与本技术的实施例一起用于解释本实用新型的技术方案，并不构成对本实用新型技术方案的限制。
37.图1为本实用新型实施例的浪涌电流限制电路组成框图；
38.图2为本实用新型实施例的浪涌电流限制电路结构示意图；
39.图3为本实用新型实施例的浪涌电流限制电路的电流路径示意图；
40.图4为本实用新型实施例的开关电路导通后的电压及电流的渐变过程曲线示意图；
41.图5为本实用新型实施例的mosfet管转移曲线及电容充电曲线示意图。
具体实施方式
42.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
43.本实用新型实施例还提供了一种浪涌电流限制电路，如图1所示，可以包括：分压电路1、延时电路2和开关电路3；
44.所述分压电路1连接于电源输入端v-in和地之间；
45.所述延时电路2与所述分压电路1并联；
46.所述开关电路3的第一端与所述电源输入端v-in相连，所述开关电路3的第二端与电源输出端v-out相连；
47.所述分压电路1的电压输出端11与所述开关电路3的受控端31相连；所述受控端31用于控制所述开关电路3的第一端和所述开关电路3的第二端之间的导通和关断；
48.所述延时电路2的延时控制端21与所述开关电路3的受控端31相连。
49.在本实用新型的示例性实施例中，可以适用于固态硬盘的浪涌电流限制。
50.在本实用新型的示例性实施例中，所述浪涌电流限制电路还包括保护电路；所述保护电路连接于所述电源输入端v-in和地之间。
51.在本实用新型的示例性实施例中，如图2所示，所述电源保护电路可以包括：二极管d1；
52.所述二极管d1的阴极与所述电源输入端v-in相连，所述二极管d1的阳极接地。
53.在本实用新型的示例性实施例中，二极管d1可以为tvs(transient voltage suppressor，瞬态二极管)保护器件，将针对电源接口处(即所述电源输入端v-in)的esd(electro-static discharge，静电释放)破坏性放电起到首要保护作用，因为esd的高压特性，有的甚至会达到几十kv，这部分高压电荷将通过二极管d1的低阻态路径释放到大地，不会对保护电路及后端器件形成破坏。
54.在本实用新型的示例性实施例中，所述分压电路1，设置为对电源输入电压进行分压。
55.在本实用新型的示例性实施例中，所述分压电路包括第一电阻r1和第二电阻r2；
56.所述第一电阻r1的第一端与所述电源输入端v-in相连；
57.所述第一电阻r1的第二端与所述第二电阻r2的第一端相连；其中，所述第一电阻r1的第一端作为所述分压电路1的电压输出端11；
58.所述第二电阻r2的第二端接地。
59.在本实用新型的示例性实施例中，r1、r2构成输入电源vcc_in的分压网络(即分压电路)，当电源引入时，通过r1和r2分压，将开关电路(例如，压控开关器件)受控端形成有效压差，使开关电路完全打开。
60.在本实用新型的示例性实施例中，所述开关电路3为金属-氧化物半导体场效应晶体管mosfet；
61.所述mosfet的源极s为所述开关电路3的第一端，栅极g为所述开关电路的受控端31，漏极d为所述开关电路的第二端。
62.在本实用新型的示例性实施例中，开关电路可以通过mosfet管m1实现。
63.在本实用新型的示例性实施例中，所述浪涌电流限制电路还可以包括后端电路；所述后端电路连接于所述电源输出端和地之间。
64.在本实用新型的示例性实施例中，所述后端电路包括：第二电容c2；
65.所述第二电容c2的第一端与所述电源输出端v-out相连，所述第二电容c2的第二端接地。
66.在本实用新型的示例性实施例中，所述延时电路2，设置为在输入电源后延迟所述开关电源的导通。
67.在本实用新型的示例性实施例中，所述延时电路2可以包括：第一电容c1和第三电阻；
68.所述第一电容c1的第一端与所述电源输入端v-in相连；
69.所述第一电容c1的第二端与所述第三电阻的第一端相连；其中，所述第一电容c1的第一端作为所述延时电路2的延时控制端21；
70.所述第三电阻的第二端接地。
71.在本实用新型的示例性实施例中，所述第二电阻r2和所述第三电阻可以合并为一个电阻，在此可以均使用第二电阻r2。
72.在本实用新型的示例性实施例中，由c1和r2可以构成延时网络(即延时电路)，即rc延时网络，即，通过r1、r2分压网络形成的压差不会立即产生，因为c1的存在，存在一个给c1充电的过程，压差是逐渐形成的，且通过调节c1和r2的具体阻容值大小来控制开关电路3形成有效压差的时间，从而控制开关器件m1的导通时间。此外，c1和r2是电源刚引入时的卸放路径，即在开关器件m1导通之前，m1路径处于高阻态，上电瞬间，第一电容c1短路，此时会有较大电流通过c1和r2路径卸放至大地，在开关器件m1打开之前让电流有卸放路径，否则大量的电荷积累会对相关器件造成一定损坏，而开关装置打开的过程，是一个渐变的过程，也是因为这个渐变的过程将对开关打开瞬间的第二次浪涌电流起到限制作用，这个限制会对浪涌电流峰值起到削弱作用，而限制的强度取决于c1、r2及m1的型号和参数，而后处于稳态电流状态，将对后端提供持续稳定电源。
73.在本实用新型的示例性实施例中，对上述的rc延时网络进行分析，由rc充电曲线可得如下公式：
74.vt＝v0+(vu-v0)*[1-exp(-t/rc)]；
[0075]
其中，vt为任意时刻t第一电容c1上的电压值，vu为第一电容c1充满电后的最终电压值，v0为初始电压值，当初始压值为0时，则vt＝vu*[1-exp(-t/rc)]，r为r2的电阻值，c为
第一电容c1的电容值；因此可计算本rc延时网络的具体延时时间值t：其中vt＝1v(如果m1为p型mos器件，其最小开启电压为vgs＝-0.5v)，r2可以取200k，c1可以取0.1u，则计算获得t＝1.74ms，而浪涌电流脉冲为微秒级(根据测试值为100微妙左右)，因此在脉冲电流完全卸放后开关电路才会打开，这是第一次浪涌电流的规避过程，在m1逐步打开的过程中，由于后端电路电容的存在，紧接着，还有第二次浪涌电流的发生。
[0076]
在本实用新型的示例性实施例中，通过以上演算得知，可通过调节r2和c1的阻容值大小来调整开关电路3的打开时间，以确保完全规避浪涌的冲击。整体设计简捷，保证器件数量最小化而功能完备，包括esd保护、延时、卸放，功能网络齐全且通过器件选型可以保证整体系统功能的实现。
[0077]
在本实用新型的示例性实施例中，电流路径图可以如图3所示，对整体系统各个功能部分进行了简单标注，其中第一箭头a为esd放电通路，采用tvs对地放电，针对固态硬盘的12v输入标准，tvs的vrwm值为12v，且可以满足30kv的空气及接触放电标准。第二箭头b是第一波浪涌电流的放电通路，由输入电源端经过c1和r2流向大地。vt代表开关器件m1的s端的压降，因为电容c1的存在，当输入电源vcc_in接入时，s端的压降不会立即达到12v，而是先给c1充电，充电时间的大小由r2和c1组成的rc延时网络决定。
[0078]
在本实用新型的示例性实施例中，紧接着，m1开关的v
gs
压差逐渐形成，m1开关通路的阻抗将由高变低，m1逐步打开，图4模拟了c1电压逐步充电升高的过程以及压差达到m1的开启电压后，m1路径上的电压及电流的渐变过程，其中电流是先高后低并存在一个峰值。这个过程是由mos管m1的转移特性曲线以及后端电路c2的充电过程决定的。
[0079]
在本实用新型的示例性实施例中，如图5所示，为mos管转移曲线及电容充电曲线示意图，其中，a1为电容充电曲线，a2为转移曲线，根据mosfet管的转移特性曲线，vgs越大，rds越小，id就越大，而根据电容的充电特性，电容的充电电流是逐渐变小的，当两者达到一个平衡，出现最大电流，而后，电流逐渐减小并稳定于稳态值。而上面讲到，通过调节c1和r2的值可以调节延时时间，即调节m1开启电压的上升速度，这时c1和r2的第二个作用就是通过控制开启电压的上升速度来控制电流峰值，以达到限制第二次浪涌电流的目的。而不同的mos型号，对应的开启电压不同，转移特性曲线也不同，因此实际浪涌电流的情况也不尽相同，所以，c1、r2及mos型号决定了浪涌电流的实际波形。此时，在调节r2时注意调节r1的值，以确保分压电路可以产生有效的压差。
[0080]
在本实用新型的示例性实施例中，由以上内容可知，本实用新型实施例的浪涌电流限制电路的工作流程包括：esd防护、第一次浪涌卸放路径、开关延时控制、第二次浪涌限制、电源通路。当电源接入时，首先esd防护部分对可能产生的接触放电或空气放电进行及时卸放，免得后端器件受到伤害，紧接着，第一次浪涌脉冲产生，浪涌卸放路径将针对浪涌电流进行卸放，使电荷及时流失掉，然后经过开关电路对第二次浪涌电流的限制后供电逐步达到稳定状态。
[0081]
在本实用新型的示例性实施例中，至少包括以下优势：
[0082]
1、没有采用热敏器件，也没有任何传感器器件，具有专门的延时电路，是根据rc网络延时原理设计的，即开关电路的导通时间由rc延时网络控制，不受环境因素影响；
[0083]
2、适用范围较为广泛，可以适用于其它领域，只不过要调整器件的型号，比如r2和c1的具体特征值选定，开关器件的开启电压，转移特性曲线，通流能力，开关器件的ds耐压
等(由产品的功耗、输入电源、对浪涌电流的峰值及跨度时间等要求决定)；根据设计产品的功耗情况及电源特性，对器件型号进行调整即可，整个系统可以灵活使用；
[0084]
3、设计简捷，主要包括延时电路、开关电路和分压电路组成，器件数量少，整体只有五个器件，完全可以实现浪涌防护的功能，且大大节省了pcb(印刷电路板)的面积，提升了pcb空间使用率；
[0085]
4、节约成本。
[0086]
在本实用新型中的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”、“边”、“相对”、“四角”、“周边”、
““
口”字结构”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0087]
在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“直接连接”、“间接连接”、“固定连接”、“安装”、“装配”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；术语“安装”、“连接”、“固定连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0088]
虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定为准。