过流保护电路、开关管驱动电路以及电动设备的制作方法

本发明属于过流保护技术领域，尤其涉及一种开关管电路的过流保护电路、开关管驱动电路以及电动设备。

背景技术：

目前，传统的开关管的关断控制一般是采用软件控制，例如，电路电流经ad采样传输到mcu中，由mcu进行计算后，根据计算结果控制pwm(pulsewidthmodulation，脉冲调制宽度)的输出，进而控制开关管的通断，保护机制单一，而且这种控制方式在开关管过流后，要经过对电流的ad采样、软件计算、调整pwm输出才到关断开关管，因而过程复杂且保护速度慢。

因此，传统的技术方案中存在保护机制单一、过程复杂且保护速度慢问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种开关管电路的过流保护电路、开关管驱动电路以及电动设备，旨在解决传统的技术方案中存在的保护机制单一、过程复杂且保护速度慢的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种电动设备，包括电机，还包括一种开关管驱动电路，所述开关管用于驱动所述电机。

本发明实施例的第二方面提供了上述的一种开关管驱动电路，包括过流保护电路、驱动信号源、开关管、负载以及第二电源，所述驱动信号源与所述开关管的控制端连接，其中：

所述第二电源、所述负载、所述开关管依次串联连接到地；或

所述第二电源、所述开关管、所述负载依次串联连接到地。

本发明实施例的第三方面提供了上述的一种过流保护电路，用于防止开关管电路过流，所述开关管电路包括开关管和用于驱动所述开关管通断的驱动信号源，所述过流保护电路包括：

第一二极管，负极与所述开关管的输入端或输出端连接；

判断模块，所述判断模块的第一输入端接入参考信号，所述判断模块的第二端与所述第一二极管的正极和所述驱动信号源连接，所述判断模块被配置为在所述驱动信号源输出的驱动信号的大于第一阀值或所述开关管的导通电流大于第二阈值时输出控制信号关断所述开关管的控制端接收到的所述驱动信号。

在一个实施例中，所述判断模块包括第一电阻、第一电容以及电压比较器，所述第一电阻的第一端与所述驱动信号源连接，所述第一电阻的第二端、所述第一电容的第一端以及所述电压比较器的第一输入端与所述第一二极管的正极连接，所述第一电容的第二端接地，所述电压比较器的第二输入端接入所述参考信号。

在一个实施例中，所述判断模块还包括第三电阻，所述第三电阻的第一端与所述第一二极管的正极连接，所述第三电阻的第二端与所述第一电阻的第二端、所述第一电容的第一端以及所述电压比较器的第一输入端连接。

在一个实施例中，还包括用以产生所述参考信号的参考信号输出模块，所述参考信号输出模块的输入端与第一电源连接，所述参考信号输出模块的输出端与所述判断模块的第一输入端连接。

在一个实施例中，所述参考信号输出模块包括第四电阻和第五电阻，所述第四电阻的第一端接于第二电源，所述第四电阻的第二端与所述第五电阻的第一端共接于所述判断模块的第二输入端，所述第五电阻的第二端接地。

在一个实施例中，所述判断模块的输出端与所述驱动信号源连接，所述驱动信号源接收所述控制信号。

在一个实施例中，还包括开关模块，所述开关模块的控制端与所述判断模块的输出端连接，且连接在所述驱动信号源和所述与所述开关管的控制端之间，所述开关模块被配置为根据所述判断模块输出的控制信号控制所述驱动信号的通断。

在一个实施例中，所述开关模块包括第二电阻和功率开关管，所述功率开关管的控制端经所述第二电阻接于所述开关模块的控制端，所述功率开关管的输入端连接在所述驱动信号源和所述与所述开关管的控制端之间，所述功率开关管的输出端接地。

上述的开关管电路的过流保护电路，通过加入判断模块和第一二极管，在驱动信号源输出的驱动信号的大于设阀值或开关管的导通电流大于阈值时关断开关管，通过硬件电路实现即时关断开关管的功能，进而提高对开关管的保护的相应速度，传统的技术方案中存在的保护机制单一、过程复杂且保护速度慢的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的开关管驱动电路的电路示意图；

图2为本发明另一实施例提供的开关管驱动电路的电路示意图；

图3为本发明另一实施例提供的开关管驱动电路的电路示意图；

图4为本发明一实施例提供的开关管电路的过流保护电路的电路示意图；

图5为本发明另一实施例提供的开关管电路的过流保护电路的电路示意图；

图6为本发明另一实施例提供的开关管电路的过流保护电路的电路示意图；

图7为本发明另一实施例提供的开关管电路的过流保护电路的电路示意图；

图8为图4所示的开关管电路的过流保护电路中判断模块的示例电路原理图；

图9为图4所示的开关管电路的过流保护电路中判断模块的另一示例电路原理图；

图10为本发明另一实施例提供的开关管电路的过流保护电路的电路示意图；

图11为图10所示的开关管电路的过流保护电路中参考信号输出模块的示例电路原理图；

图12为本发明另一实施例提供的开关管电路的过流保护电路的电路示意图；

图13为本发明另一实施例提供的开关管电路的过流保护电路的电路示意图；

图14为图13所示的开关管电路的过流保护电路中开关模块的示例电路原理图；

图15为本发明另一实施例提供的开关管电路的过流保护电路的电路示意图；

图16为本发明另一实施例提供的开关管电路的过流保护电路的电路示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明第一实施例提供的一种电动设备，包括电机，还包括开关管驱动电路，开关管用以驱动电机。

请参阅图1和图2，本发明第二实施例提供了一种开关管驱动电路，包括过流保护电路200、驱动信号源101、开关管102、负载103以及电源104，过流保护电路200用于在驱动信号源101输出的驱动信号的大于设阀值或开关管102的导通电流大于阈值时关断开关管102，应理解，负载可以是电阻、制动模块等非产能器件或者设备，其中：

在一个实施例中，请参阅图1，电源104、负载103、开关管102依次串联连接到地。

在一个实施例中，请参阅图2，电源104、开关管102、负载103依次串联连接到地。

在一个实施例中，请参阅图3，电源104、负载103、开关管102以及分压模块105依次串联连接到地，可以由具备分压作用的器件构成，例如电阻或者电位器。

应理解，本实施例的开关管驱动电路包括至少一个开关管，当包含n个开关管时，对应的包括n个过流保护电路。

本实施例中，通过加入过流保护电路，实现了不需要通过软件，只需通过硬件反馈就可对开关管进行了过流保护，进而提高对开关管的保护的相应速度，解决了传统的技术方案中存在的过程复杂且保护速度慢的问题。

请参阅图4，本发明第三实施例提供了一种开关管电路的过流保护电路的电路示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

在一个实施例中的开关管电路的过流保护电路，开关管电路包括开关管102和用于驱动开关管102通断的驱动信号源101，开关管102的控制端与驱动信号源101连接，开关管102可以由具备控制电路通断功能的三端型开关管或者开关管芯片构成，例如mos管、igbt晶闸管或者三极管，为了便于理解，举例如下：当开关管102为nmos管时，nmos管的栅极为开关管102的控制端，nmos管的漏极为开关管102的输入端，nmos为的源极开关管102的输出端；当开关管102为pmos管时，pmos管的栅极为开关管102的控制端，pmos管的源极为开关管102的输入端，pmos为的漏极为开关管102的输出端，相应的，选用其他器件时也以此类推。

过流保护电路包括二极管d1和判断模块210，二极管d1的负极与开关管102的输入端或输出端连接，判断模块210的第一输入端接入参考信号，判断模块210的第二端与二极管d1的正极和驱动信号源101连接，过流保护电路利用二极管d1的单向导电性，避免开关管电路的电流流到过流保护电路的判断模块210的第二端，进而影响判断模块210的判断，判断模块210被配置为在驱动信号源101输出的驱动信号的大于第一阀值或开关管102的导通电流大于第二阈值时输出控制信号关断开关管102的控制端接收到的驱动信号，判断模块210可以由能够比较两个输入端的电压大小并根据对比结果输出不同的电平信号的器件以及具备调试电平电压的器件构成，例如电压比较器或者微处理器以及电阻或者电容等，应理解，驱动信号和参考信号都可以是电平信号，参考信号是根据电路的驱动信号最大值预设和调整的。

本发明实施例中的过流保护电路通过实时监测开关管102在开通工作时，开关管102的输入端-输出端之间的电压值是否超过设计阀值，依此判断流经该开关管102的电流值是否超过设计规定的最大电流值，通过硬件反馈保持打开或关断打开的开关管102。当开关管102未打开时，反馈信号不影响驱动系统对开关管102的开通关断控制；当系统正常工作，开关管102为开通状态，反馈信号不影响驱动系统对开关管102的开通关断控制；当系统处于不正常工作状态，例如驱动系统上下桥臂同时导通，制动电阻短路等，使得开关管102的输入端-输出端之间的电压值超过设计阀值，而开关管102的输入端-输出端正常开通工作时，内阻值可由规格书得知，根据公式i＝u/r，从而可据此判断流经该开关管102的电流值超过设计电流最大阀值，从而硬件反馈信号将开关管102可不通过软件的控制，及时进行关断该开关管102，及时保护电路安全。

参阅图1和图5，在一个实施例中，当电源104、负载103、开关管102依次串联连接到地，也就是说开关管102的输出端直接接地时，二极管d1的负极与开关管102的输入端连接，判断模块210的第一输入端接入参考信号，判断模块210的第二端与二极管d1的正极和驱动信号源101连接，其工作原理如下：在开关管电路不工作时，即当驱动信号源101输出低电平时，开关管102处于关断状态，判断模块210的第二端电平为0，判断模块210的第一端电平为预设的参考电平uref，该预设参考电平uref调试为开关管电路正常工作电压，此时判断模块210的第一端电平大于第二端电平，因而不输出能关闭开关管102的控制端接收到的驱动信号；当开关管电路正常工作时，驱动信号源101输出高电平，开关管102导通，此时调试使得开关管102的电压与二极管d1的电压的总和小于或者等于参考电平uref；当开关管电路非正常工作时，例如驱动信号源101输出的驱动信号大于原预设应输出的电平或者因其他问题而导致开关管电路过流时，开关管102的电压+二极管d1的电压大于参考电平uref，判断模块210输出控制信号关断开关管102的控制端接收到的驱动信号。

参阅图2和图6，在一个实施例中，当电源104、开关管102、负载103依次串联连接到地，也就是说当开关管102的输出端经负载103接地时，二极管d1的负极与开关管102的输出端连接，判断模块210的第一输入端接入参考信号，判断模块210的第二端与二极管d1的正极和驱动信号源101连接，其工作原理如下：在开关管电路不工作时，即当驱动信号源101输出低电平时，开关管102处于关断状态，判断模块210的第二端电平为0，判断模块210的第一端电平为预设的参考电平uref，该预设参考电平uref调试为开关管电路正常工作电压，此时判断模块210的第一端电平大于第二端电平，因而不输出能关闭开关管102的控制端接收到的驱动信号；当开关管电路正常工作时，驱动信号源101输出高电平，开关管102导通，此时调试使得二极管d1的电压和负载103的电压相加的值小于或者等于参考电平uref；当开关管电路非正常工作时，例如驱动信号源101输出的驱动信号大于原预设应输出的电平或者因其他问题而导致开关管电路过流时，二极管d1的电压和负载103的电压相加的值大于参考电平uref，判断模块210输出控制信号关断开关管102的控制端接收到的驱动信号。

参阅图3和图7，在一个实施例中，当电源104、负载103以及开关管102依次串联，且开关管102的输出端经分压模块105接地时，二极管d1的负极与开关管102的输出端连接，判断模块210的第一输入端接入参考信号，判断模块210的第二端与二极管d1的正极和驱动信号源101连接，其工作原理可参考上一实施例。

参阅图8，在一个实施例中，判断模块210包括第一电阻r1、第一电容c1以及电压比较器u1，第一电阻r1的第一端与驱动信号源101连接，第一电阻r1的第二端、第一电容c1的第一端以及电压比较器u1的第一输入端与二极管d1的正极连接，第一电容c1的第二端接地，电压比较器u1的第二输入端接入参考信号，应理解，在本实施中，可以调试第一电阻r1和第一电容c1的值或者选择根据实际需要合适的第一电阻r1和第一电容c1，以使开关管电路在正常工作时，电压比较器u1的第一输入端电平不高于参考信号，其中，在开关管102正常导通过程中(从截止到完全导通期间)，利用第一电容c1充电特性以避免电压比较器u1的第一输入端高于参考信号。

参阅图9，在一个实施例中，判断模块210还包括第三电阻r3，第三电阻r3的第一端与二极管d1的正极连接，第三电阻r3的第二端与第一电阻r1的第二端、第一电容c1的第一端以及电压比较器u1的第一输入端连接。

参阅图10，在一个实施例中，过流保护电路还包括用以产生参考信号的参考信号输出模块230，参考信号输出模块230的输入端与第一电源连接，参考信号输出模块230的输出端与判断模块210的第一端连接。

参阅图11，在一个实施例中，参考信号输出模块230包括第四电阻r4和第五电阻r5，第四电阻r4的第一端接于电源104，第四电阻r4的第二端与第五电阻r5的第一端共接于判断模块210的第二输入端，第五电阻r5的第二端接地。

参阅图12，在一个实施例中，判断模块210的输出端与驱动信号源101连接，应理解，驱动信号源101可以由驱动芯片构成，判断模块210输出的控制信号，直接输送到驱动信号源101中，以使驱动信号源101停止输出驱动信号或者输出低电平，进而关断开关管102。

参阅图13，在一个实施例中，过流保护电路还包括开关模块220，开关模块220被配置为根据判断模块210输出的控制信号导通或者关断，进而使开关管102截止或者导通，开关模块220可以由具备根据控制端信号不同而导通或关闭的功能的器件构成，比如开关管102或者开关芯片，开关模块220的控制端与判断模块210的输出端连接，开关模块220的输入端与开关管102的控制端连接，开关模块220的输出端接地。

参阅图14，在一个实施例中，开关模块220包括第二电阻r2和功率开关管q2，功率开关管q2的控制端经第二电阻r2接于开关模块220的控制端，功率开关管q2的输入端连接在驱动信号源101和开关管q1的控制端之间，功率开关管q2的输出端接地，功率开关管q2可根据开关管q1的选型和电压比较器的选型而选择不同的功率开关管器件。

为了便于理解，下面以开关管q1为nmos管，功率开关管q2为三极管为例，举例说明功率开关管q2的选型：

当电压比较器u1的第一输入端为负相输入端，电压比较器u1的第二输入端为正相输入端，功率开关管q2应选用pnp三极管，此时，其工作原理如下：当电压比较器u1的负相输入端电压小于正相输入端电压，也就是当电流没有超过阀值时，电压比较器u1输出高电平，此时功率开关管q2不导通，原开关管电路正常运行；当电压比较器u1的负相输入端电压大于正相输入端电压，也就是当电流超过阀值时，电压比较器u1输出低电平，此时功率开关管q2导通，进而及时的关断开关管q1；

当电压比较器u1的第一输入端为正相输入端，电压比较器u1的第二输入端为负相输入端，功率开关管q2应选用npn三极管，此时，其工作原理如下：当电压比较器u1的正相输入端电压小于负相输入端电压，也就是当电流没有超过阀值时，电压比较器u1输出低电平，此时功率开关管q2不导通，原开关管电路正常运行；当电压比较器u1的正相输入端电压大于负相输入端电压，也就是当电流超过阀值时，电压比较器u1输出高电平，此时功率开关管q2导通，进而及时的关断开关管q1。

应理解，当选用其他类型的开关管q2时，应同此理。

参阅图15，以其中一个具体实施例为例，详细阐述过流保护电路的工作原理，开关管电路包括有驱动信号源101、开关管q1、电阻r6、负载103以及电源vcc1，过流保护电路包括有二极管d1、判断模块210以及开关模块220，假设第一电源vcc1为24v，第二电源vcc2为15v，在该驱动信号源101驱动开关管q1的开通电平为drive_g＝15v，由开关管q1的规格书可准确知道，在15v驱动电平的条件下，其d-s的导通内阻为r(q1)，结合门极电阻r6的条件，可知其开通时间为t秒，则电压比较器u1的第二输入端的参考电平uref为15v*r5/(r4+r5)，假设r3的电阻值为0欧姆(实际应用中，设计者可根据设计阀值需求，调试此电阻值)，由二极管d1的规格书可准确知道二极管d1的导通管压降为u(d1)。

当驱动信号源101输出低电平时，开关管q1为关断状态，则此时电压比较器u1的第一输入端电平为0v，电压比较器u1的第二输入端电平为15v*r5/(r4+r5)，电压比较器u1的第二输入端电平大于电压比较器u1的第一输入端电平，则电压比较器u1的输出端输出高电平15v，开关管q2不导通，开关管q1为保持关断状态。

当驱动信号源101输出15v电平时，假设驱动信号源101开始输出高电平的时刻为t0，分别选择验证合适的电阻r1、电容c1、电阻r4、电阻r5值，使得在时间t0～t0+t时间内(该段时间为开关管q1由关闭到开通的时间段，开关管q1的漏极c保持为高电平)，电压比较器u1的第一输入端的充电电压ut<[15v*r5/(r4+r5)],电压比较器u1的第一输入端ut的值可由其rc充放电公式(ut＝0v+(15v-0v)*[1-exp^(-t/(r1*c1))])可计算出，t0+t时刻后，开关管q1完全完成开通过程，假设此后通过开关管q1的最大电流值为i(q1)，该电流值由设计者根据不同的应用设计不同的i(q1)值，通常该值可按开关管的额定电流进行选取，根据i(q1)选择不同的开关管,且开关管的最大电流值必须大于i(q1)，选择验证合适的u(d1)、r4、r5值，使得根据i(q1)存在关系：[i(q1)*r(q1)+u(d1)]≤[15v*r5/(r4+r5)]，且当流过开关管q1的电流值i大于i(q1)的时候，整个电路中存在下面的电压关系：[i*r(q1)+u(d1)]>[15v*r5/(r4+r5)]，驱动信号源正常驱动时流过开关管q1的电流值小于或等于i(q1)，此时电压比较器u1的第二输入端大于电压比较器u1的第一输入端电平，则电压比较器u1的输出端输出高电平15v，开关管q2不导通，开关管q1保持开通状态。

当驱动信号源101产生驱动信号，且流过开关管q1的电流值i大于设计者的设计阀值i(q1)时，为驱动信号源不正常驱动，由以上分析存在关系：[i*r(q1)+u(d1)]>[15v*r5/(r4+r5)]，此时电压比较器u1的第二输入端小于电压比较器u1的第一输入端电平，则电压比较器u1的输出端输出低电平，q4导通为饱和开通状态，开关管q1的栅极被拉为低电平，从而开关管q1关断，从而避免开关管q1的电流值进一步加大，及时的保护开关管q1被烧坏，大大改善开关管电路的可靠性和安全性。

此方案可根据实际应用需求，设计流过开关管的最大电流值，通过器件的数据手册，选择验证不同的开关管、二极管、电阻配置，从而实现流过开关管的电流大于设计阀值时，通过硬件反馈信号，关断开关管，从而提高开关管电路的可靠性和安全性。

参阅图16，以其中的另一个具体实施例为例，详细阐述过流保护电路的工作原理，开关管电路包括有驱动信号源101、开关管q1、电阻r6、负载103、电阻r7以及电源vcc1，为了便于计算理解，这里的电阻r7可以作为分压模块105，也可作为另一负载，开关管q1的输出端经电阻r7接地，过流保护电路包括有二极管d1、判断模块210以及开关模块220，假设第一电源vcc1为24v，第二电源vcc2为15v，在该驱动信号源101驱动开关管q1的开通电平为drive_g＝15v，由开关管q1的规格书可准确知道，在15v驱动电平的条件下，其d-s的导通内阻为r(q1)，结合门极电阻r6的条件，可知其开通时间为t秒，则电压比较器u1的第二输入端的参考电平uref为15v*r5/(r4+r5)，假设r3的电阻值为0欧姆(实际应用中，设计者可根据设计阀值需求，调试此电阻值)；由二极管d1的规格书可准确知道二极管d1的导通管压降为u(d1)。

当驱动信号源101输出低电平时，开关管q1为关断状态，则此时电压比较器u1的第一输入端电平为0v，电压比较器u1的第二输入端电平为15v*r5/(r4+r5)，电压比较器u1的第二输入端电平大于电压比较器u1的第一输入端电平，则电压比较器u1的输出端输出高电平15v，开关管q2不导通，开关管q1为保持关断状态。

当驱动信号源101输出15v电平时，假设驱动信号源101开始输出高电平的时刻为t0，分别选择验证合适的电阻r1、电容c1、电阻r4、电阻r5值，使得在时间t0～t0+t时间内(该段时间为开关管q1由关闭到开通的时间段，开关管q1的漏极c保持为高电平)，电压比较器u1的第一输入端的充电电压ut<[15v*r5/(r4+r5)],电压比较器u1的第一输入端电压ut的值可由其rc充放电公式(ut＝0v+(15v-0v)*[1-exp^(-t/(r1*c1))])可计算出，t0+t时刻后，开关管q1完全完成开通过程，假设此后通过开关管q1的最大电流值，也就是等于通过电阻r7的最大电流值为i(r7)，该电流值由设计者根据不同的应用设计不同的i(r7)值，通常该值可按开关管q1的额定电流进行选取，根据i(r7)选择不同的开关管q1,且开关管的最大电流值必须大于i(r7)，可以选择并验证合适的u(d1)、电阻r4、电阻r5值，使得根据电流i(r7)存在关系：[i(r7)*r(r7)+u(d1)]≤[15v*r5/(r4+r5)]，且当流过电阻r7的电流值i大于i(q1)时，存在关系：[i*r7+u(d1)]>[15v*r5/(r4+r5)]；驱动信号源101正常驱动时，流过开关管q1的电流值小于或等于i(r7)，此时电压比较器u1的第二输入端大于电压比较器u1的第一输入端电平，则电压比较器u1的输出端输出高电平15v，开关管q2不导通，开关管q1保持开通状态。

当驱动信号源101产生驱动信号，且流过开关管q1的电流值i大于设计者的设计阀值i(r7)时，为不正常制动(如驱动信号源输出不正常驱动信号或制动系统短路致使制动系统的电流对系统产生损坏)，由以上分析存在关系：[i*r(r7)+u(d1)]>[15v*r5/(r4+r5)]，此时电压比较器u1的第二输入端小于电压比较器u1的第一输入端电平，则电压比较器u1的输出端输出低电平，q4导通为饱和开通状态，开关管q1的栅极被拉为低电平，从而开关管q1关断，从而避免开关管q1的电流值进一步加大，及时的保护开关管q1被烧坏，大大改善开关管电路的可靠性和安全性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。