本發明屬于電子設備保護電路領域,涉及一種基于PMOSFET管、NMOSFET管的直流電壓,具體涉及一種正負輸出電壓抑制電路及方法。
背景技術:
應用于前端正負供電電源的輸出電壓范圍超過后級電路的最大工作電壓,需要將正負供電電源的輸出電壓抑制在設定值范圍以內,不超過后級電路工作電壓的正負最大值,確保后級電路穩定、可靠的工作。
目前,主要應用的方案有2種;如圖1所示,第1種方法使用一個串聯的鐵芯電感器和旁路電容器,并輔之以一個高功率瞬態電壓抑制器(TVS)。串聯的鐵芯電感器分擔部分輸入電壓,電壓抑制器 (TVS)維持兩端電壓,不超過后級電路工作電壓的正負最大值,如圖2所示,第2種方法使用DC/DC電源變換器串聯在輸入電源與后級電路之間,當輸入電壓發生變化時,DC/DC變換器保持輸出電壓不變,不超過后級電路工作電壓的正負最大值。上述兩種方案中存在以下缺點:第1種方法的缺點是需要占用大量的電路板面積資源,為了降低電感器上損耗,減少發熱量,一般電感器取得比較大,電感器和電容器常常是系統中最高、最大的組件,造成系統體積大。第2種方法的缺點是如果采用外加2只獨立的DC/DC變換器,保持輸出電壓+Vout、-Vout不變,DC/DC變換器的效率不可能是100%,自身長期損耗一部分功率,DC/DC變換器的內部有專用芯片,電路結構復雜,增加了成本。
技術實現要素:
本發明提供了一種正負輸出電壓抑制電路,解決了傳統抑制輸出電壓存在的體積大,損耗大,成本高,線路復雜,不便于集成的缺點。
本發明采用如下技術方案:一種正負輸出電壓抑制電路,由正端電壓基準源、正端采樣反饋、正端電壓比較電路、PMOSFET管、負端電壓基準源、負端采樣反饋、負端電壓比較電路、NMOSFET管組成;
正端電壓基準源由第一電阻R1、第一電壓基準IC1、第一電容C1組成;其中,第一電阻R1的一端與輸入正電源+Vin相連,另一端與第一比較器IC2的反相輸入腳相連;第一電壓基準IC1一端與第一比較器IC2的反相輸入腳2相連,另一端與公共地COM相連;第一電容C1一端與第一比較器IC2的反相輸入腳2相連,另一端與公共地COM相連;
正端采樣反饋由第四電阻R4、第五電阻R5組成;其中,第四電阻R4的一端與正端電壓設定值+Vout相連,另一端與第一比較器IC2的同相輸入腳3相連;第五電阻R5的一端與第一比較器IC2的同相輸入腳3相連,另一端與公共地COM相連;
正端電壓比較電路由第二電阻R2、第三電阻R3、第一比較器IC2組成;其中,第二電阻R2的一端與輸入正電源+Vin相連,另一端與PMOSFET管T1的柵級G1相連;第三電阻R3的一端與PMOSFET管T1的柵級G1相連,另一端與第一比較器IC2的輸出腳6相連;第一比較器IC2腳7與輸入正電源+Vin相連,第一比較器IC2腳4與公共地COM相連;
PMOSFET管由第二電容C2、P溝道場效應管T1組成;其中,第二電容C2一端與PMOSFET管T1的柵級G1相連,另一端與正端電壓設定值+Vout相連;PMOSFET管T1的源級S1與輸入正電源+Vin相連, PMOSFET管T1的漏級D1與正端電壓設定值+Vout相連;
負端電壓基準源由第六電阻R6、第二電壓基準IC3、第三電容C3組成;其中,第六電阻R6的一端與輸入負電源-Vin相連,另一端與第二比較器IC4的反相輸入腳2相連;第二電壓基準IC3一端與第二比較器IC4的反相輸入腳2相連,另一端與公共地COM相連;第三電容C3一端與第二比較器IC4的反相輸入腳2相連,另一端與公共地COM相連;
負端采樣反饋由第九電阻R9、第十電阻R10組成;其中,第九電阻R9的一端與公共地COM相連,另一端與第二比較器IC4的同相輸入腳3相連;第十電阻R10的一端與第二比較器IC4的同相輸入腳3相連,另一端與負端電壓設定值-Vout相連;
負端電壓比較電路由第七電阻R7、第八電阻R8、第二比較器IC4組成;其中,第七電阻R7的一端與第二比較器IC4的輸出腳6相連,另一端與NMOSFET管T2的柵級G2相連;第八電阻R8的一端與輸入負電源-Vin相連,另一端與NMOSFET管T2的柵級G2相連;第二比較器IC4腳7與公共地COM相連,第二比較器IC4腳4與輸入負電源-Vin相連;
NMOSFET管由第四電容C4、N溝道場效應管T2組成;其中,第四電容C4一端與NMOSFET管T2的柵級G2相連,另一端與負端電壓設定值-Vout相連;NMOSFET管T2的源級S2與輸入負電源-Vin相連, NMOSFET管T2的漏級D2與負端電壓設定值-Vout相連。
一種采用上述電路進行正負輸出電壓抑制的方法,具體包括以下步驟:
A.正電源由+Vin端輸入,經過PMOSFET管T1到正輸出電壓端+Vout,然后通過控制PMOSFET管T1的柵源電壓,使其工作在非飽和區、截止區或飽和區的開關轉換狀態,通過PMOSFET管T1的開關損耗將過壓能量轉換成熱能耗散,進而將輸入正電源的電壓抑制在設定值范圍以內,不超過正端后級電路工作電壓的最大值+Vout;
B.負電源由-Vin端輸入,經過NMOSFET管T2到負輸出電壓端-Vout,通過控制NMOSFET管T2的柵源電壓,使其工作在非飽和區、截止區或飽和區的開關轉換狀態,通過NMOSFET管T2的開關損耗將過壓能量轉換成熱能耗散,進而將輸入負電源的電壓抑制在設定值范圍以內,不超過負端后級電路工作電壓的最大值-Vout。
進一步的,上述P溝道場效應管T1替代由第二電容C2和P溝道場效應管T1組成的PMOSFE管;N溝道場效應管T2替代由第四電容C4、N溝道場效應管T2組成的NMOSFET管。
進一步的,上述正電壓基準源由第一電阻R1、第一電壓基準IC1提供,負電壓基準源由第六電阻R6、第二電壓基準IC3提供。
進一步的,上述IC1、IC3用穩壓管替代。
本發明的有益效果是:本發明由正端電壓基準源、正端采樣反饋、正端電壓比較電路、PMOSFET管、負端電壓基準源、負端采樣反饋、負端電壓比較電路、NMOSFET管組成,本發明電路的PMOSFET管、NMOSFET管長期工作在飽和區,漏、源極間壓降極低,發熱量極低,只有當直流供電系統的輸出電壓超出后級電路允許的最大工作電壓時,PMOSFET管、NMOSFET管才會工作在截止區或線性區,這時漏、源極間才有電壓降,轉換成熱能耗散掉,這種正負輸出電壓抑制電路應用靈活,原理簡單,導通內阻低,電壓降小,發熱量小,易于實現,產品可靠性高,結構緊湊,體積小巧。 本發明特別適用于寬輸入電壓范圍,需要對后極敏感電路進行保護的應用場合。在電子設備和控制系統中,由于各種各樣的原因,直流供電系統的輸出電壓有時會出現超過后級電路允許的最大工作電壓,乃至損毀后級電路。直流供電系統必須處理短時間的超出正常供電電壓情況,保持負載上的電壓穩定、同時避免敏感電路遭受危險,瞬間過電壓而損壞。電容C2、C4的加入防止高頻震蕩,電路更加可靠。
附圖說明
圖1. 現有技術中采用串聯電感器和電壓抑制器TVS的線路圖;
圖2. 現有技術中采用DC/DC變換器的線路圖;
圖3.本發明的正負輸出電壓抑制電路方框圖。
圖4.本發明的正負輸出電壓抑制電路圖。
具體實施方式
本發明由正端電壓基準源、正端采樣反饋、正端電壓比較電路、PMOSFET管、
負端電壓基準源、負端采樣反饋、負端電壓比較電路、NMOSFET管組成,如圖4所示,由第一電阻R1、第一電壓基準IC1、第一電容C1組成正端電壓基準源;其中,第一電阻R1的一端與輸入正電源+Vin相連,另一端與第一比較器IC2的反相輸入腳2相連;第一電壓基準IC1一端與第一比較器IC2的反相輸入腳2相連,另一端與公共地COM相連;第一電容C1一端與第一比較器IC2的反相輸入腳2相連,另一端與公共地COM相連;由第四電阻R4、第五電阻R5組成正端采樣反饋;其中,第四電阻R4的一端與正端電壓設定值+Vout相連,另一端與第一比較器IC2的同相輸入腳3相連;第五電阻R5的一端與第一比較器IC2的同相輸入腳3相連,另一端與公共地COM相連;由第二電阻R2、第三電阻R3、第一比較器IC2組成正端電壓比較電路;其中,第二電阻R2的一端與輸入正電源+Vin相連,另一端與PMOSFET管T1的柵級G1相連;第三電阻R3的一端與PMOSFET管T1的柵級G1相連,另一端與第一比較器IC2的輸出腳6相連;第一比較器IC2腳7與輸入正電源+Vin相連,第一比較器IC2腳4與公共地COM相連;由第二電容C2、P溝道場效應管T1組成PMOSFET管;其中,第二電容C2一端與PMOSFET管T1的柵級G1相連,另一端與正端電壓設定值+Vout相連;PMOSFET管T1的源級S1與輸入正電源+Vin相連, PMOSFET管T1的漏級D1與正端電壓設定值+Vout相連。由第六電阻R6、第二電壓基準IC3、第三電容C3組成負端電壓基準源;其中,第六電阻R6的一端與輸入負電源-Vin相連,另一端與第二比較器IC4的反相輸入腳2相連;第二電壓基準IC3一端與第二比較器IC4的反相輸入腳2相連,另一端與公共地COM相連;第三電容C3一端與第二比較器IC4的反相輸入腳2相連,另一端與公共地COM相連;由第九電阻R9、第十電阻R10組成負端采樣反饋;其中,第九電阻R9的一端與公共地COM相連,另一端與第二比較器IC4的同相輸入腳3相連;第十電阻R10的一端與第二比較器IC4的同相輸入腳3相連,另一端與負端電壓設定值-Vout相連;由第七電阻R7、第八電阻R8、第二比較器IC4組成負端電壓比較電路;其中,第七電阻R7的一端與第二比較器IC4的輸出腳6相連,另一端與NMOSFET管T2的柵級G2相連;第八電阻R8的一端與輸入負電源-Vin相連,另一端與NMOSFET管T2的柵級G2相連;由第四電容C4、N溝道場效應管T2組成NMOSFET管;其中,第四電容C4一端與NMOSFET管T2的柵級G2相連,另一端與負端電壓設定值-Vout相連;NMOSFET管T2的源級S2與輸入負電源-Vin相連, NMOSFET管T2的漏級D2與負端電壓設定值-Vout相連。
如圖3、4 所示,輸入正電源由+Vin端輸入,經過PMOSFET管T1到正輸出電壓端+Vout,通過控制PMOSFET管T1的柵源電壓,使其工作在非飽和區、截止區或飽和區的開關轉換狀態,通過PMOSFET管T1的開關損耗將過壓能量轉換成熱能耗散,進而將輸入正電源的電壓抑制在設定值范圍以內,不超過正端后級電路工作電壓的最大值+Vout。
輸入負電源由-Vin端輸入,經過NMOSFET管T2到負輸出電壓端-Vout,通過控制NMOSFET管T2的柵源電壓,使其工作在非飽和區、截止區或飽和區的開關轉換狀態,通過NMOSFET管T2的開關損耗將過壓能量轉換成熱能耗散,進而將輸入負電源的電壓抑制在設定值范圍以內,不超過負端后級電路工作電壓的最大值-Vout。
實施例1
由第一電阻R1、第一電壓基準IC1、第一電容C1組成正端電壓基準源,給第一比較器IC2的反相輸入腳2提供基準電壓2.5V。由第四電阻R4、第五電阻R5組成正端采樣反饋,給第一比較器IC2的同相輸入腳3提供正端采樣反饋電壓,通過第四電阻R4、第五電阻R5設置輸出正端的電壓設定值+Vout,
當正電源輸入電壓+Vin不超過正端后極電路最大工作電壓+Vout時,正端輸出電壓+Vout的采樣電壓小于基準電壓2.5V,第一比較器IC2輸出低電平,柵源電壓VGS<VGS(th),PMOSE管T1飽和導通。當正端輸出電壓+Vout的采樣電壓大于基準電壓2.5V,第一比較器IC2輸出高電平,柵源電壓VGS>VGS(th),PMOSE管T1截止。然后,輸出電壓下降,正端輸出電壓+Vout的采樣電壓小于基準電壓2.5V,第一比較器IC2輸出低電平,柵源電壓VGS<VGS(th),PMOSE管T1飽和導通。如此循環控制PMOSE管T1,使正端輸出電壓不高于設定值+Vout。
由第六電阻R6、第二電壓基準IC3、第三電容C3組成負端電壓基準源,給第二比較器IC4的反相輸入腳2提供基準電壓-2.5V。由第九電阻R9、第十電阻R10組成負端采樣反饋,給第二比較器IC4的同相輸入腳3提供負端采樣反饋電壓,通過第九電阻R9、第十電阻R10設置輸出負端電壓的設定值-Vout,當負電源輸入電壓-Vin不超過負端后極電路最大工作電壓-Vout時,負端輸出電壓-Vout 的采樣電壓大于基準電壓-2.5V,第二比較器IC4輸出高電平,柵源電壓VGS>VGS(th),NMOSE管T2飽和導通。當負端輸出電壓-Vout的采樣電壓小于基準電壓-2.5V,第二比較器IC4輸出低電平,柵源電壓VGS<VGS(th),NMOSE管T2截止。然后,輸出電壓下降,負端輸出電壓-Vout的采樣電壓大于基準電壓-2.5V,第二比較器IC4輸出高電平,柵源電壓VGS>VGS(th),NMOSE管T2飽和導通。如此循環控制NMOSE管,使負端輸出電壓不高于設定值-Vout 。
本發明圖4中的第二電容C2、第四電容C4如去掉也可實現正負輸出電壓抑制的效果。本發明也可由第一電阻R1、第一電壓基準IC1提供正電壓基準源,第六電阻R6、第二電壓基準IC3提供負電壓基準源,IC1、IC3可以用穩壓管替代。