过压过流保护电路及电路板的制作方法

1.本技术涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种过压过流保护电路及电路板。


背景技术：

2.目前，车机领域的充放电设备以及家用医疗领域的电子设备都需要电源提供电力支持。但电源设备在充电或放电的过程中，常常会发生电流过大，从而导致电路短路引发电子设备的关键芯片损坏；由于通电瞬间，电源两端电压突变，会对电子设备造成冲击，损坏关键芯片。针对电源设备使用过程中的过压和过流问题，需要设计过压过流保护电路来保护电子设备，以免电子设备的损坏。


技术实现要素：

3.基于此，提供一种过压过流保护电路及电路板，解决现有技术中电源向电子设备供电时发生的过压过流问题。
4.一方面设计一种过压过流保护电路，所述电路包括：功率开关芯片，所述功率开关芯片包括输入引脚、过压输入保护引脚、限流点设置引脚、输出电压限制引脚以及输出引脚，所述输入引脚与待接入电源的输入端连接，所述输出引脚与待保护设备的输入端连接；第一分压单元，所述第一分压单元与所述功率开关芯片的过压输入保护引脚连接；第二分压单元，所述第二分压单元包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端与所述功率开关芯片的输出电压限制引脚连接，所述第一电阻的另一端与所述功率开关芯片的输出引脚连接，所述第二电阻的一端与所述功率开关芯片的输出电压限制引脚连接，所述第二电阻的另一端接参考地线；限流单元，所述限流单元与所述功率开关芯片的限流点设置引脚连接。
5.在其中一个实施例中，所述电路还包括限流单元，所述限流单元设置第五电阻，所述第五电阻的一端与所述功率开关芯片的限流点设置引脚连接，另一端接参考地线。
6.在其中一个实施例中，所述电路还包括软启动时间设置单元，所述软启动时间设置单元包括容值可调的第五电容，所述第五电容的一端接参考地线，所述第五电容的另一端与所述功率开关芯片的软启动引脚连接。
7.在其中一个实施例中，所述电路还包括共模噪声抑制单元，共模噪声抑制单元与功率开关芯片的输入引脚连接，共模噪声抑制单元包括：共模滤波器，所述共模滤波器的第一引脚与所述功率开关芯片的输入引脚连接，所述共模滤波器的第二引脚与所述电源的输入端连接，所述共模滤波器的第三引脚接参考地线，所述共模滤波器的第四引脚接保护地线；第六电容，所述第六电容的一端与所述电源的电压输入端连接，所述第六电容的另一端接保护地线；第七电容，所述第七电容的一端与所述功率开关芯片的输入引脚连接，所述第七电容的另一端接参考地线；第一电解电容，所述第一电解电容的正极与所述电源的电压输出端连接，所述第一电解电容的负极接保护地线；第二电解电容，所述第二电解电容的正极与所述功率开关芯片的输入引脚连接，所述第二电解电容的负极接参考地线；第二二极
管，所述第二二极管的阴极与所述电源的输出端连接，所述第二二极管的阳极接保护地线。
8.在其中一个实施例中，所述电路的还设置有使能单元，所述使能单元包括：第七电阻，所述第七电阻的一端与所述功率开关芯片的使能引脚连接，所述第七电阻的另一端与所述功率开关芯片的接地引脚连接；第十电阻，所述第十电阻的一端与电源连接，所述第十电阻的另一端与所述功率开关芯片的使能引脚连接。
9.在其中一个实施例中，所述电路还设置有滤波单元，包括：第一电容，所述第一电容的一端与所述功率开关芯片的输入引脚连接，所述第一电容的另一端与所述功率开关芯片的输出引脚连接；第二电容，所述第二电容的一端与所述功率开关芯片的输出引脚连接，所述第二电容的另一端接参考地线；第八电容，所述第八电容的一端与所述功率开关芯片的输入引脚连接，所述第八电容的另一端与所述功率开关芯片的接地引脚连接。
10.在其中一个实施例中，所述电路还包括输出保护单元，所述输出保护单元包括：第四电容，所述第四电容的一端与所述功率开关芯片的输出引脚连接，所述第四电容的另一端接参考地线；第一二极管，所述第一二极管的阳极接参考地线，所述第一二极管的阴极与所述功率开关芯片的输出引脚连接。
11.在其中一个实施例中，所述电路还包括电源参考电位稳定单元，所述电源参考电位稳定单元包括：第九电阻，所述第九电阻的一端接电源地线，所述第九电阻的另一端接参考地线，所述第九电阻为0欧电阻；第三二极管，所述第三二极管的阳极接电源地线，所述第三二极管的阴极接参考地线。
12.另一方面，提供一种过压过流保护电路板，包括至少一个所述过压过流保护电路，以及基板，所述过压过流保护电路与所述基板连接。
13.上述过压过流保护电路，通过第一分压单元限制输入电压过大的问题；通过第二分压单元设定第一电阻和第二电阻的电阻值，可以设定第一电阻和第二电阻的分压关系，进而可以限制输出电压过大；通过改变第五电阻的阻值来调节所述功率开关芯片的限流点，实现限制输出电流过大的效果；所述功率开关芯片分别与所述第一分压单元、第二分压单元以及限流单元连接；通过所述功率开关芯片控制电路的通断，来解决向电子设备供电时发生的过压过流问题。
附图说明
14.图1为过流过压保护电路的结构示意图；
15.图2为一个实施例中过压过流保护电路总体实例电路图；
16.图3为过压过流保护电路板的结构示意图。
17.附图标号如下：
18.u1、功率开关芯片；
19.c1、第一电容；
20.c2、第二电容；
21.c4、第四电容；
22.c5、第五电容；
23.c6、第六电容；
24.c7、第七电容；
25.c8、第八电容；
26.ct1、第一电解电容；
27.ct2、第二电解电容；
28.r1、第一电阻；
29.r2、第二电阻；
30.r3、第三电阻；
31.r4、第四电阻；
32.r5、第五电阻；
33.r7、第七电阻；
34.r9、第九电阻；
35.r10、第十电阻；
36.d1、第一二极管；
37.d2、第二二极管；
38.d3、第三二极管；
39.l1、共模滤波器。
具体实施方式
40.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
41.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
42.本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
43.本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”、“纵向”、“横向”、“水平”、“内”、“外”、“径向”、“周向”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，亦仅为了便于简化叙述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
44.当前，在过压过流保护电路的设计中，常见的过压过流保护电路通常是由电路模块组合而成的，在应用时，电路结构分析较为复杂。为此，设计一种结构简单的过压过流保护电路，如图1所示，包括：功率开关芯片，所述功率开关芯片包括输入引脚in、过压输入保护引脚vcp、限流点设置引脚ilmt、输出电压限制引脚ovp以及输出引脚out，所述输入引脚与待接入电源的输入端连接，所述输出引脚与待保护电路的输入端连接；第一分压单元，所
述第一分压单元与所述功率开关芯片的过压输入保护引脚连接；第二分压单元，所述第二分压单元包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端与所述功率开关芯片的输出电压限制引脚连接，所述第一电阻的另一端与所述功率开关芯片的输出引脚连接，所述第二电阻的一端与所述功率开关芯片的输出电压限制引脚连接，所述第二电阻的另一端接参考地线；限流单元，所述限流单元与所述功率开关芯片的限流点设置引脚连接。
45.所述过压过流保护电路基于功率开关芯片，通过第一分压单元设置输入电压保护点，通过第二分压单元设置钳压保护点，通过限流单元设置输出电流限制点，功率开关会基于预设的电压电流限制点，将其与当前输入设备的电压和电流的大小比对，进而控制电路的通断，从而实现电路的过压过流保护。
46.在其中一个实施例中，如图2所示，第一分压单元中的第三电阻r3与第四电阻r4串联在所述功率开关芯片u1的供电电源与电源地线之间，第三电阻r3与第四电阻r4之间引出导线与所述功率开关芯片u1的输入电压限制引脚连接。所述功率开关芯片u1的供电电源与第三电阻r3与第四电阻r4以及功率开关芯片u1的电源地线形成通路。此时，输入电压保护点的数学表达为：
[0047][0048]
其中，v
ovp
表示所述功率开关芯片u1的输入电压保护点，v2表示输入电压设置引脚处的电位。
[0049]
示例性的，如图2所示，第一分压单元中第三电阻r3的阻值为24.9kω，第四电阻r4的阻值为2.2kω，功率开关芯片u1的输入电压设置引脚处的电位v2为1.2v，代入r3、r4以及v2的值可以得到功率开关芯片u1的过压输入保护点v
ovp
的电压值为12.3v，在其他实施例中，可以根据电源的输入电压的大小，来调整第三电阻r3与第四电阻r4的电阻值，例如第三电阻r3选用30kω的色环电阻，第四电阻r4选用10kω的色环电阻，则此时功率开关芯片u1的过压输入保护点v
ovp
的电压值为4.8v。
[0050]
在其中一个实施例中，如图2所示，第一电阻r1与所述第二电阻r2串联在所述功率开关芯片u1的输出引脚与参考地线之间，第一电阻r1与第二电阻r2之间引出导线与所述功率开关芯片u1的输出电压限制引脚连接。所述功率开关芯片u1的输出引脚与第一电阻r1与第二电阻r2以及功率开关芯片u1的参考地线形成通路。此时，过压输入保护点的数学表达为：
[0051][0052]
其中，v
clamp
表示所述功率开关芯片u1的钳压保护点，v7表示输出电压限制引脚的电位。
[0053]
示例性的，所述第二分压单元中的第一电阻r1的电阻值为24.9kω，第二电阻r2的电阻值为2.2kω，功率开关芯片u1的输出电压限制引脚处的电位v7为1.2v，代入r1、r2以及v7的值可以得到功率开关芯片u1的过压输入保护点v
clamp
的电压值为12.3v。在其他实施例中，可以通过设置第一电阻r1以及第二电阻r2的电阻值，来改变两个电阻的分压关系，进而设置钳压保护点，例如，第一电阻r1的电阻值设定为8.8kω，第二电阻r2的电阻值设定为
2.2kω经计算得到钳压保护点的电压v
clamp
为6.0v。
[0054]
在其中一个实施例中，如图2所示，所述限流单元包括第五电阻r5，第五电阻r5的一端与所述功率开关芯片u1的限流点设置引脚连接，另一端连接参考地线。所述功率开关芯片u1的引脚与第五电阻r5以及参考地线形成通路，所述功率开关芯片u1的限流点的电流i的数学表达为：
[0055][0056]
其中，v
ilmt
表示所述功率开关芯片u1的限流点设置引脚处的电位，r5表示第五电阻的电阻值。
[0057]
示例性的，第五电阻r5的电阻值为2.2，所述功率开关芯片u1的限流点设置引脚处的电位v
ilmt
为11v，代入r5以及v
ilmt
的值，计算得到限制电流i为5a。在v
ilmt
固定的情况下，限制电流i与第五电阻r5的电阻值成反比。在其他实施例中，可根据待保护的电子设备的额定电流来设置第五电阻r5的电阻值，例如，设置第五电阻r5的阻值为3.9kω，则根据计算得到输出限制电流大小为2.8a。
[0058]
在其中一个实施例中，如图2所示，所述软启动时间设置单元设置有容值可调的第五电容c5，第五电容c5与所述功率开关芯片u1的软启动设置引脚ss连接。通过设置第五电容c5的电容值，可以调节所述功率开关芯片u1的软启动时间。功率开关芯片u1的内置启动软件启动时间为t
ss_dlt
，启动电流为i
int
，若要保持芯片内置默认启动时间，则第五电容c5的电容值的数学表达为：
[0059]css
＝t
ss_dlt
*i
int
[0060]
其中，t
ss_dlt
表示芯片内置软启动时间，i
int
表示芯片内置的启动电流。
[0061]
所述功率开关芯片u1内置启动软件启动时间t
ss_dlt
＝1.4ms，启动电流i
int
＝3.6ua，代入t
ss_dlt
以及i
int
的值得到第五电容c5的电容值为50nf。
[0062]
因此，要改变功率开关芯片u1的软启动时间，在内部软件启动电流不变的情况下，只需调节第五电容c5的电容值，功率开关芯片u1的软启动时间t
ss
的数学表达如下：
[0063][0064]
其中，t
ss
为芯片的软启动时间，c5为第五电容c5的电容值。
[0065]
示例性的，第五电容c5的电容值c5设定为33nf，代入c5以及i
int
的值，得到功率开关芯片u1的软启动时间为0.9ms。在其他实施例中，可根据自定义的功率开关芯片u1的软启动时间，来调整第五电容c5的电容值，例如调整第五电容c5的电容值为82nf，则可计算得到功率开关芯片u1的软启动时间为2.3ms，软启动时间加长可以减小电流对待保护电子设备的冲击。
[0066]
在其中一个实施例中，如图2所示，由于输入电源与所述过流过压保护电路连接时，电路中会产生共模噪声信号，影响功率开关芯片u1的正常工作，所以在输入电源接入功率开关芯片u1前加入共模噪声抑制电路。共模噪声抑制电路中的共模滤波器l1具有高共模噪声抑制能力，通过高共模噪声阻抗特性达到高共模噪声抑制效果。与共模滤波器l1连接的电容器，其中第一电解电容ct1与第六电容c6并联连接，第二电解电容ct2与第七电容c7
并联连接，第一电解电容ct1与第二电解电容ct2可以过滤中低频信号，但是由于第一电解电容ct1和第二电解电容ct2的电容值很大，导致对低频信号的阻抗下降，因此需要并联阻值很小的电容以过滤低频信号。第六电容c6与第一电解电容ct1并联连接，可以过滤输入共模滤波器l1的第二引脚的中低频噪声。
[0067]
示例性的，共模噪声抑制电路中的共模滤波器l1使用lcv70-701-2pl-tl00(以下简称lcv70)，lcv70具有高共模噪声抑制能力，具有700ω典型共模阻抗和4a最大电流，lcv70的工作温度范围为-40℃至+125℃。与共模滤波器l1连接的第六电容c6与第七电容c7为电容值很小的贴片电容，第一电解电容ct1和第二电解电容ct2的电容值较大。优选的是，第六电容c6和第七电容c7是电容值为0.1uf的贴片电容，可以通过高频电压信号。第一电解电容ct1和第二电解电容ct2是电容值为22uf的铝电解电容，其使用频率已达到30khz，工作温度范围已达到-55℃—125℃，额定电压可达700v，可以有效地过滤中低频信号和共模噪声。
[0068]
共模噪声抑制电路中，如图2所示，在第一电解电容ct1两端并联第二二极管d2，第二二极管d2的阴极与第一电解电容ct1的正极连接，第二二极管d2的阳极与第一电解电容ct1的负极连接，由于电解电容只能单向承压，所以利用第二二极管d2的单向导通特性，防止第一电解电容ct1出现反压损坏电容器。示例性的，第二二极管d2为ss3p6hm3，可以抑制最大60v的反向电压。
[0069]
示例性的，输出保护电路中的第一二极管d1为肖特基二极管ss24，ss24的平均整流电流为2a，反向耐压为40v。在一个实施例中，第四电容c4的电容值是2.2uf。
[0070]
在一个实施例中，如图2所示，所述使能单元的使能引脚en连接的第七电阻r7与第十电阻r10的电阻值很大，示例性的，第七电阻r7与第十电阻r10都选用阻值为100kω的大电阻。功率开关芯片u1的供电电源、第七电阻r7第十电阻r10、以及功率开关芯片u1的电源地线形成通路，从而在功率开关芯片u1的使能引脚形成电位v
en
。功率开关芯片u1内置了逻辑模块，当输入电压小于等于钳压保护点时，逻辑模块控制开关处于打开状态，电路接通，当输入电压超过钳压保护点时，逻辑模块控制开关处于断开状态，电路切断，确保待保护的电子设备不输入超过钳压保护点的电压；当功率开关芯片u1的输出电流小于等于限流保护点时，逻辑模块控制开关处于打开状态，电路接通，当功率开关芯片u1的输出电流超过限流保护点时，逻辑模块控制开关处于断开状态，电路切断，确保待保护的电子设备不输入超过限流点的电流。
[0071]
在一个实施例中，如图2所示，所述滤波单元包括第一电容c1、第二电容c2和第八电容c8。第一电容c1的一端与所述功率开关芯片u1的输入引脚连接，第一电容c1的另一端与功率开关芯片u1的输出引脚连接。第八电容c8的一端与所述功率开关芯片u1的输入引脚连接，第八电容c8的另一端与功率芯片的接地引脚连接。第二电容c2的一端与功率开关芯片u1的连接，第二电容c2的另一端接参考地。第一电容c1与第八电容c8是旁路电容，都有一端连接到功率开关芯片u1的输入引脚，用于滤除输入功率开关芯片u1的高频干扰信号，以及作为电路的储能元件。第二电容c2在电路中的作用是去耦电容，用于滤除功率开关芯片u1自身产生的高频干扰信号，防止干扰待保护的电子设备。示例性的，第一电容c1、第二电容c2和第八电容c8都是电容值为2.2uf的贴片电容。
[0072]
在其中一个实施例中，如图2所示，所述功率芯片的输出电压同时与第四电容c4的
一端连接，第四电容c4的另一端接参考地线，第一二极管d1与第四电容c4并联接入。由于所述功率开关芯片u1的输出引脚在向待保护的电子设备电压输出时，第四电容c4两端会形成电势差，即所述功率开关会向第四电容c4充电。当电源突然断开时，电容两端的电压无法突变。与第四电容c4并联的第一二极管d1的阴极与第四电容c4聚集正电荷的一端连接，由于二极管的单向导电性，第四电容c4不能卸掉电荷，所以第四电容c4两端的电压还存在，即所述功率开关芯片u1的输出引脚以及待保护的电子设备保持断电前的电位，当重新来电时，待保护的电子设备的电路自动从上次未完成的工作状态接着工作。
[0073]
在一个实施例中，如图2所示，所述电路中有保护地线、电源地线以及参考地线，电压是相对于0电势的参考地线的，地的标准要一致，因此只要是地线就都要短接在一起然后接入大地。但如果把所述电路中接地的元器件直接短接然后接入大地，会造成各元器件之间互相干扰，影响电路正常工作。因此所述第一分压单元、第二分压单元以及共模噪声抑制电路都要单点接地，然后再将所有的地线连接。
[0074]
地线互连的方式有四种：1、用磁珠连接，磁珠的等效电路相当于带阻限波器，只对某个频点的噪声有显著抑制作用，使用时需要预先估算噪点频率，以便选用适当型号，由于该实用新型应用于多种电源保护电路，使用磁珠会限制待保护电子设备的频率范围，或需要频繁更换；2、用电容连接，电容隔直流通交流，会造成浮地，使得参考电位不为0；3、用电感连接，电感体积大，杂散参数多，不稳定；4、用0欧电阻连接，0欧电阻并非电阻值为0,0欧电阻相当于很窄的电流通路，能够有效地限制地线之间电流流通，保持参考电位稳定为0。
[0075]
示例性的，所述电源参考电位稳定单元中的第九电阻r9是0欧贴片电阻，所述第三二极管d3是ss24肖特基二极管。第三二极管d3的阳极与电源地线连接，第三二极管d3的阴极与参考地线连接，由于二极管的单向导电性，当参考地中的电压高于电源地线时，第三二极管d3阻碍参考地中的电流流向电源地，以免影响使能单元的电平。
[0076]
在其中一个实施例中，所述过压过流保护电路板，包括至少一个所述的过压过流保护电路。示例性的，如图3所示的过压过流保护电路板包括两个所述的过压过流保护电路：第一过压过流保护电路与第二电压过压过流保护电路并联连接，第一过压过流保护电路的输入端与第二过压过流保护电路的输入端连接，引出过压过流保护电路板的输入端301,301与待接入的电源连接，第一过压过流保护电路的输出端与第二过压过流保护电路的输出端连接，引出过压过流保护电路板的输出端302,302与待保护的电子设备连接。所述过压过流保护电路板通过并联两个所述过压过流保护电路来扩展所述过压过流保护电路的工作电流宽度。在其他实施例中，可以根据被保护电子设备的工作电流范围，来调整所述过压过流保护电路板中过压过流保护电路的个数，以扩展工作电流范围，例如，在其他实施例中，可以并联三个所述过压过流保护电路，将输出端302的工作电流扩大至单个过压过流保护电路的三倍。
[0077]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0078]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的
保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。