CN1112741A - 将电网与过电流条件下的负荷隔离的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种支路保护电路，用于将电网与诸如过电流条 件下的负荷隔离。该电路采用一个由两个集成在同 一个硅基片上功率场效应晶体管组成的电流检测场 效应晶体管。该电流检测FET用以检测是否在较 大的一个FET中的电流超过了一个预定的阈值，该 电路不测量通过晶体管的特定电流值，该电路仅用于 检测阈值电流是否被超过，因此，与需要确定通过一 个晶体管的特定电流值的电路相比，明显地简单。

Description

本发明涉及支路保护电路，它能将电网与诸如过电流条件下的故障负荷隔离。能够将电网与故障负荷隔离是非常重要的，尤其是对于配电结构而言。在一些对于可靠性要求低的应用中，用熔丝来完成电网与故障负荷的隔离。在另外的一些应用中，特别是在会出现高功率消耗的情况下，通过与用电设备串联电阻来完成电网与故障负荷的隔离。

本发明的主要目的是提供一种低功率消耗和高可靠性的支路保护电路，一旦出现负荷故障便马上跳开，故障消失以后便闭合。常规的支路保护电路中包括有相对复杂的电路装置用以测量流经晶体管的电流。根据本发明的支路保护电路设计为仅当流经晶体管电流超过预定的阈值时才检测，但是并不去测量具体的电流值。因此，根据本发明的支路保护电路中采用了不太昂贵和不太复杂的电路。

以下例举了典型的现有技术的设备：1980年5月6日由Sears提出的美国专利4，202，023号中公开了一种电路过电流保护器;1986年2月25日由Ganesan等人提出的美国专利4，573，099号中公开了一种在正供电轨端和负供电轨端之间进行过电压保护的COMS电路;1986年12月2日由Damiano等人提出的美国专利4，626，954号中公开了一种带有过负荷保护的固态功率控制器;1989年1月3日由Hechtman等人提出的美国专利4795920号中公开的驱动电路，用于交替地向负荷供给电流和吸收电流，同时交替地呈现高阻抗;1991年2月19日由Nadd提出美国专利4，994，886号中公开的复合MOS晶体管以及将它应用于续流二极管结构。1991年5月21日由Wilcox提出的美国专利5017816号公开的自适应性栅极放电电路，用于向功率场效应晶体管FET的栅极放电;1991年5月21日由Szetesi提出的美国专利5018041号中公开的限流电路，用于瞬时性限制快速高侧（fast  high  side）功率开关或功率FET的电流;1991年6月11日由Wodarczyk等人提出的美国专利5，023，692号公开的功率MOS晶体管，把限流电路加入到晶体管的相同基片中;1991年6月25日由Hiroto等人提出的美国专利5027251号中公开的MOSFET器件，包括功率MOSFET和漏极相互连通的电流镜式MOSFET;1991年7月2日由Elliott等人提出的美国专利5，029，269号公开的延时电源过电压关闭装置，用以保护脉冲宽度调制DC-DC电源;1992年2月11日由Lee提出的美国专利5，088，018号公开了过电压保护电源电路，用以防止过电压直接加到板型控制屏显示元件上;1992年4月14日由Nakayama提出的美国专利5105251号中公开一种半导体器件，它是由在同一半导体芯片上形成，并有公共漏极的第一和第二功率MOS晶体管组成。

这里公开的根据本发明的支路保护电路提供了上述现有技术中未教导或建议过的一种简化装置，用以将电网与故障负荷隔离。根据本发明的电路不太复杂，比上述现有技术中公开的常规电路和装置经济。从以下的叙述中将会体现出其它的优点。

这里提供了用于将电网与过电流引起的故障负荷隔离的支路保护电路。该电路包括用于检测故障负荷的装置，当故障负荷出现时跳开，故障消失时又使电路闭合。该支路保护电路采用一个电流检测FET，它是由两个功率FET在公共的硅基片上集成，共用公共的栅极和漏极。该电流检测FET当较大的一个FET中的电流超过了对应于故障负荷出现的预定阈值时，提供检测的手段。该电路中包括的装置用来检测对应于加在负荷上的过负荷电流按比缩小的电流，还有对此响应的装置，驱动电流检测FET到“关断”状态，以将负荷与电网隔离，直到过电流条件消失为止。该电路并不决定或者测量电流的具体值，仅仅检测是否已经超过了预定的电流值，比起检测具体电流的电路而言，只需要比较简单的元件和电路。基于本发明的支路保护电路消耗相对小的功率，因此，提供了高的可靠性。

图1为根据本发明的将电网与故障负荷隔离的支路保护电路。

图2所示为图1中电流检测FET的等值电路和与本发明支路保护电路配合的其它电路元件。

根据本发明的支路保护电路的最佳实施例将参考图1和2进行说明。支路保护电路的最佳实施例提供的电路装置，能将电网与诸如过电流条件下的故障负荷隔离，特别是用在配电结构中。根据本发明的最佳实施例的电路在一旦出现故障的负荷时便跳开，一旦故障消除便合上。该电路的特征是低功率消耗和高可靠性。支路保护电路包括有一电流检测FET，它是由在同一块硅片上集成的两个功率FET组成。这两个功率FET共用公共的栅极和漏极，一个功率FET比另一个功率FET大许多（约大5000倍）。然而，并不是用FET器件和其它电路一起来作为常规的测量手段，测量通过二个功率FET中较大一个中的电流。根据本发明的电流检测FET器件仅仅检测通过较大的功率FET中电流是否超过预定的阈值电流。这样一来，较为简单的测定使能够采用比起测量实际电流时明显简化的电路，特别是当FET和正轨端有关时。

首先参考附图1，开始假定标号2所表示的负荷是电子可控制的，因此可使在到达预定电压（Vth）之前为容性。根据本发明的支路保护电路表示为标号4，它在电气上与负荷2相联接。当电源加到电路4上时，Vout通过一电阻R1充电，直到Vout＝VD3＜Vth为止。由电阻R3，晶体管Q2和二极管D1和D3所形成的箝位电路在电气上与电流检测FET  Q1联接，保持检测节点电压高于Vout。因此，电流检测FET  Q1处于关断状态。但是，一旦Vout＞VD3，比较器M2的输出升高，使电气上与Q1相联的驱动器M1接通，驱动器M1又使电流检测FET  Q1导通，使Vout和检测节点电压接近Vin。驱动器M1有一充电泵，将FET  Q1的栅极驱动到大约为10V＞Vin。

图2所示为晶体管Q1导通时，电流检测FET  Q1的等值电路以及元件J1和C1。根据本发明，标号6表示的Vout将大于标号8表示的检测节点处的检测电压，使负荷电流乘以RF1小于J1乘以RF2。然而，当负荷电流增大到某一值，使Vout小于检测电压时，比较器M2（它的输出联在驱动器M1的输入上）改变状态，造成驱动器M1（见图1）改变状态，将电流检测FET  Q1关断。电流检测器J1由常规的有源电路组成。电容器C1在电气上联在J1的输入端，以防止电流检测FET  Q1起初接通时，检测节点8处的检测电压上升得比输出电压Vout（标号6表示）更快。

因此，当出现过电流，并必须将电网与负荷2隔离时，比较器M2改变状态，使驱动器M1关断，它又将电流检测FET  Q1关断。Vout降到接近于零电压。但是，由于Q2，R3和D1，D3的箝位安排，使检测点8的检测电压仍保持为等于电压VD3。箝位电路在电气上与电流检测FET  Q1相联，因此，在故障即过电流状态消除以前，Q1保持为“关断”状态。在支路保护电路中有电阻R2，二极管D2和电容器C2（见图1），联在比较器M2和FET  Q1的驱动器M1之间，目的在于防止电路跳开时非常短时间的电流。因而，线路中的瞬时涌流不会引起故障或过电流，也不会由电气上联在此处的驱动器M1将电流检测FET  Q1关断。

从以上有关支路保护电路的叙述中明显地看出，J1提供了按比例的过电流检测值。例如，参考图2，如果RF2＝5000×RF1（即形成电流检测FET  Q1的两个功率FET中的一个功率FET比另外一个大5000倍），对于5安培的过电流保护，需要将J1设为1毫安。当通过J1的电流达到1毫安时，通过负荷的电流将为5A（5000×1mA），造成了过电流条件。因而，从支路保护电路4通过的5A电流并到达负荷2造成1mA电流通过检测器J1，是由于集成在同一硅片上，共用栅极和漏极的电流检测FET  Q1的两个功率FET的大小为5000/1比率所造成的。通过J1检测到1mA或更大的电流时，驱动比较器M2，它又依次驱动触发器M1，作为故障（过电流条件）使FET  Q1关断。故障消除后，由于低输入电压将切断其它负荷。因此，Vout将再次由R1充电，直到Vout达到等于电压VD3为止。在这一点上，Q1再次接通，Vout充电到Vin。

从以上讨论中显而易见，根据本发明的电路会当负荷电流超过预定电流极限时自动地将负荷与电网隔离。同样，当负荷电流低于过电流极限时，负荷将被重新接通到电网上。该电路设计为检测负荷电流高于或低于预定的电流极限（按照负荷电流的预定比例，检测按比例减少的电流），并不测量负荷电流的实际值或者按比例减少的电流实际值。因此，整个电路运行较为简单，不需要用太复杂的元件，比起常规的测量电流实际值的电路来说，制造更加经济。

对于熟悉本领域的技术人员来说，本发明范围内其它一些修正和优点是显然的。因此，用附图对最佳实施例的说明仅仅用作描述，并不限制本发明的范围。由以下的权利要求和全部等价例来限定本发明的范围。

Claims (20)

1、一种将电网与过电流条件下的负荷隔离的电路，所述电路包括：

当从所述电路供给所述负荷上的电流超过了予定阈值时进行检测的装置，以及

响应所述检测电流的装置，用此驱动开关，将所述负荷与所述电路隔离，以便防止所述过电流条件下的所述电流从所述电路流到所述负荷中去。

2、权利要求1中所述的电路，其特征在于所述开关由电流检测FET组成。

3、权利要求2中所述的电路，其特征在于所述电流检测FET是由两个功率FET组成，它们集成在公共的硅基片上，并有公共的栅极和漏极。

4、权利要求3所述的电路，其特征在于所述两个功率FET中的所述其中之一比所述的另一个大。

5、权利要求4中所述的电路，其特征在于所述功率FET中所述之一比所述功率FET中另一个至少大5000倍。

6、权利要求3中所述的电路，其特征在于进而包括一电压箝位电路，在电气上与所述电流检测FET相联。

7、权利要求3中所述的电路，其特征在于所述检测装置包括一电流检测器，用于检测按所述予定阈值按比例缩小的电流值。

8、权利要求7中所述的电路，其特征在于按比例缩小的电流对应于组成电流检测FET中较大和较小功率FET的比率大小。

9、权利要求7中所述的电路，其特征在于所述电流检测器在电气上联在所述电流检测FET和比较器的输入端之间，当负荷电流超过了所述予定的阈值时，便改变所述比较器的状态。

10、权利要求9中所述的电路，其特征在于进而包括一驱动器，它在电气上联在所述比较器输出端和所述电流检测FET之间，用以当所述比较器的输出信号指示出所述负荷上的所述电流超过所述的予定阈值时，将所述电流检测FET转为“关断”状态。

11、将电网与过电流条件下的负荷隔离的方法，所述方法由以下步骤组成：

当从所述电路供到所述负荷上的电流超过予定阈值时进行检测，

响应所述检测电流，起动开关，以便将所述电路与所述负荷隔离，防止所述过电流条件下的所述电流从所述电路流到所述负荷。

12、权利要求11中所述的方法，其特征在于包括提供电流检测FET作为所述开关的步骤。

13、权利要求12中所述的方法，其特征在于进一步包括由两个在同一硅基片上集成、有公共栅极和公共漏极的功率FET组成所述电流检测FET的步骤。

14、权利要求13中所述的方法，其特征在于进而包括提供所述功率FET中之一大于所述功率FET中另一个的步骤。

15、权利要求14中所述的方法，其特征在于包括提供所述的一个功率FET至少比另一个所述功率FET大5000倍的步骤。

16、权利要求13中所述方法，其特征在于进而包括将电压箝位电路在电气上与所述电流检测FET联接的步骤。

17、权利要求13中所述方法，其特征在于检测所述电流的步骤，包括检测对应于所述预定阈值比例缩小的电流的步骤。

18、权利要求17中所述方法，其特征在于所述按比例缩小电流对应于组成电流检测FET的较大和较小功率FET之间的比率大小。

19、权利要求17所述的方法，其特征在于进而包括在检测所述按比例缩小的电流检测器和所述电流检测FET之间，电气上联接一比较器，当负荷电流超过所述预定阈值时，改变所述比较器的状态的步骤。

20、权利要求19中所述的方法，其特征在于进而在所述比较器的输出端和所述电流检测FET之间，电气上联接一驱动器，当所述比较器输出信号指示所述负荷电流超过所述预定阈值时，驱动的所述驱动器，将所述电流检测FET变为“关断”状态。

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