直流電保護電路的制作方法
【專利摘要】本申請公開了一種直流電保護電路，包括：分流電路、放大電路、比較電路、鎖定觸發電路和可控開關，其中，分流電路用于從直流電路中獲取預設比例的電流分量；放大電路用于將電流分量放大設定倍數；比較電路用于將放大的電流分量與設定閾值進行比較，在放大的電流分量大于設定閾值時輸出過流信號；鎖定觸發電路用于在接收到過流信號時，鎖定觸發可控開關；可控開關用于受到觸發器鎖定觸發時，保持斷開直流電路。本申請采用硬件電路檢測過流故障，并執行保護，因此反應速度較快，能在意外情況下及時切斷直流電路。
【專利說明】直流電保護電路

【技術領域】
[0001 ] 本申請涉及電路【技術領域】，尤其涉及一種直流電保護電路。

【背景技術】
[0002]對電源實施短路保護或者反接保護是提高產品可靠性的重要手段。短路保護或者反接保護功能的實現方式之一是檢測過流狀態并執行輸出切斷，防止風險發生。對于直流輸出的過電流保護，特別是短路等極端情況下電流變化率大，過電流保護不及時會導致斷開輸出回路時感性沖擊過大損壞開關。
[0003]圖I示出了根據相關技術的一種直流電保護電路的電路圖，其包括：電流信號提取電路10、處理器20和可控開關30。電流信號提取電路10用于從直流電路的充電或放電電流中提取一定比例的電流分量，處理器20通過運行軟件，判斷所述電流分量是否過大，根據判斷結果操作可控開關30的開合，從而切換或接通直流電電路。
[0004]然而發明人發現，由于軟件執行中的代碼循環執行等待時間、信號采集時間、信息處理時間比較長，該保護電路方案可能反應速度太低，不能在意外情況下及時切斷直流電路。


【發明內容】

[0005]本申請的目的在于提供直流電保護電路，以解決上述的問題。
[0006]在本申請的實施例中提供了一種直流電保護電路，包括：分流電路、放大電路、t匕較電路、鎖定觸發電路和可控開關，其中，分流電路用于從直流電路中獲取預設比例的電流分量；放大電路用于將電流分量放大設定倍數；比較電路用于將放大的電流分量與設定閾值進行比較，在放大的電流分量大于設定閾值時輸出過流信號；鎖定觸發電路用于在接收到過流信號時，鎖定觸發可控開關；可控開關用于受到觸發器鎖定觸發時，保持斷開直流電路。
[0007]本申請上述實施例的直流電保護電路采用硬件電路檢測過流故障，并執行保護，因此反應速度較快，能在意外情況下及時切斷直流電路。
[0008]應當理解的是，以上的一般描述和后文的細節描述僅是示例性的，并不能限制本申請。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]此處的附圖被并入說明書中并構成本說明書的一部分，示出了符合本申請的實施例，并與說明書一起用于解釋本申請的原理。
[0010]圖I示出了根據相關技術的一種直流電保護電路的電路圖；
[0011]圖2示出了根據本申請一個實施例的直流電保護電路的電路圖；
[0012]圖3示出了根據本申請一個優選實施例的直流電保護電路的電路圖；
[0013]圖4示出了根據本申請另一優選實施例的直流電保護電路的電路圖；
[0014]圖5示出了圖4的直流電保護電路的工作示意圖；
[0015]圖6-圖8示出了根據本申請三個優選實施例的可控開關的電路圖；
[0016]圖9示出了根據本申請一個優選實施例的直流電保護電路的電路圖；
[0017]圖10-12示出了根據本申請三個優選實施例的直流電充放電保護電路的電路圖。

【具體實施方式】
[0018]下面通過具體的實施例子并結合附圖對本申請做進一步的詳細描述。
[0019]圖2示出了根據本申請一個實施例的直流電保護電路的電路圖。如圖2所示，該直流電保護電路包括:分流電路12、放大電路42、比較電路44、鎖定觸發電路46和可控開關50，其中，分流電路12用于從直流電路中獲取預設比例的電流分量；放大電路42用于將電流分量放大設定倍數；比較電路44用于將放大的電流分量與設定閾值進行比較，在放大的電流分量大于設定閾值時輸出過流信號；鎖定觸發電路46用于在接收到過流信號時，鎖定觸發可控開關50 ;可控開關50用于受到觸發器鎖定觸發時，保持斷開直流電路。
[0020]該直流電保護電路采用硬件電路檢測過流故障，并執行保護，因此反應速度較快，能在意外情況下及時切斷直流電路。
[0021]圖3示出了根據本申請一個優選實施例的直流電保護電路的電路圖。
[0022]如圖3所示，分流電路12可以包括電阻器，串聯在直流電路中。電阻器的阻值可以合理地設置，使得分流的電流比較小，但足以進行檢測。
[0023]放大電路42是由圖中的運算放大器Ul、電阻器Rl和R2構成的運算放大電路，比較電路44由圖中的運算放大器U2構成，
[0024]如圖3所示，電流分量經過分流電路12電阻器的負載而轉變成電壓，分流電路12的一端連接運算放大器Ul的負輸入端，運算放大器Ul的輸出端連接運算放大器U2的負輸入端。當然，根據電流方向的不同，可以設置運算放大器Ul的輸出端連接運算放大器U2的正輸入端，如圖10中的電路200所示。運算放大器Ul和U2的正輸入端連接參考電壓，圖3對此簡化表示，沒有畫出。需要指出的是，還可以采用別的電路設計來實現放大電路42以及比較電路44，這都屬于本申請的保護范圍。運算放大電路的放大倍數由R2:R1決定，一般比值范圍為1:1至100:1。該結構比較簡單，很容易實現。
[0025]如圖3所示，鎖定觸發電路46包括第一三極管Q2、第二三極管Q3、第三三極管Q4、第一電阻R7和第二電阻R8，第一三極管Q2的集電極通過第一電阻R7連接到第二三極管Q3的基極和第三三極管Q4的基極，第一三極管Q2的發射極連接電源VCC，第一三極管Q2的基極通過第二電阻R8連接到第二三極管Q3的集電極和比較電路U2的輸出端，第三三極管Q4的集電極連接可控開關50的控制端，第二三極管Q3的發射極和第三三極管Q4的發射極接地。
[0026]優選地，比較電路U2的輸出為開集輸出，信號為下拉電壓。下拉動作將為Q2提供基極電流；Q2的基極電流引起Q2的集電極電流增大，為Q3及Q4提供基極電流；Q3被導通，其產生的集電極電流同時可以提供給Q2以維持其導通狀態，電路進入過流鎖定狀態。Q2為Q4提供的基極電流使Q4導通，輸出保護信號，關斷可控開關50，直流電流被切斷。
[0027]在圖3的優選實施例中，比較電路采用了開集輸出，但也可以采用開漏輸出，三極管采用了 PNP型，但也可以采用NPN型，這都屬于本申請的保護范圍。
[0028]圖4示出了根據本申請另一優選實施例的直流電保護電路的電路圖。如圖4所示，上述的直流電保護電路還包括處理器70和第四三極管Ql，處理器70串聯在比較電路U2的輸出端與第四三極管Ql的基極之間，第四三極管Ql的發射極連接電源VCC，其集電極連接第一三極管的基極，處理器用于故障排除后，輸出下拉電壓，Ql導通從而使Q2斷開，電路復位，從過流鎖定狀態退出，直流電路恢復輸出直流電Iwt。
[0029]圖5示出了圖4的直流電保護電路的工作示意圖，包括以下步驟：
[0030]步驟S10，由分流電路12從直流電路中采集一個電流分量，并由放大電路42放大，例如放大電路42采用圖3的運算放大電路，則放大倍數為R2/R1 ；
[0031]步驟S20，比較電路44將放大電路42放大的電流分量與其參考電壓（即設定閾值）進行比較，如果大于該參考電壓，則產生開集輸出，信號為下拉電壓；
[0032]步驟S30，下拉動作將為Q2提供基極電流；Q2的基極電流引起Q2的集電極電流增大，為Q3及Q4提供基極電流；Q3被導通，其產生的集電極電流同時可以提供給Q2以維持其導通狀態，電路進入過流鎖定狀態；
[0033]步驟S40，Q2為Q4提供的基極電流使Q4導通，輸出保護信號；
[0034]步驟S50，關斷可控開關50，直流電流被切斷；
[0035]步驟S60，故障排除后，處理器70輸出下拉電壓，Ql導通從而使Q2斷開，電路復位，從過流鎖定狀態退出，直流電路恢復輸出直流電Iwt。
[0036]優選地，可控開關包括MOS管，其柵極連接鎖定觸發電路的輸出端，其源極和漏極串聯在直流電路中。該結構比較簡單，很容易實現。
[0037]圖6-圖8示出了根據本申請三個優選實施例的可控開關的電路圖。
[0038]如圖6所示，可控開關還包括第三電阻R5、第四電阻R6和穩壓管DZl，第三電阻R5和第四電阻R6串聯在鎖定觸發電路46的三極管Q4的集電極與MOS管QlO的柵極之間，穩壓管DZl與第四電阻R6并聯。
[0039]當可控開關為MOS管時，由于柵極電容的存在，從保護信號開始輸出到開關QlO被徹底斷開之間有一定的延遲時間。此延遲時間越長則可能意味著斷開前的電流越大，即電路越容易損壞。則此時可采用如圖6所示分階段關斷電路：
[0040]Q4輸出保護信號，從R5、R6及DZl流過下拉驅動電流，將QlO的柵極向參考低電位下拉；
[0041]通常選擇R5阻值（如10 Ω?100 Ω )遠小于R6阻值（如Ik Ω?3K Ω )，DZl的標稱穩壓值略大于QlO的開啟電壓Vgs (th)，如4. 7V ;則在Q9輸出保護信號初期，QlO的Vgs>4. 7V(大約）時，主要下拉電流由R5及DZl流過，信號下降沿坡度大，減少QlO的關斷延遲時間；
[0042]在Q4輸出保護信號后期，QlO的Vgs〈4. 7V(大約）時，主要下拉電流由R6流過，信號下降沿坡度平緩，防止QlO的Vds變化過大導致器件損壞；
[0043]電路Q4、R5、R6、DZl將QlO的Vgs下拉至OV后，分階段關斷完成。
[0044]相關技術中的可控開關延遲時間較長，意味著斷開前的電流較大，即電路較容易損壞，以上優選實施例分階段關斷的設計使得可控開關的延遲時間縮短，減小了可控開關保護執行時的過電流的峰值。
[0045]圖7的實施例中，單向的穩壓管DZl更換為雙向的穩壓管DZ2。工作原理基本上與圖6 —致。
[0046]圖8的實施例中，穩壓管DZl更換為電容器Cl。
[0047]Q4輸出保護信號，從R9、RlO及Cl流過下拉驅動電流，將QlO的柵極向參考低電位下拉；
[0048]通常選擇R9阻值(如10 Ω?100 Ω )遠小于RlO阻值(如Ik Ω?3K Ω )，Cl的標稱電容值略小于QlO的輸入電容，如4.7nF ;則在Q4輸出保護信號初期，主要下拉電流由R9及Cl流過，信號下降沿坡度大，減少QlO的關斷延遲時間；
[0049]在Q4輸出保護信號后期，QlO的Vgs〈4.7V(大約)時，主要下拉電流由R9及RlO流過，信號下降沿坡度平緩，防止QlO的Vds變化過大導致器件損壞；
[0050]電路Q4、R9、R10、Cl將QlO的Vgs下拉至OV后，分階段關斷完成。
[0051]圖6-圖8的優選實施例的可控開關電路簡單成本低，保護限值可任意設置，設計自由度高，分階段關斷可加快MOS管關斷，提升保護反應速度，降低電路風險，減少RC濾波，提升保護反應速度。
[0052]圖9示出了根據本申請優選一個實施例的直流電保護電路的電路圖，如圖9所示，直流電路包括用作電源的電池組DC 90，可控開關50設置在電池組的一個輸出端，將電池組DC 90的正極定義為地。本直流電保護電路可以運用于各種不同場景，例如本實施例適合于充放電的電池電路中。
[0053]圖10-12示出了根據本申請三個優選實施例的直流電充放電保護電路的電路圖。
[0054]如圖10所示，該直流電充放電保護電路包括第一電路100和第二電路100，第一電路100和第二電路200均包括上述圖2-圖9的直流電保護電路的構造，第一電路100用于電池組的充電保護，第二電路200用于電池組的放電保護。第一電路100和第二電路200的電路構造僅比較電路的接法有區別，但其中用到的元件，例如MOS管、電阻器、運放芯片等，其參數值可以根據具體充電電流的大小和放電電流的大小進行不同的設置。另外處理器70和處理器72可以做成兩個分立的元件，也可以用同一個元件來實現。其他各個元件可以采用分立的元件來實現，也可以集成到集成電路中來實現，除比較電路以外，兩個電路還可以共用其他元件。圖11示出了第一電路100和第二電路200共用放大電路42的優選實施例。圖12示出了第一電路100和第二電路200共用放大電路42和處理器72的優選實施例。
[0055]圖中DC 80為串聯使用的磷酸鐵鋰電芯模組，Q17為放電控制MOS管，Q18為充電控制MOS管。該電池組正常工作時放電MOS管Q17及充電MOS管Q18都是處于導通狀態。當充電過電流情況發生時(如充電器啟動時大電流、充電器故障等)，過大的充電電流流過分流電路，在分流電路兩端產生的電壓信號經硬件充電過流保護電路(圖中所示電路100)處理后，快速輸出分階段關斷保護信號給充電MOS管，將充電MOS管平穩關斷，保護電池組不受損傷。第一電路100的充電過流保護過程如下:
[0056]1、充電電流信號由分流電路采集得到，經運放U3放大后傳遞至比較電路U4，運充電路的放大倍數由R4:R3決定，一般比值范圍為1:1至100:1 ;
[0057]2、若充電電流超出預定值則觸發比較電路U4輸出過流信號；
[0058]3、比較電路U4的輸出類型為開集輸出，輸出的過流信號為下拉，下拉動作將為Q6提供基極電流；Q6的基極電流引起Q6的集電極電流增大，為Q7及Q8提供基極電流；Q7被導通，其產生的集電極電流同時可以提供給Q6以維持其導通狀態，電路進入過流鎖定狀態；
[0059]4、Q6為Q8提供的基極電流使Q8導通，輸出保護信號，關斷開關S2，充電電流被切斷；
[0060]5、故障排除后或處理器72斷開開關S2的驅動信號后，由處理器向Q5輸出下拉信號，Q5導通從而使Q6斷開，電路復位，從過流鎖定狀態退出恢復。
[0061]當放電過電流情況發生時（如重載、短路、反接等），過大的放電電流流過分流電路，在分流電路兩端產生的電壓信號經硬件放電過流保護電路（圖中所示電路200)處理后，快速輸出分階段關斷保護信號給放電MOS管，將放電MOS管平穩關斷，保護電池組不受損傷。第二電路200的放電過流保護過程如下：
[0062]I、放電電流信號由分流電路采集得到，經運放Ul放大后傳遞至比較電路U2，運放電路的放大倍數由R2 ：R1決定，一般比值范圍為1:1至100:1 ;
[0063]2、若放電電流超出預定值則觸發比較電路U2輸出過流信號；
[0064]3、比較電路U2的輸出類型為開集輸出，輸出的過流信號為下拉，下拉動作將為Q2提供基極電流；Q2的基極電流引起Q2的集電極電流增大，為Q3及Q4提供基極電流；Q3被導通，其產生的集電極電流同時可以提供給Q2以維持其導通狀態，電路進入過流鎖定狀態；
[0065]4、Q2為Q4提供的基極電流使Q4導通，輸出保護信號，關斷開關SI，放電電流被切斷；
[0066]5、故障排除后或處理器70斷開開關SI的驅動信號后，由處理器向Ql輸出下拉信號，Ql導通從而使Q2斷開，電路復位，從過流鎖定狀態退出恢復。
[0067]從以上的描述可以看出，本申請的各個實施例實現保護點的靈活配置，方便運用于不同場景；實現過電流的快速偵測反應，減小保護執行時的過電流的峰值，降低電路風險；降低電路復雜度，減少電路成本；實現MOSFET的分階段關斷，降低關斷時的電流變化率，降低電路風險。反應速度快，實測表明從過電流發生到電流被完全切斷一般用時<50us，有效降低過電流的最大峰值，顯著提升電路可靠性。
[0068]以上所述僅為本申請的優選實施例而已，并不用于限制本申請，對于本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種直流電保護電路，其特征在于，包括:分流電路、放大電路、比較電路、鎖定觸發電路和可控開關，其中， 所述分流電路用于從直流電路中獲取預設比例的電流分量； 所述放大電路用于將所述電流分量放大設定倍數； 所述比較電路用于將所述放大的電流分量與設定閾值進行比較，在所述放大的電流分量大于所述設定閾值時輸出過流信號； 所述鎖定觸發電路用于在接收到所述過流信號時，鎖定觸發所述可控開關； 所述可控開關用于受到所述觸發器鎖定觸發時，保持斷開所述直流電路。
2.根據權利要求1所述的直流電保護電路，其特征在于，所述分流電路包括電阻器，串聯在所述直流電路中。
3.根據權利要求1所述的直流電保護電路，其特征在于，所述放大電路包括運算放大電路，所述比較電路包括比較電路，所述分流電路的一端連接所述運算放大電路的輸入端，所述運算放大電路的輸出端連接所述比較電路的輸入端。
4.根據權利要求1所述的直流電保護電路，其特征在于，所述鎖定觸發電路包括第一三極管、第二三極管、第三三極管、第一電阻和第二電阻，所述第一三極管的集電極通過所述第一電阻連接到所述第二三極管的基極和所述第三三極管的基極，所述第一三極管的發射極連接電源，所述第一三極管的基極通過所述第二電阻連接到所述第二三極管的集電極和所述比較電路的輸出端，所述第三三極管的集電極連接所述可控開關的控制端，所述第二三極管的發射極和所述第三三極管的發射極接地。
5.根據權利要求4所述的直流電保護電路，其特征在于，所述比較電路的輸出為開集輸出，所述信號為下拉電壓。
6.根據權利要求4所述的直流電保護電路，其特征在于，還包括處理器和第四三極管，所述處理器串聯在所述比較電路的輸出端與所述第四三極管的基極之間，所述第四三極管的發射極連接電源，其集電極連接所述第一三極管的基極，所述處理器用于故障排除后，輸出下拉電壓。
7.根據權利要求1所述的直流電保護電路，其特征在于，所述可控開關包括MOS管，其柵極連接所述鎖定觸發電路的輸出端，其源極和漏極串聯在所述直流電路中。
8.根據權利要求7所述的直流電保護電路，其特征在于，所述可控開關還包括第三電阻、第四電阻、以及穩壓管或電容器，所述第三電阻和所述第四電阻串聯在所述鎖定觸發電路與所述MOS管的柵極之間，所述穩壓管或所述電容器與所述第四電阻并聯。
9.根據權利要求1-8任一項所述的直流電保護電路，其特征在于，所述直流電路包括用作電源的電池組，所述可控開關設置在所述電池組的一個輸出端。
10.根據權利要求9所述的直流電保護電路，其特征在于，所述直流電保護電路包括第一電路和第二電路，所述第一電路和所述第二電路均包括權利要求1-8任一項所述的直流電保護電路的構造，所述第一電路用于所述電池組的充電保護，所述第二電路用于所述電池組的放電保護。
【文檔編號】H02H3/08GK104332943SQ201410565781
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月22日 優先權日:2014年10月22日
【發明者】敖翔, 成勇 申請人:寧德時代新能源科技有限公司