电源保护电路和包括该电路的车载电子设备的制作方法

1.本实用新型涉及电源领域，更具体而言，本实用新型涉及一种电源保护电路和包括该电路的车载电子设备。


背景技术：

2.在车辆电气环境中，多种电子、电气设备直接并联在车辆电源线路上，当车辆电源连接不良或者一些电机设备、开关设备或电磁阀突然地启动/ 停止时，会在车辆电源线路上产生大量的脉冲干扰。
3.因此，对于一些对可靠性要求较高的电子设备，需要在外部电源接入内部电路板的接口处设计一种可以自动抑制脉冲干扰的保护电路。当电子设备工作时，借助外部电源给后级电路供电，如果此时电源线路上出现干扰，则该保护电路能够自动抑制干扰，从而确保后级电路能够获得稳定的电气环境。当电子设备内部或外部端口出现短路时，会从电源线路上引入大电流，此时如果该电子设备的电路板中没有过流保护功能，则可能会造成电子设备的永久性损坏。因此，要求保护电路不仅要对输入过压进行保护，同时也要对短路过流进行保护。
4.此外，随着车辆设备不断地朝着智能化发展，要求电子设备的保护电路不仅能够阻止电路故障的发生，还要能够识别出具体的故障类型，以便在后期进行特定的故障排除与检修程序。
5.在传统的车载电子设备中，通常利用大功率tvs(瞬态电压抑制器) 对电源线路进行过压保护，考虑到保护电路后级的输入电压不能太大，因此要求tvs必须具有足够大的功率，以便吸收后级电路额定电压以外的所有能量。然而，这造成了tvs管体积过大、价格过高等问题。而且，有时在保护电路中必须同时串联多个tvs管，以便达到足够的功率，这进一步增大了电路板的体积和成本。
6.此外，在传统的车载电子设备中，通常利用自恢复保险丝来对电源进行过流保护，这种自恢复保险丝大多利用热熔断技术进行电路保护，进入保护的速度慢(大多为秒级)，无法及时拦截短路电流，这就要求后级电路的过载能力足够强，否则有可能在自恢复保险丝熔断之前，短路电流已经对后级电路造成了损坏。而且，这种自恢复保险丝的恢复速度也较慢，一旦发生熔断，便会造成后级电路在短时间内宕机，这对于一些要求较高的车辆设备——例如车辆控制器或安全器件——是无法接受的。如果针对这些车辆设备单独设计一套过流保护电路，则必然会导致设备的整体成本的升高。


技术实现要素：

7.针对现有的电源过流/过压保护电路中存在的上述问题，本实用新型提出一种新的电源保护结构，其能够利用较少的电子/电气元器件实现过流保护和过压保护功能。
8.根据本实用新型的第一方面，提出了一种电源保护电路，包括：
9.电源输入端；
10.电源输出端；
11.第一mos管，所述第一mos管的源极连接至所述电源输入端，所述第一mos管的漏极连接至所述电源输出端；
12.电压调节单元，所述电压调节单元包括受控端，并且配置为调节所述第一mos管的源极与栅极之间的电压差，以对电源输出结果执行功率调节操作；以及
13.控制单元，其连接在所述第一mos管的漏极与所述电压调节单元的受控端之间，用于根据所述第一mos管的漏极的输出功率控制所述电压调节单元对电源输出结果执行功率调节操作。
14.其中，所述电压调节单元包括由第一二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及两个晶体管构成的调节组件，所述两个晶体管中的第二晶体管为pnp型bjt，第一晶体管为npn型bjt，
15.其中，所述第一二极管的正极连接至所述第一mos管的栅极，所述第一二极管的负极连接至所述第一mos管的源极，所述第二晶体管的发射极连接至所述第一mos管的源极，所述第二晶体管的集电极连接至所述第一mos管的栅极，所述第二晶体管的基极连接至第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接至所述第一晶体管的集电极，所述第一晶体管的发射极接地，所述第二电阻的第一端连接至所述第二晶体管的集电极，所述第二电阻的第二端接地，所述第三电阻连接在所述第一晶体管的基极与所述电压调节单元的受控端之间。
16.其中，所述控制单元包括由第四电阻、第五电阻、第二二极管以及第三二极管构成的限压子电路，
17.其中，所述第二二极管的负极连接至所述第一mos管的漏极，所述第二二极管的正极连接至第四电阻的第一端，所述第四电阻的第二端连接至所述第三二极管的正极和所述第五电阻的第一端，所述第三二极管的负极连接至所述电压调节单元的受控端，所述第五电阻的第二端接地。
18.其中，所述控制单元还包括由第三晶体管、第六电阻以及第七电阻构成的限流子电路，所述第三晶体管为pnp型bjt，
19.其中，所述第三晶体管的发射极连接至所述第一mos管的漏极，所述第三晶体管的集电极连接至所述第三电阻，所述第六电阻连接在所述第三晶体管的发射极与所述电源输出端之间，所述第七电阻连接在所述第三晶体管的基极与所述电源输出端之间。
20.其中，所述控制单元还包括由第二mos管和第六电阻构成的限流子电路，
21.其中，所述第二mos管的源极连接至所述第一mos管的漏极，所述第二mos管的栅极连接至所述电源输出端，所述第二mos管的漏极连接至所述第三电阻，所述第六电阻连接在所述第二mos管的源极与栅极之间。
22.其中，该电源保护电路还包括：
23.第一检测单元，用于检测所述电源输入端处的输入电压；
24.第二检测单元，用于检测所述电源输出端处的输出电压；以及
25.运算单元，其配置为基于所述电源输入端处的输入电压和所述电源输出端处的输出电压来诊断电源输出线路上是否发生了过流或过压故障。
26.其中，所述第一检测单元包括串联连接在所述电源输入端与接地端之间的第八电
阻和第九电阻，其中，所述输入电压基于所述第八电阻与所述第九电阻之间的公共节点处的采样电压来确定。
27.其中，所述第二检测单元包括串联连接在所述电源输出端与接地端之间的第十电阻和第十一电阻，其中，所述输出电压基于所述第十电阻与所述第十一电阻之间的公共节点处的采样电压来确定。
28.其中，所述第一mos管和所述第二mos管为p沟道mos管。
29.其中，所述第一二极管为稳压二极管。
30.其中，所述第二二极管为稳压二极管。
31.根据本实用新型的第二方面，还提供了一种车载电子设备，其中，该车载电子设备包括如上所述的电源保护电路。
32.根据本实用新型的电源保护电路具有如下优点：
[0033]-将过流保护、过压保护以及功率保护功能集成于一体，减少了需使用到的电子/电气元器件的数量；
[0034]-该电路可由市面上标准的电子/电气元器件构成，成本较低，而且多个元器件之间彼此独立，保护参数可灵活改变；以及
[0035]-不仅能够实现过压/过流保护功能，还能够诊断出具体的故障类型，便于后续的故障排除与设备检修程序。
附图说明
[0036]
图1示出了根据本实用新型的第一示例性实施例的电源保护电路的电路结构图。
[0037]
图2示出了根据本实用新型的第二示例性实施例的电源保护电路的电路结构图。
具体实施方式
[0038]
下面将参照附图并通过实施例来描述根据本实用新型的电源保护电路。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属技术领域的技术人员更全面地了解本实用新型。但是，对于所属技术领域内的技术人员明显可知的是，本实用新型的实现可不具有这些具体细节中的一些。相反，可以考虑用下面的特征和要素的任意组合来实施本实用新型，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，下面的各个方面、特征、实施例和优点仅作说明之用而不应被看作是权利要求的要素或限定，除非在权利要求中明确提出。
[0039]
图1示出了根据本实用新型的第一示例性实施例的电源保护电路的电路结构图。该电源保护电路包括设置在电源线路上的电源输入端bat 和电源输出端bat_protect。
[0040]
本领域技术人员可以理解的是，该电源输入端bat 连接至车辆电源，例如车辆蓄电池，该电源输出端bat_protect连接至车载电子设备中的后级电路。下面参照图1来详细描述该第一实施例中的电源保护电路的详细电路结构。
[0041]
该电源保护电路包括连接在电源线路上的mos管m1(其可以是 p-mosfet)，具体地，m1的源极连接至该电源输入端bat ，m1的漏极连接至该电源输出端bat_protect。
[0042]
在该电源保护电路中，还可包括电压调节单元，借助该电压调节单元可调节m1的源极与栅极之间的电压差(即，sg端的压降)，以对电源输出结果执行功率调节操作(例如，限压或限流)。
[0043]
电压调节单元具有受控端，其受控制单元控制，控制单元连接在m1 的漏极与该电压调节单元的受控端之间，用于根据m1的漏极的输出功率控制该电压调节单元对电源输出结果执行功率调节操作。
[0044]
参见图1，该电压调节单元具体可包括由电阻r2、电阻r6和两个晶体管q2、q3构成的调节组件，例如，q2可以是pnp型bjt，q3可以是npn型bjt。
[0045]
晶体管q2的发射极连接至mos管m1的源极，q2的集电极连接至该m1的栅极，q2的基极连接至电阻r6的第一端，电阻r6的第二端连接至晶体管q3的集电极，q3的发射极接地，q3的基极作为电压调节单元的受控端连接至控制单元。
[0046]
可选地，该电压调节单元还可包括二极管d1(其例如是稳压二极管，也称为齐纳二极管)，d1的正极连接至m1的栅极，d1的负极连接至m1 的源极，电阻r2的第一端连接至q2的集电极，电阻r2的第二端接地。
[0047]
可选地，该电压调节单元还可包括连接在q3的基极与控制单元之间的电阻r8。
[0048]
在图1的第一实施例中，该控制单元可包括限压子电路和限流子电路两部分，其中，限压子电路具体由电阻r7、电阻r10、二极管d2(其例如也可以是稳压二极管)以及二极管d3构成。
[0049]
其中，d2的负极连接至m1的漏极，d2的正极连接至电阻r7的第一端，电阻r7的第二端连接至d3的正极和电阻r10的第一端，d3 的负极连接至电压调节单元的受控端(例如，连接至电阻r8)，电阻r10 的第二端接地。
[0050]
其中，限流子电路具体由晶体管q1、电阻r1以及电阻r3构成，q1 可以是pnp型bjt。
[0051]
其中，q1的发射极连接至m1的漏极，q1的集电极连接至电阻r8，电阻r1连接在q1的发射极与该电源输出端bat_protect之间，电阻 r3连接在q1的基极与该电源输出端bat_protect之间。
[0052]
下面结合上文介绍的电路结构来描述根据该第一实施例的电源保护电路的工作原理和阈值参数设置方式。
[0053]
首先，当电源线路正常工作时，三极管q1，q2和稳压管d2处于截止状态，mos管m1处于正常模式，m1完全导通，由于m1导通时的内阻极小(毫欧级)，因此来自电源的输入电压v_bat可直接传输至后级电路，例如传输至车载电子设备中的dc/dc转换器。
[0054]
当电源输出线路中出现过压或过流现象时，该电源保护电路可进入保护模式，以对电路执行限压或限流操作，具体过程如下：
[0055]
限制电源输出线路的最大输出电压
[0056]
当电源的输出电压v_bat_protect增大并超出预先设定的过压阈值v
th
时，稳压管d2被击穿，r10上的电压超过使d3、r8和q3线路导通的压降(即，v
r10
》v
d3
v
r8
v
q3be
)，因此q3导通并工作在线性区，q3 的集电极和发射极之间流过电流i
q3ce
。由于i
q3ce
等于q2的基极电流i
q2eb
，即i
q3ce
＝i
q2eb
，因此q2导通并工作在线性区，进而mos管m1的栅-源端 gs压降增大，m1的内阻变大，最终导致m1的源-漏端sd压降变大，随即，电源输出线路中的输出电压v_bat_protect减小。
[0057]
限制电源输出线路的最大输出电流当电源输出电流(i_bat_protect)增大并超出预先设定的过流阈值i
th
时，r1上的压降增大，导致q1的发射极-基极之间的压降v
q1eb
增大，从而q1导通并工作在线性区。进而，q3导通并工作在线性区，q3的集电极-发射极之间的电
流i
q3ce
随之增大。由于i
q3ce
＝i
q2eb
，因此q2的基极电流i
q2eb
也随之增大，进而q2的发射极-集电极之间的端电压减小，mos 管m1的栅-源端gs压降增大，m1的内阻变大，最终导致m1的输出电流减小，随即，电源输出线路中的输出电流i_bat_protect减小。
[0058]
限制电源输出线路的最大输出功率
[0059]
通过限制线路中的最大输出电压u
max
和最大输出电流i
max
，基于公式 p
max
＝u
max
×imax
，也可以实现限制线路中的最大输出功率的功能。
[0060]
除了上述的过流/过压保护功能以外，该电源保护电路还能够诊断出具体的故障类型，以便于后续的故障排除与设备检修程序。
[0061]
具体而言，该电源保护电路可以由第一检测单元、第二检测单元以及运算单元构成，其中，第一检测单元用于检测电源输入端bat 处的输入电压v_bat，第二检测单元用于检测电源输出端bat_protect处的输出电压v_bat_protect，并且运算单元可基于电源输入端处的输入电压v_bat和该电源输出端处的输出电压v_bat_protect来诊断电源输出线路上是否发生了过流或过压故障。
[0062]
如图1中所示，该第一检测单元具体可包括串联连接在该电源输入端 bat 与接地端之间的电阻r4和电阻r9，其中，基于电阻r4与电阻r9 之间的公共节点处的采样电压adc_bat可确定输入电压v_bat。
[0063]
此外，该第二检测单元包括串联连接在该电源输出端bat_protect 与接地端之间的电阻r5和电阻r11，其中，基于电阻r5与电阻r11之间的公共节点处的采样电压adc_bat_p可确定输出电压 v_bat_protect。
[0064]
运算单元可利用输入和输出采样端口处的采样电压adc_bat和 adc_bat_p来检测电源输出线路中的输入电压和输出电压。如果输入电压v_bat(其可以由adc_bat计算得出)超出预先设定的过压阈值v
th
，并且输出电压v_bat_protect(其可以由adc_bat_p计算得出)为设定的过压阈值v
th
，则判定该电路实施了过压保护操作，即，电路中出现了过压现象。
[0065]
如果输入电压v_bat没有超出该过压阈值v
th
，而且此时输入电压 v_bat减去输出电压v_bat_protect之间的电压差大于或等于固定容差，例如1v，则可确定电路中出现了过流现象。
[0066]
阈值参数设定
[0067]
过压阈值v
th
设定：
[0068][0069]
由于i
q3be
非常小，因此可以忽略i
q3be
×
r8项，则上式可以化简为：
[0070][0071]
其中，v
zener
为稳压管d2的稳压值，v
d3
和v
q3be
分别d3和q3基极
‑ꢀ
发射极之间的导通压降。
[0072]
过流阈值i
th
设定：
[0073][0074]
由于i
q1eb
非常小，因此可以忽略i
q1eb
×
r3/r1项，则上式可以化简为：
[0075][0076]
其中，v
q1eb
为发射极-基极之间的导通压降。
[0077]
图2示出了根据本实用新型的第二示例性实施例的电源保护电路的电路结构图。该第二实施例与图1中的第一实施例的不同之处在于，利用 mos管m2(其同样可以是p-mosfet)来取代限流子电路中的三极管 q1和r3，其同样可以实现过流保护功能。
[0078]
具体地，如图2中所示，该第二实施例中的限流子电路由mos管m2 和电阻r1构成。其中，m2的源极连接至m1的漏极，m2的栅极连接至该电源输出端bat_protect，m2的漏极连接至电阻r8，电阻r1连接在m2的源极与栅极之间。
[0079]
在该第二实施例中，过流阈值i可以基于如下公式确定：
[0080][0081]
其中，v
m2_th
为m2的最小导通电压。在实际应用中，可以以该公式为基础，根据实际电路调试数据来确定准确的过流阈值。
[0082]
根据本实用新型的电源保护电路可应用在车载电子设备中，其具有如下优点：
[0083]-将过流保护、过压保护以及功率保护功能集成于一体，减少了需使用到的电子/电气元器件的数量；
[0084]-该电路可由市面上标准的电子/电气元器件构成，成本较低，而且多个元器件之间彼此独立，保护参数可灵活改变；以及
[0085]-不仅能够实现过压/过流保护功能，还能够诊断出具体的故障类型，便于后续的故障排除与设备检修程序。
[0086]
虽然已经展现和讨论了本实用新型的一些方面，但是本领域内的技术人员应该意识到：可以在不背离本实用新型原理和精神的条件下对上述方面进行改变，因此本实用新型的范围将由权利要求以及等同的内容所限定。再者，诸如“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等之类的用语并不表示单元或数值在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元或数值之用。
[0087]
附图标记列表：
[0088]
第一晶体管
ꢀꢀꢀꢀ
q3
[0089]
第二晶体管
ꢀꢀꢀꢀ
q2
[0090]
第三晶体管
ꢀꢀꢀꢀ
q1
[0091]
第一mos管
ꢀꢀꢀꢀꢀ
m1
[0092]
第二mos管
ꢀꢀꢀꢀꢀ
m2
[0093]
第一二极管
ꢀꢀꢀꢀ
d1
[0094]
第二二极管
ꢀꢀꢀꢀ
d2
[0095]
第三二极管
ꢀꢀꢀꢀ
d3
[0096]
第一电阻
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
r6
[0097]
第二电阻
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
r2
[0098]
第三电阻
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
r8
[0099]
第四电阻
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
r7
[0100]
第五电阻
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
r10
[0101]
第六电阻
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
r1
[0102]
第七电阻
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
r3
[0103]
第八电阻
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
r4
[0104]
第九电阻
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
r9
[0105]
第十电阻
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
r5
[0106]
第十一电阻
ꢀꢀꢀꢀ
r11
[0107]
电源输出端
ꢀꢀꢀꢀ
bat_protect
[0108]
电源输入端
ꢀꢀꢀꢀ
bat 。